KR20010062985A

KR20010062985A - 유기물 전기발광소자

Info

Publication number: KR20010062985A
Application number: KR1019990059774A
Authority: KR
Inventors: 박혁; 황도훈; 도이미; 이정익; 추혜용; 김성현; 정태형
Original assignee: 오길록; 한국전자통신연구원
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2001-07-09

Abstract

본 발명은 전기발광소자 기술에 관한 것으로, 특히 전기발광 특성을 갖는 단분자 유기물 또는 고분자 유기물을 발광층으로 하는 유기물 전기발광소자에 관한 것이다. 본 발명은 음전극의 전하 주입 효율을 높여 낮은 전압에서 더 높은 효율을 갖는 유기물 전기발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은, 기판 상에 차례로 적층된 양전극, 정공 수송층, 전자수송층 및 음전극을 포함하여 이루어진 유기물 전기발광소자에 있어서, 상기 음전극이, 열전자가 에너지를 잃지 않고 통과할 수 있는 두께를 가지는 제1 금속층; 상기 제1 금속층 상에 제공되며, 전자 관통이 가능한 두께를 가지는 부도체층; 및 상기 부도체층 상에 제공되는 제2 금속층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

유기물 전기발광소자{An organic eletroluminescence device}

본 발명은 전기발광소자 기술에 관한 것으로, 특히 전기발광 특성을 갖는 단분자 유기물 또는 고분자 유기물을 발광층으로 하는 유기물 전기발광소자에 관한 것이다.

전기발광소자는 간단하게는 양극, 발광층 및 음극으로 구성된다.

첨부된 도면 도 1은 종래의 유기물 전기발광 디스플레이의 단면 구성을 도시한 것으로, 유리 기판(11) 상에 투명 전극(양극)(12), 정공 수송층(13), 발광층(전자 수송층)(14) 및 금속 전극(음극)(15)이 적층된 구조를 나타내고 있다. 여기서, 정공 수송층(13)과 발광층(전자 수송층)(14)이 유기물로 이루어진다.

투명 전극(12)과 금속 전극(15)을 전원의 (+) 단자와 (-) 단자에 각각 연결하면, 정공은 투명 전극(12)을 통하여 정공 수송층(13)에 공급되고, 전자는 금속 전극(15)을 통하여 전자 수송층(14)에 공급되어 정공과 전자가 발광층(전자 수송층)(14)에서 결합하여 발광하게 된다. 소자에 따라서는 정공 수송층(13)이 발광층의 역할을 할 수도 있으며 다른 목적의 유기물층이 삽입되는 다층 소자로 구성될 수도 있다. 이 소자의 효율은 주로 투명 전극(12)에서 정공 수송층(13)으로의 정공 주입 효율과 금속 전극(15)에서 전자 수송층(14)으로의 전자 주입 효율의 균형에 의하여 크게 좌우된다.

유기물 전기발광 소자에서 정공 수송층(13) 물질로 주로 사용되는 TPD(N-N'-diphenyl-N-N'-bis(3-methylphenyl)-[1-1'-biphenyl]-4-4'-diamine)의 경우, 정공의 수송에 관여하는 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 준위가 약 5.3 eV 정도로 알려져 있으며, 전자 수송층(발광층)(14) 물질로 많이 사용되는 Alq₃(tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum)의 경우, 전자의 수송에 관여하는 LUMO(LowestUnoccupied Molecular Orbital) 준위가 약 3 eV 정도로 알려져 있다. 이러한 물질에 투명 전극(12)으로 ITO(indium-tin-oxide)를 양전극으로 사용하면 ITO의 일함수가 4.7 eV 정도이므로 전하 주입 장벽이 약 0.6 eV 정도이다. 반면 일함수가 4.3 eV로 알려진 알루미늄을 금속 전극(15)으로 사용할 경우, 전하주입 장벽은 1.3 eV가 되어 심각한 전하 주입의 불균형이 발생하며 이에 따라서 소자의 효율도 낮다.

이를 개선하기 위하여 칼슘(Ca, 2.9 eV), 마그네슘(Mg, 3.7 eV) 등과 같이 낮은 일함수를 갖는 금속 전극(15) 물질로 사용할 수 있으나, 이러한 금속들은 공기중의 수분이나 산소에 의하여 산화가 쉽게 되므로 상용 제품에 적용하기에는 많은 문제가 따른다.

이에, 알루미늄과 같이 높은 일함수를 가지는 금속을 사용하면서도 전자의 주입이 쉽게 일어날 수 있는 전극 구조에 대한 연구가 많이 수행되어 왔다. 가장 잘 알려진 방법은 금속 전극(음극)과 전자 수송층 사이에 전자 관통 영역 두께의 부도체 박막을 삽입하는 방법이다. 이 방법은 J.M. Ballentyne에 의해 제안되었으며 CdS나 GaAs등에 정공주입을 위한 전극으로 사용되어 좋은 효과를 보임이 관측되었다[U.S. Patent 40657870, 1977].

한편, H.H. Kim 연구팀은 실리콘 위에 고분자 전기발광 소자를 구성하면서 전극으로 사용된 n형 실리콘으로부터 MEH-PPV(발광층)로의 전자 주입 효율을 증대시키기 위하여 실리콘과 고분자 유기물층 사이에 실리콘산화막(SiO₂)으로 이루어진 절연막의 두께를 변화시키면서 발광 효율을 측정하여 절연막이 없을 때보다 전자 관통 영역의 절연막이 있을 때 효율이 향상됨을 보고한 바 있다[J. LightwaveTechnol., 12, 2107, (1994)].

또한, 김영은 연구팀은 유리 기판 위에 MEH-PPV로 발광층을 형성하고 그 위에 랑뮈어-블라짓 방법으로 몇 층의 단분자 막을 형성한 후 알루미늄을 증착한 소자를 제작하여 6층의 단분자 막을 입혔을 때 가장 효율이 좋다는 것을 관측하였다[U.S. Patent 5,949,089].

그리고, L.S. Hung 연구팀은 절연막으로 LiF를 사용하여 유기물 이종접합 발광소자에 적용하여 효율이 향상됨을 보고하였으며, 이 방법은 유기물 이종접합 전기발광소자에서 현재 많이 쓰이고 있다[U.S. Patent 5,776,622].

또 다른 방법으로, G.E. Jabbour 연구팀은 알루미늄에 LiF 또는 CaF를 동시 증착한 전극을 사용한 유기물 이종접합소자의 발광효율(Luminous efficiency)이 LiF 절연막을 사용한 소자에 비하여 2 배 가량 향상됨을 보고한 바 있다.

그러나, 이러한 종래의 방법들은 Alq₃보다 높은 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 준위를 가지는 물질을 전자수송층으로 사용하고자 하는 경우에는 문제가 될 수 있으며, 알루미늄 이외의 금속을 음전극으로 사용하는 경우에 전자주입이 충분하지 못할 수 있다.

본 발명은 음전극의 전하 주입 효율을 높여 낮은 전압에서 더 높은 효율을 갖는 유기물 전기발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 유기물 전기발광 디스플레이의 단면 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기물 전기발광소자의 단면 구성도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기물 전기발광소자의 단면 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 다층 구조의 음전극의 동작원리를 나타낸 개념도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

21 : 유리 기판 22 : 투명 전극

23 : 정공 수송층 24 : 전자 수송층(발광층)

25a : 제1 금속층 25b : 부도체층

25c : 제2 금속층

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 차례로 적층된 양전극, 정공 수송층, 전자수송층 및 음전극을 포함하여 이루어진 유기물 전기발광소자에 있어서, 상기 음전극이, 열전자가 에너지를 잃지 않고 통과할 수 있는 두께를 가지는 제1 금속층; 상기 제1 금속층 상에 제공되며, 전자 관통이 가능한 두께를 가지는 부도체층; 및 상기 부도체층 상에 제공되는 제2 금속층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.

첨부된 도면 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기물 전기발광소자의 단면 구성을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.

본 실시예에 따른 유기물 전기발광소자는, 도시된 바와 같이 유리 기판(21) 상에 투명 전극(22), 정공 수송층(23), 전자 수송층(발광층)(24)과 다층 구조의 음전극(25a, 25b, 25c)이 적층된 구조를 가지고 있다.

다층 구조의 음전극(25a, 25b, 25c)은 제1 금속층(25a), 부도체층(25b) 및 제2 금속층(25c)으로 이루어진다.

제1 및 제2 금속층(25a, 25c)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 금속 또는 알루미늄-리튬 합금, 마그네슘-은 합금과 같은 합금으로 구성하는데,제1 금속층(25a)은 열전자(hot electron)가 에너지를 잃지 않고 통과할 수 있는 두께(1∼20 nm)를 가지며, 제2 금속층(25c)은 임의의 두께를 가질 수 있다. 한편, 부도체층(25b)은 LiF, Al₂O₃, SiO₂, CeF 등의 무기물 부도체 또는 유기물 부도체를 전자 관통이 가능한 두께(0.1∼10 nm)로 형성한다.

이 소자에는 필요에 따라 발광층과 전자 수송층을 분리할 수 있으며, 그 외 CuPc 등으로 이루어진 버퍼층이 정공 수송층(23)과 투명 전극(22) 사이에 삽입될 수도 있다. 또한 소자에 따라 다른 기능을 하는 유기물층이 더해져서 다층의 유기물 박막으로 이루어지는 소자가 될 수도 있다.

첨부된 도면 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기물 전기발광소자의 단면 구성을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.

본 실시예에 따른 유기물 전기발광소자는, 도시된 바와 같이 유리 기판(31) 상에 투명 전극(32), 정공 수송층(33), 전자 수송층(발광층)(34)과 다층 구조의 음전극(35a, 35b, 35c, 35d)이 적층된 구조를 가지고 있다.

여기서, 다층 구조의 음전극(35a, 35b, 35c, 35d)은 절연층(35a), 제1 금속층(35b), 부도체층(35c) 및 제2 금속층(35d)로 구성되며, 상기 일 실시예와 다른 점은 1∼20Å 두께의 절연층(35a)이 더 삽입된 것이다. 절연층(35a)은 전자의 주입을 돕기 위하여 삽입된 것이다.

첨부된 도면 도 4는 본 발명에 따른 다층 구조의 음전극의 동작원리를 나타낸 개념도로서, 도면 부호 '41'은 투명 전극(양전극), '42'는 정공수송층, '43'은 전자 수송층(발광층), '44a'는 제1 금속층, '44b'는 부도체층, '44c'는 제2 금속층을 각각 나타낸 것이다.

우선, 제2 금속층(음전극)(44c)과 투명 전극(양전극)(41)에 전압을 가하면, 부도체층(44b)의 저항에 전압에 의하여 제1 금속층(44a)와 제2 금속층(44c) 사이에는 전위차가 존재하게 된다. 따라서 제2 금속층(44c)에서 제1 금속층(44a)로 부도체층(44b)을 통하여 관통하는 전자는 제1 금속층(44a)에서 금속의 페르미 준위보다 높은 에너지를 갖게 된다. 이 전자는 제1 금속층(44a) 내에서 포논(phonon) 또는 금속의 결함 등과 충돌하면서 에너지를 잃으면서 제1 금속층(44a)과 정공 수송층(43)의 경계면에 도달하게 된다. 제1 금속층(44a)의 비율을 적절히 조절함으로써 이 전자가 대부분 제1 금속층(44a)을 통과하여 정공수송층(43)의 LUMO로 입사될 수 있도록 할 수 있다. 금속에서 정공 수송층(42) 또는 전자 수송층(43)으로의 전하주입은 금속의 페르미 준위와 정공 수송층(42)의 경우 HOMO 레벨, 전자 수송층(43)의 경우 LUMO 레벨과의 에너지 차이에 의하여 결정된다. 전극의 페르미 준위보다 높은 에너지를 가지는 전자가 주입되는 경우에는 소자의 입장에서는 페르미 준위가 유기반도체의 HOMO 레벨 또는 LUMO 레벨에 더 근접한 금속을 쓰는 것과 같은 효과를 얻게 된다.

한편, 금속의 페르미 에너지 보다 높은 에너지를 가지는 전자가 에너지를 잃지 않고 경계면에 도달하는 비율은 금속과 반도체의 접합에서의 내부 광자방출(internal photoemission)의 양자효율로부터 추정할 수 있으며, 일반적으로 금속의 두께에 따라서는 지수적으로 감소한다는 것이 알려져 있다. 양자효율이 1/e로 감소하는 두께, 즉 이 지수함수의 특성 두께는 금속의 종류 및 전자의 운동에너지에 따라 큰 차이를 보이며 전자와 정공에 대한 값이 약간의 차이를 보인다.

전자에 대한 특성 두께는 금(Au)의 경우 페르미 준위보다 1 eV 높은 에너지를 가질 때 약 700 Å에 이르며, 2 eV일 때 200 Å, 5 eV 일 때도 70 Å의 값을 가지는 것이 보고되고 있다. 페르미 준위보다 1 eV높은 에너지를 갖는 전자를 기준으로 할 때 은(Ag)의 경우 550 Å, 구리(Cu)의 경우 50∼200 Å, 팔라듐(Pd)은 170 Å의 값을 갖는 것이 보고되어 있다.

한편, 이러한 비율은 알루미늄(Al)의 경우는 확실하지 않다. 따라서 은(Ag)을 제1 및 제2 금속층(44a, 44c)으로 사용하고, 제1 금속층(44a)의 두께를 100 Å 이내로 조절하면 80 % 이상의 전자가 에너지를 잃지 않고 통과하여 유기반도체의 LUMO로 입사하도록 하는 것이 가능하다. Al의 경우는 이 두께의 최적화 조건이 더 까다로울 것으로 예상된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 본 발명은 유기반도체로 이루어진 발광소자에서 효율적으로 전자를 주입할 수 있는 음전극의 구조를 제안하여 고효율의 저전압 구동 유기물 전기발광소자를 구성할 수 있으며, 또한 전극의 저항이 문제가 되는 대면적 디스플레이의 경우 전극의 재질을 은이나 구리 등의 비저항이 적은 물질로 대체함으로써 전극의 저항에 대한 제한을 완화할 수 있다.

Claims

기판 상에 차례로 적층된 양전극, 정공 수송층, 전자 수송층 및 음전극을 포함하여 이루어진 유기물 전기발광소자에 있어서,

상기 음전극이,

열전자가 에너지를 잃지 않고 통과할 수 있는 두께를 가지는 제1 금속층;

상기 제1 금속층 상에 제공되며, 전자 관통이 가능한 두께를 가지는 부도체층; 및

상기 부도체층 상에 제공되는 제2 금속층을 구비하는 것을 특징으로 하는 유기물 전기발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 금속층은,

금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄-리튬 합금, 마그네슘-은 합금 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기물 전기발광소자.
제2항에 있어서,

상기 제1 금속층은,

1∼20 nm 두께인 것을 특징으로 하는 유기물 전기발광소자.
제1항에 있어서,

상기 부도체층은,

LiF, Al₂O₃, SiO₂, CeF, 유기물 부도체 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기물 전기발광소자.
제4항에 있어서,

상기 부도체층은,

0.1∼10 nm 두께인 것을 특징으로 하는 유기물 전기발광소자.
제2항에 있어서,

상기 제2 금속층은,

금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄-리튬 합금, 마그네슘-은 합금 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기물 전기발광소자.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 음전극과 상기 전자수송층의 전하 주입 장벽을 줄이기 위한 절연층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유기물 전기발광소자.
제7항에 있어서,

상기 절연층은,

5∼20Å 두께인 것을 특징으로 하는 유기물 전기발광소자.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 양전극과 상기 정공 수송층 사이에,

버퍼층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유기물 전기발광소자.
제9항에 있어서,

상기 버퍼층은,

CuPc로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기물 전기발광소자.