The dielectric/metal/dielectric (DMD) multilayer is suitable for a transparent electrode because of its high optical and high electrical properties; however, it is fabricated by an expensive and inefficient multistep vacuum process. We present a WO3/Ag/WO3 (WAW) multilayer transparent anode with solution-processed WO3 for organic light-emitting diodes (OLEDs). This WAW multilayer not only has high transmittance and low resistance but also can be easily and rapidly fabricated. We devised a novel method to deposit a thin WO3 layer by a solution process in an air environment. A tungstic acid solution was prepared from an aqueous solution of Na2WO4 and then converted to WO3 nanoparticles (NPs) by a thermal treatment. Thin WO3 NP layers form WAW multilayer with a thermal evaporated Ag layer, and they improve the transmittance of the WAW multilayer because of its high transmittance and refractive index. Moreover, the surface of the WO3 layer is homogeneous and flat with low roughness because of the WO3 NP generation from the tungstic acid solution without aggregation. We performed optical simulation and experiments, and the optimized WAW multilayer had a high transmittance of 85% with a sheet resistance of 4 Ω/sq. Finally, OLEDs based on the WAW multilayer anode achieved a maximum luminance of 35550 cd/m2 at 8 V, and this result implies that the solution-processed WAW multilayer is appropriate for use as a transparent anode in OLEDs.
In addition, we present an all-solution-processed WAW multilayer transparent anode without a vacuum process. We fabricated a solution-processed Ag layer with Ag organometallic ink which was composed of precursors of Ag NPs such as 2C6H5CH2NHCOOAg(NH2CH2C6H5)2. Ag organometallic ink is transparent in room temperature but Ag NPs (2~3 nm) are self-generated from precursors by a thermal process. Ag NPs form a Ag layer by a sintering process and the Ag layer has high electrical conductivity. To form the Ag layer thinner than 20 nm, Ag ink was diluted with organic solvent and spin-coated on a glass substrate in high speed. The resulting layer was converted to uniform Ag layer by multi-step annealing process, and it had a transmittance of 49% and a sheet resistance of 13 Ω/sq with 17 nm thickness. The all-solution-processed WAW multilayer was fabricated with the tungstic acid solution and Ag organometallic ink and had optimized structure with a transmittance of 62% and a sheet resistance of 13 Ω/sq. The all-solution-processed WAW multilayer has high productivity and cost-effectiveness because it is fabricated with inexpensive materials by mass production technology. Moreover, the all-solution-processed WAW multilayer could be patterned by laser direct curing without wet etching process and OLEDs based on the all-solution-processed WAW multilayer anode achieved a maximum luminance of 4,400 cd/m2 at 8 V.
유전체/금속/유전체 다층투명전극은 우수한 전기적, 광학적 특징을 가지므로 투명전극으로 매우 적합하다. 하지만 이를 제작하기 위해서는 고가의 비효율적인 진공증착공정이 여러 차례 필요하므로 생산성이 제약적이다. 본 연구에서는 유전체/금속/유전체 다층투명전극의 생산성을 높이기 위해서 용액공정으로 제작된 WO3 층을 이용한 유기발광 다이오드(OLED)용 WO3/Ag/WO3 다층투명전극을 제안한다. 이 WO3/Ag/WO3 다층투명전극은 투명도가 높고 전기저항이 낮을 뿐 아니라 대기 중에서 쉽고 빠르게 생산할 수 있다. WO3 박막을 대기 중에서 용액공정으로 만들기 위해서 새로운 WO3 합성방법을 제안한다. Na2WO4 수용액을 양이온 교환수지에 걸러서 준비한 텅스텐산 수용액을 열처리를 통해 미세한 WO3 나노파티클을 합성한다. WO3 나노파티클로 구성된 WO3 박막은 우수한 투명도와 굴절률을 가질 뿐 아니라 우수한 표면조도를 가지기 때문에 진공증착공정으로 제작된 Ag 박막과 함께 우수한 성능의 WO3/Ag/WO3 다층투명전극을 형성할 수 있다. 이와 같이 제작된 WO3/Ag/WO3 다층투명전극의 투명도를 최적화시키기 위해서 광학적 이론을 통한 시뮬레이션을 수행하였고, 이 결과를 실험을 통해 검증하였다. 그 결과 WO3 45nm/Ag 15 nm/WO3 45nm의 조건에서 85%의 투명도와 4 Ω/sq의 면저항을 가지는 최적화된 WO3/Ag/WO3다층투명전극을 제작하였다. 최적화된 WO3/Ag/WO3다층투명전극을 양극으로 사용한 OLED를 제작하였는데 이 소자의 최대 휘도는 8V에서 35550 cd/m2 였다. 이러하나 결과는 ITO를 OLED의 양극으로 사용하였을 경우보다 우수한 성능으로 WO3/Ag/WO3다층투명전극이 OLED의 투명전극으로 매우 적합하다는 것을 의미한다.
진공증착공정을 사용하지 않기 위해서 전과정을 용액공정으로 제작한 WO3/Ag/WO3 다층투명전극을 제안한다. Ag 박막을 용액공정으로 제작하기 위해서 Ag 금속유기잉크를 사용하였다. Ag나노파티클이 용매상에 분산되어 있는 Ag 나노입자잉크(Ag nanoparticle ink)와 달리 Ag 나노파티클을 생성할 수 있는 전구체로 구성된 저렴한 유기금속잉크는 상온에서 투명하지만 열을 가하면 2~3 nm 이하의 Ag 나노파티클이 형성되고 이들이 충분한 온도에서 소결되면 우수한 전기적 특성을 가진다. Ag 금속유기잉크로 20 nm 이하의 박막을 만들기 위해서는 IPA로 희석시키고 높은 회전 속도에서 코팅한다. Ag 박막의 투명도와 전기전도도를 향상시키기 위하여 용매의 증발과 Ag 나노파티클의 생성, 소결로 구성된 3단계의 가열단계를 거쳐서 균일한 Ag 박막을 형성한다. 이와 같은 방법으로 제작된 Ag 박막은 Ag 금속유기잉크의 농도와 코팅 속도에 의해서 두께가 결정되는데 17 nm의 두께 조건에서 49 %의 투명도와 13 Ω/sq의 면저항을 가진다. 17 nm의 Ag 박막과 Na2WO4 에서 합성한 WO3수용액을 이용하여 WO3 30nm/Ag 17 nm/ WO3 60nm의 조건에서 62%의 투명도와 13 Ω/sq의 면저항을 가지는 최적화된 WO3/Ag/WO3다층투명전극을 제작하였다. 이러한 결과는 Ag를 진공증착으로 제작한 다층투명전극에 비해서 낮은 투명도와 전기전도도를 가지지만, 전과정을 용액공정으로 제작한 WO3/Ag/WO3 다층투명전극은 가격이 싼 재료와 생상성이 높은 용액공정으로 제작가능하므로 Ag를 진공증착으로 제작한 다층투명전극에 비해서 약 2배, ITO에 비해서는 100배 이상의 가격경쟁력을 가진다. 그뿐만 아니라 용액공정으로 제작한 WO3/Ag/WO3 다층투명전극은 레이저 직접 패터닝을 이용하여 대기 중에서 습식식각공정없이 패터닝이 가능하다. 용액공정으로 제작된 WO3/Ag/WO3다층투명전극을 양극으로 사용한 OLED는 4,400 cd/m2 at 8 V의 최대 휘도와 1.40 cd/A의 최대 발광효율을 가진다.
