KR100284029B1 - 스마트윈도우용투명유기발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트 윈도우(smart window)용 투명 유기전기발광소자에 관한 것으로, 양극 투명전극, 정공수송층, 유기발광/전자수송층 및 0.25㎜ 이하의 선폭으로 패턴된 금속 음전극을 포함하는 유기전기발광소자는 투명한 스크린 상에서 원하는 이미지를 구현할 수 있다.

Description

스마트 윈도우용 투명 유기발광소자{TRANSPARENT ORGANIC LIGHT-EMITTING DEVICE FOR SMART WINDOW}

본 발명은 스마트 윈도우(smart window)용 투명 유기발광소자에 관한 것이다.

기존 유기발광소자의 경우 양전극으로 투명전극인 ITO를 사용하고, 음전극으로는 일함수가 작은 금속을 적용하였다. 이 경우, 투명전극인 양전극 방향으로만 빛이 방출되므로 투명상태에서 이미지 처리를 하는 스마트 윈도우(smart window)로서 적용하기가 사실상 불가능하였다.

최근 여러 연구기관에서 유기발광소자를 이용한 스마트 윈도우에 대한 연구가 이루어지고 있다. 이중에서 문헌[IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES, Vol. 44, No. 8, 1997, p.1188]에 보고되어 있는 종래의 스마트 윈도우용 유기발광소자는 도 1에 나타낸 바와 같이, ITO 투명 전극 상에 정공수송충, 발광 및 전자수송층을 코팅한 후, 투명 음전극을 형성시키기 위하여 Mg:Ag(조성비 5:95)를 100Å 이내로 얇게 코팅한 다음, 음전극 상에 전도도 보상, 보호층 역할 및 투명도 유지를 위한 ITO 막을 코팅하여 제조된다. 이와 같이 제작된 종래의 유기발광소자의 구동모습을 도 2a 및 2b에 나타내었다. 도 2a는 전원이 꺼진 상태이고, 도 2b는 전원이 켜진 상태를 나타내고 있다.

그러나, 종래의 소자에서는 음전극을 투명하게 하기 위하여 음극막의 두께를 100Å 이내로 얇게하여 진공증착한 후 그 위에 ITO를 코팅하므로, 수분 및 산소 등에 의해 마그네슘과 같은 낮은 일함수 값을 갖는 금속이 산화되고, Mg:Ag 벌크 특성의 저하로 인하여 일함수값이 변화하는 등 불안정성이 커서 발광 효율 및 수명 저하 현상이 발생한다. 예를 들어, 기존의 소자에서 Mg:Ag 전극을 사용한 경우와 비교하여 전류-전압 특성 곡선에서 분기점(turning point)의 전압이 약 3V 가량 증가한다(IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES, Vol. 44, No. 8, 1997, p.1188 참조). 또한, Mg:Ag를 열증착하는 단계와 ITO를 스퍼터링(spurttering)하는 단계가 동일 반응계(in-situ)에서 이루어져야 하기 때문에 제작공정상 매우 복잡하다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 보다 안정하고 발광효율이 높으며 제작공정이 간단한 스마트 윈도우용 투명 유기발광소자를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 스마트 윈도우(smart window)용 유기전기발광소자의 구조를 나타내고;

도 2a 및 2b는 종래의 스마트 윈도우용 유기전기발광소자를 구동시키기 전(도 2a)과 구동시키는 동안(도 2b)의 사진을 나타내고;

도 3은 본 발명의 스마트 윈도우용 유기전기발광소자의 구조를 나타내며;

도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 스마트 윈도우용 유기전기발광소자를 구동시키기 전(도 4a)과 구동시키는 동안(도 4b)의 사진을 나타낸다.

*〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 평판 유리 2 : ITO층

3 : 정공수송층 4 : 발광 및 전자수송층

5 : 음전극 6 : 음극 보호층

7 : 스페이서

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 유리기판, 양극 투명전극, 정공수송층, 유기발광/전자수송층 및 0.25㎜ 이하의 선폭으로 패턴된 금속 음전극을 포함하는 유기전기발광소자를 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 유기전기발광소자는 다음과 같은 구성요소를 포함한다. 첫째는 ITO(Indium Tin Oxide)-유리를 적절한 모양으로 에칭하여 제작한 양극 투명전극 기판이다. 둘째는 고분자 호스트물질에 게스트인 정공수송물질이 분산되어 있는 정공전달층이다. 셋째는 유기 발광 및 전자수송 역할을 동시에 하는 물질을 증착시켜 제조한 유기발광/전자수송층이다. 넷째는 금속 전극을 얇은 선폭으로 패턴시켜 제조한 음극이다. 또한, 상기 양극의 가장자리 위에 스페이서를 접착시키고, 이 위에 유리판을 위치시켜 유기층 및 음극전극층을 인캡슐레이션시켜 소자를 안정화시키는 것이 바람직하다.

유기전기 발광소자의 정공수송층의 제조시에는 안정성을 유지하기 위하여 고분자를 호스트(Host)로 하는 호스트-게스트(Host-Guest) 구조를 사용하고 있다. 일반적으로는, 호스트 물질로는 열적, 구조적 안정성을 가지는 고분자(예, 폴리이미드)를 매트릭스로 사용하고, 정공수송물질을 게스트로 사용하여 혼합하여 습식공정(예, 스핀 코팅 등)을 통하여 정공수송층을 제작할 수 있다.

본 발명에 사용되기에 적합한 호스트는 하기 화학식 1의 반복단위를 갖는 가용성 폴리(에테르 이미드)이다.

상기 폴리(에테르이미드)의 유리전이 온도는 200℃이상, 분자량은 40,000 이상인 것이 바람직하다.

정공수송 물질로는 하기 일반식 2의 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'-디페닐-4,4'-디아민(TPD), 폴리(N-비닐카바졸)(PVK) 등을 사용할 수 있으며, 이중에서 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'-디페닐-4,4'-디아민이 바람직하다.

상기 폴리(에테르 이미드)와 정공수송물질은 중량비가 95:5 내지 40:60가 되도록 혼합한다. 혼합물을 0.3 내지 10중량%의 농도로 용매에 분산시켜 코팅 용액을 제조한다. 이때 용매로는 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 디클로로메탄, 디메틸포름아미드 등이 사용될 수 있으며, 이중 클로로포름이 바람직하다.

폴리이미드에 분산시킨 정공수송물질 용액의 코팅은 스핀-코팅, 닥터블레이딩 및 스크린 프린팅과 같은 통상적인 습식공정 중 어느 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 바람직하게는 정공수송물질 용액을 ITO-유리 투명전극 위에 1,000 내지 5,000 rpm으로 1 내지 5분 동안 스핀코팅시키고, 이를 30 내지 100 ℃에서 1분 내지 1 시간 동안 건조시켜 정공수송층을 제조한다.

본 발명의 유기발광/전자수송층은 하기 화학식 3의 트리스(8-하이드록시퀴놀리놀라토) 알루미늄(Alq₃), 4-(디시아노메틸렌)-2-메틸-6-(4-디메틸아미노스티릴)-4H-피란(DCM), 1,4-디스티릴벤젠, 안트라센, 테트라센, 펜트라센, 코로넨, 페릴렌, 피렌, 비스(8-퀴놀리놀라토) 아연(II), 9,10-디페닐안트라센, 트리스(4,4,4-트리플루오로-1-(2-티에닐)-1,3-부탄디오노)-1,10-페나트롤린 유로피움(III)(Eu(TTFA)3Phen), 트리스(2,4-펜타디오노)-1,10-페나트롤린 테르비움(III)(Tb(ACAC)3Phen), 트리스(4,4,4-트리플루오로-1-(2-티에닐)-1,3-부탄디오노)-1,10-페나트롤린 디스프로시움(III)(Dy(TTFA)3Phen) 등을 진공증착시켜 제조할 수 있는데, 상기 물질 중에서 트리스(8-하이드록시퀴놀리놀라토) 알루미늄(Alq₃)이 가장 바람직하다.

상기 유기발광층이 코팅된 기판 상에 패턴화된 금속 마스크를 이용하여 음극 전극을 육안으로 식별하기 어려울 정도의 선폭으로 진공증착시킨다. 패턴화된 마스크는 레이저 가공 또는 습식 에칭(wet etching) 방법으로 제조할 수 있다. 음극 전극으로는 알루미늄, 은, 칼슘, 마그네슘, 구리 및 이들의 합금을 사용할 수 있고, 안정성이 우수한 알루미늄이 바람직하다.

상기 발광층 위에 음극 전극층을 10^-5내지 10^-6토르(torr)의 고진공하에서 0.5 내지 1.0㎚/sec의 증착속도로 진공증착시켜 최종 음극 전극의 두께가 200 내지 500㎚가 되도록 한다. 상기 음극 전극의 두께가 200㎚ 미만이면 음극 금속막의 표면이 산화되어 전도도 및 내구성이 저하되는 문제가 발생하고, 500㎚를 초과하면 미세 패턴 형상을 얻고자 할 때 각 선 사이에 쇼트(short)가 발생할 우려가 있다.

상기 음극전극의 패턴시에는 선폭은 0.01 내지 0.25㎜로 하고, 선간격은 0.05 내지 0.5㎜로 하는 것이 바람직하다. 선폭이 0.01㎜ 미만이면 소자 구동시 패턴된 음극선의 밝기가 줄어들고, 0.25㎜를 초과하면 선이 식별되어 스마트 윈도우 기능이 저하된다. 또한, 선간격이 0.05㎜ 미만이면 메탈 마스크 제작이 어렵고, 0.5㎜를 초과하면 소자 구동시 밝기가 줄어든다.

이어서, 유리판과 접합력이 우수한 스페이서(spacer)를 소자의 가장자리에 접합시키고, 여기에 다시 평판 유리를 접합시켜 소자를 인캡슐레이션시킨다.

본 발명에 사용될 수 있는 스페이서 재질로는 열경화성 양면 테이프, 자외선 경화성 양면 테이프 등이 사용될 수 있다. 스페이서는 스페이서 위의 유리판과 음극이 접촉하지 않게하는 정도의 두께를 가지며 디바이스의 손상을 막는 역할을 한다.

본 발명의 투명 유기전기발광소자는 각종 디스플레이기기, 예를 들어 AV 시스템, 측정 시스템 등의 표시소자, 휴대폰, 노프북 컴퓨터 등에 사용될 수 있을 뿐 아니라 대형 디스플레이로서 이용될 수 있다. 특히, 헬밋 장착(Helmet mounted) 스크린, 집안 유리창, 자동차 앞유리 또는 비행기, 헬리콥터, 자동차 등의 자동항법 시스템 등에서 원하는 영상을 처리할 수 있게된다. 또한, 음극용 전극의 선폭이 미세하므로 전하전달 특성이 향상되어 효율 상승 효과도 얻을 수 있게 된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 단 본 발명의 범위가 하기 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예

먼저, 폴리(에테르 이미드)와 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'-디페닐-4,4'-디아민을 1:1의 중량비로 혼합하였다. 상기 혼합물의 농도가 0.5 중량%가 되도록 클로로포름에 용해시켜 제조된 용액을 ITO-유리 투명전극 위에 5000rpm 으로 70초 동안 스핀코팅시키고, 70℃에서 0.5시간 동안 건조시켜 정공수송층을 제조하였다.

상기 정공수송층 위에 트리스(8-하이드록시퀴놀리놀라토) 알루미늄을 진공증착한 후, 유기박막위에 패턴 마스크를 이용하여 음극인 알루미늄 전극을 0.25㎜의 선폭, 0.5㎜의 선간격 및 300㎚ 두께로 진공증착시켰다. 이어서, UV 경화성 재질의 스페이서를 소자의 양극 전극 부분의 가장자리에 접합시키고, 이 위에 유리판을 결합시켜 소자를 인캡슐레이션시켰다. 상기와 같이 제조한 본 발명의 유기전기발광소자의 구조를 도 3에 나타내었다.

도 4a는 본 발명에 의해 제작된 투명유기발광소자가 구공되지 않은(Off) 상태를 나타내고, 도 4b는 소자가 구동된 상태를 나타내는데, 구동이 되는 경우 음극의 선이 확실히 육안으로 식별되는 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 유기전기발광소자는 수명이 길고 안정성이 높으며, 구동회로를 이용하여 정지화면 뿐아니라 동화상의 원하는 이미지를 투명한 스크린에서 구현할 수 있게된다.

Claims (3)

1. 양극 투명전극, 정공수송층, 유기발광/전자수송층, 0.01 내지 0.25㎜ 이하의 선폭 및 0.05 내지 0.5mm의 선간격으로 패턴된 금속 음전극(단 상기 금속 음전극의 선폭은 선간격보다 좁다), 상기 양극 전극 부분의 가장자리에 접합된 스페이서 및 상기 스페이서에 접합된 유리판을 차례로 포함하는 유기전기발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 정공수송층이, 폴리(에테르 이미드) 및 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'-디페닐-4,4'-디아민을 95:5 내지 40:60의 중량비로 혼합하고, 제조된 혼합물을 유기용매에 0.3 내지 10 중량%의 농도로 용해시켜 코팅 용액을 얻고, 제조된 코팅 용액을 양극투명전극상에 코팅시켜 제조된 것임을 특징으로 하는 유기전기발광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 유기발광/전자수송층이 트리스(8-하이드록시퀴놀리놀라토) 알루미늄을 진공증착하여 제조된 것임을 특징으로 하는 유기전기발광소자.