Organic-semiconductor-based light-emitting diodes (OLEDs) are of enormous technological significance for solution processable, mechanically flexible displays and low-cost solid-state lighting. One of the crucial challenges for the optimized OLED device performance is the barrier-free carrier-injection and transport at the organic-semiconductor/inorganic-electrode junction to maximize the electron-hole recombination probability. Here, I present the various interfacial engineering strategies employing hybrid charge transport layers or nanocomposites charge transport layer such as n-type-metal-oxide/self-assembled-dipolar-molecules (SADMs), n-type-metal-oxide/conjugated-polyelectrolytes (CPEs), or n-type-metal-oxide/carbon-nanotubes (CNTs) nanocomposites. Unlike previously reported charge transport materials such as cesium carbonate or conducting polymers that played a single role of either charge injection enhancement or counter charge blocking, n-type-metal-oxide/SADMs and n-type-metal-oxide/CPEs hybrid charge transport layers accomplished the charge injection enhancement and counter charge blocking simultaneously and, thereby, maximized the electron-hole recombination probability. Furthermore, n-type-metal-oxide/nitrogen-doped-CNT nanocomposites charge transport layer showed the enhanced electron mobility, while maintaining the intrinsic bandgap energy levels, optical transparency and solution processability of pure metal oxide. The resultant n-type-metal-oxide/nitrogen-doped-CNT nanocomposites layer with improved electron mobility enabled the balanced electron and hole injection, and device performance optimization in inverted OLEDs. I emphasize that this study offers a general route to address the interfacial engineering for other organic optoelectronics, such as organic photovoltaics, phosphorescent organic light-emitting diodes, and organic laser diodes.
유기발광다이오드는 유기전자소자 (유기발광다이오드, 유기태양전지, 유기트랜지스터, 유기레이저 등) 분야 중에서도 가장 상업적으로 발전 가능성이 큰 기술 중에 하나이다. 유기발광다이오드는 자체 발광이 가능하고, 저전력으로 높은 발광효율을 나타내며, 넓은 시야 각과 높은 대비, 그리고 빠른 스위칭 속도를 가지는 특성을 나타낸다. 지금까지 적색, 녹색, 그리고 청색 유기발광다이오드 소자들이 상업적으로 개발되었으며, 작은 크기의 디스플레이 소자로써 상용화 되었고, 조명으로 응용하기 위한 백색광에 대한 연구들이 현재 활발하게 진행 중이다. 그러나 대부분의 고효율 유기발광다이오드는 저분자 유기반도체를 고 진공 증착공정을 통해 다층 구조로 제작하여 만들고 있는 실정이다.
고분자 기반의 유기발광다이오드는 저분자에 비해 열적 안정성이 좋고, 기계적 강도가 높으며 용액공정으로 소자제작이 가능하기 때문에 저비용, 대면적, 저 소비전력의 얇은 초 박막형 소자의 구현에 유리하다. 그러나 유기물 기반의 소자는 무기물 기반의 소자에 비해 산소나 수분에 민감하고, 전하이동도가 낮아 수명 및 효율적인 측면에서 상업적으로 실용화되는데 걸림돌이 되어왔다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 지금까지는 PEDOT:PSS, Ca, Ba과 같은 버퍼 층들을 사용하고, 엄격한 인캡슐레이션 공정을 추가하여 소자의 수명 및 효율을 향상시켜 왔으나, 궁극적으로 불안정한 소자를 외부로부터 차단시키기 보다는 안정한 유기재료, 금속 산화물 및 금속을 사용하여 유기발광다이오드를 설계 및 제작하는 것이 유망하리라고 생각된다. 따라서 공기 중에 안정하면서도 균형 있는 전하의 주입, 전송 및 추출이 가능하여 높은 효율을 나타내는 유기발광다이오드 소자를 개발하는 것이 중요하며, 이를 위하여 본 연구에서는 다양한 계면 전하 전송 층을 적용하여 유기발광다이오드의 성능 향상을 위한 실험들을 진행하였다.
첫 번째로 소자의 공기 중 안정성을 향상시키기 위해 기존의 버퍼 층들을 공기 중에 안정한 금속 산화물로 대체하는 기초공정을 확립하였다. ZnO, TiOx, HfO2, ZrO2, MgO및 MoO3와 같은 금속 산화물들은 전자 빔 증착, 열 증착 및 스프레이 열 분해 법 등을 통해 수 나노미터에서부터 수십 나노미터까지 증착이 가능한데, 이러한 방법을 이용해 소자에 최적화된 금속산화물을 제작하였다.
두 번째로는 유기 광 전자소자(유기발광다이오드, 유기태양전지)에 최적화된 금속산화물을 선정하고, 이를 적용하여 발광다이오드 및 태양전지에 최적화된 제작공정을 확립하였다. 본 연구에서 설계한 유기 광 전자소자는 투명전극으로부터 전자가, 금속 전극으로부터 정공이 이동하는 역 구조인데, 전자 전송 층으로써는 n-type의 ZnO, TiOx, HfO2, ZrO2 및 MgO를, 정공 전송 층으로써는 MoO3를 사용하여 소자를 제작하였다. 그러나 F8BT 그린 발광층을 사용한 유기발광다이오드 소자의 구현에 있어서는 MoO3와 F8BT의 계면이 오믹 접합인 반면, n-type 금속산화물과 F8BT 계면에서는 에너지 장벽이 존재하여 소자의 효율을 향상시키는데 한계가 있다. 따라서 본 연구에서 이러한 문제점을 해결하기 위해 에너지 장벽이 존재하는 계면에 자기조립 단분자 및 공액 고분자 전해질과 같은 다양한 쌍극자 분자를 도입하여 분극에 의한 계면 에너지 준위를 조절하고, 소자 성능을 극대화시키고자 하였다. 이 외에도, 공액 고분자 전해질이 사용된 역 구조의 유기태양전지에서는 양친성 공액 고분자 전해질의 특성으로부터 n-type 금속 산화물과 유기 활성층 사이의 젖음 성이 향상되어 유기태양전지의 Fill Factor가 70 %까지 향상되는 결과를 얻었다.
세 번째로는 탄소 나소 소재를 계면 층으로 사용하여 소자의 효율을 향상시키기 위한 연구를 진행하였다. 탄소나노튜브는 높은 전기전도도와 유연하면서도 높은 기계적 강도 때문에 유기 광 전자소자로 적용하기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 하지만 기존의 연구들에서는 탄소나노튜브 자체가 재결합 사이트로 작용하여 유기활성층 내에서 실질적인 소자의 성능을 향상시키는 데 어려움이 있었다. 따라서 본 연구에서는 탄소나노튜브에 n형 혹은 p형 도핑을 추가하여 선택적으로 전하의 이동이 가능한 도핑된 탄소나노튜브를 합성하고, 이를 금속 산화물 내에 분산시켜 금속 산화물 자체의 에너지 준위 및 투명도에 크게 영향을 미치지 않으면서도, 전자 이동동가 크게 향상된 나노복합체를 전자 전송 층으로 사용하여 기존의 유기발광다이오드에 비해 2배 이상 향상된 소자 특성을 관찰하였다.
