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KR-20260061859-A - ORGANIC MATERIAL CRYSTAL GROWTH METHOD USING THERMAL EVAPORATION

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Abstract

본 발명은 열 증착법을 이용하여 유기재료 결정을 성장시키는 방법에 관한 것으로서, 챔버 내부의 전극 상에 유기재료 초기 분말이 담긴 도가니를 위치시키는 유기재료 투입 단계, 상기 챔버에 진공을 형성하는 단계, 상기 전극에 열을 가하여 상기 도가니 상부에 배치된 기판 상에 상기 유기재료 초기 분말을 증착하는 열 증착 단계를 포함할 수 있다.

Inventors

  • 신동찬
  • 박가빈

Assignees

  • 조선대학교산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (7)

  1. 챔버 내부의 전극 상에 유기재료 초기 분말이 담긴 도가니를 위치시키는 유기재료 투입 단계; 상기 챔버에 진공을 형성하는 단계; 상기 전극에 열을 가하여 상기 도가니 상부에 배치된 기판 상에 상기 유기재료를 증착하는 열 증착 단계를 포함하는 열 증착법을 이용한 유기재료 결정 성장 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기 재료는 Alq 3 이고, 상기 유기 재료 초기 분말은 α+β상 분말인 것을 특징으로 하는 유기 재료 결정 성장 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 전극 사이의 거리를 조절하기 위한 승강 수단을 더 포함하고, 상기 승강 수단은, 상기 유기 재료 초기 분말의 종류에 기초하여 구동되는 것을 특징으로 하는 유기 재료 결정 성장 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유기 재료는 Alq 3 이고, 상기 유기 재료 초기 분말이 α+β상 분말인 경우 상기 기판과 상기 전극 사이의 거리를 제1 거리로 조절하도록 상기 승강 수단이 구동되고, 상기 유기 재료 초기 분말이 δ-상인 경우 상기 기판과 상기 전극 사이의 거리를 제2 거리로 조절하도록 상기 승강 수단이 구동되며, 상기 제2 거리는 상기 제1 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 유기 재료 결정 성장 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열 증착 단계가 완료된 기판을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 열 증착법을 이용한 유기재료 결정 성장 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 성장된 유기재료 결정.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 성장된 유기재료 결정을 기반으로 한 발광 소자.

Description

열 증착을 이용한 유기재료 결정 성장 방법{ORGANIC MATERIAL CRYSTAL GROWTH METHOD USING THERMAL EVAPORATION} 본 발명은 유기재료 결정을 성장시키는 방법에 관한 것으로, 특히 이온성 액체와 열 증착 방식을 이용하여 유기재료 결정을 성장시키는 방법에 관한 것이다. (국문) 본 과제(결과물)는 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다(과제관리번호: 2021RIS-002). (영문) This research was supported by "Regional Innovation Strategy (RIS)" through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(MOE) (2021RIS-002). 차세대 디스플레이로 주목받는 OLED(Organic Light Emitting Diode) 디스플레이는 자체 발광이 가능한 유기재료를 사용하여 제작된다. OLED 디스플레이는 백라이트가 필요 없는 특징때문에 플렉서블(flexible)한 디스플레이 제작이 가능하며, 기존 디스플레이와 비교했을 때 두께, 소비 전력 등의 측면에서 매우 우수한 장점을 갖는다. 수직 적층 구조를 갖는 OLED는 각 층의 두께와 물질 변화, 사용되는 유기 재료의 결정의 형상에 따라 전도도가 달라지며, 이는 OLED 디바이스의 특성(예: 발광 효율)과 연관된다. 유기재료(유기 반도체 재료)는 높은 이온 전도성과 우수한 열 안정성, 유연성 및 경량성 등의 다양한 이점으로 무기 반도체 재료를 대체할 소재로서 많은 연구가 이루어지고 있다. 유기물 결정을 반도체 소자에 활용하면 높은 규칙성 배열, 높은 전하 이동도, 높은 열 안정성을 가지게 되는데, 특히 분자 구조 모양에 따라 광전자적 특성을 제어할 수 있어 적층 구조 및 적층 모양 제어를 통해 유기 반도체 자체 성능 또한 조절할 수 있다. Alq3(Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium)는 우수한 EL 특성과 고효율, 저전압에서 높은 밝기를 가지는 유기재료로 우수한 전자 수송 능력과 열적 안정성 때문에 OLED의 ETL, EML 층에 주로 사용된다. Alq3는 두 개의 이성질체 meridional structure(mer-Alq3)와 facial structure(fac-Alq3)가 존재하며, 총 5개의 결정상(α-, β-, γ-, δ-, ε-)이 존재한다. 이 중, α-, β-, ε-상은 mer-Alq3 구조를 갖고, γ-, δ-상은 fac-Alq3 구조를 갖는다. mer-Alq3구조와 fac-Alq3 구조는 산소의 위치에 따라 구분되는데, mer-Alq3구조는 산소 원자끼리 서로 마주하고 있지만, fac-Alq3 구조는 산소 원자가 질소 원자와 마주하고 있다. 이러한 이성질체는 원소의 종류 및 개수, 분자식은 같지만 다른 원자 배열과 입체 구조로 인해 서로 다른 물리/화학적 성질을 가질 수 있다. Alq3의 이성질체 분자 구조는 도 1과 같고, Alq3의 다양한 상을 HR-XRD로 측정한 결과는 도 2와 같다. 유기물 내 전자 이동을 뜻하는 hopping은 전하 수송 매커니즘에서 분자 간 결합 거리가 짧을수록 전하 수송의 이점을 가진다. Alq3의 분자 간 결합 거리는 각 결정상에 따라 차이가 있으며, δ-Alq3의 결합 거리가 3.4Å로 가장 짧다. α-Alq3은 3.9Å, β-Alq3은 3.5Å이다. 결정 상태의 유기재료는 높은 규칙적 결정 배열, 높은 전하 이동도, 높은 열 안정성을 가지므로 보다 우수한 특성의 소자를 제작할 수 있다. 따라서 분말 상태로 존재하는 Alq3를 결정으로 성장시키기 위해 정제, 증착 등의 다양한 방법이 사용되고 있다. 앞서 설명한 바와 같이 Alq3가 상(phase)에 따라 입체 구조 및 원자 배열이 상이하고, 유기재료는 분자 구조에 따라 광전자적 특성이 달라질 수 있다. 따라서, 유기재료를 다양한 형태로 성장시키고 그에 따른 특성 변화를 연구함으로써 유기재료를 이용하는 디바이스 성능을 제어할 수 있다. 도 1은 Alq3의 이성질체 분자 구조를 도시한 것이다. 도 2는 Alq3 결정의 다양한 상을 HR-XRD로 측정한 결과이다. 도 3은 본 발명에 따른 유기재료 결정 성장 방법을 도시한 흐름도이다. 도 4는 α+β-phase Alq3 초기 분말의 SEM 이미지이다. 도 5는 δ-phase Alq3 초기 분말의 SEM 이미지이다. 도 6은 α+β-phase Alq3와 δ-phase Alq3의 HR-XRD 분석 결과이다 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기재료 결정 성장 방법을 수행하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 도 9는 α+β-phase Alq3 분말을 열 증착법으로 성장시켰을 때의 SEM 이미지이다. 도 10은 δ-phase Alq3 분말을 열 증착법으로 성장시켰을 때의 SEM 이미지이다. 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 Alq3 박막의 HR-XRD 분석 결과이다 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 Alq3 박막의 개략적인 성장 메커니즘을 도시한다. 이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이하의 설명은 구체적인 실시예들을 포함하지만, 본 발명이 설명된 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 본 발명에 따른 유기재료 결정 성장 방법은 유기재료 초기 분말을 열 증착 방식으로 성장시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 유기재료 결정 성장 방법에서 결정 성장을 위한 구동력은 증착 온도일 수 있다. Alq3는 상에 따라 결정의 형상이 달라질 수 있다. 따라서 서로 다른 상의 초기 분말을 이용하여 열 증착 방식으로 유기재료를 성장시키는 경우, 증착된 Alq3 박막의 형상 및 증착된 Alq3 박막 특성에 미치는 memory effect가 달라질 수 있다. 이때, 증착된 Alq3 박막의 형상 및 증착된 Alq3 박막 특성에 영향을 미칠 수 있는 파라미터(조건)는 열 증착 온도, 열 증착 시간, 유기재료 초기 분말의 상, 기판의 온도를 포함할 수 있다. 도 3은 본 발명에 따른 유기재료 결정 성장 방법의 주요 흐름도이다. 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 유기재료 결정 성장 방법을 설명하면, 유기재료 투입 단계(S10), 진공 형성 단계(S20), 열 증착 단계(S30) 및 냉각 단계(S40)를 포함한다. 유기재료 투입 단계(S10)는 결정 성장시키고자 하는 유기재료의 초기 분말을 도가니에 담아 챔버 내부의 전극 상에 위치시키는 단계로, 다양한 상의 유기재료 초기 분말이 소정의 양으로 계량되어 투입될 수 있다. 유기재료는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 결정을 성장시키고자 하는 유기재료로서, 그 물질을 구체적으로 제한하는 것은 아니나 유기 전계 발광 소자의 전자 주입층, 전자 전달층, 정공 주입층, 정공 전달층, 발광층, 유기 광전 변환 소자의 광 흡수층, 유기 반도체 소자의 유기 반도체층 등에 사용되는 전도성 유기재료인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 사용되는 유기재료 초기 분말은 이온성 액체로 정제한 고순도의 유기재료 초기 분말일 수 있다. 진공 형성 단계(S20)는 챔버 내부에 진공을 형성하는 단계로 증착 과정 중 오염 및 물질 변성 등이 방지될 수 있다. 일 예로, 진공 형성 단계(S20)는 드라이 펌프를 이용하여 수행할 수 있다. 또한, 진공 형성 단계(S20)에서 챔버 내부로 불활성 가스를 주입할 수도 있다. 본 발명에서는 드라이 펌프를 이용하여 base pressure 8.8Х10-2 Torr로 잡은 후 Ar gas 15sccm을 주입하였다. Ar gas 주입 후 진공 안정화를 위해 설정한 working pressure인 1.1Х10-1 Torr까지 진공을 잡아주었다. 열 증착 단계(S30)는 전극에 열을 가하여 도가니 상부에 배치된 기판 상에 유기재료를 증착하는 단계로, 소정의 온도로 소정의 시간 동안 수행될 수 있다. 전극에는 히터가 설치되어 히터에 전류를 인가함으로써 전극이 가열될 수 있고, 전극이 가열됨으로써 상부에 배치된 도가니가 가열될 수 있다. 열 증착 단계를 수행하는 소정의 온도, 즉 열 증착 온도는 도가니의 온도일 수 있다. 열 증착 단계(S30)에 의해 기판 상에 유기재료가 성장할 수 있다. 열 증착 단계(S30)의 열 증착 시간 및 열 증착 온도는 설계 조건으로서 제어될 수 있다. 열 증착 단계(S30)에서 전극에 열이 가해져 전극 상에 위치한 도가니에 열이 전달됨으로써 도가니 내부로부터 증발된 유기재료가 기판 상으로 증착될 수 있다. 기판 상으로 유기재료가 증착되기 위해서는 우선 유기재료가 도가니로부터 증발되어야 하므로, 열 증착 단계(S30)의 공정 조건(열 증착 시간, 기판 온도, 열 증착 온도 등)은 도가니 내부의 유기재료가 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 더욱 바람직하게는 실질적으로 전량이 증발할 수 있을 정도로 설정되는 것에 의해 달성될 수 있다. 열 증착 단계(S30)에서 기판은 가열될 수 있다. 기판의 가열은 전극 및 도가니로부터 전달된 열에 의해 이루어질 수 있고, 독립적으로 제어되는 별도의 기판 가열 히터에 의해 이루어질 수도 있다. 소정 시간 동안 수행되는 열 증착 단계(S30)가 완료되면 열 증착 단계(S30)에 의해 가열된 기판을 냉각시키기 위한 냉각 단계(S40)를 진행한다. 냉각 단계(S40)는 이소필알코올(Isopropyl alcohol, IPA)을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 유기재료가 증착된 기판의 뒷면에 IPA 용액을 분사함으로써 냉각 단계(S40)를 수행할 수 있다. 상술한 유기재료 결정 성장 방법에 의하여 성장한 유기재료 결정은, 열 증착 온도, 열 증착 시간, 사용된 유기재료 초기 분말의 상, 기판의 온도 중 적어도 어느 하나에 따라 상이한 형태로 형성될 수 있다. 여기서 형태란 결정의 모양(shape)과 크기, 밀도, 구조 및 상(phase) 등을 포함할 수 있다. 이하, 본 발명에 따라 열 증