KR20030058153A - 능동행렬 유기전기발광소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기 발광층을 포함하는 유기전기발광소자에 관한 것이다.

종래의 전면 발광 방식 유기전기발광소자에서는 유기 발광층에서 하부로 발광된 빛은 하부 전극에서 반사되어 상부로 방출되는데, 이때 반사되는 빛의 방향을 조절할 수 없기 때문에, 발광 효율이 저하되고 휘도가 낮아지는 문제가 있다.

본 발명에 따른 능동행렬 유기전기 발광소자에서는 전면 발광 방식을 취하는데 있어서, 유기 발광층 하부에 요철을 가지는 반사 전극을 배치하여 유기 발광층에서 하부로 방출되는 빛의 반사 방향을 조절함으로써, 유기전기발광소자의 휘도를 높일 수 있다.

Description

능동행렬 유기전기발광소자 및 그의 제조 방법{an active matrix organic electroluminescence display and a manufacturing method of the same}

본 발명은 유기전기발광소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 박막 트랜지스터를 포함하는 능동행렬 유기전기발광소자에 관한 것이다.

현재 텔레비전이나 모니터와 같은 디스플레이 장치에는 음극선관(cathode ray tube : CRT)이 주된 장치로 이용되고 있으나, 이는 무게와 부피가 크고 구동전압이 높은 문제가 있다. 이에 따라, 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등의 우수한 특성을 가지는 평판 표시 장치(flat panel display)의 필요성이 대두되었으며, 액정 표시 장치(liquid crystal display)와 플라즈마 표시 장치(plasma display panel), 전계 방출 표시 장치(field emission display), 그리고 전기 발광 표시 장치(또는 전기발광소자라고도 함 : electroluminescence display(ELD))와 같은 다양한 평판 표시 장치가 연구 및 개발되고 있다.

전기발광소자는 형광체에 일정 이상의 전기장이 걸리면 빛이 발생하는 전기발광(electroluminescence : EL) 현상을 이용한 표시 소자로서, 캐리어들의 여기를 일으키는 소스에 따라 무기(inorganic) 전기발광소자와 유기전기발광소자(organic electroluminescence display : OELD 또는 유기 ELD)로 나눌 수 있다.

이중, 유기전기발광소자가 청색을 비롯한 가시광선의 모든 영역의 빛이 나오므로 천연색 표시 소자로서 주목받고 있으며, 높은 휘도와 낮은 동작 전압 특성을 가진다. 또한 자체 발광이므로 명암대비(contrast ratio)가 크고, 초박형 디스플레이의 구현이 가능하며, 공정이 간단하여 환경 오염이 비교적 적다. 한편, 응답시간이 수 마이크로초(㎲) 정도로 동화상 구현이 쉽고, 시야각의 제한이 없으며 저온에서도 안정적이고, 직류 5V 내지 15V의 낮은 전압으로 구동하므로 구동회로의 제작 및 설계가 용이하다.

이러한 유기전기발광소자는 구조가 무기전기발광소자와 비슷하나, 발광원리는 전자와 정공의 재결합에 의한 발광으로 이루어지므로 유기 LED(organic light emitting diode : OLED)라고 부르기도 한다.

일반적인 유기전기발광소자의 구조를 밴드 다이어그램으로 표시한 것을 도 1에 도시하였는데, 도시한 바와 같이 유기전기발광소자는 애노드(anode) 전극(1)과 캐소드(cathode) 전극(7) 사이에 정공수송층(hole transporting layer)(3)과 발광층(emission layer)(4), 그리고 전자수송층(electron transporting layer)(5)이 위치한다. 이때, 정공과 전자를 좀더 효율적으로 주입하기 위해 애노드 전극(1)과 정공수송층(3) 사이, 그리고 전자수송층(5)과 캐소드 전극(7) 사이에 정공주입층(hole injection layer)(2)과 전자주입층(electron injection layer)(6)을 더 포함하기도 한다.

이러한 구조를 가지는 유기전기발광소자에서, 애노드 전극(1)으로부터 정공주입층(2)과 정공수송층(3)을 통해 발광층(4)으로 주입된 정공과, 캐소드 전극(7)으로부터 전자주입층(6) 및 전자수송층(5)을 통해 발광층(4)으로 주입된 전자는 여기자(exciton)(8)를 형성하게 되는데, 이 여기자(8)로부터 정공과 전자 사이의 에너지에 해당하는 빛이 발하게 된다. 이때, 애노드 전극(1)은 일함수가 높고 투명한 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide : 이하 ITO라고 한다)나 인듐-징크-옥사이드 (indium-zinc-oxide : 이하 IZO라고 한다)와 같은 물질로 이루어져, 애노드 전극(1)쪽으로 빛이 나오게 된다. 한편, 캐소드 전극(7)은 일함수가 낮고 화학적으로 안정한 알루미늄(Al)이나 칼슘(Ca), 알루미늄 합금과 같은 물질로 이루어지는 것이 좋다.

다수의 화소를 매트릭스 형태로 배열하고 각 화소에 박막 트랜지스터를 연결한 능동행렬(active matrix) 형태가 평판 표시 장치에 널리 이용되는데, 이를 유기전기발광소자에 적용한 능동행렬 유기전기발광소자에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 종래의 능동행렬 유기전기발광소자에 대한 단면도이다. 도시한 바와 같이, 기판(10) 상부에 박막 트랜지스터(T)가 형성되어 있고, 그 위에 보호층(40)이 형성되어 박막 트랜지스터(T)를 덮고 있다. 박막 트랜지스터(T)는 게이트 전극(21)과 소스 및 드레인 전극(22, 23)으로 이루어지고, 액티브층(31)을 포함하며, 보호층(40)은 드레인 전극(23)을 드러내는 콘택홀(41)을 가진다.

보호층(40) 상부에는 투명 도전 물질로 이루어지고 정공 공급층인 애노드 전극(51)이 형성되어 있으며, 애노드 전극(51)은 박막 트랜지스터(T)의 드레인 전극(23)과 연결되어 있다. 이어, 애노드 전극(51) 상부에 유기 발광층(60)이 형성되어 있으며, 그 위에 불투명한 도전 물질로 이루어지고 전자 공급층인 캐소드 전극(70)이 형성되어 있다.

이러한 능동행렬 유기전기발광소자에서는 하부의 애노드 전극(51)이 투명 도전 물질로 이루어지고, 상부의 캐소드 전극(70)이 불투명한 도전 물질로 이루어지므로, 유기 발광층(60)에서 발광된 빛이 화살표와 같이 애노드 전극(51)을 통해 하부로 방출되는 후면 발광(bottom emission)을 하게 된다.

최근, 유기전기발광소자의 개구율을 높이기 위해 전면 발광(top emission) 방식을 적용한 예가 제시되었는데, 이를 도 3에 도시하였다. 여기서, 전면 발광 방식 유기전기발광소자는 휴면 발광 방식 유기전기발광소자와 동일한 구조를 가지므로, 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

도시한 바와 같이, 전면 발광 방식에서는 상부의 캐소드 전극(70)이 투명 도전 물질로 이루어지고, 하부의 애노드(50) 전극이 불투명 도전 물질로 이루어져 유기 발광층(60)에서 방괄된 빛이 캐소드 전극(70)을 통해 상부로 방출된다.

이때, 유기 발광층(60)에서 발광된 빛 중 하부로 방출된 빛은 애노드 전극(50)에서 반사되어 상부로 방출되는데, 이러한 반사되는 빛의 방향을 조절할 수 없기 때문에 발광 효율이 저하되고 휘도가 낮아지는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 발광 효율을 높여 휘도를 향상시킬 수 있는 능동행렬 유기전기발광소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 유기전기발광소자의 구조를 밴드 다이어그램으로 표시한 도면.

도 2는 종래의 능동행렬 유기전기발광소자에 대한 단면도

도 3은 종래의 전면 발광 방식 유기전기발광소자의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 능동행렬 유기전기발광소자의 단면도.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따라 유기전기발광소자를 제조하는 과정을 도시한 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110 : 기판121 : 게이트 전극

122 : 소스 전극123 : 드레인 전극

131 : 액티브층140 : 보호층

141 : 콘택홀151 : 고분자 물질층

160 : 반사전극170 : 제 1 전극

180 : 유기 발광층190 : 제 2 전극

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 능동행렬 유기발광소자에서는 기판 상부에 박막 트랜지스터가 형성되어 있고, 보호층이 박막 트랜지스터를 덮고 있다. 이어, 보호층 상부에는 표면에 요철을 가지는 고분자 물질층이 형성되어 있고, 고분자 물질층 상부에 박막 트랜지스터와 연결되며, 표면에 요철을 가지는 반사 전극이 형성되어 있다. 다음, 반사 전극 상부에 투명한 제 1 전극이 형성되어 있으며, 그 위에 유기 발광층과 투명한 제 2 전극이 각각 형성되어 있다.

여기서, 제 1 및 제 2 전극은 인듐-틴-옥사이드와 인듐-징크-옥사이드 중의 어느 하나로 이루어질 수 있다.

또한, 보호막은 박막 트랜지스터를 일부 드러내는 콘택홀을 가지며, 고분자 물질층은 콘택홀 부분에서 제거되어 있을 수 있다. 이때, 고분자 물질층은 감광성 물질로 이루어지는 것이 좋다.

본 발명에 따른 능동행렬 유기전기발광소자의 제조 방법에서는 기판 상부에 박막 트랜지스터를 형성하고, 그 위에 박막 트랜지스터를 덮으며 콘택홀을 가지는 보호층을 형성한다. 이어, 보호층 상부에 요철을 가지는 고분자 물질층을 형성하고, 고분자 물질층 상부에 박막 트랜지스터와 연결되며, 표면에 요철을 가지는 반사 전극을 형성한다. 다음, 반사 전극 상부에 투명한 제 1 전극을 형성하고, 그 위에 유기 발광층을 형성한 후, 투명한 제 2 전극을 형성한다.

고분자 물질층을 형성하는 단계는 고분자 물질을 코팅하는 단계와, 요철을가지는 몰드로 상기 코팅된 고분자 물질에 압력을 가하는 단계, 상기 몰드와 고분자 물질에 온도를 가하는 단계, 상기 몰드를 제거하는 단계를 포함한다.

여기서, 몰드로 가하는 압력은 상압보다 큰 것이 좋으며, 고분자 물질에 가하는 온도는 고분자 물질의 전이온도 이상인 것이 바람직하다. 이때, 고분자 물질은 폴리스틸렌(polystylene)으로 이루어질 수 있으며, 고분자 물질에 가하는 온도는 120℃ 내지 130 ℃인 것이 좋다.

한편, 몰드는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane : PDMS)으로 이루어질 수 있으며, 고분자 물질층은 감광성 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 제 1 및 제 2 전극은 인듐-틴-옥사이드와 인듐-징크-옥사이드 중의 어느 하나로 이루어질 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 능동행렬 유기전기 발광소자에서는 전면 발광 방식을 취하는데 있어서, 유기 발광층 하부에 요철을 가지는 반사 전극을 배치하여 유기 발광층에서 하부로 방출되는 빛의 반사 방향을 조절한다. 따라서, 유기전기발광소자의 휘도를 높일 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 능동행렬 유기전기발광소자 및 그이 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 4는 본 발명에 따른 능동행렬 유기전기발광소장의 단면도이다.

도시한 바와 같이, 기판(110) 상부에 박막 트랜지스터(T1)가 형성되어 있는데, 박막 트랜지스터(T1)는 게이트 전극(121)과 소스 및 드레인 전극(122, 123)으로 이루어지고, 다결정 실리콘으로 이루어진 액티브층(131)을 포함한다.

이어, 박막 트랜지스터(T1) 상부에는 보호층(140)이 형성되어 박막 트랜지스터(T1)를 덮고 있으며, 보호층(140)은 드레인 전극(123)을 드러내는 콘택홀(141)을 가진다.

다음, 보호층(140) 상부에 표면에 요철을 가지는 고분자 물질층(151)이 형성되어 있는데, 고분자 물질층(151)은 콘택홀(141) 상부에 위치하는 부분이 제거되어 있다.

다음, 고분자 물질층(151) 상부에는 불투명한 도전 물질로 이루어지고, 고분자 물질층(151)의 표면에 따라 요철을 가지는 반사 전극(160)이 형성되어 있다. 여기서, 반사 전극(160)은 하부의 드레인 전극(123)과 연결되어 있다.

다음, 반사 전극 상부(160)에 투명 도전 물질로 이루어진 제 1 전극(170)이 형성되어 있다. 제 1 전극(170)은 애노드 전극으로 사용될 수 있다.

이어, 애노드 전극(170) 상부에 유기 발광층(180)이 형성되어 있으며, 그 위에 투명한 도전 물질로 이루어진 제 2 전극(190)이 형성되어 있다. 여기서, 제 2 전극(190)은 캐소드 전극으로 이용될 수 있다.

이와 같이 본 발명에서는 전면 발광 방식을 취하는데 있어서, 유기 발광층 하부에 요철을 가지는 반사 전극을 배치하여 유기 발광층에서 하부로 방출되는 빛의 반사 방향을 조절할 수 있다. 따라서, 유기전기발광소자의 휘도를 높일 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 유기전기발광소자의 제조 방법에 대하여 도 5a 내지 도 5f에 도시하였다.

먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 기판(110) 상부에 액티브층(131)과 게이트 전극(121) 그리고 소스 및 드레인 전극(122, 123)을 순차적으로 형성한다. 여기서, 기판(110)은 유리와 같은 투명 기판으로 이루어질 수도 있고, 불투명한 기판으로 이루어질 수도 있으며, 액티브층(131)은 다결정 실리콘으로 이루어진다.

이어, 도 5b에 도시한 바와 같이 박막 트랜지스터(T1) 상부에 절연 물질을 형성하고 패터닝하여 드레인 전극(123)을 드러내는 콘택홀(141)을 가지는 보호층(140)을 형성한다. 보호층(140)은 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막으로 이루어질 수 있고, 또는 유기 절연막으로 이루어질 수도 있다.

다음, 도 5c에 도시한 바와 같이 보호층(140) 상부에 고분자 물질층(150)을 형성하고, 그 위에 요철면을 가지는 몰드(200)를 배치한다. 이어, 몰드(200)를 고분자 물질층(150)에 접촉시킨 후 상압보다 높은 압력으로 눌러준다. 이때, 고분자 물질층(150)의 고분자가 움직일 수 있도록 유리전이온도(Tg) 이상으로 온도를 가해준다. 그러면, 고분자가 이동하면서 모세관 현상에 의해 몰드(200)의 요철 부분을 채우게 되고, 도 5d에 도시한 바와 같이 요철면을 가지는 고분자 물질층(151)이 형성된다. 이어, 콘택홀(141) 상부의 고분자 물질층(151)을 제거한다. 따라서, 고분자 물질은 요철 형성 후 노광 및 현상 만으로 제거 가능한 감광성 물질로 이루어지는 것이 좋다.

여기서, 고분자 물질로 폴리스틸렌(polystylene)을 이용할 수 있는데, 폴리스틸렌의 유리전이온도(Tg)는 약 100℃으므로 몰드를 폴리스틸렌 상부에서 누르면서 120℃ 내지 130℃에서 약 3시간 정도 가열할 경우, 몰드의 요철 형상대로 폴리스티렌 표면에 요철을 형성할 수 있다.

이러한 고분자 물질의 유리전이온도(Tg)는 이후 박막 형성시 요철의 모양 변화를 막을 수 있는 온도보다 큰 값을 가지는 것이 바람직하다.

한편, 몰드(200)는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane : PDMS)으로 이루어질 수 있다.

다음, 도 5e에 도시한 바와 같이 고분자 물질층(151) 상부에 불투명 도전 물질을 증착하여 반사 전극(160)을 형성한다. 여기서, 반사 전극(160)은 고분자 물질층(151)의 표면을 따라 요철을 가지도록 형성되며, 콘택홀(141)을 통해 하부의 드레인 전극(123)과 연결되어 있다.

다음, 도 5f에 도시한 바와 같이 반사 전극 상부(160)에 투명 도전 물질을 증착하여 제 1 전극(170)이 형성하고, 이어 유기 발광층(180)을 성막한 후, 그 위에 투명한 도전 물질을 증착하여 제 2 전극(190)을 형성한다. 여기서, 제 1 및 제 2 전극(170, 190)은 ITO나 IZO와 같은 물질로 이루어질 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 몰드를 이용하여 반사 전극 하부에 요철을 가지는 고분자 물질층을 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 능동행렬 유기전기 발광소자에서는 전면 발광 방식을 취하는데 있어서, 유기 발광층 하부에 요철을 가지는 반사 전극을 배치하여 유기 발광층에서 하부로 방출되는 빛의 반사 방향을 조절함으로써, 유기전기발광소자의 휘도를 높일 수 있다.

Claims (13)

1. 기판;

   상기 기판 상부에 형성되어 있는 박막 트랜지스터;

   상기 박막 트랜지스터를 덮고 있는 보호층;

   상기 보호층 상부에 형성되고 표면에 요철을 가지는 고분자 물질층;

   상기 고분자 물질층 상부에 형성되고 상기 박막 트랜지스터와 연결되며, 표면에 요철을 가지는 반사 전극;

   상기 반사 전극 상부의 투명한 제 1 전극;

   상기 제 1 전극 상부의 유기 발광층;

   상기 유기 발광층 상부에 형성되어 있는 투명한 제 2 전극

   을 포함하는 능동행렬 유기전기발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 전극은 인듐-틴-옥사이드와 인듐-징크-옥사이드 중의 어느 하나로 이루어진 능동행렬 유기전기발광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 보호막은 상기 박막 트랜지스터를 일부 드러내는 콘택홀을 가지며, 상기 고분자 물질층은 상기 콘택홀 부분에서 제거되어 있는 능동행렬 유기전기발광소자.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 고분자 물질층은 감광성 물질로 이루어진 능동행렬 유기전기발광소자.
5. 기판 상부에 박막 트랜지스터를 형성하는 단계;

   상기 박막 트랜지스터를 덮으며 콘택홀을 가지는 보호층을 형성하는 단계;

   상기 보호층 상부에 요철을 가지는 고분자 물질층을 형성하는 단계;

   상기 고분자 물질층 상부에 상기 박막 트랜지스터와 연결되며, 표면에 요철을 가지는 반사 전극을 형성하는 단계;

   상기 반사 전극 상부에 투명한 제 1 전극을 형성하는 단계;

   상기 제 1 전극 상부에 유기 발광층을 형성하는 단계;

   상기 유기 발광층 상부에 투명한 제 2 전극을 형성하는 단계

   를 포함하는 능동행렬 유기전기발광소자의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 고분자 물질층을 형성하는 단계는 고분자 물질을 코팅하는 단계와, 요철을 가지는 몰드로 상기 코팅된 고분자 물질에 압력을 가하는 단계, 상기 몰드와 고분자 물질에 온도를 가하는 단계, 상기 몰드를 제거하는 단계를 포함하는 능동행렬 유기전기발광소자의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 몰드로 가하는 압력은 상압보다 큰 능동행렬 유기전기발광소자의 제조 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 고분자 물질에 가하는 온도는 상기 고분자 물질의 전이온도 이상인 유기전기발광소자의 제조 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 고분자 물질은 폴리스틸렌(polystylene)으로 이루어지는 유기전기발광소자의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 고분자 물질에 가하는 온도는 120℃ 내지 130 ℃인 유기전기발광소자의 제조 방법.
11. 제 6 항에 있어서,

    상기 몰드는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane : PDMS)으로 이루어지는 능동행렬 유기전기발광소자의 제조 방법.
12. 제 5 항에 있어서,

    상기 고분자 물질층은 감광성 물질로 이루어지는 능동행렬 유기전기발광소자의 제조 방법.
13. 제 5 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 전극은 인듐-틴-옥사이드와 인듐-징크-옥사이드 중의 어느 하나로 이루어지는 능동행렬 유기전기발광소자의 제조 방법.