[디스플레이] OLED 전하수송층의 소재 / P-Doping 과 N-Doping

정공주입층, 정공수송층 소재를 선택하기 위해서는 다음과 같은 특성을 고려해야 할 것입니다.

 

★ Energy Level

- HOMO-LUMO 갭을 가지고 판단하는 것인데 이게 구동전류&전압을 좌우하기 때문입니다. 

 

★ Mobility

- 전자의 이동도 역시 빠르게 전달하는 것도 중요사항 중 하나입니다.

 

★ Emtting Wavelength

- 색좌표를 좌우하는 것입니다. 발광파장이 장파장이냐 단파장이냐에 따라 RGB 구현을 잘 할수 있으니까요.

 

★ Thermal Stability

- 열 안정성입니다. 제작 공정 자체가 유기물질에 열을 가하는 것이기 때문에 높은 온도에서 유기물이 지속적으로 가해지는 것인데 이 상황에서 안정성을 갖게 해야합니다. 즉, 유기물질의 분해 온도를 파악하고 이것이 높은 재질을 써야 유리합니다. 

 

 

자세히 보겠습니다. 먼저 정공주입층 쪽입니다.

1) HOMO

먼저 HOMO레벨에 관한 것입니다. 이 HOMO 레벨을 잘 맞춰놔야 발광을 적절히 낼 수 있는데요. 

만약 HOMO-LUMO갭이 크면 Transport가 일어나기 힘드니까 HOMO레벨을 올려놓기 위해 '질소'물질을 사용합니다. (아민)

대표적인게 DNTPD라는 물질 혹은 Spiro-TPD라는 물질입니다. 보통의 HOMO레벨은 5.1eV의 에너지 레벨을 가집니다.

아무튼 질소의 개수에 따라서 HOMO레벨을 조절할 수 있습니다. 

 

2) Mobility는 어떻게?

전하이동도를 높이기 위해서는 정공주입층의 결정구조가 결정화가 되지 않은 Uniformly한 무정형 필름을 사용해야 합니다. 뿐만 아니라 이것은 표면의 Roughness까지도 커버해주기 때문에 누설전류를 일으키는 것을 막아줍니다.

 

3) 열 안정성에 대하여

- 유리전이온도가 높아야 합니다. 열 안정성을 높인다는 것은 유기물에 가해지는 열을 줄이기 위해 이 열을 커버해줄 수 있는 재질이 필요하단 것입니다. 유리전이온도가 높을수록 내열성이 크다! 라고 보시면 되겠습니다. 

 

4) ITO 투명전극

- ITO는 빛을 송출시키기 위해 Anode층에 쓰이는 재료입니다. 

 

5) EML층에서 생성된 광자는 Anode층으로 나가기 때문에 HTL HIL Anode 층으로 지나가게 됩니다. 

따라서 이 광자를 흡수하면 광자 효율성이 떨어지기 때문에 흡수율이 낮은 재질을 사용해야할 것입니다.

 

 

이번에는 정공수송층 소재입니다. 

1) 마찬가지로 높은 홀 모빌리티를 가져야 좋겠죠?

2) 정공주입층과 별 다를 것 없이 질소물질이 필요합니다. 왜냐? 얘 역시 에너지 레벨을 높여야 하거든요. 

정공주입층보다 약간 높여야하기 때문에 질소물질이 좀 더 많이 필요하겠죠? 주로쓰이는 것은 TCTA입니다. 

레벨은 5.5eV정도입니다.  반대로 LUMO값을 낮춰야 합니다. 전자를 블록하기 위함이죠.

OLED 전하수송층

3) 유리전이온도도 높아야되고 무정형의 Uniformly한 필름을 재질로 하는것도 다 동일합니다.

다만 하나 중요한게 있습니다. 엑시톤을 블로킹하기 위해서 높은 트리플렛 에너지를 가져야 합니다. 

HTL의 경우는 EML이랑 바로 붙어있습니다. 이 때, HTL의 트리플렛 에너지가 낮다면 전자가 누설될 수 있기 때문에 이를 박기 위해서 배리어를 쌓는 것이죠.  위에 그림보시면 EML과 ETL사이의 배리어에 비해 HTL과 EML  사이의 배리어가 더 큰것을 알 수 있습니다. 

 

▶ P-Doping 기술

- P도핑 기술은  디바이스의 모빌리티를 높이기 위해 정공을 가지고 캐리어의 양을 늘리는 기술을 말합니다. 전기전도도와 모빌리티는 서로 비례관계에 있는데요. 결정면에 대한 문제를 해결하는 접근방법도 좋지만  전하를 수송하는 운반자들. (캐리어)의 양을 늘리는 것도 하나의 방법입니다. 

 

이번에는 전자수송층 소재에 관한 것입니다.

OLED의 수송층에는 항상 HOMO-LUMO의 레벨을 조정할 물질로 아민(질소)의 개수에 따라 결정하는 것으로 합니다. 

LUMO레벨은 3.0eV정도구요.  홀을 블로킹하기 위해 적절한 HOMO 레벨의 값을 갖고 있어야 합니다.

 

N-Doping 전자수송층 소재

- P도핑과 다르게 전자를 가지고 캐리어의 양을 늘리는 기술입니다. 이 도핑기술이란게 왜 중요하냐면 OLED를 구동시키는데 필요한 전류의 양 대비 응답속도를 높이기 위함입니다. 그렇기 때문에 HTL은 p도핑 / ETL은 n도핑 / 발광층은 그냥 도핑없이 가면 됩니다. 

 

▶ 발광층의 소재

- 발광은 형광과 인광으로 나뉘구요. 발광효율을 보면 내부 광자효율과 외부 광자효율로 나뉘는데요. 

형광이 가지는 내부광자효율은 25%고, 인광의 내부광자효율은 100%입니다. (어떤 교재 혹은 블로그에서는 75%라고 할떄가 있는데요. 이거는 제가 자세히 알아보겠습니다.) 

형광이 가지는 라이프타임은 나노세컨드 단위지만 인광의 경우는 마이크로세컨드 단위라서 발광시간은 인광이 더 깁니다. 

발광층은 캐리어에 주입된 정공과 전자들이 수송되어져서 만나는 곳입니다. 그 다음은 실제로 발광하는 물질인 도펀트로 전달이 되구요. 이 도펀트를 도와주는 물질이 호스트입니다. 

정공은 호스트 물질로 들어오구요. 호스트 물질로 전자가 조금씩 들어오면 '엑시톤'이 되는것이죠.  그러면 이 형성된 엑시톤의 에너지를 도펀트로 전달하는 것입니다. 그러면 도펀트가 이제 발광을 하는것이죠. 좀 더 자세히 발광과정을 말씀드린겁니다 ㅎㅎ

 

정리를 해보죠. Anode층 (양극에서 정공) Cathode층 (음극에서 전자) 이들은 캐리어에 각각 주입된 P도핑,N도핑된 상태로 수송되어집니다. 그리고 EML층으로 도달하게 되면 이들은 호스트물질로 편입되구요. 호스트 물질에서 엑시톤이 형성되면 이 엑시톤에너지를 도펀트로 전달합니다. 그러면 도펀트가 발광을 일으키는 것이죠. 

이 때 호스트에서는 싱글렛이 되던가 트리플렛이 되던가할텐데 이때 인광과 형광이 결정되는 것입니다.