One of the most important parts of the communication device, the display, has been continuously de-veloped from CRT TV (cathode-ray tube TV) to LCD (liquid crystal displays), PDP (plasma display panels) and now to OLED (organic light-emitting diode). As the interest and market for future display, which can be applied to various technologies, continue to grow, the focus has shifted to the development of transparent display and flexible display. So far, the display device has been manufactured based on the transparent electrode as ITO (Indium tin oxide), it is not suitable to apply to flexible display due to its lack of flexibility. In order to overcome this inflexibility, various forms of electrodes were developed. However, they were not successful as they had high resistance and low transmittance. In this study, we propose a dielectric layer/ metal/ dielectric layer (multilayer) electrode as both anode and cathode for use in fabrication of transparent and flexible organic light-emitting diodes (TFOLEDs).
The structure of multilayer electrodes was optimized by systematic experiments and optical calculations considering the transmittance and efficiency of the device. In the multilayer electrode structure, the light reflected from metal and the light reflected from dielectric material which has large refractive index are in destructive interference. This results in the increase of transmittance and the decrease of reflectance. The details of the mul-tilayer electrode structure are [ZnS (24 nm)/ Ag (7 nm)/ $MoO_3$ (5 nm)] and [ZnS (3 nm)/ $Cs_2CO_3$ (1 nm)/ Ag (8 nm)/ ZnS (22 nm)], as anode and cathode, respectively. The optimized TFOLED design was fabricated on poly-ethylene terephthalate (PET) substrate, and the device showed high transmittance (74.22% around 550 nm) although the PET substrate had lower transmittance than glass. The TFOLEDs operate normally under compressive stress and degradation of electrical characteristics was not observed, compared to conventional OLEDs with ITO and Al as electrodes. In addition, because the fabricated TFOLEDs show a nearly Lambertian emission pattern and a negligible shift of CIE coordination, we concluded that the fabricated TFOEDs are suitable for use in displays.
As mentioned above, the multilayer electrodes are required to fabricate highly transparent and flexible OLEDs. However, to avoid degradation of TFOLEDs performance (efficiency, lifetime), the hole and electron charge balance is crucial. In TFOLEDs, Ag, which has relatively high workfunction level, is used as multilayer cathode that the reduction of electron injection barrier between Ag and emitting layer is necessary. LiF, Liq were used to reduce the electron injection barrier, but these materials were only effective to Al cathode. In addition, since they are easily oxidated in the air and cause diffusion in emitting layer, new material should be introduced as electron injection layer (EIL). Here, we attempted to fabricate highly transparent and flexible OLED by using PEI (Polyethylenimide) as the EIL of cathode multilayer electrodes. It was reported that PEI decreases the workfunction of cathode with the aliphatic amine group which shifts the vacuum level of electrode.
The maximized workfunction reduction of Ag by using thin PEI films was from 4.5 eV to 3.9 eV. The electron injection characteristics were determined by electron-only device, and the Ag cathode using PEI thin film showed better electron injection ability compared to other materials such as LiF, Liq, and Liq doped in $Alq_3$. The thickness of dielectric (ZnS) was determined by simulation, and the multilayer electrode structure are [ZnS (20 nm)/ Ag (7 nm)/ PEI (4~6 nm)] and [$MoO_3$ (5 nm)/ Ag (9 nm)/ ZnS (26 nm)], for cathode and anode, respectively. The sheet resistance of anode was maintained after bending test (bending radius 5mm, 10000 cycles), and the transmittance of TFOLEDs using PEI showed 69% at peak transmittance and above 60% of transmit-tance in visible range. The electrical characteristics of the device showed better performance compared to other EIL materials and the fabricated TFOLEDs had little impact on angular dependency.
In this study, highly transparent and flexible OLED was fabricated by applying the multilayer electrode structure to both anode and cathode. Also, PEI was employed as electron injection layer to test its possibility to be incorporated in TFOLEDs.
가장 중요한 정보전달 기기 중 하나인 디스플레이는 브라운관 TV에서 부터 플라즈마 디스플레이, 액정 디스플레이 그리고 현재 유기 발광 디스플레이로까지 지속적으로 발전해 왔다. 최근 다양한 기술에 접목 가능한 미래 디스플레이로의 관심이 커지면서 투명 디스플레이와 플렉시블 디스플레이의 기술 개발에 초점이 맞춰지고 있다. 지금까지 디스플레이 소자는 인듐 주석 선화물을 투명 전극 기반으로 하여 제작하였으나, 유연성이 떨어지면서 미래 디스플레이인 플렉시블의 적용에 어려움이 있다. 이러한 유연성을 극복하기 위해 다양한 형태의 전극구조가 고려되었으나, 높은 저항, 낮은 투과도에 의한 영향으로 눈에 띄는 성과를 내지 못하였다. 그러므로 본 연구에서는 높은 투과도와 낮은 저항의 전극으로 제작 가능한 다층전극 구조를 양극과 음극에 모두 이용하여 투과도와 유연성을 지닌 투명 플렉시블 유기발광 소자(TFOLEDs)를 제작하고자 한다.
다층전극 구조는 쳬계적인 실험과 광학적인 계산을 투과도와 효율을 고려하여 최적화 하였다. 다층전극 구조에서는 금속에서 반사되는 빛이 굴절율이 큰 유전체에서 반사되는 빛과의 위상차에 의해 서로 상쇄됨으로써 그 결과 투과도는 증가하고 반사도는 감소한다. 구체적인 전극 구조는 양극과 음극 각각 [ZnS (24 nm)/ Ag (7 nm)/ MoO3 (5 nm)], [ZnS (3 nm)/ Cs2CO3 (1 nm)/ Ag (8 nm)/ ZnS (22 nm)]로 구성되어 있다. 최적화한 TFOLEDs는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판이 유리 기판보다 투과도가 떨어짐에도 불구하고 PET 위에 제작하였을 때, 550 nm 파장 부근에서 74.22 %의 투과도를 보인다. TFOLEDs는 압축하는 힘을 가하여도 정상적으로 잘 작동하며 기존의 인듐 주석 산화물을 이용한 유기 발광 소자와 비교하여 전기적 특성의 감소를 보이지 않는다. 또한, 제작한 TFOLEDs는 Lambertian 발광 형태를 보이며 색좌표의 변화도 거의 보이지 않아 제작한 TFOLEDs는 디스플레이의 이용해 적합하다고 결론을 내릴 수 있다.
앞서 언급하였지만, 다층전극 구조는 높은 투과도와 유연성을 갖는 유기발광 소자의 제작에는 필요하다. TFOLEDs의 특성(효율, 수명)의 감소를 피하기 위해서는 정공과 전자의 전하 균형이 중요하다. TFOLEDs 에서는 상대적으로 높은 일함수를 갖는 Ag가 다층 음극전극으로 사용되기 때문에 Ag와 발광층 사이에서 전자 주입 장벽을 줄이는 것이 필요하다. 기존에 LiF, Liq이 전자 주입 장벽을 낮추기 위해 사용되었으나, 오직 알루미늄 전극에만 효과적이다. 또한, 쉽게 공기 중에서 산화되고, 발광층을 분해시키는 영향이 있어 전자 주입 층으로 새로운 물질이 필요하다. 여기서 우리는 폴리에틸렌이민(PEI)을 다층 음극전극의 전자 주입층으로 사용한 매우 투명하고 유연한 OLEDs의 제작을 제안하고자 한다. PEI는 보고된 것에 따르면 PEI의 aliphatic amine 기에 의해 vacuum level을 이동시켜 음극의 일함수를 감소시킨다고 알려져 있다. 얇은 PEI 박막에 의해 Ag의 일함수는 최대 4.5 eV에서 3.9 eV로 감소를 보였다. 전자 주입 특성은 electron only device에 의해 확인 되었으며, 얇은 PEI 박막을 이용한 Ag 음극의 전자 주입 특성이 다른 물질(LiF, Liq 그리고 Liq를 도핑한 Alq3)에 비해 우위를 보였다. 유전체(ZnS)의 두께는 시뮬레이션으로 결정 되었으며, 전극의 구조는 음극과 양극 각각 [ZnS (20 nm)/ Ag (7 nm)/ PEI (4~6 nm)]와 [MoO3 (5 nm)/ Ag (9 nm)/ ZnS (26 nm)] 이다. 양극의 면저항은 bending 테스트 (bending 반지름 5mm, 10000 cycles) 후에도 유지 되었으며, PEI를 이용한 TFOLEDs의 투과도는 최대 69 % 이며, 가시광 영역에서 60 %를 넘는 투과도를 보였다. 전기적 특성은 다른 전자 주입 층을 이용한 소자보다 더 높았으며 제작한 소자는 각도 의존성에 대한 영향은 거의 보이지 않았다.
이 연구에서, 매우 투명하고 유연한 유기 발광 소자를 다층 전극 구조를 양극과 음극 모두에 적용하여 제작하였다. 또한, 새로운 물질을 전자 주입 물질로 이용하여 TFOLEDs 로의 적용 가능성을 테스트 해 보았다.
