KR100232171B1 - 유기 전계 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

유기 전계 발광 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

유기 전계 발광 소자(Organic Electroluminescence Device) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판상에 양극을 형성하고, 양극상에 MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본, 폴리머 중 어느 하나로 이루어진 제 1 절연층을 형성한 후, 제 1 절연층상에 버퍼층, 정공운송층, 발광층, 전자주입층을 순차적으로 형성한다. 그리고, 전자주입층상에 산화알루미늄, MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 이루어진 단일층 또는 산화알루미늄/MgF2, 산화알루미늄/MgO, 산화알루미늄/LiF, 산화알루미늄/CaF2, 산화알루미늄/다이아몬드, 산화알루미늄/다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 이중층으로 제 2 절연층을 형성하고, 제 2 절연층상에 알루미늄으로 이루어진 음극을 형성함으로써, 종래 기술에 비해 발광효율은 떨어뜨리지 않으면서 누설 전류를 크게 줄일 수 있다.

Description

유기 전계 발광 소자 및 그 제조방법
본 발명은 디스플레이 소자에 관한 것으로, 특히 유기 전계 발광 소자(Organic Electroluminescence Device) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 유기 전계 발광 소자와 비유기 전계 발광 소자로 크게 나뉘어지는 전계 발광 소자는 넓은 시야각, 고속 응답성, 고 콘트라스트(contrast) 등의 뛰어난 특징을 갖고 있으므로 그래픽 디스플레이의 픽셀(pixel), 텔레비젼 영상 디스플레이나 광원 표면(surface light source)의 픽셀로서 사용되어지고 있다.
또한, 얇고 가벼우며 색감이 좋기 때문에 차세대 평면 디스플레이에 적합한 소자이다.
이러한 용도를 갖는 유기 전계 발광 소자의 구조를 살펴보면, 유리 기판위에 형성되는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 양극(anode)과, 양극위에 형성되는 정공수송층(HTL : hole transport layer) 또는 정공주입층(HIL : hole injecting layer)과, 정공수송층 또는 정공주입층위에 형성되는 유기 발광층과, 유기 발광층위에 형성되는 전자수송층(ETL : electron transport layer) 또는 전자주입층(EIL : electron injecting layer)과, 전자수송층 또는 전자주입층위에 형성되는 음극(cathode)으로 이루어진다.
이때, 양극위에 정공수송층과 정공주입층을 연속적으로 형성할 수도 있으며, 유기 발광층위에 전자수송층과 전자주입층을 연속적으로 형성할 수도 있다.
이와 같이 형성되는 유기 전계 발광 소자의 음극은 전자수송층 또는 전자주입층을 통해 유기 발광층에 전자를 주입시켜 주는 기능을 하고, 양극은 정공수송층 또는 정공주입층을 통해 유기 발광층에 정공을 주입시켜 주는 기능을 한다.
이러한, 정공과 전자는 유기 발광층에서 전자-정공이 쌍을 이루고 있다가 분리되면서 에너지를 방사함으로써 빛이 방출된다.
이와 같은 구조를 갖는 유기 전계 발광 소자를 이용하여 평판 디스플레이(flat panel display)를 제작할 때, 흔히 부딪히는 문제의 하나가 전기적 단락(short circuit)에 따른 누설 전류(leakage current)이다.
이 누설 전류는 파티클(particle) 및 거친 양극 표면 등이 주원인으로 알려져 있다.
그러므로 이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 양극 표면 처리, 높은 청정도 유지, 버퍼층의 삽입 등 여러 방법을 사용하였다.
도 1은 종래 기술에 따른 유기 전계 발광 소자를 보여주는 구조단면도로서, 유기 전계 발광 소자에 버퍼층을 삽입하여 누설 전류를 줄이는 방법을 보여주고 있다.
그 구조를 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 유리 기판(1)상에 ITO로 이루어진 양극(2), CuPc 등으로 이루어진 버퍼층(3), 정공운송층(4), 발광층(5) 그리고 Mg:Ag 또는 Al:Li 합금 등으로 이루어진 음극(6)이 순차적으로 형성된 구조로 이루어진다.
여기서는 양극(2)과 정공수송층(4) 사이에 버퍼층(3)을 형성함으로써, 양극(2)의 정공 주입을 증진시키고 소자 안정성(stability)을 향상시킬뿐 아니라 이 버퍼층(3)의 두께를 적절히 조절하여 구동 전압(driving voltage)의 큰 변화없이 누설 전류를 줄일 수 있도록 구성하였다.
그러나, 근본적인 해결책은 제시되지 않고 있었다.
종래 기술에 따른 유기 전계 발광 소자에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
누설 전류를 줄이기 위한 종래의 방법(양극 표면 처리, 높은 청정도 유지, 양극과 정공수송층 사이에 버퍼층 삽입 등)에 있어서는 한계가 있어 근본적인 해결책이 요구되고 있다.
또한, 음극은 대개 합금으로 이루어져 있으며 제 2 전극 띠(strip)들 사이의 간격이 좁아지면 전기적 단락에 의해 누설 전류가 발생하기 쉬워진다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양극과 음극 사이에 퍼콜레이션 메커니즘(percolation mechanism)에 의해 전하 이동이 가능한 절연층을 형성하여 발광효율을 저하시키지 않으면서 누설 전류를 줄일 수 있는 유기 전계 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 유기 전계 발광 소자를 보여주는 구조단면도
도 2는 본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자를 보여주는 구조단면도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 기판 12 : 양극
13 : 제 1 절연층 14 : 버퍼층
15 : 정공운송층 16 : 발광층
17 : 전자주입층 18 : 제 2 절연층
19 : 음극
본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자의 특징은 양극과 버퍼층 사이에 형성되고, MgF2, Mg, LiF, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본, 폴리머 중 어느 하나로 이루어진 제 1 절연층과, 전자주입층과 음극 사이에 형성되고, 산화알루미늄, MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 이루어진 단일층을 갖거나 또는 산화알루미늄/MgF2, 산화알루미늄/MgO, 산화알루미늄/LiF, 산화알루미늄/CaF2, 산화알루미늄/다이아몬드, 산화알루미늄/다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 이중층을 갖는 제 2 절연층을 포함하여 구성되는데 있다.
본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자 제조방법의 특징은 기판상에 양극을 형성하는 스텝과, 양극상에 MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본, 폴리머 중 어느 하나로 이루어진 제 1 절연층을 형성히는 스텝과, 제 1 절연층상에 버퍼층, 정공운송층, 발광층, 전자주입층을 순차적으로 형성하는 스텝과, 전자주입층상에 산화알루미늄, MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 이루어진 단일층 또는 산화알루미늄/MgF2, 산화알루미늄/MgO, 산화알루미늄/LiF, 산화알루미늄/CaF2, 산화알루미늄/다이아몬드, 산화알루미늄/다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 이중층으로 이루어진 제 2 절연층을 형성하는 스텝과, 상기 제 2 절연층상에 알루미늄으로 이루어진 음극을 형성하는 스텝으로 이루어지는데 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자 및 그 제조방법를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자를 보여주는 구조단면도로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 유기 전계 발광 소자는 유리 기판(11)상에 ITO로 이루어진 양극(12), 제 1 절연층(13), CuPc로 이루어진 버퍼층(14), 정공운송층(15), 발광층(16), 전자주입층(17), 제 2 절연층(18) 그리고 Al으로 이루어진 음극(19)이 순차적으로 형성된 구조로 이루어진다.
여기서, 제 1 절연층(13)은 MgF2, MgO, LiF, CaF2,다이아몬드(diamond), 다이아몬드-라이크 카본(diamond-like carbon), 폴리머(polymer) 중 어느 하나로 형성되고, 제 2 절연층(18)은 산화알루미늄, MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 단일층으로 형성되거나 또는 산화알루미늄/MgF2, 산화알루미늄/MgO, 산화알루미늄/CaF2,, 산화알루미늄/LiF, 산화알루미늄/다이아몬드, 산화알루미늄/다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 이중층으로 형성된다.
이와 같이 구성되는 유기 전계 발광 소자의 제조방법은 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 투명 기판(11)상에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 양극(12)을 형성하고, 양극(12)상에 제 1 절연층(13)을 형성하며, 제 1 절연층(13)상에 CuPc로 이루어진 버퍼층(14)을 형성한다.
여기서, 제 1 절연층(13)을 형성하는 이유는 양극(12)과 버퍼층(14) 사이에 제 1 절연층(13)을 아주 얇게 형성하면 발광 효율에는 별로 영향을 주지 않으면서 누설 전류를 줄일 수 있기 때문이다.
또한, 제 1 절연층(13)의 두께는 약 5nm 이하로 형성하는데, 대체로 약 0.5nm 정도가 가장 적절하다.
그리고, 제 1 절연층(13)의 물질은 전기적 절연성이 뛰어난 물질이면 가능하다.
제 1 절연층(13)의 물질로는 MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드(diamond), 다이아몬드-라이크 카본(diamond-like carbon), 폴리머(polymer) 중 어느 하나로 이루어진다.
여기서, MgF2, MgO, LiF, CaF2,는 서멀 이베포레이션(thermal evaporation), 이-빔 이베포레이션(e-beam evaporation), 스퍼터 데포지션(sputter deposition), 이오나이즈드 클러스터 빔 데포지션(ionized cluster beam deposition) 중 어느 한 방법으로 형성하고, 다이아몬드 및 다이아몬드-라이크 카본은 CVD(Chemical Vapor Deposition)방법으로 형성한다.
그리고, 폴리머는 모노머(monomer) 또는 올리고머(oligomer)를 진공 중에서 증착한 후, 서멀 폴리머라이제이션(thermal polymerization), 유브이 폴리머라이제이션(UV polymerization), 플라즈마 폴리머라이제이션(plasma polymerization) 중 어느 한 방법으로 형성하거나 스핀-캐스팅(spin-casting), 딥핑(dipping), 닥터 블레이드(Dr. Blade) 중 어느 한 방법으로 직접 폴리머를 형성한다.
여기서, 폴리머는 전기적 절연성이 좋은 PMMA(Poly-(Methyl Methacrylate)), 폴리이미드(polyimide) 중 어느 하나로 형성한다.
이어, 버퍼층(14)상에 정공운송층(15), 발광층(16), 전자주입층(17), 제 2 절연층(18)을 순차적으로 형성한다.
여기서, 제 2 절연층(18)을 형성하는 이유는 제 1 절연층(13)과 마찬가지로 음극(19)과 전자주입층(17) 사이에 제 2 절연층(13)을 아주 얇게 형성하면 발광 효율에는 별로 영향을 주지 않으면서 누설 전류를 줄일 수 있기 때문이다.
제 2 절연층(18)은 약 5nm 이하의 두께로 형성하며, 단일층 또는 이중층으로 형성한다.
단일층 구조를 갖는 제 2 절연층(18)은 산화알루미늄, MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 형성한다.
여기서, 산화알루미늄은 전자주입층(17)상에 알루미늄을 증착하고, 미량의 산소 가스에 노출시켜 알루미늄을 산화시켜 형성하고, MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본은 제 1 절연층(13) 형성시에 이미 설명한 바와 같이 동일한 방법으로 형성한다.
이중층 구조를 갖는 제 2 절연층(18)은 전자주입층(17)상에 MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나를 얇게 형성하고, 그 위에 상기와 동일한 방법으로 산화알루미늄층을 형성한다.
이와 같이 제 2 절연층(18)으로 산화알루미늄층을 사용하는 이유는 다음과 같다.
산화반응에 의해 형성된 AlOx형태의 산화알루미늄은 알루미나에 비해 절연성이 떨어진다.
즉, 완전한 절연층이 아니기 때문에 퍼콜레이션 매커니즘(percolation mechanism)에 의해 전자 이동이 가능한 것이다.
따라서, 두께를 적절히 조절하면 누설 전류도 줄이면서 상당한 전자주입이 가능하다.
이어, 마지막으로 제 2 절연층(18)상에 알루미늄으로 이루어진 음극(19)을 형성하여 유기 전계 발광 소자를 제조한다.
여기서, 일반적으로 음극(19)으로는 일함수(work function)가 작은 재료를 써야 전자주입장벽(electron injection barrier)을 낮출 수 있다.
그러나, 일함수가 작은 재료는 반응성 또한 뛰어나기 때문에 그대로 사용하지는 못하고 다른 재료와 합금을 만들어 사용하였다.
예를 들면 종래 기술과 같이 Mg:Ag 또는 Al:Li 합금 등을 사용하였다.
하지만, 본 발명은 가격이 싸고 공정이 간단하며 안정성이 뛰어난 알루미늄을 사용하여 음극(19) 띠(strip)들 사이에서 발생하는 누설 전류를 방지할 수 있다.
이와 같이, 제작된 유기 전계 발광 소자를 사용하여 예를 들면, 픽셀수 256×128, 픽셀 크기 150㎛×300㎛, 인접 픽셀 사이의 간격 50㎛, 유기막의 두께 100nm, 제 1, 제 2 절연막 물질이 MgF2인 도트-매트릭스 디스플레이(dot-matrix display)를 제작하여 전기광학적 특성을 측정한 결과는 다음과 같다.
인접한 두 양극 사이와 인접한 두 음극 사이 및 양극과 음극 사이의 저항이 모두 약 500㏁ 이상으로 나타났으며, 발광효율은 종래 구조에 비해 변화가 없었고, 인접 픽셀간의 크로스-토크(cross-talk)도 거의 나타나지 않았다.
본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
양극과 버퍼층 사이와 음극과 전자주입층 사이에 절연층을 형성하여 종래 기술에 비해 발광효율은 떨어뜨리지 않으면서 누설 전류를 크게 줄일 수 있다.

Claims (10)

  1. 양극과 음극 사이에 버퍼층, 유기발광층, 전자주입층을 갖는 유기 전계 발광 소자에 있어서,
    상기 양극과 버퍼층 사이에 형성되고, MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드(diamond), 다이아몬드-라이크 카본(diamond-like carbon), 폴리머(polymer) 중 어느 하나로 이루어진 제 1 절연층;
    상기 전자주입층과 음극 사이에 형성되고, 산화알루미늄, MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 단일층을 갖거나 또는 산화알루미늄/MgF2, 산화알루미늄/MgO, 산화알루미늄/CaF2, 산화알루미늄/LiF, 산화알루미늄/다이아몬드, 산화알루미늄/다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 이중층을 갖는 제 2 절연층을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 절연층을 이루는 폴리머는 PMMA(Poly-(Methyl Methacrylate)), 폴리이미드(polyimide) 중 어느 하나임을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  3. 기판상에 양극을 형성하는 스텝;
    상기 양극상에 MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드(diamond), 다이아몬드-라이크 카본(diamond-like carbon), 폴리머(polymer) 중 어느 하나로 이루어진 제 1 절연층을 형성하는 스텝;
    상기 제 1 절연층상에 버퍼층, 정공운송층, 발광층, 전자주입층을 순차적으로 형성하는 스텝;
    상기 전자주입층상에 산화알루미늄, MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 제 2 절연층을 형성하는 스텝;
    상기 제 2 절연층상에 알루미늄으로 이루어진 음극을 형성하는 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 절연층을 이루는 MgF2, MgO, LiF, CaF2는 서멀 이베포레이션(thermal evaporation), 이-빔 이베포레이션(e-beam evaporation), 스퍼터 데포지션(sputter deposition), 이오나이즈드 클러스터 빔 데포지션(ionized cluster beam deposition) 중 어느 한 방법으로 형성함을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 절연층을 이루는 다이아몬드 및 다이아몬드-라이크 카본은 CVD(Chemical Vapor Deposition)방법으로 형성함을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 절연층을 이루는 폴리머는 모노머(monomer) 또는 올리고머(oligomer)를 진공 중에서 증착한 후, 서멀 폴리머라이제이션(thermal polymerization), 유브이 폴리머라이제이션(UV polymerization), 플라즈마 폴리머라이제이션(plasma polymerization) 중 어느 한 방법으로 형성함을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자 제조방법.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 절연층을 이루는 폴리머는 스핀-캐스팅(spin-casting), 딥핑(dipping), 닥터 블레이드(Dr. Blade) 중 어느 한 방법으로 형성함을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자 제조방법.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 절연층을 이루는 산화알루미늄은 상기 전자주입층상에 알루미늄을 증착하고, 미량의 산소 가스에 노출시켜 알루미늄을 산화시켜 형성함을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자 제조방법.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 절연층은
    상기 전자주입층상에 MgF2, MgO, LiF, CaF2, 다이아몬드, 다이아몬드-라이크 카본 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층을 형성하는 스텝;
    상기 제 1 층상에 산화알루미늄으로 이루어진 제 2 층을 형성하는 스텝을 더 포함함을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자 제조방법.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 절연층은 약 5nm 이하의 두께로 형성함을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자 제조방법.
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