KR20030073578A - 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자 및 그의 제조방법 Download PDF

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KR20030073578A
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Abstract

본 발명에서는, 유기전계발광층이 개재된 제 1, 2 전극이 교차되는 부분을 발광영역으로 하는 패시브 매트릭스형(passive matrix type) 유기전계발광 소자에 있어서, 기판 상에 제 1 방향으로 형성된 제 1 전극과; 상기 제 1 전극을 덮는 기판 전면에 형성된 유기전계발광층과; 상기 유기전계발광층 상부에 위치하며, 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 위치하고, W/L = 0.2 ~ 20 및 D ≥L ×20의 관계식이 성립되는 오목부와 볼록부가 서로 반복적으로 구성된 요철부를 가지는 PDMS(polydimethylsiloxane) 몰드에 의한 열전사 방식에 의해 형성된 제 2 전극을 포함하는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자(단, 상기 W(width) : 상기 오목부의 폭, L(length) : 상기 오목부의 길이, D(distance) : 오목부간의 이격거리(볼록부의 폭))를 제공함으로써, 첫째, 반영구적으로 이용할 수 있는 PDMS 몰드를 이용하여 음극 패턴을 형성하므로, 공정수 및 제조 비용이 감소시키면서 유기전계발광층에 손상이 가해지는 것을 방지할 수 있고, 둘째, PDMS 몰드의 요철부의 폭, 높이, 구간 조절을 통해 원하는 음극 패턴을 용이하게 조절할 수 있는 장점을 가진다.

Description

패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자 및 그의 제조방법{Passive Matrix Type Organic Electroluminescent Device and Method for Fabricating the same}
본 발명은 유기전계발광 소자(Organic Electroluminescent Device)에 관한 것으로, 특히 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
상기 유기전계발광 소자를 포함한 평판디스플레이(FPD ; Flat Panel Display) 분야에서, 지금까지는 가볍고 전력소모가 적은 액정표시장치(LCD ; Liquid Crystal Display Device)가 가장 주목받는 디스플레이 소자였지만, 상기 액정표시장치는 발광소자가 아니라 수광소자이며 밝기, 콘트라스트(contrast), 시야각, 그리고 대면적화 등에 기술적 한계가 있기 때문에 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 평판디스플레이 소자에 대한 개발이 활발하게 전개되고 있다.
새로운 평판디스플레이 중 하나인 상기 유기전계발광 소자는 자체발광형이기 때문에 액정표시장치에 비해 시야각, 콘트라스트 등이 우수하며 백라이트가 필요하지 않기 때문에 경량박형이 가능하고, 소비전력 측면에서도 유리하다. 그리고, 직류저전압 구동이 가능하고 응답속도가 빠르며 전부 고체이기 때문에 외부충격에 강하고 사용온도범위도 넓으며 특히 제조비용 측면에서도 저렴한 장점을 가지고 있다.
특히, 상기 유기전계발광 소자의 제조공정에는, 액정표시장치나 PDP(Plasma Display Panel)와 달리 증착 및 봉지(encapsulation) 장비가 전부라고 할 수 있기때문에, 공정이 매우 단순하다.
이하, 도 1은 일반적인 유기전계발광 소자에 대한 밴드 다이어그램(band diagram)을 나타낸 도면이다.
도시한 바와 같이, 유기전계발광 소자는 양극(1 ; anode electrode)과 음극(7 ; cathode electrode) 사이에 정공수송층(hole transporting layer)(3)과 발광층(emission layer)(4), 그리고 전자수송층(electron transporting layer)(5)으로 구성된다.
그리고, 정공과 전자를 좀 더 효율적으로 주입하기 위해 양극(1)과 정공수송층(3) 사이, 그리고 전자수송층(5)과 음극(7) 사이에 정공주입층(hole injection layer)(2)과 전자주입층(electron injection layer)(6)을 각각 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 양극(1)으로부터 정공주입층(2)과 정공수송층(3)을 통해 발광층(4)으로 주입된 정공과, 음극(7)으로부터 전자주입층(6) 및 전자수송층(5)을 통해 발광층(4)으로 주입된 전자는 여기자(exciton)(8)를 형성하게 되는데, 이 여기자(8)로부터 정공과 전자 사이의 에너지에 해당하는 빛이 발하게 된다.
상기 양극(1)은 일함수가 높은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide)와 같은 투명 도전성 물질에서 선택되어, 양극(1)쪽으로 빛이 나오게 된다. 한편, 음극(7)은 일함수가 낮고 화학적으로 안정된 금속에서 선택된다.
이러한 유기전계발광 소자로는, 주사선(scan line)과 신호선(signal line)이 교차하면서 매트릭스 형태로 소자를 구성하고, 각각의 화소(pixel)를 구동하기 위하여 주사선을 시간에 따라 순차적으로 구동하는 방식의 패시브 매트릭스 방식이 주로 이용되고 있다.
이러한 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자는, 다층 유기막이 개재된 양극(anode electrode) 및 음극(cathode electrode) 간에 전류를 가했을 때, 두 전극이 교차되는 부분에서 발광하게 된다. 이때, 상기 음극은 유기전계발광층 상부에서 일정 패턴으로 형성되는데, 상기 유기전계발광 소자에 사용되는 유기물들은 수분에 매우 약하기 때문에 유기막을 형성 다음 일반적인 사진식각(photolithography) 공정으로 패터닝 공정을 수행하기는 어렵다.
따라서, 기존에는 격벽(cathode separator)이라고 불리는 화소 분리용 구조물을 이용하여 발광 영역을 정의하였다.
도 2는 기존의 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 한 발광 영역에 대한 단면도이다.
도시한 바와 같이, 발광 영역(I) 및 발광 영역(I)의 주변부에 위치하는 비발광 영역(II)이 정의된 기판(10) 상에 양극(12)이 형성되어 있고, 양극(12) 상부의 비발광 영역(II)에 버퍼층(14)이 형성되어 있고, 버퍼층(14) 상부에는 발광 영역(I)과 비발광 영역(II) 간에 높이차를 주는 격벽(16)이 형성되어 있으며, 격벽(16) 사이 구간에 위치하는 발광 영역(I)에서는, 양극(12) 상부에 유기전계발광층(18), 음극(20)이 차례대로 형성되어 있다.
그리고, 상기 격벽(16) 상부에 유기전계발광층(18), 음극(20)과 각각 동일 물질인 유기전계발광 물질(19) 및 음극 물질(21)이 차례대로 적층되어 있다.
상기 격벽(16)은 발광 영역(I)과 비발광 영역(II)간에 높이 차를 주어 음극(20)을 별도의 패터닝 공정을 생략하고, 유기전계발광층(18)을 보호하기 위한 목적으로 형성되며, 상기 격벽(16)을 이루는 물질은 통상적으로 고분자 물질에서 선택된다. 상기 격벽(16)은 도면에서와 같이 역 테이퍼(taper)를 가지는 역사다리꼴 형상을 가지는데, 이것은 상기 격벽(16)의 패터닝이 사진식각 기술로 이루어짐에 따라, 노광량 차이에 따라 전술한 패턴을 가지기 때문이다.
그러나, 이러한 격벽 구조 유기전계발광 소자의 제조 공정은 다음과 같은 문제점을 가진다.
첫째, 유기전계발광층의 보호를 위해 음극의 패터닝 공정을 생략하는 대신, 별도의 격벽 구성을 위한 공정이 필요하다. 상기 격벽은 사진식각 공정에 의해 이루어지므로, 비교적 고가의 사진식각 공정용 재료 및 노광, 현상 장비가 요구되는 등 제조 비용이 증가한다.
둘째, 상기 격벽과 양극 사이 접촉면에 별도의 버퍼층이 요구된다.
상기 버퍼층은 격벽과 양극의 접촉 특성 및 격벽 제조 공정에 의한 양극의 손상을 방지하기 위한 목적으로 형성되는데, 상기 버퍼층을 구성하기 위해서는 절연물질을 이용한 사진식각 공정이 추가로 요구된다.
이와 같이, 기존의 별도의 사진식각 공정없이 음극을 화소별로 나누어 구성하기 위한 방법으로 격벽 구조가 제안되었으나, 이러한 구조에서는 격벽 및 격벽과 양극 사이에 버퍼층을 구성하기 위한 별도의 사진식각 공정이 요구됨에 따라 공정수 및 제조비용이 증가하는 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 공정수 및 제조 비용을 감소시키면서 화소 단위로 음극을 구성할 수 있는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명에서는 PDMS(polydimethylsiloxane)로 이루어진 몰드(mold)를 이용하여, 소정의 온도 조건에서 음극(또는, 제 2 전극)을 패터닝하고자 한다.
상기 PDMS를 이용한 몰드는 경화제를 10 중량% 포함하며, 기판과의 흡착력이 우수하고, 코팅하고자 하는 용액에 대한 젖음성(wettability)이 적기 때문에, 용액의 코팅 후 몰드를 기판으로부터 제거시에 어떠한 결함도 주지 않으므로, 몰드재료로 주로 이용되고 있다.
또한, 이러한 몰드는 제작이 용이하고 제작비가 저렴하기 때문에 원하는 패턴으로 조절이 가능한 장점을 가진다.
도 1은 일반적인 유기전계발광 소자에 대한 밴드 다이어그램(band diagram)을 나타낸 도면.
도 2는 기존의 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 한 발광 영역에 대한 단면도.
도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조 공정을 단계별로 나타낸 단면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 투명 기판 102 : 제 1 전극
104 : 유기전계발광층 106 : 제 2 전극물질
108 : 몰드 114 : 제 2 전극
III : 발광 영역 IV : 비발광 영역
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 유기전계발광층이 개재된 제 1, 2 전극이 교차되는 부분을 발광영역으로 하는 패시브 매트릭스형(passive matrix type) 유기전계발광 소자에 있어서, 기판 상에 제 1 방향으로 형성된 제 1 전극과; 상기 제 1 전극을 덮는 기판 전면에 형성된 유기전계발광층과; 상기 유기전계발광층 상부에 위치하며, 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 위치하고,W/L = 0.2 ~ 20 및 D ≥L ×20의 관계식이 성립되는 오목부와 볼록부가 서로 반복적으로 구성된 요철부를 가지는 PDMS(polydimethylsiloxane) 몰드에 의한 열전사 방식에 의해 형성된 제 2 전극을 포함하는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자를 제공한다.
(단, 상기 W(width) : 상기 오목부의 폭, L(length) : 상기 오목부의 길이, D(distance) : 오목부간의 이격거리(볼록부의 폭))
상기 제 2 전극 패턴은, 상기 PDMS 몰드의 오목부와 대응되는 영역 상의 제 2 전극물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 하나의 특징에서는, 유기전계발광층이 개재된 제 1, 2 전극이 교차되는 부분을 발광영역으로 하는 패시브 매트릭스형(passive matrix type) 유기전계발광 소자에 있어서, 기판 상에 형성된 제 1 전극을 형성하는 단계와; 상기 제 1 전극 상부에 유기전계발광층을 형성하는 단계와; 상기 유기전계발광층 상부에 제 2 전극물질을 형성하는 단계와; 상기 제 1 전극 상부에 W/L = 0.2 ~ 20 및 D ≥L ×20의 관계식이 성립되는 오목부와 볼록부가 서로 반복적으로 구성된 요철부를 제 1 전극과 마주보는 면에 가지는 몰드(mold)를 접착시키는 단계와; 상기 몰드가 접착된 기판에 80 ~ 100 ℃의 열을 가하는 단계와; 상기 열이 가해진 몰드의 요철부 패턴을 제 2 전극물질에 전사하여, 제 2 전극을 완성하는 단계를 포함하는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법을 제공한다.
(단, 상기 W(width) : 상기 오목부의 폭, L(length) : 상기 오목부의 길이, D(distance) : 오목부간의 이격거리(볼록부의 폭))
상기 제 1 전극을 정공을 공급하는 양극이고, 상기 제 2 전극은 전자를 공급하는 음극인 포함하며, 상기 양극을 이루는 물질은 일함수값이 높은 투명 도전성 물질에서 선택되고, 상기 투명 도전성 물질은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide) 중 어느 한 물질에서 선택되는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 음극을 이루는 물질은 일함수값이 낮으며, 반사특성을 가지는 금속물질에서 선택되고, 상기 금속물질은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 중 어느 하나에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 전극은 하부 전극이고, 상기 제 2 전극은 상부 전극이며, 상기 유기전계발광 소자는 하부발광방식 유기전계발광 소자인 것을 특징으로 한다.
상기 몰드를 이루는 물질은 PDMS(polydimethylsiloxane)이며, 상기 몰드는 경화제를 10 중량% 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 전극을 완성하는 단계에서는, 상기 몰드의 볼록부와 접착하는 제 2 전극물질을 기판으로부터 떼어내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조 공정을 단계별로 나타낸 단면도이다.
도 3a는, 발광 영역(III) 및 비발광 영역(IV)이 번갈아 가며 구성된 투명 기판(100) 상에 제 1 전극(102), 유기전계발광층(104), 제 2 전극 물질(106)이 차례대로 적층되어 있고, 이러한 적층구조를 가지는 기판과 일정간격 이격되는 상부에는 기판과 마주보는 면에 오목부(110)와 볼록부(112)가 번갈아 구성된 요철부를 가지는 몰드(108)가 배치되어 있다.
상기 몰드(108)의 오목부(110) 및 볼록부(112)는 각각 기판의 발광 영역(III) 및 비발광 영역(IV)과 대응되게 배치되는 것을 전제로 하며, 상기 몰드(108)의 오목부(110)의 폭(W ; width), 오목부(110)의 길이(L; length), 오목부(110)간의 이격구간(D ; distance)이며, 한 예로 W = 0.5 ~ 200 ㎛, D = 0.5 ~ 200 ㎛, L = 0.2 ~ 20 ㎛의 범위에 해당된다.
즉, 하기와 같은 소정의 관계식을 가진다.
W/L = 0.2 ~ 20--------- (1)
D ≥L ×20 --------- (2)
상기 (1), (2) 식을 만족하는 요철부 구조를 가지는 몰드(108)를 이용하게 되면, 본 발명에 따른 제 2 전극 패턴를 용이하게 형성할 수 있다.
한 예로, 상기 제 1 전극(102)을 하부 전극인 양극으로 구성할 경우, 상기 제 1 전극(102)을 이루는 물질은 일함수값이 높은 투명 전도성 물질에서 선택되며, 바람직하게는 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide) 중 어느 하나에서 선택되는 것이며, 이러한 조건 하에서 상기 유기전계발광층(104)은, 상기 제 1 전극(102)과 접촉하는 부분에서부터 정공주입층, 발광층, 전자수송층으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 전극물질(106)이 상부 전극인 음극을 구성할 경우, 상기 제 2 전극물질(106)은 일함수값이 낮고, 화학적으로 안정된 금속물질에서 선택되며,바람직하게는 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 중 어느 한 금속으로 하는 것이다.
상기 몰드(108)는 소프트 몰드물질에서 선택되는 것이 바람직하며, 이러한 소프트 물질로는 PDMS(polydimethylsiloxane)와 약 10 중량%의 경화제를 섞은 PDMS 몰드로 하는 것이 가장 바람직하다.
도 3b에서는, 상기 몰드(108)를 제 2 전극물질(106)의 상부면에 접착시킨 후, 열전사하는 단계이다. 이때, 가열 조건은 유기전계발광층(104)에 영향을 미치지 않는 온도범위에서 진행되는 것이 바람직하다. 그러나, 온도범위가 낮을수록 가열 시간이 길어지게 되므로, 적정한 온도범위를 설정하는 것이 중요하다. 한 예로, 상기 유기전계발광층(104)이 저분자 물질에서 선택될 경우 저분자 물질의 변성 온도(Tg)는 100℃이므로, 상기 열전사 온도는 80 ~ 100 ℃에서 1 ~ 3분동안 열처리하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 열처리 단계에서는 제 2 전극물질(106)과 몰드(108)의 볼록부(112)간의 접착력이 강화되고, 상기 몰드(108)의 패턴이 그대로 제 2 전극물질(106)에 전사되는 단계이다.
도 3c에서는, 상기 열전사 단계를 거친 후 몰드(108)를 기판으로부터 떼어내는 단계로서, 이 단계에서는 몰드(108)를 기판으로부터 떼어내는 과정에서 몰드(108)의 볼록부(112)와 접착된 제 2 전극물질(106)이 동시에 제거됨에 따라, 기판 상에는 몰드(108)의 오목부(110)와 대응되는 위치에 제 2 전극물질(106)로 이루어진 제 2 전극(114)이 완성된다.
상기 공정 후, 상기 몰드(108)는 알코올이나 DI 워터 등으로 세정하여 재사용이 가능하다.
그러나, 본 발명은 상기 실시예들로 한정되지 않고, 본 발명의 취지에 어긋나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자에 의하면, 다음과 같은 효과를 가지게 된다.
첫째, 반영구적으로 이용할 수 있는 PDMS 몰드를 이용하여 음극 패턴을 형성하므로, 공정수 및 제조 비용이 감소시키면서 유기전계발광층에 손상이 가해지는 것을 방지할 수 있다.
둘째, PDMS 몰드의 요철부의 폭, 높이, 구간 조절을 통해 원하는 음극 패턴을 용이하게 조절할 수 있다.

Claims (12)

  1. 유기전계발광층이 개재된 제 1, 2 전극이 교차되는 부분을 발광영역으로 하는 패시브 매트릭스형(passive matrix type) 유기전계발광 소자에 있어서,
    기판 상에 제 1 방향으로 형성된 제 1 전극과;
    상기 제 1 전극을 덮는 기판 전면에 형성된 유기전계발광층과;
    상기 유기전계발광층 상부에 위치하며, 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 위치하고, W/L = 0.2 ~ 20 및 D ≥L ×20의 관계식이 성립되는 오목부와 볼록부가 서로 반복적으로 구성된 요철부를 가지는 PDMS(polydimethylsiloxane) 몰드에 의한 열전사 방식에 의해 형성된 제 2 전극
    을 포함하는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
    (단, 상기 W(width) : 상기 오목부의 폭, L(length) : 상기 오목부의 길이, D(distance) : 오목부간의 이격거리(볼록부의 폭))
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극 패턴은, 상기 PDMS 몰드의 오목부와 대응되는 영역 상의 제 2 전극물질로 이루어지는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
  3. 유기전계발광층이 개재된 제 1, 2 전극이 교차되는 부분을 발광영역으로 하는 패시브 매트릭스형(passive matrix type) 유기전계발광 소자에 있어서,
    기판 상에 형성된 제 1 전극을 형성하는 단계와;
    상기 제 1 전극 상부에 유기전계발광층을 형성하는 단계와;
    상기 유기전계발광층 상부에 제 2 전극물질을 형성하는 단계와;
    상기 제 1 전극 상부에 W/L = 0.2 ~ 20 및 D ≥L ×20의 관계식이 성립되는 오목부와 볼록부가 서로 반복적으로 구성된 요철부를 제 1 전극과 마주보는 면에 가지는 몰드(mold)를 접착시키는 단계와;
    상기 몰드가 접착된 기판에 80 ~ 100 ℃의 열을 가하는 단계와;
    상기 열이 가해진 몰드의 요철부 패턴을 제 2 전극물질에 전사하여, 제 2 전극을 완성하는 단계
    를 포함하는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
    (단, 상기 W(width) : 상기 오목부의 폭, L(length) : 상기 오목부의 길이, D(distance) : 오목부간의 이격거리(볼록부의 폭))
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극을 정공을 공급하는 양극이고, 상기 제 2 전극은 전자를 공급하는 음극인 포함하는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 양극을 이루는 물질은 일함수값이 높은 투명 도전성 물질에서 선택되는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 투명 도전성 물질은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide) 중 어느 한 물질에서 선택되는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 음극을 이루는 물질은 일함수값이 낮으며, 반사특성을 가지는 금속물질에서 선택되는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속물질은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 중 어느 하나에서 선택되는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 하부 전극이고, 상기 제 2 전극은 상부 전극이며, 상기 유기전계발광 소자는 하부발광방식 유기전계발광 소자인 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 몰드를 이루는 물질은 PDMS(polydimethylsiloxane)인 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 몰드는 경화제를 10 중량% 포함하는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 전극을 완성하는 단계에서는, 상기 몰드의 볼록부와 접착하는 제 2 전극물질을 기판으로부터 떼어내는 단계를 포함하는 패시브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
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