KR20040082136A - 유기 ｅｌ 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기 전기발광(electroluminescent; 이하 "EL"라 칭함) 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기 EL 소자의 저반사 음극층을 제조할 때, 제 2 음극 투명 도전층을 음극 분리층(cathode separator)간의 간격보다 작게 형성하여, 제 1 음극 도전층과 제 3 음극 도전층이 연결되도록 함으로써, 콘트라스트 비(contrast ratio)가 우수한 저반사 음극 역할을 수행하면서, 소모 전력이 상대적으로 감소되는 유기 EL 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명은 유기 EL 소자는 제 1 음극 도전층 및 제 3 음극 도전층이 서로 연결되어 있기 때문에, 기존의 콘트라스트 비(contrast ratio)가 우수한 저반사 음극으로서의 역할은 가지면서, 소모 전력은 상대적으로 작고, 저반사 음극을 제작하는 동안 스퍼터링(sputtering) 방법을 사용하지 않기 때문에 유기 박막 층의 손상을 감소시킬 수 있어 유기 EL 소자의 효율과 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

유기 ＥＬ 소자 및 그의 제조 방법{Organic Electroluminescent Device and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 유기 전기발광(electroluminescent; 이하 "EL"이라 칭함) 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기 EL 소자의 저반사 음극층을 제조할 때, 제 2 음극 투명 도전층을 음극 분리층(cathode separator)간의 간격보다 작게 형성하여 제 1 음극 도전층과 제 3 음극 도전층이 연결되도록 함으로써, 콘트라스트 비(contrast ratio)가 우수한 저반사 음극의 역할을 수행하면서, 소모 전력이 상대적으로 감소되는 유기 EL 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전자 발광 장치에 포함되는 유기 EL 장치는 통상적으로 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode; 이하 "OLED"라 칭함)를 포함하며, 유리 기판 위에 투명 양극층(transparent anode; 이하 "ITO층"이라 칭함), 유기 발광층(organic light emitting layer; HIL/HTL/ETL/EIL) 및 금속 음극층(cathode)을 순차적으로 형성한 다음 양극과 음극 사이에 전압을 걸어 주면, 주입되는 전자와 정공이 재결합하여 들뜬 상태가 되고 다시 바닥상태로 에너지 전이되는 과정에서 빛을 발생시키는 자발광 원리를 이용하는 것이다.

이때, 상기 음극층은 일함수가 낮은 금속으로 형성하여, 많은 양의 전자가 소자 안으로 주입이 되어 최대 발광효율이 구현되도록 하는 것이 중요하다.

그러나, 도 1을 참조하면 사용되는 금속의 대부분은 높은 반사 특성을 가지고 있어서, 유기 EL 소자가 발광하지 않는 경우에도 소자 밖에서 입사된 빛을 음극(1)을 통해 반사시켜 소자 밖으로 배출(9) 되기 때문에, 소자의 콘트라스트 비가 떨어뜨리는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 원형 편광판을 기판에 부착시켜 외광의 입사를 차단하고자 하였으나, 상기 방법의 평관판으로 인하여 소자에서 발광된 빛이 최대 62%이상 차단되어 휘도가 감소되기 때문에, 원하는 휘도를 구현하기 위해서는 상대적으로 높은 전압을 인가시켜야 하므로, 전력소모가 증가되며 소자 수명도 짧아지는 문제점이 발생된다.

그 뿐만 아니라, 편광판의 두께만큼 소자 두께가 증가하고, 섭씨 80도 이상의 외부 환경에서 편광판이 변성되기 때문에 습한 환경에서는 편광판의 접착이 약해서 소자가 분해되는 단점이 있으므로, 상기 방법을 적용해 유기 EL 소자를 양산하는 경우, 현재 높은 가격의 편광판을 사용해야 하고, 추가로 많은 접착 장비 및 인원 등이 필요하므로 제조 비용이 상승하게 된다.

이와 같은 단점들을 극복하기 위하여 러셀(Luxell) 사에서는 편광판 대신 저반사 음극인 블랙 층(black layer;이하 "BL"라 칭함)을 개발하여 사용하였다.

상기 BL 층은 광학 특성인 상쇄 간섭을 이용한 다층 구조의 음극으로써, 효과적인 전자 주입과 저반사 특성을 동시에 가지며, 상기 유기 EL의 다층 구조를 제작할 때 증착 챔버(chamber) 만을 이용할 수 있으므로 제조 비용이 감소하고, 투과율도 50%로 우수하기 때문에 구동전압이 감소하여 전력소모가 줄어들어 유기 EL의 수명도 상대적으로 길어질 뿐만 아니라, 편광판과 달리 고온이나 습한 환경에 전혀 그 기능이 저하되지 않는다.

즉, 상기 BL 층을 이용하여 유기 EL 소자를 제조하는 경우, 편광판으로 제조하는 것보다, 고성능 및 낮은 제조 비용의 효과를 가져올 수 있다는 장점이 있다.

도 2를 참조하면 상기 BL 층(21)을 이용하는 저반사 음극층을 포함하는 유기 EL 소자의 구조를 나타낸 것이다.

상기 BL 층은 단층의 금속 음극 대신에 제 1 음극 도전층(29), 투명 전극, 제 2 음극 도전층(47) 및 제 3 음극 도전층(48)으로 구성되어 있는데, 상기 제 1 음극 도전층은 전자의 주입이 용이하도록 일함수가 낮은 알카리 계열(1/IA, 2/IIA족)의 금속 또는 전자주입이 뛰어나다고 알려진 이층 전극 구조로 형성된 얇은 두께의 금속층(thin metal layer)으로 형성된다.

또한, 상기 투명 전극은 ITO(indium tin oxide) 및 IZO(Indium Zinc oxide)와 같이 전도도와 투과도가 모두 우수한 물질로 형성하고, 상기 제 2 음극 도전층은 산화 금속류나 서멧(cermet) 물질로 구성하며, 상기 제 3 음극 도전층은 전도도가 우수한 금속을 이용하여 제 1, 2 음극 도전층에 비해 상대적으로 두꺼운 금속층(thick metal layer)으로 형성한다.

이러한 구조의 BL 층은 외부로부터 입사된 빛을 제 1 음극 도전층과 제 3 음극 도전층에서 반사시키는데, 이때의 반사된 빛의 세기는 서로 같으며([R1]=[R2]) 위상차가 180°가 되도록 제 2 음극 도전층의 굴절율(n)과 흡수율(k)을 고려하여 두께를 조절해야 한다. 만약, 반사된 빛의 세기와 위상차가 180°인 경우 상쇄 간섭이 일어나 입사된 빛은 거의 반사되지 않고 상쇄된다.

상기와 같은 BL을 실제 디스플레이 소자에 적용하는데 제 2 음극 도전층의 역할은 매우 중요하다. 먼저 제 2 음극 도전층은 흡수율(투과도)이 낮아야 한다. 만약 흡수율이 높으면 빛이 제 2 음극 도전층을 투과하면서 많은 양이 흡수되기 때문에 제 3 음극 도전층에서 반사되는 빛의 세기가 작아져서([R1]>[R2]) 효과적인 상쇄 간섭이 일어나지 않는다. 따라서 저반사를 위한 효과적인 상쇄간섭을 위해서는 제 1 음극 도전층에서 반사된 빛의 세기와 제 3 음극 도전층에서 반사된 빛의 세기가 동일하도록 제 1 음극 도전층의 두께가 얇아야 한다.

상기 제 1 음극 도전층은 전자주입 특성과 전력소모, 제작 공정을 고려한 가장 좋은 재료로는 투과특성과 도전특성이 우수한 ITO, IZO 및 ZnO 등이 적합하다.

그러나, 상기 ITO, ZnO 및 IZO는 일반적으로 스퍼터링(sputtering) 방법을 사용해서 층을 형성해야 하는데, 상기 스퍼터링 방법은 상기 제 2 음극 투명 도전층을 형성하는 경우에 제 1 음극 도전층(29)의 두께가 매우 얇고 열전도도가 높기 때문에, 유기 EL 소자용 박막에 치명적인 손상을 가져올 뿐 아니라, 새로운 스퍼터링 장비를 구비하는 등 제조 비용이 증가한다.

그래서, 상기 제 2 음극 투명 도전층으로 열 증발법(thermal evaporation)이나 E-빔 증발법(E-beam evaporation)을 이용하여 형성할 수 있는 다른 물질이 바람직한데, 이러한 물질로 이용되는 것이 상기 ZnO나 Cr : SiO 및 Al : SiO 같은 서멧이다.

그러나, 상기 서멧은 열 증발법이나 E-빔 증발법으로 층을 형성하는 것이 가능하고, 유기 박막에 미치는 영향이 상대적으로 작다는 장점은 있으나, 저항이 비교적 크기 때문에 유기 EL 소자의 소모 전력이 상승되는 또 다른 문제점이 있다.

이하, 첨부 도 3a 내지 3c는 일반적인 유기 EL 소자의 단면도 및 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다.

우선, 도 3a를 참조하면, 유리 기판(31) 상부에 ITO층(32)을 스퍼터링 방법 또는 이온 플레이트 방법으로 약 100nm에서 300nm의 두께로 증착하고 사진식각(photo lithography)방법을 이용하여 패터닝한다.

상기 사진식각방법은 널리 알려진 바와 포토레지스트(photoresist ; PR)층을 스핀 코팅(spin coating)으로 0.5-1㎛ 정도 형성하고, 섭씨 50-150도의 hot plate에서 50-150초 동안 프리 베이킹(pre-baking하며 원하는 모양으로 패터닝 된 포토마스크(photo mask)를 이용하여 노광기로 원하는 부분만 노광시킨다. 그 이후 현상액을 이용하여 현상하며 프리 베이킹과 동일한 조건으로 포스트 베이킹한 후 에칭 용액을 이용하여 ITO의 원하지 않는 부분을 제거하고 마지막으로 남아있는 PR을 제거한다.

그 상부에 절연막(inter-insulator)(33)과 음극 분리막(separator)(34)을 마찬가지로 사진 식각 방법을 이용하여, 형성하되 절연막과 음극 분리막은 절연성 포토레지스터, 폴리이미드 계열의 폴리머 물질 등으로 식각 공정을 실행하지 않고 포스트 베이킹(post baking) 대신 200-300℃의 온도에서 약 30여분간 경화 공정을 수행하여, 스트라이프(stripe) 모양으로 패터닝 된 ITO층(32) 유리 기판(31)위에 패터닝 된 절연막(33)과 음극 분리막(34)이 형성된 가장 일반적인 유기 EL 기판을 형성한다.

도 3b를 참조하면, 이는 도 3a의 단면(A-B) 부분으로 상기 기판의 전면에 대해 유기 발광층(35)을 2층 이상 형성한다.

즉, 상기 유기 발광층(35)상부에 상기 언급한 물질 등을 이용하여 10-200Å두께로 제 1 음극 도전층을(36)을 형성한다. 이 때 제 1 음극 도전층의 광 투과도는 30-40% 정도가 가장 적절하므로 물질에 따라 그 두께를 적절하게 선택해야 한다.

도 3c를 참조하면, 제 1 음극 도전층(36) 상부에 투과율이 80%이상이 되는 서멧 물질을 이용하여 제 2 음극 도전층(37)을 형성하되, 물질에 따라 그 두께 100-1000Å 두께로 적절하게 형성한다.

제 2 음극 도전층(37) 상부에 입사된 빛이 전부 반사할 수 있도록 500-2000Å 두께의 제 3 음극 도전층(38)을 형성한다.

이때, 상기 제 1 음극 도전층, 제 2 음극 도전층 및 제 3 음극 도전층은 열 증발법이나 E-빔 증발법을 이용하여 형성한다.

이와 같이 종래의 BL이 적용된 유기 EL 소자는 앞에서 언급한 바와 같이 제 2층을 높은 투과도와 도전 특성을 가지는 ITO, IZO 및 ZnO 등을 스퍼터 방법으로 형성하기 때문에 유기 박막에 치명적인 영향을 가져와 소자 수명을 악화시키고, 새로운 스퍼터 장비를 구비하기 위하여 제조 비용이 증가한다.

또한, E-빔 증발법이 가능한 Cr : SiO 나 Al : SiO는 투과도와 전도도가 낮아서 소모전력이 증가할 뿐만 아니라, 상기 제 1 음극 도전층의 형성 두께가 매우 얇기 때문에 실제로는 제 1 음극 도전층을 형성하기가 거의 불가능하다.

본 발명은 다층으로 이뤄진 저반사 음극층의 높은 저항을 감소시키면서, 다층 형성 시에 유기 박막의 손상을 방지하기 위한 새로운 개념의 유기 EL 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 금속 음극으로 구성된 유기 EL 소자의 단면도.

도 2는 종래의 저반사 음극으로 구성된 유기 EL 소자의 단면도.

도 3a는 유기 EL 기판의 도면.

도 3b 내지 도 3c는 종래 방법에 따른 유기 EL 소자의 제조.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 제조.

< 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 >

1 : 금속 음극 5, 23, 32, 42 : ITO 층

3, 22, 35, 45 : 유기 발광층 7, 24, 31, 41 : 유리 기판

9, 26, 30 : 외부광원 21 : 블랙 층

29, 36, 46 : 제 1 음극층 28, 37, 48 : 제 2 음극층

27, 38, 50 : 제 3 음극층 33, 43 : 절연막

34, 34, 44 : 음극 분리막 47 : 섀도우 마스크

A-B : 유기 EL 소자의 단면

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는

유리기판에 양극전극인 ITO층, 발광층 및 다층의 저반사 음극층이 순차적으로 형성되어 있는 유기 EL 소자에 있어서,

상기 다층 저반사 음극층은 제 1 음극 도전층, 음극 분리막간의 간격보다 작게 형성된 제 2 음극 투명 도전층 및 상기 제 1 음극 도전층과 서로 연결되어 있는 제 3 음극 도전층을 포함하는 유기 EL 소자를 제공한다.

이때, 상기 제 2 음극 투명 도전층은 투명 전극이나 서멧을 사용할 필요 없이 증착이 열 증착이나 E-빔과 같이 증착이 용이한 투명 물질이면 무엇으로든 형성이 가능한데, 예를 들면 Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, HfO₂, Sc₂O₃, TiO₂, ITO, La₂O₃MgO, Ta₂O₅, ThO₂, Y₂O₃, CeO₂, AlF₃, CeF₃, Na₃AlF₆, LaF₃, MgF₂ThF₄, ZnS, Sb₂O₃, Bi₂O₃, PbF₂, NdF₃, Nd₂O₃, Pr₆O₁₁, SiO, NaF, ZnO, LiF 및 GdO₃등을 사용하고, 이중 바람직하게는 SiO, SiO₂등을 사용한다.

또한, 상기 제 2 음극 투명 도전층은 음극 분리막의 폭보다 0.1∼100㎛ 정도 넓은 폭, 바람직하게는 절연막의 폭과 동일한 폭의 섀도우 마스크를 이용하여 음극 분리막간의 간격보다 작거나, 화소 너비와 동일하게 100∼1000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는

유기 기판 상부에 ITO층, 절연층, 음극 분리막 및 유기 발광층을 순차적으로 형성하는 단계;

상기 유기 발광층 상부에 제 1 음극 도전층을 형성하는 단계

상기 음극 분리막 상부에 음극 분리막의 폭보다 넓은 폭의 섀도우 마스크를 형성하는 단계;

상기 섀도우 마스크를 이용하여 상기 제 1 음극 도전층 상부에 음극 분리막간의 간격보다 작은 제 2 음극 투명 도전층을 형성하는 단계;

상기 섀도우 마스크를 제거하는 단계; 및

상기 제 2 음극 투명 도전층 상부에 제 3 도전층을 형성하는 단계를 포함하는 유기 EL 소자의 제조 방법을 제공한다.

이때, 상기 섀도우 마스크는 10-100㎛ 두께의 단단한 얇은 금속판을 이용하여 증착할 때 원하는 부분에만 물질을 투과할 수 있도록 소정의 부위에 구멍이 형성되어 있으며, 도전층을 형성한 후에는 제거하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 음극 도전층들은 유기 발광층의 손상을 최소화하기 위해서 열 증발법 또는 E-빔 증발법으로 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부 도 4a 내지 4c는 본 발명의 유기 EL 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다.

우선, 4a를 참조하면, 사진식각공정을 사용하여 유리 기판(41) 상부에 ITO층(42) 패턴을 형성한 다음, 그 상부에 절연막(43)과 음극 분리막(44) 및 유기 발광층(45)을 순차적으로 형성한다.

그 후, 상기 유기 발광층 상부에 일함수가 낮은 Li, Cs, Ca 및 Mg 등과 같은 알카리 계열(1/IA, 2/IIA족)의 금속, MgAg 및 LiAl 등의 합금 또는 LiF/Al 및 CsF/Al 등과 같은 전자주입이 뛰어나다고 알려진 이층 전극 구조로 형성된 얇은 두께의 금속층을 이용하여 제 1 음극 도전층(46)을 형성한다.

도 4b를 참조하면, 상기 음극 분리막 상부에 음극 분리막보다 0.1-100㎛ 넓은 크기를 가지는 섀도우 마스크(47)를 이용하여, 제 1 음극 도전층 상부의 화소 부분보다 0.1-100㎛ 작은 제 2 음극 투명 도전층(48)을 형성한다.

상기 제 2 음극 투명 도전층은 산화아연(ZnO)등의 산화 금속류나 Cr:SiO 및 Al:SiO 등과 같은 서멧 물질을 이용하여 열 증발법이나 E-빔 증발법으로 형성하는 것이 바람직하다.

도 4c를 참조하면, 섀도우 마스크를 제거한 후, 제 2 음극 투명 도전층(48) 상부에 두꺼운 금속층인 제 3 음극 도전층(50)을 형성한다.

상기 제 3 음극 도전층은 Al, Ag, Au, Cu, Mo, Cr, MgAg 및 Ca 등과 같이 전도도가 우수한 금속을 이용하여 열 증발법이나 E-빔 증발법으로 제 1, 2 음극 도전층에 비해 상대적으로 두꺼운 금속층으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 방법에 의해 막을 증착하면 제 1 층과 제 3 층의 금속막 층이 연결되는 유기 EL 구조를 제조할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 유기 EL 소자를 이루는 저반사 음극층은 제 1 음극 도전층 및 제 3 음극 도전층이 서로 연결되어 있어서 저반사 음극층의 저항이 적기 때문에, 소모 전력이 상대적으로 감소되고, 저반사 음극을 제조하는 동안 유기 박막 층에 손상이 적어서 콘트라스트 비를 개선시킬 수 있으므로, 유기 EL 소자의 효율과 수명을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 유리기판에 양극전극인 ITO층, 발광층 및 다층의 저반사 음극층이 순차적으로 형성되어 있는 유기 발광(electroluminescent; 이하 "EL"이라 칭함) 소자에 있어서,

   상기 다층 저반사 음극층은 제 1 음극 도전층, 음극 분리막(cathode separator)간의 간격보다 작게 형성된 제 2 음극 투명 도전층 및 상기 제 1 음극 도전층과 연결되어 있는 제 3 음극 도전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 음극 투명 도전층은 Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, HfO₂, Sc₂O₃, TiO₂, ITO, La₂O₃MgO, Ta₂O₅, ThO₂, Y₂O₃, CeO₂, AlF₃, CeF₃, Na₃AlF₆, LaF₃, MgF₂ThF₄, ZnS, Sb₂O₃, Bi₂O₃, PbF₂, NdF₃, Nd₂O₃, Pr₆O₁₁, SiO, NaF, ZnO, LiF, 및 GdO₃로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 음극 투명 도전층의 너비는 음극 분리막간의 간격보다 0.1∼100㎛ 작은 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 음극 투명 도전층의 두께는 100∼1000Å인 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 음극 투명 도전층은 음극 분리막 폭보다 0.1∼100㎛ 넓은 폭의 섀도우 마스크(shadow mask)로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 EL 소자.
6. 유기 기판 상부에 ITO층, 절연층, 음극 분리막 및 유기 발광층을 순차적으로 형성하는 단계;

   상기 유기 발광층 상부에 제 1 음극 도전층을 형성하는 단계

   상기 음극 분리막 상부에 음극 분리막의 폭보다 넓은 폭의 섀도우 마스크를 형성하는 단계;

   상기 섀도우 마스크를 이용하여 상기 제 1 음극 도전층 상부에 음극 분리막간의 간격보다 작은 제 2 음극 투명 도전층을 형성하는 단계;

   상기 섀도우 마스크를 제거하는 단계; 및

   상기 제 2 음극 투명 도전층 상부에 제 3 도전층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 음극 도전층은 열 증발법 또는 E-빔 증발법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 섀도우 마스크의 폭은 음극 분리막보다 0.1∼100㎛ 넓은 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.