그래핀 전극 2차 전사 기술로 고안정성 플렉시블 OLED 구현

요약

구리 포일 위 그래핀 성장 시 기판 결정립계 균열이 충실히 복제되어 전사 필름에 뚜렷한 주름 발생. 이 날카로운 '피크'를 매끄러운 '밸리'로 변환하는 2차 전사 기술 제시, 그래핀 표면 형태와 광전 성능 거의 비파괴적으로 재구성. 광학 현미경, 라만 분광, 전기 측정으로 2차 전사 후 형태, 광전 성능 보존 확인. 시연으로 PEDOT:PSS/SLG/NOA63 스택 플렉시블 유기 발광 소자(FOLED) 제작, 최대 휘도 ~35,000 cd/m², 피크 전류 효율 16.19 cd/A 달성. 대면적 고품질 그래핀 전극 롤투롤 생산에 적합한 확장 가능 공정.

배경

그래핀은 sp² 결합 탄소 단일층 육방 격자로 우수한 전도성, 높은 광투과율, 기계적 유연성으로 플렉시블 광전자 ITO 대체 유망[1-3]. CVD로 구리 포일 위 대면적 그래핀 성장, 시트 저항 30 Ω/sq, 투과율 90% 근접 달성[4]. 붕소 도핑 그래핀 FOLED 외부 양자 효율 ~24.6% 기록[5].

구리 CVD가 고품질 대면적 그래핀 성숙 경로이나, 다결정 포일 결정립계 균열과 표면 거칠기 유발. 통상 버블링/습식 전사 시 그래핀에 전이되어 날카로운 주름 형성, 표면 거칠기 증가, 소자 성능 저하[13-17]. 기존 연구 성장/전사 중 결함 밀도 저감 집중, 결정립계 복제 주름 문제 제한적 관심.

잔류 오염물 제거 빠르고 버블 기반 1차 전사 후 그래핀 형태 관찰. 주름 높이 수백 nm 달해 FOLED 단락 유발. 이에 열방출 접착제(HRA/PET) 초기 지지체, 고접착 폴리머 NOA63 최종 지지체로 상이한 접착 특성 두 접착제 이용 2차 전사 도입, 필름 손상 없이 표면 위상 피크→밸리 재구성.

실험 방법

구리 포일(25 µm) 1040 °C 30분 예닐, 15 sccm H₂, 60 sccm CH₄ 1040 °C 30분 성장, 급속 냉각 CVD 완료. 1차 전사: 2 mol/L NaOH 전해질, 그래핀/구리 스택 전기화학적 버블링으로 PET/HRA 위 전사. 2차 전사: 그래핀/HRA/PET 스택 위 NOA63 300 µL 스핀 코팅(300 rpm 15초, 600 rpm 15초), UV 경화(350-380 nm, 4분). 경화 중 HRA 접착력 급감, NOA63이 그래핀 강하게 부착되어 전사 완료.

결과 및 고찰

광학 현미경, AFM 확인: 구리 결정립계 균열(50-200 µm) 1차 전사 그래핀에 날카로운 주름 충실 복제, 높이 ~300 nm 도달. SiO₂/Si 전사 그래핀 라만 G'/G 강도비 1.75±0.015, I_D/I_G ~0.065 고품질 단일층 그래핀 지시[29,30].

NOA63 2차 전사 후 날카로운 주름 효과적 평탄화(그림 3b). 시트 저항(반데르파우, 4점 프로브) 20×20 mm² 영역 측정: HRA/PET, NOA63 모두 평균 ~360 Ω/sq 좁은 분포(가우시안 피트)로 변화 없음. 투과율 스펙트럼: NOA63(550 nm 90.8%) PET/HRA(88.1%) 상회, 그래핀층 고투과율(96.6%) 유지(그림 4).

소자 성능 평가 위해 FOLED 제작: 10 nm HAT-CN(정공 주입), 40 nm TAPC(정공 수송), 30 nm CBP:10% PO-01(발광), 30 nm TPBI(전자 수송), 1 nm Liq/100 nm Al(음극). 그래핀과 HAT-CN 사이 50 nm PEDOT:PSS(3 wt.% DMSO) 삽입 표면 평탄화, 일함수 장벽 저감. 켈빈 프로브 그래핀 일함수 4.8 eV, PEDOT:PSS HOMO, HAT-CN LUMO 잘 정합.

1차 전사 그래핀 기반 D1 소자 13 V 이상 휘도/전류 밀도 급락, 날카로운 주름 국부 단락 기인. 2차 전사 D2 안정적 휘도 증가, 14.5 V ~15,000 cd/m² 달성 주름 제거 효과 확인. PEDOT:PSS 도입 D3 추가 향상: 휘도 35,000 cd/m², 전류 효율 16.19 cd/A 피크, D2 10.74 cd/A 상회. 2차 전사 공정 전기적 특성 보존하며 소자 안정성, 효율 극적 개선 입증.

결론

구리 포일 결정립계 균열이 CVD 그래핀 날카로운 주름 생성, FOLED 성능 저해 확인. 열방출 접착제→고접착 폴리머 2차 전사로 주름 효과적 평탄화, 시트 저항/투과율 미미 영향. PEDOT:PSS/SLG/NOA63 구성 35,000 cd/m² 휘도, 16.19 cd/A 전류 효율 달성, 대면적 고품질 그래핀 전극 롤투롤 제조 확장 가능 기술 확립.