KR101180315B1 - 유기발광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

유기발광소자 및 이의 제조방법 Download PDF

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이준엽
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단국대학교 산학협력단
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Abstract

일 실시예에 따르는 유기발광소자는 전자이동도가 정공이동도보다 큰 호스트 물질 및 상기 호스트 물질 내에 도핑되며 2.2 eV 이상의 삼중항 에너지를 가지는 도펀트 물질을 포함하는 발광층, 및 상기 발광층의 일면과 접하며 상기 호스트 물질과의 최고점유분자궤도함수(HOMO)의 에너지 준위차가 0.4 eV 미만인 정공제공층을 포함한다. 상기 발광층은 상기 도펀트 물질의 농도가 5% 이하에서 최적의 인광 특성을 가지며, 상기 정공제공층의 삼중항 에너지는 상기 발광층의 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 크다.

Description

유기발광소자 및 이의 제조방법{Organic light emitting device and method of manufacturing the same}
본 출원은 유기발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 도펀트 농도를 갖는 발광층에서의 발광 효율이 개선되는 유기발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
유기발광소자(Organic Light Emitting Device: OLED)는 유기물을 전기적으로 여기하여 발광시키는 디스플레이소자로서 저전력 구동, 자체 발광, 넓은 시야각, 높은 해상도와 천연색 실현, 빠른 응답속도 등의 장점을 갖고있다. 이러한 유기발광소자는 휴대폰, 카메라, 시계, 사무용기기, 자동차 등의 정보 표시 수단으로 널리 활용되면서 관련 부품소재 시장도 급성장하고 있다.
유기발광소자는 기판 상의 양극 및 음극 전극, 상기 양극 및 음극 전극 사이에 배치되는 유기물을 포함하는 발광층을 구비한다. 상기 발광층의 상기 유기물은 단일재료보다 호스트-도펀트(host-dopant) 혼합 재료가 사용될 수 있다. 상술한 구조에서는 캐리어들이 전극에서 발광층으로 직접 주입되지 않고 캐리어 수송층을 통과하여 단계적으로 전송되기 때문에 구동 전압이 낮아질 수 있다.
유기발광소자는 빛의 방출 방식에 따라 형광 유기발광소자와 인광 유기발광소자로 구분될 수 있다. 상기 인광 유기발광 소자는 일 예로서, 정공수송층(hole transport layer: HTL), 발광층(emissive layer:EML), 전자수송층(electron tansport layer:ETL)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 인광 유기발광 소자에서는 일중항과 삼중항 엑시톤 모두로부터 빛을 낼 수 있다. 따라서, 내부 양자효율이 이론적으로 100%에 이르지만, 실제 소자에서는 캐리어의 주입 손실과, 비 발광성 엑시톤의 형성, 삼중항-삼중항 소멸(triplet-triplet annihilation) 등으로 인해 발광 효율이 감소된다. 또한 인광 소자의 발광층에서 형성된 삼중항 엑시톤은 상대적으로 긴 수명을 가져 발광층 영역을 지나 다른 영역으로 확산할 수 있다. 삼중항 엑시톤의 확산은 발광층 영역 바깥에서 에너지 전이를 일으키거나 비발광성 소멸을 가져와 발광 효율과 색 순도가 저하될 수 있다. 따라서 고효율 인광 소자를 제작하기 위해서 일 예로서, 발광층의 구성(재료, 두께, 도핑 농도 등)을 최적화하고, 상기 발광층과 상기 전자수송층 사이에 엑시톤 차단층을 별도로 설치하여 삼중항 엑시톤의 확산 손실을 방지하는 방법이 제안되고 있다.
유기발광소자는 전극으로부터 발광층에 이르기까지 다층 박막을 통과하여 전자와 정공의 주입과 이동이 이루어지며, 발광층에서 엑시톤의 형성과 에너지 방출이 이루어져 발광 물질의 여기 에너지에 해당하는 고유의 빛을 발산한다. 발광색은 호스트-도펀트 조합에 의해 결정되는데, 일반적으로 호스트는 높은 에너지 갭을 가지며 호스트에서 형성된 엑시톤은 보다 낮은 에너지 상태인 삼중항 상태의 도펀트준위로 에너지 전이를 발생시킨다. 상기 도펀트의 에너지 레벨로 전이된 삼중항 엑시톤은 특정 파장을 가지는 인광을 발생시킬 수 있다. 일 예로서, 녹색 또는 청색 인광 유기발광소자는 상술한 바와 같이 호스트-도펀트 혼합 재료의 발광층을 사용한다. 녹색 또는 청색 인광 유기발광소자는 상기 도펀트의 농도가 5% 이상의 높은 농도에서 발광 특성이 최적화되는 것으로 보고되고 있다.
본 출원이 이루고자 하는 기술적 과제는 호스트-도펀트 혼합 재료의 발광층을 사용하는 유기발광소자에서, 도펀트의 농도가 5% 이하에서 최적의 발광특성을 가지는 유기발광소자를 제공하는 것이다.
본 출원이 이루고자 하는 기술적 과제는 도펀트의 농도가 5% 이하에서 최적의 발광특성을 가지는 호스트-도펀트 혼합재료의 발광층을 사용하는 유기발광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 일 측면에 따른 유기발광소자가 개시된다. 상기 유기발광소자는 전자이동도가 정공이동도보다 큰 호스트 물질 및 상기 호스트 물질 내에 도핑되며 2.2 eV 이상의 삼중항 에너지를 가지는 도펀트 물질을 포함하는 발광층, 및 상기 발광층의 일면과 접하며 상기 호스트 물질과의 최고점유분자궤도함수(HOMO)의 에너지 준위차가 0.4 eV 미만인 정공제공층을 포함한다. 상기 발광층은 상기 도펀트 물질의 농도가 5% 이하에서 최적의 인광 특성을 가지며, 상기 정공제공층의 삼중항 에너지는 상기 발광층의 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 크다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 다른 측면에 따른 유기발광소자가 개시된다. 상기 유기발광소자는 정공이동도가 전자이동도보다 큰 호스트 물질 및 상기 호스트 물질 내에 도핑되며 2.2 eV 이상의 삼중항 에너지를 가지는 도펀트 물질을 포함하는 발광층, 및 상기 발광층의 일면과 접하며 상기 호스트 물질과의 최저미점유분자궤도함수(LUMO)의 에너지 준위차가 0.3 eV 미만인 전자제공층을 포함한다. 상기 발광층은 상기 도펀트 물질의 농도가 5% 이하에서 최적의 인광 특성을 가지며, 상기 전자제공층의 삼중항 에너지는 상기 발광층의 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 크다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 또다른 측면에 따른 유기발광소자의 제조 방법이 개시된다. 상기 유기발광소자의 제조 방법에 있어서, 먼저, 도펀트 물질의 농도가 5% 이하에서 최적의 인광 특성을 가지며 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지가 2.2 eV 이상인 발광층을 준비한다. 상기 발광층의 호스트 물질의 전자이동도 및 정공이동도를 비교한다. 상기 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도와 같거나 큰 경우, 상기 호스트 물질과의 최고점유분자궤도함수(HOMO)의 에너지 준위차가 0.4eV 미만인 정공제공층을 선택한다. 상기 선택된 정공제공층을 상기 발광층의 일면과 접하여 형성한다. 상기 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도와 작은 경우, 상기 호스트 물질과의 최저미점유분자궤도함수(LUMO)의 에너지 준위차가 0.3eV 미만인 전자제공층을 선택한다. 상기 선택된 전자제공층을 상기 발광층의 일면과 접하여 형성하는 과정을 포함한다. 상기 정공제공층 또는 상기 전자제공층의 삼중항 에너지는 상기 발광층의 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 크도록 형성한다.
본 출원의 일 실시 예에 의하면, 호스트-도펀트 혼합 재료의 발광층을 사용하는 유기발광소자에서, 종래보다 낮은 도펀트 농도를 사용하여 종래보다 높은 양자효율을 구현할 수 있다.
본 출원의 일 실시 예에 의하면, 종래보다 호스트에 도핑되는 도펀트의 양을 절약하여 녹색 또는 청색의 인광을 발생시키는 유기발광소자를 구현할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 구조를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 발광층의 인광 특성을 도시하는 그래프이다.
도 3은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 에너지 다이어그램을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 발광층이 BSFM:Ir(ppy)3 인 경우의 전기적 특성을 평가한 그래프이다.
도 5는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 발광층이 mCPPO1:FIrpic 인 경우의 전기적 특성을 평가한 그래프이다.
도 6은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 발광층이 TPBI:Ir(ppy)3 인 경우의 전기적 특성을 평가한 그래프이다.
도 7은 본 출원의 다른 실시 예에 따르는 발광층의 인광 특성을 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 에너지 다이어그램을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 발광층이 mCP:FIrpic 인 경우의 전기적 특성을 평가한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. “제1 ” 또는 “제2 ” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수도 있다.
또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다” 또는 “가지다”등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또, 방법 또는 제조 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 구조를 개략적으로 나타내는 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유기발광소자(100)는 양극(110)과 음극(120) 사이에 발광층(EML)(130), 정공주입층(HIL)(140), 정공수송층(HTL)(150), 전자수송층(ETL)(160) 및 전자주입층(EIL)(170)을 포함할 수 있다. 유기발광소자(100)는 인광 유기발광소자일 수 있으며, 발광층(130)은 호스트 물질에 형광 또는 인광의 도펀트를 도핑된 재료로 이루어질 수 있다. 몇몇 실시 예에서는 전자주입층(140) 및 정공주입층(170)이 생략될 수 있다. 도 1의 유기발광소자의 구조에 순방향 바이어스(bias)를 인가하면 양극(110)에서 정공(115)은 최고점유분자궤도함수(Highest Occupied Molecular Orbital, 이하 HOMO)준위(102)를 따라 이동하고, 음극(180)에서 전자(125)는 최저미점유분자궤도함수(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, 이하 LUMO)준위(104)를 따라 이동한다. 이동한 정공(115)와 전자(125)는 발광층(130)에서 결합되어 엑시톤(190)을 형성한다. 발광층(130)에서 형성되는 엑시톤(190)은 최소 에너지를 가지는 인광 도펀트의 삼중항 에너지 상태로 빠른 전이를 일으킬 수 있으며, 이에 따라 인광 도펀트의 삼중항 에너지에 해당하는 빛이 방출될 수 있다. 발광층(130)의 호스트 물질은 높은 밴드갭 에너지 즉, 큰 LUMO-HOMO 준위간 에너지차이를 가지며, 상기 호스트 물질에서 형성된 엑시톤(190)은 보다 낮은 에너지를 가지는 상기 도펀트의 삼중항 에너지 준위로 전이할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유기발광소자는 양극(110) 및 음극(180) 사이에 유기막으로 형성되는 다층박막을 구비할 수 있다. 이는 전자 또는 정공의 캐리어들이 양극 또는 음극에서 발광층(130)으로 직접 주입되지 않고, 전자 또는 정공의 주입층(140,170), 전자 또는 정공의 전송층(150, 160) 등을 거쳐 발광층(130)으로 주입됨으로써 유기발광소자(100)의 구동전압을 낮출 수 있게 된다. 본 명세서에서는 정공주입층(140), 정공수송층(150) 등과 같이, 정공을 발광층(150)에 제공하는 기능을 수행하는 층을 통칭하여 정공제공층이라 정의한다. 또, 전자수송층(160), 전자주입층(170) 등과 같이, 전자를 발광층(130)에 제공하는 기능을 수행하는 층을 통칭하여 전자제공층이라 정의한다.
몇몇 실시 예들에 의하면, 도시되지는 않았지만, 발광층(130)과 전자수송층(160) 사이에 정공 및 엑시톤 차단층을 추가적으로 형성할 수 있다. 즉, 상기 정공 및 엑시톤 차단층은 양극(110)으로부터 이동한 정공이 발광층(130)을 벗어나는 것을 차단하거나, 발광층(130)에서 형성된 엑시톤이 음극(180) 방향으로 확산하는 것을 저지하여 발광효율을 증가시키는 기능을 수행한다. 다른 몇몇 실시 예에 있어서, 발광층(130)과 정공수송층(150) 사이에는 전자 차단층을 추가로 형성할 수 있다. 즉, 상기 전자 차단층은 음극(180)으로부터 이동한 전자가 발광층(130)을 벗어나는 것을 차단하는 기능을 수행한다. 또다른 몇몇 실시 예에 있어서는, 정공수송층(150)이 상기 전자차단층의 기능을 아울러 수행하거나, 전자수송층(160)이 상기 정공 및 엑시톤 차단층의 기능을 함께 수행할 수 있다.
본 출원의 발명자는 상기 호스트 물질에 도핑되는 상기 도펀트 물질의 농도가 5% 이하에서 최적의 인광 특성을 나타내는 발광층을 적용하여 제조하는 유기발광소자를 제공한다. 본 출원의 발명자는 5% 이하의 상기 도펀트 물질 농도를 가지는 발광층을 이용하여 녹색 또는 청색의 인광을 발생시키는 유기발광소자를 제공한다. 이를 구현하는 상기 유기발광소자의 실시예는 후술하는 바와 같다.
본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자에 있어서, 발광층(130)은 전자이동도가 정공이동도보다 큰 호스트 물질을 구비하고 상기 호스트 물질 내에 인광 발광을 위한 도펀트 물질을 포함한다. 상기 도펀트 물질의 LUMO 에너지 준위는 상기 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위와 같거나 크며, 상기 도펀트 물질의 HOMO 에너지 준위는 상기 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위와 같거나 작을 수 있다. 상기 도펀트 물질은 2.2 eV 이상의 삼중항 에너지를 가짐으로써, 상기 2.2 eV 이상의 에너지 대역에 해당되는 녹색 또는 청색의 인광을 발생시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 발광층(130)의 상기 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도보다 클 때, 상기 유기발광소자는 발광층(130)의 일면과 접하는 정공제공층(150)으로서, 상기 호스트 물질과의 HOMO 에너지 준위차가 0.4 eV 미만인 물질을 적용할 수 있다. 발광층(130)의 상기 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도보다 클 경우, 발광층(130)에서의 발광효율은 정공제공층(150)으로부터 발광층(130)으로 주입되는 정공의 양에 의해 결정될 수 있다. 상기 정공은 정공제공층(150)의 HOMO 에너지 준위으로부터 상기 도펀트 물질의 HOMO 에너지 준위로 직접 주입될 수도 있다. 하지만, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 상기 도펀트 물질의 농도는 5% 이하이므로, 직접 주입되는 상기 정공의 양은 상기 전자와 결합하여 발광을 위한 엑시톤(190)을 형성하기에는 부족하다. 본 출원의 발명자는 정공제공층(150)의 HOMO 에너지 준위와 상기 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위의 차이가 0.4 eV 미만일 경우에, 정공제공층(150)의 HOMO 에너지 준위로부터 발광층(130)의 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위로 상기 정공이 충분히 유입된다는 사실을 알아내었다. 즉, 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위로 충분한 양으로 제공된 상기 정공은 상기 전자와 결합하여 상기 엑시톤(190)을 충분히 형성하고, 상기 호스트 물질에서 형성된 엑시톤(190)은 상기 인광의 도펀트 물질의 삼중항 에너지 준위로 전이할 수 있게 된다. 이로서, 발광층(130)의 인광 효율이 상기 도펀트 물질의 농도 5% 이내에서 최고 특성을 갖게 된다. 이때, 정공제공층(150)의 삼중항 에너지는 발광층(130)의 상기 인광의 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 크다. 이는 정공제공층(150)의 삼중항 에너지가 발광층(130)의 상기 인광의 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 작을 경우, 상기 인광의 도펀트 물질의 삼중항 에너지 준위로 전이한 엑시톤(190)이 보다 에너지가 낮은 정공제공층(150)으로 전이하는 현상이 발생하기 때문이다. 엑시톤(190)이 정공제공층(150)으로 전이하는 경우, 발광층(130)에서의 인광 발광 효율이 감소할 수 있다.
본 출원의 다른 실시 예에 따르는 유기발광소자에 있어서, 발광층(130)은 정공이동도가 전자이동도보다 큰 호스트 물질을 구비하고 상기 호스트 물질 내에 인광 발광을 위한 도펀트 물질을 구비한다. 상기 도펀트 물질의 LUMO 에너지 준위는 상기 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위와 같거나 크며, 상기 도펀트 물질의 HOMO 에너지 준위는 상기 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위와 같거나 작을 수 있다. 상기 도펀트 물질은 2.2 eV 이상의 삼중항 에너지를 가짐으로써, 상기 2.2 eV 이상의 에너지 대역에 해당되는 녹색 또는 청색의 인광을 발생시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 발광층(130)의 상기 호스트 물질의 정공이동도가 전자이동도보다 클 때, 상기 유기발광소자는 발광층(130)의 일면과 접하는 전자제공층(160)으로서, 상기 호스트 물질과의 LUMO 에너지 준위차가 0.3 eV 미만인 물질을 적용할 수 있다. 발광층(130)의 상기 호스트 물질의 정공이동도가 전자이동도보다 클 경우, 발광층(130)에서의 발광효율은 전자제공층(160)으로부터 발광층(130)으로 주입되는 전자의 양에 의해 결정될 수 있다. 상기 전자은 전자제공층(160)의 LUMO 에너지 준위으로부터 상기 도펀트 물질의 LUMO 에너지 준위로 직접 주입될 수도 있다. 하지만, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 상기 도펀트 물질의 농도는 5% 이하이므로, 직접 주입되는 상기 전자의 양은 상기 정공과 결합하여 발광을 위한 엑시톤(190)을 형성하기에는 부족하다. 본 출원의 발명자는 전자제공층(160)의 LUMO 에너지 준위와 상기 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위의 차이가 0.3 eV 미만일 경우에, 전자제공층(160)의 LUMO 에너지 준위로부터 발광층(130)의 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위로 상기 전자가 충분히 유입된다는 사실을 알아내었다. 즉, 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위로 충분한 양으로 제공된 상기 전자는 상기 정공과 결합하여 상기 엑시톤(190)을 충분히 형성하고, 상기 호스트 물질에서 형성된 엑시톤(190)은 상기 인광의 도펀트 물질의 삼중항 에너지 준위로 전이할 수 있게 된다. 이로서, 발광층(130)의 인광 효율이 상기 도펀트 물질의 농도 5% 이내에서 최고 특성을 갖게 된다. 이때, 전자제공층(160)의 삼중항 에너지는 발광층(130)의 상기 인광의 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 크다. 이는 전자제공층(160)의 삼중항 에너지가 발광층(130)의 상기 인광의 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 작을 경우, 상기 인광의 도펀트 물질의 삼중항 에너지 준위로 전이한 엑시톤(190)이 보다 에너지가 낮은 전자제공층(160)으로 전이하는 현상이 발생하기 때문이다. 엑시톤(190)이 전자제공층(160)으로 전이하는 경우, 발광층(130)에서의 인광 발광 효율이 감소할 수 있다.
본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자에 의하면, 호스트 물질 및 도펀트 물질의 혼합 재료를 포함하는 발광층을 사용하는 유기발광소자에서, 종래보다 낮은 5% 이하의 도펀트 농도를 사용하여 최적의 발광 효율을 구현할 수 있다. 이는 호스트 물질의 전자이동도 및 정공이동도의 크기를 비교하여, 이에 상응하는 전자제공층 또는 정공제공층을 제공함으로써 간편하게 달성할 수 있다. 따라서, 종래보다 호스트에 도핑되는 도펀트의 양을 절약하여 녹색 또는 청색의 인광을 발생시키는 유기발광소자를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
이하에서는 본 출원의 사상을 구체적인 실시예를 통하여 설명하기로 한다. 다만, 본 출원의 사상은 후술하는 실시예에 한정되지 않고, 실시예는 본 출원의 사상을 이해하는데 도움이 되도록 기술하는 데 목적이 있다.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 발광층의 인광 특성을 도시하는 그래프이다. 구체적으로, (bis(9-9’-spirobifluoren-2-yl)methanone) (이하, BSFM)을 호스트 물질로 적용하고, 이리듐 기반의 (fac tris(2-phenylpyridine) irdium (이하, Ir(ppy)3 )을 인광 도펀트 물질로 적용한 유기층을 준비한다. 그리고, 상기 유기층 자체로부터 방출되는 인광 강도를 파장별로 측정하여 도 2에 도시하여 나타내었다. 도시된 바와 같이, Ir(ppy)3 의 농도가 3% 일때, 약 520 nm 파장 부근의 인광 강도 피크가 가장 높으며, Ir(ppy)3 의 농도가 5% 및 10% 로 증가할수록, 약 520 nm 파장 부근의 인광 강도가 낮아짐을 관찰할 수 있다. 즉, BSFM을 호스트 물질로 하며 Ir(ppy)3 을 도펀트 물질로 채택하는 상기 유기층은 약 520 nm의 파장대역에서 녹색 계열의 인광을 발생시킬 수 있으며, 상기 Ir(ppy)3 가 3% 일때 최적의 인광 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 이와 같이, 상기 BSFM을 호스트 물질로 하며 상기 Ir(ppy)3 을 도펀트 물질로 적용하는 상기 유기층을 유기발광소자의 발광층으로 적용할 경우, 도핑농도 5% 이내에서 최적의 녹색 계열의 인광 특성을 보여줄 수 있음을 판단할 수 있다. 실제로, 도펀트 물질로 적용되는 상기 Ir(ppy)3 의 삼중항 에너지는 2.4 eV 이며 상기 삼중항 에너지로부터 계산되는 파장은 약 516 nm 이므로, 도 2의 인광 강도 피크와 실질적으로 일치하는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 유기층의 인광 발광은 도펀트 물질인 상기 Ir(ppy)3 의 삼중항 엑시톤으로부터 주요하게 발생됨을 알 수 있다.
도 3은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 에너지 다이어그램을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 발광층(330)은 BSFM을 호스트 물질(331)로 적용하고, 이리듐 기반의 Ir(ppy)3을 인광 도펀트 물질(333)로 적용한다. 호스트 물질(331)의 LUMO 및 HOMO 에너지 준위는 각각 2.8 eV, 5.9 eV 이며, 인광 도펀트 물질(333)의 LUMO 및 HOMO 에너지 준위는 각각 2.8 eV, 5.2 eV이다. BSFM은 전자이동도가 정공이동도보다 크다. 발광층(330)의 일면과 접하는 정공제공층(350)으로는 HOMO 에너지 준위가 호스트 물질(331)의 HOMO 에너지 준위와의 에너지 차이가 0.4 eV 미만인 물질이 선택된다. 정공제공층(350)은 일 예로서, 4,4',4"-tris(N-carbazolyl)triphenylamine (이하, TCTA), 4,4'-N,N'-dicarbazole-biphenyl (이하, CBP) 을 포함할 수 있다. 상기 TCTA는 HOMO 에너지 준위가 5.7 eV이며, 상기 CBP는 HOMO 에너지 준위가 5.9 eV 이므로, 호스트 물질(331)의 HOMO 에너지 준위와의 차이는 각각 0.2 eV 및 0 eV 이다. 전자제공층(360)은 diphenylphosphine oxide-4-(triphenylsilyl)phenyl (이하, TSPO1) 를 포함할 수 있다. 전자제공층(360)인 TSP01의 LUMO 에너지 준위는 2.52 eV이며, 호스트 물질(331)의 LUMO 에너지 준위와의 장벽은 0 eV 이다. 다만, 발명자는 호스트 물질(331)의 전자이동도가 정공이동도보다 크므로, TSP01의 LUMO 에너지 준위로부터 호스트 물질(331)의 LUMO 에너지 준위로의 전자의 유입장벽이 발광효율에 미치는 영향이 정공제공층에서의 경우에 비하여 상대적으로 덜할 것으로 판단한다.
몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 상기 전자제공층의 LUMO 에너지 준위와 호스트 물질(331)의 LUMO 에너지 준위의 차이가 0.3 eV 미만인 전자제공층을 적용할 수 있다. 발명자는 이 경우에, 후술하는 바와 같이, 상기 전자제공층으로부터 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위로의 유입장벽을 낮추어 충분한 양의 전자가 발광층(330)으로 유입될 수 있다고 판단한다.
상기 유기발광소자의 발광특성을 평가하기 위한 소자를 제작하였다. 소자의 구조는 ITO/[N,N'-diphen]yl-N,N'-bis-[4-(phenyl-m-tolyl-amino)-phenyl]-biphenyl-4,4'-diamine (이하, DNTPD)(60nm)/N,N'-diphenyl-N,N'-di(1-napthl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine (이하, NPD)(20nm)/정공제공층(5nm)/BSFM:Ir(ppy)3(30nm)/TSPO1(20nm)/LiF/Al로 구성하였다. 양극으로는 ITO를 채택하였으며, DNTPD 및 NPD 를 정공 주입층 또는 정공 수송층으로 준비하였다. Ir(ppy)3 를 도핑한 BSFM 을 발광층으로 30nm 두께로 형성하고, 상기 발광층과 접하는 정공제공층을 5nm 두께로 별도로 형성하였다. 본 명세서에서 BSFM:Ir(ppy)3 와 같이 A:B 로 표기되는 경우, 좌측에 있는 A가 발광층의 호스트 물질이며, 우측에 있는 B가 발광층의 도펀트 물질임을 나타낸다. 전자제공층으로서 TSPO1을 20 nm 두께로 형성하였다. 음극으로는 LiF/Al 층을 형성하였다. 본 실시예에서는 정공제공층이, TCTA를 포함하는 경우와 CBP를 포함하는 경우를 별도로 소자 제작하였다. 그리고 비교예로서, 1-Bis-(4-bis(4-methyl-phenyl)-amino-phenyl)-cyclohexane (이하, TAPC)를 정공제공층으로 적용하는 소자를 별도로 제작하였다. 상기 TAPC는 5 nm 두께로 제조되었으며, 5.5 eV의 HOMO 에너지 준위를 가짐으로서, 상기 호스트 물질(331)의 HOMO 에너지 준위와의 차이는 각각 0.4 eV 이다.
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 발광층이 BSFM:Ir(ppy)3 인 경우의 전기적 특성을 평가한 그래프이다. 구체적으로, 도 4는 휘도(luminance) 대비 양자 효율을 도시하였으며, 정공제공층의 종류 및 발광층 내의 도펀트 물질의 농도에 따른 양자 효율을 서로 대비하여 나타내었다. 도면에서, 일예로서, TAPC 3% 로 표기되는 것은 TAPC를 정공제공층으로 적용하고, 상기 BSFM 내에 Ir(ppy)3이 3% 도핑되는 경우를 표기한 것이며, 마찬가지로, 다른 예로서, CBP 10%로 표기되는 것은 CBP를 정공제공층으로 적용하고, 상기 BSFM 내에 Ir(ppy)3이 3% 도핑되는 경우를 표기한 것이다. 마찬가지로, TCTA를 정공제공층으로 적용한 경우도 같은 방식의 표기법이 적용된다.
먼저, 비교예로서 상기 TAPC를 정공제공층으로 적용하는 경우, 상기 BSFM 내에 Ir(ppy)3이 10% 도핑되는 경우가 가장 양자효율이 크게 나타났으며, 5% 및 3% 순으로 양자효율이 크게 나타났다. 일 실시 예로서, 상기 CBP 및 TCTA를 정공제공층으로 적용하는 경우, Ir(ppy)3이 3% 도핑되는 경우가 가장 양자효율이 크게 나타났다. 발명자는 상술한 결과로부터, 정공제공층의 HOMO 에너지 준위와 호스트 물질(331)의 HOMO 에너지 준위의 차이가 0.4 eV 미만의 경우, 상기 정공제공층으로부터 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위로 충분한 양의 정공이 유입될 수 있다고 판단한다. 상기 충분히 유입된 정공은 TSPO1으로부터 제공되는 전자와 결합하여 인광 발광에 참여하는 엑시톤을 충분하게 생성할 수 있는 것으로 판단한다. 명확하게 입증되지는 않을 수 있지만, 발명자는 TAPC를 정공제공층으로 적용하는 경우, Ir(ppy)3의 도핑농도가 증가할수록 양자효율이 증가하는 것은 다음의 이유인 것으로 판단한다. 즉, 상기 정공제공층으로부터 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위로의 에너지 장벽이 높아 상기 에너지 장벽을 넘어 유입되는 정공이 불충분한 반면에, 상기 도펀트인 Ir(ppy)3 의 HOMO 에너지 준위로 직접 유입되는 정공이 Ir(ppy)3의 도핑농도가 증가할수록 함께 증가하기 때문인 것으로 판단한다.
다른 실시 예에 따르면, 호스트 물질에 대한 도펀트 물질의 도핑 농도가 5% 이내에서 최적의 인광특성을 보이며, 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도보다 큰 유기층은 9-(3-(9H-carbazole-9-yl)phenyl)-3-(dibromophenylphosphoryl)-9H-carbazole) (이하, mCPPO1):(iridum-bis(4,6-difluorophenylpyridinato-N,C2)-picolinate (이하, FIrpic)일 수 있다. 발광층의 호스트 물질로서의 적용되는 상기 mCPPO1는 약 2.64 eV의 LUMO 에너지 준위와 약 6.13 eV의 HOMO 에너지 준위를 가진다. 상기 발광층의 도펀트 물질로 적용되는 상기 FIrpic는 약 3.05 eV의 LUMO 에너지 준위와 약 5.7 eV의 HOMO 에너지 준위를 가진다. 상기 FIrpic는 약 2.65 eV의 삼중항 에너지를 가진다. 상기 mCPPO1 : FIrpic를 상기 발광층으로 적용하는 경우, 정공제공층으로서는 tris((3,5-difluoro-4-cyanophenyl)pyridine)iridium (FCNIr)-doped 3,5-bis (N-carbazolyl) benzene (이하, mCP) 또는 CBP를 적용할 수 있다. 상기 mCP는 HOMO 에너지 준위가 6.1 eV이며, 상기 호스트 물질인 mCPPO1의 HOMO 에너지 준위와의 차이가 약 0.03 eV에 불과하다. 상기 CBP는 HOMO 에너지 준위가 5.9 eV이며, 상기 호스트 물질인 mCPPO1의 HOMO 에너지 준위와의 차이가 약 0.23 eV 이다. 전자제공층으로서는 TSPO1이 적용될 수 있다. 도 5는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 발광층이 mCPPO1:FIrpic 인 경우의 전기적 특성을 평가한 그래프이다. 도 5를 참조하면, mCPPO1:FIrpic 발광층의 정공제공층으로서 mCP를 적용할 때, mCPPO1:FIrpic 발광층의 FIrpic 도핑농도가 3%일 때, 양자효율이 상대적으로 가장 우수한 것을 관찰할 수 있다. 이와 같이 mCPPO1:FIrpic 발광층의 호스트 물질인 mCPPO1의 전자이동도가 정공이동도보다 큰 경우에, mCPPO1의 HOMO 에너지 준위와의 에너지 차이가 0.4 eV 미만의 HOMO 에너지 준위를 가지는 정공제공층인 mCP 또는 CBP를 상기 발광층에 접하여 형성함으로써, 5% 이하의 도핑농도에서 최적의 양자효율을 가지는 유기발광소자를 제공할 수 있다.
또 다른 실시 예에 의하면, 호스트 물질에 대한 도펀트 물질의 도핑 농도가 5% 이내에서 최적의 인광특성을 보이며, 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도보다 큰 유기층은 [2,2',2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)](이하, TPBI):Ir(ppy)3 일 수 있다. 발광층의 호스트 물질로서의 적용되는 상기 TPBI는 약 2.8 eV의 LUMO 에너지 준위와 약 6.1 eV의 HOMO 에너지 준위를 가진다. 상기 발광층의 도펀트 물질로 적용되는 상기 Ir(ppy)3는 약 2.8 eV의 LUMO 에너지 준위와 약 5.2 eV의 HOMO 에너지 준위를 가진다. 상기 Ir(ppy)3는 약 2.4 eV의 삼중항 에너지를 가진다. 상기 TPBI:Ir(ppy)3 를 상기 발광층으로 적용하는 경우, 정공제공층으로서는 mCP 또는 CBP를 적용할 수 있다. 상기 mCP는 HOMO 에너지 준위가 6.1 eV이며, 상기 호스트 물질인 TPBI의 HOMO 에너지 준위와의 차이가 약 0 eV이다. 상기 CBP는 HOMO 에너지 준위가 5.9 eV이며, 상기 호스트 물질인 mCPPO1의 HOMO 에너지 준위와의 차이가 약 0.2 eV 이다. 전자제공층으로서는 TSPO1이 적용될 수 있다. 도 6은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 발광층이 TPBI:Ir(ppy)3 인 경우의 전기적 특성을 평가한 그래프이다. 도 6를 참조하면,TPBI:Ir(ppy)3 발광층의 정공제공층으로서 mCP를 적용할 때, TPBI:Ir(ppy)3 발광층의 Ir(ppy)3 도핑농도가 3%일 때, 양자효율이 상대적으로 우수한 것을 관찰할 수 있다. 이와 같이 TPBI:Ir(ppy)3 발광층의 호스트 물질인 TPBI의 전자이동도가 정공이동도보다 큰 경우에, TPBI의 HOMO 에너지 준위와의 에너지 차이가 0.4 eV 미만의 HOMO 에너지 준위를 가지는 정공제공층인 mCP 또는 CBP를 상기 발광층에 접하여 형성함으로써, 5% 이하의 도핑농도에서 최적의 양자효율을 가지는 유기발광소자를 제공할 수 있다.
도 7은 본 출원의 다른 실시 예에 따르는 발광층의 인광 특성을 도시하는 그래프이다. 구체적으로, mCP를 호스트 물질로 적용하고, 이리듐 기반의 FIrpic를 인광 도펀트 물질로 적용한 유기층을 준비한다. 그리고, 상기 유기층 자체로부터 방출되는 인광 강도를 파장별로 측정하여 도 7에 도시하여 나타내었다. 도시된 바와 같이, FIrpic의 농도가 3% 일때, 약 470 nm 파장 부근의 인광 강도 피크가 가장 높으며, FIrpic의 농도가 5% 및 10% 로 증가할수록, 약 470 nm 파장 부근의 인광 강도가 낮아짐을 관찰할 수 있다. 즉, mCP를 호스트 물질로 하며 FIrpic를 도펀트 물질로 채택하는 상기 유기층은 약 470 nm의 파장대역에서 청색 계열의 인광을 발생시킬 수 있으며, 상기 FIrpic가 3% 일때 최적의 인광 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 이와 같이, 상기 mCP를 호스트 물질로 하며 상기 FIrpic를 도펀트 물질로 적용하는 상기 유기층을 유기발광소자의 발광층으로 적용할 경우, 도핑농도 5% 이내에서 최적의 청색 계열의 인광 특성을 보여줄 수 있음을 판단할 수 있다. 실제로, 도펀트 물질로 적용되는 상기 FIrpic의 삼중항 에너지는 2.65 eV 이며 상기 삼중항 에너지로부터 계산되는 파장은 약 467 nm 이므로, 도 7의 인광 강도 피크와 실질적으로 일치하는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 유기층의 인광 발광은 도펀트 물질인 상기 FIrpic의 삼중항 엑시톤으로부터 주요하게 발생됨을 알 수 있다.
도 8은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 에너지 다이어그램을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면, 발광층(830)은 mCP를 호스트 물질(831)로 적용하고, 이리듐 기반의 FIrpic를 인광 도펀트 물질(833)로 적용한다. 호스트 물질(831)의 LUMO 및 HOMO 에너지 준위는 각각 2.4 eV, 6.1 eV 이며, 인광 도펀트 물질(833)의 LUMO 및 HOMO 에너지 준위는 각각 3.05 eV, 5.70 eV이다. mCP 는 정공이동도가 전자이동도보다 크다. 발광층(830)의 일면과 접하는 전자제공층(860)로는 LUMO 에너지 준위가 호스트 물질(831)의 LUMO 에너지 준위와의 에너지 차이가 0.3 eV 미만인 물질이 선택된다. 전자제공층(350)은 TSPO1을 포함할 수 있다. 상기 TSPO1은 LUMO 에너지 준위가 2.52 eV이며, 상기 mCP는 LUMO 에너지 준위가 2.4 eV 이므로, 호스트 물질(831)의 LUMO 에너지 준위와의 차이는 각각 0.12 eV 이다. 정공제공층(850)은 일 예로서, mCP, CBP, TCTA 등을 적용할 수 있다. 정공제공층(850)인 mCP, CBP 및 TCTA의 HOMO 에너지 준위는 각각 6.1 eV, 5.9 eV 및 5.7 eV이며, 호스트 물질(831)의 HOMO 에너지 준위와의 장벽 에너지는 0 eV, 0.2 eV, 0.4eV 이다. 다만, 발명자는 호스트 물질(831)의 정공이동도가 전자이동도보다 크므로, 정공제공층(850)의 HOMO 에너지 준위로부터 호스트 물질(831)의 HOMO 에너지 준위로의 정공의 유입 장벽의 크기는 정공제공층에서의 경우에 비하여 발광 효율에 상대적으로 영향을 덜 미칠 것으로 판단한다.
다른 몇몇 실시 예들에 있어서는, 상기 정공제공층의 HOMO 에너지 준위와 호스트 물질(831)의 HOMO 에너지 준위의 차이가 0.4 eV 미만인 정공제공층을 적용할 수 있다. 발명자는 이 경우에, 본 출원의 일 실시예를 통해 상술한 바와 같이, 상기 정공제공층으로부터 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위로의 유입 장벽을 낮추어 충분한 양의 정공이 발광층(830)으로 유입될 수 있다고 판단한다.
상기 유기발광소자의 발광특성을 평가하기 위한 소자를 제작하였다. 소자의 구조는ITO/DTPD(60nm)/NPD(20nm)/TCTA(5nm)/mCP:FIrpic(30nm)/TSPO1(5nm)/LiF/Al로 구성하였다. 양극으로는 ITO를 채택하였으며, DNTPD, NPD 및 TCTA를 정공 주입층, 정공 수송층 등의 정공제공층으로 준비하였다. FIrpic를 도핑한 mCP를 발광층으로 30nm 두께로 형성하고, 상기 발광층과 접하는 전자제공층으로서, TSPO1을 5nm 두께로 별도로 형성하였다. 상기 발광층과 접하는 상기 정공제공층으로서 TCTA를 5nm 두께로 형성하였다. 음극으로는 LiF/Al 층을 형성하였다. 비교예로서, 2-(diphenylphosphoryl)spirofluorene (이하, SPPO1) 및 2,7-bis(diphenylphosphoryl)-9,9'-spirobi[fluorene] (이하, SPPO13)를 정공제공층으로 적용하는 소자를 각각 별도로 제작하였다. 상기 SPPO1은 2.70 eV의 LUMO 에너지 준위를 가지며, 상기 SPPO13는 2.84 eV의 LUMO 에너지 준위를 가짐으로써, 상기 호스트 물질(831)의 LUMO 에너지 준위와의 차이는 각각 0.3 eV, 0.44 eV 이다.
도 9는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 발광층이 mCP:FIrpic 인 경우의 전기적 특성을 평가한 그래프이다. 구체적으로, 도 9는 휘도(luminance) 대비 양자 효율을 도시하였으며, 전자제공층의 종류 및 발광층 내의 도펀트 물질의 농도에 따른 양자 효율을 서로 대비하여 나타내었다. 도면에서, 일예로서, TSPO1 3% 로 표기되는 것은 TSPO1을 전자제공층으로 적용하고, 상기 mCP 내에 FIrpic이 3% 도핑되는 경우를 표기한 것이며, 마찬가지로, 다른 예로서, SPPO13 10%로 표기되는 것은 SPPO13을 전자제공층으로 적용하고, 상기 mCP 내에 FIrpic이 10% 도핑되는 경우를 표기한 것이다. 마찬가지로, SPPO1을 전자제공층으로 적용한 경우도 같은 방식의 표기법이 적용된다.
먼저, 비교예로서 상기 SPPO1 및 상기 SPPO3를 전자제공층으로 적용하는 경우, 상기 mCP 내에 FIrpic이 10% 도핑되는 경우가 가장 양자효율이 크게 나타났으며, 5% 및 3% 순으로 양자효율이 크게 나타났다. 본 출원의 일 실시 예로서, 상기 TSPO1을 전자제공층으로 적용하는 경우, FIrpic이 3% 도핑되는 경우가 가장 양자효율이 크게 나타났다. 발명자는 상술한 결과로부터, 전자제공층의 LUMO 에너지 준위와 호스트 물질(831)의 LUMO 에너지 준위의 차이가 0.3 eV 미만의 경우, 상기 전자제공층으로부터 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위로 충분한 양의 전자가 유입될 수 있다고 판단한다. 상기 충분히 유입된 전자는 상기 정공제공층으로부터 제공되는 정공과 결합하여 인광 발광에 참여하는 엑시톤을 충분하게 생성할 수 있는 것으로 판단한다. 명확하게 입증되지는 않을 수 있지만, 발명자는 상기 SPPO1 및 상기 SPPO3을 전자제공층으로 적용하는 경우, FIrpic의 도핑농도가 증가할수록 양자효율이 증가하는 것은 다음의 이유 때문인 것으로 판단한다. 즉, 상기 전자제공층으로부터 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위로 전자가 전도할 수 에너지 장벽이 높기 대문에, 상기 에너지 장벽을 넘어서 상기 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위로 유입되는 전자의 양이 불충분한 반면, 상기 도펀트인 FIrpic 의 LUMO 에너지 준위로 직접 유입되는 전자가 FIrpic의 도핑농도가 증가할수록 함께 증가하기 때문인 것으로 판단한다.
다른 실시 예에 따르면, 호스트 물질에 대한 도펀트 물질의 도핑 농도가 5% 이내에서 최적의 인광특성을 보이며, 호스트 물질의 정공이동도가 전자이동도보다 큰 유기층은 TCTA:Ir(ppy)3 일 수 있다. 발광층의 호스트 물질로서의 적용되는 상기 TCTA는 약 2.4 eV의 LUMO 에너지 준위와 약 5.7 eV의 HOMO 에너지 준위를 가진다. 상기 발광층의 도펀트 물질로 적용되는 상기 Ir(ppy)3는 약 2.8 eV의 LUMO 에너지 준위와 약 5.2 eV의 HOMO 에너지 준위를 가진다. 상기 Ir(ppy)3는 약 2.4 eV의 삼중항 에너지를 가진다. 상기 TCTA:Ir(ppy)3 를 상기 발광층으로 적용하는 경우, 전자제공층으로서는 TSPO1을 적용할 수 있다. 상기 TSPO1는 LUMO 에너지 준위가 2.52 eV이며, 상기 호스트 물질인 TCTA의 LUMO 에너지 준위와의 차이가 약 0.12 eV에 불과하다. 정공제공층은 일 예로서, mCP, CBP, TCTA 등이 적용될 수 있다. 도 10은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 발광층이 TCTA:Ir(ppy)3 인 경우의 전기적 특성을 평가한 그래프이다. 도 10을 참조하면, TCTA:Ir(ppy)3 발광층의 전자제공층으로서 TSPO1을 적용할 때, 상기 TCTA:Ir(ppy)3 발광층의 Ir(ppy)3 도핑농도가 3%일 때, 양자효율이 상대적으로 가장 우수한 것을 관찰할 수 있다. 이와 같이 TCTA:Ir(ppy)3 발광층의 호스트 물질인 TCTA의 정공이동도가 전자이동도보다 큰 경우에, 상기 TCTA의 LUMO 에너지 준위와의 에너지 차이가 0.3 eV 미만의 LUMO 에너지 준위를 가지는 전자제공층인 TSPO1을 상기 발광층에 접하여 형성함으로써, 5% 이하의 도핑농도에서 최적의 양자효율을 가지는 유기발광소자를 제공할 수 있다.
도 11은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다. 도 11을 참조하면, 먼저, 1110 블록에서, 도펀트 물질의 농도가 5% 이하에서 최적의 인광특성을 가지며 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지가 2.2 eV 이상인 발광층을 준비한다. 상기 발광층의 호스트:도펀트 물질의 조합이 도펀트 농도가 5% 이하에서 상대적으로 최적의 인광특성을 가지는 물질을 선택한다. 일 실시 예로서, 상기 물질의 후보군을 구성하고, 다양한 호스트:도펀트 물질의 조합을 갖는 발광층의 각각에 외부로부터 빛을 인가하여 상기 발광층이 상기 빛을 흡수하도록 한다. 그리고, 상기 발광층이 방출하는 인광의 스펙트럼을 분석함으로써 상기 발광층의 호스트:도펀트 물질의 조합을 테스트할 수 있다. 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지가 2.2 eV 이상인 발광층을 준비함으로써, 녹색 또는 청색의 인광을 방출하는 유기발광소자를 구현하도록 한다.
1120 블록에서, 상기 발광층의 호스트 물질의 전자이동도와 전공이동도를 비교한다. 일 실시 예에 따르면, 상기 발광층의 상기 호스트 물질에 대한 전자 및 전공의 이동도를 전기 실험을 통해 평가하고, 상기 전자이동도가 상기 정공이동도와 같거나 클경우, 1130 블록의 과정을 진행하고, 상기 전자이동도가 상기 정공이동도보다 작은 경우, 1150 블록의 과정을 진행한다.
1130 블록에서, 상기 발광층의 상기 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도와 같거나 큰 경우, 상기 호스트 물질과의 HOMO 에너지 준위차가 0.4 eV 미만인 정공제공층을 선택한다. 일 실시 예에 따르면, 1130 블록의 과정은 상기 발광층의 상기 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위를 알아내는 과정 및 상기 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위와의 에너지 차이가 0.4 eV 미만인 정공제공층을 선택하는 과정을 포함한다. 일 예로서, BSFM:Ir(ppy)3 을 발광층으로 채용하는 경우, 상기 발광층과 접하는 정공제공층으로서, TCTA 또는 CBP를 적용할 수 있다. 다른 예로서, mCPPO1:FIrpic 를 발광층으로 채용하는 경우, 상기 발광층과 접하는 정공제공층으로서, mCP 또는 CBP를 적용할 수 있다. 또 다른 예로서, TPBI:Ir(ppy)3 를 발광층으로 채용하는 경우, 상기 발광층과 접하는 정공제공층으로서, mCP 또는 CBP를 적용할 수 있다.
1140 블록에서, 상기 선택된 정공제공층을 상기 발광층의 일면과 접하여 형성한다. 상기 선택된 정공제공층은 유기물질층으로서, 용액 코팅법 또는 증발법(evaporation) 을 포함하는 다양한 공지의 방법에 의하여 상기 발광층의 일면과 접하도록 형성할 수 있다. 상기 용액 코팅법은 일 예로서, 딥코팅법, 스핀코팅법, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅 또는 롤코팅 일 수 있다. 마찬가지로 상기 발광층도 일 예로서, 상기 용액 코팅법 또는 상기 증발법을 포함하는 다양한 공지의 방법에 의하여 형성할 수 있다. 상기 발광층과 접하는 다른면에는 전자제공층이 일 예로서, 상기 용액 코팅법 또는 상기 증발법을 포함하는 다양한 공지의 방법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 전자제공층은 TSPO1을 적용할 수 있다. 상술한 방법에 의하여, 상기 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도보다 클 경우의 발광층 및 이의 양쪽면에 정공제공층 및 전자제공층을 형성할 수 있다. 그리고, 상기 정공제공층 및 전자제공층에 정공 및 전자를 각각 주입할 수 있는 양극 전극 및 음극 전극을 형성할 수 있다. 이로서, 유기발광소자를 완성할 수 있다.
1120 블록에서, 상기 발광층의 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도보다 작은 경우 1150 블록의 과정이 진행된다. 1150 블록에서 상기 호스트 물질과의 LUMO 에너지 준위차가 0.3 eV 미만인 전자제공층을 선택한다. 일 실시 예에 따르면, 1150 블록의 과정은 상기 발광층의 상기 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위를 알아내는 과정 및 상기 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위와의 에너지 차이가 0.3 eV 미만인 정공제공층을 선택하는 과정을 포함한다. 일 예로서,mCP:FIrpic 을 발광층으로 채용하는 경우, 상기 발광층과 접하는 전자제공층으로서, TSPO1을 적용할 수 있다. 다른 예로서, TCTA:Ir(ppy)3 을 발광층으로 채용하는 경우, 상기 발광층과 접하는 전자제공층으로서, TSPO1을 적용할 수 있다.
1160 블록에서, 상기 선택된 전자제공층을 상기 발광층의 일면과 접하여 형성한다. 상기 선택된 전자제공층은 유기물질층으로서, 용액 코팅법 또는 증발법(evaporation) 을 포함하는 다양한 공지의 방법에 의하여 상기 발광층의 일면과 접하도록 형성할 수 있다. 상기 용액 코팅법은 일 예로서, 딥코팅법, 스핀코팅법, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅 또는 롤코팅 일 수 있다. 마찬가지로 상기 발광층도 상기 용액 코팅법 또는 상기 증발법을 포함하는 다양한 공지의 방법에 의하여 형성할 수 있다. 상기 발광층과 접하는 다른 면에는 정공제공층이 상기 용액 코팅법 또는 상기 증발법을 포함하는 다양한 공지의 방법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 정공제공층은 mCP, CBP, TCTA 등을 적용할 수 있다. 상술한 방법에 의하여, 상기 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도보다 클 경우의 발광층 및 이의 양쪽면에 정공제공층 및 전자제공층을 형성할 수 있다. 그리고, 상기 정공제공층 및 전자제공층에 정공 및 전자를 각각 주입할 수 있는 양극 전극 및 음극 전극을 형성할 수 있다. 이로서, 유기발광소자를 완성할 수 있다.
본 출원의 일 실시 예에 따르는 유기발광소자의 제조 방법에 의하면, 먼저, 발광층으로 적용될 수 있는 호스트:도펀트의 물질 조합을 조사한다. 즉, 도펀트 물질의 농도가 5% 이하에서 최적의 인광 강도 피크를 가질 수 있으며, 녹색 또는 청색의 인광을 방출할 수 있도록 상기 도펀트 물질이 2.2 eV 이상의 삼중항 에너지를 가지는 발광층을 준비한다. 그리고, 상기 발광층의 호스트 물질의 전자이동도 및 정공이동도를 비교하여 각각의 경우에 최적의 정공제공층 및 전자제공층을 제공한다. 이로서, 종래보다 낮은 5% 이하의 도펀트 농도를 사용하여 최적의 발광 효율을 가지는 유기발광소자를 구현할 수 있다. 따라서, 종래보다 호스트에 도핑되는 도펀트의 양을 절약하여 보다 효율적으로 녹색 또는 청색의 인광을 발생시키는 유기발광소자를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 유기발광소자, 102: 최고점유분자궤도함수(HOMO), 104: 최저미점유분자궤도함수(LUMO), 110: 양극, 115: 정공, 120: 음극, 125: 전자, 130: 발광층, 160:전자수송층, 170: 전자주입층, 190: 엑시톤
330: 발광층, 331: 호스트 물질, 333: 인광 도펀트 물질, 350: 정공제공층, 360: 전자제공층,
830: 발광층, 831: 호스트 물질, 833: 인광 도펀트 물질, 850: 정공제공층, 860: 전자제공층.

Claims (19)

  1. 유기발광소자에 있어서,
    전자이동도가 정공이동도보다 큰 호스트 물질 및 상기 호스트 물질 내에 도핑되며 2.2 eV 이상의 삼중항 에너지를 가지는 도펀트 물질을 포함하는 발광층; 및
    상기 발광층의 일면과 접하며 상기 호스트 물질과의 최고점유분자궤도함수(HOMO)의 에너지 준위차가 0.4 eV 미만인 정공제공층을 포함하되,
    상기 발광층은 상기 호스트 물질에 대하여 상기 도펀트 물질의 농도가 5% 이하에서 최적의 인광 특성을 가지며,
    상기 정공제공층의 삼중항 에너지는 상기 발광층의 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 큰
    유기발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발광층의 상기 호스트 물질이 BSFM이며 상기 도펀트 물질이 Ir(ppy)3 일 때, 상기 발광층과 접하는 상기 정공제공층은 CBP 또는 TCTA 으로 이루어지며,
    상기 발광층의 상기 호스트 물질이 mCPPO1이며, 상기 도펀트 물질이 FIrpic 일 때, 상기 발광층과 접하는 상기 정공제공층은 mCP 또는 CBP로 이루어지고,
    상기 발광층의 상기 호스트 물질이 TPBI이며, 상기 도펀트 물질이 Ir(ppy)3 일 때, 상기 발광층과 접하는 상기 정공제공층은 mCP 또는 CBP으로 이루어지는
    유기발광소자.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 발광층의 상기 일면의 반대쪽에 위치하는 다른 면에 접하며, 상기 발광층에 전자를 제공하는 전자제공층을 추가적으로 포함하는 유기발광소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전자제공층은 상기 발광층의 상기 호스트 물질의 LUMO 에너지 준위와의 에너지 준위 차이가 0.3 eV 미만인 유기발광소자.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 전자제공층은 TSPO1으로 이루어지는 유기발광소자.
  6. 유기발광소자에 있어서,
    정공이동도가 전자이동도보다 큰 호스트 물질 및 상기 호스트 물질 내에 도핑되며 2.2 eV 이상의 삼중항 에너지를 가지는 도펀트 물질을 포함하는 발광층; 및
    상기 발광층의 일면과 접하며 상기 호스트 물질과의 최저미점유분자궤도함수(LUMO)의 에너지 준위차가 0.3 eV 미만인 전자제공층을 포함하되,
    상기 발광층은 상기 호스트 물질에 대하여 상기 도펀트 물질의 농도가 5% 이하에서 최적의 인광 특성을 가지며,
    상기 전자제공층의 삼중항 에너지는 상기 발광층의 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 큰
    유기발광소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 발광층의 상기 호스트 물질이 mCP이며 상기 도펀트 물질이 FIrpic 일 때, 상기 발광층과 접하는 상기 전자제공층은 TSPO1 으로 이루어지며,
    상기 발광층의 상기 호스트 물질이 TCTA이며, 상기 도펀트 물질이 Ir(ppy)3 일 때, 상기 발광층과 접하는 상기 전자제공층은 TSPO1 으로 이루어지는
    유기발광소자.
  8. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 발광층의 상기 일면의 반대쪽에 위치하는 다른 면에 접하며, 상기 발광층에 전자를 제공하는 정공제공층을 추가적으로 포함하는 유기발광소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 정공제공층은 상기 발광층의 상기 호스트 물질의 HOMO 에너지 준위와의 에너지 준위 차이가 0.4 eV 미만인 유기발광소자.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 정공제공층은 mCP, CBP 및 TCTA의 그룹에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 유기발광소자.
  11. 유기발광소자의 제조방법에 있어서,
    (a) 호스트 물질에 대하여 도펀트 물질의 농도가 5% 이하에서 최적의 인광 특성을 가지며 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지가 2.2 eV 이상인 발광층을 준비하는 과정;
    (b) 상기 발광층의 호스트 물질의 전자이동도와 정공이동도를 비교하는 과정;
    (c) 상기 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도와 같거나 큰 경우, 상기 호스트 물질과의 최고점유분자궤도함수(HOMO)의 에너지 준위차가 0.4eV 미만인 정공제공층을 선택하는 과정;
    (d) 상기 선택된 정공제공층을 상기 발광층의 일면과 접하여 형성하는 과정;
    (e) 상기 호스트 물질의 전자이동도가 정공이동도보다 작은 경우, 상기 호스트 물질과의 최저미점유분자궤도함수(LUMO)의 에너지 준위차가 0.3eV 미만인 전자제공층을 선택하는 과정; 및
    (f) 상기 선택된 전자제공층을 상기 발광층의 일면과 접하여 형성하는 과정을 포함하되,
    상기 정공제공층 또는 상기 전자제공층의 삼중항 에너지는 상기 발광층의 상기 도펀트 물질의 삼중항 에너지보다 크도록 형성하는
    유기발광소자의 제조방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    (c) 과정은
    상기 발광층의 상기 호스트 물질이 BSFM이며, 상기 도펀트 물질이 Ir(ppy)3 일 때, 상기 정공제공층은 CBP 또는 TCTA 으로 선택하는 유기발광소자의 제조방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    (c) 과정은
    상기 발광층의 상기 호스트 물질이 mCPPO1이며, 상기 도펀트 물질이 FIrpic 일 때, 상기 정공제공층은 mCP 또는 CBP로 선택하는 유기발광소자의 제조방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    (c) 과정은
    상기 발광층의 상기 호스트 물질이 TPBI이며, 상기 도펀트 물질이 Ir(ppy)3 일 때, 상기 정공제공층은 mCP 또는 CBP로 선택하는 유기발광소자의 제조방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    (c) 과정에 의해 선택되는 상기 정공제공층이 형성되는 상기 발광층의 상기 일면의 반대쪽에 위치하는 상기 발광층의 다른 면에 전자제공층을 형성하는 과정을 추가적으로 포함하는 유기발광소자의 제조 방법.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 전자제공층은 TSPO1로 이루어지는 유기발광소자의 제조 방법.
  17. 제11 항에 있어서,
    (e) 과정은
    상기 발광층의 상기 호스트 물질이 mCP이며 상기 도펀트 물질이 FIrpic 일 때, 상기 전자제공층은 TSPO1으로 선택하며,
    상기 발광층의 상기 호스트 물질이 TCTA이며 상기 도펀트 물질이 Ir(ppy)3 일 때, 상기 전자제공층은 TSPO1 으로 선택하는 유기발광소자의 제조 방법.
  18. 제11 항에 있어서,
    (e) 과정에 의해 선택되는 상기 전자제공층이 형성되는 상기 발광층의 상기 일면의 반대쪽에 위치하는 상기 발광층의 다른 면에 정공제공층을 형성하는 과정을 추가적으로 포함하는 유기발광소자의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 정공제공층은 mCP, CBP 및 TCTA의 그룹에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 유기발광소자의 제조 방법.
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