다공성 알루미나 박막을 사용한 유기발광소자의 외부양자효율 개선에 관한 연구

Abstract

나노크기의 구조물을 이용하여 유기발광소자 (Organic Light-Emitting Diode; OLED)의 외부 양자효율을 증진시키기 위한 실험을 진행하였다. 나노크기의 구조물로는 다공성 알루미나 (porous alumina)를 사용하였다. 다공성 알루미나는 육각형의 공기 기둥이 밀집되어 있는 모양으로 제조가 용이하며 동공의 크기를 수십에서 수백나노 정도의 크기로 조절할 수 있어 나노크기의 구조물을 만들거나 틀로 이용하는데 사용될 수 있다. 광학적으로는 광결정 (photonic crystal)의 성질을 갖고, 구조나 두께에 따라서 굴절률이 달라지기도 한다. 이러한 다공성 알루미나를 이용하여 OLED의 외부 양자효율 (external quantum efficiency)을 높이기 위한 실험을 하였다. 다공성 알루미나를 제조하기 위해서 두께 250 ㎛의 고순도 (99.999%) 알루미늄 호일 (aluminum foil)을 이용하였다. 먼저 전해연마 (electro polishing)를 통해 알루미늄의 표면 거칠기 (surface roughness)를 좋게 하였다. 전해연마는 HClO4와 EtOH를 1 : 4로 혼합한 용액에서 실시한다. 이때 전해질은 3°C를 유지하면서 1 ~ 2 분간 실시하였다. 전해연마 후 알루미늄은 거울과 같은 표면을 갖게 되는데 이 부분을 양극산화 (anodization)를 하게 된다. 양극산화는 0.3 M의 옥살산 (oxalic acid)에서 실시하였으며 전해연마와 같이 3°C를 유지하면서 약 4 ~ 8시간 정도를 실시한다. 음극 전극은 백금을 사용하였으며 마그네틱 바 (magnetic bar)를 사용하여 규칙적으로 저어주었다. 첫 번째 양극산화가 끝난 후 생성된 알루미나층을 보면 불규칙한 동공 (pore)들을 볼 수가 있는데, 이는 전해연마를 실시 했음에도 불구하고 남아있는 나노크기의 거칠기로 인하여 발생하게 된다. 이 때문에 첫 번째 양극산화로 생성된 알루미나층을 애칭을 통하여 제거하고 두 번째 양극산화를 실시한다. 알루미나층은 0.4 M 인산용액과 0.2 M 크롬산 용액의 혼합용액에 담그어 제거하였다. 두 번째 양극산화는 첫 번째와 같은 조건에서 시간만 원하는 두께에 따라 달리하여 실시한다. 이렇게 두 차례에 걸쳐 양극산화를 한 후 표면을 관찰해 보면 매우 규칙적인 모양의 다공성 알루미나 표면을 볼 수 있다. 본 실험에서는 양극산화 전압을 40 V, 50 V에서 실시하였고, 이로 인하여 생성된 다공성 알루미나의 셀과 동공의 크기는 각각 40 V일 때 약 100 nm, 약 35 nm, 50 V일 때 약 140 nm, 약 50 nm이었다. 두 번째 양극산화를 실시하고 알루미늄층을 제거하면 다공성 알루미나를 얻을 수 있게 된다. 실험을 위해 다섯개의 간단한 OLED를 제작하였으며 OLED의 구조는 유리기판 / ITO 전극 / NPB (50 nm) / Alq3 (60 nm) / Liq (2 nm) / Al 전극 (100 nm)이다. 다공성 알루미나는 유리기판의 외부에 부착하였고 부착하는 다공성 알루미나의 셀과 동공의 크기 및 장벽층 (barrier layer)의 유무에 따라 다섯 가지의 소자를 제작하였다. 이렇게 제작한 다공성 알루미나를 이용한 OLED의 전기적 광학적 특성을 알아보았다. 전기적 특성은 소자 내부의 구조가 같으므로 큰 차이가 없었다. 그러나 발광 휘도 대 전류밀도 특성에서는 소자들 간의 차가 발생하였으며 특히 동공확장 과정을 통하여 동공의 크기를 넓힌 소자는 다공성 알루미나를 부착하지 않은 소자에 비해 약 9%정도 발광효율이 좋아진 것을 관찰할 수 있었다. 또한 장벽층이 있는 다공성 알루미나를 부착한 소자에 비해 장벽층이 없는 다공성 알루미나를 부착한 소자의 발광효율이 좋은 것으로 나타나 다공성 알루미나의 셀, 동공의 크기 및 장벽층 유무 등의 구조를 최적화 한다면 충분히 외부 양자효율의 증진에 이용할 수 있다는 가능성을 보여주었다.