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KR100594775B1 - 백색 유기발광소자 - Google Patents

백색 유기발광소자 Download PDF

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KR100594775B1
KR100594775B1 KR1020040052214A KR20040052214A KR100594775B1 KR 100594775 B1 KR100594775 B1 KR 100594775B1 KR 1020040052214 A KR1020040052214 A KR 1020040052214A KR 20040052214 A KR20040052214 A KR 20040052214A KR 100594775 B1 KR100594775 B1 KR 100594775B1
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Abstract

본 발명은 단순한 구조로 우수한 색순도와 고효율 특성을 구현할 수 있는 백색유기 발광소자에 관한 것으로, 바이어스 전압이 인가되는 양극과 음극 사이에 발광층, 정공장벽층 및 전자수송층을 포함하되, 발광층에는 청색 발광특성을 갖는 호스트와 오렌지 혹은 적색 발광 특성을 내는 제1 게스트가 도핑되고 전자수송층에는 녹색 발광특성을 갖는 물질이 포함된다.
백색 발광, 유기발광소자, 발광층, 호스트, 게스트, 도핑

Description

백색 유기발광소자 {White organic light emitting device}
도 1은 본 발명에 따른 백색 유기발광소자를 설명하기 위한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 백색 유기발광소자의 발광(EL) 특성을 설명하기 위한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
31: 기판 32: 양극
33: 정공주입층 34: 정공수송층
35: 발광층 36: 정공장벽층
37: 전자수송층 38: 전자주입층
39: 음극
본 발명은 디스플레이(Display) 장치로 사용되는 백색 유기발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단순한 구조로 우수한 색순도와 고효율 특성을 나타낼 수 있는 백색 유기발광소자를 제공한다.
정보통신 산업이 발달됨에 따라 디스플레이 장치의 사용이 급증하고 있으며, 최근들어 경량, 박막, 고해상도의 디스플레이 장치가 요구되고 있는 실정이다. 이러한 요구에 발맞추어 액정 디스플레이(LCD)나 유기발광 특성을 이용하는 디스플레이 소자들이 개발되고 있다.
디스플레이 장치의 경량화 및 박막화를 구현하기 위해서는 유리 기판을 사용하는 기존의 디스플레이 소자와는 달리 가볍고 얇은 플라스틱 기판을 사용하는 것이 유리하다. 플라스틱 기판을 사용할 차세대 디스플레이 소자로는 현재의 디스플레이 소자 중 유기발광소자가 가장 현실성이 있는 것으로 주목을 받고 있으며, 이에 대한 집중적인 연구가 이루어지고 있다.
유기물을 소재로 하는 유기발광소자는 발광층의 양단에 형성된 음극과 양극에 전류 혹은 전압을 인가하므로써 발광된다. 일반적으로 보다 나은 발광 특성을 얻기 위하여 발광층의 양쪽에 정공 및 전자의 주입을 돕는 물질로 정공주입층 및/또는 정공수송층과 전자수송층 및/또는 전자주입층을 형성하는 다층막 구조를 이용한다.
종래의 단색 유기발광소자는 기판 상에 양극, 발광층 및 음극이 적층된 구조로 구성된다. 이와 같은 유기발광소자는 발광층을 구성하는 물질의 종류에 따라 다양한 색을 발광할 수 있다. 백색 발광 특성을 갖는 유기발광소자를 제작하기 위해서는 빛의 삼원색인 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 발광 특성을 갖는 발광물질들을 적층하거나, 서로 보색 관계를 갖는 발광물질들을 적층하는 방법이 있으며, 이에 따라 백색 유기발광소자는 삼파장 백색 유기발광소자와 두파장 백색 유기발광소 자로 분류할 수 있다.
종래의 삼파장 백색 유기발광소자는 기판 상에 양극, 발광층 및 음극이 적층된 구조로 이루어지며, 상기 발광층이 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 발광물질들로 이루어진다.
상기와 같이 삼원색의 발광물질들을 사용하는 삼파장 백색 유기발광소자는 색순도가 우수하다. 그러나 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 발광물질들이 적층되기 때문에 인가되는 전류나 시간에 따른 에너지 전위에 의하여 색 안정성이 변화하는 특성을 보인다. 상기 발광물질들 사이에 적절한 정공장벽층들을 삽입하면 색 안정성을 높일 수 있으나, 이 경우 구조가 복잡해져 제작이 어렵고 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
한편, 종래의 두파장 백색 유기발광소자는 기판 상에 양극, 발광층 및 음극이 적층된 구조로 이루어지며, 상기 발광층이 서로 보색 관계를 갖는 발광물질들로 이루어진다.
상기 두파장 백색 유기발광소자에는 서로 보색 관계를 갖는 발광물질들, 예를 들어, 하늘색과 적색 혹은 청색과 오렌지색의 발광물질들의 조합이 적용된다. 그러므로 삼파장 백색 전기발광소자에 비해 제작이 용이하고 효율이 높다. 그러나 녹색의 발광 특성이 적색 및 청색에 비하여 낮기 때문에 색 재현성이 좋지 않으며, 이에 따라 디스플레이, 조명 등 높은 색순도 및 색 재현성을 요구하는 응용분야에는 적용이 어렵다.
본 발명의 목적은 단일 발광층만을 사용하는 간단한 구조로 고효율의 백색 발광 특성을 갖는 유기발광소자를 구현하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 단일 발광층만을 사용하는 간단한 구조로 높은 색 재현성을 갖는 삼파장 백색 유기발광소자를 구현하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 바이어스 전압이 인가되는 양극과 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 적층되어 포함되며, 청색 발광특성을 갖는 호스트와 오렌지 혹은 적색 발광 특성을 내는 제 1 게스트가 도핑된 발광층, 상기 발광층 내에 정공을 가두어 두기 위한 정공장벽층, 및 녹색 발광 특성을 갖는 전자수송층을 포함하는 백색 유기발광소자를 제공한다. 바람직하게는, 상기 청색 발광물질의 효율을 향상시킬 수 있는 제 2 게스트를 추가로 도핑한다.
본 발명의 다른 측면은 기판 상에 양극과 음극을 사이에 두고 적층되어 형성된 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 정공장벽층, 전자수송층, 전자주입층을 포함하는 백색 유기발광소자에 있어서, 상기 발광층에는 청색 발광특성을 갖는 호스트와 오렌지 혹은 적색 발광 특성을 내는 제1 게스트가 도핑되고, 상기 전자수송층에는 녹색 발광 특성을 갖는 물질을 포함하는 백색 유기발광소자를 제공한다.
바람직하게는, 상기 청색 발광물질은 3.5 내지 2.5 eV 사이의 밴드갭을 가지는 DPVBi 또는 NPB 등이고, 제1 게스트는 2.2 내지 1.7eV 사이의 밴드갭을 가지는 DCM, DCJTB 또는 DADB와 같은 적색 발광물질이며, 0.01 내지 5wt.%의 농도로 도핑된다.
바람직하게는, 제 2 게스트는 3.5 내지 2.5eV 사이의 밴드갭을 가지는 DSA-Amine 또는 Perylene와 같은 청색 발광 물질이며, 0.1 내지 10wt.%의 농도로 도핑된다.
상기 정공장벽층은 상기 발광층보다 HOMO 에너지 레벨이 높은 물질, 예를 들어, BCP 또는 TAZ로 이루어지며, 엑시톤이 상기 발광층에서 상기 전자수송층으로 Forster 에너지 전이 가능하도록 Forster 에너지 전이 반경보다 얇은 두께로 형성된다.
이하, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전 하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 백색 유기발광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
투명한 유리, 석영 혹은 플라스틱 기판(31) 상부에 투명한 전극 물질로 이루어진 양극(32)이 형성된다. 상기 양극(32) 상부에 정공의 주입을 돕는 정공주입층(Hole injection layer; HIL)(33)이 형성되며, 상기 정공주입층(33) 상부에 정공의 이동도가 좋으며 발광층(35)으로 정공의 수송을 용이하게 하는 정공수송층(Hole transport layer; HTL)(34)이 형성된다.
상기 정공수송층(34) 상부에는 청색 발광물질을 호스트로 하고, 오렌지 혹은 적색 발광 특성을 낼 수 있는 제 1 게스트가 도핑된 발광층(35)이 형성된다. 한편, 발광층(35)에는 청색 발광물질의 효율을 향상시킬 수 있는 제 2 게스트를 추가로 도핑할 수 있다.
상기 발광층(35) 상에는 정공을 상기 발광층(35) 내에 가두어 두기 위한 정공장벽층(Hole blocking layer; HBL)(36)이 형성되며, 상기 정공장벽층(36) 상에는 녹색 발광 특성을 가지며 상기 발광층(35) 내로 효율적인 전자 수송이 가능하도록 하는 전자수송층(Electron transport layer; ETL)(37)이 형성된다.
상기 전자수송층(37) 상에는 전자주입층(Electron injection layer; EIL)(38)이 형성되며, 상기 전자주입층(38) 상부의 원하는 영역에 음극(cathode)(39)이 형성된다.
다음으로, 상기 백색 유기발광소자를 제조하는 방법을 설명한다.
투명한 유리, 석영 혹은 플라스틱 기판(31) 상에 양극(32)을 형성한다. 상기 양극(32)은 투명한 전극물질, 예를 들어, ITO(Indium Tine Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등과 같이 투명하고 전도성 및 일함수가 높은 물질로 형성하며, 투명한 전극물질을 증착한 후 패터닝하는 과정을 거친다.
상기 양극(32) 상에 정공의 주입을 돕는 물질, 예를 들어, MTDATA, CuPc, PEDOT:PSS 등으로 정공주입층(HIL)(33)을 10nm 내지 50nm의 두께로 형성한다.
상기 정공주입층(33) 상에 정공의 이동도가 좋으며 발광층(35)으로 정공의 수송을 용이하게 하는 정공수송층(HTL)(34)을 10nm 내지 100nm 의 두께로 형성한다. 상기 정공수송층(HTL)(34)은 TPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis-(3-methyl phenyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine) 또는 NPB(4,4'-bis[N-(1-naphthyl-1-)-N- phenyl-amino]-biphenyl)등 정공 이동도가 좋은 물질로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 정공수송층(34) 상에 청색 발광물질을 호스트로 하고, 오렌지 혹은 적색 발광 특성을 낼 수 있는 제 1 게스트가 도핑된 발광층(35)을 형성한다. 청색 발광물질의 효율을 향상시킬 수 있는 제 2 게스트를 추가로 도핑할 수 있다. 상기 발광층(35)은 원하는 속도로 증착할 수 있으며, 도핑은 증착속도를 조절하여 동시에 증착하는 방법으로 이루어진다. 발광층의 두께는 바람직하게는 소자의 효율을 극대화시킬 수 있는 10 내지 100nm의 두께로 형성한다.
상기 청색 발광물질로는 3.5 내지 2.5eV 사이의 밴드갭(Band gap)을 가지는 DPVBi, NPB 등을 사용할 수 있다.
상기 제 1 게스트로는 2.2 내지 1.7eV 사이의 밴드갭을 가지는 DCM, DCJTB, DADB 등의 적색 발광물질을 사용할 수 있으며, 청색의 에너지가 적색의 제 1 게스트로 이동하지 않을 정도의 농도, 예를 들어, 0.01 내지 5%, 바람직하게는 0.05wt.%의 농도로 도핑한다.
상기 제 2 게스트로는 3.5 내지 2.5eV 사이의 밴드갭을 가지는 DSA-Amine, Perylene 등의 청색 발광물질을 사용할 수 있으며, 최적의 청색 효율을 얻을 수 있는 농도, 예를 들어, 0.1 내지 10wt.%, 바람직하게는 5wt.%의 농도로 도핑한다.
상기 발광층(35) 상에 정공을 상기 발광층(35) 내에 가두어 두기 위한 정공장벽층(HBL)(36)을 형성한다. 상기 정공장벽층(36)은 상기 발광층(35)보다 HOMO 에너지 레벨이 높은 물질, 예를 들어, BCP, TAZ 등을 사용할 수 있다. 상기 BCP, TAZ 등은 상기 발광층(35)보다 약 0.5 내지 1.0eV 정도 높은 HOMO 에너지 레벨을 갖는다.
상기 정공장벽층(36)은 Forster 에너지 전이 반경보다 얇은 두께, 예를 들어, 1 내지 5nm의 두께로 형성한다. 엑시톤이 상기 발광층(35)에서 전자수송층(37)으로 Forster 에너지 전이 가능하도록 두께를 설정하므로써 상기 전자수송층(37)이 발광 특성을 가질 수 있다. 상기 Forster 에너지 전이 반경에 관해서는 예를 들어, X.G. Jacek et al., "Electrophosphorescence from a polymer guest-host system with an Iridium Complex as guest: Forster Energy Transfer and Charge Trapping", Advanced Functional Materials 2003, 13, pp439-444 등에 기재되어 있다.
상기 정공장벽층(36) 상에 전자수송층(ETL)(37)을 형성한다. 상기 전자수송층(37)은 녹색 발광 특성을 가지며 상기 발광층(35) 내로 효율적인 전자 수송이 가능하도록 한다. 상기 전자수송층(ETL)(37)은 tris(8-hydroxy quinoline) aluminum(Alq3), 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(BPhen)와 같이 녹색 발광특성을 갖는 자로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 전자수송층(37) 상에 전자주입층(EIL)(38)을 형성한다. 상기 전자주입 층(EIL)(38)은 1,3,4-oxadiazole dreivertive(PBD), 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(BPhen), Li doped BPhen과 같은 유기박막과 LiF, NaF, AlO, CsF, 와 같은 무기박막이 사용되며, 음극으로부터 전자의 주입이 용이하도록 하는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 전자주입층(38) 상부의 원하는 영역에 음극(cathode)(39)을 형성한다. 상기 음극(39)은 Al, Ag, LiAl, Mg/Al, Mg/Ag 등을 형성할 수 있다.
일반적인 방법으로 백색 발광 특성을 얻기 위해서는 청색에 오렌지색의 발광물질을 적층하거나 하늘색에 적색의 발광물질을 적층한다. 그러나 이 경우 녹색의 낮은 발광 특성으로 인하여 색 재현성이 떨어진다. 또한, 발광층을 단일층 구조로 간단하게 구현하기 위해서는 청색 호스트에 오렌지 게스트를 직접 도핑하거나 하늘색 호스트에 적색 게스트를 직접 도핑해야 하는데, 이 경우 청색이나 하늘색 호스트에서 에너지 밴드 갭이 적은 오렌지나 적색 게스트로 에너지 전이가 쉽게 일어나 백색 발광이 어려워진다.
따라서 본 발명은 청색 발광물질을 호스트로 하고, 오렌지 혹은 적색 발광 특성을 낼 수 있는 제 1 게스트가 도핑된 발광층(35)을 형성하여 청색과 적색의 발광 특성을 가지도록 한다. 청색 발광물질의 효율을 향상시킬 수 있는 제2 게스트를 추가할 수 있다. 또한, 두파장 백색 유기발광소자에서 문제점으로 남아 있는 색순도 향상을 위하여 발광층(35) 상부에 정공을 발광층 내에 효과적으로 가두어 발광 효율이 증대될 수 있도록 정공장벽층(36)을 형성한다. 이 때 엑시톤이 발광층(35) 에서 전자수송층(37)으로 Forster 에너지 전이 가능하도록 하기 위하여 Forster 에너지 전이 반경보다 얇게 정공장벽층(36)을 형성함으로써 전자수송층(37)이 녹색 발광 특성을 갖게 된다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 백색 유기발광소자의 발광스펙트럼으로, 본 측정에 사용된 백색 유기발광소자의 구조는 양극인 ITO(32) 와 음극인 Al(39) 사이에 정공주입층(33)으로 10nm 두께의 MTDATA를, 정공수송층(34) 30nm 두께의 NPB를, 발광층(35)으로 0.05 wt.% DADB와 3.0 wt.%의 DSA-amine이 도핑된 DPVBi를 300nm의 두께로 증착한 후 이어서 3nm 두께의 BCP를 정공장벽층(36)으로 증착하고, 30nm 두께의 Alq를 전자수송층(37)을 1nm의 LiF를 전자주입층(38)으로 형성하였다. 이상의 구조를 갖는 백색 유기발광소자를 상온에서 양극(32) 및 음극(39) 사이에 20 mA/cm2 의 전류를 인가한 상태에서 나타나는 발광특성을 미놀타 CS1000 스펙트로미터로 측정한 발광(EL) 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 앞서 기술한 바와 같이 하나의 발광으로 구성된 소자임에도 불구하고 전 가시영역의 발광특성이 나타나는 것을 우수한 백색 특성을 나타낸다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.
일반적인 백색 유기발광소자의 경우 보색 관계를 갖는 두 개의 발광층을 적층하거나 삼원색의 세 발광층을 적층하여 백색 특성을 도출한다. 그러나 이 경우 다층의 유기박막을 증착해야 하는 어려움이 있으며 발광 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 단일 발광층을 구비하는 간단한 구조의 백색 유기발광소자를 구현함으로써 제조가 용이하고 제조 단가가 절감된다. 본 발명의 백색 유기발광소자는 삼파장 백색으로 색 재현성이 우수하여 고효율의 백색을 구현할 수 있는 범용의 유기발광소자를 구현할 수 있게 한다. 또한, 본 발명의 백색 유기발광소자를 응용하면 백색광 백라이트판 및 컬러필터를 포함하는 액정 디스플레이, 조명판, 백색 유기 LED 등을 용이하게 구현할 수 있다.

Claims (14)

  1. 바이어스가 인가되는 양극과 음극; 및
    상기 양극과 음극 사이에 적층되어 포함되며, 청색 발광특성을 갖는 호스트와 오렌지 혹은 적색 발광 특성을 내는 제1 게스트가 도핑된 발광층, 상기 발광층 내에 정공을 가두어 두기 위한 정공장벽층, 및 녹색 발광 특성을 갖는 전자수송층을 포함하는 백색 유기발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 청색 발광물질의 효율을 향상시킬 수 있는 제2 게스트가 추가로 도핑된 백색 유기발광소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 청색 발광물질은 3.5 내지 2.5eV 사이의 밴드갭을 가지는 DPVBi 또는 NPB인 백색 유기발광소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 게스트는 2.2 내지 1.7eV 사이의 밴드갭을 가지는 DCM, DCJTB 또는 DADB 중 어느 하나이며, 0.01 내지 5wt.%의 농도로 도핑되는 백색 유기발광소자.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제2 게스트는 3.5 내지 2.5eV 사이의 밴드갭을 가지는 DSA-Amine 또는 Perylene이며, 0.1 내지 10wt.%의 농도로 도핑된 백색 유기발광소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 및 상기 발광층 사이에 적층된 정공주입층 및 정공수송층이 추가로 게재된 백색 유기발광소자.
  7. 제1 항에 있어서
    상기 전자수송층 상에는 전자주입층을 더 포함하는 백색 유기발광소자.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 정공장벽층은 상기 발광층보다 HOMO 에너지 레벨이 높은 물질로 이루어진 백색 유기발광소자.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 물질은 BCP 또는 TAZ 중 어느 하나인 것을 백색 유기발광소자.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 정공장벽층은 엑시톤이 상기 발광층에서 상기 전자수송층으로 Forster 에너지 전이 가능하도록 Forster 에너지 전이 반경보다 얇은 두께로 형성되는 백색 유기발광소자.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 정공장벽층은 1 내지 5nm의 두께로 형성되는 백색 유기발광소자.
  12. 기판 상에 양극과 음극을 사이에 두고 적층되어 형성된 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 정공장벽층, 전자수송층, 전자주입층을 포함하는 백색 유기발광소자에 있어서,
    상기 발광층에는 청색 발광특성을 갖는 호스트와 오렌지 혹은 적색 발광 특성을 내는 제1 게스트가 도핑되고,
    상기 전자수송층에는 녹색 발광 특성을 갖는 물질을 포함하는 백색 유기발광소자.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 정공장벽층은 엑시톤이 상기 발광층에서 상기 전자수송층으로 Forster 에너지 전이 가능하도록 Forster 에너지 전이 반경보다 얇은 두께로 형성되는 백색 유기발광소자.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 청색 발광물질의 효율을 향상시킬 수 있는 제2 게스트가 추가로 도핑된 백색 유기발광소자.
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