KR20110061916A - 전면 발광형 유기 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
반사형 제1 전극층; 상기 제1 전극층과 대향된 반투과형 제2 전극층; 상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 개재된 유기층을 포함하고, 상기 유기층은 상기 제1 전극층으로부터 순차로 제1층, 발광층 및 제2층이 적층되고, 상기 발광층 및 상기 제2층의 두께의 합이 상기 유기층 전체 두께의 0.15배 내지 0.30배인 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 구현에에 따른 전면 발광형 유기 발광 소자는 발광 효율이 최적화되도록 설계됨으로써, 소자의 효율을 극대화시킬 수 있게 되고, 이에 따라, 구동 전압의 감소 효과 또한 얻을 수 있다.
Description
전면 발광형 유기 발광 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소자의 효율을 극대화시킬 수 있게 되고, 이에 따라, 구동 전압의 감소 효과 또한 얻을 수 있는 전면 발광형 유기 발광 소자에 관한 것이다.
유기 발광 소자 (organic light emitting diode)는 자발광형 소자로 시야각이 넓으며 콘트라스트가 우수할 뿐만 아니라 응답시간이 빠르다는 장점을 가지고 있기 때문에 커다란 주목을 받고 있다. 또한, 상기 유기 발광 소자는 구동전압 및 응답속도 특성이 우수하고 다색화가 가능하다는 점에서 많은 연구가 이루어지고 있다.
유기 발광 소자는 일반적으로 애노드/발광층/캐소드의 적층 구조를 갖고, 상기 애노드와 발광층 사이 또는 발광층과 캐소드 사이에 정공 주입층, 정공 수송층 및 전자 주입층을 추가로 적층하여 애노드/정공 수송층/발광층/캐소드 및, 애노드/정공 수송층/발광층/전자 주입층/캐소드 등의 구조를 갖는다. 상기 유기 발광 소자의 예는, 예를 들면, 대한민국 특허공개공보 2005-0040960호를 참조한다.
그러나, 종래의 유기 발광 소자는 만족할 만한 구동 전압, 발광 효율, 수명 특성 등을 가지지 않은 바, 이의 개선이 요구된다.
발광 효율을 최적화 할 수 있게 설계된 유기 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라,
반사형 제1 전극층;
상기 제1 전극층과 대향된 반투과형 제2 전극층;
상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 개재된 유기층을 포함하고,
상기 유기층은 상기 제1 전극층으로부터 순차로 제1층, 발광층 및 제2층이 적층되고, 상기 발광층 및 상기 제2층의 두께의 합이 상기 유기층 전체 두께의 0.15배 내지 0.30배인 것을 특징으로 하는 전면 발광 유기 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 구현에에 따른 전면 발광형 유기 발광 소자는 발광 효율이 최적화되도록 설계됨으로써, 소자의 효율을 극대화시킬 수 있게 되고, 이에 따라, 구동 전압의 감소 효과 또한 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르는 유기 발광 소자는 반사형 제1 전극층;
상기 제1 전극층과 대향된 반투과형 제2 전극층;
상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 개재된 유기층을 포함하는 전면 발광 유기 발광 소자로서,
상기 유기층은 상기 제1 전극층으로부터 순차로 제1층, 발광층 및 제2층이 적층되고, 상기 발광층 및 상기 제2층의 두께의 합이 상기 유기층 전체 두께의 0.15 내지 0.30배이다. 바람직하게는, 발광층 및 제2층의 두께의 합이 상기 유기층 전체 두께의 0.20 내지 0.28배이다.
본 발명자들은 발광층 및 제2층의 두께의 합이 유기층에서 차지하는 비가 유기 발광 소자의 효율에 영향을 미치게 됨을 알아내었고, 0.15 내지 0.30배, 바람직하게는 0.20 내지 0.28 배는 최적의 효율을 얻을 수 있는 범위이다.
상기 제1층은 정공주입층, 정공수송층 및 전자저지층 중 하나 이상의 층이 순차적으로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2층은 정공저지층, 전자수송층 및 전자주입층 중 하나 이상이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 의한 유기 발광 소자는 전면 발광형이다.
따라서, 제1 전극층에 반사형 금속이 사용되는데, 바람직하게는 상기 제1 전극층의 반사율이 80% 이상이다.
예를 들면, 제1 전극층으로 ITO, IZO 등의 투명한 도전성 물질을 금속에 적층하여 사용할 수 있다. 상기 금속의 예로서, 크롬, 금, 백금, 니켈, 구리, 텅스텐, 은, 알루미늄 또는 이들의 합금 등을 들 수 있다.
또한, 상기 유기층이 자체적으로 마이크로 캐비티 구조를 형성하여 공진 효과를 발생시키기 위하여 제2 전극층은 공진 구조를 형성하기에 적합하도록 반투과 거울(dichroic mirror)를 형성한다. 상기 반투과 거울로써 형성된 제2 전극층은 반사형 금속 재료로 형성된 제1 전극층과 함께 광공진기로서의 기능을 할 수 있다. 상기 반투과 거울은 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 은, 크롬, 또는 이들의 합금을 포함하여 광반사 특성이 가지도록 한다. 공진 구조를 형성하기 위하여 일반적으로 공지된 재료들이 사용될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 유기 발광 소자는 투명한 소재로 구비된 투명 기판(1)의 상면에 제1 전극층(2)이 형성되고, 상기 제1 전극층(2)의 상부로 적어도 유기층(41)을 포함하는 유기층(4)이 형성되며, 상기 유기층(4)의 상부로 상기 제1 전극층(2)과 다른 극성을 갖는 제 2 전극층(3)이 형성된다. 그리고, 상기 제 2 전극층(3)의 상부로는 도시되지는 않았지만, 상기 제1전극층(2), 중간층(4), 제 2 전극층(3)을 외부로부터 밀봉시키는 밀봉부재(미도시)가 더 구비될 수 있다. 이하, 설명될 본 발명의 실시예들에서는 설명의 편의를 상기 밀봉부재를 생략한 개략적 구조를 중심으로 설명한다.
상기 투명 기판(1)은 SiO2를 주성분으로 하는 투명한 글라스재의 기판이 사용될 수 있다. 비록 도면에 도시하지는 않았지만 상기 투명 기판(1)의 상면에는 기판의 평활성과 불순원소의 침투를 차단하기 위하여 버퍼층을 더 구비할 수 있으 며, 상기 버퍼층은 SiO2 등으로 형성할 수 있다.
상기 투명 기판(1) 상에 적층되는 제1 전극층(2)은 반사형 소재의 물질로 형성할 수 있는 데, ITO(Indium Tin Oxide)층 및 금속층을 적층하여 형성할 수 있고, 포토 리소그래피법에 의해 소정의 패턴이 되도록 형성할 수 있다. 상기 제1 전극층(2)의 패턴은 수동 구동형(Passive Matrix type: PM)의 경우에는 서로 소정 간격 떨어진 스트라이프 상의 라인들로 형성될 수 있고, 능동 구동형(Active Matrix type: AM)의 경우에는 화소에 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 능동 구동형의 경우에는 또한, 이 제1 전극층(2)과 투명 기판(1)의 사이에 적어도 하나의 박막 트랜지스터를 구비한 TFT(Thin Film Transistor)층이 더 구비되고, 상기 제1 전극층(2)은 이 TFT층에 전기적으로 연결된다. 이는 이하 설명될 본 발명의 모든 실시예에서 동일하게 적용된다.
이렇게 ITO/금속으로 구비된 제1 전극층(2)은 도시되지 않은 외부 제1 전극층단자에 연결되어 애노드(anode)전극으로서 작용될 수 있다.
상기 제1 전극층(2)의 상부로는 제 2 전극층(3)이 위치되는 데, 이 제 2 전극층(3)은 공진 구조을 형성할 수 있는 반투과형 재료를 사용할 수 있으며, 마그네슘/은 등으로 형성되고, 도시되지 않은 외부 제 2 전극단자에 연결되어 캐소오드(cathode)전극으로서 작용될 수 있다.
상기 제 2 전극층(3)은 수동 구동형의 경우에는 제1 전극층(2)의 패턴에 직교하는 스트라이프 상의 라인으로 형성될 수 있고, 능동 구동형의 경우에는 화소에 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 능동 구동형의 경우에는 화상이 구현되는 액티브 영역 전체에 걸쳐 형성될 수 있다.
상기와 같은 제1 전극층(2)과 제 2 전극층(3)은 그 극성이 서로 반대가 되어도 무방하다.
상기 제1 전극층(2)과 제 2 전극층(3)의 사이에 개재되 유기층(4)은 제1 전극층(2)과 제 2 전극층(3)의 전기적 구동에 의해 발광하는 발광층(41)을 갖는다.
유기층에는 저분자 유기물 또는 고분자 유기물을 사용할 수 있다.
상기 유기층(4)이 저분자 유기물로 형성된 저분자 유기층의 경우에는 발광층(41)을 중심으로 제1 전극층(2)의 방향으로 정공수송층 및 정공주입층 등으로 구비된 제1층(42)과, 제 2 전극층(3)의 방향으로 전자수송층 및 전자주입층 등으로 구비된 제2층(43)의 구조를 가질 수 있다. 물론, 이들 정공주입층, 정공수송층, 전자 수송층, 전자 주입층 등은 이 밖에도 다양한 복합 구조로 적층되어 형성될 수 있다.
또한, 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 다양하게 적용 가능하다. 상기 유기층(4)은 풀 칼라 유기 발광 소자일 경우 상기 발광층(41)을 각 화소의 컬러에 대응되도록 다양한 패턴으로 형성 가능하다. 이러한 저분자 유기층은 진공 중에서 유기물을 가열하여 증착하는 방식으로 형성될 수 있는 데, 그 중 발광층(41)의 형성은 각 화소에 대응되도록 소정 패턴의 슬릿(slit)이 구비된 마스크를 개재하여 각 칼라별로 순차로 증착하여 형성할 수 있다.
한편, 고분자 유기물로 형성된 고분자 유기층의 경우에는 발광층(41)을 중심으로 제1 전극층(2)의 방향으로 제1층(42)으로서, 정공수송층(Hole Transport Layer: HTL)만이 구비될 수 있고, 제2층(43)은 생략 가능하다. 상기 고분자 정공수송층은 폴리에틸렌 디히드록시티오펜 (PEDOT: poly-(2,4)-ethylene-dihydroxythiophene)이나, 폴리아닐린(PANI: polyaniline) 등을 사용하여 잉크젯 프린팅이나 스핀 코팅의 방법에 의해 상기 투명 기판(1)의 제1 전극층(2) 상부에 형성되며, 상기 고분자 유기 발광층은 PPV, Soluble PPV's, Cyano-PPV, 폴리플루오렌(Polyfluorene) 등을 사용할 수 있으며 잉크젯 프린팅이나 스핀 코팅 또는 레이저를 이용한 열전사방식 등의 통상의 방법으로 컬러 패턴을 형성할 수 있다.
상기 제 2 전극층(3)의 상부로는 밀봉부재(미도시)가 구비되는 데, 상기 밀봉부재는 내부에 흡습제가 구비된 메탈 캡으로 구비될 수 있으며, 또는 밀봉용 수지재를 도포하여 내부로 수분 침투가 차단될 수 있도록 한다. 상기 밀봉부재는 이 밖에도 기판을 이용하여 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 발광층(41) 및 제2층(43)의 두께의 합 (b)의 유기층 (4)의 두께 (a)에 대한 비, 즉, b/a가 0.15 내지 0.30배, 바람직하게는 0.20 내지 0.28배가 되도록 설계한다.
상기 비율로써 공진 효과가 최적화되어 유기 발광 소자의 효율을 극대화시킬 수 있게 되고, 이에 따라, 구동 전압의 감소 효과 또한 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 구체적으로 예시하지만, 본 발명이 하기 실시예로 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.
실시예 1
애노드는 코닝(corning) 사의 15Ω/cm2 (1200Å) Ag/ITO (Ag:ITO=100nm:5nm) 유리 기판을 50mm x 50mm x 0.7mm크기로 잘라서 이소프로필 알코올과 순수를 이용하여 각 5분 동안 초음파 세정한 후, 사용하였다. 상기 ITO 유리 기판에 30분 동안 자외선을 조사하고 오존에 노출시켜 세정한 다음, 진공증착장치에 상기 유리 기판을 설치하였다.
상기 기판 상부에 LUDIS 사의 정공 수송 물질(상품명은 LHT-001; 정공 주입 역할도 함)을 진공 증착하여 140nm 두께의 정공 수송층을 형성하였다.
상기 정공 수송층 상부에 공지의 청색 형광 호스트인 Tetrahedron 사의 Blue형광 호스트와 그라셀 사의 청색 형광 도펀트인 GBD34(도펀트 함량은 3~5 wt%임)을 동시 증착하여 20nm 두께의 청색 형광 발광층을 형성하였다.
이어서 상기 발광층 상부에 전자 수송층으로서 Alq3를 두께 30 nm로 진공 증착하였다. 전자 수송층을 형성한 다음, 상기 전자수송층 상부에 LiF 를 진공증착하여 0.5nm의 전자주입층을 형성하고, Mg/Ag (Mg:Ag=10:1)를 12nm 두께로 진공 증착하여 유기 발광 소자를 제작하였다. 이렇게 제작한 소자의 경우 전체 유기물 두께에 대한 발광층과 전자 수송층의 합의 비율이 0.26 대 1의 비율이 된다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 정공수송층의 두께를 30nm 증가시켜 170nm로 하고 발광층(그라셀 사의 형광 호스트 GGH01, 동사의 형광 도판트 GGD01)을 사용하여 35nm 두께의 녹색 발광층을 형성한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 발광 소자를 제작하였다.
이렇게 제작한 소자의 경우 전체 유기물 두께에 대한 발광층과 전자 수송층의 합의 비율이 0.28 대 1의 비율이 된다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 정공수송층의 두께를 70nm 증가시켜 210nm로 하고 발광층(그라셀 사의 적색 인광 호스트 GDI 1403과 UDC 인광 도판트)을 사용하여 40nm 두께의 적색 발광층을 형성한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 발광 소자를 제작하였다.
이렇게 제작한 소자의 경우 전체 유기물 두께에 대한 발광층과 전자 수송층의 합의 비율이 약 0.25 대 1의 비율이 된다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 하되, 발광층, 전자수송층 및 전자주입층 두께의 합의 유기층 전체 두께에 대한 비가 0.39인 경우로서, 정공 수송층 140nm, 발광층 20 nm, 전자 수송층 70 nm, 전자 주입층 0.5 nm가 되도록 유기 발광 소자를 제작하였다.
이렇게 제작한 소자의 경우 전체 유기물 두께에 대한 발광층과 전자 수송층 의 합의 비율이 0.39 대 1의 비율이 된다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 전자 주입층 두께, 전자 수송층 두께, 발광층 두께, 정공 수송층 두께, 발광층 및 상기 제2층의 두께의 합에 대한 유기층 전체 두께의 비를 표 1에 나타내었다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 1 | |
| 전자 주입층 | 0.5 nm | 0.5 nm | 0.5 nm | 0.5 nm |
| 전자 수송층 | 30 nm | 30nm | 30 nm | 70 nm |
| 발광층 | 20 nm | 35nm | 40 nm | 20 nm |
| 정공 수송층 | 140 nm | 170 nm | 210 nm | 140 nm |
| 발광층 + 제2층 두께(b) | 50.5 nm | 65.5nm | 70.5 nm | 90.5 nm |
| 유기층 전체 두께(a) | 190.5 nm | 235.05 | 280.5 nm | 230.5 nm |
| E-ratio (b/a) | 0.26 | 0.28 | 0.25 | 0.39 |
상기 실시예 1 내지 3에서 제작된 유기 발광 소자들에 대하여 효율 특성을 발광층, 전자수송층 및 전자주입층 두께의 합의 유기층 전체 두께에 대한 비 (E-ratio)에 대하여 측정하여 도 2 내지 도 4에 나타내었다.
도2 에서 도4 까지는 각각 Blue, Green, Red 에 대한 e-ratio 비율에 따른 소자별 전류 효율(Cd/A)을 상대적으로 시뮬레이션한 결과이다. 따라서 그래프에 나타난 하나하나의 점에 소자 하나하나의 e-ratio 에 따른 효율 특성이 대응된다. 시뮬레이션 조건은 정공 수송층과 전자 수송층을 0nm 부터 200nm 구간에서 각각 변화시키면서 e-ratio에 따른 상대적인 효율값을 나타낸다. 시뮬레이션에서 정공 수송층과 전자 수송층을 제외한 다른 유기층 두께는 한가지 경우로 고정하였다. 또한 효율이 색좌표에 따라서 영향을 많이 받기 때문에 색좌표가 고 색재현율을 유지하는 범위로 한정하였으며 Red, Green, Blue 각각의 경우 다음과 같다. (Red: x 색좌표 0.67 이하, Green : x 색좌표 0.23 이하, Blue: y 색좌표 0.04~0.06 수준) 도2 에서 도4 를 보면 개개의 소자의 효율이 e-ratio 값에 따라서 일정한 곡선을 그리며 등락을 나타내고 있으나 실재 색재현율을 고려하여 효율이 극대화 되는 e-ratio 에 해당하는 영역은 Red, Green, Blue 각각의 경우 약간의 차이가 있으며 아래의 설명과 같다.
도2 의 경우는 Blue 소자의 e-ratio 에 따른 효율값에 대한 시뮬레이션 결과이며 색재현율을 구현하기 위한 색좌표 범위 내에서의 Blue 소자의 효율이 peak 를 이루는 부분은 e-ratio 가 0.2~0.3 영역인 구간이며, peak 효율 대비 80% 수준 이상의 영역은 e-ratio 가 0.14~0.3 영역이다.
도3 의 경우는 Green 소자의 e-ratio 에 따른 효율값에 대한 시뮬레이션 결과이며 Green의 색재현율을 구현하는 색좌표 범위 내에서의 peak 효율 대비 80% 수준 이상의 영역은 e-ratio 0.15~0.3 영역이다.
도 4의 경우는 Red 소자의 e-ratio 에 따른 효율 값에 대한 시뮬레이션 결과이며 Green 색재현율을 구현하기 위한 색좌표 범위 내에서의 peak 효율 대비 80% 수준 이상의 영역은 e-ratio 0.14~0.31 영역이다.
상기 실시예 1에 따라 제작된 유기 발광 소자 중에서 특히, 발광층, 전자수송층 및 전자주입층 두께의 합의 유기층 전체 두께에 대한 비가 0.28인 경우와 비교예 1의 경우에 대하여 휘도-효율 간의 관계를 평가하여 도 5에 나타내었다.
하기 표 2는 초기 특성을 나타내었다.
| E-ratio | 구동전압 (V) |
전류밀도 (mA/cm2) |
휘도 (Cd) |
발광 효율 Cd/A |
양자 효율 (%) |
색좌표 | |
| 실시예 1 | 0.26 | 4.2 | 22.9 | 433 | 1.9 | 3.5 | (0.136, 0.057) |
| 비교예 1 | 0.39 | 5.3 | 54.6 | 411 | 0.8 | 1.4 | (0.140, 0.053) |
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 유기 발광 소자들의 효율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 유기 발광 소자들의 효율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 유기 발광 소자들의 효율 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 유기 발광 소자의 휘도에 따른 효율 특성을 나타내는 그래프이다.
Claims (5)
- 반사형 제1 전극층;상기 제1 전극층과 대향된 반투과형 제2 전극층;상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 개재된 유기층을 포함하고,상기 유기층은 상기 제1 전극층으로부터 순차로 제1층, 발광층 및 제2층이 적층되고, 상기 발광층 및 상기 제2층의 두께의 합이 상기 유기층 전체 두께의 0.15 내지 0.30 배인 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 발광층 및 제2층의 두께의 합이 상기 유기층 전체 두께의 0.20 내지 0.28 배인 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전극층의 반사율이 80% 이상인 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전극층은 크롬, 금, 백금, 니켈, 구리, 텅스텐, 은, 알루미늄 또는 이들의 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 전극층은 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 은, 크롬 또는 이들의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기 발광 소자.
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