Graphene has been considered as a potential candidate for transparent conductive electrodes due to its high transparency and electrical conductivity. In order to apply graphene as the transparent conductive electrode for organic or polymer light-emitting diodes (OLEDs or PLEDs), it is important not only to synthesize large-area and uniform graphene but also to tune its work function.
In this study, we have demonstrated a simple method for the synthesis of large area and mono- to few-layer graphene on a nickel foil. A cellulose acetate laminate film was coated on a nickel foil as a solid carbon source. Compared to previous synthesis methods using solid carbon sources, the mentioned carbon source can be easily coated on the metal catalyst layer. The uniform graphene layer could be grown on the nickel catalyst layer due to the uniformity of the solid carbon source layer, which was made of a cellulose acetate laminate film coated by the cold press lamination process. The graphene was grown from the cellulose acetate laminate film without explosive gaseous carbon sources usually used in the growth of graphene by CVD methods. A series of processes mentioned above could start and end with the lamination process. In order to control the thickness of the gra-phene layer, the graphene samples were annealed at various temperatures and durations. The sheet resistance and transmittance of the transferred graphene on a PET substrate were $4240-100 \Omega sq^{-1}$ and 85-60 %, respectively. To demonstrate the practical use of graphene, a flexible PLED was fabricated on the graphene electrode synthesized through the method mentioned above. The maximum luminance and luminance efficiency were $4040 cd m^{-2}$ at 6.8 V and $8.2 cd A^{-1}$ at 4.0 V. To our knowledge, this is the first report on a typical PLED fabricated on the graphene electrode from a solid carbon source.
Graphene has been considered to be a potential alternative transparent and flexible electrode for replacing commercially available indium tin oxide (ITO) anode. However, the relatively high sheet resistance and low work function of graphene compared with ITO limit the application of graphene as an anode for OLEDs or PLEDs. Here, flexible PLEDs made by using bis(trifluoromethanesulfonyl)amide (TFSA,$[CF_3SO_2]_2$ NH) and $MoO_x$ doped graphene anodes are demonstrated to have low sheet resistance and high work function. The gra-phene is easily doped with TFSA and $MoO_x$ by means of a simple spin-coating process. After doping, the sheet resistance decreased and work function increased without significant decrease of transmittance, which resulted in efficient hole injection from the graphene anode to HTL. Therefore, efficiency of PLEDs on the doped graphene anode improved compared with that of PLEDs on a pristine graphene anode and is comparable to that of ITO anode. Our demonstration of TFSA-and $MoO_x$ -doped graphene as a flexible and transparent electrode of PLED show that the TFSA-and $MoO_x$ -doped graphene electrode could be a promising flexible and transparent electrode.
그래핀은 그 뛰어난 전기적, 광학적, 기계적 특성으로 인하여 재료과학 분야에서 가장 주목 받고 있는 물질의 하나로 투명전극, 센서, field effect 트랜지스터 및 광전 소자의 전하 전달 물질과 같은 다양한 분야에서 적용 가능한 후보물질로 고려되고 있다. 그래핀을 실제적으로 적용하기 위해서는 대면적의 균일한 고품질의 그래핀의 대량 합성이 필요하다. 2004년 그래핀을 그라파이트로부터 박리하여 원하는 기판에 전사하는데 성공한 이래 기계적 박리법, 화학적 박리법, 화학 기상 증착법(CVD), 에피텍시 성장과 같은 다양한 방법을 통해 그래핀을 합성하고자 하는 연구들이 진행되어왔으며, 그 중 CVD를 통해 합성된 그래핀이 가장 우수한 전기적, 광학적 특성을 보인다.
CVD를 이용해 그래핀을 합성하는 경우, 메탄이나 아세틸렌과 같은 기체 형태의 탄소 소스가 사용된다. 최근에는 기체 탄소 소스를 그라파이트, 비정질 탄소, fullerene, 폴리머와 같은 고체 탄소로 대체하고자 하는 연구가 보고된바 있다. 그러나 고체 탄소 소스를 이용하여 그래핀을 합성하는 이전의 방법들은 진공 증착이나 스핀코팅을 이용해 탄소 층을 형성함으로써 대면적의 균일한 그래핀을 합성하기 어렵다는 한계를 갖고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자 cellulose acetate laminate film (CALF)을 이용하여 그래핀을 합성하였다. 대면적의 균일한 탄소 층을 라미네이션을 통해 손쉽게 금속 촉매층위에 코팅할 수 있었으며, 금속 촉매 층인 니켈 호일위에 코팅된 CALF을 어닐링 함으로써 대면적의 그래핀을 폭발성의 가스를 사용하지 않고 합성할 수 있었다.
실제적인 적용을 위해서 CALF을 이용해 합성한 그래핀을 폴리머 발광 다이오드 (PLED)의 양극으로 적용하였으며, 이러한 결과를 통해 고체 탄소 소스를 이용해 합성한 그래핀의 PLED 양극으로의 적용이 가능함을 확인할 수 있었다. CALF을 annealing하는 방법으로 그래핀을 합성하는 방법이 고체 탄소 소스를 이용해 대면적의 균일한 그래핀을 합성하는 하나의 방법이 될 수 있다는 가능성을 제시하였다.
본 연구에서는 고체 탄소뿐만 아니라 메탄올을 액체 탄소 소스로 이용하여 구리 금속 촉매층위에 그래핀을 합성하였다. 이렇게 합성한 그래핀이 적용된 PLED의 효율을 향상시키기 위하여 합성된 그래핀을 유/무기 도펀트를 이용하여 charge transfer doping을 이용해 도핑하였다. 상용 ITO 전극과 비교하여 상대적으로 높은 면저항과 낮은 일함수는 그래핀을 PLED의 양극으로 적용하는데 있어 문제를 야기한다. 그래핀의 낮은 일함수로 인해 그래핀과 hole transporting layer 사이의 hole 주입 장벽이 높아지게 되고 이로 인해서 효율적으로 hole이 주입되지 않아 소자 전체의 효율 저하를 야기하게 된다. 이러한 문제를 해결하고자 본 연구에서는 charge transfer doping을 이용해 그래핀을 도핑하고 PLED의 양극으로 적용하였다. Bis(trifluoromethanesulfonyl)amide(TFSA)와 산화몰리브덴 ($MoO_x$)을 이용하여 그래핀을 도핑하였고 이렇게 도핑된 그래핀을 PLED의 양극으로 적용하였다. Charge transfer doping에 의해 면저항은 감소하고 일함수는 증가하였으며 투과도에는 큰 변화가 없었다. 일함수가 증가하고 면저항이 감소함으로써 도핑된 그래핀 위에 제작한 PLED의 효율이 도핑되지 않은 그래핀위에 제작한 PLED와 비교하여 향상되었으며 상용 ITO양극위에 제작한 PLED의 효율에 견줄만한 결과를 보였다. TFSA와 $MoO_x$ 를 이용해 도핑한 그래핀을 PLED의 양극으로 적용하여 사용 ITO전극에 견줄만한 결과를 보임으로써 doping한 그래핀이 상용 ITO 양극을 대체할 수 있는 가능성을 제시하였다.
