KR102450340B1 - 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투과 투명성을 갖고 소자의 저항을 낮추며 온도나 환경에 변화에 관계없이 신뢰성을 갖는 상부 전극을 구비한 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명의 유기 발광 소자에 관한 것으로, 투과 투명성을 갖고 소자의 저항을 낮추며 온도나 환경에 변화에 관계없이 신뢰성을 갖는 상부 전극을 구비한 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치에 관한 것이다.
최근 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 전기적 정보신호를 시각적으로 표현하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 박형화, 경량화, 저소비 전력화의 우수한 성능을 지닌 여러 가지 다양한 평판 표시장치(Flat Display Device)가 개발되어 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube: CRT)을 빠르게 대체하고 있다.
이 같은 평판 표시장치의 구체적인 예로는 액정 표시장치(Liquid Crystal Display device: LCD), 플라즈마 표시장치(Plasma Display Panel device: PDP), 전계방출 표시장치(Field Emission Display device: FED), 유기 발광 표시장치(Organic Light Emitting Device: OLED) 등을 들 수 있다.
이 중, 별도의 광원을 요구하지 않으며 장치의 컴팩트화 및 선명한 컬러 표시를 위해 유기 발광 표시 장치가 경쟁력 있는 어플리케이션(application)으로 고려되고 있다.
한편, 유기 발광 표시 장치에는 복수개의 서브 화소를 갖는 기판 상에, 각 서브 화소에 대응되어 발광을 위한 유기 발광 소자가 구비된다. 그리고, 상기 유기 발광 소자는 양극과 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층을 순서대로 구비하여 이루어진다.
이러한 유기 발광 소자는, 양극과 음극 사이에 전기장을 가함으로써 빛을 내는 소자로, 낮은 전압에서 구동이 가능하고, 전력 소모가 비교적 적고, 또한 가볍고 플렉서블한 기판 위에도 소자 제작이 가능한 것이 특징이다.
유기 발광 표시 장치는 개별 서브 화소에 발광을 위한 유기 발광 소자가 구비되어 있어, 광을 발산한다. 개별 유기 발광 소자에 있어서는, 발광층 내에 정공과 전자가 결합하여 엑시톤(exciton)을 이루며, 엑시톤이 그라운드 상태로 에너지가 떨어지며, 광을 발광하는 것으로, 발광층에서의 정공과 전자의 결합 효율에 따라 발광 효율이 결정된다.
한편, 유기 발광 소자는 유기 발광 소자에서 광이 나오는 방향에서 따라 상부 발광 방식과 하부 발광 방식으로 나뉜다. 각각 광이 나오는 반대면에 반사 전극을 구비하여, 유기 발광 소자에서 나오는 광을 일 방향에서 이용한다.
이 중 최근 반사 전극 하측의 소자 구성에서 자유로운 상부 발광 방식에 대한 연구가 활발하다.
상부 발광 방식의 유기 발광 소자는 광의 투과를 위해 상부 전극이 투명하거나 반투과성을 가져야 한다. 한편, 유기발광소자를 구비하는 유기 발광 표시 장치는 화면을 정면만이 아니라 기울여 바라보기도 하는데, 이 때 시야각에 따라 화면의 색이 달리 보이는 현상이 관찰된다. 이러한 시야각 색편차는 주로 상부 전극의 두께가 두꺼울 때 발생되어 최근 상부 전극의 두께를 줄이고자 하는 시도가 있다.
그러나, 상부 전극은 유기 발광 소자에 전계를 공급하거나 안정화하기 위한 전극의 일종으로, 일정 이상의 도전성을 확보하여야 하는데, 이 관점에서 투명 전극보다는 얇은 두께 구현이 가능한 반투과성의 전극으로 상부 전극을 적용하는 바가 선호되고 있다. 그런데, 반투과성의 상부 전극도 두께를 줄일시 저항이 늘어나고, 두께를 늘리면 시야각 색편차의 경향이 심해지므로, 현재의 상부 발광 방식의 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치는 색시야각과 저항 감소를 동시에 구현해야 할 과제가 있다.
또한, 유기 발광 표시 장치는 최근 휴대가 가능한 휴대폰, 이북, 혹은 다양한 탐사 장치에서도 이용되고 있는 추세로 다양한 환경 하에서도 안정성을 갖고 동작할 것이 요구된다. 일반적으로 고정 형태나 상온에 이상적으로 적용되도록 고려된 현재의 유기 발광 표시 장치는 이러한 요구에 부응하지 못한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 투과 투명성을 갖고 소자의 저항을 낮추며 온도나 환경에 변화에 관계없이 신뢰성을 갖는 상부 전극을 구비한 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치에 관한 것이다.
본 발명의 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치는 상부 전극과 이와 접한 계면 보상층의 구성을 통해 광의 출사측의 저항 감소와 투과성 유지를 동시에 꾀하고 또한, 온도 변화에 관계없이 구동 전압 및 효율을 안정적으로 확보할 수 있다.
일 예에 따른 본 발명의 유기 발광 소자는 하부 전극과, 상기 하부 전극 상에 적어도 한 층의 유기층과, 상기 유기층 상에 위치하며, 상기 유기층에서 나오는 출사광이 투과하는 상부 전극 및 상기 상부 전극 상에, 할로겐화합물의 제 1 물질과 할로겐 또는 비금속과의 반응성을 갖는 금속의 제 2 물질을 함께 갖는 계면 보상층을 포함하여 이루어진다.
상기 제 2 물질은 Ba(Barium), Ce(Cerium), Cs(Cesium), Eu(Europium), Gd(Gadolinium), K(Kalium), Li(Lithium), Lu(Lutetium), Na(Natrium), Nd(Neodymium), Rb(Rubidium), Sc(Scandium), Sm(Samarium), Sr(Strontium), Yb(Ytterbium) 및 Y(Yttrium) 중 어느 하나일 수 있다.
그리고, 상기 계면 보상층에 상기 상부 전극에 포함되는 금속의 제 3 물질을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 계면 보상층은 제 2 물질의 원자비가 가장 높고, 상기 제 1 물질과 제 3 물질은 동일 원자비를 가질 수 있다.
상기 상부 전극은 적어도 제 1, 제 2 금속층을 포함하며, 상기 계면 보상층의 제 1 물질은 상기 유기층과 접하는 제 1 금속층에 포함된 금속과 할로겐의 화합물일 수 있다.
상기 제 1 물질은 LiF일 수 있다.
상기 상부 전극은 일층 이상의 금속층이 적층되어 이루어지며, 상기 제 2 물질은 상기 상부 전극의 적어도 하나의 금속층에 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 제 2 금속층은 Ag:Mg를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제 2 금속층의 Ag는 Mg의 3배 내지 10배의 원자비를 가질 수 있다.
상기 상부 전극 및 상기 계면 보상층을 합한 두께는 100Å 내지 180Å일 수 있다.
본 발명의 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 상부 전극의 출사가 이루어지는 계면 상에 계면 보상층을 더 구비함으로써, 상온에서 UV 노출시 발생되는 구동 전압이나 효율의 변화를 방지할 수 있다. 따라서, UV 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 상부 전극을 AgMg의 반투과 금속으로 형성시 이의 두께를 얇게 조정시 발생될 수 있는 상부 전극의 표면의 불안정성을 상기 계면 보상층이 보상한다. 또한, 계면 보상층은 Ag의 응집을 막아주어 상부 전극 내 Mg 사용량을 줄일 수 있어, 이를 통해 상부 전극의 도전성을 높일 수 있다. 또한, 상기 계면 보상층은 상기 상부 전극의 두께 대비 1/5 내지 1/10의 수준의 두께로 얇아 단일 상부 전극 구조 대비 시야각의 색편차를 줄일 수 있다. 또한, 상부 전극의 계면에 바로 접하는 계면 보상층은 출사광의 투과에 영향을 미치지 않는 재료로 이루어져 광의 손실없이 상부 전극의 계면 보상을 꾀할 수 있다.
도 1은 본 발명의 유기 발광 소자의 일 예를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명의 변형예에 따른 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 3a 내지 도 3c는 제 1 내지 제 3 비교예의 유기 발광 소자의 상부 전극 구조를 나타낸 도면
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제 1 실시예 내지 제 5 실시예에 따른 유기 발광 소자의 상부 전극 및 계면 보상층을 나타낸 단면도
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 6 실시예 내지 제 10 실시예에 따른 유기 발광 소자의 상부 전극 및 계면 보상층을 나타낸 단면도
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제 11 실시예 내지 제 13 실시예에 따른 유기 발광 소자의 상부 전극 및 계면 보상층을 나타낸 단면도
도 7은 제 1 비교예의 다양한 예와 본 발명의 제 4 실시예의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프
도 8은 녹색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 3 실시예로 구현시 시간에 따른 구동 전압의 변화를 나타낸 그래프
도 9는 녹색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 3 실시예로 구현시 시간에 따른 효율의 변화를 나타낸 그래프
도 10a 및 도 10b는 녹색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 3 실시예로 구현시 UV 노출 100시간 상태를 나타낸 광학 사진
도 11은 적색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 5 실시예로 구현시 시간에 따른 구동 전압의 변화를 나타낸 그래프
도 12는 적색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 5 실시예로 구현시 시간에 따른 효율의 변화를 나타낸 그래프
도 13a 및 도 13b는 적색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 5 실시예로 구현시 UV 노출 100시간 상태를 나타낸 광학 사진
도 14는 청색 유기 발광 소자를 제 3 비교예와 본 발명의 제 11 및 제 12 실시예로 구현시 상온의 휘도 변화를 나타낸 그래프
도 15a 및 도 15b는 청색 발광 소자를 제 3 비교예와 본 발명의 제 11 실시예로 구현시 UV 노출 100시간 상태를 나타낸 광학 사진
도 16은 본 발명의 유기 발광 표시 장치를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명의 변형예에 따른 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 3a 내지 도 3c는 제 1 내지 제 3 비교예의 유기 발광 소자의 상부 전극 구조를 나타낸 도면
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제 1 실시예 내지 제 5 실시예에 따른 유기 발광 소자의 상부 전극 및 계면 보상층을 나타낸 단면도
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 6 실시예 내지 제 10 실시예에 따른 유기 발광 소자의 상부 전극 및 계면 보상층을 나타낸 단면도
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제 11 실시예 내지 제 13 실시예에 따른 유기 발광 소자의 상부 전극 및 계면 보상층을 나타낸 단면도
도 7은 제 1 비교예의 다양한 예와 본 발명의 제 4 실시예의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프
도 8은 녹색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 3 실시예로 구현시 시간에 따른 구동 전압의 변화를 나타낸 그래프
도 9는 녹색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 3 실시예로 구현시 시간에 따른 효율의 변화를 나타낸 그래프
도 10a 및 도 10b는 녹색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 3 실시예로 구현시 UV 노출 100시간 상태를 나타낸 광학 사진
도 11은 적색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 5 실시예로 구현시 시간에 따른 구동 전압의 변화를 나타낸 그래프
도 12는 적색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 5 실시예로 구현시 시간에 따른 효율의 변화를 나타낸 그래프
도 13a 및 도 13b는 적색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 5 실시예로 구현시 UV 노출 100시간 상태를 나타낸 광학 사진
도 14는 청색 유기 발광 소자를 제 3 비교예와 본 발명의 제 11 및 제 12 실시예로 구현시 상온의 휘도 변화를 나타낸 그래프
도 15a 및 도 15b는 청색 발광 소자를 제 3 비교예와 본 발명의 제 11 실시예로 구현시 UV 노출 100시간 상태를 나타낸 광학 사진
도 16은 본 발명의 유기 발광 표시 장치를 나타낸 단면도
발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 다양한 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 다양한 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도면에 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 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 언급한 '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.
본 발명의 다양한 실시예에 포함된 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, 위치 관계에 대하여 설명하는 경우에, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, 시간 관계에 대한 설명하는 경우에, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, '제 1~', '제 2~' 등이 다양한 구성 요소를 서술하기 위해서 사용될 수 있지만, 이러한 용어들은 서로 동일 유사한 구성 요소 간에 구별을 하기 위하여 사용될 따름이다. 따라서, 본 명세서에서 '제 1~'로 수식되는 구성 요소는 별도의 언급이 없는 한, 본 발명의 기술적 사상 내에서 '제 2~' 로 수식되는 구성 요소와 동일할 수 있다.
본 발명의 여러 다양한 실시예의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 다양한 실시예가 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
본 명세서에서 스택이란, 실시예에서 특정 구조로 제한하지 않는 한 정공 수송층과, 정자 수송층을 포함하는 유기층 및 정공 수송층과 전자 수송층 사이에 배치되는 유기 발광층을 포함하는 단위 구조를 의미한다. 유기층에는 정공 주입층, 전자 저지층, 정공 저지층 및 전자 주입층 등이 더 포함될 수도 있으며, 이 밖에도 유기 발광 소자의 구조나 설계에 따라 다른 유기층들이 더 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 유기 발광 소자의 일 예를 나타낸 단면도이며, 도 2는 본 발명의 변형예에 따른 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 유기 발광 소자는 상부 발광 방식을 따른다.
따라서, 도 1과 같이, 본 발명의 유기 발광 소자는 차례로 형성되는 하부 전극(110)과, 적어도 하나의 유기 발광층(140)을 포함하는 유기 스택(OS) 및 상부 전극(170)을 포함하여 이루어진다. 이 중, 하부 전극(110)은 상기 유기 발광층(140)에서 하측 방향으로 나오는 광을 반사시켜 다시 출사측인 상부로 돌려주기 위해 반사 전극을 포함한다. 하부 전극(110)은 반사 전극의 단일로 형성될 수도 있고, 혹은 반사 전극과 투명 전극의 이중 이상의 적층체로 형성될 수도 있다. 적층체의 구조에 있어서는, 하부 전극(110)은 유기 스택(OS)에 향하는 면에 투명 전극을 위치시킬 수 있다.
또한, 유기 스택(OS)은 유기 발광층(140) 외에 하측에 정공 수송층(130) 및 상측에 전자 수송층(150)을 더 포함한다. 이들 정공 수송층(130) 및 전자 수송층(150)은 유기 발광층(140)으로 정공과 전자의 전달을 위해 구비한다.
그리고, 상기 하부 전극(110)과 유기 스택(OS) 사이에는 정공 주입(120)이 더 구비되어, 무기물인 하부 전극(110)에서 유기 스택(OS) 사이의 최초 계면에서의 배리어를 낮추어 하부 전극(110)에서 유기 스택(OS)으로의 정공의 주입을 돕는다.
한편, 유기 발광 소자는 유기 발광 표시 장치의 각 서브 화소에 구비되는 것으로, 각 서브 화소에는 적어도 하나의 트랜지스터가 포함되며, 각 서브 화소의 트랜지스터와 유기 발광 소자는 전기적으로 연결된다. 여기서, 하부 전극(110)이 직접 각 서브 화소에서 독립적으로 각 서브 화소의 트랜지스터에 전기적으로 연결되며, 상부 전극(170)은 복수개의 서브 화소들에 걸쳐 단일로 구비된다.
이와 같이, 상부 전극(170)은, 출사측이 되기 때문에, 투명하거나 반투과성을 가져야 하며, 동시에 표시 장치의 복수개의 서브 화소에 걸쳐 구비되기 때문에 영역에 관계없이 균등한 전위가 공급되려면 일정 이상의 도전율을 갖는 금속으로 이루어져야 한다.
따라서, 상부 전극(170)으로 이용되는 금속은 면저항이 큰 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명 도전 산화막보다는 Ag:Mg를 증착하여 반투과성과 일정 이상의 도전율을 동시에 꾀한다.
그런데, 상부 전극을 Ag:Mg 단일층으로 대략 200Å의 내외의 두께로 형성시 시야각에 따라 색편차가 나타나는 문제가 있다. 이를 개선하고자 Ag:Mg의 두께를 낮출 경우는 얇아진 두께만큼 도전율을 높이기 위해서는 Ag: Mg 내 Ag의 함량을 늘려야 하는데, 이 때, Ag간의 응집력이 커져 상부 전극의 특성이 불안정해지며, 이는 시간이 경과할수록 유기 발광 소자의 열화로 나타나 수명의 저하를 초래한다.
본 발명의 유기 발광 소자는 상부 발광 방식의 출사측으로 이용되는 상부 전극(170) 상에 계면 보상층(180)을 적용하여, 얇은 두께의 Ag:Mg의 상부 전극에서 Ag의 높은 함량에도 Ag의 응집을 방지하여 상부 전극을 특성을 안정적으로 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 상부 전극(170)에 포함되는 Ag:Mg 는 일반적으로 하부 발광 방식의 음극으로 알려진 Mg:Ag와는 그 비율이 다르다. 즉, 일반적인 하부 발광 방식에서 이용된 Mg:Ag 음극은 Mg와 Ag의 원자비(atom ratio)가 10:1로, 주 성분이 Mg인데 반해, 본 발명의 Ag:Mg는 투과성을 유지하기 위하여 얇은 두께에서 충분한 도전성을 위해 Ag의 함량이 많은 것으로, Ag가 Mg 대비 3배 내지 10배의 원자비를 갖는다. 이 경우, Mg는 Ag의 응집을 방지하는 기능을 갖는 것으로 상부 전극(170) 내에 소량 포함되어 있다.
한편, 상기 상부 전극(170)은 단일층의 금속으로 형성할 수도 있고, 도 1과 같이, 얇은 두께의 무기 화합물로 이루어진 제 1 금속층(171)과, 상기 제 1 금속층(171) 상에 실질적인 캐소드 기능을 하는 제 2 금속층(172)을 포함하여 이루어질 수 있다. 대략적으로 상기 제 1 금속층(171)은 10Å 내지 30Å의 두께로 형성하며, 제 2 금속층(172)은 100Å 내지 150Å의 두께로 형성한다. 이 경우, 제 1 금속층(171)은 LiF 또는 Li2O 혹은 Li, Ca, Mg, Sm 등의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 등의 무기물 또는 이들의 무기 화합물로 이루어질 수 있으며, 유기 스택(OS)의 형성 후 제 1, 제 2 금속층(171, 172)을 연속적으로 그 재료만을 상이하게 하여, 증착 혹은 스퍼터링의 방식의 동일 프로세스를 통해 형성할 수 있다. 상기 제 1 금속층(171)은 바람직하게는 투명한 할로겐화합물일 수 있으며, 상기 발광층(140)에서 나오는 광의 출사를 위해 제 2 금속층(172)은 투과성 또는 반투과성을 유지하는 정도의 얇은 두께이다. 상기 상부 전극(170)이 단일층일 때 단일층 내에는 Ag:Mg를 주 성분으로 포함하며, 계면 보상층(180)에 상술한 제 1 물질(a), 제 2 물질(b)을 포함하거나 제 1 내지 제 3 물질(a, b, c)을 포함하며, 상기 계면 보상층(180) 중 제 2 물질(b)이 상기 상부 전극(170)에 더 포함될 수 있다.
경우에 따라, 상기 제 1 금속층(171)은 상기 제 2 금속층(172)에 포함된 금속 성분이 더 포함될 수도 있다.
상기 상부 전극 상에 위치하는 계면 보상층(180)은 할로겐화합물의 제 1 물질(a)과 할로겐 또는 비금속과의 반응성을 갖는 금속의 제 2 물질(b)을 함께 갖는다.
상기 계면 보상층의 제 1 물질(a)은 할로겐 화합물이며, 일예로, 상기 유기층과 접하는 제 1 금속층(171)에 포함된 금속과 할로겐의 화합물일 수 있다. 여기서, 금속은 알칼리 금속 및 알칼리 토금속일 수 있으며, 대표적인 할로겐으로는 F, Br, Cl 등이 있다. 가장 알려진 할로겐 화합물로는 LiF가 있다.
여기서, 상기 제 2 물질(b)인 금속은 1가, 2가 또는 3가의 이온화 경향성을 갖는 금속으로, 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 란타넘족 금속 및 악티늄족 금속 중 어느 하나일 수 있으며, 일 예로, 상기 금속은 Ba(Barium), Ce(Cerium), Cs(Cesium), Eu(Europium), Gd(Gadolinium), K(Kalium), Li(Lithium), Lu(Lutetium), Na(Natrium), Nd(Neodymium), Rb(Rubidium), Sc(Scandium), Sm(Samarium), Sr(Strontium), Yb(Ytterbium) 및 Y(Yttrium) 중 어느 하나일 수 있다. 이들 제 2 물질(b)은 각각 할로겐 원소 및 비금속과 반응성이 큰 금속들로, 상부 전극(170) 상에 위치하며, 상부 전극(170)에 포함된 Ag 의 응집을 방지하고, 상부 전극(170)의 계면을 보상한다.
또한, 상기 제 2 물질(b)은 할로겐화합물(a)과 높은 반응성으로 혼합되어 자체적인 막질 특성도 안정적이다. 특히, 후술하지만 본 발명의 계면 보상층(180)의 상기 제 2 물질(b)은 시간에 경과에 따라 유기 스택(OS)이나 상부 전극(170)의 변화를 방지하는 주요 기능을 한다. 이는 상부 전극(170)에 포함된 Ag의 응집을 막아주고 Ag와 Mg와의 반응성을 유지시켜 시간 경과에 따른 유기 발광 소자의 효율 및 구동 전압의 변동을 막아 소자 안정성을 갖게 한다. 그리고, 할로겐 화합물(a)의 성분은 상부 전극(170)의 에너지 배리어를 낮춰 전자의 주입을 용이하게 한다. 이 경우, 할로겐 화합물(a)은 자체적으로 이온화 경향성이 높지만 계면 보상층(180) 내 다른 구성 요소인 제 2 물질(b)이 할로겐과의 높은 반응성으로 할로겐 화합물(a)이 이온 분리되어도 다시 이온화된 물질이 제 2 물질(b)과 반응하게 되어, 할로겐 화합물의 이온 성분이 유기 발광 소자에 영향을 미침을 방지하고 계면 보상층(180) 및 상부 전극(170)의 막성분을 유지시킨다.
따라서, 계면 보상층(180)의 제 2 물질(b)은 그 기능을 위해 상기 제 1 물질(a) 대비 원자비가 높은 것이 바람직하다.
또한, 계면 보상층(180)의 두께는 대략 10Å 내지 30Å의 수준으로 유기 스택(OS) 내 발광층(140)에서 발광하는 광의 투과를 저해하지 않는 수준의 두께이다. 여기서, 상기 상부 전극(170) 및 상기 계면 보상층(180)을 합한 두께는 100Å 내지 180Å로, 하측에서 유기 스택(OS)에서 출사된 광이 출사됨에 있어 색편차를 유발하지 않고 반투과성을 갖는다.
한편, 상기 계면 보상층(180)은 상기 상부 전극(170)에 포함되는 금속의 제 3 물질(c)을 더 포함할 수도 있다. 즉, 상부 전극(170)이 Ag:Mg의 합금으로 이루어질 때, Ag 또는 Mg 성분이 제 3 물질(c) 로 상기 계면 보상층(180) 내에 더 포함될 수 있는 것이다. 이 경우, 상기 계면 보상층(180)에서, 제 2 물질(b)의 원자비가 가장 높고, 상기 제 1 물질(a)과 제 3 물질(c)은 동일 원자비를 가질 수 있다. 그리고, 이와 같이, 계면 보상층(180)이 3개의 물질을 포함하는 경우에도, 두께는 대략 10Å 내지 30Å의 수준으로 유기 스택(OS) 내 발광층(140)에서 발광하는 광의 투과를 저해하지 않는 수준의 두께이다.
한편, 상기 계면 보상층(180)까지 형성된 후에는 유기 발광 소자의 보호 및 광 효율 향상을 위해 캐핑층(190)이 구비된다. 캐핑층(190)은 투명성을 갖는 유기물로 굴절률은 대략 1.6 내지 2.1을 갖는다.
도 2는 도 1의 유기 발광 소자의 변형예로 단일의 유기 스택(OS)을 복수개의 스택(S1, S2)을 사이에 전하 생성층(210)을 개재하여 대체한 것이다. 도시된 예는 스택(S1, S2, ..)이 2개 구비된 예를 나타내지만, 이에 한하지 않으며 3개 이상의 복수개의 스택으로도 구비될 수 있다.
이 경우, 각 스택(S1, S2)은 정공 수송층(1201, 1202), 발광층(1301, 1302) 및 전자 수송층(1401, 1402)을 구비하는 것은 상술한 도 1의 유기 스택(OS)에 대해 설명한 바와 같다.
또한, 전하 생성층(210)은 소정의 호스트에 n형 도펀트와 p형 도펀트를 포함시켜 단일층으로 구비될 수도 있고, 혹은 도시된 바와 같이, 서로 다른 호스트에 각각 n형 도펀트 및 p형 도펀트를 나누어 도핑시켜 n형 전하 생성층(210a) 및 p형 전하 생성층(210b)의 적층으로 구비될 수도 있다.
또한, 이와 같이 복수개의 스택이 적층된 방식을 탠덤(tandem) 방식이라 하는데, 본 발명의 유기 발광 소자는 상부 전극 및 그 상부에 접하여 구비된 계면 보상층에 특징이 있는 것으로, 각 스택에 구비된 발광층은 같은 서브 화소 내에서 동일한 색상의 광을 발광하는 동색 발광층일 수도 있고, 혹은 서로 다른 스택에서 보색 관계에 있는 광을 발광하여 최종적으로 합산되어 백색을 발광하는 서로 다른 발광층일 수도 있다. 전자의 경우, 이러한 유기 발광 소자를 유기 발광 표시 장치에 구비하는 경우, 각 유기 발광 소자의 출사측에 각 서브 화소별 다른 색상을 구현하는 컬러 필터를 더 구비할 수 있다.
도 1과 동일한 하부 전극(110), 정공 주입층(120), 상부 전극(170), 계면 보상층(180) 및 캐핑층(190)에 대해서는 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 유기 발광 소자에서 상부 전극과 계면 보상층 구비에 의해 나타나는 효과를 비교예들과 비교하여 설명한다.
공통적으로 비교예들과 실시예들에서 상부 전극의 주 금속은 Ag:Mg의 합금을 이용하였다. 만일 동등한 수준의 반투과성을 가지며 얇은 두께로 저항 증가가 없고, 인접한 유기 스택에 전자 주입시 큰 일함수를 갖지 않는 재료의 금속이라면 대체될 수 있다. 또한, 할로겐 화합물은 LiF로 사용하였다. 불소(F) 외에 다른 종류의 할로겐 물질로 치환될 수 있으며, Li 외의 다른 알칼리 금속이나 알칼리 토금속이 대체되어 할로겐 화합물을 이룰 수도 있다.
도 3a 내지 도 3c는 제 1 내지 제 3 비교예의 유기 발광 소자의 상부 전극 구조를 나타낸 도면이다.
제 1 비교예는 도 3a와 같이, Ag:Mg 합금막으로 이루어진 상부 전극(17)을 나타낸다. 그리고, 제 2 비교예는, 도 3b와 같이, 이층의 상부 전극으로, 제 1 금속층(16a)은 Mg:LiF의 성분으로 이루어지고, 제 2 금속층(17)은 Ag:Mg 합금막으로 이루어진다.
제 3 비교예는, 도 3c와 같이, 제 1 금속층(16a)이 도 3b와 달리, Yb:LiF로 이루어진 바를 나타낸다.
즉, 도 3a 내지 도 3c와 같이, 제 1 내지 제 3 비교예들에서는 공통적으로 계면 보상층없이 상부 전극만으로 이루어진다.
이하, 본 발명의 유기 발광 소자에 적용하는 상부 전극과 이와 접한 계면 보상층의 구조의 여러 실시예들을 설명한다. 그리고, 계면 보상층(180)에 포함되는 대표적인 제 2 물질(b)은 Yb를 예를 들어, 설명한다. 상술한 바와 같이, Yb 외에도 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 란타넘족 금속 및 악티늄족 금속 중 어느 하나로 대체될 수 있다.
또한, 실시예들에서, 제 1 금속층(171)은 일종의 전자 주입층 기능을 하는 것으로, LiF 외에도 경우에 따라 단일의 Li, Ca, Mg, Sm 등의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 등의 금속막으로 형성이 가능할 수 있다. 그 밖의 이들 금속과 불소 또는 다른 종류의 할로겐물질과의 할로겐 화합물로 LiF는 대체될 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제 1 실시예 내지 제 5 실시예에 따른 유기 발광 소자의 상부 전극 및 계면 보상층을 나타낸 단면도이다.
도 4a와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기 발광 소자는 제 1 금속층(171)은 LiF로 이루어지고, 제 2 금속층(172)은 Ag:Mg 합금으로 이루어지며, 그 상부의 계면 보상층(180)은 LiF와 Yb이 혼합되어 이루어진다.
도 4b와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기 발광 소자는 제 1 금속층(171)은 LiF로 이루어지고, 제 2 금속층(172)은 Ag:Mg와 Yb의 합금으로 이루어지며, 그 상부의 계면 보상층(180)은 LiF와 Yb이 혼합되어 이루어진다.
도 4c와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 유기 발광 소자는 제 1 금속층(171)은 LiF와 Yb의 화합물로, 제 2 금속층(172)은 Ag:Mg 및 Yb의 합금으로, 계면 보상층(180)은 LiF와 Yb가 혼합되어 이루어지는 것으로 연속된 3층에 모두 Yb가 포함되어 있다.
도 4d와 같이, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 유기 발광 소자는 제 2 금속층(172)을 제외하여 제 1 금속층(171)과 계면 보상층(180)에 모두 Yb가 포함된다. 이 경우, 제 1 금속층(171)과 계면 보상층(180)은 모두 LiF와 Yb로 이루어지며, 제 2 금속층(172)은 Ag:Mg의 합금으로 이루어진다.
도 4e와 같이, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 유기 발광 소자는, 제 3 실시예와 비교하여 제 1 금속층(171)에 포함된 LiF와 Yb의 화합물 중 Yb가 Mg로 대체된 점이 차이점이다. 상부 전극(170)의 주요 금속 성분 중 Mg가 제 1 금속층(171) 내에 포함되었을 때, 상기 제 2 금속층(172)의 Ag 응집을 하측의 제 1 금속층(171)에서도 기대할 수 있다.
이와 같이, 도 4a 내지 도 4e의 제 1 내지 제 5 실시예들은 공통적으로 계면 보상층(180)의 구성이 LiF 및 Yb의 혼합으로 이루어진 점에서 공통점이 있다. 그리고, 이러한 할로겐 화합물과 할로겐 또는 비금속과의 반응성이 좋은 금속의 혼합으로 형성된 계면 보상층(180)은 Ag:Mg를 주 성분으로 하는 제 2 금속층(172)의 막질을 안정화하여 제 2 금속층(172) 내에서의 Ag의 응집을 막고 표면의 특성을 안정화하여 장시간 구동시에도 상부 전극(170)의 안정성을 유지하여, 유기 스택(OS)의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 6 실시예 내지 제 10 실시예에 따른 유기 발광 소자의 상부 전극 및 계면 보상층을 나타낸 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e에 따른 본 발명의 제 6 내지 제 10 실시예에 따른 유기 발광 소자는 공통적으로 계면 보상층(190)이 LiF, Yb, Mg를 포함한다. 여기서, Mg는 제 2 금속층(172)에 포함된 성분이다.
도 5a와 같이, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 유기 발광 소자는 제 1 금속층(171)은 LiF로 이루어지고, 제 2 금속층(172)은 Ag:Mg 합금으로 이루어지며, 그 상부의 계면 보상층(180)은 LiF, Yb, Mg이 혼합되어 이루어진다.
도 5b와 같이, 본 발명의 제 7 실시예에 따른 유기 발광 소자는 제 1 금속층(171)은 LiF로 이루어지고, 제 2 금속층(172)은 Ag:Mg와 Yb의 합금으로 이루어지며, 그 상부의 계면 보상층(180) 은 LiF, Yb, Mg이 혼합되어 이루어진다.
도 5c와 같이, 본 발명의 제 8 실시예에 따른 유기 발광 소자는 제 1 금속층(171)은 LiF와 Yb의 화합물로, 제 2 금속층(172)은 Ag:Mg 및 Yb의 합금으로, 계면 보상층(180)은 은 LiF, Yb, Mg이 혼합되어 이루어지는 것으로 연속된 3층에 모두 Yb가 포함되어 있다.
도 5d와 같이, 본 발명의 제 9 실시예에 따른 유기 발광 소자는 제 2 금속층(172)을 제외하여 제 1 금속층(171)과 계면 보상층(180)에 모두 Yb가 포함된다. 이 경우, 제 1 금속층(171)운 LiF와 Yb로 이루어지며, 제 2 금속층(172)은 Ag:Mg의 합금으로 이루어지고, 계면 보상층(180)은 LiF, Yb, Mg이 혼합되어 이루어진다.
도 5e와 같이, 본 발명의 제 10 실시예에 따른 유기 발광 소자는, 제 8 실시예와 비교하여 제 1 금속층(171)에 포함된 LiF와 Yb의 화합물 중 Yb가 Mg로 대체된 점이 차이점이다. 상부 전극(170)의 주요 금속 성분 중 Mg가 제 1 금속층(171) 내에 포함되었을 때, 상기 제 2 금속층(172)의 Ag 응집을 하측의 제 1 금속층(171)에서도 기대할 수 있다.
이와 같이, 도 5a 내지 도 5e의 제 1 내지 제 5 실시예들은 공통적으로 계면 보상층(180)의 구성이 LiF 및 Yb과 더불어, Mg으로 이루어진 점에서 공통점이 있다. Mg는 제 2 금속층(172)을 이루는 Ag:Mg 내에 포함되는 성분으로 그 기능은 Ag 의 응집을 막아주는 것이다. 이러한 할로겐 화합물의 제 1 물질과 할로겐 또는 비금속과의 반응성이 좋은 금속의 제 2 물질 및 제 2 금속층(172)에 포함된 금속의 제 3 물질의 혼합으로 형성된 계면 보상층(180)은 Ag:Mg를 주 성분으로 하는 제 2 금속층(172)의 막질을 안정화하여 제 2 금속층(172) 내에서의 Ag의 응집을 막고 표면의 특성을 안정화하여 장시간 구동시에도 상부 전극(170)의 안정성을 유지하여, 유기 스택(OS)의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제 11 실시예 내지 제 13 실시예에 따른 유기 발광 소자의 상부 전극 및 계면 보상층을 나타낸 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c에 따른 본 발명의 제 11 실시예 내지 제 13 실시예에 따른 유기 발광 소자는 상부 전극을 복수층으로 구비시 상부 전극의 최상부 금속층에 Yb을 포함시켜 최상부 금속층에서 계면 보상층의 기능을 갖도록 한 것이다.
도 6a과 같이, 본 발명의 제 11 실시예에서는 상부 전극이 LiF의 제 1 층(270) 및 Ag: Yb의 제 2층(280)으로 이루어진다. 이 때, Yb는 Ag의 응집을 막아줌과 동시에, 낮은 일함수를 가져 전자 주입을 원활하게 돕는다. 또한, 제 1 층(270)에 포함된 LiF 성분이 유리화되어 Li+ 이온 발생시 반응성이 높아 이를 포집시켜 Li+ 이온이 유기 발광 소자 내부로 이동함에 의해 유기 발광 소자의 특성이 저하되거나 수명이 저하되는 문제점을 방지할 수 있다.
도 6b와 같이, 본 발명의 제 12 실시예에서는 상부 전극이 LiF의 제 1 층(270) 및 Ag, Yb, Mg의 합금으로 이루어진 제 2층(280)으로 이루어진다. 이 때, Yb, Mg는 Ag의 응집을 막아줌과 동시에, 낮은 일함수를 가져 전자 주입을 원활하게 돕는다. 또한, 제 1 층(270)에 포함된 LiF 성분이 유리화되어 Li+ 이온 발생시 반응성이 높아 이를 포집시켜 Li+ 이온이 유기 발광 소자 내부로 이동함에 의해 유기 발광 소자의 특성이 저하되거나 수명이 저하되는 문제점을 방지할 수 있다.
도 6c와 같이, 본 발명의 제 13 실시예에서는 상부 전극이 LiF 및 Yb의 무기화합물의 제 1 층(270) 및 Ag, Yb, Mg의 합금으로 이루어진 제 2층(280)으로 이루어진다. 이 때, Yb, Mg는 Ag의 응집을 막아줌과 동시에, 낮은 일함수를 가져 전자 주입을 원활하게 돕는 것으로 제 12 실시예와 비교하여 제 2층(280)의 하측에도 Yb 성분이 더 포함되어, Ag의 응집을 막아주는 기능을 상하에서 수행할 수 있어 상기 제 12 실시예에서 기대하는 효과 이상을 얻을 수 있다.
이하에서는 위 실시예들 및 비교예들에서의 비교 실험을 진행한 결과를 설명한다.
도 7은 제 1 비교예의 다양한 예와 본 발명의 제 4 실시예의 파장에 따른 투과율을 나타낸 그래프이다.
| 실험예 | 제1금속층 (Yb:LiF) |
제2금속층(Ag:Mg | 계면보상층 (Yb:LiF) |
면저항 (Ω/□) |
투과율 (%) | |||
| 원자비_두께 | 원자비_두께 | 원자비_두께 | 440nm | 480nm | 520nm | 600nm | ||
| 제1비교예1형 | 없음 | 4.3:1 _210Å |
없음 | 7.5 | 43.9 | 39.7 | 35.3 | 28.3 |
| 제1비교예2형 | 없음 | 4.3:1 _180Å |
없음 | 9.1 | 52.8 | 48.5 | 44.0 | 35.9 |
| 제1비교예3형 | 없음 | 10:1 _140Å |
없음 | 7.5 | 62.5 | 57.7 | 53.0 | 44.8 |
| 제 4실시예 | 2:1_18Å | 10:1 _140Å |
2:1_18Å | 7.7 | 62.2 | 57.4 | 52.7 | 44.5 |
도 7 및 표 1과 같이, 투과율은 상부 전극의 주 금속층인 제 2 금속층(Ag:Mg)의 두께가 얇아질수록 높아진다. 이에 따라, 140Å 두께로 얇은 제 1 비교예 3형과 본 발명의 제 4 실시예의 경우, 가장 투과율이 높은 것을 나타낸다. 유기 발광 소자에서는 발광의 효율을 높이고 시야각 색편차를 방지하기 위해 상부 전극의 두께를 낮추는 방향으로 진행되고 있다.
따라서, 제 1 비교예의 경우 1형에서 3형으로 가며 두께가 점차 낮아질수록 투과율이 점차 향상되는 결과를 보여준다. 제 1 비교예의 1형 및 2형은 Ag:Mg 의 원자비가 4.3:1에 해당하며, 그 두께는 각각 210Å, 180Å이다.
그러나, 제 1 비교예에서 상부 전극의 두께가 140Å로 가장 얇은 제 1 비교예 3형에서는, Ag:Mg의 단일의 상부 전극을 구비하는 경우 면저항을 낮추기 위해 Ag 함량이 Mg의 원자비 대비 10배 많은데, 단일층 내에서 Mg 대비 과량으로 포함된 Ag가 서로 응집력을 가져 결합되기 때문에, 경시적으로 상부 전극의 막안정성이 떨어지고, 유기 발광 소자의 항상성을 유지하지 못한다.
반면, 본 발명의 유기 발광 소자는 실험된 제 4 실시예와 같이, 투과율은 제 1 비교예의 3형과 유사하거나 상회하는 정도로 나타나며, 주 금속층인 제 2 금속층의 상부와 하부에 각각 계면 보상층과 제 1 금속층으로, Yb:LiF 층을 18Å의 두께로 더 구비하여, 이들 층에 포함된 Yb 성분이 제 2 금속층 내의 Ag의 응집을 막아주어 경시적으로 상부 전극의 계면 안정성을 확보할 수 있으며, 이를 통해 유기 발광 소자의 항상성을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 유기 발광 소자는 제 1 비교예의 3형 대비 상부와 하부에 Yb:LiF의 계면 보상층 및 제 1 금속층이 더 구비되지만 이들은 제 2 금속층 대비 매우 얇은 두께로 투과율에 영향을 미치지 않아 제 1 비교예의 3형과 유사 수준의 투과율을 갖는다.
또한, 전체적으로 장파장으로 가며 투과율이 떨어지는 경향을 보이나 이는 구조적인 문제가 아닌 색상의 시인성에 따른 것이며, 장파장에서의 낮은 투과율은 적색, 녹색 및 청색의 서브 화소에서 각 발광층의 두께를 달리하거나 혹은 별도의 보상층을 구비하여 투과율 편차는 해결할 수 있다.
본 발명의 유기 발광 소자는 상부 전극의 막안정성과 이를 통해 시간 경과에 따라 유기 발광 소자는 소자 안정성을 유지하는 점에 주목한다.
도 8은 녹색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 3 실시예로 구현시 시간에 따른 구동 전압의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 9는 녹색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 3 실시예로 구현시 시간에 따른 효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
| 실험예 | 전광특성(UV 0시간) | 전광특성(UV 100시간 후) | ||||||
| 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | |
| 제 2 비교예 | 6.0 | 100 | 0.256 | 0.675 | 8.8 | 117 | 0.243 | 0.684 |
| 제 3 실시예 | 6.0 | 100 | 0.254 | 0.678 | 6.3 | 102 | 0.244 | 0.684 |
위의 실험에서 적용한 제 2 비교예는 도 3b와 같이, 제 1 금속층으로 Mg:LiF 을 이용하고, 제2 금속층으로 Ag:Mg의 합금을 이용하였다. 그리고, 본 발명의 제 3 실시예에서는 도 4c와 같이, 제 1 금속층으로 LiF 와 Yb의 화합물을 이용하였고, 제 2 금속층으로는 Ag, Mg, Yb의 합금을 이용하였으며, 계면 보상층으로 LiF와 Yb의 화합물을 이용하였다.
이 경우, 제 2 비교예와 제 3 실시예에 따른 유기 발광 소자는 도 2에 따른 것으로, 나머지 하부 전극에서부터 복수 스택, 전하 생성층을 포함한 유기 스택의 구성은 동일하게 하였으며, 상부 전극(170) 및 계면 보상층(180)만의 구성을 달리하였다.
제 2 비교예와 제 3 실시예에서 제 2 금속층의 두께는 동일하게 140Å로 하였으며, 제 1 금속층 및 계면 보상층의 두께는 10Å 내지 30Å의 수준으로 하였으며, 본 발명의 제 3 실시예에서 제 1 금속층의 LiF: Yb의 원자비는 1:2에 상당하다. 그리고, 본 발명의 제 3 실시예에서 제 2 금속층 Ag:Mg:Yb의 원자비는 120:10:10로 하였다.
이 경우, 초기 상태에서는 제 2 비교예와 본 발명의 제 3 실시예의 구동 전압이나 효율 특성이 동등 수준이며, CIEx, CIEy 값도 유사수준이며, UV에 노출 후 100시간 경과 후 살펴보면 표 2 및 도 8과 같이, 제 2 비교예에서 구동 전압의 상승이 2.8V에 상당하며, 효율이 초기 상태보다 올라감을 나타내고 있다. 이는 해당 유기 발광 소자가 항상성을 유지하지 못함을 의미한다.
반면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 유기 발광 소자는 UV 노출 후 100시간이 경과하여도 구동 전압의 변화가 0.3V 수준이며, 효율도 초기 상태와 유사 수준을 유지하고 있어, 해당 유기 발광 소자가 항상성을 유지하고 있음을 의미한다.
즉, 본 발명의 제 3 실시예와 같이, 적어도 할로겐 화합물 및 할로겐 또는 비금속과 반응성이 좋은 금속을 포함한 계면 보상층을 구비하는 경우, 유기 발광 소자의 항상성이 의미함을 의미한다.
한편, 본 발명의 발명자들이 상술한 실험에서 진행된 UV 특성을 파악한 이유는, 유기 발광 소자가 일반적인 실내 환경뿐만 아니라 자동차 내부나 탐사 장치 등의 표시 장치로 사용되어 최근 점차 극단적인 온도 변화나 태양광이 쏘여지는 상황에서도 일정한 항상성을 요구하고 있기 때문이다. 그러나, 일반적인 유기 발광 소자는, 구비된 유기물 자체에 열이나 온도 변화 혹은 태양광에 취약할 수 있어, UV에 안정성을 유기 발광 소자의 개발이 필요하다. 본 발명의 발명자들은 이러한 문제점을 인식하고 이를 해결하기 위해 상부 전극의 개발을 진행하였으며, 계면 보상층의 구비로 UV 노출에도 경시적으로 안정한 유기 발광 소자를 개발한 것이다.
도 10a 및 도 10b는 녹색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 3 실시예로 구현시 UV 노출 100시간 상태를 나타낸 광학 사진이다.
도 10a와 같이, 제 2 비교예의 경우, 원형으로 표현된 발광부가 가장 자리에서 점차 열화가 진행되고 있음을 나타내고 있다. 반면, 도 10b와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에서는 UV 노출 100시간 후에도 발광부의 열화가 관찰되지 않았다.
도 11은 적색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 5 실시예로 구현시 시간에 따른 구동 전압의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 12는 적색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 5 실시예로 구현시 시간에 따른 효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
| 실험예 | 전광특성(UV 0시간) | 전광특성(UV 100시간 후) | ||||||
| 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | |
| 제 2 비교예 | 8.0 | 100 | 0.691 | 0.306 | 13.5 | 125 | 0.691 | 0.306 |
| 제 5 실시예 | 8.0 | 100 | 0.691 | 0.306 | 8.3 | 104 | 0.691 | 0.306 |
위의 실험에서 적용한 제 2 비교예는 도 3b와 같이, 제 1 금속층으로 Mg:LiF 을 이용하고, 제2 금속층으로 Ag:Mg의 합금을 이용하였다. 그리고, 본 발명의 제 5 실시예에서는 도 4e와 같이, 제 1 금속층으로 Mg와 LiF의 화합물을 이용하였고, 제 2 금속층으로는 Ag, Mg, Yb의 합금을 이용하였으며, 계면 보상층으로 LiF와 Yb의 화합물을 이용하였다.
표 3 및 도 11 및 도 12의 결과가 앞에 실험된 녹색 유기 발광 소자와 다른 이유는 적색을 발광하기 위해 초기 상태에 상대적으로 높은 구동 전압이 요구되고, 이에 따라 UV 노출 후에 제 2 비교예에서의 구동 전압 변화도 크게 나타난다.
이 경우, 제 2 비교예와 제 5 실시예에 따른 유기 발광 소자는 도 2에 따른 것으로, 나머지 하부 전극에서부터 복수 스택, 전하 생성층을 포함한 유기 스택의 구성은 동일하게 하였으며, 상부 전극(170) 및 계면 보상층(180)만의 구성을 달리하였다.
제 2 비교예와 제 5 실시예에서 제 2 금속층의 두께는 동일하게 140Å로 하였으며, 제 1 금속층 및 계면 보상층의 두께는 10Å 내지 30Å의 수준으로 하였으며, 본 발명의 제 3 실시예에서 제 1 금속층의 LiF: Mg의 원자비는 1:2에 상당하다. 그리고, 본 발명의 제 3 실시예에서 제 2 금속층 Ag:Mg:Yb의 원자비는 120:10:10로 하였다.
이 경우, 초기 상태에서는 제 2 비교예와 본 발명의 제 5 실시예의 구동 전압이나 효율 특성이 동등 수준이며, CIEx, CIEy 값도 유사수준이며, UV에 노출 후 100시간 경과 후 살펴보면 표 2 및 도 11과 같이, 제 2 비교예에서 구동 전압의 상승이 5.5V에 상당하며, 도 12와 같이, 효율이 초기 상태보다 오히려 올라감을 나타내고 있다. 이는 해당 유기 발광 소자가 항상성을 유지하지 못함을 의미한다.
반면, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 유기 발광 소자는 도 11 및 도 12와 같이, UV 노출 후 100시간이 경과하여도 구동 전압의 변화가 0.3V 수준이며, 효율도 초기 상태와 유사 수준(4%의 상승이지만 제 2 비교예 대비 그 편차가 현저하게 적음을 알 수 있음)을 유지하고 있어, 해당 유기 발광 소자가 항상성을 유지하고 있음을 의미한다.
즉, 본 발명의 제 5 실시예와 같이, 적어도 할로겐 화합물 및 할로겐 또는 비금속과 반응성이 좋은 금속을 포함한 계면 보상층을 구비하는 경우, 유기 발광 소자의 항상성이 의미함을 의미한다.
도 13a 및 도 13b는 적색 유기 발광 소자를 제 2 비교예와 본 발명의 제 5 실시예로 구현시 UV 노출 100시간 상태를 나타낸 광학 사진이다.
도 13a와 같이, 제 2 비교예의 경우, 원형으로 표현된 발광부가 가장 자리에서 점차 열화가 진행되고 있음을 나타내고 있다. 반면, 도 13b와 같이, 본 발명의 제 5 실시예에서는 UV 노출 100시간 후에도 발광부의 열화가 관찰되지 않았다.
한편, 상술한 실험들은 본 발명의 제 3 내지 제 5 실시예를 위주로 실험이 진행되었는데, 계면 보상층을 할로겐화합물의 제 1 물질과 할로겐 또는 비금속과의 반응성을 갖는 금속의 제 2 물질을 함께 갖는 형태로 구비하거나, 혹은 제 1, 제 2 물질과 더불어, 상부 전극을 이루는 금속 성분을 제 3 물질로 더 포함한다면 유사 수준의 UV 안정성을 얻을 수 있을 것이다.
도 14는 청색 유기 발광 소자를 제 3 비교예와 본 발명의 제 11 및 제 12 실시예로 구현시 상온의 휘도 변화를 나타낸 그래프이다.
| 실험예 | 제 1 금속층 | 제 2 금속층 | 전광 특성 | ||||
| 구동전압 (V) |
효율 (%) |
CIEx | CIEy | 상온 수명(%) |
|||
| 제 3 비교예 | Yb:LiF (1:1)(20Å) |
Ag:Mg(110:10) (120Å) |
7.5 | 100 | 0.139 | 0.061 | 100 |
| 제 11 실시예 | LiF(10Å) | Ag:Yb(120:20) (140Å) |
7.5 | 100 | 0.137 | 0.065 | 130 |
| 제 12 실시예 | LiF(10Å) | Ag:Mg:Yb (120:10:10)(140Å) |
7.5 | 100 | 0.137 | 0.064 | 116 |
도 14 및 표 4는 도 3c의 제 3 비교예와 도 6a 및 도 6b의 본 발명의 제 11, 제 12 실시예의 유기 발광 소자를 나타낸 것으로, 이를 청색 발광층을 갖는 청색 발광 소자에서 실험한 예를 나타낸다.
실험에서 수명은 UV 노출없이 상온 수명을 나타낸 것으로, 이 실험예들이 나타내는 바는 제 1 금속층에 반응성이 높은 금속을 구비하는 것보다 상부 전극의 최상부측인 제 2 금속층에 반응성이 높은 금속을 구비할 때, 상온 수명에서 상승 효과를 얻을 수 있음을 나타낸다.
제 3 비교예와 제 11, 제 12 실시예들에서 구동 전압이나 효율, CIEx, CIEy 값은 유사 수준을 나타내고 있다.
이는 얇은 두께의 상부 전극을 구현시 상대적으로 다른 금속 대비 다량으로 포함된 Ag의 응집을 방지하는데 효과적인 것은 반응성이 높은 금속을 상부 전극의 제 1 금속층보다는 제 2 금속층에 구비하는 것이다.
도 15a 및 도 15b는 청색 발광 소자를 제 3 비교예와 본 발명의 제 11 실시예로 구현시 UV 노출 100시간 상태를 나타낸 광학 사진이다.
이러한 제 3 비교예와 제 11 실시예에 대해 각각 UV 노출 100시간 후의 상태를 관찰해보면, 제3 비교예에서는 도 15a와 같이, Ag의 응집이 발생됨을 알 수 있으며, 제 11 실시예에서는 이러한 응집 현상이 발생되지 않음을 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 유기 발광 표시 장치를 나타낸 단면도이다.
도 16과 같이, 본 발명의 유기 발광 표시 장치는 복수개의 서브 화소를 갖는 기판(100)과, 상기 각 서브 화소에 구비된 박막 트랜지스터(105) 및 상기 박막 트랜지스터(105)에 접속된 상술한 유기 발광 소자(OLED)를 포함한다.
각 서브 화소에서 유기 발광 소자는 박막 트랜지스터(105)는 하부 전극(110)과 접속되며, 그 상부의 구성은 도 1 또는 도 2에 따른다. 도시된 바와 같이, 박막 트랜지스터(105)와 하부 전극(110)이 전면 접하여 접속되는 바도 가능하고, 그 사이에 절연막을 개재하고 일부에 콘택홀을 구비하여 콘택홀을 통해 박막 트랜지스터(105)와 하부 전극(110)이 접속되는 바도 가능하다.
유기 발광 소자에 있어서, 각 서브 화소들에는 하부 전극(110)과, 각각 청색 발광층(140b), 녹색 발광층(140g) 및 적색 발광층(140r)이 구비되며, 나머지 층들은 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층이 각 서브 화소들에 걸쳐 구비되는 공통층(CML)의 형태로 구비되며, 청색 발광층(140b), 녹색 발광층(140g) 및 적색 발광층(140r) 및 공통층(CML)을 포함한 유기 스택 상부에 상부 전극(170) 및 계면 보상층(180)이 더 구비되어, 이루어진다.
또한, 청색 발광층(140b), 녹색 발광층(140g) 및 적색 발광층(140r)은 각각이 발광하는 색상의 공진 조건에 따라 두께를 달리할 수 있다.
청색 발광층(140b), 녹색 발광층(140g) 및 적색 발광층(140r)의 상부에는 전자 수송층 등의 공통층이 구비되며, 그 상부에 본 발명의 상부 전극(170) 및 계면 보상층(180)이 더 구비된다.
상기 계면 보상 보상층(180) 상에는 유기 발광 소자의 보호를 위해 캐핑층(190)이 더 구비되며, 도시하지는 않았지만, 상기 캐핑층(190) 상에는 무기막 및 유기막이 교번되어 적층된 박막 봉지체가 더 구비될 수 있다.
여기서, 상기 상부 전극(170) 및 계면 보상층(180)은 상술한 본 발명의 제 1 내지 제 13 실시예로 대체할 수 있으며, 이를 통해 얇은 상부 전극의 구현과 높은 도전율을 위해 원자비 함량이 높은 Ag이 계면 보상층에 포함된 금속 성분에 의해 상부 전극 내에 응집하지 않고 그 특성을 유지하여 막 안정성이 향상되어 상온이나 UV 노출의 극한 환경에 관계없이 장치의 항상성을 유지하여 신뢰성이 개선된다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 기판 105: 박막 트랜지스터
110: 하부 전극 140: 발광층
170: 상부 전극 171: 제 1 금속층
172: 제 2 금속층 180: 계면 보상층
190: 캐핑층
110: 하부 전극 140: 발광층
170: 상부 전극 171: 제 1 금속층
172: 제 2 금속층 180: 계면 보상층
190: 캐핑층
Claims (14)
- 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 적어도 한 층의 유기층;
상기 유기층 상에 위치하며, 상기 유기층에서 나오는 출사광이 투과하는 상부 전극; 및
상기 상부 전극 상에, 할로겐화합물의 제 1 물질과 할로겐 또는 비금속과의 반응성을 갖는 금속의 제 2 물질을 함께 갖는 계면 보상층을 포함하고,
상기 상부 전극은 적어도 차례로 적층된 제 1 금속층 및 제 2 금속층을 포함하며, 상기 제 2 금속층은 적어도 Ag를 포함하고,
상기 계면 보상층의 제 1 물질은 상기 유기층과 접하는 상기 제 1 금속층에 포함된 금속과, 할로겐의 화합물인 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제 2 물질은 Ba(Barium), Ce(Cerium), Cs(Cesium), Eu(Europium), Gd(Gadolinium), K(Kalium), Li(Lithium), Lu(Lutetium), Na(Natrium), Nd(Neodymium), Rb(Rubidium), Sc(Scandium), Sm(Samarium), Sr(Strontium), Yb(Ytterbium) 및 Y(Yttrium) 중 어느 하나인 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 계면 보상층에 상기 상부 전극에 포함되는 금속의 제 3 물질을 더 포함한 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제 2 금속층은 Mg를 더 포함한 유기 발광 소자. - 제 3항에 있어서,
상기 계면 보상층은 제 2 물질의 원자비가 가장 높고, 상기 제 1 물질과 제 3 물질은 동일 원자비를 갖는 유기 발광 소자. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 물질은 LiF인 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제 2 물질은 상기 제 1 금속층 및 상기 제 2 금속층 중 적어도 하나에 더 포함된 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 금속층은 LiF를 포함하며,
상기 제 2 금속층은 Ag:Mg를 포함한 유기 발광 소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 2 금속층의 Ag는 Mg의 3배 내지 10배의 원자비를 갖는 유기 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 상부 전극 및 상기 계면 보상층을 합한 두께는 100Å 내지 180Å인 유기 발광 소자. - 복수개의 서브 화소를 갖는 기판;
상기 각 서브 화소에 구비된 박막 트랜지스터; 및
상기 박막 트랜지스터와 접속된 제 1 항 내지 제 5항 및 제 7항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 유기 발광 소자를 포함한 유기 발광 표시 장치. - 제 9항에 있어서,
상기 제 2 물질은 Yb를 포함하고,
상기 계면 보상층에서, Yb:LiF의 비는 1:1보다 크고 2:1보다 작은 유기 발광 소자. - 제 11항에 있어서,
상기 제 1 금속층 및 계면 보상층의 두께는 10Å 내지 30Å인 유기 발광 소자.
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