KR101419809B1 - 인버티드 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents
인버티드 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 Download PDFInfo
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Abstract
바닥 전극, 상부 전극, 상기 바닥 전극과 상기 상부 전극 사이에 개재된 적어도 하나의 발광층, 상기 발광층과 상기 바닥 전극 사이에 개재된 전자 수송층, 상기 발광층과 상기 상부 전극 사이에 개재된 정공 수송층, 상기 전자 수송층과 상기 바닥 전극 사이에 개재되며 p-도핑층 및 상기 p-도핑층 상에 형성된 n-도핑층을 포함한 pn-접합층, 및 상기 정공 수송층과 상기 상부 전극 사이에 개재된 정공 생성층을 포함하고; 상기 p-도핑층이 제1 정공 수송 재료 및 p-도펀트를 포함하는 유기 발광 소자가 제공된다.
Description
인버티드 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 pn-접합층을 전자 주입층으로 사용하여 바닥 전극의 일함수에 큰 영향을 받지 않고 전자 주입 특성이 우수한 인버티드 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
유기 발광 소자(organic light emitting diode)는 자발광형 소자로서 시야각이 넓고 콘트라스트가 우수할 뿐만 아니라, 응답시간이 빠르며, 휘도, 구동전압 및 응답속도 특성이 우수하고 다색화가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
일반적인 유기 발광 소자는 기판, 상부 전극, 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층 및 음극의 순서로 적층되어 이루어지는 반면에, 인버티드 유기 발광 소자는 기판으로부터 바닥 전극, 전자 주입층, 전자 수송층, 발광층, 정공 수송층, 정공 주입층 및 상부 전극의 순서로 구성된다. 인버티드 유기 발광 소자는 널리 사용되고 있는 n형 박막 트랜지스터의 소스 및 드레인 전극 상에 바로 형성될 수 있어, 일반적인 유기 발광 소자에 비해 공정 시간 및 비용을 줄일 수 있다는 장점을 가진다.
인버티드 유기 발광 소자의 구동 원리는 일반적인 유기 발광 소자의 구동 원리와 동일하다. 즉, 상부 전극 및 바닥 전극 간에 전압을 인가하면, 바닥 전극으로부터 주입된 전자가 전자 주입층 및 전자 수송층을 경유하여 발광층으로 이동하고 상부 전극으로부터 주입된 정공은 정공 주입층 및 정공 수송층을 경유하여 발광층으로 이동한다. 상기 정공 및 전자와 같은 캐리어들은 발광층 영역에서 재결합하여 엑시톤(exciton)을 생성한다. 이 엑시톤이 여기 상태에서 기저상태로 변하면서 광이 생성된다.
종래의 인버티드 유기 발광 소자의 제조에 있어 가장 중요한 과제 중 하나는 상부 전극으로부터 발광층으로의 정공 주입 능력의 개선 및 바닥 전극으로부터 발광층으로의 전자 주입 능력의 개선이다. 일반적인 유기 발광 소자의 경우 구동시 바닥 전극으로부터 발광층으로 정공이 주입되며 이때 정공 주입 장벽은 바닥 전극의 종류에 따라 약 0~1.0 eV이나, 인버티드 유기 발광 소자의 경우에는 구동시 바닥 전극으로부터 발광층으로 전자가 주입되며 이때 전자 주입 장벽은 약 1~1.6 eV로 매우 큰 값을 가지고 그 결과 구동 전압이 크게 상승하게 된다.
이와 같이, 종래의 인버티드 유기 발광 소자는 구동 전압과 발광 효율 등이 비교적 만족스럽지 못하여 이를 해결하기 위한 다양한 기술 개발이 시급한 실정이고, 이에 구동 전압이 낮고 발광 효율이 우수한 인버티드 유기 발광 소자를 제공할 필요가 있다.
상기 언급한 바와 같은 문제를 해결하고자, 바닥 전극의 일함수에 구애받지 않고 전자 주입 특성이 우수하여 전류가 잘 흐르는 유기 발광 소자를 제공하고자 한다.
일 측면에 따라, 바닥 전극, 상기 바닥 전극과 대향된 상부 전극, 상기 바닥 전극과 상기 상부 전극 사이에 개재된 적어도 하나의 발광층, 상기 발광층과 상기 바닥 전극 사이에 개재된 전자 수송층, 상기 발광층과 상기 상부 전극 사이에 개재된 정공 수송층, 상기 전자 수송층과 상기 바닥 전극 사이에 개재되며 p-도핑층 및 상기 p-도핑층 상에 형성된 n-도핑층을 포함한 pn-접합층, 및 상기 정공 수송층과 상기 상부 전극 사이에 개재된 정공 생성층을 포함하고; 상기 p-도핑층이 제1 정공 수송 재료 및 p-도펀트를 포함하는 유기 발광 소자가 제공된다.
다른 일 측면에 따라, 바닥 전극, 상기 바닥 전극과 대향된 상부 전극, 상기 바닥 전극과 상기 상부 전극 사이에 개재된 적어도 하나의 발광층, 상기 발광층과 상기 바닥 전극 사이에 개재된 전자 수송층, 상기 발광층과 상기 상부 전극 사이에 개재된 정공 수송층, 상기 전자 수송층과 상기 바닥 전극 사이에 개재되며, p-도핑층, 상기 p-도핑층 상에 형성된 p-도펀트층 및 상기 p-도펀트층 상에 형성된 n-도핑층을 포함한 pn-접합층, 및 상기 정공 수송층과 상기 상부 전극 사이에 개재된 정공 생성층을 포함하고; 상기 p-도핑층이 제1 정공 수송 재료 및 p-도펀트를 포함하는 유기 발광 소자가 제공된다.
상기 바닥 전극의 일함수는 -3.0 eV 내지 -6.0 eV일 수 있다.
상기 p-도펀트는 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN(헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴) 및 F4-TCNQ(테트라플루오로-테트라시아노-퀴노디메탄) 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 p-도핑층은 상기 제1 정공 수송 재료 및 상기 p-도펀트를 99.9:0.1 내지 75:25의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 제1 정공 수송 재료는 프탈로시아닌 유도체를 포함할 수 있다.
상기 프탈로시아닌 유도체는 구리 프탈로시아닌(CuPc), 주석 프탈로시아닌(SnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 클로로인듐 프탈로시아닌(ClInPc), 서브프탈로시아닌(SubPc), 코발트 프탈로시아닌(CoPc) 및 아연 프탈로시아닌(ZnPc) 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 n-도핑층은 전자 수송 재료 및 n-도펀트를 포함할 수 있다.
상기 n-도펀트는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 란타늄(La), 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 이테르븀(Yb) 중 적어도 1종의 금속; 상기 금속의 질화물; 상기 금속의 탄산염(carbonate); 및 상기 금속의 착물; 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 n-도펀트는 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Cs2CO3, Rb2CO3 및 Ba2CO3 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 n-도핑층은 상기 전자 수송 재료 및 상기 n-도펀트를 99.9:0.1 내지 75:25의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 정공 생성층은 제2 정공 수송 재료; 및 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종;을 포함할 수 있다.
상기 정공 생성층은 상기 제2 정공 수송 재료 및 상기 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종을 99.9:0.1 내지 75:25의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 정공 생성층은 상기 제2 정공 수송 재료를 포함하는 제1층; 및 상기 제1층 상에 형성되며 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종으로 이루어진 제2층;을 포함하는 이중층(bilayer)일 수 있다.
상기 제1층의 두께는 10Å 내지 500Å이고, 상기 제2층의 두께는 10Å 내지 50Å일 수 있다.
상기 바닥 전극은 ITO(인듐주석산화물), IZO(인듐아연산화물), ZnO(아연 산화물), 그래핀(graphene), Ag 및 Al 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 유기 발광 소자는 상기 바닥 전극이 투명한 물질을 포함하는 배면 발광형일 수 있다.
상기 유기 발광 소자는 상기 상부 전극이 투명한 물질을 포함하는 전면 발광형일 수 있다.
또 다른 일 측면에 따라, 기판, 상기 기판 상에 형성되며 소스 전극, 드레인 전극, 산화물 반도체층, 게이트 전극, 및 게이트 절연층을 포함하는 n형 박막 트랜지스터; 상기 n형 박막 트랜지스터 상에 형성된 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성된 상술한 유기 발광 소자를 구비하고, 상기 유기 발광 소자의 상기 바닥 전극이 상기 소스 전극 및 드레인 전극 중 하나와 전기적으로 연결된 디스플레이 장치가 제공된다.
일 측면에 따른 유기 발광 소자는 바닥 전극으로부터 발광층으로의 전자 주입 특성이 향상되어 구동 전압이 감소하고 발광 효율이 증가되는 효과를 가진다.
상기 유기 발광 소자는 바닥 전극의 일함수에 구애됨이 없이 전자 주입 특성이 향상되는 효과를 가진다.
다른 일 측면에 따른 디스플레이 장치는 발광 효율이 우수하며 최근 디스플레이 분야에 대두되고 있는 플렉시블 유기 발광 디스플레이 장치 또는 조명 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 참조예 1 내지 3에 따른 소자의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 유기 발광 소자의 전압에 따른 전류 밀도 및 휘도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 유기 발광 소자의 전류 밀도에 따른 효율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1 내지 3에 따른 유기 발광 소자와 비교예 1 및 2에 따른 에 따른 유기 발광 소자의 전압과 전류 밀도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 1 내지 3에 따른 유기 발광 소자와 비교예 1 및 2에 따른 에 따른 유기 발광 소자의 전압과 휘도 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 참조예 1 내지 3에 따른 소자의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 유기 발광 소자의 전압에 따른 전류 밀도 및 휘도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 유기 발광 소자의 전류 밀도에 따른 효율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1 내지 3에 따른 유기 발광 소자와 비교예 1 및 2에 따른 에 따른 유기 발광 소자의 전압과 전류 밀도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 1 내지 3에 따른 유기 발광 소자와 비교예 1 및 2에 따른 에 따른 유기 발광 소자의 전압과 휘도 관계를 나타낸 그래프이다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 발광 소자(100)의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
일 구현예에 따른 유기 발광 소자(100)는, 바닥 전극(121), 상기 바닥 전극(121)과 대향된 상부 전극(129), 상기 바닥 전극(121)과 상기 상부 전극(129) 사이에 개재된 적어도 하나의 발광층(126), 상기 발광층(126)과 상기 바닥 전극(121) 사이에 개재된 전자 수송층(125), 상기 발광층(126)과 상기 상부 전극(129) 사이에 개재된 정공 수송층(127), 상기 전자 수송층(125)과 상기 바닥 전극(121) 사이에 개재된 pn-접합층(122), 및 상기 정공 수송층(127)과 상기 상부 전극(129) 사이에 개재된 정공 생성층(128)을 포함한다.
상기 유기 발광 소자(100)는 바닥 전극(121)에 (-) 전압이 인가되고, 상부 전극에는 (+) 전극이 인가됨으로써 구동된다. pn-접합층(122)은 유기물로 구성되며 바닥 전극(121)으로부터 p-도핑층(123) 및 n-도핑층(124)의 순서대로 적층되어 전자 주입층 역할을 하고, 정공 생성층(128)은 p-도핑 등의 방법에 의해 정공을 생성하여 정공의 주입을 향상시키는 역할을 한다.
바닥 전극과 전자 수송층 사이에 n-도핑층이 구비된 경우에는 바닥 전극과 n-도핑층 사이의 계면에서 전자의 주입이 발생하고, 바닥 전극과 n-도핑층 간의 전자 주입 장벽에 따라 전자 주입 특성이 변하게 된다. 따라서, 이 경우에는 바닥 전극과 n-도핑층 간의 전자 주입 장벽을 결정하는 바닥 전극의 일함수가 매우 중요한 의미를 가지고, 그 결과 바닥 전극의 재료 선택에는 제약이 따를 수 밖에 없다.
그러나, 상기 유기 발광 소자(100)는 바닥 전극(121)과 전자 수송층(125) 사이에 pn-접합층(122)이 구비되어 있어 pn-접합층(122) 내의 접합 계면, 즉 p-도핑층(123)과 n-도핑층(124) 사이의 계면에서 전자와 정공이 생성되는 원리에 의해 전자 및 정공의 주입이 발생한다. pn-접합층(122) 내의 접합 계면에서 전기장의 인가에 의해 전자 및 정공의 쌍(pair)이 생성되므로, 전자 및 정공 주입 특성은 p-도핑층(123)과 n-도핑층(124)에 의해 영향을 받고 바닥 전극(121)의 일함수에는 구애받지 않으며, 그 결과 바닥 전극의 재료 선택의 폭이 넓어진다.
상기 유기 발광 소자(100)의 p-도핑층(123)은 제1 정공 수송 재료 및 p-도펀트를 포함한다. 제1 정공 수송 재료로는 프탈로시아닌 유도체, NPB(4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐); TPD(4,4'-비스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]바이페닐); MTDATA(4,4',4"-트리스[(3-메틸페닐)페닐아미노]트라이페닐아민); TAPC(1,1-비스(4-(N,N-다이-p-톨릴아미노)페닐)사이클로헥세인); TCTA(4-(9H-카바졸-9-일)-N,N-비스[4-(9H-카바졸-9-일)페닐]-벤젠아민); CBP(9,9'-[1,1'-바이페닐]-4,4'-다이일비스-9H-카바졸); Alq3; mCP(9,9'-(1,3-페닐렌)비스-9H-카바졸) 및 2-TNATA(4,4',4"-트리스(N-(2-나프틸)-N-페닐아미노) 트리페닐아민) 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.
바닥 전극(121)은 n형 박막 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극 중 하나와 연결되어 n형 박막 트랜지스터로부터 인가되는 구동 전류를 공급 받는 역할을 하는 부분이다. 상기 설명한 바와 같이 유기 발광 소자(100)의 바닥 전극(121)으로부터 발광층(126)으로의 전자 주입 특성이 바닥 전극(121)에 거의 영향을 받지 않기 때문에, 바닥 전극 형성용 재료는 일함수 값에 크게 개의치 않고 다양한 종류의 것들을 선택할 수 있다.
바닥 전극(121)의 일함수는 특별히 한정된 것은 아니나, 예를 들면 -3.0 eV 내지 -6.0 eV 범위 내에서 선택될 수 있다. 바닥 전극(121)의 일함수가 상기 범위를 만족할 경우에 바닥 전극(121)으로서 요구되는 기본적 특성 등이 만족될 수 있다.
바닥 전극(121)을 형성하는 재료로는, 예를 들면, ITO(인듐주석산화물), IZO(인듐아연산화물), ZnO(아연 산화물), 그래핀(graphene), Ag 및 Al 중 적어도 1종을 사용하여 형성될 수 있으며, 특히 배면 발광형인 경우에는 투명 전극인 ITO 등을 사용할 수 있다. 필요에 따라서는 ITO에 자외선-오존 처리한 것을 사용할 수도 있다.
바닥 전극(121) 상에는 pn-접합층(122)이 구비되어 있다. pn-접합층(122)은 p-도핑층(123)과 n-도핑층(124)이 순서대로 적층된 구성을 가진다.
pn-접합층(122) 내의 p-도핑층(123)과 n-도핑층(124) 사이의 계면에서는 전기장의 인가에 의해 전자와 정공이 생성된다. 생성된 정공은 p-도핑층(123)을 거쳐 바닥 전극(121)으로 이동하고, 생성된 전자는 n-도핑층(124)을 거쳐 발광층(126) 쪽으로 이동하여 소자에 전류를 흐르게 한다.
p-도핑층(123)은 제1 정공 수송 재료에 p-도펀트를 도핑하는 방식으로 형성될 수 있다.
p-도펀트로는 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.
p-도핑층(123)은 제1 정공 수송 재료 및 p-도펀트를 99.9:0.1 내지 75:25의 중량비로 포함할 수 있다. 제1 정공 수송 재료 및 p-도펀트의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, p-도핑층(123)과 n-도핑층(124) 사이의 계면에서 전자와 정공이 만족스러운 수준으로 생성될 수 있다.
p-도핑층의 주성분이 되는 제1 정공 수송 재료는 바람직하게는 프탈로시아닌 유도체일 수 있다.
프탈로시아닌 유도체를 사용하는 경우, pn-접합층(122)은 특히 낮은 전압에서도 전하를 생성할 수 있는 특징을 가진다. 또한, 프탈로시아닌 유도체는 특정 파장을 흡수하는 특성을 가지므로 소자로부터 추출되는 광의 명암비를 향상시킬 수 있는 장점도 가진다.
프탈로시아닌 유도체로는 구리 프탈로시아닌(CuPc), 주석 프탈로시아닌(SnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 클로로인듐 프탈로시아닌(ClInPc), 서브프탈로시아닌(SubPc), 코발트 프탈로시아닌(CoPc) 및 아연 프탈로시아닌(ZnPc) 중 적어도 1종을 사용할 수 있다. 바람직하게는 유기 발광 소자의 외부로 추출되는 광의 명암비를 고려하여 특정 파장을 잘 흡수하는 프탈로시아닌 유도체를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
n-도핑층(124)은 전자 수송 재료 및 n-도펀트를 포함할 수 있으며, 예를 들면 전자 수송 재료에 n-도펀트를 도핑하는 방식으로 형성될 수 있다.
상기 전자 수송 재료로는 Bphen(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), TPQ1(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[(3-페닐-6-트리플루오로메틸)퀴녹살린-2-일]벤젠), TPQ2(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[{3-(4-tert-부틸페닐)-6-트리플루오로메틸}퀴녹살린-2-일]벤젠), BeBq2(10-벤조[h]퀴놀리놀-베릴륨), E3(터플루오렌) 및 이들의 유도체 중 적어도 1종을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 Bphen을 사용할 수 있다.
n-도펀트로는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 란타늄(La), 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 이테르븀(Yb) 중 적어도 1종의 금속; 상기 금속의 질화물; 상기 금속의 탄산염; 및 상기 금속의 착물; 중 적어도 1종을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 란타늄(La), 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 이테르븀(Yb) 등은 일함수가 상대적으로 낮아 전자의 생성에 유리하다.
또는, n-도펀트로는 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Cs2CO3, Rb2CO3 및 Ba2CO3 중 적어도 1종을 사용할 수 있으나, 이러한 금속 탄산염에 한정되는 것은 아니다.
n-도핑층(124)은 상기 전자 수송 재료 및 n-도펀트를 99.9:0.1 내지 75:25의 중량비로 포함할 수 있다. 상기 전자 수송 재료 및 n-도펀트의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, p-도핑층(123)과 n-도핑층(124) 사이의 계면에서 전자와 정공이 만족스러운 수준으로 생성될 수 있다.
pn-접합층(122)은 하나의 전하생성층으로서 기능한다. 즉, 외부에서 인가해 준 전압에 의해 p-도핑층(123)과 n-도핑층(124) 사이의 계면에서 전자와 정공이 생성되고, 상기 계면을 기준으로 상하의 양 방향으로 전자 및 정공이 주입된다. 이러한 원리에 의해 바닥 전극(121)으로부터 발광층(126) 쪽으로 전자가 주입될 필요도 없이 소자를 구동시킬 수 있다. 그 결과 바닥 전극(121)의 일함수에 구애받지 않고 전자 주입 특성이 우수하고 전류가 잘 흐르는 유기 발광 소자(100)를 제공할 수 있다.
pn-접합층(122) 상에는 전자 수송층(125)이 구비되어 있다. 전자 수송층(125)은 n-도핑층(124)으로부터 이동된 전자를 발광층(126)으로 이동시키는 역할을 한다.
전자 수송층(125)은 전자 수송 재료를 포함할 수 있다. 상기 전자 수송 재료로는 Bphen(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), TPQ1(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[(3-페닐-6-트리플루오로메틸)퀴녹살린-2-일]벤젠), TPQ2(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[{3-(4-tert-부틸페닐)-6-트리플루오로메틸}퀴녹살린-2-일]벤젠), BeBq2(10-벤조[h]퀴놀리놀-베릴륨), E3(터플루오렌) 및 이들의 유도체 중 적어도 1종을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 공정의 편의를 고려하면, 바람직하게는 n-도핑층(124)에 사용된 전자 수송 재료와 동일한 재료를 사용할 수 있다.
전자 수송층(125) 상에는 발광층(126)이 구비되어 있다. 발광층(126)은 pn-접합층(122)에서 생성되어 전자 수송층(125)을 거쳐 온 전자와 상부 전극(129)으로부터 주입되어 정공 생성층(128)과 정공 수송층(127)을 거쳐 온 정공이 재결합하여 생성된 엑시톤이 여기 상태에서 기저상태로 변하면서 발광하는 층이다.
발광층(126) 상에는 정공 수송층(127)이 구비되어 있다. 정공 수송층(127)은 상부 전극(129)으로부터 주입되어 정공 생성층(128)을 거쳐 온 정공을 발광층(126)으로 이동시키는 역할을 한다.
정공 수송층(127)은 정공 수송 재료를 포함할 수 있다. 상기 정공 수송 재료로는 NPB(4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐); TPD(4,4'-비스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]바이페닐); MTDATA(4,4',4"-트리스[(3-메틸페닐)페닐아미노]트라이페닐아민); TAPC(1,1-비스(4-(N,N-다이-p-톨릴아미노)페닐)사이클로헥세인); TCTA(4-(9H-카바졸-9-일)-N,N-비스[4-(9H-카바졸-9-일)페닐]-벤젠아민); CBP(9,9'-[1,1'-바이페닐]-4,4'-다이일비스-9H-카바졸); Alq3; mCP(9,9'-(1,3-페닐렌)비스-9H-카바졸) 및 2-TNATA(4,4',4"-트리스(N-(2-나프틸)-N-페닐아미노) 트리페닐아민) 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.
정공 수송층(127) 상에는 정공 생성층(128)이 구비되어 있다. 정공 생성층(128)은 기본적으로 상부 전극(129)으로부터 주입된 전자를 정공 수송층(127)으로 이동시키는 역할을 한다. 또한, 정공 생성층(128)은 정공을 생성하여 생성된 전자를 정공 수송층(127)으로 이동시키기도 한다.
정공 생성층(128)은 제2 정공 수송 재료; 및 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종;을 99.9:0.1 내지 75:25의 중량비로 포함할 수 있다. 정공 수송 재료; 및 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종;의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 정공 생성층(128)에서 정공이 만족스러운 수준으로 생성될 수 있다. 바람직하게는 정공 생성층(128)에 도핑하는 재료는 p-도핑층(123)에 사용된 p-도펀트와 동일한 것을 사용할 수 있다.
정공 생성층(128) 상에는 상부 전극(129)이 구비되어 있다. 상부 전극(129)은 투명 전극 또는 반사 전극으로 형성할 수 있다. 투명 전극으로 형성할 때는 ITO, IZO, ZnO 또는 그래핀 등으로 형성할 수 있고, 반사 전극으로 형성할 때에는 Ag, Mg, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr 또는 이들의 화합물 등으로 반사막을 형성한 후, 그 위에 ITO, IZO, ZnO 또는 그래핀 등으로 막을 형성함으로써 형성할 수 있다.
도 2는 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자(200)의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
상기 유기 발광 소자(200)는, 바닥 전극(221), 상기 바닥 전극(221)과 대향된 상부 전극(229), 상기 바닥 전극(221)과 상기 상부 전극(229) 사이에 개재된 적어도 하나의 발광층(226), 상기 발광층(226)과 상기 바닥 전극(221) 사이에 개재된 전자 수송층(225), 상기 발광층(226)과 상기 상부 전극(229) 사이에 개재된 정공 수송층(227), 상기 전자 수송층(225)과 상기 바닥 전극(221) 사이에 개재되며 p-도핑층(223)과 n-도핑층(224)이 순서대로 적층된 pn-접합층(222), 및 상기 정공 수송층(227)과 상기 상부 전극(229) 사이에 개재되며 제1층(228´)과 제2층(228˝)이 순서대로 적층된 정공 생성층(228)을 포함한다.
바닥 전극(221), pn-접합층(222), 전자 수송층(225), 발광층(226), 정공 수송층(227) 및 상부 전극(229)은 각각 도 1에서 설명한 바닥 전극(121), pn-접합층(122), 전자 수송층(125), 발광층(126), 정공 수송층(127) 및 상부 전극(129)에 대응되며, 이에 대한 자세한 설명은 해당 부분을 참조한다.
정공 생성층(228)은 정공 수송 재료를 포함하는 제1층(228´); 및 상기 제1층 상에 형성되며 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종으로 이루어진 제2층(228˝);을 포함하는 이중층으로 구성된다.
MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종이 정공 생성층(228)의 전체에 걸쳐 도핑되지 않고 정공 생성층(228)의 전체 두께 중 일부분의 두께에만 포함되어 있을 수 있다. 정공 생성층(228)은, 정공 생성층(228)의 전체 두께 중 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종이 포함되지 않고 정공 수송 재료로만 이루어진 두께에 해당하는 층을 제1층(228´) 및 정공 생성층(228)의 전체 두께 중 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종으로 이루어진 나머지 부분의 두께에 해당하는 층을 제2층(228˝)이 순서대로 적층된 형태인 이중층이 될 수 있다.
제1층(228´)에 포함된 정공 수송 재료는 정공 수송층(227)에 포함된 정공 수송 재료와 동일할 수 있다. 이 경우에는 정공 수송층(227)과 제1층(228´)의 경계는 사실상 구분이 없게 된다(도 2에 경계를 실선으로 표시).
정공 생성층(228)이 이중층일 경우, 제1층(228´)의 두께는 10Å 내지 500Å이고, 제2층(228˝)의 두께는 10Å 내지 50Å일 수 있다. 제2층(228˝)은 정공을 생성할 수 있으므로 상부 전극(229)에 가까운 곳에 형성되고 그 두께는 제1층(228´)의 두께보다 훨씬 더 얇게 형성된다. 제1층(228´) 및 제2층(228˝)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우에 정공 생성이 원활하게 이루어져 만족스러운 정도의 구동 전압을 얻을 수 있다.
이와는 다르게, 정공 생성층(228)은 제1층, 제2층 및 제3층을 포함하는 삼중층일 수 있다. 이 경우 제1층은 정공 수송 재료를 포함하고, 제2층은 정공 수송 재료 및 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종을 포함하고, 제3층은 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종을 포함하는 구성을 취할 수 있다. 또는, 정공 생성층(228)은 상기 언급한 재료들을 사용하여 다수의 층을 포함하는 다중층(multilayer) 형태로 형성할 수도 있다.
도 3은 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자(300)의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
상기 유기 발광 소자(300)는, 바닥 전극(321), 상기 바닥 전극(321)과 대향된 상부 전극(329), 상기 바닥 전극(321)과 상기 상부 전극(329) 사이에 개재된 적어도 하나의 발광층(326), 상기 발광층(326)과 상기 바닥 전극(321) 사이에 개재된 전자 수송층(325), 상기 발광층(326)과 상기 상부 전극(329) 사이에 개재된 정공 수송층(327), 상기 전자 수송층(325)과 상기 바닥 전극(321) 사이에 개재되며 p-도핑층(323), p-도펀트층(323′) 및 n-도핑층(324)이 순서대로 적층된 pn-접합층(322), 및 상기 정공 수송층(327)과 상기 상부 전극(329) 사이에 개재된 정공 생성층(328)을 포함한다.
바닥 전극(321), 전자 수송층(325), 발광층(326), 정공 수송층(327), 정공 생성층(328) 및 상부 전극(329)은 각각 도 1에서 설명한 바닥 전극(121), 전자 수송층(125), 발광층(126), 정공 수송층(127), 정공 생성층(128) 및 상부 전극(129)에 대응되며, 이에 대한 자세한 설명은 해당 부분을 참조한다.
pn-접합층(322)은 p-도핑층(323), p-도펀트층(323′) 및 n-도핑층(324)이 순서대로 적층된 구성을 가진다.
p-도핑층(323)은 제1 정공 수송 재료에 p-도펀트를 도핑하는 방식으로 형성된 층이고, p-도펀트층(323′)은 p-도펀트만으로 형성된 층이고, n-도핑층(324)은 전자 수송 재료에 n-도펀트를 도핑하는 방식으로 형성된 층이다.
pn-접합층(323) 내의 p-도핑층(323)과 n-도핑층(324) 사이에 개재된 p-도펀트층(323′)에서 전기장의 인가에 의해 전자와 정공이 생성된다. 또한, p-도핑층(323)과 p-도펀트층(323′) 사이의 계면, 및 n-도핑층(324)과 p-도펀트층(323′)의 계면에서도 전기장의 인가에 의해 전자와 정공이 생성된다.
여기에서 생성된 정공은 p-도핑층(323)을 거쳐 바닥 전극(321)으로 이동하고, 생성된 전자는 n-도핑층(324)을 거쳐 발광층(326) 쪽으로 이동하여 소자에 전류를 흐르게 한다.
p-도펀트로는 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.
p-도핑층(323)은 제1 정공 수송 재료 및 p-도펀트를 99.9:0.1 내지 75:25의 중량비로 포함할 수 있다. 제1 정공 수송 재료 및 p-도펀트의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, p-도핑층(323)과 n-도핑층(324) 사이에 개재된 p-도펀트층(323′), p-도핑층(323)과 p-도펀트층(323′) 사이의 계면, 및 n-도핑층(324)과 p-도펀트층(323′)의 계면에서 전자와 정공이 만족스러운 수준으로 생성될 수 있다.
p-도핑층(323)의 주성분이 되는 제1 정공 수송 재료는 바람직하게는 프탈로시아닌 유도체일 수 있다.
프탈로시아닌 유도체를 사용하는 경우, pn-접합층(322)은 특히 낮은 전압에서도 전하를 생성할 수 있는 특징을 가진다. 또한, 프탈로시아닌 유도체는 특정 파장을 흡수하는 특성을 가지므로 소자로부터 추출되는 광의 명암비를 향상시킬 수 있는 장점도 가진다.
프탈로시아닌 유도체로는 구리 프탈로시아닌(CuPc), 주석 프탈로시아닌(SnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 클로로인듐 프탈로시아닌(ClInPc), 서브프탈로시아닌(SubPc), 코발트 프탈로시아닌(CoPc) 및 아연 프탈로시아닌(ZnPc) 중 적어도 1종을 사용할 수 있다. 바람직하게는 유기 발광 소자의 외부로 추출되는 광의 명암비를 고려하여 특정 파장을 잘 흡수하는 프탈로시아닌 유도체를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
도 4는 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자(400)의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
상기 유기 발광 소자(400)는, 바닥 전극(421), 상기 바닥 전극(421)과 대향된 상부 전극(429), 상기 바닥 전극(421)과 상기 상부 전극(429) 사이에 개재된 적어도 하나의 발광층(426), 상기 발광층(426)과 상기 바닥 전극(421) 사이에 개재된 전자 수송층(425), 상기 발광층(426)과 상기 상부 전극(429) 사이에 개재된 정공 수송층(427), 상기 전자 수송층(425)과 상기 바닥 전극(421) 사이에 개재되며 p-도핑층(423), p-도펀트층(423′) 및 n-도핑층(424)이 순서대로 적층된 pn-접합층(422), 및 상기 정공 수송층(427)과 상기 상부 전극(429) 사이에 개재되며 제1층(428´)과 제2층(428˝)이 순서대로 적층된 정공 생성층(428)을 포함한다.
바닥 전극(421), 전자 수송층(425), 발광층(426), 정공 수송층(427) 및 상부 전극(429)은 각각 도 1에서 설명한 바닥 전극(121), 전자 수송층(125), 발광층(126), 정공 수송층(127) 및 상부 전극(129)에 대응되며, 이에 대한 자세한 설명은 해당 부분을 참조한다.
pn-접합층(422)은 p-도핑층(423), p-도펀트층(423′) 및 n-도핑층(424)이 순서대로 적층된 구성을 가진다. p-도핑층(423)은 제1 정공 수송 재료에 p-도펀트를 도핑하는 방식으로 형성된 층이고, p-도펀트층(423′)은 p-도펀트만으로 형성된 층이고, n-도핑층(424)은 전자 수송 재료에 n-도펀트를 도핑하는 방식으로 형성된 층이다. pn-접합층(422)에 대한 자세한 설명은 도 3에서 설명한 pn-접합층(322)에 대한 설명 부분을 참조한다.
정공 생성층(428)은 정공 수송 재료를 포함하는 제1층(428´); 및 상기 제1층 상에 형성되며 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종으로 이루어진 제2층(428˝);을 포함하는 이중층으로 구성된다. 이것은 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종이 정공 생성층(428)의 전체에 걸쳐 도핑되지 않고 정공 생성층(428)의 전체 두께 중 일부분의 두께에만 포함되어 있는 형태이다. 정공 생성층(428)에 대한 자세한 설명은 도 2에서 설명한 정공 생성층(228)에 대한 설명 부분을 참조한다.
이하, 일 구현예에 따른 유기 발광 소자(100)의 제조 방법을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
기판으로는, 통상적인 유기 발광 소자에 사용되는 기판을 사용할 수 있으며, 기계적 강도, 열적 안정성, 투명성, 표면 평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 예를 들면 SiO2를 주성분으로 하는 투명한 유리 재질로 기판을 형성할 수 있다.
기판 상에는 바닥 전극(121)을 형성한다. 바닥 전극(121)은 비아홀을 통하여 n형 박막트랜지스터의 드레인 전극과 전기적으로 연결되어 있다. 바닥 전극(121)은 n형 박막 트랜지스터로부터 인가되는 구동 전류를 공급 받는다.
바닥 전극(121)은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 등의 알칼리 금속, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 등의 알칼리 토금속; 알루미늄, 스칸듐, 바나듐, 아연, 이트륨, 인듐, 세륨, 사마륨, 유로퓸, 테르븀, 이테르븀 등의 금속; 이들 중 2개 이상의 합금; 또는 이들 중 1개 이상과 금, 은, 백금, 구리, 망간, 티탄, 코발트, 니켈, 텅스텐, 주석 중 1개 이상과의 합금; 및 이들 중 적어도 2종을 포함하는 구조체로 형성할 수 있다. 필요에 따라서는 ITO에 자외선-오존 처리한 것을 사용할 수도 있다. 합금으로서는, 예를 들면 ITO(인듐주석산화물), IZO(인듐아연산화물), ZnO(아연 산화물) 또는 그래핀 등을 사용할 수 있다.
배면 발광형인 경우 바닥 전극(121)은 ITO, IZO, ZnO 또는 그래핀 같은 투명한 산화물로 형성될 수 있다. 바닥 전극(121)은 공지된 다양한 방법, 예를 들면, 증착법, 스퍼터링법 또는 스핀코팅법 등을 이용하여 형성될 수 있다.
바닥 전극(121) 상에는 pn-접합층(123)을 형성한다. p-도핑층(123)은 제1 정공 수송 재료에 p-도펀트를 도핑하여 형성할 수 있으며, p-도펀트의 도핑 농도는 p-도핑층(123)의 총중량 대비 0.1 내지 25 중량%일 수 있다. 바람직하게는 제1 정공 수송 재료로서 프탈로시아닌 유도체를 사용할 수 있다.
p-도핑층(123)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 진공 증착법에 의하여 p-도핑층(123)을 형성하는 경우, 그 증착 조건은 p-도핑층(123)의 재료로서 사용하는 화합물, 목적으로 하는 p-도핑층(123)의 구조 및 열적 특성 등에 따라 다양하게 선택할 수 있다. p-도핑층(123)의 두께는 약 10Å 내지 약 1000Å일 수 있다. p-도핑층(123)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 pn-접합층(123) 내에서 만족스러운 수준으로 정공 및 전자가 생성될 수 있다.
p-도핑층(123) 상에는 n-도핑층(124)을 형성한다. n-도핑층(124)은 전자 수송 재료에 n-도펀트를 도핑하여 형성할 수 있으며, n-도펀트의 도핑 농도는 n-도핑층(124)의 총중량 대비 0.1 내지 25 중량%일 수 있다.
n-도핑층(123)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. n-도핑층(124)의 두께는 약 10Å 내지 약 1000Å일 수 있다. n-도핑층(124)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 pn-접합층(123) 내에서 만족스러운 수준으로 정공 및 전자가 생성될 수 있다.
n-도핑층(124) 상에는 전자 수송층(125)을 형성한다. 전자 수송층(125)을 형성하는 재료로는 Bphen(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), TPQ1(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[(3-페닐-6-트리플루오로메틸)퀴녹살린-2-일]벤젠), TPQ2(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[{3-(4-tert-부틸페닐)-6-트리플루오로메틸}퀴녹살린-2-일]벤젠), BeBq2(10-벤조[h]퀴놀리놀-베릴륨), E3(터플루오렌) 및 이들의 유도체 중 적어도 1종을 들 수 있다.
전자 수송층(125)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 전자 수송층(125)의 두께는 약 10Å 내지 약 500Å일 수 있다. 제2전자 수송층(125)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 만족스러운 정도의 전자 주입 및 수송 특성을 얻을 수 있다.
전자 수송층(125) 상에는 발광층(126)을 형성한다. 발광층(126)은 공지의 인광 호스트와 인광 도펀트, 또는 공지의 형광 호스트와 형광 도펀트를 사용하여 형성할 수 있다.
공지의 호스트로서, CBP(4,4'-N,N'-디카바졸-비페닐), ADN(9, 10-디-나프탈렌-2-일-안트라센), TPBI, TBADN, 또는 E3 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 적색 도펀트로서 PtOEP, Ir(piq)3, 또는 Btp2Ir(acac) 등을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 녹색 도펀트로서, Ir(ppy)3 (ppy = 페닐피리딘), Ir(ppy)2(acac), 또는 Ir(mpyp)3 등을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 청색 도펀트로서, F2Irpic, (F2ppy)2Ir(tmd), Ir(dfppz)3, DPVBi, DPAVBi(4,4'-비스(4-디페닐아미노스타릴) 비페닐), 또는 2,5,8,11-테트라-tert-부틸 페릴렌(TBPe) 등을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발광층(126)이 호스트 및 도펀트를 포함할 경우, 도펀트의 함량은 통상적으로 호스트 약 100 중량부를 기준으로 하여 약 0.01 내지 약 25 중량부의 범위에서 선택할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발광층(126)의 두께는 약 100Å 내지 약 500Å일 수 있다. 발광층(126)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 우수한 발광 특성을 나타낼 수 있다.
발광층(126)에 인광 도펀트가 포함될 경우에는 삼중항 여기자 또는 정공이 전자 수송층(125)으로 확산되는 현상을 방지하기 위하여, 발광층(126)과 전자 수송층(125) 사이에 정공 저지층(HBL, 미도시함)을 형성할 수도 있다.
발광층(126) 상에는 정공 수송층(127)을 형성한다. 정공 수송층(127)을 형성하는 재료로는 NPB(4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐); TPD(4,4'-비스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]바이페닐); MTDATA(4,4',4"-트리스[(3-메틸페닐)페닐아미노]트라이페닐아민); TAPC(1,1-비스(4-(N,N-다이-p-톨릴아미노)페닐)사이클로헥세인); TCTA(4-(9H-카바졸-9-일)-N,N-비스[4-(9H-카바졸-9-일)페닐]-벤젠아민); CBP(9,9'-[1,1'-바이페닐]-4,4'-다이일비스-9H-카바졸); Alq3; mCP(9,9'-(1,3-페닐렌)비스-9H-카바졸) 및 2-TNATA(4,4',4"-트리스(N-(2-나프틸)-N-페닐아미노) 트리페닐아민) 중 적어도 1종을 들 수 있다.
정공 수송층(127)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 정공 수송층(127)의 두께는 약 10Å 내지 약 1000Å일 수 있다. 정공 수송층(127)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 만족스러운 정도의 정공 수송 특성을 얻을 수 있다.
정공 수송층(127) 상에는 정공 생성층(128)을 형성한다. 정공 생성층(128)은 정공 수송 재료에 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종을 도핑하여 형성할 수 있으며, 이들의 도핑 농도는 정공 생성층(128)의 총중량 대비 0.1 내지 25 중량%일 수 있다.
정공 생성층(128)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 정공 생성층(128)의 두께는 약 10Å 내지 약 10000Å일 수 있다. 정공 생성층(128)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 정공 생성층(128) 내에서 만족스러운 수준으로 정공이 생성될 수 있다.
정공 생성층(128) 상에는 상부 전극(129)이 구비되어 있다. 상부 전극(129)은 투명 전극 또는 반사 전극으로 형성할 수 있으며, 전면 발광형인 경우 상부 전극(129)은 투명 전극으로 형성할 수 있다.
투명 전극으로 형성할 때는 ITO, IZO, ZnO 또는 그래핀 등을 사용할 수 있고, 반사 전극으로 형성할 때에는 Ag, Mg, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr 또는 이들의 화합물 등으로 반사막을 형성한 후, 그 위에 ITO, IZO, ZnO 또는 그래핀 등으로 막을 형성함으로써 형성할 수 있다.
다른 일 측면에 따라, 기판, 상기 기판 상에 형성되며 소스 전극, 드레인 전극, 산화물 반도체층, 게이트 전극, 및 게이트 절연층을 포함하는 n형 박막 트랜지스터; 상기 n형 박막 트랜지스터 상에 형성된 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성된 상기 설명한 유기 발광 소자를 구비하고, 상기 유기 발광 소자의 상기 바닥 전극이 상기 소스 전극 및 드레인 전극 중 하나와 전기적으로 연결된 디스플레이 장치가 제공된다.
상기 디스플레이 장치는 바닥 전극의 일함수에 구애됨이 없이 전자 주입 특성이 향상된 유기 발광 소자를 구비하여 플렉시블 유기 발광 디스플레이 장치 또는 조명 등에 유용하게 사용될 수 있다.
이하에서, 비제한적인 참조예 및 실시예를 통하여 일 구현예를 따르는 유기 발광 소자에 대하여 보다 구체적으로 설명하나, 본 발명이 하기의 참조예 및 실시예로 한정되는 것은 아니다.
참조예
1
하기와 같이 바닥 전극, pn-접합층 및 상부 전극으로 구성된 소자를 제조하였다:
ITO
/
CuPc
95중량부에
ReO
3
5중량부를
도핑한
p-
도핑층
/
Bphen
85중량부에
Rb
2
CO
3
15중량부를
도핑한
n-
도핑층
/
Al
참조예
2
하기와 같은 바닥 전극, pn-접합층 및 상부 전극 만으로 구성된 소자를 제조하였다:
자외선-오존 처리된
ITO
/
CuPc
95중량부에
ReO
3
5중량부를
도핑한
p-
도핑층
/
Bphen
85중량부에
Rb
2
CO
3
15중량부를
도핑한
n-
도핑층
/
Al
참조예
3
하기와 같은 바닥 전극, pn-접합층 및 상부 전극 만으로 구성된 소자를 제조하였다:
자외선-오존 처리된
ITO
/ 2-
TNATA
95중량부에
ReO
3
5중량부를
도핑한
p-
도핑층
/
Bphen
85중량부에
Rb
2
CO
3
15중량부를
도핑한
n-
도핑층
/
Al
평가예
상기 참조예 1 내지 3에 따른 소자에 대해 정방향 및 역방향 바이어스에서 전류 특성을 평가하고자 각 소자에 대해 전압에 따른 전류 밀도를 측정하여 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 참조예 1 및 2에 따른 소자는 역방향 바이어스 인가시 높은 전류가 생성되는데 비해 참조에 3에 따른 소자는 역방향 바이어스 인가시 전류가 거의 생성되지 않았다. 이로부터 참조예 1 및 2에 따른 소자는 바닥 전극의 일함수에 크게 영향을 받지 않고 효율적으로 전류를 생성하는 것을 알 수 있다.
실시예
1
하기와 같은 같은 구성을 가지는 인버티드 유기 발광 소자를 제조하였다:
ITO
/
CuPc
95중량부
:
ReO
3
5중량부
/
Bphen
85중량부
:
Rb
2
CO
3
15중량부
/ Bphen /
Alq
3
97중량부
:
C545T
3중량부
/
TAPC
/
TAPC
92중량부
:
ReO
3
8중량부
/
Al
바닥 전극으로는 유리 기판에 ITO막을 형성한 1500Å 두께의 ITO 유리 기판을 사용하였다.
상기 ITO 유리 기판 상부에 구리 프탈로시아닌(CuPc)과 p-도펀트로서 ReO3를 95:5의 중량비로 동시 증착하여 150Å 두께의 p-도핑층을 형성하고, 상기 p-도핑층 상부에 Bphen과 n-도펀트로서 Rb2CO3를 85:15의 중량비로 동시 증착하여 150Å 두께의 n-도핑층을 형성하였다.
상기 n-도핑층 상부에 Bphen을 증착하여 200Å 두께의 전자 수송송층을 형성하였다.
상기 전자 수송층 상부에 Alq3(트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄)와 C545T를 97:3의 중량비로 동시 증착하여 300Å 두께의 발광층을 형성하였다:
상기 발광층 상부에 TAPC를 증착하여 300Å 두께의 정공 수송층을 형성하였다.
상기 정공 수송층 상부에 TAPC와 ReO3를 92:8의 중량비로 동시 증착하여 300Å 두께의 정공 생성층을 형성한 다음, Al을 증착하여 1000Å 두께의 상부 전극을 형성함으로써 인버티드 유기 발광 소자를 제조하였다.
실시예
2
바닥 전극으로 ITO 대신 자외선-오존처리된 ITO를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기와 같은 구성을 가지는 인버티드 유기 발광 소자를 제조하였다:
자외선-오존처리된
ITO
/
CuPc
95중량부
:
ReO
3
5중량부
/
Bphen
85중량부
:
Rb
2
CO
3
15중량부
/
Bphen
/
Alq
3
97중량부
:
C545T
3중량부
/
TAPC
/
TAPC
92중량부
:
ReO
3
8중량부
/
Al
실시예
3
바닥 전극으로 ITO 대신 자외선-오존처리된 ITO 및 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌술포네이트)를 사용하여 형성된 층을 사용한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기와 같은 구성을 가지는 인버티드 유기 발광 소자를 제조하였다.
자외선-오존처리된
ITO
/
PEDOT
:
PSS
/
CuPc
95중량부
:
ReO
3
5중량부
/
Bphen
85중
량부
:
Rb
2
CO
3
15중량부
/
Bphen
/
Alq
3
97중량부
:
C545T
3중량부
/
TAPC
/
TAPC
92중
량부
:
ReO
3
8중량부
/
Al
비교예
1
p-도핑층을 형성하지 않은 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기와 같은 구성을 가지는 인버티드 유기 발광 소자를 제조하였다.
ITO
/
Bphen
85중량부
:
Rb
2
CO
3
15중량부
/
Bphen
/
Alq
3
97중량부
:
C545T
3중량부
/
TAPC
/
TAPC
92중량부
:
ReO
3
8중량부
/
Al
비교예
2
바닥 전극으로 ITO 대신 자외선-오존처리된 ITO를 사용하였다는 점과 p-도핑층을 형성하지 않은 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기와 같은 구성을 가지는 인버티드 유기 발광 소자를 제조하였다.
자외선-오존처리된
ITO
/
Bphen
85중량부
:
Rb
2
CO
3
15중량부
/
Bphen
/
Alq
3
97중량부
:
C545T
3중량부
/
TAPC
/
TAPC
92중량부
:
ReO
3
8중량부
/
Al
평가예
먼저, 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자에 사용한 바닥 전극(ITO, 자외선-오존처리된 ITO, PEDOT:PSS) 에 대해 일함수를 측정하여 그 관계를 하기에 나타내었다.
<바닥 전극의 일함수 비교>
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자에 대하여, 색도계(Photo research spectrophotometer; PR-650) 및 전원 공급장치(Keithley 237)를 사용하여 전압-전류밀도-휘도의 관계를 측정하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 실시예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자는 비교예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자와 대등한 수준의 구동 전압과 휘도를 가졌다.
이번에는 상기 실시예 1 및 비교예 1의 인버티드 유기 발광 소자에 대하여 전류밀도-발광효율-전력효율의 관계를 측정하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 실시예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자는 비교예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자와 대등한 수준의 발광 효율 및 전력 효율을 가졌다.
이로부터 pn-접합층을 구비하는 실시예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자는 상기 p-도핑층을 포함하지 않는 비교예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자와 대등한 성능을 가짐을 알 수 있다.
상기 실시예 1~3 및 비교예 1~2에 따른 인버티드 유기 발광 소자에 대하여, 색도계(Photo research spectrophotometer; PR-650) 및 전원 공급장치(Keithley 237)를 사용하여 전압-전류밀도의 관계를 측정하여 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8을 참조하면, 비교예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자와 상기 소자에서 바닥 전극으로 ITO 대신 자외선-오존처리된 ITO를 사용한 비교예 2에 따른 인버티드 유기 발광 소자를 비교시, 자외선-오존처리된 ITO를 사용한 비교예 2에 따른 인버티드 유기 발광 소자는 구동 전압이 더 증가한 것을 볼 수 있다. 이것은 자외선-오존처리된 ITO로 인해 바닥 전극의 일함수가 더 감소함(깊어짐)에 따라 소자의 특성이 저하된 것을 나타내는 것이다.
반면, 실시예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자와 상기 소자에서 바닥 전극으로 ITO 대신 자외선-오존처리된 ITO를 사용한 실시예 2에 따른 인버티드 유기 발광 소자를 비교시, 자외선-오존처리된 ITO를 사용한 실시예 2에 따른 인버티드 유기 발광 소자의 구동 전압이 거의 증가하지 않았다. 즉, 바닥 전극의 일함수가 더 감소하였음에도 불구하고 구동 전압은 거의 불변하였고, 이것은 바닥 전극의 일함수에 전자 주입 특성이 거의 영향을 받지 않는다는 것을 알려준다.
또한, 자외선-오존처리된 ITO 및 PEDOT:PSS를 포함하는 실시예 3에 따른 인버티드 유기 발광 소자의 경우, 바닥 전극의 일함수가 더 감소하였음에도 불구하고 구동 전압이 거의 증가하지 않았다. 이것은 바닥 전극의 일함수에 전자 주입 특성이 거의 영향을 받지 않는다는 것을 알려준다.
상기 실시예 1~3 및 비교예 1~2에 따른 인버티드 유기 발광 소자에 대하여, 색도계(Photo research spectrophotometer; PR-650) 및 전원 공급장치(Keithley 237)를 사용하여 전압-휘도의 관계를 측정하여 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9를 참조하면, 비교예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자와 상기 소자에서 바닥 전극으로 ITO 대신 자외선-오존처리된 ITO를 사용한 비교예 2에 따른 인버티드 유기 발광 소자를 비교시, 자외선-오존처리된 ITO를 사용한 비교예 2에 따른 인버티드 유기 발광 소자는 구동 전압이 더 증가한 것을 볼 수 있다. 이것은 자외선-오존처리된 ITO로 인해 바닥 전극의 일함수가 더 감소함(깊어짐)에 따라 소자의 특성이 저하된 것을 나타내는 것이다.
반면, 실시예 1에 따른 인버티드 유기 발광 소자와 상기 소자에서 바닥 전극으로 ITO 대신 자외선-오존처리된 ITO를 사용한 실시예 2에 따른 인버티드 유기 발광 소자를 비교시, 자외선-오존처리된 ITO를 사용한 실시예 2에 따른 인버티드 유기 발광 소자의 구동 전압이 거의 증가하지 않았다. 즉, 바닥 전극의 일함수가 더 감소하였음에도 불구하고 구동 전압은 거의 불변하였고, 이것은 바닥 전극의 일함수에 전자 주입 특성이 거의 영향을 받지 않는다는 것을 알려준다.
또한, 자외선-오존처리된 ITO 및 PEDOT:PSS를 포함하는 실시예 3에 따른 인버티드 유기 발광 소자의 경우, 바닥 전극의 일함수가 더 감소하였음에도 불구하고 구동 전압이 거의 증가하지 않았다. 이것은 바닥 전극의 일함수에 전자 주입 특성이 거의 영향을 받지 않는다는 것을 알려준다.
이로부터, 실시예 1~3에 따른 인버티드 유기 발광 소자는 바닥 전극의 일함수가 변하더라도 전압에 따른 전류 밀도 및 휘도가 저하되지 않는 것을 알 수 있다.
본 발명에 대하여 상기 실시예를 참조하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사항에 의하여 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 400: 유기 발광 소자
121, 221, 321, 421: 바닥 전극
122, 222, 322, 422: pn-접합층
123, 223, 323, 323: p-도핑층
323′, 423′: p-도펀트층
124, 224, 324, 424: n-도핑층
125, 225, 325, 425: 전자 수송층
126, 226, 326, 426: 발광층
127, 227, 327, 427: 정공 수송층
128, 228, 328, 428: 정공 생성층
228′, 428′: 제1층
228˝, 428˝: 제2층
129, 229, 329, 429: 상부 전극
121, 221, 321, 421: 바닥 전극
122, 222, 322, 422: pn-접합층
123, 223, 323, 323: p-도핑층
323′, 423′: p-도펀트층
124, 224, 324, 424: n-도핑층
125, 225, 325, 425: 전자 수송층
126, 226, 326, 426: 발광층
127, 227, 327, 427: 정공 수송층
128, 228, 328, 428: 정공 생성층
228′, 428′: 제1층
228˝, 428˝: 제2층
129, 229, 329, 429: 상부 전극
Claims (19)
- 바닥 전극,
상기 바닥 전극과 대향된 상부 전극,
상기 바닥 전극과 상기 상부 전극 사이에 개재된 적어도 하나의 발광층,
상기 발광층과 상기 바닥 전극 사이에 개재된 전자 수송층,
상기 발광층과 상기 상부 전극 사이에 개재된 정공 수송층,
상기 전자 수송층과 상기 바닥 전극 사이에 개재되며, p-도핑층 및 상기 p-도핑층 상에 형성된 n-도핑층을 포함한 유기물 pn-접합층, 및
상기 정공 수송층과 상기 상부 전극 사이에 개재된 정공 생성층을 포함하고;
상기 p-도핑층이 제1 정공 수송 재료 및 p-도펀트를 포함하고,
상기 유기물 pn-접합층은 전자 주입층인 유기 발광 소자. - 바닥 전극,
상기 바닥 전극과 대향된 상부 전극,
상기 바닥 전극과 상기 상부 전극 사이에 개재된 적어도 하나의 발광층,
상기 발광층과 상기 바닥 전극 사이에 개재된 전자 수송층,
상기 발광층과 상기 상부 전극 사이에 개재된 정공 수송층,
상기 전자 수송층과 상기 바닥 전극 사이에 개재되며, p-도핑층, 상기 p-도핑층 상에 형성된 p-도펀트층 및 상기 p-도펀트층 상에 형성된 n-도핑층을 포함한 유기물 pn-접합층, 및
상기 정공 수송층과 상기 상부 전극 사이에 개재된 정공 생성층을 포함하고;
상기 p-도핑층이 제1 정공 수송 재료 및 p-도펀트를 포함하고,
상기 유기물 pn-접합층은 전자 주입층인 유기 발광 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 바닥 전극의 일함수가 -3.0 eV 내지 -6.0 eV인 유기 발광 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 p-도펀트가 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN(헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴) 및 F4-TCNQ(테트라플루오로-테트라시아노-퀴노디메탄) 중 적어도 1종을 포함하는 유기 발광 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 p-도핑층이 상기 제1 정공 수송 재료 및 상기 p-도펀트를 99.9:0.1 내지 75:25의 중량비로 포함하는 유기 발광 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 정공 수송 재료가 프탈로시아닌 유도체를 포함하는 유기 발광 소자. - 제6항에 있어서,
상기 프탈로시아닌 유도체가 구리 프탈로시아닌(CuPc), 주석 프탈로시아닌(SnPc), 클로로알루미늄 프탈로시아닌(ClAlPc), 클로로인듐 프탈로시아닌(ClInPc), 서브프탈로시아닌(SubPc), 코발트 프탈로시아닌(CoPc) 및 아연 프탈로시아닌(ZnPc) 중 적어도 1종을 포함하는 유기 발광 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 n-도핑층이 전자 수송 재료 및 n-도펀트를 포함하는 유기 발광 소자. - 제8항에 있어서,
상기 n-도펀트가 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 란타늄(La), 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 이테르븀(Yb) 중 적어도 1종의 금속; 상기 금속의 질화물; 상기 금속의 탄산염(carbonate); 및 상기 금속의 착물; 중 적어도 1종을 포함하는 유기 발광 소자. - 제8항에 있어서,
상기 n-도펀트가 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Cs2CO3, Rb2CO3 및 Ba2CO3 중 적어도 1종을 포함하는 유기 발광 소자. - 제8항에 있어서,
상기 n-도핑층이 상기 전자 수송 재료 및 상기 n-도펀트를 99.9:0.1 내지 75:25의 중량비로 포함하는 유기 발광 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 정공 생성층이 제2 정공 수송 재료; 및 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종;을 포함하는 유기 발광 소자. - 제12항에 있어서,
상기 정공 생성층이 상기 제2 정공 수송 재료 및 상기 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종을 99.9:0.1 내지 75:25의 중량비로 포함하는 유기 발광 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 정공 생성층이, 제2 정공 수송 재료를 포함하는 제1층; 및 상기 제1층 상에 형성되며 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN 및 F4-TCNQ 중 적어도 1종으로 이루어진 제2층;을 포함하는 이중층(bilayer)인 유기 발광 소자. - 제14항에 있어서,
상기 제1층의 두께가 10Å 내지 500Å이고, 상기 제2층의 두께가 10Å 내지 50Å인 유기 발광 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 바닥 전극이 ITO(인듐주석산화물), IZO(인듐아연산화물), ZnO(아연 산화물), 그래핀(graphene), Ag 및 Al 중 적어도 1종을 포함하는 유기 발광 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 바닥 전극이 투명한 물질을 포함하는 배면 발광형인 유기 발광 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 상부 전극이 투명한 물질을 포함하는 전면 발광형인 유기 발광 소자. - 기판, 상기 기판 상에 형성되며 소스 전극, 드레인 전극, 산화물 반도체층, 게이트 전극, 및 게이트 절연층을 포함하는 n형 박막 트랜지스터; 상기 n형 박막 트랜지스터 상에 형성된 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성된 제1항 또는 제2항의 유기 발광 소자를 구비하고,
상기 유기 발광 소자의 상기 바닥 전극이 상기 소스 전극 및 드레인 전극 중 하나와 전기적으로 연결된 디스플레이 장치.
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