KR101351410B1 - 백색 유기 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 청색 형광과 적색/녹색 인광의 스택 구조로 이루어진 백색 유기 발광 소자에 있어서, 상기 청색 형광의 효율을 높여 상기 백색 유기 발광 소자의 수명을 증가시키고 색감 향상과 소비 전력을 감소시킨 백색 유기 발광 소자에 관한 것으로, 기판 상에 서로 대향된 양극과 음극;과, 상기 양극과 음극 사이에 형성된 전하 생성층;과, 상기 양극과 전하 생성층 사이의, 제 1 정공 수송층, 청색을 발광하는 제 1 발광층, 제 1 전자 수송층 및 금속이 도핑된 전자수송 촉매층이 적층되어 이루어진 제 1 스택; 및 상기 전하 생성층과 상기 음극 사이의, 제 2 정공 수송층, 하나의 호스트에 인광의 적색과 녹색 도펀트를 함께 도핑한 제 2 발광층 및 제 2 전자 수송층이 적층되어 이루어지며, 상기 제 2 정공 수송층은 에너지 준위를 상기 제 2 발광층의 삼중항(triplet) 여기 상태 에너지 준위보다 높게 설정한 제 2 스택을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

백색 유기 발광소자(WOLED: White Organic Light Emitting Device), 인광 발광층, 형광 발광층, 스택 구조, 삼중항 쌍 소멸(Triplet-Triplet Annihilation), IQE(Internal Quantum Efficiency: 내부 양자 효율), 전자 수송층(ETL: Electron Tranport Layer), 전자 수송 촉매층

Description

백색 유기 발광 소자 {White Organic Light Emitting Device}

본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것으로 특히, 청색 형광과 적색/녹색 인광의 스택 구조로 이루어진 백색 유기 발광 소자에 있어서, 상기 청색 형광의 효율을 높여 상기 백색 유기 발광 소자의 수명을 증가시키고 색감 향상과 소비 전력을 감소시킨 백색 유기 발광 소자에 관한 것이다.

최근, 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 전기적 정보신호를 시각적으로 표현하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 박형화, 경량화, 저소비전력화의 우수한 성능을 지닌 여러 가지 다양한 평판 표시장치(Flat Display Device)가 개발되어 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube : CRT)을 빠르게 대체하고 있다.

이 같은 평판 표시장치의 구체적인 예로는 액정표시장치(Liquid Crystal Display device: LCD), 플라즈마표시장치(Plasma Display Panel device: PDP), 전계방출표시장치(Field Emission Display device: FED), 유기 발광 표시 장치(Organic Light Emitting Device: OLED) 등을 들 수 있다.

이 중, 별도의 광원을 요구하지 않으며 장치의 컴팩트화 및 선명한 컬러 표 시를 위해 유기 발광 표시 장치가 경쟁력 있는 어플리케이션으로 고려되고 있다.

이러한 유기 발광 표시 장치에는, 유기 발광층의 형성이 필수적인데, 종래 그 형성을 위해 새도우 마스크(shadow mask)를 이용한 증착 방법이 이용되었다.

그러나, 새도우 마스크는 대면적의 경우, 그 하중 때문에, 쳐짐 현상이 발생하고, 이로 인해 여러번 이용이 힘들고, 유기 발광층 패턴 형성에 불량이 발생하여 대안적 방법이 요구되었다.

이러한 새도우 마스크를 대체하여 여러 방법이 제시되었던 그 중 하나로서 백색 유기 발광 표시 장치가 있다.

이하, 백색 유기 발광 표시 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.

백색 유기 발광 표시 장치는, 발광 다이오드 형성시 양극과 음극 사이의 각 층을 마스크 없이 증착시키는 것으로, 유기발광층을 포함한 유기막들의 형성을 차례로 그 성분을 달리하여 진공 상태에서 증착하는 것을 특징으로 한다.

상기 백색 유기 발광 표시 장치는, 박형 광원, 액정표시장치의 백라이트 또는 컬러 필터를 채용한 풀컬러 표시 장치에 쓰일 수 있는 등 여러 용도를 가지고 있는 소자이다.

상기 백색 유기 발광 표시 장치는 구비되는 발광층을 서로 다른 색상의 복수층으로 구비할 수 있는데, 이 경우, 각 발광층에 포함되는 도펀트 색상을 달리하게 된다. 그러나, 도펀트가 자체적으로 갖는 특성에 의해 해당 발광층에 포함되는 도펀트의 성분에 한계가 있고, 각 발광층의 혼합시 백색광 구현에 초점이 맞춰져 적(Red), 녹(Green), 청(Blue)이 아닌 다른 색상의 파장에서 피크 값을 갖는 파장 특성을 나타내어 컬러 필터 포함시 색재현율이 떨어지는 문제가 있었다. 또한, 도펀트 물질의 수명이 달라 계속적인 이용시 컬러 쉬프트가 발생하였다.

더불어, 발광층과 정공 수송층간의 계면에서 그 에너지 준위가 유사하여, 삼중항 여기자가 계면을 넘어 정공 수송층으로 이동하여 여기 상태의 발광효율이 저하되는 문제가 있었고, 이를 방지하기 위해 여기자 저지층(EBL: Exciton Blocking Layer)을 구비할 경우 구동 전압의 증가 및 공정의 증가 및 수명 저하가 수반되어 적정한 효율을 갖는 백색 유기 발광 표시 장치를 구현하는데 많은 애로사항이 있다.

종래 백색 유기 발광 소자는 수명과 소비 전력 측면을 고려했을 때, 적층되어 이루어진 발광층이 모두 형광 구조이거나 혹은 청색 형광층과 적색/녹색 인광의 스택 구조로 이루어진 구조를 이용하였다. 이 두 구조에서 공통적인 점은 일중항 여기 상태의 엑시톤만을 이용하는 청색 형광층의 사용이다.

근래의 기술 수준에서의 청색 인광층의 효율은 만족할만한 수준에 이르렀지만, 수명 측면에서 아직까지 개선이 시급한 상황이다. 이런 이유로 청색 형광층이 적용된 백색 유기 발광 소자가 주로 개발되고 있지만, 색온도 및 수명, 소비전력 개선에는 위에서 언급된 효율 문제로 인하여 제한적이다. 특히, 이를 해결하기 위해서는 내부 양자 효율이 25 %로 제한적인 청색 형광층의 효율과 수명을 개선하는 방법이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 청색 형광과 적색/녹색 인광의 스택(stack) 구조로 이루어진 백색 유기 발광 소자에 있어서, 상기 청색 형광의 효율을 높여 상기 백색 유기 발광 소자의 수명을 증가시키고 색감 향상과 소비 전력을 감소시킨 백색 유기 발광 소자를 제공하는 데, 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 백색 유기 발광 소자는, 기판 상에 서로 대향된 양극과 음극;과, 상기 양극과 음극 사이에 형성된 전하 생성층; 과, 상기 양극과 전하 생성층 사이의, 제 1 정공 수송층, 청색을 발광하는 제 1 발광층, 제 1 전자 수송층 및 금속이 도핑된 전자수송 촉매층이 적층되어 이루어진 제 1 스택; 및 상기 전하 생성층과 상기 음극 사이의, 제 2 정공 수송층, 하나의 호스트에 인광의 적색과 녹색 도펀트를 함께 도핑한 제 2 발광층 및 제 2 전자 수송층이 적층되어 이루어지며, 상기 제 2 정공 수송층은 에너지 준위를 상기 제 2 발광층의 삼중항(triplet) 여기 상태 에너지 준위보다 높게 설정한 제 2 스택을 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 제 2 정공 수송층은 상기 제 2 발광층의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4 eV 높은 에너지 준위로 설정한 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 1 정공 수송층은 상기 제 1 발광층의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4 eV 높은 에너지 준위로 설정한 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제 1 전자 수송층은 상기 제 1 발광층의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4eV 높은 에너지 준위로 설정하며, 상기 제 2 전자 수송층은 상기 제 2 발광층의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4eV 높은 에너지 준위로 설정한다.

상기 제 1 발광층은 청색 호스트에 청색을 형광 발광하는 도펀트가 포함되어 이루어진 발광층이다.

상기 전자 수송 촉매층은 상기 제 1 발광층으로의 금속 확산을 최소화함과 동시에 높은 삼중항 에너지 준위를 가지는 재료에서 선택하며, 상기 제 1 전자 수송층은 금속의 도핑을 통한 전자 주입이 가능한 유기물에서 선택할 수 있다.

또한, 상기 제 1 전자 수송층은 bphen 계열의 유기물에서 선택한다.

한편, 상기 전자수송 촉매층에 도핑된 금속은, 알칼리 금속, MoOx, WOx, V₂O₅ 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 예를 들어, 알칼리 금속으로는 Li을 들 수 있다.

그리고, 상기 제 1 스택의 수명이 상기 제 2 스택의 수명보다 길며, 에이징에 따라 쿨 화이트 색특성을 갖는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 백색 유기 발광 소자는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 유기 발광 소자는 높은 삼중항 에너지를 갖는 정공층과 금속 도핑된 이중 전자 수송층 구조 적용을 통해 삼중항 쌍 소멸(triplet-triplet annihilation)을 이용하여 청색 형광의 효율을 높이고 수명을 증가시켜 색감 및 저소비전력을 꾀할 수 있다.

또한, 양극과 음극 사이의 각 스택에 청색 발광층 및 녹색과 적색의 혼합 발광층을 구비한 이중 스택으로 백색 유기 발광 소자를 형성시, 녹색과 적색의 혼합 발광층에서, 여기 상태의 에너지 준위에 비해 인접한 정공 수송층의 에너지 준위를 0.01~0.4eV 높게 설정하여, 여기 상태의 여기자가 정공 수송층으로 유입되는 것을 방지한다. 따라서, 상기 정공 수송층은 정공 수송의 기능과 함께 여기자 저지 기능(Exciton (singlet, triplet) blocking layer)을 동시에 수행하여 별도로 여기자 저지층을 구비하지 않음에 의해 공정을 늘리지 않으며 소비 전력을 저감할 수 있 다. 더불어, 상기 발광층에 남아있는 일중항 여기자(singlet exciton) 및 삼중항 여기자(triplet excition)의 성분이 계속적으로 발광에 이용되어, 발광효율의 향상시킬 수 있다.

더불어, 백색을 구현함에 있어서, 일 스택을 청색 도펀트를 포함한 청색 형광 발광층으로 구성하고, 나머지 스택을 호스트 물질에 녹색 및 적색 도펀트를 적정량 포함한 적색/녹색 인광 발광층으로 형성하여, 적색, 녹색 및 청색의 각 파장에서 고른 피크치와 뚜렷한 피크를 보일 수 있어 컬러 필터 적용시 색재현율을 높일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 백색 유기 발광 소자를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 일예를 나타낸 단면도이다.

도 1과 같이, 본 발명의 일예에 다른, 백색 유기 발광 소자는, 기판(100) 상에 서로 대향된 양극(101)과 음극(140), 상기 양극(101)과 음극(140) 사이에 적층되어 이루어진 제 1 스택(210), 전하생성층 (CGL: Charge Generation Layer)(230) 및 제 2 스택(220)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 전하 생성층(230)은 아래로부터 금속층(113) 및 제 2 정공 주입층(120)의 적층체로 이루어진다.

그리고, 양극(101)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극으로 이루어지 며, 상기 음극(140)은 Al(알루미늄)과 같이 반사성 금속으로 이루어지며, 이러한 배치에 의해 각각의 제 1, 제 2 스택(210, 220)에서 이루어지는 발광효과로 도시된 도면을 기준으로 하측으로 이미지가 출사되게 된다.

상기 제 1 스택(210)은 상기 양극(101) 상부과 상기 전하생성층(230) 사이에 제 1 정공 전달층(HIL(Hole Injection Layer), 103), 제 1 정공수송층(HTL(Hole Transport Layer), 105), 제 1 발광층(110), 제 1 전자 수송층(ETL(Electron Transport Layer), 111)이 차례로 적층되어 있으며, 상기 제 2 스택(220)은 상기 전하 생성층(230)과 상기 음극(140) 사이에, 차례로, 제 2 정공 수송층(135), 여기자 저지층(EBL: Electron Blocking Layer)(125), 제 2 발광층(130), 제 2 전자 수송층(133) 및 전자 주입층(135)이 적층되어 있다.

여기서, 상기 제 1 발광층(110)은 청색광의 하나의 호스트에 청색 형광 성분의 도펀트가 포함된 발광층이며, 상기 제 2 발광층(130)은 하나의 호스트에 인광 적색 및 인광 녹색 도펀트(phosphorescence Green +phosphorescence Red)를 함께 도핑하여 이루어진 단일 발광층이다.

이 경우, 백색 유기 발광 소자의 구동시 상기 제 1 발광층(110)과 제 2 발광층(130)에서 발광되는 광의 혼합 효과의 의해 백색광이 구현될 수 있다.

여기서, 상기 제 2 정공 수송층(123)은 상기 제 2 발광층(130)의 삼중항(triplet) 여기자(exciton)의 여기 상태의 에너지 준위보다 높은 에너지 준위를 갖는 것으로 설정한다. 이 경우, 상기 제 2 정공 수송층(125)의 에너지 준위는 상기 제 2 발광층(130)의 삼중항 여기자의 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4eV 정도 높게 설정하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 제 2 발광층(130)보다 상기 제 2 정공 수송층(123)의 에너지 준위가 높기 때문에, 상기 제 2 발광층(130)의 삼중항 여기자(triplet exciton)이 상기 제 2 정공 수송층(123)으로 넘어가 발광 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 즉, 여기서, 상기 제 2 정공 수송층(123)은 고유의 상기 제 2발광층(130)으로부터의 정공의 수송 기능을 하며, 그 상부의 여기자 저지층(125)은 상기 제 2 발광층(130)의 삼중항 여기자가 넘어오는 것을 방지(exciton blocking) 하도록 기능한다.

도 2는 도 1의 수명을 개선한 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 2의 본 발명의 유기 발광 소자의 다른 실시예에 따른 구조는, 상술한 도 1의 구조와 비교하여, 여기자 저지층(EBL) 층을 생략하고, 상기 전하생성층(CGL)이 제 2 정공 전달층의 단일층으로 이루어지며, 그 하측의 제 1 스택(410)의 제 1 전자 전달층이 상기 제 2 정공 전달층과 인접하여 차례로 적층된 전자수송 촉매층(320)과, 제 1 전자 수송층(315)으로 이루어진 점이 상이하다.

즉, 도 2와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 백색 유기 발광 소자는, 기판(300) 상에 서로 대향된 양극(301)과 음극(340), 상기 양극(301)과 음극(340) 사이에 적층되어 이루어진 제 1 스택(410), 전하생성층 (CGL: Charge Generation Layer)(323) 및 제 2 스택(420)을 포함하여 이루어진다.

그리고, 양극(301)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극으로 이루어지 며, 상기 음극(340)은 Al(알루미늄)과 같이 반사성 금속으로 이루어지며, 이러한 배치에 의해 각각의 제 1, 제 2 스택(410, 420)에서 이루어지는 발광효과로 도시된 도면을 기준으로 하측으로 이미지가 출사되게 된다.

상기 제 1 스택(410)은 상기 양극(301) 상부와 상기 전하생성층(323) 사이에 제 1 정공 전달층(HIL(Hole Injection Layer), 303), 제 1 정공수송층(HTL(Hole Transport Layer), 305), 제 1 발광층(310), 제 1 전자 수송층(ETL(Electron Transport Layer), 315) 및 전자 수송 촉매층(320)이 차례로 적층되어 있으며, 상기 제 2 스택(420)은 상기 전하 생성층(323)과 상기 음극(340) 사이에, 차례로, 제 2 정공 수송층(325), 제 2 발광층(330), 제 2 전자 수송층(333) 및 전자 주입층(336)이 적층되어 있다.

여기서, 상기 제 1 발광층(310)은 청색광의 하나의 호스트에 청색 형광 성분의 도펀트가 포함된 발광층이며, 상기 제 2 발광층(330)은 하나의 호스트에 인광 적색 및 인광 녹색 도펀트(phosphorescence Green +phosphorescence Red)를 함께 도핑하여 이루어진 단일 발광층이다. 경우에 따라, 상기 제 1 발광층(310)은 청색 형광층 외에 청색 인광층으로 이루어질 수도 있다. 그러나, 하기 실험에서는 수명 등의 특성을 고려하여 청색 형광 물질로 제 1 발광층(310)을 형성한 경우를 설명한다.

또한, 상기 전자 수송 촉매층(320)은 리튬(Li)과 같은 알칼리 금속이나. MoOx, WOx, V₂O₅ 중 적어도 어느 하나를 포함한 유기물로 이루어진다. 이러한 전자 수송 촉매층(320)은 일종의 전자 수송 기능을 갖는 층으로, 상기 제 1 전자 수송층(315)과 상기 전하 생성층(323) 사이에 위치한다. 이 때, 상기 전자 수송 촉매층(320)은 상기 제 1 발광층(310)으로의 알칼리(alkali) 금속 확산을 최소화함과 동시에 높은 삼중항 에너지 준위를 가지는 재료에서 선택한다.

그리고, 상기 제 1 전자 수송층(315)은 알칼리 금속의 도핑을 통한 전자 주입이 가능한 유기물에서 선택하며, 예를 들어, bphen 계열의 유기물에서 선택한다.

한편, 상기 제 2 정공 수송층(325)은 상기 제 2 발광층(330)의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4 eV 높은 에너지 준위로 설정한다. 이 때, 그 하측의 상기 제 1 전자 수송층(315) 또한, 상기 제 1 발광층(310)의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4eV 높은 에너지 준위로 설정한 것이 바람직하다.

마찬가지로, 상기 제 1 전자 수송층(315)은 상기 제 1 발광층(310)의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4eV 높은 에너지 준위로 설정하며, 상기 제 2 전자 수송층(333)은 상기 제 2 발광층(330)의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4eV 높은 에너지 준위로 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 각각 상기 제 1, 제 2 발광층(310, 330)보다 그 상하 계면측의 제 1, 제 2 정공 수송층(305, 325)과 제 1, 제 2 전자 수송층(315, 333)의 에너지 준위를 높게 하는 것은, 상기 각각의 여기자 및 삼중항 여기자가 제 1, 제 2 발광층(310, 330)에서 그 상하의 계면으로 이동되지 않게 하여, 최대한 발광에 이용되기 위해서이다.

이 경우, 백색 유기 발광 소자의 구동시 상기 제 1 발광층(310)과 제 2 발광층(330)에서 발광되는 광의 혼합 효과의 의해 백색광이 구현될 수 있다.

여기서, 상기 제 2 정공 수송층(325)은 상기 제 2 발광층(330)의 삼중항(triplet) 여기자(exciton)의 여기 상태의 에너지 준위보다 높은 에너지 준위를 갖는 것으로 설정한다. 이 경우, 상기 제 2 정공 수송층(325)의 에너지 준위는 상기 제 2 발광층(330)의 삼중항 여기자의 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4eV 정도 높게 설정하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 제 2 발광층(330)보다 상기 제 2 정공 수송층(325)의 에너지 준위가 높기 때문에, 상기 제 2 발광층(330)의 삼중항 여기자(triplet exciton)가 상기 제 2 정공 수송층(325)으로 넘어가 발광 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 즉, 여기서, 상기 제 2 정공 수송층(325)은 고유의 상기 제 2 발광층(330)으로부터의 정공의 수송 기능을 하며, 상기 제 2 발광층(330)의 삼중항 여기자가 넘어오는 것을 방지하는 여기자 저지층(exciton blocking layer)로도 기능한다.

이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자는, 청색 형광 발광층을 포함하는 제 1 스택의 효율과 수명을 향상시켜서 색온도, 효율 및 수명을 향상시키는 것이다.

또한, 상기 제 1 스택(410)의 수명이 상기 제 2 스택(420)의 수명보다 길어며, 에이징(aging)에 따라 쿨 화이트(cool white:블루 쪽이 강하게 보이는 현상) 색특성을 갖게 된다.

이 경우, 청색 형광 발광층은 내부 양자 효율이 25%에 한하지만, 고 삼중항 에너지(high triplet energy)를 갖는 제 2 정공 수송층(325)의 적용과 함게 금속 도핑된 촉매층(320)을 전하생성층(323)과 제 1 전자 수송층(315) 사이에 구비하여, 전하 밸런스(charge balance)를 최적에 가깝게 맞춤과 함께 삼중항 쌍 소멸(Triplet-Triplet Annihilation)을 이용하여 이론치인 37.6%에 갖도록 내부 양자 효율을 개선하였으며, 이에 따라 수명도 상술한 일예의 구조에 비해 2배 이상 향상되었다.

이하에서는 상술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 백색 유기 발광 소자의 제 1, 제 2 발광층의 도펀트 첨가량 등의 최적 조건 등을 살펴본다.

도 3a은 적색/녹색 인광 발광층을 포함한 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이며, 도 3b는 도 3a의 구조에 있어서, 녹색 도펀트의 양의 변화에 따라 파장에 따른 휘도를 나타낸 그래프이다.

즉, 3a의 구조는 도 2의 제 2 스택에 상당한 구성으로, 발광층(EML)이 하나의 호스트에 인광 적색 도펀트와 녹색 노펀트가 포함되어 발광층을 이루는 구조이며, 도 3b는 이 때, 동일 적색 도펀트 농도 대비 녹색 도펀트에 따른 스펙트럼을 나타낸다.

도 3b 및 표 1과 같이, 녹색 호스트에 적색 인광 도펀트를 0.4%를 넣은 상태에서, 녹색 인광 도펀트의 첨가량을 5%, 10%, 20%로 하였을 때, 구동 전압(V), 광도 (cd/A), 외부 양자 효율(EQE(%)) 및 CIE 좌표계를 측정한 값을 나타낸 것이다.

예를 들어, 녹색 호스트의 양과 적색 인광 도펀트를 0.4%로 고정하였을 때, 녹색 인광 도펀트의 첨가량을 5%, 10%로 하였을 때는 구동 전압이 3.6V였고, 20%로 하였을 때는 구동 전압이 3.7V로, 녹색 인광 도펀트의 첨가량이 늘었을 때, 구동 전압이 증가하는 경향을 보이고 있다.

그런데, 광도(cd/A)와 외부 양자 효율(EQE)는 모두 녹색 인광 도펀트가 10%일 때, 최고 값을 나타내는 것으로, 상기 녹색 인광 도펀트를 10%로 유지하였을 때, 구동 전압을 늘리지 않으며 최적의 광도와 양자효율을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

특히, 도 3b에서는, 녹색 인광 도펀트의 첨가량이 5%로 하였을 때는, 600nm 부근의 파장대와 530nm 파장 대에서 강도가 상대적으로 큰 특성을 나타내나, 전체적으로 강도가 작아 양자 효율이 크지 않은 문제가 있음을 보여주며, 녹색 인광 도펀트의 첨가량이 20%로 하였을 때에는 600nm 부근의 파장대에는 강도가 높으나 그 나머지 영역대에서는 현격히 강도가 낮아져, 적색/녹색 발광을 수행하기 곤란함을 보여준다.

따라서, 도 3b 및 표 1 모두 적색/녹색 인광 도펀트가 첨가된 발광층을 포함한 스택 구조에서, 녹색 도펀트가 10%일 때, 구동 전압의 효율이 좋게, 가장 적색/녹색의 광을 적절히 발광함을 알 수 있다.

도 4a는 여기자 저지층 및 적색/녹색 인광 발광층을 포함하는 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이며, 도 4b는 도 4a의 적색 도펀트 양의 변화에 따른 파장에 따른 휘도를 나타낸 그래프이다.

도 4a 또한, 적색/녹색 인광 발광층을 포함하는 스택 구조를 나타낸 것으로, 도 4b 및 표 2의 실험에서는 상기 녹색 호스트에 상기 녹색 인광 도펀트를 10%를 첨가하고, 이에 적색 인광 도펀트의 양을 변화시키며 IVL 데이터 및 파장에 따른 강도(Intensity)를 측정한 값들이다. 여기서, 상기 녹색/녹색 인광 발광층과 정공 수송층(HTL)과의 사이에 여기자 저지층(EBL)을 더 구비한 경우도 실험하였다.

즉, 표 2에서는, 여기자 저지층을 갖지 않은 구조에서, 적색 인광 도펀트를 0.1%에서 차례로 0.1% 씩 0.4% 까지 첨가하여 실험하였을 때, 구동 전압은 적색 인광 도펀트의 첨가량이 늘어난 만큼 증가하는 점을 보여주나, 양자 효율은 반드시 구동 전압의 증가에 따라 늘어나는 점은 나타내지 못함을 나타낸다.

오히려, 여기자 저지층을 포함하였을 때, 여기자 저지층이 없는 구조에서, 가장 낮은 양자 효율을 갖는 적색 인광 도펀트를 0.2%를 포함한 경우에, 구동 전압이 3.8V에 양자 효율이 19.4%로 급격히 증가함을 보여주고 있으며, 이 경우, 상대적으로 여기자 저지층이 없는 구조 대비 광효율이 좋음을 알 수 있다.

도 4b의 그래프의 흰색으로 표시된 여기자 저지층(삼중항 저지층: triplet blocking layer)부분과 같이, 600nm 파장대와 530 nm 파장대에서 고른 강도를 가짐을 알 수 있다.

그런데, 여기자 저지층을 포함할 경우, 수명이 저하되는 문제가 있으므로, 광도 및 양자 효율 등의 특성을 개선하는 데 있어서, 여기자 저지층 외에 다른 각도에서 특성을 개선하는 점에 대해 고려한다.

도 5a는 적색/녹색 인광 발광층을 포함하는 유기 발광 소자의 적층 구조를 나타낸 다이어그램이며, 도 5b는 적색/녹색 인광 발광층의 수명을 나타낸 그래프이다.

도 5a와 같이, 적색/녹색 인광 발광층을 포함하는 스택 구조는, 양쪽의 음양극(Anode)과 음극(Cathode) 사이에, 차례로, 제 1 정공 수송층(HTL1) 적색/녹색 인광 발광층, 전자 수송층(ETL)을 포함하여 이루어진다. 이 때, 제 1 정공 수송층은 경우에 따라, 상기 제 1 정공 수송층은 여기 상태 에너지가 발광층의 값보다 낮거나 동일한 경우이다.

경우에 따라, 상기 제 1 정공 수송층과 적색/녹색 인광 발광층 사이에 여기자 저지층을 더 구비할 수도 있으며, 혹은 상기 제 1 정공 수송층을 적색/녹색 인광 발광층의 여기 상태 에너지보다 0.01~0.4eV 높은 값을 갖는 제 2 정공 수송층으로 대체할 수 있다.

도 5b의 그래프는, 도 5a의 각각의 예의 수명을 나타낸 것으로, 여기자 저지층을 사용하였을 때, 수명이 낮음을 알 수 있다. 이와 달리, 제 1 정공 수송층이나 제 2 정공 수송층의 단일층으로 구비한 경우에는 여기자 저지층을 사용한 예에 비해 2배 정도 수명이 개선됨을 알 수 있다.

그러나, 표 3과 같이, 제 1 정공 수송층을 구비한 경우에는 여기자 저지층을 구비한 경우에 비해, 양자 효율이나 광도가 현저히 떨어져 수명만을 보고 제 1 정공 수송층만을 이용하기는 곤란하다. 상대적으로 제 2 정공 수송층을 이용한 경우, 제 1 정공 수송층만을 구비한 경우에 비해 양자효율과 광도가 모두 개선된 점을 확인할 수 있었다.

따라서, 수명 및 휘도와 양자 효율이 모두 좋은 특성을 고려하여 제 2 정공 수송층을 이용하는 것이 바람직하다.

도 6a 및 도 6b는 청색 형광 발광층을 포함하는 유기 발광 소자를 나타낸 적층 구조를 다른 형태로 나타낸 예를 도시한 단면도이다. 그리고, 도 7은 전자수송 촉매층의 농도에 따른 IVL 데이터를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 8은 도 6a 및 도 6b의 구조에 있어서, 각각 Li 또는 LiF의 농도를 달리했을 때의 수명을 나타낸 그래프이다.

도 6a는 청색 형광 발광층을 포함한 스택 구조에 있어서, 전자 수송층(ETL)을 단일층으로 나타낸 것이며, 도 6b는 전자 수송층에 금속(Li과 같은 알칼리 금속)을 도핑한 전자 수송 촉매층(Li(x%))을 더 포함하여 이중층으로 구성한 예를 나타낸다.

여기서, 상기 청색 형광 발광층(EML:Fl. Blue)의 하측에는 기판(Substrate), 양극(Anode)(ITO), 정공 주입층(HIL), 정공 수송층(HTL)이 공통적으로 적층되어 이루어진다.

표 4 및 도 7과 같이, 도 6b의 이중층의 경우, Li의 도핑량이 증가하였을 때, 구동 전압이 증가하였음을 보여주나, 양자 효율은 7%의 성분비로 경계로 떨어짐을 알 수 있다.

그러나, 도 8과 같이, Li의 도핑량이 증가하게 되면, 양자 효율을 떨어지나, 상대적으로 그 수명은 늘어나는 점을 확인할 수 있었으며, 양자 효율과 수명 모두를 고려하여, 상기 전자 수송 촉매층의 Li 도핑량이 약 7% 일 때, 최적의 양자 효율 5.2%이 수명이 나옴을 알 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 청색 형광 발광층을 포함하는 유기 발광 소자에 있어서, 전자 수송층(ETL)을 단일로 구비한 경우와, 전자수송층(ETL)과 전자 수송 촉매층을 적층하여 구비한 구조를 각각 나타낸 단면도이다.

청색형광 발광층을 포함하는 스택 구조에 있어서, 도 9a와 같이, 단일 전자 수송층(ETL)을 구비한 경우와 도 9b와 같이, 전자 수송층(ETL)/전자 수송 촉매층의 적층체를 구비한 구조를 비교하면, 표 5와 같이, 전하 원자가(charge valence)와 TTA(Triplet-Triplet Annihilation: 삼중항 쌍 소멸) 형성을 위해 삼중항 에너지 높은 전자수송층(ETL) 및 정공 수송층(HTL)을 청색 형광 발광층(EML(Fl. Blue))의 계면에 적용하였으며, 전자 이동도가 좋은 전자수송 촉매층을 상기 전자수송층(ETL) 위에 바로 적층시켜 구비하였다. 이 경우, 상기 전자 수송층(ETL)/전자수송 촉매층의 적층 구조에서 가장 좋은 IVL 특성을 나타낸다.

즉, 표 5와 같이, 상기 전자 수송층과 전자수송 촉매층을 두께를 달리하여 실험한 결과, 각각 150Å/ 150Å의 두께로 적층하였을 때, 가장 양자 효율이 9.7%로 높고, 광도도 9.3cd/A로높으며, 상대적으로 구동 전압도 낮은 값을 나타냄을 확인할 수 있다.

ID	ETL(Å)	촉매층(Å)	Volt(V)	Cd/A	EQE(%)	CIEx	CIEy
a		300	3.7	5.6	5.9%	0.132	0.135
b	50	250	4.0	7.0	7.4%	0.132	0.137
c	100	200	4.1	8.9	9.3%	0.132	0.138
d	150	150	4.1	9.3	9.7%	0.132	0.138
e	300		5.1	8.9	8.9%	0.132	0.145

도 10은 본 발명의 백색 발광 소자에 있어서, 단일 전자 수송층을 구비한 경우와, 전자수송층/전자수송 촉매층을 적층한 구조의 경우 파장에 따른 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 11은 본 발명의 백색 발광 소자에 있어서, 단일 전자 수송층을 구비한 경우와, 전자수송층/전자수송 촉매층을 적층한 구조의 경우, 수명을 나타낸 그래프이다.

금속이 도핑된 전자수송 촉매층 및 전자 수송층의 적층 구조와, 높은 삼중항 에너지를 갖는 정공 수송층 및 전자 수송층을 적용하여 2 스택 구조의 백색 유기 발광 소자를 제작하였으며, 이 때의 스펙트럼 및 IVL 데이터가 도 10과 표 6의 Device 2로 표현된 그래프이다.

여기서, 도 10의 그래프에서, 파란색으로 표현된 Device A2의 경우, 청색 파장인 약 450~500nm의 범위에서, 강도가 커져 효율이 개선됨을 보이고 있으며, 이는 2 스택 구조에서, 상대적으로 적색/녹색 인광 발광층에 비해 효율이 떨어지는 청색 형광층의 효율을 향상시킨 점을 의미한다.

표 6에서는, Device A2에서는 구동 전압이 증가하였으나, 광도나 전류 값은 약간 낮은 값을 나타내며, 색좌표계는 색온도를 높이는 효과가 있었음을 나타낸다.

도 11과 같이, 상기 Device A2의 수명이 Device A1의 수명에 비해 2배 이상 향상된 것을 확인할 수 있었다.

도 12는 본 발명의 백색 발광 소자에 있어서, 컬러 필터층을 적용한 경우에 따른 파장에 따른 휘도를 나타낸 그래프이다.

도 12는 컬러 필터 R, G, B 필름의 각각의 스펙트럼과 Device A1과 Device A2의 스펙트럼을 오버랩하여 나타낸 것이며, 표 7은 개선된 본 발명의 Device A2의 구조에서 향상된 형광 효율로 인하여 소비전력이 개선된 점을 나타낸다.

즉, 표 7을 살펴보면, Device A1과 Device A2를 비교하였을 때, Device A2에서 적색 광도가 낮아지고, 청색 광도가 현저히 향상된 것을 보여주며, 특히 소비전력을 살펴보면, 52W에서 37.4W로 2/3 수준으로 줄어듦을 확인할 수 있다.

한편, 백색 유기 발광 소자는 색 순도, 색 안정성, 전류 및 전압에 따른 색 안정성 등의 광 특성과, 발광 효율, 수명, 제조의 용이성 등이 중요하기 때문에 다양한 방식이 개발 진행 중에 있다. 최근에는 인광과 형광을 조합하여 일중항 여기 상태와 삼중항 여기 상태를 모두 이용하여 내부 양자효율을 높이는 방식의 소자 구조가 개발되고 있다.

또한, 적, 녹, 청색을 모두 인광으로 적용하여 내부 양자 효율(IQE: Internal Quantum Efficiency) 100%를 얻을 수 있는 고효율의 백색 유기 발광 소자도 개발된 상태이다.

그러나, 아직까지 수명면에서 많은 개선이 필요한 청색 인광 재료로 인하여, 청색 형광과 적색, 녹색 인광을 이용한 2 스택 백색 유기 발광 소자가 주로 개발되고 있다.

그런데, 청색 형광의 제한적인 효율로 인한 수명 문제로 인하여 소비 전력이 높아지는 문제로 인해 대형 디스플레이 적용에 한계로 지적되어 왔다.

본 발명의 유기 발광 소자는 높은 삼중항 에너지를 갖는 정공층과 금속 도핑된 전자 수송 촉매층을 전자 수송층에 부가하여 삼중항 쌍 소멸(triplet-triplet annihilation)을 이용하여 청색 형광의 효율을 높이고 수명을 증가시켜 색감 및 저소비전력을 꾀할 수 있다

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 일예를 나타낸 단면도

도 2는 도 1의 수명을 개선한 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 다른 실시예를 나타낸 단면도

도 3a은 적색/녹색 인광 발광층을 포함한 유기 발광 소자를 나타낸 단면도

도 3b는 도 3a의 구조에 있어서, 녹색 도펀트의 양의 변화에 따라 파장에 따른 휘도를 나타낸 그래프

도 4a는 여기자 저지층 및 적색/녹색 인광 발광층을 포함하는 유기 발광 소자를 나타낸 단면도

도 4b는 도 4a의 적색 도펀트 양의 변화에 따른 파장에 따른 휘도를 나타낸 그래프

도 5a는 적색/녹색 인광 발광층을 포함하는 유기 발광 소자의 적층 구조를 나타낸 다이어그램

도 5b는 적색/녹색 인광 발광층의 수명을 나타낸 그래프

도 6a 및 도 6b는 청색 형광 발광층을 포함하는 유기 발광 소자를 나타낸 적층 구조를 다른 형태로 나타낸 예를 도시한 단면도

도 7은 전자수송 촉매층의 농도에 따른 IVL 데이터를 나타낸 그래프

도 8은 도 6a 및 도 6b의 구조에 있어서, 각각 Li 또는 LiF의 농도를 달리했을 때의 수명을 나타낸 그래프

도 9a 및 도 9b는 청색 형광 발광층을 포함하는 유기 발광 소자에 있어서, 전자 수송층을 단일로 구비한 경우와, 전자수송층과 전자 수송 촉매층을 적층하여 구비한 구조를 각각 나타낸 단면도

도 10은 본 발명의 백색 발광 소자에 있어서, 단일 전자 수송층을 구비한 경우와, 전자수송층/전자수송 촉매층을 적층한 구조의 경우 파장에 따른 스펙트럼을 나타낸 그래프

도 11은 본 발명의 백색 발광 소자에 있어서, 단일 전자 수송층을 구비한 경우와, 전자수송층/전자수송 촉매층을 적층한 구조의 경우, 수명을 나타낸 그래프

도 12는 본 발명의 백색 발광 소자에 있어서, 컬러 필터층을 적용한 경우에 따른 파장에 따른 휘도를 나타낸 그래프

*도면의 주요 부분에 따른 부호의 설명*

300: 기판 301: 양극

303: 제 1 정공 주입층 305: 제 1 정공 전달층

310: 제 1 발광층 315: 제 1 전자수송층

320: 전자 수송 촉매층 323: 전하 생성층

325: 제 2 정공 수송층 330: 제 2 발광층

333: 제 2 전자 수송층 336: 전자주입층

340: 음극

Claims (9)

1. 기판 상에 서로 대향된 양극과 음극;

   상기 양극과 음극 사이에 형성된 전하 생성층;

   상기 양극과 전하 생성층 사이의, 제 1 정공 수송층, 청색을 발광하는 제 1 발광층, 제 1 전자 수송층 및 금속이 도핑된 전자수송 촉매층이 적층되어 이루어진 제 1 스택; 및

   상기 전하 생성층과 상기 음극 사이의, 제 2 정공 수송층, 하나의 호스트에 인광의 적색과 녹색 도펀트를 함께 도핑한 제 2 발광층 및 제 2 전자 수송층이 적층되어 이루어지며, 상기 제 2 정공 수송층은 에너지 준위를 상기 제 2 발광층의 삼중항(triplet) 여기 상태 에너지 준위보다 높게 설정한 제 2 스택을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2 정공 수송층은 상기 제 2 발광층의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4 eV 높은 에너지 준위로 설정한 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제 1 정공 수송층은 상기 제 1 발광층의 삼중항 여기 상태의 에너지 준 위보다 0.01~0.4 eV 높은 에너지 준위로 설정한 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 제 1 전자 수송층은 상기 제 1 발광층의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4eV 높은 에너지 준위로 설정하며,

   상기 제 2 전자 수송층은 상기 제 2 발광층의 삼중항 여기 상태의 에너지 준위보다 0.01~0.4eV 높은 에너지 준위로 설정한 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 발광층은 청색 호스트에 청색을 형광 발광하는 도펀트가 포함되어 이루어진 발광층인 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 전자 수송 촉매층은 상기 제 1 발광층으로의 금속 확산을 최소화하는 재료에서 선택하며,

   상기 제 1 전자 수송층은 금속의 도핑을 통한 전자 주입이 가능한 유기물에서 선택하는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 제 1 전자 수송층은 bphen 계열의 유기물인 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 전자수송 촉매층에 도핑된 금속은, 알칼리 금속, MoOx, WOx, V₂O₅ 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 스택의 수명이 상기 제 2 스택의 수명보다 길며, 시간이 경과함에 따라 상기 백색 유기 발광 소자는 쿨 화이트 색특성을 갖는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.

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