KR100806842B1 - 유기 반도체 발광 소자 - Google Patents

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켄지 나카무라
카즈히로 쿠도
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파이오니아 가부시키가이샤
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Abstract

유기 반도체층 및 이 반도체층에 전기적으로 접속되어 있는 제어 전극을 갖고, 상기 유기 반도체층은 제1 전극과 발광층 사이에 제공되고 상기 발광층의 발광 파장 대역 내에 흡수 대역을 갖는 발광소자.
유기 반도체층, 제어 전극, 발광층, 발광 파장 대역, 흡수 대역

Description

유기 반도체 발광 소자{ORGANIC SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE}
본 발명은, 유기 반도체 발광 소자, 특히 스위칭 기능을 갖는 유기 반도체 발광 소자와 같은 소자에 관한 것이다.
자발광 타입의, 응답 속도가 매우 빠르고 고휘도와 같은 각종 이점을 갖는 유기 일렉트로루미네슨스 소자(이하, 유기 EL 소자라 한다)의 연구 개발이 진행되어 왔다. 또한, 스위칭 기능을 갖는 유기 EL 소자가 제안되어 있다(예를 들면, 일본국 공개특허공보 특개2003-187983호 참조).
이러한 유기 EL 소자를 매트릭스 형태로 배치하여 구성되는 발광 표시 디스플레이는, 시야각이 넓고, 박형으로 소비전력도 작은 표시 장치로서 주목되고 있으며 광범위하게 개발이 진행되고 있다.
종래의 EL 소자는 수동형의 디바이스이고, 액티브 구동을 행하기 위해서는 하나의 EL소자에 적어도 2개 이상의 박막 트랜지스터(TFT) 등의 스위칭 소자, 및 적어도 하나 이상의 커패시터를 필요로 하고 있었다. 따라서, 유기 EL 소자를 사용하여 액티브 구동 디스플레이를 구성하는 경우에, 하나의 화소 내에 TFT 등의 스위칭 소자나 커패시터를 형성되어야 하기 때문에, 화소의 개구율이 저하하는 문제가 있다. 결과적으로, 충분한 휘도를 얻기 위해서는 전력 소비가 커지게 된다. 다른 문제로서는, 유기 EL 소자의 발광 수명이 짧아지게 된다.
또한, 고휘도로, 시인성이 우수한 고성능이고 저가격의 디스플레이의 실현에 적합한 유기 EL 소자가 요망되고 있다.
본 발명은, 상술한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 스위칭 기능을 갖고, 고휘도이고 고성능인 유기 반도체 발광 소자 등을 제공하는 것이다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제에는, 상기 문제가 일 예로서 포함될 수 있다.
본 발명에 의한 유기 반도체 발광 소자는, 제1 전극, 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 간에 제공된 발광층을 갖는 유기 발광 소자로서, 제1 전극과 발광층 사이에 제공되고, 발광층의 발광 파장 대역 내에 흡수 대역을 갖는 유기 반도체층과, 상기 유기 반도체층에 전기적으로 접속되어 있는 제어 전극을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
도1은, 본 발명의 제1 실시예에 의한 광 사이리스터형의 유기 EL 소자의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도2는, 게이트 전극의 일례를 나타낸 도면으로, 적층 방향에 대해 수직인 면에 있어서의 게이트 전극의 일부 평면도이다.
도3은, 게이트 전극의 다른 예를 나타낸 도면으로, 게이트 전극이 유기 반도체층내에 매립되도록 형성되어 있는 경우의 유기 EL 소자의 단면도이다.
도4는, 발광층(25)의 EL 발광 스펙트럼(일점쇄선) 및 제1 및 제2 유기 반도 체층의 흡수 스펙트럼(실선)을 나타낸 도면이다.
도5는, 도1에 나타낸 유기 EL 소자의 기본적인 동작을 확인하기 위해 사용되는 광감응성 SIT의 구성을 나타낸 단면도이다.
도6은, 도5에 나타낸 광감응성 SIT에 외부 광을 조사하지 않는 경우의, 드레인-소스 전압(VDS)에 대한 드레인-소스 전류(IDS)를 나타낸 도면이다.
도7은, 도5에 나타낸 광감응성 SIT에 외부광을 조사한 경우의, 드레인-소스 전압(VDS)에 대한 드레인-소스 전류(IDS)를 나타낸 도면이다.
도8은, 본 발명의 제2 실시예에 의한 유기 EL 소자의, 발광층의 EL 발광 스펙트럼(일점쇄선)과 제1 및 제2 유기 반도체층의 흡수 스펙트럼(실선)을 나타낸 도면이다.
도9는, 본 발명의 제3 실시예에 의한 광 사이리스터형 유기 EL 소자의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도10은, 본 발명의 제4 실시예에 의한 광 사이리스터형 유기 EL 소자의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 나타낸 실시예에 있어서, 동등한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도1은, 본 발명의 제1 실시예의 광 사이리스터형의 유기 EL 소자의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
유기 EL 소자(10)는, 제1 전극으로서의 소스 전극(S)(11); 제2 전극으로서의 드레인 전극(D)(12); 및 상기 소스전극(S)(11)과 드레인 전극(D)(12) 사이에 제어 전극으로서의 게이트 전극(G)(13)을 갖는다.
상기 유기 EL 소자(10)는, 소스 전극(S)(11)과 게이트 전극(G)(13) 사이에 제공된 제1 유기 반도체층(ORGl)(21); 및 게이트 전극(G)(13)과 드레인 전극(D)(12) 사이에 제공된 제2 유기 반도체층(ORG2)(22) 및 발광층(EMI)(25)을 더 포함한다.
상기 소스 전극(S)(11), 드레인 전극(D)(12) 및 게이트 전극(G)(13)은, 금, 백금, 팔라듐, 은, 납, 주석, 알루미늄, 칼슘, 인듐, 크롬 및 리튬 등의 알칼리 금속이나, 마그네슘 등의 알칼리 토류 금속, 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 또한, 알칼리 금속 화합물, 알카리 토류 금속 화합물, 인듐 주석 산화물(ITO), 산화 주석, 인듐 아연 산화물, 아연 산화물, 또는 이들의 합금을 사용하여 상기 전극들을 형성할 수 있다. 또는, 셀렌, 요오드화 동, 니켈을 포함하는 재료들을 사용할 수 있다. 또한, 폴리(3-메틸티오펜), 폴리페닐렌 술피드, 폴리아닐린 등의 도전성 고분자를 사용하는 것도 가능하다. 이들 재료는 단일 막으로, 또는, 예를 들면 ITO층 상에 형성된 폴리아닐린 층과 같이, 다층막으로 사용될 수도 있다.
제1 유기 반도체층(ORGl)(21) 및 제2 유기 반도체층(ORG2)(22)에는, 시아닌, 포르피린, 또는 프탈로시안 등의 유기 색소 분자 또는 그의 유도체; 트리페닐아민유도체; 펜타센 등의 폴리아센계 또는 그의 유도체; 카르바졸 유도체; 트리페닐디아민 유도체; 및 트리아졸 유도체와 같은 재료들을 사용할 수 있지만, 이들에 한정 되지 않는다. 이들 재료는 단일 층으로, 또는, 2종 이상의 재료의 혼합층으로 사용될 수도 있다.
발광층(EMI)(25)에는, 알루미늄-퀴놀리놀 복합체 또는 카르바졸 유도체 등을 사용할 수 있지만, 이들 재료 중 하나에 발광효율이 높은 형광 재료 또는 인광 재료가 첨가되는 것이 보다 바람직하다.
이하에, 유기 EL 소자(10)의 형성 방법에 대해 구체적으로 설명한다. 우선, 스퍼터링에 의해 ITO막을 약 100nm(나노미터)의 두께로 성막하여 소스 전극(11)을 형성한다. 다음, 1×10-5Pa(파스칼) 정도의 고진공 하에 제1 유기 반도체층(21)으로서 동 프탈로시아닌(CuPc)을, 게이트 전극(13)으로서 알루미늄(Al)을, 제2 유기 반도체층(22)으로서 동 프탈로시아닌(CuPc)을 증착하여 형성한다.
제1 유기 반도체층(21) 및 제2 유기 반도체층(22)은, 층 두께가 약 50nm로 되도록 형성한다. 게이트 전극(13)은, 알루미늄의 층 두께가 약 30nm로 되도록 제1 유기 반도체층(21) 상에 증착된 알루미늄으로 형성된다. 이 경우, 알루미늄은, 제1 유기 반도체층(21)의 표면 전체에 피복되어 있지는 않고, 게이트 전극(13)의 영역에 랜덤하게 보이드(13A)를 생성하는 성막 조건 하에 증착된다. 상기 게이트 전극(13) 상의 제2 유기 반도체층(22)의 성막에 의해, 상기 보이드 내에도 제２ 유기 반도체(동 프탈로시아닌)가 형성되기 때문에, 제１ 유기 반도체층(21)은 보이드((13A), 즉, 관통부를 통해 제２ 유기 반도체층(22)과 접하고 있다.
상기 게이트 전극(13)은, 제1 유기 반도체층(21)과 제2 유기 반도체층(22)이 접하는 형상으로 형성되어 있으면 어떤 형상이라도 무방하다. 예컨대, 게이트 전극(13)은, 마스크 프로세스를 사용하여, 메시 형태 또는 스트라이프 형태 등의 각종 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 게이트 전극(13)이 메시 형상으로 형성될 경우, 적층 방향에 수직인 면에 있어서의 게이트 전극(13)의 일부 평면도(즉, 도1의 W선에 따른 일부 단면도)를 도2에 나타낸다. 또는, 게이트 전극(13)은, 빗(comb) 형태로 형성되어도 좋다.
또한, 도3에 나타낸 바와 같이, 게이트 전극(13)은, 하나의 유기 반도체층(ORG)(23)내에 매립되도록 형성되어도 좋다. 이 경우, 게이트 전극(13)은, 하나의 유기 반도체층(23) 내에 형성되면 충분하며, 어느 위치에 형성되어도 좋다.
제2 유기 반도체층(22) 위에는, 알루미늄 퀴놀리놀(Alq3)과 Nile 레드를 100:5의 비율로 공증착하여 발광층(EMI)(25)을 형성하고 있다.
발광층(EMI)(25) 위에는, 마그네슘과 은을 100:5의 비율로 공증착하여 드레인 전극(12)을 형성하고 있다.
도4는, 발광층(25)의 EL 발광 스펙트럼(일점쇄선)과 제1 및 제2 유기 반도체층(21,22)에 사용한 동 프탈로시아닌(CuPc)의 흡수 스펙트럼(실선)을 나타내고 있다. 상술한 바와 같이, 발광층(25)에 사용되는 알루미늄 퀴놀리놀에는, 형광 재료의 Nile 레드를 첨가하고 있다. 이에 의해 발광층(25)의 실제 발광 스펙트럼은 알루미늄 퀴놀리놀(Alq3)의 발광 스펙트럼보다도 장파장 쪽으로 시프트한다. 또한, 형광 재료를 적당히 첨가하는 것에 의해 발광 효율은 증가하지만, 너무 많이 첨가하면 발광 효율이 저하한다.
따라서, 발광층(25)으로부터 발해진 발광 중 일부의 파장대의 광은 제1 및 제2 유기 반도체층(21,22)에 의해 흡수되도록 구성되어 있다.
이하에, 상기 유기 EL 소자의 동작에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도5는, 유기 EL 소자의 기본적인 동작을 이해하기 위한, 광감응성 정전 유도형 트랜지스터(SIT; static induction transistor)(10A)의 구성을 나타낸 단면도이다. 이 광감응성 SIT(10A)는, 유기 EL 소자(10)의 발광층(25)이 형성되어 있지 않은 점을 제외하고, 유기 EL 소자(10)와 동일한 구성을 갖고 있다.·
또한, 여기에서 말하는 광감응성 SIT란, 소스 전극과 드레인 전극 사이에 게이트 전극을 갖고 있고, 그 전류-전압 특성은 정전 유도형 트랜지스터(SIT)와 동일한 특성을 나타내지만, 특정 파장이 포함된 광을 조사함으로써 게이트 전극의 제어성이 변화하는 소자이다.
도6은, 광감응성 SIT(lOA)에 외부광을 조사하지 않는 경우의, 게이트 전압(VG), 즉 소스-게이트 전압의 함수로서 드레인-소스 전압(VDS)에 대한 드레인-소스 전류(IDS)의 특성을 도시한 것이다. 게이트 전압(VG)이 O V일 때, 광감응성 SIT(lOA)는 도통(ON) 상태이지만, 0.5 V의 전압 인가에 의해 비도통(OFF) 상태로 스위칭된다.
도7은, 광감응성 SIT(lOA)에 외부광을 조사한 경우의, 드레인-소스 전압(VDS)에 대한 드레인-소스 전류(IDS)를 나타내고 있다. 게이트 전압(VG)이 O V일 때, 광 감응성 SIT(lOA)는 도통(ON) 상태이고, 게이트 전압을 1 V까지 증가시켜도 도통(ON) 상태는 유지되었다. 또한, 게이트 전압을 1.5 V까지 증가시키면 비도통(OFF) 상태로 변화했다.
도6 및 도7에 나타낸 바와 같이, 외부 광의 조사의 유무에 의해 게이트 전압의 함수로서 광감응성 SIT 소자(10A)의 스위칭 특성이 변화하는 것이 확인되었다.
다음에, 도1에 나타낸 유기 EL 소자의 동작에 대해 설명한다. 소스 전극(11)과 게이트 전극(13)에 전압을 인가하지 않은 상태(VG = 0 V)에서, 소스전극(11)과 드레인 전극(12) 간에 10 V의 DC 전압을 인가한바, 유기 EL 소자는 발광하고, 약 78 칸델라의 발광 강도가 확인되었다. 그 후, 소스 전극(11)과 게이트 전극(13) 사이에 0.5 V의 전압을 인가했으나 발광은 그대로 유지되었다. 다음, 소스전극(11) 과 게이트 전극(13) 사이에 1.5 V의 전압을 인가한바, 소광(off) 되었다. 다음, 소스 전극(11)과 게이트 전극(13) 사이에 0.5 V의 전압을 인가한바, 소광을 유지했다. 다음, 소스 전극(11)과 게이트 전극(13) 간의 전압을 0 V로 되돌리자, 다시 78 칸델라 정도의 발광 강도로 발광하는 것이 확인되었다.
상기 유기 EL 소자의 동작에 대해서는 다음과 같이 이해될 수 있다. 발광층(25)으로부터 방출된 광이 제1 및 제2 유기 반도체층(21, 22)에 의해 흡수되지 않는 경우는, 게이트 전극(13)에의 전압 인가에 의해, 게이트 포텐셜이 상승하고, 발광층(25)을 흐르는 전류도 감소하여 발광 강도가 저하한다. 그러나, 본 발명에 의하면, 발광층(25)으로부터 방출된 광이 제1 및 제2 유기 반도체층(21,22)에 의해 흡수되는 것에 의해, 정공들이 생성되고 이들 정공에 의해 게이트 포텐셜이 감소한다. 이와 같은 메카니즘에 의해 발광층(25)부터의 발광은, 발광층(25)으로부터 방출된 광이 제1 및 제2 유기 반도체층(21,22)에 의해 흡수되지 않는 경우에는 통상적으로 전류 공급이 감소하는 인가전압이라도, 발광층(25)에 대한 전류 공급은 감소하지 않기 때문에 발광을 유지할 수 있으나, 게이트 전극(13)에의 인가전압을 더 크게 하면 전류 공급이 감소되어, 게이트 전압의 인가로부터 마이크로초(μsec) 오더 이하의 시간 내에 게이트 전압을 인가하지 않을 때의 발광 강도에 비해 충분히 적은 레벨로 발광 강도가 저하한다.
또한, 본 실시예에 있어서, 제1 및 제2 유기 반도체층(21,22)이 발광층(25)으로부터의 방출광을 흡수하는 경우에 대해 설명했지만, 제1 및 제2 유기 반도체층(21,22)의 한쪽만 방출광을 흡수하는 광흡수층으로 구성해도 좋다.
이 경우, 제1 유기 반도체층(21)만 방출광을 흡수하도록 구성하는 것이 바람직하다. 상기 구성에 있어서는, 발광층에의 도펀트 첨가에 의해 발광층의 발광 효율, 및/또는 발광 스펙트럼의 시프트를 조정하는 경우를 설명했으나, 상기 광흡수층에 도펀트를 첨가해도 된다. 즉, 발광층에의 도펀트 첨가 및/또는 광흡수층에의 도펀트 첨가에 의해 상기 광흡수층에 의한 광 흡수 비율이 소정치 또는 소정 범위내로 되도록 조정하는 구성으로 해도 좋다.
[실시예 2]
본 발명의 제2 실시예에 의한 광 사이리스터형의 유기 EL 소자에 대해 설명한다.
본 실시예의 층 구조는 상기 제1 실시예와 같지만, 제1 및 제2 유기 반도체층(21,22)은 메로시아닌(MC)을 증착하여 형성하고 있다. 게이트 전극(G)(13)에는 마그네슘을 사용하고 있다. 발광층(25)은, 알루미늄 퀴놀리놀(Alq3)과 쿠마린(6)을 100:3의 비로 공증착하여 형성되어 있다. 또한, 드레인 전극(12)은, 알루미늄과 리튬을 공증착하여 형성된다.
도8은, 발광층(25)의 EL 발광 스펙트럼(일점쇄선)과 제1 및 제2 유기 반도체층(21,22)에 사용한 메로시아닌(MC)의 흡수 스펙트럼(실선)을 도시하고 있다. 상술한 바와 같이, 발광층(25)용으로 사용되는 알루미늄 퀴놀리놀 복합체에는, 쿠마린(6)이 첨가되어 있고, 이에 의해 발광층(25)의 발광 효율은 증가하는 반면 발광 스펙트럼의 시프트는 적어진다.
본 실시예의 동작을 확인한바, 상기 제1 실시예와 같이, 게이트 전극(13)에 대한 전압인가에 따른 발광 제어가 가능한 것이 확인되었다.
[실시예 3]
도9는, 본 발명의 제3 실시예의 광 사이리스터형의 유기 EL 소자(10)의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
상기 제1 실시예와 다른 점은, 제2 유기 반도체층(22)과 발광층(25) 사이에 정공 수송층(HT)(31)을, 또한, 발광층(25) 상에 정공 블록층(HB)(32)을, 또한 정공 블록층(32)상에 전자 수송층(ET)(33)을 제공하고 있는 점이다.
제1 및 제2 유기 반도체층(21, 22)은, p형 유기 반도체층이다. 따라서, 이 유기 EL 소자(10)는, 발광 소자로서의 기능에 더하여, 게이트 전극(13)에의 전압 인가에 따라 제어 가능한 p형 SIT로서의 기능을 아울러 갖고 있다.
상기 제２ 유기 반도체층(22), 정공 수송층(31), 정공 블록층(32) 및 전자 수송층(33)은 필요에 따라 적당히 제공하면 된다. 또는, 소스 전극(11)과 제1 유기 반도체층(21) 사이에 정공 주입층을 제공해도 된다.
본 실시예의 유기 EL 소자(10)에 있어서도, 소스 전극(애노드)(11) 및 드레인 전극(캐소드)(12) 사이에 10 V의 전압을 인가하고 그 인가된 게이트 전압(VG)에 따라 발광 제어를 행할 수 있는 것이 확인되었다.
[실시예 4]
도10은, 본 발명에 의한 제4 실시예의 광 사이리스터형의 유기 EL 소자의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
상기 제3 실시예와 다른 점은, 유기 EL 소자(10)를, 발광 소자로서의 기능은 물론, 게이트 전극(13)에의 전압인가에 따라 제어가능한 n형 SIT로서의 기능도 갖도록 구성하고 있는 것이다.
구체적으로는, 소스 전극(11) 위에, 정공 수송층(31), 발광층(25), 정공 블록층(32), 전자 수송층(33), 제1 유기 반도체층(21), 게이트 전극(13), 제2 유기 반도체층(22) 및 드레인 전극(12)을 이 순서로 적층하여 유기 EL 소자(10)를 형성하고 있다. 여기에서, 제1 및 제2 유기 반도체층(21, 22)은, n형 유기 반도체층이다. 따라서, 이 유기 EL 소자(10)는, 발광 소자로서의 기능은 물론, 게이트 전극(13)에의 전압 인가에 따라 제어 가능한 n형 SIT로서의 기능도 갖고 있다.
이상, 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 사이리스터 특성을 갖는 액티브 유기 EL 소자를 제공한다. 따라서, 예를 들면, 본 발명에 따른 상기 유기 EL 소자를 사용하여 디스플레이 장치를 구성함으로써, 각 화소 내에 제공되는 전자회로의 구성을 간략화할 수 있다. 따라서, 소비전력이 적고, 고휘도로 저코스트의 액티브 구동 디스플레이를 실현할 수 있어, 결과적으로 수명이 길고, 고신뢰도, 고성능의 디스플레이를 실현할 수 있다.
이상, 본 발명에 대해 바람직한 실시예를 참조하여 설명했다. 당업자는 각종 변형이나 변경을 행할 수 있음을 이해하여야 한다. 그와 같은 변형이나 변경례 모두 첨부된 특허청구범위에 포함되는 것이다.

Claims (8)

  1. 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 간에 제공된 발광층을 갖는 유기 EL 소자로 되는 유기 반도체 발광 소자로서,
    상기 제1 전극과 상기 발광층 사이에 제공되고, 상기 발광층의 발광 파장 대 역 내에 흡수 대역을 갖는 유기 반도체층; 및
    상기 유기 반도체층에 전기적으로 접속되어 있는 제어 전극을 갖는 유기 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기 반도체층은 상기 흡수 대역을 갖는 광 흡수층을 갖고, 상기 제어 전극은 상기 광 흡수층과 접하고 있는 유기 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유기 반도체층은 상기 흡수 대역을 갖는 광 흡수층을 갖고, 상기 제어 전극은 상기 광 흡수층 내에 매립되어 있는 유기 반도체 발광 소자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 광 흡수층은 상기 제어 전극과 상기 제1 전극 사이에 형성되어 있는 유기 반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 발광층 및 상기 유기 반도체층의 적어도 하나는, 상기 유기 반도체층이 상기 발광층의 발광파장 대역 내에서 광흡수 대역을 가지도록 도펀트가 첨가되어 있는 유기 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어 전극에 대한 인가 전압의 함수로서 상기 제1 및 제2 전극 간의 전류 대 전압 특성은, 상기 발광층의 발광 및 소광에 따라 변화하는 사이리스터 특성을 갖는 유기 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 각각 애노드 및 캐소드이고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 제공된 정공 수송층을 더 구비하는 유기 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 각각 애노드 및 캐소드이고, 상기 제2 전극과 상기 발광층 간에 제공된 정공 수송층을 더 구비하는 유기 반도체 발광 소자.
KR1020067012611A 2003-12-26 2004-12-21 유기 반도체 발광 소자 KR100806842B1 (ko)

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JP2003433425 2003-12-26

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