KR100495594B1 - 3원색광을 이용한 백색 유기 전계 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3원색광을 이용한 칼라용 백색 유기 전계 발광 소자에 관한 것으로서 기판, 기판 상에 순차적으로 형성된 애노드, 정공 주입층, 정공 수송층, 적, 녹, 청 3색 발광층, 백색 조절층, 전자 수송층 및 캐소드를 구비한다. 이러한 구조를 사용하면 3색 발광층의 발광비를 임의로 조절할 수 있어서, 청색 발광에 기여하지 않는 여기자가 황색 또는 적색 발광에 기여하게 하고, 여기자 가둠 효과를 통해 녹색 발광을 유도함으로써 3원색이 모두 기여하는 고효율의 백색광을 얻어낼 수 있다. 또한 백색 조절층을 도입함으로써 백색광을 나타내는데 복수개 발광층의 발광비를 조절할 수 있어서 최대 발광효율을 이용할 수 있다.

Description

3원색광을 이용한 백색 유기 전계 발광 소자{WHITE ORGANIC LIGHT EMITTING DEVICE USING THREE EMISSIVE LAYER}

본 발명은 백색 유기 전계 발광 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3색 발광을 통하여 백색광을 발생하는 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다.

유기 전계 발광 소자는 발광층 형성 재료가 유기물로 이루어져 있고, 자체 발광을 하므로 무기 전계 발광 소자에 비하여 휘도, 구동 전압 및 응답 속도 특성이 우수하고 다색화가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한 칼라 디스플레이 소자로의 적용시, 색 시현성이 우수하고 경박 단소하여 휴대용 정보통신기기의 정보 표시용 소자로서 많은 장점을 가지고 있다.

칼라 유기 전계 발광 소자를 구현하는 방법 중 백색광을 이용하는 방법은 컬러 필터(Color filter)를 사용하는데, 미세하게 패턴된 금속 마스크를 정교하게 이동하면서 RGB 발광층을 순차적으로 증착하여 제작하는 독립 증착 방식에 비해 불량률을 낮고 제작 공정이 단순한 장점이 있다.

청색과 적색 발광을 이용한 백색 유기 전계 발광 소자는 도 1의 구조를 갖는다. 즉, 기판 상부에 애노드(1)가 형성되어 있고, 애노드(1) 상부에 정공 수송 및 청색 발광층(10), 정공 제한 및 적색 발광층(11), 전자 수송층(12) 및 캐소드(9)를 순차적으로 적층하거나,정공 수송 및 청색 발광층(13),적색 발광층(14), 정공 제한층(15),전자 수송층(16),캐소드(9)를 순차적으로 적층하여 백색광을 얻는구조이다.

이와 같은 두 가지 구조는 유사한 구동 원리를 가지고 있으며, 그 구동 메카니즘은 다음과 같다.

상기 애노드(1)와 캐소드(9) 사이에 전압을 인가하면 애노드(1)로부터 주입된 정공은 정공 수송층(10, 13)을 경유하여 적색 발광층(11, 14)으로 이동하고, 높은 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital: 전자가 채워져 있는 가장 높은 레벨의 오비탈) 레벨을 갖고 있는 정공 제한층(15)(Hole Blocking Layer)에 의해 캐소드 쪽으로의 이동이 제한된다.

한편, 전자는 캐소드(9)로부터 전자 수송층(12, 16)을 경유하여 적색 발광층(11, 14)에 주입되고, 정공 수송층(10, 13)과 적색 발광층(11, 14)의 계면 및 벌크(Bulk) 상에서 캐리어들이 재결합하여 여기자(exciton)가 생성된다. 이 생성된 여기자가 기저 상태로 천이하면서 발광이 이루어지는데, 정공 수송층(10, 13)에서는 청색광이 발광층(11, 14)에서는 적색광이 형성되어 백색을 나타낸다.

상기한 바와 같은 구동 원리에 의하여 작동되는 유기 전계 발광 소자의 적색 및 청색 여기자의 분포는 임의로 조절하기가 어려우며, 인가되는 전압에 따라 그 분포가 크게 변하게 되어 백색의 색순도 조절이 어려운 단점이 있다. 또한 정공 수송층(10, 13)에서 여기자 형성에 의하여 발광된 청색과 발광층(11, 14)에서의 여기자 생성에 의하여 발광된 적색 두 색만으로 백색이 구현되어 낮은 효율을 보이고, 녹색 발광이 거의 없어 칼라 필터(Color filter)를 이용하여도 칼라 디스플레이 소자에 적용하기가 어렵다.

도 2에는 3가지 발광층을 이용한 백색 유기 전계 발광 소자의 에너지 레벨 구조가 도시되어 있다. 먼저, 애노드(1)가 형성되어 있고, 이 애노드(1) 상부에 정공 수송층(18), 청색 발광층(19), 녹색 발광층(20), 적색 발광층(21)을 순차적으로 형성시킨 후 전자 수송층(22) 및 캐소드(9)가 적층되어 있다.

이와같은 구조를 갖는 백색 유기 전계발광 소자의 구동 원리는 다음과 같다.

애노드(1)와 캐소드(9)간에 전압이 인가되면 애노드(1)와 캐소드(9)로부터 정공과 전자가 주입된다. 주입된 정공과 전자는 정공 수송층(18) 및 전자 수송층(22)을 경유하여 여기자를 형성하고, 형성된 여기자는 3가지의 발광층(19, 20, 21)에 임의로 분포되어 기저 상태로 천이하며 발광하게 된다.

이러한 구동 원리에 의하여 작동되는 백색 유기 전계 발광 소자 역시 RGB 발광에 기여하는 여기자를 조절하기가 어려워 백색의 색순도를 맞추기 어렵고, 낮은 발광 효율을 나타낸다. 또한 에너지 레벨 관점에서 청색 발광층(19)을 녹색(20) 및 적색 발광층(21)보다 항상 애노드(1) 쪽에 가깝게 위치시켜야 하는 구조적 제약이 따른다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하는 것으로서 적, 녹, 청 삼색을 골고루 발광시켜 고효율의 백색광을 발생하는 유기 전계 발광 소자를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는 백색 조절층(White Balancing Layer)과 여기자 가둠 구조(Exciton Confinement Structure)를 이용한다.

구체적으로는, 애노드, 상기 애노드 위에 형성되어 있는 정공 주입층, 상기 정공 주입층 위에 형성되어 있는 정공 수송층, 상기 정공 수송층 위에 형성되어 있는 복수개의 발광층, 상기 복수개의 발광층 중의 소정의 두 층 사이에 형성되어 있으며 전자 차단 효과를 가지는 적어도 하나의 유기물층, 상기 발광층 위에 형성되어 있는 전자 수송층, 및 상기 전자 수송층 위에 형성되어 있는 캐소드를 포함하는 유기 전계 발광 소자를 마련한다.

이 때, 상기 복수개의 발광층 중의 적어도 한 층은 그 양측에 인접해 있는 두 층보다 낮은 에너지 준위를 가져 여기자 가둠 구조를 형성하는 것이 바람직하고, 상기 복수개의 발광층은 녹색 발광층, 적색 발광층 및 청색 발광층으로 이루어져 있고, 상기 녹색 발광층이 상기 정공 수송층과 상기 적색 발광층 사이에 위치하며 여기자 가둠 구조를 형성하는 것이 바람직하다.

또, 상기 복수개의 발광층은 녹색 발광층, 적색 발광층 및 청색 발광층으로 이루어져 있고, 전자 차단 효과를 가지는 적어도 하나의 유기물층은 상기 적색 발광층과 상기 청색 발광층 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

또는, 애노드, 상기 애노드 위에 형성되어 있는 정공 주입층, 상기 정공 주입층 위에 형성되어 있는 정공 수송층, 상기 정공 수송층 위에 형성되어 있는 복수개의 발광층, 상기 발광층 위에 형성되어 있는 전자 수송층, 및 상기 전자 수송층 위에 형성되어 있는 캐소드를 포함하고, 상기 복수개의 발광층 중의 적어도 한 층은 그 양측에 인접해 있는 두 층보다 낮은 에너지 준위를 가져 여기자 가둠 구조를 형성하는 유기 전계 발광 소자를 마련한다.

이 때, 상기 복수개의 발광층 중의 소정의 두 층 사이에 형성되어 있으며 전자 차단 효과를 가지는 적어도 하나의 유기물층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기 전계 발광 소자의 층 구조를 나타내는 단면도이고, 도 3b은 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기 전계 발광 소자의 에너지 레벨 구조를 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 백색 유기 전계 발광 소자는, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 절연 기판(100) 위에 애노드(1), 정공 주입층(2), 정공 수송층(3), 녹색 발광층(4), 적색 발광층(5), 백색 조절층(6), 청색 발광층(7), 전자 수송층(8) 및 캐소드(9)가 순차적으로 적층된 구조를 가진다.

여기서, 청색 발광층(7)과 적색 발광층(5) 사이에 형성되어 있는 백색 조절층(6)은 그 두께를 조절하면 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 발광 생성 비율을 조절할 수 있다. 백색 조절층(6)은 캐소드(9), 전자 수송층(8) 및 청색 발광층(7)을 통하여 들어오는 전자의 진행을 적절히 차단함으로써 적, 녹, 청 발광 비율을 조절한다.

또, 녹색 발광층(4)은 그 양측에 배치되어 있는 정공 수송층(3)과 적색 발광층(5)에 비하여 낮은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital: 전자가 채워져 있지 않은 가장 낮은 에너지 준위의 분자 오비탈) 레벨을 가지고 있어서 여기자 가둠 구조(17)를 형성하여 녹색 발광의 효율을 높이고 있다.

본 발명의 실시예에 따른 유기 전계 발광 소자에서 정공 수송층(3), 발광층(4, 5, 7) 및 전자 수송층(8) 중의 하나 이상은 정공-전자 결합에 대하여 발광할 수 있는 도판트를 포함할 수 있다. 이 때 도판트로는 하기 구조식의 쿠마린 6(Coumarin 6), 루브렌(Rubrene), 4-(다이시아노메틸렌)-2-메틸-6-(P-다이메틸아미노스티릴)-4H-피란(4-(Dicyanomethylene)-2-methyl-6-(P-dimethylaminostyryl)-4H-pyran: DCM), 4-(다이시아노메틸렌)-2-t-부틸-6-(1,1,7,7-테트라메틸줄로리딜-9-에닐)-4H-피란(4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6- (1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4H-pyran: DCJTB), 페닐렌(Perylene), 퀴나크리돈(Quinacridone), (2-메틸-6-(2-(2,3,6,7-테트라하드로-1H, 5H-벤조 퀴놀리진-9-일)에테닐)-4H-피란-4-일리덴)프로판-디니트릴 (2-metyle-6-(2-(2,3,6,7-tetrahydro-1H, 5H-benzo quinolizin-9- yl)ethenyl)-4H-pyran-4-ylidene)propane-dinitrile: DCM2) 등이 사용될 수 있다. 그리고 도판트의 함량은 정공 수송층(3), 발광층(4, 5, 7) 및 전자 수송층(8)의 호스트 형성 재료에 대하여 1 내지 5중량%이다.

발광층(4, 5, 7)을 형성하는 호스트 재료는 다음과 같다.

녹색 발광층(4)의 호스트 재료로는 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴롤린)(Aluminum tris (8-hydroxyquinoline))를 사용한다.

적색 및/또는 황색 발광층(5)의 호스트 재료로는 (N,N-비스(나프탈렌-1-일)페닐)-N,N-비스(페닐)밴지디인(N,N'-bis(naphthalen-1-yl)phenyl)-N,N'-bis(phenyl)benzidine : NPB)을 사용한다.

청색 발광층(7)의 호스트 재료로는 4,4'-비스(2,2-다이페닐-에텐-1-일)-다이페닐(4,4'-bis(2,2-diphenyl-ethen-1-yl)-diphenyl : DPVBi)를 사용한다. 청색 발광층(7)을 형성하는 물질로는 저분자인 4,4"-비스(2,2-디페닐비닐-1-일)-p-터페닐렌(4,4"-bis(2,2-diphenylvinyl-1-yl) -p-terphenylene: DPVTP), Spiro-DPVBi 등도 이용할 수 있다.

이러한 발광층(4, 5, 7)들은 효율을 증가시키고, 색 변화를 위해서 상기의 도판트 재료들과 혼합하여 형성된다.

발광층(4, 5, 7)의 두께는 백색에 대한 기여도에 따라 100Å 내지 500Å정도로 형성하는 것이 바람직하며, 사용되는 재료의 특성에 따라 그 범위가 변화 될 수 있다.

정공 주입층(2) 및 정공 수송층(3)의 형성 재료로는 정공 수송 특성이 있는 트리 패닐 아민기(Triphenyl amine)를 가지고 있는 재료를 사용하며, 아래의 구조식을 가지는 4,4',4"-트리스(N-3-메틸페닐-N-페닐-아미노)-트리페닐아민(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine: m-MTDATA)와 N,N-비스(나프탈렌-1-일)페닐)-N,N-비스(페닐)벤지딘(N,N'-Bis(naphthalen-1-yl) phenyl)-N,N'-bis(phenyl)benzidine : NPB) 등이 사용된다. 애노드(1) 위에 형성되는 정공 주입층(2)은 400Å 내지 1500Å정도가 바람직하며, 정공 수송층(3)의 두께는 100Å 내지 500Å정도가 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 유기 전계 발광 소자에서 절연 기판(100)으로는 통상적인 유기 EL 소자에서 사용되는 기판을 사용하는데, 투명성, 표면 평활성, 취급 용이성 및 방수성이 우수한 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

애노드(1) 형성용 물질로는 투명하고 전도성이 우수한 산화 인듐 주석(ITO: indium-tin-oxide), 산화 주석(SnO₂), 산화 아연(ZnO) 등을 사용하며, 그 두께는 1000 내지 2000Å으로 형성한다.

캐소드(9) 형성용 물질로는 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 알루미늄-리튬(Al-Li), 칼슘(Ca), 마그네슘-인듐(Mg-In), 마그네슘-은(Mg-Ag) 등의 금속을 이용하며, 그 막두께는 500 내지 5000Å 범위로 형성한다.

여기서, 캐소드(9)는 반응성이 크고 일함수값이 작은 불화리튬(LiF)을 5 내지 20Å 두께로 형성하고, 그 위에 일함수 값이 큰 알루미늄을 1000 내지 2000Å 두께로 형성하여 이중층으로 형성하는 것이 소자 안정성과 효율면에서 바람직하다.

전자 수송층(8)을 형성하는 전자 수송성 물질로는 하기 구조식의 트리스(8-퀴놀리놀레이트)-알루미늄(tris(8-quinolinolate)-aluminium: Alq₃)을 이용하며, 전자 수송층(8)의 막두께는 100 내지 1000Å 범위가 바람직하다.

백색 조절층(6)을 형성하는 물질로는 N,N'-비스(나프탈렌-1-일)페닐)-N,N'-비스(페닐)벤지딘(N,N'-bis(naphthalen-1-yl)phenyl)-N,N'-bis(phenyl)benzidine : NPB(=α-NPD))를 사용하고, 그 두께는 10 내지 30Å 정도가 바람직하다.

도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 유기 전계발광소자의 구조를 에너지 레벨에 맞추어 나타낸 도면이다.

적색 발광층(5)과 청색 발광층(7) 사이에 전자 차단 효과가 있는 백색 조절층(6)이 개재되어 있고, 정공 수송층(3)과 적색 발광층(5) 사이에는 LUMO level이 낮은 녹색 발광층(4)이 형성되어 있어서 양자 우물(quantum well)이 형성되어 여기자 가둠 구조(17)를 이룬다.

이 때, 백색 조절층(6)의 막두께는 발광 기여도에 따라 10Å 내지 30Å정도가 바람직하며, 두께를 조절함으로써 에너지 장벽으로 인하여 계면에서 축적되는 전자의 양과 주입되어 적색 발광층(5) 및 녹색 발광층(4)에 도달하는 전자의 양을 적절한 범위 내로 조절할 수 있다.

녹색 발광층(4)은 여기자 가둠 구조(17)를 형성하기 위하여 반드시 우물 형태의 에너지 레벨 구조를 갖는 정공 수송층(3)과 적색 발광층(5) 사이에 구성되어야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 백색 유기 전계 발광 소자는 상술한 바와 같은 순서, 즉, 애노드/정공 주입층/정공 수송층/녹색 발광층/적색 발광층/백색 조절층/청색 발광층/전자 수송층/캐소드의 순서로 형성되어 있으나, 적색 발광층 대신 황색 발광층을 형성하여도 무방하다.

본 발명의 실시예에 따른 백색 유기 전계 발광 소자는 백색 조절층(6)을 사용하여 유기 전계 발광 소자 동작시 생성되는 여기자를 R, G, B 각각의 발광층(5, 4, 7)에 백색 기여도에 맞게 조절, 분포시킴으로써 R, G, B 소자 구조(도핑 농도, 발광층의 두께)에 크게 의존하지 않고 각 독립 색상이 갖는 최대 발광 효율을 얻을 수 있다.또한 백색 조절층(6)의 두께조절에 의해 색순도를 쉽게 변화시킬 수 있다.

기존 백색 소자가 정공 막음층(Hole Blocking Layer: HBL)(도 1에서 도면 부호 11, 15)의 정공 막음 효과를 통하여 정공 수송층(도 1에서 도면 부호 10, 13)과 발광층(도 1에서 11, 14) 사이의 계면 및 벌크(Bulk) 상에서의 발광을 유도해냄으로써 백색광을 얻어내는 것과는 상이하게, 본 발명에서의 백색 조절층(6)은 전자 차단 효과를 통하여 전자 분포를 조절함으로써 청색 발광층(7)에서 사용되지 않은 여기자를 적색(5)과 녹색(4)에 기여시키는 역할을 한다.

도 1과 같이 HBL 재료를 사용하는 경우에 있어서는 발광 메카니즘을 만족시키기 위해 에너지 레벨 관점에서 청색 발광층(10, 13)을 반드시 애노드(1) 쪽에 전치(前置)시켜야 하고 적색 발광층(11, 14, 21)을 뒤쪽에 위치 시켜야 하는 구조적 제한이 따른다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기 전계 발광 소자의 이러한 구조적 제한이 없다.

또한 유기 소자의 수명에 크게 영향을 주는 정공 수송층(5)을 도핑시켜 발광에 기여케 함으로써 정공 수송층(5)이 전하 운반체(charge carrier)에 노출됨으로 인하여 발생하는 열에 의한 열화 및 수명 저하 현상을 호스트-게스트(host-guest)간의 에너지 이동(energy transfer)현상을 통해 해소시킬 수 있어 소자의 수명에 보다 더 유리한 구조적 특징을 갖는다.

여기자 가둠 구조(17)는 녹색 발광층(4)이 애노드(1) 쪽에 전치되었을 때 녹색 발광만이 주로 일어나는 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 여기자 가둠 구조(17)를 사용함으로써 이러한 현상을 막을 수 있어 청색(7) 및 적색(5)과 함께 녹색(4) 발광에 의한 3색 백색광 구현이 가능해 진다.

여기자 가둠 효과는 녹색 발광층(4)으로 주입되는 여기자를 양자 우물에 빠뜨려 가둬버리는 여기자 가둠 구조(17)에 의해 가능해진다. 따라서 기존의 HBL을 사용하는 발광 기구 뿐 아니라 3색 발광층을 적층하여 백색광을 유도해내는 발광 기구의 문제점 중 하나인 녹색광의 낮은 기여도를 극복해 낼 수 있다. 또한 상기의 양자 우물 구조를 사용함으로써 청색 및 적색 발광에 사용되지 않은 잉여 여기자를 녹색 발광 기여에만 한정시켜 수명 저하의 요인이 될 수 있는 애노드(1) 쪽으로의 비 발광 기여를 막는데 유리하다.

이하,각층의 두께및 물질함량까지 고려한 좀더 구체적인 실시예를 제시한다.

아래의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

이하의 실시예 설명에서 도면 부호는 도 3a의 부호를 기준으로 한 것이다.

제1 실시예

유리 기판(100) 상에 1800Å 두께로 ITO를 증착하여 애노드(1)를 형성하고, 이 상부에 m-MTDATA를 진공 증착하여 정공 주입층(2)을 400Å 두께로 형성한다.

이어서, 정공 주입층(2) 위에 NPB를 진공 증착하여 100Å 두께의 정공 수송층(3)을 형성한다.

그 후, 정공 수송층(3) 위에 Alq3와 쿠마린6를 동시에 진공 증착하여 180Å 두께의 녹색 발광층(4)을 형성한다. 이 때 Alq3의 함량은 99중량%, 쿠마린 6의 함량은 1.0중량%이다.

이어서, 녹색 발광층(4) 위에 동일한 방법으로 NPB와 DCM을 동시에 진공 증착하여 120Å 두께의 적색 발광층(5)을 형성한다. 이 때 NPB의 함량은 96중량%, DCM의 함량은 4.0중량%이다.

다음, NPB를 적색 발광층(5) 위에 진공 증착하여 여기자의 분포를 조절할 수 있는 백색 조절층(6)을 형성한다. 형성된 백색 조절층(6)의 두께는 17Å이다.

백색 조절층(6) 위에 DPVBi를 진공 증착하여 청색 발광층(7)을 형성하고, 청색 발광층(7) 위에 Alq3를 진공 증착하여 전자 수송층(8)을 형성한다. 이 때 형성된 두께는 청색 발광층(7)이 180Å, 전자 수송층(8)이 120Å이다.

다음, 전자 수송층(8) 위에 LiF를 진공 증착하여 10Å 두께의 LiF 전자 주입층을 형성하고, 이 LiF 전자 주입층 위에 Al을 진공 증착하여 2000Å 두께로 Al층을 형성함으로써 캐소드(9)를 형성한다.

이러한 방법으로 제조된 유기 전계 발광 소자에서는 적색 발광층(5)과 청색 발광층(7) 사이에 백색 조절층(6)을 형성함으로써 나타나는 전자 차단 효과로 인해 일부는 DPVBi로 이루어진 청색 발광층(7)에서 발광하고, 일부는 DCM이 도핑된 적색 발광층(5)에서 오렌지-레드 발광을 하며, 나머지는 여기자 가둠 구조에 의해 녹색 발광층(4)인 쿠마린에서 녹색 발광에 기여한다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자의 발광 스펙트럼과 색좌표 및 효율 특성을 나타낸 도면이다.

도 4의 발광 스펙트럼을 살펴보면 R, G, B 삼색에 해당하는 455nm, 510nm, 590nm 부근의 피크를 동반하여 R, G, B 삼색이 백색 발광에 고르게 기여함을 쉽게 확인할 수 있다. 이 때의 발광되는 백색광의 색좌표는 (0.33,0.38)이고, 발광 효율은 6.1cd/A, 2.3lm/W의 값을 나타낸다.

제2 실시예

적색 발광층(5)을 NPB와 루브린을 동시에 진공 증착하여 NPB 97중량%와 루브린 3중량%가 되도록 형성하고, 색순도를 조절하기 위해 백색 조절층(6)의 두께를 19Å으로 변화시킨 것을 제외하고는, 제1 실시예와 동일한 방법에 따라 유기 전계발광 소자를 제조한다.

따라서 제2 실시예서는 적색 발광층(5)의 루브린에 의해 옐로우-오렌지 발광에 일부 여기자가 기여하고, 백색 조절층(6)의 두께 변화에 의해 색순도를 조절하여 청색 및 녹색 발광에 나머지 여기자가 기여한다다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자의 발광 스펙트럼과 색좌표 및 효율 특성을 나타낸 도면이다.

도 5의 스펙트럼을 보면 455nm, 511nm, 560nm의 최대 파장 피크를 동반하며 R, G, B 삼색이 모두 백색 발광에 기여한다. 이 때, 색좌표는 (0.28,0.36)이고, 발광 효율은 6.8cd/A, 2.5lm/W의 값을 나타낸다.

제3 실시예

백색 조절층(6)의 두께를 17Å으로 변화시킨 것을 제외하고는 제2 실시예와 동일한 방법에 따라 유기 전계 발광 소자를 제조한다.

백색 조절층(6)의 역할은 위에서 언급한 바와 같이 발광에 기여하는 전자의 분포를 조절하는 것이며, 이는 곧 여기자의 분포를 조절한다는 것을 의미한다. 따라서 적색 발광층(5)과 청색 발광층(7) 사이에 형성된 백색 조절층(6)의 두께를 감소시키면 전자 차단 효과가 줄어들어 청색 발광층(7)의 기여가 줄어들고, 녹색 발광층(4)과 적색 발광층(5)의 기여가 증가하게 된다. 즉 녹색과 황색의 기여도가 더 커지게 되어 색좌표가 장파장 쪽으로 변화하게 된다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자의 발광 스펙트럼과 색좌표 및 효율 특성을 나타낸 도면이다.

도 6의 스펙트럼을 보면 이러한 예상과 잘 부합됨을 알 수 있으며, 이 때 색좌표는 (0.31, 0.40)이고 7.1cd/A, 2.3lm/W의 발광 효율을 나타낸다.

제1 비교예

본 발명의 제1 내지 제3 실시예의 구조와 비교하여 여기자 가둠 구조를 가지지 않는 유기 전계 발광 소자를 제작하여 그 특성을 확인하였다.

유리 기판 상에 1800Å 두께로 ITO 전극(애노드)을 형성하고, 그 위에 m-MTDATA를 진공증착하여 정공 주입층을 400Å 두께로 형성하였다. 이어서, 정공 주입층 상부에 NPB를 진공 증착하여 100Å 두께의 정공 수송층을 형성하였다.

그 후, 정공 수송층 상부에 NPB와 루브린을 동시에 진공 증착하여 140Å 두께의 녹색 발광층을 형성하였다. 이 때 NPB의 함량은 97중량%, 루브린의 함량은 3.0중량%이다.

이어서, 녹색 발광층 상부에 여기자의 분포를 조절할 수 있는 백색 조절층을 17Å 형성하고, Alq3와 쿠마린6을 동시에 진공증착하여 100Å 두께의 적색 발광층을 형성하였다. 이 때 Alq3의 함량은 99중량%, 쿠마린6의 함량은 1.0중량%이다.

다음 DPVBi를 적색 발광층 상부에 진공 증착하여 180Å 두께의 청색 발광층을 형성하였다.

그 후, 청색 발광층 위에 전자 수송층 150Å을 형성하고, 전자 수송층 위에 LiF를 진공증착하여 10Å 두께의 LiF 전자 주입층을 형성한 다음, 이 LiF 전자 주입층 위에 Al을 진공 증착하여 2000Å 두께로 Al 전극을 형성함으로써 유기 전계발광 소자를 제조하였다.

도 7은 제1 비교예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자의 발광 스펙트럼과 색좌표 및 효율 특성을 나타낸 도면이다.

도 7의 스펙트럼을 참조하면, 여기자 가둠 효과를 기대할 수 없는 제1 비교예의 스펙트럼은 청색 영역에서의 피크가 크게 감소하며, 황색-녹색 영역의 피크만이 주된 기여를 하게되어 백색을 얻을 수 없었다. 이 때의 색좌표는 (0.37, 0.54)로 약한 노란색을 나타내었다.

제2 비교예

본 발명의 제1 내지 제3 실시예의 구조와 비교하여 백색 조절층(6)을 형성하지 않은 유기 전계 발광 소자를 제작하여 그 특성을 확인하였다.

유리 기판 위에 1800Å 두께로 ITO 전극(애노드)을 형성한 다음, 이 위에 m-MTDATA를 진공 증착하여 정공 주입층을 370Å 두께로 형성하였다. 이어서, 정공 주입층 위에 NPB를 진공 증착하여 100Å 두께의 정공 수송층을 형성하였다. 그 위에 백색 조절층을 사용하지 않고, 녹색 발광층과 적색 발광층을 형성하였다. 녹색 발광층은 NPB와 루브렌을 97중량% 대비 3중량%로 혼합하여 증착하고, 적색 발광층은 DPVBi를 진공 증착하여 각각 200Å의 두께로 형성하였다.

이어서 전자 수송층 160Å과 전자 수송층 위에 LiF를 진공 증착하여 10Å 두께의 LiF 전자 주입층을 형성한 다음, 이 LiF 전자 주입층 상부에 Al을 진공 증착하여 2000Å 두께로 Al 전극을 형성함으로써 유기 전계 발광 소자를 제조하였다.

도 8은 제2 비교예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자의 발광 스펙트럼과 색좌표 및 효율 특성을 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 백색 조절층을 형성하지 않을 경우 모든 여기자는 녹색 발광층인 루브렌에 분포하게 되어 옐로우 발광을 보인다. 즉 전자 차단 효과에 따른 청색 발광을 가능하게 하는 백색 조절층을 형성하지 않았으므로 청색 발광이 일어날 수 없게 되었다. 따라서 색좌표는 (0.46, 0.47)를 나타내었다.

한편, 위의 제1 내지 제3 실시예 및 제1 및 제2 비교예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자에 있어서, 휘도 효율, 최대 휘도, 양자 효율 및 색좌표 특성을 평가한 결과를 요약하여 표 1에 나타내었다.

구분	휘도 효율(cd/A)	최대발광휘도(cd/㎡)	에너지효율(lm/W)	색좌표(x, y)
제1 실시예	6.1	10180	2.3	0.33, 0.38
제2 실시예	6.8	11570	2.5	0.28, 0.36
제3 실시예	7.1	12650	2.3	0.31, 0.40
제1 비교예	8.1	13500	3.5	0.37, 0.54
제2 비교예	9.3	14620	3.8	0.46, 0.47

위의 표 1로부터, 본 발명의 여기자 가둠 구조와 백색 조절층을 사용한 제1 내지 제3 실시예의 유기 전계 발광 소자는 여기자 가둠 구조 또는 백색 조절층 중의 어느 하나를 적용하지 않은 제1 및 제2 비교예와 비교하여 삼색 발광 기여에 의한 백색 발광이 가능하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

본 발명의 유기 전계 발광 소자는 백색 조절층을 도입하여 여기자의 분포를 임의로 조절하는 것이 가능하고, 여기자 가둠 구조에 의해 삼색(R,G,B) 기여에 의한 백색광 구현이 가능하다. 그 결과, 복수 발광층의 최대 효율보다는 색순도에 의존하여 제조되거나, 이색 기여에 의해 구현되는 종래의 백색 유기 전계 발광 소자와는 달리 색 조절이 용이하고, 복수 발광층의 최대 효율을 이용할 수 있어, 고효율의 백색 소자 제조가 가능하며, 삼색 모두가 포함된 백색 광을 발생하므로 컬러 필터(Color filter)를 사용하여 컬러 디스플레이로 전환하기도 용이하다.

도 1은 청색 및 적색 발광층을 적층하여 백색광을 얻는 종래의 유기 전계 발광 소자의 에너지 레벨 구조를 나타낸 도면이다.

도 2는 3개의 발광층을 적층하여 백색광을 얻는 종래의 유기 전계 발광 소자의 에너지 레벨 구조를 나타낸 도면이다.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기 전계 발광 소자의 층 구조를 나타내는 단면도이다.

도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 백색 유기 전계 발광 소자의 에너지 레벨 구조를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자의 발광 스펙트럼과 색좌표 및 효율 특성을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자의 발광 스펙트럼과 색좌표 및 효율 특성을 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자의 발광 스펙트럼과 색좌표 및 효율 특성을 나타낸 도면이다.

도 7은 제1 비교예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자의 발광 스펙트럼과 색좌표 및 효율 특성을 나타낸 도면이다.

도 8은 제2 비교예에 따라 제조된 유기 전계 발광 소자의 발광 스펙트럼과 색좌표 및 효율 특성을 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1... 애노드 9... 캐소드

2... 정공주입층 3,18... 정공수송층

4,20... 제1 발광층(녹색) 5,21,... 제2 발광층(적색)

6... 백색 조절층(White Balancing Layer)

7,19... 제3 발광층(청색)

8, 12, 16,22... 전자 수송층 10, 13... 정공 수송 및 청색 발광층

11... 정공 제한 및 적색 발광층

14... 적색 발광층 15... 정공 제한층

17... 여기자 가둠 구조(Exciton Confinement Structure)

Claims (18)

1. 애노드,

   상기 애노드 위에 형성되어 있는 정공 주입층,

   상기 정공 주입층 위에 형성되어 있는 정공 수송층,

   상기 정공 수송층 위에 형성되어 있는 복수개의 발광층,

   상기 복수개의 발광층 중의 소정의 두 층 사이에 형성되어 있으며 전자 차단 효과를 가지는 적어도 하나의 유기물층,

   상기 발광층 위에 형성되어 있는 전자 수송층, 및

   상기 전자 수송층 위에 형성되어 있는 캐소드

   을 포함하는 유기 전계 발광 소자.
2. 제1항에서,

   상기 복수개의 발광층 중의 적어도 한 층은 그 양측에 인접해 있는 두 층보다 낮은 에너지 준위를 가져 여기자 가둠 구조를 형성하는 유기 전계 발광 소자.
3. 제2항에서,

   상기 복수개의 발광층은 녹색 발광층, 적색 발광층 및 청색 발광층으로 이루어져 있고, 상기 녹색 발광층이 상기 정공 수송층과 상기 적색 발광층 사이에 위치하며 여기자 가둠 구조를 형성하는 유기 전계 발광 소자.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에서,

   상기 복수개의 발광층은 녹색 발광층, 적색 발광층 및 청색 발광층으로 이루어져 있고, 전자 차단 효과를 가지는 적어도 하나의 유기물층은 상기 적색 발광층과 상기 청색 발광층 사이에 위치하는 유기 전계 발광 소자.
5. 제4항에서,

   상기 정공 수송층, 상기 복수개의 발광층 및 상기 전자 수송층 중의 적어도 하나는 0.1 내지 5 중량%의 도판트를 포함하는 유기 전계 발광 소자.
6. 제5항에서,

   상기 도판트로는 쿠마린 6(Coumarin 6), 루브렌(Rubrene), 4-(다이시아노메틸렌)-2-메틸-6-(P-다이메틸아미노스티릴)-4H-피란(4-(Dicyanomethylene)-2-methyl-6-(P-dimethylaminostyryl)-4H-pyran: DCM), 4-(디시아노메틸렌)-2-t-부틸-6-(1,1,7,7-테트라메틸줄로리딜-9-에닐)-4H-피란(4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6- (1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4H-pyran: DCJTB), 페닐렌(Perylene), 퀴나크리돈(Quinacridone), DCM2중의 적어도 하나를 사용하는 유기 전계 발광 소자.
7. 제3항에서,

   상기 녹색 발광층, 적색 발광층 및 청색 발광층의 두께는 각각 100Å 내지 500Å 사이인 유기 전계 발광 소자.
8. 제7항에서,

   상기 녹색 발광층은 주 재료로 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴롤린)(Aluminum tris (8-hydroxyquinoline))를 포함하고,

   상기 적색 발광층은 주 재료로 (N,N-비스(나프탈렌-1-일)페닐)-N,N-비스(페닐)벤지딘(N,N'-bis(naphthalen-1-yl)phenyl)-N,N'-bis(phenyl)benzidine : NPB)를 포함하고,

   상기 청색 발광층은 주 재료로 4,4'-비스(2,2-다이페닐-에텐-1-일)-다이페닐(4,4'-bis(2,2-diphenyl-ethen-1-yl)-diphenyl : DPVBi), 4,4"-비스(2,2-디페닐비닐-1-일)-p-터페닐렌(4,4"-bis(2,2-diphenylvinyl-1-yl)-p-terphenylene: DPVTP) 및 Spiro-DPVBi 중의 적어도 하나를 포함하는 유기 전계 발광 소자.
9. 제3항에서,

   상기 정공 주입층은 400Å 내지 1500Å의 두께를 가지며, 상기 정공 수송층은 100Å 내지 500Å의 두께를 가지는 유기 전계 발광 소자.
10. 제9항에서,

    상기 정공 주입층과 상기 정공 수송층은 주 재료로 4,4',4"-트리스(N-3-메틸페닐-N-페닐-아미노)-트리페닐아민(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine: m-MTDATA)와 N,N-비스(나프탈렌-1-일)페닐)-N,N-비스(페닐)벤지딘(N,N'-Bis(naphthalen-1-yl) phenyl)-N,N'-bis(phenyl)benzidine : NPB) 중의 적어도 하나를 포함하는 유기 전계 발광 소자.
11. 제3항에서,

    상기 전자 수송층은 100Å 내지 1000Å의 두께를 가지는 유기 전계 발광 소자.
12. 제3항에서,

    상기 전자 차단 효과를 가지는 적어도 하나의 유기물층은 10Å 내지 30Å의 두께를 가지는 유기 전계 발광 소자.
13. 제12항에서,

    상기 전자 차단 효과를 가지는 적어도 하나의 유기물층은 주 재료로 N,N'-비스(나프탈렌-1-일)페닐)-N,N'-비스(페닐)벤지딘(N,N'-bis(naphthalen-1-yl)phenyl)-N,N'-bis(phenyl)benzidine : NPB(=α-NPD))을 포함하는 유기 전계 발광 소자.
14. 제3항에서,

    상기 애노드는 두께가 1000Å 내지 2000Å이고, 산화 인듐 주석(ITO: indium-tin-oxide), 산화 주석(SnO₂), 산화 아연(ZnO) 중의 적어도 하나로 이루어져 있는 유기 전계 발광 소자.
15. 제3항에서,

    상기 캐소드는 두께가 500Å 내지 5000Å이고, 리튬(Li), 불화 리튬(LiF), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 알루미늄-리튬(Al-Li), 칼슘(Ca), 마그네슘-인듐(Mg-In), 마그네슘-은(Mg-Ag) 및 중의 적어도 하나로 이루어져 있는 유기 전계 발광 소자.
16. 제15항에서,

    상기 캐소드는 5Å 내지 20Å 두께의 불화리튬(LiF)층과 1000Å 내지 2000Å 두께의 알루미늄(Al)층의 이중층으로 이루어져 있는 유기 전계 발광 소자.
17. 애노드,

    상기 애노드 위에 형성되어 있는 정공 주입층,

    상기 정공 주입층 위에 형성되어 있는 정공 수송층,

    상기 정공 수송층 위에 형성되어 있는 복수개의 발광층,

    상기 발광층 위에 형성되어 있는 전자 수송층, 및

    상기 전자 수송층 위에 형성되어 있는 캐소드

    를 포함하고, 상기 복수개의 발광층 중의 적어도 한 층은 그 양측에 인접해 있는 두 층보다 낮은 에너지 준위를 가져 여기자 가둠 구조를 형성하는 유기 전계 발광 소자.
18. 제17항에서,

    상기 복수개의 발광층 중의 소정의 두 층 사이에 형성되어 있으며 전자 차단 효과를 가지는 적어도 하나의 유기물층을 더 포함하는 유기 전계 발광 소자.