OLED용 발광층 재료

발광층 재료는 OLED 소자에서 중요한 발광 특성인 발광 효율, 발광 파장, 색좌표, 소자 수명 등을 결정하는 가장 중요한 재료이다. 발광층 재료는 일반적으로 최종적으로 발광하는 발광 재료와 발광 재료의 발광을 보조하기 위한 호스트 재료로 구성된다. 발광층에서 발광을 위해서는 전하 수송층으로부터 정공과 전자가 발광층으로 주입되고, 전하 주입을 통하여 형성된 엑시톤이 최종적으로 발광 전이를 통하여 광자로 전환되어 발광해야 한다. 전하 주입을 통한 엑시톤 형성을 위해서는 발광층 재료가 우수한 전하 주입 특성 및 전하 수송 특성을 가져야 하며, 최종적으로 우수한 발광 특성을 얻기 위해서는 발광 재료의 엑시톤을 광자를 전환하는 발광 효율이 우수해야 한다. 그러나, 하나의 물질을 통하여 우수한 전하 주입/수송 특성 및 발광 특성을 구현하기 어렵기 때문에 전하 주입 및 수송을 통하여 엑시톤을 형성하는 호스트 재료와 최종적으로 우수한 발광 특성을 보이는 도펀트로 불리는 발광 재료이며, 발광 역할을 하는 도펀트가 호스트에 분산되어 있는 구조이다. 도펀트의 경우 도펀트 분자 사이의 거리가 가까울 경우에는 분자간의 상호 작용이 커지고, 엑시톤 생성시 엑시톤간의 상호 작용에 의한 엑시톤 소광 현상도 생기기 때문에, 낮은 농도로 호스트에 분산하며, 일반적인 도핑 농도 범위는 0.5~20%이다.

호스트

호스트 물질의 가장 중요한 기능은 정공과 전자의 주입을 원활하게 하고, 주입된 정공과 전자를 발광층 내에서 잘 이동시키고, 최종적으로 정공과 전자가 만나서 엑시톤을 잘 형성할 수 있도록 하는 기능이다. 정공과 전자의 원활한 주입을 위해서는 HOMO 에너지 준위와 LUMO 에너지 준위를 각각 정공 수송층 재료의 HOMO 및 전자 수송층 재료의 LUMO와 적절하게 맞도록 조절해야 한다. HOMO 준위를 정공 수송층 재료와 맞도록 조절하기 위해서는 전자 밀도가 높은 단위체를 포함해야 하며, LUMO 준위를 전자 수송층 재료와 맞도록 조절하기 위해서는 전자 밀도가 낮은 단위체를 포함해야 한다. 따라서 정공와 전자의 주입이 모두 원활하게 일어나게 하기 위해서는 전자 밀도가 높은 단위체와 전자밀도가 낮은 단위체를 분자 내에 동시에 포함하는 화학 구조를 갖는 호스트 물질을 널리 사용한다. 전자밀도가 높은 단위체만으로 분자 구조가 이루어지면 전자 주입 특성이 저하되어 엑시톤 생성 효율이 저하되며, 전자 밀도가 낮은 단위체만으로 분자 구조가 이루어지면 정공 주입 특성이 저하되어 엑시톤 생성 효율이 저하된다. HOMO 및 LUMO를 제어하기 위하여 도입된 단위체들은 각각 정공 수송 특성 및 전자 수송 특성을 개선하는 역할도 하기 때문에 호스트의 전하 주입 특성과 전자 수송 특성을 모두 개선할 수 있다. 정공과 전자를 모두 이동하는 특성을 바이폴라 특성이라 한다. 반면, 정공과 전자 중 하나의 전하만 잘 이동시키는 특성을 유니폴라 특성이라 한다. 높은 효율과 장수명을 위해서는 바이폴라 호스트를 사용하는 것이 유리하다.

도펀트

도펀트 물질은 발광층에서 최종적으로 발광하는 물질로서 일반적으로 호스트에 분산하여 사용한다. 도핑하지 않고 도펀트 물질을 호스트 없이 단독막으로 사용하는 경우도 있으나, 대부분의 경우에는 높은 효율과 수명 구현을 위하여 호스트에 도핑해서 사용한다. 발광 물질인 도펀트 물질을 단독으로 사용하지 않고, 호스트에 분산해서 사용하는 이유는 단독으로 사용시 엑시톤 소광에 의하여 효율이 감소하기 때문이다. 도펀트 물질에 엑시톤이 생성될 경우 엑시톤은 바로 발광하지 않고 일정 시간 동안 전자가 여기 상태에서 머무르며, 높은 에너지를 가진 엑시톤은 이 시간 동안 서로 충돌하거나, 폴라론과 충돌하는 현상들이 생기게 된다. 도펀트 분자 사이의 거리가 가까울수록 충돌에 의한 엑시톤 소광 현상이 심해지게 되므로, 도펀트를 낮은 농도로 도핑하여 호스트에 분산하는 것이 엑시톤 소광을 억제 할 수 있는 방법이다. 낮은 농도로 분산할수록, 소광 현상을 억제할 수 있으나, 호스트로부터 에너지 전달 효율이 떨어지기 때문에 에너지 전달 효율 100%가 가능한 농도 범위에서 최소 도핑 농도를 적용할 경우 엑시톤 소광 현상을 최소화하여 고효율을 구현할 수 있다. 또한, 발광층에서 발광을 위하여 필요한 기능인 전하 수송 기능과 발광 기능을 도펀트 물질 하나로만 구현하기 어렵기 때문에 전하 수송 기능을 하는 호스트와 발광 기능을 하는 도펀트를 각각 사용한다.