KR100809935B1 - 전계발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기판, 기판 상에 위치하는 제 1 전극, 제 1 전극에 위치하는 제 1 발광층, 제 1 발광층 상에 위치하는 제 1 전자수용층, 제 1 전자수용층 상에 위치하는 제 2 발광층 및 제 2 발광층 상에 위치하는 제 2 전극을 포함하는 전계발광소자를 제공한다.

Description

전계발광소자{Light Emitting Device}
도 1은 종래의 일 예인 전계발광소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 종래의 일 예인 전계발광소자의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 전계발광소자를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 전계발광소자의 에너지 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예인 전계발광소자의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
본 발명은 전계발광소자에 관한 것이다.
평판표시소자(Flat Panel Display Device) 중 전계발광소자는 자발광형 표시장치로서 백라이트가 필요하지 않아 경량박형이 가능할 뿐만 아니라 공정을 단순화시킬 수 있으며, 저온 제작이 가능하고, 응답속도가 1ms 이하로서 고속의 응답속도를 가지며, 낮은 소비 전력, 넓은 시야각 및 높은 콘트라스트(Contrast) 등의 특성을 나타낸다.
특히, 유기전계발광소자는 애노드와 캐소드 사이에 유기물을 포함하는 발광 층을 포함하고 있어 애노드로부터 공급받는 정공과 캐소드로부터 받은 전자가 유기발광층 내에서 결합하여 정공-전자쌍인 여기자(exciton)를 형성하고 여기자가 다시 바닥상태로 돌아오면서 발생하는 에너지에 의해 발광하게 된다.
상기와 같은 전계발광소자는 각각 적색, 녹색 또는 청색 발광층을 갖는 부화소들에서 발광하는 빛을 혼색하여 백색을 발광할 수 있으며, 또는, 적색 및 청색 발광층이 적층된 구조 또는 적색, 녹색 및 청색 발광층이 적층된 구조로 부화소를 형성함으로써 백색을 발광할 수도 있다.
도 1은 종래의 백색 전계발광소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 백색 전계발광소자는 기판(100) 상에 위치하는 제 1 전극(110), 제 2 전극(160) 및 제 1 전극(110)과 제 2 전극(160) 사이에 재개된 발광층(140)을 포함한다.
제 1 전극(110)은 발광층(Emission Layer,EML;140)에 정공을 공급하는 애노드(anode)일 수 있으며, 제 2 전극(160B)은 발광층(140)에 전자를 공급하는 캐소드(cathode)일 수 있다. 그리고, 제 1 전극(110)과 발광층(140) 사이에는 정공 주입 및 수송을 원활하게 하는 정공 주입층(Hole Injection Layer,HIL;120) 및/또는 정공 수송층(Hole Transport Layer,HTL;130)이 개재될 수 있으며, 제 2 전극(160)과 발광층(140) 사이에는 전자 주입 및 수송을 원활하게 하는 전자 주입층(Electron Injection Layer,EIL;160A) 또는 전자 수송층(Electron Transport Layer,ETL;150)이 개재될 수 있다.
발광층(140)은, 백색을 발광하기 위하여, 청색 계열, 자세하게는 스카이 블 루(sky blue)를 발광하는 청색 발광층(141) 및 적색 계열, 자세하게는 오렌지 레드(orange red)를 발광하는 적색 발광층(143)을 포함할 수 있다. 따라서, 전계발광소자는 두 개의 발광층(141,143)에서 방출되는 빛들을 조합하여 백색을 발광하게 된다.
이와는 달리, 발광층(140)은, 적색, 녹색 및 청색 발광층을 포함하여 세 개의 발광층에서 방출되는 빛들을 조합하여 백색을 발광할 수도 있다.
제 1 전극(110)과 제 2 전극(160B) 간에 구동 전압 이상의 전압이 인가되면, 제 1 전극(110)은 정공주입층(120) 및 정공수송층(130)을 통하여 발광층(140)에 정공을 공급하고, 제 2 전극(160B)은 전자주입층(160A) 및 전자수송층(150)을 통하여 발광층에 전자를 공급한다. 전자와 정공은 발광층(140)에서 재결합하여 여기자를 생성하고, 여기자가 바닥상태로 떨어지면서 빛을 방출하게 된다.
도 2은 종래의 일 예인 전계발광소자의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 450 내지 525 nm의 청색 파장 영역(A)에서 피크(peak)가 검출되는 것을 볼 수 있다. 상기와 같이 두 개 이상의 발광층(141,143)이 적층된 구조를 가지는 전계발광소자의 스펙트럼은 청색 파장 영역(A) 및 적색 파장 영역(B)에서 각각 피크가 검출되어야 하는데, 종래의 전계발광소자의 발광 스펙트럼에서는 청색 파장 영역(A)에서만 세기가 강한 피크가 검출되고 있어, 이로써, 정공과 전자의 재결합이 청색 발광층에서 치우치고 있음을 알 수 있다.
이는 발광층(140)의 호스트가 전자수송능력이 뛰어난 특성을 가지기 때문에 기인하는 것으로, 이는 정공수송층(130)으로부터 발광층(140)에 정공이 주입되는 것을 저지하는 경향을 띈다. 따라서, 특히, 정공수송층(130)으로부터 떨어진 제 2 발광층(143)에 제 1 전극(110)으로부터 정공이 충분히 공급되지 못하게 된다. 이로써, 제 2 발광층(143)에서는 여기자가 충분히 생성되지 못하게 되므로, 전계발광소자는 적색광보다 청색광을 더 많이 방출하게 된다.
따라서, 종래 전계발광소자에서 방출되는 백색광은 그 색좌표가 청색 쪽으로 치우치게 되어 색순도가 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 색순도가 향상된 백색광을 구현할 수 있는 전계발광소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 기판, 기판 상에 위치하는 제 1 전극, 제 1 전극에 위치하는 제 1 발광층, 제 1 발광층 상에 위치하는 제 1 전자수용층, 제 1 전자수용층 상에 위치하는 제 2 발광층 및 제 2 발광층 상에 위치하는 제 2 전극을 포함하는 전계발광소자를 제공한다.
상기 전계발광소자는 제 2 발광층 및 제 2 전극 사이에, 제 2 발광층 상에 위치하는 제 2 전자수용층 및 제 2 전자수용층 상에 위치하는 제 3 발광층을 더 포함할 수 있다.
제 1 전자수용층 또는 제 2 전자수용층은 전자친화도가 높은 할로겐기, 시안 기 또는 수산기를 포함하는 물질을 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 발광층은 호스트와 도펀트를 포함하며, 제 1 전자수용층의 최저 비점유 분자 궤도 준위는 제 2 발광층의 호스트 물질의 최고 점유 분자 궤도 준 위보다 낮고, 제 1 발광층의 호스트 물질의 최고 점유 분자 궤도 준위보다 높을 수 있다.
제 3 발광층은 호스트와 도펀트를 포함하며, 제 2 전자수용층의 최저 비점유 분자 궤도 준위는 제 3 발광층의 호스트 물질의 최고 점유 분자 궤도 준위보다 낮고 제 2 발광층의 호스트 물질의 최고 점유 분자궤도 준위보다 높을 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계발광소자의 구조를 설명하기 위한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계발광소자의 에너지 다이어그램이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기판(200) 상에 제 1 전극(210), 정공주입층(220), 정공수송층(230), 발광층(240), 전자수송층(250), 전자주입층(260A) 및 제 2 전극(260B)이 순차적으로 위치한다.
보다 자세히 살펴보면, 기판(200) 상에 제 1 전극(210)이 위치한다. 제 1 전극(210)은 발광층(240)에 정공을 공급하는 애노드(anode)일 수 있으며, 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide, ITO)와 같은 일함수가 높은 금속으로 이루어진다.
제 1 전극(210) 상에는 정공 주입층(220) 및 정공 수송층(230)이 순차적으로 위치한다. 정공 주입층(220) 및 정공 수송층(230)은 제 1 전극(210)으로부터 공급된 정공을 발광층(240)에 전달하기 위한 것으로서, 양자효율을 높여 구동전압을 낮 추는 역할을 한다. 따라서, 정공 주입층(220) 및 정공 수송층(230)은 최고 점유분자 궤도(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)의 준위가 순차적으로 낮아지는 것이 바람직하다.
일반적으로 정공 주입층은 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine, CuPC)으로 형성할 수 있으며, 정공수송층은 α-NPD(4,4´-bis[N-(1-naphtil)-N-phenylamibi]biphenyl)로 형성할 수 있다.
상기와 같은 정공 주입층(220) 및 정공 수송층(230)은 하나의 층으로서 정공주입 및 수송층을 이룰 수도 있으며, 선택적으로 형성할 수 있다.
정공수송층(230) 상에 발광층(240)이 위치한다. 백색을 발광하기 위하여 발광층(240)은 청색 발광층 및 적색 발광층을 적층하여 형성할 수 있다. 이때, 두 발광층에서 발광하는 빛이 서로 흡수하여 소멸되는 것을 방지하기 위하여, 발광하는 방향과 인접한 발광층은 단파장을 갖는 빛을 방출하는 발광층일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예의 전계발광소자는 기판의 배면으로 빛이 방출되는 배면 발광형 유기전계발광소자이므로, 제 1 발광층(241)은 청색 발광층일 수 있으며, 제 2 발광층(243)은 적색 발광층일 수 있다.
발광층(240)은 호스트(host;241A,243A) 또는 도펀트(dopant;241B,243B)만으로 형성할 수 있으나, 효율 및 휘도가 매우 낮고 각 분자들끼리의 셀프-팩킹(self-packing)현상으로 인하여 각 분자의 고유한 특성 외에 엑사이머(eximer) 특성이 동시에 일어나기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 발광층(240)은 주로 호스트에 도펀트를 도핑하여 형성하게 되며, 이때, 여기자는 호스트에서 생성되어 도펀트로 전달되고, 도펀트 내에서 바닥상태로 떨어지면서 빛을 방출하게 된다.
제 1 발광층(241)인 청색 발광층은 호스트(241A)로 안트라센(antracene) 계열의 물질을 사용할 수 있다. 대표적인 예로서 MADN(binaphtyl-methylantracene), TBDN (binaphthyl-(t-butylantracene) 등을 들 수 있으며, 도펀트(241B)로는 퍼릴렌(perylene)계, 안탄트렌(anthanthrene)계, 스틸벤(stilbene)계 물질을 사용할 수 있다.
제 2 발광층(243)인 적색 발광층은 호스트(243A)로 카바졸계의 유기물질, 즉 CBP(carbazole biphenyl) 등을 사용할 수 있다. 적색 발광층을 형성하는 도펀트(243B)는 인광형 도펀트, 형광형 도펀트 또는 이들의 혼합 도펀트일 수 있다.
예를 들면, 인광형 도펀트는 PIQIr(acac), PQIr(acac), PQIr (tris(1-phenylquinoline) iridium) 및 PtOEP로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다. 형광형 도펀트는 DCJTB, DCDDC, AAAP, DPP 및 BSN으로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
제 1 발광층(241)과 제 2 발광층(243) 사이에 전자수용층(Electron Accetor Layer,EAL;270)이 위치한다. 전자수용층(270)은 전자친화도가 강한 할로겐기, 시안 기(-CN) 또는 수산기(-OH)을 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전자수용층(270)은 FeCl3 또는 F4TCNQ로 이루어질 수 있다.
따라서, 전자수용층(270)은 제 2 발광층(243)에 존재하는 전자를 전자수용층(270) 내로 끌어당긴다. 따라서, 제 2 발광층(243)에는 상대적으로 정공이 더 많이 생성되며, 이로써, 제 2 전극(260B)으로부터 공급받은 전자와 전자수용층(270) 에 의해 생성된 정공이 결합하여 더 많은 여기자를 형성할 수 있게 된다.
여기서, 전자수용층(270)의 최저 비점유 분자 궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital;LUMO) 준위는 제 1 발광층의 호스트 물질의 최고 점유분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital;HOMO) 준위보다 높고, 제 2 발광층의 호스트 물질의 최고 점유분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital;HOMO) 준위보다 낮은 물질로 형성될 수 있다.
전자수용층(270)의 최저 비점유 분자 궤도 준위가 제 1 발광층(241)의 호스트 물질의 최고 점유분자궤도 준위보다 높으면, 제 1 발광층(241)으로부터 제 2 발광층(243)으로 정공이 수송될 수 있으며, 전자수용층(270)의 최저 비점유 분자 궤도 준위가 제 2 발광층(243)의 호스트 물질의 최고 점유분자궤도 준위보다 낮으면 제 2 발광층(243)으로부터 전자를 효과적으로 수용하여 제 2 발광층(243)에 정공을 생성할 수 있다.
여기서, 전자수용층(270)의 두께는 10 내지 30Å 일 수 있다. 전자수용층(270)의 두께가 10Å 이상이면 전자수용층(270)의 두께를 균일하게 형성할 수 있으며, 전자수용층(270)의 두께가 30Å 이하이면, 제 2 발광층(243)에 공급된 전자가 터널링에 의하여 제 1 발광층(241)으로 이동할 수 있다.
발광층(240) 상에 전자수송층(250) 및 전자주입층(260A)이 위치할 수 있다.전자수송층(250) 및 전자주입층(260A)은 전자주입의 에너지 장벽을 낮추어 전자 주입 및 수송을 원활하게 하기 위한 것으로, 선택적으로 형성할 수 있다.
전자수송층(250)으로는 주로 알루미늄 퀴놀레이트(AlQ3)와 같은 전자 수송능 력이 뛰어난 물질을 사용하며, 전자주입층(260A)으로는 리튬 플로라이드(LiF)와 같은 금속화합물을 사용할 수 있다.
전자주입층(260A) 상에 제 2 전극(260B)이 위치한다. 제 2 전극(260B)은 발광층(140)에 전자를 공급하는 캐소드일 수 있으며, 일함수가 낮은 마그네슘(Mg), 은(Ag), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계발광소자의 발광 메커니즘을 설명한다. 도면에 도시한 다이어그램의 상부는 최저 비점유 분자 궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)인 LUMO를 나타내며, 하부는 최고 점유분자 궤도(Highest Occupied Molecular Orbital)인 HOMO를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 제 1 전극(210)과 제 2 전극(260B) 사이에 구동 전압보다 높은 전압이 인가되면, 제 1 전극(210)으로부터 정공이 정공주입층(220)의 최고 점유 분자 궤도로 주입되며, 제2전극(260B)으로부터 전자가 전자수송층(250)의 최저 비점유 분자 궤도로 주입된다.
정공주입층(220) 및 정공수송층(230)의 최고 점유분자 궤도 준위는 순차적으로 낮아지므로, 정공은 정공주입층(220) 및 정공수송층(230)을 거쳐 제 1 발광층(241)에 공급되며, 전자는 전자주입층(260A) 및 전자수송층(250)을 거쳐, 제 2 발광층(243)에 전달된다.
제 2 발광층(243)에 전달된 전자는 터널링에 의하여 전자수용층(270)을 통과 하여 제 1 발광층(241)으로 전달되며, 정공 및 전자를 공급받은 제 1 발광층(241)은 호스트(241A) 내에서 여기자를 생성하여 도펀트(241B)로 전달한다. 도펀트(241B)에 전달된 여기자는 바닥 상태로 떨어지면서 청색광을 방출하게 된다.
한편, 제 2 발광층(243)은 제 1 발광층(243)으로부터 정공을 공급받으며, 또한, 전자수용층(270)에 의해 정공을 공급받는다. 즉, 전자수용층(270)의 최저 비점유 분자 궤도 준위는 도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 발광층(243)의 호스트(243A)의 최고 점유분자 궤도 준위보다 낮다. 따라서, 전자수용층(270)은 제 2 발광층(243)으로부터 전자를 끌어당기게 되고, 이로써 제 2 발광층(243)에는 상대적으로 많은 양의 정공이 생성된다. 따라서, 제 2 발광층(243)의 호스트(243A) 내에서 정공과 전자가 결합하여 여기자를 생성하여 도펀트(243B)에 전달함으로써, 적색광을 방출하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계발광소자의 발광스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 450 내지 525nm에 해당하는 청색 영역(A)에서 피크가 검출된 것을 볼 수 있으며, 570 내지 630nm에 해당하는 적색 영역(B)에서도 피크가 검출된 것을 볼 수 있다.
즉, 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계발광소자는 제 1 발광층과 제 2 발광층 사이에 전자수용층이 개재되어 있어, 제 2 발광층에 효과적으로 정공을 공급할 수 있다. 따라서, 제 1 발광층 및 제 2 발광층 모두에서 여기자 를 생성하여 발광함으로써, 색순도가 우수한 백색광을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 발광층을 적색 및 청색 발광층이 적층된 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 적색, 녹색 및 청색 발광층이 적층될 수도 있다. 적색, 녹색 및 청색 발광층이 적층되는 경우, 전자수용층은 두 발광층 사이에 각각 형성되며, 이로써, 적색, 녹색 및 청색 발광층에 효과적으로 정공을 공급할 수 있게 되어, 색순도가 높은 백색광을 방출할 수 있다.
본 발명을 특정의 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것이 아니고, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 색순도가 향상된 백색광을 구현할 수 있는 전계발광소자를 제공할 수 있다.

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 제 1 전극;
    상기 제 1 전극에 위치하는 제 1 발광층;
    상기 제 1 발광층 상에 위치하는 제 1 전자수용층;
    상기 제 1 전자수용층 상에 위치하는 제 2 발광층; 및
    상기 제 2 발광층 상에 위치하는 제 2 전극을 포함하는 전계발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 발광층 및 상기 제 2 전극 사이에는,
    상기 제 2 발광층 상에 위치하는 제 2 전자수용층; 및
    상기 제 2 전자수용층 상에 위치하는 제 3 발광층을 더 포함하는 전계발광소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전자수용층 또는 상기 제 2 전자수용층은 전자친화도가 높은 할로겐기, 시안기 및 수산기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 전계발광소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 전자수용층은 FeCl3 또는 F4TCNQ를 포함하는 전계발광소자.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 발광층은 호스트와 도펀트를 포함하며, 상기 제 1 전자수용층의 최저 비점유 분자 궤도 준위는 상기 제 2 발광층의 호스트 물질의 최고 점유 분자 궤도 준위보다 낮고, 상기 제 1 발광층의 호스트 물질의 최고 점유 분자 궤도 준위보다 높은 전계발광소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 3 발광층은 호스트와 도펀트를 포함하며, 상기 제 2 전자수용층의 최저 비점유 분자 궤도 준위는 상기 제 3 발광층의 호스트 물질의 최고 점유 분자 궤도 준위보다 낮고 상기 제 2 발광층의 호스트 물질의 최고 점유 분자궤도 준위보다 높은 전계발광소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 발광층은 청색 발광층이며, 상기 제 2 발광층은 적색 발광층인 전계발광소자.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 발광층은 청색 발광층이며, 상기 제 2 발광층은 녹색 발광층이고, 상기 제 3 발광층은 적색 발광층인 전계발광소자.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전자수용층 또는 상기 제 2 전자수용층의 두께는 10 내지 30Å인 전계발광소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 1 발광층 사이에, 정공 주입층 또는 정공 수송층 중 어느 하나 이상이 개재된 전계발광소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 발광층 및 상기 제 2 전극 사이에, 전자 주입층 또는 전자 수송층 중 어느 하나 이상이 개재된 전계발광소자.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 발광층 및 상기 제 2 전극 사이에, 전자 주입층 또는 전자 수송층 중 어느 하나 이상이 개재된 전계발광소자.
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