KR101960377B1 - 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

유기 발광 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적색 발광층과 녹색 발광층을 각각의 화소에 배치하고, 이들과 오버랩하여, 청색 발광층을 화소들에 공통적으로 사용하는 구조에 있어서, 청색 특성 확보를 위해 상기 청색 발광층과 접한 버퍼층을 구비하여 구동 전압 상승을 방지하고 특성을 향상시킨 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 유기 발광 소자는 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판;과, 상기 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되며 이격한 제 2 전극;과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 상기 제 1 화소에 형성된 제 1 발광층과 상기 제 2 화소에 형성된 제 2 발광층;과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 상기 제 3 화소에만 형성된 버퍼층;과, 상기 제 1 발광층, 제 2 발광층 및 버퍼층 상부에, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 형성된 제 3 발광층;과, 상기 제 1 발광층, 제 2 발광층 및 버퍼층의 층과, 상기 제 1 전극의 층간에 형성된 제 1 공통층; 및 상기 제 3 발광층과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 제 2 공통층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

유기 발광 소자 및 이의 제조 방법 {Organic Light Emitting Device and Method for Manufacturing the Same}
본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것으로 특히, 적색 발광층과 녹색 발광층을 각각의 화소에 배치하고, 이들과 오버랩하여, 청색 발광층을 화소들에 공통적으로 사용하는 구조에 있어서, 청색 특성 확보를 위해 상기 청색 발광층과 접한 버퍼층을 구비하여 구동 전압 상승을 방지하고 특성을 향상시킨 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
다양한 정보를 화면으로 구현해 주는 영상 표시 장치는 정보 통신 시대의 핵심 기술로 더 얇고 더 가볍고 휴대가 가능하면서도 고성능의 방향으로 발전하고 있다. 이에 음극선관(CRT)의 단점인 무게와 부피를 줄일 수 있는 평판 표시 장치로 유기 발광층의 발광량을 제어하여 영상을 표시하는 유기 발광 표시 장치 등이 각광받고 있다.
유기 발광 표시 장치는 전극 사이의 얇은 발광층을 이용한 자발광 소자로 종이와 같이 박막화가 가능하다는 장점을 갖고 있다. 이러한, 유기 발광 표시 장치는 화소별 개별 셀 구동부에 의해 선택적 구동이 가능한 능동형 매트릭스(Active Matrix)와 라인별로 제어가 가능한 패시브 매트릭스(Passive matrix)로 나눠지게 된다.
이때, 능동형 매트릭스 유기 발광 표시 장치(AMOLED)는 3색(R, G, B) 화소로 구성된 화소들이 매트릭스 형태로 배열되어 화상을 표시하게 된다. 각 화소는 유기 발광 소자(Organic Light Emitting Diode)와, 그 유기 발광 소자를 구동하는 셀 구동부를 포함한다. 셀 구동부는 스캔 신호를 공급하는 게이트 라인과, 비디오 데이터 신호를 공급하는 데이터 라인과, 공통 전원 신호를 공급하는 공통 전원 라인 사이에 접속된 적어도 2개의 박막 트랜지스터로 구성되어 유기 발광 다이오드의 양극을 구동한다.
유기 발광 소자는 양극(anode), 정공 주입층(Hole Injection Layer;HIL), 정공 수송층(Hole Transport Layer;HTL), 발광층, 전자 수송층(Electron Transport Layer;ETL), 전자 주입층(Electron Injection Layer;EIL), 음극(cathode)을 포함한다.
이러한 유기 발광 소자는 일반적으로 각 층별로 진공 증착 방식으로 진행하는 바가 알려져 있다. 이는 형성하고자 하는 층의 물질을 진공 챔버에서, 기상화하여 기판 상에 증착하는 방식이다.
그런데, 진공 챔버를 이용하는 경우, 적어도 진공 증착이 이루어지는 기판의 크기보다는 챔버의 크기가 커야 하고, 또한, 챔버 내 기판의 유입을 위해 가로/세로로 충분한 공간 확보가 어려워, 대형화에는 한계에 있으며, 대형화가 가능한 경우에도 대형화된 챔버를 진공 조건으로 유지하기 힘들어 다른 형성 방식의 고려가 있었다.
그 일예로, 용액 공정(soluble process)을 통해 별도의 진공조건이 요구되는 챔버없이 기판 상에 용액 상으로 층을 형성하고자 하는 방법이 있다.
그러나, 유기 발광 소자를 이루는 층 중 일부는 재료적으로 안정성이 떨어져 용액 공정이 불가한 문제가 있고, 특히, 현재까지 청색 발광 재료의 경우 용액 공정으로 형성시 표시 장치에 적용하는데 있어 충분한 효율이 나오지 않아, 최근 청색 발광 재료와 적색/녹색 발광층을 구분하여 형성 공정을 적용하는 방법이 제안되고 있다.
상기와 같은 종래의 유기 발광 소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
최근 하이브리드(hybrid) 형의 유기 발광 소자로서, 적색 발광층과 녹색 발광층을 화소별로 나누어 형성하되, 공통적으로 청색 발광층을 전 화소에 걸쳐 형성하는 구조가 알려져 있다.
하지만, 이 구조에서 청색 발광층이 전 화소에 걸쳐 형성되며, 다른 색상의 발광층 대비 효율이 떨어져 청색 발광층의 효율을 높이기 위해 청색 발광층 하부에 하이브리드 연결층(HCL: Hybrid Connection layer)를 더 형성하는 구조가 제안되었다. 그러나, 이러한 하이브리드 연결층의 경우, 상기 청색 발광층과 함께 전 화소에 걸쳐 형성되며, 바이폴라(bipolar) 특성을 갖기 때문에, 청색 화소 외에 다른 색상의 화소에서 상대적으로 구동 전압이 증가하는 문제가 있고, 다른 특성이 저하하는 문제가 있었다.
또한, 하이브리드 소자에 있어서도 용액 공정의 적용 요구가 있었으나, 재료 자체의 한계로, 하이브리드 연결층을 포함한 상부의 층들은 용액 공정이 불가능한 층도 존재하며, 이로 인해 용액 공정과 진공 증착 공정을 병행할 때, 용액 공정으로 형성된 표면의 데미지(damage)로 안정성 있게 복수층을 형성하는데 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 적색 발광층과 녹색 발광층을 각각의 화소에 배치하고, 이들과 오버랩하여, 청색 발광층을 화소들에 공통적으로 사용하는 구조에 있어서, 청색 특성 확보를 위해 상기 청색 발광층과 접한 버퍼층을 구비하여 구동 전압 상승을 방지하고 특성을 향상시킨 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유기 발광 소자는 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판;과, 상기 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되며 이격한 제 2 전극;과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 상기 제 1 화소에 형성된 제 1 발광층과 상기 제 2 화소에 형성된 제 2 발광층;과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 상기 제 3 화소에만 형성된 버퍼층;과, 상기 제 1 발광층, 제 2 발광층 및 버퍼층 상부에, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 형성된 제 3 발광층;과, 상기 제 1 발광층, 제 2 발광층 및 버퍼층의 층과, 상기 제 1 전극의 층간에 형성된 제 1 공통층; 및 상기 제 3 발광층과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 제 2 공통층을 포함한 것에 그 특징이 있다.
상기 제 1, 제 2 발광층 및 상기 버퍼층은 상기 제 3 발광층과 접한 것이 바람직할 수 있다.
상기 버퍼층은 상기 제 1 공통층보다 높은 정공 이동도를 갖는 저분자 유기물로 이루어진 것이 바람직하다. 바람직하게는 상기 버퍼층은 1.0 ×10-4 ㎠/s·V 이상의 정공 이동도를 갖는 유기물일 수 있다.
또한, 상기 버퍼층은 상기 제 3 발광층의 호스트 및 도펀트 대비 HOMO 에너지 준위 및 LUMO 에너지 준위를 0.5eV 이내의 차로 갖는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 1 공통층은 정공 주입층과 정공 수송층을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 2 공통층은 전자 수송층 및 전자 주입층을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제 1 발광층과 제 2 발광층은 각각 적색 발광층, 녹색 발광층이며, 상기 제 3 발광층은 청색 발광층일 수 있다.
여기서, 상기 제 1 공통층, 제 1 발광층, 제 2 발광층 및 버퍼층은 용액성 재료로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 제 1 공통층은 정공 주입층 및 정공 수송층을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 기판은 상기 제 1 전극과 각 화소별로 접속되는 박막 트랜지스터를 갖는 박막 트랜지스터 어레이를 더 포함하여 액티브 방식의 디스플레이로 이용할 수 있다.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유기 발광 소자의 제조 방법은 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판을 준비하는 단계;와, 상기 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;와, 상기 제 1 전극 상에 용액 공정으로 제 1 공통층을 형성하는 단계;와, 상기 제 1 공통층 상에, 각각 용액 공정을 통해 상기 제 1 화소에 제 1 발광층과, 상기 제 2 화소에 제 2 발광층을 형성하고, 상기 제 3 화소에 버퍼층을 형성하는 단계;와, 증착 공정을 통해, 상기 제 1 발광층과, 제 2 발광층 및 버퍼층을 덮으며, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 차례로, 제 3 발광층과, 제 2 공통층을 형성하는 단계;와, 상기 제 2 공통층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함한 것에 또 다른 특징이 있다.
그리고, 상기 용액 공정은, 잉크젯 인쇄, 노즐 인쇄, 전사 방식, 슬릿 코팅, 그라비아 인쇄(gravure printing) 및 열 제트 인쇄(thermal jet printing) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 버퍼층은 저분자 유기물을 용액 공정으로 형성할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
컬러 표시를 위해 적색, 녹색, 청색 화소를 정의하고, 이들 화소를 구현함에 있어 용액 공정과 증착 방식을 혼합한 하이브리를 소자를 형성한다. 또한, 하이브리드 소자를 구현함에 있어서, 용액성 청색 발광 재료가 갖는 한계를 극복하기 위해 청색 발광층은 증착 재료로 증착 공정으로 형성하며, 이를 공통층으로 적용하여 전 화소에 걸쳐 형성한다. 또한, 상대적으로 낮은 효율의 청색 발광층의 효율을 개선하기 위해 청색 화소에 대응되는 영역에, 정공 수송층과 청색 발광층 사이에 홀 도미넌트 특성의 유기물로 버퍼층을 구비한다. 이 경우, 상기 버퍼층 구비에 의해 청색 화소에서 정공 수송의 계면 저항을 낮추어 청색 구현에 필요한 구동 전압을 낮출 수 있고, 효율을 개선할 수 있다. 또한, 낮은 효율의 청색 화소의 효율 향상으로 전체 소자의 수명 향상을 기대할 수 있다.
그리고, 상기 버퍼층은 청색 화소에만 형성되는 것으로, 알려진 하이브리드 구조에서 전면 증착 방식으로 하이브리드 연결층을 구비한 구조에 대비하여, 적색, 녹색 화소에서는 상기 버퍼층에 의한 영향이 없게 되어, 청색 외의 다른 화소에서 구동 전압 증가나 기타 특성이 저하되는 문제가 없게 된다.
도 1은 본 발명의 유기 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도
도 2는 도 1의 청색 화소에서의 청색 발광층에 인접한 층들의 정공 수송 원리를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 유기 발광 소자를 구체적으로 나타낸 단면도
도 4는 본 발명의 유기 발광 소자의 청색 화소에 있어서, 적용되는 공정을 나타낸 도면
도 5는 유기 발광 소자의 청색 화소에 있어서, 버퍼층 유무에 따른 전압 대 전류 밀도 특성을 나타낸 그래프
도 6은 유기 발광 소자의 청색 화소에 있어서, 버퍼층 유무에 따른 전압 대 휘도 밀도 특성을 나타낸 그래프
도 7은 유기 발광 소자의 청색 화소에 있어서, 버퍼층 유무에 따른 휘도 대 전류 효율 특성을 나타낸 그래프
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 유기 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 2는 도 1의 청색 화소에서의 청색 발광층에 인접한 층들의 정공 수송 원리를 나타낸 도면이다.
도 1과 같이, 본 발명의 유기 발광 소자는 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 TFT 기판(1000)과, 상기 TFT 기판(1000) 상에 형성된 제 1 전극(110)과, 상기 제 1 전극(110)과 대향되며 이격한 제 2 전극(190)과, 상기 제 1 전극(110)과 제 2 전극(190) 사이에, 상기 제 1 화소에 형성된 제 1 발광층(140)과 상기 제 2 화소에 형성된 제 2 발광층(150)과, 상기 제 1 전극(110)과 제 2 전극(190) 사이에, 상기 제 3 화소에만 형성된 버퍼층(160)과, 상기 제 1 발광층(140), 제 2 발광층(150) 및 버퍼층(160) 상부에, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 형성된 제 3 발광층(170)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 제 1, 제 2 발광층(140, 150) 및 버퍼층(160)과 상기 제 1 전극(110) 사이의 층간에는 제 1 공통층이 위치하며, 상기 제 3 발광층(170) 및 제 2 전극(190) 사이의 층간에는 제 2 공통층(180)이 위치한다. 상기 제 1 공통층은 정공 주입층(120) 및 정공 수송층(130)을 포함할 수 있으며, 경우에 따라 상기 정공 주입층(120) 및 정공 수송층(130)은 두 가지 특성을 갖는 재료를 혼합하여 하나의 층으로 형성할 수도 있다. 또한, 상기 제 2 공통층(180)은 경우에 따라 상기 제 2 전극(190)에 접하여 전자 주입층(미도시)을 별도의 층으로 포함할 수도 있다. 또는 전자 주입층을 구비하지 않을 경우에는 상기 제 2 전극(190)에 인접한 제 2 공통층(180)의 표면에 LiF 와 같이, 알칼리 금속 등을 소량 주입하여 전자 주입 특성을 향상시킬 수도 있다.
여기서, 상기 TFT 기판(1000)은 각 화소별로 구동을 위한 TFT(박막 트랜지스터)를 포함하는 셀 구동부가 형성되어 있다.
그리고, 상기 제 1 내지 제 3 화소는 규칙적으로 반복되어 형성된다. 이러한 규칙성은 라인별 또는 대각선 상으로 가질 수 있다. 그리고, 상기 화소별 구분은 뱅크(135)에 의해 이루어질 수 있다.
도시된 예는 제 1 화소는 적색 화소, 제 2 화소는 녹색 화소를 제 3 화소는 청색 화소를 나타낸 것으로, 적색 발광층과 녹색 발광층은 각각 제 1, 제 2 화소에 형성되며, 청색 발광층은 전 화소에 걸쳐 공통적으로 형성된다. 그리고, 이와 같이, 발광층이 수직 구조에서 오버랩하여 형성된 구조를 하이브리드(hybrid) 소자라 한다.
경우에 따라, 상기 제 1 내지 제 3 발광층에 적용되는 색상은 변경될 수 있다. 본 발명에 적용하는 유기 발광 소자에 있어서는 단일 소자로 구현시 가장 효율이 떨어지는 색상의 발광층이 제 3 발광층으로 전 화소에 걸쳐 형성하도록 하는 것이며, 현재까지의 재료 중 청색 발광 재료의 효율이 상대적으로 다른 색상의 발광 재료 대비 효율이 떨어지기 때문에, 제 3 발광층을 청색 발광층으로 적용한 것이다.
그러나, 본 발명의 유기 발광 소자는 이러한 색조합에 한정되지 않고, 발광층의 오버랩 구조에서도 시간의 경과에도 안정적인 컬러 표시 구현 가능하다면 그 외의 색상의 조합으로도 변경 가능하다 할 것이다.
한편, 상기 제 1 발광층(140)과 제 2 발광층(150)은 서로 다른 화소에 구분되어 형성되는데, 이는 저분자 또는 고분자의 용액(soluble) 공정 가능한 재료를 상기 정공 수송층(130) 상에 선택적으로 코팅하여 형성된다. 여기서, 상기 용액 공정으로 형성된 제 1 발광층(140) 및 제 2 발광층(150)을 이루는 재료는 각각 형광 발광 물질 혹은 인광 발광 물질일 수 있다. 이들 발광층(140, 150)은 하나 이상의 호스트에 발광 색상을 표현할 수 있는 하나 이상의 도펀트가 포함하여 이루어진다.
이론적으로는 인광 발광이 형광 발광에 대비 약 3배 정도의 효율을 갖지만, 다른 발광층과의 혼색 정도와, 수명 정도를 고려하여 발광층에 포함되는 인광 또는 형광의 재료를 선택할 수 있다.
여기서, 상기 정공 주입층(120), 정공 수송층(130), 제 1 발광층(140), 제 2 발광층(150) 및 버퍼층(160)은 용액성 재료로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 정공 주입층(120), 정공 수송층(130), 제 1, 제 2 발광층(140, 150) 및 버퍼층(160)을 형성하는 데 이용하는 용액 공정은, 예를 들어, 잉크젯 인쇄(inkjet printing), 노즐 인쇄(nozzle printing), 전사 공정(transferring process), 열 제트 인쇄(thermal jet printing) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이러한 용액 공정은 별도의 마스크나 챔버없이 기판 상에 이루어지는 액상으로 물질을 원하는 영역에 도포하는 것이다.
또한, 상기 제 1, 제 2 발광층(140, 150) 및 상기 버퍼층(160)은 상기 제 3 발광층(170)과 접한다. 즉, 상기 제 1, 제 2 발광층(140, 150)과 상기 제 3 발광층(170)은 그 사이에 층간 물질없이 계면에서 서로 만난다. 또한, 상기 버퍼층(160)은 하부에 인접한 상기 정공 수송층(130)보다 높은 정공 이동도를 갖는 정공 수송 물질로 이루어져 상기 제 3 발광층(170)으로 인입되는 정공 전송의 효율이 높게 한다.
이 경우, 도 2와 같이, 상기 버퍼층(160)은 상기 제 3 발광층(170)의 호스트 및 도펀트 대비 HOMO 에너지 준위 및 LUMO 에너지 준위를 각각 0.5eV 이내의 차로 갖게 하여, 제 3 발광층(170)과의 HOMO/LUMO 에너지 준위 차를 최소화하고, 정공 수송층(130)에서, 제 3 발광층(170)으로의 정공 수송이 용이하게 이루어지게 한다.
또한, 상기 버퍼층(160)은 삼중항 에너지 준위가 2.5eV 이상이 되도록 하는 재료에서 선택한다.
상기 버퍼층(160)의 정공 이동도(hole mobility)는 1.0 ×10-6 ㎠/s·V 이상인 것으로, 바람직하게는 1.0 ×10-4 ㎠/s·V 이상일 수 있다. 어느 경우나 상기 버퍼층(160)은 홀 도미넌트(hole dominent) 특성을 가지며, 이는 종래 알려진 하이브리드 구조의 하이브리드 연결층의 양극 특성과 가장 구분되는 특징이 될 것이다.
상술한 발광층들 중 제 3 발광층(170)(청색 발광층)만 저분자 재료로 증착 방식에 의해 형성하였는데, 이는 현재까지 알려진 청색 발광층의 재료로서는, 용액 공정으로 형성시 다른 발광층에 대비하여 충분한 효율이 나오지 못하며 안정성이 떨어지기 때문이다. 만일, 용액 공정에 의해서도 효율이 좋고 안정성이 향상된 청색 발광층의 개발된다면 청색 발광층 역시 용액 공정으로 대체하여 형성가능하다 할 것이다.
도시된 유기 발광 소자에 있어서는, 상기 제 3 발광층(170)은 청색 발광층으로 저분자 재료를 이용하여 증착 방식으로 형성한 것이다. 경우에 따라, 효율이 확보된다면 고분자 재료로도 형성될 수 있을 것이다.
상기 버퍼층(160)은 상기 제 1 발광층(140) 및 제 2 발광층(150)의 층상에 위치하며, 이들과 동일한 두께 또는 이들보다 작은 두께로 형성한다. 각 화소간에는 뱅크(135)가 형성되기에 제 1, 제 2 발광층(140, 150) 및 버퍼층(160)은 용액 공정으로 형성시 영역 구분이 가능하여, 서로 혼합되지 않고 다른 화소에 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(160)은 제 3 화소(청색 화소)에서, 상기 제 3 발광층(170)으로의 정공 주입 효율을 높이기 위해 구비된 것으로, 상기 제 3 화소에만 형성한다.
상기 버퍼층(160)의 재료는 저분자 또는 단분자 유기물을 인쇄 방식 등의 용액 공정으로 형성한다.
또한, 상기 제 1 전극(110)과 제 2 전극(190)은 일측이 투명 전극, 다른 측이 반사성 전극으로 이루어져 발광 방향이 정의된다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(110)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명 전극으로 이루어지고, 상기 제 2 전극(190)은 Al 등의 반사성 금속일 경우에는 하부 발광(bottom emission)이 이루어지며, 그 반대로 제 1 전극(110)에 Ag/ITO과 같은 반사성 금속을 포함한 적층체를 포함하며, 상기 제 2 전극(190)에 Mg:Ag를 20nm 수준 이하의 두께로 하여 투과성을 갖도록 하는 금속 적층체를 배치할 때는 상부 발광(top emission)이 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제 1 전극(110)과 제 2 전극(190)은 둘 중 하나가 화소별로 나누어 패터닝될 수 있으며, 패터닝된 전극은 전압 인가를 위해 TFT 기판의 셀 구동부에 포함된 박막 트랜지스터(미도시)와 접속된다.
이하, 상기 TFT 기판(1000)에 구비된 박막 트랜지스터를 도시하고, 이와 연결된 제 1 전극을 포함하여, 구체적으로 액티브 방식의 디스플레이로 구현한 예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 유기 발광 소자를 구체적으로 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시된 예는, 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소로 하나의 유닛으로 한 하나의 화소만을 도시한 것으로, 이러한 형태가 좌우, 상하로 연속된다.
도 3과 같이, 액티브 매트릭스 방식의 유기 발광 표시 장치는 기판(100)과, 상기 구동 박막 트랜지스터와 접속된 유기 발광 소자를 구비한다.
상기 구동 박막 트랜지스터는 액티브층(104), 상기 액티브층(104) 양측의 소스/드레인 영역(104s, 104d)에 각각 접속된 소오스 전극(107) 및 드레인 전극(108)과, 상기 액티브층(104)의 채널 영역(104c)에 오버랩된 게이트 전극(106)을 포함한다. 여기서, 상기 소스/드레인 영역(104s, 104d)은 각각 n형 불순물이 주입되어 있다.
그리고, TFT 기판(1000)은 기판(100) 상에 버퍼막(101), 상기 버퍼막(101) 상의 소정 부위에 형성된 구동 박막 트랜지스터와, 상기 구동 박막 트랜지스터를 포함한 전면을 평탄하게 하는 보호막(109)을 포함한다.
구체적으로 TFT 기판(1000) 상을 살펴보면 다음과 같다.
상기 기판(100) 상에 전면 버퍼막(101)이 형성되고, 상기 전면 버퍼막(101) 소정 부위에 액티브층(104)이 형성된다.
그리고, 상기 액티브층(104)을 덮으며 상기 전면 버퍼막(101) 상에 게이트 절연막(103)이 형성된다.
상기 게이트 절연막(103) 상에, 상기 게이트 전극(106)은 액티브층의 채널 영역(104c)과 중첩되게 형성된다. 그리고, 상기 소스 전극(107) 및 드레인 전극(108)은 게이트 전극(106)과 층간 절연막(105)을 사이에 두고 절연되게 형성된다.
소스 전극(107) 및 드레인 전극(108)은 층간 절연막(105) 및 게이트 절연막(103)을 관통하는 콘택홀들(114c)을 통해 n+ 불순물이 주입된 액티브층(104)의 소스 영역(104s) 및 드레인 영역(104d)과 각각 접속된다.
이러한 액티브층(104)은 오프 전류를 감소시키기 위해 채널 영역(104c)과 소스 및 드레인 영역(104s, 104d) 사이에 n- 불순물이 주입된 엘디디(Lightly Doped Drain; LDD) 영역(미도시) 더 구비하기도 한다.
또한, 상기 보호막(109)은 무기 절연 물질로 형성된 무기 보호막과 유기 절연 물질로 형성된 유기 보호막으로 두 층으로 형성될 수 있다.
그리고, 제 1 전극(110)은 각각의 드레인 전극(108)과 접속하여 각 화소별로 형성된다.
유기 발광 소자는 구동 박막 트랜지스터의 드레인 전극(108)과 접속된 제 1 전극(110)과, 도 1에서 설명한, 제 1 공통층을 이루는 정공 주입층(120), 정공 수송층(130)와, 적색 화소(제 1 화소)에 형성된 제 1 발광층(적색 발광층)(140), 녹색 화소(제 2 화소)에 형성된 제 2 발광층(녹색 발광층)(150), 청색 화소(제 3 화소)에만 형성된 버퍼층(160), 상기 제 1, 2 발광층과 상기 버퍼층(160) 상에 형성된 제 3 발광층(청색 발광층)(170), 제 2 공통층(180) 및 제 2 전극(190)을 포함하는 구성을 갖는다.
경우에 따라, 도시된 바와 같이, 각 화소를 나누도록 상기 정공 주입층(120), 정공 수송층(130) 및 각 화소의 제 1, 제 2 발광층들(140, 150) 사이에 뱅크(135)가 더 구비될 수도 있다. 액티브 매트릭스 유기 발광 표시 장치에 있어서는, 각 화소를 구분하도록 뱅크를 구비한다. 하지만, 이러한 뱅크는 구조에 따라 생략되는 경우도 있다.
유기 발광 소자는 제 1 전극(110)과 제 2 전극(190)에 각각 전압을 인가하여 제 1, 제 2 전극(110, 190) 사이에 전계를 형성하면 제1 전극(110)으로부터 정공(hole)이 제 2 전극(190)으로부터 전자(electron)가 주입되어 각각 제 1 내지 제 3 발광층(140, 150, 170)에서 재결합하여 이로 인해 엑시톤(exciton)이 생성되며, 이 엑시톤이 기저상태로 떨어지면서 빛이 배면(Bottom)으로 방출하게 된다.
여기서, 상기 버퍼층(160)은 상기 제 1, 제 2 발광층(140, 150)에서 생략되어, 제 1, 제 2 화소에서 영향을 주지 않고, 상기 제 3 화소(청색 화소)에만 배치되어, 청색 발광의 효율을 향상시키는 기능을 한다. 즉, 정공 수송 효율을 높여 결과적으로, 제 3 발광층에서 전자/정공의 이동을 도와, 발광층에서 전자/정공 재결합을 높이게 하여, 발광 효율을 향상시킨다. 또한, 발광 효율을 향상시킴에 의해, 청색 발광에 필요한 구동 전압을 줄일 수 있다.
이하, 구체적으로 본 발명의 유기 발광 소자를 적용시 청색 화소(위 기술된 내용의 제 3 화소에 상당)에 이루어지는 공정과, 이러한 구조에 의해 개선되는 효과를 살펴본다.
실험에서는 박막 트랜지스터는 생략하고, 청색 화소에서 제 1, 제 2 전극 사이의 구성을 구비하여 진행하였다.
도 4는 본 발명의 유기 발광 소자의 청색 화소에 있어서, 적용되는 공정을 나타낸 도면이다.
즉, 도 4와 같이, 본 발명의 유기 발광 소자의 청색 화소는, 아래에서부터 차례로, 제 1 전극(110), 정공 주입층(120), 정공 수송층(130), 버퍼층(160), 제 3 발광층(청색 발광층), 제 2 공통층(전자수송층)(180) 및 제 2 전극(190)이 적층되어 있다.
또한, 대비 구조로서 청색 화소에서 버퍼층이 없는 점만을 제외하고는 도 4와 동일한 조건으로 한 Ref 구조를 형성하였다.
Ref (무버퍼층 구조) 본 발명
cd/A 4.7 7.2
lm/W 3.2 5
Volt 4.5 4.2
CIEx, CIEy (0.14, 0.098) (0.14, 0.09)
표 1과 같이, 본 발명의 청색 화소는 대비 구조와 대비하여, 휘도가 4.7cd/A에서 7.2cd/A로 약 53% 향상하였고, 광효율이 3.2 lm/W에서 5 lm/W로 약 56% 향상하였고, 구동 전압은 4.5V에서 4.2V로 7% 감소함을 알 수 있다.
또한, CIEy 값이 낮은 값을 보여 보다 딥 블루 특성을 가짐을 알 수 있다.
즉, 실험을 통해 정공 이동도 값인 높은 버퍼층을 구비한 본 발명의 청색 화소에서, 효율의 개선과 구동 전압 감소의 효과를 동시에 얻으며, 또한, 디스플레이에서 선호하는 딥블루 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.
도 5는 유기 발광 소자의 청색 화소에 있어서, 버퍼층 유무에 따른 전압 대 전류 밀도 특성을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 6은 유기 발광 소자의 청색 화소에 있어서, 버퍼층 유무에 따른 전압 대 휘도 밀도 특성을 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 7은 유기 발광 소자의 청색 화소에 있어서, 버퍼층 유무에 따른 휘도 대 전류 효율 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5 내지 도 7과 같이, 버퍼층이 없는 구조(W/O Buffer) 대비 본 발명의 청색 화소와 같이, 버퍼층을 구비한 구조(W/ Buffer)에서, 구동 전압 대 전류 밀도 특성, 구동 전압 대 휘도 특성, 휘도 대비 전류 효율 특성이 모두 향상됨을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 유기 발광 소자는 상술한 실험 결과와 같이, 청색 화소에서의 효율개선 및 구동 전압 감소의 특성과 더불어 종래 하이브리드 연결층과 같이, 전화소에 걸쳐 형성되는 층을 제 1, 제 2 발광층과 제 3 발광층 사이에서 생략할 수 있어, 제 1, 제 2 화소(적색 화소, 녹색 화소)에서 구동 전압이 늘어나는 문제점도 동시에 해결할 수 있다.
이하, 본 발명의 유기 발광 소자의 정공 주입층, 정공 수송층, 적색 발광층 및 녹색 발광층과, 버퍼층에 적용하는 용액 공정의 방법을 예를 들어 설명한다.
예를 들어, 용액 공정은 잉크젯 인쇄, 노즐 인쇄, 전사 방식, 슬릿 코팅, 그라비아 인쇄(gravure printing) 및 열 제트 인쇄(thermal jet printing) 등이 있을 것이다.
잉크젯 인쇄는, 기판 상에 도트 적하가 가능한 분사구를 갖는 헤드를 통해, 인쇄가 이루어지는 것이다. 이 경우, 인쇄시 헤드 또는 기판이 이동한다. 이 경우, 미세한 영역별 제어가 용이하다. 즉, 유기 발광 소자의 화소별 선택적 도팅이 용이하게 이루어질 수 있다.
노즐 인쇄(nozzle printing)는, 슬릿(slit) 상으로 노즐(nozzle)을 준비하여, 기판 상에 인쇄를 하는 것이다. 이러한 노즐은 복수개 구비할 수도 있다. 상대적으로 잉크젯 인쇄방식 대비 좀 더 넓은 영역에 분포된 패턴의 인쇄에 용이하다. 예를 들어, 기판 상에 뱅크가 형성되어 있는 유기 발광 소자에 경우, 전면 노즐 인쇄 방식으로 소정의 층을 형성시, 뱅크에 의해 영역별 구분이 가능하다.
롤 인쇄(roll printing)는, 패턴이 형성된 메인 롤러를 회전시켜 기판 상에 인쇄 패턴을 형성시키는 것이다. 이 경우, 보조 롤러는 인쇄용액이 공급되는 헤드와 접속되어, 헤드로부터 인쇄용액이 메인 롤러의 패턴 상에 계속적으로 공급되게 유도한다. 경우에 따라, 상기 메인 롤러에 패턴이 형성되지 않은 경우, 기판 전체에 도포가 가능하다.
이러한 용액 공정을 진행하는 추가적인 예로, 전사 방식, 그라비아 인쇄(gravure printing) 및 열 제트 인쇄(thermal jet printing)을 더 들 수 있다.
하지만 상술한 예들은, 용액 공정의 한정적 예들에 한하며, 장비의 개발 등에 따라 이와 다른 장비 혹은 다른 공정의 용액 공정으로도 진행될 수 있다.
상술한 실험 결과는 적색 발광층 혹은 녹색 발광층과 청색 발광층이 오버랩한 하이브리드 소자 구조에 있어서도, 본 발명의 유기 발광 소자는 청색 발광층에서의 효율 개선 효과에 의해, 하이브리드 연결층을 구비하는 구조 대비 동일한 구동 전압에 대해 높은 휘도 효율을 예상할 수 있다. 이는 타 발광층 대비 낮은 효율 특성을 나타내는 청색 발광층의 효율 개선으로, 다른 발광층과 오버랩하여 형성하는 하이브리드 소자의 수명 개선을 기대할 수 있다.
이하, 간략히 도 1을 참조하여 본 발명의 유기 발광 소자의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 제 1 화소 내지 제 3 화소의 순으로 화소가 매트릭스 상으로 배치된 TFT 기판(1000)을 준비한다. 여기서, TFT 기판(1000)은 각 화소별로 박막 트랜지스터가 형성되어 있다.
이어, 상기 기판(1000) 상에 제 1 전극(110)을 형성한다. 상기 제 1 전극(110)은 화소별로 상기 박막 트랜지스터(미도시)와 접속된다.
여기서, 상기 박막 트랜지스터(미도시) 형성시 각 화소를 구분하는 뱅크(135)를 형성할 수 있다.
이어, 상기 제 1 전극(110) 상에 상술한 방식의 용액 공정으로 정공 주입층(120), 정공 수송층(130)을 형성한다.
이어, 상기 정공 수송층(130) 상에, 각각 용액 공정을 통해 상기 제 1 화소에 제 1 발광층(140)과, 상기 제 2 화소에 제 2 발광층(150)을 형성한다.
그리고, 상기 제 3 화소에만 홀 도미턴트 특성의 유기물로 버퍼층(160)을 형성한다.
이어, 증착 공정을 통해, 상기 제 1 발광층(140), 제 2 발광층(150) 및 버퍼층(160)을 덮으며, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 차례로, 제 3 발광층(170) 및 제 2 공통층(180)을 형성한다.
이어, 상기 제 2 공통층(180) 상에 제 2 전극(190)을 형성한다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
100: 기판 110: 제 1 전극
120: 정공 주입층 130: 정공 수송층
140: 제 1 발광층 150: 제 2 발광층
160: 버퍼층 170: 제 3 발광층
180: 제 2 공통층 190: 제 2 전극

Claims (15)

  1. 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되며 이격한 제 2 전극;
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 상기 제 1 화소에 형성된 제 1 발광층과 상기 제 2 화소에 형성된 제 2 발광층;
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 상기 제 3 화소에만 형성된 버퍼층;
    상기 제 1 발광층, 제 2 발광층 및 버퍼층 상부에, 상기 제 1 발광층, 상기 제 2 발광층 및 상기 버퍼층에 직접 접촉되도록 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 형성된 제 3 발광층;
    상기 제 1 발광층, 제 2 발광층 및 버퍼층의 층과, 상기 제 1 전극의 층간에 형성된 제 1 공통층; 및
    상기 제 3 발광층과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 제 2 공통층을 포함한 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제 1 공통층보다 높은 정공 이동도를 갖는 유기물로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 버퍼층은 1.0 ×10-4 ㎠/s·V 이상의 정공 이동도를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제 3 발광층의 호스트 및 도펀트 대비 HOMO 에너지 준위 및 LUMO 에너지 준위를 0.5eV 이내의 차로 갖는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 공통층은 정공 주입층과 정공 수송층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 공통층은 전자 수송층 및 전자 주입층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 발광층과 제 2 발광층은 각각 적색 발광층, 녹색 발광층이며, 상기 제 3 발광층은 청색 발광층인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 공통층, 제 1 발광층, 제 2 발광층 및 버퍼층은 용액성 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제 1 전극과 각 화소별로 접속되는 박막 트랜지스터를 갖는 박막 트랜지스터 어레이를 더 포함한 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  12. 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 상에 용액 공정으로 제 1 공통층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 공통층 상에, 각각 용액 공정을 통해 상기 제 1 화소에 제 1 발광층과, 상기 제 2 화소에 제 2 발광층을 형성하고, 상기 제 3 화소에 버퍼층을 형성하는 단계;
    증착 공정을 통해, 상기 제 1 발광층과, 제 2 발광층 및 버퍼층을 덮으며, 상기 제 1 발광층, 상기 제 2 발광층 및 상기 버퍼층에 직접 접촉되도록 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 제 3 발광층을 형성하는 단계;
    상기 제 3 발광층상에 제 2 공통층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 공통층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 용액 공정은,
    잉크젯 인쇄, 노즐 인쇄, 전사 방식, 슬릿 코팅, 그라비아 인쇄(gravure printing) 및 열 제트 인쇄(thermal jet printing) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 버퍼층은 저분자 유기물을 용액 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제 1 공통층보다 정공 이동도가 높은 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
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