KR102418480B1 - 유기 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 효율이 우수하면서 아울러 내광성 저하 문제를 저감할 수화소 있는 유기 발광소자에 관한 것으로, 유기 발광층과 정공차단층 사이에 정공 차단 및 트랩이 가능한 정공 트랩층이 배치된다. 상기 정공 트랩층은 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 유기 발광층의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 높은 호스트와, 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 상기 정공 차단층의 HOMO 에너지 준위보다 더 낮은 도펀트를 포함한다.
Description
본 발명은 유기 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내광성이 우수한 유기 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 유기 발광소자는 기판 상에 순차적으로 배치된 애노드 전극, 정공 주입층(Hole Injection Layer; HIL), 정공 수송층(Hole Transport Layer; HTL), 유기 발광층(Emission Material Layer; EML), 전자 수송층(Electron Transport Layer; ETL), 전자 주입층(Electron Injection Layer; EIL) 및 캐소드 전극을 포함하며, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전기장을 가함으로써 유기 발광층에서 빛을 내는 소자이다.
유기 발광소자는 응답속도가 빠르며, 저전압 구동이 가능하며, 전력 소모가 비교적 적고, 플렉서블 기판 상에서도 소자 제작이 가능한 장점을 갖는다. 이러한 여러 장점으로 인해, 유기 발광소자를 디스플레이 장치나 조명 장치에 적용하고자 하는 많은 연구가 이루어지고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 유기 발광소자의 구조를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 유기 발광소자는 애노드 전극(110)와 캐소드 전극(170) 사이에 유기 발광층(140)이 배치되어 있다. 애노드 전극(110)으로부터 유기 발광층(140)으로 정공 수송 효과를 높이기 위해 애노드 전극(110)과 유기 발광층(140) 사이에는 정공 주입층(120) 및 정공 수송층(130)이 배치될 수 있다. 또한, 캐소드 전극(170)으로부터 유기 발광층(140)으로 전자 수송 효과를 높이기 위해 캐소드 전극(170)과 유기 발광층(140) 사이에는 전자 주입층(160) 및 전자 수송층(150)이 배치될 수 있다.
공정 측면으로 보면, 기판(101) 상에 애노드 전극(110), 정공 주입층(120), 정공 수송층(130), 유기 발광층(140), 전자 수송층(150), 전자 주입층(160) 및 캐소드 전극(170)이 순차적으로 배치되는 구조를 갖는다.
유기 발광소자가 조명 장치에 적용되는 경우, 기판은 유리 기판이나 폴리이미드와 같은 고분자 기판이 될 수 있다. 또한 유기 발광소자가 디스플레이 장치에 적용되는 경우, 기판은 화소 전극이 될 수 있다.
애노드 전극(110)과 캐소드 전극(170)은 투명 전도성 산화물이나 금속 재질일 수 있다.
정공 주입층(120), 정공 수송층(130), 유기 발광층(140), 전자 수송층(150), 전자 주입층(160)은 유기물 재질이다.
유기 발광층(140)에는 호스트 물질에 도펀트가 도핑되어 있다. 청색 발광을 위해서는 형광 청색(fluorescent blue)의 도펀트가 도핑되고, 녹색 및 적색 발광을 위해서는 인광(phosphorescent)의 도펀트가 도핑된다.
도 2는 도 1에 도시된 유기 발광소자에 포함되는 각각의 층의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 애노드 전극(110)과 캐소드 전극(170)에 전원의 (+)단자와 (-)단자를 연결하여 전원을 공급하면 유기 발광층(140)에서 광이 방출된다.
보다 구체적으로는, 애노드 전극(110)과 캐소드 전극(170)에 전원이 공급되면, 정공(hole)은 애노드 전극(110)으로부터 정공 주입층(120) 및 정공 수송층(130)을 통해 유기 발광층(140)에 공급되고, 전자(electron)는 캐소드 전극(170)으로부터 전자 주입층(160) 및 전자 수송층(150)을 통해 유기 발광층(140)에 공급된다. 정공과 전자가 유기 발광층(140)에서 결합하여 여기자(exiton)를 형성하면, 여기자로부터 정공과 전자 사이의 에너지에 해당하는 빛을 발광하게 된다.
한편, 유기 발광소자의 경우, 자외선에 대한 내광성이 문제될 수 있다. 유기 발광소자가 자외선을 포함하는 태양광에 노출되었을 때 전자 이동 속도는 느려지는데 반하여, 정공 이동 속도는 크게 느려지지 않는다. 이에 따라, 정공 이동 속도가 전자 이동 속도보다 상대적으로 빠르게 되고, 유기 발광층(140)에서 여기자를 형성하지 않는 정공들이 다수 발생하여, 전자 수송층(150)으로 넘어간다. 전자 수송층(150)으로 넘어간 정공들은 전자 수송층(150)에 데미지를 가하여 수명 특성을 저해시킨다.
표 1은 적색, 녹색 및 청색 유기 발광소자에 대하여 자외선 노출 전 및 자외선 노출 후의 수명 특성 변화를 나타낸 것이다. 적색 유기 발광소자는 유기 발광층에 인광 적색 도펀트가 포함되어 있는 인광 적색 유기 발광소자이고, 녹색 유기 발광소자는 유기 발광층에 인광 녹색 도펀트가 포함되어 있는 인광 녹색 유기 발광소자이고, 청색 유기 발광소자는 유기 발광층에 형광 청색 도펀트가 포함되어 있는 형광 청색 유기 발광소자이다.
자외선 노출 후 유기 발광소자의 수명 특성은 UV 측정 이전의 유기 발광소자의 수명 특성을 100%로 하였을 때 상대적인 값으로 나타낸 것이다.
수명특성 측정은 OLED 수명 측정 장비인 맥사이언스 사 제조 M6000을 이용하였다. UV 측정은 0.8W/m2로 150hr동안 조사되었다.
[표 1]
상기 표 1을 참조하면, 인광 적색 유기 발광소자의 경우 수명 특성 저하가 나타나지 않았지만, 인광 청색 유기 발광소자의 경우 약간의 수명 특성 저하가 나타나 자외선의 영향을 받는 것을 볼 수 있으며, 특히 인광 녹색 유기 발광소자의 경우, 내광성에 매우 취약한 것을 볼 수 있다.
도 3은 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 정공 차단층을 배치한 예를 나타낸 것이다. 도 3에서는 유기 발광층, 전자 수송층 및 정공 차단층만을 나타내었으나, 실제 구조는 애노드 전극, 정공 주입층, 정공 수송층, 유기 발광층, 정공 차단층, 전자 수송층, 전자 주입층 및 캐소드 전극을 포함한다.
도 3에 도시된 예와 같이, 유기 발광층(140)에서 여기자를 형성하지 않는 정공들이 전자 수송층(150)으로 넘어가는 것을 방지하기 위해, 유기 발광층(140)과 전자 수송층(150) 사이에 상대적으로 낮은 HOMO 에너지 준위를 갖는 정공 차단층(145)이 배치될 수 있다. 그러나, 이러한 정공 차단층(145)의 경우, 태양광 노출에 의해 유기 발광층(140)으로부터 넘어온 정공들이 쌓이게 됨으로써 정공 차단층(145)의 특성이 열화되거나 정공 차단층(145)이 데미지를 입어 유기 발광소자의 수명 특성을 저하시킬 수 있다.
도 4는 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 정공 차단층을 배치한 다른 예를 나타낸 것이다. 도 4에서는 유기 발광층, 전자 수송층 및 다중의 정공 차단층만을 나타내었으나, 실제 구조는 애노드 전극, 정공 주입층, 정공 수송층, 유기 발광층, 다중의 정공 차단층, 전자 수송층, 전자 주입층 및 캐소드 전극을 포함한다.
도 4에 도시된 예에서는, 유기 발광층(140)과 전자 수송층(150) 사이에 다중의 정공 차단층(145a, 145b)가 배치되어 있다. 그러나, 이는 오히려 정공 수송에 방해가 되어, 구동 전압이 상승하고 발광 효율이 저하되며, 나아가 공정성도 나빠질 수 있다.
도 5는 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 정공 차단층을 배치한 또 다른 예를 나타낸 것이다. 도 5에서는 유기 발광층, 전자 수송층 및 정공 차단층만을 나타내었으나, 실제 구조는 애노드 전극, 정공 주입층, 정공 수송층, 유기 발광층, 정공 차단층, 전자 수송층, 전자 주입층 및 캐소드 전극을 포함한다.
도 5에 도시된 예에서는, 유기 발광층(140)과 전자 수송층(150) 사이에 매우 높은 HOMO 에너지 준위를 갖는 정공 차단층(145)이 배치되어 있다. 그러나, 정공 차단층(145)의 HOMO 에너지 준위가 매우 높을 경우 정공 차단층(145)의 밴드갭이 증가되고 이에 따라 재료의 안정성이 저하되어, 수명 특성이 오히려 저하될 수 있다.
이상 도 3 내지 도 5에서 설명한 바와 같이, 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 정공 차단층을 배치하는 것만으로는 내광성 저하를 저감하는 것에 한계가 있다.
본 발명은 발광 효율이 우수하면서도 내광성 저하를 저감할 수 있는 유기 발광소자를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광소자는 애노드 전극, 캐소드 전극, 유기 발광층, 전자 수송층, 정공 차단층 및 정공 트랩층을 포함한다. 상기 유기 발광층은 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배치되며, 도펀트를 포함한다. 유기 발광층에 포함되는 도펀트는 인광 적색 도펀트, 인광 녹색 도펀트 형광 청색 도펀트 등이 될 수 있다. 상기 전자 수송층은 유기 발광층과 캐소드와 사이에 배치된다. 상기 정공 차단층은 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 배치된다. 상기 정공 트랩층은 유기 발광층과 정공 차단층 사이에 배치된다.
이때, 상기 정공 트랩층은 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 상기 유기 발광층의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 높은 호스트 및 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 상기 정공 차단층의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 낮은 도펀트를 포함한다. 본 발명에 따른 유기 발광소자에 포함되는 정공 트랩층은 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 상기 유기 발광층의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 높은 호스트를 포함함으로써 유기 발광층으로 넘어오는 정공을 차단할 수 있다.
또한, 상기 정공 트랩층은 정공 차단층과 동일한 재질의 호스트와, 상기 유기 발광층에 포함된 도펀트를 포함한다. 정공 트랩층의 호스트 재질이 정공 차단층 재질과 동일함으로써 유기 발광층으로부터 넘어오는 정공을 효과적으로 차단할 수 있다. 아울러, 정공 트랩층이 유기 발광층에 포함된 도펀트를 포함함으로써 유기 발광층으로부터 넘어오는 정공을 정공 트랩층 내에 트랩시킬 수 있다.
특히, 상기 정공 트랩층은 정공 차단층에 비하여 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 더 낮은 도펀트를 포함함으로써 유기 발광층으로부터 넘어오는 정공을 효과적으로 트랩할 수 있어, 유기 발광층으로부터 넘어오는 정공이 정공 트랩층 표면에 쌓이는 것을 방지할 수 있다.
이때, 상기 정공 트랩층의 도펀트 농도는 5중량% 이하인 것이 바람직하다. 정공 트랩층의 도펀트 농도를 5중량% 이하로 조절함으로써 정공 트랩층에서 원하지 않는 발광 발생을 방지할 수 있다.
또한, 상기 정공 트랩층의 도펀트 농도는 3중량% 이상인 것이 바람직하다. 정공 트랩층의 도펀트 농도를 3중량% 이상으로 함으로써 발광 향상 및 내광성 저하를 저감하여 수명 특성 개선 효과가 현저히 높아질 수 있다.
또한, 상기 정공 차단층의 HOMO 에너지 준위와 상기 정공 트랩층에 포함되는 도펀트의 HOMO 에너지 준위의 차이는 0.3eV 이하인 것이 바람직하다. 정공 차단층과 정공 트랩층에 포함되는 도펀트와 정공 차단층의 HOMO 에너지 준위 차이가 작을수록 정공 트랩층에서의 정공 트랩 효과가 더 우수하여 발광 효율 및 내광성 저하 개선 효과가 더 향상될 수 있다.
또한, 상기 정공 트랩층의 두께는 약 30Å인 것이 바람직하고, 10% 오차 범위를 고려할 때 27~33Å인 것이 바람직하다. 정공 트랩층의 두께가 약 30Å에서 우수한 발광 효율을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 정공 트랩층의 도펀트는 상기 정공 차단층과 동일한 LUMO 에너지 준위를 갖는 것이 바람직하다. 정공 트랩층의 도펀트와 정공 차단층의 LUMO 에너지 준위가 동일함으로써, 전자 수송층에서 유기 발광층까지의 전자 수송에 영향을 미치지 않는다.
본 발명에 따른 유기 발광소자는 유기 발광층과 정공차단층 사이에 정공 차단 및 트랩이 가능한 정공 트랩층이 배치된다. 이를 통해 유기 발광층으로부터 넘어오는 정공을 효과적으로 차단 및 트랩시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 유기 발광소자는 단일 정공 차단층이 갖는 발광 효율 및 내광성 관련 수명 특성 개선의 한계를 극복할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 유기 발광소자의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 유기 발광소자에 포함되는 각각의 층의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위를 나타낸 것이다.
도 3은 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 정공 차단층을 배치한 예를 나타낸 것이다.
도 4는 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 정공 차단층을 배치한 다른 예를 나타낸 것이다.
도 5는 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 정공 차단층을 배치한 또 다른 예를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광소자의 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 도 6에 도시된 유기 발광소자에 포함되는 각각의 층의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위를 나타낸 것이다.
도 8은 유기 발광층으로부터 넘어온 정공이 정공 트랩층에서 트랩되는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9는 정공 트랩층의 도펀트 농도에 따른 상온 발광 효율을 나타낸 것이다.
도 10은 정공 트랩층의 두께에 따른 상온 발광 효율을 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 유기 발광소자에 포함되는 각각의 층의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위를 나타낸 것이다.
도 3은 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 정공 차단층을 배치한 예를 나타낸 것이다.
도 4는 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 정공 차단층을 배치한 다른 예를 나타낸 것이다.
도 5는 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 정공 차단층을 배치한 또 다른 예를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광소자의 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 도 6에 도시된 유기 발광소자에 포함되는 각각의 층의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위를 나타낸 것이다.
도 8은 유기 발광층으로부터 넘어온 정공이 정공 트랩층에서 트랩되는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9는 정공 트랩층의 도펀트 농도에 따른 상온 발광 효율을 나타낸 것이다.
도 10은 정공 트랩층의 두께에 따른 상온 발광 효율을 나타낸 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 유기 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.
이하에서 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 발명에서 “~~ 상에 있다”라고 함은 “어떠한 부분이 다른 부분과 접촉한 상태로 바로 위에 있다”를 의미할 뿐만 아니라 “어떠한 부분이 다른 부분과 비접촉한 상태이거나 제3의 부분이 중간에 더 형성되어 있는 상태로 다른 부분의 위에 있다”를 의미할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광소자의 구조를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 유기 발광소자는 애노드 전극(610)과 캐소드 전극(670) 사이에 배치되는 유기 발광층(640), 전자 수송층(650), 정공 차단층(680) 및 정공 트랩층(690)을 포함한다.
유기 발광층(640)은 애노드 전극(610)과 캐소드 전극(670) 사이에 배치된다. 유기 발광층(640)은 호스트와 도펀트를 포함한다. 유기 발광층(640)에 포함되는 도펀트는 인광 적색 도펀트, 인광 녹색 도펀트 형광 청색 도펀트 등이 될 수 있다.
전자 수송층(650)은 유기 발광층(640)과 캐소드 전극(670) 사이에 배치된다. 정공 차단층(680)은 유기 발광층(640)과 전자 수송층(650) 사이에 배치된다. 정공 트랩층(690)은 유기 발광층(640)과 정공 차단층(680) 사이에 배치된다.
이외에도, 본 발명에 따른 유기 발광소자는 애노드 전극(610)으로부터 정공 주입 및 수송 효율 향상을 위하여 애노드 전극(610)과 발광층(640) 사이에 정공 주입층(620) 및 정공 수송층(630)이 추가로 배치될 수 있고, 캐소드 전극(670)으로부터 전자 주입 효율 향상을 위하여 전자 수송층(650)과 캐소드 전극(670) 사이에 전자 주입층(660)이 추가로 배치될 수 있다.
우선, 본 발명에 따른 유기 발광소자에 포함되는 각각의 층의 재질을 예시하면 다음과 같다.
애노드 전극(610)과 캐소드 전극(670)은 ITO와 같은 투명전도성 산화물이나 Mg-Ag 합금, Ca-Ag 합금 등과 같은 금속 재질이 될 수 있다. 예를 들어, 단면 발광형일 경우, 애노드 전극(610)과 캐소드 전극(670) 중 어느 한 쪽은 투명전도성 산화물 재질이고, 다른 한 쪽은 금속 재질이 될 수 있다. 다른 예로, 양면 발광형일 경우, 애노드 전극(610)과 캐소드 전극(670) 양쪽 모두 투명전도성 산화물 재질일 수 있다.
정공 주입층(620)과 정공 수송층(630)은 4,4'-비스[N-[4-{N,N-비스(3-메틸페닐)[0031] 아미노}페닐]-N-페닐아미노]비페닐](약칭: DNTPD)이나 4, 4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]-비페닐(약칭:α-NPD) 재질이 될 수 있다.
유기 발광층(640)의 호스트는 9,10-디(2-나프틸)안트라센(약칭: ADN)과 같은 안트라센 유도체나, 4,4'-N,N'-디카바졸-비페닐(약칭: CBP) 등의 재질이 될 수 있다. AND은 청색 유기 발광소자의 호스트로 적합하고, CBP는 녹색 유기 발광소자의 호스트로 적합하다. 또한 유기 발광층(640)의 도펀트는 1,6-비스(디페닐아민)파이렌과 같은 파이렌 유도체나 Ir(ppy)3과 Ir(mmapy)3을 등과 같은 인듐착물 등이 될 수 있다. 파이렌 유도체는 청색 유기 발광소자의 발광층 도펀트로 적합하고, Ir(ppy)3는 녹색 유기 발광소자의 발광층 도펀트로 적합하며, Ir(mmapy)3는 적색 유기 발광소자의 발광층 도펀트로 적합하다.
전자 수송층(650)은 tris(8-hydroxyquinoline) Aluminum(약칭: Alq3) 재질일 수 있다. 전자 주입층(660)은 LiF, Li2O 재질일 수 있고, 또한 Li, Ca, Mg, Sm 등의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 재질일 수 있다.
정공 차단층(680)은 BCP(Bathocuproine) 재질이거나 4,4'4"-트라이스(카바졸-9-일)트라이페닐아민(약칭: TCTA)과 같은 카바졸 유도체 재질일 수 있다.
상기 열거된 유기 발광소자에 포함되는 각각의 층의 재질은 단지 예시에 불과하며, 각 층의 특성에 적합한 공지된 다양한 재질들이 적용될 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 유기 발광소자에 포함되는 각각의 층의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위를 나타낸 것이다. 또한, 도 8은 유기 발광층으로부터 넘어온 정공이 정공 트랩층에서 트랩되는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 8에서는 유기 발광층, 정공 트랩층, 정공 차단층 및 전자 수송층 및 정공 차단층만을 나타내었으며, 실제 구조는 도 7에 도시된 예와 같이, 애노드 전극, 정공 주입층, 정공 수송층, 유기 발광층, 정공 트랩층, 정공 차단층, 전자 수송층, 전자 주입층 및 캐소드 전극을 포함한다.
도 7 및 도 8에서 정공 주입층(620), 정공 수송층(630), 유기 발광층(640), 전자 수송층(650), 전자 주입층(660), 정공 차단층(680) 및 정공 트랩층(690) 각각의 하부 라인은 HOMO 에너지 준위를 나타내고, 상부 라인은 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위를 나타낸다. HOMO 에너지 준위 및 LUMO 에너지 준위는 각각 음(-)의 값으로 절대값을 기준으로 할 때, 하부 라인이 더 아래 쪽에 위치할수록 HOMO 에너지 준위가 더 높은 것을 의미하고, 상부 라인이 더 아래 쪽에 위치할수록 LUMO 에너지 준위가 더 높은 것을 의미한다.
도 7을 참조하면, 정공 트랩층(690)은 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 유기 발광층(640)의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 높은 호스트와, 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 상기 정공 차단층(680)의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 낮은 도펀트를 포함한다.
정공 트랩층(690)의 호스트가 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 유기 발광층(640)의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 높음으로써, 유기 발광층으로 넘어오는 정공의 차단이 가능하다. 이는 정공 차단층(680)의 기능을 수행할 수 있음을 의미한다.
특히, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 정공 트랩층(690)은 정공 차단층(680)에 비하여 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 더 낮은 도펀트를 포함한다. 이를 통해 유기 발광층으로부터 넘어오는 정공을 정공 트랩층(690) 내에서 효과적으로 트랩할 수 있으며, 이를 통해 유기 발광층(640)으로부터 넘어오는 정공이 정공 트랩층(690) 표면에 쌓이는 것을 방지할 수 있다.
이때, 상기 정공 트랩층(690)의 도펀트 농도는 5중량% 이하인 것이 바람직하다. 정공 트랩층(690)의 도펀트 농도가 5중량%를 초과하는 경우, 전자 수송층(650)으로부터 수송되는 전자와 정공 트랩층(690)에 트랩된 정공과의 결합이 증가하게 된다. 이에 따라, 정공 트랩층(690)에서 원하지 않는 파장의 발광이 발생할 우려가 있다. 통상의 유기 발광층에 포함되는 도펀트 농도가 대략 10중량% 정도인 것을 고려하면, 본 발명에 따른 유기 발광소자에 포함되는 정공 트랩층(690)은 저농도 도펀트 함유층이라 볼 수 있다.
보다 바람직하게는 정공 트랩층(690)의 도펀트 농도는 3중량% 이상이다. 정공 트랩층(690)의 도펀트 농도가 너무 낮을 경우 정공 트랩 효과가 크지 않으며, 도펀트 정공 트랩층(690)의 도펀트 농도가 3중량% 이상일 때 정공 트랩 효과가 현저하다.
또한, 정공 차단층(680)의 HOMO 에너지 준위와 상기 정공 트랩층(690)의 도펀트의 HOMO 에너지 준위의 차이는 0.3eV 이하일 수 있다. 예를 들어, 정공 차단층(680)의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 5.9eV일 때, 정공 트랩층(690)의 도펀트의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위는 5.6eV 이상일 수 있다. 정공 트랩층에 포함되는 도펀트와 정공 차단층의 HOMO 에너지 준위 차이가 작은 경우, 정공이 정공 트랩층(690) 표면에서 내부로 원할하게 진입할 수 있어, 정공 트랩 효과가 보다 향상될 수 있다.
한편, 정공 트랩층(690)의 두께는 27~33Å인 것이 바람직하다. 정공 트랩층(690)의 두께가 약 30Å일 때 발광 효율이 크게 향상되는 결과를 나타내었다. 10%의 오차 범위를 고려할 때 정공 트랩층(690)의 두께는 27~33Å인 것이 바람직하다.
또한, 상기 정공 트랩층(690)의 도펀트는 정공 차단층(680)과 동일한 LUMO 에너지 준위를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에서 정공 트랩층(690)은 유기 발광층(640)으로부터 넘어오는 정공을 효과적으로 차단 및 트랩하는 것이며, 이때 전자 수송층(650)으로부터 유기 발광층(640)으로 수송되는 전자의 수송에 악영향을 미쳐서는 안된다. 예를 들어, 전공 트랩층의 도펀트의 절대값 기준 LUMO 에너지 준위가 정공 차단층(680)의 절대값 기준 LUMO 에너지 준위보다 높다면, 정공 트랩층은 전자 수송에 장애로 작용하며, 오히려 발광 효율을 저하시킬 수 잇다. 따라서, 정공 트랩층(690)의 도펀트와 정공 차단층(680)의 LUMO 에너지 준위를 동일하게 함으로써, 전자 수송층(650)에서 유기 발광층(640)까지의 전자 수송에 영향을 미치지 않도록 하는 것이 보다 바람직하다.
가장 바람직하게는, 정공 트랩층(690)의 호스트를 정공 차단층(680) 재질과 동일하게 하고, 정공 트랩층(690)의 도펀트를 유기 발광층(640)에 포함된 도펀트와 동일하게 하는 것을 제시할 수 있다.
이 경우, 정공 트랩층(690)의 호스트가 정공 차단층(680)을 구성하는 재질이므로, 정공 트랩층(690)의 호스트의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 유기 발광층(640)의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 높게 된다. 또한, 정공 트랩층(690)의 도펀트가 유기 발광층(640)에 포함된 도펀트와 동일하므로, 정공 트랩층(690)의 도펀트의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 정공 차단층(680)의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 낮게 된다. 이를 통해 정공 트랩층(690)에서의 정공 차단 및 트랩 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
실시예
이하, 이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 유기 발광소자의 제조
유리 기판 상에 ITO를 증착하여 애노드 전극을 형성하였다. 이후, 산소 플라즈마로 애노드 전극의 표면 처리를 하였다. 이어, 애노드 전극 상에 DNTPD를 증착하여 정공 주입층을 형성하였다. 다음, 정공 주입층 상에 α-NPD를 증착하여 정공 수송층을 형성하였다. 다음, 정공 수송층 위에 호스트가 CBP이고, 도펀트가 Ir(ppy)3인 유기 발광층, 정공 트랩층 및 BCP 재질의 정공 차단층을 형성하였다. 정공 트랩층은 호스트는 정공 차단층과 동일한 재질이며, 도펀트는 유기 발광층의 도펀트를 다양한 함량으로 포함하였다. 발광층 및 정공 차단층에서 사용된 물질들의 절대값 기준 LUMO 및 HOMO는 표 2에 도시된 바와 같다.
다음, 정공 차단층 상에 Alq3를 증착하여 전자수송층을 형성하였다. 이어, 전자 수송층 상에 LiF를 증착하여 전자 주입층을 형성하였다. 이어, 전자 주입층 상에 Mg:Ag를 약 120Å 두께로 증착하여 캐소드 전극을 형성하여, 인광 녹색 유기 발광소자를 제조하였다.
[표 2]
2. 특성 평가
표 3 및 도 9는 정공 트랩층의 도펀트 농도에 따른 상온 발광 효율을 나타낸 것이다. 표 3 및 도 9에서 정공 트랩층의 두께는 30Å으로 고정하였다.
발광 효율은 IVL 측정 장비인 KAS 140을 이용하여 측정하였다.
[표 3]
도 9 및 표 3을 참조하면, 정공 트랩층의 도펀트 농도가 3중량% 및 5중량%일 때 발광 효율이 5% 이상 향상되는 것을 볼 수 있다. 이에 반해 도핑 농도가 7%일 경우에는 발광 효율 향상 정도가 미미한 것을 볼 수 있다. 이는 정공 트랩층의 도펀트 농도가 높아 정공 트랩층에서 발광이 발생한 결과라 볼 수 있다. 이러한 결과를 고려할 때, 정공 트랩층의 도펀트 농도는 5중량% 이하가 바람직하고, 3~5중량%가 보다 바람직하다고 볼 수 있다.
표 4 및 도 10는 정공 트랩층 두게에 따른 상온 발광 효율을 나타낸 것이다. 표 4 및 도 10에서 정공 트랩층의 도펀트 농도는 5중량%로 고정하였다.
[표 4]
도 10 및 표 4를 참조하면, 정공 트랩층의 두께가 10Å 및 50Å인 경우와 비교해볼 때, 정공 트랩층이 두께가 30Å일 때 발광 효율이 매우 우수한 것을 볼 수 있다. 이 결과에 의하면, 정공 트랩층의 두께는 약 30Å일 때 발광 효율이 가장 우수하다고 볼 수 있으며, 이에 따라 정공 트랩층의 두께는 오차 범위 10%를 고려할 때 27~33Å인 것이 바람직하다.
표 5는 정공 트랩층의 도펀트 농도에 따른 자외선 노출 이후의 발광 효율 및 수명 특성 변화를 나타낸 것이다.
UV 노출 후 유기 발광소자의 발광 효율 및 수명 특성은 UV 노출 이전의 유기 발광소자의 발광 효율 수명 특성을 100%로 하였을 때 상대적인 값으로 나타낸 것이다. 수명특성 측정은 OLED 수명 측정 장비인 맥사이언스 사 제조 M6000을 이용하였다. UV 측정은 0.8W/m2로 150hr동안 조사되었다.
[표 5]
표 5를 참조하면, 정공 트랩층에 도펀트가 포함되면 자외선 노출 후 발광 효율이 약간 상승한 것을 볼 수 있다.
또한, 정공 트랩층에 도펀트가 포함되면 자외선 노출 후 수명 특성이 도펀트가 포함되지 않았을 경우보다 현저히 높아지는 것을 볼 수 있다. 특히, 도펀트 농도가 3중량% 내지 5중량%인 경우, 자외선 노출 이전의 수명의 약 80% 이상이 될 수 있어서, 내광성 취약 문제를 충분히 개선할 수 있음을 볼 수 있다.
이상의 실시예에서는 녹색 유기 발광소자를 제조하여 상온 발광 특성, 자외선 노출 후 발광 특성 및 수명 특성에 대하여 기재하였으나, 녹색 유기 발광소자 뿐만 아니라 적색 유기 발광소자 및 청색 유기 발광소자 역시 동일하게 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 통상의 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 따라서, 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 이해할 수 있을 것이다.
110, 610 : 애노드 전극
120, 620 : 정공 주입층
130, 630 : 정공 수송층
170, 670 : 캐소드 전극
140, 640 : 유기 발광층
150, 650 : 전자 수송층
160, 660 : 전자 주입층
145, 680 : 정공 차단층
690 : 정공 트랩층
120, 620 : 정공 주입층
130, 630 : 정공 수송층
170, 670 : 캐소드 전극
140, 640 : 유기 발광층
150, 650 : 전자 수송층
160, 660 : 전자 주입층
145, 680 : 정공 차단층
690 : 정공 트랩층
Claims (6)
- 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배치되며, 도펀트를 포함하는 유기 발광층;
상기 유기 발광층과 캐소드 전극 사이에 배치된 전자 수송층;
상기 유기 발광층과 전자 수송층 사이에 배치된 정공 차단층; 및
상기 유기 발광층과 정공 차단층 사이에 배치된 정공 트랩층을 포함하고,
상기 정공 트랩층은 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 상기 유기 발광층의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 높은 호스트와, 절대값 기준 HOMO 에너지 준위가 상기 정공 차단층의 절대값 기준 HOMO 에너지 준위보다 낮은 도펀트를 포함하며, 상기 정공 트랩층의 호스트는 상기 정공 차단층과 동일한 재질이며, 상기 정공 트랩층의 도펀트는 상기 유기 발광층에 포함된 도펀트인, 유기 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 정공 트랩층의 도펀트 농도는 3~5중량%인, 유기 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 정공 차단층의 HOMO 에너지 준위와 상기 정공 트랩층의 도펀트의 HOMO 에너지 준위의 차이는 0.3eV 이하인, 유기 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 정공 트랩층의 두께는 27~33Å인, 유기 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 정공 트랩층의 도펀트는 상기 정공 차단층과 동일한 LUMO 에너지 준위를 갖는, 유기 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 애노드 전극과 발광층 사이에 배치된 정공 주입층 및 정공 수송층; 및
상기 전자 수송층과 캐소드 전극 사이에 배치된 전자 주입층을 더 포함하는, 유기 발광소자.
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