KR101589362B1 - 종형 3극성 유기 전계 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

종형 3극성 유기 전계 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

종형 트랜지스터(vertical type transistor)의 구조를 가짐으로서, 발광 효율이 우수한 3 극성 유기 전계발광 소자가 개시된다. 상기 3 극성 유기 전계발광 소자는, 서로 대향 배치되며, 외부 전원으로부터 전류를 공급 받아, 정공 및 전자를 각각 공급하는 양극 및 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 위치하며, 공급 받은 정공 및 전자로 전자-정공 여기자를 생성하고 발광하는 유기 발광층; 상기 양극 및 음극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 상대전극 외부의 표면에 순차적으로 형성된 절연막 및 제 3 전극을 포함하며, 상기의 상대전극은 충분히 얇게 형성되며, 상기 제 3 전극에 상기 상대전극에 대한 전압이 인가되어, EL 발광 현상을 조절하는 역할이 수행되며, 상기 절연막은 상기 게이트 전극과 상대전극 사이의 전류의 흐름을 조절하며, 상기 게이트 전극의 전위를 상기 상대전극과 상대전극 주변의 유기 발광층으로 전달되도록 한다.

Description

종형 3극성 유기 전계 발광소자 및 그 제조방법{Vertical type three-terminal organic light-emitting devices}
본 발명은 유기 전계 발광 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 종형 트랜지스터의 구조를 가짐으로서, 발광 휘도 및 발광 효율이 우수한 3 극성(three-terminal) 유기 전계발광 소자에 관한 것이다.
유기 발광 소자(Organic light-emitting devices, 이하 'OLED'라고 함), 예를 들어 유기 전계 발광 다이오드는 양극으로부터 공급되는 정공과 음극으로부터 공급되는 전자가 그 양 전극 사이에 형성된 유기 발광층에서 결합하여 여기자(exciton)가 형성되고 그것이 다시 재결합하는 과정에서 발광하는 소자이다. 유기 전계 발광 소자 (또는 유기 발광 다이오드)는 스스로 발광하는 소자로서 넓은 시야각, 빠른 응답속도 및 높은 색 재현율로 인하여 디스플레이 장치 뿐만 아니라 조명장치에도 응용되어 개발되어 왔다. 유기 발광 다이오드는 R(red), G(green), B(blue)를 따로 발현하거나 백색광을 발현하도록 구성될 수 있다. 최근 OLED에 대한 연구는 경량화, 유연성, 성능대 가격 비 및 대면적화 등과 더불어, OLED 소자에 적용하기 위한 신규 유기 반도체 물질 및 신규 소자 구조 개발에 촛점을 맞춰 왔다.
기존의 유기 전계발광 다이오드는 기판, 제 1전극, 유기 발광층, 제 2 전극의 순서대로 적층된 구조로서, 상기 기판은 유기 발광 소자에 기구적 강도를 제공하는 동시에 투명 창의 역할을 겸한다. 상기 기판은 광 투과성 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 기판은 유리 기판 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있으며, 플라스틱의 경우 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PES(polyethersulfone), PI(polyimide) 등이 사용될 수 있다. 상기 제1 전극은 양극(anode) 또는 음극(cathode)이 될 수 있으며, 설명의 편의를 위해 이하에서는 투명성을 가지는 도전성 양극(anode) 전극인 것으로 가정한다. 예를 들면, 상기 제 1 전극은 투명 전도성 산화물들(TCO:Transparent conductive oxide) 또는 전도성 탄소물질 중의 하나일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 1 전극은 인듐주석산화물(ITO: Indum Tin Oxide), 인듐아연산화물(IZO: Indium Zinc Oxide), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 전도성 고분자 물질 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) or PEDOT:PSS 등) 또는 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브, 금속 나노 와이어 중의 하나일 수 있다. 제2 전극은 제1 전극과 쌍을 이루는 극성을 갖는다. 예를 들어 제1 전극이 양극이면 제2 전극은 음극이 되며, 제1 전극이 음극이면 제2 전극은 양극이 된다. 설명의 편의를 위해 이하에서는, 상기 제2 전극은 도전성 음극(cathode) 전극인 것으로 가정한다. 예를 들어, 제 2 전극은 알루미늄(Al), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo) 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 또한, 제 2 전극은 광 투과성 도전물질일 수 있다. 상기 제 2 전극은 외부로부터 전압을 인가받아 상기 유기 발광층에 전자를 공급시킬 수 있다. 상기 제 2 전극은 상기 유기 발광층으로부터 생성된 광을 투과시키거나 또는 상기 제 1 전극으로 반사시킬 수 있다. 또한, 제 2 전극 상부에는 보호층(passivation layer)이 배치될 수 있다.
유기 발광층은 제1 전극과 제2 전극에서 제공된 전력에 의해 광을 생성하는 요소로 유기 반도체 물질을 포함하며, 양극(ITO막)으로부터 정공주입층, 정공운송층, 발광층, 전자운송층, 전자주입층의 순으로 이루어질 수 있다. 여기서, 두 전극 사이에 위치하는 층, 구체적으로 정공주입층, 정공운송층, 발광층, 전자운송층, 전자주입층 등을 유기 발광층이라 칭하기로 한다. 상기 유기 발광층은 발광원으로서 사용하는 소재에 따라서는 형광, 인광 그리고 하이브리드 OLED로 구분할 수 있으며, 폴리플루오렌(polyfluorene) 유도체, (폴리)파라페닐렌비닐렌 ((poly)paraphenylenevinylene) 유도체, 폴리페닐렌(polyphenylene) 유도체, 폴리비닐카바졸 (polyvinylcarbazole) 유도체, 폴리티오펜(polythiophene) 유도체, 안트라센(anthracene) 유도체, 부타디엔 (butadiene) 유도체, 테트라센(tetracene) 유도체, 디스티릴아릴렌(distyrylarylene) 유도체, 벤자졸 (benzazole) 유도체 또는 카바졸(carbazole) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 유기 발광층은 도펀트를 포함하는 유기 발광 물질일 수 있다. 예를 들어, 도펀트는 크산텐(xanthene), 페릴렌 (perylene), 쿠마린(cumarine), 로더민(rhodamine), 루브렌(rubrene), 디시아노메틸렌피란 (dicyanomethylenepyran), 티오피란(thiopyran), (티아)피릴리움((thia)pyrilium), 페리플란텐(periflanthene) 유도체, 인데노페릴렌(indenoperylene) 유도체, 카보스티릴(carbostyryl), 나일레드(Nile red), 또는 퀴나크리돈(quinacridone) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 유기 발광층은 Ir, Pt, Os, Re, Eu, Tb 등을 이용한 유기금속화합물을 포함하는 적색, 녹색 및 청색 인광 발광 물질일 수 있다. 유기 발광층의 발광원으로 형광 소재를 사용하는 경우에는 소자 안정성 면에서는 우수하지만 고효율을 얻는데 한계가 있으며, 인광소재를 사용하는 경우에는 고효율을 얻을 수 있는 있지만, 안정적인 청색 소재를 얻는데 한계가 있다. OLED 성능은 최근 상당히 향상되어왔고, 일부 인광(phosphorescent) 발광성 물질을 적용하는 OLED에서는 내부 양자효율 (internal quntum efficiency)이 거의 100 %에 달하고 있다.
이와 같이 통상적인 유기 전계발광 다이오드 소자는 2 극성 발광 다이오드(diode) 구조를 가지기 때문에 소자의 발광휘도를 조절하기 위하여 상기 양극 및 상기 음극에 인가되는 전압과 전류의 공급량을 정밀하게 조절하여야 하며, 이는 기존의 LCD 등과 같은 표시소자에서 사용하는 단순 전압 조절 방식에 비해 매우 복잡하며, 특히, 유기 전계발광 소자에 흐르는 전류의 양을 정확하게 조절하기 위해서는 별도의 전류 제어 회로를 구성해야 하는 등의 문제점이 있다.
최근, 이종의 제 3 전극을 구비한 트랜지스터(transistor) 구조의 3 극성(three-terminal) 유기 전계발광 소자가 보고되었다(B. Park et al, "Enhanced luminescence in top-gate-type organic light-emitting transistors, Byoungchoo Park, Hideo Takezoe, Applied Physics Letters, 2004, vol 85, p1280-1282, 2004., 대한민국등록특허 제10-0420180호). 그러나, 상기 3 극성 유기 전계발광 소자 구조는 제 3 전극과 음극/양극 전극 사이의 거리(channel gap)가 멀어질 수 있어, 기존의 다이오드 구조에 비해서, 소자의 고밀도화가 어려울 수 있다. 따라서, 소자의 고밀도화를 이룰 수 있는 고효율 3 극성(three-terminal) 유기 전계발광 소자 기술의 개발이 요망된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 제작이 용이하며, 소자의 구조가 간단하고, 작동의 신뢰성이 향상된 3 극성 유기 전계발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 효율이 높고 유기 발광 소자의 고 밀도화를 저가의 비용으로 손쉽게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 서로 대향 배치되며, 외부 전압을 인가 받아 정공 및 전자를 각각 공급하는 양극 및 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 위치하며, 상기 양극 및 음극으로부터 주입된 전자와 정공을 전달받아 전자-정공 여기자를 생성하고 발광하는 유기 발광층; 상기 양극 및 음극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 상대전극 외부의 표면에 순차적으로 형성된 절연막 및 제 3 전극을 포함하며, 상기의 상대전극은 충분히 얇게 형성되며, 상기 제 3 전극에 상기 상대전극에 대한 조절 전압이 인가되어, EL 발광 현상을 조정하는 역할이 수행되며, 상기 절연막은 상기 제 3 전극과 상기의 상대 전극 사이의 전류의 흐름을 조절하여 통제하며, 상기 제 3 전극의 전위를 상기 상대전극과 상대전극 주변의 유기 발광층으로 전달되도록 하는 것인 종형 3 극성 유기 전계발광 소자를 제공한다.
본 발명은 또한, 기판 상부에, 상기 상대전극과 상대전극 주변의 유기 발광층사이의 에너지 준위를 조절하기 위한 전위가 인가되어, EL 발광의 효율을 증대하는 역할을 수행하는 제 3 전극을 준비하는 단계; 상기 제 3 전극 위에, 전류의 흐름을 조절하여 통제하며, 상기 제 3 전극의 전위를 상기 상대 전극과 상대전극 주변의 유기 발광층으로 전달되도록 하는 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 위에 양극 또는 음극을 형성하고, 상기 양극 또는 음극 상에 유기 발광층을 형성하는 단계; 및 상기 유기 발광층 상에 음극 또는 양극을 형성하는 단계를 포함하는 종형 3 극성 유기 전계발광 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기 발광소자는, 종형(Vertical type) 트랜지스터 구조를 가지므로, 종래의 3 극성 유기 전계발광 소자 구조와 비교하여, 그 구조가 간단하고, 채널 갭(channel gap)이 수 μm 이하의 박막 두께 정도로서, 기존 트랜지스터 구조의 채널 갭(channel gap: 수 μm 이상) 보다 매우 작으므로, 작은 전압으로 작동하며, 접촉 면적이 넓어, 높은 전류의 흐름을 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 3 극성 유기 전계발광 소자는, 제작이 용이하며, 소자의 구조가 간단하고, 작동의 신뢰성이 우수할 뿐만 아니라, 발광 효율이 높으며, 에너지의 변환 효율이 높다.
도 1은 기존의 유기 전계발광 다이오드 소자의 구조를 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 종형 3 극성 유기 전계발광 소자 구조 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 종형 3 극성 유기 전계발광 소자의 제 3 전극 (또는 게이트) 전압 (VG)에 따른 발광 휘도의 음극-양극 (or 소스-드레인) 전압(VSD) 의존성 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 종형(vertical type)의 트랜지스터 구조를 3 극성 유기 전계발광 소자에 도입하고자 한다. 전극으로부터 반도체 박막으로 주입되는 전하를 통제하여 전기 전류(electrical current)를 조절하기 위한 종형 트랜지스터에 관한 대표적인 종래기술로는 미국특허 US7002176 와 US2006/0284230 이 있다. 이 두 종래기술의 경우 모두 게이트 전극의 전위를 조절하여 반도체 박막에 주입되는 전공 또는 전자의 양을 조절하여 전기 전류의 흐름을 통제하는 소자로 작용한다. 본 발명에서는 상기의 종형 구조와 유기 발광층을 더하여 새로운 종형 3 극성 유기 전계발광 트랜지스터 소자를 제작하여 상기의 목적을 달성하였다.
본 발명에서는, 음극(또는 소스)과 양극(또는 드레인)으로부터 전하를 효과적으로 유기 발광층으로 전달하기 위하여, 전극(양극 또는 음극) 상부에 절연막을 사이에 두고 제 3 전극(게이트 전극)을 수직으로 배열시킨, 종형 트랜지스터 구조의 3 극성 유기 전계발광 소자를 제공한다. 도 2는, 본 발명에 따른 종형 트랜지스터 구조의 3 극성 유기 전계발광 소자의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3 극성 유기 전계발광 소자는, 기판 상에 서로 대향 배치되는 양극(anode) 및 음극(cathode), 상기 양극 및 음극 사이에 위치하며, 정공 주입, 수송 및 전자수송 층들을 포함하는 유기 발광층 (electroluminescent layer or EL layer), 상기 양극 및 음극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 전극(상대전극) 외부의 표면에 순차적으로 형성된 절연막 및 제 3전극을 포함한다.
본 발명에 따른 3 극성 유기 전계발광 소자에 있어서, 광을 발생하는 유기 발광층은 발광 휘도가 높은 것이 바람직한 반면, 양극, 음극, 절연막, 제 3 전극 등은 가시광 투과도가 높은 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 유기 발광층에서 생성된 광이 상기 양극 방향으로 전파하고, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 3 전극 및 절연막이 양극 외부 표면에 형성되는 경우에는, 상기 제 3 전극, 절연막 및 양극은, 가시광 투과도가 적어도 50 % 이상인 재료로 이루어져, 생성된 EL 광이 용이하게 투과하여, 소자 외부로 전달되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 기판은, 유기 발광층에서 발생한 광을 소자 외부로 전달시키면서, 상기 유기 전계발광 소자를 보호하는 역할을 하는 것으로서, 유리 또는 휠 수 있는 플라스틱과 같은 광투과성을 가지는 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 양극 및 음극은 유기 발광층으로 정공 및 전자를 각각 공급하는 전극의 역할을 한다. 상기 양극은 정공을 주입하는 기능을 하고, 일함수가 4.5 eV 이상인 것이 바람직하며, 발생 EL 광이 적어도 부분적으로 투과할 수 있는 투명 및/또는 다공성 물질로 이루어지는 것이 바람직하고, 예를 들면, 비한정적으로 높은 일함수를 가지는 주석도핑 산화인듐(ITO: tin doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO: fluorine-doped tin oxide), 인듐 아연 산화물(IZO: indium zinc oxide), 두께 50 nm 이하의 금(Au) 또는 은(Ag) 박막, 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자, 전도성 유기 단분자, 전도성 올리고머 등의 전도성 유기재료, 또는 전도성 무기재료, 금속, 금속 나노 와이어, 전도성 나노입자 및 나노 와이어, 그래핀 (graphene), 탄소나노 막대 또는 그 복합체물 또는 그 적층물 등으로 이루어질 수 있다. 상기 양극의 구체적인 예로는, 일함수가 큰 금 등의 금속을 두께 20 nm 정도의 다공성 박막으로 형성하여, 가시광 영역에서의 광투과성이 60% 이상이도록 한 다공성 도전성 박막을 예시할 수 있다. 상기 음극은 전자를 수집하는 기능을 하는 일함수가 낮은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 리튬(Li) 및 그 복합물 또는 그 적층물 등과 같은 도전성 박막 형태이거나, 또는 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 실리콘, 이들의 혼합물, 전도성 나노입자 등으로 이루어진 금속판 형태일 수 있다. 상기 양극 또는 음극 전극으로서, 두께 50 nm 정도의 금속 박막을 사용하는 경우에는, 금속 박막 표면에 고유한 표면 플라즈몬이 여기될 수 있으며, 특히 가시광 영역의 입사광 흡수 방출이 용이하므로, 광 여기 표면 플라즈몬으로 발광 효율을 조절 또는 증대시킬 수 있다. 또한, 상기 절연막 및 제 3 전극이 형성되는 전극, 즉, 절연막 및 제 3 전극과 인접한 양극 또는 음극의 상대전극은, 그 조직이 치밀하지 않은 다공성 망사형 또는 그물막(network) 조직의 박막으로 형성되어, 제 3 전극의 전위가 완전히 차폐(shielding)되지 않고, 상기 상대 전극과 상대전극 주변 유기 발광층사이의 전하이동에 영향을 미칠 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 상기 양극 또는 음극의 상대전극은 그 두께가 100 nm 이하, 바람직하게는 1 내지 50 nm, 더욱 바람직하게는 1 내지 40 nm, 가장 바람직하게는 1 내지 20 nm 정도이다.
본 발명에 따른 종형 3 극성 유기 전계발광 소자에 있어서, 상기 유기 발광층은 전하를 공급 받아 전자-정공 여기자를 생성하고 생성된 여기자로부터 EL 발광 빛을 얻기 위한 것으로서, 앞서 언급한 통상의 유기 반도체 발광 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 양극과 유기 발광층 사이에는 정공 주입 또는 수송층을 습식 방법이나 진공증착 등의 건식 방법으로 더욱 형성할 수 있다. 상기 음극과 유기 발광층 사이에는 전자주입층, 전자수송층 등이 더욱 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 전자주입층으로서, 플루오르화리튬(LiF), 플루오르화세슘(CsF), 산화마그네슘(MgO), 염화나트륨(NaCl), 플루오르화나트륨(NaF) 등의 무기염 초박막 계면층을, 두께 0.1 내지 5.0 nm, 바람직하게는 0.5 내지 2.0 nm로 형성하여, 음극으로부터 전자가 원활히 주입되도록 함으로서, 소자의 작동 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 제 3 전극은, 상기 상대전극과 상대전극 주변의 유기 발광층사이의 에너지 준위를 조절하기 위한 전위를 인가하여, EL 발광 효율을 증대하는 역할을 수행하는 것으로서, 그 두께는 통상 10 내지 200 nm 이고, 생성된 EL 광이 투과할 수 있는 투명 전극인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 제 3 전극은 주석도핑 산화인듐(ITO : tin-doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO : fluorine-doped tin oxide), 인듐 아연 산화물(IZO: indium zinc oxide), 등의 도전성 물질, 알루미늄, 은, 스테인레스 스틸, 구리, 텅스텐, 실리콘 등의 금속으로 이루어진 도전성 박막, 또는 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자, 전도성 유기 단분자, 전도성 올리고머 등의 전도성 유기재료, 전도성 무기재료 금속, 금속 나노 와이어, 전도성 나노입자 및 나노 와이어, 그래핀, 탄소나노 막대 또는 그 복합체물 또는 그 적층물 등인 것이 바람직하다.
상기 절연막은 상기 제 3 전극과 양극 또는 음극 전극의 사이에 개제되어, 상기 제 3 전극과 양극 또는 음극 사이의 전류의 흐름을 조절하여 통제하며, 전위에 따른 제 3 전극의 전위를 상기 상대전극과 상기 유기 발광층으로 전달되도록 한다. 상기 절연막은, 전류 조절성이 우수하고, 막으로서의 제작이 용이하기만 하면, 무기물, 유기물, 고분자 등의 다양한 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면, 폴리 메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET : poly(ethylene terephthalate), 폴리이미드(PI), 등의 비전도성 고분자, 또는 플루오르화세슘(CsF), 이산화규소(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 질화규소(SiN), 산화 알루미늄(Al2O3) 등의 비전도성 무기박막 등의 절연성 재료로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 통상 2 내지 1000 nm 이다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 3 극성 유기 전계발광 소자의 제조방법을 설명한다. 본 발명에 따라, 종형 3 극성 유기 전계발광 소자를 제조하기 위해서는, 먼저 기판 위에 제 3 전극을 준비하고, 상기 제 3 전극 위에 절연막을 형성한다. 다음으로, 상기 절연막 위에 양극 (또는 음극)을 형성하고, 상기 양극 (또는 음극) 상에 유기 발광층을 형성한 다음, 상기 유기 발광층 상에 음극 (또는 양극)을 형성한다. 또한, 상기 기판과 제 3 전극이 발전 소자의 반대쪽에 위치하는 경우에는, 먼저, 기판 상부에 양극 (또는 음극)을 형성하고, 상기 양극 (또는 음극) 상에 유기 발광층을 형성한 다음, 유기 발광층 상에 음극 (또는 양극)을 형성한다. 다음으로, 상기 음극 (또는 양극) 상부에 절연막을 형성하고, 상기 절연막의 상부에 제 3 전극을 형성하여, 본 발명에 따른 종형 3 극성 유기 전계발광 소자를 제조할 수 있다.
일반적으로, 상기 제 3 전극과 양극 박막은 스퍼터링이나 진공증착법으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 음극 박막도 스퍼터링이나 진공증착법으로 형성할 수 있으나, 유기 발광층 상부에, 음극을 형성하는 경우에는 진공증착법을 사용하는 것이 바람직하다. 스퍼터링법을 사용할 경우, 높은 에너지를 가진 이온이 박막 형성 과정에서 유기 발광층을 손상시킬 수 있기 때문이다. 유기 발광층을 형성하는 단계에서는, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드법 등의 각종 인쇄 또는 코팅 방법 및 진공 증착 방법을 사용할 수 있다. 이때, 상기 유기 발광층의 두께는 100 nm 이상일 수 있다. 종래 기술에 있어서는, 전하 주입 효율 및 EL 발광 효율이 낮아, 유기 발광층의 두께를 통상 100 nm 이하로 제한되었으나, 본 발명에서는 제 3 전극의 전위를 통해 전하를 효과적으로 주입할 수 있으므로, 유기 발광층의 두께를 100nm 보다 형성하여, 발광 빛의 양을 증가시킬 수 있으며, 따라서, 높은 발광 효율을 얻을 수 있다. 끝으로, 전극이 형성된 소자를 산소와 수분으로부터 보호하기 위해, 유리, 세라믹, 플라스틱, 금속 등의 밀봉 부재를 사용하여 불활성 가스 분위기에서, 소자를 봉지하거나, 열경화 수지 또는 자외선 경화 수지를 사용하여 소자를 봉지할 수 있다. 또한, 기밀 공간 중간에 흡습성 재료를 넣어 두는 것이 효과적인데, 그러한 흡습성 재료의 대표적인 예는 산화바륨이다.
본 발명의 종형 3 극성 유기 전계발광 소자에 사용된 절연층, 제 3 전극 및 망사형 다공성 박막 전극 구조는, 유기 전계발광 소자뿐만 아니라 무기 발광 소자 등 각종 발광 소자에 제한 없이 적용할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위한 바람직한 실시예를 제시한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실시예] 종형 3 극성 유기 전계발광 소자의 제작
유리 기판위에, ITO (두께: 80 nm, 면저항: 30 ohm/square)로 이루어진 투명 제 3 전극 패턴을 형성한 다음, 상기 투명 제 3 전극 위에, 산화 알루미늄(Al2O3) 박막을 스퍼터링법으로 코팅하여, 두께 300 nm정도의 절연막을 형성하였다. 형성된 절연막 위에, 양극을 형성하기 위해 30 nm 정도 두께로 Au 다공성 금속박막을 형성하여 투명 양극을 형성하였다. 제작된 Au 양극 상부에 발광성 고분자 Super-Yellow(SY, Merck catalogue number PDY-132)를 녹인 톨루엔 용액 (5 mg/mL)을 상온에서 상기 Au 양극 상부에 스핀 코팅한 후, 핫플레이트(hot plate)를 이용하여 100℃ 내외에서, 1시간 정도 어닐링(annealing)하여 용매를 제거함으로써, 약 80 nm 정도 두께의 유기 발광층을 형성하였다. 다음으로, 유기 발광층 상부에 2 nm 정도 두께의 Cs2CO3 전자 주입층을 2 x 10-6 torr 내외에서 진공 증착하여 계면층을 형성하고, 상기 계면층 상부에 다시 100 nm 정도 두께의 Al 음극 전극층을 더욱 형성하여, 종형 3 극성 유기 전계발광 소자를 제작하였다.
[비교예] 2 극성 유기 전계발광 소자
실시예에서 제조된 종형 3 극성 유기 전계발광 소자에서 제 3 전극을 단락시켜, 유기 전계발광 소자가 2극성 기준 소자(reference device)로 동작하도록 하였다.
실시예와 비교예의 유기 전계발광 소자 특성을 다음의 방법으로 비교하였다. 실시예 및 비교예의 유기 전계발광 소자 각각에 대하여, 음극(또는 소스)과 양극(또는 드레인) 사이의 전압(VSD)에 따른 발광 휘도의 변화를 측정하여, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 또한, 실시예 및 비교예 소자의 특성을 정리하여, 표 1에 나타내었다. 이때 사용한 측정기는 Chroma meter (CS-200, Konica Minolta Sensing Inc.) 휘도계였다.
시료 On-set 전압 발광휘도 (at VSD=10V) 휘도 비율 (%)
실시예 (VG =-4V) 6 58 129
실시예 (VG =+4V) 8 35 78
비교예 8.5 45 100
도 3 및 표 1로부터, 기존의 유기 전계발광 소자(비교예, Ref.)의 특성과 비교하여, 본 발명의 종형 3 극성 유기 전계발광 소자(실시예, 제 3 전극 전압 VG = -4 V)의 동작이 월등히 우수함을 알 수 있다. 구체적으로, 동일한 박막 구조를 가지지만, 기존(비교예) 소자로부터는 온셋 전압 VON ~ 8.5 V, 휘도 (at 10 V) ~ 45 cd/m2 의 특성을 얻는데 반하여, 실시예 소자로부터 (VG = -4 V 경우) VON ~ 6 V, 휘도 ~ 58 cd/m2 의 증강된 소자 특성을 관찰할 수 있었다. 이는 기존 소자의 휘도에 대하여 본 발명의 소자가 29 % 정도 더욱 증가된 효과를 가짐을 의미한다. 이러한 결과로부터, 본 발명의 종형 3 극성 유기 전계발광 소자 트랜지스터가 효율적인 소자임을 입증할 수 있었다. 또한, 이러한 효과는 전기전류의 흐름만을 통제하는 기존의 종형 트랜지스터에서는 얻을 수 없는, 고효율의 EL 발광 효과를 얻을 수 있음을 입증할 수 있었다. 상기 실시예에서 제3 전극을 음극에 가깝도록 배치할 경우, 제3 전극에는 플러스 전위를 인가하는 것이 바람직한 효과를 거둘 수 있을 것이다.
한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도면부호 없음.

Claims (8)

  1. 서로 대향 배치되며, 전류를 공급 받아 정공 및 전자를 각각 공급하는 양극 및 음극;
    상기 양극 및 음극 사이에 위치하며, 공급된 정공 및 전자로 전자-정공 여기자를 생성하고 발광하는 유기 발광층;
    상기 양극 및 음극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 상대전극 외부 표면에 순차적으로 형성된 절연막 및 제 3 전극을 포함하며,
    상기 제 3 전극에는 상기 상대전극과 상대전극 주변의 유기 발광층 사이의 에너지 준위를 조절하기 위한 전위가 인가되어, 발광 휘도 또는 발광 효율을 증대하는 역할이 수행되며, 상기 절연막은 상기 제 3 전극과 양극 또는 음극사이의 전류의 흐름을 조절하여 통제하며, 상기 제 3 전극의 전위는 상기 상대전극과 상대전극 주변의 유기 발광층으로 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 종형 3 극성 유기 전계발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연막 및 제 3 전극과 인접한 양극 또는 음극은, 다공성 그물막 조직의 박막으로 형성되며, 그 두께는 1 내지 200 nm임을 특징으로 하는, 종형 3 극성 유기 전계발광 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제 3 전극 및 절연막이 상기 양극 외부 표면에 형성되고, 상기 제 3 전극, 절연막 및 양극은, 가시광 투과도가 50 % 이상인 재료로 이루어진 것인, 종형 3 극성 유기 전계발광 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유기 발광층은 정공주입층, 정공수송층 및 전자주입층을 포함하는 것을 특징으로 하는 종형 3 극성 유기 전계발광 소자.
  5. 제1항에 있어서, 제3 전극의 위치가 음극보다 양극에 더 가까울 경우, 제3 전극에 마이너스의 전위를 인가하고, 제3 전극의 위치가 양극보다 음극에 더 가까울 경우, 제3 전극에 플러스의 전위를 인가하는 것을 특징으로 하는 종형 3 극성 유기 전계발광 소자.
  6. 기판 상부에, 상대전극과 상대전극 주변의 유기 발광층 사이의 에너지 준위를 조절하기 위한 전위가 인가되어, 발광 휘도 또는 발광 효율을 증대하는 역할을 수행하는 제 3 전극을 준비하는 단계;
    상기 제 3 전극 위에, 전류의 흐름을 조절하여 통제하며, 상기 제 3 전극의 전위를 상기 상대전극과 상대전극 주변의 유기 발광층으로 전달되도록 하는 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 위에 상대전극으로 양극 또는 음극을 형성하고, 상기 양극 또는 음극 상에 유기 발광층을 형성하는 단계; 및
    상기 유기 발광층 상에 음극 또는 양극을 형성하는 단계를 포함하는 종형 3 극성 유기 전계발광 소자의 제조방법.
  7. 기판 상부에 양극 또는 음극을 형성하는 단계;
    상기 양극 또는 음극 상에, 유기 발광층을 형성하는 단계;
    상기 유기 발광층 상에 상대전극으로 음극 또는 양극을 형성하는 단계;
    상기 상대전극 상부에, 전류의 흐름은 조절하여 통제하나, 제 3 전극의 전위를 상기 상대전극과 상대전극 주변의 유기 발광층으로 전달되도록 하는 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 절연막의 상부에, 상기 상대전극과 상대전극 주변의 유기 발광층 사이의 에너지 준위를 조절하기 위한 전위가 인가되어, 발광 휘도 또는 발광 효율을 증대하는 역할을 수행하는 제 3 전극을 형성하는 단계를 포함하는 종형 3 극성 유기 전계발광 소자의 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 절연막 및 제 3 전극과 인접한 상대전극 은, 다공성 그물막 조직의 박막으로 형성되며, 그 두께는 1 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는, 종형 3 극성 유기 전계발광 소자의 제조방법.

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