전하를 이용한 [C12mim][TFSI]내의 Alq3결정 성장 및 이온성 액체 도핑을 통한 특성 변화

Abstract

Previous studies have reported that Alq3 single crystals have been reported to show growth shape instead of equilibrium shape during isothermal crystallization in ionic liquids. In addition, Alq3, which is currently used as a green emitter for OLED application, is used by being doped, quinacridone derivatives, and carbazole derivatives. In this study, two experiments were conducted to understand the effects of additional charge on the detailed growth mechanism of Alq3 and to determine the effect of a small amount of ionic liquid doping on the optical and electrical properties of Alq3. The first experiment is designed to identify the charge effect on the growth mechanism of Alq3 crystal within voltaic cell configuration with ionic liquids electrolyte. [C12mim][TFSI] was used as the ionic liquid. The concentration of the solution was fixed at 1 mol%. The electrodes were made of ITO coated glass and stainless steel. In order to confirm the difference in electronegativity between the two electrodes, the voltage was measured by inserting the electrode into [C12mim][TFSI] of 12g without adding Alq3. After 1 hour, the voltage stabilized to 0.12V. When Alq3 was added, particles were expected to affect the charge flow. 1 mol% Alq3 was added to the ionic liquid and voltage measurement was performed. Immediately after connecting the two electrodes, the voltage dropped rapidly from 0.15V to 0.10V, and the voltage drop rate gradually decreased and the voltage dropped continuously further below 0.1V. Thereafter, 1 mol% Alq3 was crystallized isothermally at 100℃ for 2 minutes, 10 minutes, 1 hour, 3 hours, 6 hours and 24 hours under an electrically connected electrode. For less than 10 minutes, black spots with irregularly shaped crystals were observed in the ITO electrode. After 10 minutes, nucleation of all Alq3 was completed and crystal growth occurred. The overall growth aspect was similar to self-assembled crystal growth in colloids. Various crystals with different crystal density, size, and shape were obtained according to the surface charge and growth time. Our new approach is promising because each specific structure of Alq3 can be applied to specific suitable device applications by precisely controlling isomer formation, crystal structure, and morphology of Alq3 crystals. The second experiment was conducted to verify the ionic liquid doping effect on Alq3 growth [C12mim][TFSI] and [C2mim][BF4] were used as ionic liquids. 30, 50, 100, and 150 ppm of [C12mim][TFSI] was doped to Alq3 and 30, 50, 100, and 150 ppm of [C2mim][BF4] was doped to Alq3. As the doping concentration increased, the PL concentration increased, and then the intensity decreased after passing a certain critical concentration. In the Raman spectrum, the wavelength of the Alq3 quinoline shifted toward a lower electron density. To confirm the effect of doping on each material, a hole-only device and an electron-only device were prepared and the change of optical and electrical properties were investigated. When the ionic liquid was doped, the homo level and lumo level of each material were changed. We can control the energy level of OLED materials using ppm level ionic liquids doping without relatively huge amounts of Ir complex dopant. When our new approach is adapted to OLED device fabrications, the cost and efficiency problems will be solved at the same time via a replacing the expensive Ir complex dopant.| 이전의 연구는 Alq3 단결정이 이온성 액체에서 등온 결정화되는 동안 평형 형태 대신 성장 형태를 나타내는 것으로 보고되었다. 또한, 현재 녹색 발광체로 사용되는 Alq3는 도핑되어 사용되거나 quinacridone 유도체, carbazole 유도체 등이 보고되고 있다. 본 연구에서는 Alq3의 상세한 성장 메커니즘에 대해 추가 전하의 영향을 이해하고 이온성 액체를 도핑하였을 때 Alq3의 특성 변화를 파악하기 위하여 두 가지 연구를 진행하였다. 첫 번째 실험은 이온성 액체 전해질을 사용하여 구성한 볼타 셀 내에서 Alq3결정의 성장 메커니즘에 대한 전하 효과를 분석하기 위하여 설계하였다. 이온성 액체는 [C12mim][TFSI]를 사용하였다. 용액의 농도는 1mol%로 고정하였다. 전극은 ITO 코팅 유리 및 스테인레스 스틸이다. 두 전극 사이의 전기음성도 차이를 확인하기 위하여 Alq3를 첨가하지 않고 전극을 12g의 [C12mim][TFSI]에 삽입하여 전압을 측정하였다. 1시간 후, 전압은 0.12V로 안정화되었다. Alq3가 첨가되었을 때, 입자가 전하 흐름에 영향을 미칠 것으로 예상되었다. 때문에 이온성 액체에 1mol% Alq3를 첨가하고 전압 측정을 수행하였다. 두 전극을 연결 한 직후, 전압은 0.15V에서 0.10V로 급격히 떨어지고 전압 강하율은 점차 감소하고 전압은 0.1V 아래로 계속 떨어졌다. 그 후, 1mol% Alq3을 100℃에서 2분, 10분, 1시간, 3시간, 6시간, 24시간동안 등온 결정화시켰다. 10분 미만에서는 불규칙한 형상의 결정을 갖는 검은 반점이 ITO 전극에서 관찰되었다. 10분 후, 모든 Alq3의 핵 생성이 완료되었고 결정 성장이 일어났다. 전체 성장 측면은 콜로이드에서의 자기-조립 된 결정 성장과 유사하였다. 표면 전하와 성장 시간에 따라 결정 밀도, 크기 및 모양이 다른 다양한 결정이 얻어졌다. 이성질체 형성, 결정 구조 및 Alq3결정의 형태를 정확하게 제어하여 특정 적합한 장치 응용 분야에 적용될 수 있기 때문에 우리의 새로운 접근 방식은 유망하다. 이온성 액체 [C12mim][TFSI]와 [C2mim][BF4]가 Alq3의 특성 변화에 미치는 도핑 효과를 확인하기 위하여 두 번째 실험을 수행하였다. 30, 50, 100, 150ppm의 [C12mim][TFSI]를 Alq3에 도핑하였고 30, 50, 100, 150ppm의 [C2mim][BF4]을 Alq3에 도핑하였다. 도핑 농도가 증가함에 따라, PL 강도가 증가한 후, 특정 임계 농도를 통과 한 후에 강도가 감소하였다. 라만 스펙트럼에서 Alq3 퀴놀린의 파장은 더 낮은 전자 밀도 쪽으로 이동하였다. 각 물질에 대한 도핑 효과를 확인하기 위하여 홀 전용 장치(HOD) 및 전자 전용 장치(EOD)를 준비하고 광학적 및 전기적 특성 변화를 조사하였다. 이온성 액체가 도핑되었을 때, 각 물질의 HOMO 레벨 및 LUMO 레벨이 변경되었다. 상대적으로 많은 양의 Ir 도펀트가 아닌 ppm수준의 이온성 액체 도핑을 사용하여 OLED 재료의 에너지 수준을 제어 할 수 있었다. 우리의 새로운 접근법이 OLED 장치 제조에 적용되면, 고가의 Ir 도펀트를 대체함으로써 비용 및 효율 문제가 동시에 해결 될 것이다.