KR100888148B1 - 유기전계발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

유기전계발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 유기전계발광소자는, 본 발명에 의한 유기전계발광소자는, 기판 상에 다층적층으로 배열된 구성요소들 즉, 양극, 유기 발광층, 음극이 순차적으로 형성된 유기전계발광소자에 있어서, 상기 구성요소들을 둘러싸는 다층이 보호막이 형성되며, 상기 다층의 보호막은 금속과 무기물이 혼합된 층 및 유기막층이 하나 이상 포함되어 구성됨을 특징으로 하고,
본 발명에 의한 유기전계발광소자의 제조방법은, 기판 상에 다층적층으로 배열된 구성요소들 즉, 양극, 유기 발광층, 음극이 순차적으로 형성되는 유기전계발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 구성요소들을 둘러싸는 유기막층이 증착되는 단계와; 상기 유기막층 위에 금속과 무기물이 혼합된 층이 증착되는 단계가 포함되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 유기 EL 소자의 보호막에 있어서 금속과 무기물이 혼합된 층이 포함됨으로써 금속 자체의 산소 및 수분 차단효과에 의해 상기 유기 EL 소자의 산소 및 수분 침투를 효과적으로 차단하여 소자의 수명을 향상시키고, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층에 의해 정전기가 방지되는 장점이 있다.

Description

유기전계발광소자 및 그 제조방법{Organic Electro luminescence Device and fabrication method of thereof}
도 1은 일반적인 유기 EL 소자의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 유기 EL 소자에 다층의 보호막이 형성된 것을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 다층의 보호막이 형성된 유기 EL 소자를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 다층의 보호막이 유기 EL 소자에 형성되는 것을 순차적으로 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기판 2 : 양극
3 : 정공 주입층 4 : 정공 수송층
6 : 유기 발광층 7 : 전자 수송층
8 : 전자 주입층 9 : 음극
10 : 유기막층 11 : 무기막층
12 : 금속과 무기물이 혼합된 층 13, 13' : 보호막층
본 발명은 유기전계발광소자에 관한 것으로, 특히 유기전계발광소자에 다층의 보호막 형성시 상기 보호막에 금속과 무기물이 혼합된 층이 포함되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 표시장치의 대형화에 따라 공간 점유가 적은 평면표시소자의 요구가 증대되고 있는데, 이러한 평면표시소자 중 하나로서 유기전계발광소자(Organic Electro luminescence Device : 이하 '유기 EL 소자')의 기술이 빠른 속도로 발전하고 있으며, 이미 여러 시제품들이 발표된 바 있다.
상기 유기 EL 소자는 ITO와 같은 투명전극인 양극과 일함수가 낮은 금속(Ca, Li, Al : Li, Mg : Ag 등)을 사용한 음극 사이에 유기 박막층이 있는 구조로 구성 되어 있으며, 이와 같은 유기 EL 소자에 순방향의 전압을 가하면 양극과 음극에서 각각 정공과 전자가 주입되고, 주입된 정공과 전자는 결합하여 엑시톤(exciton)을 형성하고, 엑시톤이 발광 재결합(radiative recombination)을 하게 되는데 이를 전기발광 현상이라 한다.
여기서, 상기 유기 박막층은 단일 물질로 제작할 수 있으나, 일반적으로 여러 유기물질의 다층 구조를 주로 사용하며, 상기 유기 EL 소자를 다층 박막 구조로 제작하는 이유는 유기 물질의 경우 정공과 전자의 이동도가 크게 차이가 나므로 정공 전달층(HTL)과 전자 전달층(ETL)을 사용하면 정공과 전자가 유기 발광층(EML)으로 효과적으로 전달될 수 있기 때문이다. 이렇게 하여 상기 유기 발광층에서 정공 과 전자의 밀도가 균형을 이루도록 하면 발광 효율이 높아지게 된다.
또한, 경우에 따라서는 양극과 정공 전달층 상에 전도성 고분자 또는 Cu-Pc 등의 정공 주입층(HIL)을 추가로 삽입하여 정공 주입의 에너지 장벽을 낮추며, 더 나아가 음극과 전자 전달층 사이에 LiF 등의 약 5 ~ 10Å 정도의 얇은 완충층(전자 주입층(EIL))을 추가하여 전자 주입의 에너지 장벽을 줄여서 발광 효율을 증가시키고 구동 전압을 낮춘다. 단, 상기 유기 박막층이 고분자 물질로 형성된 경우에는 상기 정공 주입층 및 정공 전달층이 하나의 층으로 형성되어 구성되고, 또한 상기 전자 전달층 및 전자 주입층은 형성되지 않는 경우가 일반적이다.
도 1은 일반적인 유기 EL 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 유기 EL 소자는 기판(1), 양극(2), 정공 주입층(3), 정공 수송층(4), 유기 발광층(6), 전자 수송층(7), 전자 주입층(8) 및 음극(9)이 포함된다.
여기서, 상기 음극(cathode)(9)는 작은 일함수를 갖는 금속인 Ca, Mg, Al 등이 쓰이고, 이는 상기 전극(9)과 유기 발광층(6) 사이에 형성되는 장벽(barrier)을 낮춤으로써 전자 주입에 있어 높은 전류 밀도(current density)를 얻을 수 있기 때문이며, 이를 통해 소자의 발광효율을 증가시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 양극(anode)(2)는 정공 주입을 위한 전극으로 일함수가 높고 발광된 빛이 소자 밖으로 나올 수 있도록 투명 금속 산화물을 사용하며, 가장 널리 사용되는 정공 주입 전극으로는 ITO(indium tin oxide)로써, 두께는 약 30nm정도 이다.
또한, 유기 발광층(6)은 상기 양극과 음극(2, 9)에서 각기 주입된 정공과 전자가 결합하여 형성된 액시톤이 기저상태로 떨어지면서 빛이 발광되는 층으로, 재료로 Alq3, Anthracene등의 저분자 유기물질, 또는 PPV(poly(p-phenylenevinylene)), PT(polythiophene) 등과 그들의 유도체들인 고분자 유기물질 들이 쓰인다.
또한, 정공 주입층(3) 및 정공 수송층(4), 전자 수송층(7) 및 전자 주입층(8)은 각각 정공 및 전자의 이동도를 높이기 위하여 각각 양극(2)과 유기 발광층(6) 사이 및 음극(9)과 유기 발광층(6) 사이에 게재되어 형성되는 것이며, 이러한 상기 각 층들은 저분자 또는 고분자 유기 물질로 이루어 지며 상기 수송층의 조합을 통해 양자효율을 높이고, 캐리어(전자 또는 정공)들이 직접 주입되지 않고 수송층 통과의 2단계 주입과정을 통해 구동전압을 낮출 수 있으며, 또한, 상기 유기 발광층(6)에 주입된 전자와 정공이 유기 발광층(6)을 거쳐 반대편 전극으로 이동시 반대편 수송층에 막힘으로써 재결합 조절이 가능하여, 이를 통해 발광효율을 향상 시킬 수 있는 것이다.
단, 도 1은 종래의 저분자 유기 EL 소자의 구성을 중심으로 도시한 것이며, 고분자 유기 EL 소자의 경우에는 상기 정공 수송층(4) 및 전자 수송층(7), 전자 주입층(8)이 일반적으로 형성되지 않는다.
그러나, 이러한 종래의 유기 EL 소자는 소위 검은 반점(dark spot)이 종종 그 표시패널에 나타난다는 점에서 불리함을 나타내고 있다. 상기 검은 반점은 유기 박막층의 재료 특성들의 열화 및/ 또는 음극의 벗겨짐에 기인하는 전계발광 불능영역으로 구성된다.
이러한 유기 박막층의 재료 특성들의 열화 및/ 또는 음극의 벗겨짐은 유기 EL 소자 둘레의 공기 중의 산소(O2) 또는 수분(H2O)의 존재로 인해 발생되며, 이는 유기 EL 소자의 밝기, 색도 등과 같은 발광 특성들이 저하되게 하며, 수명을 단축시키게 한다. 이에 따라 상기 유기 EL 소자에 있어서는 상기 문제점을 극복해야 하는데 이를 극복하기 위한 방법 중의 하나가 상기 유기 EL 소자에 보호막을 형성하는 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 유기 EL 소자에 다층의 보호막이 형성된 것을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 유기 EL 소자 위에 다층의 보호막(13)이 적층되어 있음을 알 수 있다. 여기서, 상기 보호막(13)은 상기 산소나 습기를 차단하기 위한 패킹(packing)으로서의 역할을 하며, 유기막(10) 및 무기막(11)이 다층으로 적층된 형태를 일반적으로 사용한다.
이와 같은 경우에 사용되는 무기막(11)으로는 질화 실리콘(SiNx)과 산화 실리콘(SiO2) 등이 사용되며, 상기 유기막(10)으로는 모노머(monomer)를 성막한 후 광을 조사시켜 중합(polymerization)된 고분자막이거나 자외선(UV) 경화성 수지 등이 사용될 수 있다.
그러나, 상기와 같이 유기막(10) 및 무기막(11)이 다층으로 적층된 보호막(13)의 경우 상기 유기 EL 소자에 침투되는 산소 및 수분을 완벽히 차단할 수 없으며, 수분이 침투된 무기막(11)과 유기막(10)은 각각 열화에 의하여 점차 그 특성을 잃어 가게 되어 결국 내부로 수분이 침투되어 상기 유기 EL 소자의 특성을 저하시키는 단점이 있다.
본 발명은 유기 EL 소자의 다층의 보호막에 있어서 금속과 무기물이 혼합된 층이 포함됨으로써 상기 유기 EL 소자의 산소 및 수분 침투를 효과적으로 차단하여 소자의 수명을 향상시키는 유기전계발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 유기전계발광소자는, 기판 상에 다층적층으로 배열된 구성요소들 즉, 양극, 유기 발광층, 음극이 순차적으로 형성된 유기전계발광소자에 있어서, 상기 구성요소들을 둘러싸는 다층이 보호막이 형성되며, 상기 다층의 보호막은 금속과 무기물이 혼합된 층 및 유기막층이 하나 이상 포함되어 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층에서 상기 금속이 포함된 비율이 50% 이상이고, 상기 금속은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)계열의 금속이며, 상기 무기물은 질화 실리콘(SiNx) 또는 산화 실리콘(SiO2)임을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 유기전계발광소자의 제조방법은, 기판 상에 다층적층으로 배열된 구성요소들 즉, 양극, 유기 발광층, 음 극이 순차적으로 형성되는 유기전계발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 구성요소들을 둘러싸는 유기막층이 증착되는 단계와; 상기 유기막층 위에 금속과 무기물이 혼합된 층이 증착되는 단계가 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유기막층과 금속과 무기물이 혼합된 층이 순차적으로 더 형성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층은 공-증발법 또는 공-증착법에 의해 형성되며, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층에 금속이 포함된 비율이 50% 이상임을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 의한 다층의 보호막이 형성된 유기 EL 소자를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명은 도 1에서 설명된 유기 EL 소자 위에 다층의 보호막(13')이 적층되어 있으며, 특히 상기 보호막(13') 중 금속과 무기물이 혼합된 층(12)이 포함되어 있다.
일반적으로 유기 EL 소자는 기판 상에 다층적층으로 배열된 구성요소들 즉, 양극, 유기 발광층, 음극이 순차적으로 형성되며, 이와 같은 유기 EL 소자에 순방향의 전압을 가함으로써 양극과 음극에서 각각 정공과 전자가 주입되고, 주입된 정공과 전자는 결합하여 엑시톤(exciton)을 형성함으로써 빛을 발하는 소자이다.
단, 이러한 상기 유기 EL 소자는 유기 EL 소자 둘레의 공기 중의 산소(O2) 또는 수분(H2O)의 침투에 의해 그 성능이 저하되고 수명이 단축되는 단점이 있는 바, 이를 극복하기 위하여 상기 유기 EL 소자에 다층의 보호막을 형성하게 된다.
본 발명에서는 상기 다층의 보호막(13') 중 금속과 무기물이 혼합된 층(12)이 포함됨으로써 금속 자체의 산소 및 수분 차단효과에 의해 상기 유기 EL 소자의 산소 및 수분 침투를 효과적으로 차단하여 소자의 수명을 향상시키며, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층(12)의 금속 성분에 의해 정전기가 방지된다.
즉, 본 발명에 의한 유기 EL 소자의 보호막(13')은 다층으로 구성되어 있으며, 상기 보호막층(13')은 상기 금속과 무기물이 혼합된 층(12)과 유기막층(10)이 하나 이상 포함되어 구성되어 있다. 이 때, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층(12)이 하나의 층으로 형성될 경우에는 그 두께를 두껍게 하고, 다층으로 형성할 경우에는 그 두께를 얇게 하여 상기 유기 EL 소자의 산소 및 수분 침투를 효과적으로 차단하게 한다.
여기서, 상기 유기막층(10)으로는 유리전이 온도(Tg)가 높은 유기물질을 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 유리전이 온도(Tg)가 높은 유기물질의 예로서 CuPc, TPTE 등이 있으며, 이러한 물질의 유리전이 온도(Tg)는 150℃ 이상이다.
또한, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층(12)에서 상기 금속이 포함된 비율이 50% 이상이고, 상기 금속은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)계열의 금속이며, 상기 무기물은 질화 실리콘(SiNx) 또는 산화 실리콘(SiO2) 등이다.
도 4는 본 발명에 의한 다층의 보호막이 유기 EL 소자에 형성되는 것을 순차적으로 도시한 단면도이다.
먼저 기판 상에 다층적층으로 배열된 구성요소들 즉, 양극, 유기 발광층, 음극이 순차적으로 형성되는 유기 EL 소자에 상기 구성 요소들을 둘러싸는 유기막층(10)이 증착된다. (a)
이 때 상기 유기막층(10)은 스퍼터링(sputtering) 방식 등에 의해 형성된다. 또한, 상기 유기막층(10)으로는 유리전이 온도(Tg)가 높은 유기물질을 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 유리전이 온도(Tg)가 높은 유기물질의 예로서 CuPc, TPTE 등이 있으며, 이러한 물질의 유리전이 온도(Tg)는 150℃ 이상이다.
다음으로는 상기 유기막층(10) 위에 금속과 무기물이 혼합된 층(12)이 증착되며, 상기 유기막층(10)과 상기 금속과 무기물이 혼합된 층(12)이 본 발명에 의한 다층의 보호막(13')이 된다. (b)
이 때 상기 금속과 무기물이 혼합된 층(12)에서 상기 금속이 포함된 비율이 50% 이상이고, 상기 금속은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)계열의 금속이며, 상기 무기물은 질화 실리콘(SiNx) 또는 산화 실리콘(SiO2) 등이다.
이러한 금속과 무기물이 혼합된 층(12)은 공-증발법(co-evaporation) 또는 공-증착법(co-sputtering) 방식으로 상기 유기막층(10) 위에 형성되며, 앞서 설명한 바와 같이 이 때 금속과 무기물의 혼합물질에 있어서 상기 금속의 비율은 50% 이상이다.
이는 산소 및 수분에 대한 금속자체의 차단 효과에 의해 상기 유기 EL 소자의 성능 감소를 막고, 수명을 향상시키기 위함이다.
또한, 상기 공정은 무기막 및 금속층을 동시에 하나의 공정을 통해 형성할 수 있으므로 공정 시간을 단축시킬 수 있으며, 이를 통해 형성된 금속 및 무기물의 혼합층(12)은 앞서 설명한 바와 같이 종래의 무기막층(도 2의 11)으로 형성하는 경우에 비해 산소 및 수분 차단 효과가 월등하게 된다.
다음으로는 상기와 같이 형성된 다층의 보호막(13')으로서 유기막층(10)과 금속과 무기물이 혼합된 층(12)이 순차적으로 더 형성된다. (c)
여기서 상기 c 단계는 본 발명에 의한 보호막층(13')에 있어 반드시 형성되어야 하는 것은 아니며, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층(12)이 하나의 층으로 형성될 경우 즉, 상기 b 단계에 의해 본 발명에 의한 다층의 보호막(13')이 형성된 경우에는 그 두께를 두껍게 하고, 상기 c 단계를 거쳐 상기 금속과 무기물이 혼합된 층(12)을 다층으로 형성할 경우에는 그 두께를 얇게 하여 상기 유기 EL 소자의 산소 및 수분 침투를 효과적으로 차단하게 한다.
여기서, 상기 c 단계에서 형성되는 상기 유기막층(10) 및 금속과 무기물이 혼합된 층(12)은 앞서 설명한 바와 같이 스퍼터링 방식 및 공-증발법 또는 공-증착법에 의하여 형성되는 것이다.
본 발명에 의한 유기전계발광소자 및 그 제조방법은, 유기 EL 소자의 보호막에 있어서 금속과 무기물이 혼합된 층이 포함됨으로써 금속 자체의 산소 및 수분 차단효과에 의해 상기 유기 EL 소자의 산소 및 수분 침투를 효과적으로 차단하여 소자의 수명을 향상시키는 장점이 있다.
또한, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층에 의해 정전기가 방지되는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 기판 상에 다층적층으로 배열된 구성요소들 즉, 양극, 유기 발광층, 음극이 순차적으로 형성된 유기전계발광소자에 있어서,
    상기 구성요소들을 둘러싸는 다층이 보호막이 형성되며, 상기 다층의 보호막은 금속과 무기물이 혼합된 층 및 유기막층이 하나 이상 포함되어 구성되고, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층에서 상기 금속이 포함된 비율이 50% 임을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)계열의 금속이며, 상기 무기물은 질화 실리콘(SiNx) 또는 산화 실리콘(SiO2)임을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
  4. 기판 상에 다층적층으로 배열된 구성요소들 즉, 양극, 유기 발광층, 음극이 순차적으로 형성되는 유기전계발광소자의 제조방법에 있어서,
    상기 구성요소들을 둘러싸는 유기막층이 증착되는 단계와,
    상기 유기막층 위에 금속과 무기물이 혼합된 층이 증착되는 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 유기막층과 금속과 무기물이 혼합된 층이 순차적으로 더 형성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 금속과 무기물이 혼합된 층은 공-증발법(co-evaporation)에 의해 형성되며, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층에 금속이 포함된 비율이 50% 임을 특징으로 하는 유기전계발광소자의 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 금속과 무기물이 혼합된 층은 공-증착법(co-sputtering)에 의해 형성되며, 상기 금속과 무기물이 혼합된 층에 금속이 포함된 비율이 50% 임을 특징으로 하는 유기전계발광소자의 제조방법.
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