KR102203774B1 - 백색 유기 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 스택간 구비되는 전하 생성층에 무기 물질의 공증착을 적용하여 고효율과 함께 저전압을 구현한 백색 유기 발광 소자에 관한 것으로, 서로 대향된 양극과 음극;과, 상기 양극과 음극 사이에 각각 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층을 포함한, 복수개의 스택; 및 서로 다른 스택간에는 n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층을 포함하여 이루어지며, 상기 n형 전하 생성층은 제 1 유기물 호스트를 포함하며, 상기 p형 전하 생성층은 상기 제 1 유기물 호스트의 LUMO 에너지 준위보다 작거나 같은 LUMO 에너지 준위를 갖는 제 2 유기물 호스트와, 1% 내지 20%의 부피비로 금속을 포함한 무기 도펀트로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

백색 유기 발광 소자 {White Organic Emitting Device}
본 발명은 유기 발광 표시 장치에 관한 것으로 특히, 발광 스택간 구비되는 전하 생성층에 무기 물질의 공증착을 적용하여 고효율과 함께 저전압을 구현한 백색 유기 발광 소자에 관한 것이다.
본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라, 전기적 정보신호를 시각적으로 표시하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전하고 있다. 이에, 여러 가지 다양한 평판표시장치(Flat Display Device)에 대해 박형화, 경량화 및 저소비전력화 등의 성능을 개발시키기 위한 연구가 계속되고 있다.
이 같은 평판표시장치의 대표적인 예로는 액정표시장치(Liquid Crystal Display device: LCD), 플라즈마표시장치(Plasma Display Panel device: PDP), 전계방출표시장치(Field Emission Display device: FED), 전기발광표시장치(Electro Luminescence Display device: ELD), 전기습윤표시장치(Electro-Wetting Display device: EWD) 및 유기 발광 표시 장치(Organic Light Emitting Display device: OLED) 등을 들 수 있다.
이 중, 별도의 광원을 요구하지 않으며 장치의 컴팩트화 및 선명한 컬러 표시를 위해 유기 발광 표시 장치가 경쟁력 있는 어플리케이션(application)으로 고려되고 있다.
이러한 유기 발광 표시 장치에는, 유기 발광층의 형성이 필수적이다.
상기 유기 발광층을 화소별로 패터닝하지 않고, 서로 다른 색상의 유기 발광층을 포함하는 스택 구조를 적층시켜 백색을 표시하는 유기 발광 표시 장치가 제안되었다.
즉, 백색 유기 발광 표시 장치는, 발광 다이오드 형성시 양극과 음극 사이의 각 층을 마스크 없이 증착시키는 것으로, 유기발광층을 포함한 유기막들의 형성을 차례로 그 성분을 달리하여 진공 상태에서 증착하는 것을 특징으로 한다.
상기 백색 유기 발광 표시 장치는, 박형 광원, 액정표시장치의 백라이트 또는 컬러 필터를 채용한 풀컬러 표시 장치에 쓰일 수 있는 등 여러 용도를 가지고 있는 소자이다.
한편, 종래의 유기 발광 표시 장치는, 서로 다른 색상의 광을 발광하는 각 스택이 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층을 포함한다. 그리고, 각 발광층 내에는 단일 호스트와 발광하는 색상용 도펀트가 포함되어 발광층 내로 유입된 전자, 정공의 결합 작용에 의해 해당 색상이 발광된다. 또한, 각 스택에 서로 다른 색상의 발광층을 포함하여 복수개의 스택을 적층시켜 형성하는데, 이 경우 스택과 스택 사이에 전하 생성층(CGL: Charge Generation Layer)을 두어 인접한 스택으로부터 전자를 인가받거나 혹은 정공을 전달한다. 그리고, 상기 전하 생성층은 n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층으로 구분되는데, 종래의 전하 생성층 구조를 적용시 구동 전압과 수명이 모두 개선된 예가 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 발광 스택간 구비되는 전하 생성층에 무기 물질의 공증착을 적용하여 고효율과 함께 저전압을 구현한 백색 유기 발광 소자를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 백색 유기 발광 소자는 서로 대향된 양극과 음극;과, 상기 양극과 음극 사이에 각각 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층을 포함한, 복수개의 스택; 및 서로 다른 스택간에는 n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층을 포함하여 이루어지며, 상기 n형 전하 생성층은 제 1 유기물 호스트를 포함하며, 상기 p형 전하 생성층은 상기 제 1 유기물 호스트의 LUMO 에너지 준위보다 작거나 같은 LUMO 에너지 준위를 갖는 제 2 유기물 호스트와, 1% 내지 20%의 부피비로 금속을 포함한 무기 도펀트로 이루어진 것에 그 특징이 있다.
상기 n형 전하 생성층은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 n형 도펀트를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 무기 도펀트의 금속은 상기 n형 도펀트와 같거나 큰 일함수를 갖는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 무기 도펀트에 포함되는 금속은 2.9 eV 내지 5.5eV의 일함수를 갖는 것일 수 있다.
또한, 상기 무기 도펀트는 MgF2, MgCl2, ZnF2 중 어느 하나일 수 있다.
그리고, 상기 무기 도펀트는 상기 p형 전하 생성층 내에서, 상기 n형 전하 생성층에 접하여 도핑된 것일 수 있다. 혹은 상기 무기 도펀트는 상기 p형 전하 생성층 내에서 상기 제 2 스택에 접하여 도핑된 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 무기 도펀트는 상기 p형 전하 생성층의 전체 두께를 L이라 할 때, 0.1L 내지 L의 두께로 분포된 것일 수 있다.
경우에 따라, 상기 무기 도펀트는 상기 p형 전하 생성층 내에서 서로 이격된 복수개의 영역에 분포된 것일 수 있다.
한편, 상기 제 2 유기물 호스트는
Figure 112013121037822-pat00001
일 수 있다.
또한, 상기 양극과 음극 사이에 2개의 스택을 포함하며, 상기 양극과 인접한 제 1 스택의 발광층은 청색 발광층이며, 상기 제 2 스택의 발광층은 인광 발광층이며, 황녹색 또는 옐로이쉬 그린색 또는 적녹색을 발광하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제 2 스택의 인광 발광층은 적어도 하나의 정공 수송 물질의 호스트와 적어도 하나의 전자 수송 물질의 호스트를 포함한 것일 수 있다.
한편, 상기 제 1 유기물 호스트는 헤테로 고리(heterocyclic)를 포함하는 융합 방향족 고리(Fused Aromatic Ring)에서 전자 수송 특성을 갖는 화합물일 수 있다.
또한, 상기 n형 전하 생성층에서 n형 도펀트는, n형 전하 생성층의 전체 부피의 0.4% 내지 3%의 함량으로 포함되는 것일 수 있다.
그리고, 각 스택의 발광층에 인접한 정공 수송층과 전자 수송층의 삼중항 준위는 발광층의 호스트의 삼중항 준위보다 0.01 내지 0.4eV 높은 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 백색 유기 발광 소자는 다음과 같은 효과가 있다.
발광 스택간을 연결해주는 전하 생성층 중, p형 전하 생성층에, n형 전하 생성층에 포함된 금속과 같거나 높은 일함수를 갖는 금속을 포함한 무기 화합물을 도펀트로 하여 도핑시켜, p형 전하 생성층과 n형 전하 생성층의 계면에 전자가 축적됨을 방지하고, n형 전하 생성층으로 전자 주입량을 늘려주어 전자의 흐름을 원활하게 할 수 있다. 이로써, 저전압으로 백색 유기 발광 소자의 구현이 가능하다.
또한, 이러한 무기 도펀트를 p형 전하 생성층에 포함시켜, 전자의 흐름이 원활할 때, 계면에서의 전자 축적에 의한 정공 생성 억제가 미연에 방지되어, 정공 생성 효율이 좋아 인접한 스택으로 정공 전달이 우수하여 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 백색 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 2a 및 도 2b는 비교예와, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 발광 스택과 그 사이의 전하 생성층의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 발광 스택과 그 사이의 전하 생성층의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 발광 스택과 그 사이의 전하 생성층의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 발광 스택의 단면도
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 1차 무기물질 도핑량 변경에 따라 구동 전압 대 전류 밀도의 관계를 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 1차 무기 물질 도핑량 변경에 따라 휘도 변화에 따른 수명을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 2차 무기물질 도핑량 변경에 따라 구동 전압 대 전류 밀도의 관계를 나타낸 그래프
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 2차 무기 물질 도핑량 변경에 따라 휘도 변화에 따른 수명을 나타낸 그래프
도 10은 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 1차 동일 도핑량에 따라 구동 전압 대 전류 밀도의 관계를 나타낸 그래프
도 11은 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 1차 동일 도핑량에 따라 휘도 변화에 따른 수명을 나타낸 그래프
도 12는 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 2차 동일 도핑량에 따라 구동 전압 대 전류 밀도의 관계를 나타낸 그래프
도 13은 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 2차 동일 도핑량에 따라 휘도 변화에 따른 수명을 나타낸 그래프
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 백색 유기 발광 소자를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 백색 유기 발광 표시 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1과 같이, 본 발명의 백색 유기 발광 소자는, 기판(100) 상에, 서로 대향된 양극(110)과 음극(150)과, 상기 양극(110)과 음극(150) 사이에 각각 정공 수송층(도 5의 123 참조), 발광층(도 5의 125 참조) 및 전자 수송층(도 5의 127 참조)을 포함한 복수개의 스택(120, 140) 및 서로 다른 스택(120, 140)간에는 n형 전하 생성층(133)과 p형 전하 생성층(137)을 포함한 전하 생성층(130)으로 이루어진다.
그리고, 상기 n형 전하 생성층(133)은 제 1 유기물 호스트(h1)를 포함하며, 상기 p형 전하 생성층(137)은 상기 제 1 유기물 호스트(h1)의 LUMO 에너지 준위보다 작거나 같은 LUMO 에너지 준위를 갖는 제 2 유기물 호스트(h2)와, 1% 내지 20%의 부피비로 금속을 포함한 무기 도펀트(d2)로 이루어진다.
또한, 도면 상에는 상기 n형 전하 생성층(133)에 n형 도펀트(d1)가 포함된 상태를 나타내었으나, 이에 한하지 않고, 단일 제 1 유기물 호스트(h1)로만 n형 전하 생성층(133)이 이루어지는 것도 가능하다.
도시된 도면 상에는 2개의 스택만을 도시하였으나, 여기에 한정되지 않고, 3개 이상의 스택으로도 적용 가능하다. 또한, 3개 이상의 스택이 구비될 때, 상기 스택은 동일 색상의 발광층을 포함한 발광 유닛이 반복될 수 있다.
한편, 각 스택을 아래에서부터 차례로 청색 스택, 청색보다 장파장의 색상의 광을 발광하는 인광 스택으로 구비시 최종적으로 음극(150) 혹은 양극(110) 방향으로 백색의 광이 출력되는 것이 가능하다.
또한, 도시된 도면에는, 상기 기판(100) 상에 인접하여 양극(110)을 형성하고, 그 상측에 복수개의 스택과 스택 사이사이의 전하 생성층과 음극(150)을 형성한 상태를 나타내었으나, 경우에 따라, 기판(100)에 인접하여 음극을 구비하고, 이와 이격 대향하여 양극을 구비하고, 음극과 양극 사이에, 도 1과는 역순으로 스택과 전하 생성층을 배치할 수도 있을 것이다.
여기서, 상기 인광 스택의 인광 발광층은 적어도 하나의 정공 수송 물질의 호스트와 적어도 하나의 전자 수송 물질의 호스트를 포함할 수 있으며, 여기서, 황녹색(Yellow Green) 또는 옐로이쉬 그린(Yellowish Green) 영역 혹은 적녹색(Red Green) 영역의 파장의 광을 발광하는 도펀트를 포함한다.
또한, 상기 인광 스택의 인광 발광층에 포함되는 도펀트는 1개 또는 2개 가질 수 있으며, 2개 가질 경우, 서로의 도핑 농도를 다르게 가질 수 있다.
한편, 상기 제 1 스택(120)이 청색 스택인 경우, 내부에 청색 형광 발광층을 구비하여 구현하는데, 경우에 따라 재료의 개발이 가능하다면 청색 인광 발광층으로도 변경이 가능하다.
그리고, 상기 p형 전하 생성층(137)에 포함되는 무기 도펀트(d2)는 예를 들어, MgF2, MgCl2, ZnF2 중 어느 하나일 수 있다. 이러한 무기 도펀트(d2)는, 제 2 유기 호스트(h2)와 함께, 열 증착 가능한 재료이며, 약 2.9eV 내지 5.5eV의 일함수를 갖는 금속과 이와 이온 결합 가능한 원소가 결합한 무기 화합물이다.
그리고, 상기 p형 전하 생성층(137)에 포함되는 무기 도펀트(d2)가 갖는 일함수의 값(W2)은, 비단 상술한 수치에 한정되지는 않고, 인접한 n형 전하 생성층(133)에 포함된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 n형 도펀트(d1)의 일함수 값(W1)과 비교하여 같거나 클 수 있고, p형 전하 생성층(137)의 주재료인 제 2 유기 호스트(h2)의 LUMO2 값과 비교하여 그 절대 값보다 적어도 작거나 같은 값일 수 있다.
경우에 따라, 상기 n형 전하 생성층(133)은 금속 성분의 n형 도펀트가 포함되지 않고, 제 1 유기 호스트(h1)가 n형의 유기물 성분으로만 이루어질 수 있는데, 이 경우, 상기 p형 전하 생성층(137)에 포함되는 무기 도펀트(d2)에 포함된 금속의 일함수 값은 상기 제 1 유기 호스트(h1)의 LUMO 의 절대값보다는 큰 값이어야 한다.
한편, 상기 p형 전하 생성층(137)의 제 2 유기 호스트(h2)는 예를 들어, 퀴논(Quinone) 계열의 화합물이나 화학식 1과 같은 HAT-CN 재료로 이루어질 수 있다.
Figure 112013121037822-pat00002
또한, 상기 무기 도펀트(d2)는 상기 p형 전하 생성층(137) 내에서, 상기 n형 전하 생성층(133)에 접하여 도핑된 것일 수 있다. 혹은 상기 무기 도펀트(d2)는 상기 p형 전하 생성층(137) 내에서 상기 제 2 스택(140)에 접하여 도핑된 것일 수 있다.
이 경우, 상기 무기 도펀트(d2)는 상기 p형 전하 생성층(137)의 전체 두께를 L이라 할 때, 0.1L 내지 L의 두께로 분포된 것일 수 있다.
경우에 따라, 상기 무기 도펀트(d2)는 상기 p형 전하 생성층(137) 내에서 서로 이격된 복수개의 영역에 분포된 것일 수 있다.
한편, 상기 n형 전하 생성층(133)에 주성분인 제 1 유기물 호스트(h1)는 헤테로 고리(heterocyclic)를 포함하는 융합 방향족 고리(Fused Aromatic Ring)에서 전자 수송 특성을 갖는 화합물일 수 있다.
만일, 상기 n형 전하 생성층(133)에서 금속 성분의 n형 도펀트가 포함될 때, 이는 n형 전하 생성층(133)의 전체 부피의 0.4% 내지 3%의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 각 스택(120, 140)의 발광층에 인접한 정공 수송층과 전자 수송층의 삼중항 준위는 발광층의 호스트의 삼중항 준위보다 0.01 내지 0.4eV 높은 것이 바람직하다.
그리고, 상기 p형 전하 생성층(137)에 최인접한 제 2 스택(140)의 정공 수송층은 인접한 발광층에 발생된 전자 혹은 여기자가 유입됨을 방지할 수 있는 전자 혹은 여기자 저지 기능을 갖는 정공 수송 물질로 이루어진다. 혹은 정공 수송층의 단일층이나 이에 발광층측으로 인접한 여기자 저지층을 별도로 더 구비할 수도 있다.
이하, 도면을 참조하여 구체적으로 본 발명의 실시예들에 대해 살펴본다.
도 2a 및 도 2b는 비교예와, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 발광 스택과 그 사이의 전하 생성층의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b와 같이, 비교예에 비해 본 발명의 제 1 실시예는 p형 전하 생성층(137)에 무기 도펀트(d2)에 도핑된 점에서 차이를 갖는다.
즉, 도 2a의 비교에에서는, p형 전하 생성층(37)이 단일의 유기 호스트로 이루어지지만, 도 2b의 본 발명의 제 1 실시예는 약 2.9eV 내지 5.5eV의 일함수를 갖는 금속을 무기 도펀트(d2)에 포함시켜, 결과적으로 제 2 스택(140)에서 전달된 전자가 p형 전하 생성층(137)에서 제 2 유기 호스트(h2)의 LUMO 에너지 준위에서 무기 도펀트의 일함수만큼 점핑하여, n형 전하 생성층(133)로 전자 전달이 용이하게 한다.
또한, 이 경우, 상기 p형 전하 생성층(137)의 무기 도펀트(d2)는 포함된 금속의 일함수(W2)는 n형 도펀트(d1)의 일함수(W1)보다 같거나 그 이상이며, 제 2 유기 호스트(h2)의 LUMO 에너지 준위보다 절대 값으로 작은 값을 가져, p형 전하 생성층(137)의 전자가 n형 전하 생성층(133)으로 전달됨에 있어, 계면에서 갖는 에너지 배리어(E)를 낮출 수 있다. 이 경우, 상기 전자는 p형 전하 생성층(137)의 제 2 유기 호스트의 LUMO 에너지 준위, 무기 도펀트의 일함수, n형 전하 생성층(133)의 일함수의 순으로 단계식으로 점핑하여 전달된다. 따라서, p형 전하 생성층(137)과 n형 전하 생성층(133)의 계면에서 전자가 축적됨을 방지하여, 전자 축적으로 발생되는 정공 억제도 방지될 수 있다. 따라서, p형 전하 생성층(137)과 n형 전하 생성층(133) 계면의 전자 축적 방지로 인해 일차적으로 구동 전압을 낮출 수 있으며, 전체적으로 n형 전하 생성층(133)에서 제 1 스택(120)으로의 전자 전달, p형 전하 생성층(137)에서 제 2 스택(140)으로 정공 전달이 원활하게 되어, 장치의 수명을 향상하는 효과도 얻을 수 있다.
여기서, 도 2b에서 설명하지 않은 도면 부호 110은 양극을, 150은 음극을 의미한다.
또한, 도 2b와 비교되는 도 2a에서 설명하지 않은 부호 11, 12, 33, 40, 50은 각각 양극, 제 1 스택, n형 전하 생성층, 제 2 스택, 음극을 나타낸다.
이와 같이, 본 발명의 백색 유기 발광 소자는, 고효율을 달성하기 위해서 2 스택 및 그 이상의 적층 구조를 형성하여 효율을 향상시키는 구조를 적용한다. 이런 적층 구조에서는 전하의 생성 및 이동을 위해 전하 생성층 구조를 적용한다. 전하는 p형 전하 생성층과 2스택의 정공 수송층 계면에서 정공과 전자가 생성되고 생성된 전자는 n형 전하 생성층의 LUMO 에너지 준위로 펌핑되어 이동하게 된다. 이 때, 도 2a와 같이, p형 전하 생성층과 n형 전하 생성층의 에너지 갭(E)이 크면 계면에 전자가 축적되고, 축적된 전자는 정공의 생성을 방해하게 된다. 이런 이유로 전압을 상승시키고 결과적으로 수명을 짧게 한다. 이러한 적층 구조 증가로 인한 구동 전압의 상승은 백색 유기 발광 소자의 취약점으로, 해결해야 하는 과제로 지적된다.
따라서, 본 발명의 백색 유기 발광 소자는, 고효율을 달성하기 위해서는 2 스택 및 그 이상의 적층 구조를 형성하여 효율을 향상시키는 구조를 적용한다. 이런 적층 구조에서는 전하의 생성 및 이동을 위해 전하 생성층(CGL: Charge Generation Layer)을 적용한다.
p형 전하 생성층과 2스택의 정공 수송층 계면에서 정공과 전자가 생성되고, 생성된 전자는 n형 전하 생성층의 LUMO로 펌핑되어 이동하게 된다. 이 때, p형 전하 생성층과 n형 전하 생성층의 에너지 갭을 줄이기 위해, p형 전하 생성층에 n형 전하 생성층의 LUMO 에너지 준위보다 작거나 같은 LUMO 에너지 준위를 갖는 유기물 호스트 외에, 1% 내지 20%의 부피비로 금속을 포함한 무기 도펀트를 포함시켜, 전자가 p형 전하 생성층에서 n형 전자 생성층으로 넘어가는 스텝을 형성하여 주는 것이다. 이로써, n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층간 계면에 전자가 축적되고, 축적된 전자는 홀 생성을 방해하는 것을 미연에 방지할 수 있으며, 결과적으로, 저전압 구동과 수명 향상을 함께 얻을 수 있는 것이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 발광 스택과 그 사이의 전하 생성층의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면이다.
도 3과 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자는, 제 1 실시예와 비교하여, p형 전하 생성층(237)에 포함되는 무기 도펀트(d2)를 n형 전하 생성층(133)에 인접하여 형성한 것에만 차이를 갖고 나머지 구조는 동일하며, 동일 부위에 대한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 발광 스택과 그 사이의 전하 생성층의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면이다.
도 4와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자는, 제 1 실시예와 비교하여, p형 전하 생성층(337)에 포함되는 무기 도펀트(d2)를 제 2 스택(140)에 인접하여 형성한 것에만 차이를 갖고 나머지 구조는 동일하며, 동일 부위에 대한 설명은 생략한다.
제 1 내지 제 3 실시예의 경우 모두, 약 2.9eV 내지 5.5eV의 일함수를 갖는 금속을 무기 도펀트(d2)에 포함시켜, 결과적으로 제 2 스택(140)에서 전달된 전자가 p형 전하 생성층(137, 237, 337)에서 제 2 유기 호스트(h2)의 LUMO 에너지 준위에서 무기 도펀트의 일함수만큼 점핑하여, n형 전하 생성층로 전자 전달이 용이하게 한다. 또한, 이 경우, 상기 p형 전하 생성층(137, 237, 337)의 무기 도펀트(137a, 237a, 337a)는 n형 도펀트(d1)의 일함수(W1)보다 같거나 그 이상이며, 제 2 유기 호스트(h2)의 LUMO 에너지 준위보다 절대 값으로 작은 값을 가져, p형 전하 생성층(137, 237, 337)의 전자가 n형 전하 생성층(133, 233, 333)으로 전달됨에 있어, 계면에서 갖는 에너지 배리어를 낮출 수 있다.
도 5는 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 발광 스택의 단면도이다.
도 5에서는 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 제 1 스택(120)을 나타낸 것으로, 정공 수송층(123), 발광층(125) 및 전자 수송층(127)을 차례로 적층된 것을 기본 구성으로 나타낸 것이다.
백색 유기 발광 소자의 각 스택은 이러한 구성을 가지며, 양극(110)에 인접한 제 1 스택(120)의 경우, 양극(110)과 접하여 정공 주입층(미도시)을 상술한 정공 수송층(123) 하부에 더 포함할 수 있으며, 음극(150)에 인접한 제 2 스택(140)의 경우, 음극(150)과 접하여 전자 주입층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 후자의 경우, 전자 주입층은 해당 발광 스택의 전자 수송층 상에 형성될 것이다.
여기서, 또한, 각 스택(120)의 발광층(125)에 인접한 정공 수송층(123)과 전자 수송층(127)의 삼중항 준위는 발광층(125)의 호스트의 삼중항 준위보다 0.01eV 내지 0.4eV 높은 것이 바람직하다. 이는 각 발광층에 발생된 여기자가 해당 발광층에서 인접한 정공 수송층이나 전자 수송층으로 넘어가지 못하게 제한하기 위함이다.
이하, 각 실시예의 효과를 비교예와 비교하여 설명한다.
이하에서 설명하는 제 1 스택은 청색 스택으로 청색 형광 발광층을 이용하고 있으며, 제 1 스택은 양극에 인접하여 정공 주입층, 제 1 정공 수송층, 청색 형광 발광층, 제 1 전자 수송층의 순으로 형성된다.
그리고, 제 2 스택은 상기 p형 전하 생성층(137 또는 237 또는 337)에 인접하여 제 2 정공 수송층, 인광 발광층, 제 2 전자 수송층, 전자 주입층의 순으로 형성된다. 그리고, 인광 발광층은 예를 들어, 황녹색 인광 발광층일 경우를 실험하였다.
그리고, 제 1 내지 제 3 실시예서 p형 전하 생성층 내에서 무기 도펀트의 위치를 달리한 점을 제외하고 양극에서부터 음극까지의 각 층의 성분은 다음으로 하여 실험하였다.
제 1 스택의 정공 주입층은, 화학식 1의 HAT-CN으로 하였으며, 제 1 정공 수송층은 다음의 화학식 2로 하였다. 또한, 청색 형광 발광층에는 화학식 3의 호스트 성분과, 화학식 4의 청색 도펀트를 포함시켰다. 그리고, 이어 형성하는 제 2 전자 수송층은 화학식 5의 재료를 이용하였다.
이어 형성하는 n형 전하 생성층은 화학식 5을 제 1 유기 호스트로 하였으며, 여기에 Li이나 Mg 등의 소량의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 성분을 n형 도펀트로 포함시켰다.
그리고, p형 전하 생성층의 제 2 유기 호스트는 화학식 1의 HAT-CN 성분으로 하였으며, 포함되는 무기 도펀트는 상술한 MgF2, MgCl2, ZnF2 의 무기 도펀트 중 MgF2으로 선택하여 실험하였으며, 그 함량은 하기 각 표 1 내지 4의 함량을 참조한다.
또한, 제 2 스택의 제 2 정공 수송층은 앞서 설명한 화학식 2의 재료를 이용하였으며, 인광 발광층은 호스트로 화학식 6의 재료를, 황녹색 도펀트로 화학식 7의 재료를 포함시켰다.
이어 형성하는 제 2 전자 수송층은 앞서 상술한 화학식 5의 재료를 이용하였으며, 전자 주입층으로 LiF 의 성분을 이용하였다.
한편, 이러한 제 1 스택의 각층 및 제 2 스택의 각층의 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층의 재료는 이에 한하는 것은 아니며, 각각의 정공 수송과 전자 수송 특성을 감안하여 선택, 변경될 수 있을 것이다. 또한, 발광층은 각 스택에서 원하는 발광 색에 따라 선택하는 도펀트를 달리할 수 있을 것이다.
Figure 112013121037822-pat00003
Figure 112013121037822-pat00004
Figure 112013121037822-pat00005
Figure 112013121037822-pat00006
Figure 112013121037822-pat00007
Figure 112013121037822-pat00008
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 1차 무기물질 도핑량 변경에 따라 구동 전압 대 전류 밀도의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 1차 무기 물질 도핑량 변경에 따라 휘도 변화에 따른 수명을 나타낸 그래프이다.
Figure 112013121037822-pat00009
도 6, 도 7 및 표 1에서는 각각 비교예에서, p형 전하 생성층의 재료를 HAT-CN의 단일 재료로 하였고, 제 1 실시예에서는 p형 전하 생성층의 제 2 유기 호스트를 HAT-CN로 하며, 무기 도펀트는 MgF2로 하여 실험하였다. 단, 무기 도펀트 MgF2의 함량을 3%, 5%, 10%로 달리하여, 비교예와 무기 도펀트의 다른 함량에 따라 구동 전압 특성과 수명을 살펴본 것이다.
도 6을 살펴보면, 상대적으로 무기 도펀트를 p형 전하 생성층에 도핑시, 동일 전류 밀도에 대해, 구동 전압이 비교예보다 줄어듦을 확인할 수 있었다. 구동 전압이 줄어든 정도는 무기 도펀트 함량이 3%, 5%일 때, 각각 비교예의 94% 정도임을 알 수 있었고(전류 밀도 10mA/cm2 일 때), 무기 도펀트 함량이 10%로 늘었을 때는 구동 전압이 비교예의 96% 정도로, 소량 도핑시보다 약간 상회함을 알 수 있다. 전류 밀도가 50mA/cm2일 때는 비교예와 비교하여, 무기 도펀트 함량이 10%일 때, 구동 전압이 비교예의 99%로 구동 전압 차가 줄어들지만, 이 때에도 비교예 대비 본 발명의 제 1 실시예의 경우가 구동 전압이 작은 조건을 유지한다.
또한, 도 7과 같이, 비교예와 본 발명의 제 1 실시예의 무기 도펀트 MgF2의 함량을 3%, 5%, 10%로 달리하였을 때, 수명은 도핑량이 느는 경우, 수명은 좀 더 향상됨을 확인할 수 있었다.
그리고, 본 발명의 제 1 실시예의 무기 도펀트 함량이 다른 경우와 비교예의 경우, 효율(EQE)은 동일하거나 본 발명의 제 1 실시예가 좋은 것으로, 수명이 향상되고 전류 밀도가 늘어남에도 비교예 대비 효율이 떨어지지 않는 것을 확인할 수 있었다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 2차 무기물질 도핑량 변경에 따라 구동 전압 대 전류 밀도의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 2차 무기 물질 도핑량 변경에 따라 휘도 변화에 따른 수명을 나타낸 그래프이다.
이 실험예서는 표 1과 비교하여, 제 1 실시예의 무기 도펀트 함량을 10%에서 15%로 늘린 것을 나타낸다
Figure 112013121037822-pat00010
도 8, 도 9 및 표2는 무기 도펀트 함량을 10%와 15%로 하였을 때의 비교예와 대비된 구동 전압과 수명 특성을 살펴본 것이다.
여기서, 구동 전압은 전류 밀도 10mA/cm2일 때, 무기 도펀트의 함량이 15%로 늘게 되면 구동 전압이 비교예 대비 101% 상승하나, 이 경우에도 전류 밀도를 50mA/cm2로 늘리는 경우는 오히려 비교예보다 구동 전압이 2% 줄어듦을 확인할 수 있다. 즉, 도핑량은 고전류 밀도에서 도핑량이 10%보다 많더라도 구동 전압을 줄일 수 있는 효과가 있는 것을 확인한 것이다.
도 9의 수명 특성은 비교예와, 제 1 실시예의 무기 도펀트의 도핑량 10%, 15%에서 거의 같은 특성을 나타낸 것이며, 이는 도 7의 수명 그래프와 비교하여, 실험 시간을 늘려 초기 휘도 L0의 70%의 값으로 휘도가 떨어질 때까지를 실험한 것이다. 도 7의 실험에서는 초기 휘도 L0의 90%까지 떨어지는 걸리는 시간을 측정한 것으로, 실제 비교예와 무기 도펀트의 도핑량 10%의 경우는 초기 휘도 L0이 100%에서 90%까지는 도 7과 도 9가 같은 특성을 나타내는 것이다.
도 10은 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 1차 동일 도핑량에 따라 구동 전압 대 전류 밀도의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 11은 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 1차 동일 도핑량에 따라 휘도 변화에 따른 수명을 나타낸 그래프이다.
Figure 112013121037822-pat00011
도 10 및 도 11과 표 3을 살펴보면, 제 1 내지 제 3 실시예에서, 무기 도펀트의 함량을 5%로 고르게 유지하고, 다만 무기 도펀트 분포 영역을 p형 전하 생성층의 전체로 하는 경우(제 1 실시예)와, n형 전하 생성층에 인접하여 분포시키는 경우(제 2 실시예)와, 제 2 스택에 인접하여 분포시키는 경우(제 3 실시예의 경우, 각각 전류 밀도 10mA/cm2 및 50mA/cm2에서 구동 전압 특성과 수명을 살펴본 것이다.
도 10 및 표 3과 같이, 전류 밀도 10mA/cm2인 경우, 구동 전압은 제 1 실시예에서 비교예의 89%, 제 2 실시예에서 비교예의 86%, 제 3 실시예에서 비교예의 83%로 모두 구동 전압 감소 효과가 비교예 대비 뛰어남을 확인할 수 있다. 이 경우, 각 실시예의 양자 효율(EQE)는 비교예 대비 100% 혹은 101%, 99%로 오차 범위가 1%로 거의 동일한 효율을 나타냄을 확인할 수 있다.
또한, 전류 밀도 50mA/cm2의 경우도 구동 전압은 제 1 실시예에서 비교예의 88%, 제 2 실시예에서 비교예의 87%, 제 3 실시예에서 비교예의 79% 모두 구동 전압 감소 효과가 비교예 대비 뛰어남을 확인할 수 있다.
이 경우, 수명은 도 11과 같이, 초기 휘도 L0의 95%로 떨어지기까지의 시간이 비교예의 25시간 대비 제 1 내지 제 3 실시예는 모두 30시간 이상이 되어, 적어도 초기 휘도(L0)의 95%로 떨어지기까지 비교예 대비 실시예들에서 20% 이상 수명이 향상됨을 알 수 있다. 또한, 초기 휘도가 약 95% 가 아닌 90%, 75%, 50%의 경우는 비교예와의 차가 모두 현저함을 예상함을 알 수 있다(도 7과 도 9의 비교 참조). 특히, 제 3 실시예의 경우, 수명이 초기 휘도 L0의 95%로 될 때까지 약 35시간이 되어, 비교예보다 약 40% 이상 수명이 향상된 바를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 2차 동일 도핑량에 따라 구동 전압 대 전류 밀도의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 13은 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 2차 동일 도핑량에 따라 휘도 변화에 따른 수명을 나타낸 그래프이다.
Figure 112013121037822-pat00012
도 12 및 도 13과 표 4를 살펴보면, 제 1 내지 제 3 실시예에서, 무기 도펀트의 함량을 10%로 고르게 유지하고, 다만 무기 도펀트 분포 영역을 p형 전하 생성층의 전체로 하는 경우(제 1 실시예)와, n형 전하 생성층에 인접하여 분포시키는 경우(제 2 실시예)와, 제 2 스택에 인접하여 분포시키는 경우(제 3 실시예의 경우, 각각 전류 밀도 10mA/cm2 및 50mA/cm2에서 구동 전압 특성과 수명을 살펴본 것이다.
도 12 및 표 4과 같이, 전류 밀도 10mA/cm2인 경우, 구동 전압은 제 1 실시예에서 비교예의 100%, 제 2 실시예에서 비교예의 100%, 제 3 실시예에서 비교예의 100%로, 전류 밀도가 10mA/cm2의 수준인 경우, 비교예와 실시예들간 차이가 미미하였다.
그러나, 전류 밀도 50mA/cm2의 경우도 구동 전압은 제 1 실시예에서 비교예의 98%, 제 2 실시예에서 비교예의 98%, 제 3 실시예에서 비교예의 93% 모두 구동 전압 감소 효과가 비교예 대비 뛰어남을 확인할 수 있다.
이 경우, 수명은 도 13과 같이, 초기 휘도 L0의 95%로 떨어지기까지의 시간이 비교예의 28시간 대비 제 1 내지 제 3 실시예이 모두 32시간 이상이 되어, 적어도 초기 휘도(L0)의 95%로 떨어지기까지 비교예 대비 실시예들에서 14% 이상 수명이 향상됨을 알 수 있다. 또한, 초기 휘도가 약 95% 가 아닌 90%, 75%, 50%의 경우는 비교예와의 차가 모두 현저함을 예상함을 알 수 있다(도 7과 도 9의 비교 참조). 특히, 제 4 실시예의 경우, 수명이 초기 휘도 L0의 95%로 될 때까지 약 40시간이 되어, 비교예보다 약 40% 이상 수명이 향상된 바를 나타낸다.
예를 들어, n형 전하 생성층에 사용되는 Li 등의 n형 도펀트는 2.9eV의 일함수를 가지며, p형 전하 생성층으로 이용되는 유기물(본 발명의 제 2 유기 호스트) 성분으로, HAT-CN은 -5.5eV의 LUMO를 갖는다. 본 발명의 백색 유기 발광 소자에서는, p형 전하 생성층에 무기 도펀트를 20% 이하로 도핑하여, p형 전하 생성층의 HAT-CN 성분의 LUMO 값 -5.5eV에서 n형 전하 생성층의 n형 도펀트의 일함 수 2.9eV로의 전자의 전달을 도와줄 수 있는 중간 스텝을 형성시켜 줌으로써 전자의 축적으로 인한 정공 생성 억제를 방지하여 2 스택의 사이에서의 수명 감소를 막아줄 수 있는 것이다. 동시에, n형 전하 생성층으로의 전자의 이동을 도와주고, 전자를 더욱 주입시켜 전자의 흐름을 원활하게 할 수 있도록 캐스케이드 구조를 구성하였다. 무기물 도핑을 적용하여 전압 감소 및 수명 상승 효과를 얻을 수 있다.
백색 유기 발광 소자의 고성능 구현을 위해서 필수적으로 탠덤 소자 구조의 적용이 필요하지만, 적층 구조가 늘어남에 따라 구동 전압이 상승되는 경향이 있다. 본 발명은 탠덤 소자 구조에 필수적으로 적용되는 전하 생성층에 무기 물질의 공증착층을 사용하여 캐스케이드 구조를 적용함으로써, 백색 유기 발광 소자의 고효율 달성을 가능하게 하며 저전압을 구현하는데 목적이 있다.
본 발명의 백색 유기 발광 소자는 전하 생성층에 무기물질 공증착을 통해 저전압 소자를 구현할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 기판 110: 양극
120: 제 1 스택 130: 전하 생성층
133: n형 전하 생성층 137: p형 전하 생성층
140: 제 2 스택 150: 음극
123: 정공 수송층 125: 발광층
127: 전자 수송층

Claims (15)

  1. 서로 대향된 양극과 음극;
    상기 양극과 음극 사이에 각각 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층을 포함한, 복수개의 스택; 및
    서로 다른 스택간에는 n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층을 포함하여 이루어지며,
    상기 n형 전하 생성층은 제 1 유기물 호스트와 n형 도펀트를 포함하며,
    상기 p형 전하 생성층은 상기 제 1 유기물 호스트의 LUMO 에너지 준위보다 작거나 같은 LUMO 에너지 준위를 갖는 제 2 유기물 호스트와, 1% 내지 20%의 부피비로 금속을 포함한 무기 도펀트를 갖고,
    상기 무기 도펀트에 포함된 금속은 상기 n형 도펀트의 일함수와 같거나 크고, 상기 제 2 유기물 호스트의 LUMO 에너지 준위의 절대 값보다 작은 값의 일함수를 갖는 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 n형 도펀트는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 도펀트에 포함되는 금속은 2.9 eV 내지 5.5eV의 일함수를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 도펀트는 MgF2, MgCl2, ZnF2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 도펀트는 상기 p형 전하 생성층 내에서, 상기 n형 전하 생성층에 접하여 도핑된 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 도펀트는 상기 p형 전하 생성층 내에서 상기 제 2 스택에 접하여 도핑된 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 도펀트는 상기 p형 전하 생성층의 전체 두께를 L이라 할 때, 상기 n형 전하 생성층과 접한 면으로부터 또는 상기 n형 전하 생성층과 접하지 않는 상기 p형 전하 생성층의 표면으로부터 0.1L 내지 L의 두께로 분포된 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 도펀트는 상기 p형 전하 생성층 내에서 서로 이격된 복수개의 영역에 분포된 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 유기물 호스트는
    Figure 112013121037822-pat00013
    인 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 양극과 음극 사이에 2개의 스택을 포함하며,
    상기 양극과 인접한 제 1 스택의 발광층은 청색 발광층이며,
    상기 제 2 스택의 발광층은 인광 발광층이며, 황녹색 또는 옐로이쉬 그린색 또는 적녹색을 발광하는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제 2 스택의 인광 발광층은 적어도 하나의 정공 수송 물질의 호스트와 적어도 하나의 전자 수송 물질의 호스트를 포함한 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 유기물 호스트는 헤테로 고리(heterocyclic)를 포함하는 융합 방향족 고리(Fused Aromatic Ring)에서 전자 수송 특성을 갖는 화합물인 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  14. 제 2항에 있어서,
    상기 n형 도펀트는, n형 전하 생성층의 전체 부피의 0.4% 내지 3%의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
  15. 제 1항에 있어서,
    각 스택의 발광층에 인접한 정공 수송층과 전자 수송층의 삼중항 준위는 발광층의 호스트의 삼중항 준위보다 0.01 내지 0.4eV 높은 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
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