유기 발광 다이오드(OLED) 장치는 더 나은 대비로 우수한 디스플레이 품질을 제공하는 동시에 에너지 소비를 줄여 환경적 이점을 제공합니다. 여기에서는 용액 처리 OLED 소자 제작을 위한 간단한 전략을 순차적으로 제시한다.
방법 논문
* These authors contributed equally
유기 발광 다이오드(OLED) 장치는 더 나은 대비로 우수한 디스플레이 품질을 제공하는 동시에 에너지 소비를 줄여 환경적 이점을 제공합니다. 여기에서는 용액 처리 OLED 소자 제작을 위한 간단한 전략을 순차적으로 제시한다.
최근 환경 문제와 기후 변화에 대한 인식이 높아짐에 따라 에너지 효율적인 광원에 대한 수요가 크게 급증했습니다. 유기발광다이오드(OLED)는 뛰어난 디스플레이 품질, 에너지 효율성 및 지속 가능성을 제공하므로 환경을 생각하는 소비자와 탄소 배출량 감소 기반 산업에 이상적인 선택입니다. 더 얇고 유연한 OLED는 스마트폰, TV, 자동차 디스플레이 및 웨어러블 장치 분야에 혁명을 일으켰습니다. 여기서, 본 논문에서는 공여자-수용체 기반 이미터의 합성에서 시작하여 정제하는 효율적인 OLED 장치를 제작합니다. 유기 합성 과정에 대해 간략하게 설명합니다. 정제를 위해 먼저 생성물 혼합물을 컬럼 크로마토그래피로 정제한 다음 온도 구배 진공 승화 설정을 사용하여 승화하여 고순도 화합물을 얻습니다. 궁극적인 목표는 초고순도 이미터가 필요한 다층 OLED 장치를 만드는 것입니다. 효율적인 OLED를 만들려면 정밀도와 전문성이 필요합니다. 따라서 상세한 단계별 프로토콜을 보여주는 것은 과학계에 중요합니다. 여기에서는 용액 처리 OLED 소자 제작에 대한 세부 사항을 4단계(기판 세척, 층의 스핀 코팅, 층의 열 증발, 장치 성능 측정)로 전개합니다. 먼저, 잘 확립된 프로토콜을 사용하여 기판을 청소해야 합니다. 다음으로, 원하는 재료를 필요한 두께로 스핀 코팅 및 열 증착하여 계층 구조를 얻습니다. 열 증발은 글러브 박스 설정이 통합 된 고진공 열 증발기를 사용하여 수행됩니다. 마지막으로, 장치의 성능을 얻으려면 어두운 환경에서 측정을 수행해야 합니다. 이 포괄적인 작업은 장치 제조에 대한 심층적인 지식을 제공하고 더 많은 연구자들이 OLED로 이 세상을 장식하도록 영감을 줄 것입니다.
현대화가 진행됨에 따라 에너지 소비율이 급증하여 여러 가지 에너지 효율적인 에너지원이 등장하게 되었습니다. 조명은 종종 실현되지 않지만 주요 전력 소비 분야 중 하나입니다. 2017년 유엔환경계획(UNEP)이 발표한 보고서에 따르면1. 조명은 전 세계 전력의 15-19%를 소비하고 1,2 전 세계 온실가스의 약 5%를 배출합니다1,3. 이 문제를 방치하면 2030년까지 조명용 전력 소비가 몇 배 증가하여 지구 온난화로 인한 기후 변화에 큰 영향을 미칠 것입니다.1,4. 따라서 에너지 효율적인 조명 기술5의 개발은 지속 가능한 환경을 향한 엄청난 가능성을 가지고 있습니다.
유기발광다이오드(OLED) 장치는 디스플레이 및 조명 분야에 혁명을 일으켜 높은 에너지 효율성과 함께 향상된 디스플레이 품질을 제공합니다6,7. 이 외에도 필요한 얇음, 유연성, 고대비 및 넓은 시야각을 제공합니다. 이러한 모든 이점으로 인해 OLED 소재의 유용성은 스마트폰, TV, 웨어러블 기기, 자동차 조명 시스템 등 다양한 응용 분야에서 점차 증가하고 있습니다8. OLED는 유기 화합물을 방출층으로 사용하며 정공과 전자의 복사 재결합 시 빛을 방출합니다 9,10,11. OLED 소자의 개발은 3세대의 이미터 재료(12)를 통해 발전해 왔다. 첫 번째는 일중항 여기자만 수확할 수 있는 형광 물질로, 이론적으로 내부 양자 효율(IQE)은 25%입니다. 2세대 OLED는 인광 방출기를 사용하여 모든 일중항 및 삼중항 여기자에 액세스하며, 효율적인 스핀 궤도 결합으로 인해 모든 삼중항 전자도 수확할 수 있어100% IQE 13,14가 됩니다. 그러나 이러한 복합체에는 이리듐(Ir) 또는 백금(Pt)과 같은 중금속이 포함되어 있어 환경 문제와 비용 문제를 야기합니다. 그 후, 열 활성화 지연 형광(TADF) 방출기(15,16,17,18,19)를 포함하는 3세대 OLED가 나온다.
TADF 분자는 삼중항 및 일중항 여기 상태 사이의 작은 에너지 갭을 나타내어 열 에너지에 의해 활성화되는 역시스템 간 교차(RISC)를 가능하게 하고 100%20의 이론적 IQE를 달성합니다. TADF 분자를 설계하는 것은 핵심 단위의 도움 유무에 관계없이 기증자와 수용체 그룹을 부착하는 전략을 보유합니다. 적절한 코어는 기증자와 수용체 그룹 간의 효율적인 전자 결합을 지원합니다. 전자가 풍부한 그룹(예를 들어, 카르바졸, 페녹사진, 페노티아진, 트리페닐아민)은 일반적으로 공여체로 사용되는 반면, 전자 결핍기는 수용체로 기능하는 반면, 전자결핍기는 트리아진, 옥사디아졸, 벤조페논 또는 시아노기)는 수용체로 기능한다21,22,23,24,25,26,27. TADF 이미터는 RISC(Reverse Intersystem Crossing)28를 촉진하는 데 도움이 되는 작은 일중항-삼중 에너지 갭(ΔEST)을 가지고 있습니다. 여기서, 본 연구에서, 우리는 D-A형 TADF 분자를 준비하며, 이는 녹색 발광 OLED 소자(28)를 만드는 데 더 활용될 것이다.
다층 OLED는 단층 장치에 비해 성능 지표를 향상시켜 OLED 기술을 크게 발전시켰습니다. 다층 OLED 장치는 여러 개의 유기층을 포함하며, 각 유기층은 어떤 특정 기능을 수행합니다29,30. 장치 성능은 각 레이어의 재료, 두께, 농도를 변경하여 조정할 수 있습니다. 이 층의 재료는 가장 높은 점유 분자 궤도(HOMO)와 가장 낮은 비점유 분자 궤도(LUMO)의 에너지 준위에 따라 선택됩니다. 이러한 유기층은 두 전극(음극과 양극) 사이에 끼워져 있습니다. 회로에 연결되면 전자는 방출 분자의 HOMO에서 양극을 통해 전압 소스를 향해 흐르며 구멍을 만듭니다. 반면 전압 소스는 음극을 통해 분자의 LUMO에 전자를 공급합니다. 이러한 반대 전하가 장치를 가로질러 이동하고 방출층에서 재결합하고 exciton의 복사 재결합은 광자를 방출합니다. 발광층 재료와 HOMO-LUMO 에너지 갭에 따라 방출 색상이 달라질 수 있습니다29. 재결합은 방출층(EML)에서 발생하는 것이 바람직합니다. 이를 위해서는 최적화된 장치 구조가 필요합니다. 레이어와 두께가 적절하게 최적화되지 않으면 재조합이 이동하여 장치 성능이 저하될 수 있습니다.
다층 장치 제작은 진공 열 증착 (vacuum thermal deposition) 또는 솔루션 처리 (solution processing) 의 두 가지 유형이 될 수 있습니다. 여기서, 이 논문에서는 용액 처리 방법(처음 3개의 층에 대해 스핀 코팅을 한 다음 다음 3개의 층을 진공 증전하는 방법)을 사용하여 TADF 이미터의 장치 제조에 대한 자세한 방법을 제시합니다. 솔루션 처리 장치 제조 공정은 비용 효율적이고 확장성이 뛰어나며 환경적으로 지속 가능하기 때문에 더 많은 관심을 끌었습니다. 또한 재료 낭비는 진공 열 증발보다 비교적 적습니다. 용액 처리 된 재료는 실온에서 증착 될 수 있으므로 유연하고 열에 민감한 기판에 제작 할 수 있습니다. 실제로 열 안정성이 낮은 분자의 경우 이 방법으로만 장치를 만들 수 있습니다. 그러나 제작 전에 고려해야 할 몇 가지 사항이 있습니다. 이미터의 용해도, 안정성 및 필름의 균일성을 확인해야 합니다.
여기서, 우리는 녹색 발광 OLED 장치(28)를 만드는 데 추가로 활용될 D-A형 TADF 분자를 준비했다. 첫째, TADF 이미터 2BPy-oTC의 합성 전략을 간단히 설명합니다. 자세한 논의는 이미 우리 그룹28의 이전 논문에서 보고되었습니다. 또한, 합성된 물질을 컬럼 크로마토그래피에 의해 정제하고, 고순도 물질을 얻기 위해 온도 구배 고진공 승화 셋업을 이용하여 승화시켰다. 미량 불순물이 장치 성능에 영향을 미치기 때문에 정제 단계는 매우 필요합니다. 다음으로, 장치를 제작하기 위해 인듐 주석 산화물(ITO) 패턴 유리 기판을 가져와 세척했습니다. 기판 청소는 매우 중요합니다31. ITO 코팅 기판은 비눗물, 초순수 및 유기 용매로 초음파 처리한 후 오존 세척을 통해 철저히 세척했습니다. 다음으로, ITO 기판(양극) 위에 홀 주입층(HIL)을 스핀 코팅하고, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 설포네이트(일반적으로 PEDOT: PSS로 알려짐)의 고분자 층을 HIL로 취하였다. HTL(Hole Transport Layer)은 HIL 위에 스핀 코팅되었습니다. 이 레이어는 구멍이 이미시브 레이어로 이동하는 데 도움이 됩니다. PEDOT: PSS와 유사한 HOMO 에너지 준위를 갖는 폴리(9-비닐카바졸)(PVK)를 HTL로 사용했습니다. 또한, EML(Emissive Layer)은 HTL 위에 스핀 코팅되었습니다. 대부분의 TADF 기반 장치에서 농도 담금질을 방지하기 위해 이미터 분자는 호스트 매트릭스에 분산됩니다. 이 연구에서 2BPy-oTC의 10wt%는 녹색 방출자 32,33,34의 잘 알려진 숙주인 N,N'-Dicarbazolyl-4,4'-biphenyl(CBP) 숙주에서 섭취되었습니다. 그런 다음 이러한 제작된 기판을 열 증발기에 적재했습니다. 전자 전달층(ETL)과 전자 주입층(EIL)은 열 증발에 의해 증착되었습니다. 이 열 증발은 고진공 환경에서 증착 속도를 정확하게 제어해야 합니다. 2,2',2"-(1,3,5-벤지네트리일)-트리스(1-페닐-1H-벤즈이미다졸)(TPBi)를 ETL로 증착하여 EIL에서 EML로 전자를 전달하는 데 도움을 주고, 터널링 효과를 통해 전자를 장치 구조에 주입하는 EIL로 8-하이드록시퀴놀리놀라토-리튬(Liq)을 EIL로 사용했습니다. 마지막으로 100nm의 알루미늄을 음극 마스크로 증착했습니다. 따라서 전체 장치 구조는 다음과 같습니다 - ITO/ PEDOT:PSS(30nm)/ PVK(30nm)/ 10wt% 2BPy-oTCz in CBP(30nm)/ TPBi(50nm)/ Liq(2nm)/ Al(100nm).
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
알림: 장치는 먼지와 이물질에 매우 민감합니다. 모든 종류의 불순물은 이미터의 실제 성능을 변경할 수 있으며 잠재적으로 장치에서 작동하지 않거나 단락을 일으킬 수 있습니다. 따라서 깨끗한 장소에서 최대한 주의를 기울여 만들어야 합니다. 글러브 박스 내부의 장치는 수분 및 산소 환경(산소 및 수분 수준 0.1ppm)이 조절된 상태로 준비하는 것이 좋습니다.
1. 이미터 합성 전략

그림 1: 이미터 2BPy-oTC의 합성 공정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 이미터의 정화
3. 용액 처리 장치 제작
참고: 여기 이 백서에서는 이미터 2BPy-oTC를 사용하여 용액 처리 장치를 만드는 단계를 보여줍니다. 장치 아키텍처 및 분자 구조의 개략적인 이미지는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2: 장치 제조에 사용되는 분자층. (A) 모든 층의 두께와 HOMO-LUMO 에너지 준위를 보여주는 장치 아키텍처. (B) PVK, CBP, Liq 및 TPBi의 분자 구조. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
그림 3A 는 열 증발기 내부의 모든 도가니(또는 보트)의 배열과 해당 위치에 사용되는 재료를 보여줍니다. 설정에는 10개의 보트가 포함되어 있어 최대 10개의 서로 다른 재료를 적재할 수 있습니다. 그림 3B 는 6개 센서 모두의 위치를 보여줍니다. 이 QCM(Quartz Crystal Microbalance) 센서는 증발된 층의 실제 두께 값을 결정하는 데 도움이 됩니다.

그림 3: 증발실 내부 배치. ...
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
위의 절차는 TADF 분자의 합성 전략, 정제, 용액 처리 장치 제조 및 OLED의 특성화에 대한 포괄적인 가이드 역할을 합니다. OLED 장치는 발광층의 용액 처리(40 )에 의해 제작되었다. 그 결과 비용이 저렴하고 이미시브 레이어에서 호스트의 가중치 백분율을 쉽게 제어할 수 있습니다. 이 방법은 또한 장치의 확장성을 쉽게 허용하고, 필름의 농도, 두께, 형태를 더 잘 제어하는 것과 함께 유연한 기판에 쉽게 통합할 수 있습니다. 용액 처리 방식은 또한 재료 낭비를 크게 줄여 보다 친환경적인 공정에 기여합니다. 재료의 열 분해가 더 심한 경우 용액 공정 방법이 더 효과적입니다. 따라서 이 방법은 폴리머, 양자점 및 페로브스카이트를 포함한 광범위한 유기 및 무기 재료의 장치 제조에 사용될 수 있습니다.
그러나 몇 가지 단점도 있습니다. 용액 처리 장치를 만드는 것은 시간이 많이...
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
저자는 이해 상충이 없음을 공개합니다.
총리 연구 펠로우십(PMRF)은 감사하게도 SIC와 SC로부터 박사 펠로우십을 인정받았습니다. SB IISc-IoE(Institute of Eminence) 박사후 연구원 덕분입니다. 대학 보조금 위원회(UGC)와 교육부(MoE)는 각각 SHN과 NY로부터 박사 펠로우십을 인정받았습니다. PR은 과학산업연구위원회(CSIR)의 재정 지원을 인정합니다[보조금 코드 - 01WS(031)/2023-24/EMR-II/ASPIRE].
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 13 mm X 0.22 & mu; m PVDF 주사기 필터 | BSB 파르마 | BSBPTF1345 | |
| 13 mm X 0.45 & mu; m PTFE 주사기 필터 | BSB 파르마 | BSBPV1345 | |
| 2,2&프라임;,2"-(1,3,5-벤지네트리일)-트리스(1-페닐-1H-벤지미다졸) (TPBi) | BLD 파마 | BD234896 | 승화됨 |
| 8-하이드록시퀴놀놀라토-리튬 (Liq) | BLD 파마 | BD446731 | 승화됨 |
| 아세톤 | 퓨레켐 | 그렇게 사용되었습니다 | |
| 알루미늄 펠릿 | 커트 J. 레스커 | EVMAL50EXQD | 99.999% 순수함 |
| 클로로벤젠 | 분광화학 | 10342 | >99% 순수 AR |
| 헬마넥스 III 비누 용액 | 시그마 - 올드리치 | Z805939 | 사용한 1% (v/v) 비누 용액 |
| 이소프로필 알코올 | 퓨레켐 | 그렇게 사용되었습니다 | |
| ITO 패턴 유리 기판 | 주하이 카이보 광전자기술유한회사. | 품목 번호 004-1520-SK | 시트 저항 < 17옴/평방어, 크기=15*20*1.1mm, 투과율>82% |
| N,N′-디카바졸릴-4,4′-비페닐 (CBP) | BLD 파마 | BD21599 | 승화됨 |
| PEDOT:PSS | 오실라 (구매) | 클레비오스 P VP AI 4083 | |
| 폴리(9-비닐카바졸) (PVK) | 시그마 - 올드리치 | 182605 | 평균 Mw ~1,100,000, 다음과 같이 사용됩니다 |
| 톨루엔 | 분광화학 | 52035 | 분광 등급 |
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청
허가 요청