KR20050065948A - 유기전계발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 유기전계발광소자는, 서로 대향되게 배치되며, 실패턴에 의해 봉지된 제 1, 2기판과; 상기 제 1기판의 투명기판 상부에 서브 픽셀별로 형성된 적, 녹, 청색의 컬러필터와; 상기 각 서브 픽셀에 해당하는 컬러필터의 상부에 형성된 박막트랜지스터 및 상기 박막트랜지스터와 연결된 제 1전극과; 상기 제 1전극과 대응되게 상기 제 1전극 상에 배치되며, 그 내부에 적, 녹, 청색 중 어느 하나 이상에 대한 인광 도펀트가 도핑된 백색 유기발광층과; 상기 백색 유기발광층 상부에 형성된 제 2 전극이 포함되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 백색 유기발광층 내부에 적, 녹, 청색 중 하나 이상의 인광물질이 구비됨으로써, 기존의 형광물질만을 사용한 경우보다 색순도 및 효율의 증가를 꾀할 수 있어 컬러필터를 통과한 빛의 화이트 밸런스(white balance)를 맞추기에 수월하며, 또한 효율의 증가를 통해 소비전력의 저하를 이룰 수 있다는 장점이 있다.

Description

유기전계발광 소자{Organic Electro luminescence Device}

본 발명은 유기전계발광 소자에 관한 것으로, 특히 백색 유기발광층(white EL) 및 컬러필터를 이용해 풀컬러를 표현하는 유기전계발광 소자에 관한 것이다.

새로운 평판 디스플레이(FPD : Flat Panel Display) 중 하나인 유기전계발광 소자는 자체 발광형이기 때문에 액정표시장치에 비해 시야각, 콘트라스트 등이 우수하며 백라이트가 필요 없어 경량 박형이 가능하고, 소비전력 측면에서도 유리하다.

또한, 직류 저전압 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(deposition) 및 인캡슐레이션(encapsulation) 장비가 전부라고 할 수 있기 때문에, 공정이 매우 단순하다.

종래에는 이러한 유기전계발광 소자의 구동방식으로 별도의 스위칭 소자를 구비하지 않는 패시브 매트릭스형(passive matrix)이 주로 이용됐었다.

그러나, 상기 패시브 매트릭스 방식에서는 주사선(scan line)과 신호선(signal line)이 교차하면서 매트릭스 형태로 소자를 구성하므로, 각각의 픽셀을 구동하기 위하여 주사선을 시간에 따라 순차적으로 구동하므로, 요구되는 평균 휘도를 나타내기 위해서는 평균 휘도에 라인수를 곱한 것 만큼의 순간 휘도를 내야만 한다.

그러나, 액티브 매트릭스 방식에서는, 픽셀(pixel)을 온/오프(on/off)하는 스위칭 소자인 박막트랜지스터(Thin Film Transistor)가 서브픽셀(sub pixel)별로 위치하고, 이 박막트랜지스터와 연결된 제 1 전극은 서브픽셀 단위로 온/오프되고, 이 제 1 전극과 대향하는 제 2 전극은 공통전극이 된다.

그리고, 상기 액티브 매트릭스 방식에서는 픽셀에 인가된 전압이 스토리지 캐패시터(C_ST)에 충전되어 있어, 그 다음 프레임(frame) 신호가 인가될 때까지 전원을 인가해 주도록 함으로써, 주사선 수에 관계없이 한 화면동안 계속해서 구동한다.

따라서, 액티브 매트릭스 방식에 의하면 낮은 전류를 인가하더라도 동일한 휘도를 나타내므로 저소비전력, 고정세, 대형화가 가능한 장점을 가진다.

도 1은 종래의 하부발광방식 유기전계발광 소자에 대한 개략적인 단면도이다.

단, 이는 적, 녹, 청 서브픽셀로 구성되는 하나의 픽셀 영역을 중심으로 도시되었다.

도시된 바와 같이, 제 1, 2 기판(10, 30)이 서로 대향되게 배치되어 있고, 제 1, 2 기판(10, 30)의 가장자리부는 씰패턴(40 ; seal pattern)에 의해 봉지되어 있는 구조에 있어서, 제 1 기판(10)의 투명 기판(1) 상부에는 서브 픽셀별로 박막트랜지스터(T)가 형성되어 있고, 박막트랜지스터(T)와 연결되어 제 1 전극(12)이 형성되어 있고, 박막트랜지스터(T) 및 제 1 전극(12) 상부에는 박막트랜지스터(T)와 연결되어 제 1 전극(12)과 대응되게 배치되는 적(Red), 녹(Green), 청(Blue) 컬러를 띠는 발광물질을 포함하는 유기전계발광층(14)이 형성되어 있고, 유기전계발광층(14) 상부에는 제 2 전극(16)이 형성되어 있다.

상기 제 1, 2 전극(12, 16)은 유기전계발광층(14)에 전계를 인가해주는 역할을 한다.

그리고, 전술한 씰패턴(40)에 의해서 제 2 전극(16)과 제 2 기판(30) 사이는 일정간격 이격되어 있으며, 제 2 기판(30)의 내부면에는 외부로의 수분을 차단하는 흡습제(미도시) 및 흡습제와 제 2 기판(30)간의 접착을 위한 반투성 테이프(미도시)가 포함된다.

한 예로, 하부발광방식 구조에서 상기 제 1 전극(12)을 양극으로, 제 2 전극(16)을 음극으로 구성할 경우 제 1 전극(12)은 투명도전성 물질에서 선택되고, 제 2 전극(16)은 일함수가 낮은 금속물질에서 선택되며, 이런 조건 하에서 상기 유기전계발광층(14)은 제 1 전극(12)과 접하는 층에서부터 정공주입층(14a ; hole injection layer), 정공수송층(14b ; hole transporting layer), 발광층(14c ; emission layer), 전자수송층(14d ; electron transporting layer) 순서대로 적층된 구조를 이룬다.

이때, 상기 발광층(14c)은 서브픽셀별로 적, 녹, 청 컬러를 구현하는 발광물질이 차례대로 배치된 구조를 가진다.

이와 같은 종래의 유기전계발광 소자의 경우 상기 서브픽셀을 패터닝함에 있어서, 대면적에서의 적, 녹, 청색 화소들을 미세 패턴화하고, 재현성 있게 형성하는데는 한계가 있다.

예를 들어 상기 유기전계발광층(14)에 사용되는 유기 EL 물질은 용매나 수분에 취약하기 때문에 습식 에칭에 의해서는 패터닝 될 수 없다. 이 때문에 유기 EL 물질은 미세 패턴을 형성하는데 유리한 사진식각법(photolithography)으로 패터닝될 수 없다.

저분자 유기 EL 물질은 미세 패터닝된 새도우 마스크(shadow mask)를 기판 상에 설치한 후, 적, 녹, 청색 각각의 물질을 독립적으로 성막하는 방법을 이용하여 패터닝 할 수 있지만 새도우 마스크의 해상도가 일정 수준 이상으로 정밀하게 미세 패턴화하는데 한계가 있고, 새도우 마스크의 장력편차 등에 의해 고정세 대면적에서 적용되기 곤란하다.

또한, 고분자 유기 EL 물질 잉크젯 분사헤드를 이용하여 화소들을 패터닝하는 방법이 연구중이나 1000Å 이하의 핀홀 프리(pinhole free) 박막을 형성하기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 백색 유기발광층(white EL) 및 컬러필터를 이용해 풀컬러를 표현하는 유기전계발광 소자에 있어서, 상기 백색 유기발광층 내부에 적, 녹, 청색 중 하나 이상의 인광물질이 구비됨으로써, 기존의 형광물질만을 사용한 경우보다 색순도 및 효율이 증가되는 유기전계발광소자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 유기전계발광소자는, 서로 대향되게 배치되며, 실패턴에 의해 봉지된 제 1, 2기판과; 상기 제 1기판의 투명기판 상부에 서브 픽셀별로 형성된 적, 녹, 청색의 컬러필터와; 상기 각 서브 픽셀에 해당하는 컬러필터의 상부에 형성된 박막트랜지스터 및 상기 박막트랜지스터와 연결된 제 1전극과; 상기 제 1전극과 대응되게 상기 제 1전극 상에 배치되며, 그 내부에 적, 녹, 청색 중 어느 하나 이상에 대한 인광 도펀트가 도핑된 백색 유기발광층과; 상기 백색 유기발광층 상부에 형성된 제 2 전극이 포함되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 백색 유기발광층은, 상기 제 1전극 상부로부터 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층이 순차적으로 적층된 구조로 형성되며, 상기 적, 녹, 청색 중 어느 하나 이상에 대한 인광 도펀트는 상기 발광층에 도핑됨을 특징으로 하며, 상기 발광층과 전자수송층 사이에 정공차단층이 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 적색 인광 도펀트는 PtOEP이고, 상기 녹색 인광 도펀트는 Ir(ppy)3임을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 백색 유기발광층 내부에 적, 녹, 청색 중 하나 이상의 인광물질이 구비됨으로써, 기존의 형광물질만을 사용한 경우보다 색순도 및 효율의 증가를 꾀할 수 있어 컬러필터를 통과한 빛의 화이트 밸런스(white balance)를 맞추기에 수월하며, 또한 효율의 증가를 통해 소비전력의 저하를 이룰 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 설명에 앞서 백색 유기발광층을 사용하는 유기전계발광소자에 대해 설명하도록 한다.

앞서 설명한 바와 같이 유기전계발광소자에 미세패턴의 화소들을 형성할 수 없기 때문에, 상기 유기전계발광층으로 백색 유기발광층을 사용하고, 기판에 컬러필터를 설치하는 방안이 대두되었다.

도 2는 백색 유기발광층을 사용하는 유기전계발광소자에 대한 개략적인 단면도이다. 단, 이는 적, 녹, 청 서브픽셀로 구성되는 하나의 픽셀 영역을 중심으로 도시 되었으며, 도 1과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하였다.

도 2를 참조하면, 이는 도 1의 유기전계발광소자와는 달리 유기전계발광층에 있어서, 적(Red), 녹(Green), 청(Blue) 컬러를 띠는 발광물질을 포함하는 유기전계발광층을 사용하지 않고, 백색 유기발광층(white EL)(24)을 사용하며, 각 서브픽셀에 대응되는 적, 녹, 청색의 컬러필터(21) 패턴이 상기 제 1기판 상에 형성되어 있다는 점에서 그 차이가 있다.

좀 더 상세히 설명하면, 제 1, 2 기판(20, 50)이 서로 대향되게 배치되어 있고, 제 1, 2 기판(20, 50)의 가장자리부는 씰패턴(60 ; seal pattern)에 의해 봉지되어 있는 구조에 있어서, 제 1 기판(20)의 투명 기판(1) 상부에는 서브 픽셀별 적, 녹, 청색의 컬러필터(21) 패턴이 형성되어 있으며, 상기 각 컬러필터(21) 패턴 상부에 각 서브픽셀별로 박막트랜지스터(T)가 형성되어 있고, 박막트랜지스터(T)와 연결되어 제 1 전극(22)이 형성되어 있다.

또한, 상기 박막트랜지스터(T) 및 제 1 전극(22) 상부에는 박막트랜지스터(T)와 연결되어 제 1 전극(22)과 대응되게 배치되는 백색 유기발광층(24)이 형성되어 있고, 상기 백색 유기발광층(24) 상부에는 제 2 전극(26)이 형성되어 있다.

상기 제 1, 2 전극(22, 26)은 백색 유기발광층(24)에 전계를 인가해주는 역할을 한다.

그리고, 전술한 씰패턴(60)에 의해서 제 2 전극(26)과 제 2 기판(50) 사이는 일정간격 이격되어 있으며, 제 2 기판(60)의 내부면에는 외부로의 수분을 차단하는 흡습제(미도시) 및 흡습제와 제 2 기판(60)간의 접착을 위한 반투성 테이프(미도시)가 포함된다.

도 3은 도 2의 백색 유기발광층의 내부 구조를 나타내는 도면이며, 도 4는 백색 유기발광층에서 발생되는 광의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 상기 백색 유기발광층(24)은 제 1 전극(22)과 제 2전극(26) 사이에 형성되어 있으며, 이는 도 1에 도시된 바와 같은 정공주입층(24a), 정공수송층(24b), 발광층(24c), 전자수송층(24d)의 다층구조로 구성될 수 있고, 상기 발광층(24c)에는 적, 녹, 청색의 형광물질이 구비되어 있다. 즉, 상기 발광층(24c)에 적, 녹, 청색 형광 도펀트(31, 33, 35)가 도핑되어 있는 것이다.

상기 제 1전극(22) 및 제 2전극(26)으로부터 인가되는 정공 및 전자는 상기 발광층(24c)에서 재결합하고, 상기 재결합한 여기자(exciton)가 기저상태로 될 때 발광이 일어나는데, 이 때 스핀 S=1/2인 상기 전자와 정공이 여기자를 형성할 때, 두 스핀이 역대칭으로 배열되는 S=0인 단일항 상태(singlet exciton)와 두 스핀이 대칭으로 배열되는 S=1인 삼중항 상태(triplet exciton)가 1 : 3의 비율로 생성된다.

여기서, 교환 상호작용 에너지에 의해 단일항 상태보다 삼중항 상태의 에너지가 더 낮지만, 단일항 상태에서 삼중항 상태로 전이하는 것은 스핀이 바뀌므로 허용되지 않는다. 단, 스핀-궤도 결합(spin-orbit coupling)에 의해 단일항 상태는 삼중항 상태로 전이할 수 있다.

이 때, 유기 분자의 기저상태는 스핀 단일항 상태이므로, 양자 역학적 선택률에 의하면 삼중항 여기자가 단일항인 기저상태로 빛을 내며 천이하는 것은 금지되지만, 단일항 여기자는 빛을 내며 기저상태로 천이하여 형광을 낸다. 단, 상기 스핀-궤도 결합과 같은 섭동에 의해 삼중항 여기자도 빛을 내며 천이할 수 있는데 이를 인광이라고 한다.

따라서, 형광물질을 사용하는 도 3에 도시된 바와 같은 백색 유기발광층이 채용된 유기전계발광소자의 경우, 삼중항 여기자는 총발광에 기여하지 못하고 단일항 여기자만을 이용하기 때문에 에너지 효율적인 면 등에서 단점이 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 백색 유기발광층을 이용한 유기전계발광소자에서, 상기 백색 유기발광층(24) 내부에 적, 녹, 청색의 형광 도펀트(31, 33, 35)가 도핑되어 있을 때, 상기 발광층(24c)에서 방출되는 적색 발광 파장(41)의 경우 주 피크(peak) 파장 길이(wavelength)가 600nm이하 이나, 컬러필터에 의해 투과되는 빛의 파장(43)은 600nm가 넘기 때문에, 상기 컬러필터를 통과하는 상기 적색 발광은 그 빛의 색 순도 및 효율이 좋지 않아, 전체적인 white blance가 맞지 않는 문제가 발생한다.

이러한 문제는 유기전계발광소자 패널의 전체적인 색 재현율의 저하를 일으키고, 낮은 효율로 인해 소비전력이 증가되는 문제 또한 야기한다.

도 4의 그래프에서 x축은 파장(wave length)를 나타내고, y축은 정규화된 EL intensity (normalized EL intensity)를 나타낸다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 극복하기 위해 창출된 것으로 이하 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명에 의한 백색 유기발광층을 사용하는 유기전계발광소자의 백색 유기발광층 내부 구조를 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5의 백색 유기발광층에서 발생되는 광의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.

또한, 도시하지 않았지만, 본 발명에 의한 백색 유기발광층을 사용하는 유기전계발광소자의 픽셀 영역에 대한 구조는 도 2를 통해 설명한 구조와 동일하다.

도 5를 참조하면, 상기 백색 유기발광층(54)은 제 1 전극(52)과 제 2전극(56) 사이에 형성되어 있으며, 이는 정공주입층(54a), 정공수송층(54b), 발광층(54c), 전자수송층(54d)의 다층구조로 구성될 수 있다.

본 발명의 경우 상기 발광층(54c)에 도핑되는 적, 녹, 청색의 형광물질에 대해 하나 이상의 물질을 인광물질로 대체하는 점에서 그 특징이 있다.

즉, 상기 발광층(54c)에는 적, 녹, 청색 각각 모두 형광물질로 구비되지 않고, 적, 녹, 청색 물질 중 하나 이상을 상기 형광물질 대신 인광물질을 사용하는 것이다.

다시 말하면, 상기 발광층(54c)에는 적, 녹, 청색 중 어느 하나 이상에 대해 인광 도펀트가 도핑되어 있는 것이다.

도 5는 하나의 실시예로서 적색 인광 도펀트(61)가 도핑되고, 나머지 녹색, 청색에 대해서는 형광 도펀트(63, 65)가 도핑된 상태를 나타내고 있다.

이와 같은 상기 적색 인광 도펀트(61)로는 PtOEP : 2,3,7,8,12,13,17,19-Octaethyl-21H-porphine platinum 가 사용될 수 있으며, 또한, 녹색에 대해서 인광 도펀트가 도핑되는 경우라면, 상기 녹색 인광 도펀트로 Ir(ppy)3 : tris(2-phenylpyridine)iridium이 사용될 수 있다.

또한, 상기와 같이 인광물질이 포함되도록 상기 발광층(54c)을 형성하는 경우에는 상기 발광층(54c) 상부에 정공차단층(54e)이 더 구비될 수 있다.

이와 같이 상기 인광물질을 사용하여 형성한 발광층(54c)의 상부에 상기 정공차단층(54e)을 더 형성하는 이유는, 일반적으로 삼중항(triplet) 발광물질과 단일항(singlet) 발광물질의 에너지 밴드의 위치가 다른데, 여기서 상기 삼중항 물질 즉, 인광물질은 상기 단일항 물질과는 달리 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합 확률이 적다.

따라서, 상기 정공과 전자의 재결합 확률을 높이기 위해서는 상기 정공이 상기 발광층(54c)의 내부에서 오래 머물러야 하는데 이 때, 상기 정공차단층(54e)은 상기 정공을 상기 발광층(54c)의 내부에 좀 더 오래 머물도록 하는 기능을 한다.

이와 같이 상기 발광층(54c) 내부에 적색 인광 도펀트(61)가 도핑된 경우에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 발광층(54c)에서 방출되는 적색 발광 파장(60)의 주 피크(peak) 파장 길이(wavelength)가 600nm이상이 됨을 알 수 있다.

그에 따라 상기 발광층에서 방출되는 적색 발광은 600nm 이상의 빛을 투과하는 컬러필터(43)에 의해 충분히 투과되어 색 효율의 증가를 꾀할 수 있게 된다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이 발광층에 기존의 적색 형광 도펀트가 도핑된 경우 방출되는 적색 발광(41)은 색좌표가 (0.65, 0.34)이나, 본 발명에서와 같이 상기 발광층에 적색 인광 도펀트가 도핑된 경우 방출되는 적색 발광(60)은 색좌표가 (0.71, 0.29)로 색순도 측면에서 적색에 더 가까워 짐을 알 수 있다.

여기서, 도 6의 그래프에서 x축은 파장(wave length)를 나타내고, y축은 정규화된 EL intensity (normalized EL intensity)를 나타낸다.

결과적으로 본 발명에 의할 경우 발광층에서 방출되는 광의 색순도 및 효율의 증가에 의해 컬러필터를 통과한 빛의 화이트 밸런스를 맞추기 수월하게 되는 것이다.

또한, 도 5 및 도 6은 상기 발광층 내에 적색 인광 도펀트가 도핑된 상태에 대해 설명하고 있으나, 녹색, 청색에 대해서도 이에 대한 인광 도펀트를 도핑함으로써 상기와 같은 효과를 얻을 수 있는 것이다.

본 발명에 의한 유기전계발광소자에 의하면, 백색 유기발광층 내부에 적, 녹, 청색 중 하나 이상의 인광물질이 구비됨으로써, 기존의 형광물질만을 사용한 경우보다 색순도 및 효율의 증가를 꾀할 수 있어 컬러필터를 통과한 빛의 화이트 밸런스(white balance)를 맞추기에 수월하며, 또한 효율의 증가를 통해 소비전력의 저하를 이룰 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 하부발광방식 유기전계발광 소자에 대한 개략적인 단면도.

도 2는 백색 유기발광층을 사용하는 유기전계발광소자에 대한 개략적인 단면도.

도 3은 도 2의 백색 유기발광층의 내부 구조를 나타내는 도면.

도 4는 백색 유기발광층에서 발생되는 광의 스펙트럼을 나타내는 도면.

도 5는 본 발명에 의한 백색 유기발광층을 사용하는 유기전계발광소자의 백색 유기발광층 내부 구조를 나타내는 도면.

도 6은 도 5의 백색 유기발광층에서 발생되는 광의 스펙트럼을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

54c : 발광층 54e : 정공차단층

61 : 적색 인광 도펀트

Claims (5)

1. 서로 대향되게 배치되며, 실패턴에 의해 봉지된 제 1, 2기판과,

   상기 제 1기판의 투명기판 상부에 서브 픽셀별로 형성된 적, 녹, 청색의 컬러필터와,

   상기 각 서브 픽셀에 해당하는 컬러필터의 상부에 형성된 박막트랜지스터 및 상기 박막트랜지스터와 연결된 제 1전극과,

   상기 제 1전극과 대응되게 상기 제 1전극 상에 배치되며, 그 내부에 적, 녹, 청색 중 어느 하나 이상에 대한 인광 도펀트가 도핑된 백색 유기발광층과,

   상기 백색 유기발광층 상부에 형성된 제 2 전극이 포함되는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 백색 유기발광층은, 상기 제 1전극 상부로부터 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층이 순차적으로 적층된 구조로 형성되며, 상기 적, 녹, 청색 중 어느 하나 이상에 대한 인광 도펀트는 상기 발광층에 도핑됨을 특징으로 하는 유기전걔발광소자.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 발광층과 전자수송층 사이에 정공차단층이 더 구비됨을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 적색 인광 도펀트는 PtOEP : 2,3,7,8,12,13,17,19-Octaethyl-21H-porphine platinum 임을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 녹색 인광 도펀트는 Ir(ppy)3 : tris(2-phenylpyridine)iridium 임을 특징으로 하는 유기전계발광소자.