KR101292297B1 - 유기 전계 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 전계 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 기판 상부의 소정 영역에 순차적으로 형성된 제 1 전극, 유기 발광층 및 제 2 전극을 포함하는 유기 발광부; 및 유기 발광부의 측면 및 상부를 포함한 전면에 형성된 제 1 박막층 및 제 2 박막층, 그리고 유기 발광부의 상부에 형성된 제 3 박막층을 포함하며, 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층이 적층 순서에 관계없이 적어도 한번 이상 교번 증착되어 다층 구조로 형성됨으로써 유기 전계 발광 소자의 전면 뿐만 아니라 측면으로부터의 산소 또는 수분의 침투를 효과적으로 억제할 수 있어 소자의 특성 및 수명을 향상시킬 수 있는 유기 전계 발광 소자 및 그 제조 방법이 제시된다.
유기 EL, 봉지, 수분 흡수층, 버퍼층, ALD
Description
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 전계 발광 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유기 전계 발광 소자의 단면도.
도 3은 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 유기 전계 발광 소자의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 20 : 제 1 전극
30 : 유기 발광층 40 : 제 2 전극
50 : 제 1 박막층 60 : 제 2 박막층
70 : 제 3 박막층
본 발명은 유기 전계 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 원자 층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방법으로 증착된 수분 흡수를 위한 박막층을 포함한 다층 구조를 이용하여 유기 전계 발광 소자의 전면 뿐만 아니라 측면으로부터의 산소 및 수분의 침투를 방지할 수 있는 유기 전계 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel; PDP)에 이어 차세대 평판 디스플레이로 기대되고 있는 유기 전계 발광(electroluminescent: 이하 "EL"이라 함) 소자는 발광체인 유기 화합물을 여러겹 쌓고 전압을 가하면 전류가 흘러서 발광하는 현상을 이용한 소자로서, Organic Electroluminescent Display(OELD) 또는 Organic Light Emitting Diode(OLED)로도 불린다.
LCD는 광의 선택적 투과를 통하여 화상을 표시하고, PDP가 플라즈마 방전을 통하여 화상을 표시하는 것에 반하여, 유기 EL 소자는 전계 발광이라는 메커니즘을 통하여 화상을 표시하게 된다. 이는 두 개의 전극 사이에 유기 발광층을 삽입하고, 각 전극에 전압을 가하면, 양극과 음극에서 각각 전자와 정공이 유기 발광층 안으로 주입되어 전자와 정공이 재결합되는데, 이때 발생하는 재결합 에너지가 유기 분자들을 자극함으로써 빛을 발생시키는 방식이다. 이러한 유기 EL 소자는 자체 발광 특성과 함께 시야각이 넓고, 고선명, 고화질, 고속 응답성 등의 장점을 갖고 있어 소형 디스플레이에 많이 적용되고 있다.
그런데, 유기 EL 소자에서 유기 발광층과 전극은 산소와 수분에 의해 쉽게 산화되기 때문에 유기 EL 소자의 특성을 열화시킬 뿐만 아니라 수명을 저하시키게 된다. 따라서, 유기 EL 소자의 외부로부터 산소나 수분의 침투를 차단하는 방법이 중요한 과제가 되고 있다.
외부로부터 산소나 수분의 침투를 차단하기 위한 방법으로 종래에는 스테인레스 스틸등의 금속 또는 글래스를 소정의 공간을 가지도록 캔 또는 캡 형태로 가공하고, 그 공간에 수분을 흡수하기 위한 흡습제를 파우더 형태로 탑재하거나 필름 형태로 제조하여 양면 테이프를 이용하여 부착하며, 이로한 실링 캔을 밀봉제 등을 이용하여 유기 EL 소자가 형성된 기판에 접착시키는 방법이 주로 이용된다.
그러나, 스테인레스 스틸 등의 금속 캔을 이용하여 유기 EL 소자를 봉지하는 방법은 금속 캔과 유기 EL 소자가 형성된 기판의 열팽창 계수가 상이하여 제조 과정 중 접착력이 떨어지고, 고온 환경에서는 금속 캔과 기판의 팽창 정도가 달라 접착 부분이 훼손되는 등의 문제를 발생한다. 한편, 글래스 캔은 외부 압력에 의해 쉽게 파손될 수 있다. 또한, 유기 EL 소자가 대형화되면 봉지 내부 공간이 커져야 하기 때문에 금속 캔의 가공이 어려워진다. 그리고, 공정 시간이 길어지고, 최적의 구동 조건에 적합한 소자의 봉지 구조를 구현하는데 문제점이 많으며, 전체적으로 소자의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.
한편, 유기 EL 소자의 상부에 유기물과 에폭시 수지 또는 무기물과 에폭시 수지를 적층한 보호층을 형성하는 방법을 이용하기도 하는데, 이 방법은 전면 부분의 수분 또는 산소의 침투는 어느 정도 방지할 수 있으나, 측면으로부터의 수분 또는 산소의 침투에는 취약한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 유기 EL 소자에 수분 흡수 특성이 우수하고 얇은 두께의 막을 형성하여 수분 또는 산소 침투를 충분히 억제할 수 있어 유기 EL 소자의 특성 및 수명을 향상시킬 수 있는 유기 EL 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유기 EL 소자의 상부에 스텝커버러지 특성이 우수한 ALD 방법을 이용하여 수분 흡수를 위한 박막층을 포함한 다층 구조를 형성함으로써 유기 EL 소자의 전면 뿐만 아니라 측면으로의 수분 또는 산소 침투를 충분히 억제할 수 있어 유기 EL 소자의 특성 및 수명을 향상시킬 수 있는 유기 EL 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 EL 소자는 형성된 유기 EL 소자는 기판 상부의 소정 영역에 순차적으로 형성된 제 1 전극, 유기 발광층 및 제 2 전극을 포함하는 유기 발광부; 및 상기 유기 발광부를 덮도록 형성된 제 1 박막층 및 제 2 박막층 및 제 3 박막층을 포함하며, 상기 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층이 적층 순서에 관계없이 적어도 한번 이상 교번 증착되어 다층 구조로 형성되고, 상기 제 1 박막층 및 제 2 박막층은 ALD 방법에 의해 형성되어 상기 유기 발광부의 측면 및 상부를 포함한 전면에 형성된다.
상기 제 1 박막층은 5 내지 1000Å의 두께로 형성된 AlxOy막을 포함하고, 상기 제 2 박막층은 의해 5 내지 1000Å의 두께로 형성된 TiOx막을 포함하며, 상기 제 3 박막층은 PECVD 방법에 의해 5 내지 1000Å의 두께로 형성된 SiO2막 또는 SiN막을 포함한다.
상기 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층은 동일 층이 연속 증착되지 않도록 하여 적층 순서에 관계없이 적층되며, 20회 이내로 교번 증착되어 전체 두께가 0.1 내지 10㎛가 되도록한다.
한편, 상기 제 1 박막층은 다수의 기공이 형성되어 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 유기 EL 소자의 제조 방법은 기판 상부의 소정 영역에 제 1 전극, 유기 발광층 및 제 2 전극을 포함하는 유기 발광부를 형성하는 단계; 및 상기 유기 발광부를 덮도록 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층이 적층 순서에 관계없이 적어도 한번 이상 교번 증착되어 다층 구조로 형성되고, 상기 제 1 박막층 및 제 2 박막층은 ALD 방법으로 형성되어 상기 유기 발광부의 측면 및 상부를 포함한 전면에 형성된다.
상기 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층은 각각 상온 내지 300℃의 온도 및 0.1 내지 5Torr의 압력에서 형성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 EL 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 EL 소자는 기판(10) 상부의 소정 영역에 제 1 전극(20), 유기 발광층(30) 및 제 2 전극(40)이 순차적으로 형성된 유기 발광부가 형성되고, 전체 구조 상부에 제 1 박막층(50), 제 2 박막층(60) 및 제 3 박막층(70)이 교번 증착되어 다층 구조의 봉지층이 형성된다.
여기서, 기판(10)은 실리콘 기판, 유리 기판 또는 플렉서블 디스플레이를 구현하는 경우에는 플라스틱 기판(PE, PES, PET, PEN 등)이 사용될 수 있다.
또한, 제 1 전극(20)은 홀 주입을 위한 애노드(anode) 전극으로, 일함수가 높고 발광된 광이 소자 밖으로 나올 수 있도록 투명 금속 산화물, 예컨데 ITO(indium tin oxide)를 이용하여 약 30㎚의 두께로 형성된다. 그런데, ITO는 광학 투명도(optical transparency)에 대한 장점을 가지는 반면, 콘트롤(control)이 쉽지 않다는 단점을 갖는다. 따라서, 안정성면에서 장점을 보이는 폴리티오펜(polythiophene)등을 포함한 화학적으로 도핑(chemically-doping)된 공액 고분자(conjugated polmer)들이 애노드 전극으로 사용될 수 있다. 한편, 제 1 전극(20)은 높은 일함수를 갖는 금속 물질을 사용할 수도 있는데, 이 경우 제 1 전극(20)에서의 비발광 재결합(recombination)을 통한 효율 감소를 막을 수 있다.
유기 발광층(30)은 Alq3, 안트라센(Anthracene) 등의 단분자 유기 EL 물질과 PPV(poly(p-phenylenevinylene)), PT(polythiophene) 등과 그들의 유도체들인 고분자 유기 EL 물질들이 사용되며, 낮은 구동 전압에서의 전하 방출을 위해 유기 발광 층(300)은 100nm 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 제 1 전극(20)과 유기 발광층(30)의 사이에 홀 수송층(hole transporting layer)이 더 형성될 수 있으며, 유기 발광층(30)과 제 2 전극(40) 사이에 전자 수송층(electron transporting layer)이 더 형성될 수 있다. 여기서, 홀 수송층은 디아민(diamine)유도체인 TPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis-(3-methylphenyl)-1,1'-biphenyl- 4,4'-diamine) 또는 광전도성 고분자인 poly(9-vinylcarbazole)을 이용하여 형성하고, 전자 주입층은 옥사디아졸(oxadiazole) 유도체등을 이용하여 형성한다. 이러한 수송층의 조합을 통해 양자효율(photons out per charge injected)을 높이고, 캐리어(carrier)들이 직접 주입되지 않고 수송층을 통과하는 2 단계 주입 과정을 통해 주입되어 구동 전압을 낮출 수 있다. 또한, 유기 발광층(30)에 주입된 전자와 홀이 유기 발광층(30)을 거쳐 반대편 전극으로 이동시 반대편 수송층에 막힘으로써 재결합 조절이 가능하다. 이를 통해 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제 2 전극(40)은 전자 주입 전극인 캐소드(cathode) 전극으로서, 제 2 전극(40)은 낮은 일함수를 갖는 금속인 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 등을 이용하여 형성한다. 이러한 일함수가 낮은 금속을 제 2 전극(40)으로 사용하는 이유는 제 2 전극(40)과 유기 발광층(30) 사이에 형성되는 장벽(barrier)를 낮추어 전자 주입에 있어 높은 전류 밀도(current density)를 얻을 수 있기 때문이다. 이를 통해 소자의 발광 효율을 증가시킬 수 있다. 그런데, 가장 낮은 일함수를 갖는 Ca의 경우 높은 효율을 보이는 반면, Al의 경우 상대적으로 높은 일함수를 가지므 로 낮은 효율을 갖게 된다. 그러나, Ca은 공기중의 산소나 수분에 의해 쉽게 산화되는 문제를 가지며 Al은 공기에 비교적 안정한 물질로써 유용함이 있다. 따라서, Al을 제 2 전극(40) 물질로 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 박막층(50)은 하부 구조와 상부 층의 완충 역할을 하며, 스텝 커버러지(step coverage) 특성이 우수한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 방법을 이용하여 AlxOy막을 5∼1000Å의 두께로 증착하여 형성한다. 제 2 박막층(60)은 외부로부터 침투하는 수분 또는 산소를 포획하는 역할을 하며 ALD 방법을 이용하여 TiOx막을 5∼1000Å의 두께로 증착하여 형성한다. 그리고, 제 3 박막층(70)은 하부 구조를 외부로부터 보호하는 역할을 하며 플라즈마 증가 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositon; PECVD) 방법을 이용하여 SiN막 또는 SiO2막을 5∼1000Å의 두께로 증착하여 형성한다. 특히, 제 1 박막층(50), 제 2 박막층(60) 및 제 3 박막층(70)은 적어도 한번 이상, 바람직하게는 20회 이내로 교번하여 다층 구조로 형성하며, 전체 두께가 0.1∼10㎛ 이내가 되도록 한다. 또한, 제 1 박막층(50), 제 2 박막층(60) 및 제 3 박막층(70)의 형성 공정은 상온∼300℃의 온도 및 0.1∼5Torr의 압력에서 실시한다. 한편, 제 1 박막층(50) 및 제 2 박막층(60)은 스텝 커버러지 특성이 우수한 ALD 방법으로 형성하기 때문에 유기 발광부의 전면 뿐만 아니라 측면의 증착 특성도 우수하게 되고, 이에 따라 측면으로의 수분 또는 산소의 침투를 효과적으로 억제할 수 있다.
여기서, 제 1 박막층(50)을 ALD 방법을 이용한 AlxOy막으로 형성하는 경우 제 1 소오스 가스로서 알루미늄을 포함하는 가스, 예컨데 TMA(trimethyl aluminum)를 이용하고, 제 2 소오스 가스로서 O3를 이용하여 제 1 소오스 가스를 기판 상부에 화학 흡착시킨 후 제 2 소오스 가스를 반응시켜 기판 상부에 원자층 박막을 형성한다. 이때, 제 1 소오스 가스 및 제 2 소오스 가스를 유입시키는 사이에 N2, Ar, He 등의 불활성 가스를 유입시켜 각 소오스 가스의 잔류물을 퍼지(purge)한다. AlxOy막을 형성하기 위한 제 1 소오스 가스로서 TMA 이외에 AlCl3, AlH3N(CH3)3, C6H15AlO, (C4H9)2AlH, (CH3)2AlCl, (C2H5)3Al 또는 (C4H9)3Al 등을 이용할 수 있다. 또한, 제 2 소오스 가스로서 H2O, H2O2 또는 플라즈마 N2O, 플라즈마 O2 등과 같은 활성화된 산화제를 이용할 수 있다. 한편, 제 1 박막층(50)을 형성한 후 제 1 박막층(50)에 기공을 형성할 수 있는데, 이 경우 기공에 수분이 흡수되어 수분 흡수 능력을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 제 2 박막층(60)을 ALD 방법을 이용한 TiOx막으로 형성하기 위해서는 제 3 소오스 가스로 티타늄을 포함하는 가스, 예컨데 TiCl4를 이용하고, 제 4 소오스 가스로 O3를 이용한다. 그리고, 상기한 바와 같이 제 3 소오스 가스와 제 4 소오스 가스를 유입하는 사이에 N2, Ar, He 등의 불활성 가스를 유입시켜 각 소오스 가스의 잔류물을 퍼지(purge)한다. 제 2 박막층(60)에는 소정 크기의 기공을 포함하고 있어 이 기공에 의해 수분이 흡수된다.
한편, 상기에서 ALD 방법으로 형성되는 제 1 박막층(50) 및 제 2 박막층(60) 이 연속으로 형성될 경우 두 층은 한 챔버에서 인시투(in-situ)에 의해 형성될 수 있다. 즉, 동일 챔버에서 소오스 가스만을 변경시켜 이들 층을 연속해서 형성할 수 있다. 예를들어, 제 1 박막층(50)으로 AlxOy막을 형성하고, 제 2 박막층(60)으로 TiOx막을 형성할 경우 제 1 및 제 2 소오스 가스 유입 및 이들 사이의 퍼지 공정을 반복하여 AlxOy막을 소정 두께로 형성한 후 제 3 및 제 4 소오스 가스 유입 및 이들 사이의 퍼지 공정을 반복하여 TiOx막을 소정 두께로 형성하는 공정을 한 챔버에서 연속적으로 실시할 수 있다.
상기한 바와 같이 스텝 커버러지(step coverage) 특성이 우수한 ALD 방법을 이용하여 제 1 박막층(50) 및 제 2 박막층(60)을 형성하면 유기 발광부의 전면 뿐만 아니라 측면에도 완전하게 제 1 박막층(50) 및 제 2 박막층(60)이 증착되기 때문에 유기 발광부의 측면을 통한 수분 및 산소의 침투를 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 실시 예에서는 제 1 박막층(50), 제 2 박막층(60) 및 제 3 박막층(70)을 교번 증착하여 다층 구조의 봉지층을 형성하는 것에 대해 설명하였으나, 교번 증착 순서는 이에 국한되지 않고 다양하게 구현될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 제 2 박막층(60), 제 1 박막층(50) 및 제 3 박막층(70)을 교번하여 다층 구조의 봉지층을 형성할 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 제 3 박막층(70), 제 2 박막층(60) 및 제 1 박막층(50)을 교번하여 다층 구조의 봉지층을 형 성할 수 있다.
한편, 상기 실시 예 이외에도 제 1 박막층(50), 제 3 박막층(70) 및 제 2 박막층(60)을 교번 증착할 수 있으며, 제 3 박막층(70), 제 1 박막층(50) 및 제 2 박막층(60)을 교번 증착할 수 있다.
상기 실시 예들에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 제 1 박막층(50), 제 2 박막층(60) 및 제 3 박막층(70)은 그 적층 순서가 다양하게 구현될 수 있다. 다만, 같은 층이 연속해서 적층되는 것은 피하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 ALD 방법으로 형성된 제 1 박막층 및 수분 흡수를 위한 제 2 박막층과 PECVD 방법으로 형성된 제 3 박막층을 다층 교번 형성함으로써 스텝 커버러지 특성이 우수한 ALD 방법에 의해 형성된 수분 흡수를 위한 제 2 박막층이 유기 발광부의 측면에도 완전히 증착됨으로써 유기 발광부의 전면 뿐만 아니라 측면으로부터의 산소 또는 수분의 침투를 효과적으로 억제할 수 있어 소자의 특성 및 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 금속 캔이나 글래스 캔을 이용하는 봉지 방법에 비해 소자의 두께를 상당히 줄일 수 있다.
Claims (9)
- 기판 상부의 소정 영역에 순차적으로 형성된 제 1 전극, 유기 발광층 및 제 2 전극을 포함하는 유기 발광부; 및상기 유기 발광부를 덮도록 형성된 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층을 포함하며,상기 제 1 박막층, 상기 제 2 박막층 및 상기 제 3 박막층이 적층 순서에 관계없이 적어도 한번 이상 교번 증착되어 다층 구조로 형성되고, 상기 제 1 박막층 및 제 2 박막층은 ALD 방법에 의해 박막으로 형성되며, 상기 제 3 박막층은 PECVD 방법으로 형성되어 상기 유기 발광부의 측면 및 상부를 포함한 전면에 형성된 유기 EL 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 박막층은 AlxOy막을 포함하며, 5 내지 1000Å의 두께로 형성되는 유기 EL 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 박막층은 TiOx막을 포함하며, 5 내지 1000Å의 두께로 형성되는 유기 EL 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 박막층은 SiO2막 또는 SiN막을 포함하며, 5 내지 1000Å의 두께로 형성되는 유기 EL 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층은 동일 층이 연속 증착되지 않도록 하여 적층 순서에 관계없이 적층되는 유기 EL 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층은 전체 두께가 0.1 내지 10㎛가 되도록 하는 유기 EL 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 박막층은 다수의 기공이 형성된 유기 EL 소자.
- 기판 상부의 소정 영역에 제 1 전극, 유기 발광층 및 제 2 전극을 포함하는 유기 발광부를 형성하는 단계; 및상기 유기 발광부를 덮도록 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층이 적층 순서에 관계없이 적어도 한번 이상 교번 증착되어 다층 구조로 형성되고, 상기 제 1 박막층 및 상기 제 2 박막층은 ALD 방법에 의해 박막으로 형성되며, 상기 제 3 박막층은 PECVD 방법으로 형성되어 상기 유기 발광부의 측면 및 상부를 포함한 전면에 형성되는 유기 EL 소자의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 박막층, 제 2 박막층 및 제 3 박막층은 각각 상온 내지 300℃의 온도 및 0.1 내지 5Torr의 압력에서 형성되는 유기 EL 소자의 제조 방법.
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