KR20110061245A

KR20110061245A - 그라펜을 이용한 유기발광소자

Info

Publication number: KR20110061245A
Application number: KR1020090117838A
Authority: KR
Inventors: 최재영; 최원묵
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2011-06-09
Also published as: US20110127497A1; US8507895B2

Abstract

개시된 유기발광소자는 그라펜을 이용한 유기발광소자에 관한 것으로, 투명 기판과 발광이 되는 유기막 사이에 위치하는 제1 전극이 0.1 내지 10nm 두께의 그라펜으로 형성되어, 유기막에서 방출되는 빛의 제1 전극에서의 손실을 억제하여 광효율을 향상시킬 수 있다.

Description

그라펜을 이용한 유기발광소자{Organic light emitting device using graphene}

본 개시는 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그라펜을 이용한 유기발광소자에 관한 것이다.

유기발광소자(Organic Light Emitting Device; OLED)는 유기 발광층에 전류 또는 전압을 인가하면 유기 발광층 내에서 전자와 정공이 결합함으로써 빛이 발생되는 현상을 이용한 자발광형 소자이다. 일반적으로 유기발광소자는 기판 상부에 양극(anode)가 형성되어 있고, 이 양극 상부에 유기화합물로 이루어진 유기발광층이 형성되며, 유기발광층 상부에 음극(cathode)이 형성되어 있는 구조를 가질 수 있다. 유기발광층은 예를 들어 순차적으로 형성된 정공수송층, 발광층, 전자수송층과 같은 유기 박막층들이 될 수 있다.

유기발광층에서 방출된 빛이 기판을 통해 방출하는 과정에서 발생될 수 있는 빛샘 현상을 억제하고 광효율을 향상시킨 유기발광소자를 제공한다.

본 발명의 한 측면에 따르는 유기발광소자는, 투명 기판; 기판 상에 마련되며 그라펜으로 형성되는 제1 전극; 제1 전극과 이격되어 배치되는 제2 전극; 및 제1 전극 및 제2 전극 사이에 개재되며 발광층을 포함한 유기막;을 포함하고, 제1 전극은 0.1 내지 10nm 두께를 갖는다.

이때, 제1 전극은 0.35 내지 5nm 두께를 가질 수 있다.

제1 전극은 70% 내지 99%인 가시광 투명도를 가질 수 있다.

제1 전극과 발광층 사이에 정공 주입층 및 정공 수송층으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 층이 더 마련될 수 있다.

발광층과 제2 전극 사이에 전자 주입층, 전자 수송층 및 정공 차단층으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 층이 더 마련될 수 있다.

또한, 그라펜은 가요성(flexibility)를 가지어, 가요성이 있는 유기발광소자를 제조할 수 있다.

상술한 그라펜을 이용한 유기발광소자를 이용하면, 유기발광층과 기판 사이에 위치하는 제1 전극의 빛샘 현상을 억제할 수 있으며, 이에 따라 광효율을 향상 시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광소자를 도시한다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 유기발광소자(100)는 투명 기판(10) 상에 제1 전극(30), 유기막(50), 제2 전극(70)이 차례로 적층된 구조를 갖는다.

투명 기판(10)으로는, 통상적인 유기발광소자에서 사용되는 기판을 사용할 수 있는데, 기계적 강도, 열적 안정성, 투명성, 표면 평활성, 취급 용이성 및 방수성이 우수한 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 나아가, 이러한 투명 기판(10)이 가요성(flexible)이 있는 재질로 형성되어, 유기발광소자(100)를 이용한 표시장치가 가요성을 가지도록 할 수도 있다.

제1 전극(30) 및 제2 전극(70)은, 유기막(50)의 양면에 마련되어 유기막(50)에 전류 또는 전원을 인가한다. 제1 전극(30)에 대해서는 후술하기로 한다. 제2 전극(70)은 전도성이 좋은 물질로 형성된다. 나아가, 본 실시예의 유기발광소자(100)는 투명 기판(10) 쪽으로 빛(L)이 방출되므로, 반사성이 좋은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(70)은 Ag, Mg, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr 또는 이들의 화합물 등으로 형성될 수 있다.

유기막(50)은 발광층을 포함하며, 저분자 유기물 또는 고분자 유기물로 형성 될 수 있다. 유기막(50)은 발광층외에도 정공 주입층, 정공 수송층, 정공 저지층, 전자 수송층 및 전자 주입층 중 하나 이상의 층을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 저분자 유기물을 사용할 경우 정공 주입층(HIL: hole injection layer), 정공 수송층(HTL: hole transport layer), 유기 발광층(EML: emission layer), 전자 수송층(ETL: electron transport layer), 전자 주입층(EIL: electron injection layer) 등이 단일 혹은 복합의 구조로 적층되어 형성될 수 있으며, 사용 가능한 유기 재료도 구리 프탈로시아닌(CuPc: copper phthalocyanine), N,N-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐-벤지딘 (N,N'-Di(naphthalene-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine: NPB), 트리스-8-하이드록시퀴놀린 알루미늄(tris-8-hydroxyquinoline aluminum)(Alq3) 등을 비롯해 공지된 다양한 재료들이 다양하게 적용 가능하다. 이들 저분자 유기물은 마스크들을 이용한 진공증착 등의 방법으로 형성될 수 있다. 고분자 유기물의 경우에는 대개 전공 수송층(HTL) 및 발광층(EML)으로 구비된 구조를 가질 수 있으며, 이 때, 상기 전공 수송층으로 PEDOT(polyethylene dioxythiophene)를 사용하고, 발광층으로 PPV(Poly-Phenylenevinylene)계 및 PFO(Polyfluorene)계 등 고분자 유기물질을 사용한다. 본 명세서에 있어서, "유기막"이란, 제1 전극(30)과 제2 전극(70) 사이에 개재된 모든 층을 포괄하여 지칭하는 것으로서, 유기막(50)은 금속 착체 등도 포함할 수 있는 것으로서, 반드시 유기물로만 이루어진 막을 의미하는 것은 아니다.

제1 전극(30)은 그라펜으로 형성되며, 0.1 내지 10nm 두께를 갖는다.

본 명세서에서 사용되는 "그라펜(graphene)"이라는 용어는 복수개의 탄소원 자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것으로서, 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 그 결과 그라펜은 서로 공유결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 그라펜은 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하다.

이러한 그라펜은 종래에 알려진 방법에 따라 제조하는 것이 가능하며, 예를 들어 그라펜 시트를 제조한 후 이를 소정 크기로 절단하여 사용할 수 있으며, 또는 기판 상에서 직접 성장시켜 제조하는 것도 가능하다. 일례로 그라펜은 한국특허공개 2009-0043418호에 기재된 방법에 따라 제조할 수 있다. 그라펜은 1mm² 이상의 면적을 가질 수 있으며, 예를 들어 1mm² 내지 100m²의 면적 또는 1mm² 내지 25m²의 면적을 가질 수 있다. 또한 그라펜은 단위면적 1mm²당 99% 이상의 영역에서 그라펜이 존재하며, 예를 들어 단위면적 1mm²당 99% 내지 99.999%의 영역에서 존재할 수 있다. 이와 같은 존재범위에서 그라펜은 균질하게 존재할 수 있으며, 그에 따라 균질한 전기적 특성 등을 나타낼 수 있다.

그라펜은 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 가지며, 또한 현재까지 알려진 그라펜의 전자 이동도는 약 20,000 내지 50,000cm²/Vs의 높은 값을 가진다고 알려져 있다.

본 실시예의 제1 전극(30)은 대략 0.1 내지 10nm의 두께의 단층 내지 복수층 의 그라펜으로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 0.35nm 내지 5nm의 두께의 그라펜으로 형성할 수 있다. 제1 전극(30)의 두께가 0.1nm 미만인 경우, 면저항이 너무 낮아 지거나 그라펜의 막이 불균일해질 수 있어서 바람직하지 않다. 또한, 제1 전극(30)의 두께가 10nm 이상으로 형성되는 경우, 제1 전극(30)에서의 빔샘현상에 의한 광손실이 발생될 수 있다. 이러한 제1 전극(30)의 두께는, 그라펜의 균일성이나 빛의 파장 등을 고려하여 결정할 수 있을 것이다.

하기의 표 1은 본 실시예의 광효율을 비교예들의 광효율과 비교한 것이다.

	실시예	비교예 1	비교예 2
제1 전극의 재질	그라펜	ITO	Ni
제1 전극의 두께	3nm	100nm	10nm
투과율	90%	86%	29%
면저항	10W/sq.	14W/sq.	33W/sq.
일함수	~4.5eV	5.0eV	5.1eV
광효율	80%	25%	23%

본 실시예는 제1 전극(30)으로 3nm 두께의 그라펜(이하, 그라펜 전극)을 이용하였고, 비교예 1은 제1 전극으로 100nm 두께의 ITO(Indium Tin Oxide)(이하, ITO 전극)을 이용하였으며, 비교예 2는 제1 전극으로 10nm 두께의 Ni(이하, Ni 전극)을 이용하였다. 한편, 본 실시예와 비교예 1, 2는 제1 전극을 제외한 나머지 구성은 동일하게 마련하였다. 즉, 본 실시예와 비교예 1, 2에서, 기판(10)과, 유기막(50), 제2 기판(70)은 각각 유리기판, PEDOT:PSS 및 PFO, Al으로 형성하였다.

표 1을 참조하면, 비교예 1의 경우, ITO 전극은 충분한 면저항을 확보하기 위하여 적어도 100nm정도의 두께로 형성하여야 한다. 이와 같은 ITO 전극의 투과율은 86% 정도로 높은 편이지만, ITO 전극의 두께는, 방출되는 가시광선의 파장대인 380nm 내지 780nm와 비교할 때 비슷한 크기(order)를 가지므로, ITO 전극이 방출된 빛의 도파관(waveguide)의 역할을 하여, 빔샘 현상 등에 의한 광손실을 유발하게 된다. 이러한 빔샘 현상에 의한 광손실은 대략 60% 정도로 알려져 있다. 반면에 본 실시예는 그라펜의 전자이동도가 상당히 높기 때문에 3nm 두께의 그라펜 전극으로도 충분히 낮은 면저항을 확보할 수 있고, 또한 3nm 두께는 가시광선의 파장대에 비해 상당히 작으므로, 그라펜 전극에서의 빔샘 현상에 의한 광손실이 유발되지 않는다.

한편, 비교예 2의 경우, Ni 전극은 10nm 두께로 상당히 얇게 만들어, Ni 전극에서의 빔샘 현상에 의한 광손실을 억제하고 있으나, Ni 전극 자체의 광투과율이 낮은 편이다.

이 결과, 비교예 1,2는 대략 25% 또는 23%의 광효율을 갖는데 반하여, 본 실시예는 대략 90%의 광효율을 가지므로, 본 실시예의 유기발광소자는 비교예 1,2에 비하여 대략 3배 이상의 광효율을 가짐을 볼 수 있다.

한편, 그라펜은 그 두께를 매우 얇게 구성할 수 있어 표면 거칠기를 매우 양호하게 가질 수 있다. 따라서, 그라펜을 이용하는 제1 전극(30)은 나노 사이즈의 레벨에서 매우 매끄러운 표면 거칠기를 가질 수 있어, 유기발광소자(100)에 전원 인가시 균일한 전류가 유기막(50)에 흐를 수 있게 하며, 유기발광소자(100)의 수명을 향상시킬 수 있다.

본 실시예의 유기발광소자(100)가 어레이 형태로 배열되어 유기발광 표시장치를 구현하는 경우, 투명 기판(10)에는 유기발광소자(100)에 전원을 인가하는 (도시되지 않은) 배선 회로가 마련될 수 있다. 나아가 유기발광표시장치가 능동형인 경우, 투명 기판(10) 상에는 TFT(thin-film transistor) 등의 (도시되지 않은) 화소회로가 더 마련될 수 있다.

한편, 그라펜은 매우 우수한 가요성(flexibility)을 가지므로, 구부림이 가능한 투명전극을 제조하는 것이 가능해진다. 따라서, 제1 전극(30)으로 그라펜을 이용하는 본 실시예의 유기발광소자(100)는 가요성이 있는 표시장치를 가능하게 한다.

나아가, 본 실시예는 유기발광소자의 투명전극으로 그라펜을 이용한 구성을 예로 들어 설명하고 있으나, 그밖의 투명전극을 이용하는 태양전지 등에 있어서도 투명전극에서의 빛샘현상을 최소화하기 위하여 그라펜을 이용할 수 있을 것이다.

전술한 본 발명인 그라펜을 이용한 유기발광소자는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

10... 기판 30... 제1 전극

50... 발광층 70... 제2 전극

100...유기발광소자

Claims

투명 기판;

상기 기판 상에 마련되며 그라펜으로 형성되는 제1 전극;

상기 제1 전극과 이격되어 배치되는 제2 전극; 및

상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되며 발광층을 포함한 유기막;을 포함하고,

상기 제1 전극은 0.1 내지 10nm 두께를 갖는 유기발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 제1 전극은 0.35 내지 5nm 두께를 갖는 유기발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 제1 전극은 70% 내지 99%인 가시광 투명도를 가지는 상기 유기발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 제1 전극과 상기 발광층 사이에 정공 주입층 및 정공 수송층으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 층을 더 포함하는 유기발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 발광층과 상기 제2 전극 사이에 전자 주입층, 전자 수송층 및 정공 차단층으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 층을 더 포함하는 유기발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 제1 전극은 가요성을 가지는 유기발광소자.