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[유기재료의 특징을 살린 분자제어와 일렉트로닉스의 응용(Ⅱ) ①] 유기 발광 트랜지스터_레이저에 대한 응용

2017-10-01

[유기재료의 특징을 살린 분자제어와 일렉트로닉스의 응용(Ⅱ) ①] 유기 발광 트랜지스터 레이저에 대한 응용 유기 발광 트랜지스터는 Hepp 등에 의해 2003년도에 발표되었다. 그 후 보다 고휘도의 유기 발광 트랜지스터의 실현을 위해 다양한 연구자들이 개발에 착수했다. 유기 발광 트랜지스터는 발광장소가 금속전극에서 떨어진 위치에 생기기 때문에 전극에 의한 여기자(勵起子, 엑시톤) 소멸의 영향이 적고, 유기 고체 레이저 소자를 구성하는 데 적합한 구조를 지닌다. 본고에서는 먼저 유기 발광 트랜지스터의 고휘도화 방법을 개관한 후 유기 고체 레이저의 실현을 목적으로 일본의 교토공예섬유대학팀에서 지금까지 실행해 온 소자의 구동방법 및 구조에 대한 연구를 소개한다. 정리 편집부 유기 발광 트랜지스터의 구조 유기 발광 트랜지스터의 구조를 [그림 1]에 모식적으로 나타냈다. 2개의 전극을 가지는 유기 EL과는 달리 유기 발광 트랜지스터는 3개의 전극을 가지는 발광 디바이스로, 그 구조는 MIS(Metal Insulator Semiconductor)의 전계효과형 트랜지스터와 같다. 그림 안의 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 전극에 적절한 전압을 인가하면 유기 반도체층에서 발광이 관측된다. Hepp 등에 의해 발표된 유기 발광 트랜지스터는 테트라센(tetracene)이라 불리는 저분자계 유기 반도체 재료의 증착막을 발광층으로 했다. 테트라센은 p형 유기 반도체이며, 정공(正孔)을 캐리어로 한다. 이 저분자계 유기 반도체의 증착막을 이용한 소자가 보고된 이후 고분자 유기 반도체 재료를 스핀코팅한 막을 발광층에 이용한 소자가 보고되는 등 그 이후 다양한 재료를 사용한 소자들이 보고되고 있다. 고휘도화 실험 유기 발광 트랜지스터는 유기 반도체층(발광층) 내에서 정공과 전자가 재결합함으로써 빛이 발생된다.발광층이 테트라센과 같이 p형 유기 반도체일 경우 소스 전극에 대해 드레인 전극과 게이트 전극에 부(負)의 직류전압을 인가함으로써 소스 전극에서 정공을 주입한다. 전자는 드레인 전극과 유기 반도체층 간의 강한 전계에 의해 드레인 전극에서 주입되기 때문에 드레인 전극 근방의 발광층에서 발광이 관측된다. 유기 발광 트랜지스터를 고휘도로 발광시키고자 하는 경우, 발광층에 더 많은 정공과 전자를 동시에 주입할 필요성이 있다. 이에 따라 아래와 같은 방법들이 고안되었다. 양극성 유기 반도체 재료의 이용 유기 반도체 재료에는 전술(前述)의 테트라센과 같이 정공을 캐리어로 하는 p형 재료뿐만 아니라, 전자를 캐리어로 하는 n형 재료도 존재한다. 그 외에도 정공과 전자 모두 캐리어로서 흐르게 하는 양극성의 재료도 존재한다. 양극성 재료를 발광층으로 하는 소자의 경우, 소스, 드레인, 게이트의 각 전극에 인가하는 전압을 적절하게 조정함으로써 발광층에 정공과 전자를 동시에 주입하여 재결합 발광을 일으킬 수 있다. 소스 및 드레인 전극 근방이 아니라, 발광층의 중앙 부근에서 발광을 얻을 수도 있다. [그림 2]에 그 모습을 개념적으로 나타냈다. 유기 반도체층의 혼합 및 적층 발광층에 n형과 p형 유기 반도체를 혼합한 막이나 적층한 막을 이용한 소자도 있다. 혼합한 막은 양극성의 전도(傳導)를 보인다. 적층한 막에서는 p형 반도체에 정공이, n형 반도체에 전자가 흐른다. 또 발광층으로서 p형 유기 반도체층과 n형 유기 반도체층 간에 서로 다른 유기 반도체층을 끼워 넣어 3층을 적층한 소자도 개발되었다. 이 소자는 5%의 외부양자효율을 보인다. 전극 재료 유기 반도체층에 효과적으로 정공 및 전자를 주입하는 경우 분자의 최고준위 점유 분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital: HOMO)와 최저준위 비점유 분자궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital: LUMO)의 에너지에 적합한 일함수를 갖는 금속을 소스 및 드레인 전극에 이용할 필요가 있다. [그림 3]에 그 모습을 개념적으로 나타냈다. 정공 주입 시에는 큰 일함수를 갖는 Au를 사용하는 경우가 많다. 한편, 전자 주입에 있어서는 Li, Ca 및 Mg 등의 작은 일함수를 갖는 금속이 사용되는데 이들은 대기 중에 산화되기 쉬우므로 소자의 취급에 주의를 요한다. 유기결정의 이용 증착막이나 스핀코팅막 등 유기분자가 랜덤으로 배치된 어모퍼스막에 대해 결정에서는 유기분자가 규칙적으로 나란히 배치되기 때문에 이방적(異方的)으로 높은 전기전도도(캐리어 이동도) 및 강한 발광이 나타난다. 그 특성을 발광 트랜지스터에 이용하면 고휘도화를 도모할 수 있다. 단색 발광에 대한 실험 레이저광은 스펙트럼 폭이 매우 좁은 발광이다. 광여기로 유기 반도체에서 레이저 발진을 얻기 때문에 유기 반도체층과 광공진기(회절격자, 분포 브래그 반사경)를 조합한 구조를 사용하였다. 유기 발광 트랜지스터에서도 마찬가지로 발광층에 회절격자를 조합한 구조를 사용하였다. 그러나 충분한 협선화(狹線化) 발광을 얻지 못했다. 레이저 소자 실현을 위한 접근법 여기부터는 교토공예섬유대학팀에서 지금까지 실행해 온 레이저 소자의 구동 및 구조에 대한 연구 방법을 소개한다. 교류 게이트 구동법 발광층이 양극성 유기 반도체인 발광 트랜지스터에서는 게이트 전극을 소스 전극과 드레인 전극 간의 전위로 설정함으로써 소스 전극에서 전자가, 드레인 전극에서 정공이 동시에 주입되고 그것들이 유기 반도체층에서 재결합하면서 발광한다([그림 2] 참조). 여기서 소스 전극을 전자 주입 전극으로 했다. 인가전압에 직류만을 사용하는 경우 정공과 전자를 동시에 주입하려면 게이트 전극의 전위는 소스전극의 전위와 드레인 전극의 전위의 중간으로 제약된다. 그리하여 교토공예섬유대학팀은 게이트 전극에 교류전압을 인가함으로써 이 제약을 없앴다. [그림 4]에 접속방법을 모식적으로 나타냈다. 소스와 드레인 전극에는 각각 전자와 정공을 주입시키기 위해 접지전위에 대해 부(-)와 정(+)의 직류전압을 인가한다. 게이트 전압의 교류진폭은 접지전위에 대해 소스 및 드레인에 인가한 전압 이상의 크기를 설정할 수 있다. 발광층이 양극성인 경우 게이트 전압이 부(-)일 때 게이트 전극에 대해 소스 전극과의 전위차는 작고 드레인 전극과의 전위차는 크기 때문에 드레인 전극에서의 정공 주입이 우선적으로 일어난다. 반대로 게이트 전압이 정(+)일 때에는 소스 전극에서의 전자 주입이 우선적으로 일어난다. 발광층이 p형인 경우, 교류전압의 주파수가 느리면 게이트 전압이 부(-)일 때 주로 발광이 관측된다. 이것은 p형 반도체 소자에 직류전압만을 인가했을 때와 동일하게 발광이 일어나는 것으로 해석할 수 있다. 그러나 주파수가 올라가면 게이트 전압이 정(+)일 때에도 발광이 관측되기 시작하고, 주파수가 높아짐에 따라 발광강도가 강해진다. 이는 높은 주파수의 교류전압이 인가됨에 따라 반도체층에서의 전자와 정공의 재결합 확률이 높아졌기 때문인 것으로 간주된다. 양극성 반도체 결정과 p형 및 n형 반도체 적층결정 양극성 반도체 결정과 p형 및 n형 결정의 적층체를 각각 발광층으로 갖는 유기 발광 트랜지스터에 교류 게이트 구동을 적용했다. 양극성 반도체 결정에 적용했을 시의 교류 게이트 전압파형에 대한 발광강도의 변화를 [그림 5]에 나타냈다. 이 소자의 소스와 드레인 전극은 각각 전자와 정공을 주입하기 쉽도록 마그네슘과 은의 공증착막(共蒸着膜) 및 금으로 제작했다. 게이트 전압이 정현파인 경우, 전압의 최대 및 최소치의 부분에서 휘도가 커진다. 구형파에서는 전압의 극성이 바뀔 때 발광한다. 양쪽 모두 1주기에 2회꼴로 발광이 관측된다. 교류파형을 정현파에서 구형파로 바꾸면 순간적인 발광강도가 몇 배의 규모로 증가한다([그림 5] 참조).[그림 6]은 p형과 n형 유기 반도체 결정의 적층체를 발광층으로 하는 발광 트랜지스터의 단면 모식도이다. 모식도를 보면 게이트 절연막상의 n형 결정을 p형 결정이 완전히 뒤덮고 있다. 이 소자의 소스와 드레인 전극은 마그네슘과 은의 공증착막으로 제작됐다. 각각 p형 혹은 n형 결정만을 발광층으로 하는 경우와 비교했을 시 적층체를 발광층으로 하는 소자가 가장 발광강도가 강했다. 이 소자의 외부양자효율은 게이트 전압의 주파수 증가에 따라 높아지며, 200kHz의 교류전압을 인가했을 시 0.045%에 달했다. 회절격자와의 조합 유기 반도체 결정에서의 발광 스펙트럼은 많은 파장 성분을 포함하며 광범위하다. 교토공예섬유대학팀에서는 스펙트럼을 협선화(단색화)하기 위해 유기결정과 회절격자의 조합을 시도했다. 먼저 유기 반도체 결정의 발광 부위에서 떨어진, 빛이 도파(導波)하는 장소에 회절격자를 구축했다. [그림 7](a)에 소자의 모식도를 나타냈다. 회절격자는 산화 실리콘으로 이루어진 게이트 절연막상에 160개의 집속 이온빔 장치를 이용하여 폭 46.6μm의 홈을 492.2㎚ 간격으로 굴착해 제작했다. 이 소자를 구형파의 교류 게이트 전압으로 구동한 결과, [그림 7](b)와 같이 파장 557.6㎚에서 반치전폭 2.99㎚의 피크를 얻었으며, 626.5㎚에도 약한 피크를 갖는다. 이어, 유기 반도체층 아래 전체에 회절격자를 갖도록 게이트 절연막에 미리 회절격자를 구축하고, 그 위에 유기결정을 실어 발광 트랜지스터를 제작했다. 그중 하나는 게이트 절연막상에 자외선으로 경화하는 포토레지스트막을 스핀코팅하고 그 막의 표면에서 파장 355㎚의 레이저광[네오디뮴 야그(Nd: YAG) 레이저의 제3고조파]을 간섭시켜 제작한 1차원의 회절격자이다. 또 다른 하나는 게이트 절연막상에 도포한 열 및 자외선 경화수지에 대해 금형으로 꽉 눌러서(나노 임프린트 가공) 제작한 2차원의 회절격자이다. [그림 8](a)에 원자간력현미경(原子間力顯微鏡, atomic force microscope: AFM)상을 나타냈다. 직경 230㎚, 깊이 200㎚의 구멍이 460㎚ 간격으로 떨어져 삼각격자를 이루는 형태를 이용하여 제작되었다. 이 2차원의 회절격자를 게이트 절연막에 구축하고, 유기 반도체 결정을 발광층으로 하는 발광 트랜지스터에서도 교류 게이트 구동에 의해 협선화(단색화)한 피크를 관측했다. [그림 8](b)에 그 결과를 나타냈다. 게이트 전극에 정현파로 주파수 20kHz의 교류전압을 인가한 결과, 523.1㎚에 반치전폭 3㎚의 피크가 관측되었다. < Energy News >