KR100556374B1

KR100556374B1 - 유기 ｅｌ 소자

Info

Publication number: KR100556374B1
Application number: KR1020030061784A
Authority: KR
Inventors: 송원준; 심봉주
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2006-03-03
Also published as: KR20050023992A

Abstract

본 발명은 고효율 및 고휘도를 얻기 위한 유기 EL 소자에 관한 것으로, 유기 발광층을 포함하는 유기 화합물층이 양극과 음극으로 이루어진 한 쌍의 전극 사이에 협지되어 있는 유기 전자 발광 소자에 있어서, 상기 유기 화합물층 내에 외부광에 대한 반사를 막는 블랙 레이어(black layer)를 구성하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 외부광에 대한 반사를 막기 위해 폴라라이저(광원을 50% 이상 떨어뜨림)를 사용하지 않아도 되므로 고효율 및 고휘도의 소자를 형성할 수 있다.

유기 EL, 발광효율, 휘도, 블랙 레이어

Description

유기 ＥＬ 소자{Organic Electro-Luminescence Device}

도 1은 일반적인 유기 EL소자의 구조를 나타낸 도면

도 2a 내지 도 2e는 유기 EL 소자에 사용되는 물질들의 분자 구조를 나타낸 도면

도 3은 바텀 이미션(bottom emission) 방식의 유기 EL 소자의 구조를 나타낸 도면

도 4는 탑 이미션(top emission) 방식의 유기 EL 소자의 구조를 나타낸 도면

도 5는 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 개략적인 구성도

도 6은 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 상세 구성도

도 7은 유기 EL소자에 사용되는 전극 물질의 파장(Wavelength)에 따른 반사율 증감을 나타낸 도면

도 8a 및 도 8b는 유기 EL 소자의 커버링층을 설명하기 위한 도면

도 9는 유기 EL 소자에 사용되는 전극 물질의 반사율에 따른 휘도 증가비를 나타낸 도면

**도면의 주요 부분에 대한 부호 설명**

61 : 투명 기판 62 : 양극(anode)

63 : 블랙 레이어 64 : 정공 주입층

65 : 정공 수송층 66 : 발광층

67 : 전자수송층 68 : 전자주입층

69 : Ag층 70 : 음극(cathode)

71 : 보호층

본 발명은 유기 EL(Electro-Luminescence) 소자에 관한 것으로 특히, 발광효율을 향상시키기에 적합한 유기 EL 소자에 관한 것이다.

유기 EL 디스플레이(display)는 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 사이에 형성된 유기막에 전하를 주입하면 전자와 정공이 쌍을 이룬 후 소멸하면서 빛을 내는 소자로서, 낮은 전압에서 구동이 가능하고, 또한 전력 소모가 비교적 적은 것이 특징이다.

도 1은 일반적인 유기 EL(Electro-Luminescence) 디스플레이 소자의 단면도로, 이를 참조하여 유기 EL 디스플레이 소자의 제작 과정을 살펴보면 다음과 같다.

우선, 투명기판(11)위에 양극(anode)(12)을 형성하고, 그 위에 유기 화합물층을 형성한다.

상기 양극(12)으로는 흔히 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 물질을 이용한다.

유기 화합물층은 정공 주입층(Hole Injunction Layer : HIL)(13), 정공수송 층(Hole Transport Layer : HTL)(14), 발광층(Emitting layer)(15), 전자수송층(16), 전자주입층(17)의 적층막으로 이루어지는데, 우선 상기 양극(12)상에 정공주입층(13)을 형성한다.

상기 정공주입층(13)으로는 주로 10~30nm 두께의 CuPc(Copper Phthalocyanine)를 이용한다.

이때, 상기 CuPc의 분자 구조는 도 2a와 같다.

그리고, 상기 정공주입층(13)상에 정공수송층(Hole Transport Layer : HTL)(14)을 형성한다.

상기 정공수송층(14)으로는 흔히 30~60nm 정도의 TPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl) - (1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine) 또는 NPD(4,4'-bis[N-(1-naphthy1)-N-pheny1-amino]bipheny1)으로 형성한다.

상기 TPD 및 NPD의 분자 구조는 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같다.

그리고, 상기 정공수송층(14)상에 발광층(Emitting layer)(15)을 형성한다.

이때, 필요에 따라서 상기 발광층(15)에 도펀트(dopant)를 첨가한다.

녹색(green) 발광의 경우 흔히 발광층(15)으로 Alq₃(tris(8-hydroxy-quinolate)aluminum)을 30~60nm의 두께로 증착하며, 도펀트로는 coumarin 6 또는 Quinacridome(Qd)를 많이 사용한다.

한편, 적색(red) 발광의 경우 도펀트로 DCM, DCJT, DCJTB 등을 사용한다.

상기 Alq₃의 분자구조는 도 2d에 도시되어 있으며, 적색 발광의 도펀트 분자 구조는 도 2e에 도시되어 있다.

이어서, 상기 발광층(15)상에 전자수송층(Electron Transport Layer : ETL)(16)과 전자주입층(Electron Injecting Layer : EIL)(17)을 차례로 적층한다.

이때, 녹색 발광의 발광층(15)으로 이용되는 Alq₃은 좋은 전자수송능력을 갖기 때문에 상기 발광층(15)으로 Alq₃을 적용한 경우에는 전자수송층(16) 및 전자주입층(17)을 사용하지 않아도 무방하다.

상기 전자 주입층(17)으로는 전자의 주입 특성을 좋게 하기 위해서 LiF나 LiO₃을 약 5Å 정도 얇게 입히거나 Li, Ca, Mg, Sm 등의 알카리금속 또는 알카리토금속을 200Å 미만으로 입혀 형성한다.

마지막으로, 상기 전자 주입층(17)상에 알루미늄을 약 1000Å 정도 입혀 음극(cathode)(18)을 형성한다.

도 3은 일반적인 바텀 이미션(Bottom-emission) 방식의 유기 EL 소자의 구조를 나타낸 도면으로, 음극(cathode)으로 사용되는 물질이 거울 반사면의 역할을 하기 때문에, 발광층에서 발생한 빛의 절반은 투명한 양극(anode)쪽으로 나오고 나머지 절반은 음극(cathode)을 통해 반사되어 양극(anode)쪽으로 나오게 된다.

도 4는 일반적인 탑-이미션(Top-emission) 방식의 유기 EL 소자의 구조를 나타낸 도면으로, 음극(cathode)으로 ITO나 IZO와 같은 옥사이드 박막이 사용되고, 양극(anode)으로는 고반사율 또는 일함수(Work-function)가 큰 특성을 갖는 물질을 사용한다.

그러므로, 양극(anode)으로 사용되는 물질이 거울 반사면의 역할을 하여 유기 EL 소자의 발광층(emitting layer)에서 발생한 빛의 절반은 투명 전극인 음극(cathode)으로 에미션되고 나머지 절반은 양극(anode)에서 반사되어 음극(cathode)쪽으로 에미션된다.

따라서, 고효율의 발광소자를 만들기 위해서는 양극(anode)으로 고반사율의 전극을 사용해야만 전체적인 휘도 증가를 얻을 수 있다.

그러나, 일반적으로 고반사율의 전극들은 산화성이 크고, 장시간의 신뢰적인 면에서 안정하지 못하는 특성을 갖는다.

따라서, 장시간의 소자 신뢰성을 위해서는 산화성이 낮은 전극을 사용해야 되고, 그런 경우 대부분의 금속들이 반사율이 떨어지는 특성을 가지고 있다.

한편, 유기 EL 소자는 외부광에 대한 반사가 심해 편광자(polarizer)를 사용하는데, 그 경우 전체 나오는 빛의 광원을 50% 이상 떨어뜨리는 특성을 가지고 있다.

그러므로, 결과적으로 유기 EL 소자의 발광 효율 및 휘도가 저하되게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로 발광 효율 및 휘도를 향상시킬 수 있는 유기 EL 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 유기 EL 소자는 유기 발광층을 포함하는 유기 화합물층이 양극과 음극으로 이루어진 한 쌍의 전극 사이에 협지되어 있는 유기 전자 발광 소자 에 있어서, 상기 유기 화합물층 내에 외부광에 대한 반사를 막는 블랙 레이어(black layer)를 구성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 블랙 레이어는 양극 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 블랙 레이어는 감광성 물질, 순수 하이드로카본(hydrocarbon)계 물질, 광흡수성 촉매가 들어간 바인더(binder) 형태, olefin계와 novlac계가 컴포지션(composition)된 물질, 메탈과 유기물의 공증착 형태 중 어느 하나를 재료로 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 블랙 레이어의 재료로 사용되는 메탈과 유기물의 공증착 형태에서 메탈로는 Ag, Al, Ni, Cr, Au를 사용하고 유기물로는 하이드로카본(hydrocarbon)과 하이브리드(hybride) 물질을 사용하여 구성하는 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 블랙 레이어는 50~200nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해 질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 개략적인 구성도이다.

통상, 유기 EL 소자는 외부광에 대한 반사가 심하다.

때문에 폴라라이저(polarizer)를 사용하여 외부광에 대한 반사를 방지하고 있으나, 폴라라이저로 인하여 전체 나오는 빛의 광원이 50% 이상 떨어지게 되는 문제가 발생하였다.

이에, 본 발명에서는 도 5에 도시된 바와 같이 폴라라이저 대신에 블랙 레이어(black layer)를 구성한다.

즉, 양극 상의 유기 화합물층 내에 고흡수, 저반사율의 특성을 갖는 물질로 블랙 레이어(black layer)를 구성하여 폴라라이저 없이도 외부광에 대해 반사가 일어나지 않게 하는 것이다.

다음에 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 유기 EL 소자를 보다 구체적으로 살펴보자.

도 6은 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 상세 구성도로, 투명 기판(61)상에 양극(anode)(62)이 형성되고 상기 양극(62)상에 블랙 레이어(black layer)(63)가 형성되어 있다.

그리고, 상기 블랙 레이어(63)상에 정공 주입층(64), 정공 수송층(65), 발광층(66), 전자 수송층(67), 전자 주입층(68) 등의 유기 발광층이 차례로 적층되고, 투명한 음극 형성을 위해 상기 전자 주입층(68)상에 Ag층(69)이 형성되어 있으며, 상기 Ag층(69)상에 투명한 음극(cathode)(70)이 형성되며 상기 음극(70)상에는 다층의 보호층(71)이 형성되어 있다.

그리고, 도면에는 도시하지 않았지만 상기 보호층(71)상에 유리(glass) 또는 필름(film)을 사용하여 커버링층(covering layer)을 추가로 구성한다.

여기서, 상기 블랙 레이어(63)로는 감광성 물질, 순수 하이드로카본(hydrocarbon)계 물질, 광흡수성 촉매가 들어간 바인더(binder) 형태, olefin계와 novlac계가 컴포지션(composition)된 물질, 메탈과 유기물의 공증착 형태 중 어느 하나를 이용한다.

상기 메탈과 유기물의 공증착 형태인 경우에 메탈로는 Ag, Al, Ni, Cr, Au가 사용되고 유기물로는 pentacene와 같은 하이드로카본(hydrocarbon)과 Alq₃과 같은 하이브리드(hybride) 물질이 사용될 수 있다.

그리고, 상기 정공 주입층(64)은 양극(62)의 특성을 증가시키기 위해서 0.5~2nm 정도의 얇은 두께로 구성하며, ITO, Cr, Ag, Al, Ni 등의 물질을 이용한다.

다음에 상기한 구조의 유기 EL 소자의 제조과정을 설명하면 다음과 같다.

우선, 투명 기판(61) 위에 고 반사율 및/또는 고 일함수(high work-function)의 특성을 갖는 양극(anode)(62)을 형성한다.

여기서, 상기 양극(62)은 고 반사율을 갖는 금속과 고 일함수를 갖는 두 가지 이상의 금속을 일정한 비율로 조합(combination)하여 공증착((co-deposition)하여 형성한다.

이때, 고 반사율을 갖는 물질로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 카드뮴(Cd), 아연(An), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo) 중 하나 이상이다.

그리고, 고 일함수(high work-function)를 갖는 물질로는 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 등이 사용되어 진다.

두 물질 이상의 조합으로 구성되는 양극(62) 물질 조합 및 그에 따른 일함수는 다음 표 1과 같다(AC2 장비 이용).

물질(조성비)	일함수(work-function)[eV]
Au	4.88
Pt	5.01
Ag:Au(9:1)	5.12
Ag:Au(8:2)	5.16
Al:Au(9:1)	4.94
Al:Au(8:2)	5.06

동시 증착 방법 이외에도 일정한 비율로 섞은 타겟(target)을 만들어 증착 또는 스퍼터링(sputtering) 방법을 사용하여 형성할 수도 있다.

도 7은 유기 EL소자에 사용되는 전극 물질의 파장(Wavelength)에 따른 반사율 증감을 나타내고 있다.

도 7에서는 전극의 조합 물질로 은(Ag)을 사용한 경우에 A, B, C, D로 나타낸 다른 여타의 물질을 사용한 경우보다 높은 반사율을 얻을 수 있음을 보이고 있다.

그리고, 도 9는 유기 EL 소자에 사용되는 전극 물질의 반사율에 따른 휘도 증가비를 나타내고 있다.

도 9에서는 전극의 조합 물질로 알루미늄(Al)을 사용한 경우에 크롬(Cr)을 조합물질로 사용한 경우보다 높은 휘도 증가비(고반사율)를 얻을 수 있음을 보이고 있다.

그리고, 상기 양극(62)상에 유기 화합물층을 형성한다.

상기 유기 화합물층은 블랙 레이어(63), 정공주입층(64), 정공수송층(65), 발광층(66), 전자수송층(67), 전자주입층(68)의 적층막으로 이루어진다.

따라서, 먼저 양극(62)상에 블랙 레이어(63)를 50~200nm 두께로 형성한다.

상기 블랙 레이어의 재료로는 감광성 물질, 순수 하이드로카본(hydrocarbon)계 물질, 광흡수성 촉매가 들어간 바인더(binder) 형태, olefin계와 novlac계가 컴포지션(composition)된 물질, 메탈과 유기물의 공증착 형태 중 어느 하나를 이용한다.

이어, 상기 블랙 레이어(63)상에 정공 주입층(64)을 형성한다.

이때, 정공주입층(32)으로는 Cr, Ni, Ag:Au를 사용하여 0.5~2nm 정도 형성한다.

그 다음 정공 주입층(64)상에 정공 수송층(65)을 형성한다. 상기 정공 수송층(65)은 NPD(4,4-bis[N-(1-naphthy1)-N-pheny1-amino]bipheny1)을 35nm 정도로 형성한다.

이어, 상기 정공 수송층(65)상에 발광층(66)을 형성한다. 이때, 녹색 발광의 경우 발광층을 만들기 위해 Alq₃(8-hydroxyquinoline aluminum)에 Co6을 1% 정도 도 핑하여 25nm 정도로 형성한다.

그 다음 발광층(66)상에 전자 수송층(67)과 전자 주입층(68)을 차례로 형성한다. 전자 수송층(67)으로는 Alq₃(8-hydroxyquinoline aluminum)을 35nm 정도 입혀 형성하고, 전자 주입층(68)으로는 Li2O를 0.5nm 정도 입혀 형성하여 유기 화합물층을 완성한다.

이어서, 투명 음극(cathode)을 형성하기 위하여 Ag층(69)을 10nm 정도 형성하고, 그 위에 투과율이 높은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)를 2000Å의 두께로 형성하여 음극(70)을 만든다.

이어, 상기 음극(70) 상에 가스, 수분 등의 투과를 막기 위한 보호층(71)을 형성한다.

상기 보호막(71)은 단층으로 형성할 수도 있고, 다층으로 형성할 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 다층 보호막을 예로 들었다.

우선, 제 1 보호막으로 ICP-CVD를 사용하여 CF₄와 실록산(Siloxane) 유도체를 사용한 하이브리드 폴리머(hybrid polymer)층을 0.5~3㎛ 정도 증착한다.

그리고, 제 2 보호막으로는 제 1 보호막위에 SiO_xN_y를 1~100nm로 코팅하여 형성한다.

제 3 보호막으로는 중합체(oligomer)를 광개시제와 진공증착하여 필름 스트레스(film stress)를 줄일 수 있는 막을 형성한다. 여기에 사용되는 중합체(oligomer)는 부타디엔(butadiene)계를 주로 사용한다.

이때, 제 1 내지 제 3 보호막은 기본적으로 투명(transparent)하여야 하며, 중합체(oligomer)나 폴리머(polymer) ,SiO2, SiOxNy, SiN, Al2O3, Al:Ti, SrO와 같은 산화막이나 금속막으로 층층히 형성되며, 동시 증착으로 형성할 수 있다.

이어서 탑 에미션의 경우 광효율 증가를 위한 커버링층을 형성한다. 이때, 커버링층으로는 글래스(glass) 또는 필름(film)을 사용하며 필름(film) 사용시 출력 특성(output-coupling) 향상을 위해 마이크로렌즈 어레이 필름(micro-lens array film)을 사용한다. 이를 도 8a와 도 8b에 나타내었다.

상기와 같은 본 발명의 유기 EL 소자는 다음과 같은 효과가 있다.

외부광에 대한 반사를 막기 위해 폴라라이저 대신 블랙 레이어를 구성하여 폴라라이저를 이용하는 경우에 광원을 50% 이상 저하시켰던 문제를 해결할 수 있다.

따라서, 고효율 및 고휘도의 소자 제작이 가능해 진다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims

유기 EL 소자에 있어서,

기판 상에 형성되는 양극과;

상기 양극 상에 형성되는 것으로, 상기 소자의 외부광에 대한 반사를 막는 블랙 레이어와;

상기 블랙 레이어 상에 형성되는 유기 발광층과;

상기 유기 발광층 상에 형성되는 음극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
제 1항에 있어서,

상기 유기 발광층과 음극 사이에는 Ag층이 구성되는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
제 1항에 있어서,

상기 블랙 레이어는 감광성 물질, 순수 하이드로카본(hydrocarbon)계 물질, 광흡수성 촉매가 들어간 바인더(binder) 형태, olefin계와 novlac계가 컴포지션(composition)된 물질, 메탈과 유기물의 공증착 형태 중 어느 하나를 재료로 하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
제 3항에 있어서,

상기 블랙 레이어의 재료로 사용되는 메탈과 유기물의 공증착 형태에서 메탈로는 Ag, Al, Ni, Cr, Au를 사용하고 유기물로는 하이드로카본(hydrocarbon)과 하이브리드(hybride) 물질을 사용하여 구성하는 특징으로 하는 유기 EL 소자.
제 1항에 있어서,

상기 블랙 레이어는 50~200nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.