유기발광 다이오드는 1987 년 Tang 박사에 의해 보고된 이후 많은 관심을 받으며 연구되었고, 성공적으로 상용화 되었다. 유기발광 다이오드는 자발광형, 얇은 두께, 가벼움, 빠른 응답속도, 높은 명암비, 자유로운 폼팩터 등의 여러가지 장점으로, LCD 다음 차세대 디스플레이로 주목받으며 빠르게 성장했다. TV, 모바일 디스플레이 분야에서 두각을 나타내고 있으며, 웨어러블, 차량, 의료용 기기, 의류 등 다양한 분야에 적용이 검토되고 있다. 유기발광 다이오드의 많은 장점에도 불구하고 아직까지 높은 가격으로 인해 LCD 를 완전 대체하지 못하고 있는 상황이다. 현재 상용화되어 사용되는 유기발광 다이오드는 대부분 인광 재료를 사용하는 인광 유기발광 다이오드인데, 인광 유기발광 다이오드는 필수적으로 발광재료에 이리듐이나 백금 같은 중금속이 포함된다. 또한 높은 효율 달성을 위해 발광층에 도핑 공정이 필요하다. 도핑 공정은 호스트와 도펀트 두가지 혹은 그 이상의 물질을 동시에 특정 비율로 증착 하는 고난도 공정으로 정밀한 증착 속도 조절이 필수이다. 비싼 재료의 사용과 어려운 공정은 결국 유기발광 다이오드의 가격을 높이고, 경쟁력을 저하시키는 요소이다.
본 학위 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 단순화된 공정으로 고효율 인광 유기발광 다이오드를 구현한다. 공정 단순화를 위하여 발광층에 도핑공정 없이 도펀트 물질을 매우 얇은 두께 (1nm 미만)으로 형성하는 초박형 발광층 방식을 사용하였다. 초박형 발광층 구조를 갖는 유기발광 다이오드는 여러 방법의 접근으로 그 가능성을 검토하였다.
첫번째로, 초박형 발광층 구조기반 유기발광 다이오드의 색상을 단순히 두가지 색상의 도펀트 박막 두께 조합을 통해 조절하여 백색 유기발광 다이오드를 구현하였다. 두번째로는 정공 및 전자 수송층 내부에 초박형 발광층의 삽입 개수를 조절하여 특성을 평가 분석하였다. 초박형 발광층의 단일 삽입과 다층 삽입 구조의 영향을 비교하였고, 그 결과 유기발광 다이오드의 극복해야 할 단점 중 하나인 효율 roll-off 특성을 개선과 더불어 효율 또한 개선되었다. 마지막으로는 초박형 발광층 기반 인광 유기발광 다이오드의 전기 및 광학적 구조를 최적화하여 고효율 및 고 안정성 소자를 제작하였다. 제작된 녹색 인광 유기발광 다이오드는 최대 23.8%의 외부양자효율을 달성하였고, 이는 기존 전통 도핑 방식으로 제작된 인광 유기발광 다이오드에 필적하는 수준이다. 또한 초박막 발광층 구조를 갖는 청색 인광 유기발광 다이오드를 제작하였고, 외부 광추출용 확산판을 적용하여 최대 24.3%의 외부양자 효율을 달성하였다.
결론적으로 현재 가장 널리 사용되는 인광 유기발광 다이오드의 공정 단순화 및 효율 고도화를 위하여, 초박형 발광층 구조를 도입하여 그 가능성을 조사하였다. 그 결과 기존 도핑 구조를 갖는 인광 유기발광 다이오드와 필적하는 소자 성능을 달성하였다. 본 학위논문이 향후 유기발광 다이오드 연구 개발에 다양한 구조 도입 및 접근에 기여하기를 기대한다.