KR100638953B1

KR100638953B1 - 수명이 증대된 유기전기발광소자

Info

Publication number: KR100638953B1
Application number: KR1020050000502A
Authority: KR
Inventors: 변기남; 이범성; 정상윤; 유한성
Original assignee: 에스케이씨 주식회사
Priority date: 2005-01-04
Filing date: 2005-01-04
Publication date: 2006-10-26
Also published as: KR20060080044A

Abstract

본 발명은 유기전기발광소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따라 유기발광소자의 전자수송층에 정공저지물질이 도핑된 유기층을 포함하는 경우 열적 안정성 및 소자의 수명이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

수명이 증대된 유기전기발광소자 {ORGANIC ELECTROLUMINESCENT DEVICE HAVING INCREASED LIFETIME}

도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따른 유기전기발광소자의 개략적인 구조단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

11 : 투명전극(양극) 12 : 정공 주입층

13 : 정공 수송층 14 : 발광층

15 : 정공저지층이 도핑된 전자 수송층

16 : 전자 주입층 17 : 금속전극(음극)

본 발명은 유기전기발광소자, 특히 정공저지물질(hole blocking material)이 도핑된 전자수송층을 포함하여 수명이 증대된 유기전기발광소자에 관한 것이다.

평판 표시소자는 최근들어 급성장세를 보이고 있는 인터넷을 중심으로 고도 의 영상 정보화 사회를 지탱하는 매우 중요한 역할을 수행하고 있다. 특히, 자체 발광형으로 저전압 구동이 가능한 유기전기발광소자(유기EL소자)는, 평판 표시소자의 주류인 액정디스플레이(liquid crystal display, LCD)에 비해 시야각 및 대조비 등이 우수하고, 백라이트가 불필요하여 경량 및 박형이 가능하며, 소비전력 측면에서도 유리한 장점을 가진다. 또한, 응답속도가 빠르며, 색 재현 범위가 넓어 차세대 표시소자로서 주목을 받고 있다.

일반적으로, 유기EL소자는 투명전극으로 이루어진 양극(anode), 발광영역을 포함하는 유기박막 및 금속전극(cathode)의 순으로 유리기판 위에 형성된다. 이때, 유기박막은 발광층(emitting layer, EML) 외에 정공 주입층(hole injection layer, HIL), 정공 수송층(hole transport layer, HTL), 전자 수송층(electron transport layer, ETL) 또는 전자 주입층(electron injection layer, EIL)을 포함할 수 있으며, 발광층의 발광특성상 전자 저지층(electron blocking layer, EBL) 또는 정공 저지층(hole blocking layer, HBL)을 추가로 포함할 수 있다.

이러한 구조의 유기EL소자에 전기장이 가해지면 양극으로부터 정공이 주입되고 음극으로부터 전자가 주입되며, 주입된 정공과 전자는 각각 정공 수송층과 전자 수송층을 거쳐 발광층에서 재조합(recombination)하여 발광여기자(exiton)를 형성한다. 형성된 발광여기자는 바닥상태(ground state)로 전이하면서 빛을 방출하는데, 이때, 발광 상태의 효율과 안정성을 증가시키기 위해 발광 색소(게스트)를 발광층(호스트)에 도핑하기도 한다.

최근에는, 형광 발광물질 뿐 아니라 인광 발광물질도 유기EL소자의 발광물질 로 사용될 수 있음이 알려졌으며(D. F. O'Brien 등, Applied Physics Letters, 74(3), 442-444, 1999; M. A. Baldo 등, Applied Physics letters, 75(1), 4-6, 1999), 이러한 인광 발광은 바닥상태에서 여기상태로 전자가 전이한 후, 계간 전이(intersystem crossing)를 통해 단일항 여기자가 삼중항 여기자로 비발광전이된 다음, 삼중항 여기자가 바닥상태로 전이하면서 발광하는 메카니즘으로 이루어진다. 이때, 삼중항 여기자의 전이 시 직접 바닥상태로 전이할 수 없어(spin forbidden) 전자 스핀의 뒤바뀜(flipping)이 진행된 이후에 바닥상태로 전이되는 과정을 거치기 때문에 형광보다 수명(발광시간)(lifetime)이 길어지는 특성을 갖는다. 즉, 형광 발광의 발광 지속기간(emission duration)은 수 나노초(several nano seconds)에 불과하지만, 인광 발광의 경우는 상대적으로 긴 시간인 수 마이크로초(several micro seconds)에 해당한다.

또한, 유기EL소자에서 양극에서 주입된 정공과 음극에서 주입된 전자가 재결합하여 발광여기자를 형성할 때, 양자역학적 가정에 의하면, 단일항과 삼중항의 생성 비율은 1:3이 된다. 이것은 소자 내에서 삼중항 발광여기자가 단일항 발광여기자보다 3배 가량 더 생성되는 것을 의미하며, 따라서 인광 발광물질을 사용하는 경우에는, 형광 발광물질을 사용하는 경우보다 3배 정도 높은 발광효율을 달성할 수 있는 장점이 있다.

인광 발광 소자의 경우, 발광효율은 높으나 엑시톤의 수명이 길어 발광층 이외의 층으로 확산이 쉽게 일어나므로 소자의 효율이 감소하는 현상을 나타내는데, 이를 해결하기 위해 한국 특허 출원공개 제2001-79818호에서는 전자수송층 앞에 정 공저지층을 삽입하여 엑시톤을 발광충에 가두는 효과를 도모하고 있다. 그러나, 이 방법은 정공저지층에 사용되는 정공저지물질의 낮은 열안정성으로 인해 소자의 수명이 낮다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전기적 안정성이 우수하면서 높은 발광 효율 특성을 갖고, 또한 수명이 증대된 유기전기발광소자를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 양극 및 음극과 이들 사이의 유기층을 포함하는 유기전기발광소자에 있어서, 상기 유기층으로 정공저지 물질이 도핑된 전자수송층을 포함함을 특징으로 하는 유기전기발광소자를 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 유기발광소자, 특히 인광발광소자에 있어서, 기존에 사용된 정공저지층이 정공저지능력은 높으나 낮은 열적 안정성으로 인해 소자의 수명이 단축되는 문제를 해결하기 위한 것으로서, 정공저지물질을 별도의 층으로 형성하지 않고 전자수송층에 도핑하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 유기전기발광소자의 한 실시양태는 투명한 양극, 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 정공저지물질이 도핑된 전자수송층, 전자주입층, 음극을 차례로 적층한 구조를 가진다. 본 발명에서 특징적으로 사용되는 상기 정공저지물질-도핑된 전자수송층은 발광층에 전자를 수송하는 것을 원할하게 하는 역할 및 발광층에서 생긴 여기자(exiton)의 확산을 방지하여 여기자가 발광층에 갇혀 높은 효율의 발광을 수행하게 하는 역할을 한다.

본 발명에 따른 상기 실시양태를 도 1에 나타내었으며, 층(15)가 상술한 정공저지물질-도핑된 전자수송층을 나타낸다. 본 발명에서, 전자수송물질로는 통상 사용되고 있는 Alq3 등의 발광 물질을 사용할 수 있으며, 정공저지물질로는 통상 사용되고 있는 바쏘쿠프로인(BCP), 3-(4-비페닐릴)-4-페닐-5-)4-t-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(TAZ), 비스(8-하이드록시2-메틸퀴놀리나토)알루미늄 바이페녹시드(BAlq) 등의 물질이 사용될 수 있으며, 이들에 국한되는 것은 아니다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 유기전기발광소자는 투명전극(양극)(11), 정공 주입층(12), 정공 수송층(13), 발광층(14), 정공저지층이 도핑된 전자수송층(15), 전자 주입층(16) 및 금속전극(음극)(17)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 유기전기발광소자에서 투명전극(양극)(11) 및 금속전극(음극)(17)은 통상적인 전극재료, 예를 들면, 투명전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 또는 SnO₂로, 금속전극은 Li, Mg, Ca, Ag, Al 및 In 등의 금속 또는 이들의 합금으로 각각 형성될 수 있으며, 금속전극의 경우 단층 또는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있다.

또한, 정공 주입층(12)은 통상적인 정공 주입물질, 예를 들면 하기 화학식 1의 구리 프탈로시아닌(CuPc)등을 단독으로 또는 2 종 이상 혼합하여 구성할 수도 있고, 다른 층이 적층된 2 층 이상일 수도 있다.

정공 수송층(13)은 통상적인 정공 수송물질, 예를 들면 하기 화학식 2의 4,4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아민]비페닐(α-NPD), 하기 화학식 4의 N,N-디페닐-N,N-비스(3-메틸페닐)-1,1-비페닐-4,4-디아민(TPD) 및 폴리-(N-비닐카바졸) (PVCz) 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 포함할 수 있고, 별개의 층으로 하여 2층 이상 적층시킬 수도 있다.

또한, 발광층(14)은 하기 화학식 4의 4,4-다이카바졸 비스페닐(CBP)와 같은 호스트 물질에 이리듐계 발광물질, 예를 들면 하기 화학식 5의 트리스(2-페닐피리딘)이리듐(Ir(ppy)3)을 발광물질로서 포함할 수 있으며, 단층 또는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 정공저지물질-도핑된 전자 수송층(15)에서, 전자 수송물질은, 상술한 바와 같이, 예를 들면 하기 화학식 6의 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(Alq3), 루브렌(rubrene) 등의 물질이며, 정공저지물질은 하기 화학식 7의 바쏘쿠프로인(Bathocuproine, BCP), 하기 화학식 8의 3-(4-비페닐릴)-4-페닐-5-(4-t-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸(TAZ) 및 하기 화학식 9의 비스(8-하이드록시-2-메틸퀴놀리나토)-알루미늄 바이페녹시드(BAlq) 등일 수 있다.

상기 정공저지물질-도핑된 전자수송층(15)에서 정공저지물질의 도핑량은 전자수송물질과 정공저지물질의 합에 대해 1 내지 50 중량％ 범위일 수 있으며, 10 내지 20 중량％가 효율 및 수명에서 최적이므로 바람직하다.

또한, 상기 전자주입층(16)은 LiF을 비롯한 통상적인 전자 주입물질을 포함할 수 있다.

상기한 양극, 음극 및 각종 유기박막은 통상적인 증착방법에 의해 형성할 수 있다.

본 발명에 따라 정공저지물질-도핑된 전자수송층을 가진 유기전기발광소자는 열적 안정성이 높아 수명과 효율이 크게 향상될 수 있다.

이하 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.

실시예: 정공저지물질-도핑된 전자수송층을 가진 유기전기발광소자의 제작

도 1에 나타낸 바와 같은 구조의 유기전기발광소자를 다음과 같은 공정으로 제작하였다.

우선 150nm의 ITO(인듐 주석 산화물)-코팅된 유리기판(아사히글래스 (주), 시트 저항 8 Ω/cm²)을, 물을 베이스로 한 세제, 초순수, 아이소프로필알콜 및 메탄올로 순차적으로 초음파 세척하여 투명전극(11)을 제작하였다.

이 투명전극(11) 위에 구리 프탈로시아닌(CuPc)을 증착하여 20nm의 정공 주입층(12)을 형성한 후, 정공 주입층(12) 위에 4,4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아민]비페닐(α-NPD)을 증착하여 20nm의 정공 수송층(13)을 형성하였다. 이어서, 4,4-다이카바졸 비스페닐(CBP)과 트리스(2-페닐피리딘)이리듐(Ir(ppy)3)을 10:1의 중량비로 사용하여 1 nm/초의 속도로 정공 수송층(13) 위에 증착하여 30nm의 발광층(14)을 형성하였다. 공증착이 끝난 후, 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(Alq3)와 BCP를 표 1에 나타낸 바와 같은 양으로 사용하여 1 nm/초의 속도로 발광층(14) 위에 증착하여 40nm의 정공저지물질-도핑된 전자수송층(15)을 형성한 후, LiF를 증착하여 1nm의 전자 주입층(16)을 형성하였다. 이 전자 주입층(16) 위에 Al을 증착하여 150nm의 음극(17)을 형성함으로써 유기전기발광소자를 제조하였다. 제조된 유기전 기발광소자는, 정리하면, ITO 투명전극(150nm)/CuPc 정공 주입층(20nm)/α-NPD 정공 수송층(40nm)/CBP+Ir(ppy)3 발광층(30nm)/BCP+Alq3 정공저지물질-도핑된 전자수송층(40nm)/LiF 전자 주입층(1nm)/Al 전극(150nm)]가 아래로부터 차례대로 적층된 구조를 가졌다.

비교예: 정공저지층/전자수송층을 가진 유기전기발광소자

비교 실험을 위해, 별도로, 상기 실시예 1과 유사한 증착 공정에 의해, ITO 투명전극(150nm)/CuPc 정공 주입층(20nm)/α-NPD 정공 수송층(40nm)/CBP+Ir(ppy)3 발광층(30nm)/BCP 정공저지층(10nm)/Alq3 전자수송층(40nm)/LiF 전자 주입층(1nm)/Al 전극(150nm)]의 구조를 가진 소자를 제작하였다.

소자의 성능 평가

이와 같이 제조된 유기전기발광소자에 순바이어스 직류전압을 가하여 포토리서치(Photo research)사의 PR-650으로 전기발광(EL) 특성을 측정하였으며, 500 cd/m²의 초기 휘도에서 수명 시험을 실시하였다. 그 결과, BCP의 도핑량에 따라 하기 표 1과 같은 결과를 나타내었다.

상기 결과로부터, 본 발명에 따라 정공저지물질이 도핑된 전자수송층을 포함하는 유기전기발광소자는 비교예에서와 같이 정공저지층과 전자수송층을 별도로 포함하는 유기전기발광소자에 비해 발광효율 및 색순도가 유지되면서도 수명이 현저히 개선됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 정공저지물질이 전자수송층에 도핑된 유기층을 가진 본 발명에 따른 유기전기발광소자는 기존 방법에 따라 상기 물질들이 각각 별도의 층으로 구성된 발광소자와 비교할 때 수명이 향상되는 효과를 제공한다.

Claims

양극 및 음극과 이들 사이의 유기층을 포함하는 유기전기발광소자에 있어서, 상기 유기층이 정공저지물질-도핑된 전자수송층을 포함함을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
제 1 항에 있어서,

유기층이 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 정공저지층이 도핑된 전자수송층 및 전자주입층을 차례로 포함하는 구조를 가짐을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

정공저지물질의 도핑량이 1 내지 50 중량％ 범위임을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
제 3 항에 있어서,

정공저지물질의 도핑량이 10 내지 20 중량％ 범위임을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

정공저지물질이 바쏘쿠프로인(BCP), 3-(4-비페닐릴)-4-페닐-5-)4-t-부틸페닐)- 1,2,4-트리아졸(TAZ), 비스(8-하이드록시2-메틸퀴놀리나토)알루미늄 바이페녹시드(BAlq), 또는 이들의 혼합물임을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

정공저지물질-도핑된 전자수송층에 사용되는 전자수송물질이 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(Alq3), 루브렌(rubrene) 또는 이들의 혼합물임을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
제 2 항에 있어서,

발광층이 인광 발광 물질을 포함함을 특징으로 하는 유기전기발광소자.