KR100907132B1

KR100907132B1 - 유기 전기 발광 소자의 제조방법

Info

Publication number: KR100907132B1
Application number: KR1020020034379A
Authority: KR
Inventors: 정복현; 박재용
Original assignee: 오리온오엘이디 주식회사
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2022-06-19
Also published as: KR20040000012A

Abstract

본 발명은 발광 효율이 우수한 유기 EL 소자의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 양전극의 표면 거칠기를 조절하여 정공 수송층과의 접촉 면적을 넓혀서 정공 주입량을 향상시킴으로써 패널의 발광 효율을 증가시키고, 정공 주입층과 같은 유기층 증착 공정을 생략하여 제작 수율이 향상된 유기 EL 소자의 제조방법을 제공한다.

Description

유기 전기 발광 소자의 제조방법{Manufacturing method of organic electroluminescence device}

도 1은 종래의 유기 EL 소자의 기본 구성을 설명하기 위한 개략도.

도 2는 본 발명의 유기 EL 소자의 기본 구성을 설명하기 위한 개략도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 하부 기판 12 : 양전극

14 : 정공 주입층 16 : 정공 수송층

18 : 발광층 20 : 전자 수송층

22 : 전자 주입층 24 : 음전극

26 : 음전극 배선 28 : 전원

30 : 양전극 배선

e : 주입된 전자 h : 주입된 정공

본 발명은 유기 EL 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양전극의 표면 거칠기를 조절하여 정공 수송층과의 접촉 면적을 넓혀서 정공 주입량을 향 상시킴으로써 패널의 발광 효율을 증가시키고, 정공 주입층과 같은 유기층 증착 공정이 생략되어 제작 수율을 향상시킬 수 있는 유기 EL 소자의 제조방법에 관한 것이다.

근래에, 큰 주목을 받고 있는 유기 EL 소자는 서로 다른 밴드 갭을 가지는 두 가지 이상의 유기 발광 물질을 적층 구조로 하여 각각의 물질에서는 나타나지 않는 새로운 영역의 전계 발광 파장을 얻기 위한 소자이다. 이때 새로운 영역의 발광 파장은 발광층이라 불리는 유기층에서 전자 (electron)와 정공 (hole)이 만나서 재결합할 때 방출되는 에너지가 빛으로 변환되는 것이다.

유기 EL 소자는 1960년대에 연구가 시작되어, 1987년 이스트만 코닥 (Eastman Kodak)사가 발광 유기물 층에 전자와 정공의 주입이 균형을 이루도록 하면서 유기층의 두께를 2000Å 이하로 낮추어서 실용화에 가능한 정도의 10V 이하의 저전압 구동과 고효율, 고휘도를 얻는데 성공한 이후 (Appl. Phys. Lett., 51, 913 (1987), 미합중국 특허 제4,356,429호, 제4,539,507호, 제4,720,432호, 제4,885,211호), 디스플레이 장치에 채용되는 것이 본격적으로 검토되기 시작했다. 이어, 1993년 일본에서 적(R), 녹(G), 청(B) 3색을 동시에 발생시켜서 자연광에 가까운 백색광을 나타내는데 성공한 것을 비롯하여, 고휘도, 저소비 전력, 소자의 장수명화 등이 실현되어 유기 EL 소자는 액정을 대신하는 차세대 평판 디스플레이로서 크게 기대되고 있다.

도 1은 일반적인 유기 EL 소자의 기본 구성을 나타낸 개략도인데, 유기 EL 소자는 일반적으로 투명한 재질의 하부 기판(10) 상에, 정공 주입전극인 양전극(12)과, 정공 주입층(14; Hole Injection Layer)과, 정공 수송층 (16; Hole Transporting Layer)과, 유기발광층 (18; Emitting Material Layer)과, 전자 수송층(20; Electron Transporting Layer)과, 전자 주입층 (22; Electron Injection Layer) 및 전자주입전극인 음전극(24)이 순차적으로 적층되어 있는 발광 구조를 갖는다.

이때, 발광층으로의 전자와 정공 주입이 쉬워야 하며, 전자 주입을 쉽게 하기 위해서는 전자 수송층과 음전극인 금속층 사이에 일함수가 낮은 전자 주입층을 사용한다. 일반적으로 양전극(12)의 재료로는 유리, 석영 또는 유연한 플라스틱이나 필름 등이 주로 사용되고, 음전극(24)의 재료로는 작은 일함수를 갖는 금속인 Ca, Mg 또는 Al 등이 사용된다. 또한 유기발광층(18)의 재료로는 Alq₃ 또는 안트라센 등의 단분자 유기 화합물이나 PT (polythiophene) 등의 고분자 유기 화합물이 사용되며, 전자 수송층(20)으로는 옥시다졸 유도체 등이 주로 사용되며, 전자 주입층으로는 Al-Li 등이 이용되고 있고, 낮은 일함수를 가지는 알칼리 금속에 대한 연구 성과들도 발표되고 있다. 금속 도핑층이 가져야 하는 조건들은 유기물과의 접착력이 우수하고, 음전극 재료인 알루미늄이 유기물로 침투하는 것을 막으면서, 그 자체도 유기물에 침투하지 않아야 한다. 이러한 재료들은 모두 진공 증착방법을 이용하여 증착된다.

여기서, 상기 유기 EL 소자의 동작을 살펴보면, 상기 양전극(12)에 양의 전압을 인가하고, 음전극(24)에 음의 전압을 인가하면 양전극(12)에서는 정공(h)이 주입되고, 음전극(24)에서는 전자(e)가 주입되어 정공(h)은 정공 주입층(14), 정공 수송층(16)을 지나고, 전자(e)는 전자 주입층(22), 전자 수송층(20)을 지나 발광층(18)에서 전자(e)와 정공(h)이 만나게 되어, 이들의 재결합에 의해 발광하게 되며, 발광층의 재료에 따라, 즉 재결합하는 위치와 유기물의 재료에 따라 각기 다른 파장대의 빛을 발하게 된다. 이때 전자와 정공의 밴드 갭 (band gap) 차이로 인하여 발광층에서 정공은 전자 수송층 쪽으로 못 넘게 되고, 전자는 정공 수송층 쪽으로 못 넘게 되어, 발광층에서의 재결합 효율이 높아져서 발광에 기여하는 전자/정공의 수가 많게 되어 외부 효율을 높이는 원리를 이용한다.

상기 유기 EL 소자의 기본 구성에서, 정공 주입층의 역할은 하기와 같다.

첫째, 양전극 표면은 표면 에너지가 크고, 정공 수송층의 유기층은 표면 에너지가 작으므로, 표면 에너지의 반응성에 의해서 아릴아민 게열인 α-NPD 등과 같은 정공 수송층의 유기 재료가 이들 계면에서 응집되는 현상이 일어나고, 이를 방지하기 위해서 버퍼층이 필요한데, 정공 주입층이 이러한 버퍼 역할을 수행한다.

둘째, 통상적으로 증착된 양전극인 ITO 표면의 일함수는 약 4.6eV이고, 산소 클리닝을 한 양전극 표면의 일함수는 약 4.9eV인데, 일반적으로 정공 수송층의 일함수는 5.3∼5.4eV 정도이므로, 이 사이에 계단 역할을 하는 일함수 5.1∼5.2eV를 가지는 유기층인 정공 주입층을 도입하게 된다. 즉 정공 주입층은 일함수 차이를 줄이는 버퍼 역할을 하게 된다.

셋째, 정공 주입층은 표면 거칠기가 큰 재료이므로, 접촉 면적이 넓어서 접착력이 우수하고, 홀 주입 능력이 뛰어나다. 즉, 정공 주입층은 접촉 면적을 늘려 서 홀 주입량을 늘림으로써 발광 휘도를 높이는 역할을 하고, 저전압 구동이 가능하도록 한다.

그러나, 정공 주입층의 상기와 같은 역할에도 불구하고, 유기 EL 소자에서 증착되는 유기층의 수가 많아지면, 증착 공정에서 발생하는 문제점으로 인하여 제작 수율이 낮아지게 된다.

이에 본 발명에서는 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 정공 주입층의 역할을 대신할 수 있도록 양전극 표면에 드라이 클리닝 방법을 도입하여 양전극 표면의 모르폴로지를 변화시키고, 정공 주입층과 정공 수송층의 모호한 관계를 하나의 유기층으로 통합하여 증착 유기층의 수를 줄임으로써 증착 공정수를 감소시켜 제작 수율을 높이고자 하였다.

본 발명의 목적은 양전극의 표면 거칠기를 조절하여 정공 수송층과의 접촉 면적을 넓혀서 정공 주입량을 향상시킴으로써 패널의 발광 효율을 높이고, 정공 주입층 증착 공정을 생략하여 제작 수율을 향상시킬 수 있는 유기 EL 소자의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 기판 상에 제1전극을 형성하는 공정과, 상기 제1전극이 형성된 제1전극 표면상에 산소 플라즈마를 이용하여 산소의 +이온기가 투명 전극인 제1전극에 부딪쳐서 표면을 클리닝하는 조건에 의해서 제1전극의 표면의 거칠기를 제어하는 공정과, 상기 클리닝된 제1전극 표면에 정공 수송층을 형성하는 공정과, 상기 정공 수송층 상에 발광층을 형성하는 공정과; 상기 발광층 상에 제2전극을 형성하는 공정을 포함하는 유기 EL 소자 제조방법을 구비함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 특징은 제1전극 표면의 산소 플라즈마를 이용한 드라이 클리닝 조건을 파워 (power) 80W, 압력 50mTorr, 클리닝 시간 30초∼1분 30초로 하여 제1전극 표면의 거칠기를 20∼100Å로 함으로써, 정공 주입층을 증착하는 공정을 생략한 유기 EL 소자 제조방법을 구비함에 있다.

또한, 본 발명의 또다른 특징은 상기 발광층과 제2전극 사이에 전자 수송층을 형성하고, 상기 제2전극과 전자 수송층 사이에 전자 주입층을 형성하는 공정을 구비함에 있다.

또한, 본 발명의 또다른 특징은 전술한 제조방법으로 제조된 유기 EL 소자를 제공함에 있다.

이하, 본 발명의 일실시예를 도 2를 참고로 하여 상세하게 설명한다.

먼저, 투명 기판(10) 상에, 정공 주입전극인 양전극(12)을 형성시키고, 양전극의 표면을 산소 플라즈마를 이용하여 드라이 클리닝한 후에 산소 분위기 하에서 노출시킴으로써 양전극 표면 거칠기를 조절한다.

상기 공정에서 드라이 클리닝의 조건은 파워 80W, 압력 50mTorr, 클리닝 시간 30초∼1분 30초이다.

상기 드라이 클리닝 공정 후의 제1전극, 즉 양전극의 표면 거칠기는 20∼100Å 정도인 것이 바람직한데, 보다 바람직하게는 30∼50Å 정도이다.

양전극 표면의 거칠기가 불균일하면, 표면의 스파이크 (spike)로 인하여 불량 셀이 발생할 확률이 높지만 스파이크를 줄여주면서 유기층과의 접촉 면적을 높이면, 정공 주입 확률을 높일 수 있다. 스파이크를 줄이면서, 정공 주입 확률을 높이기 위한 양전극의 적절한 표면 거칠기가 전술한 20∼100Å의 범위인데, 표면 거칠기가 20Å 이하이면 접촉 면적을 높이는데 그다지 큰 효과가 없으며, 100Å 이상이면 스파이크로 인한 불량 셀이 발생할 확률이 높아진다.

한편, 상기 기판 상의 제1전극은 투명 전극인 ITO를 통상 사용하는데, 기판 위의 ITO의 표면 거칠기를 ITO 박막 두께의 10% 이하로 제어하는 것은 불가능하다. 즉, 이는 ITO 전극의 두께가 2000Å이면, 표면 거칠기가 200Å 이상임을 의미한다. 본 발명에서는 이렇게 준비된 기판의 표면 거칠기를, 전술한 클리닝 조건 즉, 파워 80W, 압력 50mTorr, 클리닝 시간 30초∼1분 30초로 산소 플라즈마 처리하여, 20-100Å으로 제어할 수 있다. 즉 상기 조건상에서는 초기 거칠기의 50% 정도를 향상시킬 수 있다.

양전극의 표면 클리닝이 완료된 후에는 일반적인 유기 EL 소자와는 달리 정공 주입층을 증착하지 않고, 바로 양전극 표면에 정공 수송층(16)을 증착시킨다. 이때, 정공 수송층 재료는 50∼500Å 두께로 진공 증착하는 것이 바람직하다.

그런 다음, 정공 수송층(16) 상에 유기발광층(18)을 증착시키고, 그 위에 전자 수송층(20) 및 전자 주입층(22)을 순차적으로 형성하고, 그 상부에 전자주입전극인 음전극(24)을 형성시킨다.

이때 전자 수송층(20)이나 전자 주입층(22)은 증착시키지 않을 수도 있다.

한편, 본 발명의 유기 EL 소자 제조방법에 사용되는 재료들은 일반적인 유기 EL 소자의 재료들은 무엇이나 사용될 수 있는데, 예를 들어 양전극으로서는 ITO (Indium Tin Oxide) 막을; 정공 주입층 재료로는 포르피린 (porphyrin)계 화합물인 CuPc (Phthalocyanine copper) 또는 MTDATA (4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino)triphenylamine)을; 정공 수송층으로서는 α-NPD (N,N-Diphenyl-N,N-di(m-naphthyl)benzidine) 또는 TPD (N,N-Diphenyl-N,N-di(m-tolyl)benzidine)를 사용할 수 있으며; 발광층 유기 재료로서는 적 (R), 녹 (G), 청 (B) 각각에 대하여 적절한 호스트/도판트를 사용할 수 있다. 그리고 전자 수송층으로서는 Alq₃를 사용할 수 있으며, 전자 주입층으로는 Al-Li 또는 LiF 등이 이용될 수 있다. 상기 재료들은 모두 진공 증착방법을 이용하여 증착하는데, 그 이유는 이들 유기물들이 H₂O 또는 O₂에 치명적으로 약하기 때문이다. 구체적으로 수분은 서서히 유기 박막을 공격하여 흑점 (dark spot)을 형성시키고, 산소가 존재할 경우 광학적, 열적, 또는 전기적인 힘에 의하여 산소가 촉매 작용을 하거나 직접 반응에 참여하여 유기 박막을 열화 또는 분해시킨다.

본 발명의 유기 EL 소자 제조 공정의 특징은 이상에서 설명한 바와 같이, 정공 주입층을 증착하는 공정이 생략된 것인데, 본 발명에서는 전술한 양전극 표면의 클리닝 공정으로 정공 주입층의 역할을 수행할 수 있다. 전술한 바와 같이, 정공 주입층은 정공 수송층 유기 재료와 양전극 표면과의 표면 에너지 차이에 대한 버퍼 역할 및 일함수 차이를 줄이는 버퍼 역할을 수행하는데, 본 발명에서는 양전극 표 면을 산소 기체를 이용하여 클리닝한 다음 산소 분위기에 기판을 노출시키는 공정을 수행함으로써 양전극 표면의 표면 에너지를 낮추고, 표면 일함수를 약간 증가시켜 정공 주입층의 버퍼 역할을 대신할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 증착되는 유기층의 수를 감소시켜 유기 EL 소자의 제작 수율을 높이고 제작 단가를 낮추며, 정공 주입층과 정공 수송층의 모호한 관계를 하나의 유기층으로 대신할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 양전극의 표면 거칠기를 조절하여 정공 수송층과의 접촉 면적을 넓혀서 정공 주입량을 향상시킴으로써 패널의 발광 효율을 높이고, 정공 주입층 증착 공정을 생략하여 제작 수율이 향상되고, 제작 단가를 감소시킬 수 있다.

한편 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 이러한 수정 및 변형 등에 의한 기술사상은 다음의 특허청구범위에 속하는 기술사상으로 보아야 한다.

Claims

유기 EL 소자 제조방법에 있어서,

기판 상에 제1전극을 형성하는 공정과;

상기 제1전극이 형성된 기판 표면을, 산소 플라즈마 처리에 의하여 산소의 +이온기가 제1전극에 부딪치게 함으로써 클리닝하는 클리닝공정과,

상기 클리닝된 제1전극 표면에 정공 수송층을 형성하는 공정과,

상기 정공 수송층 상에 발광층을 형성하는 공정과;

상기 발광층 상부에 전자 수송층, 전자 주입층 및 제2전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 플라즈마 처리 조건은 파워 80W, 압력 50mTorr, 처리 시간 30초∼1분 30초인 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 클리닝공정 후의 제1전극의 표면 거칠기는 20∼100Å인 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자의 제조방법.
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기판 상에 제1전극을 형성하는 공정과;

상기 제1전극이 형성된 기판 표면을, 산소 플라즈마 처리에 의하여 산소의 +이온기가 제1전극에 부딪치게 함으로써 클리닝하는 클리닝공정과,

상기 클리닝된 제1전극 표면에 정공 수송층을 형성하는 공정과,

상기 정공 수송층 상에 발광층을 형성하는 공정과;

상기 발광층 상부에 전자 수송층, 전자 주입층 및 제2전극을 형성하는 공정을 포함하는 방법에 의하여 제조된 유기 EL 소자.