KR101317273B1 - 반사기판을 포함하는 유기 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사기판을 포함하는 유기 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반사기판상에 유기물 활성층이 형성되어 있고, 상기 유기물 활성층 상에 투명 전극층이 형성되어 있는 층 구조를 갖는 유기 발광 다이오드를 사용함으로써, 추가적인 평탄화 및 절연용 박막과 반사 박막이 필요없어, 구조를 단순화시켜 공정의 효율성을 증가시킬 수 있도록 한 유기 발광 다이오드에 관한 것이다.

Description

반사기판을 포함하는 유기 발광 다이오드 {ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE WITH REFLECTIVE SUBSTRATE}

본 발명은 반사기판을 포함하는 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, 이하 'OLED'라 함)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속기판 자체를 반사전극으로 사용하고 그 위에 유기물 활성층과 투명전극을 형성함으로써, 종래에 비해 간략화된 구조로 이루어진 유기 발광 다이오드에 관한 것이다.

유기 발광 다이오드(ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE)는 발광층을 개재하여 대향되게 배치된 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극)으로부터 각각 전자와 정공을 발광층 내부로 주입시켜 주입된 전자와 정공이 결합한 엑시톤(exiton)이 여기 상태로부터 기저 상태로 떨어질 때 발광하는 원리를 이용한 소자이다.

이러한 유기 발광 다이오드의 전형적인 구조는 투명 유리 기판상에 투명 전도성 산화물층, 발광층 및 상부 반사전극을 순차적으로 형성하여 발광층에서 발생한 빛이 상기 투명 전도성 산화물층을 통해 방출되도록 하는 후면 발광식 구조이다. 그러나, 유리기판을 사용하여 투명한 하부 전극을 통하여 빛이 나오는 전형적인 OLED는 유리와 전기 전도성 산화물들을 포함한 재료의 원가가 비싸며, 유리기판의 경우 가요성(flexible) 있게 만들기 어려운 문제점을 지니고 있다. 따라서, 가요성이 우수하면서 저렴하게 제작할 수 있는 기판이 요구되고 있다.

금속기판은 유리기판에 비해 저렴하고, 가요성이 뛰어나며, 높은 열 전도도로 인해 열 방출이 용이한 이점이 있다. 이러한 금속기판의 이점을 활용하여 유기 발광 다이오드를 제조하는 것에 관한 선행문헌인 미국등록특허 제6,835,470호에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속기판상에 절연층 및 평탄화층을 증착한 다음, 전도성 전극을 증착하고, 그 위에 발광층을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 그런데 이 방법의 경우 니스(varnish) 또는 폴리머 물질을 사용하여 열처리를 통해 이루어지는 절연층 형성 공정이 필요하며 절연층 형성공정은 장시간이 소요된다.

또한, 다른 선행문헌인 한국공개특허공보 제2007-0003711호에는, 스틸 또는 알루미늄기판상에 절연층 없이 반사 전극과 유기층 시퀀스를 배치하여 유기 발광 다이오드를 구현한 예가 개시되어 있다. 이 방법의 경우 절연층을 형성하는 공정은 없으나, 은(Ag)로 이루어진 반사전극을 추가로 증착해야하는 문제점이 있을 뿐 아니라, 은과 유기층 시퀀스 사이에 발생하는 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface plasmon polariton)의 생성에 의해, 소자 효율이 떨어질 수 있다.

본 발명은, 별도의 반사전극을 사용하지 않고 반사도가 우수한 금속기판 자체를 반사전극으로 사용하고 그 위에 유기물 활성층과 투명전극을 형성함으로써, 종래의 유기 발광 다이오드에 비해 간소화되어 제조비용을 절감할 수 있는 유기 발광 다이오드를 제공하는 것을 해결하려는 과제로 한다.

또한, 본 발명의 다른 과제는 표면 플라즈몬 폴라리톤의 생성을 최대한 억제하여, 소자의 효율성을 높일 수 있는 유기 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 과제는 반사기판의 전하주입 특성을 향상시켜 소자의 효율성을 높일 수 있는 유기 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 금속기판과, 상기 금속기판상에 형성된 유기물 활성층과, 상기 유기물 활성층 상에 형성된 투명전극을 포함하고, 상기 금속기판과 유기물 활성층의 사이에 평탄화층 및 절연층이 형성되지 않으며 상기 금속기판의 표면 거칠기는 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<R_ms<100㎚, 0<R_{p -v}<1000㎚인 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드를 제공한다.

본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 금속기판은 반사전극의 역할을 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 금속기판은 반사전극으로도 활용됨을 고려하여, 반사도가 우수한 스틸, 알루미늄 또는 구리 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 금속기판이 양극이고 상기 투명전극은 음극이거나, 반대로 상기 금속기판이 음극이고 상기 투명전극은 양극이 될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 금속기판과 유기물 활성층 사이에 표면 플라즈몬 생성을 억제하는 산화물 박막이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 생성 억제 산화물 박막은, 상기 금속기판보다 유전상수가 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 생성 억제 산화물 박막은, W, Mo, Cu, Sn, In, Mg, Ca, Ti, Ag, Au로 이루어진 군에서 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 생성 억제 산화물 박막의 두께는 5Å ~ 500Å인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 생성 억제 산화물 박막은, 스퍼터 증착법, 열증착법, 전자선증착법 중에서 선택된 방법을 통해 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 생성 억제 산화물 박막은, 산소 플라즈마 처리, 자외선-오존(UV Ozone)처리 또는 열처리 중 적어도 한 가지의 후처리가 행해질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 금속기판과 유기물 활성층 사이에 투명전극이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 투명전극은, ITO, AZO, GZO, InO_x, SnO_x, ZnO 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 투명전극은 스퍼터 증착법, 열증착법, 전자선증착법 중 적어도 한 가지 방법을 통해 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 투명전극은 Ag, Cu, In, Sn, C 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 나노선을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서, 상기 투명전극은 스핀코팅, 바 코팅, 닥터블레이드 중 하나의 방법으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 발광 다이오드는 반사도가 우수한 금속기판 자체를 반사전극으로 사용하기 때문에, 반사전극을 형성하는 공정이 필요 없게 된다. 더욱이 열 전도도가 우수한 금속기판 자체를 반사전극으로 사용하기 때문에 유리기판 또는 절연층이 삽입된 종래의 금속 기판에 비해 열 방출이 우수하여 안정성이 뛰어난 유기 발광 다이오드를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 유기 발광 다이오드는, 추가로 표면 플라즈몬 폴라리톤의 생성을 억제하거나, 반사기판의 전하주입 특성을 향상시켜 소자의 효율성을 높일 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 반사 기판을 포함하는 유기 발광 다이오드 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 반사 기판을 포함하는 유기 발광 다이오드 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예2에 따른 반사 기판을 포함하는 유기 발광 다이오드 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예3에 따른 반사 기판을 포함하는 유기 발광 다이오드 구조를 나타낸 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 기초로 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 유기 발광 다이오드의 구조를 설명하기 위한 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반사 기판을 포함하는 유기 발광 다이오드는 반사기판상에 평탄화 및 절연용 박막이 없이 유기물 활성층이 올라가며 유기물 활성층은 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 정공 차폐층, 전자수송층, 전자주입층으로 이루어질 수 있으며, 상기 유기물 호라성층 상에 상부 투명전극이 형성되어 있다.

[실시예 1]

본 발명의 실시예 1에 따른 플렉서블 유기 발광 다이오드는 도 2에 도시된 바와 같이, 금속기판(반사기판) 상에, 정공주입층, 정공수송층, 전자차폐층, 발광층, 전공차폐층, 전자수송층, 전자주입층 및 투명전극으로 이루어진다.

상기 금속기판으로는 반사도가 우수하며 탄성 변형이 가능한 금속판재를 기판으로 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예 1에서는 내식성과 강도가 우수한 두께 0.3mm 정도의 스테인리스강판을 사용하였다. 스테인리스강판을 그 자체로 반사전극으로 사용하기 위해서는 소자의 특성 및 안정성을 향상하기 위해 표면 거칠기가 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<R_ms(표면 거칠기의 제곱평균제곱근)<100㎚, 0<R_p-v(표면 거칠기의 산(peak)과 골(valley) 사이 수직방향 거리)<1000㎚이어야 하며, 본 실시예 1에서는 도 3에 보여진 바와 같이, R_ms=8.23㎚, R_p-v=51.568㎚의 거칠기를 갖는 스테인리스강판을 사용하였다.

한편, 본 발명의 실시예 1에서는 스테인리스강판을 사용하였으나 알루미늄기판이나 구리기판 등 반사도가 우수한 특성을 갖는 금속판재라면 어느 것이나 사용될 수 있다.

상기 스테인리스강판 위에는 정공주입층을 형성하였는데, 상기 정공 주입층은 스핀코팅(Spin coating)을 이용하여 폴리머 계열의 물질로 형성하였으며, 본 발명의 실시예 1에서는 PEDOT:PSS를 20nm의 두께로 형성하였다. 구체적인 성막 조건은 블렌딩(Blending)된 PEDOT:PSS를 0.45㎛의 필터를 이용하여 필터링하여 기판 위에 떨어뜨린 후, 5000rpm에서 1분간 스핀 코팅을 하고, 핫플레이트(hot plate)를 이용하여 200℃에서 5분간 열처리를 하는 방법을 통해 수행하였다. 본 발명의 실시예 1에 따라 형성된 정공주입층은 일함수가 크고 전도성이 우수하기 때문에 정공 주입 장벽을 낮추어 주어 유기 발광 다이오드의 개시 전압 및 작동 전압을 낮추는 역할을 한다.

상기 정공주입층 위에는 공지의 물질 및 방법을 사용하여 정공수송층, 발광층, 정공차폐층, 전자수송층, 전자주입층 및 음극을 형성하였는데, 상기 정공수송층은 α-NPD를 사용하여 700Å 두께의 박막을, 상기 발광층은 C545T가 도핑된 Alq₃를 사용하여 400Å 두께의 박막을, 상기 정공차폐층은 BCP를 사용하여 50Å 두께의 박막을, 상기 전자수송층은 Alq₃를 사용하여 200Å 두께의 박막을, 상기 전자주입층은 LiF를 사용하여 10Å 두께의 박막을, 상기 투명전극은 Ca/Ag 또는 Al으로 100Å 두께의 박막을 각각 형성함으로써, 금속기판 자체를 반사전극으로 활용할 수 있는 유기 발광 다이오드를 제조할 수 있었다.

[실시예 2]

본 발명의 실시예 2에 따른 플렉서블 유기 발광 다이오드는 도 4에 도시된 구조를 갖는다. 즉, 실시예 1과 비교할 때, 금속기판(반사기판)과 정공주입층의 사이에 표면 플라즈몬 억제용 산화물 박막이 형성되는 차이가 있으며, 나머지는 실시예 1과 동일하다.

금속기판인 0.3mm 두께의 스테인리스강판 위에는 표면 플라즈몬 폴라리톤의 생성을 억제시킬 수 있는 SP 억제 산화물 박막층을 형성한다. 금속인 전극과 유전체인 유기물 사이의 계면에서는 빛이 도달하였을 경우 공명현상에 의해서 상당한 빛들이 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 전환되게 되며 이러한 표면 플라즈몬 폴라리톤은 빛으로 방출되지 못하고 계면 사이로 진행하게 되어 소자의 효율을 감소시킨다.

이러한 표면 플라즈몬의 생성은 반사기판과 유전체 사이의 유전상수를 조절함으로써 억제할 수 있으며, 본 실시예 2에서는 유전상수가 스틸 강판보다 큰 WO₃를 열증착 방법으로 20Å의 두께로 증착하여 형성함으로써 표면 플라즈몬 폴라리톤의 생성을 억제하였다.

구체적인 WO₃ 박막의 열증착 조건은 DC 파워 서플라이를 이용하여 텅스텐 보트에 산화텅스텐 파우더 소스를 넣고 증착하였다. 사용된 전압/전류는 1.2~2.0 V/280~320A 였으며 이에 따른 증착속도는 0.1~1 Å/s 였다. 소스로부터 기판까지의 거리는 30cm 정도였으며 기판을 회전시켜 전면에 고르게 증착시켰다.

본 발명의 실시예 2에 따라 열증착법으로 형성된 WO₃의 경우 표면 플라즈몬을 억제해 줄 뿐 아니라 일함수가 크고 전도성이 우수하기 때문에 정공 주입 장벽을 낮추어 주어 유기 발광 다이오드의 개시 전압 및 작동 전압을 낮추는 역할도 할 수 있다.

상기 SP 억제 산화물 박막 위에는 정공 주입층이 형성될 수도 있지만 본 실시예 2에서는 사용하지 않았다. 상기 SP 억제 산화박막 위에는 공지의 물질 및 방법을 사용하여 정공수송층, 발광층, 정공차폐층, 전자수송층, 전자주입층 및 음극을 형성하였는데, 상기 정공수송층은 α-NPD를 사용하여 700Å 두께의 박막을, 상기 발광층은 C545T가 도핑된 Alq₃를 사용하여 400Å 두께의 박막을, 상기 정공차폐층은 BCP를 사용하여 50Å 두께의 박막을, 상기 전자수송층은 Alq₃를 사용하여 200Å 두께의 박막을, 상기 전자주입층은 LiF를 사용하여 10Å 두께의 박막을, 상기 투명 전극은 Ca/Ag 또는 Al으로 100Å 두께의 박막을 각각 형성하여, 반사기판을 포함하는 유기 발광 다이오드를 제조할 수 있었다.

[실시예 3]

본 발명의 실시예 3에 따른 플렉서블 유기 발광 다이오드는 도 5에 도시된 구조를 갖는다. 즉, 실시예 1과 비교할 때, 금속기판(반사기판)과 정공주입층의 사이에 투명전극층이 형성되는 차이가 있으며, 나머지는 실시예 1과 동일하다.

금속기판인 0.3mm 두께의 스테인리스강판 위에는 강판의 전하 주입 특성을 향상시킬 수 있는 투명전극을 형성한다. 본 실시예 3에서는 일함수가 큰 ITO를 스퍼터 방법으로 500Å의 두께로 증착하여 형성하였다.

구체적인 ITO 박막의 스퍼터 조건은 RF 파워 서플라이를 이용하여 MFC를 이용하여 Ar을 25sccm을 넣은 4mtorr의 공정 압력에서 기판을 300℃로 가열하며 150W의 파워로 스퍼터링을 하여 형성하였다. 본 발명의 실시예 2에 따라 스퍼터 방법으로 형성된 ITO의 경우 일함수가 크고 전도성이 우수하기 때문에 정공 주입 장벽을 낮추어 주어 유기 발광 다이오드의 개시 전압 및 작동 전압을 낮추는 역할도 할 수 있다.

투명전극으로는 본 발명의 실시예 3에서 사용한 ITO 외에도 IZO, AZO 등의 기타 투명 전도성 산화물 박막을 스퍼터링하거나 Ag, Cu등의 금속 나노선 또는 CNT, 그래핀 등의 탄소 기반 투명전극 소재들을 용액 공정을 이용하여 도포하여 형성할 수 있다.

상기 정공주입층 위에는 공지의 물질 및 방법을 사용하여 정공수송층, 발광층, 정공차폐층, 전자수송층, 전자주입층 및 음극을 형성하였는데, 상기 정공수송층은 α-NPD를 사용하여 700Å 두께의 박막을, 상기 발광층은 C545T가 도핑된 Alq₃를 사용하여 400Å 두께의 박막을, 상기 정공차폐층은 BCP를 사용하여 50Å 두께의 박막을, 상기 전자수송층은 Alq₃를 사용하여 200Å 두께의 박막을, 상기 전자주입층은 LiF를 사용하여 10Å 두께의 박막을, 상기 투명 전극은 Ca/Ag 또는 Al으로 100Å 두께의 박막을 각각 형성하여, 반사기판을 포함하는 유기 발광 다이오드를 제조할 수 있었다.

Claims (16)

1. 금속기판과, 상기 금속기판상에 형성된 유기물 활성층과, 상기 금속기판과 유기물 활성층 사이에 표면 플라즈몬 생성을 억제하기 위해 형성된 것으로 상기 금속기판보다 유전상수가 큰 표면 플라즈몬 생성 억제 산화물 박막과, 상기 유기물 활성층 상에 형성된 투명전극을 포함하고,
   상기 금속기판과 유기물 활성층의 사이에 평탄화층 및 절연층이 형성되지 않으며 상기 금속기판의 표면 거칠기는 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<R_ms(표면 거칠기의 제곱평균제곱근)<100㎚, 0<R_p-v(표면 거칠기의 산과 골 사이 수직방향 거리)<1000㎚인 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속기판이 반사전극의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속기판은, 스틸, 알루미늄 및 구리 중 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속기판이 양극이고, 상기 투명전극은 음극인 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속기판이 음극이고, 상기 투명전극은 양극인 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 표면 플라즈몬 생성 억제 산화물 박막은, W, Mo, Cu, Sn, In, Mg, Ca, Ti, Ag, Au로 이루어진 군에서 1종 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 표면 플라즈몬 생성 억제 산화물 박막의 두께는 5Å ~ 500Å인 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 생성 억제 산화물 박막은, 스퍼터 증착법, 열증착법, 전자선증착법 중에서 선택된 방법을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 생성 억제 산화물 박막은, 산소 플라즈마 처리, 자외선-오존(UV Ozone)처리 또는 열처리 중 적어도 한 가지의 후처리가 행해진 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
12. 금속기판과, 상기 금속기판상에 형성된 유기물 활성층과, 상기 금속기판과 유기물 활성층 사이에 형성된 것으로 Ag, Cu, In, Sn, C 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 나노선을 포함하는 제1투명전극과, 상기 유기물 활성층 상에 형성된 제2투명전극을 포함하고,
    상기 금속기판과 유기물 활성층의 사이에 평탄화층 및 절연층이 형성되지 않으며 상기 금속기판의 표면 거칠기는 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 10㎛×10㎛의 스캔 범위로 관측할 때, 0<R_ms(표면 거칠기의 제곱평균제곱근)<100㎚, 0<R_p-v(표면 거칠기의 산과 골 사이 수직방향 거리)<1000㎚인 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 제 12 항에 있어서,
    상기 투명전극은 스핀코팅, 바 코팅, 닥터블레이드 중 하나의 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 유기 발광 다이오드.

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