KR20010014915A - 유기물 발광 디바이스 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 제1 전극 층을 제공하는 기판, 제2 전극 층, 그리고 상기 제1 전극 층과 제2 전극 층 사이의 하나 이상의 발광 유기물 층을 구비하며, 상기 제2 전극 층은 반투명한 금속 전극 층과 투명한 횡형 전도체 층을 구비하는 다층 구조의 유기물 발광 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 상기 발광 유기물 층 위에 반투명한 금속 전극 층을 침적시키는 단계, 다음으로 상기 반투명한 금속 전극 층 위에 1 이상의 보호 층을 침적시키는 단계, 그리고 상기 보호 층 위에 투명한 횡형 전도체를 침적시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 본 발명의 방법에 따라 제조한 디바이스가 개시된다.

Description

유기물 발광 디바이스 및 그 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING AN ORGANIC LIGHT EMITTING DEVICE AND A CONCERNING DEVICE}

본 발명은 제1 전극 층을 제공하는 기판, 제2 전극 층, 그리고 상기 제1 전극 층과 제2 전극 층 사이의 하나 이상의 발광 유기물 층을 구비하는 다층 구조의 유기물 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED), 다색 디스플레이(multi color display) 등과 같은 유기물 발광 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.

유기물 발광 다이오드(OLED)는 최근 부상하고 있는 기술로, 불연속 발광 디바이스(discrete light emitting device)로서, 또는 평면형 패널 디스플레이(flat-panel display)와 같은 발광 어레이나 발광 디스플레이의 능동 소자(active element)로서 잠재적인 적용성을 갖고 있다. OLED는 2 개의 전극 사이에 여러 겹의 유기물 층이 개재되어 있는 디바이스이다. 상기 여러 겹의 유기물 층의 활성 구역에서 발생하는 빛이 탈출할 수 있기 위해서는 상기 전극 가운데 하나 이상이 투명해야 한다.

OLED는 유기물의 전자 발광 현상(electroluminescence, EL)에 의해 발생된 빛을 방출한다. 유기물의 저효율 전자 발광 현상은 오래 전에 금속/유기물/금속 구조에서 관찰되었는데, 예를 들면, 이들 구조에 대해서는 "Journal Chem. Phys." 1963년판 제38권 p.2024에서 포프(Pope) 등이, 그리고 논문 "안트라센 결정에 있어서 재결합 방사(Recombination Radiation in Anthracene Crystals)"["Physical Review Letters" 1965년판 제14권 제7호 p.229-231]에서 헬프리히(Helfrich) 등이 보고한 바 있다. 최근의 기술적 발전은 고효율 유기물 전자 발광 현상에 관한 두 보고서에 의해 크게 촉진되었다. 씨.더블유. 탕(C.W. Tang) 등의 논문 "유기물 전자 발광 다이오드(Organic electroluminescent diodes)"["Applied Physics Letters" 1987년판 제51권 제12호 p.913-915]와, 캠브리지 대학의 버러스(Burroughes) 등의 논문 "공액 폴리머를 기초로 한 발광 다이오드(Light-emitting diodes based on conjugated polymers)"["Nature" 1990년판 제347권 p.539-541]가 그 두 보고서이다. 탕 등은 진공 기상 증착 분자 염료 화합물(vacuum deposited molecular dye compound)을 사용하여 2 층 유기물 발광 다이오드를 제조하였고, 버러스 등은 폴리머의 일종인 회전 피복 폴리(spin coated poly)[p-페닐렌비닐렌(p-phenylenevinylene)]를 사용하였다.

표준 유기물 발광 다이오드(OLED)는 투명한 전극[주로 인듐-주석 산화물(indium-tin oxide, ITO)]으로 덮인 유리 기판, 하나 이상의 얇은 유기물 층 및 상부 금속 접점(metal top contact)으로 구성된다. 그러한 종류의 다이오드는 미국 특허 제5,247,190호[프렌드(Friend) 등], 미국 특허 제4,356,429호[탕(Tang) 등], 그리고 전술한 탕 등과 버러스 등의 논문에 개시되어 있다.

이러한 종류의 OLED를 디스플레이에 적용하기 위해서는 외부 구동 회로 칩과 복잡한 배선 및 본드(bonding)가 필요하다. 만약, 각 픽셀용의 바닥 전극을 구비하는 자체의 구동 회로에 유기물 디스플레이가 합체된다면 전술한 문제는 사라진다. 그러므로, 기판에 침적된 전극 층은 디스플레이의 픽셀용 전극을 각각 획정하는 다수의 개별적인 금속 패드를 구비하는 구조로 형성된다.

그러한 표면 발광 다이오드(surface emitting diode) 구조를 실현하려는 시도는, 예를 들면 "Applied Physics Letters" 1994년판 제64권 제14호 p.1774-1176에 게재된 파커(Parker) 등의 논문과, "Applied Physics Letters" 1994년판 제65권 제21호 p.2636-2638에 게재된 바이겐트(Baigent) 등의 논문에 설명되어 있다.

형성된 전극의 상부에 유기물 층이 침적되고, 디스플레이는 공통의 상부 전극으로 마무리된다. 이 경우 투명한 상부 전극이 필요한데, 일반적으로 구동 회로를 구비한 기판은 불투명하기 때문이다. 그러한 투명한 횡형 전도체(transparent lateral conductor, TLC)를 침적하는 경우, 특히 면적이 넓은 유기물 발광 디스플레이의 경우에 다음과 같은 이유로 문제가 발생한다.

오늘날의 투명한 횡형 전도체로서 가장 잘 알려진 재료는 전술한 인듐-주석 산화물(ITO)이다. 이 재료는 일반적으로 스퍼터링으로 침적된다. 그러나, 비교적 격렬하게 행해지는 스퍼터링 공정은 하부의 유기물을 손상시키거나 심지어 바닥 전극을 단락시키기도 한다.

통상적으로 사용되는 투명한 횡형 전도체는 금속 산화물이다. 산소가 풍부한 분위기에서 적절한 금속을 증발시키는 동안 유기물이 열화되기 쉽다.

아직까지 침적이 매우 용이하고 투과율 및 전도율이 우수한 투명한 횡형 전도체를 적절히 대체할 재료 및 그 제조 방법은 알려지지 않고 있다.

그러한 종류의 면적이 넓은 디스플레이의 경우라도 좁은 구역에서라면 얇고 반투명한 금속 전극(thin semi-transparent metal electrode, TME)을 사용할 수 있다. 그러나 넓은 구역의 경우, 상기 얇고 반투명한 금속 전극은 모든 픽셀을 점등하는 데 필요한 고전류를 공급할 만큼 전도율이 높지 못하다. 상기 얇고 반투명한 금속 전극의 경우, 디스플레이 내의 픽셀에 큰 전압 강하가 발생하게 되어, 휘도를 동일하게 하려면 상당한 고전류가 공급되어야 한다. 상기 얇고 반투명한 금속 전극을 더 두껍게 형성하면 빛을 너무 많이 흡수하게 되고, 결과적으로 디바이스의 휘도 효율이 크게 감소하게 된다.

그러므로, 발광 구역을 손상시키지 않으면서 횡방향 전도율(lateral conductivity) 및 투과율이 높은 구조의 디바이스와 그러한 디바이스를 제조할 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명의 목적은, 전술한 불리한 점들을 회피함으로써 유기물 발광 디바이스, 어레이 및 디스플레이를 제조하는 새롭고 개량된 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 휘도가 균일하고 면적이 넓은 발광 구역을 구비하며 수명이 길고 제조하는 데에 짧은 시간과 노력을 요하는 유기물 발광 디바이스를 제공하는 것이다.

도 1은 유기물 디스플레이의 픽셀 소자의 단면도.

도 2는 몇 개의 픽셀 소자로 이루어진 어레이의 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

1: 전극 패드(제1 전극 층)

2: 기판

3: 유기물 층

4: Ca 층[반투명한 금속 전극(TME)]

5: GaN 박막(제1 보호 층)

6: 포토레지스트(제2 보호 층)

7: ITO 층[투명한 횡형 전도체(TLC)]

8: 발광 픽셀 사이의 구역

9: 발광 구역

본 발명의 목적은, 제1 전극 층을 제공하는 기판, 제2 전극 층, 그리고 상기 제1 전극 층과 제2 전극 층 사이의 하나 이상의 발광 유기물 층을 구비하는 다층 구조의 유기물 발광 디바이스의 제조 방법을 제공함으로써 실현된다. 본 발명에 의하면, 상기 제2 전극 층은 반투명한 금속 전극(TME) 층과 투명한 횡형 전도체(TLC) 층 등의 2 이상의 분리된 층으로 구성된다. 상기 반투명한 금속 전극 층을 상기 발광 유기물 층 위에 침적한다. 투명한 횡형 전도체(TLC)인 광투과성 재료 층의 후속 침적 공정의 작용에 대한 보호 목적으로, 1 이상의 투명한 비발광 보호 층을 상기 반투명한 금속 전극(TME) 층 위에 침적시킨다. 상기 보호 층은 산소 분위기에서 ITO의 스퍼터링 또는 증발법과 같은 침적 공정의 격렬한 작용으로부터 상기 발광 유기물 층과 반투명한 금속 전극(TME) 층을 보호해야 한다.

상기 보호 층으로 사용할 수 있는 재료로는 일반적으로, 포토레지스트 또는 에폭시 수지 외에 GaN, AlN, SiN, 기타의 질화물, 또는 CaF, MgF, 기타의 불화물과 같은 투명한 절연체 또는 반도체가 있다. 상기 투명한 횡형 전도체(TLC)로는 인듐-주석 산화물(ITO)을 사용하는 외에도 InGaN, TiN, InO, 또는 기타의 투명하고 전도체인 금속 산화물도 적용할 수 있다.

보호 층을 제공한다는 본 발명의 기본 사상을 기초로 해서, 이하에서는 면적이 넓은 유기물 표면 발광 다색 디스플레이를 제조하는 방법을 설명하겠다.

전술한 방법에 따라 기판 표면에, 제1 전극 층을 침적하여 다수의 전극 패드가 디바이스의 발광 픽셀 구역을 획정하게 한다. 다음으로, 전극 패드 뿐만 아니라 기판의 덮이지 않은 영역도 모두 덮을 수 있도록 여러 겹의 유기물 층을 제1 전극 층 위에 침적한다.

상기 유기물 층의 상면에 반투명한 금속 전극(TME) 층과 같은 전도체 층을 피복한다. 이 전도체 층은 상기 유기물 층에 대한 상부 캐리어 주입 접점(top carrier injection contact)으로 작용하며, 하나의 개별적인 픽셀에만 전류를 공급해야 한다.

반투명한 금속 전극의 상부 전체 표면을 덮도록 GaN, AlN, SiN, 기타의 질화물, 또는 CaF, MgF, 기타의 불화물로 이루어지는 제1 보호 층을 균일하게 침적한다. 상기 제1 보호 층과 반투명한 금속 전극의 상부에 패턴화된 방법으로 제2 보호 층을 침적한다. 상기 제1 전극 층의 각 전극 패드 구역에 의해 각각 획정되는 디스플레이(픽셀)의 발광 구역이 덮이도록, 포토레지스트 또는 에폭시 수지로 형성되고, 따라서 포토리소그래피 또는 다른 패터닝에 적합한 제2 보호 층에 패턴을 형성한다. 픽셀 사이 공간은 제1 보호 층으로만 덮인다.

ITO 등으로 제조되는 투명한 횡형 전도체를 침적하기 위한 후속의 스퍼터링 또는 증발 공정에서, 발광 구역, 즉 픽셀 구역은 제1 보호 층과 제2 보호 층으로 덮여서 이들 보호 층에 의해 보호된다. 상기 투명한 횡형 전도체는 발광 구역 사이의 구역에서 반투명한 금속 전극과 접촉을 형성해야 하는데, 이는, 제1 보호 층의 얇은 층이 전도성이거나, 또는 침적 공정에서 상기 투명한 횡형 전도체가 제1 보호 층을 관통해서 상기 반투명한 금속 전극과 접촉하게 된다는 것을 의미한다.

상기 방법으로, 유기물 층의 활성 구역을 손상시키지 않고 고투명성의 공통 상부 전극을 침적할 수 있다. 투명한 횡형 전도체로부터 발광 픽셀로의 전기적 접촉은, 상기 투명한 횡형 전도체가 반투명한 금속 전극과 접촉하는 픽셀의 사이 공간을 통해서 이루어진다. 상기 공정으로 면적이 넓은 디스플레이를 제조할 수 있는데, 그 이유는 반투명한 금속 전극이 고투명성으로서 하나의 픽셀에 충분한 전류를 공급할 수 있을 만큼 충분히 두껍기 때문이다. 상기 두껍고 투명한 횡형 전도체에 전류를 전체 디스플레이에 공급하는 고전류 밀도가 발생한다.

이하, 첨부된 도면과 관련하여, 본 발명을 상세히 설명한다. 도면들은 일정한 축적으로 작성되지 않았다고 하는 점을 주의해야 한다.

도 1은 유기물 디스플레이의 픽셀 소자의 일례를 단면도로서 보여준다. 유기물 디스플레이의 픽셀은 애노드(anode)로 작용하는 금속제 전극 패드(1)에 의해 획정된다.

상기 전극 패드(1)는 기판(2)의 표면 내로 합체되고 도시되지 않은 합체된 구동 회로와 연결된다. 기판(2)의 상부에 여러 겹의 유기물 층(3)이 차례로 침적되어 전극 패드(1)를 덮으며, 캐소드(cathode)가 되는 5 nm의 얇은 Ca 층으로 마무리되어 있는데, 상기 Ca 층은 전도체 층(4)의 일례로서 반투명한 금속 전극(TME)이라고도 불린다. Ca 층(4)을 산화 및 후속의 제2 보호 층 침적 공정으로부터 보호할 목적으로 20 nm의 GaN 박막 층이 침적된다.

포토레지스트(6)를 GaN 박막(5)에 회전도포(spincoating)해서, 애노드 전극 패드(1)가 획정하는 구역보다 넓은 구역이 상기 포토레지스트(6)로 덮이도록 한다. 그러면 상기 얇고 투명한 포토레지스트(6)로 인해서 후속 ITO의 스퍼터링 공정에서 발광 구역이 플라스마에 의해 손상되는 것이 방지된다. 다음으로, ITO 층(7)을 침적시킨다. 포토레지스트(6)가 덮이지 않은 영역(8)에 있어서는 스퍼터링 공정 중에 이온이 얇은 GaN 박막(5)을 통과하며, ITO 층(7)은 Ca 층(4)과 접촉하게 된다.

몇 개의 픽셀 소자로 이루어진 어레이의 평면도인 도 2에서 분리된 픽셀 소자들의 배치를 명확히 볼 수 있다. 각 픽셀의 크기는 전극 패드 구역(1), 즉 발광 구역(9)에 의해 획정된다. 상기 발광 구역(9)은 포토레지스트(6) 층과 같은 제2 보호 층과 겹쳐진다. 각 픽셀 사이 구역(8)에서 ITO 층(7), 즉 소위 투명한 횡형 전도체 층이 얇은 금속 전극인 Ca 층(4)과 전기적으로 접속된다.

제1 보호 층 및 제2 보호 층과 투명한 횡형 전도체 층의 세부 사항에 관하여는 다음 사항들이 만족되어야 한다.

제1 보호 층은 전도체 또는 절연체인 매우 투명한 재료로 제조한다. 상기 제1 보호 층의 표면에 수직인 절연 재료의 경우, 투명한 횡형 전도체 층의 침적 공정은 상기 투명한 횡형 전도체가 반투명한 금속 전극(TME)과 접촉하도록, 예를 들면 스퍼터링 등의 공정을 선택한다. 사용할 수 있는 재료에는 GaN, AlN, SiN, 기타의 질화물, 또는 CaF, MgF, 기타의 불화물이 있다.

제1 보호 층을 반투명한 금속 전극(TME) 층에 침적시키는 공정에서 유일하게 요구되는 사항은 TME 또는 하부의 유기물 층을 손상시키지 말아야 한다는 것이다. 적절한 침적 기술로는 플라스마 강화 분자 빔 침적법(plasma enhanced molecular beam deposition), 가열 증발법(thermal evaporation), 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition) 등이 있다.

제2 보호 층은 포토레지스트나 에폭시 수지와 같이 패턴 형성이 용이하고 매우 투명한 재료로 구성된다. 적절한 공정으로는 회전 도포법(spincoating), 분무법(spraying), 디핑법(dipping) 등이 있다. 또한 광출력을 향상시키기 위해 렌즈 형태로 형성된 적합한 굴절률의 재료를 사용할 수 있다.

투명한 횡형 전도체(TLC)에는 ITO, InGaN, InO 등과 같이 매우 투명하고 전도율이 높은 재료를 사용한다. 제2 보호 층 아래에서 바닥 전극에 의해 획정되고 보호 층으로 덮여 있는 구역 내에 있는 하부 유기물 층이 침적 공정 중에 손상되지 않도록 해야 한다. 침적 공정으로 스퍼터링과 증발법을 사용할 수 있다.

본 발명에 의하면, 발광 구역을 손상시키지 않으면서 횡방향 전도율(lateral conductivity) 및 투과율이 높은 구조의 유기물 발광 디바이스를 제조할 수 있는 방법과, 그 디바이스가 제공된다.

Claims (16)

1. 제1 전극 층(1)을 제공하는 기판(2), 제2 전극 층(4, 7), 그리고 상기 제1 전극 층과 제2 전극 층 사이의 하나 이상의 발광 유기물 층(3)을 구비하며, 상기 제2 전극 층은 반투명한 금속 전극 층(4)과 투명한 횡형 전도체 층(7)을 구비하는 다층 구조의 유기물 발광 디바이스의 제조 방법으로서, 상기 발광 유기물 층(3) 위에 반투명한 금속 전극 층(4)을 침적시키는 단계, 다음으로 상기 반투명한 금속 전극 층(4) 위에 1 이상의 보호 층(5, 6)을 침적시키는 단계, 그리고 상기 보호 층(5, 6) 위에 투명한 횡형 전도체(7)를 침적시키는 단계를 포함하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 보호 층(5, 6)은 GaN, AlN 및 SiN을 비롯한 질화물과, CaF 및 MgF를 비롯한 불화물에서 선택된 투명한 재료, 포토레지스트 또는 에폭시 수지를 단독 또는 조합으로 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 투명한 횡형 전도체(7)는 인듐-주석 산화물(ITO) 및 InO를 비롯한 금속 산화물, 또는 InGaN 및 TiN을 비롯한 금속 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 투명한 횡형 전도체(7)는 상기 보호 층(5, 6) 위에 스퍼터링 또는 기상 증착되는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 층(1)은 상기 기판(2)에 합체되고, 다수의 서로 분리된 개별적인 전극 패드를 제공하는 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 1 이상의 상기 발광 유기물 층(3)은 상기 제1 전극 층(1) 위에 직접 침적되는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 반투명한 금속 전극(4)은 상기 1 이상의 발광 유기물 층에 대한 상부 캐리어 주입 접점으로 작용하는 얇은 금속 층인 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 보호 층은 광을 방출하지 않는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 보호 층은 제1 보호 층 및 제2 보호 층의 2 이상의 층을 구비하고, 상기 반투명한 금속 전극(4) 위에는 오로지 상기 제1 보호 층(5)만이 침적되는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 제1 보호 층(5)은 질화물 또는 불화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
11. 제10항에 있어서, 제1 전극 층(1)의 크기에 의해 획정되는 발광 구역이 제2 보호 층(6)에 의해 추가적으로 덮이도록 상기 제2 보호 층(6)을 상기 제1 보호 층(5) 위에 침적시키고 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 제2 보호 층(6)은, 포토리소그래피로 국부적으로 제거하거나 기타 방법으로 패턴을 형성할 수 있는 포토레지스트 또는 에폭시 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 제2 보호 층(6) 위에 스퍼터링이나 기상 증착 등의 침적법으로 상기 투명한 횡형 전도체(7)를 침적시키는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스의 제조 방법.
14. 제1 전극 층(1)을 제공하는 기판(2), 제2 전극 층(4, 7), 그리고 상기 제1 전극 층과 제2 전극 층 사이의 하나 이상의 발광 유기물 층(3)을 구비하는 다층 구조의 유기물 발광 디바이스에 있어서, 상기 제1 전극 층(1)은 상기 기판(2)의 안 또는 위에서 서로 일정 간격을 두고 위치하는 다수의 개별적인 전극 패드를 구비하고, 상기 하나 이상의 발광 유기물(3)은 상기 제1 전극 층(1)을 전적으로 덮고 또한 반투명한 금속 전극 층(4)으로 덮이며, 상기 반투명한 금속 전극 층(4) 위에 보호 층이 침적되고 그 위에 투명한 횡형 전도체(7)가 침적되는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스.
15. 제14항에 있어서, 상기 보호 층은, 오로지 상기 반투명한 금속 전극 층(4)의 표면을 덮는 제1 보호 층(5)과, 상기 제1 보호 층 위에 침적되어 각각의 상기 전극 패드(1)와 겹치는 분리된 구역을 구비하는 제2 보호 층(6)의 2개의 분리된 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스.
16. 제15항에 있어서, 상기 제1 보호 층(5)은 질화물 또는 불화물로 이루어지고, 상기 제2 보호 층(6)은 포토레지스트 또는 에폭시 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기물 발광 디바이스.