KR20050114204A - 다중-픽셀 디스플레이 디바이스 및 그 형성 방법 - Google Patents

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KR20050114204A
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제레미 헨리 버로지스
줄리안 찰스 카터
알렉 고돈 거너
스티븐 칼 힉스
아이언 스티븐 밀라드
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캠브리지 디스플레이 테크놀로지 리미티드
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Abstract

본 발명의 다중-픽셀 디스플레이 디바이스에서 각 픽셀은 애노드 전극(10)과; 캐소드 전극(11)과; 그리고 상기 전극들 간에 위치되는 광-전기적 활성 영역(12)을 포함하며; 상기 캐소드 전극은 1족 또는 2족 또는 전이 금속의 화합물을 포함하는 제 1 층(15)과, 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 물질을 포함하는 제 2 층(16)과, 그리고 3.5eV 이상의 일함수를 가지며 상기 제 1, 2 층들에 의해 상기 광-전기적 활성 영역으로부터 이격되는 제 3 층(17)을 포함한다.

Description

다중-픽셀 디스플레이 디바이스 및 그 형성 방법 {MULTI-PIXEL DISPLAY DEVICES AND METHOD FOR FORMING THE SAME}
본 발명은 광-전기적 디바이스 (예컨대, 발광 또는 광 검출 디바이스)를 각 픽셀로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
광-전기적 디바이스의 한 특정 부류는 발광 또는 광 검출을 위해 유기 물질을 이용하는 것이다. 발광 유기 물질은 PCT/WO90/13148 및 US 4,539,507호에 개시되어 있는바, 이들의 내용은 본원의 참조로서 인용된다. 이러한 디바이스의 기본 구조는 발광 유기층, 예를 들어 2개의 전극 간에 샌드위치되는 폴리(p-페닐렌비닐렌(pheneylenevinylene)("PPV"))의 필름이다. 상기 전극들중 하나(캐소드)는 음전하 캐리어들(전자들)을 주입하고, 다른 하나(애노드)는 양 전하 캐리어(정공)를 주입한다. 이러한 전자와 정공은 유기층에서 결합하여 광자(photon)를 생성한다. PCT/WO90/13148에서, 유기 발광 물질은 폴리머이다. US 4,539,507호에서, 유기 발광 물질은, (8-하이드록시퀴놀린(hydroxyquinoline))알루미늄("Alq3")과 같은 소분자 물질로서 알려진 부류이다. 실제 디바이스에서, 전극중 하나는 전형적으로 투명하여, 광자들이 그 디바이스를 빠져나갈 수 있게 한다.
도 1은 이러한 유기 발광 디바이스("OLED")의 전형적인 단면 구조를 도시한다. 이 OLED는 전형적으로 애노드(2)를 형성하기 위해 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide("ITO"))와 같은 투명 물질로 코팅된 유리 또는 플라스틱 기판(1) 위에 제조된다. 이러한 코팅된 기판은 상업적으로 입수할 수 있다. 이 ITO-코팅된 기판에는 적어도 전계 발광 유기 물질(3)의 박막 및 최종 캐소드층(4)이 코팅되며, 상기 캐소드층(4)은 전형적으로 금속 또는 합금이다.
이러한 디바이스의 매력적인 용도는 특히 휴대 컴퓨터 및 휴대 전화와 같은 배터리 구동 유닛의 디스플레이이다. 따라서, 이러한 유닛의 배터리 수명을 늘리기 위해서는, 특히 발광 디바이스의 효율을 높일 필요가 있다. 효율을 개선하기 위한 제 1 방법은 발광 물질 자체를 신중하게 선택하고 설계하는 것이다. 제 2 방법은 디스플레이의 물리적인 레이아웃을 최적화하는 것이다. 제 3 방법은 발광층으로의 전하 주입 및 이 발광층에서의 전하 재결합 조건들을 개선하는 것이다.
상기 발광층으로의 전하 주입 및 이 발광층에서의 전하 재결합 조건을 개선하기 위해, 상기 전극중 하나 또는 둘 모두와 발광층 사이에 폴리스티렌 술폰산이 도핑된 폴리에틸렌 디옥시티오펜(polystyrene sulphonic acid doped polyethylene dioxythiophene)("PEDOT-PSS")과 같은 유기 물질의 전하 이송층을 포함하는 것은 알려져있다. 전하 이송층을 적절히 선택하게 되면, 발광층으로의 전하 주입을 강화하고, 전하 캐리어의 역방향 흐름을 방지하여 전하 재결합을 촉진시킬 수 있다. 또한, 전하 캐리어의 바람직한 흐름을 돕는 일함수(work function)를 갖는 물질로부터 전극들을 형성하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 칼슘 또는 리튬과 같은 낮은 일함수 물질이 캐소드로서 바람직하다. PCT/WO97/08919는 마그네슘:리튬 합금으로 형성된 캐소드를 개시한다.
본 발명의 제 1 양상에 따르면, 광-전기적 디바이스가 제공되는바, 이는 애노드 전극과; 캐소드 전극과; 그리고 상기 전극들 간에 위치하는 광-전기적 활성 영역을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 주기율 표의 1족 금속(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), 2족 금속(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra), 또는 전이 금속(transition metal)의 화합물을 포함하는 제 1 층과, 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 물질을 포함하는 제 2 층과, 그리고 3.5eV 이상의 일함수를 가지며 상기 제 1, 2 층들에 의해 상기 광-전기적 활성 영역으로부터 이격되는 제 3 층을 포함한다.
본 발명의 제 2 양상에 따르면, 광-전기적 디바이스를 형성하는 방법이 제공되는바, 이 방법은 애노드 전극을 증착하는 단계와; 상기 애노드 전극 위에 광-전기적 활성 물질 영역을 증착하는 단계와; 상기 광-전기적 활성 물질 영역 위에, 상기 1족, 2족, 또는 전이 금속의 화합물을 포함하는 층과 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 물질을 포함하는 층을 증착하는 단계와; 그리고 제 3 캐소드 층을 형성하기 위해 이러한 층들 위에 3.5eV 이상의 일함수를 갖는 물질을 증착하는 단계를 포함한다.
상기 화합물은 바람직하게는 1족 금속의 화합물 또는 2족 금속 화합물이며, 특히 리튬과 같은 1족 금속의 화합물이다. 상기 화합물은, 예를 들어 할라이드(halide)(예를 들어, 플루오라이드(fluoride)), 산화물, 탄화물(carbide) 또는 질화물중 어느 것일 수 있다. 이러한 화합물중 일부는 전기적으로 전도성일 수 있고, 다른 화합물은 전기적으로 절연성일 수 있다. 상기 화합물은 1족, 2족 또는 전이 금속의 합성물(complex), 특히 유기 합성물일 수 있다.
상기 제 1 층은 상기 제 2 층에 의해 상기 광-전기적 활성 영역으로부터 이격될 수 있다. 대안적으로, 상기 제 2 층이 상기 제 1 층에 의해 상기 광-전기적 활성 영역으로부터 이격될 수 있다. 상기 제 1 층과 제 2 층중 상기 광-전기적 활성 영역에 더 가까운 것이 상기 영역에 인접한 것이 바람직하거나, 또는 상기 제 1 층과 상기 광-전기적 활성 영역 사이에 1개 이상의 다른 층들(바람직하게는 전기적으로 전도성인 층들)이 있을 수 있다. 상기 광-전기적 활성 영역은 적절하게는 어떠한 층의 형태, 바람직하게는 광-전기적 활성 물질층의 형태를 갖는다. 상기 광-전기적 활성 영역은 적절하게는 광을 방출하거나 또는 입사광에 반응하여 전계를 발생시킨다. 상기 디바이스는 바람직하게는 전계 발광 디바이스이다.
상기 제 2 층은 바람직하게는 Li, Ba, Mg, Ca, Ce, Cs, Eu, Rb, K, Y, Sm, Na, Sm, Sr, Tb 또는 Yb로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 금속; 또는 이러한 금속들중 2개 이상의 합금; 또는 이러한 금속들중 1개 이상과 Al, Zr, Si, Sb, Sn, Zn, Mn, Ti, Cu, Co, W, Pb, In 또는 Ag와 같은 다른 금속의 합금을 포함한다.
상기 제 1 층의 두께는 적절하게는 10 내지 150Å이다. 상기 제 2 층의 두께는 적절하게는 1000Å 보다 작으며, 바람직하게는 500Å 보다 작다. 상기 제 2 층의 두께는 적절하게는 40Å 또는 100Å 보다 크며, 선택적으로는 150Å 또는 200Å 보다 크다. 상기 제 2 층의 두께는 바람직하게는 40Å 내지 500Å 범위이다.
상기 제 1 층은 바람직하게는 80% 보다 많은, 또는 90% 보다 많은, 또는 95% 보다 많은, 또는 가장 바람직하게는 99% 보다 많은 상기 화합물을 포함한다. 상기 제 1 층은 본질적으로 상기 화합물로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 화합물은 상기 디바이스에서 3.5eV 보다 작은 유효 일함수를 가질 수 있다.
상기 제 2 층을 구성하는 물질은 그 일함수가 3.5eV 보다 작거나, 3.4eV 보다 작거나, 3.3eV 보다 작거나, 3.2eV 보다 작거나, 3.2eV 보다 작거나, 3.1eV 보다 작거나, 또는 3.0eV 보다 작다. 제 2 층은 상기 물질이 바람직하게는 80% 보다 많이, 90% 보다 많이, 또는 95% 보다 많이, 또는 가장 바람직하게는 99% 보다 많이 포함한다. 상기 제 2 층은 본질적으로 상기 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 광-전기적 활성 영역과 접촉하는 어떠한 캐소드층의 물질은 바람직하게는, 이들 두 층이 접촉할 때, 활성 영역 물질을 크게 열화(degradation)시키지 않는다. 상기 광-전기적 활성 영역과 접촉하지 않는 어떠한 캐소드층의 물질은, 이들 두 층이 접촉할 때, 활성 영역 물질의 열화를 야기시킬 수 있는 물질일 수 있다. 상기 제 1 층의 화합물은, 상기 활성 영역의 물질과 접촉할 때, 상기 활성 영역 물질의 상태와 상기 제 2 층 물질의 상태 사이의 중간 상태(intermediate state)를 형성할 수 있다.
상기 제 3 층은 적절하게는 상기 제 1, 2 캐소드층들의 일함수 보다 높은 일함수를 갖는 물질("보다 높은 일함수 물질")을 포함한다. 상기 보다 높은 일함수 물질의 일함수는 3.5eV 보다 큰 것이 바람직하거나, 보다 바람직하게는 4.0eV 보다 큰 것이 바람직하다. 상기 보다 높은 일함수 물질은 적절하게는 금속이다. 상기 보다 높은 일함수 물질 그리고/또는 상기 제 3 층 자체는 바람직하게는 105(Ω.cm)-1 보다 큰 전기 전도성을 갖는다. 상기 보다 높은 일함수 물질은 바람직하게는 Al, Cu, Ag, Au 또는 Pt; 또는 이러한 금속들중 2개 이상의 합금; 또는 이러한 금속들중 1개 이상과 다른 금속, 또는 틴 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드와 같은 산화물과의 합금이다. 상기 제 3 층의 두께는 바람직하게는 1000Å 내지 10000Å 범위이며, 보다 바람직하게는 2000Å 내지 6000Å 범위이고, 가장 바람직하게는 약 4000Å이다.
상기 제 2 층은 바람직하게는 상기 제 1 층에 인접한다. 상기 제 3 층은 바람직하게는 상기 제 2 층에 인접한다. 대안적으로, 상기 캐소드는 상기 제 1, 2 그리고/또는 3 층들 사이에 위치되는 추가적인 층들을 포함할 수 있다. 상기 캐소드는 바람직하게는 무기물, 가장 바람직하게는 금속이다.
상기 전극들중 하나는 광 투과성이며, 가장 바람직하게는 투명하다. 이 전극은 애노드 전극이 바람직하기는 하나 필연적이지는 않으며, 틴 옥사이드(TO), 인듐-틴 옥사이드(ITO) 또는 금으로도 형성될 수 있다.
상기 광-전기적 활성 영역은 발광성(이를 통해 적절한 전계가 인가되면 발광함)이거나 감광성(light-sensitive)(입사광에 반응하여 전계를 발생시킴)일 수 있다. 상기 광-전기적 활성 영역은 적절하게는 발광 물질 또는 감광 물질을 포함한다. 이러한 발광 물질은 적절하게는 유기 물질이며, 바람직하게는 폴리머 물질이다. 상기 발광 물질은 바람직하게는 반도체 그리고/또는 컨쥬게이트된(conjugated) 폴리머 물질이다. 대안적으로, 상기 발광 물질은 다른 형태들, 예를 들어 승화성 저분자 막(sublimed small molecule film) 또는 무기 발광 물질일 수 있다. 상기 또는 각 유기 발광 물질은 1개 이상의 개별적인 유기 물질, 적절하게는 폴리머, 바람직하게는 완전히 또는 부분적으로 컨쥬게이트된 폴리머를 포함할 수 있다. 예시적인 물질로는, 임의의 결합으로 이하 물질중에서 하나 이상을 포함한다: 폴리(p-페닐렌비닐렌)("PPV"), 폴리(2-메톡시-5(2'-에틸)헥실옥시페닐렌비닐렌)("MEH-PPV"), 1개 이상의 PPV-유도체(derivative)(예를 들어, 디-알콕시 또는 디-알킬 유도체), 폴리플루오렌 세그먼트를 통합한 폴리플루오렌 그리고/또는 코-폴리머, PPV 및 관련 코-폴리머, 폴리(2,7-(9,9-디-n-옥틸플루오렌)-(1,4-페닐렌-((4-섹부틸페닐)이미노)-1,4-페닐렌))("TFB"), 폴리(2,7-9,9-디-n-옥틸플루오렌)-(1,4-페닐렌-((4-메틸페닐)이미노)-1,4-페닐렌-((4-메틸페닐)이미노)-1,4-페닐렌))("PFM"), 폴리(2,7-(9,9-디-n-옥틸플루오렌)-(1,4-페닐렌-((4-메톡시페닐)이미노)-1,4-페닐렌-((4-메톡시페닐)이미노)-1,4-페닐렌))("PFMO"), 폴리(2,7-(9,9-디-n-옥틸플루오렌))("F8") 또는 (2,7-(9,9-디-n-옥틸플루오렌)-3,6-벤졸티아디아졸))("F8BT"). 대안적인 물질은 Alq3와 같은 소분자 물질을 포함한다.
상기 디바이스에는 1개 이상의 추가적인 층들이 있을 수 있다. 상기 활성 영역과 상기 전극들중 한 전극 또는 다른 전극 사이에는 (바람직하게는 더욱 더 많은 유기 물질로 된) 1개 이상의 전하 이송층이 있을 수 있다. 상기 또는 각 전하 이송층은 적절하게는 폴리스티렌 술폰산이 도핑된 폴리에틸렌 디옥시티오펜("PEDOT-PSS"), 폴리(2,7-(9,9-디-n-옥틸플루오렌)-(1,4-페닐렌-(4-이미노(벤조산))-1,4-페닐렌-(4-이미노(벤조산))-1,4-페닐렌))("BFA"), 폴리아닐린 및 PPV와 같은 1개 이상의 폴리머를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 2 양상에 따르면, 광-전기적 디바이스를 형성하는 방법이 제공되는바, 이 방법은 애노드 전극을 증착하는 단계와; 상기 애노드 전극 위에, 광-전기적 활성 물질 영역을 증착하는 단계와; 상기 광-전기적 활성 물질 영역 위에, 제 1 캐소드층을 형성하기 위해 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 물질을 증착하는 단계와; 그리고 상기 제 1 캐소드층 위에, 상기 제 1 캐소드층과 다른 구성을 갖는 제 2 캐소드층을 형성하기 위해 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 다른 물질을 증착하는 단계를 포함한다.
이제, 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명된다.
도 2의 층들의 도시된 두께들은 일정한 비례로 도시된 것은 아니다.
도 2의 디바이스는 애노드 전극(10) 및 캐소드 전극(11)을 포함한다. 이 전극층들 사이에는 발광 물질의 활성층(12)이 위치된다. PEDOT:PSS의 전하 이송층(13)이 애노드 전극(10)과 발광층(12) 사이에 위치된다. 이 디바이스는 유리 기판(14) 위에 형성된다.
금속 캐소드(11)는 3개의 층들을 포함한다. 발광층(12) 바로 위에는 칼슘으로된 제 1 층(15)이 있다. 이 제 1 층 위에는 리튬으로 된 제 2 층(16)이 있다. 상기 제 2 층 위에는 알루미늄으로된 제 3 층(17)이 있다. 이하 설명될 바와 같이, 이러한 구조는 디바이스 효율성을 상당히 증가시키는 것으로 밝혀졌다.
도 2의 디바이스를 형성하기 위해, 애노드 전극(10)을 형성하기 위한 ITO의 투명층이 유리 시트(14)에 최초로 증착된다. 이 유리 시트는, 예를 들어 1mm 두께의 소다라임(sodalime) 또는 보로실리케이트(borosilicate) 유리 시트일 수 있다. ITO 코팅의 두께는 적절하게는 약 100 내지 150nm이고, ITO는 적절하게는 10 내지 30Ω/□의 시트 저항을 갖는다. 이러한 형태의 ITO 코팅된 유리 기판은 상업적으로 입수할 수 있다. 유리에 대한 대안으로서, 시트(14)는 퍼스펙스(perspex)로 형성될 수 있다. ITO에 대한 대안으로서, 금 또는 TO가 애노드로서 이용될 수 있다.
ITO 애노드 위에는 정공 이송층 또는 주입층(13)이 증착된다. 이 정공 이송층은 PEDOT와 PSS의 비율이 약 1:5.5인 PEDOT:PSS를 함유한 용액으로 부터 형성된다. 이 정공 이송층의 두께는 적절하게는 약 500Å이다. 이 정공 이송층은 용액으로부터 스핀 코팅되고, 이후 질소 분위기에서 1시간 동안 약 200℃에서 베이킹된다.
이후, 전계 발광층이 증착된다. 본 예에서, 이 전계 발광층은 5BTF8에서 20% TFB로 형성된다. 5BTF8이란 용어는 5% 폴리(2,7-(9,9-디-n-옥틸플루오렌)-3,6-벤조티아디오졸))("F8BT")가 도핑된 폴리(2,7-(9,9-디-n-옥틸플루오렌))("F8")을 말한다. TFB라는 용어는 폴리(2,7-(9,9-디-n-옥틸플루오렌)-(1,4-페닐렌-((4-섹부틸페닐)이미노)-1,4-페닐렌))을 말한다.
이 혼합물은 전형적으로 약 750Å의 두께로 스핀 코팅하므로써 정공 이송층 위에 코팅된다. PPV와 같은 다른 물질이 발광층으로서 이용될 수 있다. 이 발광층은 블레이드(blade) 또는 메니스커스(meniscus) 코팅과 같은 다른 방법에 의해 형성될 수 있고, 원한다면 전구체(precursor)의 형태로 증착될 수 있다.
이후, 캐소드가 증착된다. 이 캐소드의 3개의 개별적인 층이 10-8mbar 보다 작은 기본 압력하에서 진공속에서 연속적인 열 증착 공정(thermal evaporation)에 의해 증착된다. 바람직하게는, 이러한 진공은 상기 연속적인 단계 사이에서 깨지지 않아, 상기 층들 간의 인터페이스의 오염 가능성을 감소시킨다. 이러한 열 증착에 대한 한 대안은 스퍼터링이지만, 이는 발광층(12)에 손상을 야기할 수 있기 때문에 이 발광층(12)에 인접한 제 1 층(15)의 적어도 증착에는 그리 바람직하지 않다. 제 1 열 증착 단계에서, 상기 제 1 층(15)이 증착된다. 이 제 1 층(15)은 칼슘으로 이루어지며, 약 5 내지 25Å, 바람직하게는 약 15Å의 두께를 갖는다. 제 2 열 증착 단계에서, 제 2 층(16)이 증착된다. 이 제 3 층(16)은 리튬으로 이루어지며, 약 100 내지 500Å의 두께를 갖는다. 제 3 열 증착 단계에서, 층(17)이 증착된다. 이 층(17)은 알루미늄으로 이루어지며, 약 4000Å의 두께를 갖는다.
마지막으로, 상기 층들(10 및 17)에 접촉부이 부착되고, 알루미늄층(16)이 어느 정도는 몰딩제(encapsulant)의 역할을 하지만, 이 디바이스는 바람직하게는 주위 환경으로부터 보호하기 위해 에폭시 수지로 밀봉된다.
이용시, 애노드와 캐소드 사이에 적절한 전압이 인가되면, 발광층이 자극되어 광을 방출한다. 방출된 광은 투명한 애노드 및 유리 커버 시트를 통해 관찰자에게로 이동한다.
본 출원인은 이러한 형태의 디바이스가 상당히 증가된 효율성을 가짐을 발견했다. 도 3 및 도 4는 도 2의 디바이스와 유사한 디바이스(디바이스 E 내지 H) 및 2개의 비교 디바이스 설계(디바이스 A 내지 D 및 디바이스 J 내지 P)의 디바이스 성능에 대한 데이터를 도시한다.
상기 디바이스의 공통 구조는 다음과 같다:
기판: 유리
애노드 : ITO
전하 이송층 : 1:5.5 PEDOT:PSS; 두께 500Å
발광층: 4:1 5BTF8:TFB; 두께 750Å
상기 디바이스의 캐소드는 다음과 같다:
디바이스 A 내지 D:
발광층에 인접한 500Å 두께의 칼슘층; 및
4000Å 두께의 알루미늄 캡핑층.
*디바이스 E 내지 H:
발광층에 인접한 500Å 두께의 리튬층;
1000Å 두께의 칼슘층; 및
4000Å 두께의 알루미늄 캡핑층.
디바이스 J 내지 P:
발광층에 인접한 25Å 두께의 리튬층; 및
4000Å 두께의 알루미늄 캡핑층.
도 3은 상기 디바이스의 최대 측정 효율을 Lm/W 및 Cd/A로 도시한다. 도 4는 0.01, 100 및 1000 Cd/m2의 휘도(brightness)에서의 상기 디바이스에 대한 구동 전압을 도시한다. 도 3은 디바이스(E 내지 H)의 최대 효율성이 다른 디바이스의 최대 효율성 보다 현저히 크다는 것을 보여준다. 도 4는 디바이스들(E 내지 H)이 구동 전압에 있어서 어떠한 큰 증가를 허용하지 않으며, 디바이스들(J 내지 P) 보다 상당히 더 낮은 구동 전압을 가짐을 보여준다.
도 5 내지 도 9는 추가적인 유사한 디바이스들에 대한 데이터를 도시한다. 도 5는 ITO 애노드, 80nm의 PEDOT:PSS층, (글로브박스(glovebox)에서 스핀 코팅된) 63nm의 청색 발광 물질층 및 캐소드층을 포함하는 디바이스에 대한 실험 데이터를 나타내는바, 상기 캐소드층은 상기 발광 물질층에 인접하고 각 플롯에 나타낸 조성을 갖는 제 1 층과, Ca으로 된 10nm 두께의 제 2 층과, 그리고 Al으로 된 최종층으로 이루어진다. 도 6은 ITO 애노드, 80nm의 PEDOT:PSS층, (글로브박스에서 F8:TFB:F8BT 스핀 코팅된) 70nm의 녹색 발광 물질층 및 캐소드층을 포함하는 디바이스에 대한 실험 데이터를 나타내는바, 상기 캐소드층은 상기 발광 물질층에 인접하고 각 플롯에 나타낸 조성을 갖는 제 1 층과, Ca으로 된 10nm 두께의 제 2 층과, 그리고 Al으로 된 제 3 층을 포함한다. 실험 데이터는 전계 발광 스펙트럼, 전압에 대한 발광 효율, 전압에 대한 전류 밀도, 전압에 대한 휘도, 및 시간에 대한 휘도이다. 효율 데이터는 다음과 같이 요약된다:
제 1캐소드층 물질 청색: 최대 Lm/W 녹색: 최대 Lm/W
MgF2 0.30 8.5
Mgl2 0.01 0.12
LiF 2.0 15
LiCl 0.18 10
LiBr 0.05 12
Lil 0.35 13
CsCl 0.60 0.9
CsBr 0.75 4.5
Csl 0.80 8.0
YF 1.25 14
CaAl 0.73 16
청색 발광체의 EL 스펙트럼은 이용되는 캐소드 물질들에 단지 약간 종속적이었으며, 전형적인 집성 특성(aggregate feature)을 보여주는 보다 높은 전류 밀도를 갖는다. 녹색 스펙트럼은 이용되는 캐소드 물질들에 비교적 독립적이었다. 디바이스의 성능은 주로 제 1 캐소드층의 금속 구성물에 종속적인 것으로 나타났다. Mg 기반 디바이스는 양쪽 발광 폴리머에 대해 최악의 성능을 갖는바, 비교적 낮은 효율 및 전류를 갖는다. Cs 기반 디바이스는 중간 성능을 갖는다. LiF는 최고 성능 디바이스를 제공한다. 다른 Li 할라이드는 청색 발광에 대해서는 비교적 나쁜 성능을 갖고, 녹색 발광에 대해서는 가변 효율을 갖는다.
도 7은 ITO 애노드, PEDOT:PSS층, (각각의 플롯에 표시된 바와 같이) 청색, 녹색 또는 적색광을 방출할 수 있는 발광층, 및
(a) 발광층에 인접한 Ca층/상위 Al층;
(b) 발광층에 인접한 LiF층(6nm 두께)/Ca층(10nm 두께)/상위 Al층;
(c) 발광층에 인접한 Ca층(5nm 두께)/LiF층(6nm 두께)/상위 Al층의 전극들을 갖는 유사한 디바이스들에 대한 효율 데이터를 도시한다.
도 8은 Ca/LiF/Al 구성에서 청색, 녹색 및 적색 디바이스들에 대해 LiF층의 두께를 변경했을 경우 효율 데이터를 최대 Lm/W의 플롯으로서 도시한다. 도 9는 LiF/Ca/Al 구성에서 청색, 녹색 및 적색 디바이스들에 대해 LiF층의 두께를 변경했을 경우 효율 데이터를 최대 Lm/W의 플롯으로서 도시한다.
본 출원인은 또한 이러한 디바이스들에서 Ca층을 유사한 Yb 또는 Ba층으로 대체하므로써 유익한 결과를 얻는다. Sm, Y 및 Mg와 같은 다른 물질이 유사한 결과를 산출할 것으로 기대된다.
상기 디바이스의 대부분은 자신의 캐소드에 LiF와 같은 1족 또는 2족 금속 할라이드를 포함한다. LiO와 같은 다른 1족 및 2족 금속 화합물 및 합성물이 본 출원인에 의해 연구되었으며, 유익한 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌다. YF(상기 참조)와 같은, 전이 금속 할라이드, 화합물 및 합성물 역시 유익한 결과를 제공할 수 있다. 1족, 2족 또는 전이 금속의 유기 합성물 역시 유익한 결과를 제공할 수 있다. 이러한 물질은, 장벽 효과를 제공하므로써 기능할 가능성이 있는 물질(예를 들어, LiO) 또는 이러한 상황에서 자신의 낮은 일함수로 인한 다른 효과에 의해 기능할 가능성이 있는 물질(예를 들어, LiF)을 포함한다.
발광층(12)에 인접한 캐소드층(15)이 충분히 얇아서 위에 놓인 캐소드층(16)의 특성이 캐소드로부터 발광층으로의 전하 주입에 영향을 미칠 수 있는 경우, 상기 층들(15 및 16)에 대한 물질을 선택할 수 있는 기회가 존재하므로, 이에 따라 이들의 특성을 결합하므로써 상기 디바이스의 성능이 개선될 수 있는 것으로 여겨진다. 이러한 개선을 위한 가능한 메커니즘에는 (a) 층(16)의 물질의 주입 특성들의 적어도 일부를 유지하면서, 디바이스의 유기층(들)(예를 들어, 층(15))과 층(16)의 물질 간의 바람직하지 않은 상호 작용을 층(15)에 의해 방지할 수 있는 메커니즘과, 그리고 (b) 층(16)으로부터의 전자 주입을 돕는 중간 상태를 (예컨대 층(15)과 같은 유기층(들)을 갖는)층(15)에 의해 형성할 수 있는 메커니즘을 포함하는 것으로 여겨진다. 층(15)은 상기 효과가 발생할 수 있도록 충분히 얇아야 하나, (과도한 결함들 없이) 재생가능하고 균일하게 증착될 수 있도록 충분히 두꺼워야 한다. 메커니즘 (a)를 촉진하기 위해, 층(16)은 층(15)의 물질보다 반응성이 높지만은 더 낮은 일함수를 갖는 물질로부터 형성될 수 있다. 또한, 주목할 사항으로는, 도 7 및 8의 Ca/LiF/Al 디바이스들에서와 같이, 적절한 물질층(예를 들어, LiF)이 발광 물질로부터 약간 이격될 때 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 일반적으로, 가능한 메커니즘들은 표면 유도된 다이폴(dipole)들, 변경된 일함수들, 화학적으로 안정한 화합물들의 전하 이송 형성, 및 도핑된 주입층을 형성하기 위한 캐소드 화합물층의 해리(dissociation)를 포함한다.
주목할 사항으로서, 전술된 형태의 디바이스들을 실험적으로 평가함에 있어서, 캐소드의 상부층(예를 들어, Al)이 중요한 보호 효과를 제공한다. Al을 대신할 다른 적절한 물질들로는 Ag 또는 ITO가 있는바, 이들은 투명층을 제공함으로써 전체 캐소드가 투명하거나 또는 적어도 반투명하게 될 수 있다는 장점들을 갖는다. 이는 캐소드를 통해 발광하도록된 디바이스들에 유익하다.
전술된 형태의 디바이스는 멀티 픽셀 디스플레이 디바이스의 한 픽셀을 형성할 수 있다.
전술된 디바이스들은 본 발명의 범위 내에서 다양한 방법으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 상기 캡핑층(17)은 생략될 수 있거나; 상기 층들은 다른 물질들로 형성될 수 있거나; 상기 디바이스의 캐소드 또는 다른 곳에 추가적인 층들이 존재할 수 있거나; 또는 1개 이상의 추가적인 전하 이송층들이 상기 발광층과 상기 전극들중 어느 하나 또는 둘 모두 사이에 제공되어, 각각의 전극과 발광층 간의 전하 이송을 돕고 그리고/또는 역 방향으로의 전하 이송을 막을 수 있다. 상기 발광 물질은, 예를 들어, C. W. Tang 및 S. A. VanSlyke에 의해 Appl. Phys. Lett. 51, 913-915(1987)에 발표된 "Organic Electroluminescent Diodes"에 개시된 바와같은 승화성 분자막들의 부류일 수 있다. 전극들의 위치들은 반전되어, 캐소드가 (관찰자에 가장 가깝게) 디스플레이의 전방에 위치하고 애노드가 후방에 위치할 수 있다.
동일한 원리들이 광 생성 디바이스가 아닌 광 검출 디바이스들에도 적용될 수 있다. (필요하다면) 상기 발광 물질을 광에 응답하여 전계를 생성할 수 있는 물질로 대체하므로써, 전술된 바와같은 개선된 전극들의 개선된 특징들이 검출 전압들 그리고/또는 효율을 개선하는데 이용될 수 있다.
본 출원인은 본 발명이 현 청구항중 어느 청구항에 제한됨이 없이, 암시적으로 또는 명시적으로 본원에 개시된 발명의 특징 또는 이러한 특징들의 결합 또는 이들 특징의 일반화를 포함할 수도 있다는 사실에 대해 주목한다. 전술한 설명에 비추어 볼때, 당업자에게는 본 발명의 범위내에서 다양한 변형이 행해질 수도 있음이 명백할 것이다.
도 1은 유기 발광 디바이스의 단면 구조도이다.
도 2는 발광 디바이스의 단면도이다.
도 3 및 4는 다수의 발광 디바이스의 성능에 대한 데이터를 도시한다.
도 5 및 6은 서로 다른 구성의 캐소드를 갖는 한 세트의 디바이스에 대한 실험 데이터를 도시한다.
도 7은 서로 다른 구성의 캐소드를 갖는 한 세트의 디바이스에 대한 실험 데이터를 도시한다.
도 8 및 9는 서로 다른 두께의 캐소드층을 갖는 디바이스에 대한 실험 데이터를 도시한다.

Claims (24)

  1. 다중-픽셀 디스플레이 디바이스로서 여기서 각 픽셀은:
    애노드 전극과;
    캐소드 전극과; 그리고
    상기 전극들 간에 위치되는 광-전기적 활성 영역을 포함하며;
    상기 캐소드 전극은 주기율표의 1족 금속 또는 2족 금속의 화합물을 포함하는 제 1 층과, 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 물질을 포함하는 제 2 층과, 그리고 상기 제 1 층과 상기 제 2 층들에 의해 상기 광-전기적 활성 영역으로부터 이격되며 3.5eV 이상의 일함수를 가진 제 3 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물은 주기율표의 1족 금속(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)의 화합물인 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물은 리튬 화합물인 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물은 할라이드(halide)인 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물은 플루오라이드인 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 상기 제 2 층에 의해 상기 광-전기적 활성 영역으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 층은 상기 제 1 층에 의해 상기 광-전기적 활성 영역으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 층들중 하나는 상기 광-전기적 디바이스 활성층에 인접한 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 층은 Li, Ba, Mg, Ca, Ce, Cs, Eu, Rb, K, Y, Sm, Na, Sm, Sr, Tb 또는 Yb로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속, 또는 이들 금속들중 2개 이상의 금속의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 층은 상기 제 1 층 보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 두께는 10 내지 150Å인 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층을 구성하는 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 상기 물질은 상기 제 2 층을 구성하는 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 상기 물질 보다 높은 일함수를 갖는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 층의 두께는 1000Å 보다 큰 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 3.5eV 이상의 일함수를 갖는 물질은 105(Ω.cm)-1 보다 큰 전기 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 3.5eV 이상의 일함수를 갖는 물질은 알루미늄, 금, 또는 인듐-틴 옥사이드인 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드는 투명한 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 광-전기적 활성 영역은 발광성인 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 광-전기적 활성 영역은 발광 유기 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 발광 유기 물질은 폴리머 물질인 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 발광 유기 물질은 컨쥬게이트된 폴리머 물질인 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 유기 물질과 상기 전극들중 하나와의 사이에 전하 이송층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 층은 상기 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 물질을 80% 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스.
  23. 다중-픽셀 디스플레이 디바이스의 픽셀 - 여기서 상기 픽셀은 광-전기적 디바이스로 구성된다 - 형성 방법으로서,
    애노드 전극을 증착하는 단계와;
    상기 애노드 전극 위에 광-전기적 활성 물질의 영역을 증착하는 단계와;
    상기 광-전기적 활성 물질의 영역 위에, 1족 금속의 화합물 또는 2족 금속의 화합물을 포함하는 층 및 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 물질을 포함하는 층을 증착하는 단계와; 그리고
    이들 층들 위에, 제 3 캐소드 층을 형성하기 위해 3.5eV 이상의 일함수를 갖는 물질을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스의 픽셀 형성 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 3.5eV 미만의 일함수를 갖는 물질을 포함하는 층은 이 물질을 80% 포함하는 것을 특징으로 하는 다중-픽셀 디스플레이 디바이스의 픽셀 형성 방법.
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