Performance of OLED Fabricated on the ITO Deposited by Facing Target Sputtering

(1)

한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng.

Vol. 41, No. 5, 2008.

<연구논문>

대향식 스퍼터링법으로 증착된 ITO 양극 위에 제작된 OLED 성능

윤철

,

^김상호^*

한국기술교육대학교 신소재공학과

Performance of OLED Fabricated on the ITO Deposited by Facing Target Sputtering

Chul Yoon, Sang-Ho Kim

^*

Dept. of Materials Engineering, Korea University of Technology and Education 307, Gajeon-ri, Byungchun-myun, Chunan-city, Chungnam, 330-708, S. Korea

(Received October 2, 2008 ; revised October 15, 2008 ; accepted October 30, 2008)

Abstract

Indium tin oxide (ITO) has been commonly used as an anode for organic light emitting diode (OLED), because of its relatively high work function, high transmittance, and low resistance. The ITO was mostly deposited by capacitive type DC or RF sputtering. In this study we introduced a new facing target sputtering method. On applying this new sputtering method, the effect of fundamental deposition parameters such as substrate heating and post etching were investigated in relation to the resultant I-V-L characteristics of OLED.

Three kinds of ITOs deposited at room temperature, at 400

^o

C and at 400

^o

C with after surface modification by O

2

plasma etching were compared. The OLED on ITO deposited with substrate heating and followed by etching showed better I-V-L characteristics, which starts to emit light at 4 volts and has luminescence of 65 cd/m

²

at 9 volts. The better I-V-L characteristics were ascribed to the relevant surface roughness with uniform micro-extrusions and to the equi-axed micromorphology of ITO surface.

Keywords: Organic light emitting diode (OLED), Facing target sputtering (FTS), Indium-tin-oxide (ITO), Surface roughness, Microstructure

1. 서 론

유기 발광 디스플레이

(OLED)

^는 ^가볍고

,

^얇으며

,

전력소모가 매우 적고

,

^{응답속도가} ^빨라

LCD

^를 ^능

가할 차세대 평면 디스플레이로 많은 관심을 받으

며 연구와상업화가 활발하게 진행되고있다

. OLED

는 양쪽에 양극과 음극을가지고 있으며

,

^중간에 ^유

기물 층이 존재하여 홀과 전자를 수송하고 발광하 는 구조로 되어있다

.

^현재까지 ^{상업적으로} ^가장 ^많

이 사용되고 있는 양극물질은 인듐

-

^주석 ^산화물

(Indium Tin Oxide)

^이다

. ITO

^는 ^잘 ^알려진 ^바와 ^같

이

n

^형 ^반도체 ^물질로 ^큰 ^일함수를 ^가지고 ^있고 ^투

과율이 높고 전기저항이 매우 작아 큰 휘도를 가지

는

OLED

^를^얻기에^가장^적당한^{양극물질이다}

. OLED

의 발광특성을 향상시키기 위하여 지금까지 진행된 양극

ITO

^에 ^대한 ^연구는 ^표면의 ^물리적^화학적 ^상

태를 개선하여 일함수를 증가시키는 것과 표면 거 칠기 개선 등을 통한 홀 주입 특성 향상 등의 관점 에서 이루어져 왔다

.

일함수를 향상시키기 위한 방 법으로는 플라즈마 충격에 의한 표면 화학 상태의 조절^1,2)

,

^용액에의 ^함침³⁾

,

^자발 ^집합성 ^단원자층 ^형

성^4,5)

,

^표면 ^{금속산화물} ^형성⁶⁾

, ITO

^기지 ^속 ^금속주

입^7,8)등의 방법이 연구되어 왔고

,

^표면 ^거칠기를 ^개

선하기 위한 방법으로는 화학적

-

^기계적 ^폴리싱⁹⁾

,

^플

라즈마 식각¹⁰⁾등의 방법 등이 강구되었다

.

^이러한

연구를 통해서

OLED

^의 ^{발광특성과} ^안정성은

ITO

의 표면특성에 많은 영향을 받는 것으로 보고되고

있다^11-13)

.

지금까지 대부분의 양극

ITO

박막은 캐

*Corresponding author. E-mail : [email protected]

(2)

패시터 타입의

DC

^또는

RF

^{스퍼터링법을} ^통해서

얻어졌다¹⁴⁾

.

본 연구에서는

ITO

^를^증착하기 ^위하여 ^대향식 ^타

겟을 사용하는 스퍼터링 장치를 사용하였다

.

^대향

식 스퍼터링법은 스퍼터 효율이 좋고¹⁵⁾

,

^높은 ^플라

즈마 밀도를 얻을 수 있으며¹⁶⁾

,

^높은 ^{공정압력에서}

증착이 가능하고¹⁷⁾

,

^γ ^전자와

O

⁻^이온에 ^의한 ^플라

즈마 손상이 적으며^16,17)

,

표면흡착 원자들이 큰 표

면이동도를 가지고^15-17)

,

^{기판온도가} ^안정되는^15,16) ^장

점 등이 있다

.

^대향식 ^{스퍼터링법으로}

ITO

^양극을

증착함에 있어서 기판의 온도와 증착 후 산소분위 기에서 시행된 플라즈마 식각의 영향을 조사하였 다

.

각 시험조건에서 제조된

ITO

박막 위에

OLED

소자를증발법을이용하여제조하고

,

^제조^직후

OLED

소자의 특성은 전류가 흐르기 시작하는 임계전압과 일정한 전압에서의 휘도성을 나타내는 전류

-

^전압

-

휘도

(I-V-L)

성질을 평가하여 비교하였다

.

이러한

OLED

^의

I-V-L

^특성에 ^미치는

ITO

^의 ^{증착변수들의}

영향은

ITO

^의 ^미세구조 ^및 ^표면 ^거칠기 ^등의 ^변화

와 연관되어 해석 하였다

. 2. 실험방법

2.1 ITO의 증착과 평가

대향식 스퍼터링 시스템은 그림

1

^의 ^{개략도에서}

보여주는 바와 같이 두개의 타겟이 대칭적으로 서 로 마주보게 설치되었고

,

^기판은 ^타겟의 ^표면에 ^수

직하게 놓여진다

.

^이러한 ^대향식 ^스퍼터링 ^시스템

을 이용한

ITO

^의 ^증착은 ^표

1

^에 ^나타낸 ^조건에서

실시되었다

.

^증착 ^후

ITO

^의 ^플라즈마 ^표면 ^식각공

정은

100W

^의

RF

^{플라즈마를} ^이용하여

10 sccm

^의

산소를 흘리면서

0.1 Torr

^의 ^압력에서

5

^분간 ^진행

되었다

. ITO

^박막의 ^두께는 ^표면 ^{프로파일로} ^메타

를 이용하여 측정되었고

,

^면저항은 ^{사점저항계를} ^사

용하여 측정하였다

(Guardian scientific 402S).

증착

변수는 박막의 두께가

1800

^Å되고 ^면저항이

50

^Ω

/

□

이하가 되는 최적화된 조건에서 실시되었다

. ITO

^박막의

Hall

^이동도와^캐리어 ^농도는

Hall

^효

과 측정 장치

(HMS-3000)

를 이용하여 측정하였다

.

투과도는

UV-vis-NIR spectrophotometer(Varian Cary

5G)

^를 ^사용하여 ^가시광선 ^영역인

400~800 nm

^의

파장영역에서 측정하였다

.

^표면 ^거칠기와 ^미세구조

는 원자현미경

(AFM)

^과 ^{주사전자현미경}

(FESEM :

JEM7500F)

^을 ^이용하여 ^{관찰하였다}

.

2.2 OLED 소자 제작과 평가

OLED

^소자는^증발기를^사용하여^{제작되었다}

. OLED

의 구조는

ITO

양극과

Al

음극사이에

NPB

의 홀수

송층과

Alq

³^의^발광층이 ^존재하는 ^구조로 ^되어 ^있

으며

,

^그림

2

^에^{나타내었다}

.

^유기층은

5.0

^×

10

⁻⁶

Torr

의 압력에서

1~1.5

^8Å

/

^초

,

^알루미늄 ^음극은

3

^Å

/

^초의

속도로 증착되었다

. OLED

^소자를 ^제작한 ^후 ^봉지

를 하지 않은 상태에서 소자의 열화가 일어나기전

에 실온의 공기 중에서

,

^다른

ITO

^위에 ^제조된 ^각

각의

OLED

^소자의

I-V-L

^특성을 ^휘도계

(Minolta

CS-1000A)

^를 ^이용하여 ^{측정하였다}

.

Fig. 1. Schematic diagram of DC facing target sputtering system.

Table 1. Sputtering conditions

Deposition parameters Condition DC FTS

Base Pressure 5.0×10

⁻⁶

torr

Working Pressure 3.0×10

⁻³

torr

Distance Sub.~Target 55 mm

Distance Target~Target 60 mm

O

2

/(Ar+O

2

) 1%

Temperature Room Temp. / 400

^o

C

Deposition time 10 min

Power 50W

Fig. 2. Stacked layers of the OLED.

(3)

3. 결과 및 고찰

3.1 ITO 박막의 결정성

기판을 가열하지 않고 상온에서 증착한 시편

, 400

^o

C

^로 ^기판을 ^가열한 ^상태로 ^증착한 ^시편

, 400

^o

C

에서 증착한 후 산소분위기에서 표면 식각을 실시

한 시편 각각의

X-ray

회절 패턴을 그림

3

에 표시

하였다

.

^기판을 ^가열하지^않았을 ^때

ITO

^박막은 ^완

벽한 결정성을 나타내지 못하였으며

,

^기판을

400

^o

C

로 가열하였을 때

(222)

^방향의 ^{우선성장방위를} ^가

지는 다결정성 박막이 얻어졌다

.

^{산소분위기에서} ^표

면 식각을 실시하여도 박막의 결정성은 변하지 않

고

,

^여전히

(222)

^의 ^우선성장 ^방위를 ^보여준다

.

^다

른 논문에서도 본 실험과 동일하게 박막을 기판을 가열하였을 때

(111)

^{우선방위를} ^가지는 ^결정성 ^박

막이 얻어졌다고 보고된 바 있다^18,19)

.

이것은 높은 기판온도에서 흡착 원자의 표면 이동성이 향상되기 때문으로 생각되며

,

^이러한 ^박막의 ^결정성 ^향상이

전기전도도를 낮출 것으로 보인다

.

3.2 ITO 박막의 미세구조

OLED

^구조에서 ^보면

ITO

^양극 ^위에 ^{직접적으로}

홀주입층이 증착되고

, OLED

^구동 ^시

ITO

^로 ^부터

홀주입층으로 홀의 이동이 일어나므로

ITO

^표면성

질이

OLED

^의 ^성능에 ^{직접적으로} ^영향을 ^주는 ^것

으로 알려져 있다

.

^그러므로

ITO

^의 ^표면 ^상태를 ^홀

주입에 가장 적합하게 유지하는 것이 매우 중요하 다고하겠다

.

^본 ^연구에서

ITO

^의 ^{표면상태가}

OLED

의 전류

-

^전압

-

^휘도 ^특성에 ^미치는 ^영향을 ^알아보기

위하여

ITO

표면 거칠기와 미세구조를관찰하였다

.

표면 거칠기는 원자현미경으로 측정되었다

.

^그림

4

에는

10

^×

10

^μ

m

^크기의 ^면적을 ^{원자현미경으로} ^관

찰한

3

^차원 ^{표면구조와} ^평균 ^표면 ^거칠기 ^값

(Ra)

^을

표시하였다

.

^상온에서 ^또는

400

^o

C

^에서 ^증착된

ITO

시편의 평균표면 거칠기는각각

1.63 nm

와

1.71 nm

이었다

.

^산소 ^분위기 ^표면 ^식각 ^후 ^표면 ^거칠기는

1.88 nm

^로 ^{증가하였다}

.

^즉 ^{기판온도가} ^높을수록 ^표

면 거칠기가 증가하였고

,

^특히

400

^o

C

^에서 ^증착한

후 산소분위기에서 식각한 시편은 표면이 매우 균 일하고 미세한 돌기를 가진 표면으로 발달되어 있

다는 것을 알 수 있다

.

^표면 ^거칠기가

1.8~2.0 nm

영역에 있고 표면에 미세한 돌기를 가진

ITO

^가 ^일

반적으로 우수한

OLED

^특성을 ^주는 ^것을 ^우리의

이전 연구에서도 확인한 바 있다²⁰⁾

.

기판 가열과 산소분위기 식각은

ITO

^박막의 ^표

면 및 내부 미세구조에도 영향을 주었다

.

^그림

5

^는

각 조건에서 증착된

ITO

^박막의 ^표면과^단면을 ^주

사전자현미경으로 관찰한 사진이다

.

상온증착된 시 편은 비교적 미세한 입상의 결정립을 가지고 있고

,

기판을

400

^o

C

^로 ^가열하면 ^결정립이 ^커졌으며

,

^산소

분위기 식각에 의해서 결정립 크기는 변화되지 않 았으나 표면 거칠기가 다소 커짐을 볼 수 있다

.

^또

한 산소분위기 식각에 의하여

ITO

^내 ^{산소원자의}

화학결합이 변화되어 일함수가 증가할 것으로 예상 되어 진다

.

^특히 ^{일반적으로} ^캐패시터 ^타입의

DC

또는

RF

^{스퍼터링법으로} ^증착된

ITO

^는 ^주상정의

결정구조를 가지는 것으로 알려져 있으나

,

대향식 스퍼터링으로 증착된 본 시편들은 모두 입상정의

Fig. 3. X-ray diffraction patterns of ITO films.

Fig. 4. AFM morphology and roughness of ITO films, (a) RT (b) 400

^o

C (c) 400

^o

C + etching.

(4)

결정구조를 가지는 것이 큰 특징이었다

.

^이것은 ^대

향식 스퍼터링의 경우 기판에 흡착된 원자는 표면 이동도가 크기 때문에 핵생성이 용이한 것으로 판 단된다

.

^이러한 ^입상정 ^{결정구조는} ^주상정 ^결정구

조에 비하여 매끈한 표면을 형성하게 되어 미세하 고 균일한 돌기형태로 발전하기 쉬운 기저 구조를 형성하는 것으로 보인다

.

3.3 ITO 박막의 광학적, 전기적 특성

ITO

박막들의 광학적 투과율은 그림

6

과 같다

.

세 종류의

ITO

^는

550 nm

^를 ^중심으로 ^하는 ^대부분

의 가시광선 영역

(400~800 nm)

^에서

80%

^이상의 ^광

투과율을 보여주고 있다

. 400

^o

C

^에서 ^증착 ^후 ^산소

분위기에서 식각 처리한 시편의 광 투과율이 가장 좋고

,

^상온에서 ^증착한 ^시편의 ^광 ^투과율이 ^가장^낮

다

.

^이러한 ^현상은 ^앞 ^절의

ITO

^박막의 ^미세구조

관찰 부분에서 설명한 바와 같이 기판 가열에 의하 여 결정립의 크기가 증가하여 결정입계에서 빛의 산란이 감소하기 때문으로 판단된다

.

그림

7

^은

ITO

^박막들의 ^캐리어 ^농도와

Hall

^이동

도를 측정한 결과를 나타낸 것이다

.

^그림

7

^에서 ^볼

수 있듯이 기판을 가열한 시험편이 기판을 가열하

지 않은 시험편에 비하여높은 캐리어 농도와

Hall

이동도를 가지고 있고

,

^{산소분위기에서} ^식각은 ^큰

영향을 주지 않았다

.

^이것은 ^기판 ^가열에 ^의해

ITO

박막의 결정성 향상 및 결정립계의 두께의 감소에

기인하는것으로 판단된다

.

그림

8

은

ITO

박막들의

면저항과 비저항을 측정한 결과를 나타낸 것이다

. Fig. 5. Top and cross sectional view of ITO films observed by FE-SEM, (a) RT (b) 400

^o

C (c) 400

^o

C + etching.

Fig. 6. Optical transmittance of ITO films. Fig. 7. Carrier concentration and Hall mobility of ITO

films.

(5)

Hall

^효과^측정^장치로^각

ITO

^의^시편의 ^비저항을^측

정한 결과 기판을 가열하지 않은 시편은

1.3

^×

10

⁻³

Ω

cm,

^기판을 ^가열한 ^시편은 ^{산소분위기} ^중의 ^식각

처리에 무관하게

3.5

^×

10

⁻⁴^Ω

cm

^정도의^값을 ^나타내

었다

. Hamberg

^와

Granqvist

^에 ^의하면 ^전자 ^산란의

평균자유행로는 결정립 크기에 비하여 매우 적어서 비저항 값은 결정립의 크기에 그다지 영향을 받지

않는다고 한다²¹⁾

.

따라서 기판을 가열한

ITO

시험

편이 낮은 비저항을갖는 것은 결정립의크기가 커 서 결정입계 전자산란이 적어지기 때문이라기보다 는 결정립 내결정성의 향상 및 결함이 감소하였기 때문으로 보여진다

.

^이러한 ^측면에서 ^보면 ^결정 ^내

결정성 향상 및 낮은 결함율을 가지는 박막의 증착 에 유리한 대향성 스퍼터링 방법이 기존의 캐패시 터 타입의 스퍼터링 방식에 비하여 저 저항의

ITO

를 증착하는 데 유리하다고 할 수 있다

.

3.4 OLED 소자의 특성

그림

8

^은 ^세 ^가지 ^종류의

ITO

^를 ^사용하여 ^제작

된

OLED

^소자의 ^전류

-

^전압

-

^휘도 ^특성을 ^나타낸 ^것

이다

.

^각 ^곡선은 ^대표적인

OLED

^{소자특성을} ^보여

주고 있는데

,

^정방향 ^전압이 ^증가함에 ^따라 ^흐르는

전류밀도가 증가하게 된다

.

^기판을 ^가열하지 ^않고

증착된

ITO

^위에 ^제작된

OLED

^는

9

^볼트 ^이상의 ^전

압에도 전류밀도가 거의 증가하지 않은 반면 가열 된 기판에 증착된 후 산소분위기에서 식각 처리된

ITO

^를 ^사용한

OLED

^소자는

4

^볼트 ^이상에서 ^급격

히 전류밀도가 증가하여

9

^{볼트에서는}

350 mA/cm

²

이상의 전류밀도를 나타낸다

.

^휘도의 ^경우도 ^동일

한 결과를 보여 주어 가열된 기판에 증착된 후 산 소분위기에서 식각 처리된

ITO

^를 ^사용한

OLED

^소

자는

9

^볼트에서

65 cd/m

² ^정도의 ^휘도를 ^보여주고

있다

. 400

^o

C

^에서 ^기판을 ^{가열하면서} ^증착한

ITO

^를

사용한

OLED

^와

400

^o

C

^에서 ^증착한 ^후 ^{산소분위기}

에서 식각 처리한

ITO

를 사용한

OLED

가 매우 다

른 전류

-

^전압

-

^휘도 ^특성을 ^보이는 ^것은 ^매우 ^흥미

로운 사실이다

.

^이러한

OLED

^특성의 ^차이는 ^산소

분위기 식각에 의해서 생성된 표면 거칠기의 차이 에 기인하는 것으로 볼 수 있다

.

^즉 ^균일하고 ^편평

한 기저에 미세한 돌기를 가지는 표면이

ITO

^위에

형성된 홀주입층인

NPB

^층에 ^{효과적으로} ^홀을 ^주입

할 수 있다는 것을 간접적으로 보여준다

.

산소분위 기 식각에 의하여 발생될 수 있는 또 다른 하나의

차이는

ITO

^표면의 ^화학적 ^변화에 ^따른 ^일함수 ^변

화이다

.

4. 결 론

대향식 타겟 스퍼터링 방법으로 증착된

ITO

^를^양

극으로 가지는

OLED

^소자에서

ITO

^의 ^{미세구조와}

표면 거칠기가

OLED

의 전류

-

전압

-

휘도 특성에 미

치는영향을조사한결과다음과같은결론을얻었다

.

1.

^기판을^가열하지 ^않고 ^증착된

ITO

^는 ^비결정성

이었고

, 400

^o

C

^로^기판을 ^가열하여 ^증착된

ITO

^는^결

정성을 가졌으며

(222)

^우선 ^결정성장 ^방위를 ^가지

Fig. 8. Sheet resistance and resistivity of ITO films.

Fig. 9. Current density-voltage-luminescence charac-

teristics of OLED with each ITO anode.

(6)

고 있었다

.

^또한

ITO

^증착 ^후 ^{산소분위기에서} ^식각

은 결정성변화에 영향을 주지 않았다

.

2.

^기판을 ^가열하지 ^않고 ^증착된

ITO

^는

1.3

^×

10

⁻³

Ω

cm,

^가열한 ^기판의 ^경우는 ^{산소분위기} ^식각과 ^관

계없이

3.4

^×

10

⁻⁴^Ω

cm

^정도의 ^비저항 ^값을 ^나타내

었다

.

3.

^기판을 ^가열함에 ^따라 ^표면 ^거칠기가 ^다소 ^증

가하였고

,

산소분위기 식각 후에는 균일하고 편평 한 기저에 미세한 돌기를 가지는 표면을 얻을 수 있었다

.

4.

^기판을 ^가열하지^않은

ITO, 400

^o

C

^로^기판을 ^가

열하여 증착된

ITO

^와 ^이것을 ^{산소분위기에서} ^식각

한

ITO

위에 각각

OLED

소자를 제작하여전류

-

전

압

-

^휘도 ^특성을 ^평가한 ^결과

400

^o

C

^로 ^기판을 ^가열

하여 증착하고 산소분위기에 식각한

ITO

^를 ^가지는

OLED

^가 ^가장^우수한 ^특성을^보였으며

,

^이것은

ITO

양극이 표면 거칠기

1.8~2.0 nm

범위에 있고 균일

하고 편평한 기저에 미세한 돌기를 가지는 표면을 가짐으로써

NPB

^홀 ^수송층에 ^{효과적으로} ^홀 ^주입

을 할 수 있기 때문으로 판단되었다

. 참고문헌

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