KR101615094B1 - 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 포함된 전자소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 기능층들을 포함하는 전자소자에 있어서 인접하는 기능층 사이의 에너지 장벽을 조절하여 소자 효율을 향상시킬 수 있는 전자소자에 관한 것으로, 제1 기능층 및 제2 기능층 사이에 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 삽입되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 환원 정도에 따라 일함수를 자유롭게 조절할 수 있으므로, 제1 기능층 및 제2 기능층 사이에서 에너지 장벽을 조절하여 정공 또는 전자 흐름을 원활하게 할 수 있는 효과가 있다.

Description

부분적으로 환원된 산화 그래핀이 포함된 전자소자 {ELECTRONIC DEVICE COMPRISING PARTIALLY REDUCED GRAPHENE OXIDE}

본 발명은 전자소자에 관한 것으로서, 구체적으로는 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 포함된 전자소자에 관한 것이다.

액정디스플레이(LCD; Liquid Crystal Display)를 대체할 디스플레이 소자로서 유기발광다이오드(OLED; Organic Light Emitting Diode)가 주목 받고 있다. 유기발광다이오드는 이미 스마트폰 등 소면적 디스플레이 장치에서는 액정디스플레이를 대체하여 사용되고 있으며, 최근에는 대면적 디스플레이 또는 플렉서블(Flexible) 디스플레이나 투명 디스플레이 등 차세대 디스플레이 장치에 적용하려는 노력이 계속되고 있다. 이에 따라 유기발광다이오드 소자의 성능을 더욱 개선하여 대면적, 저비용, 고효율 소자를 실현하기 위한 연구들이 소자 구조 및 소재, 제조공정 등 다방면에서 활발하게 진행되고 있다.

유기발광다이오드 소자를 대면적 및 저비용으로 제조하기 위해 제조공정을 기존의 증착공정에서 용액공정(solution process) 기반 공정으로 대체하려는 연구가 진행되고 있으며, 그 예로는 기존의 저분자(small molecule) 유기발광다이오드를 용액공정이 가능한 고분자(polymer) 유기발광다이오드로 대체하기 위한 연구가 있다. 용액공정은 재료의 이용 효율이 높아 저비용 공정에 유리하고 대면적 소자 제조에 적합한 특징이 있다.

또한 유기발광다이오드의 효율을 향상시키기 위한 연구는 소자 구조에 다양한 기능층을 삽입하는 방향으로 발전되어 왔다. 예를 들어, 유기발광다이오드 소자의 양극(Anode)과 발광층(Emitting Layer), 또는 양극과 정공수송층(HTL; Hole Transport Layer) 사이에 정공주입층(HIL; Hole Injection Layer)을 삽입하면 발광층으로 정공이 효과적으로 주입되도록 할 수 있고, 이를 통해 소자 효율을 향상시킬 수 있다.

한편 이러한 기능층들도 용액공정이 가능한 것이 유리한데, 유기발광다이오드 소자에서 용액 공정이 가능한 정공주입층으로는 PEDOT:PSS{poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate}가 많이 사용되고 있다. 하지만 PEDOT:PSS는 고유의 분자구조에서 비롯된 산성 특성으로 인해, 현재 양극으로 널리 사용되고 있는 인듐 주석 산화물(ITO; Indium Tin Oxide)을 서서히 부식시키는 문제가 있고, 또한 발광층과 PEDOT:PSS 사이에서 엑시톤(Exciton)이 발광하지 못하고 소멸된다는 보고도 있다. 이러한 현상들은 유기발광다이오드 소자의 수명이나 신뢰성 및 효율을 악화시키게 되므로, PEDOT:PSS를 대체할 수 있는 새로운 정공주입층 소재가 요구된다.

또한 유기발광다이오드 소자와 같이 복수의 층들이 적층된 구조를 통해 전자(electron) 및 정공(hole)이 흐르는 전자소자의 경우, 각 층들은 인접층들과의 상대적인 에너지 준위를 고려하여 선택되어야 한다. 예를 들어 유기발광다이오드에서 양극(Anode)인 ITO 막의 일함수(work function)와 이에 인접하는 정공주입층의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO; Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위의 차이가 너무 큰 경우, 두 층 사이의 에너지 장벽으로 인해 정공의 흐름이 방해받게 되므로, 소자 효율 측면에서 바람직하지 못하다. 따라서 유기발광다이오드 소자에서 PEDOT:PSS를 대체할 새로운 정공주입층 소재를 선택함에 있어서도, 양극인 ITO와의 화학적 안정성 등 신뢰성 측면 외에 ITO 및 다른 인접층, 예를 들어 정공수송층이나 발광층과의 상대적인 에너지 준위도 중요하게 고려되어야 한다. 이는 정공주입층만의 문제는 아니며, 유기발광다이오드의 다른 기능층들의 소재 선택에서도 마찬가지로 중요한 문제이다.

유기발광다이오드 소자와 같이 복수의 층들이 적층된 구조의 소자에서 어느 하나의 층이 새로운 소재로 변경된 경우에는 또 다른 문제가 야기될 수 있다. 예를 들어 인접층과의 상대적인 에너지 준위를 고려하여 적절한 소재의 정공주입층을 선택하였더라도, 양극이나 정공수송층 또는 발광층 등 그 인접층이 새로운 소재로 변경됨으로써 상대적인 에너지 준위가 변경되는 경우에는 변경된 인접층에 맞는 새로운 소재가 모색되어야 한다는 어려움이 있다. 이러한 관점에서, 유기발광다이오드를 포함한 전자소자 분야에서 인접한 기능층들 사이의 에너지 장벽을 감소시켜 효율을 향상시킬 수 있고, 인접층이 변경된 경우에도 스스로의 에너지 준위를 조절하여 변경된 인접층에 대해서도 에너지 장벽을 용이하게 감소시킬 수 있는 소재의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 새로운 소재의 정공주입층을 포함한 유기발광다이오드 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 인접층과의 상대적인 에너지 준위를 적절히 조절하는 것이 용이한 에너지 장벽 조절층을 포함한 전자소자를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 유기발광다이오드 소자는, 양극 및 정공수송층을 포함하는 유기발광다이오드 소자로서, 상기 양극 및 상기 정공수송층 사이에는 정공주입층이 포함되고, 상기 정공주입층은 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 정공주입층의 HOMO 에너지 준위는, 상기 양극의 페르미 준위와 상기 정공수송층의 HOMO 에너지 준위와의 차이(△E)의 중간 값으로부터 그 차이(△E)의 30% 범위 내에 있을 수 있다.

또한, 상기 정공주입층에 의해, 정공주입층을 삽입하지 않은 경우에 비해 소자 효율이 20% 이상 향상되는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전자소자는, 복수의 기능층들을 포함하는 전자소자로서, 상기 복수의 기능층에는 제1 기능층 및 제2 기능층이 포함되고, 상기 제1 기능층 및 제2 기능층 사이에 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 삽입되는 것을 특징으로 한다. 상기 전자소자는 전자 및 정공의 이동을 수반하여 동작하는 소자일 수 있고, 유기발광다이오드 소자, 광전변환소자, 유기반도체 소자, 박막트랜지스터 소자 중 어느 하나일 수 있다.

상기 부분적으로 환원된 산화 그래핀은 에너지 장벽 조절층으로서, 제1 기능층 및 제2 기능층 사이에서 정공 또는 전자의 흐름을 원활하게 하는 것일 수 있다.

또한, 상기 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 HOMO 에너지 준위는, 상기 제1 기능층의 페르미 준위 또는 HOMO 에너지 준위와 상기 제2 기능층의 HOMO 에너지 준위와의 차이(△E)의 중간값으로부터 그 차이(△E)의 30% 범위 내에 있는 것일 수 있다. 또는 상기 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO; lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위는, 상기 제1 기능층의 페르미 준위 또는 LUMO 에너지 준위와 상기 제2 기능층의 LUMO 에너지 준위와의 차이(△E)의 중간값으로부터 그 차이(△E)의 30% 범위 내에 있는 것일 수 있다.

또한, 상기 부분적으로 환원된 산화 그래핀에 의해, 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 삽입하지 않은 경우에 비해 소자 효율이 20% 이상 향상되는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 전자소자는, 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 포함하는 전자소자로서, 상기 부분적으로 환원된 산화 그래핀은 그에 인접하는 기능층들 사이에서 에너지 장벽을 조절하는 에너지 장벽 조절층으로서 기능하고, 상기 부분적으로 환원된 산화 그래핀에 의해 소자 효율이 향상되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 부분적으로 환원된 산화 그래핀층은 상기 인접하는 기능층들 사이에서의 정공 또는 전자 흐름에 대한 에너지 장벽이 감소되도록 환원 정도가 조절된 것일 수 있다.

본 발명에 따른 유기발광다이오드 소자에 의하면, 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 새로운 정공주입층 소재로 사용함으로써 효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 전자소자에 의하면, 인접층과의 상대적인 에너지 준위를 적절히 조절하는 것이 용이한 에너지 장벽 조절층을 포함함으로써, 소자의 효율 향상 및 인접층의 변경 등 소자 구조 변화에 유연하게 대응할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 얻기 위한 장치의 일 구현예이다.
도 2는 부분적으로 환원된 산화 그래핀에 대한 자외선 광전자 분광법 분석 결과이다.
도 3은 산화 그래핀 및 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 유기발광다이오드 소자의 정공주입층으로 각각 사용한 경우의 에너지 대역도이다.
도 4는 전자소자의 임의의 두 기능층 사이에 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 에너지 장벽 조절층으로서 삽입된 경우의 에너지 대역도에 대한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유기발광다이오드 소자의 개략적인 구조도이다.
도 6은 비교예에 따른 유기발광다이오드 소자의 개략적인 구조도이다.
도 7은 실시예 및 비교예에 따라 제작된 유기발광다이오드 소자들의 소자 효율 분석 결과이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어, 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다.

본 발명에서 기능층이라는 용어는 복수의 층을 포함하는 전자소자에 포함되어 소정의 기능을 수행하는 층을 의미하는 것으로, 특정층으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 기능층은 유기발광다이오드 소자의 양극, 정공주입층, 정공수송층, 전자주입층(EIL; Electron Injection Layer), 전자수송층(ETL; Electron Transport Layer), 음극(Cathode) 중 하나일 수 있으며, 또는 상기 기능층들 사이에 삽입되어 에너지 장벽을 조절하기 위한 새로운 기능층인 에너지 장벽 조절층일 수 있다. 또한, 본 발명에서 전자소자는 유기발광다이오드 소자에 한정되는 것은 아니며, 광전변환소자, 유기반도체소자, 박막트랜지스터 소자 등 다양한 전자소자가 될 수 있다.

본 발명은 전자소자에 포함되는 기능층으로 부분적으로 환원된 산화 그래핀(PRGO; Partially Reduced Graphene Oxide)을 사용하는 것을 특징으로 하는 것이다. 예를 들어, 본 발명의 하나의 실시예는 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 정공주입층으로 포함하는 유기발광다이오드 소자일 수 있다. 부분적으로 환원된 산화 그래핀은 그 환원 정도에 따라 일함수가 달라지므로 환원 정도를 조절하는 것에 의해 인접층들과의 상대적인 에너지 준위를 용이하게 조절할 수 있고, 그 결과 정공 또는 전자 흐름에 대한 에너지 장벽을 최소화하여 소자 효율을 향상시키는 것이 가능하다.

그래핀(Graphene)은 2차원 벌집구조 모양의 탄소원자 단일층으로 이루어진 물질로서, 높은 전기전도도 및 전하이동도 뿐만 아니라 우수한 기계적 강도 및 유연성을 갖고 있어 여러 응용 분야에서 많은 연구가 진행되고 있는 소재이다. 그래핀은 기계적 박리법, 화학기상증착법으로도 얻을 수 있지만, 용액 공정을 통해서도 합성이 가능하다. 용액 공정을 통한 그래핀 합성은 흑연에 일련의 반응을 일으켜 그래핀을 얻는 방식으로 진행되며, 저가격으로 대면적 공정이 가능하고, 대량 생산에 적합하며, 화학적으로 그래핀의 특성을 조절하는 것이 비교적 쉽다는 장점이 있다. 또한 용액 공정을 통해서는 그래핀 뿐만 아니라 산화 그래핀(GO; Graphene Oxide) 및 환원된 산화 그래핀(RGO; Reduced Graphene Oxide) 등도 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 얻기 위한 장치의 일 구현예이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 환원제가 들어있는 용기와 산화 그래핀이 들어있는 용기가 제1 밸브가 구비된 관을 통해 연결되어 있고, 산화 그래핀이 들어있는 용기는 제2 밸브가 구비된 관을 통해 진공펌프와 연결되어 있다. 환원제가 들어있는 용기는 히팅 플레이트에 의해 가열할 수 있도록 구성되어 있다. 이러한 장치의 구성에서 제1 밸브 및 제2 밸브를 열고 진공펌프를 작동시키면서 히팅 플레이트로 환원제를 가열하면, 환원제 증기가 산화 그래핀이 들어있는 용기로 주입되어 산화 그래핀을 환원시키며, 환원제 증기는 진공펌프 쪽으로 배출된다. 환원제로는 하이드라진(hydrazine), 아스코르브산(ascorbic acid), 수소화붕소나트륨(sodium borohydride), 요오드화수소산-아세트산 혼합물(hydriodic acid-acetic acid) 등이 사용될 수 있으며, 이외에도 산화 그래핀을 환원시킬 수 있는 모든 환원제가 사용될 수 있다. 도 1에는 도시하지 않았으나, 산화 그래핀이 들어있는 용기도 소정의 온도로 가열함으로써 환원이 일어나는 온도를 조절할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

산화 그래핀의 환원 정도는 다양한 인자를 통해 조절될 수 있는데, 이러한 인자로는 환원 시간, 환원제 가열 온도, 산화 그래핀 가열 온도, 환원제 종류나 농도 등이 될 수 있다. 특히 환원 시간을 조절하면 산화 그래핀의 환원 정도를 간단히 조절하는 것이 가능하다. 도 2는 환원제로 하이드라진을 사용하면서 환원 시간을 조절하여 환원 정도를 조절한 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 특성을 자외선 광전자 분광법(UPS; Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)으로 분석한 결과이다. 자외선 광전자 분광법은 시료의 표면에 자외선을 조사하여 시료에서 방출되는 광전자의 운동에너지를 측정함으로써 시료의 일함수 및 이온화에너지, HOMO 에너지 준위를 측정할 수 있는 기술이다. 도 2에 따르면, 환원 시간이 늘어날수록 스펙트럼이 결합에너지(binding energy)가 낮은 쪽으로 이동함을 확인할 수 있다. 도 2에서 결합에너지 0eV는 ITO의 페르미 준위(Fermi level)를 나타내는데, 도 2에 점선으로 표시한 각 스펙트럼의 접선과 x축의 교차점에 해당하는 결합에너지 값이 해당 시료의 HOMO 에너지 준위와 ITO의 페르미 준위의 차이에 해당한다. 그 값을 산출해보면 산화 그래핀 시료의 경우 약 0.8eV, 20분 동안 환원한 부분적으로 환원된 산화 그래핀 시료의 경우 약 0.5eV, 4시간 동안 환원한 부분적으로 환원된 산화 그래핀 시료의 경우 약 0.1eV의 값으로 나타나며, 이로부터 환원 정도가 증가할수록 산화 그래핀의 HOMO 에너지 준위가 ITO의 페르미 준위에 가까운 방향으로 이동함을 확인할 수 있다.

이러한 특징에 의하면, 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 복수 층이 적층되어 구성되는 전자소자의 기능층으로 사용할 경우 인접층과의 에너지 장벽을 적절히 조절하여 소자 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어 부분적으로 환원된 산화 그래핀은 유기발광다이오드 소자의 정공주입층으로 사용할 수 있다. 도 3은 산화 그래핀 및 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 유기발광다이오드 소자의 정공주입층으로 각각 사용한 경우의 에너지 대역도이다. 이때 정공주입층의 인접층으로는 양극인 ITO, 정공수송층인 N,N'-bis-(1-naphyl)-N,N'-diphenyl-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine(NPB)를 사용하는 것으로 가정하였으며, 전체적인 유기발광다이오드 소자의 구조는 ITO/(부분적으로 환원된)산화그래핀/NPB/Alq3:C545T/Alq3/LiF/Al으로 가정하였다. 여기서 Alq3:C545T는 발광층인 2,3,6,7-tetrahydro-1,1,7,7,-tetramethyl-1H,5H,11H-10(2-benzothiazolyl)quinolizine-[9,9a,1gh]coumarin(C545T)-doped Alq3이며, Alq3는 전자수송층인 Tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum, LiF 및 Al은 각각 전자주입층 및 음극 소재이다.

도 3(a)을 참조하여 설명하면, 정공주입층으로 산화 그래핀을 사용한 경우에는 산화 그래핀의 HOMO 에너지 준위가 정공수송층인 NPB의 HOMO 준위에 가깝고 양극인 ITO의 페르미 준위와는 상대적으로 큰 차이가 있다. 따라서 ITO에서 주입되는 정공은 큰 에너지 장벽을 느끼게 되고, 이로 인해 정공주입층이 사용되었음에도 불구하고 소자 효율 측면에서는 큰 향상을 기대하기 어렵다.

반면 도 3(b)와 같이 20분 환원된 산화 그래핀을 정공주입층으로 사용하는 경우에는 정공주입층의 HOMO 에너지 준위가 ITO 양극의 페르미 준위와 NPB 정공수송층의 HOMO 에너지 준위의 거의 가운데에 위치하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 20분 환원된 산화 그래핀을 정공주입층으로 사용하게 되면, 양극인 ITO에서 주입되는 정공이 느끼는 에너지 장벽을 최소화할 수 있고, 이로 인해 정공주입층 삽입에 따른 소자 효율 향상 효과가 극대화될 수 있다.

한편 환원 시간을 4시간으로 길게 한 산화 그래핀을 정공주입층으로 사용하는 경우에는 정공주입층의 HOMO 에너지 준위가 ITO 양극의 페르미 준위와 거의 유사한 값을 가지게 되어, NPB 정공수송층의 HOMO 에너지 준위와는 차이가 커지게 된다. 이는 정공주입층과 정공수송층 사이의 에너지 장벽이 커지게 되는 결과가 되므로, 소자 효율 향상 효과 측면에서는 20분 환원된 산화 그래핀보다 바람직하지 못하다.

이처럼 부분적으로 환원된 산화 그래핀은 그 환원 정도에 따라 일함수를 용이하게 조절할 수 있으므로, 전자소자 내에서 인접층과의 상대적인 에너지 준위를 조절하여 소자 효율을 향상시키는데 적합하다. 도 3에서는 정공주입층의 인접층으로 ITO와 NPB를 예로 들었으나, 두 인접층 중 적어도 어느 하나가 다른 층으로 변경될 경우 상대적인 에너지 준위가 변경되므로 도 3(b)의 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 더 이상 최적의 선택이 아니게 될 수 있다. 그러나 본 발명에 의하면, 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 환원 정도를 적절히 조절하는 것으로 변경된 소자 구조에 유연하게 대응할 수 있으므로, 새로운 인접층에 맞는 새로운 소재를 개발할 필요가 없다.

도 3에서는 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 유기발광다이오드 소자의 정공주입층으로 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명에 따른 부분적으로 환원된 산화 그래핀은 유기발광다이오드 소자의 다른 기능층에 사용하거나, 또는 유기발광다이오드 소자 외의 다른 전자소자의 기능층으로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예는 제1 기능층 및 제2 기능층 사이에 삽입되어 에너지 장벽을 조절하는 역할을 하는 에너지 장벽 조절층으로서 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 포함하는 전자소자일 수 있다. 여기서 전자소자는 전자 및 정공의 이동을 수반하여 동작하는 모든 소자를 포함하고, 제1 기능층 및 제2 기능층은 양극 및 음극 등 전극층을 포함한 임의의 기능층일 수 있다.

도 4는 양극과 음극 사이에 n개의 기능층이 적층된 전자소자에서, 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 에너지 장벽 조절층으로서 삽입된 경우의 에너지 대역도를 예시한 도면이다. 여기서 n은 1 이상의 정수일 수 있다. 도 4(a)는 양극과 제1 기능층 사이에 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 삽입되어 양극과 제1 기능층 사이에서 에너지 장벽 조절층으로 기능할 수 있음을 보여주는 개념도이고, 도 4(b)는 제1 기능층과 제2 기능층 사이에 본 발명에 따른 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 삽입되어 제1 기능층과 제2 기능층 사이에서 에너지 장벽 조절층으로 기능할 수 있음을 보여주는 개념도이다. 두 경우 모두 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 HOMO 에너지 준위는 산화 그래핀의 HOMO 에너지 준위와 환원된 산화 그래핀의 HOMO 에너지 준위 사이에서 자유롭게 조절될 수 있으므로, 두 인접한 기능층에 따라 그 환원 정도를 적절히 조절함으로써 에너지 장벽을 감소시킬 수 있다.

본 발명은 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 환원 정도나 일함수 또는 인접층과의 상대적인 에너지 준위를 특정 값으로 한정하는 것은 아니다. 다만 제1 기능층과 제2 기능층 사이에서 에너지 장벽 조절층으로서 정공 또는 전자의 흐름을 원활하게 하여 소자 효율을 향상시키기 위해서는, 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 에너지 준위를 적정 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 본 발명의 제1 실시예에 따라 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 정공주입층으로 포함하는 유기발광다이오드 소자의 경우, 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 HOMO 에너지 준위는, 제1 기능층인 양극의 페르미 준위와 제2 기능층인 정공수송층 또는 발광층의 HOMO 에너지 준위와의 차이(△E)의 중간값으로부터 그 차이(△E)의 30% 범위 내에 있을 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10% 범위 내에 있을 수 있고, 가장 바람직하게는 5% 범위 내에 있을 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따라 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 제1 기능층 및 제2 기능층 사이에서 정공 흐름에 대한 에너지 장벽 조절층으로 포함하는 전자소자의 경우, 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 HOMO 에너지 준위는, 제1 기능층의 페르미 준위 또는 HOMO 에너지 준위와 제2 기능층의 HOMO 에너지 준위와의 차이(△E)의 중간값으로부터 그 차이(△E)의 30% 범위 내에 있을 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10% 범위 내에 있을 수 있고, 가장 바람직하게는 5% 범위 내에 있을 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 부분적으로 환원된 산화 그래핀은 정공 흐름에 대한 에너지 장벽 조절층으로만 한정되는 것은 아니며, 전자 흐름에 대한 에너지 장벽 조절층으로도 사용될 수 있다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 제1 기능층 및 제2 기능층 사이에서 전자 흐름에 대한 에너지 장벽 조절층으로 포함하는 전자소자의 경우, 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO; lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위는, 제1 기능층의 페르미 준위 또는 LUMO 에너지 준위와 제2 기능층의 LUMO 에너지 준위와의 차이(△E)의 중간값으로부터 그 차이(△E)의 30% 범위 내에 있을 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10% 범위 내에 있을 수 있고, 가장 바람직하게는 5% 범위 내에 있을 수 있다.

이하 본 발명의 제1 실시예에 따라 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 정공주입층으로 삽입하여 제조한 유기발광다이오드 소자의 특성 분석 결과를 실시예 및 비교예를 통해 설명한다.

1. 소자 구조

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유기발광다이오드 소자의 개략적인 구조도이다. 도 5을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 유기발광다이오드 소자는, 글래스 기판 위에 ITO(150nm), NPB(30nm), Alq3:C545T(2%)(35nm), Alq3(30nm), LiF(1nm), Al(150nm) 막이 순차적으로 적층되고, ITO와 NPB 사이에 20분 환원된 산화 그래핀이 삽입된 구조의 소자이다. 위 구조에서 ITO막은 양극, 20분 환원된 산화 그래핀은 정공주입층(HIL), NPB는 정공수송층(HTL), Alq3는 전자수송층(ETL), C545T: Alq3는 발광층(EL), LiF와 Al 막은 각각 전자주입층(EIL) 및 음극(Cathode) 기능을 하는 기능층이다. 산화 그래핀의 환원은 도 1과 같은 구조의 장치를 통해 수행되었으며, 환원제로는 하이드라진을 이용하여 20분간 진행하였다.

비교를 위해 도 6의 비교예 소자를 준비하였다. 도 6(a)는 도 5의 실시예 소자와 비교하면 정공주입층인 20분 환원된 산화 그래핀을 제거한 구조의 소자이고, 도 6(b)는 환원시키지 않은 산화 그래핀을 정공주입층으로 삽입한 소자이며, 도 6(c)는 PEDOT:PSS를 정공주입층으로 삽입한 소자이다. 정공주입층을 제외하고는 도 5의 실시예와 완전히 동일하였다.

2. 소자 특성

실시예 및 비교예에 따라 제작된 유기발광다이오드 소자들의 전기적 특성을 Keithley 2400 소스미터로 분석하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7의 결과에 의하면, PEDOT:PSS나 산화 그래핀 정공주입층을 사용한 경우 정공주입층을 사용하지 않은 경우에 비해 소자 효율이 약 12% 상승되었으나, 본 발명에 따른 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 정공주입층으로 사용한 경우에는 소자 효율이 약 35%로 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.

Claims (12)

1. 양극 및 정공수송층을 포함하는 유기발광다이오드 소자로서,
   상기 양극 및 상기 정공수송층 사이에는 정공주입층이 포함되고,
   상기 정공주입층은 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 포함하며,
   상기 정공주입층의 HOMO 에너지 준위는,
   상기 양극의 페르미 준위와 상기 정공수송층의 HOMO 에너지 준위와의 차이(△E)의 중간값으로부터 그 차이(△E)의 30% 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 유기발광다이오드 소자.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 정공주입층에 의해, 정공주입층을 삽입하지 않은 경우에 비해 소자 효율이 20% 이상 향상되는 것을 특징으로 하는 유기발광다이오드 소자.
4. 삭제
5. 삭제
6. 복수의 기능층들을 포함하는 전자소자로서,
   상기 복수의 기능층에는 제1 기능층 및 제2 기능층이 포함되고,
   상기 제1 기능층 및 제2 기능층 사이에 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 삽입되는 것을 특징으로 하며,
   상기 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 HOMO 에너지 준위는,
   상기 제1 기능층의 페르미 준위 또는 HOMO 에너지 준위와 상기 제2 기능층의 HOMO 에너지 준위와의 차이(△E)의 중간값으로부터 그 차이(△E)의 30% 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 전자소자.
7. 복수의 기능층들을 포함하는 전자소자로서,
   상기 복수의 기능층에는 제1 기능층 및 제2 기능층이 포함되고,
   상기 제1 기능층 및 제2 기능층 사이에 부분적으로 환원된 산화 그래핀이 삽입되는 것을 특징으로 하며,
   상기 부분적으로 환원된 산화 그래핀의 LUMO 에너지 준위는,
   상기 제1 기능층의 페르미 준위 또는 LUMO 에너지 준위와 상기 제2 기능층의 LUMO 에너지 준위와의 차이(△E)의 중간값으로부터 그 차이(△E)의 30% 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 전자소자.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
   상기 부분적으로 환원된 산화 그래핀에 의해, 부분적으로 환원된 산화 그래핀을 삽입하지 않은 경우에 비해 소자 효율이 20% 이상 향상되는 것을 특징으로 하는 전자소자.
9. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
   상기 전자소자는 전자 및 정공의 이동을 수반하여 동작하는 소자인 것을 특징으로 하는 전자소자.
10. 제9항에 있어서,
    상기 전자소자는 유기발광다이오드 소자, 광전변환소자, 유기반도체 소자, 박막트랜지스터 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자소자.
11. 삭제
12. 삭제

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