KR20060131744A - 양자 효율이 증가된 발광 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 하나의 기판(1), 애노드(2), 제1 정공 수송층(3), 발광층(5) 및 캐소드(6)를 포함하는 발광 장치를 설명하며, 제1 정공 차단층(4)이 제1 정공 수송층(3)과 발광층(5) 사이에 위치한다. 정공 차단층(4)은 발광층(5)에 도달하는 정공의 밀도를 감소시키며, 따라서 일반적으로 다수 전하 운반체인 정공의 밀도가 전류에 맞추어질 수 있다.
발광 장치, 정공 차단층
Description
본 발명은 적어도 하나의 기판, 애노드(anode), 정공(hole) 수송층, 발광층 및 캐소드(cathode)를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다.
전자적으로 제어되는 디스플레이 시스템들이 알려져 있으며, 다양한 원리에 기초한 다양한 실시예에서 널리 사용된다.
한가지 원리는 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode; 이하 OLED)를 광원으로 사용하는 것이다. 유기 발광 다이오드는 다수의 기능성 층으로 구성된다. OLED의 전형적인 구조는 "Philips Journal of Research, 1998, 51, 467"에 설명되어 있다. 전형적인 구조는 투명 전극(애노드)인 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; 이하 ITO)층, 전도성 폴리머층(polymer layer), 발광 물질을 포함하는 층인 전계발광층(electroluminescent layer) 및 금속, 바람직하게는 낮은 일함수(work function)를 갖는 금속으로 구성된 전극(캐소드)을 포함한다. 이러한 구조가 관습적으로 기판(일반적으로 유리 기판)에 적용된다. 생성된 광(light)은 기판을 통과하여 관찰자에게 도달한다.
사용되는 발광 물질은 예컨대 발광 폴리머일 수 있다. 전계발광층 내에 발 광 폴리머를 포함하는 OLED는 폴리LED(polyLED) 또는 PLED라 불리기도 한다.
그러나 OLED는 전계발광층 내에 미세 발광 분자(small light-emitting molecules)를 발광 물질로서 포함할 수도 있다. 전계발광층 내에 미세 발광 분자를 포함하는 OLED는 SMOLED(Small Molecule Organic Light-Emitting Diode)라 불리기도 한다. 상기 예에서, 발광 물질은 정공(hole) 전도성 또는 전자 전도성 물질로 구성된 매트릭스(matrix) 내에 임베드(embed)된다.
정공과 전자는 전계발광층 내에서 충돌하여 재결합한다. 그 결과, 발광 물질은 직접적으로 또는 에너지 이동에 의해 여기 상태가 된다. 여기된 발광 물질은 광을 방출함으로써 기저 상태(basic state)로 돌아간다.
전하 운반체들(charge carriers)의 성공적인 재결합 여부는 특히 전하 운반체의 양에 좌우된다. 균형잡힌 정공 및 전자 전류 밀도는 효율적인 전계발광성을 위한 전제조건이다. 대부분의 유기 물질에 있어서, 정공 이동도(mobility)는 전자 이동도보다 약 두자리수 정도 더 크다(10-5㎠/Vs에 비해 10-3㎠/Vs이다). 따라서 대부분의 경우, 정공이 다수 전하 운반체이며 정공은 전자와 충돌하여 재결합하지 않기 때문에 여기자(exciton)를 형성하지 않고 발광층을 통과할 수 있다. 이러한 정공이 캐소드로 흐르는 것을 방지하기 위해, 전계발광층과 캐소드 사이에 정공 차단층이 삽입된다. 정공 차단층은, 그 층으로 정공이 쉽게 주입될 수 없거나 및/또는 그 층 내에서 정공의 이동도가 낮아지는 물질을 포함한다. 따라서 정공 차단층의 물질은 상대적으로 산화되기가 어렵다. 정공 차단층에 의해, 정공이 전계발광층 내에 모이게 된다.
그러나 자유 전하 운반체인 정공 및 전자는 이미 여기된 분자(여기자)와 반응할 수 있으며, 이때 여기된 분자는 광선을 방출하지 않고 기저 상태로 돌아간다. 따라서 여기된 분자가 진정되며(quenched), OLED의 양자 효율이 감소된다. 여기된 분자가 생성된 영역, 즉 전계발광층 내에 과도하게 많은 정공이 모이기 때문에, 상기 반응은 OLED 손실의 큰 원인이 된다.
따라서 본 발명의 목적은 양자 효율이 증가된 발광 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 적어도 하나의 기판, 애노드, 정공 수송층, 발광층 및 캐소드를 포함하며, 제1 정공 차단층이 정공 수송층과 발광층 사이에 배열된 발광 장치에 의해 달성된다.
정공 수송층과 발광층 사이에 정공 차단층을 삽입함으로써, 발광층 내에 정공의 수가 감소되며, 발광층에 이르는 전자의 수에 맞추어질 수 있다. 다수의 정공이 정공 수송층 내에 모이며, 여기된 발광 분자와는 반응할 수 없다.
청구항 2에 청구된 바와 같은 발광 장치의 유리한 실시예는, 광 생성을 위해 정공이 캐소드에 도달하여 소모되는 것을 방지한다.
청구항 3 및 4에 청구된 바와 같은 유리한 실시예에 의해, 발광층 내의 정공의 흐름이 더 정확하게 제어될 수 있다.
청구항 5 및 6에 청구된 바와 같은 유리하게 선택된 물질에 의해, 효율적인 정공 차단층이 얻어진다.
청구항 7에 청구된 바와 같은 유리한 실시예에 의해, 캐소드를 통한 광 방출의 진정(quenching)이 감소되며 발광 장치 내로의 전자 주입이 향상된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참조하여 더 설명될 것이지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 발광 장치들을 도시한 도면.
발광 장치의 모든 실시예들은 기판(1) 및 그에 형성된 적어도 하나의 애노드(anode; 2), 제1 정공 수송층(3), 발광층(5) 및 캐소드(cathode; 6)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 발광 장치는 바람직하게는 투명 유리판 또는 투명 플라스틱판인 기판(1)을 포함한다. 플라스틱판은 예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 애노드(2), 정공 수송층(3), 제1 정공 차단층(4), 발광층(5) 및 캐소드(6)를 포함하는 층 본체가 기판(1)에 인접해 있다.
바람직하게는 애노드(2)는 투명하며, 예컨대 인-도핑(P-doped) 실리콘, 인듐-도핑 주석 산화물(indium-doped tin oxide; 이하 ITO), 또는 안티몬-도핑 주석 산화물(antimony-doped tin oxide; 이하 ATO)을 포함할 수 있다. 바람직하게는 애노드(2)는 ITO를 포함한다. 애노드(2)는 구조화되지 않으며, 평탄면의 형태로 설계된다. 캐소드(6)는 예컨대 알루미늄, 구리, 은 또는 금과 같은 금속, 합금 또는 n-도핑(n-doped) 실리콘을 포함할 수 있다. 캐소드(6)는 둘 이상의 전도층을 포함 하는 것이 바람직할 수 있다. 특히 캐소드(6)는 예컨대 칼슘 또는 바륨과 같은 알칼리토류 금속 또는 예컨대 불화리튬(LiF) 또는 리튬 벤조에이트(lithium benzoate)와 같은 할로겐화 알칼리 금속으로 된 제1층, 및 알루미늄으로 된 제2층을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 캐소드(6)는 구조화될 수 있으며, 예컨대 전도성 물질 또는 물질들로 된 다수의 평행한 스트립들(strip)을 포함할 수 있다. 대안으로 캐소드(6)는 구조화되지 않을 수 있으며 평탄면과 같은 형태로 설계될 수 있다.
발광층(5)은 발광 폴리머 또는 미세 발광 분자를 발광 물질로서 포함할 수 있다. 사용되는 발광 폴리머는 예컨대 폴리 페닐렌비닐렌{poly(p-phenylvinylene); 이하 PPV} 또는 예컨대 디알콕시(dialkoxy) 치환된 PPV와 같은 치환된 PPV일 수 있다. 발광층(5)이 미세 발광 분자를 포함할 경우는, 상기 분자들이 바람직하게는 정공 또는 전자 수송 물질로 구성된 매트릭스 내에 임베드될 수 있다. 매트릭스 물질의 선택은 미세 발광 분자의 필요량에 좌우된다. 일예로서, 발광층은 TCTA{4,4',4"-tri(N-carbazolyl)triphenylamine}인 매트릭스 내에 임베드된 Ir(ppy)3{(ctris(2-phenylpyridine)iridium(III)}, 또는 BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)인 매트릭스 내에 임베드된 Ir(ppy)3를 포함할 수 있다.
제1 정공 수송층(3)이 애노드(2)에 인접해 있으며, 이는 장치 내로 정공의 주입 및 수송을 용이하게 한다.
정공 수송층(3)과 발광층(5) 사이에 위치한 제1 정공 차단층(4)은 상대적으로 산화되기 어려우며 따라서 단위 시간당 발광층(5)에 도달하는 정공의 수가 감소된다.
제1 정공 차단층(4)은 인접한 정공 수송층(3)보다 더 산화되기 어려운 물질을 포함한다. 바람직하게는, 정공 차단층(4)의 물질의 최고점유분자궤도(highest occupied molecular orbital; 이하 HOMO) 에너지 레벨은 인접한 정공 수송층(3)의 물질의 HOMO 에너지 레벨보다 더 낮다. HOMO 에너지 레벨들 사이의 에너지 차이가 더 클수록, 제1 정공 차단층(4)의 차단 특성이 더 강해진다. 상기 실시예에서, 정공은 정공 수송층(3), 즉 제1 정공 차단층(4)과 인접한 영역 내에 모인다.
정공 수송층(3)의 물질은 전자 친화도가 낮음으로 인해 낮은 이온화에너지를 가질 것이다. 그러나 HOMO 에너지 레벨이 높기 때문에, 에너지 장벽을 극복하지 않고 애노드(2)로부터 정공을 주입하는 것이 가능하다. 정공 수송층(3)에 알맞은 물질은 예컨대 트리아릴아민(triarylamine), 디아릴아민(diarylamine), 트리스틸벤아민(tristilbeneamine) 또는 폴리에틸렌디옥시치오펜(polyethylene dioxythiophene; PDOT)과 폴리스티렌술폰산(polystyrene sulfonate)의 혼합물이다.
제1 정공 차단층(4)과 정공 수송층(3)에 있어서, 생성된 광이 상기 두 층에 흡수되지 않도록 하기 위해, 두 층 각각의 물질의 HOMO와 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital; 최저비점유분자궤도)사이의 간격은 발광층(5) 내의 발광 물질의 HOMO-LUMO 간격보다 더 커야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 발광 장치의 더 바람직한 실시예를 도시한다. 상기 발광 장치는 정공이 발광층(5)으로부터 캐소드(6)로 통과하지 않도록 하는 추가적인 제2 정공 차단층(7)을 더 포함한다. 제2 정공 차단층(7)의 물질도 상대적으로 산화되기 어렵다. 바람직하게는, 제2 정공 차단층(7)의 물질의 HOMO 에너지 레벨은 인접한 발광층(5)의 발광 물질의 HOMO 에너지 레벨보다 더 낮다. 또한 HOMO 에너지 레벨들 간의 에너지 차이가 더 클수록, 제2 정공 차단층(7)의 차단 특성이 더 강해진다.
또한 도 3은 본 발명에 따른 발광 장치의 또다른 바람직한 실시예를 도시한다. 상기 발광 장치는 애노드(2) 및 제1 정공 수송층(3) 사이에 다수의 층을 포함하는 층 구조를 갖는다. 층 구조는 적어도 하나의 추가 정공 차단층과 적어도 하나의 추가 정공 수송층을 포함한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 제1 정공 수송층(3)과 애노드(2) 사이의 층 구조는 두개의 추가 정공 수송층(8, 10)과 두개의 추가 정공 차단층(9, 11)을 갖는다. 정공 수송층(8, 10)은 층 구조의 정공 차단층(9, 11)과 교호하여 위치하도록 배열된다.
모든 실시예에 있어서, 정공 수송층(3, 8, 10)은 항상 애노드(2)에 인접한다.
상기 실시예의 유리한 특성은 발광층(5)에 도달하는 정공들의 농도가 발광층(5) 내로 통과하는 전자들의 농도에 정확하게 맞추어질 수 있다.
각각의 정공 차단층들(4, 7, 9, 11)은 동일한 물질 또는 다른 물질을 포함할 수 있다. 이는 정공 수송층들(3, 8, 10)에 있어서도 마찬가지이다.
정공 차단층들(4, 7, 9, 11)에 적당한 물질은 예컨대 BCP(바소쿠프로인; 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), TAZ{3-(4-biphenylyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole}, tBu-PBD{2-(4-biphenyl)-5-(p-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole}, PBD{2-(4-biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,2,4-oxadiazole}, TBPI{1,3,5-tris-(l-phenyl-lH-benzimidazol-2-yl)benzene} 또는 퍼플루오르화된 곁사슬(perfluorinated side chain)이 있는 올리고페닐(oligophenyl)이다.
정공 차단층들(4, 7, 9, 11)의 층 두께는 그 층에 사용된 물질의 유형 및 정공 차단 특성에 좌우된다. 모든 정공 차단층(4, 7, 9, 11)에 동일한 물질이 사용될 경우, 일반적으로 제1, 제3 및 제4 정공 차단층(4, 9, 11)의 각각의 층 두께가 제2 정공 차단층(7)의 층 두께보다 더 작다. 바람직하게는, 제1, 제3, 및 제4 정공 차단층(4, 9, 11)의 층 두께는 각각 0.1 내지 10㎚ 사이이다. 특히 바람직하게는, 층 두께는 각각 0.1 내지 5㎚ 사이이다. 특히 더 바람직하게는, 층 두께는 각각 0.1 내지 2㎚ 사이이다. 특히 가장 바람직하게는, 층 두께는 0.1 내지 0.5㎚ 사이이다.
모든 실시예에 있어서, 전자 수송층(12)은 캐소드(6)와 발광층(5) 사이 또는 캐소드(6)와 제2 정공 차단층(7) 사이에 위치할 수 있다. 상기 전자 수송층의 물질은 높은 전자 친화도를 갖는 것을 특징으로 한다. 적당한 물질은 예컨대, Alq3{tris-(8-hydroxyquinolato)aluminum} 또는 1,3,4-oxadiazoles 또는 1,2,4-triazoles 와 같은 전자 부족 복소환(electron-poor heterocycle) 물질이다. 도 4는 캐소드(6) 와 제2 정공 차단층(7) 사이에 전자 수송층(12)을 포함하는 발광 장치를 도시한다.
실시예의
일예(
Example
of
Embodiment
)
애노드(2)로서 작용하며 150㎚의 두께인 ITO층이 유리로 된 투명 기판(1)에 형성되었다. 30㎚의 두께인α-NPD층이 제1 정공 수송층(3)으로서 스핀-코팅(spin-coating)법에 의해 애노드(2)에 형성되었다. 1㎚의 층 두께를 갖는 BCP로 된 제1 정공 차단층(4)이 정공 수송층(3)에 형성되었다. TCTA 내에 임베드된 Ir(ppy)3으로 된 발광층(5)이 제1 정공 차단층(4)에 형성되었다. 발광층(5)의 층 두께는 30㎚이다. 10㎚ 두께이며 BCP로 된 제2 정공 차단층(7)이 발광층(5)에 형성되었다. 40㎚ 두께이며 Alq3으로 된 층이 전자 수송층(12)으로서 제2 정공 차단층(7)에 형성된다. 1.5㎚의 두께이며 리튬 벤조에이트(lithium benzoate)로 된 제1층과 150㎚의 두께이며 알루미늄으로 된 제2층으로 구성된 151.5㎚의 두께인 캐소드(6)가 전자 수송층(12)에 형성되었다.
본 발명에 따른 발광 장치는 제1 정공 차단층(4)이 결여된 발광 장치에 비해 약 15% 정도 증가한 양자 효율을 갖는다.
Claims (7)
- 적어도 하나의 기판(1), 애노드(2), 제1 정공 수송층(3), 발광층(5) 및 캐소드(6)를 포함하는 발광 장치로서,제1 정공 차단층(4)이 상기 제1 정공 수송층(3)과 상기 발광층(5) 사이에 배치되는 발광 장치.
- 제1항에 있어서, 제2 정공 차단층(7)이 상기 캐소드(6)와 상기 발광층(5) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 추가 정공 차단층(9, 11) 및 적어도 하나의 추가 정공 수송층(8, 10)으로 구성된 층 구조가 상기 제1 정공 수송층(3)과 상기 애노드(2) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 추가 정공 차단층(9, 11)과 추가 정공 수송층(8, 10)은 서로 교호하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정공 차단층(4, 9, 11)의 물질의 산화 에너지는, 인접하는 상기 정공 수송층(3, 8, 10)의 산화 에너지보다 더 높은 것을 특징으로 하는 발광 장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정공 차단층(4, 7, 9, 11)의 물질은, BCP(Bathocuproin: 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), TAZ{3-(4-biphenylyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole}, tBu-PBD{2-(4-biphenyl)-5-(p-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole}, PBD{2-(4-biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,2,4-oxadiazole}, TBPI{1,3,5-tris-(l-phenyl-lH-benzimidazol-2-yl)benzene} 및 퍼플루오르화된 곁사슬(perfluorinated side chain)이 있는 올리고페닐(oligophenyl)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전자 수송층(12)이 상기 캐소드(6)와 상기 발광층(5) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
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