KR102125881B1 - 유기 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 발광 소자에 있어서 제 1 전극과 인접한 정공 주입층을 포함하며, 정공 주입층의 상부에 위치하는 공통층을 포함하고, 공통층은 정공 수송층과 전자 저지층의 기능을 하는 유기 발광 소자인 것을 특징으로 한다.
정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 제 1 전극의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같을 수 있으며, 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같은 것을 특징으로 한다.
또한, 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 상기 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 제 1 전극의 에너지 레벨의 절대값의 차이보다 크거나 같은 것을 특징으로 한다.
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또한, 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 상기 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 제 1 전극의 에너지 레벨의 절대값의 차이보다 크거나 같은 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 낮은 전압으로 구동이 가능하고 발광 수명이 향상된 유기 발광 소자에 관한 것이다.
유기 발광 표시 장치(OLED)는 자체 발광형 표시 장치로서, 전자(electron) 주입을 위한 전극(cathode)과 정공(hole) 주입을 위한 전극(anode)으로부터 각각 전자와 정공을 발광층 내부로 주입시켜, 주입된 전자와 정공이 결합한 엑시톤(exciton)이 여기 상태로부터 기저 상태로 떨어질 때 발광하는 유기 발광 소자를 이용한 표시 장치이다.
유기 발광 표시 장치는 빛이 방출되는 방향에 따라서 상부 발광(Top Emission) 방식, 하부 발광(Bottom Emission) 방식 및 양면 발광(Dual Emission) 방식 등이 있고, 구동 방식에 따라서는 수동 매트릭스형(Passive Matrix)과 능동 매트릭스형(Active Matrix) 등으로 나누어진다.
유기 발광 표시 장치는 액정 표시 장치(LCD)와는 달리 별도의 광원이 필요하지 않아 경량 박형으로 제조 가능하다. 또한, 유기 발광 표시 장치는 저전압 구동에 의해 소비 전력 측면에서 유리할 뿐만 아니라, 색상 구현, 응답 속도, 시야각, 명암비(contrast ratio: CR)도 우수하여, 차세대 디스플레이로서 연구되고 있다.
고 해상도로 디스플레이가 발전하면서 단위 면적당 픽셀 개수가 증가하고, 높은 휘도가 요구되고 있지만 유기 발광 표시 장치의 발광 구조 상 단위 면적(A)의 휘도(Cd)에 한계가 있고, 인가 전류의 증가로 인한 유기 발광 소자의 신뢰성 저하 및 소비 전력이 증가하는 문제점이 있다.
따라서 유기 발광 표시 장치의 품질 및 생산성을 저해하는 요인이 되고 있는 유기 발광 소자의 발광 효율, 수명 향상 및 소비 전력 절감이라는 기술적 한계를 극복해야 하며, 색감 영역을 유지하면서도 발광 효율, 발광층의 수명 및 시야각 특성을 향상시킬 수 있는 유기 발광 소자 개발을 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
종래 기술에 따른 유기 발광 소자는 유기 발광층의 재료 및 발광 구조로 인한 발광 특성 및 수명 성능에 한계가 있었고, 따라서 발광 효율 및 수명을 향상시키려는 다양한 방안이 제시된 바 있다. 그러나 휘도를 높이고자 하는 경우에는 소비 전력이 소모되는 문제점이 있고, 또한 장수명의 확보를 위해 발광 물질을 변경하면 발광 효율이 낮아지는 문제점이 발생할 수가 있다.
종래의 유기 발광 소자에 있어, 정공의 주입을 위한 전극(anode)으로부터 유기 발광층으로 정공의 주입을 원활하게 하기 위한 목적으로 정공 수송층(HTL)을 적용하였으며, 일반적으로 정공 수송층과 유기 발광층 사이의 에너지 장벽을 최소화하기 위하여 정공 수송층의 물질로 HOMO(Hightest Occupied Molecular Orbital: 최고준위 점유 분자궤도) 에너지 레벨이 낮은 물질을 적용하였다.
이와 같이 정공 수송층의 HOMO 에너지 레벨이 낮은 재료를 적용하는 경우, 정공 수송층의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital: 최저준위 비점유 분자궤도) 에너지 레벨도 HOMO 에너지 레벨에 따라 낮아지게 되는 경우가 발생하게 되며, 따라서 유기 발광 소자 구조에 추가적으로 전자 저지층을 적용하여 정공 수송층으로 넘어갈 수 있는 전자를 방지해 줌으로써 유기 발광 소자에 있어서 요구되는 정공의 주입 특성을 얻을 수가 있었다.
그러나, 위와 같이 전자 저지층을 적용하는 경우, 정공 수송층 및 전자 저지층의 두 가지 다른 재료의 계면에 전하가 트랩(Trap) 되는 경우가 많이 발생하였고, N형 정공 주입층(N-Type HIL)을 적용하는 경우에는 정공 수송층의 HOMO 에너지 레벨이 낮아지게 되어 전하 생성(charge generation)이 방해를 받게 되고, 또한 정공의 이동이 원활하지 못하게 되어 유기 발광 소자의 발광에 요구되는 구동 전압이 증가하고 유기 발광 소자의 수명이 저하되는 문제가 발생하였다.
본 발명의 실시예에 따른 해결 과제는, 유기 발광 소자에 있어서 낮은 전압으로 구동이 가능하고 발광 수명이 향상된 유기 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 해결 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자에 있어서 낮은 전압으로 구동이 가능하고 수명의 향상이 가능한 유기 발광 소자가 제공된다.
제 1 전극과 제 2 전극 및 그 사이에 위치하는 유기 발광층을 포함하고, 제 1 전극과 인접한 정공 주입층을 포함하며, 정공 주입층의 상부에 위치하는 공통층을 포함하고, 공통층은 정공 수송층과 전자 저지층의 기능을 하는 유기 발광 소자인 것을 특징으로 한다.
또한, 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 제 1 전극의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같을 수 있다.
또한, 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같은 것을 특징으로 한다.
또한, 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 상기 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 제 1 전극의 에너지 레벨의 절대값의 차이보다 크거나 같은 것을 특징으로 한다.
정공 주입층은 N형 유기 물질로 이루어질 수 있으며, 제 1 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)인 것을 특징으로 한다.
또한, 공통층의 HOMO(Hightest Occupied Molecular Orbital: 최고준위 점유 분자궤도) 에너지 레벨은 상기 제 1 전극의 일함수 보다 높거나 같을 수 있다.
공통층의 HOMO 에너지 레벨은 5.2eV 보다 높은 것을 특징으로 한다.
공통층의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital: 최저준위 비점유 분자궤도) 에너지 레벨은 2.3eV 보다 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 적색 발광층에 대응되는 제 1 정공 수송층을 포함하며, 녹색 발광층에 대응되는 제 2 정공 수송층을 포함할 수 있으며, 제 1 정공 수송층과 제 2 정공 수송층은 상기 공통층과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 N형 정공 주입층을 적용한 유기 발광 소자에 있어서, 정공 수송층의 기능과 동시에 전자 저지층의 기능을 하는 공통층을 적용하여 유기 발광층으로 정공의 주입이 원활하게 이루어지도록 함으로써 유기 발광 소자의 구동 전압을 낮추는 것이 가능하며, 또한 계면에서의 열화 문제의 발생을 제거하여 유기 발광 소자의 수명을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이상에서 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과에 기재한 발명의 내용이 청구항의 필수적인 특징을 특정하는 것은 아니므로, 청구항의 권리범위는 발명의 내용에 기재된 사항에 의하여 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자의 밴드 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용 조건에 따른 청색 유기 발광 소자의 공통층의 에너지 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용 조건에 따른 조건별 청색 유기 발광 소자의 전기 광학 특성 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용 조건에 따른 조건별 청색 유기 발광 소자의 수명 특성 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용에 따른 조건별 적색 유기 발광 소자의 전기 광학 특성 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용에 따른 조건별 녹색 유기 발광 소자의 전기 광학 특성 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자의 밴드 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용 조건에 따른 청색 유기 발광 소자의 공통층의 에너지 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용 조건에 따른 조건별 청색 유기 발광 소자의 전기 광학 특성 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용 조건에 따른 조건별 청색 유기 발광 소자의 수명 특성 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용에 따른 조건별 적색 유기 발광 소자의 전기 광학 특성 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용에 따른 조건별 녹색 유기 발광 소자의 전기 광학 특성 실험 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 직접이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
또한 제 1, 제 2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유기 발광 소자(100)는 적색, 녹색 및 청색 화소 영역(Rp, Gp, Bp)이 정의되어 있는 기판 상에 적층되는 제 1 전극(110, anode)과, 정공 주입층(120, hole injection layer: HIL), 공통층(130, Common Layer), 제 1 정공 수송층(131, R-hole transporting layer: R-HTL), 제 2 정공 수송층(132, G-hole transporting layer: G-HTL), 적색 발광층(140, Red)과 녹색 발광층(150, Green) 및 청색 발광층(160, Blue)으로 이루어지는 유기 발광층과 전자 수송층(170, electron transporting layer: ETL), 전자 주입층(180, electron injection layer: EIL), 제 2 전극(190, cathode) 및 캡핑층(200, capping layer: CPL)을 포함하여 구성된다.
또한, 도시하지 않았으나, 유기 발광 소자를 포함하는 유기 발광 표시 장치에 있어, 기판 상에 서로 교차하여 각 화소 영역을 정의하는 게이트 배선과 데이터 배선과 이중 어느 하나와 평행하게 연장되는 전원 배선이 위치하며, 각 화소 영역에는 게이트 배선 및 데이터 배선에 연결된 스위칭 박막트랜지스터와 스위칭 박막트랜지스터에 연결된 구동 박막트랜지스터가 위치한다. 구동 박막트랜지스터는 상기 제 1 전극(110)에 연결된다.
제 1 전극(110)은 상기 적색, 녹색 및 청색 화소 영역에 형성되며, 반사 전극으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide: ITO)와 같이 일함수가 높은 투명 도전성 물질층과 은(Ag) 또는 은 합금(Ag alloy)과 같은 반사 물질층을 포함할 수 있다.
정공 주입층(120)과 공통층(130)은 상기 적색, 녹색 및 청색 화소 영역(Rp, Gp, Bp) 모두에 대응하여 상기 제 1 전극(110) 상에 위치한다.
정공 주입층(120)은 정공의 주입을 원활하게 하는 역할을 할 수 있으며, HATCN 및 CuPc(cupper phthalocyanine), PEDOT(poly(3,4)-ethylenedioxythiophene), PANI(polyaniline) 및 NPD(N,N-dinaphthyl-N,N'-diphenylbenzidine)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
공통층(130)은 공통 정공 수송층이라 할 수 있으며, 동시에 전자 저지층 (electron blocking layer: EBL)의 기능을 할 수 있다. 전자 저지층(EBL)은 정공 수송층으로 넘어갈 수 있는 전자를 방지하여 유기 발광층 내에서 정공과 전자의 재결합이 원활히 이루어지도록 하여 발광 효율을 향상시키기 위한 기능을 한다.
제 1 정공 수송층(131) 및 제 2 정공 수송층(132)은 공통층(130) 상에 위치하며 각각 적색 화소 영역(Rp) 및 녹색 화소 영역(Gp)에 대응된다.
공통층(130), 제 1 정공 수송층(131) 및 제 2 정공 수송층(132)은 정공의 수송을 원활하게 하는 역할을 하며, NPD(N,N-dinaphthyl-N,N'-diphenylbenzidine), TPD(N,N'-bis-(3-methylphenyl)-N,N'-bis-(phenyl)-benzidine), s-TAD 및 MTDATA(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따라서 제 1 정공 수송층(131)과 제 2 정공 수송층(132)의 경우 공통층(130)과 동일한 물질로 형성하는 것이 가능하다.
적색 발광층(140), 녹색 발광층(150), 청색 발광층(160)은 각각 적색, 녹색 및 청색 화소 영역(Rp, Gp, Bp)에 위치하며, 각각의 적색, 녹색, 청색 발광층(140, 150, 160)은 적색, 녹색, 청색을 발광하는 물질을 각각 포함할 수 있으며, 인광 물질 또는 형광 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
적색 발광층(140)은 CBP(carbazole biphenyl) 또는 mCP(1,3-bis(carbazol-9-yl)를 포함하는 호스트 물질을 포함하며, PIQIr(acac)(bis(1-phenylisoquinoline) acetylacetonate iridium), PQIr(acac)(bis(1-phenylquinoline) acetylacetonate iridium), PQIr(tris(1-phenylquinoline) iridium) 및 PtOEP(octaethylporphyrin platinum)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 도펀트를 포함하는 인광 물질로 이루어질 수 있고, 이와는 달리 PBD:Eu(DBM)3(Phen) 또는 Perylene을 포함하는 형광 물질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
녹색 발광층(150)은 CBP 또는 mCP를 포함하는 호스트 물질을 포함하며, Ir(ppy)3(fac tris(2-phenylpyridine)iridium)을 포함하는 Ir complex와 같은 도펀트 물질을 포함하는 인광 물질로 이루어질 수 있고, 이와는 달리 Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)aluminum)을 포함하는 형광 물질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
청색 발광층(160)은 CBP 또는 mCP를 포함하는 호스트 물질을 포함하며, (4,6-F2ppy)2Irpic을 포함하는 도펀트 물질을 포함하는 인광 물질로 이루어질 수 있다. 이와는 달리, spiro-DPVBi, spiro-6P, 디스틸벤젠(DSB), 디스트릴아릴렌(DSA), PFO계 고분자 및 PPV계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 형광 물질로 청색 발광층(160)이 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
전자 수송층(170)은 적색 발광층(140), 녹색 발광층(150) 및 청색 발광층(160) 상에 위치한다. 전자 수송층(170)의 두께는 전자 수송 특성을 고려하여 조절될 수 있다. 전자 수송층(170)은 전자 수송 및 주입의 역할을 할 수 있으며, 전자 주입층(180)은 별도로 상기 전자 수송층(170) 상에 형성될 수 있다.
전자 수송층(170)은 전자의 수송을 원활하게 하는 역할을 하며, Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)[0046] aluminum), PBD, TAZ, spiro-PBD, BAlq, Liq(lithium quinolate), BMB-3T, PF-6P, TPBI, COT 및 SAlq로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
전자 주입층(180)은 Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)aluminum), PBD, TAZ, spiro-PBD, BAlq 또는 SAlq를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따라 그 구조가 한정되는 것은 아니며, 정공 주입층(120), 공통층(130), 제 1 정공 수송층(131), 제 2 정공 수송층(132), 전자 수송층(170) 및 전자 주입층(180) 중 적어도 어느 하나는 생략될 수도 있다. 또한, 정공 주입층(120), 공통층(130), 제 1 정공 수송층(131), 제 2 정공 수송층(132), 전자 수송층(170) 및 전자 주입층(180)을 두 개 이상의 층으로 구성하는 것도 가능하다.
제 2 전극(190)은 전자 주입층(180) 상에 위치한다. 예를 들어, 제 2 전극(190)은 은과 마그네슘 합금(Ag:Mg)으로 이루어 질 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 제 2 전극(190)은 반투과 특성을 가질 수 있다. 즉, 유기 발광층으로부터 방출된 빛은 상기 제 2 전극(190)을 통해 외부로 표시되는데, 제 2 전극(190)은 반투과 특성을 갖기 때문에, 일부의 빛은 다시 제 1 전극(110)으로 향하게 된다.
이와 같이, 반사층으로 작용하는 제 1 전극(110)과 제 2 전극(190) 사이에서 반복적인 반사가 일어나게 되며, 이를 마이크로 캐비티(micro cavity) 효과라고 한다. 즉, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(190) 사이의 캐비티 내에서 빛이 반복적으로 반사되어 광 효율이 증가하게 된다.
이 외에도, 제 1 전극(110)을 투과 전극으로 형성하고, 제 2 전극(190)을 반사 전극으로 형성하여 제 1 전극(110)을 통해 유기 발광층으로부터의 빛이 외부로 표시되는 것도 가능하다.
캡핑층(200)은 광 추출 효과를 증가시키기 위한 것으로, 캡핑층(200)은 공통층(130) 물질, 제 1 정공 수송층(131) 물질, 제 2 정공 수송층(132) 물질, 전자 수송층(170) 물질 및 적색, 녹색, 청색 발광층(140, 150, 160)의 호스트 물질 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 캡핑층(200)은 생략하는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 2에서 볼 수 있는 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 N형 정공 주입층(120)을 적용하는 유기 발광 소자에 있어서, 정공 주입층(120)과 제 1 전극(110)인 ITO 사이의 에너지 장벽 측면에서 볼 때, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨은 제 1 전극(110)인 ITO의 에너지 레벨, 즉 ITO의 일함수 보다 낮거나 같아야 한다.
일반적으로 유기 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램에서 에너지 레벨을 표현할 때 그 값이 음수임을 고려할 때, 서로 다른 에너지 레벨의 크기를 비교하는 경우에 있어서 절대값을 활용하여 그 값을 비교하는 것이 보다 용이할 수 있다.
따라서, 정공 주입층(120)과 제 1 전극(110)의 에너지 레벨의 값을 절대값으로 비교하게 되면, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨의 절대값은 ITO의 에너지 레벨 즉, ITO의 일함수의 절대값 보다 크거나 같아야 함을 의미한다. 즉, 정공 주입층(120)의 에너지 레벨의 절대값과 제 1 전극(110)의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같아야 한다.
위와 같이 정공 주입층(120)과 제 1 전극(110) 에너지 레벨의 수준을 설정하는 것은 정공 주입층(120)과 공통층(130) 사이에 형성되는 전하 생성 영역(charge generation part)에서 생성된 전하들이 정공 주입층(120)과 제 1 전극(110) 사이의 전하 재결합 영역(charge recombination part)에서 전자가 빠르게 제 1 전극(110), 즉 ITO로 이동하도록 하여 정공의 주입 및 이동을 원활하게 하기 위한 것이다.
일반적으로 N형 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨의 경우에 ITO 전극의 에너지 레벨, 즉 일함수 보다 낮게 형성되고 있으며, 본 발명에서 중점적으로 조절하는 에너지 레벨은 공통층(130)의 에너지 레벨이다.
또한, 정공 주입층(120)과 공통층(130) 사이의 에너지 장벽 측면에서 살펴볼 경우에, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨이 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨과 대비할 때 낮거나 같아야 한다.
마찬가지로, 정공 주입층(120)과 공통층(130)의 에너지 레벨의 값을 절대값으로 비교하게 되면, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨의 절대값은 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨의 절대값 보다 크거나 같아야 함을 의미한다. 즉, 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같아야 한다.
정공 주입층(120)과 공통층(130) 사이에 형성되는 전하 생성 영역(charge generation part)에서 전자를 끌어오는 그룹을 많이 포함하고 있는 N형 정공 주입층(120)을 적용하는 경우, 공통층(130)으로부터 정공 주입층(120)으로 전자가 이동함으로써 정공이 생성되게 된다.
전자가 쉽게 이동할 수 있도록 하기 위해서 정공 주입층(120)의 에너지 레벨이 공통층(130)의 에너지 레벨보다 낮게 형성되는 경우, 전하의 생성이 원활해지는데 기여할 수 있으며, 따라서 정공의 생성 및 이동을 원활하게 하는 것이 가능하다.
정공 주입층(120)의 에너지 레벨의 절대값과 상기 제 1 전극(110)의 에너지 레벨의 절대값의 차이를 △E1, 그리고 정공 주입층(120)의 에너지 레벨의 절대값과 공통층(130)의 에너지 레벨의 절대값의 차이를 △E2라고 할 때, △E1 과 △E2의 차이가 크지 않을수록 정공의 주입이 원활하게 이루어지게 된다.
특히, 전하 생성(charge generation)의 영향이 크기 때문에 △E2-△E1의 값이 0 이상의 값을 만족하는 경우 즉, 제 1 전극(110)인 ITO의 에너지 레벨, 즉 ITO의 일함수와 비교할 때, 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 ITO의 에너지 레벨보다 동등한 수준 이상이 되는 경우에 전하 생성 및 수송이 원활하게 되어 저전압으로 소자 구동이 가능하게 된다.
즉, 정공 주입층(120)의 에너지 레벨의 절대값과 공통층(130)의 에너지 레벨의 절대값의 차이는, 정공 주입층(120)의 에너지 레벨의 절대값과 제 1 전극(110)의 에너지 레벨의 절대값의 차이보다 크거나 같은 경우에 유기 발광 소자의 구동 전압이 낮아지는 것이 가능하다.
이는 전하 생성 영역에서 전하가 잘 생성되는 조건을 만들어 주었을 때, 이를 전극 쪽에서 재결합이 원활히 되도록 하여 전하가 빠르게 생성 및 이동하게 되어 구동 전압 저하의 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명의 유기 발광 소자에 적용되는 공통층(130)의 경우, 정공 수송층(HTL)과 전자 저지층(EBL)의 기능을 동시에 수행하기 위하여 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 제 1 전극(110)인 ITO의 에너지 레벨, 즉 ITO의 일함수인 5.2eV 수준 이상이고, 또한 LUMO 에너지 레벨의 경우, 2.3eV 수준 이상인 물질을 적용하여야 한다.
이 경우 적용되는 N형 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨의 경우, 그 수준에 있어 제한이 없으며, 일반적으로 LUMO 에너지 레벨이 5.2eV와 5.7eV 사이의 수준을 갖는 물질이 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용 조건에 따른 청색 유기 발광 소자의 공통층의 에너지 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 3은 정공 수송층(HTL)과 전자 저지층(EBL)을 각각 적용한 비교예와 정공 수송층(HTL)과 전자 저지층(EBL)의 기능을 하는 공통층(130)을 적용한 실시예 1, 2, 3, 4, 5에 대해서 전기 광학 특성 및 수명을 비교 평가하기 위해 청색 유기 발광 소자에 적용한 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨 조건 및 LUMO 에너지 레벨 조건을 나타낸 것이다.
비교예 1에 따른 청색 유기 발광 소자의 구조는 다음과 같다.
제 1 전극(110)으로 ITO를 70Å의 두께로 형성하고 그 상부에 은-팔라듐-구리 합금(Ag-Pd-Cu alloy: APC)을 100Å의 두께로 형성한 후, 그 상부에 ITO를 70Å의 두께로 형성하였다. 이 후 제 1 전극(110)을 N2 플라즈마(N2 plasma) 조건에서 표면 처리를 진행하였다.
정공 주입층(120)으로 HATCN을 70Å의 두께로 형성하였고, 그 상부에 정공 수송층(HTL)으로 NPB를 1000Å의 두께로 형성한 후, 그 상부에 전자 저지층 (EBL)으로 아민 계열의 유기물로 150Å의 두께로 형성하였다.
전자 저지층(EBL)의 상부에 청색 발광층(160)으로 안트라센(Anthracene) 유도체를 200Å의 두께로 형성한 후, 도펀트(dopant)를 5% 수준으로 도핑하여 형성하였고, 청색 발광층(160)의 상부에 전자 수송층(170)으로 안트라센 유도체와 Liq(lithium quinolate)를 1:1의 비율로 혼합하여 300Å의 두께로 형성하였다.
제 2 전극(190)으로 반투과 전극인 은과 마그네슘을 1:1의 비율로 혼합한 은과 마그네슘 합금(Ag:Mg)을 200Å의 두께로 형성한 후, 유리 기판(glass)으로 봉지하여 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
또한, 실시예 1에 따른 청색 유기 발광 소자의 구조는 다음과 같다.
제 1 전극(110)으로 ITO를 70Å의 두께로 형성하고 그 상부에 은-팔라듐-구리 합금(Ag-Pd-Cu alloy: APC)을 100Å의 두께로 형성한 후, 그 상부에 ITO를 70Å의 두께로 형성하였다. 이 후 제 1 전극(110)을 N2 플라즈마(N2 plasma) 조건에서 표면 처리를 진행하였다.
제 1 전극(110)의 상부에 정공 주입층(120)으로 HATCN을 70Å의 두께로 형성하였고, 정공 주입층(120)의 상부에 공통층(130)으로 하기 표 1의 공통층 1의 HOMO 에너지 레벨 및 LUMO 에너지 레벨의 조건을 갖는 스피로 아민(Spiro amine) 계열의 유기물을 1150Å의 두께로 형성하였다.
공통층(130), 즉 공통층 1의 상부에 청색 발광층(160)으로 안트라센(Anthracene) 유도체를 200Å의 두께로 형성한 후, 도펀트(dopant)를 5% 수준으로 도핑하여 형성하였고, 청색 발광층(160)의 상부에 전자 수송층(170)으로 안트라센 유도체와 Liq(lithium quinolate)를 1:1의 비율로 혼합하여 300Å의 두께로 형성하였다.
전자 수송층(170)의 상부에 제 2 전극(190)으로 반투과 전극인 은과 마그네슘을 1:1의 비율로 혼합한 은과 마그네슘 합금(Ag:Mg)을 200Å의 두께로 형성한 후, 유리 기판(glass)으로 봉지하여 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
또한, 실시예 2에 따른 청색 유기 발광 소자의 구조는 다음과 같다.
제 1 전극(110)으로 ITO를 70Å의 두께로 형성하고 그 상부에 은-팔라듐-구리 합금(Ag-Pd-Cu alloy: APC)을 100Å의 두께로 형성하고 그 상부에 ITO를 70Å의 두께로 형성하였다. 이 후 제 1 전극(110)을 N2 플라즈마(N2 plasma) 조건에서 표면 처리를 진행하였다.
제 1 전극(110)의 상부에 정공 주입층(120)으로 HATCN을 70Å의 두께로 형성하였고, 정공 주입층(120)의 상부에 공통층(130)으로 하기 표 1의 공통층 2의 HOMO 에너지 레벨 및 LUMO 에너지 레벨의 조건을 갖는 스피로 아민(Spiro amine) 계열의 유기물을 1150Å의 두께로 형성하였다.
공통층(130), 즉 공통층 2의 상부에 청색 발광층(160)으로 안트라센(Anthracene) 유도체를 200Å의 두께로 형성한 후, 도펀트(dopant)를 5% 수준으로 도핑하여 형성하였고, 청색 발광층(160)의 상부에 전자 수송층(170)으로 안트라센 유도체와 Liq(lithium quinolate)를 1:1의 비율로 혼합하여 300Å의 두께로 형성하였다.
전자 수송층(170)의 상부에 제 2 전극(190)으로 반투과 전극인 은과 마그네슘을 1:1의 비율로 혼합한 은과 마그네슘 합금(Ag:Mg)을 200Å의 두께로 형성한 후, 유리 기판(glass)으로 봉지하여 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
또한, 실시예 3에 따른 청색 유기 발광 소자의 구조는 다음과 같다.
제 1 전극(110)으로 ITO를 70Å의 두께로 형성하고 그 상부에 은-팔라듐-구리 합금(Ag-Pd-Cu alloy: APC)을 100Å의 두께로 형성하고 그 상부에 ITO를 70Å의 두께로 형성하였다. 이 후 제 1 전극(110)을 N2 플라즈마(N2 plasma) 조건에서 표면 처리를 진행하였다.
제 1 전극(110)의 상부에 정공 주입층(120)으로 HATCN을 70Å의 두께로 형성하였고, 정공 주입층(120)의 상부에 공통층(130)으로 하기 표 1의 공통층 3의 HOMO 에너지 레벨 및 LUMO 에너지 레벨의 조건을 갖는 스피로 아민(Spiro amine) 계열의 유기물을 1150Å의 두께로 형성하였다.
공통층(130), 즉 공통층 3의 상부에 청색 발광층(160)으로 안트라센(Anthracene) 유도체를 200Å의 두께로 형성한 후, 도펀트(dopant)를 5% 수준으로 도핑하여 형성하였고, 청색 발광층(160)의 상부에 전자 수송층(170)으로 안트라센 유도체와 Liq(lithium quinolate)를 1:1의 비율로 혼합하여 300Å의 두께로 형성하였다.
전자 수송층(170)의 상부에 제 2 전극(190)으로 반투과 전극인 은과 마그네슘을 1:1의 비율로 혼합한 은과 마그네슘 합금(Ag:Mg)을 200Å의 두께로 형성한 후, 유리 기판(glass)으로 봉지하여 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
또한, 실시예 4에 따른 청색 유기 발광 소자의 구조는 다음과 같다.
제 1 전극(110)으로 ITO를 70Å의 두께로 형성하고 그 상부에 은-팔라듐-구리 합금(Ag-Pd-Cu alloy: APC)을 100Å의 두께로 형성하고 그 상부에 ITO를 70Å의 두께로 형성하였다. 이 후 제 1 전극(110)을 N2 플라즈마(N2 plasma) 조건에서 표면 처리를 진행하였다.
제 1 전극(110)의 상부에 정공 주입층(120)으로 HATCN을 70Å의 두께로 형성하였고, 정공 주입층(120)의 상부에 공통층(130)으로 하기 표 1의 공통층 4의 HOMO 에너지 레벨 및 LUMO 에너지 레벨의 조건을 갖는 스피로 아민(Spiro amine) 계열의 유기물을 1150Å의 두께로 형성하였다.
공통층(130), 즉 공통층 4의 상부에 청색 발광층(160)으로 안트라센(Anthracene) 유도체를 200Å의 두께로 형성한 후, 도펀트(dopant)를 5% 수준으로 도핑하여 형성하였고, 청색 발광층(160)의 상부에 전자 수송층(170)으로 안트라센 유도체와 Liq(lithium quinolate)를 1:1의 비율로 혼합하여 300Å의 두께로 형성하였다.
전자 수송층(170)의 상부에 제 2 전극(190)으로 반투과 전극인 은과 마그네슘을 1:1의 비율로 혼합한 은과 마그네슘 합금(Ag:Mg)을 200Å의 두께로 형성한 후, 유리 기판(glass)으로 봉지하여 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
또한, 실시예 5에 따른 청색 유기 발광 소자의 구조는 다음과 같다.
제 1 전극(110)으로 ITO를 70Å의 두께로 형성하고 그 상부에 은-팔라듐-구리 합금(Ag-Pd-Cu alloy: APC)을 100Å의 두께로 형성하고 그 상부에 ITO를 70Å의 두께로 형성하였다. 이 후 제 1 전극(110)을 N2 플라즈마(N2 plasma) 조건에서 표면 처리를 진행하였다.
제 1 전극(110)의 상부에 정공 주입층(120)으로 HATCN을 70Å의 두께로 형성하였고, 정공 주입층(120)의 상부에 공통층(130)으로 하기 표 1의 공통층 5의 HOMO 에너지 레벨 및 LUMO 에너지 레벨의 조건을 갖는 스피로 아민(Spiro amine) 계열의 유기물을 1150Å의 두께로 형성하였다.
공통층(130), 즉 공통층 5의 상부에 청색 발광층(160)으로 안트라센(Anthracene) 유도체를 200Å의 두께로 형성한 후, 도펀트(dopant)를 5% 수준으로 도핑하여 형성하였고, 청색 발광층(160)의 상부에 전자 수송층(170)으로 안트라센 유도체와 Liq(lithium quinolate)를 1:1의 비율로 혼합하여 300Å의 두께로 형성하였다.
전자 수송층(170)의 상부에 제 2 전극(190)으로 반투과 전극인 은과 마그네슘을 1:1의 비율로 혼합한 은과 마그네슘 합금(Ag:Mg)을 200Å의 두께로 형성한 후, 유리 기판(glass)으로 봉지하여 청색 유기 발광 소자를 제작하였다.
도 3에서의 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수 5.2eV는 ITO를 N2 플라즈마(N2 plasma) 조건에서 표면 처리를 진행한 후 나타날 수 있는 일함수의 수준을 의미한다.
하기 표 1은 비교예와 실시예 1, 2, 3, 4, 5에 있어서의 정공 수송층(HTL), 전자 저지층(EBL) 및 공통층(130)의 각 HOMO 에너지 레벨 및 LUMO 에너지 레벨 조건을 나타낸 것이다. 정공 주입층(120)으로 형성한 HATCN의 HOMO 에너지 레벨은 9.9eV이고, LUMO 에너지 레벨은 5.5eV이다.
상기 표 1을 참조하면, 비교예의 정공 수송층(HTL)의 HOMO 에너지 레벨은 5.5eV이고, LUMO 에너지 레벨은 2.4eV인 물질을 사용하였다. 그리고, 전자 저지층(EBL)의 HOMO 에너지 레벨은 5.26eV이고, LUMO 에너지 레벨은 2.1eV인 물질을 사용하였다.
또한, 실시예 1의 공통층(130)인 공통층 1의 HOMO 에너지 레벨은 5.25eV이고, LUMO 에너지 레벨은 2.1eV로, 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수인 5.2eV 보다 낮고, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨인 5.5eV 보다 높은 물질을 사용하였다.
또한, 실시예 2의 공통층(130)인 공통층 2의 HOMO 에너지 레벨은 5.18eV이고, LUMO 에너지 레벨은 2.1eV로, 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수인 5.2eV 보다 높고, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨인 5.5eV 보다 높은 물질을 사용하였다.
또한, 실시예 3의 공통층(130)인 공통층 3의 HOMO 에너지 레벨은 5.2eV이고, LUMO 에너지 레벨은 2.1eV로, 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수인 5.2eV와 동일하고, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨 5.5eV 보다 높은 물질을 사용하였다.
또한, 실시예 4의 경우에 있어서는, 공통층(130)인 공통층 4의 HOMO 에너지 레벨은 5.55eV이고 LUMO 에너지 레벨은 2.5eV로, 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수인 5.2eV 보다 낮고, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨인 5.5eV 보다 낮으며, 또한 공통층(130)의 LUMO 에너지 레벨이 전자 저지층(EBL)의 LUMO 에너지 레벨인 2.1eV 보다 낮은 물질을 사용하였다.
또한, 실시예 5의 경우에 있어서는, 공통층(130)인 공통층 5의 HOMO 에너지 레벨은 5.57eV이고 LUMO 에너지 레벨은 2.3eV로, 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수인 5.2eV 보다 낮고, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨인 5.5eV 보다 낮으며, 또한 공통층(130)의 LUMO 에너지 레벨이 전자 저지층(EBL)의 LUMO 에너지 레벨인 2.1eV 보다 낮은 물질을 사용하였다.
위와 같이 비교예와 실시예 1, 2, 3, 4, 5의 공통층(130) 조건을 적용하여 청색 유기 발광 소자를 제작하여, 각각의 유기 발광 소자의 전기 광학 특성 및 수명 특성을 평가하고 그 결과를 비교하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용 조건에 따른 조건별 청색 유기 발광 소자의 전기 광학 특성 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 비교예와 실시예 1, 2, 3, 4, 5의 공통층(130) 조건을 적용한 청색 유기 발광 소자에 있어, 구동전압(V), 발광 효율(cd/A), 색좌표(CIE_x, CIE_y) 및 양자 효율(EQE(%))의 전기 광학 특성 평가 결과를 보여주고 있다.
도 4에서 볼 수 있는 것과 같이, 비교예와 실시예 1, 2, 3, 4, 5의 광학 특성 결과를 비교할 때, 색좌표(CIE_x, CIE_y) 및 양자 효율(EQE(%))의 특성 측면에 있어서는 큰 차이를 나타내지 않았다.
그러나, 구동 전압의 측면을 살펴보면, 비교예, 즉 정공 수송층(HTL)과 전자 저지층(EBL)을 각각 형성한 경우에 있어서의 구동 전압은 4.2V의 수준을 나타내었다.
실시예 1, 4, 5의 경우, 즉, 제 1 전극(110)인 ITO 또는 정공 주입층(120)의 두 가지 중 하나의 에너지 레벨 보다 낮은 HOMO 에너지 레벨의 공통층(130)을 적용한 경우인 실시예 1, 실시예 4 및 실시예 5에 있어서의 구동 전압은 각각 4.2V, 4.2V, 4.3V의 수준을 나타내었으며, 비교예와 그 수준을 비교할 때, 유사한 수준으로 구동 전압이 낮아지는 결과를 보이지 않았다.
반면에, 본 발명의 실시예에 따라서 제 1 전극(110)인 ITO 및 정공 주입층(120)의 에너지 레벨 보다 높은 HOMO 에너지 레벨의 공통층(130)을 적용한 경우인 실시예 2와 제 1 전극(110)인 ITO 및 정공 주입층(120)의 에너지 레벨과 대비할 때 HOMO 에너지 레벨이 같거나 높은 공통층(130)인 공통층 3을 적용한 실시예 3의 경우에서의 구동 전압은 각각 3.7V 과 3.8V의 수준을 나타내었으며, 비교예 및 실시예 1, 4, 5와 대비할 때 구동 전압이 낮아지는 효과를 보여주고 있다.
또한, 발광 효율 측면을 살펴볼 때, 특히, 공통층(130)에 공통층 4를 적용한 실시예 4의 경우에 있어서는 공통층 4의 LUMO 에너지 레벨이 2.5eV로, 비교예의 전자 저지층(EBL)의 LUMO 에너지 레벨인 2.1 eV보다 낮아 공통층(130)이 전자 저지층(EBL)으로서의 기능을 하지 못하여 발광 효율이 저하되는 경향을 보이는 것을 알 수 있다.
반면, 공통층(130)에 공통층 5를 적용한 실시예 5의 경우 즉, 공통층 5의 LUMO 에너지 레벨이 2.3eV인 경우에 있어서는 발광 효율 측면에 있어서 비교예와 유사한 수준을 나타내어 공통층(130)이 전자 저지층(EBL)으로서의 기능을 하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이 N형 정공 주입층(120)을 적용하는 유기 발광 소자에 있어서, 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수 및 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨과 대비하여 HOMO 에너지 레벨이 높은 공통층(130)을 적용하는 경우에 구동 전압 측면에서 우수한 특성을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 공통층(130)이 전자 저지층(EBL)으로서의 기능을 하기 위해서는 공통층(130)의 LUMO 에너지 레벨이 2.3eV 보다 높은 경우에서 효과를 나타내는 것을 알 수 있다.
즉, 정공 주입층(120)의 에너지 레벨의 절대값과 제 1 전극(110)의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같아야 하고, 또한 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같아야 한다.
또한, 정공 주입층(120)의 에너지 레벨의 절대값과 공통층(130)의 에너지 레벨의 절대값의 차이는, 정공 주입층(120)의 에너지 레벨의 절대값과 제 1 전극(110)의 에너지 레벨의 절대값의 차이보다 크거나 같은 경우에 유기 발광 소자의 구동 전압이 낮아지는 효과를 얻는 것이 가능하다.
그리고, 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 제 1 전극(110)인 ITO의 에너지 레벨, 즉 ITO의 일함수인 5.2eV 수준 이상이고, 또한 LUMO 에너지 레벨이 2.3eV 수준 이상인 물질을 적용하는 경우에 공통층(130)이 정공 수송층(HTL)과 전자 저지층(EBL)의 기능을 동시에 수행할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용 조건에 따른 조건별 청색 유기 발광 소자의 수명 특성 평가 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 5에서 살펴볼 수 있는 것과 같이, 실시예 4와 실시예 5의 수명 평가 결과의 경우, 초기 발광 휘도의 95% 수준의 발광 휘도를 나타내는데 까지의 시간, 즉 유기 발광 소자의 95% 수명 시간이 실시예 4의 경우는 225시간의 수준을 나타내었고, 실시예 5의 경우는 150시간의 수준을 나타내어, 비교예에 있어서의 95% 수명 시간인 180시간의 수준과 비교할 때 큰 차이를 보이지 않았으며, 유기 발광 소자의 수명이 향상되는 결과를 나타내지 않았다.
즉, 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수보다 낮고, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨 대비 낮은 경우에 해당하는 실시예 4와 실시예 5의 소자 수명 결과의 경우는 비교예의 수명 결과와 대비할 때 향상되는 결과를 얻지 못하였다.
반면에, 도 5에서 볼 수 있는 것과 같이, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3의 수명 평가 결과에 있어서는, 초기 발광 휘도의 95% 수준의 발광 휘도를 나타내는데 까지의 시간, 즉 유기 발광 소자의 95% 수명 시간이 실시예 1의 경우는 415시간, 실시예 2의 경우는 475시간, 실시예 3의 경우는 395시간의 수준을 나타내었다.
즉, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3에 있어서의 유기 발광 소자의 수명 결과는 비교예에 있어서의 95% 수명 시간인 180시간의 수준과 비교할 때 약 2배 이상의 값을 보이고 있으며 유기 발광 소자의 수명이 향상되는 결과를 나타내었다.
상기 결과를 살펴볼 때, 특히, 실시예 2, 실시예 3의 경우, 즉 정공 수송층(HTL)과 전자 저지층(EBL)의 기능을 동시에 하는 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수보다 높거나 같고, 또한 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨 대비 높은 경우에 해당하는 실시예 2와 실시예 3에 있어서 비교예와 대비할 때 수명 측면에서 향상되는 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.
따라서, 공통층(130) 을 적용하여 유기 발광 소자 수명 향상의 효과를 얻기 위해서는 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨이 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨 대비 높아서 전하 생성(charge generation)에 문제가 없도록 빠르게 정공을 주입해 줄 수 있도록 해주어야 한다.
즉, 정공 주입층(120)의 LUMO 에너지 레벨의 절대값이 공통층(130)의 HOMO 에너지 레벨의 절대값 보다 크거나 같은 경우에 있어서 유기 발광 소자의 수명이 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용에 따른 조건별 적색 유기 발광 소자의 전기 광학 특성 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 6에서는 적색 유기 발광 소자에 있어, 공통층(130)으로 표 1에서의 공통층 1을 적용한 실시예 1과 공통층 2를 적용한 실시예 2에 대해서 전기 광학 특성을 평가하고 그 결과를 비교하였다.
실시예 1에 따른 적색 유기 발광 소자 구조는 다음과 같다.
제 1 전극(110)으로 ITO를 70Å의 두께로 형성하고 그 상부에 은-팔라듐-구리 합금(Ag-Pd-Cu alloy: APC)을 100Å의 두께로 형성하고 그 상부에 ITO를 70Å의 두께로 형성하였다. 이 후 제 1 전극(110)을 N2 플라즈마(N2 plasma) 조건에서 표면 처리를 진행하였다.
제 1 전극(110)의 상부에 정공 주입층(120)으로 HATCN을 70Å의 두께로 형성하였고, 정공 주입층(120)의 상부에 공통층(130)으로 표 1의 공통층 1의 HOMO 에너지 레벨 및 LUMO 에너지 레벨의 조건을 갖는 스피로 아민(Spiro amine) 계열의 유기물을 1150Å의 두께로 형성하였다.
공통층(130), 즉 공통층 1의 상부에 적색 발광층(140)으로 베릴륨 화합물(Be complex) 유도체를 350Å의 두께로 형성한 후, 도펀트(dopant)를 5% 수준으로 도핑하여 형성하였고, 적색 발광층(140)의 상부에 전자 수송층(170)을 안트라센 유도체와 Liq(lithium quinolate)를 1:1의 비율로 혼합하여 300Å의 두께로 형성하였다.
전자 수송층(170)의 상부에 제 2 전극(190)으로 반투과 전극인 은과 마그네슘을 1:1의 비율로 혼합한 은과 마그네슘 합금(Ag:Mg)을 200Å의 두께로 형성한 후, 유리 기판(glass)으로 봉지하여 적색 유기 발광 소자를 제작하였다.
또한, 실시예 2에 따른 적색 유기 발광 소자 구조는 다음과 같다.
제 1 전극(110)으로 ITO를 70Å의 두께로 형성하고 그 상부에 은-팔라듐-구리 합금(Ag-Pd-Cu alloy: APC)을 100Å의 두께로 형성하고 그 상부에 ITO를 70Å의 두께로 형성하였다. 이 후 제 1 전극(110)을 N2 플라즈마(N2 plasma) 조건에서 표면 처리를 진행하였다.
제 1 전극(110)의 상부에 정공 주입층(120)으로 HATCN을 70Å의 두께로 형성하였고, 정공 주입층(120)의 상부에 공통층(130)으로 표 1의 공통층 2의 HOMO 에너지 레벨 및 LUMO 에너지 레벨의 조건을 갖는 스피로 아민(Spiro amine) 계열의 유기물을 1150Å의 두께로 형성하였다.
공통층(130), 즉 공통층 2의 상부에 적색 발광층(140)으로 베릴륨 화합물(Be complex) 유도체를 350Å의 두께로 형성한 후, 도펀트(dopant)를 5% 수준으로 도핑하여 형성하였고, 적색 발광층(140)의 상부에 전자 수송층(170)을 안트라센 유도체와 Liq(lithium quinolate)를 1:1의 비율로 혼합하여 300Å의 두께로 형성하였다.
전자 수송층(170)의 상부에 제 2 전극(190)으로 반투과 전극인 은과 마그네슘을 1:1의 비율로 혼합한 은과 마그네슘 합금(Ag:Mg)을 200Å의 두께로 형성한 후, 유리 기판(glass)으로 봉지하여 적색 유기 발광 소자를 제작하였다.
상기의 구조로 실시예 1과 실시예 2의 공통층(130)을 적용한 적색 유기 발광 소자의 전기 광학 특성을 평가하고 그 결과를 비교하였다.
도 6에서 살펴볼 수 있는 것과 같이, 실시예 1과 실시예 2의 광학 특성 결과를 비교해 보면, 발광 효율(cd/A), 색좌표(CIE_x, CIE_y) 및 양자 효율(EQE(%))의 측면에 있어서는 큰 차이를 보이지 않았으며 유사한 수준을 나타내었다.
반면에, 구동 전압의 측면을 살펴보면, 공통층(130)으로 공통층 1을 적용한 실시예 1에 있어서의 구동 전압은 4.7V의 수준을 나타내었으며, 공통층(130)으로 공통층 2를 적용한 실시예 2에 있어서의 구동 전압은 4.0V의 수준을 나타내어, 공통층 2를 공통층(130)으로 적용한 경우에 구동 전압 측면에서 보다 향상된 효과를 얻을 수 있었다.
즉, 적색 유기 발광 소자에 있어서, 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수와 대비할 때 HOMO 에너지 레벨이 높은 공통층 2를 공통층(130)으로 적용한 실시예 2의 경우에서 구동 전압이 낮아지는 효과를 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공통층 적용에 따른 조건별 녹색 유기 발광 소자의 전기 광학 특성 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 7에서는 앞선 청색 유기 발광 소자 및 적색 유기 발광 소자의 실험과 동일한 소자 구조에서 녹색 발광층(150)을 형성한 녹색 유기 발광 소자에 있어, 공통층(130)으로 공통층 1을 적용한 실시예 1과 공통층(130)으로 공통층 2를 적용한 실시예 2의 경우에 대해서 전기 광학 특성을 평가하고 그 결과를 비교하였다.
도 7에서 볼 수 있는 것과 같이, 실시예 1과 실시예 2의 광학 특성 결과를 비교해 보면, 발광 효율(cd/A), 및 색좌표(CIE_x, CIE_y) 및 양자 효율(EQE(%))의 측면에 있어서 큰 차이를 나타내지 않았다.
반면에, 구동 전압의 측면을 살펴보면, 공통층(130)으로 공통층 1을 적용한 실시예 1에 있어서의 구동 전압은 4.6V의 수준을 나타내었으며, 공통층(130)으로 공통층 2를 적용한 실시예 2에 있어서의 구동 전압은 3.9V의 수준을 나타내어, 공통층 2를 공통층(130)에 적용한 경우 구동 전압 측면에서 보다 향상된 효과를 얻을 수 있었다.
즉, 녹색 유기 발광 소자에 있어서, 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수와 대비할 때 HOMO 에너지 레벨이 높은 공통층 2를 공통층(130)으로 적용한 실시예 2의 경우에서 구동 전압이 낮아지는 효과를 얻을 수 있다.
결과적으로, 도 6 및 도 7에서의 적색, 녹색 유기 발광 소자 실험 결과를 살펴볼 때, 앞선 청색 유기 발광 소자 실험의 결과와 마찬가지로, 제 1 전극(110)인 ITO의 일함수와 대비할 때 HOMO 에너지 레벨이 높은 공통층(130)을 적용한 적색, 녹색 유기 발광 소자의 경우에 있어서 구동 전압을 낮추는 효과를 얻을 수 있으며, 또한 수명이 향상되는 결과를 얻는 것이 가능한 것을 알 수 있다.
본 발명의 구체적인 내용 및 실시예에는 구체적으로 기재하지 않았으나, 추가적으로 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자에 적색 발광층(140)에 대응되는 제 1 정공 수송층(131)과 녹색 발광층(150)에 대응되는 제 2 정공 수송층(132)을 적용함에 있어서, 제 1 정공 수송층(131)과 제 2 정공 수송층(132)을 공통층(130)과 동일한 물질로 형성하는 경우, 추가적으로 유기 발광 소자의 구동 전압을 낮추는 것이 효과를 얻을 수 있으며, 또한 소자의 수명 향상의 결과를 얻는 것이 가능하다.
제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 유기 발광층을 포함하고, 제 1 전극과 인접한 정공 주입층을 포함하며, 정공 주입층의 상부에 위치하는 공통층을 포함하고, 공통층은 정공 수송층과 전자 저지층의 기능을 할 수 있다.
상기 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 제 1 전극의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같을 수 있다.
정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같을 수 있다.
정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 상기 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 제 1 전극의 에너지 레벨의 절대값의 차이보다 크거나 같을 수 있다.
정공 주입층은 N형 유기 물질로 이루어질 수 있으며, 제 1 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)일 수 있다.
공통층의 HOMO(Hightest Occupied Molecular Orbital: 최고준위 점유 분자궤도) 에너지 레벨은 상기 제 1 전극의 일함수 보다 높거나 같을 수 있다.
공통층의 HOMO 에너지 레벨은 5.2eV 보다 높을 수 있다.
공통층의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital: 최저준위 비점유 분자궤도) 에너지 레벨은 2.3eV 보다 높을 수 있다.
적색 발광층에 대응되는 제 1 정공 수송층을 포함하며, 녹색 발광층에 대응되는 제 2 정공 수송층을 포함할 수 있으며, 제 1 정공 수송층과 제 2 정공 수송층은 공통층과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 유기 발광 소자
110: 제 1 전극 (Anode)
120: 정공 주입층 (HIL)
130: 공통층(Common Layer)
131: 제 1 정공 수송층 (R-HTL)
132: 제 2 정공 수송층 (G-HTL)
140: 적색 발광층 (Red EML)
150: 녹색 발광층 (Green EML)
160: 청색 발광층 (Blue EML)
170: 전자 수송층 (ETL)
180: 전자 주입층 (EIL)
190: 제 2 전극 (Cathode)
200: 캡핑층 (CPL)
110: 제 1 전극 (Anode)
120: 정공 주입층 (HIL)
130: 공통층(Common Layer)
131: 제 1 정공 수송층 (R-HTL)
132: 제 2 정공 수송층 (G-HTL)
140: 적색 발광층 (Red EML)
150: 녹색 발광층 (Green EML)
160: 청색 발광층 (Blue EML)
170: 전자 수송층 (ETL)
180: 전자 주입층 (EIL)
190: 제 2 전극 (Cathode)
200: 캡핑층 (CPL)
Claims (18)
- 복수의 제 1 전극;
상기 복수의 제1 전극과 대향하는 제 2 전극;
상기 복수의 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 복수의 유기 발광층;
상기 복수의 제 1 전극과 인접한 정공 주입층; 및
상기 정공 주입층의 상부에 위치하며 상기 복수의 제1 전극에 걸쳐 도포되는 공통층을 포함하고,
상기 복수의 유기 발광층 중 적어도 어느 하나는 상기 공통층과의 사이에 정공 수송층을 구비하고,
상기 복수의 유기 발광층 중 다른 하나는 상기 공통층과 직접 접촉하며,
상기 공통층은 정공 수송과 전자 저지의 기능을 하는 유기 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 제 1 전극의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같은 유기 발광 소자. - 제2 항에 있어서,
상기 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 0 보다 크거나 같은 유기 발광 소자. - 제3 항에 있어서,
상기 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 공통층의 에너지 레벨의 절대값의 차이는 상기 정공 주입층의 에너지 레벨의 절대값과 상기 제 1 전극의 에너지 레벨의 절대값의 차이보다 크거나 같은 유기 발광 소자. - 제4 항에 있어서,
상기 정공 주입층은 N형 유기 물질로 이루어진 유기 발광 소자. - 제5 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)인 유기 발광 소자. - 복수의 제1 전극;
상기 복수의 제 1 전극과 대향하는 제 2 전극;
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 복수의 유기 발광층;
상기 복수의 제 1 전극과 인접한 정공 주입층;
상기 정공 주입층의 상부에서 상기 복수의 제1 전극에 걸쳐 도포되며 정공을 수송하고 전자를 저지하는 공통층을 포함하고,
상기 복수의 유기 발광층 중 적어도 어느 하나는 상기 공통층과의 사이에 정공 수송층을 구비하고,
상기 복수의 유기 발광층 중 다른 하나는 상기 공통층과 직접 접촉하며,
상기 공통층의 HOMO(Hightest Occupied Molecular Orbital) 에너지 레벨은 상기 제 1 전극의 일함수 보다 높거나 같은 유기 발광 소자. - 제7 항에 있어서,
상기 공통층의 HOMO(Hightest Occupied Molecular Orbital) 에너지 레벨은 5.2eV 보다 높은 유기 발광 소자. - 제8 항에 있어서,
상기 공통층의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 레벨은 2.3eV 보다 높은 유기 발광 소자. - 제7 항에 있어서,
상기 정공 주입층은 N형 유기 물질로 이루어진 유기 발광 소자. - 제7 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)인 유기 발광 소자. - 제 1 전극과 제 2 전극;
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하며 적색 발광층, 녹색 발광층, 청색 발광층을 포함하는 유기 발광층;
상기 제 1 전극과 인접한 정공 주입층;
상기 적색 발광층, 상기 녹색 발광층, 상기 청색 발광층에 대응되며 상기 정공 주입층의 상부에 위치하는 공통층;
상기 공통층과 상기 적색 발광층 사이에 위치하는 제 1 정공 수송층; 및
상기 공통층과 상기 녹색 발광층 사이에 위치하는 제 2 정공 수송층을 포함하며,
상기 청색 발광층은 상기 공통층과 직접 접촉하고,
상기 공통층의 HOMO(Hightest Occupied Molecular Orbital) 에너지 레벨은 상기 제 1 전극의 일함수 보다 높거나 같은 유기 발광 소자. - 제12 항에 있어서,
상기 공통층은 정공 수송층 및 전자 저지층의 기능을 하는 유기 발광 소자. - 제13 항에 있어서,
상기 제 1 정공 수송층과 상기 제 2 정공 수송층은 상기 공통층과 동일한 물질로 이루어지는 유기 발광 소자. - 제14 항에 있어서,
상기 공통층의 HOMO(Hightest Occupied Molecular Orbital) 에너지 레벨은 5.2eV 보다 높은 유기 발광 소자. - 제15 항에 있어서,
상기 공통층의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 레벨은 2.3eV 보다 높은 유기 발광 소자. - 제16 항에 있어서,
상기 정공 주입층은 N형 유기 물질로 이루어진 유기 발광 소자. - 제17 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 유기 발광 소자.
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- 2015-04-29 US US14/699,480 patent/US9882156B2/en active Active
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