KR100864758B1 - 풀 컬러 유기 전기 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백색광 발란스가 맞는 풀 컬러 유기 EL (full color organic electroluminescence) 소자에 관한 것으로, 풀 컬러 유기 EL 소자에서 적색 (R), 녹색 (G) 및 청색 (B)의 각 컬러에 해당하는 유기 발광층 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께를 달리하거나, 발광 면적을 다르게 형성함으로써 각 발광층의 전자 수송 능력비를 조절하여 백색광 발란스를 맞추는데 본 발명의 특징이 있다.

Description

풀 컬러 유기 전기 발광 소자{Full color organic electroluminescence device}

도 1은 풀 컬러 유기 EL 소자의 하부 기판 평면도.

도 2는 상기 도 1의 화소 일부분에 대한 확대 단면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 하부 기판 12 : 양전극

14 : 정공 주입층 16 : 정공 수송층

18 : 발광층 20 : 전자 수송층

22 : 전자 주입층 24 : 음전극

26 : 음전극 배선 28 : 전원

30 : 양전극 배선

e : 주입된 전자 h : 주입된 정공

본 발명은 백색광 발란스가 맞는 풀 컬러 유기 EL (full color organic electroluminescence) 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적색 (R), 녹색 (G) 및 청색 (B)의 각 컬러에 해당하는 유기 발광층 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께를 달리하거나, 발광 면적을 다르게 형성함으로써 각 발광층의 전자 수송 능력비를 조절하여 백색광 발란스를 맞춘 유기 EL 소자에 관한 것이다.

근래에, 큰 주목을 받고 있는 유기 EL 소자는 서로 다른 밴드 갭을 가지는 두 가지 이상의 유기 발광 물질을 적층 구조로 하여 각각의 물질에서는 나타나지 않는 새로운 영역의 전계 발광 파장을 얻기 위한 소자이다. 이때 새로운 영역의 발광 파장은 발광층이라 불리는 유기층에서 전자 (electron)와 정공 (hole)이 만나서 재결합할 때 방출되는 에너지가 빛으로 변환되는 것이다.

유기 EL 소자는 1960년대에 연구가 시작되어, 1987년 이스트만 코닥 (Eastman Kodak)사가 발광 유기물 층에 전자와 정공의 주입이 균형을 이루도록 하면서 유기층의 두께를 2000Å 이하로 낮추어서 실용화에 가능한 정도의 10V 이하의 저전압 구동과 고효율, 고휘도를 얻는데 성공한 이후 (Appl. Phys. Lett., 51, 913 (1987), 미합중국 특허 제4,356,429호, 제4,539,507호, 제4,720,432호, 제4,885,211호), 디스플레이 장치에 채용되는 것이 본격적으로 검토되기 시작했다. 이어, 1993년 일본에서 적(R), 녹(G), 청(B) 3색을 동시에 발생시켜서 자연광에 가까운 백색광을 나타내는데 성공한 것을 비롯하여, 고휘도, 저소비 전력, 소자의 장수명화 등이 실현되어 유기 EL 소자는 액정을 대신하는 차세대 평판 디스플레이로서 크게 기대되고 있다.

도 1은 일반적인 유기 EL 소자의 기본 구성을 나타낸 개략도인데, 유기 EL 소자는 일반적으로 투명한 재질의 하부 기판(10) 상에, 정공 주입전극인 양전극(12)과, 정공 주입층(14; Hole Injection Layer)과, 정공 수송층 (16; Hole Transporting Layer)과, 유기 발광층 (18; Emitting Material Layer)과, 전자 수송층(20; Electron Transporting Layer)과, 전자 주입층 (22; Electron Injection Layer) 및 전자주입전극인 음전극(24)이 순차적으로 적층되어 있는 발광 구조를 갖는다.

이때, 발광층으로의 전자와 정공 주입이 쉬워야 하며, 전자 주입을 쉽게 하기 위해서는 전자 수송층과 음전극인 금속층 사이에 일함수가 낮은 전자 주입층을 사용한다. 일반적으로 양전극(12)의 재료로는 유리, 석영 또는 유연한 플라스틱이나 필름 등이 주로 사용되고, 음전극(24)의 재료로는 작은 일함수를 갖는 금속인 Ca, Mg 또는 Al 등이 사용된다. 또한 유기 발광층(18)의 재료로는 Alq₃ 또는 안트라센 등의 단분자 유기 화합물이나 PT (polythiophene) 등의 고분자 유기 화합물이 사용되며, 전자 수송층(20)으로는 옥시다졸 유도체 등이 주로 사용되며, 전자 주입층으로는 Al-Li 등이 이용되고 있고, 낮은 일함수를 가지는 알칼리 금속에 대한 연구 성과들도 발표되고 있다. 금속 도핑층이 가져야 하는 조건들은 유기물과의 접착력이 우수하고, 음전극 재료인 알루미늄이 유기물로 침투하는 것을 막으면서, 그 자체도 유기물에 침투하지 않아야 한다. 이러한 재료들은 모두 진공 증착방법을 이용하여 증착된다.

여기서, 상기 유기 EL 소자의 동작을 살펴보면, 상기 양전극(12)에 양의 전압을 인가하고, 음전극(24)에 음의 전압을 인가하면 양전극(12)에서는 정공(h)이 주입되고, 음전극(24)에서는 전자(e)가 주입되어 정공(h)은 정공 주입층(14), 정공 수송층(16)을 지나고, 전자(e)는 전자 주입층(22), 전자 수송층(20)을 지나 발광층(18)에서 전자(e)와 정공(h)이 만나게 되어, 이들의 재결합에 의해 발광하게 되며, 발광층의 재료에 따라, 즉 재결합하는 위치와 유기물의 재료에 따라 각기 다른 파장대의 빛을 발하게 된다. 이때 전자와 정공의 밴드 갭 (band gap) 차이로 인하여 발광층에서 정공은 전자 수송층 쪽으로 못 넘게 되고, 전자는 정공 수송층 쪽으로 못 넘게 되어, 발광층에서의 재결합 효율이 높아져서 발광에 기여하는 전자/정공의 수가 많게 되어 외부 효율을 높이는 원리를 이용한다.

유기 EL 소자를 포함하는 유기 EL 디스플레이 패널은 특히 컬러 디스플레이 장치로의 응용이 기대되는데, 이를 위해서는 상기와 같은 발광 원리를 이용하여 백색광 및 적색(R), 녹색 (G), 청색 (B)를 이용한 풀 컬러 디스플레이를 제작하여야 하는데, 도 1에 풀 컬러 유기 EL 소자의 하부 기판 평면도를 나타내었다.

한편, 풀 컬러 소자 제작할 때 제조 단가를 낮추기 위해 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층, 금속층은 RGB에 공통으로 진공 증착하고 발광층만을 RGB에 각각 증착한다. 증착 방법은 금속 쉐도우 마스크 (shadow mask)를 이용하여 RGB 단계별로 이동 (shift)시키면서 증착하는데, 풀 컬러 소자에서는 RGB 각각의 픽셀 크기가 같으므로, 하나의 발광 유기층을 증착한 후, 한 서브 픽셀 거리만큼 이동시켜서 증착한다. 이렇게 하여 RGB 각각의 색 발광층을 형성하게 되고 풀 컬러 소자를 제작할 수 있게 된다.

그러나, 유기 발광층의 적, 녹, 청이 동시에 온 (on) 되었을 때, 백색의 기 준을 0.30, 0.32로 나타낸다면, 약 1 : 2.5 : 1.1의 비율로 휘도를 나타내어야 한다. 통상 CRT, LCD 등의 디스플레이에서의 백색은 0.281, 0.311에서 0.311, 0.312로 표시한다. 이때의 적, 녹, 청의 휘도비는 2 : 7 : 1 혹은 3 : 6 : 1 정도가 되지만, 유기 형광체의 각 색의 색순도가 CRT와 다르기 때문에 휘도비 또한 다르게 된다. 그러나 RGB 발광 효율의 차이는 대략적으로 0.3 : 2.5 : 0.6 정도이다. 즉 적색의 발광 효율 저하로 인하여 같은 전압을 인가하면 백색광의 균형이 맞지 않아 사실색을 나타내지 못한다. 이를 보상하기 위해서는 발광 효율이 떨어지는 적색에 더 큰 전류를 주입시켜야 하는데, 더 큰 전류를 흘려 주기 위해서는 RGB에서 적색 데이터 라인에만 더 많은 전압을 인가하여야 한다. 이렇게 하면 결국 백색광 균형은 맞출 수 있지만, 적색에 더 큰 전압을 인가하게 되어 적색 발광 재료의 수명이 다른 색에 비하여 단축되게 된다. 즉 표시 소자는 가장 짧은 색의 수명이 소자의 수명이 되므로, 큰 전압인가는 수명에 치명적이다. 또한 RGB 각각에 인가 전압이 다르므로 구동 드라이브의 가격이 상승하게 되고, 이는 디스플레이의 제작 단가를 증가시키게 된다.

한편, 정공의 이동도 속도와 전자의 이동도 속도는 약 100배 가량 정공이 빠르므로 발광층 내에 전자 주입을 용이하게 하는 것은 중요한 과제이다.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, RGB 각각의 전자 수송 능력비를 조절하여 백색광 발란스를 맞춤으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 적색, 녹색 및 청색의 각 컬러에 해당하는 유기 발광층 상 부에 형성되는 전자 수송층의 두께를 달리하거나, 발광 면적을 다르게 형성함으로써 각 발광층의 전자 수송 능력비를 조절하여 백색광 발란스가 맞는 풀 컬러 유기 EL 소자를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 적색 (R), 녹색 (G) 및 청색 (B)에 해당하는 컬러별로 복수개의 셀들이 구분되고, 각 컬러에 해당하는 유기 발광층의 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께 중 적색 유기 발광층 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께가 녹색 및 청색 유기 발광층의 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 풀 컬러 유기 EL 소자를 구비함에 있다.

또한, 본 발명의 특징은 적색에 해당하는 유기 발광층의 면적이 녹색 및 청색에 해당하는 유기 발광층의 면적보다 크고, 적색 유기 발광층의 두께가 녹색 및 청색 유기 발광층의 두께보다 얇게 형성된 풀 컬러 유기 EL 소자를 구비함에 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서는 적색 (R), 녹색 (G) 및 청색 (B)에 해당하는 컬러별로 복수개의 셀들이 구분되어 있는 풀 컬러 유기 EL 소자에 있어서, 각 컬러에 해당하는 유기 발광층의 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께 중 적색 유기 발광층 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께를 녹색 및 청색 유기 발광층의 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께보다 얇게 형성한 풀 컬러 EL 소자를 제공하는데, 구체적으로 상기 적색, 녹색 및 청색에 해당하는 유기 발광층 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께 비는 2∼3 : 3.5∼4.5 : 2.5∼3.5인 것이 바람직하고, 상기 적색에 해당하는 유기 발광층 상부에 형성되는 전자 수송층은 200∼300 Å 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 적색에 해당하는 유기 발광층의 면적을 녹색 및 청색에 해당하는 유기 발광층의 면적보다 크게 형성한 풀 컬러 유기 EL 소자를 제공하는데, 이때 적색 : 녹색 : 청색의 발광 면적비는 1.2∼2.2 : 1 : 1 인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 상기와 같이 적색에 해당하는 유기 발광층의 면적을 녹색 및 청색에 해당하는 유기 발광층의 면적보다 크게 형성한 풀 컬러 유기 EL 소자에 있어서, 적색 : 녹색 : 청색에 해당하는 유기 발광층의 두께비를 1 : 1 : 1로 형성한 풀 컬러 유기 EL 소자를 제공한다.

또한, 본 발명에서는 적색 유기 발광층 자체의 두께가 녹색 및 청색 유기 발광층의 두께보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 풀 컬러 유기 전기발광 소자를 제공한다.

상기 적색, 녹색 및 청색에 해당하는 유기 발광층의 두께비는 2∼3 : 3.5∼4.5 : 2.5∼3.5인 것이 바람직하고, 상기 적색에 해당하는 유기 발광층은 200∼300 Å 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 전술한 구조, 즉 RGB 각 컬러에 해당하는 유기 발광층의 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께를 달리한 구조; RGB 각 컬러에 해당하는 유기 발광층의 면적을 달리한 구조; 및 RGB 각 컬러에 해당하는 유기 발광층 자체 의 두께를 달리한 구조를 별개로 포함할 수도 있고, 이들을 조합한 구조를 포함할 수도 있다.

전술한 바와 같이, 통상적으로 디스플레이에서 백색 좌표를 나타내기 위한 RGB의 휘도비는 2:7:1, 또는 3:6:1 정도로 알려져 있다. 그러나, 현재까지 개발된 RGB 유기 발광층의 발광 효율은 보통 패널 동작 전압 범위인 12∼15V 사이에서 적색은 0.4 lm/W, 녹색은 3.5 lm/W, 청색은 0.8 lm/W 정도로, 적색의 발광 효율이 다른 색에 비해서 현저히 낮아 백색을 맞추는 것이 매우 곤란하다.

본 발명은 이러한 외부 발광 효율의 차이, 즉 외부로의 휘도비 차이로 인한 백색광 발란스를 맞추기 위하여 전술한 바와 같이, RGB 각 발광층 상부의 전자 수송층의 두께를 달리하거나, 발광 면적을 달리하거나, RGB 유기 발광층 자체의 두께를 달리하거나, 이들을 조합한 구조의 유기 EL 소자를 제조함으로써, 적색의 발광 효율을 향상시켜 백색광 발란스를 맞추는 것이다. 즉, 본 발명에서는 녹색 및 청색에 비하여 밴드 갭 (band gap)이 작은 적색의 발광 특성을 감안하여, 이를 향상시키기 위하여 상기와 같은 구조를 채택한 것이며, 상기와 같은 구조를 채택하면 적색의 밴드 갭이 녹색 및 청색의 밴드 갭과 같은 수준으로 증가하여 RGB의 발광 효율이 비슷한 수준으로 향상되고, 궁극적으로 백색광 발란스를 맞출 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 풀 컬러 유기 EL 소자 구성에 있어서, RGB 발광층 각각에 적층되는 전자 수송층의 두께를 다르게 형성하는 등 각 유기 발광층의 밴드 갭을 조절하여 전자 수송 능력비를 조절함으로써 외부 휘도비를 맞추어 궁극적으로 백색광 발란스를 맞출 수 있었다.

한편 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 이러한 수정 및 변형 등에 의한 기술사상은 다음의 특허청구범위에 속하는 기술사상으로 보아야 한다.

Claims (10)

1. 적색 (R), 녹색 (G) 및 청색 (B)에 해당하는 컬러별로 복수개의 셀들이 구분되고, 각 컬러에 해당하는 유기 발광층의 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께 중 적색 유기 발광층 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께가 녹색 및 청색 유기 발광층의 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 풀 컬러 유기 전기발광 (full color organic electroluminescence) 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 적색, 녹색 및 청색에 해당하는 유기 발광층 상부에 형성되는 전자 수송층의 두께비는 2∼3 : 3.5∼4.5 : 2.5∼3.5 인 것을 특징으로 하는 풀 컬러 유기 전기발광 소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 적색에 해당하는 유기 발광층 상부에 형성되는 전자 수송층은 200∼300 Å 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 풀 컬러 유기 전기발광 소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 구조에 더하여, 적색에 해당하는 유기 발광층의 면적을 녹색 및 청색에 해당하는 유기 발광층의 면적보다 크게 형성하는 것을 특징으로 하는 풀 컬러 유기 전기발광 소자.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 적색 : 녹색 : 청색의 발광 면적비는 1.2∼2.2 : 1 : 1 인 것을 특징으로 하는 풀 컬러 유기 전기발광 소자.
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