고분자 OLED 구조 및 적층구조에 대해서 알아보자

고분자 OLED의 구조에 대해서 알아보자. 고분자 OLED의 구조와 에너지대에 의한 발광과정을 보여준다. 초기의 고분자 OLED는 발광층이 단층 구조로 투명 전극으로 코팅된 기판 위에 spin coating 법으로 소자를 제조하였지만, 동작전압,, 발광 효율이나 휘도를 최적화하기 위해 3층 이상의 구조로 향상하였다. 완충층은 양극 전극과 발광층 사이의 접착력을 개선하고, 정공 주입층의 역할을 하게 된다. 일반적으로는 고분자는 단분자가 공유결합하여 수백 개가 서로 연결된 구조를 하기 때문에 단분자에 비해 박막형성이 쉽고, 내충격성이 크다는 장점을 가진다. 따라서 초박막 형성을 이용하는 전자소자나 광학 소자로서 가장 적합한 소재이다. 그러나 완충층 위에 형성되는 발광층은 발광 고분자를 담은 용액으로 코팅하게 되는데 이러한 과정에서 완충층이 녹거나 미세하게 부풀어 오르는 경우가 발생할 수 있다. 이와 같은 현상을 방지하기 위해서는 완충층을 녹이지 않는 용매를 사용하여야 한다. 또한, 완충층의 성분이 가교결합에 의한 불용성 소재를 사용하지 않을 경우, 손상이 우려되기 때문에 OLED의 상용화에 있어 완충층의 선택은 매우 중요하다. OLED의 적층구조에 대해서 알아보자. OLED의 특성 중에 높은 발광효율과 낮은 구동 전압을 개선하기 위해서 적층 구조를 형성하게 되는데 , 전자와 정공을 효율적으로 수송하여 발광층에서 재결합시키기 위해 전자 수소층과 정공 수송층을 구성하게 된다.  그러나 OLED의 성능을 더욱 높이기 위해서는 더 많은 전하의 주입과 수송층을 구성한다. 즉, 양극 쪽에는 정공 주입층과 정공 수송층을 만들게 되는데 이는 양극에서의 에너지 장벽을 낮추어 정공 주입을 용이하게 하며, 따라서 양극 전극인 ITO의 일함수와 HIL의 에너지 준위 차이는 작아야 한다. 그리고 HTL은 발광층과 바로 접하기 때문에 HIL과는 다른 조건을 가져야 한다. 즉, HTL은 발광층과의 사이에 전하이동 화합물이나 여기 화합물 등과 같은 분자 간에 상호작용을 하지 말아야 한다. 음극 전극과 발광층 사이에도 전자 주입층과 전자 수소층의 2층 구조가 삽입된다. 이와 같은 구조는 음극에서 발광층으로 전자의 주입을 원활하게 하기 위해 에너지 장벽을 완하하고, 동시에 발광층에서의 여기자를 가두어 두는 효과를 하게 된다. 전하의 수송/주입층과 발광층 사이에 역할의 차이가 있는데, 전화의 수송층이나 주입층은 전자 혹은 정공 중에 하나만을 수송하는 단극성인 반면에 발광층은 기본적으로 재결합하기 위해 전자와 정공이 모두 이동하는 양극성을 가지며, 강한 발광 기능을 가지게 된다. 이와 같은 전하 주입 및 수송층을 도입함으로서 OLED의 발광 효율은 매우 개선되었다. 최근에는 소재에 대한 개발뿐만 아니라 내구성을 갖춘 해로운 소자 구조로서 전하의 수송 재료와 발광 재료를 혼합한 구조가 제시되고 있다. OLED는 형광 재료를 사용하여 최대 5% 정도의 외부 양자 효율을 얻을 뿐이다. 그러므로 하나의 OLED 소자로는 양자 효율을 개선하기 어려우며, 적층 구조를 취함으로서 양자 효율을 높일 수 있다. 예를 들어 OLED 소자를 직렬로 구성하면 각 소자로 흐르는 전류는 동일하여 각 소자에는 일정한 값의 양자 효율을 발광하게 된다. 적측형으로 구성된 OLED의 구조를 나타내는데 HTL, EML 및 ETL의 기본 구조를 발광 unit로 하여 여러 층을 직렬로 구성한다. 따라서 적층 수의 증가에 의해 방출하는 빛의 강도를 높이는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 구조는 적층 수에 비례하여 구동 전압은 커지지만, 각 소자에 전류는 일정하기 때문에 기본 적층의 구조의 증가에 의해 발광 효율도 증가한다. 여기서 CGL은 전자 주입이나 정공 주입의 양쪽 기능을 모두 갖춘다. 이러한 구조는 외형적으로 여러개의 발광 unit에 의해 발광 효융르 증가시키며, 또한 개별적으로 각 소자는 전류를 흘리면 빛을 얻을 수 있다. 이와 같은 소자의 특징으로는 고효율 발광이며, 내구성을 개선할 수 있다. 전부자 적츨형과 고부자 분산형 백색 OLED 의 구조를 나타낸다. 고부자 분산형 OLED의 경우, 폴리비닐카르바졸을 모체 재료로 사용하며, RGB 형광 재료를 소량으로 분산하여 백색을 구현하게 된다. 색소 분산형은 전하가 선택적으로 HOMO나 LUMO 준위가 낮은 적색 guest에 의해 trap되기도 한다. 따라서 적색 dopant의 양을 청색이나 녹색의 dopant보다 적게 첨가하여 전하의 trap을 맞추게 된다. 전하의 trap에의한 효과와 더불어 RGB 색소간에 에너지 이동의 균형도 고려하여야 한다. 이와 같이 고분자 분산형 OLED 색소의 dopant를 조절하여 비교적 용이하게 백색 발광을 구현할 수 있다. 한편 저분자 적측형의 OLED는 발광층을 서로 보색 관계로 형성하여 백색 발광을 실현하게 된다. 즉, 여러층을 서로 균일하게 발광시키기 위해 전자나 정공의 이동도를 조절하여 여기자를 생성하도록 하는 것이 바람직하다. 백색 OLED는 LCD용 Back light나 조명용 등으로 응용되며, RGB 발광을 얻기 위해 color filter가 필요하고, 이로 인하여 발광 효율이 떨어지는 단점을 가진다. ELD의 제조공정을 기술함에 있어, ELD를 소재의 분류에 따라 크게 분류하였듯이 IEDL와 OLED로 나누어 설명하기로 한다. 여러 색상의 형광체를 이용하여 단색이나 FULL Color를 구현할 수 있는 다양한 종류의 IELD가 개발되었다.