다층 구조를 가진 저분자 도포형 유기 EL소자 개발 성공

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-23

일본 과학기술진흥기구(JST) 전략적 이노베이션 창출추진 프로그램의 일환으로 수행된 연구에서 야마가타대학 연구진은 다층구조를 가진 저분자 도포형 백색 유기 일렉트로루미네선스 소자(유기 EL)의 개발에 성공하였다. 차세대 플라스틱 패널 디스플레이나 조명을 제작하는 과정에서 인쇄기술을 이용하는 저비용 도포형 유기 EL이 주목받고 있다. 유기 EL의 실용화를 위해서는 발광효율의 향상이 필요하다. 이를 위해서는 서로 다른 유기재료를 적층하여 전하 운송이나 발광의 기능을 각 층으로 분리하는 것이 효과적이다. 하지만 도포로 유기재료를 적층할 경우 도포 용매에 의한 하층의 재용해를 방지할 필요가 있다. 하지만 지금까지 하층에 사용할 수 있는 재료는 내용매성이 우수한 일부의 고분자재료에 한정되어 있기 때문에, 고순도화나 분자구조의 제어가 쉬운 저분자재료에서 적층구조를 형성하는 기술이 필요하다. 연구진은 17종류의 저분자 유기 EL재료 ([그림 1])의 박막(30nm)화한 경우 용해성을 상세하게 조사한 결과, 분자량이 증가하면서 알코올류의 용해성이 감소하는 분자량 800 정도를 역치로 불용화한다는 것을 밝혀내었다. ([그림 2) 연구진은 이 결과를 이용하여 알코올(2-프로판올)에 불용성을 보이는 저분자 13과 16을 호스트 재료로 하는 ‘발광층’을 형성하여, 그 상층에 저분자 전자수송재료(BPOPB: 2-propanol-soluble 1,3-bis (3-(diphenylphosphoryl)phenyl)benzene)를 2 프로판온을 사용하여 도포하여 막을 형성하여 ‘전자수송층’을 형성하였다. 또한 ‘전자수송층’과 ‘발광층’의 적층구조 박막의 표면에서 이온빔을 조사하여 에칭과 비행시간형 2차이온질량 분석(TOF-SIMS)을 활용하여 박막의 깊이 방향의 조성을 측정하였다. 그 결과 발광층 성분의 재용해가 억제되어 적층구조가 형성되어 두 가지 층이 혼합되지 않고 적층되어 있다는 것을 밝혀내었다. 상기한 전자수송층과 발광층의 적층구조를 이용하여, 도표형 백색유기 EL소자([그림 3])를 제작한 결과 휘도 100(cdm-2) 시 세계 최고 수준의 전력효율 34(1m W-1)를 보여주었다. 또한 반구 렌즈를 이용한 유리 기판과 공기계면에서 전반사하는 광을 분리하는 것으로 시판 형광등이나 LED조명의 필적하는 76(1m W-1)까지 고효율화에 성공하였다. 본 연구에 의해 저분자 유기 EL재료를 도포하여 적층하는 기술을 확립하는 것이 가능하게 되었다. 저분자 재료는 고분자 재료보다 재료의 고순도화나 분자 구조의 제어가 용이하여 도포형 유기 EL소자의 고성능화를 위한 재료 개발이 가속화될 것으로 기대된다. 이후 도포에 의한 복수의 유기 EL 유닛을 적층하여 소자구조를 형성하는 것으로 고휘도시의 발광효율의 저하 억제나 장수명화를 실현하여 도포형 유기 EL의 조기실용화를 목표로 한다. 본 연구는 2014년 12월 18일자 ‘Nature Communications’에 “Solution-processed multilayer small-molecule light-emitting devices with high-efficiency white-light emission”라는 제목의 논문으로 공개되었다. [그림 1] 17종류의 분자유기 EL재료 (카르바졸계 저분자 유기 EL재료) [그림 2] [그림 1] 재료의 알코올류의 용해성 [그림 3] 발광층과 전자수송층의 적층구조를 이용하여 제작한, 도포형 백색유기 EL소자 zu1-2.gif zu2-2.gif zu3-2.gif http://www.jst.go.jp/pr/announce/20141218/index.html