KR20130006937A - 유기 발광 소자 - Google Patents

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KR20130006937A
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조세진
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오일수
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이보라
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이종혁
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Abstract

1 전극, 제2 전극 및 유기막을 포함하고, 상기 유기막은 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하는 제1 발광층; 상기 제1 발광층 및 제2 전극 사이에 위치하는 제2 발광층; 및 상기 제1 발광층 및 제2 발광층 사이에 위치하고, 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층을 포함하는 유기 발광 소자가 제공된다.

Description

유기 발광 소자{Organic light emitting element}
유기 발광 소자에 관한 것이다.
유기 발광 표시 장치는 복수의 유기 발광 소자를 포함하며, 유기 발광 소자는 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)와 그 사이의 유기 발광 부재를 포함한다.
유기 발광 소자는 두 개의 전극 사이에 유기 발광층을 형성하고, 2 개의 전극으로부터 각각 전자(electron)와 정공(hole)을 유기 발광층 내로 주입시켜 전자와 정공의 결합에 따른 여기자(exciton)를 생성하고, 이 여기자가 여기 상태로부터 기저 상태로 떨어질 때 광이 발생하는 원리를 이용한 소자이다.
한편 유기 발광 소자를 포함하는 유기 발광 표시 장치는 자체 발광형으로 별도의 광원이 필요 없으므로 소비전력 측면에서 유리할 뿐만 아니라, 응답 속도, 시야각 및 대비비(contrast ratio)도 우수하다.
유기 발광 부재는 백색 또는 기본색(primary color)의 빛을 내며, 발광층과 부대층, 즉 전자 주입층, 정공 주입층, 전자 수송층, 정공 수송층 등을 포함한다.
백색 유기 발광 부재의 경우 발광층이 삼원색, 예를 들면 적색, 녹색 및 청색 빛을 내는 발광 물질이 적층된 구조를 가지는 것이 일반적이다. 이렇게 적층된 적색, 녹색 및 청색의 각 발광층에서 모두 동시에 발광이 이루어짐으로써 전체적으로 균형적인 백색 발광을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 측면은 탠덤 구조이면서도 구동 전압을 낮춘 유기 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 수명 특성이 향상된 유기 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 제1 전극, 제2 전극 및 유기막을 포함하고, 상기 유기막은 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하는 제1 발광층; 상기 제1 발광층 및 제2 전극 사이에 위치하는 제2 발광층; 및 상기 제1 발광층 및 제2 발광층 사이에 위치하고, 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.
상기 제1 전극, 상기 제1 발광층 및 상기 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층을 포함하는 제1 단위 소자 및 상기 제2 발광층 및 제2 전극을 포함하는 제2 단위 소자가 적층된 탠덤(tandem) 구조를 형성하고, 전하발생층(charge generation layer)을 포함하지 않을 수 있다.
상기 전자주입층은 리튬 퀴놀레이트(LiQ)를 포함하는 제1 전자주입층 및 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 제2 전자주입층을 포함하는 것일 수 있다.
상기 유기 발광 소자는 상기 제1 발광층 및 상기 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층 사이에 전자수송층이 형성되거나 형성되지 않은 것일 수 있다.
상기 제1 발광층은 적색 또는 녹색 발광층이고, 상기 제2 발광층은 청색 발광층일 수 있다.
상기 유기막의 두께는 160 내지 300 nm일 수 있다.
상기 제1 전극이 애노드이고, 상기 제2 전극이 캐소드일 수 있다.
상기 제1 전극, 상기 제1 발광층 및 상기 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층을 포함하는 제1 단위 소자 및 상기 제2 발광층 및 제2 전극을 포함하는 제2 단위 소자가 적층된 탠덤(tandem) 구조를 형성하고, 상기 제1 단위 소자 또는 상기 제2 단위 소자가 정공수송층은 P형 물질이 도핑된 정공수송층을 포함하는 것일 수 있다.
상기 유기막은 정공주입층, 정공수송층, 전자저지층, 발광층, 정공저지층, 전자수송층 및 전자주입층으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 층을 더 포함할 수 있다.
상기 유기 발광 소자는 수명 특성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자의 수명 특성을 측정하기 위하여 시간에 따른 발광 강도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 유기 발광 부재(370)는 하부 발광 부재 (380) 및 상부 발광 부재(390)를 포함한다.
하부 및 상부 발광 부재(380, 390)를 포함하는 유기 발광 부재(370)는 제1 전극(191), 제1 발광층(385), 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층(390), 제2 발광층(395) 및 제2 전극(270)을 포함한다. 선택적으로, 제1 발광층(385)과 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층(390) 사이에 리튬 퀴놀레이트(LiQ)를 포함하는 전자주입층을 더 포함하여, 리튬 퀴놀레이트(LiQ)를 포함하는 제1 전자주입층(389) 및 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 제2 전자주입층(390)을 포함할 수 있다.
상기 유기 발광 부재(370)는 서로 다른 색을 발광하는 하부 발광 부재(380) 및 상부 발광 부재(390)의 2개의 단위 소자를 형성하는 탠덤(tandem) 구조이다.
　상기와 같은 2개의 서로 다른 색을 발광하는 2개의 단위 소자가 적층된 탠덤 구조는 2개의 단위 소자 사이에 전하발생층(charge generation layer)을 더 포함할 수 있다. 상기 전하발생층은 상부 발광 부재의 단위 소자에 포함될 수 있는 정공주입층(HIL)의 최고점유분자궤도함수(HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital)와 유사한 상당히 낮은 최저비점유분자궤도함수(LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital)를 가지는 물질로 이루어진다. 따라서 상부 발광 부재의 단위 소자에 포함될 수 있는 정공주입층으로부터 전하발생층으로 쉽게 전자가 이동하여 상부 발광 부재의 단위 소자에 포함될 수 있는 정공주입층에 정공을 형성해 준다.
상기 탠덤 구조의 유기 발광 소자는 단수의 단위 소자로 형성된 유기 발광 소자와 동일한 전류를 사용하면서 적층된 단위 소자 각각에서 발광되는 휘도가 합해져 전체 휘도가 증가함에 따라 그 효율이 향상되지만, 단순 적층 구조의 특성상 전체 소자의 두께가 적층 단위 소자의 수에 비례하여 두꺼워지므로 구동 전압이 상승한다.
이와 같이, 탠덤 구조가 그 구동 전압이 적층되는 단위 소자의 층수에 비례하여 증가하는 경향이 있는데, 전술한 바와 같이 단위 소자 사이에 전하발생층을 포함하여 상부 발광 부재의 단위 소자로부터 하부 발광 부재의 단위 소자로 전자의 흐름을 원활하게 해 줄 수 있다.
상기 유기 발광 부재(370)는 전술한 바와 같은 전하발생층을 포함하지 않을 수 있다. 상기 하부 발광 부재(380)에 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층(390)을 도입하고, 상기 플러린의 쌍극자(dipole) 특성 때문에 상부 발광 부재의 단위 소자로부터 전자를 이동시킨다. 예를 들면, 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층(390)의 쌍극자 특성으로 인하여 상부 발광 부재의 단위 소자로부터 하부 발광 부재의 단위 소자에 포함된 전자수송층(ETL)의 LUMO로 쉽게 전자가 전달되어 원활히 적층 구조를 따라 이동할 수 있다. 이러한 원리로, 상기 유기 발광 부재(370)는 탠덤 구조이고 전하발생층을 포함하지 않으면서도 구동 전압을 낮출 수 있게 되고, 그 결과 유기 발광 소자의 수명 특성을 개선시킨다.
일반적으로 플러린(fullerene: C60)은 유기 발광 소자에 적용시 수명 특성을 악화시키는 것으로 알려져 있는데 반하여 상기 유기 발광 부재(370)를 채용한 유기 발광 소자는 오히려 수명 특성이 개선된다.
상기 유기 발광 부재(370)는 제1 발광층(385)과 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층(390) 사이에 전자수송층(387)이 형성될 수도 있고 형성되지 않을 수도 있다.
상기 하부 발광 부재(380)에 형성된 전자주입층은 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층(390)의 단일막으로 형성되거나, 리튬 퀴놀레이트(LiQ)를 포함하는 제1 전자주입층(389) 및 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 제2 전자주입층(390)의 2층으로 형성될 수 있다. 상기 리튬 퀴놀레이트(LiQ)를 포함하는 제1 전자주입층(389)은 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 제2 전자주입층(390)의 쌍극자 특성에 의한 전자 이동이 더욱 잘 수행되도록 보조한다. 이와 같이 하부 발광 부재(380)가 2층의 전자 주입층을 형성하는 경우 역시 제1 발광층(385)과 리튬 퀴놀레이트(LiQ)를 포함하는 제1 전자주입층(389) 사이에 전자수송층(387)이 형성될 수도 있고 형성되지 않을 수도 있다.
상기 유기 발광 부재(370)의 상기 하부 발광 부재(380)에 형성된 전자주입층은 쌍극자 특성을 갖는 물질을 포함하여 그 특성을 이용하는 것으로서, 낮은 LUMO를 가지는 물질의 특성을 이용하는 것이 아니기 때문에, 탠덤 구조에서 구동 전압이 높아지는 문제를 해결하기 위하여 낮은 LUMO를 가지는 물질을 포함하는 전하발생층과는 구별된다.
상기 제1 발광층(385)은 적색 또는 녹색 발광층으로 형성되고, 상기 제2 발광층(395)은 청색 발광층으로 형성된다.
도 1에서, 하부 전극(191)은 반사층(191a) 및 투명 도전층(191b)을 포함하고, 상기 제1 전극(191)과 마주하는 제2 전극(270) 및 유기 발광 부재(370)를 포함하는 유기 발광 소자가 도시되어 있다.
상기 제1 전극(191) 및 상기 제2 전극(270) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드일 수 있다. 상기 제1 전극(191) 및 상기 제2 전극(270)은 투명 또는 불투명 전극일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(191) 및 상기 제2 전극(270)은 ITO, IZO 또는 이들의 조합을 포함하거나, 알루미늄(Al), 은(Ag), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극이 애노드이고, 상기 제2 전극이 캐소드일 수 있다.
도 1에서 상기 유기 발광 소자는 공진 구조를 형성하기 위하여, 제1 전극(191)은 반사층(191a)과 투명 도전층(191b)을 포함하는 복수 층으로 형성될 수 있고, 상기 제2 전극(270)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 칼슘(Ca), 칼슘은(CaAg), 마그네슘은(MgAg) 및 알루미늄은(AlAg) 등 중 하나 이상을 포함하는 단층 또는 복층의 광 반투과성 도전 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
반사층(191a)은 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 은(Ag) 또는 이들의 조합과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있고, 투명 도전층(191b)은 예컨대 인듐 주석 산화물 또는 인듐 아연 산화물로 만들어질 수 있다.
반사층(191a)은 제2 전극(270)과 함께 공진(microcavity) 효과를 발생할 수 있다. 공진 효과는 빛이 소정 거리만큼 떨어져 있는 반사층과 투명층(반투명층)을 반복적으로 반사함으로써 특정 파장의 빛을 증폭하는 것이다.
반사층(191a)을 포함하는 제1 전극(191)은 발광층에서 방출하는 발광 특성을 크게 개질하는 공동을 형성하고, 공진의 공명 파장에 상응하는 파장 부근의 발광은 제2 전극(270)을 통해 강화되고, 다른 파장의 빛은 억제된다. 이 때 특정 파장의 광의 강화 및 억제는 제1 전극(191)과 제2 전극(270) 사이의 거리에 따라 결정될 수 있다. 제1 전극(191)과 제2 전극(270) 사이의 거리는 예컨대 유기 발광 부재(370), 즉, 유기막의 두께 조절을 통해 제어할 수 있으며, 이로써 특정 파장의 광을 강화 및 억제할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 다양한 방법으로 제1 전극(191)과 제2 전극(270) 사이의 거리를 제어할 수 있다.
제2 전극(270) 상부에 캐핑층(capping layer)(미도시)을 더 형성할 수 있다. 캐핑층은 전면발광소자에 있어 공진에 의한 발광 효율을 높이기 위해 필요한 캐소드 상부에 형성될 수 있는 보조층이다.
예컨대, 상기 유기 발광 부재(370)의 두께를 160 내지 200 nm로 하여, 청색 공진 구조를 형성할 수 있다. 이 경우, 하부 발광 부재(380)의 적색 발광을 광학적으로 필터링함으로써 청색만 구현될 수 있다.
전술한 유기 발광 소자는 FMM(fine metal mask) 공정을 필요로 하지 않게 된다. 탠덤 구조를 형성하지 않는 유기 발광 소자는 R(적색), G(녹색), B(청색)을 패터닝하기 위하여 FMM 공정을 수행하는데, 공진 두께 보정을 위하여, R 발광보조층, G 발광보조층을 더 형성한다. 반면, 상기 유기 발광 소자는 두 개의 발광층을 적층하여서 마스크를 사용하는 공정의 횟수를 줄여준다(이때 각 색상은 공진 두께 조정을 통해 이루어진다). 더 나아가, 예를 들어, R 발광층과 B 발광층을 적층한 구조에 녹색 색변환 매트릭스(color change matrix: CCM) 도입하면 G 발광보조층용 마스크도 줄일 수 있습니다.
상기 유기 발광 소자에서 유기막, 즉 상기 하부 발광 부재(380)의 1 단위 소자 및 상기 상부 발광 부재(390)의 제2 단위 소자는 각각 필요에 따라, 정공주입층, 정공수송층, 전자저지층, 발광층, 정공저지층, 전자수송층 및 전자주입층으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함하여 다양한 구조가 가능하며, 필요에 따라 한층 또는 2층의 중간층을 더 형성하는 것도 가능하다.
도 1에서, 하부 발광 부재(380)는 정공 공급을 원활히 하기 위해 P형 물질이 도핑된 정공수송층(381), 정공수송층(383)과 전자수송층(387)이 더 형성되어 있고, 상부 발광 부재(390)는 P형 물질이 도핑된 정공수송층(391), 정공수송층(393)과 전자수송층(397) 및 전자주입층(399)이 더 형성되어 있다.
도 2는 하부 발광 부재(380)의 전자 주입층이 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층의 단층 구조로 형성된 유기 발광 소자의 일례를 도시한 것이다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
( 실시예 )
실시예 1
유리 기판 위에 Ag 반사층 및 ITO 전극을 순차적으로 형성한 후, P형 물질이 도핑된 제1 정공수송층(100A)/정공수송층(550A)/적색발광층(200A)/전자전송층(100A)/상기 플러린(fullerene: C60)(15A)을 포함하는 전자주입층 구조의 제1 단위 소자 위에, P형 물질이 도핑된 제1 정공수송층(100A)/제2 정공수송층(200A)/청색 발광층(200A)/전자수송층(300A)/전자주입층(20A) 구조의 제2 단위 소자를 적층하여 유기막을 형성하였다. 그 위에 LiF(10A)/MgAg(10:1)(200A) 전극을 형성함으로써 도 1에 도시된 바와 같은 유기 발광 소자를 제조하였다. 총 유기막의 두께는 178.5nm로 형성하였다.
비교예 1
P형 물질이 도핑된 제1 정공수송층(100A)/정공수송층(550A)/적색발광층(200A)/전자전송층(100A)/WO3(50A)을 포함하는 CGL(전하형성층) 구조의 제1 단위 소자 위에, P형 물질이 도핑된 제1 정공수송층(100A)/제2 정공수송층(200A)/청색 발광층(200A)/전자수송층(300A)/전자주입층(20A) 구조의 제2 단위 소자를 적층하여 유기막을 형성하였다. 그 위에 LiF(10A)/MgAg(10:1)(200A) 전극을 형성하여 유기 발광 소자를 제조하였다. 총 유기막의 두께는 182nm로 형성하였다.
실험예 1
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 유기 발광 소자에 대하여, 전류-전압-휘도(current-voltage-luminance: IVL)특성을 측정하였고, 수명 특성을 평가하였다. 실시예 1 및 비교예 1에서 제작된 유기 발광소자를 전원 공급기(power supplier) KEITHLEY 238 CURRENT SOURCE MEASURE UNIT 및 휘도측정기 PHOTO RESEARCH PR650을 이용하여 -6v에서 6v까지 전압으로 스캔하며 각 전압에서의 전류 및 휘도를 측정하였다. 측정 후 white 400nit 기준으로 청색에 요구되는 요구 휘도에 해당하는 전류을 가하여, 초기 휘도 대비 80%까지 낮아지는 시점까지 수명을 측정하였다.
IVL 특성 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
이름 구동전압(V) 전류밀도
(mA/cm2)		 발광효율
(Cd/A)		 발광효율
(lm/W)		 휘도
(Cd/m2)		 색좌표
CIEx CIEy
실시예 1 10 9.484 4.5363313 1.1236063 339.2 0.1449 0.0511
12 49.1275 4.2630903 0.886742 1664 0.1449 0.0511
비교예 1 10.5 10.392125 4.5380516 1.3577819 471.6 0.1405 0.0508
13 43.66875 4.312008 1.0420441 1883 0.1405 0.0507
도 3은 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 유기 발광 소자의 시간에 따른 발광 강도를 측정하여 나타낸 그래프로서, 실시예 1의 수명 특성이 비교예 1에 비하여 우수함을 보여준다.
191: 제1 전극 381: P형 물질이 도핑된 정공수송층(HTL)
383: 정공수송층(HTL) 385: 제1 발광층(EML)
387: 전자수송층(ETL) 389: LiQ를 포함하는 전자주입층(EIL)
390: 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층(EIL)
391: P형 물질이 도핑된 정공수송층(HTL)
393: 정공수송층(HTL) 395: 제2 발광층(EML)
397: 전자수송층(ETL) 399: 전자주입층(EIL)
280: 제2 전극

Claims (9)

  1. 제1 전극, 제2 전극 및 유기막을 포함하고,
    상기 유기막은
    상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치하는 제1 발광층;
    상기 제1 발광층 및 제2 전극 사이에 위치하는 제2 발광층; 및
    상기 제1 발광층 및 제2 발광층 사이에 위치하고, 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층
    을 포함하는 유기 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극, 상기 제1 발광층 및 상기 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층을 포함하는 제1 단위 소자 및 상기 제2 발광층 및 제2 전극을 포함하는 제2 단위 소자가 적층된 탠덤(tandem) 구조를 형성하고, 전하발생층(charge generation layer)을 포함하지 않는 유기 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자주입층은 리튬 퀴놀레이트(LiQ)를 포함하는 제1 전자주입층 및 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 제2 전자주입층을 포함하는 것인 유기 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기 발광 소자는 상기 제1 발광층 및 상기 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층 사이에 전자수송층이 형성되거나 형성되지 않은 것인 유기 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발광층은 적색 또는 녹색 발광층이고, 상기 제2 발광층은 청색 발광층인 유기 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유기막의 두께가 160 내지 300 nm인 유기 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극이 애노드이고, 상기 제2 전극이 캐소드인 유기 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극, 상기 제1 발광층 및 상기 플러린(fullerene: C60)을 포함하는 전자주입층을 포함하는 제1 단위 소자 및 상기 제2 발광층 및 제2 전극을 포함하는 제2 단위 소자가 적층된 탠덤(tandem) 구조를 형성하고,
    상기 제1 단위 소자 또는 상기 제2 단위 소자가 정공수송층이 P형 물질이 도핑된 정공수송층을 포함하는 것인 유기 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유기막은 정공주입층, 정공수송층, 전자저지층, 발광층, 정공저지층, 전자수송층 및 전자주입층으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
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