KR101894333B1 - 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 층구조를 달리하여 소자의 효율을 향상시킨 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 유기 발광 소자는 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판;과, 상기 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되며 이격한 제 2 전극;과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 상기 제 1 화소에 형성된 제 1 발광층과 상기 제 2 화소에 형성된 제 2 발광층;과, 상기 제 1 발광층과 제 2 발광층 상부에, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 차례로 형성된 제 1 삼중항 여기자 제한층, 제 3 발광층 및 제 2 삼중항 여기자 제한층;과, 상기 제 1 발광층 및 제 2 발광층의 층과, 상기 제 1 전극의 층간에 형성된 제 1 공통층; 및 상기 제 2 삼중항 여기자 제한층과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 제 2 공통층을 포함한 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것으로 특히, 층 구조를 달리하여 소자의 효율을 향상시킨 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
다양한 정보를 화면으로 구현해 주는 영상 표시 장치는 정보 통신 시대의 핵심 기술로 더 얇고 더 가볍고 휴대가 가능하면서도 고성능의 방향으로 발전하고 있다. 이에 음극선관(CRT)의 단점인 무게와 부피를 줄일 수 있는 평판 표시 장치로 유기 발광층의 발광량을 제어하여 영상을 표시하는 유기 발광 표시 장치 등이 각광받고 있다.
유기 발광 표시 장치는 전극 사이의 얇은 발광층을 이용한 자발광 소자로 종이와 같이 박막화가 가능하다는 장점을 갖고 있다. 이러한, 유기 발광 표시 장치는 화소별 개별 셀 구동부에 의해 선택적 구동이 가능한 능동형 매트릭스(Active Matrix)와 라인별로 제어가 가능한 패시브 매트릭스(Passive matrix)로 나눠지게 된다.
이때, 능동형 매트릭스 유기 발광 표시 장치(AMOLED)는 3색(R, G, B) 화소로 구성된 화소들이 매트릭스 형태로 배열되어 화상을 표시하게 된다. 각 화소는 유기 발광 소자(Organic Light Emitting Diode)와, 그 유기 발광 소자를 구동하는 셀 구동부를 포함한다. 셀 구동부는 스캔 신호를 공급하는 게이트 라인과, 비디오 데이터 신호를 공급하는 데이터 라인과, 공통 전원 신호를 공급하는 공통 전원 라인 사이에 접속된 적어도 2개의 박막 트랜지스터로 구성되어 유기 발광 다이오드의 양극을 구동한다.
유기 발광 소자는 양극(anode), 정공 주입층(Hole Injection Layer;HIL), 정공 수송층(Hole Transport Layer;HTL), 발광층, 전자 수송층(Electron Transport Layer;ETL), 전자 주입층(Electron Injection Layer;EIL), 음극(cathode)을 포함한다.
이러한 유기 발광 소자는 일반적으로 각 층별로 진공 증착 방식으로 진행하는 바가 알려져 있다. 이는 형성하고자 하는 층의 물질을 진공 챔버에서, 기상화하여 기판 상에 증착하는 방식이다.
그런데, 진공 챔버를 이용하는 경우, 적어도 진공 증착이 이루어지는 기판의 크기보다는 챔버의 크기가 커야 하고, 또한, 챔버 내 기판의 유입을 위해 가로/세로로 충분한 공간 확보가 어려워, 대형화에는 한계에 있으며, 대형화가 가능한 경우에도 대형화된 챔버를 진공 조건으로 유지하기 힘들어 다른 형성 방식의 고려가 있었다.
그 일예로, 용액 공정(soluble process)을 통해 별도의 진공조건이 요구되는 챔버없이 기판 상에 용액 상으로 층을 형성하고자 하는 방법이 있다.
그러나, 유기 발광 소자를 이루는 층 중 일부는 재료적으로 안정성이 떨어져 용액 공정이 불가한 문제가 있고, 특히, 청색 발광 재료의 경우 용액 공정으로 형성시 표시 장치에 적용하는데 있어 충분한 특성이 나오지 않아, 최근 청색 발광 재료와 적색/녹색 발광층을 구분하여 형성 공정을 적용하는 방법이 제안되고 있다.
상기와 같은 종래의 유기 발광 소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
최근 하이브리드(hybrid) 형의 유기 발광 소자로서, 적색 발광층과 녹색 발광층을 화소별로 나누어 형성하되, 공통적으로 청색 발광층을 전 화소에 걸쳐 형성하는 구조가 알려져 있다.
하지만, 이 구조에서 청색 발광층이 전 화소에 걸쳐 형성되기 때문에, 적색 발광층과 녹색 발광층과 오버랩된 영역이 존재하고, 이 영역에서는 발광의 혼색 효과에 의해 색 순도가 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 색 순도 저하를 위해 여러가지 형태의 구조가 제안되지만, 색 순도가 개선되면 구동 전압이 증가하는 문제가 있는 등 아직까지 하이브리드 유기 발광 소자에 있어, 구동 전압을 낮추며 동시에 색순도가 개선된 구조가 개발되지 않았다.
또한, 하이브리드 소자에 있어서도 용액 공정의 적용 요구가 있었으나, 재료 자체의 한계로, 용액 공정이 불가능한 층도 존재하며, 이로 인해 용액 공정과 진공 증착 공정을 병행할 때, 용액 공정으로 형성된 표면의 데미지(damage)로 안정성 있게 복수층의 적용하는데 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 층구조를 달리하여 소자의 효율을 향상시킨 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유기 발광 소자는 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판;과, 상기 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되며 이격한 제 2 전극;과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 상기 제 1 화소에 형성된 제 1 발광층과 상기 제 2 화소에 형성된 제 2 발광층;과, 상기 제 1 발광층과 제 2 발광층 상부에, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 차례로 형성된 제 1 삼중항 여기자 제한층, 제 3 발광층 및 제 2 삼중항 여기자 제한층;과, 상기 제 1 발광층 및 제 2 발광층의 층과, 상기 제 1 전극의 층간에 형성된 제 1 공통층; 및 상기 제 2 삼중항 여기자 제한층과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 제 2 공통층을 포함한 것에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 삼중항 여기자 제한층은 전자 이동도와 정공 이동도가 모두 1.0 ×10-8 ㎠/s·V 이상인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제 1 및 제 2 삼중항 여기자 제한층은 상기 제 3 발광층에 포함되는 호스트와 도펀트의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위에 대해 각각 0.5eV 이내에 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 삼중항 여기자 제한층의 삼중항 에너지 준위는, 상기 제 1 내지 제 3 발광층의 각 도펀트의 삼중항 에너지 준위보다 높은 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 1 삼중항 여기자 제한층은 1nm 내지 15nm 의 두께이며, 상기 제 2 삼중항 여기자 제한층은 1nm 내지 5nm의 두께인 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 1 삼중항 여기자 제한층 및 제 2 삼중항 여기자 제한층은 각각 저분자 유기 물질로 이루어질 수 있다.
그리고, 예를 들어, 상기 제 1 발광층은 적색 발광층이며, 제 2 발광층은 녹색 발광층이며, 제 3 발광층은 청색 발광층일 수 있다.
또한, 상기 제 1 공통층, 제 1 발광층 및 제 2 발광층은 용액성 재료로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 기판은 상기 제 1 전극과 각 화소별로 접속되는 박막 트랜지스터를 갖는 박막 트랜지스터 어레이를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 유기 발광 소자의 제조 방법은, 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판을 준비하는 단계;와, 상기 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;와, 상기 제 1 전극 상에 용액 공정으로 제 1 공통층을 형성하는 단계;와, 상기 제 1 공통층 상에, 각각 용액 공정을 통해 상기 제 1 화소에 제 1 발광층과, 상기 제 2 화소에 제 2 발광층을 형성하는 단계;와, 증착 공정을 통해, 상기 제 1 발광층과 제 2 발광층을 덮으며, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 차례로, 제 1 삼중항 여기자 제한층, 제 3 발광층, 제 2 삼중항 여기자 제한층 및 제 2 공통층을 형성하는 단계;와, 상기 제 2 공통층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함한 것에 또 다른 특징이 있다.
그리고, 상기 제 1 공통층, 제 1 발광층, 제 2 발광층을 형성하는 용액 공정은, 잉크젯 인쇄, 노즐 인쇄, 전사 방식, 슬릿 코팅, 그라비아 인쇄(gravure printing) 및 열 제트 인쇄(thermal jet printing) 중 어느 하나로 이루어지는 것에 또 다른 특징이 있다.
상기 제 1 삼중항 여기자 제한층 및 제 2 삼중항 여기자 제한층은 각각 저분자 유기물을 증착하여 형성할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 용액 방식으로 적색 발광층과 녹색 발광층을 각각의 화소에 대응하여 형성한 후, 바로 진공 증착 방식으로 청색 발광층을 오버랩하지 않고, 제 1 삼중항 여기 제한층과 청색 발광층 및 제 2 삼중항 여기 제한층을 진공 증착 방식으로 차례로 형성함으로써, 용액 공정으로 형성한 발광층의 표면과 이어 증착되는 층과의 계면 밀착성을 개선할 수 있다.
둘째, 발광층 양측에 구비된 삼중항 여기자 제한층의 구비에 의해, 발광층 내에 여기자를 제한시키는 것이 가능하여, 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 여기자가 인접한 정공 수송층이나 전자 수송층으로 빠져나감을 방지하게 하여, 여기자(exciton) 확산에 의한 효율 저하를 방지시키는 것이다.
셋째, 용액 공정으로 형성한 발광층의 표면과 이어 증착되는 층(제 1 삼중항 여기자 제한층)간의 계면 특성이 안정화되어 수명 향상이 기대된다.
넷째, 하이브리드 소자 구조에서, 적색 또는 녹색 발광층과 청색 발광층이 오버랩된 영역이 존재하더라도, 특히, 오버랩된 영역의 혼색을 방지하여 색순도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 2는 도 1의 유기 발광 소자를 액티브 매트릭스 방식에 적용한 구조 단면도
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 유기 발광 소자의 용액 공정의 예를 나타낸 공정도면
도 4는 본 발명의 유기 발광 소자에 비교되는 비교예를 나타낸 단면도
도 5는 본 발명의 유기 발광 소자와, 비교예에 있어서, 적색 화소의 구체적 구성을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 유기 발광 소자와, 비교예에 있어서, 녹색 화소의 구체적 구성을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 유기 발광 소자와, 비교예에 있어서, 청색 화소의 구체적 구성을 나타낸 도면
도 2는 도 1의 유기 발광 소자를 액티브 매트릭스 방식에 적용한 구조 단면도
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 유기 발광 소자의 용액 공정의 예를 나타낸 공정도면
도 4는 본 발명의 유기 발광 소자에 비교되는 비교예를 나타낸 단면도
도 5는 본 발명의 유기 발광 소자와, 비교예에 있어서, 적색 화소의 구체적 구성을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 유기 발광 소자와, 비교예에 있어서, 녹색 화소의 구체적 구성을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 유기 발광 소자와, 비교예에 있어서, 청색 화소의 구체적 구성을 나타낸 도면
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 유기 발광 소자 및 이의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1과 같이, 본 발명의 유기 발광 소자는 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 TFT 기판(100)과, 상기 TFT 기판 상에 형성된 제 1 전극(132)과, 상기 제 1 전극(132)과 대향되며 이격한 제 2 전극(148)과, 상기 제 1 전극(132)과 제 2 전극(148) 사이에, 상기 제 1 화소에 형성된 제 1 발광층(136)과 상기 제 2 화소에 형성된 제 2 발광층(137)과, 상기 제 1 발광층(136)과 제 2 발광층(137) 상부에, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 차례로 형성된 제 1 삼중항 여기자 제한층(TCL: Trip Exciton Confinement Layer)(142), 제 3 발광층(144) 및 제 2 삼중항 여기자 제한층(145)과, 상기 제 1 발광층(136) 및 제 2 발광층(137)의 층과, 상기 제 1 전극(132)의 층간에 형성된 제 1 공통층(134) 및 상기 제 2 삼중항 여기자 제한층(145)과 상기 제 2 전극(148) 사이에 형성된 제 2 공통층(146)을 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 TFT 기판(100)은 각 화소별로 구동을 위한 TFT(박막 트랜지스터)를 포함하는 셀 구동부가 형성되어 있다.
그리고, 상기 제 1 내지 제 3 화소는 규칙적으로 반복되어 형성된다. 이러한 규칙성은 라인별 또는 대각선 상으로 가질 수 있다.
그리고, 도시된 예는 제 1 화소는 적색 화소, 제 2 화소는 녹색 화소를 제 3 화소는 청색 화소를 나타낸 것으로, 적색 발광층과 녹색 발광층은 해당 화소에 형성되며, 청색 발광층은 전 화소에 걸쳐 공통적으로 형성된다.
그러나, 본 발명의 유기 발광 소자는 이러한 색조합에 한정되지 않고, 각 발광층의 혼색으로 백색이 구현 가능하다면 그 외의 색상의 조합으로도 변경 가능하다 할 것이다. 일예로, 제 3 색 화소는 청색 화소, 제 1, 제 2 색 화소는 각각 황색 화소, 녹색 화소로도 변경 가능하다.
한편, 상기 제 1 발광층(136)과 제 2 발광층(137)은 서로 다른 화소에 구분되어 형성되는데, 이는 저분자 또는 고분자의 용액(soluble) 공정 가능한 재료를 상기 제 1 공통층(134) 상에 선택적으로 코팅하여 형성된다. 여기서, 상기 용액 공정으로 형성된 제 1 발광층(136) 및 제 2 발광층(137)을 이루는 재료는 각각 형광 발광 물질, 혹은 인광 발광 물질일 수 있다. 이들 발광층(136, 137)은 하나 이상의 호스트에 발광 색상을 표현할 수 있는 하나 이상의 도펀트가 포함하여 이루어진다.
이론적으로는 인광 발광이 형광 발광에 대비 약 3배 정도의 효율을 갖지만, 다른 발광층과의 혼색 정도와, 수명 정도를 고려하여 발광층에 포함되는 인광 또는 형광의 재료를 선택할 수 있다.
여기서, 용액 공정은, 예를 들어, 잉크젯 인쇄(inkjet printing), 노즐 인쇄(nozzle printing), 전사 공정(transferring process), 열 제트 인쇄(thermal jet printing) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이러한 용액 공정은 별도의 마스크나 챔버없이 기판 상에 이루어질 수 있는 것이다.
상술한 발광층들 중 제 3 발광층(청색 발광층)만 저분자 재료로 증착 방식에 의해 형성하였는데, 이는 현재까지 알려진 청색 발광층의 재료로서는, 용액 공정으로 형성시 다른 발광층에 대비하여 충분한 효율이 나오지 못하며 안정성이 떨어지기 때문이다. 만일, 용액 공정에 의해서도 효율이 좋고 안정성이 향상된 청색 발광층의 개발된다면 청색 발광층 역시 용액 공정으로 대체하여 형성가능하다 할 것이다.
도시된 유기 발광 소자에 있어서는, 상기 제 3 발광층(144)은 청색 발광층으로 저분자 재료로 증착 방식으로 형성한 바를 나타낸다.
여기서, 제 3 발광층(144)의 하부 및 상부에 형성되는 상기 제 1 및 제 2 삼중항 여기자 제한층(142, 145)은 전자 이동도와 정공 이동도가 모두 1.0 ×10-8 ㎠/s·V 이상인 것으로, 정공 이동도와 전자 이동도가 모두 좋은 양극(bipolar) 특성을 갖는다.
이 경우, 상기 제 1 및 제 2 삼중항 여기자 제한층(142, 145)은 상기 제 3 발광층(144)에 포함되는 호스트(host)와 도펀트(dopant)의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위와 각각 0.5eV 이내의 차를 갖는 재료가 바람직하다. 즉, 서로 다른 층에 형성되는 제 1, 제 2 발광층(136, 137)과, 제 3 발광층(144)으로의 정공의 전송이 용이하게 이루어지도록 하기 위해, 상기 제 1 삼중항 여기자 제한층(142)은, 제 1 내지 제 3 발광층(136, 137, 144)의 HOMO 에너지 준위보다 절대값이 작은 HOMO 에너지 준위를 가지며, 전자의 전송이 용이하게 이루어지도록 하기 위해서, 상기 제 1 내지 제 3 발광층(136, 137, 144)의 LUMO 에너지 준위보다 절대 값이 큰 LUMO 에너지 준위를 갖는다. 또한, 상기 제 2 삼중항 여기자 제한층(145)은, 제 3 발광층(144)으로의 전자의 전송이 용이하게 이루어지도록 하기 위해서, 상기 제 3 발광층(144)의 LUMO 에너지 준위보다 절대 값이 큰 LUMO 에너지 준위를 갖는다.
그리고, 상기 제 1 및 제 2 삼중항 여기자 제한층(142, 145)의 삼중항 에너지 준위(T1)는, 상기 제 1 내지 제 3 발광층(136, 137, 144)의 각 도펀트의 삼중항 에너지 준위보다 높은 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제 1 삼중항 여기자 제한층(142)은 1nm 내지 15nm 의 두께이며, 상기 제 2 삼중항 여기자 제한층(145)은 1nm 내지 5nm의 두께인 것이 바람직하다. 이러한 제 1, 제 2 삼중항 여기자 제한층(142, 145)은 발광층의 두께 대비 낮은 두께로 형성하며, 정공/전자 이동도가 모두 좋은 유기물 혹은 유기물에 정공/전자 이동도를 높이기 위해 일부 무기물이 도핑된 재료로 형성한다.
한편, 상기 제 1 삼중항 여기자 제한층(142) 및 제 2 삼중항 여기자 제한층(145)은 진공 증착 공정으로 형성하기 위해 각각 저분자 유기 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 삼중항 여기자 제한층(142), 제 3 발광층(144), 제 2 삼중항 여기자 제한층(145), 제 2 공통층(146) 영역 구분없이 전체적으로 형성되는 층으로, 진공 증착 방식에 의해 형성되는 층들이다. 이러한 층들은 마스크 없이 형성되는 것으로, 영역 구분없이 기판면에 전체적으로 형성된다.
여기서, 상기 제 1 공통층(134), 제 1 발광층(136) 및 제 2 발광층(137)은 용액성 재료로 용액 공정으로 형성한다.
상기 제 1 공통층(134)은 정공 주입층(1341)과, 정공 수송층(HTL)(1342)을 포함한다. 경우에 따라, 상기 정공 주입층(1341)은 생략될 수 있을 것이며, 혹은 정공 수송층과 정공 주입층 재료로 섞어 한층으로도 형성할 수 있다. 또한, 각 정공 주입층(1341) 및 정공 수송층(1342)은 이층 이상으로 복수개의 층으로 나누어 형성할 수도 있다. 어느 경우이든, 상기 제 1 공통층(134)은 상기 제 1 전극(132)으로부터 상기 발광층(EML)으로 정공의 전달을 수행하는 층이다.
상기 제 2 공통층(146)은 도시된 바와 같이, 단일층의 전자 수송층으로 이루어질 수도 있으며, 경우에 따라 전자 수송층 상에, 추가적으로 전자 주입층을 더 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 공통층(146)은 상기 제 2 전극(148)으로부터 상기 제 2 삼중항 여기자 제한층(146)을 개재하여 상기 제 3 발광층(144)으로 전자의 전달을 수행하는 층이다.
또한, 상기 제 1 전극(132)과 제 2 전극(148)은 일측이 투명 전극, 다른 측이 반사성 전극으로 이루어져 발광 방향이 정의된다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(132)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명 전극으로 이루어지고, 상기 제 2 전극(148)은 Al 등의 반사성 금속일 경우에는 하부 발광(bottom emission)이 이루어지며, 그 반대로 제 1 전극(143)에 Ag/ITO의 반사성 금속을 포함한 적층체를 포함하며, 상기 제 2 전극(148)에 Mg:Ag를 20nm 수준 이하의 두께로 하여 투과성을 갖도록 하는 금속 적층체를 배치할 때는 상부 발광(top emission)이 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제 1 전극(132)과 제 2 전극(148)은 둘 중 하나가 화소별로 나누어 패터닝될 수 있으며, 패터닝된 전극은 전압 인가를 위해 TFT 기판의 셀 구동부에 포함된 박막 트랜지스터와 접속된다.
이하, 본 발명의 유기 발광 소자를 액티브 매트릭스 방식에 적용한 예를 살펴본다.
도 2는 도 1의 유기 발광 소자를 액티브 매트릭스 방식에 적용한 구조 단면도이다.
도 2에 도시된 예는, 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소로 하나의 유닛으로 한 하나의 화소만을 도시한 것으로, 이러한 형태가 좌우, 상하로 연속된다.
도 2와 같이, 액티브 매트릭스 방식의 유기 발광 표시 장치는 구동 박막 트랜지스터를 포함한 TFT 기판(100)과, 상기 구동 박막 트랜지스터와 접속된 유기 발광 소자를 구비한다.
구동 박막 트랜지스터는 액티브층(114), 상기 액티브층(114) 양측의 소스/드레인 영역(114s, 114d)에 각각 접속된 소오스 전극(108) 및 드레인 전극(110)과, 상기 액티브층(114)의 채널 영역(114c)에 오버랩된 게이트 전극(106)을 포함한다. 여기서, 상기 소스/드레인 영역(114s, 114d)은 각각 n형 불순물이 주입되어 있다.
그리고, TFT 기판(100)은 기판(101) 상에 버퍼막(116), 상기 버퍼막(116) 상의 소정 부위에 형성된 구동 박막 트랜지스터와, 상기 구동 박막 트랜지스터를 포함한 전면을 평탄하게 하는 유기 절연막(119)을 포함한다.
구체적으로 TFT 기판(100) 상을 살펴보면 다음과 같다.
상기 기판(101) 상에 전면 버퍼막(116)이 형성되고, 상기 버퍼막(116) 소정 부위에 액티브층(114)이 형성된다.
상기 게이트 전극(106)은 액티브층의 채널 영역(114c)과 게이트 절연막(112)을 개재하여 중첩되게 형성된다. 그리고, 상기 소스 전극(108) 및 드레인 전극(110)은 게이트 전극(106)과 층간 절연막(126)을 사이에 두고 절연되게 형성된다.
소스 전극(108) 및 드레인 전극(110)은 층간 절연막(126) 및 게이트 절연막(112)을 관통하는 콘택홀들을 통해 n+ 불순물이 주입된 액티브층(114)의 소스 영역(114s) 및 드레인 영역(114d)과 각각 접속된다.
이러한 액티브층(114)은 오프 전류를 감소시키기 위해 채널 영역(114c)과 소스 및 드레인 영역(114s,114d) 사이에 n- 불순물이 주입된 엘디디(Light Droped Drain; LDD) 영역(미도시) 더 구비하기도 한다.
또한, 상기 유기 보호막(119)을 대체하여, 무기 절연 물질로 형성된 무기 보호막과 유기 절연 물질로 형성된 유기 보호막의 두 층으로 형성될 수도 있다.
그리고, 제 1 전극(132)은 각각의 드레인 전극(110)과 접속하여 각 화소별로 형성된다.
유기 발광 소자는 구동 박막 트랜지스터의 드레인 전극(110)과 접속된 제1 전극(132)과, 도 1에서 설명한, 제 1 공통층(134), 제 1 발광층(적색 발광층)(136), 제 2 발광층(녹색 발광층)(137), 전면 형성된 제 1 삼중항 여기자 제한층(142), 제 3 발광층(청색 발광층)(144), 제 2 삼중항 여기자 제한층(145), 제 2 공통층 및 제 2 전극(148)의 구성을 갖는다.
경우에 따라, 도시된 바와 같이, 각 색화소를 나누도록 상기 제 1 공통층(134)들 사이에 뱅크(130)가 더 구비될 수도 있다. 도 1의 예에서는 뱅크(130)가 생략된 상태가 도시되어 있으나, 액티브 매트릭스 유기 발광 표시 장치에 있어서는, 각 화소를 구분하도록 뱅크를 도시한다. 하지만, 이러한 뱅크는 구조에 따라 생략되는 경우도 있다.
유기 발광 소자는 제 1 전극(132)과 제 2 전극(148)에 각각 전압을 인가하여 제 1, 제 2 전극(132, 148) 사이에 전계를 형성하면 제1 전극(132)으로부터 정공(hole)이 제2 전극으로부터 전자(electron)가 주입되어 각각 제 1 내지 제 3 발광층(136,137,144)에서 재결합하여 이로 인해 엑시톤(exciton)이 생성되며, 이 엑시톤이 기저상태로 떨어지면서 빛이 배면(Bottom)으로 방출하게 된다.
여기서, 상기 제 1 삼중항 여기자 제한층(142)은 상기 제 1 발광층(136), 제 2 발광층(137)의 제 1층과, 상기 제 3 발광층(144)의 제 2 층 층간 사이에 전하 균형(charge balance)을 조절하며, 각 발광층으로 전자/정공의 이동을 도와, 발광층에서 전자/정공 재결합을 높이게 하여, 발광 효율을 향상시킨다.
이하, 본 발명의 유기 발광 소자의 정공 주입층, 정공 수송층, 적색 발광층 및 녹색 발광층에 적용하는 용액 공정의 방법을 예를 들어 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 유기 발광 소자의 용액 공정의 예를 나타낸 공정도면이다.
도 3a는 잉크젯 인쇄에 관한 것으로, 기판(50) 상에 도트 적하가 가능한 분사구를 갖는 헤드(60)를 통해, 인쇄가 이루어지는 것이다. 이 경우, 인쇄시 헤드(60) 또는 기판(50)이 이동한다. 이 경우, 미세한 영역별 제어가 용이하다. 즉, 유기 발광 소자의 화소별 선택적 도팅이 용이하게 이루어질 수 있다.
도 3b는 노즐 인쇄(nozzle printing)에 관한 것으로, 슬릿(slit) 상으로 노즐(nozzle)(70)을 준비하여, 기판(50) 상에 인쇄를 하는 것이다. 이러한 노즐(70)은 복수개 구비할 수도 있다. 상대적으로 잉크젯 인쇄방식 대비 좀 더 넓은 영역에 분포된 패턴의 인쇄에 용이하다. 예를 들어, 기판 상에 뱅크가 형성되어 있는 유기 발광 소자의 경우, 전면 노즐 인쇄 방식으로 소정의 층을 형성시, 뱅크에 의해 영역별 구분이 가능하다.
도 3c는 롤 인쇄(roll printing)에 관한 것으로, 패턴이 형성된 메인 롤러(80)를 회전시켜 기판(50) 상에 인쇄 패턴을 형성시키는 것이다. 이 경우, 보조 롤러(81)는 인쇄용액이 공급되는 헤드와 접속되어, 헤드로부터 인쇄용액이 메인 롤러(80)의 패턴 상에 계속적으로 공급되게 유도한다. 경우에 따라, 상기 메인 롤러(80)에 패턴이 형성되지 않은 경우, 기판(50) 전체에 도포가 가능하다.
이러한 용액 공정을 진행하는 추가적인 예로, 전사 방식, 그라비아 인쇄(gravure printing) 및 열 제트 인쇄(thermal jet printing)을 더 들 수 있다.
하지만 상술한 예들은, 용액 공정의 한정적 예들일 뿐이며, 장비의 개발 등에 따라 이와 다른 장비 혹은 다른 공정의 용액 공정으로도 진행될 수 있다.
이하, 실험을 통해 본 발명의 유기 발광 소자가 갖는 효과를 살펴본다.
도 4는 본 발명의 유기 발광 소자에 비교되는 비교예를 나타낸 단면도이다.
도 4와 같이, 비교예에 있어서는, 삼중항 여기자 제한층(TCL)이 구비되지 않고, 양극(10)과 음극(17) 사이에, 정공 주입층(11), 정공 수송층(12), 발광층(13, 14, 15) 및 전자 수송층(16)이 차례로 형성되어 있다. 그리고, 상기 발광층(13, 14, 15)은 화소별로, 적색 발광층(13), 녹색 발광층(14) 및 청색 발광층(15)으로 구분되어 정의된다.
이러한 도 4와 같은 비교예를 준비한 후, 본 발명의 유기 발광 소자와 함께 각각의 적색, 녹색 및 청색 발광 화소별로 휘도, 조명효율, 구동 전압 및 색좌표를 측정하여 보았다.
여기서, 비교예와 본 발명의 유기 발광 소자는 투명 전극 성분의 양극과, Al과 같이 반사성 금속으로 이루어진 음극 외에, 공통적으로, 40nm 두께의 정공 주입층, 20nm 두께의 정공 수송층, 50nm 의 적색 발광층, 40nm의 녹색 발광층, 25nm 두께의 청색 발광층과, 20nm 두께의 전자 수송층과, 0.5nm의 전자 주입층을 갖는다. 한편, 상기 음극은 100nm의 Al 성분으로 한정하여 실험하였다. 그리고, 비교예 및 본 발명의 유기 발광 소자에서 공통된 층의 성분은 비교예와 본 발명의 유기 발광 소자에 대해 동일한 재료를 적용하여 실험하였다. 예를 들어, 정공 주입층의 성분으로 PEDOT을 적용하였고, 전자 주입층으로는 LiF를 적용하였다. 나머지 층에 대해서는 비교예와 본 발명은 재료적 공통성을 가지며, 본 발명에서 형성된 제 1, 제 2 삼중항 여기자 제한층의 존재 여부만이 비교예와의 다른 조건이다.
도 5는 본 발명의 유기 발광 소자와, 비교예에 있어서, 적색 화소의 구체적 구성을 나타낸 도면이다.
도 5와 같이, 적색 화소에 대해서 비교예(Ref)와 함께, 본 발명의 유기 발광 소자를 적색 발광층 상부에 청색 발광층을 구비함과 제 1 삼중항 여기자 제한층의 두께를 달리하여 제 1, 제 2 실시예(Red1, Red2)로 나누어 효율을 측정하였다. 즉, 제 1 실시예(Red1)에서는 제 1 삼중항 여기자 제한층의 두께를 5nm, 제 2 삼중항 여기자 제한층의 두께를 2nm로 하였으며, 제 2 실시예(Red2)에서는 제 1 삼중항 여기자 제한층의 두께를 10nm, 제 2 삼중항 여기자 제한층의 두께를 2nm로 하였다.
하기 표 1에 따르면, 비교예에서 상대적으로 CIE 색좌표가 (0.658, 0.340)으로 보다 순수 적색에 가깝게 나타났다. 이는 본 발명의 유기 발광 소자에 따른 제 1, 제 2 실시예의 경우, 청색 발광층과 오버랩되어 있는 부분이 있기 때문에, 약간의 색좌표 이동이 있음을 의미한다. 하지만, 비교예와 본 발명의 제 1, 제 2 실시예의 색좌표 차이는 크지 않음을 확인할 수 있고, 제 2 실시예의 경우, 휘도가 12Cd/A로 비교예 대비 20% 향상되었고, 조도효율이 5.7 lm/W로, 비교예 대비 16% 이상 향상됨을 알 수 있다.
즉, 이러한 결과는 적색 발광층과 청색 발광층이 오버랩한 하이브리드 소자 구조에 있어서도, 본 발명의 유기 발광 소자와 같이, 화소별로 공통적으로 형성되는 청색 발광층의 상하에 삼중항 여기자 제한층을 구비시 각 발광층에서 발광 효율을 높이고, 혼색이 방지됨을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 유기 발광 소자와, 비교예에 있어서, 녹색 화소의 구체적 구성을 나타낸 도면이다.
도 6과 표 2의 실험은, 도 4의 비교예(Ref)와, 상술한 녹색 발광층 상부에 청색 발광층을 구비함과 제 1 삼중항 여기자 제한층의 두께를 달리한 제 1, 제 2 실시예(Green 2, Green 3)와 함께, 상기 청색 발광층 하측의 제 1 삼중항 여기자 제한층을 생략하고, 제 2 삼중항 여기자 제한층만을 형성한 본 발명의 제 1 변형 실시예(Green 1)를 나타낸다.
도 6과 표 2의 실험은 녹색 화소에서 측정한 것으로, 상술한 도 5의 구조 대비하여 발광층이 녹색 발광층이 구비되며, 본 발명의 제 1, 제 2 실시예와 변형예에서, 이와 오버랩되어 청색 발광층이 더 형성된 점이 차이점이다.
이 경우, 하기 표 2에 따르면, 비교예(Ref)에서 CIE 색좌표가 (0.33, 0.63)으로, 본 발명의 변형예의 경우를 제외하여, 거의 유사한 값의 색좌표를 나타내어, 상기 녹색 발광층 상부에 청색 발광층을 구비할 때, 상하로 제 1, 제 2 삼중항 여기자 제한층을 구비하는 경우 색좌표 값이, 녹색 발광층만 구비한 경우 대비하여 거의 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다.
또한, 휘도 및 조도를 관찰해보면, 상대적으로 본 발명의 제 2 실시예에서, 휘도, 조도 효율이 모두 52Cd/A, 31.3lm/W로 향상된 값을 나타냄을 확인할 수 있어, 상대적으로 제 1 삼중항 여기자 제한층이 10nm로 형성시 모두 효율이 좋음을 확인할 수 있다. 또한, 제 1 실시예(Green 2)의 경우 비교예 대비, 약간의 효율이 저하된 바를 나타내지만, 거의 녹색 발광층 단독으로 구비하는 비교예와 유사한 색좌표를 나타내는 것으로, 본 발명의 유기 발광 소자와 같은 하이브리드 소자 적용 색순도가 떨어지지 않음을 확인할 수 있다.
또한, 이러한 결과는 녹색 발광층과 청색 발광층이 오버랩한 하이브리드 소자 구조에 있어서도, 본 발명의 유기 발광 소자와 같이, 화소별로 공통적으로 형성되는 청색 발광층의 상하에 삼중항 여기자 제한층을 구비시 각 발광층에서 발광 효율을 높이고, 혼색이 방지됨을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 유기 발광 소자와, 비교예에 있어서, 청색 화소의 구체적 구성을 나타낸 도면이다.
도 7과 표 3의 실험은, 상술한 제 1, 제 2 실시예(Blue 2, Blue 3)와 본 발명의 제 2 변형 실시예에 관한 것으로로, 이 경우, 본 발명의 제 2 변형 실시예는 제 1 삼중항 여기자 제한층만 형성하고, 제 2 삼중항 여기자 제한층을 형성한 경우를 나타낸다. 여기서, 본 발명의 제 2 변형 실시예에서, 제 1 삼중항 여기자 제한층의 두께는 3nm로 하였다.
표 3과 같이, 본 발명의 제 1, 2 실시예와 본 발명의 제 2 변형 실시예에서의 효율 비교는, 상대적으로 제 1, 제 2 삼중항 여기자 제한층을 청색 발광층 양측에 모두 구비하는 경우가 휘도, 조도에서 모두 효율이 개선되고, 구동 전압이 하강함을 나타내며, 청색 발광층 하부에 형성되는 제 1 삼중항 여기자 제한층을 보다 10nm에 가깝게 형성할수록 효율이 좋아짐을 나타낸다.
여기서, 공통적으로 청색 화소는 단독의 청색 발광층만 형성되어 있는 것으로, 색좌표는 제 1, 제 2 실시예와, 본 발명의 변형 실시예에서, 모두 (0.14, 0.10)으로 동일한 값을 나타내고 있다.
이상의 실험에서, 이러한 결과는 청색 발광층과 기타 다른 색상의 층과 오버랩하는 하이브리드 소자 구조에 있어서도, 본 발명의 유기 발광 소자와 같이, 화소별로 공통적으로 형성되는 청색 발광층의 상하에 삼중항 여기자 제한층을 구비시 각 발광층에서 발광 효율을 높이고, 혼색이 방지됨을 확인할 수 있다.
이하, 간략히 도 1을 참조하여 본 발명의 유기 발광 소자의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 제 1 화소 내지 제 3 화소의 순으로 화소가 매트릭스 상으로 배치된 TFT 기판(100)을 준비한다. 여기서, TFT 기판(100)은 각 화소별로 박막 트랜지스터가 형성되어 있다.
이어, 상기 기판(100) 상에 제 1 전극(132)을 형성한다. 상기 제 1 전극(132)은 화소별로 상기 박막 트랜지스터와 접속된다.
이어, 상기 제 1 전극(132) 상에 상술한 방식의 용액 공정으로 제 1 공통층(134)을 형성한다.
이어, 상기 제 1 공통층(134) 상에, 각각 용액 공정을 통해 상기 제 1 화소에 제 1 발광층(136)과, 상기 제 2 화소에 제 2 발광층(137)을 형성한다.
이어, 증착 공정을 통해, 상기 제 1 발광층(136)과 제 2 발광층(137)을 덮으며, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 차례로, 제 1 삼중항 여기자 제한층(142), 제 3 발광층(144), 제 2 삼중항 여기자 제한층(145) 및 제 2 공통층(146)을 형성한다.
이어, 상기 제 2 공통층(146) 상에 제 2 전극(148)을 형성한다.
이와 같이, 본 발명의 유기 발광 소자의 제조 방법은, 용액 공정(soluble process) 방식과 증착(evaporation) 방식이 결합된 하이브리드형 유기 발광 소자를 적용하며, 또한, 각 화소들에 대해 공통적으로 형성되는 제 3 발광층(청색 발광층)의 상하로 삼중항 여기자 제한층(TCL: Triplet Exciton Confinement Layer)를 형성하여, 각 발광층으로의 여기자가 제한되도록 하여 발광 효율을 높이며, 발광층 오버랩 영역의 혼색을 방지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
100: TFT 기판 132: 제 1 전극
134: 제 1 공통층 1341: 정공 주입층
1342: 정공 수송층 136: 제 1 발광층 (적색 발광층)
137: 제 2 발광층(녹색 발광층) 142: 제 1 삼중항 여기자 제한층
144: 제 3 발광층(청색 발광층) 145: 제 2 삼중항 여기자 제한층
146: 제 2 공통층 148: 제 2 전극
134: 제 1 공통층 1341: 정공 주입층
1342: 정공 수송층 136: 제 1 발광층 (적색 발광층)
137: 제 2 발광층(녹색 발광층) 142: 제 1 삼중항 여기자 제한층
144: 제 3 발광층(청색 발광층) 145: 제 2 삼중항 여기자 제한층
146: 제 2 공통층 148: 제 2 전극
Claims (14)
- 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판;
상기 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되며 이격한 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 상기 제 1 화소에 형성된 제 1 발광층과 상기 제 2 화소에 형성된 제 2 발광층;
상기 제 1 발광층과 제 2 발광층 상부에, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 차례로 형성된 제 1 삼중항 여기자 제한층, 제 3 발광층 및 제 2 삼중항 여기자 제한층;
상기 제 1 발광층 및 제 2 발광층의 층과, 상기 제 1 전극의 층간에 형성된 제 1 공통층; 및
상기 제 2 삼중항 여기자 제한층과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 제 2 공통층을 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 삼중항 여기자 제한층은 전자 이동도와 정공 이동도가 모두 1.0 ×10-8 ㎠/s·V 이상인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 삼중항 여기자 제한층은 상기 제 3 발광층에 포함되는 호스트와 도펀트의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위에 대해 각각 0.5eV 이내에 있는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자. - 제 3항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 삼중항 여기자 제한층의 삼중항 에너지 준위는, 상기 제 1 내지 제 3 발광층의 각 도펀트의 삼중항 에너지 준위보다 높은 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 삼중항 여기자 제한층은 1nm 내지 15nm 의 두께인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제 2 삼중항 여기자 제한층은 1nm 내지 5nm의 두께인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 삼중항 여기자 제한층 및 제 2 삼중항 여기자 제한층은 각각 저분자 유기 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 발광층은 적색 발광층이며, 제 2 발광층은 녹색 발광층이며, 제 3 발광층은 청색 발광층인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 공통층, 제 1 발광층 및 제 2 발광층은 용액성 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 기판은 상기 제 1 전극과 각 화소별로 접속되는 박막 트랜지스터를 갖는 박막 트랜지스터 어레이를 포함한 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자. - 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극 상에 용액 공정으로 제 1 공통층을 형성하는 단계;
상기 제 1 공통층 상에, 각각 용액 공정을 통해 상기 제 1 화소에 제 1 발광층과, 상기 제 2 화소에 제 2 발광층을 형성하는 단계;
증착 공정을 통해, 상기 제 1 발광층과 제 2 발광층을 덮으며, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 차례로, 제 1 삼중항 여기자 제한층, 제 3 발광층, 제 2 삼중항 여기자 제한층 및 제 2 공통층을 형성하는 단계;
상기 제 2 공통층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 삼중항 여기자 제한층은 전자 이동도와 정공 이동도가 모두 1.0 ×10-8 ㎠/s·V 이상인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 제 1 공통층, 제 1 발광층, 제 2 발광층을 형성하는 용액 공정은,
잉크젯 인쇄, 노즐 인쇄, 전사 방식, 슬릿 코팅, 그라비아 인쇄(gravure printing) 및 열 제트 인쇄(thermal jet printing) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 제 1 삼중항 여기자 제한층 및 제 2 삼중항 여기자 제한층은 각각 저분자 유기물을 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법. - 제 1 화소 내지 제 3 화소가 나누어 정의된 기판;
상기 기판 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되며 이격한 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 상기 제 1 화소에 형성된 제 1 발광층과 상기 제 2 화소에 형성된 제 2 발광층;
상기 제 1 발광층과 제 2 발광층 상부에, 상기 제 1 화소 내지 제 3 화소에 걸쳐 차례로 형성된 제 1 삼중항 여기자 제한층, 제 3 발광층 및 제 2 삼중항 여기자 제한층;
상기 제 1 발광층 및 제 2 발광층의 층과, 상기 제 1 전극의 층간에 형성된 제 1 공통층; 및
상기 제 2 삼중항 여기자 제한층과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 제 2 공통층을 포함하며,
상기 제 1 삼중항 여기자 제한층은, 상기 제 1 발광층, 상기 제 2 발광층 및 상기 제 3 발광층의 HOMO 에너지 준위보다 절대값이 작은 HOMO 에너지 준위를 가지며, 상기 제 1 발광층, 상기 제 2 발광층 및 상기 제 3 발광층의 LUMO 에너지 준위보다 절대 값이 큰 LUMO 에너지 준위를 가지며,
상기 제 2 삼중항 여기자 제한층은 상기 제 3 발광층의 LUMO 에너지 준위보다 절대 값이 큰 LUMO 에너지 준위를 갖는 유기 발광 소자.
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