KR101301730B1 - 최소 적층 구조의 청색 인광 유기 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 최소 적층 구조의 청색 인광 유기 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극; 상기 양극 상에 형성되고, 호스트와 도판트를 포함하는 발광층; 상기 발광층 상에 형성된 전자 수송층; 및 상기 전자 수송층 상에 형성된 음극을 포함하고, 상기 양극의 일함수(work function)와 발광층의 HOMO 에너지 레벨의 차이가 1.0eV 미만이며, 상기 발광층의 LUMO 에너지 레벨과 전자 수송층의 LUMO 에너지 레벨의 차이가 1.0eV미만인 청색 인광 유기 발광소자를 제공한다. 본 발명에 따르면, 우수한 청색 인광 소자의 특성을 가지며, 최소 적층 구조로서 제조 공정이 단조롭고 두께가 얇아 플렉시블 디스플레이 등에 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 최소 적층 구조의 청색 인광 유기 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 청색 소자로서 우수한 특성을 가지며, 최소 적층 구조로서 제조 공정이 단조롭고 두께가 얇아 플렉시블 디스플레이(flexible display) 등에 유용하게 사용될 수 있는 최소 적층 구조의 청색 인광 유기 발광소자에 관한 것이다.
21세기에 들어와 정보의 정확성뿐만 아니라 신속성이 중요시되어, 여러 산업 분야 중에서 정보 디스플레이 분야가 매우 중요한 비중을 차지하게 되었다. 디스플레이는 기존의 CRT 디스플레이에서 휴대가 가능할 수 있는 평판 디스플레이인 LCD로 옮겨와서 현재 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 LCD는 수광 소자이기 때문에 밝기, 명암, 시야각, 대면적화 등에 기술적 한계가 있어 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 소자 개발이 필요하게 되었으며, 그 중 하나가 유기 발광소자(OLED ; Organic Light Emitting Device)이다.
차세대 디스플레이로 각광을 받는 유기 발광소자(OLED)는 전기, 전자, 재료, 화학, 물리, 광학 등 여러 분야에 걸쳐 학문적, 산업적 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구의 성과로 PM 방식의 유기 발광소자(OLED)가 핸드폰의 외부 창에 사용되는 등 일부 전자 기기에 도입되기도 하였으며, 최근에는 AM 방식의 유기 발광소자(OLED)를 PDA, 핸드폰, 게임기 등의 모바일 디스플레이에 적용하기 위한 연구와 사업화가 진행되고 있다.
또한, 형광 물질뿐만 아니라 인광 물질도 유기 발광소자(OLED)로 사용될 수 있음이 알려졌으며, 최근에는 이에 대한 연구가 지속 중이다. 인광 발광은 바닥상태에서 여기 상태로 전자가 전이한 후, 계간 전이(intersystem crossing)를 통해 단일항 여기자가 삼중항 여기자로 비발광 전이된 다음, 삼중항 여기자가 바닥상태로 전이하면서 발광하는 메카니즘(mechanism)으로 이루어진다. 이러한 인광 발광은 삼중항 여기자의 전이 시, 직접 바닥상태로 전이할 수 없어 전자스핀의 뒤바뀜이 진행된 이후에 바닥상태로 전이되는 과정을 거치기 때문에 형광보다 수명(발광시간)이 길어지는 특성을 갖는다. 즉, 형광 발광의 발광 지속기간은 수 나노초(several nano seconds)에 불과하지만, 인광 발광의 경우는 상대적으로 긴 시간인 수 마이크로초(several micro seconds)에 해당한다.
일반적으로, 인광 유기 발광소자(PhOLED)는 다층 구조를 갖는다. 도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 인광 유기 발광소자(PhOLED)의 적층 구조를 보인 것이다. 도 1을 참조하면, 인광 유기 발광소자(PhOLED)는 ITO 투명전극으로 이루어진 양극(anode); 상기 양극 상에 형성된 정공 주입층(hole injection layer, HIL); 상기 정공 주입층(HIL) 상에 형성된 정공 수송층(hole transport layer, HTL); 상기 정공 수송층(HTL) 상에 형성된 발광층(emitting layer, EML); 상기 발광층(EML) 상에 형성된 정공 차단층(hole blocking layer, HBL); 상기 정공 차단층(HBL) 상에 형성된 전자 수송층(electron transport layer, ETL); 상기 전자 수송층(ETL) 상에 형성된 전자 주입층(electron injection layer, EIL); 및 상기 전자 주입층(EIL) 상에 형성된 음극(cathode)을 포함하는 적층 구조를 가지며, 이들은 증착 등의 방법을 통해 기판 상에 순차적으로 적층 형성된다. 그리고 상기 발광층(EML)은 전하 이송 물질로서의 호스트(Host)와 인광 물질로서의 도판트(Dopant)를 포함하고 있다.
위와 같은 구조의 인광 유기 발광소자(PhOLED)에 전압이 가해지면 양극으로부터 정공이 주입되고 음극으로부터 전자가 주입되며, 주입된 정공과 전자는 각각 정공 수송층(HTL)과 전자 수송층(ETL)을 거쳐 발광층(EML)에서 재조합(recombination)하여 발광 exitons을 형성한다. 그리고 형성된 발광 exitons은 바닥상태(ground states)로 전이하면서 빛을 방출한다.
인광 유기 발광소자(PhOLED)의 경우, 호스트의 선정이 발광효율에 직접적인 영향을 미친다. 인광 물질의 발광은 삼중항으로부터 일어나므로, 호스트의 삼중항 에너지(ET ; Triplet Energy)가 도판트의 삼중항 에너지(ET)보다 클수록 호스트로부터 도판트로의 삼중항 에너지(ET) 전이가 효과적으로 일어날 수 있다. 또한, 일반적으로 삼중항 에너지(ET)는 일중항 에너지에 비하여 1eV 정도 낮기 때문에 형광물질에 비해 HOMO(highest occupied molecular orbital)-LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 간의 간격이 큰 물질이 호스트 물질로서 바람직하다. 즉, 호스트의 삼중항 에너지가 도판트의 삼중항 에너지보다 낮으면 흡열 에너지 전이를 이용하므로 외부 발광효율이 낮아지게 되지만, 호스트의 삼중항 에너지가 도판트의 삼중항 에너지(ET)보다 높으면 발열 에너지 전이를 이용하므로 높은 발광효율을 나타내게 된다. 따라서 발광효율을 높이기 위해서는 호스트의 삼중항 에너지(ET)가 높아야 한다. 이와 함께 호스트는 전하 이동도 등의 전기적 특성이 뛰어나고 열적 안정성도 우수해야 한다.
또한, 호스트의 에너지 레벨이 너무 높은 경우 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL) 간에 큰 에너지 장벽이 발생하여 구동 전압이 증가되고 발광효율을 높이는데 어려움이 있다. 종래 정공 수송층(HTL)으로 많이 사용되는 NPB의 HOMO 에너지 레벨은 5.4 eV이고, 발광층(EML)의 호스트로 많이 사용되는 CBP, BAlq, TAZ 등의 HOMO 에너지 레벨은 대략 6.0 ~ 6.8 eV 정도인데, 이 경우 HOMO 에너지 레벨 차이가 약 0.6 eV 이상, 많게는 1.4 eV로서 에너지 장벽이 높아 구동 전압이 증가하고 발광효율을 높이는데 어려움이 있다. 따라서 발광층(EML)으로의 전하(정공 및 전자)의 주입을 극대화시켜 고효율을 갖도록 하기 위해서는 HOMO 에너지 레벨의 차이를 줄여야 한다. 이러한 문제는 밴드 갭이 넓은 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)에서 두드러지게 나타나고 있으며, 이를 해결하기 위해서 현재까지 많은 연구자들이 연구 중에 있다.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-0454500호[특허문헌 1]에서는 정공 수송층(HTL)과 발광층(EML)의 사이에 버퍼층을 형성한 유기 발광소자를 제시하였으며, 대한민국 등록특허 제10-0777099호[특허문헌 2]에서는 정공 수송층(HTL)과 발광층(EML)의 사이에 장벽완화층을 형성한 유기 발광소자를 제시하였다.
위와 같이, 종래 고효율의 인광 유기 발광소자(PhOLED)를 구현하기 위해 정공 주입층(HIL), 정공 수송층(HTL) 및 정공 차단층(HBL)을 필수적으로 형성함은 물론, 발광층(EML)으로의 정공 주입을 극대화시키고자 버퍼층이나 장벽완화층을 형성한 다층 구조로 제조하고 있다.
그러나 상기 선행 특허문헌들을 포함하는 종래 기술에 따른 인광 유기 발광소자(PhOLED)는, 층수가 너무 많은 다층 구조를 가짐으로 인하여, 각 층을 형성하기 위한 다수의 공정이 수반되어 제조 공정이 복잡함은 물론, 두께가 너무 두꺼워 플렉시블 디스플레이(flexible display) 등에 적용하기에는 어려운 문제점이 있다. 또한, 상기 종래와 같은 다층 구조를 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)에 적용하였을 경우, 청색 특성에 적합하지 않아 높은 소자 특성 및 장수명 특성을 갖기 어렵다. 특히, 낮은 전압에서 높은 소자 특성을 가질 수 없다.
이에, 본 발명은 청색 인광 소자의 우수한 특성을 가지면서 최소 적층 구조로서 제조 공정이 단조롭고 두께가 얇아 플렉시블 디스플레이 등에 유용하게 사용될 수 있는 적층 구조의 청색 인광 유기 발광소자를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
양극;
상기 양극 상에 형성되고, 호스트와 도판트를 포함하는 발광층;
상기 발광층 상에 형성된 전자 수송층; 및
상기 전자 수송층 상에 형성된 음극을 포함하고,
상기 양극의 일함수(work function)와 발광층의 HOMO 에너지 레벨의 차이가 1.0eV 미만이며,
상기 발광층의 LUMO 에너지 레벨과 전자 수송층의 LUMO 에너지 레벨의 차이가 1.0eV미만인 청색 인광 유기 발광소자를 제공한다.
이때, 상기 양극의 일함수(work function)와 발광층의 HOMO 에너지 레벨의 차이는 0.1 내지 0.9 eV인 것이 좋으며, 상기 발광층과 전자 수송층의 LUMO 에너지 레벨 차이 또한 0.1 내지 0.9 eV인 것이 좋다. 그리고 상기 양극은, 바람직하게는 텅스텐 옥사이드(WO3)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 우수한 청색 인광 소자 특성을 가지면서 최소 적층 구조를 가짐으로 인하여 제조 공정이 단순하고 두께가 얇다. 그리고 두께가 얇아 플렉시블 특성이 향상되어 플렉시블 디스플레이 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)의 적층 구조를 보인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 형태에 따른 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)의 적층 구조를 보인 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)의 소자 특성 평가 결과를 보인 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 형태에 따른 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)의 적층 구조를 보인 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)의 소자 특성 평가 결과를 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 형태에 따른 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)의 적층 구조를 보인 것이다.
본 발명에 따른 인광 유기 발광소자(PhOLED)는 종래 필연적으로 형성되던 정공 주입층(HIL) 및 정공 수송층(HTL)이 배제된 최소 적층 구조를 갖는다. 구체적으로, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)는 양극(20, anode); 상기 양극(20) 상에 형성된 발광층(30, EML); 상기 발광층(30) 상에 형성된 전자 수송층(40, ETL); 및 상기 전자 수송층(40, ETL) 상에 형성된 음극(50, cathode)을 포함하는 적층 구조를 갖는다. 즉, 양극(20)과 발광층(30)의 사이에 정공 주입층(HIL)과 정공 수송층(HTL)이 형성되지 않는 최소의 적층 구조를 갖는다. 그리고 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 층들을 지지하는 기판(10)을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 인광 유기 발광소자(PhOLED)는 정공 주입층(HIL)과 정공 수송층(HTL)이 배제된 최소 적층 구조를 가지되, 아래의 2가지 조건을 만족한다.
(1) 양극(20)의 일함수(work function)과 발광층(30)의 HOMO(highest occupied molecular orbital) 에너지 레벨의 차이 : 1.0eV 미만
(2) 발광층(30)과 전자 수송층(40)의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨 차이 : 1.0eV 미만
본 발명에 따르면, 상기 2가지 조건을 만족하여 종래 필연적으로 형성되고 있는 정공 주입층(HIL)과 정공 수송층(HTL)이 배제되어도 우수한 소자 특성을 갖는다. 특히, 소자는 높은 휘도(cd/A) 및 좋은 발광효율(lm/W) 등의 우수한 특성을 갖는다.
상기 기판(10)은 제한되지 않는다. 기판(10)은 지지력을 갖는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 유리 기판이나 고분자 기판 등으로부터 선택될 수 있다. 기판(10)은 플렉시블을 고려한다면 고분자 기판으로부터 선택될 수 있으며, 구체적인 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 및 폴리카보네이트(PC) 등으로부터 선택된 하나 이상의 수지를 포함하는 필름을 사용할 수 있다.
상기 양극(20)은 발광층(30)과의 HOMO 에너지 레벨이 고려된다. 구체적으로, 양극(20)은 상기한 바와 같이 work function이 발광층(30)의 HOMO에너지 레벨과의 차이가 1.0eV 미만인 것이 사용된다. 이때, 양극(20)의 work function과 발광층(30)의 HOMO 에너지 레벨의 차이가 1.0eV이상인 경우 본 발명에서 목적하는 최소 적층 구조로서의 우수한 소자 특성을 가지기 어렵다. 즉, 본 발명에 따르면, 양극(20)의 work function과 발광층(30)의 HOMO 에너지 간의 에너지 레벨 차이가 1.0 eV 미만인 경우, 정공 주입층(HIL)과 정공 수송층(HTL)이 배제되어도 정공의 주입이 극대화되어 우수한 소자 특성을 가짐을 알 수 있었다. 바람직하게는, 상기 양극(20)은 발광층(30)과의 HOMO 에너지 레벨의 차이가 0.1eV에 가까우면 좋으며, 보다 구체적으로는 0.1 내지 0.9 eV인 것이 좋다.
상기 양극(20)은 발광층(30)을 구성하는 물질의 종류, 특히 호스트의 종류에 따라 결정될 수 있으며, 바람직하게는 5.8 내지 6.8 eV의 work function을 가지는 것이 좋다. 양극(20)이 위와 같은 범위의 work function을 가지는 경우, 발광층(30)과의 에너지 장벽이 최소화되어 발광층(30)으로의 정공 주입이 극대화된다.
상기 양극(20)은 발광층(30)과의 HOMO 에너지 레벨의 차이가 1.0 eV 미만인 것이면 제한되지 않으며, 바람직하게는 텅스텐 옥사이드(WO3)을 포함하면 좋다. 구체적으로, 상기 양극(20)은 기판(10) 상에 텅스텐 옥사이드(WO3)가 증착되어 형성되거나, 텅스텐 옥사이드(WO3)에 다른 전도성의 금속산화물이 혼합된 혼합물이 증착되어 형성되면 좋다. 예를 들어, 양극(20)은 텅스텐 옥사이드(WO3)를 적어도 포함하되, 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 및 아연 옥사이드(ZnO) 등으로부터 선택된 하나 이상의 금속산화물을 더 포함하는 증착물로 구성될 수 있다. 상기 텅스텐 옥사이드(WO3)는, work function이 5.9 eV 정도로서 발광층(30)과의 에너지 장벽이 최소화되어 본 발명에 바람직하다.
상기 발광층(30)은 제한되지 않으며, 청색 인광을 구현할 수 있으면 좋다. 발광층(30)은, 구체적으로 청색 인광을 구현할 수 있는 호스트와 도판트를 포함하면 좋다. 상기 호스트와 도판트는 특별히 제한되지 않으며, 이들은 통상적인 것을 사용할 수 있다.
상기 호스트는 전하 이송 능력을 가지는 것이면 제한되지 않으며, 예를 들어 통상적으로 사용되는 것으로서, CBP[4,4'-N,N-디카바졸비페닐], BAlq[비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)(파라-페놀라토)알루미늄(III)], TAZ[트리아졸], mCP[1,3-N,N-디카바졸벤젠], SAlq[비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)(트리페닐실록시)알루미늄(III)], p-EtTAZ[3-(비페닐-4-일)-5-(4-디메틸아미노)4-(4-에틸페닐)-1,2,4-트리아졸], p-TTA[트리스(파라-터-페닐-4-일)아민] 및 BMB-2T[5,5-비스(디메지틸보릴)-2,2-비티오펜] 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 호스트는, 바람직하게는 청색 인광용으로서 특정의 결합 구조를 가지는 화합물을 사용하는 것이 좋으며, 이에 대해서는 후술한다.
또한, 상기 도판트는 통상적으로 사용되는 것으로서, 예를 들어 FIr6 및 FIrpic 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으며, 이들 이외에 4-디시아노메틸렌-2-메틸-6-(파라-디메틸아미노스틸릴)-4H-피란], 디시아노메틸렌-2-메틸-6-(줄로리딘-4-일-비닐)-4H-피란), 디시아노메틸렌-2-메틸-6-(1,1,7,7-테트라메틸줄로리딜-9-에닐)-4H-피란), 디시아노메틸렌-2-터셔리부틸-6-(1,1,7,7-테트라메틸줄로리딜-9-에닐)-4H-피란) 및 디시아노메틸렌-2-아이소프로필-6-(1,1,7,7-테트라메틸줄로리딜-9-에닐)-4H-피란) 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 발광층(30)은, 바람직한 구현예에 따라서 도 2에 도시한 바와 같이, 양극(20) 상에 형성된 호스트 박막층(31)과, 상기 호스트 박막층(31) 상에 형성된 인광 물질층(32)을 포함하는 것이 좋다. 이와 같이, 양극(20)과 인광 물질층(32)의 사이에 호스트 박막층(31)이 형성된 경우, 상기 호스트 박막층(31)이 양극(20)으로부터 유도된 정공을 인광 물질층(32)으로 효과적으로 이송시켜 소자 효율을 개선할 수 있다.
상기 호스트 박막층(31)은 양극(20) 상에 호스트가 피막 되어 형성된다. 이러한 호스트 박막층(31)은, 특별히 한정하는 것은 아니지만 예를 들어 20 ~ 100㎚의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 인광 물질층(32)은 호스트 박막층(31) 상에 예를 들어 150 ~ 500㎚의 두께로 형성될 수 있다. 인광 물질층(32)은 호스트와 도판트의 혼합으로 구성된다. 인광 물질층(32)은 예를 들어 호스트에 대하여 도판트 5 ~ 25몰%의 혼합으로 구성될 수 있다. 즉, 호스트와 도판트는 100 : 5 ~ 25의 몰비로 구성될 수 있다. 또한, 호스트 박막층(31)을 구성하는 호스트와 인광 물질층(32)을 구성하는 호스트는 동일한 물질인 것이 바람직하다.
상기 전자 수송층(40)은 LUMO 에너지 레벨이 고려된다. 구체적으로, 전자 수송층(40)은 상기한 바와 같이 발광층(30)과의 LUMO 에너지 레벨 차이가1.0 eV미만인 것이 사용된다. 이에 따라, 전자의 주입이 효과적으로 도모되어 최소 적층 구조로의 고효율이 도모된다. 즉, 상기 전자 수송층(40)과 음극(50)의 사이에 별도의 전자 주입층(EIL)을 형성하지 않고도 음극(50)으로부터 유도된 전자가 발광층(30)으로 효과적으로 주입되어, 최소 적층 구조를 갖게 하면서도 고효율의 소자 특성을 갖는다. 이때, 전자 수송층(40)과 발광층(30)의 LUMO 에너지 레벨 차이가 1.0 eV 이상인 경우, 높은 에너지 장벽으로 인하여 발광층(30)으로의 효과적인 전자의 주입이 어려워, 전자 주입층(EIL)의 형성이 불가피할 수 있고, 본 발명에서 목적하는 최소 적층 구조로서의 높은 효율을 도모하기 어렵다.
바람직한 구현예에 따라서, 상기 발광층(30)과 전자 수송층(40)의 LUMO 에너지 레벨 차이는 0.1 내지 0.9 eV인 것이 좋다. 이와 같은 범위의 에너지 레벨 차이를 가지는 경우, 효과적인 전자의 주입과 함께 정공의 블로킹(blocking)이 동시에 만족되어 고효율의 소자 특성을 갖는다. 즉, 전자의 주입이 양호함은 물론, 발광층(30)과 음극(50)의 사이에 별도의 정공 차단층(HBL)을 형성하지 않고도 정공이 음극(50) 쪽으로 이송되는 것이 효과적으로 차단되어 최소 적층 구조를 갖게 하면서도 높은 효율이 도모된다.
보다 구체적으로, 상기 발광층(30)과 전자 수송층(40)의 LUMO 에너지 레벨 차이가 0.1eV미만인 경우(예를 들어, LUMO 에너지 레벨 차이가 0.0eV인 경우), 효과적인 정공 블로킹을 도모하기 어려워 정공 차단층(HBL)의 형성이 불가피할 수 있다. 그리고 0.9 eV이하인 경우에 발광층(30)으로의 전자 주입이 보다 양호하다.
상기 전자 수송층(40)은 발광층(30)과의 LUMO 에너지 레벨 차이가 1.0eV 미만인 화합물이면 제한되지 않으며, 예를 들어 통상의 에너지 준위 측정법에 따라 측정된 LUMO 에너지 레벨(통상의 음수값)이 2.4 내지 3.2 eV인 화합물을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 전자 수송층(40)은 LUMO 에너지 레벨이 2.9 내지 3.1 eV(3.0 ± 0.1 eV)인 화합물을 사용하는 것이 좋다. 특히, 발광층(30)의 청색 인광 도판트로서 FIr6를 사용하는 경우에 그러하다. 이와 같이, 전자 수송층(40)의 LUMO 에너지 레벨이 2.9 내지 3.1 eV인 경우, 전자의 주입과 정공의 블로킹이 극대화되어 고효율의 우수한 소자 특성을 갖는다.
상기 전자 수송층(40)은, 보다 구체적인 구현예에 따라서, 하기의 화학식 1 및 화학식 2로 표시된 화합물 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 좋다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에서, R'와 R"는 서로 같거나 다르며 수소, 지방족 화합물 및 방향족 화합물로부터 선택된다. 상기 화학식 1 및 2에서, R'와 R"는 구체적으로 수소; C1 ~ C20의 알킬기; C6 ~ C20의 아릴기; C3 ~ C20의 헤테로아릴기; C3 ~ C20의 헤테로아릴이 치환된 알킬기; 및 C1 ~ C20의 알킬이나 C3 ~ C20의 헤테로아릴이 치환된 아릴기 등으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 상기 R'와 R"는 알킬기(메틸기, 에틸기, 프로필기 및 부틸기 등) 또는 페닐기로부터 선택되면 좋다.
상기 화학식 1 및 화학식 2로 표시된 화합물은, LUMO 에너지 레벨이 2.4 내지 3.2 eV의 범위에 있는 물질로서, 이들은 LUMO 에너지 레벨은 물론 HOMO 에너지 레벨이 발광층(30)과의 차이가 크지 않아 본 발명에 유용하다.
상기 전자 수송층(40)은, 바람직하게는 상기 화학식 2로 표시된 화합물을 적어도 포함하면 좋다. 구체적으로, 상기 전자 수송층(40)은 화학식 2의 화합물로 구성되거나, 화학식 2의 화합물에 화학식 1의 화합물이 혼합되어 구성되는 것이 좋다.
상기 음극(50)은 제한되지 않으며, 이는 통상적인 것을 사용할 수 있다. 음극(50)은 금속으로부터 선택될 수 있다. 음극(50)은, 예를 들어 Al, Ca, Mg 및 Ag 등으로부터 선택된 하나 또는 2 이상의 합금을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Al 또는 Al을 포함하는 합금에 LiF이 코팅된 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 각 층들의 두께는 제한되지 않는다. 아울러, 상기 각 층들은 통상과 같은 방법, 예를 들어 각 층에 따라 스퍼터링 등의 진공 증착법이나, 액상 코팅 후의 건조, 또는 코팅 후의 소성 등을 형성될 수 있으며, 그 형성방법은 제한되지 않는다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 청색 인광 유기 발광소자(PhOLED)는 우수한 소자 특성을 갖는다. 또한, 종래 필연적으로 형성되던 정공 주입층(HIL) 및 정공 수송층(HTL)은 물론, 전자 주입층(EIL) 및/또는 정공 차단층(HBL)이 배제되어 최소의 적층 구조를 갖는다. 그리고 최소 적층 구조를 가짐으로 인하여 제조 공정이 단순하고, 두께가 얇아 플렉시블 디스플레이 등에 유용하게 사용될 수 있다.
한편, 상기 발광층(30)을 구성하는 호스트는 이하에서 설명되는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 이하에서 설명되는 호스트는 3.0 eV 이상의 높은 삼중항 에너지를 가지면서 전하 이동도 및 열적 안정성이 우수하여 본 발명에 바람직하게 적용된다.
구체적으로, 상기 발광층(30)을 구성하는 호스트는 중심원자의 주변에 카바졸 화합물이 결합된 구조를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 중심원자는 14족 원소로부터 선택되며, 상기 카바졸 화합물은 중심원자 14족 원소의 주변에 2개 또는 3개가 결합된다. 그리고 카바졸 화합물은 분자 내에 하나 이상의 알킬기(CnH2n +1-)가 치환된 구조를 갖는다. 상기 중심원자는, 바람직하게는 Si(규소), Ge(게르마늄) 또는 C(탄소)로부터 선택되며, 보다 바람직하게는 Si 또는 Ge로부터 선택되면 좋다.
본 발명에서, '카바졸'은 일반적으로 명명되는 것으로서, 이는 질소(N)를 포함하는 5원자 고리의 양쪽 면에 6원자 벤젠고리 두 개가 결합된 것(하기 화학식 4 참조)을 의미한다.
또한, 본 발명에서, '카바졸 화합물'은 분자 내에 적어도 하나 이상의 카바졸을 포함하는 카바졸계 화합물을 의미한다. 즉, 본 발명에서 카바졸 화합물은, 분자 내에 1개 또는 2개 이상의 카바졸을 포함하며, 상기 카바졸 이외에 선택적으로 다른 화합물을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 카바졸 화합물은 분자 내에 1개의 카바졸을 갖거나, 2개 이상의 카바졸을 가질 수 있다. 그리고 카바졸 이외에, 다른 화합물로서 예를 들어 아릴렌(벤젠고리 등) 및 헤테로고리 등을 포함할 수 있다. 또한, 카바졸 화합물은 적어도 하나 이상의 알킬기(CnH2n +1-)가 치환된 구조를 갖는다. 이때, 상기 알킬기는 카바졸에 치환된다.
따라서 상기 카바졸 화합물은, 위에서 정의한 바와 같이 분자 내에 적어도 하나 이상의 카바졸을 포함하되, 상기 카바졸에는 적어도 하나 이상의 알킬기가 치환된 구조를 갖는다. 이때, 상기 알킬기는, 바람직하게는 카바졸의 벤젠고리에 치환된다. 카바졸은, 상기한 바와 같이 2개의 벤젠고리를 가지는데, 이때 알킬기는 2개의 벤젠고리 중에서 적어도 하나 이상(어느 하나 또는 둘 모두)에 치환될 수 있다. 그리고 1개의 벤젠고리에는 하나 또는 2 이상의 알킬기가 치환될 수 있다.
또한, 상기 알킬기는 제한되지 않는다. 즉, 알킬기의 탄소 수는 제한되지 않는다. 알킬기는, 예를 들어 C1 ~ C20의 알킬기로부터 선택될 수 있다. 알킬기는, 구체적인 예를 들어 메틸기(methyl group), 에틸기(ethyl group), 프로필기(propyl group) 및 부틸기(butyl group) 등으로부터 선택될 수 있으나, 이들로 제한되지 않는다. 그리고 상기 프로필기(propyl group)는 n-프로필기(n-propyl group) 및 i-프로필기(iso-propyl group)를 포함하며, 상기 부틸기(butyl group)는 n-부틸기(n-butyl group), i-부틸기(iso-butyl group) 및 t-부틸기(tertiary-butyl group)를 포함한다. 아울러, 상기 카바졸 화합물은 중심원자의 주변에 2개 또는 3개가 결합되는데, 이때 2개 또는 3개의 카바졸 화합물들은 서로 같거나 다를 수 있다.
상기 호스트는, 구체적인 구현예에 따라서 하기 화학식 3으로 표시된 화합물이 사용된다.
[화학식 3]
(R1)n-M-(R2)4-n
상기 화학식 3에서, M은 중심원자로서 14족 원소이다. M은, 바람직하게는 상기한 바와 같이 Si, Ge 또는 C이다. 그리고 상기 화학식 3에서, n은 자연수로서 2 또는 3이며, R1은 카바졸 화합물로서 하나 이상의 알킬기가 치환된 카바졸을 포함한다.
상기 화학식 3에서, R2는 제한되지 않는다. 상기 R2는 수소, 지방족 화합물 및 방향족 화합물 등으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 R2는 지방족 화합물로서 헤테로고리화합물이 될 수 있다. 상기 R2는, 구체적인 예를 들어 수소, 알킬기, 알콕시기, 시클로알킬기, 알콕시카보닐기, 아릴기 및 아릴옥시기 등으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 R2는, 예를 들어 2개 이상의 알킬기 등이 서로 고리를 형성한 고리 화합물이 될 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 상기 R2는 C1 ~ C20의 알킬기; C6 ~ C20의 아릴기; C3 ~ C20의 헤테로아릴기; C3 ~ C20의 헤테로아릴이 치환된 알킬기; 및 C1 ~ C20의 알킬이나 C3 ~ C20의 헤테로아릴이 치환된 아릴기 등으로부터 선택될 수 있다.
보다 바람직한 구현예에 따라서, 상기 호스트는 하기 화학식 4로 표시된 화합물을 사용하는 것이 좋다.
[화학식 4]
상기 화학식 4에서, 중심원자M은 14족 원소로서, 바람직하게는 Si 또는 Ge이다. 그리고 상기 화학식 4에서, R11 내지 R17은 각각 독립적으로 서로 같거나 다를 수 있으며, 알킬기로부터 선택된다.
구체적으로, 상기 화학식 4에서, R11 내지 R17은 알킬기로서, 탄소 수는 제한되지 않으며, 예를 들어 C1 ~ C20의 알킬기로부터 선택될 수 있다. 상기 R11 내지 R17는, 보다 구체적인 예를 들어 메틸기(methyl group), 에틸기(ethyl group), 프로필기(propyl group) 및 부틸기(butyl group) 등으로부터 선택될 수 있으나, 이들로 제한되지 않는다. 그리고 상기 프로필기(propyl group)는 n-프로필기(n-propyl group) 및 i-프로필기(iso-propyl group)를 포함하며, 상기 부틸기(butyl group)는 n-부틸기(n-butyl group), i-부틸기(iso-butyl group) 및 t-부틸기(tertiary-butyl group)를 포함한다. 상기 R11 내지 R17은, 보다 바람직하게는 모두 메틸기이다.
이상에서 설명한 호스트는 높은 삼중항 에너지(ET)를 가지면서 전하 이동도 등의 전기적 특성과 열적 안정성 등이 우수하여 본 발명의 발광층(30)으로 유용하다. 구체적으로, 상기한 바와 같은 호스트는 3.0eV 이상의 높은 삼중항 에너지(ET ≥ 3.0eV)를 갖는다. 또한, 중심원자(M)와 카바졸 화합물(R1)의 종류에 따라, 1.0 x 10-3 ㎠/v.s 이상, 바람직하게는 2.0 x 10-3 ㎠/v.s 이상, 보다 바람직하게는 3.0 x 10-3 ㎠/v.s 이상의 우수한 전하 이동도를 갖는다. 그리고 150℃ 이상의 높은 열적 안정성(Tg)을 갖는다. 이에 따라, 본 발명에 따른 청색 유기 발광소자(PhOLED)에 적용되어, 진한 청색과 함께 높은 발광효율을 구현한다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기본적 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
PET 기판 상에 양극으로서 work function 이 5.9eV인 WO3 박막을 증착 한 다음, 상기 양극(WO3) 상에 발광층(EML)을 형성하고, 그 위에 전자 수송층(ETL)을 형성하였다. 그리고 전자 수송층(ETL) 상에 음극으로서LiF/Al을 차례로 형성하였다.
이때, 전자 수송층(ETL)은 상기 화학식 1로 표시된 화합물(화학식 1에서 R'와 R"가 모두 -CH3인 것)을 사용하여 400nm 두께로 형성하였다. 그리고 상기 발광층(EML)은 양극(WO3) 상에 먼저 호스트(host)를 50nm 두께로 피막한 다음, 호스트 비례 도판트 10몰 %의 혼합으로 구성된 인광 물질층을 300nm 두께로 형성하였다. 상기 호스트는 화학식 4에서 M = Ge이고, R은 모두 메틸기(-CH3)인 유-무기 복합 화합물을 사용하였으며, 상기 도판트는 FIr6을 사용하였다.
위와 같이 제조된 본 실시예 1에 따른 PhOLED의 에너지 밴드 다이어그램을 도 3에 나타내었다.
[실시예 2]
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 전자 수송층(ETL)으로서 상기 화학식 2로 표시된 화합물(화학식 2에서 R'와 R"가 모두 -CH3인 것)을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
위와 같이 제조된 본 실시예 2에 따른 PhOLED의 에너지 밴드 다이어그램을 도 4에 나타내었다.
[비교예 1]
PET 기판 상에 양극으로서 종래와 같이 work function이 5.2eV인 ITO 박막을 증착한 다음, 상기 양극(ITO) 상에 정공 주입층(HIL)으로서 NPB(두께 300nm)와 정공 수송층(HTL)으로서 TAPC(두께 150nm)를 형성한 다음, 상기 정공 수송층(HTL) 상에 발광층(EML)을 형성하였다. 상기 발광층(EML)은 호스트 비례 도판트 10몰 %의 혼합으로 구성하되, 호스트는 통상의 CBP를 사용하고, 도판트는 FIr6을 사용하였다.
그리고 상기 발광층(EML) 상에 전자 수송층(ETL)을 형성하되, 이때 전자 수송층(ETL)은 실시예 1과 대비해 보고자 실시예1과 동일한 화합물(화학식 1에서 R'와 R"가 모두 -CH3인 것)을 사용하여 400nm 두께로 형성하였다. 그리고 음극으로서 LiF/Al을 형성하였다.
위와 같이 제조된 본 비교예 1에 따른 PhOLED의 에너지 밴드 다이어그램을 도 5에 나타내었다.
[비교예 2]
종래와 같은 방법으로 PhOLED를 제조하였다. 구체적으로, 상기 비교예 1과 대비하여, 전자 수송층(ETL)으로서 통상적으로 사용되고 있는 3TPYMB를 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
위와 같이 제조된 본 비교예 2에 따른 PhOLED의 에너지 밴드 다이어그램을 도 6에 나타내었다.
첨부된 도 3 내지 도 6에서, 상부에 표시된 수치 2.0, 2.4, 2.5 및 3.0은 LUMO 에너지 레벨(eV)이고, 하부에 표시된 수치 5.4, 5.5, 6.1, 6.3, 6.45 및 6.7 은 HOMO 에너지 레벨(eV)이다.
상기와 같이 제조된 각 실시예 및 비교예에 따른 PhOLED에 대하여, 전압에 따른 전류밀도, 휘도(cd/A), 발광 효율(lm/W) 및 색좌표(CIE) 등의 소자 특성을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 1] 에 나타내었다. 또한, 실시예 2 및 비교예 2에 따른 PhOLED의 소자 특성 평가 결과는 도 7 및 도 8에 그래프로도 나타내었다. 도 7은 실시예 2에 따른 PhOLED의 소자 특성 평가 그래프이고, 도 8은 비교예 2에 따른 PhOLED의 소자 특성 평가 그래프이다.
| 비 고 | 전압 [V] |
전류밀도(＠ 12V) [mA/㎠] |
Max.Eff | CIE (x, y) |
|
| %(Cd/A) | lm/W | ||||
| 실시예 1 | 4.0 | 120.5 | 15.8(25.0) | 13.7 | (0.15, 0.22) |
| 실시예 2 | 3.0 | 500.0 | 13.8(23.0) | 13.5 | (0.15, 0.23) |
| 비교예 1 | 4.2 | 73.9 | 15.5(24.9) | 13.6 | (0.15, 0.22) |
| 비교예 2 | 4.0 | 70.2 | 12.7(21.2) | 11.4 | (0.15, 0.25) |
상기 [표 1], 그리고 첨부된 도 7 및 도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 PhOLED는 종래에 따른 비교예 2와 대비하여, 정공 주입층(HIL) 및 정공 수송층(HTL)이 없음에도 불구하고, 3V 내지 5V의 낮은 전압에서 전류밀도를 가지는 것은 물론 휘도(Cd/A)와 발광 효율(lm/W) 등에 있어 우수한 소자 특성을 가짐을 알 수 있다.
10 : 기판 20 : 양극
30 : 발광층 40 : 전자 수송층
50 : 음극
30 : 발광층 40 : 전자 수송층
50 : 음극
Claims (12)
- 양극;
상기 양극 상에 형성되고, 호스트와 도판트를 포함하는 발광층;
상기 발광층 상에 형성된 전자 수송층; 및
상기 전자 수송층 상에 형성된 음극을 포함하고,
상기 양극의 일함수(work function)와 발광층의 HOMO 에너지 레벨의 차이가 1.0eV 미만이며,
상기 발광층의 LUMO 에너지 레벨과 전자 수송층의 LUMO 에너지 레벨의 차이가 1.0eV미만인 것을 특징으로 하며,
상기 전자 수송층은 하기 화학식 1 및 화학식 2로 표시된 화합물 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
[화학식 1]
[화학식 2]
(위 화학식 1 및 2에서, R'와 R"는 수소, 지방족 화합물 및 방향족 화합물로부터 선택된다.)
- 제1항에 있어서,
상기 양극의 일함수(work function)와 발광층의 HOMO 에너지 레벨의 차이가 0.1 내지 0.9 eV인 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 양극의 일함수(work function)는 5.8 내지 6.8 eV인 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 양극은 텅스텐 옥사이드(WO3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 발광층의 LUMO 에너지 레벨과 전자 수송층의 LUMO 에너지 레벨의 차이가 0.1 내지 0.9 eV 인 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 전자 수송층의 LUMO 에너지 레벨은 2.9 내지 3.1 eV인 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 발광층은 양극 상에 형성된 호스트 박막층과;
상기 호스트 박막층 상에 형성되고, 호스트와 도판트를 포함하는 인광 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 화학식 1 및 2의 R'와 R"는 알킬기 또는 페닐기인 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 호스트는,
중심원자의 주변에 카바졸 화합물이 결합되고;
상기 중심원자는 14족 원소이며;
상기 중심원자의 주변에 결합된 카바졸 화합물은 2개 또는 3개이고;
상기 카바졸 화합물은, 알킬기가 치환된 카바졸을 포함하는 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
- 제10항에 있어서,
상기 호스트는, 하기 화학식 3으로 표시된 화합물인 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
[화학식 3]
(R1)n-M-(R2)4-n
(위 화학식 3에서,
M은 14족 원소이고,
n은 2 또는 3이며,
R1은 카바졸에 알킬기가 치환된 카바졸 화합물이고,
R2는 수소, 지방족 화합물 및 방향족 화합물로부터 선택된다.)
- 제10항에 있어서,
상기 호스트는, 하기 화학식 4로 표시된 화합물인 것을 특징으로 하는 청색 인광 유기 발광소자.
[화학식 4]
(위 화학식 4에서, M은 Si 또는 Ge이고, R11 내지 R17은 알킬기이다.)
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