KR100809936B1 - 전계발광소자 - Google Patents

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KR100809936B1
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Abstract

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

Description

전계발광소자{Light Emitting Device}
도 1은 종래의 일 예인 전계발광소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 전계발광소자를 도시한 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예인 전계발광소자의 에너지 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예인 전계발광소자를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예인 전계발광소자의 에너지 다이어그램이다.
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 발광층을 포함하고 있어 애노드로부터 공급받는 정공과 캐소드로부터 받은 전자가 유기 발광층 내에서 결합하여 정공-전자쌍인 여기자(exciton)를 형성하고 여기자가 다시 바닥상태로 돌아오면서 발생하는 에너지에 의해 발광하게 된다.
도 1은 종래의 전계발광소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 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. 발광층(140)은 주로 호스트(host)에 도펀트(dopant)를 도핑하여 형성하게 되며, 이때, 여기자는 호스트에서 생성되어 도펀트로 전달되고, 도펀트 내에서 바닥상태로 떨어지면서 빛을 방출하게 된다.
그리고, 제 1 전극(110)과 발광층(140) 사이에는 정공 주입 및 수송을 원활하게 하는 정공주입층(Hole Injection Layer,HIL;120) 및/또는 정공수송층(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 전자수송층(Electron Transport Layer,ETL;150)이 개재될 수 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 정 공을 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.
상기와 같은 종래의 전계발광소자의 발광층(140)에 사용되는 호스트는 전자수송능력이 뛰어난 특성을 가진다. 즉, 발광층(140)의 호스트는 정공수송층(130)으로부터 발광층(140)에 정공이 주입되는 것을 저지하는 경향을 띈다.
따라서, 제 1 전극(110)으로부터 공급된 정공은 발광층(140)에 원활하게 공급되지 못하게 되므로, 전계발광소자의 구동 전압이 높아지는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명은 구동전압을 감소시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있는 전계발광소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 기판, 기판 상에 위치하는 제 1 전극, 제 1 전극 상에 위치하는 정공주입층, 정공주입층 상에 위치하는 전자수용층, 전자수용층에 위치하는 발광층 및 발광층 상에 위치하는 제 2 전극을 포함하는 전계발광소자를 제공한다.
전계발광소자는 제 1 전극과 정공주입층 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
버퍼층 또는 전자수용층은 전자친화도가 높은 수산기(-OH), 시안기(-CN) 또는 할로겐기를 포함할 수 있다.
버퍼층 또는 전자수용층은 하기의 화학식을 갖는 화합물을 포함할 수 있다.
Figure 112006072924486-pat00001
전자수용층의 최저 비점유 분자 궤도 준위와 상기 정공수송층의 최고 점유 분자 궤도 준위의 차이는 ±0.5eV 이내 일 수 있다.
버퍼층의 최저 비점유 분자 궤도 준위와 상기 정공주입층의 최고 점유 분자 궤도 준위의 차이는 ±0.5eV 이내 일 수 있다.
전자수용층 또는 버퍼층의 두께는 10 내지 100Å일 수 있다.
발광층 및 제 2 전극 사이에, 전자 주입층 또는 전자수송층 중 어느 하나 이상이 개재될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계발광소자의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(200) 상에 제 1 전극(210), 정공주입층(220), 전자수 용층(225), 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) 상에 정공주입층(220) 및 정공수송층(230)이 위치한다. 정공주입층(220) 및 정공수송층(230)은 제 1 전극(210)으로부터 공급된 정공을 발광층(240)에 전달하기 위한 것으로서, 양자효율을 높여 구동전압을 낮추는 역할을 한다. 따라서, 정공주입층(220) 및 정공수송층(230)은 최고 점유분자 궤도(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)의 준위가 순차적으로 낮아지는 것이 바람직하다.
일반적으로 정공주입층(220)은 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine, CuPC)과 같은 프탈로시아닌류 또는 인단스렌계 화합물 등을 포함할 수 있으며, 정공수송층(230)은 트리페닐아민 유도체(TPD), N,N’－비스(1-나프틸)-N,N’－디페닐비페닐아민(α-NPD), 4,4’,4”-트리스-(N-3-토릴-N-페닐아미노)트리페닐아민(m-MTDATA), N,N,N’－테트라비페닐-4,4’－비페닐렌디아민(TBPB) 등과 같은 트리아릴아민계 물질을 포함할 수 있다.
정공주입층(220)과 정공수송층(230) 사이에 전자수용층(Electron Accetor Layer,EAL;225)이 위치한다. 전자수용층(225)은 전자친화도가 강한 수산기(-OH) , 시안기(-CN) 또는 할로겐기를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전자 수용층(225)은 하기의 화학식을 갖는 화합물을 포함할 수 있다.
Figure 112006072924486-pat00002
여기서, R1 내지 R6 중 어느 하나 이상은 수산기(-OH) , 시안기(-CN) 또는 할로겐기일 수 있다.
전자수용층(225)은 정공수송층(230)에 존재하는 전자를 전자수용층(225) 내로 끌어당기고, 이로 인해, 정공수송층(230)에는 상대적으로 정공이 더 많이 생성된다. 따라서, 정공수송층(230)은 발광층(240)에 보다 많은 양의 정공을 공급할 수 있게 된다. 이로써, 전계발광소자의 구동 전압이 낮아지며, 발광효율이 향상될 수 있다.
전자수용층(225)의 최저 비점유 분자 궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital;LUMO) 준위와 정공수송층의 최고 점유분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital;HOMO) 준위의 차이는 ±0.5eV 이내 일 수 있다.
전자수용층(225)의 최저 비점유 분자 궤도 준위와 정공수송층(230)의 최고 점유분자궤도 준위의 차이가 - 0.5eV 이상이면 정공주입층(210)으로부터 정공수송층(220)에 정공이 이동하지 못하여 발생하는 홀 트랩핑(hole trapping)을 방지할 수 있으며, + 0.5eV 이하이면 정공수송층(220)으로부터 효율적으로 전자를 끌어당겨 많은 양의 정공을 생성할 수 있다.
여기서, 전자수용층(225)의 두께는 10 내지 100Å 일 수 있다. 전자수용층(225)의 두께가 10Å 이상이면 전자수용층(225)의 두께를 균일하게 형성할 수 있으며, 전자수용층(225)의 두께가 100Å 이하이면, 정공주입층(210)으로부터 정공수송층(220)으로 정공이 쉽게 이동할 수 있다.
정공수송층(230) 상에 발광층(240)이 위치한다. 발광층(240)은 호스트(host) 또는 도펀트(dopant)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.
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 수송능력이 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 발 광층(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.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계발광소자의 에너지 다이어그램을 나타낸 도면으로서, 이를 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, 제 2 전극(260B)으로부터 전자가 전자수송층(250)의 최저 비점유 분자 궤도로 주입된다.
정공은 정공주입층(220)을 거쳐 정공수송층(230)으로 공급되며, 전자수용층(225)는 정공수송층으로부터 전자를 끌어당겨 정공수송층(230)에 많은 양의 정공을 생성시킨다. 그런 다음, 정공수송층(230)에 존재하는 정공들은 발광층에 공급된다.
한편, 제 2 전극(260B)으로부터 주입된 전자는 전자주입층(260A) 및 전자수송층(260B)를 거쳐 발광층(240)으로 이동하고, 정공과 전자는 발광층(240)의 호스트(240A) 내에서 결합하여 여기자를 생성하고, 여기자는 도펀트(241B)로 전달한다. 도펀트(241B)에 전달된 여기자는 바닥 상태로 떨어지면서 빛을 방출하게 된다.
상술한 바와 같이, 정공주입층(220) 및 정공수송층(230) 사이에 개재된 전자수용층(225)은 정공수송층(230)으로부터 전자를 끌어당겨, 정공수송층(230)에 정공을 생성된다. 따라서, 정공수송층(230)은 정공주입층(220) 및 전자수용층(225)에 의해 정공을 공급받게 되어, 발광층(240)에 충분한 양의 정공을 전달할 수 있게 되며, 이로써 전계발광소자의 구동 전압이 낮아져 발광효율이 높아지게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계발광소자의 단면도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계발광소자의 에너지 다이어그램이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전계발광소자는 제 1 전극(310)과 정공수송층(320) 사이에 버퍼층(315)이 형성된 것을 제외하고는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계발광소자와 그 구조가 동일하다. 따라서, 이하에서는 동일한 내용에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 기판(300) 상에 제 1 전극(310), 버퍼층(315), 정공주입층(320), 전자수용층(325), 정공수송층(330), 발광층(340), 전자수송층(350), 전자주입층(360A) 및 제 2 전극(360B)이 순차적으로 위치한다.
기판(300) 상에 애노드인 제 1 전극(310)이 위치하며, 제 1 전극(310) 상에 버퍼층(315)이 위치한다. 상기와 같은 버퍼층(315)은 무기물인 제 1 전극(310)과 후속하여 형성될 유기층인 정공주입층(320)의 계면을 안정시키는 역할을 한다.
또한, 버퍼층(315)은 전자친화도가 강한 수산기(-OH), 시안기(-CN) 또는 할 로겐기를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 버퍼층(315)은 하기의 화학식을 갖는 화합물을 포함할 수 있다.
Figure 112006072924486-pat00003
여기서, R1 내지 R6 중 어느 하나 이상은 수산기(-OH), 시안기(-CN) 또는 할로겐기일 수 있다.
여기서, 버퍼층(315)은 계면을 안정화시키는 역할을 하는 한편, 전자친화력이 강한 물질을 포함하므로, 정공주입층(310)에 존재하는 전자를 버퍼층(315) 내로 끌어당긴다. 이로써, 정공주입층(320)에는 상대적으로 많은 양의 정공을 생성되며, 이러한 정공들은 정공수송층(330)으로 전달되고, 발광층(340)은 충분한 양의 정공을 공급받게 된다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼층(315)은 계면을 안정화시키고, 정공주입층(310)에 정공을 생성시킴으로써 구동 전압을 낮추는 효과가 있다.
버퍼층(315)의 최저 비점유 분자 궤도 준위와 정공주입층(320)의 최고 점유 분자 궤도 준위의 차이는 ±0.5eV 이내일 수 있다. 버퍼층(315)의 최저 비점유 분자 궤도 준위와 정공주입층(310)의 최고 점유분자궤도 준위의 차이가 - 0.5eV 이상 이면 제 1 전극(310)으로부터 정공주입층(320)으로 정공이 이동하지 못하는 홀 트랩핑(hole trapping)이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, + 0.5eV 이하이면 정공주입층(320)으로부터 효율적으로 전자를 끌어당길 수 있다.
여기서, 버퍼층(315)의 두께는 10 내지 100Å 일 수 있다. 버퍼층(315)의 두께가 10Å 이상이면 버퍼층(215)의 두께를 균일하게 형성하고, 제 1 전극(310)과 정공주입층(320) 간의 계면을 안정화시킬 수 있으며, 버퍼층(215)의 두께가 100Å 이하이면, 제 1 전극(210)으로부터 정공주입층(220)으로 정공이 쉽게 이동할 수 있다.
상기와 같은 버퍼층(315)에 의하여, 정공주입층(320)에는 상대적으로 많은 양의 정공이 생성되며, 이러한 정공들은 정공수송층(330)을 통하여 발광층(340)에 전달된다. 또한, 정공주입층(320)과 정공수송층(330) 사이에는 전자수용층(325)이 존재하기 때문에, 정공수송층(330)에는 더욱 많은 양의 정공이 생성되어 발광층(340)은 충분한 양의 정공을 공급받을 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계발광소자는 제 1 전극(310)으로부터 발광층(340)으로 정공의 이동이 용이하여, 정공과 재결합에 의한 발광이 효과적으로 수행될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계발광소자는 구동전압을 감소시키고 발광 효율을 증대할 수 있는 장점이 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 있다 는 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 (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에 위치하는 정공주입층;
    상기 정공주입층 상에 위치하는 전자수용층;
    상기 전자수용층에 위치하는 발광층; 및
    상기 발광층 상에 위치하는 제 2 전극을 포함하며,
    상기 전자수용층은 전자친화도가 높은 수산기(-OH), 시안기(-CN) 및 할로겐기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 전계발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 정공주입층 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함하는 전계발광소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 전자친화도가 높은 수산기(-OH), 시안기(-CN) 및 할로겐기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 전계발광소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 버퍼층 또는 전자수용층은 하기의 화학식을 갖는 화합물을 포함하는 전 계발광소자.
    Figure 112006072924486-pat00004
    여기서, R1 내지 R6 중 어느 하나 이상은 수산기(-OH), 시안기(-CN) 또는 할로겐기이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자수용층의 최저 비점유 분자 궤도 준위와 상기 정공수송층의 최고 점유 분자 궤도 준위의 차이는 ±0.5eV 이내인 전계발광소자.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 버퍼층의 최저 비점유 분자 궤도 준위와 상기 정공주입층의 최고 점유 분자 궤도 준위의 차이는 ±0.5eV 이내인 전계발광소자.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전자수용층 또는 버퍼층의 두께는 10 내지 100Å인 전계발광소자.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발광층 및 제 2 전극 사이에, 전자 주입층 또는 전자수송층 중 어느 하나 이상이 개재된 전계발광소자.
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