KR20100054252A

KR20100054252A - 유기발광 다이오드

Info

Publication number: KR20100054252A
Application number: KR1020080113087A
Authority: KR
Inventors: 전애경; 이재윤
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2010-05-25

Abstract

본 발명은 유기발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저전압 구동이 가능한 탠덤 구조의 적용으로 고효율 및 장수명을 구현할 수 있는 유기발광 다이오드에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명에 따른 유기발광 다이오드는 기판 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상의 제 1 및 제 2 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 1 적색 유기 발광층 및 제 1 녹색 유기 발광층과; 상기 제 3 화소 영역에 차례로 대응 형성된 제 1 청색 유기 발광층, 중간 전극층 및 제 2 청색 유기 발광층과; 상기 제 1 적색 및 녹색 유기 발광층과, 제 2 청색 유기 발광층 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 청색 유기 발광층은 P-I-N 구조로, 적색 및 녹색 유기 발광층은 H-E-E 또는 P-I-N 구조 중 선택된 하나로 각각 형성된다. 특히, 청색 유기 발광층은 2개의 다이오드가 적층된 탠덤 구조로, 적색 및 녹색 유기 발광층은 1개의 다이오드로 이루어진 단층 구조로 형성한 것을 특징으로 한다.

Description

유기발광 다이오드{Organic Electro-luminescent Diode}

일반적으로, 평판 표시장치 중 하나인 유기전계 발광소자는 높은 휘도와 낮은 동작 전압 특성을 갖는다. 또한 스스로 빛을 내는 자체발광형이기 때문에 명암대비(contrast ratio)가 크고, 초박형 디스플레이의 구현이 가능하며, 응답시간이 수 마이크로초(㎲) 정도로 동화상 구현이 쉽고, 시야각의 제한이 없으며 저온에서도 안정적이고, 직류의 5V 내지 15V의 낮은 전압으로 구동하므로 구동회로의 제작 및 설계가 용이하다.

이러한 특성을 갖는 유기전계 발광소자는 수동 매트릭스 방식과 능동 매트릭스 방식으로 구분된다. 상기 수동 매트릭스 방식에서는 주사선(scan line)과 신호선(signal line)이 교차하면서 매트릭스 형태로 소자를 구성하므로, 각각의 픽셀을 구동하기 위하여 주사선을 시간에 따라 순차적으로 구동하므로, 요구되는 평균 휘도를 나타내기 위해서는 평균 휘도에 라인수를 곱한 것 만큼의 순간 휘도를 내야만 한다.

그러나, 능동 매트릭스 방식에서는, 화소를 온/오프(on/off)하는 스위칭 소자인 박막트랜지스터(Thin Film Transistor)가 화소 별로 위치하고, 이 박막트랜지스터와 연결된 제 1 전극은 화소 단위로 온/오프되고, 상기 제 1 전극과 대향하는 제 2 전극은 전면에 형성되어 공통전극이 된다.

상기 능동 매트릭스 방식에서는 픽셀에 인가된 전압이 스토리지 커패시터(storage capacitor: Cst)에 충전되어 있어, 그 다음 프레임(frame)의 신호가 인가될 때까지 전원을 인가해 주도록 함으로써, 주사선의 수에 관계없이 한 화면동안 계속해서 구동한다. 따라서, 낮은 전류를 인가하더라도 동일한 휘도를 나타내므로 저소비전력, 고정세, 대형화가 가능한 장점으로 최근에는 능동 매트릭스 방식의 유기전계 발광소자가 주로 이용되고 있다.

이러한 능동 매트릭스 방식의 유기전계 발광소자의 기본적인 구조 및 동작특성에 대해서는 이하 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 일반적인 능동 매트릭스 방식의 유기전계 발광소자의 단위 화소에 대해 나타낸 회로도이다.

도시한 바와 같이, 종래에 따른 능동 매트릭스 방식의 유기전계 발광소자의 단위 화소는 스위칭 트랜지스터(Ts), 구동 트랜지스터(Td), 스토리지 캐패시터(Cst) 및 유기발광 다이오드(E)로 이루어진다.

즉, 일 방향으로 형성된 게이트 배선(GL)과, 상기 게이트 배선(GL)과 수직 교차하여 화소 영역(P)을 정의하는 데이터 배선(DL)과, 상기 데이터 배선(DL)과 이격하며 전원전압을 인가하기 위한 전원배선(PL)이 각각 형성된다.

또한, 상기 게이트 배선(GL)과 데이터 배선(DL)의 교차지점에는 스위칭 트랜지스터(Ts)가 형성되고, 상기 스위칭 트랜지스터(Ts)와 이격된 일 측으로 이와는 전기적으로 연결된 구동 트랜지스터(Td)가 형성된다.

이 때, 상기 구동 트랜지스터(Td)는 유기발광 다이오드(E)와 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 유기발광 다이오드(E)의 일측 단자인 제 1 전극은 상기 구동 트랜지스터(Td)의 드레인 전극과 연결되고, 타측 단자인 제 2 전극은 전원배선(PL)과 연결된다. 상기 전원배선(PL)은 전원전압을 유기발광 다이오드(E)로 전달하는 기능을 한다. 또한, 상기 구동 트랜지스터(Td)의 게이트 전극과 소스 전극 사이에는 스토리지 커패시터(Cst)가 형성된다.

따라서, 상기 게이트 배선(GL)을 통해 신호가 인가되면 스위칭 트랜지스터(Ts)가 턴-온(turn-on) 되고, 데이터 배선(DL)의 신호가 구동 트랜지스터(Td)의 게이트 전극에 전달되어 구동 트랜지스터(Td)의 턴-온으로 이에 연결된 유기발광 다이오드(E)의 전계-전공쌍에 의해 빛이 출력된다. 이 때, 상기 구동 트랜지스터(Td)가 턴-온 상태가 되면, 전원배선(PL)으로부터 유기발광 다이오드(E)에 흐르는 전류의 레벨이 정해지며 이로 인해 유기발광 다이오드(E)는 그레이 스케일(gray scale)을 구현할 수 있게 된다.

또한, 상기 스토리지 커패시터(Cst)는 스위칭 트랜지스터(Ts)가 오프(off) 되었을 때, 상기 구동 트랜지스터(Td)의 게이트 전압을 일정하게 유지시키는 역할을 함으로써 상기 스위칭 트랜지스터(Ts)가 오프(off) 상태가 되더라도 다음 프레임(frame)까지 상기 유기발광 다이오드(E)에 흐르는 전류의 레벨을 일정하게 유지할 수 있게 된다.

도 2a는 종래에 따른 유기발광 다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2b는 유기 발광층을 상세히 나타낸 단면도로, 이를 참조하여 설명하도록 한다.

도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 종래에 따른 유기발광 다이오드(E)는 기판(10) 상의 화소 영역(P)별로 형성된 제 1 전극(70)과, 상기 제 1 전극(70) 상의 화소 영역(P)별로 순차적으로 대응 형성된 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 유기 발광층(EL1, EL2, EL3)과, 상기 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 유기 발광층(EL1, EL2, EL3) 상의 화소 영역(P)별로 각각 대응 형성된 제 2 전극(80)을 포함한다.

도면으로 제시하지는 않았지만, 화소 영역(P)은 게이트 배선(도 1의 GL)과 데이터 배선(도 1의 DL)이 수직 교차하여 정의되는 영역이다. 제 1 전극(70)은 구동 트랜지스터(도 1의 Td)의 드레인 전극과 개별적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 제 1 전극(70)은 인듐-틴-옥사이드(ITO)와 인듐-징크-옥사이드(IZO)를 포함하는 투명한 도전성 물질 그룹, 상기 제 2 전극(80)은 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al)과 같은 비교적 일함수가 낮은 금속 물질 그룹 중 선택된 어느 하나로 각각 형성될 수 있다.

상기 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 유기 발광층(EL1, EL2, EL3) 각각은 제 1 기판(10) 상에 차례로 적층되는 정공주입층(75a, hole injection layer: HIL), 정 공수송층(75b, hole transporting layer: HTL), 발광층(75c, emitting later: EL), 전자수송층(75d, electron transporting layer: ETL) 및 전자주입층(75e, electron injection layer: EIL)을 포함할 수 있다.

이와 같이 정공주입층(75a), 정공수송층(75b), 발광층(75c), 전자수송층(75d) 및 전자주입층(75e)이 차례로 적층 형성되는 방식을 H-E-E 구조라 정의하도록 한다. 상기 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 유기 발광층(EL1, EL2, EL3)은 발광층(75c)에 사용되는 물질에 의해 각각 결정된다.

상기 제 1 전극(70)은 투명한 도전성 물질로 이루어진 애노드 전극, 제 2 전극(80)은 불투명한 도전성 물질로 이루어진 캐소드 전극으로 이용된다. 이 때, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 유기 발광층(EL1, EL2, EL3) 각각에서의 전자/전공 쌍의 재결합에 의해 제 1 기판(10)이 향하는 방향으로 각각의 빛을 방출하게 된다. 이러한 방식을 하부 발광식이라 한다.

전술한 유기발광 다이오드(E)의 제 1 전극(70) 및 제 2 전극(80)에 정공과 전자를 주입하게 되면, 정공은 정공주입층(75a) 및 전자수송층(75b)을, 전자는 전자주입층(75e) 및 전자수송층(75d)으로 각각 이동하게 되고, 정공과 전자는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 유기 발광층(EL1, EL2, EL3) 각각에 위치하는 발광층(75c) 내에서 전자-전공쌍의 재결합에 의해 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 빛을 각각 방출하게 된다.

최근에는 전술한 구조를 복수의 층으로 제작하는 것을 통해 고효율 및 장수명을 구현할 수 있는 멀티접합 구조의 유기발광 다이오드에 대한 연구가 활발히 진 행되고 있다. 이 때, 동일한 색상을 가지는 2개의 유기 발광층을 차례로 적층하는 방식을 탠덤 구조라 하고, 2개 이상부터는 멀티접합 구조라 한다. 이러한 탠덤 구조 및 멀티접합 구조의 유기발광 다이오드는 고효율 및 장수명 소자로 대면적의 유기전계 발광소자를 제작하는 데 적합한 소자로 알려져 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 멀티접합 구조의 유기발광 다이오드에 대해 설명하도록 한다.

도 3은 종래에 따른 멀티접합 구조의 유기발광 다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도시한 바와 같이, 종래에 따른 멀티접합 구조의 유기발광 다이오드(E)는 기판(110) 상의 화소 영역(P)별로 각각 대응 형성된 제 1 전극(170)과, 상기 제 1 전극(170) 상의 화소 영역(P)별로 각각 대응 형성된 제 1 내지 제 n 적색 유기 발광층(REL1 ~ RELn), 제 1 내지 제 n 녹색 유기 발광층(GEL1 ~ GELn) 및 제 1 내지 제 n 청색 유기 발광층(BEL1 ~ BELn)과, 상기 제 1 내지 제 n 적색, 녹색 및 청색 유기 발광층(REL1 ~ RELn, GEL1 ~ GELn, BEL1 ~ BELn) 각각의 사이 공간에 순차적으로 개재되는 제 1 내지 제 n-1 중간 전극층(IL1 ~ ILn-1)과, 상기 제 n 적색, 녹색 및 청색 유기 발광층(REL1 ~ RELn, GEL1 ~ GELn, BEL1 ~ BELn) 상의 화소 영역(P)별로 각각 대응 형성된 제 2 전극(180)을 포함한다.

이 때, 상기 제 1 중간 전극층(IL1)은 제 1 적색, 녹색 및 청색 유기 발광층(REL1, GEL1, BEL1)에 대해서는 음극으로써의 기능을 하고, 제 n 적색, 녹색 및 청색 유기 발광층(RELn, GELn, BELn)에 대해서는 양극으로써의 기능을 한다. 즉, 본 발명에 따른 멀티접합 구조의 유기발광 다이오드(E)는 n개의 다이오드가 제 1 내지 제 n-1 중간전극층(IL1 ~ ILn-1)을 사이에 두고 순차적으로 적층된 직렬 구조로 이루어진다. 따라서, 이러한 멀티접합 구조는 H-E-E 방식의 단층 구조에 비해 유기 발광층의 적층수에 비례하여 발광 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

그러나, 전술한 유기발광 다이오드(E)는 발광 원리에 비추어 보면, 형광물질과 인광물질로 구분되며 형광물질과 비교하여 4배의 발광 효율을 가지는 인광물질을 유기 발광층으로 사용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 형광물질에 비해 인광물질을 사용할 경우 소비전력을 상당히 감소시킬 수 있기 때문에 유기발광 다이오드(E)의 장점을 극대화할 수 있다.

현재는 긴 수명을 가진 높은 효율의 인광물질을 개발하는 것이 필요하다. 특히 청색의 인광물질, 보다 구체적으로는 짙은 청색(deep blue)을 표현할 수 있는 인광물질을 개발하는 것이 절실한 상황이다. 왜냐하면, 청색의 형광 및 인광물질은 HOMO-LUMO 에너지 갭이 적색 및 녹색에 비해 높기 때문에 전자를 전달해줄 확률이 낮으며, 불안정한 여기상태에서 다른 여러 에너지 상태로 존재할 가능성이 있다.

이 때, HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위는 전자가 있는 최고 에너지 준위의 분자궤도함수를 의미하며, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위는 전자가 없는 최고 에너지 준위의 분자궤도함수를 일컫는다.

전술한 바와 같이 불안정한 여기상태에서 발광하게 되면, 발광하는 파장 영 역이 각기 다른 파장 영역에서 방출되는 데 기인하여 색순도가 낮아지는 원인으로 작용한다. 나아가, 빛이 방출되지 못하는 비발광 상태를 증가시켜 발광 효율이 급격히 낮아질 수 있다.

또한, 형광물질을 이용한 유기 발광층을 형성하는 방법으로는 안트라센을 채용한 많은 연구가 이루어지고 있으나, 유기 발광층에 요구되는 휘도, 효율, 구동 안정성 및 수명 등의 특성을 충분히 만족시키지는 못하고 있는 상황이다. 인광물질을 이용한 유기 발광층을 형성하는 방법으로는 이리듐(Ir) 착화합물에 대한 연구가 진행중에 있으나, 고효율, 짙은 청색의 물질 개발 및 장수명 등의 개선이 시급한 상황이다.

특히, 청색의 형광물질의 수명이 적색 및 녹색의 형광물질의 수명 대비 짧으며, 인광물질의 수명이 형광물질에 비해 수명이 낮은 경향을 보이고 있다. 이 때, 종래와 같이 화소 영역별로 적색, 녹색, 청색의 유기 발광층을 동일한 수의 적층 구조로 가져가다 보면, 적색 및 녹색 유기 발광층에 비해 청색의 유기 발광층의 수명이 짧다는 문제가 있다. 이러한 청색의 유기 발광층의 수명이 유기발광 다이오드 전체의 수명을 대변하는 한계가 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 멀티접합 구조의 유기발광 다이오드에서 적색, 녹색 및 청색 유기 발광층의 발광 수명이 균일해지도록 설계 배치하는 것을 통해 장수명을 구현하는 것을 제 1 목적으로 한다.

또한, P-I-N 구조의 유기 발광층을 적용하는 것을 통해 고효율을 구현하는 것을 제 2 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기발광 다이오드는 기판 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상의 제 1 및 제 2 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 1 적색 유기 발광층 및 제 1 녹색 유기 발광층과; 상기 제 3 화소 영역에 차례로 대응 형성된 제 1 청색 유기 발광층, 중간 전극층 및 제 2 청색 유기 발광층과; 상기 제 1 적색 및 녹색 유기 발광층과, 제 2 청색 유기 발광층 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제 1 청색 유기 발광층은 P-I-N 구조로, 상기 제 1 적색 유기 발광층 및 제 1 녹색 유기 발광층은 H-E-E 구조와 P-I-N 구조 중 선택된 어느 하나로 형성된다.

상기 P-I-N 구조는 제 1 전극과 접촉하는 p-형 도핑된 전공주입층, 상기 제 2 전극과 접촉하는 n-형 도핑된 전자주입층과, 상기 n-형 및 p-형 도핑된 전공주입층 및 전자주입층의 상부 및 하부면에 각각 형성된 제 1 및 제 2 중간층과, 상기 제 1 및 제 2 중간층의 사이 공간에 위치하는 발광층을 포함한다.

또한, 상기 n-형 및 p-형 도핑된 전공주입층 및 전자주입층는 30 ~ 2000Å 범위의 두께로 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 n-형 도판트로는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 로듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 란타넘(La), 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 샤마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 이터븀(Yb)이나, 이들의 조합물로 이루어진 ZnSe, ZnS, ZnSSe, SnSe, SnS, SnSSe, LaCuO3, La₄Ru₆O₁₉등으로 이루어진 알칼리 금속, 알칼리 금속 화합물, 알칼리 토류 금속, 알칼리 토류 금속 화합물, 희귀토 금속 및 이들의 조합물 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 P-형 도판트로는 F4-TCNQ, TCNQ 등의 유기 화합물, 요오드, FeCl3, FeF3, SbCl5, 금속 클로라이드, 금속 플로아이드와 같은 무기 산화제 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다. 상기 n-형 및 p-형 도판트의 농도는 0.05 ~ 50 vol%에서 각각 선택된다.

또한, 상기 중간 금속층은 3중층 구조 또는 2중층 구조 중 선택된 어느 하나로 형성되며, 5 ~ 500Å의 두께로 형성된다. 이 때, 상기 3중층 구조의 중간 금속층의 경우, 제 1 층은 일함수가 낮은 금속물질 또는 n-형 도핑된 반도체 물질로, 제 2 층은 일함수가 높은 금속물질로, 제 3 층은 금속화합물로 각각 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 2중층 구조의 중간 금속층은 2중의 경우, 제 1 층은 일함수가 높은 금속물질로, 제 2 층은 금속화합물로 각각 형성된다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기발광 다이 오드는 기판 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상의 제 1 및 제 2 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 1 내지 제 n-1 적색 유기 발광층 및 제 1 내지 제 n-1 녹색 유기 발광층과, 상기 제 1 내지 제 n-1 적색 및 녹색 유기 발광층 각각의 사이 공간에 순차적으로 개재되는 제 1 내지 제 n-2 중간 전극층과; 상기 제 3 화소 영역에 대응 형성된 제 1 내지 제 n 청색 유기 발광층 및, 상기 제 1 내지 제 n 청색 유기 발광층의 사이 공간에 순차적으로 개재되는 제 1 내지 제 n-1 중간 전극층과; 상기 제 n-1 적색 및 녹색 유기 발광층과, 제 n 청색 유기 발광층 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역에 각각 대응 형성된 다수의 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 첫째, 탠덤구조 및 멀티접합 구조의 유기발광 다이오드에서 적색, 녹색 및 청색의 유기 발광층의 수명을 균일하게 확보하는 것을 통해 장수명을 구현할 수 있다.

둘째, P-I-N 구조로 적색, 녹색 및 청색의 유기 발광층을 형성하는 것을 통해 고효율을 구현할 수 있다.

--- 제 1 실시예 ---

본 발명의 제 1 실시예에는 청색 유기 발광층은 탠덤 구조로, 적색 및 녹색 유기 발광층은 단층 구조로 유기발광 다이오드를 형성한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기발광 다이오드에 대해 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기발광 다이오드를 나타낸 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기발광 다이오드(E)는 기판(210) 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역(P1, P2, P3)에 각각 대응 형성된 제 1 전극(170a, 170b, 170c)과, 상기 제 1 전극(170a, 170b, 170c) 상의 제 1 및 제 2 화소 영역(P1, P2)에 각각 대응 형성된 제 1 적색 유기 발광층(REL1) 및 제 1 녹색 유기 발광층(GEL1)과, 제 3 화소 영역(P3)에 차례로 대응 형성된 제 1 청색 유기 발광층(BEL1), 중간 전극층(IL) 및 제 2 청색 유기 발광층(BEL2)과, 상기 제 1 적색 및 녹색 유기 발광층(REL1, GEL1)과 제 2 청색 유기 발광층(BEL2) 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역(P1, P2, P3)에 각각 대응 형성된 제 2 전극(180a, 180b, 180c)을 포함한다.

이 때, 제 1 전극(170a, 170b, 170c)은 인듐-틴-옥사이드(ITO)와 인듐-징크-옥사이드(IZO)를 포함하는 투명한 도전성 물질 그룹, 제 2 전극(180a, 180b, 180c)은 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al)과 같은 비교적 일함수가 낮은 금속 물질 그룹 중 선택된 어느 하나로 각각 형성될 수 있다.

제 2 전극(180a, 180b, 180c)을 일함수가 낮은 금속으로 사용하는 이유는 제 2 전극(180a, 180b, 180c)과 제 1 적색 유기 발광층(REL1), 제 1 녹색 유기 발광 층(GEL1) 및 제 2 청색 유기 발광층(BEL2) 사이에 형성되는 장벽을 낮춤으로써 전자 주입에 있어 높은 전류 밀도를 확보하기 위함이다. 이를 통해 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

이 때, 중간 전극층(IL)은 제 1 청색 유기 발광층(BEL1)에 대해서는 음극으로써의 기능을 하고, 제 2 청색 유기 발광층(BEL2)에 대해서는 양극으로써의 기능을 한다.

전술한 구성은 적색 및 녹색 유기 발광층(REL1, GEL1)은 단층 구조로, 청색 유기 발광층(BEL1, BEL2)은 탠덤 구조로 유기발광 다이오드(E)를 형성한 것을 특징으로 한다.

이 때, 제 3 화소 영역(P3)에 대응된 탠덤 구조의 유기 발광 다이오드(E)는 2개의 다이오드가 중간 전극층(IL)을 사이에 두고 순차적으로 적층된 직렬 구조로 이루어진다. 따라서, 제 1 및 제 2 화소 영역(P1, P2)에 대응된 단층 구조의 유기발광 다이오드(E)에 비해 적층수에 비례하여 발광 효율은 증가하게 된다.

즉, 적색 및 녹색 유기 발광층(REL1, GEL1)은 하나의 유기 발광층으로 이루어진 단층 구조로, 청색 유기 발광층(BEL1, BEL2)은 두개의 유기 발광층이 중간 전극층(IL)을 사이에 두고 적층된 탠덤 구조로 형성된다.

적색 및 녹색 유기 발광층(REL1, GEL1)과 청색 유기 발광층(BEL1, BEL2)의 수명이 균일해질 수 있도록 탠덤 구조와 단층 구조를 복합적으로 적용한 것을 특징으로 한다. 따라서, 적색 및 녹색 유기 발광층(REL1, GEL1)에 비해 수명이 짧은 청색 유기 발광층(BEL1, BEL2)의 수명을 보상할 수 있게 된다.

특히, 제 1 및 제 2 청색 유기 발광층(BEL1, BEL2)은 P-I-N 방식이 이용되고, 제 1 적색 및 녹색 유기 발광층(REL1, GEL1)은 H-E-E 방식 또는 P-I-N 방식 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다.

전술한 P-I-N 구조를 적용할 경우, 그 발광 효율은 높이면서 구동 전압은 낮출 수 있는 장점이 있다. 따라서, P-I-N 구조는 낮은 구동 전압으로도 유기발광 다이오드(E)를 구동할 수 있는 바, 소비전력은 감소되고 발광 수명은 연장할 수 있는 장점이 있다.

도 5는 P-I-N 구조의 유기 발광층에 대해 상세히 나타낸 단면도로, 이를 참조하여 설명하도록 한다.

도시한 바와 같이, P-I-N 구조는 제 1 전극(도 4의 270c)과 접촉하는 p-형 도핑된 전공주입층(272a), 제 2 전극(도 4의 280c)과 접촉하는 n-형 도핑된 전자주입층(272e)과, 상기 p-형 도핑된 전공주입층(272a) 및 n-형 도핑된 전자주입층(272e)의 상부 및 하부면에 각각 형성된 제 1 및 제 2 중간층(272b, 272d)과, 상기 제 1 및 제 2 중간층(272b, 272d)의 사이 공간에 위치하는 발광층(272c)을 포함한다. 이 때, 제 1 및 제 2 중간층(272b, 272d)은 H-E-E 방식의 전공수송층(도 2의 75b) 및 전자수송층(도 2의 75d)과 동일한 물질로 각각 형성될 수 있다.

상기 p-형 도핑된 전공주입층(272a) 및 n-형 도핑된 전자주입층(272e)은 30 ~ 2000Å 범위의 두께로 형성될 수 있다. 상기 P-형 도판트로는 F4-TCNQ, TCNQ등의 유기 화합물, 요오드, FeCl3, FeF3, SbCl5, 금속 클로라이드, 금속플로아이드 와 같은 무기 산화제 중에서 선택될 수 있다.

또한, 상기 n-형 도판트로는 알칼리 금속, 알칼리 금속 화합물, 알칼리 토류 금속, 알칼리 토류 금속 화합물, 희귀토 금속 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 이러한 물질로는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 로듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 란타넘(La), 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 샤마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 이터븀(Yb)이나, 이들의 조합물로 이루어진 ZnSe, ZnS, ZnSSe, SnSe, SnS, SnSSe, LaCuO3, La₄Ru₆O₁₉ 중에서 선택될 수 있다.

이 때, n-형 및 p-형 도판트의 농도는 0.05~50 vol%에서 각각 선택될 수 있다.

도 6a와 도 6b는 중간 전극층을 세부적으로 나타낸 각각의 단면도이다. 보다 상세하게는, 도 6a는 중간 전극층이 제 1, 제 2, 제 3 층이 차례로 적층 형성된 3중층 구조, 도 6b는 중간 전극층이 제 1 및 제 2 층이 차례로 적층 형성된 2중층 구조에 대해 각각 나타낸 단면도이다.

도 6a에 도시한 바와 같이, 3중층 구조의 중간 전극층(IL)의 경우, 제 1 층(275a)은 일함수(work function)가 낮은 금속물질로, 제 2 층(275b)은 일함수가 높은 금속물질로, 제 3 층(275c)은 금속화합물로 각각 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제 1 층(275a)의 경우 일함수가 낮은 금속물질 대신 n-형 도핑된 반도체 물질로 대체하는 것도 무방하다.

도 6b에 도시한 바와 같이, 2중층 구조의 중간 전극층(IL)의 경우, 제 1 층(275a)은 일함수가 높은 금속물질로 형성하고, 제 2 층(275b)은 금속화합물로 형성할 수 있다. 전술한 3중층 구조 또는 2중층 구조의 중간 전극층(IL)은 5 ~ 500Å의 두께 범위에서 형성하는 것이 바람직하다.

이 때, 3중층 구조 및 2중층 구조의 중간 전극층(IL)에 있어서, 일함수가 낮은 금속 물질로는 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 철(Fe), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 아연(Zn), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 또는 이들 비화학적, 화학학적 산화물 및 금속화합물 중에서 선택될 수 있다. 이러한 비화학적, 화학적 산화물 및 금속화합물로는 MoO3, NiMoO4, CuMoO4, WO3, ZnTe, Al4C3, AlF3, B2S3, CuS, GaP, InP, SnTe 등이 있다.

또한, 일함수가 높은 금속 물질로는 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 아연(Zn), 인듐(In), 주석(Sn) 및 이들의 조합물 중에서 선택될 수 있다. 상기 금속화합물로는 MoO₃,WO₃, NiMoO₃, CuMoO₃ 및 NiMoO₃ 중에서 선택될 수 있다.

--- 제 2 실시예 ---

본 발명의 제 2 실시예에는 청색 유기 발광층은 n개의 유기 발광층이 차례로 적층되는 멀티접합 구조로, 적색 및 녹색 유기 발광층은 n-1 또는 n-2개의 유기 발 광층이 차례로 적층되는 멀티접합 구조로 유기발광 다이오드를 형성한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기발광 다이오드에 대해 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기발광 다이오드를 나타낸 단면도로, 제 1 실시예와의 중복 설명은 생략하도록 한다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기발광 다이오드(E)는 기판(310) 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역(P1, P2, P3)에 각각 대응 형성된 제 1 전극(370a, 370b, 370c)과, 상기 제 1 전극(370a, 370b, 370c) 상의 제 1 및 제 2 화소 영역(P1, P2)에 각각 대응 형성된 제 1 내지 제 n-1 적색 유기 발광층(REL1 ~ RELn-1) 및 제 1 내지 제 n-1 녹색 유기 발광층(GEL1 ~ GELn-1)과, 상기 제 1 내지 제 n-1 적색 및 녹색 유기 발광층(REL1 ~ RELn-1, GEL1 ~ GELn-1) 각각의 사이 공간에 순차적으로 개재되는 제 1 내지 제 n-2 중간 전극층(IL1 ~ ILn-2)과, 제 3 화소 영역(P3)에 대응 형성된 제 1 내지 제 n 청색 유기 발광층(BEL1 ~ BELn) 및, 상기 제 1 내지 제 n 청색 유기 발광층(BEL1 ~ BELn)의 사이 공간에 순차적으로 개재되는 제 1 내지 제 n-1 중간 전극층(IL1 ~ ILn-1)과, 상기 제 n-1 적색 및 녹색 유기 발광층(RELn-1, GELn-1)과, 제 n 청색 유기 발광층(BELn) 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역(P1, P2, P3)에 각각 대응 형성된 제 2 전극(380a, 380b, 380c)을 포함한다.

전술한 구성에서 특징적인 것은 적색 및 녹색 유기 발광층(REL1 ~ RELn-1, GEL1 ~ GELn-1)과 청색 유기 발광층(BEL1 ~ BELn)을 멀티접합 구조로 형성하되, 청색 유기 발광층(BEL1 ~ BELn)의 적층수를 적색 및 녹색 유기 발광층(REL1 ~ RELn-1, GEL1 ~ GELn-1)의 적층수 보다 1층 또는 2층이 더 많도록 설계한 것을 특징으로 한다. 즉, 적색 및 녹색 유기 발광층은 n-2개로 적층 형성하는 것도 무방하다. 이 때, 청색의 유기 발광층(BEL1 ~ BELn)의 적층 수 n은 3 ~ 7, 보다 바람직하게는 3 또는 4로 설계한다.

따라서, 본 발명의 제 2 실시예에서는 유기발광 다이오드의 발광 효율은 극대화하면서, 적색 및 녹색 유기 발광층과 청색 유기 발광층 간의 수명을 균일하게 확보할 수 있는 장점으로, 장수명의 유기발광 다이오드를 제작할 수 있다.

그러나, 본 발명은 상기 제 1 및 제 2 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 정신 및 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변형 및 변경할 수 있다는 것은 자명한 사실일 것이다.

도 1은 일반적인 능동 매트릭스 방식의 유기전계 발광소자의 단위 화소에 대해 나타낸 회로도.

도 2a는 종래에 따른 유기발광 다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 2b는 유기 발광층을 상세히 나타낸 단면도.

도 3은 종래에 따른 멀티접합 구조의 유기발광 다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탠덤 구조의 유기발광 다이오드를 나타낸 단면도.

도 5는 P-I-N 구조의 유기 발광층에 대해 상세히 나타낸 단면도.

도 6a와 도 6b는 중간 전극층을 세부적으로 나타낸 각각의 단면도.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 탠덤 구조의 유기발광 다이오드를 나타낸 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

210 : 기판 270a, 270b, 270c : 제 1 전극

280a, 280b, 280c : 제 2 전극 P1, P2, P3 : 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역

REL1 : 제 1 적색 유기 발광층 GEL1 : 제 1 녹색 유기 발광층

BEL1, BEL2 : 제 1 및 제 2 청색 유기 발광층

IL : 중간 전극층 E : 유기발광 다이오드

Claims

기판 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 1 전극과;

상기 제 1 전극 상의 제 1 및 제 2 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 1 적색 유기 발광층 및 제 1 녹색 유기 발광층과;

상기 제 3 화소 영역에 차례로 대응 형성된 제 1 청색 유기 발광층, 중간 전극층 및 제 2 청색 유기 발광층과;

상기 제 1 적색 및 녹색 유기 발광층과, 제 2 청색 유기 발광층 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 2 전극

을 포함하는 유기발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 청색 유기 발광층은 P-I-N 구조로, 상기 제 1 적색 유기 발광층 및 제 1 녹색 유기 발광층은 H-E-E 구조와 P-I-N 구조 중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 유기발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 P-I-N 구조는 제 1 전극과 접촉하는 p-형 도핑된 전공주입층, 상기 제 2 전극과 접촉하는 n-형 도핑된 전자주입층과, 상기 n-형 및 p-형 도핑된 전공주입층 및 전자주입층의 상부 및 하부면에 각각 형성된 제 1 및 제 2 중간층과, 상기 제 1 및 제 2 중간층의 사이 공간에 위치하는 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광 다이오드.
제 3 항에 있어서,

상기 n-형 및 p-형 도핑된 전공주입층 및 전자주입층는 30 ~ 2000Å 범위의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 유기발광 다이오드.
제 3 항에 있어서,

상기 n-형 도판트로는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 로듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 란타넘(La), 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 샤마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 이터븀(Yb)이나, 이들의 조합물로 이루어진 ZnSe, ZnS, ZnSSe, SnSe, SnS, SnSSe, LaCuO3, La₄Ru₆O₁₉등으로 이루어진 알칼리 금속, 알칼리 금속 화합물, 알칼리 토류 금속, 알칼리 토류 금속 화합물, 희귀토 금속 및 이들의 조합물 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
제 3 항에 있어서,

상기 P-형 도판트로는 F4-TCNQ, TCNQ 등의 유기 화합물, 요오드, FeCl3, FeF3, SbCl5, 금속 클로라이드, 금속 플로아이드와 같은 무기 산화제 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기발광 다이오드.
제 3 항에 있어서,

상기 n-형 및 p-형 도판트의 농도는 0.05 ~ 50 vol%에서 각각 선택되는 것을 특징으로 하는 유기발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 중간 금속층은 3중층 구조 또는 2중층 구조 중 선택된 어느 하나로 형성되며, 5 ~ 500Å의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 유기발광 다이오드.
제 8 항에 있어서,

상기 3중층 구조의 중간 금속층의 경우, 제 1 층은 일함수가 낮은 금속물질 또는 n-형 도핑된 반도체 물질로, 제 2 층은 일함수가 높은 금속물질로, 제 3 층 은 금속화합물로 각각 형성된 것을 특징으로 하는 유기발광 다이오드.
제 8 항에 있어서,

상기 2중층 구조의 중간 금속층은 2중의 경우, 제 1 층은 일함수가 높은 금속물질로, 제 2 층은 금속화합물로 각각 형성된 것을 특징으로 하는 유기발광 다이오드.
기판 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 1 전극과;

상기 제 1 전극 상의 제 1 및 제 2 화소 영역에 각각 대응 형성된 제 1 내지 제 n-1 적색 유기 발광층 및 제 1 내지 제 n-1 녹색 유기 발광층과, 상기 제 1 내지 제 n-1 적색 및 녹색 유기 발광층 각각의 사이 공간에 순차적으로 개재되는 제 1 내지 제 n-2 중간 전극층과;

상기 제 3 화소 영역에 대응 형성된 제 1 내지 제 n 청색 유기 발광층 및, 상기 제 1 내지 제 n 청색 유기 발광층의 사이 공간에 순차적으로 개재되는 제 1 내지 제 n-1 중간 전극층과;

상기 제 n-1 적색 및 녹색 유기 발광층과, 제 n 청색 유기 발광층 상의 제 1, 제 2, 제 3 화소 영역에 각각 대응 형성된 다수의 제 2 전극

을 포함하는 유기발광 다이오드.