KR100700658B1 - 유기전계발광소자 - Google Patents
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Abstract
유기전계발광소자를 제공한다. 상기 유기전계발광소자는 기판 상에 형성된 애노드전극, 상기 애노드전극 상에 형성된 적어도 유기발광층을 구비하는 유기기능막 및 상기 유기기능막 상에 형성된 캐소드전극을 포함하며, 상기 캐소드전극은 알칼리 메탈 할라이드(alkali metal halide)층, Al층 및 금속층이 순차적으로 적층된 3층 구조를 이룬다. 이로써, 전류 주입 특성을 향상시키고 구동전압을 낮추며, 소자의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
캐소드전극, 알칼리 메탈 할라이드(alkali metal halide)
Description
도 1은 종래 기술에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 유기전계발광소자 110, 210 : 애노드전극
120, 220 : 유기기능막 130, 230 : 캐소드전극
123, 223 : 유기발광층 124, 224 : 전자수송층
본 발명은 유기전계발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3층 구조를 이루는 캐소드전극을 구비하는 유기전계발광소자에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 유기전계발광소자(100)은 크게 애노드전극(110), 유기기능막(120) 및 캐소드전극(130)으로 이루어진다.
기판(10) 상에 애노드전극(110)이 위치한다. 상기 기판(10)은 상기 애노드전극(110)에 접속하는 적어도 하나의 박막트랜지스터(미도시)를 구비할 수 있다.
상기 애노드전극(110) 상에 유기발광층(123)을 포함하는 유기기능막(120)이 위치한다. 상기 유기 기능막(120)은 그 기능에 따라 여러 층으로 구성될 수 있는바, 정공주입층(121), 정공수송층(122), 유기발광층(123), 전자수송층(124) 및 전자주입층(125)이 순차적으로 위치한다.
상기 유기 기능막(120) 상에 캐소드전극(130)이 위치한다.
상기 애노드전극(110)과 상기 캐소드전극(130) 간에 전압을 인가하면 정공은 상기 애노드전극으로부터 상기 정공주입층(121)으로 주입되고, 상기 정공수송층(122)을 통하여 상기 유기발광층(123) 내로 수송된다.
또한, 전자는 상기 캐소드전극(130)으로 부터 상기 전자주입층(125)으로 주입되고, 주입된 전자는 상기 전자수송층(124)을 통하여 상기 유기발광층(123) 내로 수송된다.
상기 유기발광층(123) 내로 수송된 정공과 전자는 상기 유기발광층(123)에서 결합하여 엑시톤(exiton)을 생성하고, 이러한 엑시톤이 여기상태에서 기저상태로 전이하면서 빛을 방출한다.
이 때, 상기 캐소드전극(130)은 상기 유기발광층(123)으로 전자를 용이하게 주입하기 위해서 낮은 일함수를 가질 것이 요구된다. 이를 만족하는 물질에는 3.46eV의 일함수를 갖는 마그네슘이 있다. 그러나, 마그네슘은 외부의 산소나 수분과 반응성이 높아 안정한 유기전계발광소자를 구현할 수 없는 단점이 있다.
이를 해결하기 위해, 탕 등(Tang, et al.)은 미국특허 제 4,885,211호에 "개선된 캐소드전극을 갖는 유기전계발광소자(Electroluminescence device with improved cathode)"를 개시한 바 있다. 상기 미국특허에 따르면, 마그네슘-은 합금(magnesium-silver; MgAg)을 사용하여 캐소드전극을 형성함으로써, 주위 환경에 대한 안정성(ambient stability)이 높은 캐소드를 구현할 수 있다. 그 결과, 수명특성이 양호한 유기전계발광소자를 얻을 수 있다. 그러나, 은은 일함수가 4.28eV정도로 비교적 높아서, 마그네슘-은 합금 캐소드전극의 전자주입특성은 마그네슘의 그것에 비해 열등할 수 있다.
이를 해결하기 위해, 헝 등(Hung, et al.)은 미국특허 제 5,776,622호에 "유기전계발광소자에 사용하기 위한 두 층의 전자주입전극 (Bilayer eletron-injeting electrode for use in an electroluminescent device)"을 개시한 바 있다. 상기 미국특허에 따르면, 전자수송층(electron transporting layer; Alq) 상에 불화리튬(lithium fluoride; LiF)막을 적층하고, 상기 LiF 막 상에 MgAg 막을 적층함으로써, LiF/MgAg 이중층의 캐소드를 형성하였다. 상기 LiF/MgAg 이중층의 캐소드전극은 MgAg 단일층의 캐소드전극에 비해 전자주입 특성이 향상될 수 있다.
그러나, 상기 LiF/MgAg 이중층의 캐소드전극을 사용하는 경우 구동전압이 높아지며, 소자의 수명 특성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전자 주입을 원활하게 하여 전류 주입 특성을 향상시키고 구동전압을 낮추며, 소자의 수명 특성을 향상시키는 유기전계발광소자를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 유기전계발광소자를 제공한다. 상기 유기전계발광소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 적어도 유기발광층을 구비하는 유기기능막; 및 상기 유기기능막 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며, 상기 제 2 전극은 알칼리 메탈 할라이드(alkali metal halide)층, Al층 및 금속층이 순차적으로 적층된 3층 구조를 이룬다. 상기 제 1 전극은 애노드전극이고, 상기 제 2 전극은 캐소드전극일 수 있다. 이로써, 전류 주입 특성을 향상시키고 구동전압을 낮추며, 소자의 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 캐소드전극의 알칼리 메탈 할라이드층은 LiF로 이루어질 수 있으며, 상기 LiF층의 두께는 0.1nm 내지 2nm인 것이 바람직하다.
상기 캐소드전극의 Al층의 두께는 0.1 내지 2nm인 것이 바람직하다.
상기 캐소드전극의 금속층은 Ag, Ca, Ca/Ag 및 Mg/Ag로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 유기기능막은 상기 캐소드전극과 상기 유기발광층 사이에 개재된 전자주입층, 전자수송층 또는 전자주입층과 전자수송층을 더욱 포함할 수 있다. 이때, 상기 전자수송층은 PBD, TAZ, spiro-PBD, Alq3, BAlq 및 SAlq로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 유기기능막은 상기 애노드전극과 상기 유기발광층 사이에 개재된 정공주입층, 정공수송층 또는 정공주입층과 정공수송층을 더욱 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 유기전계발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유기전계발광소자(200)는 기판(20) 상에 형성된 제 1 전극(210), 제 2 전극(230) 및 상기 전극들 사이에 위치하는 유기기능막(220)으로 이루어진다. 상기 제 1 전극(210)은 애노드전극이고, 상기 제 2 전극(230)은 캐소드전극일 수 있다.
상세히 살펴보면, 기판(20) 상에 애노드전극(210)이 위치한다. 상기 기판(20)은 상기 애노드전극(210)에 접속하는 적어도 하나의 박막트랜지스터(미도시)를 구비할 수 있다.
상기 애노드전극(210)은 투명전극 또는 반사전극일 수 있다. 상기 애노드전극(210)이 투명전극인 경우, 상기 애노드전극(210)은 ITO(Indium Tin Oxide)막, IZO(Indium Zinc Oxide)막, TO(Tin Oxide)막 또는 ZnO(Zinc Oxide)막일 수 있다. 상기 애노드전극(210)가 반사전극인 경우 상기 애노드전극(210)는 은(Ag)막, 알루미늄(Al)막, 니켈(Ni)막, 백금(Pt)막, 팔라듐(Pd)막 또는 이들의 합금막 또는 이들의 합금막 상에 ITO, IZO, TO 또는 ZnO의 투과형 산화막이 적층된 구조일 수 있다.
상기 애노드전극(210)를 형성하는 것은 스퍼터링(sputtering)법 및 증발(evaporation)법과 같은 기상증착(vapor phase deposition)법, 이온 빔 증착(ion beam deopsition)법, 전자 빔 증착(electron beam deposition)법 또는 레이저 어블레이션(laser ablation)법을 사용하여 수행할 수 있다.
상기 애노드전극(210) 상에 유기기능막(220)이 위치한다. 상기 유기기능막(220)은 적어도 유기발광층(223)을 포함한다. 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 유기기능막(220)이 정공주입층(221), 정공수송층(222), 유기발광층(223), 전자수송층(224) 및 전자주입층(225)이 순차적으로 적층된 구조를 예시하고 있다. 그러나, 반드시 이에 한하지 않고, 상기 정공주입층(221) 및 정공수송층(222) 중 어느 하나의 층을 생략하여 형성할 수 있으며 또한, 복수의 층으로 형성할 수도 있다. 즉, 상기 유기기능막(220)을 이룰 수 있는 여러층들은 그 일부를 생략하여 형성하거나 복수층으로 형성하는 등 필요에 따라 다양한 적층구조를 형성할 수도 있다.
상기 애노드전극(210) 상에 정공주입층(221)이 위치한다. 상기 정공주입층(221)은 상기 유기발광층(223)으로의 정공의 주입을 용이하게 하는 층으로서, CuPc(cupper phthalocyanine), TNATA, TCTA, TDAPB, TDATA와 같은 저분자재료 또는 PANI(polyaniline), PEDOT(poly(3,4)-ethylenedioxythiophene)와 같은 고분자재료를 사용하여 형성할 수 있다.
상기 정공주입층(221) 상에 정공수송층(222)이 위치한다. 상기 정공수송층(222)은 상기 유기발광층(223)으로의 정공의 수송을 용이하게 하는 층으로, N PD(N,N'-dinaphthyl-N,N'-diphenyl benzidine), TPD (N,N'-Bis-(3-methylphenyl)- N,N'-bis-(phenyl)-benzidine), s-TAD, MTDATA(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine)와 같은 저분자재료 또는 PVK와 같은 고분자재료를 사용하여 형성할 수 있다.
상기 정공주입층(221) 및 정공수송층(222)은 진공증착법, 스핀코팅법 및 잉크-젯(ink-jet)법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 정공수송층(222) 상에 유기발광층(223)이 위치한다. 상기 유기발광층(223)은 인광발광층 또는 형광발광층일 수 있다. 상기 유기발광층(223)이 형광발광층인 경우, 상기 유기발광층(223)은 Alq3(8-trishydroxyquinoline aluminum), 디스티릴아릴렌(distyrylarylene; DSA), 디스티릴아릴렌 유도체, 디스티릴벤젠(distyrylbenzene; DSB), 디스티릴벤젠 유도체, DPVBi(4,4'-bis(2,2'-diphenyl vinyl) -1,1'-biphenyl), DPVBi 유도체, 스파이로-DPVBi 및 스파이로-6P(spiro-sexyphenyl)로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 물질을 포함할 수 있다. 더 나아가서, 상기 유기발광층(223)은 스티릴아민(styrylamine)계, 페릴렌(pherylene)계 및 DSBP(distyrylbiphenyl)계로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 도펀트 물질을 더욱 포함할 수 있다.
이와는 달리, 상기 유기발광층(223)이 인광발광층인 경우, 상기 유기발광층(223)은 호스트 물질로서 아릴아민계, 카바졸계 및 스피로계로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 호스트 물질은 CBP(4,4 -N,N dicarbazole- biphenyl), CBP 유도체, mCP(N,N -dicarbazolyl-3,5-benzene) mCP 유도체 및 스피로계 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 물질이다. 이에 더하여, 상기 유기발광층(223)은 도판트 물질로서 Ir, Pt, Tb, 및 Eu로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 중심금속을 갖는 인광유기금속착체를 포함할 수 있다. 더욱, 상기 인광유기금속착제는 PQIr, PQIr(acac), PQ2Ir(acac), PIQIr(acac) 및 PtOEP로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
풀칼라 유기전계발광소자의 경우, 상기 유기발광층(223)을 형성하는 것은 고정세 마스크를 사용한 진공증착법, 잉크젯 프린트법 또는 레이저 열전사법을 사용하여 수행할 수 있다.
상기 유기발광층(223) 상에 정공저지층(hole blocking layer, HBL)이 위치할 수 있다. 그러나, 상기 정공저지층은 상기 유기발광층(223)이 형광발광층인 경우 생략될 수 있다. 상기 정공저지층은 유기전계발광소자의 구동과정에 있어 상기 유기발광층(223)에서 생성된 엑시톤이 확산되는 것을 억제하는 역할을 한다. 이러한 정공저지층은 Balq, BCP, CF-X, TAZ 또는 스피로-TAZ를 사용하여 형성할 수 있다.
상기 유기발광층(223) 상에 전자수송층(electron transport layer, ETL; 224)이 위치한다. 상기 전자수송층(224)은 상기 유기발광층(223)으로의 전자의 수송을 용이하게 하는 층으로 예를 들어, PBD, TAZ, spiro-PBD와 같은 고분자재료 또는 Alq3, BAlq, SAlq와 같은 저분자재료를 사용하여 형성할 수 있다.
상기 전자수송층(224) 상에 전자주입층(electron injecting layer, HTL: 225)을 형성할 수 있다. 상기 전자주입층은 상기 유기발광층(223)으로의 전자의 주 입을 용이하게 하는 층으로 예를 들어, Alq3(tris(8-quinolinolato)aluminum) , LiF(Lithium Fluoride), 갈륨 혼합물(Ga complex), PBD를 사용하여 형성할 수 있다.
한편, 상기 전자수송층(224)과 상기 전자주입층(225)을 형성하는 것은 진공증착법, 스핀코팅법, 잉크젯 프린트법 또는 레이저 열 전사법을 사용하여 수행할 수 있다.
이로써, 정공주입층(221), 정공수송층(222), 유기발광층(223), 전자수송층(224) 및 전자주입층(225)은 유기기능막(220)을 형성한다.
상기 유기기능막(220) 상에 캐소드전극(230)이 위치한다. 상기 캐소드전극(230)은 3층 구조를 이루고 있다. 즉, 본 발명에서는 상기 캐소드전극(230)을 알칼리 메탈 할라이드층(231), Al층(232) 및 금속층(233)을 순차적으로 적층한 3층 구조로 형성하고 있다.
상세히 살펴보면, 상기 알칼리 메탈 할라이드층(231)은 LiF를 사용하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 LiF층의 두께는 0.1nm 내지 2nm가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. LiF층이 0.1 nm 이하일 경우 전자주입특성이 저하되며, 2 nm 이상일 경우 절연층을 형성하여 구동전압이 상승하는 문제점이 있다.
상기 LiF층(231) 상에 Al층(232)을 형성한다. 상기 Al층(232)은 0.1 nm 내지 2 nm가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
0.1 nm 이하일 경우 LiF에 의한 전자주입 개선특성을 얻기 어려우며, 2 nm 이상일 경우 투과율이 저하되어 바람직하지 못하다.
상기 LiF층(231) 및 Al층(232)은 상기한 바와 같이 얇은 박막으로 형성되므로, 상기 캐소드전극(230)으로부터 상기 전자수송층(224)으로의 전자 주입을 원활하게 해준다.
기존의 투명전극인 Ag 또는 Mg:Ag를 사용할 경우 전자수송층과의 에너지 장벽이 0.7 eV 이상인데 반하여 LiF/Al의 층을 사용할 경우 에너지 장벽이 감소되어 전자의 주입이 원활해진다.
상기 Al층(232) 상에 금속층(233)을 형성한다. 상기 금속층(233)은 반투명 금속으로 형성하는 것이 바람직하며, 투과도 및 반사도를 조절하는 역할을 한다.
이러한 특성을 갖는 상기 금속층(233)으로 Ag, Ca, Ca/Ag 및 Mg/Ag로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 캐소드전극(230)을 LiF층(231), Al층(232) 및 금속층(233)으로 구성된 3층 구조로 형성하므로써, 상기 전자수송층(224)으로의 전자 주입이 향상되고, 소자의 수명 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 소자의 구동전압을 낮출 수가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 제시한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일뿐, 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 3
실시예 1에서는 유기전계발광소자의 전극으로 Al/ITO를 사용하고, 정공수송층으로 NPD(N,N'-dinaphthyl-N,N'-diphenyl benzidine)를 50 nm의 두께로 진공증착 하였다. 유기발광층으로 Alq3(8-trishydroxyquinoline aluminum)를 50 nm의 두께로 증착하였다. 상기 유기발광층 상에 Alq3를 추가로 20 nm 전자수송층을 형성하고, 캐소드전극으로서 LiF/Al을 0.3/0.1 nm의 두께로 증착하였다. 이후, Ag를 20 nm의 두께로 증착하고 유리 및 게터(getter)를 이용하여 봉지하여 유기전계발광소자를 제작하였다.
이하, 실시예 2에서는 상기 실시예 1에서 Al의 두께를 0.2nm인 것만을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기전계발광소자를 제작하였고, 실시예 3에서는 Al의 두께가 0.3nm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기전계발광소자를 제작하였다.
비교예
유기전계발광소자의 전극으로 Al/ITO를 사용하고, 정공수송층으로 NPD(N,N'-dinaphthyl-N,N'-diphenyl benzidine)를 50 nm의 두께로 진공증착하였다. 유기발광층으로 8-trishydroxyquinoline aluminum(Alq3)을 50 nm의 두께로 증착하였다. 상기 유기발광층 상에 Alq3를 추가로 20 nm전자수송층을 형성하고, 전자주입층으로서 LiF를 0.3 nm의 두께로 증착하였다. 이후, Ag를 20 nm의 두께로 증착하고 유리 및 게터(getter)를 이용하여 봉지하여 유기전계발광소자를 제작하였다.
이상과 같이, 실시예 1 내지 3 및 비교예에서 제작된 유기전계발광소자의 구동 전압 및 수명을 측정하여 표 1에 도시하였다.
| LiF의 두께(nm) | Al의 두께(nm) | Ag의 두께(nm) | 구동전압 | 수명(시간) | |
| 비교예 | 0.3 | 0 | 20 | 8.5V | 120 |
| 실시예 1 | 0.3 | 0.1 | 20 | 6.2V | 510 |
| 실시예 2 | 0.3 | 0.2 | 20 | 6.0V | 500 |
| 실시예 3 | 0.3 | 0.3 | 20 | 6.0V | 540 |
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 캐소드전극을 LiF층, Al층 및 금속층으로 구성된 3층 구조로 형성하므로써 전자 주입을 원활하게 한다. 이로써, 전류 주입 특성을 향상시키고 유기전계발광소자의 수명을 향상시키는 이점을 제공한다.
또한, 발광효율을 저하시키지 않으면서 구동전압을 낮출 수 있는 이점을 제공한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다.
Claims (9)
- 기판;상기 기판 상에 형성된 제 1 전극;상기 제 1 전극 상에 형성된 적어도 유기발광층을 구비하는 유기기능막; 및상기 유기기능막 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며,상기 제 2 전극은 알칼리 메탈 할라이드(alkali metal halide)층, Al층 및 금속층이 순차적으로 적층된 3층 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 전극은 애노드전극이고, 상기 제 2 전극은 캐소드전극인 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 캐소드전극의 알칼리 메탈 할라이드층은 LiF로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 LiF층의 두께는 0.1nm 내지 2nm인 것을 특징으로 하는 유기전계발광소 자.
- 제 2 항에 있어서,상기 캐소드전극의 Al층의 두께는 0.1 내지 2nm인 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 캐소드전극의 금속층은 Ag, Ca, Ca/Ag 및 Mg/Ag로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 유기기능막은 상기 캐소드전극과 상기 유기발광층 사이에 개재된 전자수송층, 전자주입층 또는 전자수송층과 전자주입층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
- 제 7 항에 있어서,상기 전자수송층은 PBD, TAZ, spiro-PBD, Alq3, BAlq 및 SAlq로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 유기기능막은 상기 애노드전극과 상기 유기발광층 사이에 개재된 정공주입층, 정공수송층 또는 정공주입층과 정공수송층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
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