KR20060012120A

KR20060012120A - 전기 쌍극자 효과를 주는 무기물 층이 삽입된 유기 발광소자

Info

Publication number: KR20060012120A
Application number: KR1020040060854A
Authority: KR
Inventors: 최명운; 정광호; 성창제
Original assignee: 최명운; 정광호
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2006-02-07

Abstract

본 발명은 OLED(Organic Light Emitting Diode)의 전기적, 광학적 특성을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 일반적인 OLED의 구조에서 유기물층 사이에 무기물 층 삽입으로 상기 소자 내에서 전기 쌍극자(Electric Dipole)를 형성하여 양극에서 주입되는 정공(Hole)과 음극에서 주입되는 전자(Electron)의 주입을 향상시키고, 상기 정공과 전자를 소자 내에서 상기 쌍극자의 전기장을 이용해 구속하여 재결합(Recombination) 확률을 증가시켜 상기 소자의 효율을 향상시키는 방법을 제공한다. 본 발명은 무기 물질을 소자 내에 삽입하여 OLED의 구동 전압을 낮추고 효율을 향상시켜 OLED의 수명을 향상시키는 방법을 제공한다.

OLED(Organic Light Emitting Diode), 무기물(Inorganic Material), 정공(Hole), 전자(Electron), 전기 쌍극자(Electric Dipole)

Description

전기 쌍극자 효과를 주는 무기물 층이 삽입된 유기 발광소자{OLED(Organic Light Emitting Diode) including inorganic material layer which makes electric dipole effect}

도 1은 종래의 OLED 소자 구조 개략도

도 2는 무기물 전기 쌍극자 층이 삽입된 OLED 구조 개략도

도 3은 무기물 전기 쌍극자 층이 다층으로 삽입된 OLED 구조 개략도

도 4는 유기 박막 상부에 무기물 전기 층이 증착된 AFM 이미지

도 5는 OLED 내에 전기 쌍극자가 있을 때 전위 분포 전산모사 결과

도 6은 무기물 전기 쌍극자 층이 다층으로 삽입된 OLED 효율 데이터

도 7은 무기물 전기 쌍극자 층이 다층으로 삽입된 OLED 수명 데이터

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 유리 기판 11 : 양전극

12 : 정공 주입층 13 : 정공 수송층

14 : 정공 저지층 15 : 발광층

16 : 전자 수송층 17 : 전자 주입층

18 : 음전극 20 : 무기물 전기 쌍극자 형성층

본 발명은 OLED의 전기적, 광학적 특성 그리고 수명을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 특히 OLED 내에 무기물 층을 삽입하는 것을 특징으로 한다.

형광(Flourescence)현상은 물질이 바닥상태에서 들뜬 상태로 외부 요인에 의해 여기(Excite)된 후 낮은 에너지 상태인 바닥상태로 되돌아 갈 때 전자 전이에 의해 방출되는 빛을 말하며, 인광(Phosphorescence) 현상은 형광에 비해 천이 되는 시간이 형광에 비해 약 1000배 이상 긴 경우를 말한다. OLED는 형광 혹은 인광 물질을 여기 시키기 위해 양쪽 전극에서 주입되는 전자와 정공을 이용하여 빛을 발하게 한다.

상기 OLED의 구조는 유기물 층이 양극과 음극 사이에 배치되며 유기물 층의 적층은 정공 주입층(Hole Injection Layer), 정공 수송층(Hole Transport Layer), 발광층(Emitting Layer), 정공 저지층(Hole Blocking Layer), 전자 수송층(Electron Transport Layer), 전자 주입층(Electron Injection Layer)의 다층 구조로 이루어진다. OLED는 전극에서 주입된 전자와 정공이 발광층에서 재결합하여 여기자(Excition)를 형성하고 그 에너지를 잃으면서 발생하는 빛을 이용한다. 상기 소자에서 유기물 층의 총 두께는 100nm 정도이며, 10V 미만의 낮은 전압 하에 서 고위도 발광이 가능하며, 형광 혹은 인광을 이용하기 때문에 입력신호에 대해 빠른 응답속도를 얻을 수 있다.

OLED를 낮은 구동 전압에서 작동시키기 위해서는 전극과 유기물 사이의 에너지 장벽(Energy Barrier)을 낮추어야 하며, 발광 효율을 증가시키기 위해서는 인가된 전압에서 전자와 정공이 동일하게 주입되어 재결합 확률을 증가시켜야 한다. 유기물의 경우 높은 전압이 가해질 경우 전자나 정공이 가지게 되어 높은 에너지 때문에 약한 분자 구조를 갖는 유기 발광층이 손상되어 소자 특성이 저하되고 수명 또한 저하된다. 따라서 낮은 전압에서 충분한 수의 정공과 전자를 주입이 가능하게 하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로, 발광층에 사용되는 유기물의 경우 정공에 의해 열화 되는 특성(Cationic Instability)이 있으며, 이러한 현상을 방지하기 위해서는 유기물 정공 저지층과 전자 저지층(Electron Blocking Layer)을 삽입하여 수명을 확보한다.

OLED에 사용되는 유기물질의 경우 물질이 증착되는 동안 물질이 증발원에 응축되기 쉽고 열에 의해 특성이 저하되기 쉽다는 단점이 있으며, 유기물은 합성과 정제를 하기 때문에 물질의 가격이 매우 높다는 단점이 있으며, 산소와 수분에 약해 대기 중에 노출되었을 때 물질 특성이 크게 저하되는 단점이 있다.

본 발명은 OLED의 특성을 개선하는데 있어 무기물을 적용하여 상대적으로 가격이 비싸고 조절이 어려운 유기물을 대체 할 수 있으며, 무기물질 전기 쌍극자 형성층(도 2)을 삽입하여 정공과 전자의 주입을 개선하고 재결합 확률을 증가시켜 그 효율과 수명을 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명은 상기 기술한 유기물의 단점을 무기물 전기 쌍극자 형성층을 삽입하여 OLED내에 전극과 유기물 사이의 전위 차를 증가시켜 전극으로부터 전자와 정공의 주입을 원활하게 하고 전기 쌍극자의 전기장을 이용하여 상기 삽입 층에서 정공과 전자의 속도를 줄여 상기 소자 내에서 정공과 전자의 밀도를 증가시킴으로 재결합 확률을 증가시켜 소자의 효율을 향상시키고 서비스 수명과 특성이 향상된 OLED의 구현을 가능케 하고자 한다.

상술한 목적을 성취하기 위한 수단으로, 유기 발광소자를 제작함에 있어, 특성을 향상시키기 위해서 무기물을 사용하여 제작하는 방법으로 열 증착 방법, 스퍼터링 방법을 이용하여 제작할 수 있다.

본 발명에서는 전류 전압 특성을 향상시키기 위해 ITO 기판위에 정공 주입층, 정공 수송층을 증착한 후에 적절한 조건에서 무기물 쌍극자 형성층을 증착하여 전기 쌍극자를 형성하고 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층을 증착하는 것을 특징으로 한다.

일반적인 OLED의 구조를 도 1에 나타내었다. 유리기판(11) 위에 ITO 양전극(12)를 코팅하고 그 위에 정공주입층(13) 정공 수송층(14), 정공 저지층(15), 발광층(16), 전자 수송층(17), 그리고 전자 주입층(18)을 순차적으로 증착하고 음전극 (19)을 증착하여 소자를 제작한다.

도 2에 나타낸 것처럼 기술한 공정은 무기물 전기 쌍극자 형성층(20)을 삽입하는 것이 특징이다. 도 4에 나타낸 것처럼 적절한 조건에서 무기물은 유기기물 표면에 반응하여 그물 구조를 형성하게 된다. 무기물이 유기물 위에서 잘 정돈된 그물 구조를 형성하면 그 특성도 최대화된다. 유기층 위에 절연체 특성을 갖는 무기물이 완전한 층을 형성하면 전자와 정공의 이동을 막기 때문에 OLED의 구동전압이 증가하여 상기 소자의 전기적 특성을 저하시킨다. 상기 소자의 수명을 연장하기 위해서는 정공 수송층과 발광층 사이의 계면에서 전자와 정공의 재결합이 일어나도록 해야 한다. 왜냐하면 재결합하지 않고 반대쪽 전극으로 빠져나가는 정공과 전자는 상기 소자의 수명을 단축시키는 원인 중에 하나로 알려져 있기 때문이다. 삽입된 무기물 전기 쌍극자 형성층은 소자 내에서 쌍극자를 형성하여 유기 발광 소자 내부에서 도 5에 나타낸 것처럼 포텐셜(Potential) 분포를 변화시키게 된다. 도 5는 Simion(TM)을 이용하여 전산 모사한 결과를 나타낸 것이다. 이러한 포텐셜 분포에서는 전극과 쌍극자 사이의 전위 차를 크게 하여 전자와 정공의 주입을 개선시키고, 쌍극자 주위에서는 전자와 정공의 반대 극성 때문에 전자와 정공의 이동 속도가 줄어들게 된다. 유기반도체 물질의 경우 전자와 정공의 이동도(Mobility)가 무기 반도체에 비해 낮기 때문에 전극 근처에서 캐리어(Carrier)의 농도가 높고 소자 내부에서는 농도가 낮아지게 된다. 본 특허에서 제시하는 무기물 전기 쌍극자 층을 삽입할 경우, 재결합 영역(Recombination zone)에서 전자와 정공의 이동도가 느려지기 때문에 전자와 정공의 밀도가 높아지게 되며, 재결합 확률을 증가시킬 수 있 게 된다.

유기물의 경우 수분에 약하기 때문에 소자 특성이 대기 중에서 쉽게 열화 되는 단점이 있다. 무기물의 경우 유기물에 비해 산소와 수분에 강하며 증착이 쉽다는 장점이 있다. Se(Selenium)의 경우 10^-7 torr에서 약 200도에서 증착이 가능하다. 이러한 특성은 OLED를 양산을 기존의 방법보다 쉽게 제작 가능케 하며, 비용을 절감시키는 효과가 있다.

도 6에 무기물 전기 쌍극자 형성층을 삽입하여 제작한 OLED의 효율 특성을 나타내었다. 상기 무기물 층의 삽입으로 소자 효율이 22% 증가하였음을 보여주고 있다. 이러한 효율의 증가는 소자의 수명을 연장시키게 된다. 효율이 높다는 것은 재결합하지 않고 발광층을 통과하는 정공과 전자의 양이 감소한다는 것과 동일하며, 이는 유기물질의 열화가 지연됨을 의미한다. 도 7에는 무기물 층을 삽입한 경우와 삽입하지 않은 OLED의 수명 측정 결과는 나타내었다. 수명 측정은 일정 전류를 공급하고 시간에 따른 밝기의 변화를 측정하였다. 상기 무기물 층을 삽입한 경우는 삽입하지 않은 경우에 비해 초기 밝기가 30% 감소하는데 걸리는 시간이 8.5배 증가하였음을 알 수 있다.

전술한 발명은 유기 물질로 이루어진 OLED에서 증착이 쉬운 무기물 층을 사용하여 고 효율 저 전압 구동의 OLED를 실현하고 유기물에 비해 가격이 저렴한 물 질을 사용하여 원가를 절감하는 방법을 제공한다.

Claims

OLED의 제작에 있어

수 Å(Submono Layer)에서 수십 Å 이하 두께의 무기물로 전기 쌍극자 효과를 주는 층을 삽입한 OLED 및 유기 반도체 소자.
청구항 1에서 무기물 전기 쌍극자 형성층으로 Sulfer(S), Selenium(Se), Tellurium(Te), Zinc Selenide(ZnSe), Potassium Chlouride(KCl), Ruthenium Oxide(RuO), 그리고 Moly Oxide(MoO)를 사용하는 OLED.
청구항 1에서 무기물 쌍극자 형성층을 삽입하는데 있어서 다층 구조로 삽입하는 OLED 및 유기 반도체 소자.
청구항 1에서 무기물 쌍극자 형성층을 삽입하는데 있어서 발광층 혹은 정공 수송층과 동시 증착하여 삽입하는 OLED 및 유기 반도체 소자.