KR20070110515A - 발광소자, 발광장치 및 전자기기 - Google Patents

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Abstract

클러스터는, 1개의 페닐기와 2개의 아릴기가 질소 원자에 결합한 아릴아민 2개가 각각의 페닐기를 통하여 비스페닐 결합을 형성하고 있는 아릴아민 화합물의 2분자가 평행하게 배열되어 2분자체를 형성하고, 이 2분자체가 금속 산화물에 배위 결합되도록 형성되어 있다. 발광소자는 이 클러스터를 포함하는 층을 가지고 있다. 발광소자를 제조하는 방법은, 1개의 페닐기와 2개의 아릴기가 질소 원자에 결합한 아릴아민 2개가 각각의 페닐기를 통하여 비스페닐 결합을 형성하고 있는 아릴아민 화합물과 금속 산화물을 진공하에서 동시에 기화시키고, 그 기화된 아릴아민 화합물과 금속 산화물을 동시에 고화시키는 공정을 포함한다.
발광소자, 2분자체, 금속 산화물, 클러스터, 아릴아민 화합물

Description

발광소자, 발광장치 및 전자기기{Light-emitting element, light-emitting device, and electronic appliance}
본 발명은, 한 쌍의 전극 사이에 다수의 층이 끼어진 구성을 가지는 발광소자, 그 발광소자를 구비한 발광장치, 및 그 발광소자를 탑재한 전자기기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 구동 전압이 낮고, 소자 수명이 길고, 제조 수율이 높은 발광소자, 그 발광소자를 구비한 발광장치, 및 그 발광소자를 탑재한 전자기기에 관한 것이다.
전계발광 소자(발광소자)로부터의 발광을 이용한 발광장치는 표시 또는 조명용 장치로서 주목받고 있다. 발광장치에 사용되는 발광소자로서는, 한 쌍의 전극 사이에 발광성 화합물을 함유하는 층이 끼어진 구성을 가지는 발광소자가 잘 알려져 있다. 이와 같은 발광소자에서는, 한쪽 전극은 양극으로서 기능하고, 다른 쪽 전극은 음극으로서 기능하고, 양극측으로부터 주입된 정공과, 음극측으로부터 주입된 전자가 재결합하여 여기 상태의 분자를 형성하고, 그 분자가 기저 상태로 복귀할 때 광을 방출한다.
근년 급속히 개발이 진행된 각종 정보 처리 기기에 설치되는 표시장치에서는, 특히 저소비전력화의 요구가 높고, 저소비전력화를 달성하기 위해 발광소자의 저구동전압화가 시도되고 있다. 또한, 상품화를 고려하면, 저구동전압화뿐만 아니라 발광소자의 장(長)수명화 또한 중요하므로, 장수명화를 달성하기 위한 발광소자의 개발이 진행되고 있다.
예를 들어, 일본국 공개특허공고 평 9-63771호 공보(문헌 1)에서는, 몰리브덴 산화물 등의, 일 함수가 높은 금속 산화물로 양극을 형성함으로써 발광소자의 저구동전압화를 달성하고 있다. 또한, 장수명화의 효과도 얻고 있다.
그러나, 장수명화를 위해, 상기 문헌 1에 나타난 수단만으로는 충분하지 않고, 더욱 장수명화를 달성하기 위한 기술 개발을 필요로 하고 있었다. 또한, 발광소자는 통상, 서브미크론 정도의 박막으로 형성되기 때문에, 상하의 전극이 단락(短絡)하기 쉽다는 문제를 안고 있다. 특히, 발광소자의 제조공정에서 발생하는 오물에 의한 수율 저하가 문제가 되고 있다.
본 발명은 상기 문제를 해소하기 위하여 예의 검토한 결과로 이루어진 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은, 구동 전압이 낮고, 소자 수명이 긴 발광소자를 제공하는데 있다. 또한, 본 발명의 목적은, 제조 수율이 높은 발광소자, 이 발광소자를 구비한 발광장치, 및 그 발광소자를 탑재한 전자기기를 제공하는데 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 발광소자, 발광장치 및 전자기기를 제공하는 것으로, 그 발광소자는, 1개의 페닐기와 2개의 아릴기가 질소 원자에 결합한 아릴아민 2개가 각각의 페닐기를 통하여 비스페닐 결합을 형성하고 있는 아릴아민 화합물의 2분자가 평행하게 배열되어 2분자체를 형성하고, 그 2분자체가 금속 산화물에 배위 결합하도록 형성된 클러스터를 포함하는 층을 가진다. 그 클러스터를 포함하는 층은 발광소자에서 전극에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 발광장치는 상기 발광소자를 구비하는 것이고, 본 발명의 전자기기는 상기 발광소자를 표시부로서 탑재하는 것이다.
본 발명의 발광소자는, 1개의 페닐기와 2개의 아릴기가 질소 원자에 결합한 아릴아민 2개가 각각의 페닐기를 통하여 비스페닐 결합을 형성하고 있는 아릴아민 화합물의 2분자가 평행하게 배위 결합하여 2분자체를 형성하고, 그 2분자체가 금속 산화물에 인접하여 있는 클러스터를 포함하는 층을 가짐으로써, 구동 전압을 저감할 수 있다. 또한, 소자 수명이 긴 발광소자를 제공할 수도 있다. 또한, 클러스터를 포함하는 층은 후막화(厚膜化)하여도 구동 전압의 상승을 억제할 수 있기 때문에, 클러스터를 포함하는 층을 후막화하여 상하 전극 사이의 단락을 억제할 수 있다. 따라서, 제조 공정에서 발생하는 오물에 의한 수율 저하를 억제할 수 있다.
도 1(A)∼도 1(C)는 본 발명의 발광소자를 설명하는 도면.
도 2는 본 발명의 발광소자를 설명하는 도면.
도 3(A)∼도 3(C)는 본 발명의 발광소자를 설명하는 도면.
도 4(A)∼도 4(C)는 본 발명의 발광소자를 설명하는 도면.
도 5는 본 발명을 적용한 발광장치를 설명하는 도면.
도 6은 본 발명을 적용한 발광장치에 포함되는 회로를 설명하는 도면.
도 7은 본 발명을 적용한 발광장치의 상면도.
도 8은 본 발명을 적용한 발광장치의 프레임 동작을 설명하는 도면.
도 9(A)∼도 9(C)는 본 발명을 적용한 발광장치의 단면도.
도 10(A)∼도 10(C)는 본 발명을 적용한 전자기기를 나타내는 도면.
도 11은 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 12는 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 13은 TPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 14는 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 X선 결정 구조 해석 결과를 나타내는 도면.
도 15는 TPD와 산화몰리브덴의 에너지 준위를 나타내는 도면.
도 16은 본 발명의 클러스터를 포함하는 층의 전류-전압 특성을 나타내는 도면.
도 17은 본 발명의 발광소자의 휘도-전압 특성을 나타내는 도면.
도 18은 TPD 단분자의 최적 구조를 나타내는 도면.
도 19a∼도 19c는 TPD 단분자의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 20은 TPD 단분자의 최적 구조를 나타내는 도면.
도 21a∼도 21c는 TPD 단분자의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 22는 TPD 단분자의 최적 구조를 나타내는 도면.
도 23a∼도 23c는 TPD 단분자의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 24는 TPD 단분자의 최적 구조를 나타내는 도면.
도 25a∼도 25c는 TPD 단분자의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 26은 TPD 단분자의 최적 구조를 나타내는 도면.
도 27a∼도 27c는 TPD 단분자의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 28은 TPD 2분자체의 최적 구조를 나타내는 도면.
도 29a∼도 29e는 TPD 2분자체의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 30a∼도 30e는 TPD 2분자체의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 31a∼도 31e는 TPD 2분자체의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 32a∼도 32c는 TPD 단분자의 카티온 라디칼의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 33a∼도 33e는 TPD 2분자체의 카티온 라디칼의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 34는 TPD와 산화몰리브덴의 최적 구조를 나타내는 도면.
도 35a∼도 35c는 TPD와 산화몰리브덴의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 36a∼도 36c는 TPD와 산화몰리브덴의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 37a∼도 37c는 TPD와 산화몰리브덴의 전자 상태의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 38은 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 39는 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 40은 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 41은 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 42는 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 43은 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 44는 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 45는 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 46은 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 47은 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 48은 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 49는 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 50은 α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플의 ToF-SIMS의 측정 결과를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명은 실시형태의 기재에 한정되는 것은 아니고, 특허청구범위의 기재에 의해 특정되는 것이다. 또한, 본 발명의 취지 및 그 범위에서 벗어남이 없이 그의 형태 및 상세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해되는 것이고, 따라서, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
본 발명의 발광소자의 한 쌍의 전극 중, 양극으로서 기능하는 전극은 이 전극의 전위 쪽이 높아지도록 전압을 걸었을 때, 발광이 얻어지는 쪽의 전극을 말하고, 다른 한쪽 전극을 음극이라고 한다.
[실시형태 1]
여기서는, 발광소자의 형태의 개요를 도 1(A)∼도 1(C) 및 도 2를 참조하여 제1 형태에 기초하여 설명한다. 그 제1 형태는 발광소자의 2개의 전극 중 한쪽 전극에만 인접하여 클러스터를 포함하는 층을 가지는 경우이다. 본 발명의 발광소자 는 한 쌍의 전극 사이에 다수의 층을 가지는 것이다. 이 다수의 층은, 전극으로부터 거리를 둔 곳에 발광 영역이 형성되도록, 즉, 전극으로부터 거리를 둔 부위에서 캐리어가 재결합하도록, 캐리어 주입성이 높은 물질과 캐리어 수송성이 높은 물질로 이루어진 층들을 조합하여 적층된 것이다.
본 발명의 발광소자의 일 형태에 대하여 도 1(A)를 참조하여 설명한다. 이 형태에서, 발광소자는 이 발광소자를 지지하기 위한 기판(101) 위에 제공되어 있고, 제1 전극(102)과, 제1 전극(102) 위에 순차로 적층된 제1 층(103), 제2 층(104), 제3 층(105), 제4 층(106)과, 제2 전극(107)을 포함한다. 또한, 이 형태에서는, 제1 전극(102)이 양극으로서 기능하고, 제2 전극(107)이 음극으로서 기능한다.
기판(101)은, 예를 들어, 유리, 또는 플라스틱 등을 형성될 수 있다. 또는, 기판(101)은 발광소자의 제조공정에서 지지체로서 기능할 수 있는 재료라면, 어떠한 다른 재료로도 형성될 수 있다. 제1 전극(102)은 일 함수가 큰(일 함수 4.0 eV 이상) 금속, 합금, 전기 전도성 화합물, 및 이들의 혼합물 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 인듐 주석 산화물(ITO: Indium Tin Oxide), 규소를 함유한 인듐 주석 산화물, 산화인듐에 2∼20 wt%의 산화아연(ZnO)을 혼합한 인듐 주석 산화물(IZO: Indium Zinc Oxide), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 금속 질화물(TiN 등) 등을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 발광소자에서, 제1 전극(102)은 일 함수가 큰 재료에 한정되지 않고, 예를 들어, 알루미늄(Al), 은(Ag) 등의, 일 함수가 작은 재료를 사용할 수도 있다.
제1 층(103)은, 비페닐 골격을 가지는 아릴아민 화합물이 평행하게 배열되어 2분자체를 형성하고, 금속 산화물이 그 2분자체에 인접하여 있는 클러스터를 포함하는 층이다. 제1 층(103)에 포함되는 금속 산화물의 구체예로서는, 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(VOx), 루테늄 산화물(RuOx), 텅스텐 산화물(WOx) 등을 들 수 있다. 이 밖에, 인듐 주석 산화물(ITO)이나 아연 산화물(ZnO)을 사용할 수 있다. 또한, 여기에 나타낸 물질에 한정하지 않고, 그 외의 물질을 사용하여도 좋다.
또한, 아릴아민 골격을 가지는 유기 재료로서는, 예를 들어, 4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]비페닐(약칭 : α-NPD), 4,4'-비스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]비페닐(약칭 : TPD), 4,4'-비스[N-(4-비페닐일)-N-페닐아미노]비페닐(약칭 : BBPB) 등의 방향족 아민계 화합물(즉, 벤젠 고리-질소의 결합을 가지는)을 사용할 수 있다.
또한, 여기서 말한 물질은 주로 10-6 cm2/Vs 이상의 정공 이동도를 가지는 물질이지만, 전자 수송성보다 정공 수송성이 높은 물질이라면, 이들 이외의 것을 사용하여도 좋다. 또한, 제1 층(103)은 단층 구조이거나, 또는, 예를 들어, 반도체와 정공 수송성이 높은 화합물을 함유하고, 그 혼합비가 다른 층이 2층 이상 적층된 구조이어도 좋다.
제2 층(104)은, α-NPD, TPD, 4,4', 4''-트리스(N,N-디페닐아미노)트리페닐아민(약칭 : TDATA), 4,4',4''-트리스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]트리페닐아민(약칭 : MTDATA) 등의, 정공 수송성이 높은 방향족 아민계 화합물(즉, 벤제환-질소의 결합을 가지는)을 포함하는 층이다. 여기서 말한 물질은 주로 10-6 cm2/Vs 이상의 정공 이동도를 가지는 물질이다. 그러나, 전자 수송성보다 정공 수송성이 높은 물질이라면 이들 이외의 것을 사용하여도 좋다. 또한, 제2 층(104)도 단층 구조이거나, 또는 상기 물질을 포함하는 층이 2층 이상 적층된 것이어도 좋다.
제3 층(105)은 발광성이 높은 물질을 함유하는 층이다. 예를 들어, 제3 층(105)은 N,N'-디메틸퀴나크리돈(약칭 : DMQd) 또는 2H-크로멘-2-온(약칭 : 쿠마린) 등의, 발광성이 높은 물질과, 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(약칭 : Alq3)이나 9,10-디(2-나프틸)안트라센(약칭 : DNA) 등의, 캐리어 수송성이 높고 막질이 좋은(즉, 결정화하기 어려운) 물질을 자유롭게 조합하여 형성된다. 그러나, Alq3나 DNA는 발광성도 높은 물질이기 때문에, 이들 물질 중 하나를 단독으로 사용하야 제3 층(105)을 형성하여도 좋다.
제4 층(106)은 전자 수송성이 높은 물질, 예를 들어, 트리스(8-퀴놀리놀라토) 알루미늄(약칭 : Alq3), 트리스(5-메틸-8-퀴놀리놀라토)알루미늄(약칭 : Almq3), 비스(10-하이드록시벤조[h]-퀴놀리나토)베릴륨(약칭 : BeBq2), 비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)-4-페닐페놀라토-알루미늄(약칭 : BAlq) 등, 퀴놀린 골격 또는 벤 조퀴놀린 골격을 가지는 금속 착체 등으로 형성된 층이다.
상기 금속 착체 이외에, 비스[2-(2-하이드록시페닐)-벤조옥사졸라토]아연(약칭 : Zn(BOX)2), 비스[2-(2-하이드록시페닐)-벤조티아졸라토]아연(약칭 : Zn(BTZ)2) 등의 옥사졸계 또는 티아졸계 배위자를 가지는 금속 착체 등도 사용할 수 있다.
또한, 금속 착체 이외에도, 2-(4-비페닐일)-5-(4-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸(약칭 : PBD), 1,3-비스[5-(p-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸-2-일]벤젠(약칭 : OXD-7), 3-(4-tert-부틸페닐)-4-페닐-5-(4-비페닐일)-1,2,4-트리아졸(약칭 : TAZ), 3-(4-tert-부틸페닐)-4-(4-에틸페닐)-5-(4-비페닐일)-1,2,4-트리아졸(약칭 : p-EtTAZ), 바소페난트롤린(약칭 : BPhen), 바소큐프로인(약칭 : BCP) 등도 사용할 수 있다.
또한, 여기서 말한 물질은 주로 10-6 cm2/Vs 이상의 전자 이동도를 가지는 물질이다. 또한, 정공 수송성보다 전자 수송성이 높은 물질이라면, 상기 이외의 물질을 제4 층(106)으로서 사용하여도 상관없다. 또한, 제4 층(106)은 단층 구조이거나, 또는 상기 물질을 포함하는 층이 2층 이상 적층된 것이어도 좋다.
제2 전극(107)(음극)은, 일 함수가 작은(일 함수 3.8 eV 이하) 금속, 합금, 전기 전도성 화합물, 및 이들의 혼합물 등으로 형성될 수 있다. 이와 같은 음극 재료의 구체예로서는, 원소주기표의 1족 또는 2족에 속하는 원소, 즉, 리튬(Li)이나 세슘(Cs) 등의 알칼리 금속, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 등의 알칼리토류 금속, 및 이들을 함유하는 합금(Mg:Ag, Al:Li)을 들 수 있다.
그러나, 제2 전극(107)과 발광층과의 사이에, 전자 주입을 촉진시키는 기능을 가지는 층을 제2 전극과 적층함으로써, 일 함수의 대소에 상관없이, Al, Ag, ITO, 규소를 함유하는 ITO 등 다양한 도전성 재료를 제2 전극(107)으로서 사용할 수 있다. 또한, 전자 주입을 촉진시키는 기능을 가지는 층으로서는, 불화리튬(LiF), 불화세슘(CsF), 불화칼슘(CaF2) 등의 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속의 화합물을 사용할 수 있다.
또한, 이 외에, 전자 수송성을 가지는 물질로 이루어진 층 중에 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속을 함유시킨 것, 예를 들어, Alq3 중에 마그네슘(Mg)을 함유시킨 것 등을 사용할 수 있다. 또한, 제1 층(103), 제2 층(104), 제3 층(105), 제4 층(106)의 형성 방법은 증착법 이외의 방법이어도 좋다. 예를 들어, 잉크젯법 또는 스핀 코팅법 등을 사용하여도 좋다. 또한, 각 전극 또는 각 층마다 다른 성막 방법을 사용하여 형성하여도 좋다.
이상과 같은 구성을 가지는 본 발명의 발광소자는, 제1 전극(102)과 제2 전극(107)과의 사이에 생긴 전위차에 의해 전류가 흐르고, 발광성이 높은 물질을 함유하는 층인 제3 층(105)에서 정공과 전자가 재결합함으로써, 발광하는 것이다. 즉, 제3 층(105)에 발광 영역이 형성되는 구성으로 되어 있다. 그러나, 제3 층(105) 전부가 발광 영역으로서 기능할 필요는 없고, 예를 들어, 제3 층(105) 중, 제2 층(104)쪽 또는 제4 층(106)쪽에만 발광 영역이 형성되는 것이어도 좋다.
발광한 광은 제1 전극(102)과 제2 전극(107) 중의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두 를 통하여 외부로 취출된다. 따라서, 제1 전극(102)과 제2 전극(107) 중의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두는 투광성을 가지는 물질로 이루어진다. 제1 전극(102)만이 투광성을 가지는 물질로 형성된 경우, 도 1(A)에 나타내는 바와 같이, 발광은 제1 전극(102)을 통하여 기판측으로부터 취출된다.
또한, 제2 전극(107)만이 투광성을 가지는 물질로 형성된 경우, 도 1(B)에 나타내는 바와 같이, 발광은 제2 전극(107)을 통하여 기판의 반대측으로부터 취출된다. 제1 전극(102)과 제2 전극(107) 모두가 투광성을 가지는 물질로 형성된 경우, 도 1(C)에 나타내는 바와 같이, 발광은 제1 전극(102) 및 제2 전극(107)을 통하여 기판측과 기판의 반대측 모두로부터 취출된다.
또한, 제1 전극(102)과 제2 전극(107)과의 사이에 제공되는 층의 구성은 상기의 것에 한정되는 것은 아니다. 발광 영역과 금속이 근접함으로써 생기는 소광이 억제되도록, 제1 전극(102) 및 제2 전극(107)으로부터 거리를 둔 부위에, 정공과 전자가 재결합하는 영역을 형성한 구성이고, 또한, 본 발명의 클러스터를 포함하는 층을 가지는 것이라면, 상기 이외의 것이어도 좋다.
즉, 층의 적층 구조는 특별히 한정되지 않고, 전자 수송성이 높은 물질, 정공 수송성이 높은 물질, 전자 주입성이 높은 물질, 정공 주입성이 높은 물질, 바이폴라(bipolar)성의 물질(전자 수송성 및 정공 수송성이 높은 물질) 등을 포함하는 층을, 본 발명의 클러스터를 포함하는 층과 자유롭게 조합하여도 좋다. 또한, 예를 들어, 산화규소 등을 포함하는 극박(極薄) 층을 제공함으로써, 캐리어가 재결합하는 부위를 제어할 수도 있다. 예를 들어, 도 2에 나타내는 구성이어도 좋다. 그러나, 층 구성은 이들에 한정되는 것은 아니다.
도 2에 나타내는 발광소자는, 음극으로서 기능하는 제1 전극(302) 위에, 전자 수송성이 높은 물질을 포함하는 제1 층(303), 발광성이 높은 물질을 포함하는 제2 층(304), 정공 수송성이 높은 물질을 포함하는 제3 층(305), 비페닐 골격을 가지는 아릴아민 화합물의 2분자가 평행하게 배위 결합하여 2분자체를 형성하고, 그 2분자체가 금속 산화물에 인접하여 있는 클러스터를 포함하는 제4 층(306), 양극으로서 기능하는 제2 전극(307)이 순차로 적층된 구성을 가진다. 또한, 부호 301은 기판이다.
본 실시형태에서는, 유리, 플라스틱 등으로 된 기판 위에 발광소자를 제조하고 있다. 하나의 기판 위에 이와 같은 발광소자를 다수 제조함으로써, 패시브형 발광장치를 제조할 수 있다. 또한, 유리, 플라스틱 등으로 된 기판 이외에, 예를 들어, 박막트랜지스터(TFT) 어레이 기판 위에 발광소자를 제조하여도 좋다.
이것에 의해, TFT에 의해 발광소자의 구동을 제어하는 액티브 매트릭스형 발광장치를 제조할 수 있다. 또한, TFT의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 스태거형 TFT이어도 좋고 역스태거형 TFT이어도 좋다. 또한, TFT 어레이 기판 위에 형성되는 구동용 회로에 대해서도, N형 TFT 및 P형 TFT 모두로 된 것이어도 좋고, 혹은 N형 TFT와 P형 TFT 중의 어느 한쪽으로 된 것이어도 좋다.
본 발명의 발광소자는, 비페닐 골격을 가지는 아릴아민 화합물의 2분자가 평행하게 배위 결합하여 2분자체를 형성하고, 그 2분자체가 금속 산화물에 인접하여 있도록 형성된 클러스터를 포함하는 층을 가짐으로써, 캐리어 주입성 및 캐리어 수 송성이 뛰어나고, 저전압구동화가 실현된다. 즉, 클러스터를 포함하는 층은 캐리어 밀도가 높기 때문에, 전극과 옴 접촉(ohmic contact)하는 것이 가능하고, 전극과의 접촉 저항이 작다. 그 때문에, 구동 전압을 저감할 수 있다.
또한, 클러스터를 포함하는 층을 후막화하여도, 구동 전압의 상승을 억제할 수 있고, 그 결과, 클러스터를 포함하는 층을 후막화하여 상하 전극 사이의 단락을 억제할 수 있다. 따라서, 제조 공정에서 발생하는 오물에 의한 결함을 억제하여, 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 클러스터를 포함하는 층을 후막화함으로써, 충격 등에 의한 단락을 방지할 수 있기 때문에, 신뢰성이 높은 발광소자를 얻을 수 있다. 예를 들어, 발광 물질을 포함하는 층(제1 층(303), 제2 층(304) 및 제3 층(305)에 해당)은 통상 100∼150 nm의 두께를 가지는데 반하여, 클러스터를 포함하는 층은 50∼1000 nm, 바람직하게는 100∼500 nm의 두께를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 발광소자에 사용되는 클러스터를 포함하는 층은 캐리어 밀도가 높기 때문에, 전극과 옴 접촉하는 것이 가능하다. 즉, 전극과의 접촉 저항이 작다. 따라서, 일 함수 등을 고려하지 않고 전극 재료를 선택할 수 있다. 즉, 전극 재료의 선택지가 넓어진다.
그리고, 본 발명의 클러스터를 포함하는 층은 진공 증착으로 형성될 수 있기 때문에, 발광 물질을 포함하는 층도 진공 증착으로 형성하는 경우에는 어느 층도 동일한 진공 장치 내에서 성막하는 것이 가능하고, 진공 상태를 깰 필요가 없다. 따라서, 제조 공정에서의 오물의 부착을 막을 수 있어, 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 클러스터를 포함하는 층은 유기 재료와 금속 산화물을 함유하고 있기 때문에, 전극과 발광 물질을 함유하는 층과의 사이에 생기는 응력차를 작게 할 수 있다.
[실시형태 2]
본 실시형태에서는, 실시형태 1에서 나타낸 클러스터 및 그 클러스터를 포함하는 층의 형태에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 발광소자에 사용되고 있는 클러스터를 포함하는 층은, 비페닐 골격을 가지는 아릴아민 화합물의 2분자가 평행하게 배위 결합하여 2분자체를 형성하고, 그 2분자체가 금속 산화물에 인접하여 있는 클러스터를 포함하고 있다. 본 실시형태에서는, α-NPD와 산화몰리브덴을 함유하는 클러스터, 및 TPD와 산화몰리브덴을 함유하는 클러스터에 대하여 설명한다.
두께 O.7 mm으로 된 5 인치 사이즈의 유리 기판을 수세(水洗)하고, 충분히 건조시킨 후, 증착장치 내에 세트하였다. 그 후, 진공 체임버 내의 압력이 1×10-3 Pa 이하가 될 때까지 장치 내의 진공 체임버를 배기하였다. 배기 후, 저항 가열 방식인 증착원 내에 미리 세트해 둔 유기 재료인 α-NPD와 무기 재료인 산화몰리브덴을 가열하여 동시에 증착하는 소위 공증착을 행하여, 샘플을 제조하였다. 여기서, α-NPD의 증착 레이트를 O.4 nm/s로 하고, 표 1에 나타낸 수준으로 산화몰리브덴의 농도를 제어하였다. 또한, 막 두께는 모두 100 nm로 하였다.
[표 1]
수준 No. 산화몰리브덴의 농도(wt%)
1 0
2 3
3 6
4 11
5 20
6 33
흡수 스펙트럼의 그래프를 도 11에 나타낸다. 산화몰리브덴의 농도의 변화에 따라 스펙트럼의 형상이 변화하고 있지만, 400 nm 부근에서 등흡수점(等吸收点)이 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 이것으로부터, α-NPD와 산화몰리브덴과의 사이에는 평형 반응이 존재하고, 신규 물질이 생성되고 있다는 것이 시사된다.
한편, 수준 No. 6의 샘플의 근적외 영역의 흡수 스펙트럼을 도 12에 나타낸다. 비교로서, α-NPD의 단막(單膜) 및 산화몰리브덴의 단막의 샘플들의 결과도 나타낸다. 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, α-NPD와 산화몰리브덴의 공증착에 의해 형성한 수준 No. 6의 샘플에서는, 파장 1400 nm(에너지로 0.88 eV에 상당) 부근에, α-NPD 단막 및 산화몰리브덴 단막의 샘플에서는 보이지 않는 피크가 존재하고 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, α-NPD와 산화몰리브덴의 공증착에 의해 형성한 샘플에서는, α-NPD 단막 및 산화몰리브덴 단막에는 존재하지 않는 신규 물질이 생성되어 있다고 생각할 수 있다.
다음에, α-NPD와 유사한 골격을 가지는 TPD와 산화몰리브덴의 공증착에 의해 샘플을 제조하였다. TPD와 산화몰리브덴의 공증착에 의해 형성한 샘플의 흡수 스펙트럼을 도 13에 나타낸다. TPD와 산화몰리브덴의 공증착에 의해 형성한 샘플에 대해서도 파장 1400 nm(에너지로 0.88 eV에 상당) 부근에, α-NPD 단막 및 산화몰리브덴 단막의 샘플에는 보이지 않는 피크가 존재하고 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, TPD와 산화몰리브덴의 공증착에 의해 형성한 샘플에서도, α-NPD 및 산화몰리브덴의 공증착에 의해 형성한 샘플과 마찬가지로, α-NPD 단막 및 산화몰리브덴 단체에는 존재하지 않는 신규 물질이 생성하고 있다고 생각할 수 있다.
또한, α-NPD와 산화몰리브덴의 공증착에 의해 형성한 샘플의 X선 결정 해석의 결과를 도 14에 나타낸다. 도 14는 2θ_ω("2θ/ω"라고 하기도 한다) 스캔 측정의 결과를 나타내고 있다. 도 14에서는 결정 피크가 관측되지 않았기 때문에, α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플은 아모르퍼스 상태라고 생각된다.
또한, 도 38∼도 50은 ToF-SIMS(Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometry)의 결과를 나타낸다. 이 ToF-SIMS의 결과로부터, 음이온(anion) 분석에서는, 산화몰리브덴으로서, MoO3, MoO4H, Mo2O6, Mo2O7, Mo3O6, Mo3O7, Mo3O8, Mo3O9, Mo3O10, Mo4O10, Mo4O11, Mo4O12, Mo4O13, Mo5O10, Mo5O11, Mo5O12, Mo5O13, Mo5O14, Mo5O15, Mo6O12, Mo6O13, Mo6O14, Mo6O16, Mo6O17, Mo6O18, Mo6O19의 존재를 확인할 수 있다. 또한, 양이온(cation) 분석에서는, 유기 분자 2개와 몰리브덴 원자 1개에 대응하는 피크를 확인할 수 있다. 이상으로부터, α-NPD와 산화몰리브덴과의 공증착 및 TPD와 산화몰리브덴과의 공증착에서는 각각 신규 물질이 생성되어 있다고 생각되는데, 이것은 유기 화합물과 산화몰리브덴의 상호작용에 의해 생긴 것이라고 생각된다.
그와 같은 것으로부터 이하의 시뮬레이션을 행하였다. TPD 및 α-NPD는 모 두 정공 수송 재료이기 때문에, 플러스 전하를 가지고도 안정적인 구조를 취하기 쉽다. 그래서, TPD가 카티온 라디칼을 흡수하는 사실에 주목하여 시뮬레이션을 행하였다. 카티온 라디칼의 흡수는, 최고 점유 분자 궤도(HOMO)로부터 전자를 1개 제거하여 형성되는 반점유 분자 궤도(S0M0)의 에너지 준위와 최저 비점유 분자 궤도(LUM0)의 에너지 준위 사이의 밴드 갭에 대응한다.
TPD의 단분자체 및 TPD의 2분자체에 대하여, 각각에서의 카티온 라디칼 전자 상태를 분자 역학법(MM2)을 사용하여 구조 완화를 행하였다. 그 후, 반경험적 분자 궤도법에 의해 계산을 행하여 구조 최적화를 행하였다. 그 계산을 행할 때에는, 반경험적 분자 궤도 계산 프로그램으로서, WinMOPAC3.5를 사용하고, 키워드로서 EF(geometry optimization), AMI(해밀토니안), 및 CHARGE=1(+1 전하)을 사용하였다. 또한, 계산 비용이 높아지기 때문에, 배치간 상호작용(CI : Configuration Interaction)은 지정하지 않았다.
TPD 단분자체의 최적 구조로서는, 2면각(dihedral angle)을 변화시킨 5 종류의 초기 구조(1a∼5a)를 설정하고, 가장 안정적인 구조를 채용하였다. 또한, 이 계산 시에는, 간략화하기 위해 TPD의 메틸기를 수소 원자로 바꾸어 계산을 하였다. TPD의 메틸기를 수소 원자로 바꾸어도, 흡수 스펙트럼의 위치는 거의 변화하지 않는다(즉, HOMO와 LUMO 사이의 에너지 갭은 변하지 않는다). 따라서, 메틸기를 수소 원자로 바꾸어 계산을 행하였다. TPD 단분자체의 계산 결과를 도 18∼도 27에 나타낸다.
그 계산 시의 초기(입력) 구조에 관하여 이하에 설명한다. 초기 구조는, 하 기 식과 같이 번호를 붙인 벤젠 고리가 아래와 같이 배열된 것이다. 구조 1a는 벤젠 고리 2의 평면과 벤젠 고리 3의 평면이 이루는 각도가 90도이고, 벤젠 고리 4의 평면과 벤젠 고리 5의 평면이 이루는 각도가 90도가 되도록 벤젠 고리 1∼6을 배열하여 형성되고, 구조 2a는 벤젠 고리 3의 평면과 벤젠 고리 1 및 2의 평면이 이루는 각도가 90도이고, 벤젠 고리 4의 평면과 벤젠 고리 5 및 6의 평면이 이루는 각도가 90도가 되도록 벤젠 고리 1∼6을 배열하여 형성되고, 구조 3a는 구조 2a의 구조에 더하여, 벤젠 고리 3의 평면과 벤젠 고리 4의 평면이 이루는 각도가 90도인 구조이고, 구조 4a는 벤젠 고리 3의 평면과 벤젠 고리 4의 평면이 이루는 각도가 O도이고, 또한 벤젠 고리 3 및 4의 평면과 벤젠 고리 1, 2, 5, 및 6의 평면이 이루는 각도가 90도가 되도록 벤젠 고리 1∼6을 배열하여 형성되고, 구조 5a는 모든 벤젠 고리의 평면들이 이루는 각도가 O도가 되도록 벤젠 고리 1∼6을 배열하여 형성된 것이다. 이들 구조에 대하여 AMI로 최적화 계산하여, 그 결과를 도 18∼도 27에 나타낸다.
[화학식 1]
Figure 112007065219442-PCT00001
도 18 및 도 19는 구조 1a를 초기 구조로 한 계산 결과(구조 1b)를 나타내고, 도 20 및 도 21은 구조 2a를 초기 구조로 한 계산 결과(구조 2b)를 나타내고, 도 22 및 도 23은 구조 3a를 초기 구조로 한 계산 결과(구조 3b)를 나타내고, 도 24 및 도 25는 구조 4a를 초기 구조로 한 계산 결과(구조 4b)를 나타내고, 도 26 및 도 27은 구조 5a를 초기 구조로 한 계산 결과(구조 5b)를 나타낸다. 구조 1b∼구조 5b 중, 구조 1a를 초기 구조로 한 구조 1b가 가장 생성열이 적은 구조이었다. 따라서, 생성열이 가장 적은 구조 1b를 카티온 라디칼 전자 상태의 계산에 사용하였다. 구조 1b의 카티온 라디칼 전자 상태의 계산 결과를 도 32에 나타낸다.
또한, TPD 2분자체에 대해서도, 3개의 모델 구조(분자 배치)를 가정하고, 가장 안정적인 구조를 채용하였다. 그 계산 결과를 도 28∼도 31에 나타낸다. 계산 시에는 간략화하기 위해 TPD의 메틸기를 수소 원자로 바꾸어 계산을 행하였다. 즉, TPD의 메틸기를 수소 원자로 바꾸어도, 흡수 스펙트럼의 위치는 거의 변화하지 않는다(HOMO와 LUMO 사이의 에너지 갭은 변하지 않는다). 따라서, 메틸기를 수소 원자로 바꾸어 계산을 행하였다.
도 28에서, 구조 11은 TPD 분자가 서로 직교하고 있는 구조이고, 구조 12는 비페닐의 방향족 고리의 면들이 서로 마주 보지 않는 구조이고, 구조 13은 비페닐의 방향족 고리의 면들이 서로 마주 보고 있는 구조이다. 계산에 의해 구한 이론 생성열을 비교한 것을 표 2에 나타낸다. 표 2로부터, 비페닐 평면들이 서로 마주 보고 있는 구조 13이, 생성열이 가장 적고 가장 안정적인 구조라는 계산 결과를 얻었다. 따라서, 이 계산에서는 가장 안정적인 구조 13을 TPD 2분자체의 카티온 라디칼의 계산에 사용하였다.
[표 2]
α-NPD 2분자체 구조에서의 이론 생성열
이론 생성열(kJ)
구조 11 1669.51
구조 12 1669.33
구조 13 1668.22
이들 계산에 의해 구한 TPD 단분자의 카티온 라디칼과, TPD 2분자체의 카티온 라디칼의 SOMO 준위, LUMO 준위, 및 그들의 밴드 갭 에너지를 표 3에 나타낸다. 또한, TPD 단분자의 카티온 라디칼의 계산 결과를 도 32에 나타내고, TPD 2분자체의 카티온 라디칼의 계산 결과를 도 33에 나타낸다.
[표 3]
α-NPD 단분자 카티온 라디칼, 및 α-NPD 2분자체 카티온 라디칼의 계산 결과
SOMO(eV) LUMO(eV) 밴드 갭 에너지(eV)
α-NPD 단분자 카티온 라디칼 -11.21 -7.54 3.67
α-NPD 2분자체 카티온 라디칼 -9.26 -8.43 0.83
도 13에 나타낸 흡수 스펙트럼으로부터 얻어진 밴드 갭 에너지는 0.88 eV이고, 이 밴드 갭 에너지는 이 시뮬레이션에서 얻어진 TPD 2분자체 카티온 라디칼의 밴드 갭 에너지와 매우 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, TPD와 산화몰리브덴과의 공증착에 의해 생성된 신규 물질에서는, TPD가 평행하게 배열된 2분자체의 카티온 라디칼이 관여하고 있다고 생각된다.
또한, TPD와 산화몰리브덴이 어떻게 결합하는지에 대해서도 계산을 하였다. 또한, 이 계산에서도, TPD의 메틸기를 수소 원자로 바꾸어 계산을 하였다. 즉, TPD의 메틸기를 수소 원자로 바꾸어도, 흡수 스펙트럼의 위치는 거의 변화하지 않 는다(HOMO와 LUMO 사이의 에너지 갭은 변하지 않는다). 따라서, 메틸기를 수소 원자로 바꾸어 계산을 행하였다. 증착에 의해 성막한 경우, 막 중의 산화몰리브덴은 다양한 가수(價數)를 가질 수 있지만, 증착 시에 세트하는 초기 재료인 3산화몰리브덴(MoO3)을 사용하여 계산을 행하였다. 그 결과를 도 34∼도 37에 나타낸다. 구조 21의 결과를 도 35에 나타내고, 구조 22의 결과를 도 36에 나타내고, 구조 23의 결과를 도 37에 나타낸다.
그 계산을 행한 결과를 도 34에 나타낸다. 또한, 3산화몰리브덴의 초기 배치에 따라, 구조 21 내지 구조 23의 3종류의 결과를 얻을 수 있었다. 어느 경우에도, TPD에 Mo03(도 34의 실선으로 둘러싸인 부분)가 접근하면, TPD의 방향족 고리의 전자가 빼앗기고, 최종적으로 N 원자(도 34의 점선으로 둘러싸인 부분)가 플러스 전하를 가져, TPD는 카티온 라디칼이 된다. 또한, 도 34에 나타낸 3개의 모델 중, 구조 22가 가장 안정적인 계산 결과를 얻을 수 있었다. 본 명세서 중에서는, 이와 같이 유기 재료와 금속 산화물이 배위 결합하고 있는 것을 클러스터를 형성하고 있다라고 한다.
TPD의 방향족 고리와 MoO3가 전자의 수수(授受)를 행하는 이유를 이하에 나타낸다. 비공유 전자쌍(고립 전자쌍)을 가지는 N 원자는 전자 공여성을 가지기 때문에, 그 N 원자는 공역을 통하여 방향족 고리에 마이너스 전하를 부분적으로 주어, 방향족 고리의 전자 밀도는 높아지고, 구핵성이 높아진다. MoO3은 TPD의 방향 족 고리의 입체 장애 때문에 N 원자에 접근할 수 없다. 그래서, MoO3은 TPD의 구핵성이 있는 방향족 고리로부터 전자를 받고, 전자가 부족하게 된 방향족 고리는 플러스 전하를 가지게 되지만, 공역을 통하여 N 원자가 짝짓지 않은 전자(unpaired electron)를 가지게 되므로, TPD 카티온 라디칼 구조의 안정화가 도모된다고 생각된다. 또한, TPD와 Mo03 사이에서 전하의 수수가 일어나기 쉬운 이유로서는, TPD의 HOMO 준위가 MoO3의 비어 있는 밴드(vacant band) 또는 준위(예를 들어, 전도대 등)에 접근하고 있기 때문이라고 생각된다(도 15).
α-NPD의 흡수 스펙트럼과 TPD의 흡수 스펙트럼이 거의 같은 파장에 피크를 가지기 때문에, α-NPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플에 대해서도 TPD와 산화몰리브덴을 공증착하여 형성한 샘플과 같은 상태라고 할 수 있다. 즉, α-NPD에 Mo03가 접근하면, α-NPD의 방향족 고리의 전자가 빼앗기고, 최종적으로 N 원자가 플러스 전하를 가져, α-NPD는 카티온 라디칼이 된다.
[실시형태 3]
본 실시형태에서는, 실시형태 1에서 나타낸 구성과는 다른 구성을 가지는 발광소자에 대하여 도 3(A)∼도 3(C) 및 도 4(A)∼도 4(C)를 참조하여 설명한다. 이 실시형태는 실시형태 1과는 달리, 발광소자의 2개의 전극 각각에 인접하여 클러스터를 포함하는 층을 가지는 경우이다.
도 3(A)는 본 발명의 제2 형태(실시형태 3)의 발광소자의 구조의 일례를 나타낸다. 제1 전극(201)과 제2 전극(202)과의 사이에, 발광 물질을 함유하는 층이 끼어져 있는 구성으로 되어 있다. 발광 물질을 함유하는 층은 제2 층(212)과 제3 층(213)이 적층된 구성으로 되어 있다. 본 실시형태에서는, 제1 전극(201)이 양극으로서 기능하고, 제2 전극(202)이 음극으로서 기능하는 경우에 대하여 설명한다.
제1 전극(201) 및 제2 전극(202)에는 실시형태 1과 같은 구성을 적용할 수 있다. 또한, 제1 층(211)은 실시형태 2에서 나타낸 클러스터를 포함하는 층이고, 제2 층(212)은 발광성이 높은 물질을 함유하는 층이다. 제3 층(213)은 전자 공여성 물질과 전자 수송성이 높은 화합물을 함유하는 층이고, 제4 층(214)은 실시형태 2에서 나타낸 클러스터를 포함하는 층이다. 제3 층(213)에 함유되는 전자 공여성 물질로서는, 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속, 및 그들의 산화물이나 염을 사용하는 것이 바람직하고, 구체적으로는, 리튬, 세슘, 칼슘, 리튬 산화물, 칼슘 산화물, 바륨 산화물, 탄산세슘 등을 들 수 있다.
이와 같은 구성으로 함으로써, 도 3(A)에 나타낸 바와 같이, 전압을 인가함으로써 제3 층(213)과 제4 층(214) 사이의 계면 근방에서 전자 수수(授受)를 행하고, 전자와 정공이 발생하고, 제3 층(213)은 전자를 제2 층(212)에 수송함과 동시에, 제4 층(214)은 정공을 제2 전극(202)에 수송한다. 즉, 제3 층(213)과 제4 층(214)의 조합이 캐리어 발생층으로서의 역할을 하고 있다. 제4 층(214)은 정공을 제2 전극(202)에 수송하는 기능을 담당하고 있다고 할 수 있다. 또한, 제4 층(214)과 제2 전극(202) 사이에 제2 층 및 제3 층을 재차 적층함으로써, 탠덤(tandem)형의 발광소자로 하는 것도 가능하다.
또한, 제4 층(214)과 클러스터를 포함하는 층인 제1 층(211)은 매우 높은 정 공 주입성 및 정공 수송성을 나타낸다. 따라서, 본 실시형태의 발광소자에서는, 발광 기능을 담당하는 제2 층의 양 단부를 매우 두껍게 하는 것이 가능하게 되고, 그 결과, 발광소자의 단락을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 도 3(A)를 예로 들면, 제2 전극(202)을 스퍼터링에 의해 성막하는 경우, 발광성의 물질이 존재하는 제2 층(212)에의 데미지를 저감할 수도 있다.
또한, 제1 층(211)과 제4 층(214)을 같은 재료로 형성함으로써, 발광 물질을 함유하는 층의 양 단부가 같은 재료로 형성되게 되기 때문에, 응력 왜곡을 억제하는 효과도 기대할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 발광소자에서도, 제1 전극(201)이나 제2 전극(202)의 종류를 바꿈으로써, 다양한 구조를 가진다. 그 모식도를 도 3(B), 도 3(C) 및 도 4(A)∼도 4(C)에 나타낸다. 또한, 도 3(B), 도 3(C) 및 도 4(A)∼도 4(C)에서는, 도 3(A)의 같은 부호를 사용한다. 이들 도면에서, 부호 200은 본 발명의 발광소자를 지지하는 기판이다.
상기한 바와 같이, 도 3(A)∼도 3(C)는 기판(200)측으로부터 차례로 제1 층(211), 제2 층(212), 제3 층(213), 제4 층(214)이 적층되어 있는 구성의 예이다. 이 예에서는, 제1 전극(201)을 투광성으로 하고 제2 전극(202)을 차광성(특히 광 반사성)으로 함으로써, 도 3(A)과 같이 기판(200)측으로부터 광을 사출하는 구성이 된다. 또한, 제1 전극(201)을 차광성(특히 광 반사성)으로 하고, 제2 전극(202)을 투광성으로 함으로써, 도 3(B)과 같이 기판(200)의 반대측으로부터 광을 사출하는 구성이 된다. 또한, 제1 전극(201)과 제2 전극(202) 모두를 투광성으로 함으로써, 도 3(C)에 나타내는 바와 같이 기판(200)측과 기판(200)의 반대측 모두로 광을 사 출하는 구성도 가능하게 된다.
도 4(A)∼도 4(C)는 기판(200)측으로부터 차례로 제4 층(214), 제3 층(213), 제2 층(212), 제1 층(211)이 적층되어 있는 구성의 예이다. 이 예에서는, 제1 전극(201)을 차광성(특히 광 반사성)으로 하고, 제2 전극(202)을 투광성으로 함으로써, 도 4(A)와 같이 기판(200)측으로부터 광을 취출하는 구성이 된다. 반대로, 제1 전극(201)을 투광성으로 하고, 제2 전극(202)을 차광성(특히 광 반사성)으로 함으로써, 도 4(B)와 같이 기판(200)의 반대측으로부터 광을 취출하는 구성이 된다. 또한, 제1 전극(201)과 제2 전극(202) 모두를 투광성으로 함으로써, 도 4(C)에 나타내는 바와 같이, 기판(200)측과 기판(200)의 반대측 모두로 광을 사출하는 구성도 가능하게 된다.
또한, 제1 층(211)이 전자 공여성 물질과 전자 수송성이 높은 화합물을 함유하고, 제2 층(212)은 발광성 물질을 함유하고, 제3 층(213)은 실시형태 2에서 나타낸 클러스터를 포함하고, 제4 층(214)은 전자 공여성 물질과 전자 수송성이 높은 화합물을 함유하는 구성으로 하는 것도 가능하다. 또한, 본 실시형태의 발광소자를 제조하는 경우에는, 습식법 또는 건식법을 불문하고, 공지의 방법을 사용할 수 있다. 또한, 제1 전극(201)을 형성한 후, 제1 층(211), 제2 층(212), 제3 층(213), 제4 층(214)을 순차로 적층한 다음, 제2 전극(202)을 형성하여도 좋고, 또는, 제2 전극(202)을 형성한 후, 제4 층(214), 제3 층(213), 제2 층(212), 제1 층(211)을 순차로 적층한 다음, 제1 전극을 형성하여도 좋다.
[실시형태 4]
본 실시형태에서는, 표시 기능을 가지는 발광장치의 회로 구성 및 구동 방법에 대하여 도 5∼도 8을 참조하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 발광소자를 적용한 발광장치를 상면에서 본 모식도이고, 도 5에서, 기판(6500) 위에는, 화소부(6511), 소스 신호선 구동회로(6512), 기입용 게이트 신호선 구동회로(6513), 및 소거용 게이트 신호선 구동회로(6514)가 형성되어 있다.
소스 신호선 구동회로(6512), 기입용 게이트 신호선 구동회로(6513), 및 소거용 게이트 신호선 구동회로(6514)는 각각 배선군을 통하여 외부 입력 단자인 FPC(flexible print circuit)(6503)에 접속되어 있다. 그 결과, 소스 신호선 구동회로(6512), 기입용 게이트 신호선 구동회로(6513), 및 소거용 게이트 신호선 구동회로(6514)는 각각, FPC(6503)로부터 비디오 신호, 클록 신호, 스타트 신호, 리셋트 신호 등을 받는다. 또한, FPC(6503)에는 프린트 배선 기반(PWB)(6504)이 부착되어 있다.
이들 구동회로부는 상기와 같이 반드시 화소부(6511)와 동일 기판 위에 형성되어 있을 필요는 없고, 예를 들어, 배선 패턴이 형성된 FPC 위에 IC 칩을 실장한 것(이러한 FPC를 TCP라 한다) 등을 사용하여, 기판 외부에 제공되어 있어도 좋다. 화소부(6511)에는, 열(列) 방향으로 연장한 다수의 소스 신호선이 행(行) 방향으로 배열되어 있고, 또한 다수의 전류 공급선도 행 방향으로 배열되어 있다. 또한, 화소부(6511)에는, 행 방향으로 연장한 다수의 게이트 신호선이 열 방향으로 배열되어 있고, 또한 발광소자를 포함하는 다수 조의 회로가 배열되어 있다.
도 6은 일 화소를 동작시키기 위한 회로를 나타내고 있다. 도 6에 나타내는 회로에는, 제1 트랜지스터(901)와 제2 트랜지스터(902)와 발광소자(903)가 포함되어 있다. 제1 트랜지스터(901)와 제2 트랜지스터(902) 각각은, 게이트 전극과, 드레인 영역과, 소스 영역을 포함하는 3 단자 소자이고, 드레인 영역과 소스 영역 사이에 채널 영역을 가진다. 여기서, 소스 영역과 드레인 영역은 트랜지스터의 구조나 동작 조건 등에 따라 바뀌기 때문에, 어느 것이 소스 영역 또는 드레인 영역인지를 결정하는 것이 곤란하다. 그래서, 본 실시형태에서는, 소스와 드레인으로서 기능하는 영역들을 각각 제1 전극 및 제2 전극이라고 표기한다.
도 6에서, 게이트 신호선(911)과 기입용 게이트 신호선 구동회로(913)는 스위치(918)에 의해 전기적으로 접속 또는 비접속 상태가 되도록 제공되어 있다. 게이트 신호선(911)과 소거용 게이트 신호선 구동회로(914)는 스위치(919)에 의해 전기적으로 접속 또는 비접속 상태가 되도록 제공되어 있다. 또한, 그 도면에서, 소스 신호선(912)은 스위치(920)에 의해 소스 신호선 구동회로(915)와 전원(916) 중의 어느 한쪽에 전기적으로 접속되도록 제공되어 있다. 또한, 제1 트랜지스터(901)의 게이트는 게이트 신호선(911)에 전기적으로 접속되어 있다.
그리고, 제1 트랜지스터의 제1 전극은 소스 신호선(912)에 전기적으로 접속되고, 제2 전극은 제2 트랜지스터(902)의 게이트 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 제2 트랜지스터(902)의 제1 전극은 전류 공급선(917)에 전기적으로 접속되고, 제2 전극은 발광소자(903)에 포함되는 하나의 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 스위치(918)는 기입용 게이트 신호선 구동회로(913)에 포함되어 있어도 좋다. 또한, 스위치(919)는 소거용 게이트 신호선 구동회로(914)에 포함되어 있어도 좋고, 스위치(920)는 소스 신호선 구동회로(915)에 포함되어 있어도 좋다.
상기한 화소부의 트랜지스터나 발광소자 등의 배치는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 도 7의 상면도에 나타내는 바와 같이 배치될 수도 있다. 도 7에서, 제1 트랜지스터(1001)의 제1 전극은 소스 신호선(1004)에 접속되고, 제2 전극은 제2 트랜지스터(1002)의 게이트 전극에 접속되어 있다. 또한, 제2 트랜지스터의 제1 전극은 전류 공급선(1005)에 접속되고, 제2 전극은 발광소자의 전극(1006)에 접속되어 있다. 또한, 게이트 신호선(1003)의 일부는 제1 트랜지스터(1001)의 게이트 전극으로서 기능한다.
상기한 발광장치의 회로 구성에 이어서, 이 발광장치의 구동 방법에 대하여 설명한다. 도 8은 시간 경과에 따른 프레임의 동작에 대하여 설명하는 도면이다. 도 8에서, 횡 방향은 시간 경과를 나타내고, 종 방향은 게이트 신호선의 주사단의 수를 나타내고 있다. 본 발명의 발광장치를 사용하여 화상 표시를 행할 때, 화면의 재기입 동작과 표시 동작이 교호로 행해진다.
재기입 동작의 횟수는 특별히 한정되지 않지만, 화면을 보는 사람이 깜박임(flicker)을 느끼지 않도록 적어도 1초 동안에 60회 정도로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 일 화면(1 프레임)의 재기입 동작과 표시 동작을 행하는 기간을 1 프레임 기간이라고 한다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 1 프레임은 기입 기간(501a, 502a, 503a, 504a)과 보유 기간(501b, 502b, 503b, 504b)을 포함하는 4개의 서브프레임(501, 502, 503, 504)으로 분할되어 있다.
발광하기 위한 신호가 주어진 발광소자는 보유 기간 중에 발광 상태로 되어 있다. 각각의 서브프레임에서의 보유 기간의 길이의 비는, 제1 서브프레임(501) : 제2 서브프레임(502) : 제3 서브프레임(503) : 제4 서브프레임(504) = 23 : 22 : 21 : 20 = 8 : 4 : 2 : 1로 되어 있다. 이것에 의해, 4 비트 계조를 표현할 수 있다. 또한, 비트수 및 계조수는 여기에 기재한 것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 1 프레임이 8개의 서브프레임으로 분할되어 8 비트 계조를 행할 수 있도록 하여도 좋다.
1 프레임에서의 동작에 대하여 설명한다. 먼저, 서브프레임(501)에서, 첫번째 행으로부터 최종 행까지 순차로 기입 동작이 행해진다. 따라서, 기입 기간의 개시 시간이 행마다 다르다. 기입 기간(501a)이 종료한 행으로부터 순차로 보유 기간(501b)이 개시한다. 이 보유 기간(501b)에서, 발광하기 위한 신호가 주어진 발광소자는 발광 상태로 되어 있다. 또한, 보유 기간(501b)이 종료한 행으로부터 순차로 서브프레임(501)이 다음 서브프레임(502)으로 바뀌고, 서브프레임(501)의 경우와 마찬가지로 첫번째 행으로부터 최종 행까지 순차로 기입 동작이 행해진다.
이상과 같은 동작을 서브프레임(504)의 보유 기간(504b)까지 반복하여 행한다. 서브프레임(504)에서의 동작을 종료한 후, 다음 프레임에서의 동작이 개시된다. 따라서, 각 서브프레임에서 발광한 시간의 합이 1 프레임에서의 각 발광소자의 발광 기간에 해당한다. 이 발광 기간을 발광소자마다 바꾸고 화소부 내에서 다양하게 발광소자를 조합함으로써, 명도 및 색도가 다른 다양한 표시색을 얻을 수 있다.
서브프레임(504)에서와 같이, 최종 행까지의 기입 동작이 종료하기 전에, 기입 기간이 이미 끝나고 보유 기간이 개시된 행에서의 보유 기간을 강제적으로 종료시키고자 할 때는, 보유 기간(504b) 후에 소거 기간(504c)을 마련하여 강제적으로 비발광 상태가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 강제적으로 비발광 상태로 한 행은 일정 기간 비발광 상태를 유지한다(이 기간을 비발광 기간(504d)이라 한다). 그리고, 최종 행의 기입 기간이 종료하면 바로, 첫번째 행으로부터 순차로 다음 서브프레임(또는 프레임)의 기입 기간이 개시된다. 이것에 의해, 서브프레임(504)의 기입 기간과 그 다음의 서브프레임의 기입 기간이 겹치는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 서브프레임(501∼504)은 보유 기간이 긴 것부터 순서대로 배열되어 있지만, 반드시 이 순서로 배열할 필요는 없고, 예를 들어, 보유 기간이 짧은 것부터 순서대로 배열되어 있어도 좋고, 또는 보유 기간이 긴 것과 짧은 것이 랜덤한 순서로 배열되어 있어도 좋다. 또한, 이들 서브프레임은 다수의 서브프레임으로 더욱 분할되어 있어도 좋다. 즉, 동일 영상 신호를 주고 있는 기간 중에 게이트 신호선의 주사를 다수회 행하여도 좋다.
다음에, 기입 기간 및 소거 기간에서의 도 6에 나타낸 회로의 동작에 대하여 설명한다. 먼저, 기입 기간에서의 동작에 대하여 설명한다. 기입 기간에서, n번째 행(n는 자연수)의 게이트 신호선(911)이 스위치(918)를 통하여 기입용 게이트 신호선 구동회로(913)에 전기적으로 접속되고, 소거용 게이트 신호선 구동회로(914)와는 비접속으로 된다. 또한, 소스 신호선(912)은 스위치(920)를 통하여 소스 신호선 구동회로(915)에 전기적으로 접속된다.
이 경우, n번째 행(n는 자연수)의 게이트 신호선(911)에 접속된 제1 트랜지스터(901)의 게이트에 신호가 입력되어, 제1 트랜지스터(901)는 온(on)으로 된다. 이 시점에서, 첫번째 열로부터 최종 열까지의 소스 신호선에 동시에 영상 신호가 입력된다. 또한, 각 열의 소스 신호선(912)으로부터 입력되는 영상 신호는 서로 독립한 것이다. 소스 신호선(912)으로부터 입력된 영상 신호는 각각의 소스 신호선에 접속된 제1 트랜지스터(901)를 통하여 제2 트랜지스터(902)의 게이트 전극에 입력된다. 이때, 제2 트랜지스터(902)에 입력된 신호에 의거하여, 전류 공급선(917)과 발광소자(903)와의 도통 또는 비도통이 정해지고, 발광소자(903)의 발광 또는 비발광이 정해진다.
예를 들어, 제2 트랜지스터(902)가 P채널형인 경우에는, 제2 트랜지스터(902)의 게이트 전극에 Low 레벨의 신호를 입력함으로써 발광소자(903)가 발광한다. 반대로, 제2 트랜지스터(902)가 N채널형인 경우에는, 제2 트랜지스터(902)의 게이트 전극에 High 레벨의 신호를 입력함으로써 발광소자(903)가 발광한다.
계속하여, 소거 기간에서의 동작에 대하여 설명한다. 소거 기간에서는, n번째 행(n는 자연수)의 게이트 신호선(911)이 스위치(919)를 통하여 소거용 게이트 신호선 구동회로(914)에 전기적으로 접속되고, 기입용 게이트 신호선 구동회로(913)와는 비접속으로 된다. 이때, 소스 신호선(912)은 스위치(920)를 통하여 전원(916)과 전기적으로 접속되어 있다.
이 경우, n번째 행의 게이트 신호선(911)에 접속된 제1 트랜지스터(901)의 게이트에 신호가 입력되어, 제1 트랜지스터(901)가 온으로 된다. 또한, 이때, 첫 번째 열로부터 최종 열까지의 소스 신호선에 동시에 소거 신호가 입력된다. 소스 신호선(912)으로부터 입력된 소거 신호는 각각의 소스 신호선에 접속된 제1 트랜지스터(901)를 통하여 제2 트랜지스터(902)의 게이트 전극에 입력된다. 이 제2 트랜지스터(902)에 입력된 신호에 의해, 전류 공급선(917)과 발광소자(903)가 비도통 상태로 된다.
이것에 의해, 발광소자(903)는 강제적으로 비발광이 된다. 예를 들어, 제2 트랜지스터(902)가 P채널형인 경우에는 제2 트랜지스터(902)의 게이트 전극에 High 레벨의 신호를 입력함으로써 발광소자(903)는 비발광으로 된다. 반대로, 제2 트랜지스터(902)가 N채널형인 경우에는 제2 트랜지스터(902)의 게이트 전극에 Low 레벨의 신호를 입력함으로써 발광소자(903)는 비발광으로 된다.
또한, 소거 기간에서는, 이상에 설명한 바와 같은 동작에 의해, n번째 행(n는 자연수)에 소거하기 위한 신호가 입력된다. 그러나, 상기한 바와 같이, n번째 행이 소거 기간임과 동시에, 다른 행(m번째 행(m은 자연수))은 기입 기간이 되는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 동일 열의 소스 신호선을 이용하여 n번째 행에는 소거를 위한 신호를 입력하고, m번째 행에는 기입을 위한 신호를 입력할 필요가 있기 때문에, 이하에 설명하는 것과 같은 동작을 행하는 것이 바람직하다.
앞에서 설명한 소거 기간에서의 동작에 의해, n번째 행의 발광소자(903)가 비발광으로 된 후, 바로, 게이트 신호선(911)과 소거용 게이트 신호선 구동회로(914)를 비접속 상태로 함과 동시에, 스위치(920)를 전환하여 소스 신호선과 소스 신호선 구동회로(915)를 접속시킨다. 그 접속과 동시에, 게이트 신호선과 기입 용 게이트 신호선 구동회로(913)를 접속시킨다. 그 결과, 기입용 게이트 신호선 구동회로(913)로부터 m번째 행의 신호선에 선택적으로 신호가 입력되어, 제1 트랜지스터가 온으로 됨과 동시에, 소스 신호선 구동회로(915)로부터는 첫번째 열부터 최종 열까지의 소스 신호선에 기입용 신호가 입력된다. 이들 신호의 입력에 의해, m번째 행의 발광소자는 발광 또는 비발광으로 된다.
이상과 같이 하여 m번째 행에 대하여 기입 기간을 끝내면, 바로, (n+1)번째 행의 소거 기간으로 이행한다. 따라서, 게이트 신호선과 기입용 게이트 신호선 구동회로(913)를 비접속으로 함과 동시에, 스위치(920)를 바꾸어 소스 신호선을 전원(916)에 접속한다. 또한, 게이트 신호선과 기입용 게이트 신호선 구동회로(913)를 비접속으로 함과 동시에, 게이트 신호선이 소거용 게이트 신호선 구동회로(914)에 접속된다.
소거용 게이트 신호선 구동회로(914)로부터 (n+1)번째 행의 게이트 신호선에 선택적으로 신호를 입력하여, 제1 트랜지스터를 온으로 하기 위한 신호를 입력함과 동시에, 전원(916)으로부터 소거 신호가 입력된다. 이와 같이 하여, (n+1)번째 행의 소거 기간을 끝내면, 바로, m번째 행의 기입 기간으로 이행한다. 이하, 마찬가지로 소거 기간과 기입 기간을, 최종 행의 소거 기간까지 반복하면 좋다. 또한, 본 실시형태에서는 n번째 행의 소거 기간과 (n+1)번째 행의 소거 기간과의 사이에 m번째 행의 기입 기간을 마련하는 양태에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이것에 한정되지 않고, (n-1)번째 행의 소거 기간과 n번째 행의 소거 기간과의 사이에 m번째 행의 기입 기간을 마련하여도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는, 서브프레임(504)에서와 같이 비발광 기간(504d)을 제공할 때, 소거용 게이트 신호선 구동회로(914)를 어느 하나의 게이트 신호선으로부터 비접속 상태로 함과 동시에, 기입용 게이트 신호선 구동회로(913)를 다른 게이트 신호선에 접속 상태로 하는 동작을 반복하고 있다. 이와 같은 동작은 비발광 기간을 특별히 마련하지 않은 프레임에서 행하여도 상관없다.
[실시형태 5]
본 발명의 발광소자를 포함하는 발광장치의 단면 구조의 일 양태에 대하여, 도 9(A)∼도 9(C)를 참조하여 설명한다. 도 9(A)∼도 9(C)에서, 점선으로 둘러싸여 있는 것은 본 발명의 발광소자(12)를 구동하기 위하여 제공되어 있는 트랜지스터(11)이다. 그 발광소자(12)는 제1 전극(13)과 제2 전극(14)과의 사이에 발광 물질을 함유하는 층이 적층된 층(15)을 가지는 본 발명의 발광소자이다.
트랜지스터(11)의 드레인과 제1 전극(13)은 제1 층간절연막(16)(16a, 16b, 16c)을 관통하고 있는 배선(17)에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 발광소자(12)는 격벽층(18)에 의해, 인접하여 제공된 다른 발광소자로부터 분리되어 있다. 이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 발광장치는 본 실시형태에서 기판(10) 위에 제공되어 있다.
도 9(A)∼도 9(C)에 도시한 트랜지스터(11)는 게이트 전극이 반도체층을 사이에 두고 기판 위에 제공된 탑 게이트형의 것이다. 트랜지스터(11)의 구조는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 보텀 게이트형의 것이어도 좋다. 또한, 보텀 게이트형의 경우에는, 채널을 형성하는 반도체층 위에 보호막이 형성된 채널 보호형 이어도 좋고, 혹은 채널을 형성하는 반도체층의 일부가 오목한 형태로 된 채널 에치형이어도 좋다.
트랜지스터(11)를 구성하는 반도체층은 결정성과 비결정성 중의 어느 것이어도 좋고, 세미아모르퍼스 등이어도 좋다. 세미아모르퍼스 반도체란, 비정질 구조와 결정 구조(단결정, 다결정을 포함한다) 사이의 중간적인 구조를 가지고, 자유 에너지적으로 안정적인 제3 상태를 가지는 반도체를 의미한다. 세미아모르퍼스 반도체는 또한, 단거리 질서를 가지고 격자 왜곡을 가지는 결정질 영역을 포함하고 있다.
세미아모르퍼스 반도체막의 적어도 일부에는 0.5∼20 nm 크기의 결정립이 포함되어 있다. 이 세미아모르퍼스 반도체막의 라만 스펙트럼은 520 cm-1보다 저파수 측으로 시프트(shift)되어 있다. X선 회절에서는, Si 결정 격자로부터 유래한다고 여겨지는 (111) 및 (220)의 회절 피크가 세미아모르퍼스 반도체에서 관측된다. 세미아모르퍼스 반도체는 댕글링 본드(dangling bond)를 종단시키기 위하여 수소 또는 할로겐을 적어도 1 원자% 이상 포함하고 있다. 세미아모르퍼스 반도체는 미(微)결정 반도체라고도 불린다.
세미아모르퍼스 반도체막은 규화물을 함유하는 기체의 글로우 방전 분해(플라즈마 CVD)에 의해 형성된다. 규화물을 함유하는 기체로서는, SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, SiF4 등을 사용할 수 있다. 이 규화물을 함유하는 기체를 H2, 또는 H2와, He, Ar, Kr, Ne로부터 선택된 1종 또는 다수 종의 희가스 원소와의 혼합물로 희석되어도 좋다. 그 희석률은 1 : 2∼1 : 1000의 범위가 좋다. 방전 분해 시의 압력은 대략 0.1∼133 Pa의 범위로 하고, 전원 주파수는 1∼120 MHz, 바람직하게는 13∼60 MHz로 한다.
기판 가열 온도는 300℃ 이하이면 좋고, 바람직하게는 100∼250℃로 한다. 그 막에 함유되는 불순물 원소에 대해서는, 그 막 중의 산소, 질소, 탄소 등의 대기 성분의 불순물 각각의 농도는 1×1020 /cm3 이하로 하는 것이 바람직하고, 특히, 산소 농도는 5×1019 /cm3 이하, 바람직하게는 1×1019 /cm3 이하로 한다. 또한, 세미 아모르퍼스 반도체를 사용한 TFT(박막트랜지스터)의 이동도는 대략 1∼1O m2/Vsec이다.
또한, 결정성 반도체층의 구체예로서는, 단결정 규소, 다결정 규소, 규소 게르마늄 등을 포함하는 것을 들 수 있다. 결정성 반도체층은 레이저 결정화에 의해 형성된 것이어도 좋고, 예를 들어, 니켈 등을 사용한 고상 성장법에 의한 결정화에 의해 형성된 것이어도 좋다.
또한, 반도체층이 비정질 물질, 예를 들어, 아모르퍼스 실리콘으로 형성되는 경우에는, 트랜지스터(11) 및 그 외의 트랜지스터(발광소자를 구동하기 위한 회로를 구성하는 트랜지스터)로서 N채널형 트랜지스터를 포함하는 회로를 가지는 발광장치인 것이 바람직하다. 그 이외에, N채널형 트랜지스터와 P채널형 트랜지스터 중의 어느 것을 포함하는 회로를 가지는 발광장치이어도 좋고, N채널형 트랜지스터와 P채널형 트랜지스터 모두를 포함하는 회로를 가지는 발광장치이어도 좋다.
또한, 그 발광장치에서의 제1 층간절연막(16)은 도 9(A) 및 도 9(C)에 나타내는 바와 같이 다층(16a, 16b, 16c)이어도 좋고, 또는 단층이어도 좋다. 구체적으로는, 제1 층간절연막(16)이 다층인 경우에는, 층간절연막(16a)이 산화규소나 질화규소와 같은 무기 재료를 사용하여 형성되고, 층간절연막(16b)이 아크릴이나 실록산(규소(Si)와 산소(0)와의 결합으로 골격 구조가 구성되고, 치환기로서 적어도 수소를 포함하는 화합물), 또는 도포 성막 가능한 산화규소 등의 자기 평탄성을 가지는 물질을 사용하여 형성되고, 층간절연막(16c)는 아르곤(Ar)을 함유하는 질화규소막으로 형성된다.
제1 층간절연막(16)의 각 층을 구성하는 물질에 대해서는 특별히 한정은 없고, 여기에 설명한 물질 이외의 것을 사용하여도 좋다. 또는, 이들 이외의 물질로 형성된 층을 제1 층간절연막(16)에 더 조합하여도 좋다. 이와 같이, 제1 층간절연막(16)은 무기 재료 또는 유기 재료 모두를 사용하여 형성된 것이어도 좋고, 또는 무기 재료와 유기 재료 중의 어느 하나로 형성된 것이어도 좋다.
이 발광장치에서의 격벽층(18)의 엣지부는, 곡률 반경이 연속적으로 변화하는 형상을 가지는 것이 바람직하고, 이 격벽층(18)은 아크릴, 실록산, 레지스트, 산화규소 등을 사용하여 형성된다. 또한, 격벽층(18)은 무기 재료와 유기 재료 중의 어느 하나 또는 모두를 사용하여 형성된 것이어도 좋다.
또한, 도 9(A) 및 도 9(C)는 제1 층간절연막(16)만이 트랜지스터(11)와 발광소자(12) 사이에 제공된 구성을 나타내지만, 도 9(B)와 같이, 제1 층간절연막(16)(16a, 16b)과 제2 층간절연막(19)(19a, 19b)이 트랜지스터(11)와 발광소 자(12) 사이에 제공된 구성이어도 좋다. 도 9(B)에 나타내는 발광장치에서는, 제1 전극(13)이 제2 층간절연막(19)을 관통하여 배선(17)에 접속되어 있다.
이 발광장치에서의 제2 층간절연막(19)은 제1 층간절연막(16)과 마찬가지로 다층이어도 좋고, 또는 단층이어도 좋다. 제2 층간절연막(19)이 다층인 경우, 층간절연막(19a)는 아크릴이나 실록산(규소(Si)와 산소(O)와의 결합으로 골격 구조가 구성되고, 치환기로서 적어도 수소를 포함하는 유기기를 가지는 화합물), 도포 성막 가능한 산화규소 등의 자기 평탄성을 가지는 물질로 형성되고, 층간절연막(19b)는 아르곤(Ar)을 함유하는 질화규소막으로 형성된다. 제2 층간절연막(19)의 각 층을 구성하는 물질에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 상기한 물질 이외의 것을 사용하여도 좋고, 이들 이외의 물질로 형성된 층을 제2 층간절연막(19)과 조합하여 제공하여도 좋다. 이와 같이, 제2 층간절연막(19)은 무기 재료와 유기 재료 모두를 사용하여 형성된 것이어도 좋고, 무기 재료와 유기 재료 중 어느 하나로 형성된 것이어도 좋다.
발광소자(12)에서, 제1 전극 및 제2 전극이 모두 투광성을 가지는 물질로 형성된 경우, 발광소자(12)에서 발생한 광을, 도 9(A)에서 흰색 화살표로 나타내는 바와 같이, 제1 전극(13)측과 제2 전극(14)측 모두로부터 취출할 수 있다. 또한, 제2 전극(14)만이 투광성을 가지는 물질로 형성된 경우에는, 발광소자(12)에서 발생한 광을, 도 9(B)에서 흰색 화살표로 나타내는 바와 같이, 제2 전극(14)측만으로부터 취출할 수 있다. 이 경우에는, 제1 전극(13)은 반사율이 높은 재료로 형성되어 있거나, 또는 반사율이 높은 재료로 형성된 막(반사막)이 제1 전극(13)의 하방 에 제공되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 제1 전극(13)만이 투광성을 가지는 물질로 형성된 경우에는, 발광소자(12)에서 발생한 광을, 도 9(C)에서 흰색 화살표로 나타내는 바와 같이, 제1 전극(13)측만으로부터 취출할 수 있다. 이 경우, 제2 전극(14)은 반사율이 높은 재료로 형성되어 있거나, 또는 반사막이 제2 전극(14)의 상방에 제공되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 발광소자(12)는, 제1 전극(13)의 전위보다 제2 전극(14)의 전위가 높아지도록 전압을 인가했을 때 발광소자(12)가 동작하도록 층(15)이 적층된 구성이어도 좋고, 혹은 제1 전극(13)의 전위보다 제2 전극(14)의 전위가 낮아지도록 전압을 인가했을 때 발광소자(12)가 동작하도록 층(15)이 적층된 구성이어도 좋다. 전자의 경우, 트랜지스터(11)는 N채널형 트랜지스터이고, 후자의 경우, 트랜지스터(11)는 P채널형 트랜지스터이다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 트랜지스터에 의해 발광소자의 구동을 제어하는 액티브형의 발광장치에 대하여 설명하였지만, 이 외에, 트랜지스터 등의 구동용 소자를 특별히 제공하지 않고 발광소자를 구동시키는 패시브형의 발광장치여도 좋다. 패시브형의 발광장치에서도, 저구동전압으로 동작하는 본 발명의 발광소자를 포함함으로써 저소비전력으로 구동시킬 수 있다.
[실시형태 6]
본 발명의 발광소자를 포함하는 발광장치는 양호한 화상을 표시할 수 있기 때문에, 본 발명의 발광소자를 가지는 발광장치를 전자기기의 표시부에 적용함으로 써, 뛰어난 영상을 제공할 수 있는 전자기기를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 발광소자를 포함하는 발광장치는 저소비전력으로 구동하기 때문에, 본 발명의 발광소자를 포함하는 발광장치를 전자기기의 표시부에 적용함으로써, 소비전력이 적은 전자기기를 얻을 수 있고, 예를 들어, 배터리 대기 시간 등이 긴 전화기 등을 얻을 수 있다.
본 발명을 적용한 발광장치를 탑재한 전자기기의 구체예를 실시형태 6으로서 도 10(A)∼도 10(C)에 나타낸다. 도 10(A)는 본 발명을 적용하여 제조한 노트형 컴퓨터를 나타내고, 이 컴퓨터는 본체(5521), 케이스(5522), 표시부(5523), 키보드(5524) 등을 포함하고 있다. 본 발명의 발광소자를 가지는 발광장치를 표시부에 설치함으로써, 이 컴퓨터가 완성될 수 있다.
도 10(B)는 본 발명을 적용하여 제조한 전화기를 나타내고, 이 전화기는 본체(5552)에 표시부(5551), 음성 출력부(5554), 음성 입력부(5555), 조작 스위치(5556), 안테나(5553) 등을 포함하고 있다. 본 발명의 발광소자를 가지는 발광장치를 표시부에 설치함으로써, 이 전화기가 완성될 수 있다.
도 10(C)는 본 발명을 적용하여 제조한 텔레비전 수상기를 나타내고, 이 텔레비전 수상기는 표시부(5531), 케이스(5532), 스피커(5533) 등을 포함하고 있다. 본 발명의 발광소자를 가지는 발광장치를 표시부에 설치함으로써, 이 텔레비전 수상기가 완성될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 발광소자를 가지는 발광장치는 각종 전자기기의 표시부로서 사용하는데 매우 적합하다. 또한, 본 실시형태에서는 컴퓨터, 전화기 및 텔레비전 수상기에 대하여 설명하였지만, 이 외에, 내비게이션 시스템, 조명 기기 등에 본 발명의 발광소자를 가지는 발광장치를 탑재하여도 좋다.
[실시예 1]
이하에, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이 실시예에 의해 한정되지 않고, 특허청구범위에 의해 특정되는 것이다. 먼저, 유기 금속 착체의 합성예를 실시예 1로서 기재하고, 다음에 본 발명의 발광소자의 제조방법의 구체예를 실시예 2로서 기재한다.
본 실시예 1에서는 실시형태 2에서 설명한 클러스터를 포함하는 층의 일례로서, α-NPD와 산화몰리브덴을 전극의 표면에 생성시키는 클러스터의 합성예 및 그의 전류-전압 특성의 측정예에 대하여 설명한다. 두께 0.7 mm이고 5 인치 사이즈의 유리 기판 위에, 막 두께 110 nm의 ITO를 스퍼터링에 의해 성막하고, 포토리소그래피에 의한 패터닝을 행하여 전극을 형성하였다. 그 다음, 상기 ITO 전극을 가지는 기판을 수세(水洗)하고, 충분히 건조시켜, 증착 장치 내에 세트한 후, 증착 장치의 진공 체임버 내의 압력이 1×1O-3 Pa 이하가 될 때까지 그 진공 체임버의 배기를 행하였다.
다음에, 그 압력 하에서 150℃로 30분간 기판을 가열하고, 그 상태로 30분 이상 냉각시켰다. 그 냉각 후, 유기 재료로서 α-NPD, 및 무기 재료로서 산화몰리브덴을 공증착하였다. 여기서, α-NPD의 증착 레이트를 0.4 nm/s가 되도록 제어하고, 산화몰리브덴의 농도는 27 wt%가 되도록 제어하였다. 또한, 막 두께는 100 nm 로 하였다. 그 후, 막 두께 200 nm의 알루미늄을 증착하여 소자 1을 제조하였다.
ITO를 양극으로 하고, 알루미늄을 음극으로 한 경우의 소자 1의 전류-전압 특성을 도 16에 나타낸다. 또한, 비교로서, α-NPD와 산화몰리브덴의 공증착 대신에, α-NPD만을 증착하여 소자를 제조한 결과도 나타낸다. 소자 1의 전류-전압 특성은 도 16에 도시하는 바와 같이 전압의 1차에 비례하고 있고, 옴(ohm) 전류가 흐르고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, ITO 전극과의 접촉은 옴 접촉이라고 생각할 수 있다.
한편, α-NPD만을 증착하여 형성한 막에서는, 전류-전압 특성이 전압의 1차에는 비례하지 않는다. 이 전류는 쇼트키(Schottky) 주입 전류라고 생각할 수 있다. 이와 같이, α-NPD와 산화몰리브덴의 공증착으로 형성되고, 평행 배위 결합한 2분자체가 금속 산화물에 인접한 클러스터를 가지는 막에는 짝짓지 않은 전자가 다수 존재하고 있기 때문에, 그 막은 캐리어 밀도가 높다는 특징을 가진다. 따라서, 전극 위에 증착함으로써, 옴 접촉하기 쉬워지는 장치가 가능하다.
[실시예 2]
본 실시예 2에서는, 본 발명의 발광소자의 일례로서, α-NPD와 산화몰리브덴의 공증착하여 형성한 층을 사용한 발광소자의 제조방법을 나타낸다. 또한, 비교를 위하여, α-NPD만을 증착하여 형성한 층을 사용한 발광소자의 제조방법도 나타낸다. 이 실시예의 제조방법은 이하와 같다. 먼저, 두께 0.7 mm이고 5 인치 사이즈의 유리 기판 위에, 막 두께 110 nm의 ITO를 스퍼터링에 의해 성막하고, 포트리소그래피에 의한 패터닝을 행하여, 전극을 형성하였다.
그 다음, 상기 ITO 전극을 가지는 기판을 수세하고, 충분히 건조시켜, 증착 장치 내에 세트한 후, 그 장치의 진공 체임버 내의 압력이 1×10-3 Pa 이하가 될 때까지 진공 체임버의 배기를 행하였다. 그 다음, 그 압력하에서 150℃로 30분간 기판을 가열하고, 그 상태로 30분 이상의 냉각시켰다. 그 냉각 후, 유기 재료로서 α-NPD, 및 무기 재료로서 산화몰리브덴을 공증착하였다. 여기서, α-NPD의 증착 레이트를 0.4 nm/s가 되도록 제어하고, 산화몰리브덴의 농도는 27 wt%가 되도록 제어하였다. 또한, 막 두께는 120 nm로 하였다.
그 다음, 정공 수송층으로서 α-NPD를 10 nm의 두께로 증착하고, 발광층으로서 Alq3에 DMQd를 0.3 wt% 도핑한 것을 37.5 nm의 두께로 증착하고, 전자 수송층으로서 Alq3만을 37.5 nm의 두께로 증착하고, 전자 주입층으로서 CaF2를 1 nm의 두께로 증착하고, 음극으로서 알루미늄을 20O nm의 두께로 증착하여, 발광소자 2를 제조하였다.
또한, 비교예의 발광소자는 이하와 같이 제조하였다. 즉, α-NPD와 산화몰리브덴의 공증착을 행하지 않고, ITO 양극 위에 정공 수송층으로서 α-NPD를 130 nm의 두께로 증착하고, 발광층으로서 Alq3에 DMQd를 0.3 wt% 도핑한 것을 37.5 nm의 두께로 증착하고, 전자 수송층으로서 Alq3만을 37.5 nm의 두께로 증착하고, 전자 주입층으로서 CaF2를 1 nm의 두께로 증착하고, 음극으로서 알루미늄을 200 nm의 두께로 증착하여, 발광소자 3을 제조하였다.
상기와 같이 제조한 실시예 2의 발광소자 2 및 비교예의 발광소자 3의 휘도-전압 특성을 측정하여 도 17에 나타낸다. 비교예의 발광소자 3에 대하여, 실시예 2의 발광소자 2가 큰 폭으로 저전압화되어 있는 것을 알 수 있다. 이것으로부터, α-NPD 2분자체 래디컬 카치온을 포함하는 막을 성막함으로써, 발광소자의 저저항화를 도모할 수 있다.

Claims (8)

  1. 2분자체가 금속 산화물에 배위 결합된 클러스터를 포함하는 층을 가지고,
    상기 2분자체는 평행하게 배열된 2개의 아릴아민 화합물을 포함하고,
    2개의 아릴아민 각각은 질소 원자에 결합된 하나의 페닐기와 2개의 아릴기를 가지고,
    2개의 아릴아민이 각각의 페닐기를 통하여 비스페닐 결합을 형성하고 있는 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 클러스터의 아릴아민 화합물의 비스페닐 결합을 형성하고 있는 2개의 페닐기 각각을 형성하는 각 벤젠 고리의 6개의 탄소 원자가 형성하는 면은, 전자(前者)의 아릴아민 화합물에 평행한 다른 아릴아민 화합물의 비스페닐 결합을 형성하고 있는 2개의 페닐기 각각을 형성하는 각 벤젠 고리의 6개의 탄소 원자가 형성하는 면에 대면하고 있는 발광소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 클러스터는, 금속 산화물과 아릴아민 화합물이 진공 하에서 동시에 기화되고, 그 기화된 금속 산화물과 아릴아민 화합물이 동시에 고화되도록 형성된 발광소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 클러스터는 정공을 발생하는 기능을 가지는 발광소 자.
  5. 제 1 항에 있어서, 클러스터를 포함하는 상기 층이 전극에 접하여 있는 발광소자.
  6. 제 1 항에 기재된 발광소자를 구비한 발광장치.
  7. 제 1 항에 기재된 발광소자를 표시부로서 탑재한 전자기기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 아릴아민 화합물들 각각이 아래의 화학식으로 나타내어지는 발광소자.
    Figure 112007065219442-PCT00002
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