본 논문에서는 소자의 발광효율을 증진시키기 위해 정공 전달층으로 사용되는 PEDOT-PSS에 라포나이트(Laponite, 층상실리케이트)를 첨가하여 나노복합체를 만들어 발광특성을 살펴보았다. 정공 전달층 벌크(bulk)에 라포나이트가 첨가될 시에 정공의 속도를 늦춰주어서, 정공의 속도보다 약 $10^2$배 느린 전자 속도와 맞춰지게 되는데, 이는 여기자 ？칭(quenching)이 잘 일어나는 발광 고분자/음극 계면보다 발광 고분자 벌크에서 재결합이 잘 일어나게 함으로써 비발광 소멸의 확률을 줄여주고, 이로써 소자 효율을 향상시키는 것이 실험의 목적이라 하겠다.
정공 전달층으로 사용되는 PEDOT-PSS는 본래 수용액에 고루게 분산되어 배포된다. 라포나이트와의 혼합을 극대화하기 위해, 라포나이트를 PEDOT-PSS와 같은 질량분율 만큼 수용액에 48시간이상 분산시킨 후 PEDOT-PSS 수용액과 여러 비율에 따라 혼합시킨다. 이처럼 혼합된 나노복합체 용액과 그 필름은 TGA, XRD, SEM 그리고 EDS 등에 의해 분석하였다.
이렇게 만들어진 여러 나노복합체(91, 73, 55 등)는 ITO 위에 스핀코팅의 방법으로 도포되어 단독층(Type I)을 이루도록 하였다. 단독층으로 구성된 정공 전달층은 다시 위에 70nm 가량의 발광 고분자(PDOF)을 도포하고, 알루미늄을 진공증착하여 그 전계발광소자로서의 특성을 분석하였다. 또한, 여러 혼합액은 단독층으로 도포시, 그 양극(ITO)과의 계면과 발광 고분자와의 계면에서의 요소들을 고려해야 하므로 이 같은 요소를 제거하고 나노복합체의 효과를 확인하기 위하여 복수층으로 정공 전달층을 구성하여 특성을 분석하였다. 나노복합체를 사용한 정공 전달층의 복수층 구조는 PEDOT-PSS/나노복합체(Type II)와 PEDOT-PSS/나노복합체/PEDOT-PSS(Type III)이다.
단독층인 Type I의 경우, 양극/정공 전달층 계면과 정공 전달층/발광 고분자 계면 그리고 정공 전달층 벌크가 모두 라포나이트의 영향을 받게되는 구조를 갖게된다. 본래 PEDOT-PSS의 전하주입경로는 주로 스핀코팅하였을 때 얇게 형성되는 반절연층(quasi-insulating layer)인 PSS을 통한 터널링(tunneling)인데, 나노복합체을 단독층으로 사용한 경우 반절연층에 라포나이트가 침투하게되어 막대한 작동전압의 증가와 함께, 소자 효율 또한 본래의 PEDOT-PSS 보다 못하게 된다.
Type II의 경우는 Type I에 비해 양극/정공 전달층 계면은 라포나이트의 영향을 받지 않는 구조이다. 하지만, PSS 반절연층은 여전히 라포나이트에 노출되어 있고 단독층에 비해 두께도 증가하고, 계면의 수가 하나 더 증가하므로 라포나이트 40퍼센트(64) 이상부터 발광특성이 저하되는 Type I보다도 더 적은 라포나이트 양인 30퍼센트(73) 이상부터 그 특성이 저하되게 된다.
Type III의 경우에는 계면의 요소를 모두 배제하고 벌크에서의 정공차단효과 만으로 소자를 평가해 보았다. 우선 Type III는 정공 전달층/발광 고분자 계면 존재하게되는 반절연층에 라포나이트가 침투하지 않게 되므로 작동 전압이 라포나이트 첨가시에도 증가하지 않게 된다. 또한, Type III의 p-91-p, p-73-p, p-55-p, p-37-p, p-Laponite-p 가운데에서 소자 효율은 계속 증가하다가 p-55-p에서 정점을 보이고 p-37-p, p-Laponite-p에서 감소하는데, 이로써 소자가 최적화된 라포나이트양을 선호하는 것으로 확인할 수 있었다.
이 연구에서 우리는 알루미늄을 음극으로, ITO를 양극으로 이용한, 다수캐리어가 정공인 소자에서 정공 전달층의 박리된 라포나이트에 기인한 정공차단효과와 소자의 발광 특성에 대하여 알아보았다. 나노복합체를 단독층이 아닌 복수층으로 정공 전달층을 구성하였을 때 보다 높은 소자 효율이 얻어짐을 알 수 있었다.
