KR100565636B1 - 유기 ｅｌ 소자 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 전계 발광 소자의 음극상에 인장응력을 갖는 숏트 방지층을 구성하는 기술로, 발광셀이 터질 경우에도 숏트 방지층의 인장응력에 의하여 음극이 녹아 내리거나 유기층 쪽으로 휘어지지는 현상을 방지할 수 있으므로 "죽은 픽셀(dead pixel)", "다크 스폿(dark spot)" 및 "라인 페일(line fail)"을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 유기 EL 소자의 신뢰성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
유기 EL, 숏트, 숏트 방지층, 인장응력, 신뢰성
Description
도 1은 종래 기술에 따른 유기 EL 소자의 구조를 나타낸 도면
도 2는 종래 기술에 따른 유기 EL 소자에서 발광셀이 터졌을 경우의 상태를 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 구조를 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 유기 EL 소자에서 발광셀이 터졌을 경우의 상태를 나타낸 도면
도 5(a), (b)는 상온에서 크롬 박막을 증착할 때 파워 및 압력 변화에 따른 기판의 인장응력 변화를 나타낸 도면
**도면의 주요 부분에 대한 부호 설명**
21 : 기판 22 : 양극
23 : 유기층 23a : 정공 주입층
23b : 정공 수송층 23c : 발광층
23d : 전자 수송층 24 : 음극
25 : 숏트 방지층
본 발명은 유기 전계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광셀이 터질 경우에도 양극과 음극이 숏트되는 현상을 방지할 수 있는 유기 EL 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
유기 재료의 전계발광(Electro-luminance)을 이용한 유기 EL 소자는 하부 전극과 상부 전극과의 사이에 유기 전공수송층이나 유기 발광층을 적층시킴으로써 저전압 직류 구동에 의한 고휘도 발광이 가능하게 한 발광소자로서 주목받고 있다.
특히, 바텀 이미션(Bottom emission) 방식의 유기 EL 소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(11)위에 형성된 양극(12)과, 상기 양극(12)상에 형성되며 1층 이상의 유기물로 이루어진 유기층(13), 상기 유기층(13)상에 적층되며 전자 주입 역할 및 발광된 빛을 반사시키는 역할을 하는 음극(14)으로 구성된다.
상기 양극(12)으로는 흔히 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 물질을 이용한다.
상기 유기층(13)은 예를 들어, 정공주입층(Hole Injunction Layer : HIL)(13a), 정공수송층(Hole Transport Layer : HTL)(13b), 발광층(Emitting layer)(13c), 전자수송층(13d)의 적층막으로 구성한다.
상기한 구조를 갖는 유기 EL 소자의 양극(12)과 음극(14)에 각각 직류전원의 (+) 단자와 (-) 단자를 연결하면, 양극(12)에 의해 정공 주입층(13a)으로부터 주입된 정공이 정공수송층(13b) 지나 발광층(13c)으로 이동하게 된다.
한편, 음극(14)으로부터 주입되는 전자는 전자 수송층(13d)을 지나 발광층(13c)으로 이동하는데, 발광층(13c)으로 이동한 전자와 정공은 서로 결합하여 빛을 발생시킨다.
그리고, 상기 발광층(13c)에서 발생된 빛은 도면에 도시된 바와 같이, 양극(12)을 통해 외부로 직접 방출되거나, 음극(14)에서 반사되어 양극(12)을 통해 외부로 방출되게 된다.
이상에서는 상기 유기 EL 소자가 불량이 없는 정상적인 상태인 경우에 대해서 설명하였다. 정상적인 상태에서 유기 EL 소자의 음극(14)은 전자주입 역할, 반사막 역할, 저항 감소 역할을 하고 있다.
그러나, 도 2에 도시한 바와 같이 발광셀(cell)이 터질 경우에는 음극(14)은 유기층(13)쪽으로 휘어지거나, 발광셀이 터질 때 발생되는 열로 인해 아래로 녹아 내리면서 A 부분에서와 같이 양극(12)과 숏트(short)될 확률이 커진다.
일반적으로 유기 EL 소자는 구동 방식에 따라서 능동형 소자(Active Matrix device)와 수동형 소자(Passive Matrix Device)로 나눌 수 있는데, 음극(14)과 양극(12)간의 숏트 발생은 능동형 소자에서는 "죽은 픽셀(dead pixel)"로 나타나 숏트가 발생된 해당 픽셀을 사용할 수 없게 만들고, 수동형 소자에서는 "라인 페일(line fail)"로 나타나 해당 픽셀이 포함된 라인을 사용할 수 없게 만든다.
그 결과, 유기 EL 소자는 신뢰성이 저하되게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 발광셀 부 분이 터지는 경우에 음극과 양극이 숏트되는 현상을 방지할 수 있는 유기 EL 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 음극과 양극간 숏트 발생으로 인한 "죽은 픽셀(dead pixel)" 및/또는 "라인 페일(Line Fail)" 을 막을 수 있는 유기 EL 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 유기 EL 소자의 신뢰성을 개선하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기 EL 소자는 기판상에 양극, 유기층 및 음극이 적층되어 구성된 유기 전계 발광 소자에 있어서, 상기 음극상에 인장응력을 갖는 숏트 방지층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 숏트 방지층은 상기 음극을 구성하는 물질보다 녹는점이 높은 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 숏트 방지막은 증착하기 쉽고 열전도율이 좋은 금속으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 숏트 방지층은 Cr, Mo, Ni, Ti, Co, Ag, Au, Al, Pt, Pd의 금속 중 어느 한 가지 또는 두 가지 이상이 포함된 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 양극과 음극 사이에 형성된 유기층의 발광에 의해 구동되는 유기 전계 발광 소자의 제조방법에 있어서, 상기 음극상에 인장응력을 갖는 숏트 방지층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 숏트 방지층을 저항 가열법, E-빔(beam)법, 스퍼터(sputter)법 중 어느 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 숏트 방지층을 상기 음극을 구성하는 물질보다 녹는점이 높은 물질을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 숏트 방지막은 증착하기 쉽고 열전도율이 좋은 금속을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 숏트 방지층을 Cr, Mo, Ni, Ti, Co, Ag, Au, Al, Pt, Pd의 금속 중 어느 한 가지 또는 두 가지 이상이 포함된 물질을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 유기층이 손상되지 않는 온도 범위내에서 상기 숏트 방지층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 숏트 방지층을 80℃ 이하에서 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 숏트 방지막을 스퍼터법으로 형성하는 경우에 0.5~10mTorr 입력, 0.1~8W/㎠의 파워 밀도(power density), -500~0V의 기판 바이어스(bias)의 조건으로 공정을 진행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 발광 셀 부분이 터졌을 경우 음극이 유기층 쪽으로 녹아 내리거나 파고 들어가 양극과 숏트(short)되는 현상을 방지하기 위하여 인장응력을 지니는 숏트 방지층을 음극상에 형성하는 기술로, 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 단면 구성도로, 기판(21)상에 양극(22)이 형성되고, 상기 양극(22)상에 1층 이상의 유기물로 이루어진 유기층(23)이 형성된다.
상기 양극(22)의 재료로는 흔히 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 물질을 이용하며, 상기 유기층(23)은 정공주입층(Hole Injunction Layer : HIL)(23a), 정공수송층(Hole Transport Layer : HTL)(23b), 발광층(Emitting layer)(23c), 전자수송층(23d)의 적층막으로 구성한다.
그리고, 상기 유기층(23)상에 전자 주입 역할, 발광층(23c)에서 발광된 빛을 반사시키는 역할 및 저항 감소 역할을 하는 음극(24)이 형성되고, 상기 음극(24)상에 인장응력을 갖는 숏트 방지층(25)이 형성된다.
이때, 상기 음극(24)과 숏트 방지층(25)의 적층막은 기존의 음극이 갖는 기능(전자주입 역할, 반사막 역할, 저항 감소 역할)을 모두 가지며 여기에 인장응력을 추가적으로 부여된 것으로써, 상기 음극(24)과 숏트 방지층(25)의 적층막을 "확장된 의미의 음극"이라 볼 수 있다.
상기 숏트 방지층(25)으로는 Cr, Mo, Ni, Ti, Co, Ag, Au, Al, Pt, Pd 등의 금속 성분들이 한가지 또는 두 가지 이상이 포함된 물질을 사용하며, 그 형성 방법은 저항가열법, E-빔(beam)법, 스퍼터(sputter)법 중 어느 하나를 이용한다.
스퍼터법을 이용할 경우에는 하층의 유기층(23)에 데미지(damage)를 주지 않 도록 압력, 파워 밀도(power density), 기판 바이어스(bias), 온도의 범위를 적절히 조절한다. 0.5~10mTorr의 압력, 0.1~8W/㎠의 파워 밀도(power density), -500~0V의 기판 바이어스(bias), 80℃ 이하의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 숏트 방지층(25)의 응력상태가 인장응력이므로 하부의 음극(24)에 영향을 주게 된다.
그 결과, 도 4에 도시된 바와 같이 발광 셀 부분이 터질 경우, 음극(24)은 숏트 방지층(25)의 인장응력의 영향을 받아 유기층(23)의 반대쪽으로 휘어지게 된다.
따라서, 양극(22)과 음극(24)이 서로 숏트되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 음극(24)이 숏트 방지층(25)의 인장응력을 받아 유기층(23) 반대쪽으로 휘어져 소자 위쪽이 벌어지게 되는데, 이 부분을 통해서 발광셀이 터질 때 발생되는 열이 빠르게 외부로 방출되게 된다.
그 결과, 발광셀이 터질 때 발생되는 열로 인해 음극(24)이 녹아서 양극(22)과 접촉하거나 유기층(23)을 손상시키는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 숏트 방지층(25)의 인장응력이 음극(24)에 영향을 주어 음극(24)에 발생하는 힐럭(hillock) 형성을 억제시키는 작용을 한다.
그 결과, "죽은 픽셀(dead pixel)", "다크 스폿(da가 spot)", "라인 페일(Line Fail)" 등의 문제가 발생할 확률을 감소시킬 수 있게 된다.
다음에 상기 숏트 방지층(25)의 증착 조건에 따른 인장응력 변화를 살펴보면 다음과 같다. 여기서는 크롬(Cr)을 재료로 숏트 방지층(25)을 형성하는 경우에 대 해서 살펴보겠다.
실리콘(Si) 기판위에 크롬(Cr) 박막을 DC 스퍼터(sputter) 장비를 이용하여 약 1500Å의 두께로 증착하고, 크롬 박막 증착전, 후의 기판의 곡률을 측정하므로써 응력을 계산하였다.
도 5(a), (b)는 DC 마그네트론 스퍼터(magnetron sputter) 장비를 이용하여 상온에서 증착 파워(power) 및 압력을 변화시키면서 크롬 박막을 증착할 때 기판의 인장응력 변화를 측정한 그래프이다.
먼저, 도 5(a)를 보면, 0.6mTorr의 아르곤(Ar) 분위기에서 200W에서는 1.3GPa의 인장응력을 나타내다가, 640W에서는 1GPa 이하의 인장응력을 나타낸다. 즉, 파워(power)가 증가함에 따라서 인장응력이 감소됨을 확인할 수 있다.
또한, 도 5(b)를 보면, 상온 640W의 일정한 파워(power) 조건 하에서 압력이 0.6mTorr에서 10mTorr로 증가함에 따라 박막의 인장응력이 약간 증가했다가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
통상, 증착시 압력을 증가시키거나 증착 파워(power)를 감소시키면 압축응력에서 인장응력으로 바뀌게 되는데, 이를 상기 도 5(a), (b)의 실험 데이터와 비교해 보면 파워(power)의 변화에 대해서는 일치하였으나, 압력의 변화에 대해서는 일치하지 않았다.
상기 실험 결과로 얻은 그래프와 일반적인 사실간의 불일치는 상기 실험에서 숏트 박막층으로 사용된 크롬의 고유한 특성 때문으로, Misa등의 결과와 비슷하게 나타난 것으로 보아 상기 실험이 신뢰성을 갖는 것으로 판단된다.
그리고, 상기 크롬 박막이 인장응력을 갖는 윈도우(window)가 넓은데 착안하여 상기 크롬 박막을 숏트 방지막으로 적용해 유기 EL 소자를 실제로 제작해 보았다.
그 결과, 숏트 방지막을 적용하지 않았을 때보다 다크 스폿(dark spot)의 개수가 절반(1/2) 정도로 감소하였으며, 라인 페일(line fail)이 처음으로 발생한 시간이 520 시간에서 1000 시간으로 대략 2배 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
이런 개선 원인으로는 앞에서 설명한 바와 같이 숏트 방지층으로 사용한 크롬 박막의 인장응력으로 인하여 발광셀의 일부분이 터졌을 경우에도 단순히 음극이 오픈(open)만 될 뿐, 양극과 음극 사이가 쉽게 숏트되지 않기 때문이며, 또한 열을 효과적으로 외부로 빼낼 수 있기 때문으로 판단된다.
그리고, 숏트 방지막이 음극에서 형성되는 힐럭(hillock)의 형성을 억제할 수 있고, 숏트 방지막 증착시 크롬 원자의 물리적인 에너지로 인하여 아래쪽의 음극과 유기층의 접합력이 개선되었기 때문으로 판단된다.
본 발명을 실제 유기 EL 소자를 제조하는데 적용함 있어서, 형성된 숏트 방지막이 인장응력을 나타낼 수만 있다면 저항가열법, E-빔(beam) 및 스퍼터(sputter)법 중 어떤 방법을 사용해도 무방하다.
기판의 온도는 상온에서부터 유기층에 데미지(damage)를 주지 않는 범위의 온도까지 올려도 무방하나, 80℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
특히, 숏트 방지막을 스퍼터법을 이용하여 증착하는 경우에는 유기층이 손상을 입지 않는 조건으로 파워 및 압력을 조절하고, 기판에 가하는 바이어스(bias) 역시 유기층이 손상을 입지 않는 범위 안에서 조절해야 한다. 0.5~10mTorr의 압력, 0.1~8W/㎠의 파워 밀도(power density), -500~0V의 기판 바이어스(bias)로 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 숏트 방지막의 재료로는 상기 음극보다 녹는점이 높고, 형성된 숏트 방지막이 위의 조건 하에서 인장응력을 나타낼 수만 있다면 어떤 물질이어도 무방하나, 증착하기 용이하고 열전도율이 큰 금속이 바람직하며, 발광셀이 터질 때 녹지 않고 형체를 유지하기 위하여 가능하면 녹는점이 높은 물질이 유리하다.
특히, Cr, Mo, Ni Ti, Co, Ag, Au, Al, Pt, Pd 등의 금속 중 한 가지 또는 두 가지 이상 포함된 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 유기 EL 소자는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 발광셀이 터질 경우 숏트 방지층의 인장응력에 의해 음극은 유기층의 반대쪽으로 휘어지게 되므로 양극과 숏트될 확률이 감소되게 된다. 그 결과, "죽은 픽셀", "다크 스폿", "라인 페일" 발생이 감소되어 소자의 신뢰성이 향상된다.
둘째, 음극 위쪽의 인장응력을 지니는 숏트 방지층으로 인하여 음극에서의 힐럭(hillock) 발생이 줄어들게 된다. 그 결과, "죽은 픽셀", "다크 스폿", "라인 페일" 발생이 감소되어 소자의 신뢰성이 향상된다.
셋째, 음극으로 사용되는 물질보다 녹는점이 높은 물질로 숏트 방지층을 형성하므로써 발광셀이 터질 때 음극이 녹아내려 양극과 음극이 숏트되는 확률을 감소시킬 수 있다. 그 결과, "죽은 픽셀", "다크 스폿", "라인 페일" 발생이 감소되 어 소자의 신뢰성이 향상된다.
넷째, 인장응력을 갖는 숏트 방지층으로 인해 발광셀이 터질 때 음극이 유기층 반대쪽으로 휘어져 소자 상부가 벌어져 이 부분을 통해 열을 빠르게 방출시킬 수 있으므로 음극이 녹아내려 양극과 숏트되는 확률이 감소되다. 그 결과, "죽은 픽셀", "다크 스폿", "라인 페일" 발생이 감소되어 소자의 신뢰성이 향상된다.
다섯째, 숏트 방지층 증착시 크롬 원자의 물리적인 에너지로 인하여 아래쪽에 있는 음극과 유기층의 접합력이 개선된다. 그 결과, 소자의 수명이 증가된다.
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 (12)
- 기판상에 양극, 유기층 및 음극이 적층되어 구성된 유기 전계 발광 소자에 있어서,상기 음극상에 인장응력을 가지며, 상기 음극을 구성하는 물질보다 녹는점이 높은 물질로 이루어지는 숏트 방지층을 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 숏트 방지막은 증착하기 쉽고 열전도율이 좋은 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
- 제 3항에 있어서,상기 숏트 방지층은 Cr, Mo, Ni, Ti, Co, Ag, Au, Al, Pt, Pd의 금속 중 어느 한 가지 또는 두 가지 이상이 포함된 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
- 양극과 음극 사이에 형성된 유기층의 발광에 의해 구동되는 유기 전계 발광 소자의 제조방법에 있어서,상기 음극상에 상기 음극을 구성하는 물질보다 녹는점이 높은 물질을 이용하여인장응력을 갖는 숏트 방지층을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 숏트 방지층을 저항 가열법, E-빔(beam)법, 스퍼터(sputter)법 중 어느 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자의 제조방법.
- 삭제
- 제 5항에 있어서,상기 숏트 방지막은 증착하기 쉽고 열전도율이 좋은 금속을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
- 제 8항에 있어서,상기 숏트 방지층을 Cr, Mo, Ni, Ti, Co, Ag, Au, Al, Pt, Pd의 금속 중 어느 한 가지 또는 두 가지 이상이 포함된 물질을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 유기층이 손상되지 않는 온도 범위내에서 상기 숏트 방지층을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 숏트 방지층을 80℃ 이하에서 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상기 숏트 방지막을 스퍼터법으로 형성하는 경우에 0.5~10mTorr 입력, 0.1~8W/㎠의 파워 밀도(power density), -500~0V의 기판 바이어스(bias)의 조건으로 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자의 제조방법.
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