플러렌이 포함된 정공수송층을 사용한 고분자발광소자의 전기적 광학적 특성에 대한 연구

Abstract

본 연구에서는 플러렌(fullerene:C_(60))과 고분자 화합물을 정공 수송 층으로 포함하는 유기 발광 소자의 전기적 및 광학적 특성을 조사하기 위하여 전압(voltage)에 따른 전류 밀도(current density)와 발광 휘도(luminance), 및 Commission Internationale de l’Eclairage (CIE) 좌표를 측정하였다. 유기 발광 소자는 양극 전극으로 투명한 ITO(indium-tin-oxide)가 패터닝(patterning)되어 있는 기판 위에 정공 주입 층으로 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT):poly(styrene sulfonate)(PSS) 및 정공 수송 층으로 poly[2-methoxy-5-(2′-ethyl-hexoxy-p-phenylene vinylene](MEH-PPV)의 고분자 화합물을 스핀 코팅 방법으로 도포하고, 녹색 발광 층과 전자 수송 층으로 tris-(8-hydroxy quinoline)aluminum (Alq₃), 전자 주입 층으로 lithium quinolate(Liq), 및 음극 전극으로 aluminum(Al)을 진공 증착 방법으로 형성하는 것으로 제작되었다. C_(60)의 강한 전자 엑셉터(electron accepter) 특성을 이용하기 위하여 C_(60) 또는 MEH-PPV만으로 이루어진 정공 수송 층을 포함하거나 8 w%의 C_(60)과 MEH-PPV을 섞은 혼합 물질로 이루어진 정공 수송 층을 포함하는 소자들을 각각 제작하였다. 고분자 화합물인 PEDOT:PSS와 MEH-PPV 및 C_(60)은 유기 용매에 용해되어 용액으로 제작된 다음 코팅되고 Alq₃, Liq와 같은 저분자 화합물 및 금속 전극은 진공 챔버(chamber) 내에서 승화되어 증착된다. 고분자 화합물을 이용하여 다층 구조의 유기 발광 소자를 제작할 경우, 고분자 화합물의 유기 용매는 하층에 도포된 고분자 화합물에 대해 용해도가 없어야 하고 그것의 용질인 고분자 화합물의 유리 전이 온도(Tg)보다 끓는 점이 높지 않아야 한다. 본 실험에서 제작된 유기 발광 소자의 전류 밀도 및 발광 휘도 특성을 분석하기 위하여 C_(60)과 MEH-PPV 및 PEDOT:PSS의 LUMO 준위를 비교해 보면 각각 -3.6 , -4.9, 및 -5.2로, 낮은 LUMO 준위를 갖고 전자 친화도(electron affinity)가 높은 C_(60) 층에 전자가 트랩(trap)될 가능성이 매우 높고, 트랩된 전자에 의한 정전기적 인력으로 정공의 주입 및 수송 특성이 향상되어 정공 수송 층의 전도성이 증가한다는 것을 알 수 있다. 따라서 C_(60)을 포함하고 있는 소자에서 우수한 전류 밀도 및 발광 휘도 특성을 관찰할 수 있다. 또한 C_(60)을 정공 수송 층에 포함하고 있는 소자에서는 트랩된 전자와 그로 인해 주입된 정공이 발광 층 내에서 효율적으로 재결합하여 엑시톤을 생성함으로써 최대 발광 효율이 2.0 cd/A까지 증가하였다. 전압의 변화에 따른 CIE 좌표의 변화는 C_(60)만을 포함한 소자에서 가장 작게 측정되었는데, 이는 정공 수송 층의 전도성 증가로 인해 전자와 정공의 재결합 영역이 발광 층 방향으로 이동하였기 때문이다. 따라서 C_(60)과 같이 강한 전자 억셉터 특성을 가진 물질을 정공 수송 층에 포함시켜 전하의 주입과 이동을 효율적으로 제어함으로써 우수한 색 안정성과 높은 발광 효율을 가진 유기 발광 소자 제작할 수 있다.; The electrical and the optical properties of organic light-emitting devices (OLEDs) utilizing a nano-polymer composite consisting of a fullerene (C_(60)) and poly(2-methoxy 5-[2’-ethylhexyloxy]-pphenylenevinylene)(MEH-PPV) as a hole transporting layer (HTL) were investigated by measuring current density-voltage and luminance-voltage and Commission Internationale de l'Eclairage(CIE) coordinates. The samples used in this study were deposited on indium-tin-oxide (ITO) coated glass substrates by using spin-coating and organic molecular-beam deposition (OMBD), and consisted of the following structures from the top: an Al cathode electrode, a lithium quinolate electron injection layer, an tris-(8-hydroxy quinoline)aluminum (Alq₃) electron transporting layer (ETL) or emitting layer (EML), three kinds of HTLs, a poly(3,4)-ethylene dioxythiophene (PEDOT):poly(styrene sulfonate) (PSS) hole injection layer, and an ITO coated glass substrate. The HTLs consist of C_(60) and MEH-PPV, and composite of C_(60) and MEH-PPV blended at ratio of 8:92. The organic solvents of polymer materials must not solve the polymer materials in under layer and its boiling point is lower than glass transition temperature (Tg) of polymer materials solved it for manufacturing multi-layer OLED constituted polymer materials. The lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) levels of PEDOT:PSS, MEH-PPV and C_(60) are -5.2, -4.9, and -3.6, respectively. The current densities and the luminances of OLEDs containing a C_(60) are very high because the C_(60) in the HTL can act as a strong electron trap site due to the high electron affinity, resulting in an increase in conductivity of HTL. The maximum luminance efficiency of OLED containing C_(60) is 2.0 cd/A, resulting from an increase in electron injection from the cathode into the EML because C_(60) molecules act as a very strong electron acceptor. The decrease in the variation of color coordinates in the OLEDs containing C_(60) is attributed to the existence of the recombination region existing in the center of the EML of OLEDs containing only C_(60) as a HTL, resulting in an enhancement of the device reliability due to the increase in the color stability. These results indicate that the color stabilized and the high efficient OLEDs fabricated utilizing a strong electron accepter C_(60) layer acting as a HTL hold promising for potential applications as polymer based display devices.