KR20080041919A - 전계 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 발광소자에 관한 것으로서, 특히, 이중 정공 주입층을 구비하여 구동 전압이 낮고 발광 효율이 우수한 전계 발광소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전계 발광소자는, 기판 상에 형성된 양극과(anode); 상기 양극 상에 저 에너지 레벨의 제1 정공 주입층과 고 에너지 레벨의 제2 정공 주입층으로 형성되며, 정공을 주입하는 정공 주입층(hole injection layer); 상기 정공 주입층 상에 형성되며, 정공을 수송하는 정공 수송층(hole transfer layer); 상기 정공 수송층 상에 형성되는 발광층(emission layer); 상기 발광층 상에 형성되며, 전자를 수송하는 전자 수송층(electron transfer layer); 상기 전자 수송층 상에 형성되며, 전자를 주입하는 전자 주입층(electron injection layer); 상기 전자 주입층 상에 형성되는 음극(cathode);을 포함한다.

Description

전계 발광소자{FIELD LIGHT EMISSION DEVICE}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 발광소자의 구조를 도시하는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광층의 구조를 도시하는 단면도이다.

도 3은 본 실시예에 따른 유기 발광층을 이루는 각 층의 에너지 레벨을 모식적으로 나타낸 그림이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 기판 10 : 박막 트랜지스터

20 : 칼라 필터 30 : 애노드

40 : 유기 발광층 50 : 캐소드

HIL 1 : 제1 정공 주입층 HIL 2 : 제2 정공 주입층

HTL : 정공 수송층 EML : 발광층

ETL : 전자 수송층 EIL : 전자 주입층

본 발명은 전계 발광소자에 관한 것으로서, 특히, 이중 정공 주입층을 구비하여 구동 전압이 낮고 발광 효율이 우수한 전계 발광소자에 관한 것이다.

다양한 정보를 화면으로 구현해주는 영상표시장치는 정보통신시대의 핵심 기술로 더 얇고 더 가볍고 휴대가 가능하면서도 고성능의 방향으로 발전하고 있다. 이에 음극선관(CRT)의 단점인 무게와 부피를 줄일 수 있는 유기전계 발광표시장치와 같은 평판표시장치가 각광받고 있다. 여기서 유기전계 발광표시장치는 전극사이의 얇은 발광층을 이용한 자발광 소자로 종이와 같이 박막화가 가능하다는 장점이 있다.

유기전계 발광표시장치는 빛을 투과시키는 애노드와, 빛을 반사시키는 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 여러 층의 유기물층이 적층하여 형성된 유기발광층으로 구비한다. 여기서, 캐소드와 애노드 사이에 전압을 인가하였을 때 유기발광층으로부터 생성된 빛은 애노드를 통해 외부로 방출되거나 애노드의 반대쪽인 캐소드로 빛이 갔다가 다시 애노드쪽으로 반사되어 애노드를 통해 외부로 방출된다.

그리고 상기 애노드와 유기발광층 사이에는 발광층 내부로 정공을 주입하는 정공 주입층(hole injection layer)가 구비된다. 일반적으로 정공 주입층의 필요 조건은 애노드로 사용되는 산화물 전극의 일함수와 정공 수송층의 HOMO 에너지 레벨의 중간 정도의 HOMO 에너지 레벨을 가지고 있어서, 정공 주입 장벽을 낮추고 계면 특성을 좋게 해주는 것이다.

이러한 일반적인 정공 주입층 물질과 달리 전체적인 에너지 레벨이 매우 달라 LUMO 에너지 레벨이 일반적인 정공 주입층의 HOMO 에너지 레벨 수준인 것도 있다. 이러한 낮은 에너지 레벨의 정공 주입층 물질을 애노드의 일함수와 상관 없이 정공 주입이 원활하게 일어나게 해준다.

그런데 종래의 정공 주입층은 구동 전압이 너무 높고, 에너지 레벨이 낮은 정공 주입층은 발광 효율이 낮은 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이중 정공층을 구비하여 구동 전압이 낮고, 발광 효율이 우수한 전계 발광소자를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전계 발광소자는, 기판 상에 형성된 양극과(anode); 상기 양극 상에 저 에너지 레벨의 제1 정공 주입층과 고 에너지 레벨의 제2 정공 주입층으로 형성되며, 정공을 주입하는 정공 주입층(hole injection layer); 상기 정공 주입층 상에 형성되며, 정공을 수송하는 정공 수송층(hole transfer layer); 상기 정공 수송층 상에 형성되는 발광층(emission layer); 상기 발광층 상에 형성되며, 전자를 수송하는 전자 수송층(electron transfer layer); 상기 전자 수송층 상에 형성되며, 전자를 주입하는 전자 주입층(electron injection layer); 상기 전자 주입층 상에 형성되는 음 극(cathode);을 포함한다.

그리고 상기 제1 정공 주입층은 상기 양극의 계면에 증착되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1 정공 주입층은, LUMO 에너지 레벨이 상기 양극의 일함수 보다 낮은 것이, 상기 양극의 일함수와 상관 없이 정공 주입이 원활해지므로 바람직하다.

한편 상기 제2 정공 주입층은, HOMO 에너지 레벨이 상기 제1 정공 주입층의 LUMO 에너지 레벨과 같거나 높은 것이 바람직하다.

또한 상기 제2 정공 주입층은, LUMO 에너지 레벨이 상기 정공 수송층의 LUMO 에너지 레벨보다 높은 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 양극에 접속되는 박막 트랜지스터를 더 구비하는 것이, 발광 소자를 능동적으로 스위칭할 수 있어서 바람직하다.

그리고 본 발명에 따른 전계 발광소자는 상기 양극은 투명한 물질로 이루어지고, 상기 음극은 불투명한 반사성 재질의 물질로 이루어지는 구조를 가질 수도 있고,

상기 양극은 불투명한 반사성 재질의 물질로 이루어지고, 상기 음극은 투명한 물질로 이루어지는 구조를 가질 수도 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 발광소자의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광층의 구조를 도시하는 단면도이다.

먼저 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 발광소자를 설명한다. 본 실시예에 따른 전계 발광소자는 박막 트랜지스터(10), 칼라 필터(20), 양극(anode, 30), 유기 발광층(40), 캐소드(cathode, 50)을 포함하여 구성된다.

먼저 박막 트랜지스터(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(11), 게이트 절연막(12), 활성층, 소스/드레인 전극(15, 16) 및 보호막(17)으로 구성된다.

이때 게이트 전극(11)은 도전성 금속으로 형성되고, 게이트 라인에 의하여 전달되는 스캔 신호가 전달된다. 그리고 게이트 절연막(12)은 상기 게이트 전극(11)과 활성층 및 소스/드레인 전극(15, 16)을 절연시키기 위하여 유기물질로 형성된다. 일반적으로 이 게이트 절연막은 SiNx 또는 SiOx 같은 무기 절연물질을 사용하여 형성된다.

또한 활성층은 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘으로 이루어지는 반도체층(13)과, 이 반도체층(13) 상부에서 소스/드레인 전극(15, 16)과 반도체층(13)의 일 함수(work function) 차이를 감소시키는 오믹 콘택층(14)으로 구성된다. 그리고 상기 반도체층(13)을 이루는 폴리 실리콘은 LTPS 공정으로 형성되는 완전 폴리 실리콘을 사용할 수도 있고, SPC 공정으로 형성되는 부분 폴리 실리콘을 사용할 수도 있다.

한편 상기 오믹 콘택층(14)은 도핑된 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘으로 형성된다. 이 오믹 콘택층(14)은 상기 반도체층(13)과 소스 전극(15) 사이 또는 상기 반도체층(13)과 드레인 전극(16) 사이의 일함수 차이를 감소시켜 트랜지스터 특성을 향상시킨다.

그리고 보호막(17)은 상기 소스/드레인 전극(15, 16) 및 활성층 상부에 형성되어 이들은 보호함과 동시에 절연시키는 역할을 한다. 이를 위해 상기 보호막(17)은 유기 물질 또는 무기 물질로 이루어진다. 한편 이 보호막(17)이 유기막과 무기막의 이중층으로 이루어지기도 한다.

물론 전계 발광 소자의 표시 기판에는 이러한 구동용 박막 트랜지스터 외에 스위칭용 박막 트랜지스터(도면에 미도시)와 캐패시터(도면에 미도시) 등이 더 형성된다. 상기 스위칭용 박막 트랜지스터는 구동용 박막 트랜지스터와 접속되어, 게이트 라인에 인가되는 스캔신호(Scan Signal)에 의하여 구동되며, 데이터 라인에 인가되는 데이터 신호(Data Signal)를 스위칭시켜 주는 역할을 한다. 그리고 구동용 박막 트랜지스터는, 상기 스위칭용 박막 트랜지스터를 통해 전달되는 데이터 신호에 의해서 즉, 게이트와 소오스 간의 전압차(Vgs)에 의해서 유기 발광층을 통해 흐르는 전류량을 결정한다. 또한 캐패시터는, 구동용 박막 트랜지스터의 게이트 전극과 소오스 전극 간 전압 차를 유지시켜 주는 역할을 한다. 이들에 대한 자세한 구조의 설명은 생략한다.

그리고 경우에 따라서 칼라 필터(20)가 더 형성되기도 한다. 즉, 백색광을 내는 유기 발광층(40)을 사용하는 경우에는 다양한 색을 구현하기 위하여 각 소자에 칼라 필터를 구비한다. 그러면 이 칼라 필터(20)에 의하여 유기 발광층(40)에서 발생된 백색광이 다양한 색으로 표현되는 것이다.

한편 상기 칼라 필터(20)는 박막 트랜지스터(10)에 인접한 서브 픽셀 영역에 형성된다. 이 칼라 필터(20)는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(1) 상에서 게이트 절연막(12) 및 보호막(17) 상면에 형성된다.

이때 이 칼라 필터(20) 표면은 매우 요철이 심한 형상을 가진다. 따라서 그 상부 면에 직접 화소 전극인 애노드(30)를 형성하는 경우에는 애노드의 표면도 요철이 심한 형상을 가지게 되어, 이후에 캐소드와 애노드 사이에서 단락 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 이 칼라 필터(20) 상부에 평탄화막(도면에 미도시)이 더 구비된다. 이 평탄화막은 상기 박막 트랜지스터(10) 상부 및 칼라 필터(20) 상부에 형성되어 기판의 전체적인 표면을 평평하게 하는 역할을 한다. 본 실시예에서 이 평탄화막은 아크릴레이트(acrylate)와 같은 투명한 유기물질로 이루어진다.

한편 애노드(30)와 캐소드(50)는 각각 제1 전극과 제2 전극으로 기능하는 도전층으로서, 애노드(30)는 캐소드(50)에 비하여 일함수(work function)가 큰 물질로 형성된다.

그리고 애노드(30)는 상기 평탄화막 및 보호막(17)을 관통하여 형성되는 컨택홀(17a)을 통하여 드레인 전극(17)과 접속된 상태로 상기 평탄화막 상면에 형성된다. 이때 이 애노드(30)가 형성되는 영역은 상기 칼라 필터(20)가 형성된 영역과 겹치는 영역이며, 상기 칼라 필터(20) 보다 넓은 영역에 형성된다. 이 애노드(30)를 통하여 유기 발광층(40)에서 발생한 빛이 배출되므로, 이 애노드(30)는 투명한 물질로 이루어진다. 따라서 본 실시예에서는 이 애노드(30)를, 인듐 틴 옥사이드(indium-tin oxide : ITO), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene) 등의 물질을 사용하여 형성한다.

캐소드(50)는 유기발광층(40)이 형성된 기판 상에 형성되며, 캐소드(50)에는 전자를 주입하기 위한 구동신호가 공급된다. 이러한 캐소드(50)는 유기발광층(40)로부터 생성된 빛을 기판(1)쪽으로 반사시켜 외부로 방출하게 한다. 이를 위한, 캐소드(50)로는 반사율이 높은 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 또는 그들의 합금, 칼슘(Ca)/알루미늄(Al) 합금, 마그네슘(Mg)/은(Ag) 합금, 알루미늄(Al)/리튬(Li) 합금 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄(Al), 또는 알루미늄(Al)/칼슘(Ca) 합금이다.

이와 같이 본 발명에 따른 전계 발광 소자는 애노드(30)와 캐소드(50) 각각에 구동 신호가 인가되면 전자과 정공이 방출되고, 애노드(30) 및 캐소드(50)에서 방출된 전자와 정공은 유기발광층(40)내에서 재결합하면서 가시광을 발생하게 된다.

다음으로 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 유기 발광층의 구체적인 구조를 설명한다.

본 실시예에 따른 유기 발광층(40)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 정공 주입층(41), 제2 정공 주입층(42), 정공 수송층(43), 발광층(44), 전자 수송층(45), 전자 주입층(46)으로 이루어진다.

발광층(44)으로는 저분자 물질과 고분자 물질이 모두 사용될 수 있으며, 특히, 옥사디아졸기와 알킬옥시 치환기가 곁사슬로 치환되어 있는 PPV계 발광고분자를 유기용매, 바람직하게는 클로로벤젠에 용해시켜 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 애노드(30)에서의 정공 주입을 용이하게 하기 위한 정공 주입층이 더 구비된다. 이 정공 주입층(41, 42)은 상기 애노드(30) 표면에 유기물질로 코팅된다. 그리고 정공 수송층(43)은 정공 주입층(41, 42)과 발광층(44) 사이에서 정공의 원활한 수송을 돕는다. 이 정공 수송층(43)으로는 폴리(3,4-폴리에틸렌디옥시티오펜) : 폴리(스티렌설포네이트) (DEPOT : PSS)가 사용될 수 있다.

이는 최저 비점유 분자 궤도 함수(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)값이 큰 작용기로 치환된 발광 고분자를 사용함으로써 전자의 이동속도를 향상시킴과 동시에 낮은 전압에서도 구동시킬 수 있기 때문이다. 한편, 유기 전기 발광 소자에서 전하(charge)의 주입은 최저 비점유 분자 궤도 함수(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO) 뿐만 아니라 고분자의 최고 점유 분자 궤도 함수(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)와 전극의 일함수가 각각 만드는 에너지 벽에 의하여 좌우된다.

본 실시예에서는 애노드(30)로부터의 정공 주입을 원활하게 하여 구동전압을 낮추기 위한 에너지 레벨이 낮은 제1 정공 주입층(41)을 구비한다. 이 제1 정공 주입층(41)은 상기 애노드(30)의 계면에 증착되어 형성되며, 그 LUMO 에너지 레벨이 상기 애노드의 일함수 보다 낮은 것이 바람직하다.

도 3은 본 실시예에 따른 유기 발광층(40)을 이루는 각 층의 에너지 레벨을 모식적으로 나타낸 그림이다.

이렇게 상기 제1 정공층(HIL 1)의 LUMO 에너지 레벨이 상기 애노드의 일함수보다 낮기 때문에 애노드(30)에 무관하게 정공 주입이 용이한 장점이 있다.

한편 제2 정공 주입층(HIL 2)은 발광 효율을 높이기 위한 층으로서 그 HOMO 에너지 레벨이 상기 제1 정공 주입층(HIL 1)의 LUMO 에너지 레벨과 같거나 더 높은 것이 바람직하다. 유기 발광층(EML)에서의 발광 효율을 높이기 위해서는 상기 캐소드(50)에서 주입되는 전자와 상기 애노드(30)에서 주입되는 정공이 용이하게 결합되어야 한다. 이를 위해서는 상기 정공 주입층의 에너지 레벨이 상기 전자 주입층의 에너지 레벨보다 높은 것이 바람직하다. 따라서 에너지 레벨이 높은 제2 정공 주입층(HIL 2)을 상기 제1 정공 주입층(HIL 1) 상에 더 구비하여 유기 발광층(EML)의 발광 효율을 높이는 것이다.

이하에서는 본 실시예에 따른 전계 발광소자를 제조하는 방법을 설명한다.

먼저 기판 상에 박막 트랜지스터를 형성한다. 이 박막 트랜지스터는 게이트 전극, 게이트 절연막, 활성층, 소스/드레인 전극으로 이루어진다. 이러한 박막 트랜지스터를 형성하는 세부 단계는 박막 트랜지스터에 관한 기술 분야에서는 일반적인 내용이므로 여기에서 그 설명을 생략한다.

다음으로 박막 트랜지스터를 덮는 보호막을 형성한다. 이 보호막은 상기 박막 트랜지스터 상에 형성되어 박막 트랜지스터를 보호하고 절연하는 역할을 한다. 본 실시예에서 이 보호막은 SiNx 재질로 형성된다.

그리고 나서 칼라 필터를 순차적으로 형성시킨다. 이 칼라 필터를 형성하는 과정은 색상을 가지고 있는 칼라 포토 레지스트를 기판 전면에 도포한 후에, 칼라 필터로 기능할 부분을 제외한 나머지 부분을 노광 및 현상하여 제거한다. 그러면 남아 있는 칼라 포토레지스트가 칼라 필터가 되는 것이다.

다음으로 탄화막이 형성된다. 이 평탄화막은 투명한 재질의 유기물로 이루어진다. 그리고 이 평탄화막은 애노드와 캐소드의 단락 현상을 방지하는 역할을 한다. 평탄화막 없이 칼라 필터 상부에 애노드를 직접 형성하는 경우에는, 컬러 필터 표면의 요철에 의하여 애노드 표면도 요철을 가지게 된다. 그리고 이 애노드 표면에 유기 발광층이 형성되는데, 애노드는 그 두께가 일반적으로 900Å 정도이고, 상기 유기 발광층은 200Å 정도여서, 유기 발광층이 애노드에 비하여 매우 얇은 두께를 가진다. 따라서 애노드 표면에 요철이 있는 경우에는, 유기 발광층이 형성된 상태에서 애노드가 유기 발광층 밖으로 노출되는 부분이 있을 수 있다. 이렇게 애노드가 노출되는 경우에는 그 상부에 형성되는 캐소드와 접촉되어 단락이 발생하게 된다. 그러므로 상기 애노드 표면은 매우 평평하게 형성되어야 하는데, 상기 평탄화막이 칼라 필터 표면의 요철을 흡수하여 애노드가 평평하게 형성되도록 한다.

다음으로 박막트랜지스터의 드레인 전극의 일부를 노출시키는 컨택홀을 형성하는 단계가 진행된다. 컨택홀 형성단계는 한 번의 건식 식각 공정으로 평탄화막 및 보호막을 모두 제거할 수도 있다. 이 경우에는 여러 소 단계로 진행되는 것이 아니라, 한 번의 공정으로 컨택홀 형성 단계가 마무리 된다.

다음으로 애노드를 형성하는 단계가 진행된다. 즉, 드레인 전극과 접속되며, 상기 칼라 필터 상측의 평탄화막을 덮는 애노드를 형성하는 것이다. 본 실시예에서는 스퍼터링 등의 방법을 사용하여 투명 도전체인 ITO 박막을 기판 상에 형성하고, 애노드가 형성될 영역인 상기 칼라 필터 상측 영역의 ITO를 제외한 나머지 부분의 ITO를 포토리소그래피 및 식각 공정을 통하여 제거한다. 그러면 서브 픽셀 영역에 애노드가 형성된다.

다음으로 박막 트랜지스터 상측을 덮고, 상기 애노드의 상면을 노출시키는 격벽을 형성하는 단계가 진행된다. 이때 이 격벽은 상기 평탄화막과 동일한 재질로 이루어진다. 그리고 격벽이 형성된 기판 상에 유기 발광층을 형성한다. 이때 본 실시예에서는 상기 애노드의 상면에 먼저 제1 정공 주입층을 코팅하고, 그 위에 제2 정공 주입층을 형성한다.

그리고 나서 제2 정공 주입층 상에 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층을 연속하여 증착한다.

다음으로 상기 전자 주입층 상부에 캐소드를 형성한다. 이 캐소드는 빛이 통과되지 않는 금속 층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 스퍼터링 등의 방법으로 유기 발광층에서 발산되는 빛을 반사할 수 있는 재질인 알루미늄, 바륨, 칼슘 등을 증착하여 캐소드를 형성한다. 이 캐소드는 상기 애노드와 달리 패터닝되지 않고, 기판의 전면에 걸쳐서 형성된다.

본 발명에 따르면 전계 발광 소자가, 에너지 레벨이 낮은 제1 정공 주입층과 에너지 레벨이 높은 제2 정공 주입층을 각각 구비하여 구동 전압이 낮고, 발광 효율이 우수한 장점이 있다.

구체적으로, LUMO 에너지 레벨이 애노드의 일함수보다 낮은 제1 정공층을 애노드 계면에 형성시켜 낮은 구동전압에 의해서도 전공이 주입되도록 하고, HOMO 에너지 레벨이 전자 주입층의 HOMO 에너지 레벨보다 높은 제2 정공 주입층을 제1 정공층에 인접하게 더 구비하여 발광 효율을 높이는 것이다.

따라서 본 발명에 따른 전계 발광 소자는 그 수명도 길어지는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 기판 상에 형성된 양극과;

   상기 양극 상에 저 에너지 레벨의 제1 정공 주입층과 고 에너지 레벨의 제2 정공 주입층으로 형성되며, 정공을 주입하는 정공 주입층;

   상기 정공 주입층 상에 형성되며, 정공을 수송하는 정공 수송층;

   상기 정공 수송층 상에 형성되는 발광층;

   상기 발광층 상에 형성되며, 전자를 수송하는 전자 수송층;

   상기 전자 수송층 상에 형성되며, 전자를 주입하는 전자 주입층;

   상기 전자 주입층 상에 형성되는 음극;을 포함하는 전계 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 정공 주입층은 상기 양극의 계면에 증착되는 것을 특징으로 하는 전계 발광소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1 정공 주입층은, LUMO 에너지 레벨이 상기 양극의 일함수 보다 낮은 것을 특징으로 하는 전계 발광소자.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제2 정공 주입층은, HOMO 에너지 레벨이 상기 제1 정공 주입층의 LUMO 에너지 레벨과 같거나 높은 것을 특징으로 하는 전계 발광소자.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제2 정공 주입층은, LUMO 에너지 레벨이 상기 정공 수송층의 LUMO 에너지 레벨보다 높은 것을 특징으로 하는 전계 발광소자.
6. 제5항에 있어서,

   상기 양극에 접속되는 박막 트랜지스터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전계 발광소자.
7. 제6항에 있어서,

   상기 양극은 투명한 물질로 이루어지고, 상기 음극은 불투명한 반사성 재질의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 발광소자.
8. 제6항에 있어서,

   상기 양극은 불투명한 반사성 재질의 물질로 이루어지고, 상기 음극은 투명한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 발광소자.

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