Study on Organic Interfaces for Highly Efficient PHOLEDs

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis is about the interface engineering in order to improve the device stability for highly efficient phosphorescent organic light-emitting diodes (PHOEDs). Notably, this thesis investigated that used the new methodology, which includes studies on four types of the new synthetic bipolar transport materials for blue and green PHOLEDs, carrier injection and transport behaviors for ideal charge balance into emitting layer (EML) in solution-processed PHOLEDs, interface tunneling layer (ITL) for reduction of accumulated charge carrier both sides of EML, and an alternative current OLEDs (AC OLEDs) for utilization of new device structure operating in an AC condition.
In the case of the bipolar host materials, the new synthetic host materials were introduced for highly efficient PHOLEDs. Especially, the newly synthesized bipolar host materials showed the ideal charge balance factor, improved thermal and electrical properties, and enhanced device performance. However, the ideal charge balance factor does not give ideal device characteristics for green PHOLEDs, which might be due to a leakage current path caused by high current flow behavior, resulted from the geometry issue each material. Therefore, it necessary to find the critical interface that affects that the device performances and to do precise interface engineering.
Especially, the recombination zone (RZ) for solution-processed OLEDs can be easily formed towards the hole transport layer (HTL)/EML interface due to the restricted hole mobility of cross-linkable material. Such critical interface (i.e., HTL/ EML) can significantly influence the device performance and lifetime. Thus, we focused on the critical interface engineering for solution-processed OLEDs by controlling each carrier injection and transport behavior. Especially, to improve the hole mobility, we developed a new HTL having a polymer blending effect which or that gives a semi-interpenetrating polymer network (semi-IPN) structure. With this approach, we obtained highly efficient and improved device lifetime in solution-processed green PHOLEDs. Furthermore, we utilized the new synthetic electron transporting material (ETM, 4-(3-(fluoranthen-3-yl)-5-(fluoranthen-4-yl)phenyl)-2-phenyl-benzo[h]quinolone, FRT-PBQ) that observed lower electron mobility than a common ETM [e.g., 2,2’,2’’-(1,3,5-phenylene)tris(1-phenyl-1H-benzimidazole) (TPBI)], due to the increased twisted angle. Interestingly, FRT-PBQ showed high current efficacy and extended device lifetime as compared to that of the device fabricated with TPBI, which might be due to an overall moderately charge balance with a low hole mobility of cross-linkable HTL. From this result, we concluded that the moderate charge balance is required for highly efficient solution-processed OLEDs via the proper interface engineering.
Furthermore, the research on ITL is the interface modification by using very thin interface tunneling material. It could be acted as a protection layer of the critical interface, resulting in reduced accumulated charge carriers both sides of EML. Especially, it affects charge injection property, which helps to release the charge accumulation at the interface. This unique material could form the shift RZ to a center of EML to lower the possibility of exciton quenching acting as a non-radiative transition. Finally, ITL was applied to both sides of EML and showed significantly improved device lifetime (by a factor 2.5) compared to that obtained from the reference device.
Finally, in work for AC OLEDs, new device structure was proposed for improvement of the device stability. By introducing a two dimensional structure composed of two OLED devices, we could be driven individually and simultaneously according to the polarity of each electrode. It could be very beneficial to improve the accumulated charge carrier at the critical interface because it plays the very same role of the effect for reverse bias effect. From the repetition for the relaxation and accumulation process, the degradation originated from the interfacial charge accumulation could be easily released.

국문 초록 (Abstract)

이 논문은 고효율 인광유기발광 소자의 안정성 향상을 위한 유기 계면에 관한 연구이다. 특히, 이 논문은 고효율 청색 및 녹색 인광유기발광 소자를 위해 새롭게 합성된 양극성 호스트 재료 도입, 용액 공정용 인광유기발광 소자의 안정성 향상을 위한 전하 주입 및 수송 거동 조절, 유기 계면에 축적된 여기 전하에 의한 열화를 줄이기 위한 계면 터널링 층 도입, 마지막으로 소자의 수명 향상을 위한 교류 구동 방식 적용에 대한 4 가지 유형의 연구를 포함하며 소자의 안정성 향상을 위한 새로운 방법론을 제시하였다.
양극성 호스트 물질의 경우, 고효율 소자 특성을 위해 새롭게 합성된 물질을 도입하였다. 새롭게 합성된 호스트 물질은 고효율 인광유기발광소자를 위해 도입되었다. 이러한 양극성 호스트 재료는 이상적인 전하 균형 인자, 개선 된 열적 및 전기적 특성, 향상된 소자 성능을 보여 주었다. 그러나 경우에 따라서는 이상적인 전하 평형 인자는 각 물질의 형상 문제로 인해 높은 전류 흐름 거동에 의한 누설 전류 경로로 작용하였고 이로 인하여 녹색 인광유기발광 소자의 경우 매우 저조한 소자 특성을 보였다. 이를 통해 제작되는 소자 환경에 따라 안정성에 영향을 미치는 주요한 원인이 존재하며, 고효율 장수명 유기발광소자 구현을 위해서는 장치 성능에 영향을 미치는 주요한 유기 계면을 찾고 정확한 유기 계면 엔지니어링이 요구된다는 결론을 도출하였다.
특히, 용액 공정 유기발광 소자의 경우 적층 구조 확립을 위하여 가장 하단층에 가교성 정공 이동층 물질을 사용한다. 그러나 이 물질은 매우 제한된 정공 이동도 특성을 가지며 이로 인하여 용액 공정 소자의 경우 여기자 재조합 영역이 홀 이동층/발광층 계면으로 치우치게 된다. 즉, 용액 공정 소자의 경우 홀 이동층/발광층 계면이 소자 성능 및 수명에 가장 큰 영향을 미치는 주요한 유기 계면으로 작용하게 되며, 소자의 수명 향상을 위해서는 각 전하의 주입 및 이동 특성 조절을 통하여 여기자 재조합 영역을 발광층 내부로 이동시켜야만 한다. 특히, 정공의 이동 및 주입 특성 향상을 위한 방법으로는 기존의 고분자 물질과 가교성 홀 주입 물질을 블렌딩하여 정공 주입 및 이동 특성을 향상시켰다. 이러한 접근 방식을 통해 솔루션 처리 된 녹색 인광유기발광 소자의 주입 특성 및 수명이 매우 향상되었다. 나아가 새롭게 합성된 전자 수송 재료와 기존에 사용되는 전자 수송 재료와의 비교를 통해, 각 다른 전자 이동도 특성을 가지는 물질을 사용할 경우 소자 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 흥미롭게도, 기존의 전자 수송 재료와 비교하여 약 10 배 정도 느린 전자 이동도 특성을 가지는 새로운 물질을 도입한 경우 용액 공정 소자의 수명이 약 1.7 배 정도 향상되는 연구 결과를 얻을 수 있었다. 이는 가교 결합 성 홀 주입층의 정공 이동도 특성과 전반적으로 적절한 전하 균형을 이루어 이상적인 전하 균형을 이루었기 때문이다. 이 결과로부터 고효율 용액 공정 유기발광 소자 제작을 위해서는 적절한 유기 계면 엔지니어링을 통한 이상적인 전하 균형이 필요하다는 결과를 도출하였다.
나아가 계면 터널링 층에 관한 연구는 매우 얇은 물질을 사용하여 유기 계면을 변화시켰다. 계면 터널링 층은 소자 안정성에 영향을 미치는 계면의 보호 층으로 작용할 수 있으며 발광층 양 측면에 도입할 경우 축적된 전하의 주입 특성을 향상시켜 주어 계면 열화를 감소시킬 수 있다. 매우 얇은 두께 (1 nm) 만으로도 기존 소자와 대비하여 소자 수명이 약 2.5 배 이상 향상되었다.
마지막으로, 교류형 유기발광 소자에 대한 연구를 진행하였다. 소자 안정성 향상을 위해 새로운 방식의 소자 구조를 제안하였다. 두 층의 유기발광 소자를 구성하여 각 전극의 극성에 따라 각 유기발광층을 개별 구동하고자 하였다. 방향성을 달리하여 교류형 소자가 주는 장점을 도입하면서도 역 바이어스 효과에 대한 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이완 및 축적 과정을 반복함으로써, 계면 전하 축적으로 인한 분해가 쉽게 해제 될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1. 1 Importance of interface engineering and motivation of this work 1
• Chapter 2. Bipolar Transporting Materials 6
• 2-A. Blue PHOLEDs 6
• 2-B. Green PHOLEDs 28
• Chapter 3. Carrier Injection and Transport Behavior 54
• 3-A. Hole carrier injection and transport behavior 54
• 3-B. Electron carrier injection and transport behavior 81
• Chapter 4. Interface Tunneling Layer (ITL) 103
• Chapter 5. AC OLEDs 122
• Chapter 6. Summary 134
• References 138
• Abstract 161
• 국문초록 164
• List of Publications 167
• List of Conferences 170