KR20040070597A

KR20040070597A - 유기 발광 소자

Info

Publication number: KR20040070597A
Application number: KR1020030006770A
Authority: KR
Inventors: 임성일; 황정남; 최진문
Original assignee: 학교법인연세대학교
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-11

Abstract

본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것으로, 종래 유기 발광 소자는 전자 주입 매개체로 LiF를 사용하였으나, 그 전자 발광 효율이 저하되어 다양한 응용범위에 적용할 수 없는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 음극, 전자 주입 매개체, 전자 수송층, 전공 수송층 및 양극이 순차 적층된 유기 발광 소자에 있어서, 상기 전자 주입 매개체를 저가인 NaCl로 구성하고, 그 NaCl 전자 주입 매개체를 사용한 유기 발광 소자의 특성이 LiF를 전자 주입 매개체로 사용한 유기 발광 소자의 특성보다 우수한 두께를 구함으로써, 보다 저가의 유기 발광 소자를 구현하고, 그 전자 발광 특성 및 광도를 향상시키는 효과가 있다.

Description

유기 발광 소자{ORGANIC LIGHT-EMITTING DEVICE}

본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것으로, 특히 NaCl층을 전자 주입 매개체로 적용하여 높은 전자발광효율을 가지도록 하는 유기 발광 소자에 관한 것이다.

일반적으로 유기 발광 소자는 전자와 홀을 유기막에 주입함으로써 유기막내에 전자와 홀의 한 쌍인 여기자를 생성하고, 전자-홀 한 쌍의 재결합에 의해 발광시키는 소자이며, 일반적인 유기 발광 소자의 구조는 음극의 상부에 전자 수송층, 전공 수송층과 양극이 적층된 형상을 나타낸다.

유기분자에서의 발광특성이 보고 된 후로, 유기 발광 소자는 다양한 응용성 때문에 많은 관심을 끌고 있으며, 유기 발광 소자는 높은 광도와 낮은 구동전압을 실현하기 위해 전자주입효율을 향상시키려는 노력이 진행되고 있다.

이와 같이 전자주입효율을 향상시키기 위해서는 음극과 전자 수송층 사아의 전자주입 장벽을 낮추어야 한다.

이를 위해서, 음극과 전자 수송층의 일함수는 비슷해야 하며, 그 일함수의 차를 줄이기 위해서, Sr(2.4eV), Ca(2.8eV), Li(2.9eV), Na(2.3eV)와 같은 낮은 일함수를 가지는 알칼리 금속을 전자 주입 매개체로 사용함이 타당하다.

그러나, 실제 적용에 있어서는 전자주입효율을 향상시키기 위해, 음극을 Al으로 사용하며, 그 음극과 전자 수송층 사이에 LiF, MgO, MgF₂, 또는 Alkalineearth fluoride와 같은 화합물 박막을 삽입하여 유기 발광 소자를 제조한다.

그러나, 상기와 같은 종래 유기 발광 소자는 그 최대 발광 효율이 2.25cd/A로 다양한 응용분야에 적용하기 위해서는 보다 전자 발광 효율을 높일 필요성이 있다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 전자 발광 효율을 보다 증가시킬 수 있는 유기 발광 소자를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 저가의 재료를 사용하여 최대 전자 발광 효율을 증가시킬 수 있는 유기 발광 소자를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에서 제안하는 NaCl 전자 주입 매개체를 사용한 유기 발광 소자의 전압 대 전류밀도 그래프.

도 2는 본 발명에서 제안하는 NaCl 전자 주입 매개체를 사용한 유기 발광 소자의 전압 대 광도 그래프.

도 3은 1.0nm와 5.0nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체를 사용한 유기 발광 소자의 XPS 스팩트럼.

도 4는 각각 동일한 두께의 LiF 전자 주입 매개체와 NaCl 전자 주입 매개체의 전압변화에 따른 전류밀도의 변화 그래프.

도 5는 각각 동일한 두께의 LiF 전자 주입 매개체와 NaCl 전자 주입 매개체의 전압변화에 따른 광도의 변화를 나타낸 그래프.

도 6은 각각 1.0nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체와 LiF 전자 주입 매개체를 적용한 유기 발광 소자의 전류밀도에 따른 전자발광효율을 나타낸 그래프.

도 7은 각각 1.0nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체와 LiF 전자 주입 매개체를 적용한 유기 발광 소자의 전압에 따른 전자발광효율을 나타낸 그래프.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상대적으로 저가인 NaCl을 전자 주입 매개체로 사용하며, 실험적으로 전자 발광 효율이 가장 높은 특성의 전자 주입 매개체의 두께를 찾아내도록 구성됨을 그 특징으로 한다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명을 실험 결과를 통해 보다 상세하게 설명한다.

본 발명 유기발광소자는 ITO기판(양극이 형성된 또는 기판을 양극으로 이용하는)의 상부에 N, N'-bis(3-methylphenyl)-N, N'-diphenylbenzidine(TPD)를 증착하여 정공 수송층을 형성하고, 그 정공 수송층의 상부에 tri(8-hydroxyquinolato) aluminum(Alq₃)를 증착하여 전자 수송층 및 발광층을 형성한 후, 그 전자 수송층 및발광층의 상부에 NaCl을 증착하여 전자 주입매개체를 형성한 다음, 그 전자 주입매개체의 상부에 알루미늄 음극을 형성하여 제조한다.

즉, 본 발명 유기 발광 소자는 그 전자 주입매개체로서, NaCl을 사용한다는 점에서 그 특징이 있다.

상기 ITO기판의 상부에 정공 수송층을 형성하기 이전에 그 ITO기판을 탈이온수, 아세톤, 메틸알콜, 핫 트리크로로에틸렌(hot trichloroethylene), 탈이온수의 순서로 세정을 한다.

이와 같이 세정된 ITO기판을 순도가 높은 질소를 사용하여 건조시키고, 증착챔버에 로딩시킨다.

상기 증착 챔버의 기본 진공도는 2.5×10^-8Torr이며, 그 증착 챔버 내에서 증착 속도가 0.1Å/sec의 속도로 50nm의 두께가 되도록 상기 N, N'-bis(3-methylphenyl)-N, N'-diphenylbenzidine(TPD)를 증착하여, 전공 수송층을 형성한다.

그 다음, 상기 전공 수송층의 상부에 동일한 진공 분위기에서 1Å/sec의 속도로 Alq₃를 증착하여, 50nm의 두께를 가지는 전자 수송층 및 발광층을 형성한다.

그 다음, 상기 전자 수송층 및 발광층의 상부에 NaCl을 0.1Å/sec의 속도로 증착하여, 전자 주입 매개체를 형성한 후, 그 상부에 Al 음극을 형성한다.

본 발명에서 제안된 NaCl을 전자 주입 매개체로 하는 유기 발광 소자와 종래의 유기 발광 소자의 특성을 비교하기 위해, 동일한 조건에서 LiF를 전자 주입 매개체로 하는 유기 발광 소자를 제작하였으며, 전자 주입 매개체로 사용되는 NaCl의 두께를 다양하게 제작하여 그 특성을 실험하였다.

증착 두께는 XRD로 보정된 두께 모니터(thickness monitor)를 통하여 결정하였다.

상기 NaCl층은 monochromatic Al kα radiation을 이용한 X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS)를 이용하여 분석하였고, L-V(luminance-voltage), I-V(current-voltage) 특성은 Keithley source measurement unit(Model 237)과 Photoresearch candela meter(PR650)을 사용하여 측정하였으며, 그 실험의 결과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 상기 NaCl 전자 주입 전자 주입 매개체의 전압의 변화에 따른 전류밀도 변화를 측정한 그래프로서, 상기 NaCl 전자 주입 매개체의 두께는 0.5, 1.0, 2.0nm의 두께를 가지는 것으로 실험하였으며, 음극인 Al과의 차이를 나타내었다.

이에 도시한 바와 같이 NaCl 전자 주입 매개체의 두께가 1.0nm이하일 때에는 전자 주입 매개체를 사용하지 않을 때에 비하여 낮은 구동전압을 나타낸다.

이는 효율적인 전자 주입 매개체로서의 NaCl의 특성을 나타내는 것이다.

또한, 도 2는 상기 도 1과 동일한 실험재료를 사용하여 전압의 변화에 따른 광도를 나타낸 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 순수 알루미늄 음극만을 사용한 경우에 비하여 전자 주입 매개체로서 NaCl을 사용한 경우에 광도가 향상됨을 알 수 있다.

그러나, 상기 그래프에서 보여 지는 0.5nm와 2.0nm의 NaCl 전자 주입 매개체는 Al음극과 전자 수송층 사이에 적용할 경우, 전자주입장벽을 낮추기 위한 Na의 확산이 용이하지 않아 효율적인 전자의 주입이 이루어지지 않게 된다.

이에 따라 최적의 NaCl 전자 주입 매개체의 두께는 1.0nm인 것으로 판단되었다.

상기 또한, 도 1에서 전압의 범위가 2~6V의 사이에 나타나는 소량의 전류 밀도는 도 2에 도시한 바와 같이 빛의 발광에는 전혀 영향을 주지 못하는 것을 알 수 있다.

이는 알루미늄 음극과 전자 수송층 사이에 존재하는 결정 결함에 의해 발생하는 누수 전류인 것으로 판단되었다.

이처럼, 순수 알루미늄 음극과 전자 수송층을 그대로 접합할 때에 비하여, 그 음극과 전자 수송층의 사이에 NaCl 전자 주입 매개체를 삽입함으로써, 보다 저전력에서 보다 밝은 광이 발산되는 것을 알 수 있다.

도 3은 전자 수송층 상에 1.0과 5.0nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체가 증착된 상태에서의 XPS 스팩트럼을 도시한 것으로, NaCl 전자 주입 매개체의 두께에 따른 Na와 Cl의 구성비 및 확산정도를 알 수 있다.

즉, 1.0nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체의 Na와 Cl의 구성비는 0.6:1이며, 5.0nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체의 Na와 Cl의 구성비는 0.9:1로 나타난다.

이는 두꺼운 NaCl 박막의 경우 그 Na와 Cl의 구성비가 거의 1:1로 변화가 없으나, 박막이 얇아지면 그 Na와 Cl의 구성비가 변화되며, 절연성의 정도도 얇은 박막의 경우 두꺼운 박막의 경우에 비하여 저하됨을 알 수 있다.

그리고, 상기 1.0nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체는 5.0nm의 두께를 가지는 경우에 비하여 Na이 좀더 용이하게 음극과 전자 수송층 사이에 확산되는 것을 알 수 있다.

도 4와 도 5는 각각 동일한 두께의 LiF 전자 주입 매개체와 NaCl 전자 주입 매개체의 전압변화에 따른 전류밀도의 변화와 전압변화에 따른 광도의 변화를 나타낸 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 각각 두께가 0.5nm, 1.0nm인 NaCl 전자 주입 매개체와, 두께가 0.5nm, 1.Onm인 LiF 전자 주입 매개체를 이용하여 실험을 수행하였다.

그 결과, 동일한 두께의 NaCl 전자 주입 매개체와 LiF 전자 주입 매개체는 거의 유사한 특성을 나타낸다.

특히, 두께가 1.0nm의 NaCl 전자 주입 매개체와 LiF 전자 주입 매개체는 거의 동일한 특성을 나타낸다. 전압이 10V일 때, 1.0nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체를 가지는 유기 발광 소자는 3542cd/m²의 광도를 나타내며, 133mA/cm²의 전류밀도를 나타내며, 1.0nm의 두께를 가지는 LiF 전자 주입 매개체를 가지는 유기 발광 소자는 4296cd/m²의 광도를 나타내며, 200mA/cm²의 전류밀도를 나타낸다.

이는 동일 조건하에서 LiF 전자 주입 매개체가 NaCl 전자 주입 매개체에 비하여 광도나 전류밀도에서 보다 우수한 특성을 나타내는 것이라 할 수 있다.

그러나, 유기 발광 소자를 응용할 때 매우 중요하게 고려되는 것은 전자 발광 효율이다.

즉, 전자 발광 효율은 주입된 전자의 효율을 나타내는 것으로, 음극으로부터 전자 수송층으로 얼마나 많은 전자가 주입되는가를 판단하는 전류밀도에 비하여, 실질적으로 주입된 전자가 발광에 직접적인 영향을 주는가를 판단하는 기준이 되는 것이다.

도 6은 1.0nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체와 LiF 전자 주입 매개체를 적용한 유기 발광 소자의 전류밀도에 따른 전자발광효율을 나타낸 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 동일한 전류밀도일 때 NaCl을 전자 주입 매개체로 사용한 유기 발광 소자의 전자 발광 효율이 가장 우수한 것을 알 수 있다.

즉, 1.0nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체는 전류밀도가 0~50mA/cm²의 범위 내에서 1.0nm의 두께를 가지는 LiF 전자 주입 매개체의 최대 전자 발광 효율을 넘어서는 값을 가지게 된다.

이는 전류밀도의 크기에 관계없이 주입된 전자의 발광효율은 NaCl 전자 주입 매개체를 사용한 경우가 우수한 것으로, 위의 전압의 인가에 따른 전류밀도 또는 전압의 인가에 따른 광도의 저하는 큰 문제가 되지 않음을 알 수 있다.

도 7은 상기 도 6과 동일한 실험재료를 사용하여 전압의 변화에 따른 전자발광효율의 변화 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 각각 1nm의 두께를 가지는 NaCl 전자 주입 매개체를 사용한 유기 발광 소자와 LiF 전자 주입 매개체를 사용한 유기 발광 소자는 동일하게 9V에서 최대의 전자 발광 효율을 나타낸다.

이때 NaCl 전자 주입 매개체를 사용하는 유기 발광 소자의 전자 발광 효율은 2.85cd/A이고, LiF 전자 주입 매개체를 사용하는 유기 발광 소자의 전자 발광 효율은 2.25cd/A로 나타났다.

이는 동일한 전압을 인가한 경우, NaCl 전자 주입 매개체를 사용한 유기 발광 소자가 보다 높은 광도와 발광효율을 가지는 것을 알 수 있는 것으로, 종래 LiF를 전자 주입 매개체로 사용하는 유기 발광 소자에 비하여 전자발광효율이 더 높기 때문에 보다 다양한 응용분야에 적용할 수 있다.

또한, NaCl의 경우에는 LiF에 비하여 저가이며, 이를 이용할 경우 유기 발광 소자의 원가를 절감할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명 유기 발광 소자는 1nm의 NaCl을 전자 주입 매개체로 적용하여 기존의 LiF 전자 주입 매개체를 사용할 때에 비하여, 그 전자 발광 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 보다 저가의 NaCl을 전자 주입 매개체로 사용함으로써, 유기 발광 소자의 제조비용을 절감하는 효과가 있다.

Claims

음극, 전자 주입 매개체, 전자 수송층, 전공 수송층 및 양극으로 구성되는 유기 발광 소자에 있어서,

상기 전자 주입 매개체는 NaCl인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서, 상기 NaCl 전자 주입 매개체의 두께는 1.0±0.4nm인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 NaCl 전자 주입 매개체는 1.0nm를 최적의 두께로 하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.