KR102518836B1

KR102518836B1 - 발광 특성이 개선된 발광다이오드 및 유기발광다이오드 표시장치

Info

Publication number: KR102518836B1
Application number: KR1020170161826A
Authority: KR
Inventors: 서보민; 빈종관; 양중환; 이나연; 유영주; 김춘기
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2023-04-06
Also published as: KR20180061073A

Abstract

본 발명은 2개 이상의 발광 유닛이 적층된 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드에서, 발광 유닛 사이에 위치하는 전하생성층과, 필요에 따라 정공주입층이 무기물층과 유기물층이 적층된 구조를 가지는 발광다이오드에 관한 것이다. 발광다이오드의 구동에 의하여 온도가 상승하더라도, 상대적으로 안정적인 무기물층으로 인하여 전하생성층 및/또는 정공주입층의 내구성이 저하되지 않는다. 이에 따라, 전하생성층 및/또는 정공주입층에서의 전하 생성 특성 및 정공 주입 특성이 유지될 수 있기 때문에, 발광다이오드의 발광 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 무기물층과 유기물층이 적층 구조를 가지는 전하생성층 및/또는 정공주입층에서 안정적인 전하 공급이 가능해지면서 발광다이오드를 구동하기 위한 전압이 저하된다. 이에 따라, 적은 소비전력으로 발광다이오드를 구동할 수 있으며, 발광다이오드를 구성하는 소재에 대한 스트레스가 감소하여 발광다이오드의 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

발광 특성이 개선된 발광다이오드 및 유기발광다이오드 표시장치{LIGHT EMITTING DIODE AND ORGNIC LIGHT EMITTING DIDOE DISPLAY DEVICE HAVING IMPROVED LIGHT PROPERITES}

본 발명은 표시장치에 사용되는 발광다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광 특성이 개선된 탠덤 구조를 가지는 유기발광다이오드 및 유기발광다이오드 표시장치에 관한 것이다.

표시장치의 대형화에 따라 공간 점유가 적은 평면표시소자의 요구가 증대되고 있는데, 이러한 평면표시소자 중 하나로서 발광다이오드를 포함하며 유기전계발광소자(organic electroluminescent device: OELD)라고도 불리는 유기발광다이오드 표시장치(organic light emitting diode (OLED) display device)의 기술이 빠른 속도로 발전하고 있다.

발광다이오드는 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 사이에 형성된 유기발광층에 전하를 주입하면 전자와 정공이 쌍을 이룬 후 소멸하면서 빛을 내는 소자이다. 플라스틱 같은 휠 수 있는(flexible) 투명 기판 위에도 소자를 형성할 수 있을 뿐 아니라, 낮은 전압에서 (10V 이하) 구동이 가능하고, 또한 전력 소모가 비교적 적으며, 색순도가 뛰어나다는 장점이 있다.

유기발광다이오드 표시장치에서 사용되는 발광다이오드는 전자 주입 전극(음극)과 정공 주입 전극(양극) 사이에 형성된 유기 소재의 발광층에 전하를 주입하면 전자(electron)와 정공(hole)이 쌍을 이룬 후 소멸하면서 빛을 내는 소자이다. 유기발광층에서 전자와 정공이 만나서 엑시톤(Exciton)을 형성되고 이 에너지에 의하여 유기발광층에 포함된 유기 화합물이 여기 상태(excited state)가 되는데, 유기 화합물이 여기 상태에서 바닥상태(ground state)로 에너지 전이가 발생하고, 발생한 에너지를 빛으로 방출하여 발광한다.

발광다이오드의 성능을 더욱 개선시키고 백색 발광다이오드를 구현할 수 있도록, 복수의 단위 소자들을 적층시킴으로써 제조되는 탠덤(tandem) 구조를 가지는 발광다이오드가 제안되었다. 이러한 탠덤 구조의 발광다이오드는, 각 단위 소자에 양전하 및 음전하를 각각 공급하기 위하여 각 단위 소자들 사이에 배치되는 전하생성층(charge generation layer, CGL)을 포함한다.

탠덤 구조를 가지는 종래 발광다이오드에서 2개의 단위 소자들 사이에 위치하는 전하생성층의 소재로서 유기물이 사용되었다. 하나의 발광 유닛으로 구성되는 단층 구조의 발광다이오드에 비하여, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드는 2개 이상의 발광물질층과, 보다 많은 전하 이동층 소재로 이루어져 있다. 따라서 탠덤 구조의 발광다이오드에서는 단층 구조의 발광다이오드에 비하여 상대적으로 구동 전압이 상승한다. 구동 전압이 상승하면서 발생하는 주울 열(Joule's heat)으로 인하여 발광다이오드의 온도가 상승하게 되고, 이에 따라 전하생성층을 구성하는 유기물이 열화되여 재료의 특성이 변형되거나 결합이 끊어지는 등 전하생성층의 내구성이 저하된다. 결과적으로, 전하생성층에서 의도하였던 전하 생성 기능이 충분히 발휘되지 못하게 되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드에서 발광 효율이 저감되고, 소자 수명이 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명의 목적은 고온에서도 열화가 적고 내구성이 향상된 소재 및 구조를 채택한 발광다이오드와 이를 포함하는 유기발광다이오드 표시장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 발광 효율 및 소자 수명이 개선된 발광다이오드와 이를 포함하는 유기발광다이오드 표시장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 발광 유닛 사이에 위치하는 전하생성층, 구체적으로 P타입 전하생성층이 무기물층과 유기물층이 적층되어 있는, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 제공한다.

전하생성층은 무기물층-유기물층 또는 유기물층-무기물층이 순차 적층되는 구조를 가질 수 있다.

일례로, 전하생성층은 제 1 무기물층-유기물층-제 2 무기물층으로 적층되거나, 제 1 유기물층-무기물층-제 2 유기물층으로 적층될 수 있다.

필요한 경우에 무기물층-유기물층 또는 유기물층-무기물층이 2회 이상 반복적으로 순차 적층될 수도 있다.

이때, 발광 유닛을 구성하는 적어도 하나의 정공주입층이 또한 무기물층과 유기물층이 적층되는 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 전술한 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 포함하는 유기발광다이오드 표시장치를 제공한다.

본 발명은 2개 이상의 발광 유닛이 적층(stack)되어 있는 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드에서, 발광 유닛 사이에 위치하는 P타입 전하생성층 및/또는 정공주입층이 무기물층과 유기물층이 적층되는 구조를 가지는 발광다이오드를 제안한다.

탠덤 구조를 가지는 발광다이오드에서 상대적으로 열에 안정적인 무기물층과 유기물층으로 이루어지는 P타입 전하생성층 및 정공주입층의 구조를 채택하여, P타입 전하생성층 및/또는 정공주입층을 구성하는 소재의 열화를 방지할 수 있다. 이에 따라, P타입 전하생성층 및/또는 정공주입층의 내구성이 향상되어 정공 생성 및 정공 주입 특성을 유지, 향상시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 유기물 소재만을 적용한 P타입 전하생성층 및/또는 정공주입층에 비하여 무기물층과 유기물층을 함께 적층한 P타입 전하생성층 및/또는 정공주입층을 이용하는 경우, 정공 생성 능력이 향상되면서 발광다이오드의 구동 전압을 낮출 수 있어서 소비 전력을 또한 낮출 수 있다.

이처럼, 발광다이오드를 구성하는 소재가 열화되지 않기 때문에, 발광다이오드의 발광 효율을 극대화할 수 있으며, 발광다이오드의 수명을 개선하여 장 수명의 발광 소자를 구현할 수 있으며, 고 순도의 백색 구현이 가능하다.

도 1은 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 제 4 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제 5 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 제 6 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 제 7 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제 8 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 포함하는 유기발광다이오드 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10 내지 도 13은 각각 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 제조된 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드에서 전압-전류밀도, 전류밀도-전류 효율, 전류밀도-전력 효율 및 시간-소자 수명을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14 내지 도 17은 각각 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 제조된 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드에서 전압-전류밀도, 전류밀도-전류 효율, 전류밀도-전력 효율 및 시간-소자 수명을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 필요한 경우에 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드(100)는 서로 마주하는 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(120)과, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이에 위치하는 제 1 발광 유닛(하부 발광 유닛, 130)과, 제 1 발광 유닛(130)과 제 2 전극(120) 사이에 위치하는 제 2 발광 유닛(상부 발광 유닛, 140)과, 제 1 및 제 2 발광 유닛(130, 140) 사이에 위치하는 전하생성층(150)을 포함한다.

제 1 전극(110)은 일함수(work function) 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어지며, 양극(anode)일 수 있다. 일례로, 제 1 전극(110)은 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide; ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide, IZO), 인듐-주석-아연-산화물(indium-tin-zinc oxide; ITZO), 인듐-구리-산화물(indium-copper-oxide; ICO), 아연산화물(ZnO) 및/또는 알루미늄:아연산화물(Al:ZnO; AZO)으로 이루어질 수 있다.

제 2 전극(120)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어지며 음극(cathode)일 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극(120)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 은(Ag) 또는 알루미늄-마그네슘 합금(AlMg)과 같은 이들의 조합이나 합금으로 이루어질 수 있다.

제 1 발광 유닛(130)은 정공주입층(hole injection layer, HIL, 131)과 제 1 정공수송층(하부 정공수송층, hole transfer layer, HTL, 132)과, 제 1 발광물질층(하부 발광물질층, emission material layer, EML, 134)과, 제 1 전자수송층(하부 전자수송층, electron transfer layer, ETL, 138)을 포함한다.

정공주입층(131)은 제 1 전극(110)과 제 1 발광물질층(134) 사이, 보다 구체적으로는 제 1 정공수송층(132) 사이에 위치하며, 무기물인 제 1 전극(110)과 유기물인 제 1 정공수송층(132) 사이의 계면 특성을 향상시킨다. 일례로, 정공주입층(131)은 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐페닐아미노)트리페닐아민(4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine; MTDATA, m-MTDATA), 프탈로시아닌구리(copper phthalocyanine; CuPc), 트리스(4-카바조일-9-일-페닐)아민(Tris(4-carbazoyl-9-yl-phenyl)amine; TCTA), N,N'-디페닐-N,N'-비스(1-나프틸)-1,1'-바이페닐-4,4"-디아민(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(1-naphthyl)-1,1'-biphenyl-4,4"-diamine; NPD, α-NPB), 1,4,5,8,9,11-헥사아자트리페닐렌헥사카보니트릴(1,4,5,8,9,11-hexaazatriphenylenehexacarbonitrile; HAT-CN), 1,3,5-트리스[4-(디페닐아미노)페닐]벤젠(1,3,5-tris[4-(diphenylamino)phenyl]benzene; TDAPB), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리스티렌 술포네이트(poly(3,4-ethylenedioxythiphene)polystyrene sulfonate; PEDOT/PSS), 2,3,5,6-테트라플루오로-7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄(2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane; F4TCNQ) 및/또는 N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민(N-(biphenyl-4-yl)-9,9-dimethyl-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)-9H-fluoren-2-amine) 등에서 선택되는 어느 하나의 물질일 수 있다.

예를 들어, 정공주입층(131)의 두께는 1 내지 150 nm일 수 있다. 정공주입층(131)의 두께가 1 nm 이상이면 정공 주입 특성을 향상시킬 수 있고, 150 nm 이하이면 정공주입층(131)의 두께 증가에 의한 구동 전압 상승 문제를 방지할 수 있다. 정공주입층(131)은 발광다이오드의 구조나 특성에 따라 생략될 수도 있다.

제 1 정공수송층(132)은 정공주입층(131)과 제 1 발광물질층(134) 사이에 위치하고, 제 1 발광물질층(134)은 제 1 정공수송층(132)와 제 1 전자수송층(136) 사이에 위치하며, 제 1 전자수송층(136)은 제 1 발광물질층(134)과 전하생성층(150) 사이에 위치한다.

제 2 발광 유닛(140)은 제 2 정공수송층(상부 정공수송층, 142)과, 제 2 발광물질층(상부 발광물질층, 144)과, 제 2 전자수송층(상부 전자수송층, 346)과, 전자주입층(electron injection layer, EIL, 148)을 포함한다. 제 2 정공수송층(142)은 전하생성층(150)과 제 2 발광물질층(144) 사이에 위치하고, 제 2 발광물질층(144)은 제 2 정공수송층(142)과 제 2 전극(120) 사이에 위치한다. 또한, 제 2 전자수송층(146)은 제 2 발광물질층(144)과 제 2 전극(120) 사이에 위치하며, 전자주입층(148)은 제 2 전자수송층(146)과 제 2 전극(120) 사이에 위치한다.

제 1 및 제 2 정공수송층(132, 142)은 각각 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'-바이페닐-4,4'-디아민(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine; TPD), NPD, MTDATA, 1,3-비스(N-카바졸릴)벤젠(1,3-bis(N-carbazolyl)benzene; mCP), CuPC, TCTA, 트리스(트리플루오비닐에테르)-트리스(4-카바조일-9-일-페닐)아민(tris(trifluorovinyl ether)-tris(4-carbazoyl-9-yl-phenyl)amine; TFV-TCTA), 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine), N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민(tri-p-tolylamine), N-[1,1'-바이페닐]-4-일-9,9-디메틸-N-[4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐]-아민(N-[1,1'-biphenyl]-4-yl-9,9-diMethyl-N-[4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl]-amine), 4,4'-비스(N-카바졸릴)-1,1'-바이페닐(4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl; CBP) 및/또는 1,1-비스(4-(N,N'-디(p-톨릴)아미노)페닐)사이클로헥산(1,1-bis(4-(N,N'-di(ptolyl)amino)phenyl)cyclohexane; TAPC) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 정공수송층(132) 및 제 2 정공수송층(142) 각각의 두께는 1 내지 150 nm일 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 정공수송층(132, 142)의 두께가 1 nm 이상이면 정공 수송 특성을 향상시킬 수 있고, 150 nm 이하이면 제 1 및 제 2 정공수송층(132, 142)의 두께 증가에 의한 구동 전압 상승 문제를 방지할 수 있다. 제 1 정공수송층(132)과 제 2 정공수송층(142)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 및 제 2 발광물질층(134, 144) 각각은 호스트(host)에 도펀트(dopant)가 도핑되어 이루어질 수 있으며, 서로 다른 색을 발광한다. 도펀트 소재는 호스트 소재를 기준으로 대략 1 내지 30 중량%의 비율로 첨가될 수 있다.

일례로, 제 1 발광물질층(134)은 청색(B), 적색(R), 녹색(G) 또는 황색(Yellow, Y)을 발광할 수 있다. 제 1 발광물질층(134)이 청색 발광물질층인 경우, 청색(Blue) 발광물질층, 진청색(Dark Blue) 발광물질층 또는 스카이 블루(Sky Blue) 발광물질층 중 하나를 포함한다. 또는, 제 1 발광물질층(134)은 청색 발광물질층 및 적색(R) 발광물질층, 청색 발광물질층 및 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층, 또는 청색 발광물질층 및 녹색(G) 발광물질층으로 구성될 수도 있다.

한편, 제 2 발광물질층(144)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 황록색(YG) 발광물질층 중 어느 하나일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(134)은 청색을 발광하고, 제 2 발광물질층(144)은 청색보다 장파장인 녹색(G), 황록색(YG) 또는 오렌지색을 발광할 수 있다.

예를 들어, 제 1 발광물질층(134)이 청색 광을 발광하는 경우, 제 1 발광물질층(134)은 안트라센(anthracene) 유도체, 파이렌(pyrene) 유도체 및 페릴렌(perylene) 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 형광 호스트 물질에 형광 도펀트가 도핑되어 이루어질 수 있다.

제 1 발광물질층(134)에 사용될 수 있는 청색 형광 호스트 물질은 4,4'-비스(2,2'-디페닐비닐)-1,1'-바이페닐(4,4'-bis(2,2'-diphenylyinyl)-1,1'-biphenyl; DPVBi), 9,10-디-(2-나프틸)안트라센(9,10-di-(2-naphtyl)anthracene; ADN), 2,5,8,11-테트라-t-부틸페릴렌(tetra-t-butylperylene; TBADN), 2-터르-부틸-9,10-디(2-나프틸)안트라센(2-tert-butyl-9,10-di(2-naphthyl)anthracene), 2-메틸-9,10-디(2-나프틸)안트라센(2-methyl-9,10-di(2-naphtyl)anthracene; MADN), 및/또는 2,2',2"-(1,3,5-벤자인트리일)-트리스(1-페닐-1-H-벤즈이미다졸(2,2',2"-(1,3,5-benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole; TBPi) 등을 포함한다.

또한, 제 1 발광물질층(134)에 사용될 수 있는 청색 형광 도펀트 물질은 4,4'-비스(9-에틸-3-카바조비닐렌)-1,1'-바이페닐(4,4'-bis(9-ethyl-3-carbazovinylene)-1,1'-biphenyl; BCzVBi) 및/또는 디페닐-[4-(2-[1,1;4,1]테트라페닐-4-일-비닐)-페닐]-아민(diphenyl-[4-(2-[1,1;4,1]terphenyl-4-yl-vinyl)-phenyl]-amine; BD-1)은 물론이고, spiro-DPVBi, spiro-CBP, 디스티릴벤젠(distyrylbenzene, DSB) 및 그 유도체, 디스티릴아릴렌(distyryl arylene, DSA) 및 그 유도체, 폴리플루오렌(polyfluoorene; PF)계 고분자 및 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylene vinylene; PPV)계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 청색 도펀트로서, 이리듐(iridium) 계열의 도펀트인 인광 도펀트를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 발광물질층(134)은 청색 발광물질층 외에 스카이 블루(Sky Blue) 발광물질층 또는 진청색(Deep Blue) 발광물질층일 수 있다. 이때, 제 1 발광부(134)에서의 발광 파장은 440 nm 내지 480 nm 범위일 수 있다.

제 1 발광물질층(134)이 녹색(G) 발광물질층인 경우, 제 1 발광물질층(134)은 CBP 등의 호스트와 이리듐(iridium) 계열의 도펀트(예를 들어, dp₂Ir(acac), op₂Ir(acac) 등)를 포함하는 인광 발광물질층일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 선택적으로, 상기 제 1 발광물질층(134)은 트리스(8-하이드록시퀴놀리나토)알루미늄(tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum; Alq)을 포함하는 형광 발광물질층일 수도 있다. 이때, 제 1 발광물질층(134)에서의 발광 파장은 510 nm 내지 570 nm 범위일 수 있다.

또한, 제 1 발광물질층(134)이 적색(R) 발광물질층인 경우, 제 1 발광물질층(316)은 CBP 등의 호스트와, 비스(1-페닐이소퀴놀린)아세틸아세토네이트이리듐(bis(1-phenylisoquinoline)acetylacetonate iridium; PIQIr(acac)), 비스(1-페닐퀴놀린)아세틸아세토네이트이리듐 ((1-phenylquinoline)acetylacetonate iridium; PQIr(acac)) 및 옥타에틸포피린 백금(octaethylporphyrin platinum; PtOEP)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 도펀트를 포함하는 인광 발광물질층일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또는, 제 1 발광물질층(134)은 1,3,4-옥사디아졸:트리스(디벤조일메탄)모노(1,10-페난트롤린)유로퓸(Ⅲ)(1,3,4-oxadiazole:Tris(dibenzoylmethane)mono(1,10-phentathroline)europium(Ⅲ); PBD:Eu(DBM)₃(Phen)) 또는 페릴렌(Perylene) 및 그 유도체를 포함하는 형광 발광물질층일 수도 있다. 이때, 제 1 발광물질층(134)에서의 발광 파장은 600 nm 내지 650 nm 범위일 수 있다.

제 1 발광물질층(134)이 황색(Y) 발광물질층인 경우, 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층의 단일 구조 또는 황록색 발광물질층과 녹색(Green) 발광물질층의 이중층 구조일 수 있다. 일례로, 제 1 발광물질층(134)인 황색 발광물질층인 경우, 황색 발광물질층은 CBP 또는 비스(2-메틸-8-퀴놀리노레이트)-4-(페닐페놀라토)알루미늄(Bis(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminium; BAlq) 중 선택된 적어도 하나의 호스트와, 황록색을 발광하는 황록색 인광 도펀트를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 발광물질층(134)에서의 발광 파장은 510 nm 내지 590 nm 범위일 수 있다.

선택적인 실시형태에서, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(100)의 적색 효율을 향상시키기 위해서, 발광물질층(134)은 2개의 발광물질층, 일례로 황록색 발광물질층과 적색 발괄물질층 또는 청색 발광물질층과 적색 발광물질층으로 이루어질 수 있다.

한편, 제 2 발광물질층(144)이 황록색 발광물질층인 경우, 황록색(YG) 발광물질층의 단층 구조 또는 황록색 발광물질층과 녹색(G) 발광물질층의 이중층 구조로 이루어질 수 있다. 제 2 발광물질층(144)이 황록색 발광물질층의 단층 구조인 경우, 제 2 발광물질층(144)은 CBP 또는 BAlq 중에서 선택된 적어도 하나의 호스트와, 황록색을 발광하는 황록색 인광 도펀트를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제 1 전자수송층(136)과 제 2 전자수송층(146)은 각각 제 1 발광 유닛(130)과 제 2 발광 유닛(140)에서의 전자 수송을 원활하게 하는 역할을 한다. 제 1 및 제 2 전자수송층(136, 146) 각각은 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체일 수 있다.

예를 들어, 제 1 및 제 2 전자수송층(136, 146)은 각각 Alq₃, 2-바이페닐-4-일-5-(4-터셔리-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸(2-biphenyl-4-yl-5-(4-t-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole; PBD), 스파이로-PBD, 리튬 퀴놀레이트(lithium quinolate; Liq), 2-[4-(9,10-디-2-나프탈레닐-2-안트라세닐)페닐]-1-페닐-1H-벤즈이미다졸(2-[4-(9,10-Di-2-naphthalenyl-2-anthracenyl)phenyl]-1-phenyl-1H-benzimidazol), 3-(바이페닐-4-일)-5-(4-터르부틸페닐)-4-페닐-4H-1,2,4-트리아졸(3-(biphenyl-4-yl)-5-(4-tertbutylphenyl)-4-phenyl-4H-1,2,4-triazole; TAZ), 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; Bphen), 트리스(페닐퀴녹살린)(tris(phenylquinoxaline; TPQ) 및 1,3,5-트리스(N-페닐벤즈이미다졸-2-일)벤젠(1,3,5-tris(N-phenylbenzimiazole-2-yl)benzene; TPBI)과 같은 전자 수송 물질로 이루어질 수 있다.

선택적으로, 제 1 및 제 2 전자수송층(136, 146)은 각각 전술한 유기 물질에 알칼리 금속 및/또는 알칼리토금속과 같은 금속이 도핑되어 이루어질 수 있다. 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 전술한 유기 화합물을 기준으로 대략 1 내지 20 중량%의 비율로 첨가될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 제 1 및 제 2 전자수송층(136, 146)의 도펀트로 사용될 수 있는 알칼리 금속 성분은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K) 및 세슘(Cs)와 같은 알칼리 금속 및/또는 마그네슘(Mg), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra)과 같은 알칼리토금속을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.

제 1 및 제 2 전자수송층(136, 146) 각각의 두께는 1 내지 150 nm일 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 전자수송층(136, 146)의 두께가 1 nm 이상이면 전자 수송 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있고, 150 nm 이하이면 제 1 및 제 2 전자수송층(136, 146)의 두께 증가에 의한 구동 전압 상승 문제를 방지할 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(136, 146)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

전자주입층(148)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF₂, MgF₂, CaF2, SrF₂, BaF₂ 및 RaF₂ 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq(lithium quinolate), 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate), Alq₃, BAlq, PBD, 스파이로-PBD, TAZ 등의 유기계 물질이 사용될 수 있다.

한편, 정공이 제 2 전극(120) 쪽으로 이동하거나, 전자가 제 1 전극(110) 쪽으로 이동하는 경우, 발광다이오드(100)의 수명과 발광 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 도면으로 도시하지는 않았으나, 발광다이오드(100)는 제 1 발광 유닛(130) 및/또는 제 2 발광 유닛(140)은 발광물질층(134, 144)에 인접하게 위치하는 엑시톤 차단층을 더욱 포함할 수 있다.

일례로, 제 1 정공수송층(132)과 제 1 발광물질층(134) 사이 및/또는 제 2 정공수송층(142)과 제 2 발광물질층(144) 사이에 전자차단층(electron blocking layer; EBL)이 위치할 수 있다. 전자차단층(미도시)은 제 1 및 제 2 정공수송층(132, 142)에 사용된 물질, 일례로 TPD, NPD, MTDATA, mCP, CuPC, TCTA, TFV-TCTA, CBP 및/또는 TAPC 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

한편, 제 1 발광물질층(134)과 제 1 전자수송층(136) 사이 및/또는 제 2 발광물질층(144)과 제 2 전자수송층(146) 사이에 정공차단층(hole blocking layer; HBL)이 위치할 수 있다. 정공차단층(미도시)은 제 1 및 제 2 전자수송층(136, 146)에 사용된 물질, 일례로 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체가 사용될 수 있다. 예를 들어 정공차단층(미도시))은 HOMO 레벨이 낮은 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; BCP) 및/또는 BAlq와 같은 물질로 이루어질 수 있다.

전하생성층(charge generation layer, CGL; 150)은 제 1 발광 유닛(130)과 제 2 발광 유닛(140) 사이에 위치하며, 제 1 발광 유닛(130)에 인접하게 위치하는 N타입 전하생성층(N-CGL, 152)과 제 2 발광 유닛(140)에 인접하게 위치하는 P타입 전하생성층(P-CGL, 154)을 포함한다. N타입 전하생성층(152)은 제 1 발광 유닛(130)으로 전자(electron)를 주입해주고, P타입 전하생성층(154)은 제 2 발광 유닛(340)으로 정공(hole)을 주입해준다.

N타입 전하생성층(152)은 Li, Na, K, Cs와 같은 알칼리 금속 및/또는 Mg, Sr, Ba, Ra와 같은 알칼리토금속으로 도핑된 유기층일 수 있다. 예를 들어, N타입 전하생성층(152)에 사용되는 호스트 유기물은 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-dipheny-1,10-phenanthroline; Bphen), MTDATA와 같은 물질일 수 있으며, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 약 0.01 내지 30 중량%로 도핑될 수 있다.

본 실시형태에서, P타입 전하생성층(154)은 제 1 발광 유닛(130) 쪽에 위치하는 무기물층(156)과, 제 2 발광 유닛(140) 쪽에 위치하는 유기물층(158)이 적층된 구조를 갖는다. 즉, 무기물층(156)은 N타입 전하생성층(152)과 제 2 정공수송층(142) 사이에 위치하고, 유기물층(158)은 무기물층(156)과 제 2 정공수송층(142) 사이에 위치한다.

하나의 예시적인 실시형태에서, 무기물층(156)은 전도대(conduction band) 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 무기물층(156)은 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다.

한편, 유기물층(158)은 NPD, HAT-CN, F4TCNQ, TPD, N,N,N',N'-테트라나프탈레닐-벤지딘(TNB), TCTA, N,N'-디옥틸-3,4,9,10-페릴렌디카복시미드(N,N'-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide; PTCDI-C8) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 유기물층(158)은 HOMO(higites occupied molecular orbital; 최고준위점유분자궤도) 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO(lowest unocuupied molecular orbital; 최저준위비점유분자궤도) 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 유기물층(158)은 HAT-CN 및/또는 PTCDI-C8 등으로 이루어질 수 있다.

하나의 예시적인 실시형태에서, 무기물층(156)과 유기물층(158)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다. P타입 전하생성층(154)을 구성하는 무기물층(156)과 유기물층(158)의 두께가 전술한 범위에 있을 경우에, P타입 전하생성층(154)에서 생성된 정공이 제 2 정공수송층(142)로 효율적으로 전달될 수 있으며, P타입 전하생성층(154)의 두께 증가로 인하여 발광다이오드(100)의 구동 전압이 지나치게 상승되는 것을 방지할 수 있다.

무기물층(156)과 유기물층(158)이 전술한 범위의 에너지 준위를 가지는 물질로 이루어지는 경우, P타입 전하생성층(154)에서 정공 생성 특성 및 정공 주입 특성이 향상될 수 있다. 이에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(100)에서 구동 전압을 낮출 수 있게 된다.

한편, 도면에 도시하지는 않았으나, P타입 전하생성층(154)과 제 2 정공수송층(142) 사이 및/또는 N타입 전하생성층(152)과 P타입 전하생성층(154) 사이에 제 2 정공주입층(상부 정공주입층; 미도시)이 위치할 수 있다. 제 2 정공주입층을 채택하는 경우, P타입 전하생성층(154)에서 생성된 정공을 제 2 발광 유닛(140)으로 효율적으로 주입, 전달할 수 있다. 제 2 정공주입층(미도시)은 MTDATA, CuPc, TCTA, α-NPB, HAT-CN, TDAPB, PEDOT/PSS, F4TCNQ 및/또는 N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 등에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 제 1 정공주입층(332)과 제 2 정공주입층(미도시)은 동일한 물질로 이루어지거나 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.

본 실시형태에 따르면, P타입 전하생성층(154)은 무기물층(156)과 유기물층(158)이 순차 적층된 구조를 갖는다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(100)에서의 상대적으로 높은 구동 전압에 의하여 온도가 상승하더라도, 무기물층(156)을 구성하는 무기물은 열에 안정적이기 때문에 열화되지 않는다. 종래 유기물로만 이루어진 경우와 비교하여, 이처럼 무기물층(156)을 포함하는 P타입 전하생성층(154)은 내구성이 향상된다. P타입 전하생성층(154)에서 정공 생성 및 주입 특성이 유지될 수 있으므로, 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 무기물층(156)과 유기물층(158)이 순차 적층된 구조를 가지는 P타입 전하생성층(154)에서 안정적인 정공 공급이 가능하게 되므로, 발광다이오드(100)를 구동하기 위한 전압을 또한 낮출 수 있다. 따라서 발광다이오드(100)를 낮은 소비전력에서도 구동할 수 있으며, 발광다이오드(100)를 구성하는 소재에 대한 스트레스가 감소되어 발광다이오드(100)의 수명을 개선할 수 있다.

도 2는 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 발광다이오드(200)는 서로 마주하는 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(220)과, 제 1 전극(210)과 제 2 전극(220) 사이에 위치하는 제 1 발광 유닛(하부 발광 유닛, 230)과, 제 1 발광 유닛(230)과 제 2 전극(220) 사이에 위치하는 제 2 발광 유닛(상부 발광 유닛, 240)과, 제 1 및 제 2 발광 유닛(230, 240) 사이에 위치하는 전하생성층(250)을 포함한다.

전술한 바와 같이, 제 1 전극(210)은 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어지며, 양극이다. 제 2 전극(220)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어지며 음극이다.

제 1 발광 유닛(230)은 정공주입층(231)과 제 1 정공수송층(하부 정공수송층, 232)과, 제 1 발광물질층(하부 발광물질층, 234)과, 제 1 전자수송층(하부 전자수송층, 236)을 포함한다. 정공주입층(231)은 제 1 전극(210)과 제 1 정공수송층(232) 사이에 위치하며, 제 1 정공수송층(232)은 정공주입층(231)과 제 1 발광물질층(234) 사이에 위치한다.

또한, 제 1 발광물질층(234)은 제 1 정공수송층(232)과 제 1 전자수송층(236) 사이에 위치하고, 제 1 전자수송층(236)은 제 1 발광물질층(234)과 전하생성층(250) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 1 발광 유닛(230)은 제 1 정공수송층(232)과 제 1 발광물질층(234) 사이에 위치하는 전자차단층(하부 전자차단층) 및/또는 제 1 발광물질층(234)과 제 1 전자수송층(236) 사이에 위치하는 정공차단층(하부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다.

제 2 발광 유닛(240)은 제 2 정공수송층(상부 정공수송층, 242)과, 제 2 발광물질층(상부 발광물질층, 244)과, 제 2 전자수송층(상부 전자수송층, 246)과 전자주입층(248)을 포함한다. 제 2 정공수송층(242)은 전하생성층(250)과 제 2 발광물질층(244) 사이에 위치하고, 제 2 발광물질층(244)은 제 2 정공수송층(242)과 제 2 전자수송층(246) 사이에 위치한다. 또한, 제 2 전자수송층(246)은 제 2 발광물질층(244)과 전자주입층(248) 사이에 위치하고, 전자주입층(248)은 제 2 전자수송층(246)과 제 2 전극(220) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 2 발광 유닛(240)은 제 2 정공수송층(242)과 제 2 발광물질층(244) 사이에 위치하는 전자차단층(상부 전자차단층) 및/또는 제 2 발광물질층(244)과 제 2 전자수송층(246) 사이에 위치하는 정공차단층(상부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다. 또한, P타입 전하생성층(254)과 제 2 정공수송층(242) 사이 및/또는 N타입 전하생성층(252)과 P타입 전하생성층(254) 사이에 제 2 정공주입층(상부 정공주입층, 미도시)이 위치할 수 있다.

정공주입층(231) 및 제 2 정공주입층(미도시)은 각각 MTDATA, CuPc, TCTA, NPD(α-NPB), HAT-CN, TDAPB, PEDOT/PSS, F4TCNQ 및/또는 N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 등에서 선택되는 어느 하나의 물질일 수 있다. 정공주입층(231) 및 제 2 정공주입층(미도시)의 두께는 각각 1 내지 150 nm일 수 있다. 정공주입층(231) 및 제 2 정공주입층(미도시)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 정공수송층(232, 242)은 각각 TPD, NPD, MTDATA, mCP, CuPC, TCTA, TFV-TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민, N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민, N-[1,1'-바이페닐]-4-일-9,9-디메틸-N-[4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐]-아민, CBP 및/또는 TAPC) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 정공수송층(232, 242) 각각의 두께는 1 내지 150 nm일 수 있다. 제 1 정공수송층(232)과 제 2 정공수송층(242)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 발광물질층(234, 244) 각각은 호스트(host)에 도펀트(dopant)가 도핑되어 이루어질 수 있으며, 서로 다른 색을 발광한다. 도펀트 소재는 호스트 소재를 기준으로 대략 1 내지 30 중량%의 비율로 첨가될 수 있다. 일례로, 제 1 발광물질층(234)은 청색(B), 적색(R), 녹색(G) 또는 황색(Yellow, Y)을 발광할 수 있다. 또는, 제 1 발광물질층(234)은 청색 발광물질층 및 적색(R) 발광물질층, 청색 발광물질층 및 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층, 또는 청색 발광물질층 및 녹색(G) 발광물질층으로 구성될 수도 있다.

한편, 제 2 발광물질층(244)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 황록색(YG) 발광물질층 중 어느 하나일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(234)은 청색을 발광하고, 제 2 발광물질층(244)은 청색보다 장파장인 녹색, 황록색(yellow-green; YG) 또는 오렌지색을 발광할 수 있다.

제 1 및 제 2 전자수송층(236, 246)은 각각 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체일 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 전자수송층(236, 246)은 각각 Alq₃, PBD, 스파이로-PBD, Liq, 2-[4-(9,10-디-2-나프탈레닐-2-안트라세닐)페닐]-1-페닐-1H-벤즈이미다졸, TAZ, Bphen, TPQ 및/또는 TPBI와 같은 전자 수송 물질로 이루어질 수 있다.

선택적으로, 제 1 및 제 2 전자수송층(236, 246)은 각각 전술한 유기 물질에 알칼리 금속 및/또는 알칼리토금속과 같은 금속이 도핑되어 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(236, 246) 각각의 두께는 1 내지 150 nm일 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(236, 246)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

전자주입층(248)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF₂, MgF₂, CaF2, SrF₂, BaF₂ 및 RaF₂ 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq(lithium quinolate), 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate), Alq₃, BAlq, PBD, 스파이로-PBD, TAZ 등의 유기계 물질이 사용될 수 있다.

전하생성층(250)은 제 1 발광 유닛(230)과 제 2 발광 유닛(240) 사이에 위치하며, 제 1 발광 유닛(230)에 인접하는 N타입 전하생성층(252)과 제 2 발광 유닛(240)에 인접하는 P타입 전하생성층(254)을 포함한다. N타입 전하생성층(252)은 제 1 발광 유닛(230)으로 전자를 주입해주고, P타입 전하생성층(254)은 제 2 발광 유닛(240)으로 정공을 주입해준다.

N타입 전하생성층(252)은 Li, Na, K, Cs와 같은 알칼리 금속 및/또는 Mg, Sr, Ba, Ra와 같은 알칼리토금속으로 도핑된 유기층일 수 있다. 예를 들어, N타입 전하생성층(252)에 사용되는 호스트 유기물은 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-dipheny-1,10-phenanthroline; Bphen), MTDATA와 같은 물질일 수 있으며, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 약 0.01 내지 30 중량%로 도핑될 수 있다.

본 실시형태에서, P타입 전하생성층(254)은 제 1 발광 유닛(230) 쪽에 위치하는 유기물층(258)과, 제 2 발광 유닛(240) 쪽에 위치하는 무기물층(256)이 순차 적층된 구조를 갖는다. 즉, 유기물층(258)은 N타입 전하생성층(252)과 제 2 정공수송층(242) 사이에 위치하고, 무기물층(256)은 유기물층(258)과 제 2 정공수송층(242) 사이에 위치한다.

일례로, 유기물층(258)은 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 유기물층(258)은 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 무기물층(256)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 무기물층(256)은 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다. 유기물층(258)과 무기물층(256)이 전술한 소재로 이루어지는 경우, P타입 전하생성층(254)에서 정공 생성 특성 및 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(200)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 일례로, 무기물층(256)과 유기물층(258)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다.

본 실시형태에 따르면, P타입 전하생성층(254)은 유기물층(258)과 무기물층(256)이 순차 적층된 구조를 갖는다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(200)에서의 상대적으로 높은 구동 전압에 의하여 온도가 상승하더라도, 무기물층(256)을 구성하는 무기물은 안정적이어서 열화되지 않는다. 이에 따라, P타입 전하생성층(254)의 내구성이 향상되어, P타입 전하생성층(254)에서 전하 생성 및 주입 특성이 유지될 수 있으므로, 발광다이오드(200)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 유기물층(258)과 무기물층(256)이 순차 적층된 구조를 가지는 P타입 전하생성층(254)에서 안정적인 전하 공급이 가능하게 되므로, 발광다이오드(200)를 구동하기 위한 전압을 또한 낮출 수 있다. 따라서발광다이오드(200)를 구성하는 소재에 대한 스트레스가 감소되어 발광다이오드(200)의 수명을 개선할 수 있다.

전술한 제 1 및 제 2 실시형태에서는 무기물층과 유기물층이 각각 1회씩 순차 적층된 2층의 P타입 전하생성층을 예시하였다. 하지만, 본 발명에 따른 P타입 전하생성층은 무기물층과 유기물층의 개수가 상이하거나, 또는 무기물층-유기물층(또는 유기물층-무기물층)의 단위 적층 구조가 2회 이상 반복되는 구조를 가질 수 있다. 일례로, 도 3은 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 발광다이오드(300)는 서로 마주하는 제 1 전극(310) 및 제 2 전극(320)과, 제 1 전극(310)과 제 2 전극(320) 사이에 위치하는 제 1 발광 유닛(하부 발광 유닛, 330)과, 제 1 발광 유닛(330)과 제 2 전극(320) 사이에 위치하는 제 2 발광 유닛(상부 발광 유닛, 340)과, 제 1 및 제 2 발광 유닛(330, 340) 사이에 위치하는 전하생성층(350)을 포함한다.

전술한 바와 같이, 제 1 전극(310)은 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어지며, 양극이다. 제 2 전극(320)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어지며 음극이다.

제 1 발광 유닛(330)은 정공주입층(331)과 제 1 정공수송층(하부 정공수송층, 332)과, 제 1 발광물질층(하부 발광물질층, 334)과, 제 1 전자수송층(하부 전자수송층, 336)을 포함한다. 정공주입층(331)은 제 1 전극(310)과 제 1 정공수송층(332) 사이에 위치하며, 제 1 정공수송층(332)은 정공주입층(331)과 제 1 발광물질층(334) 사이에 위치한다.

또한, 제 1 발광물질층(334)은 제 1 정공수송층(332)과 제 1 전자수송층(336) 사이에 위치하고, 제 1 전자수송층(336)은 제 1 발광물질층(334)과 전하생성층(350) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 1 발광 유닛(330)은 제 1 정공수송층(332)과 제 1 발광물질층(334) 사이에 위치하는 전자차단층(하부 전자차단층) 및/또는 제 1 발광물질층(334)과 제 1 전자수송층(336) 사이에 위치하는 정공차단층(하부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다.

제 2 발광 유닛(340)은 제 2 정공수송층(상부 정공수송층, 342)과, 제 2 발광물질층(상부 발광물질층, 344)과, 제 2 전자수송층(상부 전자수송층, 346)과 전자주입층(348)을 포함한다. 제 2 정공수송층(342)은 전하생성층(350)과 제 2 발광물질층(344) 사이에 위치하고, 제 2 발광물질층(344)은 제 2 정공수송층(342)과 제 2 전자수송층(346) 사이에 위치한다. 또한, 제 2 전자수송층(346)은 제 2 발광물질층(344)과 전자주입층(348) 사이에 위치하고, 전자주입층(348)은 제 2 전자수송층(346)과 제 2 전극(320) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 2 발광 유닛(340)은 제 2 정공수송층(342)과 제 2 발광물질층(344) 사이에 위치하는 전자차단층(상부 전자차단층) 및/또는 제 2 발광물질층(344)과 제 2 전자수송층(346) 사이에 위치하는 정공차단층(상부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다. 또한, P타입 전하생성층(354)과 제 2 정공수송층(342) 사이 및/또는 N타입 전하생성층(352)과 P타입 전하생성층(354) 사이에 제 2 정공주입층(상부 정공주입층, 미도시)이 위치할 수 있다.

정공주입층(331) 및 제 2 정공주입층(미도시)은 각각 MTDATA, CuPc, TCTA, NPD(α-NPB), HAT-CN, TDAPB, PEDOT/PSS, F4TCNQ 및/또는 N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 등에서 선택되는 어느 하나의 물질일 수 있다. 정공주입층(331) 및 제 2 정공주입층(미도시)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 정공수송층(332, 342)은 각각 TPD, NPD, MTDATA, mCP, CuPC, TCTA, TFV-TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민, N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민, N-[1,1'-바이페닐]-4-일-9,9-디메틸-N-[4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐]-아민, CBP 및/또는 TAPC) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 정공수송층(332, 342)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 발광물질층(334, 344) 각각은 호스트(host)에 도펀트(dopant)가 도핑되어 이루어질 수 있으며, 서로 다른 색을 발광한다. 일례로, 제 1 발광물질층(334)은 청색(B), 적색(R), 녹색(G) 또는 황색(Yellow, Y)을 발광할 수 있다. 또는, 제 1 발광물질층(334)은 청색 발광물질층 및 적색(R) 발광물질층, 청색 발광물질층 및 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층, 또는 청색 발광물질층 및 녹색(G) 발광물질층으로 구성될 수도 있다.

한편, 제 2 발광물질층(344)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 황록색(YG) 발광물질층 중 어느 하나일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(334)은 청색을 발광하고, 제 2 발광물질층(344)은 청색보다 장파장인 녹색, 황록색(yellow-green; YG) 또는 오렌지색을 발광할 수 있다.

제 1 및 제 2 전자수송층(336, 346)은 각각 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체일 수 있다. 선택적으로, 제 1 및 제 2 전자수송층(336, 346)은 각각 전술한 유기 물질에 알칼리 금속 및/또는 알칼리토금속과 같은 금속이 도핑되어 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(336, 346)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

전자주입층(348)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF₂, MgF₂, CaF2, SrF₂, BaF₂ 및 RaF₂ 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq(lithium quinolate), 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate), Alq₃, BAlq, PBD, 스파이로-PBD, TAZ 등의 유기계 물질이 사용될 수 있다.

전하생성층(350)은 제 1 발광 유닛(330)과 제 2 발광 유닛(340) 사이에 위치하며, 제 1 발광 유닛(330)에 인접하는 N타입 전하생성층(352)과 제 2 발광 유닛(340)에 인접하는 P타입 전하생성층(354)을 포함한다. N타입 전하생성층(352)은 제 1 발광 유닛(330)으로 전자를 제공하고, P타입 전하생성층(354)은 제 2 발광 유닛(340)으로 정공을 제공한다.

N타입 전하생성층(352)은 Li, Na, K, Cs와 같은 알칼리 금속 및/또는 Mg, Sr, Ba, Ra와 같은 알칼리토금속으로 도핑된 유기층일 수 있다. 예를 들어, N타입 전하생성층(352)에 사용되는 호스트 유기물은 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-dipheny-1,10-phenanthroline; Bphen), MTDATA와 같은 물질일 수 있으며, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 약 0.01 내지 30 중량%로 도핑될 수 있다.

본 실시형태에서, P타입 전하생성층(354)은 N타입 전하생성층(352)에 인접하게 위치하는 제 1 무기물층(356a)과, 제 2 정공수송층(342)에 인접하게 위치하는 제 2 무기물층(356b)과, 제 1 무기물층(356a)과 제 2 무기물층(356b) 사이에 위치하는 유기물층(358)으로 이루어진다. 즉, 제 1 무기물층(356a)은 N타입 전하생성층(352)과 제 2 정공수송층(342) 사이에 위치하고, 유기물층(358)은 제 1 무기물층(356a)과 제 2 정공수송층(342) 사이에 위치하며, 제 2 무기물층(356b)은 유기물층(358)과 제 2 정공수송층(342) 사이에 위치한다. 다시 말하면, 본 실시형태에 따른 P타입 전하생성층(354)은 제 1 무기물층(356a), 유기물층(358), 제 2 무기물층(356b)이 순차적으로 적층되어 있다.

제 1 및 제 2 무기물층(356a, 356b)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 제 1 및 제 2 무기물층(356a, 356b)은 각각 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다. 제 1 무기물층(356a)과 제 2 무기물층(356b)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

2개의 무기물층(356a, 356b) 사이에 위치하는 유기물층(358)은 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 유기물층(358)은 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 무기물층(356a, 356b)와 유기물층(358)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다.

무기물층(356a, 356b)과 유기물층(358)이 전술한 에너지 준위를 가지는 소재로 이루어지는 경우, P타입 전하생성층(354)에서 정공 생성 특성 및 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(300)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 특히, 본 실시형태에 따르면, 고온에서도 열화되지 않아 열적으로 안정적인 무기물로 이루어지는 2개의 무기물층(356a, 356b)이 그 사이에 위치하는 유기물층(358)을 효율적으로 보호하고 있다. 단순히 유기물로만 구성되는 경우와 비교해서, 열적으로 안정한 2개의 무기물층(356a, 356b)이 존재하여, 유기물층(358)을 구성하는 유기물이 열화되는 것을 효율적으로 방지할 수 있으며, P타입 전하생성층(354)의 내구성이 향상될 수 있다.

즉, 본 실시형태에 따르면, P타입 전하생성층(354)은 2개의 무기물층(356a, 356b) 사이에 유기물층(358)이 위치하도록 적층된 구조를 갖는다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(300)에서의 상대적으로 높은 구동 전압에 의하여 온도가 상승하더라도, 무기물층(356a, 356b)을 구성하는 무기물은 안정적이어서 열화되지 않으며, 2개의 무기물층(356a, 356b) 사이에 위치하는 유기물층(358)의 유기물이 열화되는 것을 또한 방지할 수 있다. 이에 따라 P타입 전하생성층(354)의 내구성이 향상되어, P타입 전하생성층(354)에서 전하 생성 및 주입 특성을 더욱 향상시킬 수 있으므로, 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 2개의 무기물층(356a, 356b) 사이에 유기물층(358)이 적층된 구조를 가지는 P타입 전하생성층(354)에서 안정적인 전하 공급이 가능하게 되므로, 발광다이오드(300)를 구동하기 위한 전압을 또한 낮출 수 있으며, 발광다이오드(300)의 수명을 개선할 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 예시적인 제 4 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 발광다이오드(400)는 서로 마주하는 제 1 전극(410) 및 제 2 전극(420)과, 제 1 전극(410)과 제 2 전극(420) 사이에 위치하는 제 1 발광 유닛(하부 발광 유닛, 430)과, 제 1 발광 유닛(430)과 제 2 전극(420) 사이에 위치하는 제 2 발광 유닛(상부 발광 유닛, 440)과, 제 1 및 제 2 발광 유닛(430, 440) 사이에 위치하는 전하생성층(450)을 포함한다.

전술한 바와 같이, 제 1 전극(410)은 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어지며, 양극이다. 제 2 전극(420)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어지며 음극이다.

제 1 발광 유닛(430)은 정공주입층(431)과 제 1 정공수송층(하부 정공수송층, 432)과, 제 1 발광물질층(하부 발광물질층, 434)과, 제 1 전자수송층(하부 전자수송층, 436)을 포함한다. 정공주입층(431)은 제 1 전극(410)과 제 1 정공수송층(432) 사이에 위치하며, 제 1 정공수송층(432)은 정공주입층(431)과 제 1 발광물질층(434) 사이에 위치한다.

또한, 제 1 발광물질층(434)은 제 1 정공수송층(432)과 제 1 전자수송층(436) 사이에 위치하고, 제 1 전자수송층(436)은 제 1 발광물질층(434)과 전하생성층(450) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 1 발광 유닛(430)은 제 1 정공수송층(432)과 제 1 발광물질층(434) 사이에 위치하는 전자차단층(하부 전자차단층) 및/또는 제 1 발광물질층(434)과 제 1 전자수송층(436) 사이에 위치하는 정공차단층(하부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다.

제 2 발광 유닛(440)은 제 2 정공수송층(상부 정공수송층, 442)과, 제 2 발광물질층(상부 발광물질층, 444)과, 제 2 전자수송층(상부 전자수송층, 446)과 전자주입층(448)을 포함한다. 제 2 정공수송층(442)은 전하생성층(450)과 제 2 발광물질층(444) 사이에 위치하고, 제 2 발광물질층(444)은 제 2 정공수송층(442)과 제 2 전자수송층(446) 사이에 위치한다. 또한, 제 2 전자수송층(446)은 제 2 발광물질층(444)과 전자주입층(448) 사이에 위치하고, 전자주입층(448)은 제 2 전자수송층(446)과 제 2 전극(420) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 2 발광 유닛(440)은 제 2 정공수송층(442)과 제 2 발광물질층(444) 사이에 위치하는 전자차단층(상부 전자차단층) 및/또는 제 2 발광물질층(444)과 제 2 전자수송층(446) 사이에 위치하는 정공차단층(상부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다. 또한, P타입 전하생성층(454)과 제 2 정공수송층(442) 사이 및/또는 N타입 전하생성층(452)과 P타입 전하생성층(454) 사이에 제 2 정공주입층(상부 정공주입층, 미도시)이 위치할 수 있다.

정공주입층(431) 및 제 2 정공주입층(미도시)은 각각 MTDATA, CuPc, TCTA, NPD(α-NPB), HAT-CN, TDAPB, PEDOT/PSS, F4TCNQ 및/또는 N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민 등에서 선택되는 어느 하나의 물질일 수 있다. 정공주입층(431) 및 제 2 정공주입층(미도시)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 정공수송층(432, 442)은 각각 TPD, NPD, MTDATA, mCP, CuPC, TCTA, TFV-TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민, N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민, N-[1,1'-바이페닐]-4-일-9,9-디메틸-N-[4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐]-아민, CBP 및/또는 TAPC) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 정공수송층(432. 442)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 발광물질층(434, 444) 각각은 호스트(host)에 도펀트(dopant)가 도핑되어 이루어질 수 있으며, 서로 다른 색을 발광한다. 일례로, 제 1 발광물질층(434)은 청색(B), 적색(R), 녹색(G) 또는 황색(Yellow, Y)을 발광할 수 있다. 또는, 제 1 발광물질층(434)은 청색 발광물질층 및 적색(R) 발광물질층, 청색 발광물질층 및 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층, 또는 청색 발광물질층 및 녹색(G) 발광물질층으로 구성될 수도 있다.

한편, 제 2 발광물질층(444)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 황록색(YG) 발광물질층 중 어느 하나일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(434)은 청색을 발광하고, 제 2 발광물질층(444)은 청색보다 장파장인 녹색, 황록색(yellow-green; YG) 또는 오렌지색을 발광할 수 있다.

제 1 및 제 2 전자수송층(436, 446)은 각각 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체일 수 있다. 선택적으로, 제 1 및 제 2 전자수송층(436, 446)은 각각 전술한 유기 물질에 알칼리 금속 및/또는 알칼리토금속과 같은 금속이 도핑되어 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(436, 446)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

전자주입층(448)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF₂, MgF₂, CaF2, SrF₂, BaF₂ 및 RaF₂ 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq(lithium quinolate), 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate), Alq₃, BAlq, PBD, 스파이로-PBD, TAZ 등의 유기계 물질이 사용될 수 있다.

전하생성층(450)은 제 1 발광 유닛(430)과 제 2 발광 유닛(440) 사이에 위치하며, 제 1 발광 유닛(430)에 인접하는 N타입 전하생성층(452)과 제 2 발광 유닛(440)에 인접하는 P타입 전하생성층(454)을 포함한다. N타입 전하생성층(452)은 제 1 발광 유닛(430)으로 전자를 제공하고, P타입 전하생성층(454)은 제 2 발광 유닛(440)으로 정공을 제공한다.

N타입 전하생성층(452)은 Li, Na, K, Cs와 같은 알칼리 금속 및/또는 Mg, Sr, Ba, Ra와 같은 알칼리토금속으로 도핑된 유기층일 수 있다. 예를 들어, N타입 전하생성층(452)에 사용되는 호스트 유기물은 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-dipheny-1,10-phenanthroline; Bphen), MTDATA와 같은 물질일 수 있으며, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 약 0.01 내지 30 중량%로 도핑될 수 있다.

본 실시형태에서, P타입 전하생성층(554)은 N타입 전하생성층(452)에 인접하게 위치하는 제 1 유기물층(458a)과, 제 2 정공수송층(442)에 인접하게 위치하는 제 2 유기물층(458b)과, 제 1 유기물층(458a)과 제 2 유기물층(458b) 사이에 위치하는 무기물층(456)으로 이루어진다. 즉, 제 1 유기물층(458a)은 N타입 전하생성층(452)과 제 2 정공수송층(442) 사이에 위치하고, 무기물층(456)은 제 1 유기물층(458a)과 제 2 정공수송층(442) 사이에 위치하며, 제 2 유기물층(458b)은 무기물층(456)과 제 2 정공수송층(342) 사이에 위치한다. 다시 말하면, 본 실시형태에 따른 P타입 전하생성층(454)은 제 1 유기물층(458a), 무기물층(456), 제 2 유기물층(458b)이 순차적으로 적층되어 있다.

제 1 및 제 2 유기물층(458a, 458b)는 각각 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 제 1 및 제 2 유기물층(458a, 458b)은 각각 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 제 1 유기물층(458a)과 제 2 유기물층(458b)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

2개의 유기물층(458a, 458b) 사이에 위치하는 무기물층(456)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 무기물층(456)은 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다.

무기물층(456)과 유기물층(458a, 458b)이 전술한 에너지 준위를 가지는 소재로 이루어지는 경우, P타입 전하생성층(454)에서 정공 생성 특성 및 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(400)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 유기물층(458a, 458b) 및 무기물층(456)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다.

즉, 본 실시형태에 따르면, P타입 전하생성층(454)은 2개의 유기물층(458a, 458b) 사이에 무기물층(456)이 위치하도록 적층된 구조를 갖는다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(400)에서의 상대적으로 높은 구동 전압에 의하여 온도가 상승하더라도, 고온에서 변형되거나 열화되지 않는 무기물로 이루어지는 무기물층(456)이 적층되어 있다. P타입 전하생성층(454)의 내구성이 향상되어, P타입 전하생성층(454)에서 전하 생성 및 주입 특성이 저하되지 않으며, 발광다이오드(400)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 2개의 유기물층(458a, 458b) 사이에 무기물층(456)이 적층된 구조를 가지는 P타입 전하생성층(454)에서 안정적인 전하 공급이 가능하게 되므로, 발광다이오드(400)를 구동하기 위한 전압을 또한 낮출 수 있으며, 발광다이오드(400)의 수명을 개선할 수 있다.

도 1 내지 도 4에서는 P타입 전하생성층이 유기물층과 무기물층이 적층된 구조를 가지는 발광다이오드를 예시하였다. 하지만, 본 발명에 따르면 P타입 전하생성층 이외에도 정공주입층을 유기물층과 무기물층이 적층된 구조로 설계하는 것이 가능한데, 이에 대해서 설명한다.

도 5는 본 발명의 예시적인 제 5 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 제 1 실시형태에 따른 발광다이오드(500)는 서로 마주하는 제 1 전극(510) 및 제 2 전극(520)과, 제 1 전극(510)과 제 2 전극(520) 사이에 위치하는 제 1 발광 유닛(하부 발광 유닛, 530)과, 제 1 발광 유닛(530)과 제 2 전극(520) 사이에 위치하는 제 2 발광 유닛(상부 발광 유닛, 540)과, 제 1 및 제 2 발광 유닛(530, 540) 사이에 위치하는 전하생성층(550)을 포함한다.

제 1 전극(510)은 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어지며, 양극일 수 있다. 2 전극(520)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어지며 음극(cathode)일 수 있다.

제 1 발광 유닛(530)은 정공주입층(531)과 제 1 정공수송층(하부 정공수송층, 532)과, 제 1 발광물질층(하부 발광물질층, 534)과, 제 1 전자수송층(하부 전자수송층, 538)을 포함한다. 정공주입층(531)은 제 1 전극(510)과 제 1 정공수송층(532) 사이에 위치하며, 제 1 정공수송층(532)은 정공주입층(531)과 제 1 발광물질층(534) 사이에 위치한다.

또한, 제 1 발광물질층(534)은 제 1 정공수송층(532)과 제 1 전자수송층(536) 사이에 위치하고, 제 1 전자수송층(536)은 제 1 발광물질층(534)과 전하생성층(550) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 1 발광 유닛(530)은 제 1 정공수송층(532)과 제 1 발광물질층(534) 사이에 위치하는 전자차단층(하부 전자차단층) 및/또는 제 1 발광물질층(534)과 제 1 전자수송층(536) 사이에 위치하는 정공차단층(하부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다.

제 2 발광 유닛(540)은 제 2 정공수송층(상부 정공수송층, 542)과, 제 2 발광물질층(상부 발광물질층, 544)과, 제 2 전자수송층(상부 전자수송층, 546)과 전자주입층(548)을 포함한다. 제 2 정공수송층(542)은 전하생성층(550)과 제 2 발광물질층(544) 사이에 위치하고, 제 2 발광물질층(544)은 제 2 정공수송층(542)과 제 2 전자수송층(546) 사이에 위치한다. 또한, 제 2 전자수송층(546)은 제 2 발광물질층(544)과 전자주입층(548) 사이에 위치하고, 전자주입층(548)은 제 2 전자수송층(546)과 제 2 전극(520) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 2 발광 유닛(540)은 제 2 정공수송층(542)과 제 2 발광물질층(544) 사이에 위치하는 전자차단층(상부 전자차단층) 및/또는 제 2 발광물질층(544)과 제 2 전자수송층(546) 사이에 위치하는 정공차단층(상부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다. 또한, P타입 전하생성층(554)과 제 2 정공수송층(542) 사이 및/또는 N타입 전하생성층(552)과 P타입 전하생성층(554) 사이에 제 2 정공주입층(상부 정공주입층, 미도시)이 위치할 수 있다.

본 실시형태에서, 정공주입층(531) 및/또는 제 2 정공주입층(미도시)은 무기물층과 유기물층을 포함한다. 일례로, 정공주입층(531)은 제 1 전극(510) 상부에 위치하는 정공주입용 무기물층(531a)과 정공주입용 무기물층(531a)과 제 1 정공수송층(532) 사이에 위치하는 정공주입용 유기물층(531b)을 포함한다.

일례로, 정공주입용 무기물층(531a)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 정공주입용 무기물층(531a)은 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다.

정공주입용 유기물층(531b)은 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공주입용 유기물층(531b)은 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 정공주입층(531) 및/또는 제 2 정공주입층(미도시)이 정공주입용 무기물층(531a)과 정공주입용 유기물층(531b)이 전술한 소재로 이루어지는 경우, 정공주입층(531) 및/또는 제 2 정공주입층(미도시)에서 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(500)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 일례로, 정공주입용 무기물층(531a)과 유기물층(531b)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다. 정공주입층(531) 및 제 2 정공주입층(미도시)이 무기물층(531a)-유기물층(531b)의 적층 구조를 가지는 경우에, 이들 정공주입층은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 정공수송층(532, 542)은 각각 TPD, NPD, MTDATA, mCP, CuPC, TCTA, TFV-TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민, N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민, N-[1,1'-바이페닐]-4-일-9,9-디메틸-N-[4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐]-아민, CBP 및/또는 TAPC) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 정공수송층(532, 542) 각각의 두께는 1 내지 150 nm일 수 있다. 제 1 정공수송층(532)과 제 2 정공수송층(542)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 발광물질층(534, 544) 각각은 호스트(host)에 도펀트(dopant)가 도핑되어 이루어질 수 있으며, 서로 다른 색을 발광한다. 도펀트 소재는 호스트 소재를 기준으로 대략 1 내지 30 중량%의 비율로 첨가될 수 있다. 일례로, 제 1 발광물질층(534)은 청색(B), 적색(R), 녹색(G) 또는 황색(Yellow, Y)을 발광할 수 있다. 또는, 제 1 발광물질층(534)은 청색 발광물질층 및 적색(R) 발광물질층, 청색 발광물질층 및 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층, 또는 청색 발광물질층 및 녹색(G) 발광물질층으로 구성될 수도 있다.

한편, 제 2 발광물질층(544)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 황록색(YG) 발광물질층 중 어느 하나일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(534)은 청색을 발광하고, 제 2 발광물질층(544)은 청색보다 장파장인 녹색, 황록색(yellow-green; YG) 또는 오렌지색을 발광할 수 있다.

제 1 및 제 2 전자수송층(536, 546)은 각각 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체일 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 전자수송층(536, 546)은 각각 Alq₃, PBD, 스파이로-PBD, Liq, 2-[4-(9,10-디-2-나프탈레닐-2-안트라세닐)페닐]-1-페닐-1H-벤즈이미다졸, TAZ, Bphen, TPQ 및/또는 TPBI와 같은 전자 수송 물질로 이루어질 수 있다.

선택적으로, 제 1 및 제 2 전자수송층(536, 546)은 각각 전술한 유기 물질에 알칼리 금속 및/또는 알칼리토금속과 같은 금속이 도핑되어 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(536, 546) 각각의 두께는 1 내지 150 nm일 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(536, 546)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

전자주입층(548)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF₂, MgF₂, CaF2, SrF₂, BaF₂ 및 RaF₂ 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq(lithium quinolate), 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate), Alq₃, BAlq, PBD, 스파이로-PBD, TAZ 등의 유기계 물질이 사용될 수 있다.

전하생성층(550)은 제 1 발광 유닛(530)과 제 2 발광 유닛(540) 사이에 위치하며, 제 1 발광 유닛(530)에 인접하는 N타입 전하생성층(552)과 제 2 발광 유닛(540)에 인접하는 P타입 전하생성층(554)을 포함한다. N타입 전하생성층(552)은 제 1 발광 유닛(530)으로 전자를 주입해주고, P타입 전하생성층(554)은 제 2 발광 유닛(540)으로 정공을 주입해준다.

N타입 전하생성층(552)은 Li, Na, K, Cs와 같은 알칼리 금속 및/또는 Mg, Sr, Ba, Ra와 같은 알칼리토금속으로 도핑된 유기층일 수 있다. 예를 들어, N타입 전하생성층(552)에 사용되는 호스트 유기물은 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-dipheny-1,10-phenanthroline; Bphen), MTDATA와 같은 물질일 수 있으며, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 약 0.01 내지 30 중량%로 도핑될 수 있다.

본 실시형태에서, P타입 전하생성층(554)은 무기물층과 유기물층이 적층된 구조를 가질 수 있다. 일례로, 도 5에서는 제 1 발광 유닛(530) 쪽에 위치하는 무기물층(556)과, 제 2 발광 유닛(540) 쪽에 위치하는 유기물층(556)이 순차 적층된 구조를 갖는 것으로 도시하였다. 즉, 무기물층(556)은 N타입 전하생성층(552)과 제 2 정공수송층(542) 사이에 위치하고, 유기물층(558)은 유기물층(556)과 제 2 정공수송층(542) 사이에 위치할 수 있다. 이 구조는 도 1에 예시한 것과 동일한 구조이다.

일례로, 무기물층(556)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 무기물층(556)은 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다.

또한, 유기물층(558)은 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 유기물층(558)은 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다.

무기물층(556)과 유기물층(558)이 전술한 소재로 이루어지는 경우, P타입 전하생성층(554)에서 정공 생성 특성 및 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(500)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 일례로, 무기물층(556)과 유기물층(558)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다.

도 5에서는 P타입 전하생성층(554)의 구조를 도 1에 도시한 것과 동일한 것으로 예시하였다. 하지만, P타입 전하생성층(554)의 구조는 도 2에 도시한 것과 같이 N타입 전하생성층에 인접하게 위치하는 유기물층과, 제 2 발광 유닛에 인접하게 위치하는 무기물층으로 이루어질 수 있다. 선택적으로, P타입 전하생성층(554)은 도 3에 도시한 것과 같이 무기물층-유기물층-무기물층의 적층 구조로 이루어지거나, 도 4에 도시한 것과 같이 유기물층-무기물층-유기물층의 적층 구조로 이루어질 수 있다.

본 실시형태에 따르면, 정공주입층(531) 및 P타입 전하생성층(554)은 무기물층(531a, 556)과 유기물층(531b, 558)이 순차 적층된 구조를 갖는다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(500)에서의 상대적으로 높은 구동 전압에 의하여 온도가 상승하더라도, 무기물층(531a, 556)을 구성하는 무기물은 열에 안정적이기 때문에 열화되지 않는다. 종래 유기물로만 이루어진 경우와 비교하여, 이처럼 무기물층(531, 556)을 포함하는 정공주입층(531) 및 P타입 전하생성층(554)은 내구성이 향상된다. 정공주입층(531) 및 P타입 전하생성층(554)에서 정공 생성 및 주입 특성이 유지될 수 있으므로, 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 무기물층(531a, 556)과 유기물층(531b, 158)이 순차 적층된 구조를 가지는 정공주입층(531) 및 P타입 전하생성층(554)에서 안정적인 정공 주입 및 정공 공급이 가능하게 되므로, 발광다이오드(500)를 구동하기 위한 전압을 또한 낮출 수 있다. 따라서 발광다이오드(500)를 낮은 소비전력에서도 구동할 수 있으며, 발광다이오드(500)를 구성하는 소재에 대한 스트레스가 감소되어 발광다이오드(500)의 수명을 개선할 수 있다.

도 6은 본 발명의 예시적인 제 6 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 발광다이오드(600)는 서로 마주하는 제 1 전극(610) 및 제 2 전극(620)과, 제 1 전극(610)과 제 2 전극(620) 사이에 위치하는 제 1 발광 유닛(하부 발광 유닛, 630)과, 제 1 발광 유닛(630)과 제 2 전극(620) 사이에 위치하는 제 2 발광 유닛(상부 발광 유닛, 640)과, 제 1 및 제 2 발광 유닛(630, 640) 사이에 위치하는 전하생성층(650)을 포함한다.

전술한 바와 같이, 제 1 전극(610)은 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어지며, 양극이다. 제 2 전극(620)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어지며 음극이다.

제 1 발광 유닛(630)은 정공주입층(631)과 제 1 정공수송층(하부 정공수송층, 632)과, 제 1 발광물질층(하부 발광물질층, 634)과, 제 1 전자수송층(하부 전자수송층, 636)을 포함한다. 정공주입층(631)은 제 1 전극(610)과 제 1 정공수송층(632) 사이에 위치하며, 제 1 정공수송층(632)은 정공주입층(631)과 제 1 발광물질층(634) 사이에 위치한다.

또한, 제 1 발광물질층(634)은 제 1 정공수송층(632)과 제 1 전자수송층(636) 사이에 위치하고, 제 1 전자수송층(636)은 제 1 발광물질층(634)과 전하생성층(650) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 1 발광 유닛(630)은 제 1 정공수송층(632)과 제 1 발광물질층(634) 사이에 위치하는 전자차단층(하부 전자차단층) 및/또는 제 1 발광물질층(634)과 제 1 전자수송층(636) 사이에 위치하는 정공차단층(하부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다.

제 2 발광 유닛(640)은 제 2 정공수송층(상부 정공수송층, 642)과, 제 2 발광물질층(상부 발광물질층, 644)과, 제 2 전자수송층(상부 전자수송층, 646)과 전자주입층(648)을 포함한다. 제 2 정공수송층(642)은 전하생성층(650)과 제 2 발광물질층(644) 사이에 위치하고, 제 2 발광물질층(644)은 제 2 정공수송층(642)과 제 2 전자수송층(646) 사이에 위치한다. 또한, 제 2 전자수송층(646)은 제 2 발광물질층(644)과 전자주입층(648) 사이에 위치하고, 전자주입층(648)은 제 2 전자수송층(646)과 제 2 전극(620) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 2 발광 유닛(640)은 제 2 정공수송층(642)과 제 2 발광물질층(644) 사이에 위치하는 전자차단층(상부 전자차단층) 및/또는 제 2 발광물질층(644)과 제 2 전자수송층(646) 사이에 위치하는 정공차단층(상부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다. 또한, P타입 전하생성층(654)과 제 2 정공수송층(642) 사이 및/또는 N타입 전하생성층(652)과 P타입 전하생성층(654) 사이에 제 2 정공주입층(상부 정공주입층, 미도시)이 위치할 수 있다.

본 실시형태에서, 정공주입층(631) 및/또는 제 2 정공주입층(미도시)은 유기물층과 무기물층을 포함한다. 일례로, 정공주입층(631)은 제 1 전극(610) 상부에 위치하는 정공주입용 유기물층(631b)과 정공주입용 유기물층(631b)과 제 1 정공수송층(632) 사이에 위치하는 정공주입용 무기물층(631a)을 포함한다.

일례로, 정공주입용 유기물층(631b)은 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공주입용 유기물층(631b)은 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 정공주입용 무기물층(631a)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 정공주입용 무기물층(631a)은 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 정공주입층(631) 및/또는 제 2 정공주입층(미도시)이 정공주입용 유기물층(631b)과 정공주입용 무기물층(631a)이 전술한 소재로 이루어지는 경우, 정공주입층(631) 및/또는 제 2 정공주입층(미도시)에서 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(600)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 일례로, 정공주입용 무기물층(631a)과 유기물층(631b)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다. 정공주입층(631) 및 제 2 정공주입층(미도시)이 유기물층(631b)-무기물층(631a)의 적층 구조를 가지는 경우에, 이들 정공주입층은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 정공수송층(632, 642)은 각각 TPD, NPD, MTDATA, mCP, CuPC, TCTA, TFV-TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민, N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민, N-[1,1'-바이페닐]-4-일-9,9-디메틸-N-[4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐]-아민, CBP 및/또는 TAPC) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 정공수송층(632, 642) 각각의 두께는 1 내지 150 nm일 수 있다. 제 1 정공수송층(632)과 제 2 정공수송층(642)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 발광물질층(634, 644) 각각은 호스트(host)에 도펀트(dopant)가 도핑되어 이루어질 수 있으며, 서로 다른 색을 발광한다. 도펀트 소재는 호스트 소재를 기준으로 대략 1 내지 30 중량%의 비율로 첨가될 수 있다. 일례로, 제 1 발광물질층(634)은 청색(B), 적색(R), 녹색(G) 또는 황색(Yellow, Y)을 발광할 수 있다. 또는, 제 1 발광물질층(634)은 청색 발광물질층 및 적색(R) 발광물질층, 청색 발광물질층 및 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층, 또는 청색 발광물질층 및 녹색(G) 발광물질층으로 구성될 수도 있다.

한편, 제 2 발광물질층(644)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 황록색(YG) 발광물질층 중 어느 하나일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(634)은 청색을 발광하고, 제 2 발광물질층(644)은 청색보다 장파장인 녹색, 황록색(yellow-green; YG) 또는 오렌지색을 발광할 수 있다.

제 1 및 제 2 전자수송층(636, 646)은 각각 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체일 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 전자수송층(636, 646)은 각각 Alq₃, PBD, 스파이로-PBD, Liq, 2-[4-(9,10-디-2-나프탈레닐-2-안트라세닐)페닐]-1-페닐-1H-벤즈이미다졸, TAZ, Bphen, TPQ 및/또는 TPBI와 같은 전자 수송 물질로 이루어질 수 있다.

선택적으로, 제 1 및 제 2 전자수송층(636, 646)은 각각 전술한 유기 물질에 알칼리 금속 및/또는 알칼리토금속과 같은 금속이 도핑되어 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(636, 646) 각각의 두께는 1 내지 150 nm일 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(636, 646)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

전자주입층(648)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF₂, MgF₂, CaF2, SrF₂, BaF₂ 및 RaF₂ 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq(lithium quinolate), 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate), Alq₃, BAlq, PBD, 스파이로-PBD, TAZ 등의 유기계 물질이 사용될 수 있다.

전하생성층(650)은 제 1 발광 유닛(630)과 제 2 발광 유닛(640) 사이에 위치하며, 제 1 발광 유닛(630)에 인접하는 N타입 전하생성층(652)과 제 2 발광 유닛(640)에 인접하는 P타입 전하생성층(654)을 포함한다. N타입 전하생성층(652)은 제 1 발광 유닛(630)으로 전자를 주입해주고, P타입 전하생성층(654)은 제 2 발광 유닛(640)으로 정공을 주입해준다.

N타입 전하생성층(652)은 Li, Na, K, Cs와 같은 알칼리 금속 및/또는 Mg, Sr, Ba, Ra와 같은 알칼리토금속으로 도핑된 유기층일 수 있다. 예를 들어, N타입 전하생성층(652)에 사용되는 호스트 유기물은 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-dipheny-1,10-phenanthroline; Bphen), MTDATA와 같은 물질일 수 있으며, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 약 0.01 내지 30 중량%로 도핑될 수 있다.

본 실시형태에서, P타입 전하생성층(654)은 유기물층과 무기물층이 적층된 구조를 가질 수 있다. 일례로, 도 6에서는 P타입 전하생성층(654)은 제 1 발광 유닛(630) 쪽에 위치하는 유기물층(658)과, 제 2 발광 유닛(640) 쪽에 위치하는 무기물층(656)이 순차 적층된 구조를 갖는다. 즉, 유기물층(658)은 N타입 전하생성층(652)과 제 2 정공수송층(642) 사이에 위치하고, 무기물층(656)은 유기물층(658)과 제 2 정공수송층(642) 사이에 위치한다.

일례로, 유기물층(658)은 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 유기물층(658)은 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 무기물층(656)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 무기물층(656)은 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다. 유기물층(658)과 무기물층(656)이 전술한 소재로 이루어지는 경우, P타입 전하생성층(654)에서 정공 생성 특성 및 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(600)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 일례로, 무기물층(656)과 유기물층(658)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다.

도 6에서는 P타입 전하생성층(654)의 구조를 도 2에 도시한 것과 동일한 것으로 예시하였다. 하지만, P타입 전하생성층(654)의 구조는 도 1에 도시한 것과 같이 N타입 전하생성층에 인접하게 위치하는 무기물층과, 제 2 발광 유닛에 인접하게 위치하는 유기물층으로 이루어질 수 있다. 선택적으로, P타입 전하생성층(654)은 도 3에 도시한 것과 같이 무기물층-유기물층-무기물층의 적층 구조로 이루어지거나, 도 4에 도시한 것과 같이 유기물층-무기물층-유기물층의 적층 구조로 이루어질 수 있다.

본 실시형태에 따르면, 정공주입층(631) 및 P타입 전하생성층(654)은 유기물층(631b, 658)과 무기물층(631a, 656)이 순차 적층된 구조를 갖는다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(500)에서의 상대적으로 높은 구동 전압에 의하여 온도가 상승하더라도, 무기물층(631a, 656)을 구성하는 무기물은 안정적이어서 열화되지 않는다. 이에 따라, 정공주입층(631) 및 P타입 전하생성층(654)의 내구성이 향상되어, 정공주입층(631) 및 P타입 전하생성층(654)에서 전하 생성 및 주입 특성이 유지될 수 있으므로, 발광다이오드(600)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 유기물층(631b, 658)과 무기물층(631a, 656)이 순차 적층된 구조를 가지는 정공주입층(631) 및 P타입 전하생성층(654)에서 안정적인 전하 주입 및 전하 공급이 가능하게 되므로, 발광다이오드(600)를 구동하기 위한 전압을 또한 낮출 수 있다. 따라서발광다이오드(600)를 구성하는 소재에 대한 스트레스가 감소되어 발광다이오드(600)의 수명을 개선할 수 있다.

전술한 제 5 및 제 6 실시형태에서는 무기물층과 유기물층이 각각 1회씩 순차 적층된 2층의 정공주입층 및/또는 P타입 전하생성층을 예시하였다. 하지만, 본 발명에 따른 정공주입층 및/또는 P타입 전하생성층은 무기물층과 유기물층의 개수가 상이하거나, 또는 무기물층-유기물층(또는 유기물층-무기물층)의 단위 적층 구조가 2회 이상 반복되는 구조를 가질 수 있다. 일례로, 도 6은 본 발명의 예시적인 제 7 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 7 실시형태에 따른 발광다이오드(700)는 서로 마주하는 제 1 전극(710) 및 제 2 전극(720)과, 제 1 전극(710)과 제 2 전극(720) 사이에 위치하는 제 1 발광 유닛(하부 발광 유닛, 730)과, 제 1 발광 유닛(730)과 제 2 전극(720) 사이에 위치하는 제 2 발광 유닛(상부 발광 유닛, 740)과, 제 1 및 제 2 발광 유닛(730, 740) 사이에 위치하는 전하생성층(750)을 포함한다.

전술한 바와 같이, 제 1 전극(710)은 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어지며, 양극이다. 제 2 전극(720)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어지며 음극이다.

제 1 발광 유닛(730)은 정공주입층(731)과, 제 1 정공수송층(하부 정공수송층, 732)과, 제 1 발광물질층(하부 발광물질층, 734)과, 제 1 전자수송층(하부 전자수송층, 736)을 포함한다. 정공주입층(731)은 제 1 전극(710)과 제 1 정공수송층(732) 사이에 위치하며, 제 1 정공수송층(732)은 정공주입층(731)과 제 1 발광물질층(734) 사이에 위치한다.

또한, 제 1 발광물질층(734)은 제 1 정공수송층(732)과 제 1 전자수송층(736) 사이에 위치하고, 제 1 전자수송층(736)은 제 1 발광물질층(734)과 전하생성층(750) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 1 발광 유닛(730)은 제 1 정공수송층(732)과 제 1 발광물질층(734) 사이에 위치하는 전자차단층(하부 전자차단층) 및/또는 제 1 발광물질층(734)과 제 1 전자수송층(736) 사이에 위치하는 정공차단층(하부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다.

제 2 발광 유닛(740)은 제 2 정공수송층(상부 정공수송층, 742)과, 제 2 발광물질층(상부 발광물질층, 744)과, 제 2 전자수송층(상부 전자수송층, 746)과 전자주입층(748)을 포함한다. 제 2 정공수송층(742)은 전하생성층(750)과 제 2 발광물질층(744) 사이에 위치하고, 제 2 발광물질층(744)은 제 2 정공수송층(742)과 제 2 전자수송층(746) 사이에 위치한다. 또한, 제 2 전자수송층(746)은 제 2 발광물질층(744)과 전자주입층(748) 사이에 위치하고, 전자주입층(748)은 제 2 전자수송층(746)과 제 2 전극(720) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 2 발광 유닛(740)은 제 2 정공수송층(742)과 제 2 발광물질층(744) 사이에 위치하는 전자차단층(상부 전자차단층) 및/또는 제 2 발광물질층(744)과 제 2 전자수송층(746) 사이에 위치하는 정공차단층(상부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다. 또한, P타입 전하생성층(754)과 제 2 정공수송층(742) 사이 및/또는 N타입 전하생성층(752)과 P타입 전하생성층(754) 사이에 제 2 정공주입층(상부 정공주입층, 미도시)이 위치할 수 있다.

본 실시형태에서, 정공주입층(531) 및/또는 제 2 정공주입층(미도시)은 유기물층을 사이에 두고 상부와 하부에 무기물층이 각각 적층된 구조를 갖는다. 일례로, 정공주입층(731)은 제 1 전극(710) 상부에 위치하는 제 1 정공주입용 무기물층(731a1)과, 제 1 정공수송층(731)에 인접하게 위치하는 제 2 정공주입용 무기물층(731a2)과, 제 1 정공주입용 무기물층(731a1)과 제 2 정공주입용 무기물층(731a2) 사이에 위치하는 정공주입용 유기물층(731b)으로 이루어진다. 즉, 제 1 정공주입용 무기물층(731a1)은 제 1 전극(710)과 제 1 정공수송층(732) 사이에 위치하고, 정공주입용 유기물층(731b)은 제 1 정공주입용 무기물층(731a1)과 제 1 정공수송층(732) 사이에 위치하며, 제 2 정공주입용 무기물층(731a2)은 정공주입용 유기물층(731b)과 제 1 정공수송층(832) 사이에 위치한다. 다시 말하면, 본 실시형태에 따른 정공주입층(731)은 제 1 무기물층(731a1), 유기물층(731b), 제 2 무기물층(731b1)이 순차적으로 적층되어 있다.

제 1 및 제 2 무기물층(731a1, 731a2)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 제 1 및 제 2 무기물층(731a1, 731a2)은 각각 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다. 제 1 무기물층(731a1)과 제 2 무기물층(731a2)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

2개의 무기물층(731a1, 731a2) 사이에 위치하는 유기물층(731b)은 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 유기물층(731b)은 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 무기물층(731a1, 731a2)와 유기물층(731b)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다.

무기물층(731a1, 731a2)과 유기물층(731b)이 전술한 에너지 준위를 가지는 소재로 이루어지는 경우, 정공주입층(731)에서 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(700)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 특히, 본 실시형태에 따르면, 고온에서도 열화되지 않아 열적으로 안정적인 무기물로 이루어지는 2개의 무기물층(731a1, 731a2)이 그 사이에 위치하는 유기물층(731b)을 효율적으로 보호하고 있다. 단순히 유기물로만 구성되는 경우와 비교해서, 열적으로 안정한 2개의 무기물층(731a1, 731a2)이 존재하여, 유기물층(731b)을 구성하는 유기물이 열화되는 것을 효율적으로 방지할 수 있으며, 정공주입층(731)의 내구성이 향상될 수 있다.

제 1 및 제 2 정공수송층(732, 742)은 각각 TPD, NPD, MTDATA, mCP, CuPC, TCTA, TFV-TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민, N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민, N-[1,1'-바이페닐]-4-일-9,9-디메틸-N-[4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐]-아민, CBP 및/또는 TAPC) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 정공수송층(732, 742)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 발광물질층(734, 744) 각각은 호스트(host)에 도펀트(dopant)가 도핑되어 이루어질 수 있으며, 서로 다른 색을 발광한다. 일례로, 제 1 발광물질층(734)은 청색(B), 적색(R), 녹색(G) 또는 황색(Yellow, Y)을 발광할 수 있다. 또는, 제 1 발광물질층(734)은 청색 발광물질층 및 적색(R) 발광물질층, 청색 발광물질층 및 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층, 또는 청색 발광물질층 및 녹색(G) 발광물질층으로 구성될 수도 있다.

한편, 제 2 발광물질층(744)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 황록색(YG) 발광물질층 중 어느 하나일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(734)은 청색을 발광하고, 제 2 발광물질층(744)은 청색보다 장파장인 녹색, 황록색(yellow-green; YG) 또는 오렌지색을 발광할 수 있다.

제 1 및 제 2 전자수송층(736, 746)은 각각 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체일 수 있다. 선택적으로, 제 1 및 제 2 전자수송층(736, 746)은 각각 전술한 유기 물질에 알칼리 금속 및/또는 알칼리토금속과 같은 금속이 도핑되어 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(736, 746)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

전자주입층(748)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF₂, MgF₂, CaF2, SrF₂, BaF₂ 및 RaF₂ 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq(lithium quinolate), 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate), Alq₃, BAlq, PBD, 스파이로-PBD, TAZ 등의 유기계 물질이 사용될 수 있다.

전하생성층(750)은 제 1 발광 유닛(730)과 제 2 발광 유닛(740) 사이에 위치하며, 제 1 발광 유닛(730)에 인접하는 N타입 전하생성층(752)과 제 2 발광 유닛(740)에 인접하는 P타입 전하생성층(754)을 포함한다. N타입 전하생성층(752)은 제 1 발광 유닛(730)으로 전자를 제공하고, P타입 전하생성층(754)은 제 2 발광 유닛(740)으로 정공을 제공한다.

N타입 전하생성층(752)은 Li, Na, K, Cs와 같은 알칼리 금속 및/또는 Mg, Sr, Ba, Ra와 같은 알칼리토금속으로 도핑된 유기층일 수 있다. 예를 들어, N타입 전하생성층(752)에 사용되는 호스트 유기물은 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-dipheny-1,10-phenanthroline; Bphen), MTDATA와 같은 물질일 수 있으며, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 약 0.01 내지 30 중량%로 도핑될 수 있다.

본 실시형태에서, P타입 전하생성층(754)은 N타입 전하생성층(752)에 인접하게 위치하는 제 1 무기물층(756a)과, 제 2 정공수송층(742)에 인접하게 위치하는 제 2 무기물층(756b)과, 제 1 무기물층(756a)과 제 2 무기물층(756b) 사이에 위치하는 유기물층(758)으로 이루어질 수 있다. 즉, 제 1 무기물층(756a)은 N타입 전하생성층(752)과 제 2 정공수송층(742) 사이에 위치하고, 유기물층(758)은 제 1 무기물층(756a)과 제 2 정공수송층(742) 사이에 위치하며, 제 2 무기물층(756b)은 유기물층(758)과 제 2 정공수송층(742) 사이에 위치한다. 다시 말하면, 본 실시형태에 따른 P타입 전하생성층(754)은 제 1 무기물층(756a), 유기물층(758), 제 2 무기물층(756b)이 순차적으로 적층되어 있다.

제 1 및 제 2 무기물층(756a, 756b)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 제 1 및 제 2 무기물층(756a, 756b)은 각각 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다. 제 1 무기물층(756a)과 제 2 무기물층(756b)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

2개의 무기물층(756a, 756b) 사이에 위치하는 유기물층(758)은 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 유기물층(758)은 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 무기물층(756a, 756b)와 유기물층(758)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다. 무기물층(756a, 756b)과 유기물층(758)이 전술한 에너지 준위를 가지는 소재로 이루어지는 경우, P타입 전하생성층(754)에서 정공 생성 특성 및 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(700)의 구동 전압을 낮출 수 있다.

도 7에서는 P타입 전하생성층(754)의 구조를 도 3에 도시한 것과 동일한 것으로 예시하였다. 하지만, P타입 전하생성층(754)의 구조는 도 1에 도시한 것과 같이 N타입 전하생성층에 인접하게 위치하는 무기물층과, 제 2 발광 유닛에 인접하게 위치하는 유기물층으로 이루어질 수 있다. 선택적으로, P타입 전하생성층(754)은 도 2에 도시한 것과 같이 N타입 전하생성층에 인접하게 위치하는 유기물층과 제 2 발광 유닛에 인접하게 위치하는 무기물층으로 이루어질 수 있다. 또한, P타입 전하생성층(754)은 도 4에 도시한 것과 같이 유기물층-무기물층-유기물층의 적층 구조로 이루어질 수 있다.

본 실시형태에 따르면, 정공주입층(731) 및 P타입 전하생성층(754)은 각각 고온에서 열화되지 않아 열적으로 안정적인 무기물로 이루어지는 2개의 무기물층(731a1, 731a2; 356a, 356b)이 그 사이에 위치하는 유기물층(731b; 758)을 효율적으로 보호하고 있다. 단순히 유기물로만 구성되는 경우와 비교해서, 열적으로 안정한 2개의 무기물층(731a1, 731a2; 756a, 756b)이 존재하여, 유기물층(731b; 358)을 구성하는 유기물이 열화되는 것을 효율적으로 방지할 수 있으며, 정공주입층(731) 및 P타입 전하생성층(754)의 내구성이 향상될 수 있다.

즉, 본 실시형태에 따르면, 정공주입층(731) 및 P타입 전하생성층(754)은 2개의 무기물층(731a1, 731a2; 756a, 756b) 사이에 유기물층(731b; 758)이 위치하도록 적층된 구조를 갖는다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(700)에서의 상대적으로 높은 구동 전압에 의하여 온도가 상승하더라도, 무기물층(731a1, 731a2; 756a, 756b)을 구성하는 무기물은 안정적이어서 열화되지 않으며, 2개의 무기물층(731a1, 731a2; 756a, 756b) 사이에 위치하는 유기물층(731b; 758)의 유기물이 열화되는 것을 또한 방지할 수 있다. 이에 따라 정공주입층(731) 및 P타입 전하생성층(754)의 내구성이 향상되어, 정공주입층(731) 및 P타입 전하생성층(754)에서 전하 생성 및 주입 특성을 더욱 향상시킬 수 있으므로, 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 2개의 무기물층(731a1, 731a2; 756a, 756b) 사이에 유기물층(731b; 758)이 적층된 구조를 가지는 정공주입층(731) 및 P타입 전하생성층(754)에서 안정적인 전하 공급이 가능하게 되므로, 발광다이오드(700)를 구동하기 위한 전압을 또한 낮출 수 있으며, 발광다이오드(700)의 수명을 개선할 수 있다.

한편, 도 8은 본 발명의 예시적인 제 8 실시형태에 따라 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 8 실시형태에 따른 발광다이오드(800)는 서로 마주하는 제 1 전극(810) 및 제 2 전극(820)과, 제 1 전극(810)과 제 2 전극(820) 사이에 위치하는 제 1 발광 유닛(하부 발광 유닛, 830)과, 제 1 발광 유닛(830)과 제 2 전극(820) 사이에 위치하는 제 2 발광 유닛(상부 발광 유닛, 840)과, 제 1 및 제 2 발광 유닛(830, 840) 사이에 위치하는 전하생성층(850)을 포함한다.

전술한 바와 같이, 제 1 전극(810)은 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어지며, 양극이다. 제 2 전극(820)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어지며 음극이다.

제 1 발광 유닛(830)은 정공주입층(831)과 제 1 정공수송층(하부 정공수송층, 832)과, 제 1 발광물질층(하부 발광물질층, 834)과, 제 1 전자수송층(하부 전자수송층, 836)을 포함한다. 정공주입층(831)은 제 1 전극(810)과 제 1 정공수송층(832) 사이에 위치하며, 제 1 정공수송층(832)은 정공주입층(831)과 제 1 발광물질층(834) 사이에 위치한다.

또한, 제 1 발광물질층(834)은 제 1 정공수송층(832)과 제 1 전자수송층(836) 사이에 위치하고, 제 1 전자수송층(836)은 제 1 발광물질층(834)과 전하생성층(850) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 1 발광 유닛(830)은 제 1 정공수송층(832)과 제 1 발광물질층(834) 사이에 위치하는 전자차단층(하부 전자차단층) 및/또는 제 1 발광물질층(834)과 제 1 전자수송층(836) 사이에 위치하는 정공차단층(하부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다.

제 2 발광 유닛(840)은 제 2 정공수송층(상부 정공수송층, 842)과, 제 2 발광물질층(상부 발광물질층, 844)과, 제 2 전자수송층(상부 전자수송층, 846)과 전자주입층(848)을 포함한다. 제 2 정공수송층(842)은 전하생성층(850)과 제 2 발광물질층(844) 사이에 위치하고, 제 2 발광물질층(844)은 제 2 정공수송층(842)과 제 2 전자수송층(846) 사이에 위치한다. 또한, 제 2 전자수송층(846)은 제 2 발광물질층(844)과 전자주입층(848) 사이에 위치하고, 전자주입층(848)은 제 2 전자수송층(846)과 제 2 전극(820) 사이에 위치한다. 도시하지는 않았으나, 제 2 발광 유닛(840)은 제 2 정공수송층(842)과 제 2 발광물질층(844) 사이에 위치하는 전자차단층(상부 전자차단층) 및/또는 제 2 발광물질층(844)과 제 2 전자수송층(846) 사이에 위치하는 정공차단층(상부 정공차단층)을 더욱 포함할 수 있다. 또한, P타입 전하생성층(854)과 제 2 정공수송층(842) 사이 및/또는 N타입 전하생성층(852)과 P타입 전하생성층(854) 사이에 제 2 정공주입층(상부 정공주입층, 미도시)이 위치할 수 있다.

본 실시형태에서, 정공주입층(831) 및/또는 제 2 정공주입층(미도시)은 무기물층을 사이에 두고 상부와 하부에 유기물층이 각각 적층된 구조를 갖는다. 일례로, 정공주입층(831)은 제 1 전극(810) 상부에 위치하는 제 1 정공주입용 유기물층(831b1)과, 제 1 정공수송층(831)에 인접하게 위치하는 제 2 정공주입용 유기물층(831b2)과, 제 1 정공주입용 유기물층(831b1)과 제 2 정공주입용 유기물층(831b2) 사이에 위치하는 정공주입용 무기물층(831a)으로 이루어진다. 즉, 제 1 정공주입용 유기물층(831b1)은 제 1 전극(810)과 제 1 정공수송층(832) 사이에 위치하고, 정공주입용 무기물층(831a)은 제 1 정공주입용 유기물층(831b1)과 제 1 정공수송층(832) 사이에 위치하며, 제 2 정공주입용 유기물층(831b2)는 정공주입용 무기물층(831a)과 제 1 정공수송층(832) 사이에 위치한다. 다시 말하면, 본 실시형태에 따른 정공주입층(831) 제 1 유기물층(831 b1), 무기물층(831a), 제 2 유기물층(831b2)이 순차적으로 적층되어 있다.

제 1 및 제 2 유기물층(831b1, 831b2)는 각각 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 제 1 및 제 2 유기물층(831b1, 831b2)은 각각 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 제 1 유기물층(831b1)과 제 2 유기물층(831b2)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

2개의 유기물층(831b1, 831b2) 사이에 위치하는 무기물층(831a)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 무기물층(831a)은 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다.

무기물층(831a)과 유기물층(831b1, 831b2)이 전술한 에너지 준위를 가지는 소재로 이루어지는 경우, 정공주입층(831)에서 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(800)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 유기물층(831b1, 831b2) 및 무기물층(831a)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다.

제 1 및 제 2 정공수송층(832, 842)은 각각 TPD, NPD, MTDATA, mCP, CuPC, TCTA, TFV-TCTA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민, N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, 트리-p-톨릴아민, N-[1,1'-바이페닐]-4-일-9,9-디메틸-N-[4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐]-아민, CBP 및/또는 TAPC) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 정공수송층(832, 842)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

제 1 및 제 2 발광물질층(834, 844) 각각은 호스트(host)에 도펀트(dopant)가 도핑되어 이루어질 수 있으며, 서로 다른 색을 발광한다. 일례로, 제 1 발광물질층(834)은 청색(B), 적색(R), 녹색(G) 또는 황색(Yellow, Y)을 발광할 수 있다. 또는, 제 1 발광물질층(834)은 청색 발광물질층 및 적색(R) 발광물질층, 청색 발광물질층 및 황록색(Yellow-Green, YG) 발광물질층, 또는 청색 발광물질층 및 녹색(G) 발광물질층으로 구성될 수도 있다.

한편, 제 2 발광물질층(844)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 황록색(YG) 발광물질층 중 어느 하나일 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(834)은 청색을 발광하고, 제 2 발광물질층(844)은 청색보다 장파장인 녹색, 황록색(yellow-green; YG) 또는 오렌지색을 발광할 수 있다.

제 1 및 제 2 전자수송층(836, 846)은 각각 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole), 벤조티아졸(benzothiazole), 벤즈이미다졸, 트리아진 등의 유도체일 수 있다. 선택적으로, 제 1 및 제 2 전자수송층(836, 846)은 각각 전술한 유기 물질에 알칼리 금속 및/또는 알칼리토금속과 같은 금속이 도핑되어 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 전자수송층(836, 846)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

전자주입층(848)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF₂, MgF₂, CaF2, SrF₂, BaF₂ 및 RaF₂ 등의 알칼리 할라이드계 물질 및/또는 Liq(lithium quinolate), 리튬 벤조에이트(lithium benzoate), 소듐 스테아레이트(sodium stearate), Alq₃, BAlq, PBD, 스파이로-PBD, TAZ 등의 유기계 물질이 사용될 수 있다.

전하생성층(850)은 제 1 발광 유닛(830)과 제 2 발광 유닛(840) 사이에 위치하며, 제 1 발광 유닛(830)에 인접하는 N타입 전하생성층(852)과 제 2 발광 유닛(840)에 인접하는 P타입 전하생성층(854)을 포함한다. N타입 전하생성층(852)은 제 1 발광 유닛(830)으로 전자를 제공하고, P타입 전하생성층(854)은 제 2 발광 유닛(840)으로 정공을 제공한다.

N타입 전하생성층(852)은 Li, Na, K, Cs와 같은 알칼리 금속 및/또는 Mg, Sr, Ba, Ra와 같은 알칼리토금속으로 도핑된 유기층일 수 있다. 예를 들어, N타입 전하생성층(852)에 사용되는 호스트 유기물은 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-dipheny-1,10-phenanthroline; Bphen), MTDATA와 같은 물질일 수 있으며, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 약 0.01 내지 30 중량%로 도핑될 수 있다.

본 실시형태에서, P타입 전하생성층(854)은 N타입 전하생성층(852)에 인접하게 위치하는 제 1 유기물층(858a)과, 제 2 정공수송층(842)에 인접하게 위치하는 제 2 유기물층(858b)과, 제 1 유기물층(858a)과 제 2 유기물층(858b) 사이에 위치하는 무기물층(856)으로 이루어진다. 즉, 제 1 유기물층(858a)은 N타입 전하생성층(852)과 제 2 정공수송층(842) 사이에 위치하고, 무기물층(856)은 제 1 유기물층(858a)과 제 2 정공수송층(842) 사이에 위치하며, 제 2 유기물층(858b)은 무기물층(856)과 제 2 정공수송층(842) 사이에 위치한다. 다시 말하면, 본 실시형태에 따른 P타입 전하생성층(854)은 제 1 유기물층(858a), 무기물층(856), 제 2 유기물층(858b)이 순차적으로 적층되어 있다.

제 1 및 제 2 유기물층(858a, 858b)는 각각 HOMO 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, LUMO 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV 범위인 유기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 제 1 및 제 2 유기물층(858a, 858b)은 각각 NPD, HAT-CN, TPD, TNB, TCTA, PTCDI-C8 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기물로 이루어질 수 있다. 제 1 유기물층(858a)과 제 2 유기물층(858b)은 동일한 물질로 이루어지거나 상이한 물질로 이루어질 수 있다.

2개의 유기물층(858a, 858b) 사이에 위치하는 무기물층(856)은 전도대 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV 범위인 무기물 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, 무기물층(856)은 텅스텐산화물(WOx), 몰리브덴산화물(MoOx), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어질 수 있다.

무기물층(856)과 유기물층(858a, 858b)이 전술한 에너지 준위를 가지는 소재로 이루어지는 경우, P타입 전하생성층(854)에서 정공 생성 특성 및 정공 주입 특성이 향상되어, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(800)의 구동 전압을 낮출 수 있다. 유기물층(858a, 858b) 및 무기물층(856)은 각각 1 내지 100 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께로 적층될 수 있다.

도 8에서는 P타입 전하생성층(854)의 구조를 도 4에 도시한 것과 동일한 것으로 예시하였다. 하지만, P타입 전하생성층(854)의 구조는 도 1에 도시한 것과 같이 N타입 전하생성층에 인접하게 위치하는 무기물층과, 제 2 발광 유닛에 인접하게 위치하는 유기물층으로 이루어질 수 있다. 선택적으로, P타입 전하생성층(854)은 도 2에 도시한 것과 같이 N타입 전하생성층에 인접하게 위치하는 유기물층과 제 2 발광 유닛에 인접하게 위치하는 무기물층으로 이루어질 수 있다. 또한, P타입 전하생성층(854)은 도 3에 도시한 것과 같이 무기물층-유기물층-무기물층의 적층 구조로 이루어질 수 있다.

즉, 본 실시형태에 따르면, 정공주입층(831) 및 P타입 전하생성층(854)은 2개의 유기물층(831b1, 831b2; 858a, 858b) 사이에 무기물층(831a; 856)이 위치하도록 적층된 구조를 갖는다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(800)에서의 상대적으로 높은 구동 전압에 의하여 온도가 상승하더라도, 고온에서 변형되거나 열화되지 않는 무기물로 이루어지는 무기물층(831a; 856)이 적층되어 있다. 정공주입층(831) 및 P타입 전하생성층(854)의 내구성이 향상되어, 정공주입층(831) 및 P타입 전하생성층(854)에서 전하 생성 및 주입 특성이 저하되지 않으며, 발광다이오드(800)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 2개의 유기물층(831b1, 831b2; 858a, 858b) 사이에 무기물층(831a; 456)이 적층된 구조를 가지는 정공주입층(831) 및 P타입 전하생성층(854)에서 안정적인 전하 주입 및 전하 공급이 가능하게 되므로, 발광다이오드(800)를 구동하기 위한 전압을 또한 낮출 수 있으며, 발광다이오드(800)의 수명을 개선할 수 있다.

도 1 내지 도 8에서 P타입 제 1 및 제 2 발광 유닛이 적층되고 그 사이에 전하생성층이 위치하는 것으로 설명하였으나, 추가적인 발광 유닛과 발광 유닛들 사이에 위치하는 전하생성층을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 발광 유닛 상부에 제 3 발광 유닛이 적층되고, 제 2 발광 유닛과 제 3 발광 유닛 사이에 제 2 전하생성층을 더 포함할 수 있다. 제 2 전하생성층을 구성하는 제 2 P타입 전하생성층은 무기물층과 유기물층이 순차 적층된 구조를 가질 수 있다. 또한, 도 3 및 도 4와, 도 7 및 도 8에서는 2개의 무기물층(또는 유기물층) 사이에 유기물층(또는 무기물층)이 적층된 형태로 도시하였다. 이와 달리, P타입 전하생성층 및/또는 정공주입층은 무기물층-유기물층 또는 유기물층-무기물층의 단위 적층 구조가 2회 이상 반복해서 적층되는 구조를 가질 수도 있다.

본 발명에 따른 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드는 유기발광다이오드 표시장치 또는 전술한 발광다이오드를 적용한 조명 장치 등에 적용될 수 있다. 일례로, 본 발명의 발광다이오드를 적용한 표시장치에 대해서 설명한다. 도 9는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 유기발광다이오드 표시장치의 개략적인 단면도이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 유기발광다이오드 표시장치(900)는 구동 소자인 구동 박막트랜지스터(Td)와, 구동 박막트랜지스터(Td)를 덮는 평탄화층(960)과, 평탄화층(960) 상에 위치하며 구동 소자인 구동 박막트랜지스터(Td)에 연결되는 발광다이오드(D)를 포함한다. 구동 박막트랜지스터(Td)는, 반도체층(910)과, 게이트 전극(930)과, 소스 전극(952)과, 드레인 전극(954)을 포함하는데, 도 9에서는 코플라나(coplanar) 구조의 구동 박막트랜지스터(Td)를 나타낸다.

기판(902)은 유리 기판, 얇은 플렉서블(flexible) 기판 또는 고분자 플라스틱 기판일 수 있다. 구동 소자인 구동 박막트랜지스터(Td)와, 발광다이오드(D)가 위치하는 기판(902)은 어레이 기판을 이룬다.

기판(902) 상부에 반도체층(910)이 형성된다. 예를 들어, 반도체층(910)은 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우 반도체층(910) 하부에는 차광패턴(미도시)과 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있으며, 차광패턴은 반도체층(910)으로 빛이 입사되는 것을 방지하여 반도체층(910)이 빛에 의해 열화되는 것을 방지한다. 이와 달리, 반도체층(910)은 다결정 실리콘으로 이루어질 수도 있으며, 이 경우 반도체층(910)의 양 가장자리에 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.

반도체층(910) 상부에는 절연물질로 이루어진 게이트 절연막(920)이 기판(902) 전면에 형성된다. 게이트 절연막(920)은 실리콘 산화물(SiO₂) 또는 실리콘 질화물(SiNx)과 같은 무기절연물질로 이루어질 수 있다.

게이트 절연막(920) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 게이트 전극(930)이 반도체층(910)의 중앙에 대응하여 형성된다. 또한, 게이트 절연막(920) 상부에는 게이트 배선(미도시)과 제 1 캐패시터 전극(미도시)이 형성될 수 있다. 게이트 배선은 제 1 방향을 따라 연장되고, 제 1 캐패시터 전극은 게이트 전극(930)에 연결될 수 있다. 한편, 게이트 절연막(920)이 기판(902) 전면에 형성되어 있으나, 게이트 절연막(920)은 게이트 전극(930)과 동일한 모양으로 패터닝 될 수도 있다.

게이트 전극(930) 상부에는 절연물질로 이루어진 층간 절연막(940)이 기판(902) 전면에 형성된다. 층간 절연막(940)은 실리콘 산화물(SiO₂) 또는 실리콘 질화물(SiNx)과 같은 무기절연물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기절연물질로 형성될 수 있다.

층간 절연막(940)은 반도체층(910)의 양측 상면을 노출하는 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(942, 944)을 갖는다. 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(942, 944)은 게이트 전극(930)의 양측에서 게이트 전극(930)과 이격되어 위치한다. 여기서, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(942, 944)은 게이트 절연막(920) 내에도 형성된다. 이와 달리, 게이트 절연막(920)이 게이트 전극(930)과 동일한 모양으로 패터닝 될 경우, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(942, 944)은 층간 절연막(940) 내에만 형성된다.

층간 절연막(940) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 소스 전극(952)과 드레인 전극(954)이 형성된다. 또한, 층간 절연막(940) 상부에는 제 2 방향을 따라 연장되는 데이터 배선(미도시)과 전원 배선(미도시) 및 제 2 캐패시터 전극(미도시)이 형성될 수 있다.

소스 전극(952)과 드레인 전극(954)은 게이트 전극(930)을 중심으로 이격되어 위치하며, 각각 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(942, 944)을 통해 반도체층(910)의 양측과 접촉한다. 도시하지 않았지만, 데이터 배선은 제 2 방향을 따라 연장되고 게이트 배선과 교차하여 화소영역을 정의하며, 고전위 전압을 공급하는 전원 배선은 데이터 배선과 이격되어 위치한다. 제 2 캐패시터 전극은 드레인 전극(954)과 연결되고 제 1 캐패시터 전극과 중첩함으로써, 제 1 및 제 2 캐패시터 전극 사이의 층간 절연막(940)을 유전체층으로 하여 스토리지 캐패시터를 이룬다.

한편, 반도체층(910), 게이트 전극(930), 소스 전극(952) 및 드레인 전극(954)은 구동 박막트랜지스터(Td)를 이룬다. 도 9에 예시된 구동 박막트랜지스터(Td)는 반도체층(910)의 상부에 게이트 전극(930), 소스 전극(952) 및 드레인 전극(954)이 위치하는 코플라나(coplanar) 구조를 가진다. 이와 달리, 구동 박막트랜지스터(Td)는 반도체층의 하부에 게이트 전극이 위치하고, 반도체층의 상부에 소스 전극과 드레인 전극이 위치하는 역 스태거드(inverted staggered) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 반도체층은 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.

또한, 구동 박막트랜지스터(Td)와 실질적으로 동일한 구조의 스위칭 박막트랜지스터(미도시)가 기판(902) 상에 더 형성된다. 구동 박막트랜지스터(Td)의 게이트 전극(930)은 스위칭 박막트랜지스터(미도시)의 드레인 전극(미도시)에 연결되고 구동 박막트랜지스터(Td)의 소스 전극(952)은 전원 배선(미도시)에 연결된다. 또한, 스위칭 박막트랜지스터(미도시)의 게이트 전극(미도시)과 소스 전극(미도시)은 게이트 배선 및 데이터 배선과 각각 연결된다.

한편, 유기발광다이오드 표시장치(900)는 발광다이오드(D)에서 생성된 빛을 흡수하는 컬러 필터(970)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터(970)는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 및 백색(W) 광을 흡수할 수 있다. 이 경우, 광을 흡수하는 적색, 녹색 및 청색의 컬러 필터 패턴이 각각의 화소영역 별로 분리되어 형성될 수 있으며, 이들 각각의 컬러 필터 패턴은 흡수하고자 하는 파장 대역의 빛을 방출하는 발광다이오드(D) 중의 유기발광층(1030)과 각각 중첩되게 배치될 수 있다. 컬러 필터(970)를 채택함으로써, 유기발광다이오드 표시장치(900)는 풀-컬러를 구현할 수 있다.

예를 들어, 유기발광다이오드 표시장치(900)가 하부 발광 타입인 경우, 발광다이오드(D)에 대응하는 층간 절연막(940) 상부에 광을 흡수하는 컬러 필터(970)가 위치할 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 유기발광다이오드 표시장치(900)가 상부 발광 타입인 경우, 컬러 필터는 발광다이오드(D)의 상부, 즉 제 2 전극(1020) 상부에 위치할 수도 있다. 일례로, 컬러 필터(970)는 2 내지 5 ㎛의 두께로 형성될 수 있다. 이때, 발광다이오드(D)는 도 1 내지 도 8에 도시되어 있는 탠덤 구조를 가지는 백색 발광다이오드일 수 있다.

소스 전극(952)과 드레인 전극(954) 상부에는 평탄화층(960)이 기판(902) 전면에 형성된다. 평탄화층(960)은 상면이 평탄하며, 구동 박막트랜지스터(Td)의 드레인 전극(954)을 노출하는 드레인 컨택홀(962)을 갖는다. 여기서, 드레인 컨택홀(962)은 제 2 반도체층 컨택홀(944) 바로 위에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 제 2 반도체층 컨택홀(944)과 이격되어 형성될 수도 있다.

발광다이오드(D)는 평탄화층(960) 상에 위치하며 구동 박막트랜지스터(Td)의 드레인 전극(954)에 연결되는 제 1 전극(1010)과, 제 1 전극(1010) 상에 순차 적층되는 유기발광층(1030) 및 제 2 전극(1020)을 포함한다.

1 전극(1010)은 각 화소영역 별로 분리되어 형성된다. 제 1 전극(1010)은 양극(anode)일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(1010)은 ITO, IZO, ITZO, ICO, ZnO 및/또는 AZO와 같은 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 유기발광다이오드 표시장치(900)가 상부 발광 방식(top-emission type)인 경우, 상기 제 1 전극(1010) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사전극 또는 상기 반사층은 알루미늄-팔라듐-구리(aluminum-paladium-copper: APC) 합금으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 평탄화층(960) 상에는 상기 제 1 전극(1010)의 가장자리를 덮는 뱅크층(972)이 형성된다. 상기 뱅크층(972)은 상기 화소영역에 대응하여 상기 제 1 전극(1010)의 중앙을 노출한다.

상기 제 1 전극(1010) 상에는 유기발광층(1030)이 형성된다. 상기 유기발광층(1030)은, 도 1 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 다수의 발광 유닛으로 이루어질 수 있으며, 발광 유닛 사이에 위치하는 전하생성층을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 발광 유닛은 발광물질층으로만 이루어질 수도 있고, 정공주입층, 정공수송층, 발광물질층, 전자수송층, 전자주입층 및/또는 엑시톤 차단층으로 이루어질 수도 있다. 또한, 전하생성층을 구성하는 P타입 전하생성층은 무기물층과 유기물층 또는 유기물층과 무기물층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.

유기발광층(1030)이 형성된 상기 기판(902) 상부로 제 2 전극(1020)이 형성된다. 상기 제 2 전극(1020)은 표시영역의 전면에 위치하며 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어져 음극(cathode)으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 전극(1020)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag) 또는 알루미늄-마그네슘 합금(AlMg)과 같은 이들의 조합이나 합금 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

제 2 전극(1020) 상에는, 외부 수분이 발광다이오드(D)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 인캡슐레이션 필름(encapsulation film, 980)이 형성된다. 상기 인캡슐레이션 필름(980)은 제 1 무기 절연층(982)과, 유기 절연층(984)과 제 2 무기 절연층(986)의 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

본 발명에 따라 무기물층 및 유기물층이 적층된 P타입 전하생성층 및/또는 정공주입층을 가지는 발광다이오드가 표시장치에 적용되었는지의 여부는 다음과 같은 방법으로 확인할 수 있다. 유기발광다이오드 표시장치에서 표시패널을 디캡핑(decapping)하고, 기판, 전극, 유기물층 등으로 구분되는 표시패널 중에서 발광다이오드의 단면을 절단하여 유기물층을 분리한다. 비행시간 이차이온질량분석(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry; TOF-SIMS)를 이용한다. TOF-SIMS 장비를 이용하여 발광다이오드를 구성하는 전하생성층 및/또는 정공주입층의 무기물층 부근까지 디캡핑된 발광다이오드를 깎아 낸다.

이어서, 박층크로마토그래피(thin chromatography) 등의 분석 방법을 이용하여 유기물층의 재료를 확인하고, 각각의 유기물층의 재료를 분리한다. 이어서, 각각의 유기물층에 대하여 유기화학 분석 툴(tool)을 사용하여 재료를 확인할 수 있다. 일례로, NMR(1D, 2D) 분석을 통하여 유기물층에 사용된 화합물의 탄소 및 수소 등의 결합 관계를 확인할 수 있고, 질량분석기(mass spectrometer)를 사용하여 유기물층에 사용된 화합물의 분자량을 확인할 수 있으며, 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy; FT-IR)과 같은 적외선 분광법(infrared spectroscopy)를 이용하여 유기물층에 사용된 화합물의 작용기를 확인할 수 있다. 또한, 원소분석기(elemental analyzer; EA)를 사용하여 각각의 화합물을 구성하는 원소를 분석할 수 있으며, X-선 회절(X-ray diffraction; XRD) 분석과 같은 X-선 분석법을 적용하여 화합물의 구조를 결정, 분석할 수 있다.

무기물층 및 유기물층의 적층 구조를 가지는 전하생성층 및/또는 정공주입층이 적용된 발광다이오드가 표시장치에 적용되었는지의 여부를 확인하기 위한 다른 방법은 다음과 같다. 유기발광다이오드 표시장치에서 표시패널을 디캡핑(decapping)하고, 기판, 전극, 유기물층 등으로 구분되는 표시패널 중에서 발광다이오드의 단면을 절단하여 유기물층을 분리한다. 유기물층을 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM), 주사투과현미경(scanning transmission electron microscope; STEM) 및 에너지분산분광법(energy dispersive spectrometer; EDS)를 이용하면, 전하생성층에 유기물 이외에도 WOx와 같은 무기물이 사용된 것을 관찰, 확인할 수 있다.

다른 방법으로는 아르곤 가스 내에서 X-선광전자분석(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)을 수행하면 강한 에너지로 발광다이오드를 구성하는 유기물층을 식각할 수 있으며, 이어서 노출된 계면의 원자 분석이 가능한 자외선광전자분석(Ultraviolet photoelectron spectroscopy; UPS)을 통하여 노출된 계면에 위치하는 무기물층의 일함수, HOMO 준위 또는 전자 밴드와 같은 에너지 준위를 측정하는 방법을 채택할 수도 있을 것이다.

본 발명에 따른 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(D)는 발광 유닛 사이에 위치하는 전하생성층을 구성하는 P타입 전하생성층 및/또는 정공주입층이 무기물층과 유기물층이 순차 적층된 구조를 갖는다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드(D)의 구동에 의하여 온도가 상승하더라도 무기물을 포함하는 P타입 전하생성층 및/또는 정공주입층이 열화되거나 붕괴되지 않는다. 전하생성층 및/또는 정공주입층에서 안정적인 전하 생성 및 전하 주입이 가능하기 때문에 발광다이오드(D)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 발광다이오드(D)를 구동하기 위한 전압이 낮아져서 저-소비전력으로 발광다이오드(D)를 구동할 수 있고, 발광다이오드(D)를 구성하는 소재에 인가되는 스트레스가 감소되면서, 발광다이오드(D)의 수명을 향상시킬 수 있다.

이하, 예시적인 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 탠덤 구조 발광다이오드 제작(무기물층-유기물층-무기물층 P타입 전하생성층)

인듐-주석-산화물(ITO) 글라스의 발광 면적이 3 ㎜ x 3 ㎜ 크기가 되도록 패터닝 한 후 세정하였다. 기판을 진공 챔버에 이송한 후, 베이스 압력이 10^-6 Torr가 되도록 한 후 ITO 위에 정공주입층(HAT-CN, 50Å), 하부 정공수송층(α-NPB; 500~1500Å), 엑시톤 차단층인 전자차단층(TCTA, 150Å), 청색 발광물질층(도펀트 BD-1이 4 중량% 도핑된 호스트 MADN, 250Å), 하부 전자수송층 (2-[4-(9,10-Di-2-naphthalenyl-2-anthracenyl)phenyl]-1-phenyl-1H-benzimidazole, 100~300Å), N타입 전하생성층(Li이 2% 도핑된 Bphen, 100Å), P타입 전하생성층으로서 제 1 무기물층(WO₃; 5~100 nm), 유기물층(HAT-CN; 5~100 nm), 제 2 무기물층(WO₃; 5~100 nm), 상부 정공수송층(α-NPB, 100Å), 상부 발광물질층인 YG 발광물질층(Ir(2-phq)₃가 10% 도핑된 CBP, 300Å), 상부 전자수송층 (2-[4-(9,10-Di-2-naphthalenyl-2-anthracenyl)phenyl]-1-phenyl-1H-benzimidazole, 300~400Å), 전자주입층(LiF, 5~10Å), Al(800~1000Å)의 순서로 성막하였다.

증착 후 피막 형성을 위해 증착 챔버에서 건조 박스 내로 옮기고 후속적으로 UV 경화 에폭시 및 수분 게터를 사용하여 인캡슐레이션을 하였다. 이 유기발광다이오드는 9 mm² 의 방출 영역을 갖는다.

실시예 2: 탠덤 구조 발광다이오드 제작(유기물층-무기물층-유기물층 P타입 전하생성층)

P타입 전하생성층을 제 1 유기물층(HAT-CN; 5~100 nm), 무기물층(WO₃; 5~100 nm), 제 2 유기물층(HAT-CN; 5~100 nm)의 순서로 적층한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 탠덤 구조의 발광다이오드를 제작하였다.

비교예 1: 탠덤 구조 발광다이오드 제작(유기물층 P타입 전하생성층)

P타입 전하생성층으로 HAT-CN의 단층 유기물층을 적층한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 탠덤 구조의 발광다이오드를 제작하였다.

비교예 2: 탠덤 구조 발광다이오드 제작(무기물층 P타입 전하생성층)

P타입 전하생성층으로 WO₃의 단층 무기물층을 적층한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 탠덤 구조의 발광다이오드를 제작하였다.

실험예 1: 탠덤 구조의 발광다이오드 특성 평가

실시예 1 내지 2와, 비교예 1과 2에서 각각 제조된 발광다이오드의 특성을 평가하였다. 실시예 1 내지 2와, 비교예 1과 2에서 각각 제조된 유기발광다이오드는 외부전력 공급원에 연결되었다. 본 발명에서 제조된 모든 발광다이오드들의 EL 특성(구동 전압, 전류 밀도, 전류 효율(Cd/A), 전력 효율(lm/W), 외부양자효율(EQE), 색좌표, 수명)을 일정한 전류 공급원 (KEITHLEY) 및 광도계 PR 650을 사용하여 실온에서 평가하였다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드의 전압-전류밀도 측정 결과를 도 10에, 전류밀도-전류 효율 측정 결과를 도 11에, 전류 밀도-전력 효율 측정 결과를 도 12에, 발광다이오드의 수명 측정 결과를 도 13에 나타낸다. 또한, 각각의 발광다이오드에 대한 구동 전압, 전류 효율, EQE, 색좌표, 수명 측정 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 표 1의 측정 결과 중에서 수명은 비교예 1에서 제작된 발광다이오드의 수명을 기준값 1로 설정하여 비교한 것을 나타낸다.

표 1

실험예 1에 따르면, P타입 전하생성층으로 유기물로만 이루어진 단층 구조를 채택한 발광다이오드에 비하여, 무기물층과 유기물층이 적층된 구조를 가지는 P타입 전하생성층을 가지는 발광다이오드의 구동 전압은 28.8% 감소하였으며, 전류 효율은 최고 42.9%, EQE는 최고 44.4% 증가하였으며, 수명 역시 45% 증가하였다. 한편, P타입 전하생성층으로 무기물로만 이루어진 단층 구조를 채택한 발광다이오드(비교예 2)는 외부양자효율의 향상을 기대하기 어렵고 특히 색좌표가 크게 어긋나서 백색을 구현하기 위한 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드에서 전하생성층으로 적용하기에는 문제가 있다는 것을 확인하였다.

결국, 본 실험에에 따르면, 무기물층과 유기물층이 교대로 적층된 구조의 P타입 전하생성층을 적용하는 경우, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드의 구동 전압을 낟출 수 있고, 발광 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 발광다이오드의 소자 수명 또한 개선할 수 있다는 것을 확인하였다.

실시예 3: 탠덤 구조 발광 다이오드 제작(무기물층-유기물층-무기물층의 정공주입층 및 P타입 전하생성층)

정공주입층과 P타입 전하생성층을 각각 제 1 무기물층(WO₃; 5~100 nm), 유기물층(HAT-CN; 5~100 nm), 제 2 무기물층(WO₃; 5~100 nm)으로 적층한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 탠덤 구조의 발광다이오드를 제작하였다.

실시예 4: 탠덤 구조 발광다이오드 제작(유기물층-무기물층-유기물층의 정공주입층 및 P타입 전하생성층)

정공주입층과 P타입 전하생성층을 각각 제 1 유기물층(HAT-CN; 5~100 nm), 무기물층(WO₃; 5~100 nm), 제 2 유기물층(HAT-CN; 5~100 nm)의 순서로 적층한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 탠덤 구조의 발광다이오드를 제작하였다.

비교예 3: 탠덤 구조 발광다이오드 제작(무기물층 정공주입층 및 P타입 전하생성층)

정공주입층과 P타입 전하생성층으로 ₃각각 WO의 단층 무기물층을 적층한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 탠덤 구조의 발광다이오드를 제작하였다.

실험예 2: 탠덤 구조의 발광다이오드 특성 평가

실시예 3 내지 4와, 비교예 1과 3에서 각각 제조된 발광다이오드의 특성을 실험예 1과 동일한 절차로 평가하였다. 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드의 전압-전류밀도 측정 결과를 도 14에, 전류밀도-전류 효율 측정 결과를 도 15에, 전류 밀도-전력 효율 측정 결과를 도 16, 발광다이오드의 수명 측정 결과를 도 17에 나타낸다. 또한, 각각의 발광다이오드에 대한 구동 전압, 전류 효율, EQE, 색좌표, 수명 측정 결과를 하기 표 2에 나타낸다. 표 2의 측정 결과 중에서 수명은 비교예 1에서 제작된 발광다이오드의 수명을 기준값 1로 설정하여 비교한 것을 나타낸다.

표 2

실험예 2에 따르면, 정공주입층과 P타입 전하생성층으로 유기물로만 이루어진 단층 구조를 채택한 발광다이오드에 비하여, 무기물층과 유기물층이 적층된 구조를 가지는 정공주입층 및 P타입 전하생성층을 가지는 발광다이오드의 구동 전압은 27.8% 감소하였으며, 전류 효율은 최고 44.2%, EQE는 최고 45.3% 증가하였으며, 수명 역시 42% 증가하였다. 한편, 정공주입층과 P타입 전하생성층으로 무기물로만 이루어진 단층 구조를 채택한 발광다이오드(비교예 3)는 외부양자효율의 향상을 기대하기 어렵고 특히 색좌표가 크게 어긋나서 백색을 구현하기 위한 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드에서 전하생성층으로 적용하기에는 문제가 있다는 것을 확인하였다.

결국, 본 실험에에 따르면, 무기물층과 유기물층이 교대로 적층된 구조의 정공주입층과 P타입 전하생성층을 적용하는 경우, 탠덤 구조를 가지는 발광다이오드의 구동 전압을 낟출 수 있고, 발광 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 발광다이오드의 소자 수명 또한 개선할 수 있다는 것을 확인하였다.

상기에서는 본 발명의 예시적인 실시형태 및 실시예를 토대로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시형태 및 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 실시형태 및 실시예에 기초하여 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다. 하지만, 이러한 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다는 사실은, 첨부하는 특허청구범위를 통하여 더욱 분명하다.

100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, D: 발광다이오드
110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 1010: 제 1 전극
120, 220, 320, 420, 520, 620, 720, 820, 1020: 제 2 전극
130, 140, 230, 240, 330, 340, 430, 440, 530, 540, 630, 640, 730, 740, 830, 840, 1030: 발광 유닛(유기발광층)
131, 231, 331, 431, 531, 631, 731, 831: 정공주입층132, 142, 232, 242, 332, 342, 432, 442: 정공수송층
134, 144, 234, 244, 334, 344, 434, 444: 발광물질층
136, 146, 236, 246, 336, 346, 436, 446: 전자수송층
148, 248, 348, 448: 전자주입층
150, 250, 350, 450: 전하생성층
152, 252, 352, 452: N타입 전하생성층
154, 254, 354, 454: P타입 전하생성층
156, 256, 356a, 356b, 456, 556, 656, 756a, 756b, 856: 무기물층
158, 258, 358, 458a, 458b, 558, 658, 758a, 758b, 858: 유기물층
531a, 631a, 731a1, 731a2, 831a: (정공주입용) 무기물층
531b, 631b, 731b, 831b1, 831b2: (정공주입용) 유기물층
900: 유기발광다이오드 표시장치

Claims

서로 마주하는 제 1 전극 및 제 2 전극;
상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하며, 제 1 발광물질층과, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이에 위치하는 정공주입층을 포함하는 제 1 발광 유닛;
상기 제 1 발광 유닛과 상기 제 2 전극 사이에 위치하며 제 2 발광물질층을 포함하는 제 2 발광 유닛; 및
상기 제 1 및 제 2 발광 유닛 사이에 위치하며 P타입 전하생성층을 포함하는 전하생성층을 포함하고,
상기 P타입 전하생성층은 무기물층과, 유기물층이 적층된 구조를 가지고,
상기 정공주입층은 정공주입용 무기물층과, 정공주입용 유기물층이 적층된 구조를 가지며,
상기 정공주입용 무기물층은 텅스텐산화물(WO_x), 몰리브덴산화물(MoO_x), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어지는 발광다이오드.
제 1항에 있어서,
상기 P타입 전하생성층은 제 1 발광 유닛 상부에 위치하는 제 1 무기물층과, 상기 제 1 무기물층 상부에 위치하는 유기물층과, 상기 유기물층 상부에 위치하는 제 2 무기물층을 포함하는 발광다이오드.
제 1항에 있어서,
상기 P타입 전하생성층은 제 1 발광 유닛 상부에 위치하는 제 1 유기물층과, 상기 제 1 유기물층 상부에 위치하는 무기물층과, 상기 무기물층 상부에 위치하는 제 2 유기물층을 포함하는 발광다이오드.
제 1항에 있어서,
상기 P타입 전하생성층의 무기물층은, 전도대(conduction band) 에너지 준위가 -4.0 내지 -7.5 eV인 무기물로 이루어지는 발광다이오드.
제 1항에 있어서,
상기 P타입 전하생성층의 무기물층은 텅스텐산화물(WO_x), 몰리브덴산화물(MoO_x), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어지는 발광다이오드.
제 1항에 있어서,
상기 P타입 전하생성층의 유기물층은, 최고준위점유분자궤도(hightes ocuupied molecular orbital; HOMO) 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, 최저준위비점유분자궤도(lowest unouccupied molecular ortibal; LUMO) 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV인 유기물 소재로 이루어지는 발광다이오드.
제 1항에 있어서,
상기 전하생성층은, 상기 P타입 전하생성층과 상기 제 1 발광 유닛 사이에 위치하며 알칼리 금속 또는 알칼리토금속이 도핑된 유기층인 N타입 전하생성층을 더욱 포함하는 발광다이오드.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 정공주입층은 상기 제 1 전극의 상부에 위치하는 제 1 정공주입용 무기물층과, 상기 제 1 정공주입용 무기물층 상부에 위치하는 정공주입용 유기물층과, 상기 정공주입용 유기물층 상부에 위치하는 제 2 정공주입용 무기물층을 포함하고, 상기 제 1 정공주입용 무기물층과 상기 제 2 정공주입용 무기물층은 각각 텅스텐산화물(WO_x), 몰리브덴산화물(MoO_x), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어지는 발광다이오드.
제 1항에 있어서,
상기 정공주입층은 상기 제 1 전극의 상부에 위치하는 제 1 정공주입용 유기물층과, 상기 제 1 정공주입용 유기물층 상부에 위치하는 정공주입용 무기물층과, 상기 정공주입용 무기물층 상부에 위치하는 제 2 정공주입용 유기물층을 포함하고, 상기 정공주입용 무기물층은 텅스텐산화물(WO_x), 몰리브덴산화물(MoO_x), 베릴륨산화물(Be₂O₃), 바나듐산화물(V₂O₅) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 무기물로 이루어지는 발광다이오드.
기판;
상기 기판에 위치하는 구동 소자; 및
상기 기판에 위치하며 상기 구동 소자에 연결되는 제 1 항 내지 제 7항, 제 9항 및 제 10항 중 어느 하나의 항에 기재된 발광다이오드를 포함하는 유기발광다이오드 표시장치.
제 11항에 있어서,
상기 기판과 상기 제 1 전극 사이 또는 상기 제 2 전극 상부에 위치하는 컬러필터를 더욱 포함하는 유기발광다이오드 표시장치.
제 1항에 있어서,
상기 정공주입용 유기물층은 최고준위점유분자궤도(highest occupied molecular orbital; HOMO) 에너지 준위가 -5.5 내지 -9.0 eV이고, 최저준위비점유분자궤도(lowest unoccuupied molecular orbital; LUMO) 에너지 준위가 -4.0 내지 -6.5 eV인 유기물 소재로 이루어지는 발광다이오드.