KR20030053545A - 고효율 유기 전기 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본원은 애노드 전극으로부터 발광층으로 정공의 주입을 용이하게 하여, 고효율을 실현할 수 있는 고효율 유기 전기 발광 소자 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 고효율 유기 전기 발광 소자는 기판, 상기 기판상에 형성되는 애노드 전극, 상기 애노드 전극과 대향되는 캐소드 전극, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재되는 발광층, 상기 애노드 전극과 발광층 사이에 순차적으로 개재되는 정공 주입층 및 정공 수송층, 상기 발광층과 캐소드 전극 사이에 순차적으로 개재되는 전자 수송층 및 전자 주입층, 및 상기 발광층과 정공 수송층 사이에 개재되며, 상기 정공 수송층으로부터 상기 발광층으로의 정공 흐름이 원활하게 하는 버퍼층을 포함한다.

Description

고효율 유기 전기 발광 소자 및 그 제조방법{High efficient organic electro-luminescence device and method for manufacturing the same}
본 발명은 고효율 유기 전기 발광 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 애노드 전극으로부터 발광층으로 정공의 주입을 용이하게 하여, 고효율을 실현할 수 있는 고효율 유기 전기 발광 소자를 제공하는 것이다.
디스플레이 디바이스는 경량화, 박막화 및 고해상도를 요구하고 있으며, 이를 만족시키기 위한 디바이스들이 계속 연구 개발되고 있다. 현재에는 이러한 요구를 만족시키기 일환으로, 액정 표시 장치 및 유기 전기 발광 소자의 기판으로 유리 대신 비교적 가볍고 박막화가 가능한 플라스틱 기판이 이용되고 있다.
도 1은 플라스틱 기판에 형성되는 일반적인 유기 전기 발광 소자의 단면도로서, 도 1을 참조하여, 일반적인 유기 전기 발광 소자에 대하여 설명하도록 한다.
플라스틱 기판(10) 상부에 애노드(anode) 전극(15)과 캐소드(cathode) 전극(20)이 소정 간격을 두고 대향되어 있다. 애노드 전극(15)과 캐소드 전극(20) 사이에는 이들 전극들에 전압 또는 전류 인가시 발광되는 발광층(25)이 개재된다.
이때, 유기 전기 발광 소자의 효율을 증대시키기 위하여, 종래에는 발광층의 재료를 개선하는 방법, 발광층을 도핑하는 방법, 전극에 의하여 발생되는 전자 및 정공들이 발광층(25)내로 용이하게 주입되도록 전극(15,20) 및 발광층(25)사이를계면 처리하는 방법 등이 제안되고는 있다. 하지만, 위의 방법은 신소재를 개발하여야 하는 어려움이 따르므로, 현재에는 애노드 전극(15)과 발광층(25) 사이에는 정공 주입층(30:Hole injection layer:HIL) 및 정공 수송층(32:Hole transport layer:HTL)을 순차적으로 형성하고, 발광층(25)과 캐소드 전극(20) 사이에는 전자 수송층(34:Electron transport layer) 및 전자 주입층(36:Electron injection layer:EIL)을 순차적으로 형성하여, 유기 전기 발광 소자의 효율을 증대시키고 있다. 이때, 정공 주입층(30), 정공 수송층(32), 전자 수송층(34) 및 전자 주입층(36)은 예를들어, 유기박막으로 형성된다.
그러나, 종래의 유기 전기 발광 소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 종래의 정공 수송층(32)은 발광층(25)으로 정공의 수송을 용이하게 하기 위하여 개재되는데, 정공 수송층(32)과 발광층(25) 사이에는 도 2에 도시된 바와 같이 약 0.2 내지 0.5eV의 에너지 밴드갭 차이(△e)가 존재한다. 이와같이 정공 수송층(32) 및 발광층(25)의 큰 에너지 밴드갭 차이(△e)가 발생되면, 정공 수송층(32)의 가전자 대역(valance band)과 발광층(25)의 가전자 대역이 불연속적이 되어, 애노드 전극(15)으로부터 발생되는 정공이 발광층(25)내로 용이하게 수송되기 어렵다.
이러한 문제점은 특히, 유기 전기 발광 소자의 파장이 짧을수록, 즉, 발광층을 구성하는 물질의 밴드갭이 클수록 더욱 심각하다.
또한, 이와같이 수송자의 주입이 어려우면, 유기 전기 발광 소자의 구동 전압이 상승하게 되는 문제점이 있다. 그러한 예로는 적색 유기 전기 발광 소자 보다청색 유기 전기 발광 소자의 구동 전압이 높음을 들 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 애노드 전극으로부터 정공의 주입을 용이하게 하여, 고효율을 실현할 수 있는 고효율 유기 전기 발광 소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기한 고효율 유기 전기 발광 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 일반적인 유기 전기 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1의 유기 전기 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자의 발광 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
100 : 기판 110 : 애노드 전극
120 : 정공 주입층 130 : 정공 수송층
140 : 버퍼층 150 : 발광층
160 : 전자 수송층 170 : 전자 주입층
180 : 캐소드 전극
본 발명의 목적과 더불어 그의 다른 목적 및 신규한 특징은, 본 명세서의 기재 및 첨부 도면에 의하여 명료해질 것이다.
본원에서 개시된 발명중, 대표적 특징의 개요를 간단하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 고효율 유기 전기 발광 소자는 기판, 상기 기판상에 형성되는 애노드 전극, 상기 애노드 전극과 대향되는 캐소드 전극, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재되는 발광층, 상기 애노드 전극과 발광층 사이에 순차적으로 개재되는 정공 주입층 및 정공 수송층, 상기 발광층과 캐소드 전극 사이에 순차적으로 개재되는 전자 수송층 및 전자 주입층, 및 상기 발광층과 정공 수송층 사이에 개재되며, 상기 정공 수송층으로부터 상기 발광층으로의 정공 흐름이 원활하게 하는 버퍼층을 포함한다.
또한, 상기 버퍼층은 상기 정공 수송층과 발광층의 소재로 구성되므로 정공수송층의 에너지 밴드갭 및 상기 발광층의 에너지 밴드갭을 모두 포함한다. 상기 버퍼층은 상기 정공 수송층을 구성하는 물질에 10% 내지 60% 정도의 몰비로 발광층이 혼합된 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 버퍼층은 약 1 내지 50nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 견지에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자의 제조방법은, 먼저, 기판상에 애노드 전극을 형성한다음, 상기 애노드 전극 상부에 정공 주입층과 정공 수송층을 순차적으로 형성한다. 그리고 나서, 정공 수송층 상부에 버퍼층을 형성한 후, 상기 버퍼층 상부에 발광층을 형성한다. 다음, 상기 발광층 상부에 전자 수송층과 전자 주입층을 순차적으로 형성하고, 상기 전자 주입층 상부에 캐소드 전극을 형성한다.
상기 버퍼층은, 상기 정공 수송층을 구성하는 물질과 상기 발광층을 구성하는 물질을 동시 공급하여 증착함이 바람직하다. 상기 발광층 물질은 상기 정공 수송층 물질의 약 10 내지 60% 정도 공급하는 것이 바람직하다.
상기 버퍼층은 진공 증착 중합법, 스퍼터링법, 진공 증착법, 진공열증착법 또는 전자빔 증착법으로 증착할 수 있다.
본 발명에 의하면 유기 전기 발광 소자의 발광층과 정공 수송층 사이에 정공 수송층 및 발광층의 에너지 밴드를 모두 가지고 있는 버퍼층을 개재한다. 이에따라, 정공 수송층으로부터 버퍼층, 및 버퍼층으로부터 발광층으로의 정공 주입이 용이하여, 발광 소자를 낮은 전압에서 구동할 수 있다.
(실시예)
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 반도체 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 어떤 층은 상기 다른 층 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제 3의 층이 개재되어질 수 있다.
첨부한 도면 도 3은 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자의 발광 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
먼저, 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자에 대하여 설명하도록 한다.
도 3을 참조하여, 기판(100) 상부에 애노드 전극(110)과 캐소드 전극(180)은 일정 거리를 두고 대향되어 있다. 기판(100)은 가벼운 소재인 플라스틱 기판이나, 유리 기판이 사용될 수 있다. 또한, 애노드 전극(110)은 투명 도전층, 예를들어,ITO(indium tin oxide) 물질로 형성될 수 있고, 캐소드 전극은 금속층, 예를들어, 마그네슘-은(Mg-Ag) 또는 리튬-알루미늄(Li-Al) 물질로 형성될 수 있다.
애노드 전극(110)과 캐소드 전극(180) 사이에는 발광층(150)이 개재된다. 발광층(150)은 알려진 바와 같이 유기 물질로서, 이 발광층(150)은 발광하고자 하는 색상에 따라 그 물성이 다르다. 예를들어, 녹색 유기 전기 발광 소자일 경우, 발광층은 예를들어, 트리스(8-하이드록시퀴놀리네이토알루미늄(tris(8-hydroxyquinolinato aluminum:Alq3)를 포함하고, 적색 유기 전기 발광 소자일 경우, 발광층은 4-dicyanomethylene-6-체-julodidinostyryl-2-tert-batyl-4H-pyran : DCJTB) 을 포함할 수 있다 또한, 청색 유기 전기 발광 소자일 경우 발광층은 예를들어 4-4'-Bis(2,2-diphenylethen-1-yl)biphenyl : DPVBi) 을 포함할 수 있다.
애노드 전극(110)과 발광층(150) 사이에는 정공 주입층(120) 및 정공 수송층(130)이 순차적으로 형성되어 있으며, 발광층(150)과 캐소드 전극(180) 사이에는 전자 수송층(160) 및 전자 주입층(170)이 순차적으로 형성되어 있다. 상기 정공 주입층(120), 정공 수송층(130), 전자 수송층(160) 및 전자 주입층(170)은 상기 종래 기술에서도 언급한 바와 같이 유기 박막으로, 유기 전기 발광 소자의 효율을 증대시키기 위하여 개재되는 막들이다. 여기서, 상기 정공 수송층(130)은 예를들어, N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'-디아민(N,N;-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1,1'-diamin:TPD)물질을 포함하는 유기물이 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 유기 전기 발광 소자는 발광층(150)과 정공 수송층(130)의 에너지 밴드 차이를 줄이기 위하여, 발광층(150)과 정공 수송층(130) 사이에 버퍼층(140)을 개재한다. 버퍼층(140)은 정공 수송층(130)과 발광층(150)의 혼합물로 구성되며, 바람직하게는 정공 수송층(130) 성분에 발광층(150)의 성분을 약 10% 내지 60% 몰비로 혼합시킨 물질이다. 아울러, 상기 버퍼층의 두께는 약 1nm 내지 50nm정도임이 바람직하다. 이에따라, 버퍼층(140)은 정공 수송층(130)의 에너지 밴드(전도 대역과 가전자 대역)와, 발광층(150)의 에너지 밴드(전도 대역과 가전자 대역)가 상존하게 된다.
이러한 본 발명의 유기 전기 발광 소자는 다음과 같은 방법으로 제조된다.
기판(100) 상부에 투명 도전층을 예를들어, 스퍼터링 방식으로 증착한다. 그후, 투명 도전층을 소정 부분 패터닝하여, 애노드 전극(110)을 형성한다. 그리고나서, 애노드 전극(110) 상부에 정공 주입층(120), 정공 수송층(130), 버퍼층(140), 발광층(150), 전자 수송층(160) 및 전자 주입층(170)을 순차적으로 적층한다. 상기 이들 막은 모두 유기 박막이므로, 진공 증착 중합법, 스퍼터링법, 진공 증착법, 진공열증착법 또는 전자빔 증착법 등으로 증착될 수 있다.
아울러, 버퍼층(140)은 정공 수송층(130) 물질과 발광층(150) 물질을 동시 공급하여 증착된다.
그후, 전자 주입층(170), 전자 수송층(160), 발광층(150), 버퍼층(140), 정공 수송층(130) 및 정공 주입층(170)을 소정 형태로 패터닝한다.
다음, 전자 주입층(170) 상부에 금속층을 증착한 다음, 소정 부분 패터닝하여 캐소드 전극(180)을 형성한다.
이러한 구성 및 제조 방법으로 구현된 본 발명의 유기 전기 발광 소자는 정공 수송층(130)과 발광층(150) 사이에, 정공 수송층(130) 및 발광층(150)의 성분을 포함하는 버퍼층(140)이 개재되므로써, 이 버퍼층(140) 내부에는 정공 수송층(130)의 에너지 레벨(가전자 대역 및 전도 대역) 및 발광층(150)의 에너지 레벨(가전자 대역 및 전도 대역)이 상존하게 된다. 즉, 버퍼층(140)은 제 1 및 제 2 전도 대역(EC1,EC2) 및 제 1 및 제 2 가전자 대역(EV3,EV4)을 갖는데, 제 1 전도 대역(EC1) 및 제 1 가전자 대역(EV1)은 정공 수송층(130)의 전도 대역 및 가전자 대역과 같고, 제 2 전도 대역(EC2) 및 제 2 가전자 대역(EV2)은 발광층(150)의 전도 대역 및 가전자 대역과 같다.
이에따라, 애노드 전극(110)으로부터 공급된 정공은 정공 수송층(130)에서 정공 수송층(130)과 동일한 제 1 가전자 대역(EV1)을 가지고 있는 버퍼층(140)으로의 쉽게 전이된다. 또한, 버퍼층(140)에 도달된 정공은 버퍼층(140)의 제 2 가전자 대역(EV) 대역, 즉, 발광층(150)의 가전자 대역과 동일 레벨의 가전자 대역으로 이동하여, 발광층(150)으로의 주입이 용이하다. 여기서, 버퍼층(140)내의 정공은 제 1 가전자 대역(EV1)으로부터 제 2 가전자 대역(EV2)까지 △E 만큼 이동하여야 하는데, 제 2 가전자 대역(EV2)이 제 1 가전자 대역(EV1)보다 더 낮은 에너지 레벨을 가지므로, 쉽게 전이 가능하다.
이와같이 정공 수송층(130)과 발광층(150) 사이에 버퍼층(140)을 개재함에 따라, 정공 주입이 훨씬 용이해 진다.
도 5는 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프로서, 도 5에 의하면, 버퍼층을 채용한 본 발명의 유기 전기 발광소자(▲)가 버퍼층이 없는 종래의 유기 전기 발광 소자(●)에 비하여 더 낮은 인가 전압에서 높은 전류 특성을 가짐을 알 수 있다.
또한, 도 6은 본 발명에 따른 고효율 유기 전기 발광 소자의 발광 출력 특성을 나타낸 그래프로서, 도 6에 의하면, 버퍼층을 채용한 본 발명의 유기 전기 발광 소자(▲)가 버퍼층이 없는 종래의 유기 전기 발광 소자(●)에 비하여 더 낮은 인가 전압에서 더 우수한 발광 특성 및 휘도 특성을 보임을 알 수 있다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 유기 전기 발광 소자의 발광층과 정공 수송층 사이에 정공 수송층 및 발광층의 에너지 밴드를 모두 가지고 있는 버퍼층을 개재한다. 이에따라, 정공 수송층으로부터 버퍼층, 및 버퍼층으로부터 발광층으로의 정공 주입이 용이하여, 발광 소자를 낮은 전압에서 구동할 수 있다.
이에따라, 저전압 구동이 가능하며, 발광 휘도 효율이 크게 향상된다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판상에 형성되는 애노드 전극;
    상기 애노드 전극과 대향되는 캐소드 전극;
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재되는 발광층;
    상기 애노드 전극과 발광층 사이에 순차적으로 개재되는 정공 주입층 및 정공 수송층;
    상기 발광층과 캐소드 전극 사이에 순차적으로 개재되는 전자 수송층 및 전자 주입층; 및
    상기 발광층과 정공 수송층 사이에 개재되며, 상기 정공 수송층으로부터 상기 발광층으로의 정공 흐름이 원활하게 하는 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 유기 전기 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 정공 수송층의 에너지 밴드갭 및 상기 발광층의 에너지 밴드갭을 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 유기 전기 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 정공 수송층을 구성하는 물질에 10% 내지 60% 정도의 몰비로 발광층이 혼합된 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 고효율 유기 전기 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 약 1 내지 50nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 고효율 유기 전기 발광 소자.
  5. 기판상에 애노드 전극을 형성하는 단계;
    상기 애노드 전극 상부에 정공 주입층과 정공 수송층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 정공 수송층 표면에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상부에 발광층을 형성하는 단계;
    상기 발광층 상부에 전자 수송층과 전자 주입층을 순차적으로 형성하는 단계;
    및 상기 전자 주입층 상부에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
    는 것을 특징으로 하는 고효율 유기 전기 발광 소자의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 버퍼층을 형성하는 단계는 상기 정공 수송층을 구성하는 물질과 상기 발광층을 구성하는 물질을 동시 공급하여 증착하는 것을 특징으로 하는 고효율 유기 전기 발광 소자의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 발광층 물질은 상기 정공 수송층 물질의 약 10 내지 60% 정도 공급하는것을 특징으로 하는 고효율 유기 전기 발광 소자의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 진공 증착 중합법, 스퍼터링법, 진공 증착법, 진공열증착법 또는 전자빔 증착법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 고효율 유기 전기 발광 소자의 제조방법.
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