KR100813853B1 - 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

유기 발광 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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최경훈
최영석
박영호
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Abstract

본 발명은, 기판, 반사막을 포함한 제1전극, 제2전극 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 개재된 유기층을 포함하고, 상기 제2전극 상부에 마이크로렌즈 어레이(microlens array) 구조를 가지며 CuPc(Copper Phthalocyanine)로 이루어진 유기 캡핑층(organic capping layer)이 구비된 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 유기 발광 소자는 우수한 발광 효율을 갖는다.
유기 발광 소자

Description

유기 발광 소자 및 이의 제조 방법{An organic light emitting diode and a method for preparing the same}
도 1 및 2는 본 발명의 일 구현예를 따르는 유기 발광 소자를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 3은 CuPc층 열처리 결과물의 SEM 사진이다.
<도면 중 주요 부분에 대한 부호 설명>
10, 20...발광 소자 11, 21...기판
13, 23...제1전극 15, 25...기판
17, 27...제2전극 18, 28...유기 캡핑층
29...무기 캡핑층
본 발명을 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 마이크로렌즈 어레이 구조를 가지며 CuPc(Copper Phthalocyanine)으로 이루어진 유기 캡핑층을 구비한 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 유기 발광 소자는 우수한 발광 효율을 갖는다. 한편, 본 발명의 유기 발광 소 자의 제조 방법에 따르면, 마이크로렌즈 어레이 구조를 갖는 유기 캡핑층을 별도의 패터닝 공정없이 용이하게 형성할 수 있다.
유기 발광 소자는, 형광 또는 인광 유기막에 전류를 흘려주면, 전자와 정공이 유기층에서 결합하면서 빛이 발생하는 현상을 이용한 자발광형 소자로서, 경량이며, 부품이 간소하고 제작 공정이 비교적 간단한 구조를 갖고 있다. 또한 고화질 구현이 가능하며, 광시야각을 확보할 수 있으며, 동영상을 완벽하게 구현할 수 있다. 아울러, 고색순도 구현, 저소비전력, 저전압 구동이 가능하여, 휴대용 전자 기기에 적합한 전기적 특성을 갖고 있다.
상기 유기 발광 소자는 효율 향상 및 구동 전압 저하를 위하여 유기막으로서 단일 발광층만을 사용하지 않고, 전자 주입층, 발광층, 정공 수송층 등과 같은 다층 구조를 사용할 수 있다. 상기 유기 발광 소자의 예는, 예를 들면, 대한민국 특허공개공보 2005-0040960호를 참조한다.
그러나, 종래의 유기 발광 소자의 발광 효율은 만족스럽지 못하였는 바, 이의 개선이 필요하다.
본 발명은 발광 효율이 우수한 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 바와 같은 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은, 기판, 반사막을 포함한 제1전극, 제2전극 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 개재된 유기층을 포함하고, 상기 제2전극 상부에 마이크로렌즈 어레이(microlens array) 구조를 가지며 CuPc(Copper Phthalocyanine)로 이루어진 유기 캡핑층(organic capping layer)이 구비된 유기 발광 소자를 제공한다.
상기 유기 발광 소자의 유기 캡핑층 중 CuPc는 원통형 기둥 형상으로 배열될 수 있다.
상기 유기 발광 소자의 유기 캡핑층의 두께는 10nm 내지 1000㎛일 수 있다.
상기 유기 발광 소자의 유기 캡핑층 상부에는 마이크로렌즈 어레이 구조를 갖는 무기 캡핑층이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명은, 기판 상부에, 반사막을 포함한 제1전극, 유기층 및 제2전극을 차례로 형성하는 단계, 상기 제2전극 상부에 CuPc층을 제공하는 단계 및 상기 CuPc층을 열처리하여, 마이크로렌즈 어레이(microlens array) 구조를 가지며 CuPc로 이루어진 유기 캡핑층으로 변환시키는 단계를 포함하는 유기 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
전술한 바와 같은, 본 발명을 따르는 유기 발광 소자는 우수한 발광 효율을 가질 수 있으며, 이러한 유기 발광 소자는 간단한 공정으로 용이하게 제작가능하다.
이하, 본 발명을 보다 상세한 설명한다.
도 1은 본 발명을 따르는 유기 발광 소자(10)의 일 구현예를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1의 유기 발광 소자(10)는 기판(11), 제1전극(13), 유기층(15) 및 제2전극(17)을 구비하며, 상기 제2전극(17) 상부에는 유기 캡핑층(18)이 구비되어 있다.
상기 기판(11)으로는, 통상적인 유기 발광 소자에서 사용되는 기판을 사용하는데 기계적 강도, 열적 안정성, 투명성, 표면 평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리 기판, 투명 플라스틱 기판 또는 금속 포일을 이용할 수 있다. 도 1에는 도시되어 있지 않으나, 상기 기판(11) 상부에는 평탄화막, 절연층 등이 더 구비될 수 있는 등, 다양한 변형이 가능하다.
상기 기판(11) 상부로는 제1전극(13)이 구비되어 있다. 상기 제1전극(31)은 진공증착법이나 스퍼터링법 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 캐소드 또는 애노드일 수 있다. 상기 제1전극(13)은 반사막을 포함할 수 있다. 따라서, 유기층(15)에서 생성된 광은 제2전극(17)을 통하여 외부로 취출될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1전극(13)은 산화인듐주석(ITO), 산화인듐아연(IZO), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 등을 포함할 수 있으며, Al, Ag, Mg 등으로 이루어진 반사막을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1전극(13) 상부에는 유기층(15)이 구비되어 있다. 상기 유기층(15)은 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 정공 억제층, 전자 수송층 및 전자 주입층 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 유기층(15)에 포함될 수 있는 정공 주입층은 공지의 정공 주입 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, Advanced Material, 6, p.677(1994)에 기재되어 있는 스타버스트형 아민 유도체류인 TCTA, m-MTDATA, m-MTDAPB, 용해성이 있는 전도성 고분자인 Pani/DBSA (Polyaniline/Dodecylbenzenesulfonic acid:폴리아닐린/도데실벤젠술폰산) 또는 PEDOT/PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/Poly(4-styrenesulfonate):폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌술포네이트)), Pani/CSA (Polyaniline/Camphor sulfonic acid:폴리아닐린/캠퍼술폰산) 또는 PANI/PSS (Polyaniline)/Poly(4-styrenesulfonate):폴리아닐린)/폴리(4-스티렌술포네이트)) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure 112007029757607-pat00001
Figure 112007029757607-pat00002
상기 유기층(15)에 포함될 수 있는 정공 수송층은 공지의 정공 수송 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, N-페닐카르바졸, 폴리비닐카르바졸 등의 카르바졸 유도체, N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-디페닐-[1,1-비페닐]-4,4'-디아민(TPD), N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐 벤지딘(α-NPD), 4,4'-비스-[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]비페닐(NPB) 등의 방향족 축합환을 가지는 통상적인 아민 유도체 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기층(15)에 포함될 수 있는 발광층은 공지의 발광 재료를 포함할 수 있다. 이 때, 공지의 호스트 및 도펀트를 포함할 수 있다. 예를 들면, Alq3, CBP(4,4'-N,N'-디카바졸-비페닐), PVK(폴리(n-비닐카바졸)), DSA( 디스티릴아릴렌) 등과 같은 공지의 호스트 및 PtOEP, Ir(piq)3, Btp2Ir(acac), DCJTB (이상, 적색 도펀트), Ir(ppy)3 (ppy = 페닐피리딘), Ir(ppy)2(acac), Ir(mpyp)3 (이상, 녹색 도펀트), F2Irpic, (F2ppy)2Ir(tmd), Ir(dfppz)3, ter-플루오렌(fluorene) (이상, 청색 도펀트) 등과 같은 공지의 도펀트 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure 112007029757607-pat00003
Figure 112007029757607-pat00004
Figure 112007029757607-pat00005
상기 유기층(15)에 포함될 수 있는 정공 억제층은 공지의 정공 억제 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 옥사디아졸 유도체나 트리아졸 유도체, 페난트롤린 유도체, 또는 JP 11-329734(A1)에 기재되어 있는 정공저지재료 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기층(15)에 포함될 수 있는 전자 수송층은 공지의 전자 수송 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, bis(2-methyl-8-quinolato)- (p-phenylphenolato)-aluminum (Balq), bathocuproine(BCP), tris(N-aryl benzimidazole)(TPBI)등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기층(15)에 포함될 수 있는 전자 주입층은 공지의 전자 주입 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, BaF2, LiF, NaCl, CsF, Li2O, BaO, Liq 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기층(15) 상부로는 제2전극(17)이 구비되어 있다. 상기 제2전극(17)은 진공증착법이나 스퍼터링법 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 캐소드 또는 애노드일 수 있다. 상기 제2전극 형성용 금속으로는 낮은 일함수를 가지는 금속, 합금, 전기전도성 화합물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 구체적인 예로 서는 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 알루미늄-리튬(Al-Li), 칼슘(Ca), 마그네슘-인듐(Mg-In), 마그네슘-은(Mg-Ag), ITO, IZO 등을 들 수 있다. 또한, 상기 제2전극(25)은 서로 다른 2 이상의 물질을 이용하여 2층 이상의 구조를 가질 수 있는 등, 다양한 변형이 가능하다. 이 때, 상기 제2전극(17)은 유기층(15)으로부터 생성된 광이 외부로 취출될 수 있을 정도의 광투과도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 제2전극(17) 상부로는 유기 캡핑층(18)이 구비되어 있다. 상기 유기 캡핑층(18)은 CuPc(Copper Phthalocyanine)으로 이루어져 있다. 이 때, CuPc는 원통형 기둥 형상으로 배열되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 유기 캡핑층(18)의 표면은 원통형 기둥 형상으로 배열된 CuPc가 돌출된 구조를 갖는데, 이것이 바로 마이크로렌즈 어레이 구조를 이룬다. 이러한 마이크로렌즈 어레이 구조는 별도의 패터닝 공정을 통하여 이루어진 것이 아니라, CuPc층을 특정 조건 하에서 열처리함으로써, CuPc 분자가 자가 배열(self-arrangement)함으로써 이루어진 것이다. 따라서, 극초미세 패턴의 마이크로렌즈 어레이 구조를 얻을 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하는 본 발명을 따르는 유기 발광 소자의 제조 방법에서 살펴보기로 한다.
상기 유기 캡핑층(18)은 제2전극(17)을 통하여 빛이 외부로 취출될 때, 빛의 전반사를 통하여 상당량의 빛이 손실되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있는 바, 이로써, 유기 발광 소자(10)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
상기 유기 캡핑층(18)의 두께는 10nm 내지 1000㎛일 수 있다. 전술한 바와 같은 두께 범위를 만족시킬 경우, 마이크로렌즈 어레이 구조를 효과적으로 형성할 수 있다.
상기 유기 캡핑층의 굴절율은 예를 들면, 1.5 내지 3.0일 수 있다. 본 발명을 따르는 유기 캡핑층의 CuPc는 원통형 기둥 형태로 배열되어 있기 때문에 높은 굴절율을 가질 수 있다.
이로써, 높은 발광 효율을 갖는 유기 발광 소자를 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명을 따르는 유기 발광 소자(20)의 다른 일 구현예를 도시한 것이다. 상기 유기 발광 소자(20)는 기판(21), 제1전극(23), 유기층(25) 및 제2전극(27)을 구비하며, 상기 제2전극(27) 상부로는 마이크로렌즈 어레이 구조를 가지며 CuPc로 이루어진 유기 캡핑층(28) 및 무기 캡핑층(29)이 구비되어 있다. 여기서, 기판(21), 제1전극(23), 유기층(25), 제2전극(27) 및 유기 캡핑층(28)에 대한 상세한 설명은 전술한 바를 참조한다.
상기 무기 캡핑층(29)은 유기 캡핑층(28) 상부에 구비되어, 광 취출율을 높이는 역할을 한다. 이 때, 상기 무기 캡핑층(29)도 마이크로렌즈 어레이 구조를 가질 수 있으며, 실질적으로 상기 무기 캡핑층(29)의 마이크로렌즈 어레이 구조는 하부의 유기 캡핑층(28)의 마이크로렌즈 어레이 구조와 동일하다. 이는 상기 무기 캡핑층(29)의 마이크로렌즈 어레이 구조 또한 별도의 패터닝 공정을 통하여 얻은 것이 아니라, 무기 캡핑층(29)을 이루는 무기물을 유기 캡핑층(28) 상부에 증착할 때, 유기 캡핑층(28)의 마이크로렌즈 어레이 구조를 따라 증착이 이루어질 수 있기 때문이다.
상기 무기 캡핑층은, 예를 들면, 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 지르코늄 질화물, 티타늄 질화물, 하프늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 티타튬 산화물, 주석 산화물, 세륨 산화물 및 실리콘 산화질화물(SiON)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 무기물로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같은 본 발명의 유기 발광 소자를 제조하는 방법은, 기판 상부에 반사막을 포함한 제1전극, 유기층 및 제2전극을 차례로 형성하는 단계, 상기 제2전극 상부에 CuPc층을 형성하는 단계 및 상기 CuPc층을 열처리하여, 상기 CuPc층을 마이크로렌즈 구조를 가지며 CuPc로 이루어진 유기 캡핑층으로 변환시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유기 발광 소자의 제조 방법 중, 기판 상부에 상부에 반사막을 포함한 제1전극, 유기층 및 제2전극을 차례로 형성하는 단계는 통상의 증착법, 스퍼터링법, 코팅법 등을 이용할 수 있다. 특히, 제1전극, 유기층 및 제2전극을 이루는 물질은 전술한 바를 참조한다.
이 후, 제2전극 상부에 CuPc층을 형성한다. 상기 CuPc층을 형성하는 방법은 통상의 증착법, 코팅법을 이용할 수 있다. 이 때, CuPc층의 CuPc는 벌크 상태로서 마이크로렌즈 어레이 구조를 갖지 않는다.
그리고 나서, 상기 CuPc층을 열처리함으로써, 상기 CuPc층을 마이크로렌즈 어레이 구조를 가지며 CuPc로 이루어진 유기 캡핑층으로 변환시킨다.
상기 CuPc층을 마이크로렌즈 어레이 구조를 갖는 유기 캡핑층으로 변환시키기 위하여는 50℃ 내지 300℃의 열처리 온도 및 1초 내지 300분의 열처리 시간 범 위 내에서 열처리 조건을 선택하는 것이 바람직하다. 일 예로, 도 3은 300nm 두께의 CuPc층을 150℃에서 60분 간 열처리한 결과물의 SEM 사진이다. 도 3의 CuPc는 원통형 기둥 형태로 배열되어 있는 것을 확인할 수 있는 바, 이는 마이크로렌즈 어레이 구조로서의 역할을 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명을 따르는 유기 캡핑층의 마이크로렌즈 어레이 구조는 별도의 복잡한 패터닝 공정을 이용하여 형성되는 것이 아니라, 간단한 열처리 공정을 이용하여 CuPc의 자가-배열(self-arrangement)에 의하여 형성된 것인 바, CuPc의 분자 레벨에 대응되는 극초미세 구조일 수 있다. 따라서, 본 발명의 유기 발광 소자 제조 방법에 따르면, 우수한 발광 효율을 갖는 유기 발광 소자를 간단히 얻을 수 있다.
상기 본 발명을 따르는 유기 발광 소자의 제조 방법은 상기 유기 캡핑층 상부에 무기물로 이루어진 무기 캡핑층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 무기 캡핑층을 이루는 무기물을 전술한 바를 참조한다. 이 때, 상기 무기 캡핑층을 증착법을 이용하여 형성할 경우, 상기 무기 캡핑층은 유기 캡핑층이 갖는 마이크로렌즈 어레이 구조를 실질적으로 그대로 가질 수 있다.
본 발명을 따르는 유기 발광 소자는 마이크로렌즈 어레이 구조를 가지며 CuPc로 이루어진 유기 캡핑층을 구비하는 바, 우수한 발광 효율을 가질 수 있다. 또한, 상기 마이크로렌즈 어레이 구조를 가지며 CuPc로 이루어진 유기 캡핑층은 별도의 패터닝 공정없이도 간단한 열처리 공정으로 형성될 수 있는 것인 바, 본 발명 의 유기 발광 소자의 제조 방법에 따르면 간단한 공정으로 우수한 발광 효율을 갖는 유기 발광 소자를 제작할 수 있는 바, 높은 생산성을 얻을 수 있다.
본 발명에 대하여 구현예 및 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예 및 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 기판, 반사막을 포함한 제1전극, 제2전극 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 개재된 유기층을 포함하고, 상기 제2전극 상부에 마이크로렌즈 어레이(microlens array) 구조를 가지며 CuPc(Copper Phthalocyanine)로 이루어진 유기 캡핑층(organic capping layer)이 구비된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CuPc는 원통형 기둥 형상으로 배열된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유기 캡핑층의 두께가 10nm 내지 1000㎛인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기 캡핑층 상부에 마이크로렌즈 어레이 구조를 갖는 무기 캡핑층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무기 캡핑층이 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 지르코늄 질화물, 티타늄 질화물, 하프늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 티타튬 산화물, 주석 산화물, 세륨 산화물 및 실리콘 산화질화물(SiON)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 무기물로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  6. 기판 상부에, 반사막을 포함한 제1전극, 유기층 및 제2전극을 차례로 형성하는 단계;
    상기 제2전극 상부에 CuPc층을 제공하는 단계; 및
    상기 CuPc층을 열처리하여, 마이크로렌즈 어레이(microlens array) 구조를 가지며 CuPc로 이루어진 유기 캡핑층으로 변환시키는 단계;
    를 포함하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 CuPc층의 열처리 온도가 50℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 CuPc층의 열처리 시간이 1초 내지 300분인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 유기 캡핑층 상부에 무기물을 증착하여, 마이크로렌즈 어레이 구조를 갖는 무기 캡핑층을 상기 유기 캡핑층 상부에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
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