KR100299731B1 - 킬레이트금속배위화합물을포함하는유기발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유리기판, ITO(양극 투명전극), 정공수송층, 발광/전자수송층 및 금속전극(음극)층으로 이루어진 유기발광소자(Organic Light-Emitting Device)에 있어서, 상기 정공수송층 및 발광/전자수송층에 각각 p형 킬레이트 금속 배위화합물(Chelate Metal Complex) 및 n형 킬레이트 금속 배위화합물을 포함하는 유기발광소자에 관한 것으로, 금속전극과의 접합상태 및 전하전달특성이 향상되어 안정성 및 발광효율이 우수하며, 전계효과트랜시스터(Field Effect Transistor: FET) 및 광기전셀(photovoltaic cell) 등에 적용할 수 있다.

Description

킬레이트 금속 배위화합물을 포함하는 유기발광소자{ORGANIC LIGHT-EMITTING DEVICE COMPRISING CHELATE METAL COMPLEXES}
본 발명은 킬레이트 금속 배위화합물을 포함하는 유기발광소자에 관한 것으로, 구체적으로는 p형 킬레이트 금속 배위화합물 및 n형 킬레이트 금속 배위화합물을 각각 정공수송층 및 발광/전자수송층으로 포함하여 금속전극과의 접합상태 및 전하전달특성이 향상되어 안정성 및 발광효율이 우수한 유기발광소자에 관한 것이다.
유기발광소자 제조시 전자 및 정공을 원활하게 발광층으로 주입시키기 위하여 전자 및 정공수송층을 사용하고 있으며, 이때 발광물질, 전자 및 정공수송물질로는 대부분 지방족 구조를 갖는 유기물질을 사용하고 있다.
그러나, 지방족 구조의 유기물질은 안정성이 떨어지기 때문에 안정화된 고분자를 도입하여 전자 및 정공수송층으로 사용하고 있으나, 광산화과정이 쉽게 발생하는 등 안정화된 발광특성을 유지하기가 어려운 실정이다.
이에 본 발명자들은 상기 안정성의 문제를 해결하고 발광효율이 우수한 유기발광소자를 개발하기 위해 예의 연구한 결과, p형 킬레이트 금속 배위화합물 및 n형 킬레이트 금속 배위화합물을 각각 정공수송층 및 발광/전자수송층으로 사용함으로써 상기 문제점을 해결할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 안정성 및 발광효율이 우수한 유기발광소자를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 유기발광소자(Organic Light-Emitting Device)의 구조를 보여주는 도이고,
도 2는 본 발명의 소자가 포함하는 킬레이트 금속 배위화합물(Chelate Metal Complex)의 흡수 스펙트럼이며,
도 3은 본 발명에 따른 유기발광소자의 전자구조를 나타내고,
도 4 및 도 5는 각각 본 발명에 따른 유기발광소자의 정공수송층(α형 프탈로시아닌 구리; PCC-α)이 200Å 두께이고 발광/전자수송층(트리스(8-히드로퀴놀리나토)알루미늄; Alq3)이 150Å 두께인 경우의, 전자발광 강도(Electroluminescent Intensity)-전류(Current)-전압(Voltage) 그래프 및 전압에 따른 전자발광 스펙트럼이고,
도 6 및 도 7은 각각 본 발명에 따른 유기발광소자의 정공수송층(PCC-α)이 500Å 두께이고 발광/전자수송층(Alq3)이 150Å 두께인 경우의, 전자발광 강도-전류-전압 그래프 및 전압에 따른 전자발광 스펙트럼이며,
도 8은 본 발명에 따른 유기발광소자의 구동사진이다.
〈도면의 부호에 대한 간단한 설명〉
1: 유리 2: ITO(양극 투명전극)
3: PCC-α 함유 정공수송층 4: Alq3함유 발광/전자수송층
5: 금속전극(음극) 6: 전원
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 유리기판, ITO(양극 투명전극), 정공수송층, 발광/전자수송층 및 금속전극(음극)층으로 이루어진 유기발광소자에 있어서, 상기 정공수송층 및 발광/전자수송층에 p형 킬레이트 금속 배위화합물 및 n형 킬레이트 금속 배위화합물을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 유기발광소자는 유리(1), 양극 투명전극층인 ITO(인듐-주석-옥시드)층(2), 정공수송층(3), 발광/전자수송층(4) 및 금속전극(음극)층(5)이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 직류 또는 펄스 형태의전원(6)에 연결되어 구동된다.
본 발명에 따르면, 정공수송층(3) 및 발광/전자수송층(4)으로서 각각 p형 킬레이트 금속 배위화합물 및 n형 킬레이트 금속 배위화합물을 사용하며, p형 킬레이트 금속 배위화합물의 대표적인 예로는 하기 화학식 1의 PCC-α를 들 수 있고, n형 킬레이트 금속 배위화합물의 대표적인 예로는 하기 화학식 2의 트리스(8-히드로퀴놀리나토)알루미늄(Alq3), 비스(4-하이드록시아크리디나토)아연(ZnAc2), 비스(10-하이드록시벤조 퀴놀리나토)베릴륨(BeBq2) 및 비스(10-하이드록시벤조 퀴놀리나토)아연(ZnBq2) 등을 들 수 있으며, 이들중 Alq3가 바람직하다:
본 발명에 따르는 유기발광소자는 통상의 방법에 의해 각 층을 진공 열증착시킴으로써 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명에 사용되는 킬레이트 금속 배위화합물인 PCC-α 및 Alq3의 흡수 스펙트럼으로서, 피크(2-1)은 PCC-α의 흡수 스펙트럼을 나타내고, 피크(2-2)는 Alq3의 흡수 스펙트럼을 나타내며, 이를 근거로 p-n 접합형 유기발광다이오드로서의 접합성을 검증하기 위하여 도 3에 본 발명의 소자의 전자구조를 나타내었다.
도 3으로부터 알 수 있듯이, 진공 수준(3-5)을 기준으로 하여, ITO(3-1)의 일함수는 4.8eV이고 알루미늄(3-4)의 일함수는 4.2eV로서 각각 양극 및 음극에 해당한다. 또한, PCC-α(3-2)의 전자구조를 살펴보면, LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)가 특이하게 2개 존재하며 각각의 전자 수용도(Electron Affinity)가 2.6eV 및 4.0eV이고 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)의 이온화포텐셜이 5.8eV이며, Alq3(3-3)의 경우는 LUMO의 전자 수용도가 3.3eV이고 HOMO의 이온화포텐셜이 5.9eV이다. 이러한 전자구조로부터 본 발명의 소자는 환원형인 전자수송층으로부터 산화형인 정공수송층으로 전자를 전달하는 p-n 접합형임을 알 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.
실시예
ITO 전극위에, PCC-α를 5×10-6토르의 조건하에서 0.2Å/sec의 속도로 두께가 200Å가 되도록 증착시켰으며, 이때의 열증착용 도가니의 온도는 390℃였다. 이어, PCC-α가 코팅된 면위에, Alq3를 5×10-6토르의 조건하에서 0.2Å/sec의 속도로 두께가 150Å가 되도록 증착시켰으며, 이때의 도가니 온도는 280℃였다. 이 위에, 알루미늄을 같은 압력하에서 2 내지 10Å/sec의 속도로 두께가 3,000 내지 5,000Å가 되도록 증착시켜 PCC-α 정공수송층 및 Alq3발광/전자수송층으로 이루어진 유기발광소자를 제조하였다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 소자의 전자발광 강도-전류-전압 그래프 및 전압에 따른 전자발광 스펙트럼이 각각 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 도 4a는 전류-전압 그래프로서 켜짐(turn-on)전압이 6.0V이고 그 이상의 전압에서는 전형적인 다이오드 특성을 나타내고 있다. 도 4b는 전자발광 강도-전압 그래프로서 광검출기(Silicon Detecter)가 감지하기 시작하는 전압이 7.8V로서 켜짐전압에 비해 약 1.7V가 높은 것을 알 수 있는데, 이는 주입된 전자 및 정공의 밀도가 빛 방출조건 이상이 되어야 서로 결합하면서 빛을 방출할 수 있으며 광검출기가 인지할 수 있는 최소의 임계 광자수가 존재하기 때문이다. 도 4c는 전자발광 강도-전류 그래프를 나타낸다.
도 5는 7V에서 12V까지의 인가전압에 따른 전자발광 스펙트럼으로서, 인가전압이 증가함에 따라 스펙트럼의 강도가 증가하고 있으며, 발광에너지는 2.43eV(514nm)로서 녹색빛을 나타낸다.
또한, 정공수송층(PCC-α)이 500Å 두께이고 발광/전자수송층(Alq3)이 150Å두께인 경우의 전자발광 강도-전류-전압 그래프 및 전압에 따른 전자발광 스펙트럼이 각각 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 6a는 전류-전압 그래프로서 켜짐전압이 4.5V이고 그 이상의 전압에서는 전형적인 다이오드 특성을 나타내고 있으며, 도 6b는 전자발광 강도-전압 그래프로서 광검출기가 감지하기 시작하는 전압이 11.3V로서 켜짐전압에 비해 약 6.8V가 높다.
도 7은 11V에서 16V까지의 인가전압에 따른 전자발광 스펙트럼으로서, 인가전압이 증가함에 따라 스펙트럼의 강도가 증가하고 있으며, 발광에너지는 2.43eV(514nm)로서 녹색빛을 나타낸다.
도 4b 및 도 6b의 전자발광 강도-전압 그래프로부터 정공수송층(PCC-α)의 두께가 얇아짐에 따라 구동전압이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 정공수송층(PCC-α)의 두께가 각각 150Å 및 500Å인 소자의 구동사진을 나타내는 도 8a 및 도 8b를 비교해보면, PCC-α의 두께가 얇을수록 발광면적이 불균일함을 관찰할 수 있다. 이와 같은 발광면적의 불균일함은 ITO(양극 투명전극)의 표면 거칠기와 직접적으로 관련되기 때문에 ITO의 표면을 표면처리함으로써 개선할 수 있다. 이와 같이, 정공수송층의 두께가 200Å 보다 얇으면 소자의 발광면적이 불균일해지고, 500Å 보다 두꺼우면 절연특성이 우세하게 되어 소자의 전류효율이 저하되므로, 정공수송층의 두께는 200 내지 500Å 범위가 바람직하다.
또한, 도 5 및 도 7로부터 본 발명의 소자는 발광파장이 514nm로서 전형적인 녹색빛을 나타내며, 발광영역이 Alq3에 의한 것임을 알 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 유기발광소자는 밝기 500Cd/m2(15V에서) 및 효율 4ℓm/W로 발광효율이 우수함을 알 수 있다.
본 발명의 유기발광소자는, 킬레이트 금속 배위화합물로 이루어진 정공수송층 및 발광/전자수송층을 포함함으로써 금속전극과의 접합상태 및 전하전달특성이 향상되어 안정성 및 발광효율이 우수하며, 전계효과트랜시스터(Field Effect Transistor: FET) 및 광기전셀(photovoltaic cell) 등에 적용할 수 있다.

Claims (3)

  1. 유리기판, ITO(양극 투명전극)층, 정공수송층, 발광/전자수송층 및 금속전극(음극)층으로 이루어진 유기발광소자(Organic Light-Emitting Device)에 있어서, 정공수송층이 p형 킬레이트 금속 배위화합물(Chelate Metal Complex)로서 α형 프탈로시아닌 구리(PCC-α)를 포함하고, 발광/전자수송층이 n형 킬레이트 금속 배위화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    n형 킬레이트 금속 배위화합물이 트리스(8-히드로퀴놀리나토)알루미늄(Alq3), 비스(4-하이드록시아크리디나토)아연(ZnAc2), 비스(10-하이드록시벤조 퀴놀리나토)베릴륨(BeBq2) 및 비스(10-하이드록시벤조 퀴놀리나토)아연(ZnBq2)중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    정공수송층의 두께가 200 내지 500Å 범위인 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
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