Efficient Opto-Electronic Materials and Devices for Printable Light-Emitting Display

Abstract

최근 발광 다이오드를 이용한 능동 행렬(active matrix) 구동 방식의 디스플레이는 높은 명암비와 색 재현성, 발광 효율(luminous efficacy), 가벼운 무게 등의 장점으로 주목받고 있다. 대표적으로 현재 상용화되어 있는 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED)의 점유율은 휴대기기 디스플레이 시장에서 급격하게 증가하며 60%를 넘어섰다. 반면 대형 디스플레이에서는 셰도우 마스크(shadow mask)가 처지는 증착 공정 상 문제로 인해, 용액 공정 기술의 필요성이 대두된다. 인쇄형 디스플레이 기술은 대형화 외에도 공정이 단순하면서 생산 속도를 크게 높일 수 있다는 장점이 있다. 용액 공정에 기반한 LED와 장효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET)는 인쇄형 디스플레이의 제작을 위한 핵심 기술이다. LED에 도입이 시도되고 있는 할라이드 페로브스카이트는 높은 색 순도와, 밝기, 고효율을 달성하기 유리하다는 잠재성으로 인해 용액 공정 기반 LED를 위한 유망한 물질로 떠오르고 있다. 그러나페로브스카이트 LED(perovskite LED, PeLED)의 외부 양자 효율(external quantum efficiency, EQE)이 다른 LED 기술과 격차가 여전히 남아있기 때문에, EQE 격차를 줄이기 위한 다양한 방법들이 제안되고 있다. PeLED의 EQE 손실은 비방사 재결합(nonradiative recombination)을 야기하는 에너지 트랩과 높은 굴절률로 발생하는 전반사에 의한 광-트랩에 크게 연관되 있다. 본 연구에서는, 페로브스카이트 표면 트랩 제거를 위해 유기 이온을 함유한 신규 공액 올리고전해질(COE)을 패시베이터로 도입하여 페로브스카이트 박막의 형광(photoluminescence)을 크게 증가시켜 PeLED의 효율을 개선하였다. COE 패시베이션을 통해 무기 페로브스카이트 다결정성 박막의 Urbach tail 에너지가 30.6 eV까지 감소하였다. 또한 COE는 기존의 암모늄 기반 패시베이터와 같이 박막의 수명을 크게 증가켰고, 또한 기존 고분자 전해질과 같이 유효 일함수를 변화시키는 특성을 보였다. COE는 페로브스카이트 보완하는 다기능성 패시베이터로서 기존 패시베이터 사이의 부조화 효과를 해결함으로서, 차기 연구에 중요한 방향을 제시해 줄 것이다. 전자 이동도와 정공 이동도가 균형을 이루는 양극성(ambipolar) 장효과 트랜지스터(FET)는 빠른 반응속도와 낮은 잡음을 갖는 고성능 유기 상보성 회로를 구현하는 데 매우 중요하다. 본 연구에서 우리는 여태껏 구현되지 못했던 다른 활성층 구조를 갖는 양극성 FET 소자를 구현하였다. 특히 양극성 FET의 활성층에 이중층 구조를 성공적으로 도입하였으며, 활성층 물질로 기존 전자 주개 단위체인 benzodithiophene (BDTT)와 새로운 전자 받개 단위체인 2,5-dioctyl-4,6-di(thiophen-2-yl)pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,3(2H,5H)-dione(PPD)로 이루어진 신고분자 물질을 정공 수송 물질로 이용하고 [6,6]-penyl-C61-butyric-acid-methyl-ester(PCBM)을 전자 수송 물질로 이용하였다. n++ Si/ SiO2 기판위에 서로 다른 용해도를 갖는 용매를 이용하여 PBDTTPPD/ PCBM를 이중층 구조로 제작한 후, 그 위에 소스/ 드레인 전극으로 Au를 증착하였다. 제작된 FET에서는 n 타입 동작과 p 타입 동작이 모두 관측되었으며, 알려진 것과 같은 양극성 전류 특성 곡선이 나타났다. 또한 PBDTTPPD 박막의 두께 조절을 통해 두 타입의 전도도를 쉽게 조절할 수 있었으며, 완전하게 균형이 이루어진 양극성 전도를 보이는 유기 FET를 제작하였다. 이 소자의 평균 전자 이동도는 2.22×10-3 cm2 V-1 s-1이며, 평균 정공 이동도는 2.29×10-3 cm2 V-1 s-1이다.