전도성 고분자-은 나노와이어 기반 투명 전극이 적용된 무진공 양방향 발광 OLED 제조에 관한 연구 = Fabrication of Vacuum-Free Bi-Directional OLEDs Using Transparent Electrodes Based on Conductive Polymers and Silver Nanowires

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study focuses on optimizing the fabrication process of organic light-emitting diodes (OLEDs) using transparent electrodes to improve device efficiency and achieve bi-directional emission, while also investigating the underlying mechanisms. Based on the hydrophilic characteristics and optical variations of poly(styrene sulfonate) (PSS) in the hole injection layer PEDOT:PSS, four types of transparent electrodes with different PSS contents were fabricated. Electrical and optical analyses of these electrodes revealed that, at a specific processing temperature, a structural rearrangement occurred within the material. To investigate the effect of this rearrangement, the work function was measured using a Kelvin probe, confirming that the work function of the transparent laminated electrodes increased with higher PSS content until reaching a saturation point.
The vacuum-free bi-directional OLEDs were fabricated using a solution-based hot-pressing process, in which the transparent laminated electrode and the ITO layer were bonded under heat and pressure. The optimized transparent electrode processed at 200 °C enhanced hole injection, leading to stronger electron–hole recombination and enabling device operation at lower voltages. As a result, the turn-on voltage decreased from 5.1 V to 2.6 V. Moreover, variations in hole injection shifted the emission zone within the emissive layer, resulting in asymmetric luminance between the top and bottom emissions.
External quantum efficiency (EQE), calculated by integrating the emitted photons over the upper hemisphere, reached 3.4% in the laminated transparent OLEDs, which is comparable to that of conventional vacuum-deposited devices. This demonstrates the successful optimization of a simplified, low-cost fabrication process that enhances OLED performance. Furthermore, the observed luminance asymmetry between top and bottom emission was explained by introducing the “emission zone” concept, providing insights into the underlying mechanism.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 OLED(유기 발광 다이오드)의 소자 효율 향상과 양방향 발광을 위해 투명 전극을 사용하여 공정을 최적화하고 이에 대한 메커니즘을 연구하였다. 정공 주입층인 PEDOT:PSS에서 PSS의 친수성 특징 및 광학적 변화 특성을 활용하여 PSS 함량이 다른 4가지 종류의 투명 전극을 제작하였다. 이후 PSS 함량별 전극들의 전기적, 광학적 특성을 분석한 결과, 일정 공정 온도에서 물리적인 구조가 재배열되는 현상을 발견했다. 이러한 구조적 재배열이 주는 영향을 확인하기 위해 Kelvin probe를 이용하여 일함수를 측정하였고, PSS 함량이 증가함에 따라 투명 라미네이션 전극의 일함수가 증가하다가 일정 수준에 도달한다는 사실을 확인할 수 있었다. 용액공정 기반의 양방향 발광 무진공 유기발광다이오드(OLEDs) 소자는 Hot-pressing 공정을 통해 투명 라미네이션 전극과 ITO층을 온도를 가하며 압력을 주어 결합하여 제작하였다. 최종적으로 투명 전극은 200°C 공정 온도에서 제작된 것을 사용하였고, OLED 소자에서 정공의 주입이 개선되어 전자와의 결합이 증가하기에 낮은 전압으로 소자가 구동되었으며, Turn-on 전압 또한 기존 5.1V에서 2.6V로 앞당겨졌다. 이 과정에서 정공의 주입 정도에 따라 발광층 안에서 발광 위치가 변경됨을 보았고 이는 Top, Bottom 에서 나오는 빛의 비대칭성을 확인할 수 있었다. 방출된 빛의 광자 수를 상 반구에 적분하여 외부 양자 효율(EQE) 계산한 결과, 투명 라미네이션 소자는 3.4 % EQE 값을 보여주며 증착 소자와 유사한 소자 성능을 보였다. 이로써 저비용으로 단순화된 공정을 최적화하고 OLED 소자의 효율을 향상하는 데 성공하였다. 더 나아가 투명 OLED의 Top, Bottom 방향에서의 휘도 비대칭성이 발생함을 “발광 영역” 개념으로 설명하였고, 원인을 분석하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 실험 5
• 2.1 Materials 5
• 2.2 전도성 고분자-은 나노와이어 투명 전극 제작 7
• 2.3 양방향 발광 Vacuum-free OLED 소자제작 10
• 3. 결과 및 고찰 13
• 3.1 PSS 함량에 따른 투명 전극의 광학, 전기적 특성 13
• 3.2 PSS 함량에 따른 전극 일함수 변화와 구조 재배열 17
• 3.3 공정 온도에 따른 투명 라미네이션 전극 사용 소자 특성 28
• 3.4 양방향 발광 무진공 OLEDs의 소자 성능 및 발광 특성 33
• 4. 결론 39
• 5. 참고문헌 41
• 6. 출판된 논문 목록 49
• Abstract 51