KR101878328B1

KR101878328B1 - 유기전계 발광소자

Info

Publication number: KR101878328B1
Application number: KR1020110139899A
Authority: KR
Inventors: 강혜승; 서정대; 김효석; 전은주
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2018-07-16
Also published as: KR20130072468A

Abstract

본 발명은, 제 1 기판 상부에 형성된 제 1 및 제 2 전극과; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 정공수송층과, 발광층과, 전자수송층을 포함하는 구성을 갖는 스택이 1개 또는 2개 이상 다수 구비되며, 상기 하나의 스택 또는 다수의 각 스택에 구비되는 상기 발광층은 제 1 호스트 물질과 도펀트를 포함하는 제 1 호스트층으로 이루어진 제 1 영역과, 제 2 호스트 물질과 상기 도펀트를 포함하는 제 2 호스트층으로 이루어진 제 2 영역과, 상기 제 1 호스트층과 제 2 호스트층이 중첩하는 제 3 영역으로 이루어진 것이 특징인 유기전계 발광소자를 제공한다.

Description

유기전계 발광소자{Organic electroluminescent Device}

본 발명은 유기전계 발광소자에 관한 것으로, 특히 백색을 발광하며 발광효율 및 수명이 향상된 유기전계 발광소자에 관한 것이다.

최근까지, CRT(cathode ray tube)가 표시장치로서 주로 사용되었다. 그러나, 최근에 CRT를 대신할 수 있는, 플라즈마표시장치(plasma display panel : PDP), 액정표시장치(liquid crystal display device : LCD), 유기발광소자(organic light emitting diodes : OLED)와 같은 평판표시장치가 널리 연구되며 사용되고 있는 추세이다.

위와 같은 평판표시장치 중에서, 유기발광소자(이하, OLED라 함)는 자발광소자로서, 비발광소자인 액정표시장치에 사용되는 백라이트가 필요하지 않기 때문에 경량 박형이 가능하다.

그리고, 액정표시장치에 비해 시야각 및 대비비가 우수하며, 소비전력 측면에서도 유리하며, 직류 저전압 구동이 가능하고, 응답속도가 빠르며, 내부 구성요소가 고체이기 때문에 외부충격에 강하고, 사용 온도범위도 넓은 장점을 가지고 있다.

특히, 제조공정이 단순하기 때문에 생산원가를 기존의 액정표시장치 보다 많이 절감할 수 있는 장점이 있다.

따라서, 전술한 바와 같은 장점을 갖는 유기전계 발광소자는 풀 컬러로 구현되는 경우 TV, 모니터, 핸드폰 등 다양한 IT기기에 이용되고 있으며, 나아가 백색광만을 구현하는 경우, 백라이트, 조명 등 다양한 응용 분야에 있어서 광범위하게 적용되고 있다.

이하, 백색광을 발광하는 유기전계 발광 소자의 기본적인 구조에 대해서 조금 더 상세히 설명한다.

백색광을 발광하는 상기와 같은 유기전계 발광소자는 각각 적색, 녹색 또는 청색 발광층을 갖는 화소영역을 구비함으로서 이 3개의 화소영역들에서 발광하는 빛을 혼색하여 백색광을 발광할 수 있으며, 또는, 적색 및 청색 유기 발광층이 적층된 구조 또는 적색, 녹색 및 청색 유기 발광층이 적층된 구조로 하나의 화소영역구성함으로써 백색광을 발광할 수도 있다.

한편, 최근에는 제 1 색을 형광 또는 인광하는 물질로 이루어진 제 1 발광층과 이의 주변에 제 1 전자수송층 및 제 1 정공수송층을 갖는 제 1 스택과, 상기 제 1 색과 다른 제 2 색을 인광하는 물질로 이루어진 제 2 발광층과 이의 주변에 제 2 전자수송층 및 제 2 정공수송층을 구비한 제 2 스택이 적층된 텐덤(tandem) 구조 백색 유기전계 발광소자가 제안되고 있다.

이러한 텐덤 구조 백색 유기전계 발광소자는 단일층을 갖는 유기전계 발광소자 대비 우수한 백색광의 구현할 수 있는 장점을 갖는다.

이때, 이러한 종래의 텐덤 구조 백색 유기전계 발광소자는 상기 제 1 발광층과 제 2 발광층은 하나의 호스트 물질과 하나의 호스트 물질이 공 증착된 구조를 이루고 있다.

하지만, 이렇게 각 발광층 내에서 하나의 호스트 물질을 이용하는 구조에서는 상기 제 1 및 ㅔ 2 발광층으로 캐리어 전하가 주입되어 엑시톤을 형성 할 때, 주변 공통층 예를들면 전자수송층 또는 정공수소층으로 캐리어의 전이가 발생함으로써 제 1 및 제 2 발광층의 효율 및 수명을 저하시키고 있는 실정이다.

더욱이 이러한 최소 2개 이상의 발광층이 적층된 텐덤 구조 유기전계 발광소자는 상대적으로 유기물 층이 많아지게 되어 단일 발광층을 갖는 유기전계 발광소자 대비 자연적으로 구동 전압이 상승되고 있으며, 이렇게 구동 전압이 높아짐에 따라 단일층의 발광층을 갖는 유기전계 발광소자 대비 수명이 저하되고 있는 실정이다.

따라서, 저전압 구동이 가능함으로써 단일 발광층의 갖는 유기전계 발광소자 정도의 장 수명을 갖는 2스택 이상의 텐덤 구조 유기전계 발광소자의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 새로운 다중층 구조를 갖는 발광층을 구비함으로써 구동전압을 낮추고 수명을 종래의 텐덤 구조 유기전계 발광소자 대비 향상시킬 수 있는 텐덤(tandem) 타입 백색 유기전계 발광소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기전계 발광소자는, 제 1 기판 상부에 형성된 제 1 및 제 2 전극과; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 정공수송층과, 발광층과, 전자수송층을 포함하는 구성을 갖는 스택이 1개 또는 2개 이상 다수 구비되며, 상기 하나의 스택 또는 다수의 각 스택에 구비되는 상기 발광층은 제 1 호스트 물질과 도펀트를 포함하는 제 1 호스트층으로 이루어진 제 1 영역과, 제 2 호스트 물질과 상기 도펀트를 포함하는 제 2 호스트층으로 이루어진 제 2 영역과, 상기 제 1 호스트층과 제 2 호스트층이 중첩하는 제 3 영역으로 이루어진 것이 특징이다.

이때, 상기 제 3 영역은 상기 제 1 호스트층 또는 상기 제 2 호스트층 각각의 폭 대비 80% 내지 95%인 폭을 갖는 것이 특징이다.

그리고, 상기 각 스택의 발광층에 있어서, 상기 제 1 호스트층과 제 2 호스트층 각각의 두께는 10 내지 200Å이며, 상기 제 3 영역의 상기 제 1 호스트층과 제 2 호스트층이 중첩 형성된 부분의 두께는 20 내지 500Å인 것이 특징이다.

또한, 상기 제 1, 2, 3 영역의 상기 도펀트의 도핑 농도는 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질의 부피대비 1 내지 20%인 것이 특징이다.

그리고, 상기 제 1 호스트 물질의 HOMO(highest occupied molecular orbital) 준위는 상기 정공수송층의 HOMO 준위와 상기 제 2 호스트 물질의 HOMO 준위 사이의 값을 갖는 것이 특징이며, 상기 제 2 호스트 물질의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 준위는 상기 전자수송층의 LUMO 준위와 크고 상기 제 2 호스트 물질의 LUMO 준위 사이의 값을 갖는 것이 특징이다.

그리고, 상기 도펀트의 HOMO 준위는 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질의 HOMO 준위보다 작으며, 상기 도펀트의 LUMO 준위는 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질의 LUMO 준위보다 작은 것이 특징이다.

또한, 상기 제 1 호스트 물질과 상기 제 2 호스트 물질은 서로 반대 극성을 갖거나 또는 양극성 타입인 것이 특징이다.

그리고, 상기 제 3 영역에 있어 상기 정공수송층에 인접하는 상기 제 1 호스트층 이루는 상기 제 1 호스트 물질은 정공 타입의 극성을 갖거나 또는 양극성 타입이며, 상기 전자수송층에 인접하는 제 2 호스트층을 이루는 상기 제 2 호스트 물질은 전자 타입의 극성을 갖거나 또는 양극성 타입인 것이 특징이며, 이때, 상기 정공수송층에 인접하는 상기 제 1 호스트층 이루는 상기 제 1 호스트 물질은 CBP 또는 Carbazole 유도체이며, 상기 전자수송층에 인접하는 상기 제 2 호스트층을 이루는 상기 제 2 호스트 물질은 BAlq 또는 AND이며, 상기 도펀트는 Ir(thp)2(acac) 또는 Perylene 유도체인 것이 특징이다.

또한, 상기 각 스택 사이에는 전하생성층(charge genertion layer)이 형성되며, 상기 제 1 전극과 이와 인접한 스택 사이에는 정공주입층이 형성되며, 상기 제 2 전극과 이와 인접한 스택 사이에는 전자주입층이 형성되며, 사익 전하생성층은 이와 인접하는 상기 전자수송층 및 정공수송층에 각각 전자와 홀을 공급하는 것이 특징이다.

그리고, 상기 제 1 전극은 일함수 값이 상대적으로 높은 인듐-틴-옥사이드로 이루어져 애노드 전극의 역할을 하며, 상기 제 2 전극은 일함수 값이 상대적으로 낮은 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 금(Au), 알루미늄마그네슘 합금(AlMg) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물질로 이루어져 캐소드 전극의 역할을 하는 것이 특징이다.

또한, 상기 제 1 기판 상에 상기 제 1 전극을 형성하기 전에 서로 교차하여 다수의 화소영역을 정의하는 게이트 배선과 데이터 배선을 형성하며, 동시에 상기 각 화소영역에 구동 박막트랜지스터 및 스위칭 박막트랜지스터를 형성하며, 상기 제 1 전극은 상기 각 화소영역별로 상기 구동 박막트랜지스터의 드레인 전극과 접촉하도록 형성하는 것이 특징이다.

위에 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자는 각 발광층이 2개의 호스트 물질과 하나 이상의 도펀트 물질로 서로 다른 영역에서 일부 중첩되도록 형성됨으로써 각 발광층 내에서의 발광이 발생되는 영역을 확장시킴으로써 휘도 특성을 향상시키며 이에 의해 구동전압을 낮출 수 있으므로 수명을 향상시키는 효과가 있다.

나아가 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자는 제 1 호스트층을 이루는 상기 제 1 호스트 물질의 HOMO(highest occupied molecular orbital) 준위는 이의 주변에 위치하는 정공수송층의 HOMO 준위와 상기 제 2 호스트층을 이루는 상기 제 2 호스트 물질의 HOMO 준위 사이의 값을 가지며, 제 2 호스트층을 이루는 상기 제 2 호스트 물질의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 준위는 이의 주변에 위치하는 상기 전자수송층의 LUMO 준위와 상기 제 1 호스트층을 이루는 상기 제 1 호스트 물질의 LUMO 준위 사이의 값을 가짐으로서 이러한 구성에 의해 제 1 호스트층은 상기 정공수송층으로부터의 정공 주입 장벽이 낮아져 정공 주입량이 증가되는 동시에 상기 정공의 이동이 용이하게 되며, 상기 제 2 호스트층은 상기 전자수송층으로부터의 전자 주입 장벽이 낮아져 전자 주입량이 증가되는 동시에 전자의 이동이 용이하게 됨으로서 상기 발광층으로 주입되는 캐리어 전하의 량이 많아져 상대적으로 구동 전압을 저감시키는 효과를 갖게 되며, 이러한 구동 전압 감소에 의해 더욱 수명이 길어지는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자는 고효율 및 장수명 특성에 의해 소비전력이 낮은 대면적을 갖는 TV등의 응용할 수 있는 장점을 갖는다.

도 1은 일반적인 유기발광 현상에 의한 발광원리를 갖는 유기전계발광 다이오드의 밴드다이어그램.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자 일부에 대한 단면도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기전계 발광소자 일부에 대한 단면도.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 유기전계 발광소자 일부에 대한 단면도.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자에 있어 제 1 스택 내에서의 제 1 발광층을 평면적으로 도시한 도면.
도 6은 도 3을 절단선 IV-VI를 따라 절단한 부분에 대한 단면도.
도 7는 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 백색 유기전계 발광소자의 일부에 대한 단면도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 일반적인 유기발광 현상에 의한 발광원리를 갖는 유기전계 발광 다이오드의 밴드다이어그램이다.

도시한 바와 같이, 유기전계 발광 다이오드(10)는 애노드 및 캐소드 전극(21, 25)과 이들 두 전극(21, 25) 사이에 위치하는 정공수송층(hole transport layer)(33)과 전자수송층(electron transport layer)(35) 그리고 정공수송층(33)과 전자수송층(35) 사이로 개재된 유기 발광층(emission material layer)(40)으로 이루어진다.

그리고, 발광 효율을 향상시키기 위하여 상기 애노드 전극(21)과 정공수송층(33) 사이로 정공주입층 (hole injection layer)(37)이 개재되며, 상기 캐소드 전극(25)과 전자수송층(35) 사이로 전자주입층(electron injection layer)(39)이 더 개재되고 있다.

이러한 구성을 갖는 유기전계 발광 다이오드(10)는 상기 애노드 전극(21)과 캐소드 전극(25)에 각각 양(+)과 음(-)의 전압이 인가되면 상기 애노드 전극(21)의 정공과 상기 캐소드 전극(25)의 전자가 상기 유기 발광층(40)으로 수송되어 엑시톤(exciton)을 이루고, 이러한 엑시톤이 여기 상태에서 기저 상태로 천이될 때 빛이 발생되어 상기 발광층(40)에 의해 가시광선의 형태로 방출된다.

이러한 유기발광 현상을 이용하는 유기전계 발광소자는 상기 발광층으로부터 나오는 빛의 휘도를 조절함으로써 표시장치로 이용될 수 있으며, 이러한 발광층을 적층하여 2개 이상의 발광층으로부터 나오는 서로 다른 색을 빛이 혼합되어 백색광이 나오도록 하여 백라이트 또는 조명수단으로 이용할 수 있는 것이다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기전계 발광소자 일부에 대한 단면도이다.

도시한 바와같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광을 발광하는 유기전계 발광소자(100)는, 제 1 기판(100) 상에 애노드 전극의 역할을 하는 제 1 전극(147)과, 이의 상부로 순차 적층된 제 1 스택(ST1)과 전하생성층(charge generation layer)(153)과 제 2 스택(ST2) 및 캐소드 전극의 역할을 하는 제 2 전극(158)을 포함하여 구성되고 있다.

이때, 도면에서는 본 발명의 실시예에 따른 유기전계 발광소자(100)가 2개의 스택(ST1, ST2)으로 이루어짐을 일례로 보이고 있지만, 제 2 및 제 3 실시예로서 도 3(본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기전계 발광소자 일부에 대한 단면도) 및 도 4(본 발명의 제 3 실시예에 따른 유기전계 발광소자 일부에 대한 단면도)를 참조하면, 하나의 스택 즉 단일 스택(도 3의 ST1)으로 이루어질 수도 있으며, 또는 2개보다 3개 이상의 다수의 스택(도 4의 ST1, ST2, ST3)으로 구성될 수도 있다. 이때, 단일 스택(도 3의 ST1)으로 구성된 제 2 실시예의 경우, 상기 전하생성층(153)은 생략되며, 3개 이상의 다수의 스택(도 4의 ST1, ST2, ST3)으로 이루어진 제 3 실시예의 경우, 각 스택(도 4의 ST1, ST2, ST3)의 사이에는 각각 상기 전하생성층(153, 200)이 구성되는 것이 특징이다.

한편, 도 2를 참조하면, 상기 제 1 스택(ST1)은 상기 제 1 전극(147) 상부로 순차 적층된 형태로 정공주입층(hole injection layer)(149), 제 1 정공수송층(hole transport layer)(150), 제 1 발광층(151), 제 1 전자수송층(Electron Transport Layer)(152)으로 이루어지고 있는 것이 특징이다.

또한, 상기 제 2 스택(ST2)은 상기 전하생성층(153)의 상부로 순차 적층된 형태로 제 2 정공수송층(154), 제 2 발광층(155), 제 2 전자수송층(156) 및 전자주입층(157)으로 이루어지고 있는 것이 특징이다.

이때, 상기 제 1 및 제 2 발광층(151, 155)은 서로 다른 색을 발광하는 물질로 이루어지는 것이 특징이다. 일례로 상기 제 1 발광층(151)은 블루를 형광 또는 인광하고 제 2 발광층(155)은 레드를 인광함으로써 최종적으로 백색광을 구현하게 된다. 이때, 상기 제 1 발광층(151)은 블루 이외에 레드 또는 그린을 형광 또는 인광할 수 있으며, 상기 제 2 발광층(155) 또한 상기 레드 이외에 그린 또는 옐로우를 인광 또는 형광할 수 있으며, 이들 두 층(151, 155)으로부터 나오는 빛이 백색광을 이루게 되는 색 조합을 이루게 되면 어떠한 색 조합을 이룰 수 있다.

한편, 상기 전하생성층(153)은 광학적, 전기적 손실 특성이 작은 물질로써 금속류, 산화물류, 유기물류 중 어느 하나의 물질 또는 둘 이상의 물질이 혼합됨으로써 단일층 구조를 갖거나 또는 전술한 물질 중 둘 이상의 물질이 적층된 구성을 이루어 이중층 구조를 갖질 수 있으며, 상기 전하생성층(153)은 상기 제 1 스택(ST1)쪽으로는 전자를 공급하며, 상기 제 2 스택(ST2)쪽으로는 정공을 공급하는 역할을 하는 것이 특징이다.

상기 정공주입층(149)은 애노드 전극의 역할을 하는 상기 제 1 전극(147)으로부터 상기 제 1 발광층(151)으로의 정공의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, CuPc(cupper phthalocyanine), PEDOT(poly(3,4)-ethylenedioxythiophene), PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)), PANI(polyaniline) 및 NPD(N,N-dinaphthyl-N,N'-diphenyl benzidine) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제 1 및 제 2 정공수송층(150, 154)은 정공의 수송을 원활하게 하는 역할을 하며, NPD(N,N-dinaphthyl-N,N'-diphenylbenzidine), TPD(N,N'-bis-(3-methylphenyl)-N,N'-bis-(phenyl)-benzidine), s-TAD 및 MTDATA(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine) 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질이 혼합되어 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 제 1 및 제 2 전자수송층(152, 156)은 전자의 수송을 원활하게 하는 역할을 하며, Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)aluminum), PBD, TAZ, spiro-PBD, BAlq 및 SAlq 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질로 이루어질 수 있다.

마지막으로 상기 전자주입층(157)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)aluminum), PBD, TAZ, spiro-PBD, BAlq 또는 SAlq 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질이 혼합된 상태로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자(100)에 있어서 가장 특징적인 구성 중 하나로서 상기 제 1 및 제 2 발광층(151, 155) 각각은 도펀트가 도핑된 제 1 호스트층(도 5의 151a), 도펀트가 도핑된 제 2 호스트층(도 5의 151b)을 포함하여 구성되는 것이 특징이다.

이때, 이러한 본 발명의 실시예에 있어서 특징적인 구성인 제 1 및 제 2 발광층(151, 155)의 구조에 대해서는 추후 상세히 설명한다.

그리고, 상기 애노드 전극의 역할은 하는 제 1 전극(147)은 일함수 값이 상대적으로 큰 투명 도전성 물질 일례로 인듐-틴-옥사이드(ITO)로 이루어지며, 캐소드 전극의 역할을 하는 상기 제 2 전극(158)은 일함수 값이 상대적으로 낮은 불투명 금속물질 예를들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 금(Au), 알루미늄마그네슘 합금(AlMg) 중 하나 또는 둘 이상의 물질로 이루어지는 것이 특징이다.

그리고 이러한 구성을 갖는 제 1 기판(101)에 대응하여 인캡슐레이션을 위해 제 2 기판(180)이 구비되고 있다.

이때, 상기 제 1 기판(101)과 제 2 기판(180)은 그 가장자리를 따라 실란트(sealant) 또는 프릿(frit)으로 이루어진 접착제(미도시)가 구비되고 있으며, 이러한 접착제(미도시)에 의해 상기 제 1 기판(101)과 제 2 기판(180)이 합착되어 패널상태를 유지하고 있다. 이 경우, 서로 이격하는 상기 제 1 기판(101)과 제 2 기판(180) 사이에는 진공의 상태를 갖거나 또는 불활성 기체로 채워짐으로써 불활성 가스 분위기를 가질 수 있다.

한편, 상기 인캡슐레이션을 위한 상기 제 2 기판(180)은 유연한 특성을 갖는 플라스틱으로 이루어질 수도 있으며, 또는 유리로 이루어질 수도 있으며, 나아가 상기 제 1 기판(101)과 제 2 기판(178)은 상기 접착제(미도시)에 의해 합착된 상태를 이루는 이외에 상기 제 1 기판(101) 전면에 패이스씰(face seal)이 구비되어 상기 제 2 기판(180)과 합착된 상태를 이룰 수도 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자(100)는 제 1 기판(101)과 마주하여 이격하는 형태로 인캡슐레이션을 위한 제 2 기판(180)이 구비된 것을 나타내고 있지만, 그 변형예로서 상기 제 2 기판(180)은 점착층을 포함하는 필름 형태로 상기 제 1 기판(101)의 최상층에 구비된 상기 제 2 전극(158)과 접촉하도록 구성될 수도 있다.

또한 본 발명의 실시예의 또 다른 변형예로서 상기 제 2 전극(158) 상부로 유기절연막(미도시) 또는 무기절연막(162)이 더욱 구비되어 캡핑막(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 유기절연막(미도시) 또는 무기절연막(162)은 그 자체로 인캡슐레이션 막으로 이용될 수도 있으며, 이 경우 상기 제 2 기판(180)은 생략할 수도 있다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기전계 발광소자(100)는, 구동 시 상기 제 1 발광층(151)과 제 2 발광층(155)에서 발광되는 광의 혼합에 의해 백색광이 표시되는 것이다.

한편, 이러한 구성을 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자(100)에 있어서 가장 특징이 되는 구성은 제 1 및 제 2 스택(ST1, ST2)에 각각 구비되는 제 1 및 제 2 발광층(151, 155)의 구조에 있으며, 이후에는 이러한 제 1 및 제 2 발광층(151, 155)의 특징적 구성에 대해 설명한다.

이때, 본 발명의 특성 상 제 1 및 제 2 스택(ST1, ST2)에 구비된 상기 제 1 발광층(151)과 제 2 발광층(155)은 서로 다른 색을 발광하는 것만이 차이가 있으며, 실질적인 구성은 동일하므로 이후 설명의 편의를 위해 제 1 스택(ST1)에 구비되는 제 1 발광층(151)의 구성을 위주로 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자에 있어 제 1 스택 내에서의 제 1 발광층을 평면적으로 도시한 도면이며, 도 6은 도 3을 절단선 VI-VI를 따라 절단한 부분에 대한 단면도이다.

도시한 바와같이, 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자에 있어서, 제 1 발광층(더욱 정확히는 제 1, 2 발광층)(151)은 제 1 및 제 2 호스트 물질과 하나의 도펀트(151c)로 구성되고 있으며, 제 1 영역(A1)에는 제 1 호스트 물질로 이루어진 제 1 호스트층(151a)이 형성되고 있으며, 상기 제 2 영역(A2)에는 상기 제 2 호스트 물질로 이루어진 제 2 호스트층(151b)이 형성되고 있다. 그리고, 상기 제 1 영역(A1)과 제 2 영역(A2) 사이에 위치하는 제 3 영역(A3)에는 상기 제 1 호스트층(151a)과 제 2 호스트층(151b)이 중첩 형성되고 있는 것이 특징이다.

상기 제 1, 2, 3 영역(A1, A2, A3)은 모두 도펀트(151c) 물질이 도핑됨으로서 전면에 도핑층(151c)이 형성되고 있다. 이때, 상기 도핑층(151c)은 각 영역(A1, A2, A3) 내에서 별도의 층을 이루는 것이 아니라, 상기 제 1 호스트층(151a) 및 제 2 호스트층(151b) 형성 시 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질과 함께 공 증착되거나 또는 상기 제 1 호스트층(151a)과 제 2 호스트층(151b)을 각각 형성 후 전면에 상기 도펀트(151c)를 도핑하여 형성됨으로써 실질적으로 상기 제 1 호스트층(151a)과 제 2 호스트층(151b) 내부에 위치하는 것이 특징이다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자에 있어 각 발광층(151)은 크게 3개의 영역(A1, A2, A3)으로 나뉘어 서로 다른 층을 이루는 것이 특징이다.

즉, 상기 제 1 영역(A1)은 제 1 호스트 물질과 도펀트(151c)로 이루어진 제 1 호스트층(151a)이 형성되며, 상기 제 2 영역(A2)은 제 2 호스트 물질과 도펀트(151c)로 이루어진 제 2 호스트층(151b)이 형성되며, 상기 제 3 영역(A3)은 상기 제 1 호스트 물질과 도펀트(151c)로 이루어진 제 1 호스트층(151a)과 이와 중첩하며 상기 제 2 호스트 물질과 도펀트(151c)로 이루어진 제 2 호스트층(151b)이 형성된 것이 특징이다.

이때, 상기 제 1 호스트층(151a)과 제 2 호스트층(151b)이 중첩하는 제 3 영역(A3)은 상기 제 1 및 제 2 호스트층(151a, 151b) 각각의 폭의 80% 내지 95% 정도가 되는 것이 특징이다.

그리고, 상기 제 1 및 제 2 호스트층(151a, 151b)은 각각 10Å 내지 200Å정도의 두께를 가지며, 상기 제 1 및 제 2 호스트층(151a, 151b)이 중첩되는 제 3 영역(A3)에 있어서 서로 중첩되는 제 1 및 제 2 호스트층(151a, 151b)은 20Å 내지 500Å 정도의 두께를 갖는 것이 특징이다.

또한, 상기 도펀트(151c)의 도핑농도는 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질의 부피대비 1 내지 20% 정도가 되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 각 발광층(151) 내에서의 전하 균형을 위해 상기 제 1 호스트층(151a)을 이루는 제 1 호스트 물질과 제 2 호스트층(151b)을 이루는 제 2 호스트 물질은 서로 반대의 극성을 갖거나 또는 양극성(bipolar) 타입인 것이 바람직하다.

즉, 제 1 호스트 물질이 정공(hole) 타입인 경우, 상기 제 2 호스트 물질은 전자(electron) 타입 또는 양극성 타입이 되며, 상기 제 1 호스트 물질이 전자 타입인 경우 상기 제 2 호스트(151b)는 정공 타입 또는 양극성 타입인 것이 바람직하다.

또는, 상기 제 1 호스트 물질과 제 2 호스트 물질은 각각 양극성 타입이 될 수도 있다.

이때, 상기 제 3 영역(A3)에 있어, 상기 정공수송층(도 2의 150, 154)에 인접하는 상기 제 1 호스트층(151a) 이루는 상기 제 1 호스트 물질은 정공 타입의 극성을 갖거나 또는 양극성 타입이며, 상기 전자수송층(도 2의 152, 156)에 인접하는 제 2 호스트층(151b)을 이루는 상기 제 2 호스트 물질은 전자 타입의 극성을 갖거나 또는 양극성 타입인 것이 바람직하다.

일례로 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질이 전자 타입인 경우 아래 표현된 분자구조를 갖는 BAlq 또는 AND 가 될 수 있으며, 정공 타입인 경우 CBP 또는 Carbazole 유도체가 될 수 있다. 그리고, 상기 도펀트로서는 일례로 Ir(thp)2(acac) 또는 Perylene 유도체가 될 수 있다.

이때, 상기 BAlq, CBP, Ir(thp)2(acac)는 옐로우를 인광하는 물질이 되며, 상기 AND, Carbazole 유도체 및 Perylene 유도체는 블루를 형광하는 물질이 된다.

이렇게 제 1 및 제 2 호스트 물질이 서로 다른 타입 또는 양극성 타입을 갖도록 하는 것은 각 발광층(151) 내에서의 전자 및 정공의 수적 균형을 이루기 위함이며, 어느 한쪽의 수가 많아지게 되면 각 물질층의 계면에 축적되어 소자의 수명을 저하시키는 요인이 될 수 있으므로, 이를 방지하기 위함이다.

이때, 도 2, 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제 1 호스트층(151a)을 이루는 상기 제 1 호스트 물질의 HOMO(highest occupied molecular orbital) 준위는 이의 주변에 위치하는 정공수송층(150)의 HOMO 준위와 상기 제 2 호스트층(151b)을 이루는 상기 제 2 호스트 물질의 HOMO 준위 사이의 값을 갖도록 설정하는 것이 바람직하며, 또한 상기 제 2 호스트층(151b)을 이루는 상기 제 2 호스트 물질의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 준위는 이의 주변에 위치하는 상기 전자수송층(152)의 LUMO 준위와 상기 제 1 호스트층(151a)을 이루는 상기 제 1 호스트 물질의 LUMO 준위 사이의 값을 갖도록 설정하는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 의해 제 1 호스트층(151a)은 상기 정공수송층(150)으로부터의 정공 주입 장벽이 낮아져 정공 주입량이 증가되는 동시에 상기 정공의 이동이 용이하게 되며, 상기 제 2 호스트층(151b)은 상기 전자수송층(152)으로부터의 전자 주입 장벽이 낮아져 전자 주입량이 증가되는 동시에 전자의 이동이 용이하게 됨으로서 상기 발광층으로 주입되는 캐리어 전하의 량이 많아져 상대적으로 구동 전압을 저감시키는 효과를 갖게 되며, 이러한 구동 전압 감소에 의해 더욱 수명이 길어지는 효과를 갖는다.

그리고, 상기 도펀트(151c)의 HOMO 준위는 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질의 HOMO 준위보다 작으며, 상기 도펀트(151c)의 LUMO 준위는 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질의 LUMO 준위보다 작도록 설정하는 것이 바람직하다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기전계 발광소자(100)는 각 제 1 및 제 2 발광층(151, 155)이 각각 자연적으로 3개의 발광층으로 이루어지는 구성을 갖게 됨으로써 각 하나의 발광층에서 발광하던 엑시톤이 각각 다른 특성을 갖는 3개의 발광층 또는 계면에서 발생하여 발광하도록 유도됨으로써 각 발광층 내에서의 발광영역이 확장되어 발광 휘도를 향상시키며 동시에 수명을 증가시키게 된다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 유기전계 발광소자는 구동전압이 3.20V인가 시 74.9cd/A, 73.4Im/W의 효율을 가지며 휘도는 7487cd/m²가 됨으로서 인가되는 구동전압 대비 우수한 효율 및 휘도 특성을 가짐을 알 수 있었으며, 이때 내부 양자효율을 21.3%가 되었으며, CIE 색좌표 상에서 CIE_x 와 CIE_y 의 좌표가 0.435, 0.554가 됨으로써 우수한 화이트를 표시함을 실험적으로 알 수 있었다.

한편, 이러한 구성을 갖는 백색 유기전계 발광소자(100)는 액정표시장치 등의 백라이트 유닛으로 이용되거나 또는 조명기구로서 이용될 수 있으며, 상기 백색 유기전계 발광소자(100)의 빛이 나오는 상기 제 1 기판(101)의 외측면에 컬러필터층(미도시)을 구비하고, 상기 각 화소영역에서 발광되는 휘도량을 조절할 수 있는 구동소자를 구비하는 경우 풀 컬러를 구현하는 표시장치로 이용될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예의 제 3 변형예에 따른 백색 유기전계 발광소자의 일부에 대한 단면도로서 각 화소영역별로 발광량을 조절할 수 있는 구동 소자를 구비한 백색 유기전계 발광소자를 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 유기전계 발광소자(100)에 있어서는 다수의 화소영역(P)이 정의되며, 이러한 다수의 각 소영역(P)에는 스위칭 박막트랜지스터(미도시) 및 하나 이상의 구동 박막트랜지스터(DTr)와 유기전계 발광 다이오드(E)가 형성된다.

이에 대해 좀 더 자세히 살펴보면, 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 유기전계 발광소자(100)에 있어 각 화소영역(P)의 제 1 기판(101) 상에는 반도체층(103)이 형성되는데, 반도체층(103)은 폴리실리콘으로 이루어지며 그 중앙부는 채널을 이루는 액티브영역(103b) 그리고 액티브영역(103b) 양측면으로 고농도의 불순물이 도핑된 소스 및 드레인 영역(103a, 103c)으로 구성되고 있다.

그리고, 이러한 반도체층(103) 상부로는 게이트 절연막(105)이 형성되어 있다.

또한, 상기 게이트 절연막(105) 상부로는 상기 각 반도체층(103)의 액티브 영역(103b)에 대응하여 게이트 전극(107)이 구비되고 있으며, 도면에 나타내지 않았지만 각 화소영역(P)의 경계에는 일 방향으로 연장하는 게이트 배선(미도시)이 형성되어 있다.

그리고, 상기 게이트전극(107)과 게이트배선(미도시)의 상부 전면에 층간절연막(109a)이 형성되어 있으며, 이때, 상기 층간절연막(109a)과 그 하부의 게이트 절연막(105)은 액티브영역(103b) 양측면에 위치한 상기 소스 및 드레인 영역(103a, 103c)을 각각 노출시키는 제 1, 2 반도체층 콘택홀(111a, 111b)을 구비하고 있다.

다음, 상기 제 1, 2 반도체층 콘택홀(111a, 111b)을 포함하는 상기 층간절연막(109a) 상부로는 서로 이격하며 제 1, 2 반도체층 콘택홀(111a, 111b)을 통해 노출된 상기 소스 및 드레인 영역(103a, 103c)과 각각 접촉하는 소스 및 드레인 전극(113, 115)이 형성되어 있다.

그리고, 상기 소스 및 드레인 전극(113, 115)과 이들 두 전극(113, 115) 사이로 노출된 상기 층간절연막(109a) 상부로 상기 드레인 전극(115)을 노출시키는 드레인 콘택홀(117)을 갖는 보호층(109b)이 형성되어 있다.

이때, 상기 소스 및 드레인 전극(113, 115)과 이들 전극(113, 115)과 접촉하는 소스 및 드레인 영역(103a, 103c)을 포함하는 반도체층(103)과 상기 반도체층(103) 상부에 형성된 상기 게이트 절연막(105) 및 상기 게이트 전극(107)은 구동 박막트랜지스터(DTr)를 이루게 된다.

이때, 도면에 나타나지 않았지만, 상기 층간절연막(109a) 상부에는 상기 게이트 배선(미도시)과 교차하여 화소영역(P)을 정의하는 데이터 배선(미도시)이 상 형성되어 있으며, 이와 이격하여 나란하게 전원배선(미도시)이 형성되어 있다.

그리고, 상기 각 화소영역(P) 내의 스위칭 영역에는 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)와 동일한 구조를 갖는 스위칭 박막트랜지스터(미도시)가 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)과 연결되며 형성되고 있다.

그리고, 상기 스위칭 및 구동 박막트랜지스터(미도시, DTr)는 도면에서는 반도체층(103)이 폴리실리콘으로 이루어진 탑 게이트(top gate) 타입을 예로써 보이고 있지만, 이의 변형예로써 순수 및 불순물의 비정질 실리콘으로 이루어진 보텀 케이트(bottom gate) 타입으로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 보호층(109b) 상부의 실질적으로 화상을 표시하는 영역에는 도 2를 통해 설명한 제 1 전극(147)과 제 1 스택(ST1)과 전하생성층(153)과 제 2 스택(ST2) 및 제 2 전극(158)의 구성을 갖는 유기전계 발광 다이오드(E)가 구비되고 있다.

이때, 상기 제 1 전극(147)은 상기 보호층(109b)의 드레인 콘택홀(117)을 통해 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극(115)과 연결되고 있다.

한편, 상기 제 1 전극(147)은 각 화소영역(P)별로 형성되는데, 각 화소영역(P) 별로 형성된 제 1 전극(147) 사이에는 뱅크(bank)(119)가 위치한다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 유기전계 발광소자(100)의 경우, 상기 구동 박막트랜지스터(DTr) 및 스위칭 박막트랜지스터(미도시)에 의해 상기 각 화소영역(P)에서 발광되는 백색광의 휘도량을 조절할 수 있으므로 컬러필터층(미도시) 없이 표시장치로 이용되는 경우 그레이 레벨을 표시할 수 있으므로 모노 타입 표시장치를 이루게 되며, 빛이 나오는 상기 제 1 기판(101)의 하면에 컬러필터층(미도시)을 더욱 구비하는 경우, 그레이 레벨이 구현되는 풀 컬러의 화상을 표현하는 표시장치가 된다.

본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

151 : 제 1 발광층
151a : 제 1 호스트층
151b : 제 2 호스트층
151c : 도펀트

Claims

제 1 기판 상부에 형성된 제 1 및 제 2 전극과;
상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 제 1 방향으로 정공수송층과, 발광층과, 전자수송층을 포함하는 구성을 갖는 스택이 1개 또는 2개 이상 다수 구비되며,
상기 하나의 스택 또는 다수의 각 스택에 구비되는 상기 발광층은 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 제 1 호스트 물질과 도펀트를 포함하는 제 1 호스트층으로 이루어진 제 1 영역과, 제 2 호스트 물질과 상기 도펀트를 포함하는 제 2 호스트층으로 이루어진 제 2 영역과, 상기 제 1 호스트층과 제 2 호스트층이 중첩하는 제 3 영역으로 이루어진 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 제 3 영역은 상기 제 1 호스트층 또는 상기 제 2 호스트층 각각의 폭 대비 80% 내지 95%인 폭을 갖는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 2 항에 있어서,
상기 각 스택의 발광층에 있어서, 상기 제 1 호스트층과 제 2 호스트층 각각의 두께는 10 내지 200Å이며, 상기 제 3 영역의 상기 제 1 호스트층과 제 2 호스트층이 중첩 형성된 부분의 두께는 20 내지 500Å인 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1, 2, 3 영역의 상기 도펀트의 도핑 농도는 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질의 부피대비 1 내지 20%인 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 호스트 물질의 HOMO(highest occupied molecular orbital) 준위는 상기 정공수송층의 HOMO 준위와 상기 제 2 호스트 물질의 HOMO 준위 사이의 값을 갖는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 호스트 물질의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 준위는 상기 전자수송층의 LUMO 준위와 크고 상기 제 2 호스트 물질의 LUMO 준위 사이의 값을 갖는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 6 항에 있어서,
상기 도펀트의 HOMO 준위는 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질의 HOMO 준위보다 작으며, 상기 도펀트의 LUMO 준위는 상기 제 1 및 제 2 호스트 물질의 LUMO 준위보다 작은 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 호스트 물질과 상기 제 2 호스트 물질은 서로 반대 극성을 갖거나 또는 양극성 타입인 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 8 항에 있어서,
상기 제 3 영역에 있어 상기 정공수송층에 인접하는 상기 제 1 호스트층 이루는 상기 제 1 호스트 물질은 정공 타입의 극성을 갖거나 또는 양극성 타입이며, 상기 전자수송층에 인접하는 제 2 호스트층을 이루는 상기 제 2 호스트 물질은 전자 타입의 극성을 갖거나 또는 양극성 타입인 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 9 항에 있어서,
상기 정공수송층에 인접하는 상기 제 1 호스트층 이루는 상기 제 1 호스트 물질은 CBP 또는 Carbazole 유도체이며,
상기 전자수송층에 인접하는 상기 제 2 호스트층을 이루는 상기 제 2 호스트 물질은 BAlq 또는 AND이며,
상기 도펀트는 Ir(thp)2(acac) 또는 Perylene 유도체인 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 각 스택 사이에는 전하생성층(charge genertion layer)이 형성되며,
상기 제 1 전극과 이와 인접한 스택 사이에는 정공주입층이 형성되며,
상기 제 2 전극과 이와 인접한 스택 사이에는 전자주입층이 형성되며, 사익 전하생성층은 이와 인접하는 상기 전자수송층 및 정공수송층에 각각 전자와 홀을 공급하는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 일함수 값이 상대적으로 높은 인듐-틴-옥사이드로 이루어져 애노드 전극의 역할을 하며,
상기 제 2 전극은 일함수 값이 상대적으로 낮은 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 금(Au), 알루미늄마그네슘 합금(AlMg) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물질로 이루어져 캐소드 전극의 역할을 하는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
제 12 항에 있어서,
상기 제 1 기판 상에 상기 제 1 전극을 형성하기 전에 서로 교차하여 다수의 화소영역을 정의하는 게이트 배선과 데이터 배선을 형성하며, 동시에 상기 각 화소영역에 구동 박막트랜지스터 및 스위칭 박막트랜지스터를 형성하며,
상기 제 1 전극은 상기 각 화소영역별로 상기 구동 박막트랜지스터의 드레인 전극과 접촉하도록 형성하는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
기판 상부에 형성된 제 1 및 제 2 전극과;
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 정공수송층과, 발광층과, 전자수송층을 포함하는 적어도 하나의 스택이 구비되고,
상기 발광층은 제 1 호스트 물질과 도펀트를 포함하는 제 1 호스트층과, 제 2 호스트 물질과 상기 도펀트를 포함하는 제 2 호스트층으로 이루어지며,
상기 제 1 호스트층과 상기 제 2 호스트층은 부분적으로 중첩하는 유기전계 발광소자.