유기 발광 다이오드(OLEDs)는 높은 명암비, 선명한 색상, 유연한 폼팩터와 같은 장점을 제공하지만, IT 및 자동차 디스플레이와 같이 요구 성능이 높은 환경에서의 활용은 짧은 동작 수명과 낮은 발광 효율로 인해 제한된다. 전하 생성층(charge generation layers, CGLs)을 통해 전하 생성층으로 연결된 다수의 전계발광 단위를 적층한 탠덤 OLED는 유망한 해결책을 제공한다. 그러나 효율적이고 안정적인 n형 CGL(nCGL)의 개발은 금속 도핑 유기 반도체와 관련된 문제들로 인해 특히 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 열적으로 안정한 호스트인 4,5-다이아자-9,9-스피로플루오렌(Dasf)에 이트륨이 아닌 얄테르븀(Ytterbium, Yb)을 도핑한 시스템을 활용하여 효과적인 nCGL을 제시한다. 최적화 결과, 피크 성능을 위한 이상적인 도핑 수준은 10 wt.% Yb(1:1 몰비)로 확인되었다. 광전자 분광법과 밀도범함수이론은 Yb와 Dasf의 질소 원자 사이에서 강한 전하 전달 복합체가 형성됨을 확인한다. 이러한 상호작용은 Yb의 6s 오비탈이 Dasf의 LUMO와의 혼성화를 통해 페르미 준위 근처의 전자 상태를 형성하여 전자 주입 및 수송을 향상시킨다. 이 최적화된 nCGL을 포함하는 OLED는 단일 단위 소자에 비해 외부 양자 효율이 1.6배 향상되고 동작 수명은 1.7배 증가한다. 본 연구는 고성능 탠덤 OLED를 위한 유망한 nCGL 소재로서 Yb 도핑 Dasf를 제시한다.

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