KR101429537B1

KR101429537B1 - 유기발광소자

Info

Publication number: KR101429537B1
Application number: KR1020110068489A
Authority: KR
Inventors: 송기욱; 피성훈
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2014-08-12
Also published as: GB2492855B; US8735873B2; DE102011054604A1; US20130015489A1; CN102881833A; GB201119469D0; GB2492855A; CN102881833B; KR20130007873A; DE102011054604B4

Abstract

본 발명은 발광효율 및 수명이 향상된 유기발광소자에 관한 것으로, 특히 형광 발광막의 효율이 향상된 유기발광소자에 관한 것이다.
본 발명의 특징은 유기발광층의 형광 발광막의 도펀트의 LUMO에너지 준위를 호스트의 LOMO 에너지 준위에 비해 높게 형성하거나, 두가지의 도펀트를 포함하는 경우에는 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비해 높은 LUMO 에너지 준위를 갖는 도펀트를 전자수송막 측으로 도핑하고, 호스트의 HOMO 에너지 준위에 비해 낮은 HOMO 에너지 준위를 갖는 도펀트를 정공수송막 측으로 도핑하는 것이다.
이를 통해, 정공 및 전자가 도펀트에 트랩되는 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있어, OLED의 발광효율을 더욱 향상시키게 된다.

Description

유기발광소자{Organic light emitting diodes}

본 발명은 발광효율 및 수명이 향상된 유기발광소자에 관한 것으로, 특히 형광 발광막의 효율이 향상된 유기발광소자에 관한 것이다.

최근까지, CRT(cathode ray tube)가 표시장치로서 주로 사용되었다. 그러나, 최근에 CRT를 대신할 수 있는, 플라즈마표시장치(plasma display panel : PDP), 액정표시장치(liquid crystal display device : LCD), 유기발광소자(organic light emitting diodes : OLED)와 같은 평판표시장치가 널리 연구되며 사용되고 있는 추세이다.

위와 같은 평판표시장치 중에서, 유기발광소자(이하, OLED라 함)는 자발광소자로서, 비발광소자인 액정표시장치에 사용되는 백라이트가 필요하지 않기 때문에 경량 박형이 가능하다.

그리고, 액정표시장치에 비해 시야각 및 대비비가 우수하며, 소비전력 측면에서도 유리하며, 직류 저전압 구동이 가능하고, 응답속도가 빠르며, 내부 구성요소가 고체이기 때문에 외부충격에 강하고, 사용 온도범위도 넓은 장점을 가지고 있다.

특히, 제조공정이 단순하기 때문에 생산원가를 기존의 액정표시장치 보다 많이 절감할 수 있는 장점이 있다.

이러한 OLED는 유기전계발광 다이오드를 통해 발광하는 자발광소자로서, 유기전계발광 다이오드는 유기발광현상을 통해 발광하게 된다.

도 1은 일반적인 유기발광현상에 의한 발광원리를 갖는 유기전계발광 다이오드의 밴드다이어그램이다.

도시한 바와 같이, 유기전계발광 다이오드(10)는 애노드 및 캐소드전극(21, 25)과 이들 사이에 위치하는 정공수송막(hole transport layer : HTL)(33)과 전자수송막(electron transport layer : ETL)(35) 그리고 정공수송막(33)과 전자수송막(35) 사이로 개재된 발광막(emission material layer : EML)(40)으로 이루어진다.

그리고, 발광 효율을 향상시키기 위하여 애노드전극(21)과 정공수송막(33) 사이로 정공주입막(hole injection layer : HIL)(37)이 개재되며, 캐소드전극(25)과 전자수송막(35) 사이로 전자주입막(electron injection layer : EIL)(39)이 개재된다.

이러한 유기전계발광 다이오드(10)는 애노드전극(21)과 캐소드전극(25)에 각각 양(+)과 음(-)의 전압이 인가되면 애노드전극(21)의 정공과 캐소드전극(25)의 전자가 발광막(40)으로 수송되어 엑시톤을 이루고, 이러한 엑시톤이 여기상태에서 기저상태로 천이될 때 빛이 발생되어 발광막(40)에 의해 가시광선의 형태로 방출된다.

한편, 이러한 OLED의 엑시톤의 상태는 일중항 상태와 삼중항 상태가 1:3의 확률로 존재하며, 일중항 상태에서 기저상태로 천이될 때에만 발광이 가능하기 때문에 내부 양자효율이 이론적으로 25%를 넘지 않는 단점이 있다.

따라서, 최근에는 삼중항 상태인 75%의 내부양자효율을 이용할 수 있는 OLED에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유기발광소자의 발광효율 및 수명을 향상시키고자 하는 것을 목적으로 한다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상부에 위치하는 제 1 정공수송막과; 상기 제 1 정공수송막 상부에 위치하며, 제 1 도펀트의 최저 비점유 분자궤도(lowest unoccupied molecular orbital : LUMO) 에너지준위가 제 1 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비해 높은 제1 발광막과; 상기 제 1 발광막 상부에 위치하는 제 1 전자수송막과; 상기 제 1 전자수송막 상부에 위치하는 전하생성막과; 상기 전하생성막 상부에 순차적으로 위치하는 제 2 정공수송막, 제 2 발광막, 제 2 전자수송막과; 상기 제 2 전자수송막 상부에 위치하는 제2 전극을 포함하며, 상기 제 1및 제 2 정공수송막과 상기 제 1및 제 2 전자수송막의 에너지 준위는 상기 제 1 및 제 2 발광막의 삼중항 엑시톤의 여기상태 에너지 준위보다 높은 유기발광소자를 제공한다.

이때, 상기 제 1 발광막은 형광 도펀트를 포함하며, 상기 제 1 발광막은 제 1 호스트에 청색 형광 성분의 도펀트가 포함한다.

그리고, 상기 제 2 발광막은 적색 또는 녹색 도펀트가 포함되거나, 또는 옐로우 도펀트가 포함되며, 상기 제 1 도펀트의 LUMO에너지준위는 상기 제 1 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비해 0.001 ~ 0.5eV 높다.

또한, 상기 제 1 발광막은 제 2 도펀트를 포함하며, 상기 제 1 도펀트와 상기 제 2 도펀트 중 제 1 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비해 LUMO 에너지 준위가 0.01 ~ 0.5eV 높은 도펀트를 상기 제 1 전자수송막에 인접한 상기 제 1 호스트에 도핑하며, 상기 제 1 발광막은 호스트의 최고 비점유 분자궤도(highest occupied molecular orbital : HOMO) 에너지 준위보다 HOMO 에너지 준위가 낮은 상기 제 1 및 제 2 도펀트 중 선택된 하나를 상기 정공수송막에 인접한 상기 제 1 호스트에 도핑한다.

그리고, 상기 제 1 발광막은 제 2 호스트를 포함하며, 상기 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비해 높은 LUMO 에너지 준위를 갖는 상기 제 1 및 제 2 도펀트 중 선택된 하나를 상기 전자수송막에 인접한 제 1 호스트에 도핑하고, 상기 호스트의 HOMO 에너지 준위에 비해 낮은 HOMO 에너지 준위를 갖는 상기 제 1 및 제 2 도펀트 중 선택된 하나를 상기 정공수송막에 인접한 제 2 호스트에 도핑하며, 상기 제 1 도펀트와 상기 제 2 도펀트의 밴드갭은 ±0.1eV 이하이다.

또한, 상기 제 1및 제 2 정공수송막과 상기 제 1및 제 2 전자수송막의 에너지 준위는 상기 제 1 및 제 2 발광막의 삼중항 엑시톤의 여기상태 에너지 준위보다 0.001 ~ 0.5eV 높으며, 상기 제 2 정공수송막과 상기 제 2 발광막 사이에는 여기자 저지막(electron blocking layer : EBL)이 개재된다.

위에 상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 유기발광층의 형광 발광막의 도펀트의 LUMO에너지 준위를 호스트의 LOMO 에너지 준위에 비해 높게 형성하거나, 두가지의 도펀트를 포함하는 경우에는 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비해 높은 LUMO 에너지 준위를 갖는 도펀트를 전자수송막 측으로 도핑하고, 호스트의 HOMO 에너지 준위에 비해 낮은 HOMO 에너지 준위를 갖는 도펀트를 정공수송막 측으로 도핑함으로써, 이를 통해, 정공 및 전자가 도펀트에 트랩되는 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있어, OLED의 발광효율을 더욱 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 유기발광현상에 의한 발광원리를 갖는 유기전계발광 다이오드의 밴드다이어그램.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 OLED의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 2의 OLED의 유기전계발광현상에 의한 발광원리를 갖는 밴드다이어그램.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기전계발광현상의 에너지 전달 메커니즘을 개략적으로 도시한 도면.
도 5a는 기존의 OLED의 발광효율과 본 발명의 제 1 실시예에 따른 OLED의 발광효율을 비교하여 나타낸 그래프.
도 5b는 기존의 OLED의 발광효율과 본 발명의 제 1 실시예에 따른 OLED의 수명을 비교하여 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기전계발광현상의 에너지 전달 메커니즘을 개략적으로 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 유기전계발광현상의 에너지 전달 메커니즘을 개략적으로 도시한 도면.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 OLED의 단면을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 도 2의 OLED의 유기전계발광현상에 의한 발광원리를 갖는 밴드다이어그램이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 OLED(100)의 화소영역(P)에는 다수의 구동 박막트랜지스터(DTr)와 유기전계발광 다이오드(E)가 형성된다.

이에 대해 좀더 자세히 살펴보면, OLED(100)의 화소영역(P)의 제 1 기판(101) 상에는 반도체층(103)이 형성되는데, 반도체층(103)은 실리콘으로 이루어지며 그 중앙부는 채널을 이루는 액티브영역(103b) 그리고 액티브영역(103b) 양측면으로 고농도의 불순물이 도핑된 소스 및 드레인영역(103a, 103c)으로 구성된다.

이러한 반도체층(103) 상부로는 게이트절연막(105)이 형성되어 있다.

게이트절연막(105) 상부로는 반도체층(103)의 액티브영역(103b)에 대응하여 게이트전극(107)과 도면에 나타내지 않았지만 일방향으로 연장하는 게이트배선이 형성되어 있다.

그리고, 게이트전극(107)과 게이트배선(미도시)의 상부 전면에 제 1 층간절연막(109a)이 형성되어 있으며, 이때 제 1 층간절연막(109a)과 그 하부의 게이트절연막(105)은 액티브영역(103b) 양측면에 위치한 소스 및 드레인영역(103a, 103c)을 각각 노출시키는 제 1, 2 반도체층 콘택홀(111a, 111b)을 구비한다.

다음으로, 제 1, 2 반도체층 콘택홀(111a, 111b)을 포함하는 제 1 층간절연막(109a) 상부로는 서로 이격하며 제 1, 2 반도체층 콘택홀(111a, 111b)을 통해 노출된 소스 및 드레인영역(103a, 103c)과 각각 접촉하는 소스 및 드레인 전극(113, 115)이 형성되어 있다.

그리고, 소스 및 드레인전극(113, 115)과 두 전극(113, 115) 사이로 노출된 제 1 층간절연막(109a) 상부로 드레인전극(115)을 노출시키는 드레인콘택홀(117)을 갖는 제 2 층간절연막(109b)이 형성되어 있다.

이때, 소스 및 드레인 전극(113, 115)과 이들 전극(113, 115)과 접촉하는 소스 및 드레인영역(103a, 103c)을 포함하는 반도체층(103)과 반도체층(103) 상부에 형성된 게이트절연막(105) 및 게이트전극(107)은 구동 박막트랜지스터(DTr)를 이루게 된다.

이때 도면에 나타나지 않았지만, 게이트배선(미도시)과 교차하여 화소영역(P)을 정의하는 데이터배선(미도시)이 형성되어 있다. 그리고, 스위칭 박막트랜지스터(미도시)는 구동 박막트랜지스터(DTr)와 동일한 구조로, 구동 박막트랜지스터(DTr)와 연결된다.

그리고, 스위칭 및 구동 박막트랜지스터(미도시, DTr)는 도면에서는 반도체층(103)이 폴리실리콘 반도체층으로 이루어진 탑 게이트(top gate) 타입을 예로써 보이고 있으며, 이의 변형예로써 순수 및 불순물의 비정질질실리콘으로 이루어진 보텀 케이트(bottom gate) 타입으로 형성될 수도 있다.

또한, 제 2 층간절연막(109b) 상부의 실질적으로 화상을 표시하는 영역에는 유기전계발광 다이오드(E)를 구성하는 제 1 전극(211)과 유기발광층(213) 그리고 제 2 전극(215)이 순차적으로 형성되어 있다.

여기서, 제 1 전극(211)은 제 2 층간절연막(109b)의 드레인콘택홀(117)을 통해 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인전극(115)과 연결된다.

이와 같은 경우에, 제 1 전극(211)은 애노드(anode) 전극의 역할을 하도록 일함수 값이 비교적 높은 물질인 인듐-틴-옥사이드(ITO)로 형성하며, 제 2 전극(215)은 캐소드(cathode)의 역할을 하기 위해 비교적 일함수 값이 낮은 금속물질로 이루어진다.

그리고, 유기발광층(213)에서 발광된 빛은 제 2 전극(215)을 향해 방출되는 상부 발광방식으로 구동된다.

여기서, 유기발광층(213)은 정공수송막(221a, 221b), 정공주입막(222), 발광막(223a, 223b), 전자수송막(224a, 224b) 및 전자주입막(225)으로 이루어진다.

그리고, 유기발광층(213)으로부터 발광된 빛은 제 2 전극(215)을 투과해야 하므로, 제 2 전극(215)은 일함수가 낮은 금속 물질을 얇게 증착한 반투명 금속막 상에 투명한 도전성 물질이 두껍게 증착된다.

이러한 OLED(100)는 선택된 색 신호에 따라 제 1 전극(211)과 제 2 전극(215)으로 소정의 전압이 인가되면, 제 1 전극(211)으로부터 주입된 정공과 제 2 전극(215)으로부터 인가된 전자가 유기발광층(213)으로 수송되어 엑시톤(exciton)을 이루고, 이러한 엑시톤이 여기상태에서 기저상태로 천이 될 때 빛이 발생되어 가시광선의 형태로 방출된다.

이때, 발광된 빛은 제 2 전극(215)을 통과하여 외부로 나가게 되므로, OLED(100)는 임의의 화상을 구현하게 된다.

한편, 제 1 전극(211)은 각 화소영역(P)별로 형성되는데, 각 화소영역(P) 별로 형성된 제 1 전극(211) 사이에는 뱅크(bank : 119)가 위치한다.

이러한 본 발명은 OLED(100)는 발광효율이 기존에 비해 20%이상 향상되며, 동일 휘도 내에서 수명 또한 50% 이상 증가하게 되는데, 이는 유기전계발광 다이오드(E)의 유기발광층(213)의 발광효율이 향상되었기 때문이다.

여기서, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유기발광층(213)에 대해 좀더 자세히 살펴보면, 유기전계발광 다이오드(E)는 애노드전극인 제 1 전극(211)과 캐소드전극인 제 2 전극(215) 그리고 제 1 전극(211)과 제 2 전극(215) 사이에 적층되어 이루어진 제 1 스택(229a), 전하생성막(charge generation layer : CGL, 227) 및 제 2 스택(229b)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 전하생성막(227)은 낮은 광학적, 전기적 손실 특성을 갖는 물질로서 금속류, 산화물류, 유기물로 또는 이들의 적층체로 이루어진다.

그리고, 제 1 스택(229a)은 제 1 전극(211)과 전하생성막(227) 사이에 제 1 정공주입막(hole injection layer : HIL, 222), 제 1 정공수송막(hole transport layer : HTL, 221a), 제 1 발광막(223a), 제 1 전자수송막(electron transport layer : ETL, 224a)이 차례로 적층되어 있으며, 제 2 스택(229b)은 전하생성막(227)과 제 2 전극(215) 사이에 차례로, 제 2 정공수송막(221b), 여기자 저지막(electron blocking layer : EBL, 228), 제 2 발광막(223b), 제 2 전자수송막(224b) 및 전자주입막(225)이 적층되어 있다.

여기서, 제 1 발광막(223a)은 청색광의 하나의 호스트에 청색 형광 성분의 도펀트가 포함된 발광막이며, 제 2 발광막(223b)은 하나의 호스트에 인광 적색 및 인광 녹색 도펀트(phosphorescence green + phosphorescence red)를 함께 도핑하여 이루어진 단일 발광막이다.

즉, 본 발명의 OLED(100)는 백색광을 빛의 삼원색인 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 발광특성을 갖는 백색 OLED이다.

또는 제 2 발광막(223b)에 하나의 호스트와 옐로우 도펀트를 포함하여, 청색(B)과 옐로우(Y)의 발광특성을 갖도록 함으로써, 백색광을 구현할 수도 있다.

따라서, 백색 OLED(100)의 구동시 제 1 발광막(223a)과 제 2 발광막(223b)에서 발광되는 광의 혼합 효과의 의해 백색광이 구현되게 되는 것이다.

이때, 본 발명의 제 2 정공수송막(221b)과 제 2 전자수송막(224b)은 제 2 발광막(223b)의 삼중항 엑시톤의 여기상태의 에너지 준위보다 높은 에너지 준위를 갖도록 설정하는데, 즉, 제 2 정공수송막(221b)은 제 2 발광막(223b)의 삼중항 엑시톤의 여기 상태의 에너지 준위보다 0.001 ~ 0.5eV 정도 높게 설정하는 것이 바람직하다.

제 2 발광막(223b)에 비해 제 2 정공수송막(221b)과 제 2 전자수송막(224b)의 에너지 준위가 높기 때문에 제 2 발광막(223b)의 삼중항 엑시톤이 제 2 정공수송막(221b)과 제 2 전자수송막(224b)으로 넘어가 발광효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 제 1 전자수송막(224a)과 제 1 정공수송막(221a)은 제 1 발광막(223a)의 삼중항 엑시톤의 여기상태의 에너지 준위보다 0.001 ~ 0.5eV 높은 에너지 준위로 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 각각 제 1, 제 2 발광막(223a, 223b) 보다 그 상하 계면측의 제 1, 제 2 정공수송막(221a, 221b)과 제 1, 제 2 전자수송막(224a, 224b)의 에너지 준위를 높게 함으로써, 각각의 일중항 엑시톤과 삼중항 엑시톤이 제 1, 제 2 발광막(223a, 223b)에서 그 상하의 계면으로 이동되지 않게 하여, 최대한 발광에 이용되도록 할 수 있다.

이에 대해 좀더 자세히 살펴보면, 본 발명의 OLED(100)는 제 1 발광막(223a)이 형광물질로 이루어지도록 하며, 제 1, 제 2 정공수송막(221a, 221b)과 제 1, 제 2 전자수송막(224a, 224b)이 고 삼중항 에너지(high triplet energy)를 갖도록 형성함으로써, 제 1 발광막(223a)에서 생성된 삼중항 엑시톤들의 상호작용에 의해 발광할 수 있는 일중항으로 천이되도록 함으로써, 발광효율을 향상시키게 된다.

즉, 정공과 전자가 제 1 발광막(223a)에서 엑시톤을 형성할 때 일중항 상태와 삼중항 상태가 1:3의 비율로 생성된다. 여기서 일중항 엑시톤은 빛을 내며 바닥 상태로 천이할 수 있는데 이것을 형광(fluorescence)이라고 한다.

그러나, 삼중항 엑시톤이 바닥 상태로 빛을 내며 천이하는 것은 금지된다.

그런데, 본 발명의 OLED(100)는 제 1, 제 2 정공수송막(221a, 221b)과 제 1, 제 2 전자수송막(224a, 224b)이 고 삼중항 에너지(high triplet energy)를 갖게 됨으로써, 삼중항 엑시톤이 발광막에 한정되고, 삼중항-삼중항 엑시톤 충돌(triplet-triplet collision annihilation)에 의해 일부 삼중항 엑시톤이 일중항으로 천이하여 발광 할 수 있는데 이것을 삼중항 쌍 소멸(TTA; triplet-triplet annihilation)이라 한다.

여기서, TTA에 의해 삼중항의 엑시톤이 일중항으로 천이되어 발광에 기여함으로써 내부양자효율 향상 시킬 수 있다.

특히, 직접 여기된 일중항 엑시톤의 수명보다 훨씬 긴 수명을 갖는 삼중항 엑시톤의 충돌에 의한 일중항으로의 천이 및 발광은 지연형광을 만들게 된다.

이러한 지연형광에 의해 OLED(100)의 발광효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

따라서, 본 발명은 OLED(100)는 발광효율이 기존에 비해 20%이상 향상되며, 동일 휘도 내에서 수명 또한 50% 이상 증가하게 된다.

특히, 본 발명은 형광 성분의 도펀트(320, 도4참조)가 포함된 제 1 발광막(223a)의 도펀트(320, 도4참조)의 최저 비점유 분자궤도(lowest unoccupied molecular orbital : LUMO)를 호스트(310, 도4참조)의 LUMO 보다 에너지 준위를 높게 위치시키는 것을 특징으로 한다.

따라서, 제 1 발광막(223a)의 도펀트(320, 도4참조)의 LUMO에너지 준위가 호스트(310, 도4참조)의 LUMO 에너지 준위보다 높기 때문에 정공 및 전자가 도펀트(320, 도4참조)에 트랩되는 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

이는 도펀트(320, 도4참조)의 LUMO에너지 준위 및 최고 비점유 분자궤도(highest occupied molecular orbital : HOMO)의 에너지 준위가 호스트(310, 도4참조)의 LUMO및 HOMO의 에너지 준위 내에 위치하도록 할 경우, 제 1 발광막(223a) 양쪽 계면에서 주입되는 전자 및 정공이 도펀트(320, 도4참조)로 직접 주입될 확률이 커, 호스트(310, 도4참조)로 주입되는 전자 및 정공의 양이 줄어들의 발광효율을 감소시키고, 도펀트(320, 도4참조)의 열화를 가져오는 문제점이 발생하기 때문이다.

이를 통해, 본 발명의 OLED(100)의 발광효율을 더욱 향상시키게 된다.

이에 대해 아래 다양한 실시예들을 통해 좀더 자세히 살펴보도록 하겠다.

-제 1 실시예-

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기전계발광현상의 에너지 전달 메커니즘을 개략적으로 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 발광막(223a)은 하나의 호스트(310)에 형광 성분의 도펀트(320)가 포함되며, 이러한 발광막(223a)으로 정공수송막(221a)으로부터 정공이 주입되며, 전자수송막(224a)으로부터 전자가 주입된다.

따라서, 정공과 전자가 엑시톤을 형성한 후, 엑시톤이 여기상태에서 기저상태로 천이될 때 에너지에 해당하는 빛을 가시광선의 형태로 방출하게 된다.

이때, 본 발명의 발광막(223a)의 도펀트(320)의 LUMO에너지 준위가 호스트(310)의 LUMO에너지 준위에 비해 높아, 정공수송막(221a)과 전자수송막(224a)으로부터 발광막(223a)으로 주입되는 정공과 전자는 모두 호스트(310)로 주입된다.

따라서, 정공수송막(221a)과 전자수송막(224a)으로부터 주입되는 정공과 전자는 호스트(310) 내에서 손실없이 모두 엑시톤을 이루게 되고, 이를 통해 발광막(223a)의 발광효율을 향상시키게 된다.

즉, 정공과 전자가 호스트(310)로 잘 주입되기 때문에 발광에 기여하는 일중항 엑시톤이 형성될 효율을 향상시키게 되며, 또한 삼중항-삼중항 엑시톤 충돌(triplet-triplet collision annihilation)을 일으킬 수 있는 삼중항 엑시톤의 양도 많아지게 됨으로써, 발광막(223a)의 발광효율이 향상되는 것이다.

또한, 도펀트(320)로 주입되는 전자 및 정공이 없어, 도펀트(320)의 열화가 발생하는 문제점을 방지할 수 있다.

이때, 도펀트(320)의 LUMO 에너지 준위는 호스트(310)의 LUMO 에너지 준위에 비해 0.01 ~ 0.5eV 높게 형성하는 것이 바람직하다.

도 5a는 기존의 OLED의 발광효율과 본 발명의 제 1 실시예에 따른 OLED의 발광효율을 비교하여 나타낸 그래프이며, 도 5b는 기존의 OLED의 발광효율과 본 발명의 제 1 실시예에 따른 OLED의 수명을 비교하여 나타낸 그래프이다.

여기서, sample 1은 기존의 OLED는 도펀트의 LUMO에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위가 호스트의 LUMO및 HOMO의 에너지 준위 내에 위치하도록 할 경우이며, sample 2가 본 발명의 제 1 실시예에 따라 도펀트(도 4의 320)의 LUMO에너지 준위를 호스트(도 4의 310)의 LUMO 에너지 준위에 비해 높게 형성한 경우이다.

도 5a의 그래프를 참조하면, sample 2가 sample 1에 비해 발광효율이 높은 것을 확인할 수 있으며, 도 5b의 그래프를 참조하면, sample 1에 비해 sample 2의 수명이 약 2배 이상 더욱 증가하게 되는 것을 확인할 수 있다.

이는 결국, 도펀트의 LUMO에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위가 호스트의 LUMO및 HOMO의 에너지 준위 내에 위치하도록 할 경우에 비해, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 도펀트(도 4의 320)의 LUMO에너지 준위를 호스트(도 4의 310)의 LUMO 에너지 준위에 비해 높게 형성함으로써, OLED(도 2의 100)의 발광효율 및 수명이 더욱 향상됨을 알 수 있다.

-제 2 실시예-

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기전계발광현상의 에너지 전달 메커니즘을 개략적으로 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 발광막(223a)은 하나의 호스트(310)에 두가지의 형광 성분의 도펀트(320a, 320b)가 포함되며, 이러한 발광막(223a)으로 정공수송막(221a)으로부터 정공이 주입되며, 전자수송막(224a)으로부터 전자가 주입된다.

따라서, 정공과 전자가 엑시톤을 형성한 후, 엑시톤이 여기상태에서 기저상태로 천이될 때 에너지에 해당하는 두가지의 빛을 가시광선의 형태로 방출하게 된다.

이때, 본 발명의 발광막(223a)의 두가지의 도펀트(320a, 320b) 중 LUMO 에너지 준위가 호스트(310)의 LUMO 에너지 준위에 비해 높은 도펀트(320a)를 전자수송막(224a) 측으로 도핑하고, HOMO 에너지 준위가 호스트(310)의 HOMO 에너지 준위에 비해 낮은 도펀트(320b)를 정공수송막(221a) 측에 도핑하여 정공수송막(221a)과 전자수송막(224a)으로부터 발광막(223a)으로 주입되는 정공과 전자가 모두 호스트(310)로 주입되도록 한다.

또한, 도펀트(320a, 320b)로 주입되는 전자 및 정공이 없어, 도펀트(320a, 320b)의 열화가 발생하는 문제점을 방지할 수 있다.

이때, 두가지의 도펀트(320a, 320b)의 밴드갭은 ±0.1eV 이하의 차이를 갖도록 하는 것이 바람직하며, 호스트(310)의 HOMO 에너지 준위 보다 HOMO 에너지 준위가 0.01 ~ 0.5eV 낮은 도펀트(320b)가 정공수송막(221a) 측으로 도핑되도록 하는 것이 바람직하다.

-제 3 실시예-

도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 유기전계발광현상의 에너지 전달 메커니즘을 개략적으로 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 발광막(223a)은 두가지의 호스트(310a, 310b)에 각각 형광 성분의 도펀트(320a, 320b)를 포함하며, 이러한 발광막(223a)으로 정공수송막(221a)으로부터 정공이 주입되며, 전자수송막(224a)으로부터 전자가 주입된다.

이때, 두가지의 호스트(310a, 310b)는 서로 에너지 준위가 다르며, 이중 전자수송층(224a)에 인접한 제 1 호스트(310a)에는 제 1 호스트(310a)의 LUMO 에너지 준위 보다 LUMO 에너지 준위가 0.01 ~ 0.5eV 높은 도펀트(320a)를 도핑하고, 정공수송층(221a)에 인접한 제 2 호스트(310b)에는 제 2 호스트(310b)의 HOMO 에너지 준위 보다 HOMO 에너지 준위가 0.01 ~ 0.5eV 낮은 도펀트(320b)를 도핑하는 것이 바람직하다.

이때, 제 1 호스트(310a)에 도핑되는 도펀트(320a)와 제 2 호스트(310b)에 도핑되는 도펀트(320b)의 밴드갭은 ㅁ0.1eV 이하의 차이를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 정공수송막(221a)과 전자수송막(224a)으로부터 발광막(223a)으로 주입되는 정공과 전자가 모두 호스트(310a, 310b)로 주입되도록 할 수 있어, 정공수송막(221a)과 전자수송막(224a)으로부터 주입되는 정공과 전자는 호스트(310a, 310b) 내에서 손실없이 모두 엑시톤을 이루게 되고, 이를 통해 발광막(223a)의 발광효율을 향상시키게 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 OLED(도 2의 100)는 유기발광층(도 3의 213)의 형광 발광막으로 이루어지는 제 1 발광막(223a)의 도펀트(도 4의 320)의 LUMO에너지 준위를 호스트(도 4의 310)의 LOMO 에너지 준위에 비해 높게 형성하거나, 두가지의 도펀트(320a, 320b)를 포함하는 경우에는 호스트(도 4의 310)의 LUMO 에너지 준위에 비해 높은 LUMO 에너지 준위를 갖는 도펀트(도 5의 320a)를 전자수송막(224a) 측으로 도핑하고, 호스트(도 4의 310)의 HOMO 에너지 준위에 비해 낮은 HOMO 에너지 준위를 갖는 도펀트(도 5의 320b)를 전공수송막 (221a)측으로 도핑함으로써, 정공 및 전자가 도펀트(도 5의 320a, 320b)에 트랩되는 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

이를 통해, 본 발명의 OLED(도 2의 100)의 발광효율을 더욱 향상시키게 된다.

본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

211 : 제 1 전극, 215 : 제 2 전극, 221a : 제 1 정공수송막, 223a : 제 1 발광막
224a : 제 1 전자수송, 310 : 호스트, 320 : 도펀트

Claims

제 1 전극과;
상기 제 1 전극 상부에 위치하는 제 1 정공수송막과;
상기 제 1 정공수송막 상부에 위치하며, 제 1 도펀트의 최저 비점유 분자궤도(lowest unoccupied molecular orbital : LUMO) 에너지준위가 제 1 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비해 높은 제1 발광막과;
상기 제 1 발광막 상부에 위치하는 제 1 전자수송막과;
상기 제 1 전자수송막 상부에 위치하는 전하생성막과;
상기 전하생성막 상부에 순차적으로 위치하는 제 2 정공수송막, 제 2 발광막, 제 2 전자수송막과;
상기 제 2 전자수송막 상부에 위치하는 제2 전극
을 포함하며, 상기 제 1및 제 2 정공수송막과 상기 제 1및 제 2 전자수송막의 에너지 준위는 상기 제 1 및 제 2 발광막의 삼중항 엑시톤의 여기상태 에너지 준위보다 높은 유기발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 발광막은 형광 도펀트를 포함하는 유기발광소자.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 발광막은 제 1 호스트에 청색 형광 성분의 도펀트가 포함되는 유기발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 발광막은 적색 또는 녹색 도펀트가 포함되거나, 또는 옐로우 도펀트가 포함되는 유기발광소자.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 도펀트의 LUMO에너지준위는 상기 제 1 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비해 0.001 ~ 0.5eV 높은 유기발광소자.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 발광막은 제 2 도펀트를 포함하며, 상기 제 1 도펀트와 상기 제 2 도펀트 중 제 1 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비해 LUMO 에너지 준위가 0.01 ~ 0.5eV 높은 도펀트를 상기 제 1 전자수송막에 인접한 상기 제 1 호스트에 도핑하는 유기발광소자.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 발광막은 호스트의 최고 비점유 분자궤도(highest occupied molecular orbital : HOMO) 에너지 준위보다 HOMO 에너지 준위가 낮은 상기 제 1 및 제 2 도펀트 중 선택된 하나를 상기 정공수송막에 인접한 상기 제 1 호스트에 도핑하는 유기발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 발광막은 제 2 호스트를 포함하며, 상기 제 1 호스트의 LUMO 에너지 준위에 비해 높은 LUMO 에너지 준위를 갖는 상기 제 1 및 제 2 도펀트 중 선택된 하나를 상기 전자수송막에 인접한 제 1 호스트에 도핑하고, 상기 제 2 호스트의 HOMO 에너지 준위에 비해 낮은 HOMO 에너지 준위를 갖는 상기 제 1 및 제 2 도펀트 중 선택된 하나를 상기 정공수송막에 인접한 제 2 호스트에 도핑하는 유기발광소자.
제 6 항 내지 제 8 항 중 선택된 한 항에 있어서,
상기 제 1 도펀트와 상기 제 2 도펀트의 밴드갭은 ±0.1eV 이하인 유기발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1및 제 2 정공수송막과 상기 제 1및 제 2 전자수송막의 에너지 준위는 상기 제 1 및 제 2 발광막의 삼중항 엑시톤의 여기상태 에너지 준위보다 0.001 ~ 0.5eV 높은 유기발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 정공수송막과 상기 제 2 발광막 사이에는 여기자 저지막(electron blocking layer : EBL)이 개재되는 유기발광소자.