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KR102736784B1 - 유기 발광 소자 - Google Patents

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KR102736784B1
KR102736784B1 KR1020160137526A KR20160137526A KR102736784B1 KR 102736784 B1 KR102736784 B1 KR 102736784B1 KR 1020160137526 A KR1020160137526 A KR 1020160137526A KR 20160137526 A KR20160137526 A KR 20160137526A KR 102736784 B1 KR102736784 B1 KR 102736784B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 제공되고, 복수의 발광 단위 및 서로 인접한 상기 발광 단위 사이에 위치하는 적어도 하나의 연결층을 갖는 발광부; 및 상기 발광부 상에 제공되는 제2 전극을 포함하고, 상기 연결층 각각은 p형 도펀트로 도핑된 p형 전하 생성층 및 n형 도펀트로 도핑된 n형 전하 생성층을 갖고, 상기 p형 전하 생성층 및 상기 n형 전하 생성층 중 적어도 하나는 상기 p형 도펀트 또는 상기 n형 도펀트의 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.

Description

유기 발광 소자{Organic Light Emitting Diodes}
본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것이다.
유기 발광 소자(organic light emitting device)는 한 쌍의 전극 및 상기 전극 사이에 개재된 유기층을 구비하는데, 상기 전극에 전류를 흘려주면, 상기 전극을 통하여 주입된 전자와 정공이 유기층에서 결합하면서 빛이 발생하는 현상을 이용한 능동 발광형 소자이다. 이러한 유기 발광 소자는 경량이며, 부품이 간소하고 간단한 제작공정으로 만들 수 있는 구조를 갖고 있으며, 고화질에 광시야각을 확보하고 있다. 또한 고색순도 및 동영상을 완벽하게 구현할 수 있고, 저소비 전력, 저전압 구동으로 휴대용 전자기기에 적합한 전기적 특성을 갖고 있다.
일반적인 유기 발광 소자는 기판/음극/유기층/양극 구비하며, 상기 유기층은 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 저지층, 발광층, 정공 저지층, 전자 수송층 및 전자 주입층 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
최근에는 유기 발광 소자의 전력 소모를 최소화하기 위하여, 복수의 발광 단위를 구비하되, 발광 단위들 사이마다 연결층(interconnecting layer)을 개재시킨 탠덤(tandem)형 유기 발광 소자의 개발이 진행 중이다.
본 발명은 효율이 높고, 수명이 긴 발광 소자 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 제공되고, 복수의 발광 단위 및 서로 인접한 상기 발광 단위 사이에 위치하는 적어도 하나의 연결층을 갖는 발광부; 및 상기 발광부 상에 제공되는 제2 전극을 포함하고, 상기 연결층 각각은 p형 도펀트로 도핑된 p형 전하 생성층 및 n형 도펀트로 도핑된 n형 전하 생성층을 갖고, 상기 p형 전하 생성층 및 상기 n형 전하 생성층 중 적어도 하나는 상기 p형 도펀트 또는 상기 n형 도펀트의 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 p형 전하 생성층에 있어서, 상기 p형 도펀트의 농도가 상기 p형 전하 생성층과 상기 n형 전하 생성층 사이 계면에서 가장 높고, 상기 계면으로부터 멀어짐에 따라 낮아지는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 n형 전하 생성층에 있어서, 상기 n형 도펀트의 농도가 상기 p형 전하 생성층과 상기 n형 전하 생성층 사이 계면에서 가장 낮고, 상기 계면으로부터 멀어짐에 따라 높아지는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 p형 전하 생성층은 상기 n형 전하 생성층과의 계면에서 p형 도펀트를 7at% 내지 20at% 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 n형 전하 생성층은 상기 p형 전하 생성층과의 계면에서 n형 도펀트를 0.01at% 내지 5at% 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 p형 도펀트는 최저준위 비점유 분자궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)가 -5.0eV 미만인 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 n형 도펀트는 최고준위 점유 분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)가 -3.0eV를 초과하는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극은 양극이고, 상기 제2 전극은 음극인 것을 특징으로 하는 발광 소자 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연결층은 상기 양극과 인접한 영역에 제공된 상기 n형 전하 생성층 및 상기 음극과 인접한 영역에 제공된 상기 p형 전하 생성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 발광부는 각각 다른 파장의 광을 방출하는 서로 다른 발광 단위를 포함하고, 상기 발광부는 백색광을 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 발광부는 청색광을 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 발광부 상에 제공되고, 상기 청색광을 흡수하여 적색광 또는 녹색광을 방출할 수 있는 색변환층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 발광 단위는 상기 연결층의 상기 p형 전하 생성층과 인접한 영역에 제공되는 정공 주입층 및 상기 연결층의 상기 n형 전하 생성층과 인접한 영역에 제공되는 전자 주입층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 p형 전하 생성층은 상기 p형 도펀트의 농도 구배를 갖고, 상기 n형 전하 생성층은 상기 n형 도펀트의 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 효율이 높고 수명이 길다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 구동 전압 상승을 억제할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과가 전술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 내 연결층에 포함된 도펀트의 농도 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 내 연결층의 에너지 준위를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 내 발광부 및 색변환층을 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 어느 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 상(on)에 형성되었다고 할 경우, 상기 형성된 방향은 상부 방향만 한정되지 않으며 측면이나 하부 방향으로 형성된 것을 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 '상면'과 '하면'는 본 발명의 기술적 사상을 이해하기 쉽도록 설명하기 위하여 상대적인 개념으로 사용된 것이다. 따라서, '상면'과 '하면'은 특정한 방향, 위치 또는 구성 요소를 지칭하는 것이 아니고 서로 호환될 수 있다. 예를 들어, '상면'이 '하면'이라고 해석될 수도 있고 '하면'이 '상면'으로 해석될 수도 있다. 따라서, '상면'을 '제1'이라고 표현하고 '하면'을 '제2'라고 표현할 수도 있고, '하면'을 '제1'로 표현하고 '상면’을 '제2'라고 표현할 수도 있다. 그러나, 하나의 실시예 내에서는 '상면'과 '하면'이 혼용되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)의 단면도이다. 도 1에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)는 제1 전극(110), 상기 제1 전극(110)상에 제공되고 복수의 발광 단위 및 서로 인접한 상기 발광 단위 사이에 위치하는 적어도 하나의 연결층을 포함하는 발광부(130), 및 상기 발광부(130) 상에 제공되는 제2 전극(120)을 포함한다. 또한, 상기 연결층 각각은 p형 도펀트로 도핑된 p형 전하 생성층 및 n형 도펀트로 도핑된 n형 전하 생성층을 갖고, 상기 p형 전하 생성층 및 상기 n형 전하 생성층 중 적어도 하나는 상기 p형 도펀트 또는 상기 n형 도펀트의 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 도 1에 따른 발광 소자(100)에 포함된 각 구성 요소에 대하여 보다 상세히 살펴보도록 한다.
제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 외부에서 전기 도선을 통해 전원으로부터 전압/전류를 공급 받을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)는 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 사이에 전위가 인가됨으로써 작동될 수 있다. 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 증착법 또는 스퍼터링법 등에 의해 형성될 수 있다. 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)을 이루는 물질의 예로는, 전도성이 우수한 산화인듐주석(Indium Tin Oxide), 산화인듐아연(Indium Zinc Oxide), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), Li, Na, K, Rb, Cs 및 Fr과 같은 알칼리 금속; Be, Mg, Ca, Sr, Ba 및 Ra과 같은 알칼리 토금속; 및 La(lanthanum), Ce(cerium), Pr(preseodyminum), Nd(neodymium), Pm(promethium), Sm(samarium), europium(europium), Gd(gadolinium), Tb(terbium), Dy(dysprosium), Ho(holmium), Er(erbium), Tm(thulium), Yb(ytterbium) 및 Lu(lutetium)과 같은 란타나이드계 금속 등에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 각각 음극(anode)와 양극(cathode) 또는 양극(cathode)와 음극(anode)으로 기능할 수 있다. 제1 전극(110)이 양극으로 기능하고, 제2 전극(120)이 음극으로 기능하는 경우, 제1 전극(110)이 제2 전극(120)에 비해 더욱 양의 전위가 되도록 전위가 인가될 수 있다.
제1 전극(110)상에는 발광부(130)가 제공될 수 있다. 발광부(130)는 복수의 발광 단위와 서로 인접한 발광 단위 사이에 위치하는 연결층을 포함할 수 있다. 도 1에는 도시의 편의를 위하여 n개의 발광 단위를 갖는 발광부 중 제1 발광 단위(131), 제2 발광 단위(132), 제n-1 발광 단위(133), 제n 발광 단위(134)와 제1 연결층(141), 제n-1 연결층(142)만을 도시하였다. 그러나, 본 발명에 따른 발광 소자(100)에는 2개 또는 그 이상의 개수의 발광 단위가 포함될 수 있으며, 그에 따라 1개 이상의 연결층이 포함될 수 있다. 이하에서는 제1 발광 단위(131), 제2 발광 단위(132), 및 제1 연결층(141)에 대하여 설명한다. 그러나, 하기의 설명은 발광 소자(100) 내 다른 발광 단위 또는 연결층에도 적용될 수 있다.
제1 발광 단위(131) 및 제2 발광 단위(132)는 복수개의 층을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 발광 단위(131) 및/또는 제2 발광 단위(132)는 정공 주입층(HIL), 정공 수송층(HTL), 발광층(EML), 정공 저지층(HBL), 전자 수송층(ETL) 및 전자 주입층(EIL) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 HIL, HTL, EML, HBL, ETL, 및 EIL은 통상적인 구분 방식에 따른 것이나, 각 층이 그 이름에 따른 기능만을 갖는 것은 아니다. 예를 들면, 정공 수송층(HTL)은 정공을 수송하는 역할 외에도, 선택된 화합물의 종류에 따라 발광층으로부터 생성된 엑시톤이 확산되는 것을 방지하는 엑시톤 저지층(EBL)의 기능도 수행할 수 있다. 마찬가지로, 전자 수송층(ETL)은 전자를 수송하는 기능 외에도, 선택된 화합물의 종류에 따라 발광층으로부터 생성된 엑시톤이 확산되는 것을 방지하는 엑시톤 저지층(EBL)의 기능도 수행할 수 있다.
제1 발광 단위(131) 및 제2 발광 단위(132)은 서로 상이한 층 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 발광 단위(131) 및/또는 제2 발광 단위(132)는 각각 HTL/ETL, HTL/ENL/ETL, HIL/HTL/EML/ETL, HIL/HTL/EML/ETL/EIL, HIL/HTL/HBL/EML/ETL/EIL, HIL/HTL/EML/HBL/ETL/EIL에서 선택된 층 구조를 가질 수 있다. 따라서, 제1 발광 단위(131)는 전자 주입층(EIL)을 포함하고, 제2 발광 단위(132)는 정공 주입층(HIL)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 발광 단위(131)의 전자 주입층(EIL)과 제2 발광 단위(132)의 정공 주입층(HIL)은 제1 연결층(141)에 의해 연결될 수 있다.
이 때, 각 층을 이루는 물질은 공지된 정공 주입 재료, 정공 수송 재료, 발광 재료, 정공 저지 재료, 전자 수송 재료 및 전자 주입 재료 중에서 임의로 선택될 수 있다. 또한, 각 층을 형성하는 방법 역시, 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법, LB법 등과 같은 공지된 다양한 방법 중에서 임의로 선택될 수 있다. 이 때, 진공증착법을 선택할 경우, 증착 조건은 목적 화합물, 목적으로 하는 층의 구조 및 열적 특성 등에 따라 다르지만, 일반적으로 증착온도 100 내지 500, 진공도 10-8 내지 10- 3torr, 증착속도 0.01 내지 100Å/sec의 범위에서 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 한편, 스핀코팅법을 선택할 경우, 코팅 조건은 목적 화합물, 목적하는 하는 층의 구조 및 열적 특성에 따라 상이하지만, 약 2000rpm 내지 5000rpm의 코팅 속도, 코팅 후 용매 제거를 위한 열처리 온도로는 약 80 내지 200의 온도 범위에서 적절히 선택하는 것이 바람직하다.
정공 주입층 물질로는 공지된 정공 주입 재료를 사용할 수 있는데, 예를 들면, 구리프탈로시아닌 등의 프탈로시아닌 화합물, m-MTDATA [4,4',4''-tris (3-methylphenylphenylamino) triphenylamine] 및 NPB(N,N'-디(1-나프틸)-N,N'-디페닐벤지딘(N,N'-di(1-naphthyl)-N,N'-diphenylbenzidine))등의 트리페닐아민계 물질과, 전도성 고분자인 PANI/DBSA (Polyaniline/Dodecylbenzenesulfonic acid:폴리아닐린/도데실벤젠술폰산) 또는 PEDOT/PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/Poly(4-styrenesulfonate):폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌술포네이트)),PANI/CSA (Polyaniline/Camphor sulfonic acid:폴리아닐린/캠퍼술폰산) 또는 PANI/PSS (Polyaniline)/Poly(4-styrenesulfonate):폴리아닐린)/폴리(4-스티렌술포네이트))등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 상기 정공 주입층에는 정공 주입 특성 향상을 위하여 상술한 바와 같은 공지된 유기 정공 주입 재료 외에, 무기 금속 산화물이 도핑될 수 있는데, 예를 들면, MoO3, V2O5, WO3 등이 도핑될 수 있다. 이 때, 도핑 농도는 정공 주입층 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 80 중량%일 수 있다.
상기 정공 주입층의 두께는 약 10Å 내지 10000Å, 바람직하게는 100Å 내지 1000Å일 수 있다. 상기 정공주입층의 두께가 10Å 미만인 경우, 정공주입 특성이 저하될 수 있으며, 상기 정공주입층의 두께가 10000Å를 초과하는 경우, 구동전압이 상승할 수 있기 때문이다.
정공 수송층 물질은 공지된 정공 수송 재료를 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어, N-페닐카르바졸, 폴리비닐카르바졸 등의 카르바졸 유도체, N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-디페닐-[1,1-비페닐]-4,4'-디아민(TPD), N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐 벤지딘(α-NPD) 등의 방향족 축합환을 가지는 통상적인 아민 유도체, TCTA(4,4',4"-트리스(N-카바졸일)트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)triphenylamine)) 등과 같은 트리페닐아민계 물질과 같은 공지된 정공수송 물질을 사용할 수 있다. 이 중, 예를 들면, TCTA의 경우, 정공 수송 역할 외에도 발광층으로부터 엑시톤이 확산되는 것을 방지하는 역할도 수행할 수 있다.
상기 정공 수송층의 두께는 약 50Å 내지 1000Å, 바람직하게는 100Å 내지 600Å일 수 있다. 상기 정공수송층의 두께가 50Å 미만인 경우, 정공수송 특성이 저하될 수 있으며, 상기 정공수송층의 두께가 1000Å를 초과하는 경우, 구동전압이 상승할 수 있기 때문이다.
상기 발광층은 단일 발광 재료로 이루어질 수 있으며, 호스트 및 도펀트를 포함할 수도 있다.
상기 호스트의 예로는 CBP(4,4'-N,N'-디카바졸-비페닐), PVK(폴리(n-비닐카바졸)), 9,10-디(나프탈렌-2-일)안트라센(ADN), TCTA, TPBI(1,3,5-트리스(N-페닐벤즈이미다졸-2-일)벤젠(1,3,5-tris(N-phenylbenzimidazole-2-yl)benzene)) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발광층의 두께는 약 100Å 내지 1000Å, 바람직하게는 200Å 내지 600Å일 수 있다. 상기 발광층의 두께가 100Å 미만인 경우, 발광 특성이 저하될 수 있으며, 상기 발광층의 두께가 1000Å를 초과하는 경우, 구동전압이 상승할 수 있기 때문이다.
정공 저지층은 발광층의 삼중항 여기자 또는 정공이 양극 등으로 확산되는 현상을 방지하는 역할을 하는 것으로서, 옥사디아졸 유도체나 트리아졸 유도체, 페난트롤린 유도체 등을 사용할 수 있다.
상기 정공 저지층의 두께는 약 50Å 내지 1000Å, 바람직하게는 100Å 내지 300Å일 수 있다. 상기 정공 저지층의 두께가 50Å 미만인 경우, 정공저지 특성이 저하될 수 있으며, 상기 정공 저지층의 두께가 1000Å를 초과하는 경우, 구동전압이 상승할 수 있기 때문이다.
상기 전자 수송층(ETL) 물질로는 공지된 전자 수송 재료를 사용할 수 있는데, 예를 들면, 트리스(8-퀴놀리노레이트)알루미늄(Alq3), TAZ, Bphen(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)), TPQ(1,3,4-tris[(3-phenyl-6-trifluoromethyl)qunoxaline-2-yl]benzene)), BeBq2(bis(benzo- quinoline)berellium) 등과 같은 공지의 재료를 사용할 수도 있다.
제1 발광 단위(131)와 제2 발광 단위(132) 사이에는 제1 연결층(141)이 제공될 수 있다. 제1 연결층(141)에서는 전하가 발생된다. 즉, 빌트-인 포텐셜(built-in potential)만큼의 전압이 발광 소자(100)에 연결되면, 제1 연결층(141)에서 전하가 발생될 수 있다. 전하가 발생된 제1 연결층(141)으로부터 제1 발광 단위(131) 및 제2 발광 단위(132)로 캐리어가 주입될 수 있다. 제1 발광 단위(131) 및 제2 발광 단위(132)에 캐리어가 주입됨으로써, 발광 소자(100)는 보다 효율적으로 기능할 수 있다. 효율적인 캐리어 주입을 위해, 제1 연결층(141)은 유기 물질, 금속, 금속 화합물 또는 다른 무기 화합물과 같은 도펀트로 도핑될 수 있다.
도펀트는 p형 또는 n형 도펀트일 수 있다. 제1 연결층(141)은 각각 p형 도펀트와 n형 도펀트로 도핑된 층을 포함할 수 있다. 이 때, p형 도펀트로 도핑된 층을 p형 전하 생성층(143)이라고 명명하고, n형 도펀트로 도핑된 층을 n형 전하 생성층(144)이라고 명명한다. p형 전하 생성층(143)은 인접한 제2 발광 단위(132)에 정공을 주입할 수 있다. 또한, n형 전하 생성층(144)은 인접한 제1 발광 단위(131)에 전자를 주입할 수 있다.
p형 전하 생성층(143)은 정공 수송층(HTL) 특성을 갖는 유기물과 최저준위 비점유 분자궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)가 -5.0eV 미만인 p형 도펀트를 조합하여 구성할 수 있다. 이 때, p형 도펀트는 HAT-CN, TCNQ, NDP-9 계열일 수 있다. 다만, p형 도펀트의 종류가 상기 예시에 한정되는 것은 아니다. HAT-CN, TCNQ, NDP-9는 각각 화학식 1 내지 3으로 표시되었다.
[화학식 1]
HAT-CN
[화학식 2]
TCNQ
[화학식 3]
NDP-9
n형 전하 생성층(144)은 전자 수송층(ETL) 특성을 갖는 유기물과 최고준위 점유 분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)가 -3.0eV를 초과하는 n형 도펀트를 조합하여 구성할 수 있다. 이 때, n형 도펀트는 Li, Na, K, Rb, Cs 및 Fr과 같은 알칼리 금속; Be, Mg, Ca, Sr, Ba 및 Ra과 같은 알칼리 토금속; 및 La(lanthanum), Ce(cerium), Pr(preseodyminum), Nd(neodymium), Pm(promethium), Sm(samarium), europium(europium), Gd(gadolinium), Tb(terbium), Dy(dysprosium), Ho(holmium), Er(erbium), Tm(thulium), Yb(ytterbium) 및 Lu(lutetium)과 같은 란타나이드계 금속으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 그러나, n형 도펀트의 종류가 상기 예시에 한정되는 것은 아니다.
p형 전하 생성층(143) 및 n형 전하 생성층(144)은 약 5nm 내지 약 15nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 두께 범위는 p형 전하 생성층(143) 및 n형 전하 생성층(144)이 각각 정공과 전자를 인접한 발광 단위에 주입하는데 최적화된 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 내 연결층에 포함된 도펀트의 농도 그래프이다. 이하에서는 도 2에 대하여, 도 1을 참고하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, p형 전하 생성층(143) 및/또는 n형 전하 생성층(144)은 도펀트 농도 구배를 가질 수 있다. 따라서, 도펀트 농도 구배는 p형 전하 생성층(143)과 n형 전하 생성층(144) 중 어느 하나에만 있거나, 모두에 있을 수 있다.
p형 전하 생성층(143)에 있어서, p형 도펀트의 농도는 p형 전하 생성층(143)과 n형 전하 생성층(144) 사이 계면에서 가장 높을 수 있다. p형 도펀트의 농도는 상기 계면에서 멀어짐에 따라 낮아질 수 있다. 따라서, p형 도펀트의 농도는 제2 발광 단위(132)와 p형 전하 생성층(143)간 계면에서 가장 낮을 수 있다. 제2 발광 단위(132)와 p형 전하 생성층(143)간 계면에서 p형 도펀트의 농도가 낮기 때문에, 제2 발광 단위(132)의 정공 수송층으로 넘어가는 정공 주입 배리어(hole injection barrier)가 낮아질 수 있다. 또한, p형 도펀트의 농도가 p형 전하 생성층(143)과 n형 전하 생성층(144) 사이 계면에서 높기 때문에, pn 접합 계면에서의 에너지 베리어가 낮아질 수 있다.
p형 도펀트는 p형 전하 생성층(143)에 약 5 at% 내지 약 20 at% 포함될 수 있다. p형 도펀트가 약 5 at% 미만으로 포함될 경우, p형 전하 생성층(143)에 의한 정공 주입이 불충분할 수 있다. 또한, p형 도펀트가 20 at%를 초과하여 포함될 경우, 높은 도핑량으로 인해 고온에서 계면간 도펀트의 확산이 발생할 수 있다. 도펀트가 확산될 경우, 도펀트간 화학 반응이 일어나, 공핍층의 폭이 증가할 수 있다. 공핍층 폭의 증가는 구동 전압 상승 및 패널 휘도 불량을 야기할 수 있다.
p형 도펀트는 p형 전하 생성층(143)과 n형 전하 생성층(144) 사이 계면에서 약 7at% 내지 약 20at% 포함될 수 있다. p형 도펀트가 약 7at% 미만 포함된 경우, pn 접합 게면에서의 에너지 베리어를 낮추는 효과가 불충분할 수 있다. 또한, p형 도펀트가 약 20at%를 초과하여 포함되는 경우, p형 도펀트가 n형 전하 생성층(144)으로 확산될 수 있다.
n형 전하 생성층(143)에 있어서, n형 도펀트의 농도는 p형 전하 생성층(143)과 n형 전하 생성층(144) 사이 계면에서 가장 낮을 수 있다. n형 도펀트의 농도는 상기 계면에서 멀어짐에 따라 높아질 수 있다. 따라서, n형 도펀트의 농도는 제1 발광 단위(131)와 n형 전하 생성층(144)간 계면에서 가장 높을 수 있다. p형 전하 생성층(143)과 n형 전하 생성층(144) 사이 계면에서 n형 도펀트의 농도가 낮기 때문에, n형 도펀트는 p형 전하 생성층(143)으로 확산되지 않는다. 또한, n형 도펀트의 농도가 제1 발광 단위(131)와 n형 전하 생성층(144)간 계면에서 높기 때문에, 전자가 더 쉽게 제1 발광 단위(131)로 넘어갈 수 있다.
n형 도펀트는 n형 전하 생성층(144)에 약 0.01at% 내지 약 10at% 포함될 수 있다. n형 도펀트가 약 0.01at% 미만으로 포함될 경우, n형 도펀트에 의한 전자 주입 베리어 하강 효과가 불충분할 수 있다. 아울러, n형 도펀트가 약 10at%를 초과하여 포함될 경우, n형 도펀트가 확산되어 구동 전압 상승 및 패널 휘도 불량이 야기될 수 있다.
n형 도펀트는 p형 전하 생성층(143)과 n형 전하 생성층(144) 사이 계면에서 약 0.01at% 내지 약 5at% 포함될 수 있다. n형 도펀트가 약 0.01at% 미만으로 포함되는 경우, n형 도펀트에 의한 전자 이동성 향상 효과 및 전자 주입 베리어 하강 효과가 미미할 수 있다. 또한, n형 도펀트가 약 5at%를 초과하여 포함되는 경우, n형 도펀트가 p형 전하 생성층(143)으로 확산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자(100)는 앞서 살펴본 바와 같이 p형 도펀트 또는 n형 도펀트가 인접한 층으로 확산되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 발광 소자(100)는 장기간 사용에 따른 도펀트의 확산 및 구동 전압 상승, 휘도 저하 문제가 없다. 이에 따라, 본 발명에 따른 발광 소자(100)는 제품 사용 가능 시간이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, p형 전하 생성층(143) 및/또는 n형 전하 생성층(144)은 각각 p형 도펀트와 n형 도펀트의 농도 구배를 가질 수 있다. 따라서, p형 전하 생성층(143)에만 도펀트 농도 구배가 존재하고, n형 전하 생성층(144)에는 도펀트 농도 구배가 없는 발광 소자, 또는 n형 전하 생성층(144)에만 도펀트 농도 구배가 존재하고, p형 전하 생성층(143)에는 도펀트 농도 구배가 없는 발광 소자, 및 p형 전하 생성층(143)과 n형 전하 생성층(144) 모두에 도펀트 농도 구배가 존재하는 발광 소자 모두를 구현 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 내 연결층의 에너지 준위를 도시한 것이다. 이하에서는 도 1을 참고하여 도 3에 대하여 설명하도록 한다.
도 3에 따르면, p형 도펀트에 의해 p형 전하 생성층(143)과 제2 발광 단위(132) 사이 정공 주입 베리어가 낮아져, 정공(+)이 쉽게 제2 발광 단위(132)의 정공 수송층(HTL)로 주입될 수 있다. 아울러, n형 도펀트에 의해 n형 전하 생성층(144)과 제1 발광 단위(131) 사이 전자 주입 베리어가 낮아져, 전자(-)가 쉽게 제1 발광 단위(131)의 전자 수송층(ETL)로 주입될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 전자(-)와 정공(+)이 쉽게 발광 단위로 이동할 수 있어, 발광 소자(100)의 효율이 증가할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 내 발광부 및 색변환층을 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발광부(130)에 포함된 복수의 발광 단위는 각각 다른 파장의 광을 출사할 수 있다. 예컨대, 복수의 발광 단위는 각각 적색광, 녹색광, 및 청색광을 방출할 수 있다. 또한 복수의 발광 단위는 각각 황색광과 청색광을 방출할 수도 있다. 아울러, 복수의 발광 단위를 포함하는 발광부(130)는 백색광을 방출할 수 있다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 발광부(130)는 청색광을 방출할 수 있다. 이 때, 발광부(130)상에는 청색광을 흡수하여 적색광 또는 녹색광을 방출할 수 있는 색변환층(150)이 제공될 수 있다. 상기 색변환층(150)은 청색광을 흡수하여 적색광을 방출하는 적색 변환층(151), 청색광을 흡수하여 녹색광을 방출하는 녹색 변환층(152), 청색광을 그대로 방출하는 투명층(153)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 색변환층(150)은 양자점을 포함할 수 있다. 색변환층(150)에 포함되는 양자점은 Cd/Se/ZnS, CdSe/CdS/ZnS, ZnSe/ZnS 또는 ZnTe/ZnSe을 포함하는 Ⅱ-Ⅵ계 양자점일 수 있다. 또는, 상기 양자점은 InP/ZnS를 포함하는 Ⅲ-Ⅴ계 양자점이거나, CuInS(2)/ZnS를 포함하는 양자점일 수 있다. 양자점은 색변환층(150)내에 약 3g/㎤ 내지 약 6g/㎤의 농도로 분포될 수 있다. 색변환층(150)이 양자점을 포함하는 경우, 양자점의 크기에 따라 양자점에 의해 변환되는 광의 파장대가 변할 수 있다. 예컨대, 양자점의 크기에 따라 양자점은 녹색광을 방출하는 양자점, 적색광을 방출하는 양자점, 또는 청색광을 방출하는 양자점 중 어느 하나로 결정될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 발광 소자에 대하여 실시예 및 비교예를 참고하여 설명하도록 한다.
실시예 및 비교예의 발광 소자는 음극/제1 발광 단위/연결층/제2 발광 단위/양극이 차례로 적층된 구조를 갖는다. 상기 연결층은 p형 전하 생성층 및 n형 전하 생성층을 갖는다. 실시예와 비교예의 발광 소자는 공지된 물질을 이용하여 제작하였다. 실시예와 비교예의 발광 소자는 p형 전하 생성층 및 n형 전하 생성층에 포함된 도펀트의 농도에서만 차이가 있다.
실시예 및 비교예의 발광 소자에 대하여 아래와 같이 수명과 구동 전압, 전압 상승 정도를 측정하였다. 수명은 발광 소자의 본래 휘도의 95%를 유지할 수 있는 시간을 의미한다. 전압 상승은 100시간 동안 발광 소자를 사용하였을 때, 구동 전압이 얼마나 상승하였는지를 실온과 85℃ 환경에서 측정한 것이다. 측정 결과는 아래 표 1과 같다.
p형 도펀트 농도(at%) n형 도펀트 농도(at%) 구동 전압(V) 수명(hr) 전압 상승@RT(V) 전압 상승@85℃(V)
실시예 1 3/8/15 0.7/1.1/1.5 9.30 245 0.007 0.01
비교예 1 7 1.5 9.42 240 0.1 0.27
비교예 2 15/8/3 1.5/1.1/0.7 10.0 245 0.17 0.10
실시예 1은 p형 전하 생성층 내 p형 도펀트의 농도가 p형 전하 생성층 및 n형 전하 생성층간 계면에서 15at%이고, 상기 계면에서 멀어짐에 따라, 8at%, 3at%로 감소하는 것이다. 실시예 1 내의 n형 도펀트의 농도는 p형 전하 생성층 및 n형 전하 생성층간 계면에서 0.7at%이고, 상기 계면에서 멀어짐에 따라, 1.1at%, 1.5at%로 증가했다.
비교예 1은 p형 도펀트의 농도가 7at%, n형 도펀트의 농도가 1.5at%로 각 전하 생성층 내에서 도펀트 농도 구배가 없는 것이다.
비교예 2는 실시예 1과 반대 농도 구배를 갖는 것이다. 즉, 비교예 2에 따르면, p형 도펀트의 농도는 p형 전하 생성층 및 n형 전하 생성층간 계면에서 가장 낮고, n형 도펀트의 농도는 p형 전하 생성층 및 n형 전하 생성층간 계면에서 가장 높다.
상기 표 1을 참고하면, 실시예 1의 경우, 구동 전압 및 전압 상승이 가장 낮고, 수명이 가장 길다. 따라서, 본 발명에 따른 발광 소자는 구동 전압이 낮아 소자 효율이 우수하며, 장시간 사용해도 전압 상승이 낮아 수명이 길다. 그러나, 비교예 1 및 2에 따른 발광 소자는 실시예 1과 비교했을 때, 구동 전압 및 전압 상승이 높았고, 수명이 짧았다. 특히, 전압 상승이 높았다는 것을 통하여, 비교예 1 및 2에 따른 발광 소자에서는 도펀트의 확산이 상대적으로 많이 발생한다는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 발광 소자는 조명기기 또는 표시 장치의 광원으로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 다양한 전자 기기에 채용될 수 있다. 예를 들어, 상기 표시 장치는 텔레비전, 노트북, 휴대폰, 스마트폰, 스마트패드, 피엠피(PMP), 피디에이(PDA), 내비게이션, 스마트 워치와 같은 각종 웨어러블 기기, 등에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
100: 발광 소자 110: 제1 전극
120: 제2 전극 130: 발광부
131: 제1 발광 단위 132: 제2 발광 단위
141: 제1 연결층 143: p형 전하 생성층
144: n형 전하 생성층 150: 색변환층

Claims (14)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 제공되고, 복수의 발광 단위 및 서로 인접한 상기 발광 단위 사이에 위치하는 적어도 하나의 연결층을 갖는 발광부; 및
    상기 발광부 상에 제공되는 제2 전극을 포함하고,
    상기 연결층 각각은 p형 도펀트로 도핑된 p형 전하 생성층 및 n형 도펀트로 도핑된 n형 전하 생성층을 갖고,
    상기 p형 전하 생성층이 상기 p형 도펀트의 농도가 상기 p형 전하 생성층과 상기 n형 전하 생성층 사이 계면에서 가장 높고, 상기 계면으로부터 멀어짐에 따라 낮아지는 농도 구배를 갖거나,
    상기 n형 전하 생성층에 있어서, 상기 n형 도펀트의 농도가 상기 p형 전하 생성층과 상기 n형 전하 생성층 사이 계면에서 가장 낮고, 상기 계면으로부터 멀어짐에 따라 높아지는 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p형 전하 생성층은 상기 p형 도펀트의 농도가 상기 p형 전하 생성층과 상기 n형 전하 생성층 사이 계면에서 가장 높고, 상기 계면으로부터 멀어짐에 따라 낮아지는 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 n형 전하 생성층은 상기 n형 도펀트의 농도가 상기 p형 전하 생성층과 상기 n형 전하 생성층 사이 계면에서 가장 낮고, 상기 계면으로부터 멀어짐에 따라 높아지는 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 p형 전하 생성층은 상기 n형 전하 생성층과의 계면에서 p형 도펀트를 7at% 내지 20at% 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 n형 전하 생성층은 상기 p형 전하 생성층과의 계면에서 n형 도펀트를 0.01at% 내지 5at% 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 p형 도펀트는 최저준위 비점유 분자궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)가 -5.0eV 미만인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 n형 도펀트는 최고준위 점유 분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)가 -3.0eV를 초과하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 양극이고, 상기 제2 전극은 음극인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연결층은 상기 양극과 인접한 영역에 제공된 상기 n형 전하 생성층 및 상기 음극과 인접한 영역에 제공된 상기 p형 전하 생성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는 각각 다른 파장의 광을 방출하는 서로 다른 발광 단위를 포함하고, 상기 발광부는 백색광을 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는 청색광을 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 발광부 상에 제공되고, 상기 청색광을 흡수하여 적색광 또는 녹색광을 방출할 수 있는 색변환층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 발광 단위는 상기 연결층의 상기 p형 전하 생성층과 인접한 영역에 제공되는 정공 주입층 및 상기 연결층의 상기 n형 전하 생성층과 인접한 영역에 제공되는 전자 주입층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 p형 전하 생성층은 상기 p형 도펀트의 농도 구배를 갖고, 상기 n형 전하 생성층은 상기 n형 도펀트의 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
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