KR101074665B1 - 투명 중간 전극을 갖는 직렬식 유기 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 투명 중간 전극을 사용하는 직렬식 유기 소자, 예컨대 직렬식 유기 발광 소자 및 유기 태양전지에 관한 것으로, 이 중간 전극은 외부 전원과 직접 연결되지 않으며, 금속과 불화물의 도핑으로 이루어진 n형 반도체 층과 금속 산화막으로 형성된 p형 반도체 층의 새로운 pn접합으로 형성된다. 중간전극의 도핑된 n형 반도체 층은 기존의 단순 적층형 중간전극에 비해 광 투과도, 전하 주입 및 전하 생성/재결합 특성의 향상에 기여하여 고효율 유기 소자를 제작할 수 있다.
직렬식 유기 발광 소자 장치, 직렬식 유기 태양 소자 장치, 중간 투명 전극

Description

투명 중간 전극을 갖는 직렬식 유기 소자 {Tandem organic device with transparent interconnecting layer}
본 발명은 직렬식 유기 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 새로운 pn접합을 이용하여 광 투과도 및 전기 전도도를 향상시킨 투명 중간 전극을 채용하여 직렬식 유기 발광 소자 및 유기 태양전지 등에 응용될 수 있는 직렬식 유기 소자에 관한 것이다.
일반적으로 유기 소자에는 유기 발광 소자 및 유기 태양전지 등이 포함된다.
유기 발광 소자는 음극과 양극을 통하여 주입된 전자와 정공이 결합하여 특정한 파장의 빛이 발생되는 전류 구동형 소자이다. 이 유기 발광 소자는 자체 발광형 소자로써, 시야각이 넓고, 두께가 얇으며 응답속도가 빠르다는 장점을 갖는다. 유기 발광 소자의 휘도는 전류 밀도에 비례하지만 수명은 전류 밀도에 반비례한다. 즉 좋은 유기 발광 소자 제작을 위해서는 높은 휘도 상태를 낮은 전류 밀도에서 구동시켜 발광 효율 향상 및 장수명을 이루는 것이 중요하다.
유기 발광 소자의 발광 효율 및 수명을 증가 시키기 위한 방법 중에 하나로, 미국 특허 제 6,337,492호, 제 6,717,358호에 개시된 바와 같이 2개 이상의 유기 발광 소자를 수직으로 적층하는 직렬식 유기 발광 소자 구조가 있다. 직렬식 유기 발광 소자는 동일한 휘도를 얻기 위해 기존의 단일 유기 발광 소자보다 낮은 전류 밀도에서 동작하며, 이는 수명 향상 및 소자 안정성에 효과가 있다.
한편, 유기 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 유기 반도체 소자로서, 기본적으로 전자 주게 물질과 전자 받게 물질의 복합 박막 또는 다층 구조 박막으로 형성된다. 유기 태양 전지는 차세대 청정 에너지원으로서, 재료 및 에너지를 적게 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있으며, 투명하고 다양한 색을 낼 수 있으며, 다양한 기판에 제작 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 유기 태양전지에 있어서도, 직렬식 유기 태양전지는 제조 단가를 더욱 낮추고, 서로 다른 흡수대역을 갖는 물질을 사용하여 넓은 범위의 빛을 효과적으로 사용함으로써 광전변환 효율을 높일 수 있다.
대부분의 직렬식 유기 소자의 경우, 모든 단일 소자 사이에 중간 전극을 삽입하여 전기적으로 직렬 연결을 형성하게 되는데, 이러한 중간 전극은 각 픽셀간의 혼선을 주지 않는 것이 바람직하며, 유기 소자의 수명 향상에 기여할 뿐 아니라 유기 발광 소자의 경우 구동 전압을 감소 시켜 소자 성능을 향상 시킬 수 있어야 한다. 또한, 중간 전극의 전하 주입 및 전하 생성/재결합 특성이 우수해야 하며, 이를 통해 유기 발광 소자와 유기 태양전지의 발광 효율 및 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있어야 한다. 하지만 두께 및 사용되는 물질의 종류에 따라 중간전극의 특성이 달라지기 때문에, 이러한 특성을 동시에 충족시키기는 것이 중요하다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 종래기술에 비해 우수한 광 투과율, 전하 주입 및 전하 생성/재결합 특성을 가진 직렬식 유기 소자를 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 직렬식 유기 소자는: 직렬 적층된 2개 이상의 유기 소자들과; 상기 유기 소자들의 인접한 것들 사이에 형성된 투명 중간 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 투명 중간 전극이 스핀 코팅법, 딥코팅법, 진공증착법, 물리기상 증착법, 화학기상증착법 및 전기도금법으로 구성된 박막형성방법 군으로부터 선택된 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 투명 중간 전극이, 금속과 불화물이 도핑된 n형 반도체 층과, 금속 산화물로 이루어진 p형 반도체 층의 pn 접합으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 n형 반도체 층이 금속과 불화물의 도핑에 의해 형성될 경우, 이것이 하나의 합성 물질 특성을 갖는 것이 바람직하다.
특히, 상기 n형 반도체 층이, 0.5㎚ 내지 10㎚의 두께 범위에서, Ba, Ag, Cs, Ca 및 Al로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 금속에, LiF, CsF, BaF2 및 NaF로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 불화물을 도핑하여 이 루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 p형 반도체 층은 1㎚ 내지 50㎚의 두께 범위에서, MoO3, V2O5, Re2O3 및 WO3으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.
위에 기재된 직렬식 유기 소자의 예로서, 유기 발광 소자 및 유기 태양전지가 포함될 수 있다.
본 발명에 따르면, 투명 중간 전극이 같은 두께의 단순 적층형 중간 전극에 비해 전기 전도도 및 광 투과도를 향상시키기 때문에, 이를 통해 고효율의 집적화된 직렬식 유기 소자, 예컨대 유기 발광 소자 및 유기 태양전지를 제작할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
아래에는, 본 발명의 실시예로, 직렬식 유기 발광 소자 및 직렬식 유기 태양전지의 구조 및 소자 성능의 변화에 대하여 설명하겠으나, 2개의 단일 유기 소자에 한정되는 것이 아니며, 3개 이상의 단일 유기 소자를 이용하여 다양한 구조 및 순 서의 실시예가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직렬식 유기 발광 소자의 단면도이다. 단일 유기 발광 소자의 구조는 HIL/HTL/EBL/EML/HBL/ETL/EIL이며, 순서가 바뀌거나 몇 개의 층이 생략될 수 있다. 또한 N개의 유기 발광 소자는 동일하거나 다른 구조 또는 물질을 가질 수 있다. 여기서, HIL은 Hole Injection Layer, HTL은 Hole Transfer Layer, EBL은 Electron Blocking Layer, EML은 Emitting Material Layer, HBL은 Hole Blocking Layer, ETL은 Electron Transfer Layer, EIL은 Electron Injection Layer를 각각 나타내는 약자이다. 도 1을 참조하면, N개의 단일 유기 발광 소자(102.1, 102.2, …, 102.N)의 사이에 각각 n형 반도체 층(103.1, 103.2, …, 103.(N-1))과 p형 반도체 층(104.1, 104.2, …, 104.(N-1))으로 구성된 pn 접합으로 이루어진 투명 중간 전극층이 위치함을 알 수 있다. n형 반도체 층(103.1, 103.2, …, 103.(N-1))은 금속과 불화물과의 도핑으로 이루어지고, p형 반도체 층(104.1, 104.2, …, 104.(N-1))은 금속 산화물로 이루어진다. 그리고 투명 중간 전극의 n형 반도체 층(103.1, 103.2, …, 103.(N-1))은 양극(101) 쪽을 향해 배치되고, p형 반도체 층(104.1, 104.2, …, 104.(N-1))은 음극(105) 쪽을 향해 배치된다. 이러한 투명 중간 전극은 진공증착법에 의해 형성되었는데, 그 외에도 스핀 코팅(Spin coating)법, 딥코팅(Dip coating)법, 진공증착법, 물리기상 증착(Physical Vapor Deposition; PVD)법, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD)법 또는 전기도금법에 의해 형성할 수도 있다. 금속과 불화물의 도핑에 의해 형성된 n형 반도체 층(103.1, 103.2, …, 103.(N-1))의 각각은 하나의 합성 물질 특성을 갖는다. 구체적으로, 이 n형 반도체 층(103.1, 103.2, …, 103.(N-1))은 0.5㎚ 내지 10㎚의 두께 범위에서 형성되는 것이 바람직하며, Ba, Ag, Cs, Ca 및 Al로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 금속에, LiF, CsF, BaF2 및 NaF로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 불화물을 도핑하여 이루어진다. 또한, p형 반도체 층(104.1, 104.2, …, 104.(N-1))은 1㎚ 내지 50㎚의 두께 범위에서 형성되는 것이 바람직하며, MoO3, V2O5, Re2O3 및 WO3으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진다. n형 반도체 층(103.1, 103.2, …, 103.(N-1))에서 불화물과 금속의 도핑 농도 및 두께, p형 반도체 층(104.1, 104.2, …, 104.(N-1))에서 금속 산화막의 두께를 조절하여 직렬식 유기 소자에 적절한 광 투과도, 전하 주입 및 전하 생성/재결합 특성을 갖도록 구성한다.
본 발명에 따른 직렬식 유기 발광 소자에서의 투명 중간 전극은 구동 전압의 감소와 전자 발광 효율의 향상을 목표로 하기 때문에, 유기 전기 발광 소자의 두께는 최대한 얇을수록 좋아서 20㎚ 이하의 두께를 지니며, 효율 향상을 위해서는 중간 전극에서 인접 유기 전기 발광 소자 내로 효과적인 전하 주입을 제공해야 하지만, 너무 낮은 면저항은 화소 혼선의 문제가 발생될 수 있기 때문에, 이에 적절한 면저항을 갖는 특성을 포함한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 직렬식 유기 발광 소자의 발광 효율을 설명하기 위한 그래프이다. 상세히 설명하자면, 도 2는 단일 유기 발광 소자와 2개의 동일한 유기 소자를 본 발명의 실시예에 적용된 Al:LiF/MoO3 투명 중간 전극을 사 용하여 제작한 직렬식 유기 발광 소자의 발광 효율-전류 밀도 그래프로서, 도 2를 참조하면, 발광 효율이 2배 가까이 증가함을 알 수 있다. 또한 동일 발광 조건에서의 수명 측정 시 직렬식 유기 발광 소자가 단일 유기 발광 소자에 비해 수명이 2배 이상 증가함을 확인할 수 있었다.
한편, 본 발명의 투명 중간 전극을 이용한 다른 직렬식 유기 발광 소자의 실시예로, CBP에 (piq)2Ir(acac)를 도핑하여 만든 적색 소자와 mCP에 FIrpic을 도핑하여 만든 청색 소자에, 본 발명에 따른 Al:LiF/MoO3 투명전극을 적용하여 직렬식 유기 발광 소자로 제작할 경우, 적색과 청색을 이용한 백색광 유기 발광 소자를 제작 가능함을 확인하였다. 이 조건에서의 소자에서 전류가 1mA 일 때, 백색광인 (0.31, 0.31)의 색좌표를 가지며, 발광 효율도 각각 소자의 효율을 합한 만큼의 증가를 보였다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 직렬식 유기 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 도 1의 설명에서와 마찬가지로, n형 반도체 층(303.1, 303.2, …, 303.(N-1))과 p형 반도체 층(304.1, 304.2, …, 304.(N-1))으로 구성된 pn 접합으로 이루어진 투명 중간 전극층이 각각의 단일 태양전지(302.1, 302.2, …, 302.N)의 사이에 배치되어, 전하 주입 및 전하 재결합을 원활히 발생할 수 있도록 하는 역할을 하고 있음을 알 수 있다. 이러한 투명 중간 전극은 상부의 흡수대역에 영향을 미치지 않는 높은 광 투과도 특성을 지닌다.
도 4는 단일 유기 태양전지와 서로 다른 광 흡수대역을 가지는 2개의 태양전 지를 본 발명의 실시예에 적용된 Al:LiF/MoO3 투명 중간 전극을 사용하여 제작한 직렬식 유기 태양전지의 전류밀도-전압 그래프로서, 직렬식 유기 태양전지의 Voc는 2개의 단일 태양전지의 Voc의 합과 비슷한 크기로 증가하며, FF 역시 증가하여 보다 높은 효율의 소자를 제작할 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 투명 중간 전극을 갖는 직렬식 유기 태양전지는, 소자 집적도를 높일 수 있으며, 흡수대역이 좁은 유기물의 단점을 보완하여 광 이용 효율을 높여 소자 효율을 증가 시킬 수 있는 장점을 가진다.
이상에 설명한 바와 같이, 또한, 본 발명에 따른 직렬식 유기 발광소자 또는 태양전지에서의 투명 중간 전극은 광 투과도, 전하 주입 및 전하 재결합 특성이 우수하며, 상부 유기 소자의 광 흡수대역에 영향을 주지 않는다. 그리고 상기한 이러한 투명 중간 전극은 벤젠류의 용매에 녹지 않기 때문에 이를 기반으로 하는 고분자를 이용한다면 스핀코팅에 의한 직렬식 유기소자도 제작 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직렬식 유기 발광 소자의 단면도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 직렬식 유기 발광 소자의 발광 효율을 설명하기 위한 그래프;
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 직렬식 유기 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도; 및
도 4는 단일 유기 태양전지와 서로 다른 광 흡수대역을 가지는 2개의 태양전지를 본 발명의 실시예에 적용된 Al:LiF/MoO3 투명 중간 전극을 사용하여 제작한 직렬식 유기 태양전지의 전류밀도-전압 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명 *
102.1: 첫번째 유기 발광 소자
102.2: 두번째 유기 발광 소자
102.(N-1): (N-1)번째 유기 발광 소자
102.(N): N번째 유기 발광 소자.
103.1: 첫번째 n형 반도체 층
103.2: 두번째 n형 반도체 층
103.(N-1): (N-1)번째 n형 반도체 층
104.1: 첫번째 p형 반도체 층
104.2: 두번째 n형 반도체 층
104.(N-1): (N-1)번째 n형 반도체 층
101, 301: 양극
105, 305: 음극
302.1: 첫번째 유기 태양전지
302.2: 두번째 유기 태양전지
302.(N-1): (N-1)번째 유기 태양전지
302.(N): N번째 유기 태양전지
303.1: 첫번째 n형 반도체 층
303.2: 두번째 n형 반도체 층
303.(N-1): (N-1)번째 n형 반도체 층
304.1: 첫번째 p형 반도체 층
304.2: 두번째 n형 반도체 층
304.(N-1): (N-1)번째 n형 반도체 층

Claims (7)

  1. 직렬 적층된 2개 이상의 유기 소자들과, 상기 유기 소자들의 인접한 것들 사이에 형성된 투명 중간 전극을 포함하되,
    상기 투명 중간 전극은 금속에 불화물이 도핑된 n형 반도체 층과, 금속 산화물로 이루어진 p형 반도체 층의 pn 접합으로 이루어진 투명 중간 전극을 갖는 직렬식 유기 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 투명 중간 전극이 스핀 코팅법, 딥코팅법, 진공증착법, 물리기상 증착법, 화학기상증착법 및 전기도금법으로 구성된 박막형성방법 군으로부터 선택된 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 직렬식 유기 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 n형 반도체 층은 알루미늄(Al)에 LiF가 도핑된 반도체 층(Al:LiF)이며, 상기 p형 반도체 층은 MoO3층인 것을 특징으로 하는 직렬식 유기 소자.
  4. 제1항에 있어서, 금속에 불화물이 도핑된 상기 n형 반도체 층이 하나의 합성 물질 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 직렬식 유기 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 n형 반도체 층이, 0.5㎚ 내지 10㎚의 두께 범위에서, Ba, Ag, Cs, Ca 및 Al로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 금속에, LiF, CsF, BaF2 및 NaF로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 불화물을 도핑하여 이루어진 것을 특징으로 하는 직렬식 유기 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 p형 반도체 층은 1㎚ 내지 50㎚의 두께 범위에서, MoO3, V2O5, Re2O3 및 WO3으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 직렬식 유기 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 직렬식 유기 소자에 유기 발광 소자 및 유기 태양전지가 포함되는 것을 특징으로 하는 직렬식 유기 소자.
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