KR100359945B1 - 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기 전계 발광소자에 관한 것으로서 특히, 종래의 유기 전계 발광소자의 문제점인 소자의 효율 저하와 작동 불안정성 및 수명의 감소 등의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 기판(10) 위에 형성되는 양극(20)과, 정공수송층(30)과, 전자수송층(발광층)(50) 및 음극(60)으로 구성되는 유기 전계 발광소자에 있어서, 상기 정공수송층(30)과 전자수송층(50) 사이에, 전자의 움직임에 장벽이 될 수 있는 물질과 정공의 움직임에 장벽이 될 수 있는 물질로 구성되는 다층박막(40)이 삽입되어 형성되는 구조를 제공함으로써, 전자와 정공의 결합확률을 증가시킬 뿐만 아니라 소자의 작동안정성, 효율 등이 양호하고, 소자의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

Description

다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자 {Organic electroluminescent device having multi-layer thin film inserted}

본 발명은 유기 전계 발광소자에 관한 것으로서 특히, 종래의 유기 전계 발광소자의 문제점인 소자의 효율 저하와 작동 불안정성 및 수명의 감소 등의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 양극에서 주입된 정공(holes)과 음극에서 주입된 전자가 정공수송층과 발광층 계면에서 결합을 통한 발광 없이 이동하는 것을 억제할 수 있도록 하는 다층의 박막을 삽입함으로써, 발광소자 작동의 안정성을 확보할 수 있는 유기 전계 발광소자에 관한 것이다.

현재 사용되고 있는 유기 전계 발광소자의 구조는 도 1에서 도시하듯이, 투명한 기판(1)위에 양극(2)을 제작한 후 유기물로 제작되는 정공수송층(3)과 전자수송층(발광층)(4) 위에 음극(5)이 위치하는 구조로 되어있다.

이를 일반적인 적층구조로 나타내면, 음극(5)/전자수송층(발광층)(4)/정공수송층(3)/양극(2)/기판(1)으로 표현할 수 있다.

이러한 소자의 작동은 양극에서 주입된 정공과 음극에서 주입된 전자가 각각 발광층(4)과 정공수송층(3)의 에너지 준위에 의해서 계면에서 구속되어 정공과 전자가 서로 결합하여 발광을 하게된다.

그러나 각각 정공수송층(3) 및 전자수송층(발광층)(4)으로 사용되는 유기박막의 정공이동도와 전자 이동도가 현저하게 다를 뿐만 아니라, 유기박막의 특성상전자보다 정공의 주입과 이동이 활발한 경우가 많다.

이러한 경우 정공과 전자의 결합에 의한 발광에 기여하지 않는 정공에 의한 전류가 흐르게 된다. 즉, 소자에 전압을 인가할 경우 양극에서 다량으로 주입된 정공이 음극에서 소량으로 주입되는 전자와 결합하지 못하고 많은 양이 음극 전극으로 흘러가게 된다.

이러한 전류는 소자의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 발광층(4)의 열화를 야기시킨다. 그러므로 소자의 발광을 증가시키기 위해서 소자에 인가되는 전압을 증가시키면, 전자의 주입이 증가하지만, 정공의 주입 또한 더욱 증가해서 소자의 효율과 수명이 감소하게 된다.

또한 발광층(4)을 통해 흘러가는 정공과 음극에서 주입되는 전자와의 결합이 정공수송층(3)과 발광층(4) 계면으로 완전히 제한되지 않기 때문에 발광층(4) 전체에서 발광이 발생하게 되고, 더욱이 음극 계면에서 정공과 전자의 결합이 발생하게 되는데, 이러한 경우 주로 금속으로 사용되는 음극에 의해서 발광이 소멸되게 된다.

따라서, 종래의 발광소자는 정공수송층과 발광층 계면에서 전하의 이동이 억제되지 않기 때문에, 발광영역이 음극쪽으로 이동하게 되고 이에 따른 발광층의 열화에 의해 소자의 효율과 수명이 감소하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 소자의 효율 저하와 작동불안정성 및 수명의 감소 등의 문제를 해결하여, 소자 작동의 안정성을 확보할 수 있도록 하는 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자를 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 기판 위에 형성되는 음극과, 전자수송층과, 정공수송층 및 양극으로 구성되는 유기 전계 발광소자에 있어서, 상기 전자수송층과 정공수송층 사이에, 전자의 움직임에 장벽이 될 수 있는 물질과 정공의 움직임에 장벽이 될 수 있는 물질로 구성되는 다층박막이 삽입하여 전자와 정공의 결합확률을 증가시키고, 결합을 통한 발광 없이 이동하는 전하의 이동을 억제하는 기제를 형성함으로써 달성된다.

도 1은 종래의 유기 전계 발광소자의 구조를 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명의 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자의 구조를 나타내는

단면도,

도 3은 본 발명의 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자와 종래의 발광소자

의 열화특성을 비교한 그래프,

도 4는 본 발명의 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자와 종래의 발광소자

의 전력과 발광세기를 비교한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기판 20 : 양극

30 : 정공수송층 40 : 다층박막

50 : 전자수송층(발광층) 60 : 음극

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자의 구조를 나타내는 단면도로서, 본 발명은 기판(10) 위에 형성되는 양극(20)과, 정공수송층(30)과, 전자수송층(발광층)(50) 및 음극(60)으로 구성되는 유기 전계 발광소자에 있어서, 상기 정공수송층(30)과 전자수송층(50) 사이에, 전자의 움직임에 장벽이 될 수 있는 물질과 정공의 움직임에 장벽이 될 수 있는 물질로 구성되는 다층박막(40)이 삽입되어 형성됨을 그 기술상의 특징으로 한다.

상기 다층박막(40)은 발광소자의 정공수송층(30)과 전자수송층(50)으로 사용되는 물질을 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 정공 이동 장벽과 전자 이동 장벽 역할을 수행할 수 있는 에너지 밴드를 가진 물질이면 무기물과 유기물 여부에 상관없이 사용할 수 있다.

또한, 상기 정공수송층(30)과 전자수송층(50)을 이용한 다층박막(40)을 삽입함에 있어서, 상기 정공수송층(30)의 인접면에는 상기 전자수송층(50)으로 사용될 수 있는 물질이 위치하고, 상기 전자수송층(50)의 인접면에는 상기 정공수송층(30)으로 사용될 수 있는 물질이 위치하도록 하여, 양극(20)에서 주입된 정공이 과도하게 전자수송층(50)으로 이동하지 않도록 제한하고, 음극(60)에서 주입된 전자 또한 정공수송층(30)으로 이동하는 것을 억제하도록 한다.

상기와 같은 다층구조의 실용적인 기준으로 볼 때, 상기 다층박막(40)을 구성하는 각 박막의 두께는 50 nm 이하로 하나, 전체 두께는 500 nm 이하로 하는 것이 바람직하고, 상기 다층박막(40)을 구성하는 각 박막의 전체 개수는 각 사용되는 물질과 구성에 따라 2개 내지 100개까지 구성하는 것이 보다 바람직하다.

본 실시예에서는 상기 정공수송층(30)으로 N, N'-diphenyl-N, N'-bis (3-methyl)-l, l'-biphenyl-4, 4'-diamine (TPD)를 사용하고, 전자수송층(발광층) (50)으로는 tris(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq₃)를 이용하였으며, 상기 TPD와 ALq₃를 번갈아 구성한 다층박막(40)을 상기 정공수송층(30)과 전자수송층(발광층)(50) 사이에 삽입한 구성을 이용하였다.

도 3은 본 발명의 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자와 종래의 발광소자의 열화특성을 비교한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 다층박막이 삽입된 유기 전계발광소자와 종래의 발광소자의 전력과 발광세기를 비교한 그래프로서, 상기 도 2 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

도 3 및 도 4에서 종래의 발광소자는 Al(150 nm)/Alq₃(50 nm)/TPD(50 nm) /ITO(70 nm)/glass의 구조를 가지는 소자의 특성()을 나타내고, 본 발명의 발광소자는 Al(150 nm)/Alq₃(40 nm)/TPD(5 nm)/Alq₃(5 nm)/TPD(5 nm)/Alq₃(5 nm)/TPD(40 nm)/ITO(70 nm)/glass로 구성한 소자의 특성()을 나타낸다.

즉, Al은 음극(60), ITO는 양극(20), 정공수송층(30)은 TPD, 전자수송층(발광층)(50)은 Alq₃를 사용하였으며 상기 표시된 각각의 두께로 구성한 상태에서, TPD와 Alq₃를 5 nm의 두께로 네 개의 층으로 구성되는 다층박막(40)을 삽입한 구조의 특성을 나타내고 있다.

상기 도 3은 일정한 전류 밀도(20 mA/cm²)로 작동시킨 소자들의 비교결과를 나타내는 것으로, 종래의 소자()는 초기에 시간에 따라 급격한 발광 특성 열화를 보여주는 반면, 본 발명의 발광소자()의 경우에는 상기와 같은 급격한 발광 특성 열화를 보이지 않고 있음을 알 수 있다.

또한 도 4에서 도시하는 바와 같이, 전력에 따는 발광 세기에 대하여는, 동일한 전력소모에서 본 발명의 발광소자가 보다 높은 발광특성을 보여주고 있음을 할 수 있다.

상기와 같은, 본 발명의 발광소자에 삽입된 다층박막(40)은 정공의 이동을억제하고자 하는 경우에는 정공의 이동에 에너지 장벽이 될 수 있는 물질을, 전자의 이동을 억제하고자 하는 경우에는 전자의 이동에 에너지 장벽이 될 수 있는 물질을 박막의 형태로 배치한 것이다.

그러므로 각각의 박막의 두께를 조절함으로써 정공과 전자의 이동을 선택적으로 제한할 수 있는 것이다.

이러한 박막의 작용은 전하가 주입된 전극에서 상대전극으로 이동하는 것을 억제하고, 정공수송층(30)과 발광층(50) 사이에 구속하여 정공과 전자의 결합이 정공수송층(30)과 발광층(50) 계면에서 발생하도록 조절할 뿐만 아니라, 이동이 억제된 정공과 전자의 농도가 정공수송층(30)과 발광층(50) 계면에서 증가하도록 하여 정공과 전자가 결합할 수 있는 확률을 증가시키게 된다.

그 결과 정공과 전자의 결합이 전극에서부터 정공수송층(30)과 발광층(50) 계면으로 이동하게 되어 금속 전극에 의한 발광 소멸이 발생하지 않는다. 게다가, 정공이 발광층(50)을 통해서 전도되는 것을 억제함으로써, 정공의 이동에 의한 발광층(50)의 열화를 감소시키게 된다.

그러므로, 본 발명의 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자는 소자의 작동안정성, 효율 등이 양호하고, 소자의 수명을 향상시킬 수 있는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 소자의 작동안정성, 효율 등이 양호하고, 소자의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims (6)

1. 기판 위에 형성되는 음극과, 전자수송층과, 정공수송층 및 양극으로 구성되는 유기 전계 발광소자에 있어서,

   상기 전자수송층과 정공수송층 사이에, 전자의 움직임에 장벽이 될 수 있는 물질과 정공의 움직임에 장벽이 될 수 있는 물질로 구성되는 다층박막이 삽입되어 형성됨을 특징으로 하는 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 다층박막은 상기 전자수송층과 정공수송층으로 사용되는 물질을 번갈아 위치하도록 구성함을 특징으로 하는 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 다층박막의 상기 전자수송층의 인접면에는 상기 정공수송층으로 사용될 수 있는 물질이 위치하고, 상기 정공수송층의 인접면에는 상기 전자수송층으로 사용될 수 있는 물질이 위치함을 특징으로 하는 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 다층박막을 구성하는 각 박막의 두께는 50 nm 이하인 것을 특징으로 하는 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 다층박막의 전체 두께는 500 nm 이하인 것을 특징으로 하는 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자.
6. 제 1항에 있어서, 상기 다층박막을 구성하는 각 박막의 전체 개수는 2개 내지 100개임을 특징으로 하는 다층박막이 삽입된 유기 전계 발광소자.