투명한 이중금속 양전극을 사용한 유기 발광 소자에 대한 특성 연구

Abstract

유기물 박막에 음극(cathode)과 양극(anode)을 통하여 주입되는 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합으로 발생하는 exciton의 에너지 변화에 의해 특정 파장의 빛을 구현하는 소자를 OLED (Organic Light-Emitting Diode)라고 한다. 이는 1960년대 W. Helfrich 등에 의해서 전하주입형 EL(Electro Luminescence)개념으로 확립되었다[1]. 그러나 휘도적인 측면에서는 그다지 특이할만한 성과를 내지는 못하였다. 그 이후로 1980년대 코닥의 C. W. Tang 등이 휘도 측면에서 많은 증가를 보인 획기적인 유기EL소자의 특허를 출원함으로써 유기EL 디스플레이 연구의 가속화를 이룰 수 있었다[2,3]. 음극에서 전자가 주입되고, 양극에서 정공이 주입되어 발광층에서 전자와 정공이 만나 여기자를 형성하여 빛을 내는 매커니즘으로 이루어진다. OLED는 자발광?박형?경량?저소비전력?광시야각?고속응답성?고콘트라스트 등의 장점을 가지고 있으며 이러한 장점은 가속화되어 가는 Flat Panel Display (FPD) 경쟁 시장에서 OLED의 경쟁력을 더욱 강화시켜 주고있다[4,5]. FPD시장에서 LCD(Liquid Crystal Display)와 PDP(Plasma Display Panel)가 대형화의 추세로 TV시장을 잠식해 가고 있는데 반해서 유기EL은 시간과 장소의 제약에 관계없이 어디서든 사용할 수 있는 꿈의 디스플레이 시장인 유비쿼터스에 도전하고 있다. OLED의 양전극으로 ITO(Indium Tin Oxide)가 널리 상용화 되어 사용되고 있는데 이것은 ITO가 유리기판에 박막으로 증착 되었을 경우 10 이상으로 전기전도도가 높을 뿐만 아니라 가시광선 투과도 역시 90%에 근접할 정도로 높기 때문이다. 그러나 아연과 함께 산출되는 인듐의 존재량은 지각에 존재하는 철의 1ppm 정도로 매우 희소하기 때문에 향후 10년내 전 세계적인 인듐 자원의 고갈이 예상되는 데에 따른 원료수급이 불안정하여 최근 인듐의 가격이 급등하고 있다. 따라서 이로 인한 연구를 필요로 하게 되었고 이 실험에서 ITO를 대체 할 수 있는 이중금속(double metal) 구조의 양전극을 제안하였다. 본 연구에서는 양극으로는 금:알루미늄 (O2 plasma treatment)를 사용하였고 음극은 알루미늄을 증착하여 모든 전극 및 유기물층은 증착(thermal evaporation)을 통해서 증착되었기 때문에 기존에 ITO 증착에 따른 추가 공정 또한 필요로 하지 않는다. 또한 Au의 두께를 변화시켜 전류와 발광의 최적 조건을 찾아 그 소자의 특성을 평가 분석하였다. 그 결과 양전극층에 금(Au)과 알루미늄(Al)을 사용함으로써 정공의 주입을 획기적으로 증가 시켰다. 증착된 알루미늄층이 oxygen plasma를 통해서 산화알루미늄(Al2O3)층으로 변형되고 정공이 절연 산화알루미늄(Insulating Al2O3) 층을 가로지르는 터널링(tunneling)이 발생하고 표면(Morphology) 특성 또한 향상된다. 얇은 Al2O3 층의 정공주입 향상으로 8.4 V에서 1110 mA/cm2의 전류밀도(current density) 특성과 9830 cd/m2의 밝기(luminance) 특성을 얻을 수 있었다.; The choice of anode material for the organic light-emitting device(OLED) is based on several criteria. The anode in a conventional OLEDs must have good optical transparency, good electrical conductivity and chemical stability, and a work function that lies near the highest occupied molecular orbital (HOMO) levels of the organic materials to which it injects holes. Indium tin oxide(ITO) is generally suitable for these criteria and is the most widely used anode material in OLEDs. Many efforts have been made to improve the device performance. But ITO as an anode of organic light-emitting devices(OLEDs) structure has a serious problem. First of all, shortage of indium material increase cost, tin diffusion causes low efficiency, and unstable surface morphology leads pin-hole problem. On this reason, many researches for the substitution of ITO material have been studied. In this work, a gold and aluminum layer was investigated as an anode for OLEDs. By pretreating the ultrathin aluminum layer in an oxygen (O2) plasma, the hole injection from the metal anode to the organic layer was greatly enhanced. The fabricated OLEDs demonstrated a improved current density and luminance characteristics as compared with other devices using a gold anode and an aluminum layer not treated with an oxygen plasma.