용매에 녹는 Alq3가 달린 고분자를 이용해 제작된 OLED의 주요 특성과 효율적 구조

Abstract

본 실험은 본교 유기화학 연구팀에서 합성된 Alq₃가 달린 고분자 poly-Alq₃의 기본적 광발광(Photoluminescence)성질을 관찰하여 OLED 소자재료로 그 타당성을 확인하였고, 다음으로 습식공정을 통한 소자제작이 가능한지를 실제로 spin-coating을 이용해 확인하였다. 먼저 poly-Alq₃의 PL측정을 통해, 발광저분자 Alq₃와 중추(backbone)고분자를 형성하는 스틸벤 유도체(stilbene derivative)의 여기과정 및 광발광 근원을 규명하면서 Alq₃의 고유 PL 성질이 잘 유지됨을 확인하였다. poly-Alq₃만을 발광층으로 사용한 시범 EL소자의 경우, Alq₃의 뛰어난 전자 수송력과 초록색의 고유 EL을 유지하고 있었으나, 정공(hole) 부족으로 인해 여기자(exciton)의 드문 형성 및 낮은 발광성 재결합(radiative recombination)으로 매우 낮은 EL 효율을 보였다. 따라서, 원활한 정공(hole) 수송을 위해 정공 수송 물질(hole-transporting material)로 잘 알려진 NPB를 혼합하였고, 이에 따라 새로운 에너지 전달관계(Forster energy transfer)가 발생하면서 PL에도 변화가 일어남을 확인하면서, 이 혼합물로 EL 소자 만들기를 시도하였다. EL 소자 제작 시, 일반적인 경우 NPB는 열증착 방식을 이용해 단독으로 하나의 층을 형성시키는 것이 보통이지만, 강한 산성 용매에 녹아 있는 poly-Alq₃를 더 할 경우 NPB층이 지워지는 문제가 발생할 뿐만 아니라, 습식공정 목적에 다소 벗어났다. 따라서 NPB를 poly-Alq₃와 같은 용매(THF)에 녹여 혼합함으로써, spin-coating을 이용한 습식공정으로 발광층(EML)을 형성할 수 있었고, EL 성능은 poly-Alq₃만을 발광층으로 사용했을 때보다 한층 더 개선될 수 있었다. 하지만 여전히 많은 정공(hole)들은 발광층에서 전자(electron)와 발광성 재결합을 하지 못하고 빠져나갔다. 그러므로 이 빠져나가는 정공들을 발광층에 가두기 위해서, HOMO 준위가 더욱 낮은 Bebq2를 발광층과 전극사이에 삽입하였다. 그 결과, 예측된 바와 같이 발광층에서 전극으로 빠져나가는 정공들이 효과적으로 차단될 수 있었고 매우 우수한 EL성능을 보였다. 이 소자는 기존 poly-Alq₃만을 사용한 시범소자에 비해서는 ~10⁴배, NPB와 혼합한 발광층을 사용한 소자에 비해서는 최대 250배 가량 향상된 EL 휘도를 보였으며, 전체적으로 비슷한 수준의 전류밀도를 유지하면서도 낮은 turn-on 전압을 보였다. 결과적으로 본 실험을 통해, 우수한 발광성질을 가진 저분자를 고분자로 합성하여 용매에 잘 녹을 수 있도록 하는 것은, 현재 OLED 제작 시 대두되고 있는 고효율에 비해 높은 제작비용의 문제를 습식공정으로 해결 할 수 있는 방법임을 확인 할 수 있었다. 뿐만 아니라, 이런 의도로 합성된 기능성 고분자를 실제 소자에 적용시킬 때 발생되는 문제들, 즉 광물리적 특성 변화와 NPB의 특정 혼합비 등을 미리 관찰함으로써, 향후 다른 기능성 발광고분자를 합성하고, 그것을 실제소자로 실현시키는데 필요한 토대를 마련했다 할 수 있다.