KR101419249B1

KR101419249B1 - 백색 유기 발광 소자

Info

Publication number: KR101419249B1
Application number: KR1020120109653A
Authority: KR
Inventors: 한미영; 성창제; 감윤석; 김신한
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2014-07-17
Also published as: KR20130039671A

Abstract

본 발명은 발광층의 서로 다른 성질의 호스트를 혼합시켜 백색 유기 발광 소자의 구동 전압을 낮추고 고휘도에서도 색안정성을 향상시킨 백색 유기 발광 소자에 관한 것으로, 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 발광층을 포함하는 제 1 스택; 및 상기 전하 생성층과 상기 음극 사이의, 서로 다른 전달 특성의 제 1 호스트와 제 2 호스트에, 도펀트를 도핑한 제 2 발광층을 포함하는 제 2 스택을 포함하며, 상기 제 1 호스트의 HOMO 준위가 제 2 호스트의 HOMO 준위보다 크고, 상기 제 2 호스트의 LUMO 준위가 제 1 호스트의 LUMO 준위보다 작은 것을 특징으로 한다.

Description

백색 유기 발광 소자 {White Organic Light Emitting Device}

본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광층에 서로 다른 성질의 호스트를 혼합시켜 백색 유기 발광 소자의 구동 전압을 낮추고 고휘도에서도 색안정성을 향상시킨 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 표시를 위해 유기 발광 표시 장치가 경쟁력 있는 어플리케이션(application)으로 고려되고 있다.

이러한 유기 발광 표시 장치에는, 유기 발광층의 형성이 필수적이다.

상기 유기 발광층을 화소별로 패터닝하지 않고, 서로 다른 색상의 유기 발광층을 포함하는 스택 구조를 적층시켜 백색을 표시하는 유기 발광 표시 장치가 제안되었다.

즉, 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.

한편, 종래의 백색 유기 발광 표시 장치는, 서로 다른 색상의 광을 발광하는 각 스택이 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층을 포함한다.

그리고, 각 발광층 내에는 단일 호스트와 발광하는 색상용 도펀트가 포함되어 발광층 내로 유입된 전자, 정공의 결합 작용에 의해 해당 색상이 발광된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 백색 유기 발광 소자는 다음과 같은 문제점이 있다.

단일 호스트에 도펀트를 포함하는 발광층이 설계될 경우, 좁은 에너지 밴드갭을 가지며, 정공과 전자가 정공 수송층 및 전자 수송층으로 누설되어 발광층 내에서 엑시톤(exciton)을 형성하지 못하거나, 재결합으로 형성된 엑시톤이 누설되는 확률이 커짐으로, 정공/전자간의 결합에 의한 여기 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 발광층의 서로 다른 성질의 호스트를 혼합시켜 백색 유기 발광 소자의 구동 전압을 낮추고 고휘도에서도 효율 감소와 휘도 변화에 따른 색변화 문제를 개선하여 색안정성을 향상시킨 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 상기 전하 생성층 사이의, 제 1 발광층을 포함하는 제 1 스택; 및 상기 전하 생성층과 상기 음극 사이의, 서로 다른 전달 특성의 제 1 호스트와 제 2 호스트에, 도펀트를 도핑한 제 2 발광층을 포함하는 제 2 스택을 포함하며, 상기 제 1 호스트의 HOMO 준위가 제 2 호스트의 HOMO 준위보다 크고, 상기 제 1 호스트의 LUMO 준위가 제 2 호스트의 LUMO 준위보다 큰 것에 그 특징이 있다.

상기 제 1 호스트 및 제 2 호스트 전자 이동도는 5.0 ×10^-6 ㎠/s·V 이상이며, 정공 이동도는 5.0 ×10^-8㎠/s·V 이상의 특성을 만족하는 유기 물질을 사용할 수 있다.

상기 제 1 호스트 및 제 2 호스트는 각각 2.7eV 이상의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.

그리고, 상기 제 1 호스트의 HOMO 준위가 제 2 호스트의 HOMO 준위보다 0.05eV 내지 0.6eV 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 1 호스트의 HOMO 준위는 -5.4eV 내지 -5.8eV이며, 상기 제 2 호스트의 HOMO 준위는 -5.45eV 내지 -6.0eV 인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제 1 호스트의 LUMO 준위가 제 2 호스트의 LUMO 준위보다 0.05eV 내지 0.6eV 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제 1 호스트의 LUMO 준위는 -2.3eV 내지 -2.8eV이며, 상기 제 2 호스트의 LUMO 준위는 -2.35eV 내지 -3.0eV 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 2 발광층의 도펀트는 550nm 내지 620nm의 영역에서 최대 PL peak 특성을 갖는 인광 도펀트일 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 발광층은 청색을 발광하는 발광층일 수 있다.

또한, 상기 제 1 스택은, 상기 양극과 상기 제 1 발광층 사이에 제 1 정공 수송층과, 상기 제 1 발광층과 상기 전하 수송층 사이에 제 1 전자 수송층을 더 포함하며, 상기 제 2 스택은, 상기 전하 생성층과 상기 제 2 발광층 사이에 제 2 정공 수송층과, 상기 제 2 발광층과 상기 음극 사이에 제 2 전자 수송층을 더 포함할 수 있다.

상기 제 2 정공 수송층은 상기 제 2 발광층의 삼중항 에너지 준위보다 0.1eV 내지 0.4 eV 높은 삼중항 에너지 준위를 가질 수 있다.

경우에 따라, 상기 제 1 호스트의 HOMO 준위는 상기 제 2 정공 수송층의 HOMO 준위보다 높은 것일 수 있다.

그리고, 상기 음극 상에 캐핑층을 더 포함하는 것이 더 바람직할 수 있다.

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

인광 유닛과 형광 유닛을 탠덤(tandem) 구조로 적층시킨 백색 유기 발광 소자에 있어서, 인광 유닛의 발광층에 서로 다른 전달 특성의 2개의 호스트를 포함시켜 와이드 에너지 밴드갭 특성을 갖게 하여, 정공, 전자를 발광층 안에 한정시켜 재결합률을 향상시키고, 엑시톤(여기자)이 정공 수송층이나 전자 수송층으로 누설되는 현상을 막아줌으로써, 발광 효율을 높일 수 있다.

또한, 정공 전달 특성 호스트의 에너지 밴드갭이 전자 전달 특성 호스트의 에너지 밴드갭과 오버랩하며 하측으로 위치하도록 하여, 정공이 발광층으로 유입되는데 용이하게 할 수 있다. 이 경우, 문제시되었던 고 정공 주입 장벽(high hole injection barrier)을 해결하여 구동 전압을 낮출 수 있다.

그리고, 고 휘도로 갈수록 효율이 떨어지는 현상을 완화시켜 고휘도에서도 색안정성을 유지할 수 있어, 패널 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 고휘도에서도 효율 감소와 휘도 변화에 따른 색변화 문제(roll-off 현상)를 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 스택 구조를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 제 2 스택에서의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 백색 유기 발광 소자에 비교되는 인광 유닛의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 백색 유기 발광 소자에 있어서, 인광 유닛의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 백색 유기 발광 소자와 비교예의 휘도 변화에 따른 효율을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 백색 유기 발광 소자와 비교예의 전압에 대한 전류효율을 나타낸 그래프
도 7은 표 1에 따른 비교예 및 실시예들의 발광층 성분의 에너지 준위 특성을 나타낸 도면

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

도 1은 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 스택 구조를 나타낸 단면도이며, 도 2는 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 제 2 스택에서의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2와 같이, 본 발명의 백색 유기 발광 소자는 기판(100) 상에 서로 대향된 양극(110)과 음극(130)과, 상기 양극(110)과 음극(130) 사이에 형성된 전하 생성층(CGL: Charge Generation Layer)(120)과, 상기 양극(110)과 전하 생성층(120) 사이의, 청색을 발광하는 제 1 발광층(115)을 포함하는 제 1 스택(210) 및 상기 전하 생성층(120)과 상기 음극(130) 사이의, 서로 다른 전달 특성의 제 1 호스트(1251)와 제 2 호스트(1252)에, 인광 도펀트를 도핑한 제 2 발광층(125)을 포함하는 제 2 스택(220)을 포함한다.

경우에 따라, 상기 제 1 발광층(115)은 청색을 대체하여, 상기 제 2 발광층의 인광 재료와 함께, 백색을 발광할 수 있다면, 다른 색상의 광의 발광층을 이용할 수 있다. 이 경우, 제 1 발광층의 발광층은 형광 발광 또는 인광 발광 재료 모두 가능할 것이다.

여기서, 상기 제 1 스택(210)은, 상기 양극(110)과 상기 제 1 발광층(115) 사이에 제 1 정공 수송층(112)과, 상기 제 1 발광층(115)과 상기 전하 수송층(120) 사이에 제 1 전자 수송층(116)을 더 포함하며, 상기 제 2 스택(220)은, 상기 전하 생성층(120)과 상기 제 2 발광층(125) 사이에 제 2 정공 수송층(121)과, 상기 제 2 발광층(125)과 상기 음극(130) 사이에 제 2 전자 수송층(126)을 더 포함한다.

여기서, 양극(110)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극으로 이루어지며, 상기 음극(130)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. 경우에 따라, 상기 양극(110)과 음극(130)을 이루는 금속을 서로 바꾸어, 상측으로 이미지가 출사되는 구조를 구현할 수도 있다.

또한, 상기 기판(100)은 도시되지 않았지만, 서로 교차하는 게이트 라인 및 데이터 라인과, 게이트 라인과 데이터 라인의 교차부에 형성된 박막 트랜지스터를 포함하는 박막 트랜지스터 어레이 기판일 수 있다.

한편, 상기 제 2 정공 수송층(121)이나 제 1 정공 수송층(112)은 각각 상기 제 2 발광층(125) 또는 제 1 발광층(115)의 삼중항 에너지 준위보다 0.1eV 내지 0.4 eV 높은 삼중항 에너지 준위를 가질 수 있다.

경우에 따라, 상기 제 1 발광층(115)이나 제 2 발광층(125)에 각각의 정공 수송층 혹은 전자 수송층의 기능을 포함시켜 형성할 수도 있고, 혹은 각각의 정공 수송층이나 전자 수송층을 복수의 층으로 형성할 수도 있다. 이러한 층의 혼합 및 복수개 구비 여부는 백색 유기 발광 소자의 스택에서 전류의 효율을 향상시키는 수준에서 결정된다.

한편, 상기 제 1 스택(210)에는, 도시된 바와 같이, 상기 제 1 정공 수송층(112) 하부에는 제 1 정공 주입층(111)이 더 구비될 수 있다.

그리고, 상기 전하 생성층(120)은 서로 인접한 제 1 스택(210)과 제 2 스택(220)간 전하 균형 조절 역할을 하기 때문에, 중간 연결층(Intermediate Connector Layer: ICL)이라고도 한한다. 이 경우, 전하 생성층(120)은 제 1 스택(210)으로의 전자의 주입을 돕는 중간 연결 금속층(120a)과 제 2 스택(220)으로의 정공 주입을 돕는 중간 연결 정공 주입층(120b)으로 나뉘어 형성될 수 있다. 각각 중간 연결 금속층(120a)은 전자 주입(Electron Injection) 특성이 좋은 알칼리 금속 재질이 도핑된 유기물층으로 이루어지며, 상기 중간 연결 정공 주입층(120b)는 P형(P-Type) 유기물을 포함한 유기물 반도체층으로 형성된다.

또한, 상기 전하 생성층(120)은 단일층으로 형성될 수도 있다.

이러한, 백색 유기 발광 표시 장치는 제1 스택으로부터 발광되는 청색광과 제 2 스택으로부터 발광되는 인광의 혼합 효과에 의해 백색광이 구현된다.

이 경우, 상기 제 1 스택(210) 내 제 1 발광층(115)에서의 청색 광은 인광 발광, 형광 발광 모두 가능하다.

다만, 현재 개발된 재료의 청색 인광 재료가 다른 인광 재료에 비해 효율이 낮기 때문에, 이하에서 설명하는 실험에서는 상기 제 1 발광층(115)은 청색 형광 발광층으로 구성한 예를 든다. 효율이 적색이나 녹색 인광 재료와 동등 수준의 청색 인광 재료가 개발된다면, 청색 인광 발광층으로 이용하여도 무방하다.

그리고, 상기 제 2 스택(220) 내 제 2 발광층(125)은 인광 발광되는데, 서로 다른 전달 특성의 제 1, 제 2 호스트(1251, 1252) 외에 별도로 인광 발광색을 좌우하는 인광 도펀트(Phosphorescent dopant)를 포함시켜 그 발광색을 결정한다.

상기 제 2 발광층의 인광 도펀트는 550nm 내지 620nm의 영역에서 최대 PL (Photo luminescence) peak 특성을 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 인광 도펀트는 황색 인광 도펀트와 녹색 인광 도펀트를 포함하거나, 적색 인광 도펀트와 녹색 인광 도펀트를 포함하는 바와 같이, 서로 다른 두가지 재료의 도펀트를 포함하거나, 혹은 옐로이쉬 그린(yellowish green) 인광 도펀트나 그린 인광 도펀트와 같이, 단일 재료의 도펀트를 포함할 수 있다.

한편, 상기 음극(130) 상에 캐핑층(140)(capping layer)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 캐핑층(140)는 백색 유기 발광 소자의 최상부에 위치하며, 하부의 유기층들 및 전극을 보호하며, 광추출 효율을 증가시키거나 색감보정을 위해 구비된다.

구체적으로 도 2를 참조하여, 제 1, 제 2 호스트(1251, 1252)의 에너지 밴드갭 특성을 설명한다.

도 2에서는 각각 제 2 발광층(125) 내에 제 1 호스트(1251)와 제 2 호스트(1252)의 에너지 밴드갭을 나타내고 있다.

이하에서, 설명하는 각각의 에너지 준위인 HOMO, LUMO 값은 음의 값이다. 따라서, 하측에 위치한 에너지 준위일수록 절대 값은 크지만 실제 에너지 준위는 낮다. 절대 값의 비교가 아닌 실제 에너지 준위 값의 비교로 설명한다.

상기 제 2 발광층(125) 내에 구비된 서로 다른 전달 특성의 제 1 호스트(1251) 및 제 2 호스트(1252)를 비교하면, 제 1 호스트(1251)의 HOMO 준위 및 LUMO 준위가 제 2 호스트(1252)의 HOMO 준위 및 LUMO 준위보다 각각 크게 설계되어 있다.

이 경우, 상기 제 1 호스트(1251)의 HOMO(High Occupied Molecular Orbital) 준위(H1)가 제 2 호스트(1252)의 HOMO 준위(H2)보다 크고(H1>H2), 상기 제 1 호스트(1251)의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 준위(L1) 역시 제 2 호스트(1252)의 LUMO 준위(L2)보다 크게 하여(L1>L2), 제 1, 제 2 호스트(1251, 1252)간 에너지 밴드갭이 오버랩되나, 전체적으로 제 2 호스트(1252) 측이 하측으로 약간 더 내려오게 설계된다.

여기서, 상기 제 1 호스트(1251)는 전자 전달 특성(electron dominant)의 호스트이며, 상기 제 2 호스트(1252)는 정공 전달 특성(hole dominant)의 호스트이다.

여기서, 상기 제 1 호스트(1251) 및 제 2 호스트(1252)의 전자 이동도는 5.0 ×10^-6 ㎠/s·V 이상이며, 5.0 ×10^-8㎠/s·V 이상의 정공 이동도 특성을 만족하는 유기 물질을 사용할 수 있다. 즉, 제 1, 제 2 호스트(1251, 1252) 모두 전자 이동도와 정공 이동도가 일정 이상의 수준을 갖게 하여, 정공 전달 특성과 전자 전달 특성이 있다. 이러한 제 1, 제 2 호스트(1251, 1252)는 도시하지 않았지만, 상기 발광층(125)에 포함되는 인광 도펀트보다 모두 높은 수준의 HOMO 준위, LUMO 준위를 갖는다. 특히, 상기 제 1 호스트(1251)은 LUMO 준위가 일반적으로 발광층에 사용하는 호스트보다 높게 되어, 전자 및 여기자가 제 2 전자 수송층(126)으로 넘어감을 방지할 수 있음과 동시에, HOMO 준위가 일반적으로 발광층에 사용하는 호스트보다 높게 되어, 제 2 정공 수송층(121)과 제 2 발광층(125)간의 계면에서의 정공 주입 배리어를 낮춰주어 구동 전압을 낮추며 효율을 향상시킬 수 있는 기능을 갖게 된다.

그리고, 예를 들어, 상기 제 1 호스트(1251)의 HOMO 준위가 제 2 호스트(1252)의 HOMO 준위보다 0.05eV 내지 0.6eV 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 또한, 상기 제 1 호스트(1251)의 HOMO 준위는 -5.4eV 내지 -5.8eV이며, 상기 제 2 호스트(1252)의 HOMO 준위는 -5.45eV 내지 -6.0eV 이다.

또한, 상기 제 1 호스트(1251)의 LUMO 준위가 제 2 호스트의 LUMO 준위보다 0.05eV 내지 0.6eV 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제 1 호스트의 LUMO 준위는 -2.3eV 내지 -2.8eV이며, 상기 제 2 호스트의 LUMO 준위는 -2.35eV 내지 -3.0eV 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 1 호스트(1251) 및 제 2 호스트(1252)는 각각 2.7eV 이상의 에너지 밴드갭(LUMO 준위-HOMO 준위)을 가질 수 있다.

상기 제 2 스택의 제 2 발광층(125)에서 서로 다른 전달 특성의 제 1, 제 2 호스트(1251, 1252)를 구비한 이유는 다음과 같다.

즉, 인광 유닛인 제 2 스택에서 서로 다른 전달 특성의 2개의 호스트를 포함시켜 제 2 발광층(125)가 자체적으로 와이드 에너지 밴드갭(wide energy bandgap) 특성을 갖게 하여, 내부의 정공, 전자간 재결합률을 향상시켜 발광 효율을 높이기 위함이다.

또한, 정공 전달 특성의 제 2 호스트(1252)의 에너지 밴드갭(L2-H2)이 전자 전달 특성 제 1 호스트(1251)의 에너지 밴드갭(L1-H1)과 오버랩하며 하측으로 위치하도록 하여, 정공이 제 2 발광층(125)으로 유입되는데 용이하게 한 것이다.

즉, 종래 문제시되었던 제 2 정공 수송층(121)에서 제 2 발광층(125)으로 들어오는 데 정공 주입 장벽(hole injection barrier)을 낮추어, 실제 백색 유기 발광 소자에 요구되는 구동 전압을 낮출 수 있다. 이 경우, 고 휘도로 갈수록 효율이 떨어지는 현상을 완화시켜 고휘도에서도 색안정성을 유지할 수 있어, 패널 효율을 향상시킬 수 있다.

여기서, 상기 제 1 호스트(1251)는 제 2 호스트(1252)보다는 상대적으로 정공 전달 특성이 좋은 호스트로, 2.7eV 이상의 에너지 밴드갭(L2-H2)을 갖고, -5.4eV 내지 -5.8eV의 HOMO 준위를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 2 발광층(125)의 LUMO, 특히, 제 2 호스트의 LUMO 준위(L2)는 인접한 제 2 정공 수송층(121)보다 작게 하여, 제 2 발광층(125) 내의 전자나 여기된 여기자(exciton)들이 제 2 정공 수송층(121)으로 넘어가지 않게 저지하고, 제 2 발광층(125) 내에 남아있게 한다.

상술한 제 1호스트(1251)의 에너지 밴드갭 조건에 의해, 정공 전달 특성의 제 1 호스트의 HOMO 준위를 하기 비교예를 나타내는 도 3의 구조보다 올려주어 제 2 정공 수송층(121)에서 정공 전달이 용이하게 한다.

한편, 상기 제 2 호스트(1252)의 삼중항 준위는 2.7eV 이상일 수 있다.

그리고, 상기 제 1 호스트(1251)는 홀 이동도(hole mobility)가 5.0 ×10^-8㎠/s·V 이상의 정공 이동도 특성을 갖도록 하여, 제 2 발광층(125) 내로 정공의 유입이 용이하며, 제 2 발광층(125) 내부에서의 전자와의 재결합 특성이 좋게 한다.

그리고, 상기 제 2 발광층(125)에 포함되는 인광 도펀트는 상기 제 1, 제 2 호스트(1251, 1252)의 에너지 밴드갭 내에 포함되는 에너지 밴드갭을 갖는 것이 보다 바람직하다. 즉, 인광 도펀트의 에너지 밴드갭은 L2-H1 사이(제 2 호스트의 LUMO 준위에서 제 1 호스트의 HOMO 준위 사이)에 위치하여야 한다. 예를 들어, 인광 도펀트의 LUMO 준위는 -2.8eV 이고, HOMO는 -5.1eV이며, 삼중항 에너지 준위는 2.2 eV일 수 있으나, 이에 한하지 않고상술한 제 1, 제 2 호스트(1251, 1252)의 에너지 밴드갭 내에 포함되는 조건 하에서 가변될 수 있다.

도 3은 본 발명의 백색 유기 발광 소자에 비교되는 비교예의 인광 유닛의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면이다.

도 3은 비교예에 따르면, 인광 유닛의 발광층(50)에 전자 전달 특성의 제 1 호스트(51)와 정공 전달 특성의 제 2 호스트(52)가 포함되어 있다. 여기서, 제 2 호스트(52)의 에너지 밴드갭이 제 1 호스트(51)의 에너지 밴드갭을 모두 포함하고 있다. 이 경우, 정공 전달 특성의 제 2 호스트(52)의 HOMO 준위와 제 2 정공 수송층(40)의 HOMO 준위 차가 크기 때문에, 제 2 발광층(50)으로의 정공 유입이 어렵고, 이는 구동 전압을 상승시키는 원인이 된다.

즉, 인광 유닛의 와이드 에너지 밴드갭을 얻기 위해 서로 다른 전달 특성의 제 1, 제 2 호스트를 섞어 사용하는 시스템에서, 정공 수송층(40)과 실제 정공 유입의 기능을 담당하는 제 2 호스트의 HOMO 준위간 차가 고정공 주입 장벽(high hole injection barrier)을 만들게 되는 것이다.

여기서, 설명하지 않은 60, 70은 각각 전자 수송층 및 음극이다. 그리고, 상기 전자 수송층(60)은 상기 제 2 발광층(50)에 대비하여 LUMO 준위를 낮게 하여 설계한다.

본 발명은 복수개의 호스트를 혼합하여 발광층을 구성하는 구조에서, 와이드 밴드갭을 꾀하며, 정공의 유입이 자유롭고, 정공과 전자간 재결합률이 향상된 구조로, 이를 위해 상기 제 2 발광층 내의 제 1, 제 2 호스트간 HOMO, LUMO 준위의 특정 조건을 갖도록 하여 설계한 것이다.

도 4는 본 발명의 백색 유기 발광 소자에 있어서, 인광 유닛의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면이다.

즉, 도 4와 같이, 본 발명의 인광 유닛의 발광층과 그 주변의 에너지 밴드갭은 다음과 같다.

상기 제 2 발광층은 각각 전자 전달 특성이 좋은 제 2 호스트(1252)과 정공 전달 특성이 좋은 제 1 호스트(1251)를 구비한다. 그리고, 제 1 호스트(1251)의 HOMO 준위(H1)는 제 2 호스트(1252)의 HOMO 준위(H2)보다 크게 함과 함께, 제 2 정공 수송층(121)의 HOMO 준위보다도 크게 할 수 있다. 이는 상술한 도 2의 도시된 부분과 차이점인데, 상기 제 1 호스트(1251)의 HOMO 준위(H1)가 제 2 호스트(1252)의 HOMO 준위(H2)보다 큰 조건을 유지하며, 가능한 확장된 실시예를 나타낸 것이다.

또한, 이 경우, 상기 제 1 호스트(1251)의 LUMO 준위(L1)는 상기 제 2 의 호스트(1252)의 LUMO 준위(L2)보다 크게 하며, 제 2 전자수송층(126)의 LUMO 준위보다 상기 제 2 호스트(1252)의 LUMO 준위(L2)가 크게 되도록 설계한다.

경우에 따라, 상기 제 2 정공 수송층(121)는 이중층으로 설계할 수 있으며, 이중층일 경우, 제 2 발광층(125)에 인접한 전자 또는 여기자의 블락킹 기능이 강한 물질로 하여 설계하고, 제 2 발광층(125)으로부터 먼쪽이 정공 수송기능이 더 크게 하도록 한 물질로 설계한다.

또한, 제 2 호스트(1252)의 LUMO 준위(L2)는 인접한 제 2 정공 수송층(121)의 LUMO 준위보다 작게 하여, 제 2 발광층(125) 내의 전자나 여기된 여기자(exciton)들이 제 2 정공 수송층(121)으로 넘어가지 않게 저지한다.

여기서, 도펀트의 에너지 밴드갭은 도시하지 않았지만, 제 1, 제 2 호스트(1251, 1252)의 에너지 밴드갭 내에 포함되도록 설계하는 것이 발광 효율 측면에서 바람직하다.

상술한 에너지 밴드갭을 갖는 조건으로 제 2 발광층의 제 1, 제 2 호스트의 에너지 밴드갭의 조건을 갖도록 설계하여, 본 발명은 복수개의 호스트를 혼합하여 발광층을 구성하는 구조에서, 와이드 밴드갭을 꾀하며, 정공의 유입이 자유롭고, 정공과 전자간 재결합률이 향상된 구조를 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 백색 유기 발광 소자와 비교예의 휘도 변화에 따른 효율을 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 백색 유기 발광 소자와 비교예에 있어서, 휘도에 따른 효율을 나타낸 것으로, 휘도가 상승함에 따라 효율이 전반적으로 내려가는 경향을 보여주기는 하나, 상대적으로 본 발명의 백색 유기 발광 소자에 있어서, 효율 저하가 적음을 알 수 있다. 특히, 고 휘도로 가며, 효율 하강의 정도가, 비교예에서 큼을 알 수 있는데, (휘도 약 35000cd/m²일 때, 비교예와 본 발명에서 효율이 5% 이상의 효율 차가 발생함), 이는 좀 더 밝은 색상을 표시할 때, 본 발명의 백색 유기 발광 소자가 효율의 저하 현상이 완화되고 보다 색감이 안정됨을 의미한다.

도 6은 본 발명의 백색 유기 발광 소자와 비교예의 전압에 대한 전류효율을 나타낸 그래프이다.

도 6과 같이, 구동 전압을 달리하며, 전류 밀도 J(mA/cm²)를 검출하였을 때, 동등 수준의 구동 전압에 대하여 본 발명의 백색 유기 발광 소자가 향상된 전류 밀도를 보여줌을 알 수 있다.

이는 동일한 색상의 동일 휘도를 표현할 때, 본 발명의 백색 유기 발광 소자가 상대적으로 구동 전압을 낮게 하여 표시가 가능함을 의미한 것으로, 상술한 본 발명의 백색 유기 발광 소자를 유기 발광 다이오드로 구비시 표시 장치의 패널 효율이 향상됨을 의미한다.

한편, 도 5 및 도 6에서, 본 발명의 백색 유기 발광 소자는 도 4의 구조의 인광 유닛을 포함한 것이며, 비교예는 도 3의 구조의 인광 유닛을 포함한 것으로, 청색 형광 유닛은 동등하게 이용하였고, 인광 유닛 내에 제 2 발광층의 정공 전달 특성의 제 2 호스트의 조건만을 달리하여 실험한 것이다.

도 7은 표 1에 따른 비교예 및 실시예들의 발광층 성분의 에너지 준위 특성을 나타낸 도면이다.

표 1 및 도 7과 같이, 서로 다른 전달 특성을 갖는 호스트를 이용하더라도 제 2 호스트(52)가 제 1 호스트(51)의 에너지 밴드갭을 완전히 오버랩하는 경우, 구동 전압이 3.5V로 높고, 휘도 효율 역시 74.4Cd/A이며, 양자 효율(Q.E)이 21.2%로, 본 발명의 실시예들보다 모두 특성이 저하됨을 알 수 있다.

이에 반해, 도 2 및 도 4의 구조와 같이, 제 1 호스트(host 1)의 HOMO 준위가 제 2 호스트(host 2)의 HOMO 준위보다 크고, 상기 제 1 호스트(host 1)의 LUMO 준위가 제 2 호스트(host 2)의 LUMO 준위보다 큰 특징을 갖는 본 발명의 실시예들에서는 모두 구동 전압이 3.1~3.2V 수준으로 낮아짐음 알 수 있으며, 휘도 효율역시 76.4cd/A에서, 78.9cd/A로, 적어도 위의 비교예 대비 2Cd/A 이상 상승됨을 알 수 있으며, 또한, 양자 효율은 비교예 대비 5% 이상의 상승 효과(즉, 실시예 중 최저 양자 효율을 나타내는 22.2%의 효율을 비교시 22.2%/21.2%로, 약 5% 이상의 효과가 있음)가 있음을 알 수 있다.

한편, 도면상에서는 비교예와 실시예들에서, 각각 상기 제 1, 제 2 호스트(51, 52)(혹은 host 1, host 2)가 오버랩되는 영역 내에 도펀트의 에너지 밴드갭이 정해짐이 나타나 있다.

이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 제조방법을 살펴본다.

도 1과 같이, 본 발명의 백색 유기 발광 소자의 제조 방법은 먼저, 기판(100) 상에 양극(110)을 형성한다.

이어, 상기 양극(110)을 포함한 기판(100) 상에, 제 1 정공 주입층(111), 제 1 정공 수송층(112), 청색을 발광하는 제 1 발광층(115) 및 제 1 전자 수송층(116) 을 차례로 적층하여 제 1 스택(210)을 형성한다.

경우에 따라, 상기 제 1 정공 수송층(111)이 이중층으로 형성될 수 있으며, 상기 제 1 정공 수송층(111) 하부에 제 1 정공 주입층(미도시)을 더 포함할 수도 있다.

이어, 상기 제 1 스택(210) 상에 전하 생성층(CGL: Charge Generation Layer)(120)을 형성한다.

도시된 바와 같이, 상기 전하 생성층(120)은 중간 연결 금속층(120a)과 중간 연결 정공 주입층(120b)으로 나누어 형성할 수 있다.

이어, 상기 전하 생성층(120) 상에, 제 2 정공 수송층(121), 서로 다른 전달 특성의 제 1, 제 2 호스트에 인광 도펀트를 함께 도핑한 제 2 발광층(125), 제 2 전자 수송층(126)을 차례로 적층하여 제 2 스택(220)을 형성한다. 상기 제 2 스택(220)의 전자 수송층(126) 상부에 전자 주입층을 더 포함할 수도 있다.

이어, 상기 제 2 스택(220) 상에 음극(130)을 형성한다.

여기서, 상기 제 2 정공 수송층(126)은 삼중항의 상태 에너지 준위를 상기 제 2 발광층(125)의 삼중항(triplet) 여기 상태 에너지 준위보다 높게 설정한다.

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.

100: 기판 110: 양극
111: 제 1 정공 주입층 112: 제 1 정공 수송층
115: 제 1 발광층 116: 제 1 전자 수송층
120: 전하 생성층 120a: 중간 연결 금속층
120b: 중간 연결 정공 주입층 121: 제 2 정공 수송층
125: 제 2 발광층 126: 제 2 전자 수송층
130: 음극 140: 캐핑층
210: 제 1 스택 220: 제 2 스택
1251: 제 1 호스트 1252: 제 2 호스트

Claims

기판 상에 서로 대향된 양극과 음극;
상기 양극과 음극 사이에 형성된 전하 생성층;
상기 양극과 상기 전하 생성층 사이의, 제 1 발광층을 포함하는 제 1 스택; 및
상기 전하 생성층과 상기 음극 사이의, 서로 다른 전달 특성의 제 1 호스트와 제 2 호스트에, 도펀트를 도핑한 제 2 발광층을 포함하는 제 2 스택을 포함하며,
상기 제 1 호스트의 HOMO 준위가 제 2 호스트의 HOMO 준위보다 크고,
상기 제 1 호스트의 LUMO 준위가 제 2 호스트의 LUMO 준위보다 큰 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 호스트 및 제 2 호스트의 전자 이동도는 5.0 ×10^-6 ㎠/s·V 이상이며, 정공 이동도는 5.0 ×10^-8㎠/s·V 이상의 정공 이동도 특성을 만족하는 유기 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 호스트 및 제 2 호스트는 각각 2.7eV 이상의 에너지 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 3항에 있어서,
상기 제 1 호스트의 HOMO 준위가 제 2 호스트의 HOMO 준위보다 0.05eV 내지 0.6eV 큰 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 4항에 있어서,
상기 제 1 호스트의 HOMO 준위는 -5.4eV 내지 -5.8eV이며, 상기 제 2 호스트의 HOMO 준위는 -5.45eV 내지 -6.0eV 인 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 3항에 있어서,
상기 제 1 호스트의 LUMO 준위가 제 2 호스트의 LUMO 준위보다 0.05eV 내지 0.6eV 큰 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 6항에 있어서,
상기 제 1 호스트의 LUMO 준위는 -2.3eV 내지 -2.8eV이며, 상기 제 2 호스트의 LUMO 준위는 -2.35eV 내지 -3.0eV 인 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 발광층의 도펀트는 550nm 내지 620nm의 영역에서 최대 PL peak 특성을 갖는 인광 도펀트인 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 8항에 있어서,
상기 제 1 발광층은 청색을 발광하는 발광층인 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 스택은, 상기 양극과 상기 제 1 발광층 사이에 제 1 정공 수송층과, 상기 제 1 발광층과 상기 전하 수송층 사이에 제 1 전자 수송층을 더 포함하며,
상기 제 2 스택은, 상기 전하 생성층과 상기 제 2 발광층 사이에 제 2 정공 수송층과, 상기 제 2 발광층과 상기 음극 사이에 제 2 전자 수송층을 더 포함한 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 10항에 있어서,
상기 제 2 정공 수송층은 상기 제 2 발광층의 삼중항 에너지 준위보다 0.1eV 내지 0.4 eV 높은 삼중항 에너지 준위를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 10항에 있어서,
상기 제 1 호스트의 HOMO 준위는 상기 제 2 정공 수송층의 HOMO 준위보다 높은 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 음극 상에 캐핑층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 유기 발광 소자.