Comparison of charge generation layer metal assisting interlayer using Ca, Yb, Mg and Ag for tandem OLED

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, low–work–function metals (Ca, Yb, Mg, Ag) were employed as ultrathin assistant interlayers within the charge generation layer (CGL) of tandem organic light-emitting diodes (OLEDs) to enhance device performance. The effects of these metals on electron injection, optical transmittance, surface morphology, and charge generation efficiency were investigated through contact angle, AFM, transmittance, J–V, and Fowler–Nordheim (FN) tunneling analyses. Among them, Ca and Yb effectively reduced the electron injection barrier at the Bphen:Liq interface, maintained smooth surfaces with high optical transparency, and achieved high EQEs of 25.09% and 23.59%, nearly twice that of single devices. In contrast, Mg and Ag exhibited higher injection barriers and lower efficiencies. Overall, Ca showed the best balance between electrical and optical properties, confirming its suitability as an optimal assistant metal for high-efficiency tandem OLEDs.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 탠덤 유기 발광 다이오드(Tandem Organic Light-Emitting Diodes, OLEDs)의 효율 향상과 구동 전압 저감을 위해 전하 생성층(Charge Generation Layer, CGL)에 다양한 구조적 접근을 적용하였다. 기존의 단일 OLED는 높은 휘도와 우수한 색 재현성을 가지지만, 단위 발광층의 전류 부하 증가로 인해 수명 단축과 효율 저하의 문제가 존재한다. 이를 개선하기 위한 방법으로 복수의 발광 유닛을 수직으로 적층한 탠덤 구조가 제시되었으며, 이때 각 발광 유닛을 전기적으로 연결하는 핵심 층이 바로 CGL이다.
CGL은 인접한 발광 유닛 간에서 전자와 정공을 동시에 생성 및 주입하는 역할을 하며, 그 성능은 탠덤 OLED의 효율, 전압 특성, 수명에 직접적인 영향을 미친다. 전하 생성 효율을 높이기 위해 기존에는 p형과 n형 도핑층을 이용한 도핑형 CGL이 주로 사용되었다. 그러나 이러한 구조는 공정의 복잡성, 도핑제 확산에 따른 열화 문제, 대면적 제조의 한계가 있어 비도핑형 CGL에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
비도핑형 CGL은 깊은 LUMO 준위를 가진 정공 주입층(HIL)과 전자 수송층(ETL) 간의 에너지 정렬을 이용하여 전하를 생성하는 방식으로, 대표적인 물질로는 HAT-CN, MoO₃, WO₃ 등이 있다. 이 구조는 도핑 공정이 불필요하고 안정성이 높지만, 깊은 LUMO 준위로 인해 전자 주입 장벽이 커지는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 Deep-LUMO HIL과 n형 ETL 사이에 초박막 금속 보조층(Metal-Assisting Interlayer)을 삽입하는 방식이 제안되었다. 금속 보조층은 계면에서 쌍극자를 형성하여 전자 주입 장벽을 낮추고, 전하 재결합 효율을 향상시켜 낮은 구동 전압에서도 높은 효율을 구현할 수 있게 한다.
따라서 본 연구에서는 금속 보조층이 도입된 CGL 구조를 기반으로 탠덤 OLED의 광학적·전기적 특성을 비교 분석하였다. 표면 형태, 광 투과도, 전하 주입 특성 및 전류-전압(J-V) 거동을 종합적으로 평가하였으며, 금속 보조층이 전자 주입 효율과 발광 특성에 미치는 영향을 규명하였다. 이러한 연구는 고효율, 저전압, 장수명의 차세대 탠덤 OLED 소자 개발을 위한 핵심 기술적 기반을 제공할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Background 3
• 3. Experiment 15
• 4. Result 18
• 5. Conclusion 35
• 6. References 37
• Korean Abstract 40