[C12mim][TFSI]용매 내에서 Alq3 결정 성장에 미치는 전하의 영향

Abstract

The organic semiconductor materials can control optoelectronic properties according to molecular structure control, and are recognized as materials to replace inorganic semiconductors due to various advantages such as flexibility and lightness. It is known that there is a limit to commercialization due to low charge mobility and instability of driving. However, recently, studies on the development of high-performance organic semiconductors and improvement of device characteristics have been actively conducted. In particular, the performance of the organic semiconductor can be variously controlled through the modification of the layered structure and material of the organic semiconductor. In order to improve the characteristics of a device in the field of OLED(Organic Light Emitting Diode) in which an organic semiconductor material is used, it is necessary to control the crystal shape, crystal size, phase, etc. of the organic semiconductor material. In our Group, We confirmed that the charge affects the crystal growth of Alq3 in voltaic cell environment using ionic liquid as electrolyte. However, the difference in electronegativity between Stainless steel and ITO used as electrodes is small, the oxidation-reduction reaction rate is relatively slow. That is, the influence of the effect of charge was small. In this study, the cell potential was increased by using Cast iron and ITO as electrodes, and the effect of charge was controlled using parameters such as temperature, concentration, and voltage. In the first study, temperature(100, 130, 160 ℃) and concentration(4, 8 mol%) were controlled, and crystals of Alq3 with various shapes such as Aerogel, Xerogel, Ellipsoid, Sphere, and Irregular crystalline phase were confirmed through two parameters. By controlling the charge, the nucleation rate and the nuclear radius size are changed, which is ultimately considered to have an effect on the crystal shape. In the second study, the effect of charge was increased by artificially changing the amount of voltage from the outside. For the conditions, voltages of 1.0, 3.0, 5.0, 6.0, 8.0, and 10.0 V were applied to the 0 V point of the concentration(4, 8 mol%) and temperature(100, 130, 160 ℃). Under the temperature conditions, rod phase at 100 ℃, Irregular crystalline phase at 130 ℃, and Irregular crystalline phase, Agglomerated and Aggregated colloid at 160 ℃ were confirmed. Colloidal particles are formed under all conditions at 160 ℃ except for a specific section(10.0 V). However, if a certain point is passed, there is a section that is not formed. This is interpreted as the generation principle of Agglomerated and Aggregated colloid and the electrical double layer theory of colloid. Under the concentration conditions(4, 8 mol%) except 1.0 V, when a voltage was applied from the outside, bar shapes was confirmed. XRD, PL, and Raman were analyzed to confirm the phase and optical properties of the crystals. Through the three analysis results, it is confirmed that the phase transition of Alq3 changes in the order of β → γ → δ. In this study, if the cell potential increases in voltaic cell environment and the effect of charge increases with applied external voltage, it promotes phase change and crystal growth at low temperature, low concentration, and shorter process time than conventional heat treatment methods. Since the phase and shape of the particles affect the overall OLED device, the results are beneficial to be applied in related fields.| 유기 반도체 재료는 분자 구조 조절에 따라 광전자적 특성을 제어할 수 있고, 유연성 및 경량성 등 다양한 이점으로 무기물 반도체를 대체할 소재로 인식 받고 있다. 낮은 전하이동도와 구동의 불안정성으로 인해 상용화에 제약이 있다고 알려져 있었지만, 최근에는 고성능 유기 반도체의 개발과 소자 자체의 특성 개선에 관한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 특히, 유기 반도체는 적층 구조 및 재료의 변형을 통해서 자체 성능을 다양하게 조절할 수 있다. 이처럼 유기 반도체 재료가 사용되는 OLED(Organic Light Emitting Diode) 분야에서 device의 특성 향상을 위해서는 재료의 결정 모양, 결정 크기, 상(phase) 등을 제어해야 한다. 본 Group에서는 이온성 액체를 전해질로 사용하여 Voltaic cell 환경에서 전하가 OLED 발광소재인 Alq3 결정 성장에 영향을 주는 것을 확인했다. 그러나 전극으로 사용된 Stainless steel과 ITO의 전기음성도 차이가 작아 산화-환원 반응 속도가 느리기 때문에 전하의 영향이 적었다고 판단된다. 이에 착안하여 본 연구에서는 주철과 ITO를 전극으로 사용하여 Cell potential을 증가시켰으며, 온도, 농도, 전압 파라미터를 이용하여 전하의 영향을 조절하였다. 첫 번째 연구는 온도(100, 130, 160 ℃) 및 농도(4, 8 mol%)를 조절하였고, 두 가지 파라미터를 통해 Aerogel, Xerogel, Ellipsoid, 구, 불규칙한 결정상 등 다양한 shape을 가진 Alq3 결정을 확인했다. 전하를 조절함으로써 핵 생성 속도와 핵 반지름의 크기가 달라지고, 이는 최종적으로 결정 shape에 영향을 미친 것으로 판단된다. 두 번째 연구에서는 외부에서 인위적으로 전압 양의 변화를 줌으로써 전하의 영향을 증가시키기 위해 진행하였다. 조건은 농도(4, 8 mol%)와 온도(100, 130, 160 ℃)의 0 V 지점에 1.0, 3.0, 5.0, 6.0, 8.0, 10.0 V의 전압을 인가하였다. 온도 조건에서 100 ℃는 막대상, 130 ℃는 불규칙한 결정상, 160 ℃는 불규칙한 결정상, Agglomerated, Aggregated colloid가 확인되었다. 160 ℃의 특정 구간(10.0 V)을 제외하고 모든 조건에서 콜로이드가 형성되다가 특정 지점을 지났을 때, 생성되지 않는 구간이 생긴다. 이는 Agglomerated 및 Aggregated colloid의 생성원리 및 Colloid의 Electrical double layer 이론으로 해석된다. 농도 조건(4, 8 mol%)은 외부에서 전압을 인가하면 1.0 V를 제외하고 막대상이 확인되고, 결정들의 상(Phase) 및 광학적 특성 확인을 위해 XRD, PL, Raman을 분석하였다. 세 가지 분석 결과를 통해 Alq3의 상전이는 β → γ → δ 순으로 변하는 것으로 확인된다. 본 연구는 Voltaic cell 환경에서 Cell potential의 증가 및 인가된 외부전압으로 전하의 영향을 증가시키면 기존 열처리 방법보다 저온, 저농도, 짧은 공정시간 안에 상변화 및 결정성장을 촉진한다. 입자의 상(phase)과 shape은 전반적인 OLED device에 영향을 미치기 때문에 향후 관련 분야에 도움이 될 것이라 판단된다.