[유기발광소재]유기 발광 물질 3부

유기 EL의 구성재료

유기 EL에서 사용되는 모든 재료들의 바람직한 특성은 순도가 높아야 하며 가능하면 진공증착이 가능하도록 적당한 분자량을 가져야 한다. 또한 유리전이온도와 열분해온도에서 높은 열안정성을 나타내야 하며 소자 작동시 발생하는 Joule 열로 야기되는 결정화에 의한 소자의 파괴를 방지하기 위해 무정형이어야 하며 인접한 다른 층과의 접착력은 좋은 반면 다른 층으로 이동하지 않아야 한다.

① 정공(Hole) 주입 및 전달 재료

정공주입 재료는 양극으로부터의 정공주입을 용이하게 해주어 궁극적으로 소자의 효율을 개선시키며 수명을 증가시키는 재료이다.

정공주입 장벽을 낮추기 위해서는 양극인 ITO(Indium Tin Oxide)와 이온화 에너지(ionization potential)가 비슷하고 ITO와의 계면접착력이 높아야 하며 외부양자 효율을 높이기 위해서는 가시광 영역에서의 흡수가 가능한 한 없어야 한다. 널리 사용되는 프탈로시아닌 구리 (CuPC : Copper Phthalocyanine)는 열 및 산화 안정성은 매우 높으나 가시광선영역에서의 흡수가 문제이다.

그림 1

정공 전달 재료는 그림<1>에서 보여주는 바와 같이, 일반적으로 방향족 amine 계열의 유도체가 사용되는데, 사진 감광제로 개발된 TPD의 경우, 이온화 에너지가 5.4 eV에 불과하고 증착된 박막의 정공 이동도가 10-3cm2/V로 높아서 정공 전달 재료로 이용되고 있다.

대개는 OLED용으로 별도의 저분자 정공 전달 재료가 개발되고 있으나, 최근에는 물리적 강도가 우수한 고분자 재료도 개발되어, 저분자 박막이 갖는 단점을 개선하여 소자의 수명을 개선하려는 시도가 있다.

정공전달 재료는 정공을 쉽게 운반시킬 뿐만 아니라 전자를 발광영역에 속박함으로서 여기자 형성확률을 높여주므로 정공전달 재료는 위에서 언급한 기본특성 외에도 정공이동도가 높은 물질이 바람직하다고 알려져 있다.

 

② 전자(Electron) 주입 및 전달 재료

전자전달재료는 음극으로부터 전자가 주입되었을 때 생성되는 음이온 라디칼을 안정화할 수 있는 전자당김체를 보유하고 있는 화합물이나 전자를 잘 수용할 수 있는 금속화합물이 주로 사용된다. 금속화합물의 경우 상대적으로 전자 이동도가 우수하므로 많이 사용되고 있으며 그 중에서도 가장 많이 알려진 것이 안정성이 우수하고 전자 친화도가 큰 Alq를 들 수 있다. 그러나 Alq는 다른층으로의 이동이 문제가 되므로 다른 목적과 병행하여 음극과의 사이에 전자 주입층 또는 절연층을, 발광층과의 사이에 정공 속박층을 두는 경우도 있다. 

그림 2

정공 속박층의 경우 발광층에서 넘어오는 정공이 전자 전달층으로 넘어가지 못하게 제어하는 기능을 가져야 하므로 이온화 에너지가 최소한 발광층보다 0.5eV 정도 큰 물질을 사용해야 한다. 그림<2>에서 보듯이, Alq 이외에도 1,3,4-oxadiazole 유도체와 1,2,4-triazole(TAZ) 유도체가 전자 전달 재료로 사용되는데, 특히 TAZ는 이온화 에너지(5.9 eV)가 높고 정공 주입을 막는 기능이 강해 주목을 받고 있다.

고분자 소자에서는 전자 수송성을 띠는 고분자계 물질이 적합하지 않아, 일반적으로 고분자 발광층 위에 Alq와 같은 저분자 전자 전달 재료를 증착한 적층 구조를 이용한다.

③ 유기 EL의 발광재료

일반적으로 발광재료는 빛의 삼원색인 적색.녹색.청색만 있으면 우리가 원하는 거의 모든 색을 발현할 수 있으나 빛을 혼합하는 경우 흰색에 가까워져 색도가 떨어지는 경우가 있으므로 완벽한 색의 구현을 위해서는 노란색과 주황색을 구비하는 것이 좋다.

이러한 유기 EL의 발광물질의 재료에는 저분자 계열과 고분자 계열이 있는데,저분자 계열은 진공증착방식에 의하여 기판에 박막을 형성시키는 반면, 고분자 계열은 용액상을 spin coating 방식을 이용하여 기판상에 막막을 형성시킨다. 이러한 발광재료에 요구되는 몇가지 특성으로는 첫째 고체상태에서 형광양자 수율이 좋아야 하고 둘째 전자와 정공의 이동도가 높아야하며 셋째 진공증착시 쉽게 분리되지 않아야 하고 마지막으로 균일한 박막을 형성하여 안정화하여야 한다.

저분자 계열의 재료는 분자 구조 면에서 금속 착화합물과 금속을 포함하지 않는 순수 유기물로 구분을 할 수 있다. Alq(tris-(8-hydroxyquinoline)aluminium)와 BeBq2(bis(benzo- quinoline)berellium) 등은 전자 수송 특성이 뛰어난 녹색 발광체로 알려져 있는데, 이들은 진공 증착 시 박막 형성 후에도 결함이 없는 특성을 유지하는 장점을 가지고 있다. 다른 형태의 금속 착물로는 희토류 금속 착화합물이 색순도가 좋은 발광을 보여주는 것으로 보고되어 있다. 예를 들면, europium 착화합물(Eu(DBM)3(phen))은 615 nm 부근에서 순도 높은 적색 발광을 보여 주는 것으로 보고되었다.

한편, 순수 유기물 구조에서는 DPVBi (4,4'-bis(2,2-diphenylethen-1-yl)-diphenyl)과 같은 재료가 고휘도 청색 발광을 보여주는 것으로 보고되고 있다. 소자의 발광 효율을 향상시키는 한가지 방법으로, 형광 양자 수율이 높은 물질을 dopant로 사용하여 발광색의 변환, 혼합 그리고 발광 효율을 향상시키는데 이용하기도 하는데, 이 때 host에 대한 dopant의 농도를 1-5 % 이내로 조절하여야 하는 소자 제조 공정의 어려움을 단점으로 갖고 있다. 잘 알려진 dopant의 종류와 구조는 그림<3>에서 나타내었다.

그림 3

고분자 발광 재료에는 PPV(poly-phenylenevinylene)과 PAT(poly-alkylthiophene) 등이 주로 사용되고 있는데, 특히 그림 <4>와 같은 π-공액 고분자 계열의 재료들이 주목을 받고 있다. 고분자에서는 적절한 정공과 전자 수송체를 치환기로 도입함으로써, 각 재료의 캐리어 수송 능력을 조절하고 있다.

그림 4

또한, 고분자의 구조 특성을 고려하여, 주사슬과 주변 사슬에 발광성 치환기를 반응시켜 우수한 발광 특성을 갖는 물질을 합성해 내기도 하는데, 예를 들면 PVK(poly-vinylcarbazole)과 같은 고휘도 청색 발광 재료가 여기에 해당된다.

[Chemistry/Organic Chemistry] - [유기발광소재]유기 발광 물질 1부

[Chemistry/Organic Chemistry] - [유기발광소재]유기 발광 물질 2부