KR20090034987A - 광전 활성 유기 다이오드, 이러한 다이오드를 포함하는, 조명 장치, 디스플레이 장치, 및 유기 태양 전지 장치 - Google Patents

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미하엘 뷔헬
디트리히 베르트람
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

광전 활성 유기 다이오드는, 애노드 전극(102)과, 캐소드 전극층(122)과, 애노드 전극층(102)과 캐소드 전극층(122) 사이에 배치된 광전 활성 유기층(110)과, 광전 활성 유기층(110)과 상기 캐소드 전극층(122) 사이에 배치되고 광전 활성 유기층(110)에 인접하는 전하 캐리어 유기층(116)을 포함한다. 전하 캐리어 유기층(116)은 고 도핑 유기 반도체 물질로 형성된다. 단락 방지층(120)은, 캐소드 전극층(122)과 전하 캐리어 유기층(116) 사이에 배치되고, 캐소드 전극층(122)에 인접하며, 무기 반도체 물질로 형성된다. 단락 방지층은 캐소드 전극층과 전하 캐리어 유기층 사이의 직접적인 접촉을 방지하고, 이것은 캐소드 전극층이 전하 캐리어 유기층에 악영향을 끼칠 위험을 줄인다. 이것은 캐소드와 애노드 사이의 단락 발생의 위험을 줄이고, 이에 따라 광전 활성 유기 다이오드의 신뢰성이 증가된다.
광전 활성 유기 다이오드, 전하 캐리어 유기층, 단락 방지층

Description

광전 활성 유기 다이오드, 이러한 다이오드를 포함하는, 조명 장치, 디스플레이 장치, 및 유기 태양 전지 장치{HIGHLY DOPED ELECTRO-OPTICALLY ACTIVE ORGANIC DIODE WITH SHORT PROTECTION LAYER}
본 발명은 일반적으로 유기 태양 전지(organic solar cell) 및 유기 발광 다이오드(OLED)에서 사용되는 것과 같은 광전 활성 유기 다이오드에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 애노드 전극, 캐소드 전극, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배치된 광전 활성 유기층, 및 고 도핑 유기 반도체 물질로 형성된 전하 캐리어 유기층을 포함하는 광전 활성 유기 다이오드에 관한 것이다.
광전 활성 유기 다이오드는, 조명 장치, 디스플레이 장치, 유기 태양 전지 장치에서 예를 들어 유기 발광 다이오드(OLED)로서 사용된다. 유기 다이오드는, 유기 태양 전지 장치에서는 광으로부터 전기를 생성하도록 배치되는 한편, 조명 장치에서는 전기로부터 광을 생성하도록 배치된다. 그럼에도 불구하고, 소정의 광전 활성 유기 물질에 관한 공통된 기본 특성의 서로 다른 현상들이 존재한다. 따라서, 조명 장치와 OLED와 같은 어느 한 분야에서의 발전 및 개발은, 유기 태양 전지 장치와 같은 다른 분야에서의 개선을 위해 활용될 수 있다.
이러한 노력들은 오늘날까지 대부분 조명 장치에 특히 OLED에 주력되었다. 이것은, 부분적으로는 지금까지의 획득가능한 효율, 신뢰성, 동작가능한 수명이, 실행가능한 유기 태양 전지 장치에서는 매우 불량하며 특히 종래의 태양 전지 장치에서 매우 불량하다고 고려되었기 때문이다. 이러한 특성들은 조명 응용 장치 분야에서 개선되는 것이 바람직할 수 있지만, 그 요구 사항은 흔히 충분히 높지 않으며, OLED 기술에 기초한 디스플레이와 같이 상업적으로 이용가능한 제품이 이미 존재한다. 부분적으로, 이것은 OLED가 발광을 하므로 종래의 액정 디스플레이(LCD)에서와 같이 백라이팅을 필요로 하지 않기 때문이다. 일반적으로 광전 활성 유기 다이오드의 일부 다른 이점은, 예를 들어, 이러한 다이오드가 비교적 제조하기 쉽고도, 비용 효율적이고, 얇고 유연성있는 층으로 제조될 수 있고 심지어 투명하게 제조될 수 있다는 점이다.
최근에는, 특히 OLED의 수송층과 같은 전하 캐리어 층으로서 사용하기 위한 고 도핑 유기 반도체 물질을 이용함으로써 효율이 향상되었다.
예를 들어, US 2005-0040390은 OLED를 개선하는 데 사용될 수 있는 도핑된 유기 반도체 물질을 제시하고 있다. 이 물질은 전하 캐리어 밀도 및 효율적인 전하 캐리어 이동도를 향상시켰다. 도핑은, 유기 반도체 물질을, 예를 들어, 폴리머층을 비이동성 대 분자(large, non-mobile molecules)들로 도핑할 수 있게 하는 유기 분자로 도핑함으로써, 달성된다.
게다가, US 2006-0033115는 고 도핑 유기층을 정공과 전자의 수송층으로서 이용하는 투명 유기 발광 다이오드 컴포넌트를 개시하고 있다. 이러한 수송층들은 전극들에 인접하여 배치된다. 도펀트는 200g/mole을 초과하는 분자량을 갖는 유기 분자이다. 도핑 농도의 범위는 1:10 내지 1:10,000이다.
고 도핑 유기 반도체 층 및 물질이 실제로 유망한 것으로 보이고 광전 활성 유기 다이오드에 기초하여 효율이 상당히 개선되고 장치의 전력이 상당히 효율적으로 될 수 있지만, 신뢰성 문제는 여전히 존재하며 이러한 층과 물질을 채용하는 장치의 상업적 성공에 대한 장해가 될 수 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점들을 극복하거나 적어도 경감하는 것이다. 특정한 목적은 고 도핑 유기 반도체 물질로 형성된 전하 캐리어 층들을 포함하는 광전 활성 유기 다이오드의 신뢰성을 개선하는 것이다. 본 발명은 첨부된 독립 청구항들에 의해 규정된다. 종속항들 및 다음에 따르는 상세한 설명과 도면에서는 바람직한 실시예들을 설명한다.
어떠한 특별한 이론에 의해 한정될 필요는 없지만, 본 발명은, 종래의 광전 활성 유기 다이오드, 특히 대면적의 신뢰성없는 종래의 광전 활성 유기 다이오드, 특히 고 도핑 유기 반도체 물질로 된 전하 캐리어 층을 채용하는 종래의 광전 활성 유기 다이오드가 신뢰성없는 이유가, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에서 발생하는 단락, 및 이러한 단락이 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치된 유기 물질에 가하는 손상의 정도에 주로 기인하는 것으로 보이는 발견에 부분적으로 기초한다. 또한, 이러한 단락에 관여하는 한 가지 요인은, 캐소드에서의 의도하지 않은 물리적 결함, 특히 매우 높고 국부적인 계 세기(local field strength)를 발생시킬 수 있는 날카로운 모서리를 갖는 결함으로 인한 캐소드에서의 고 계 세기(high field strength)의 발생이라고 여겨진다. 날카로운 모서리는 예를 들어 핀홀이나 러프(rough)에 위치할 수 있고 또는 (예를 들어 입자의 불필요한 존재로 인해) 손상될 수 있으며, 또는 다른 임의의 방식으로 캐소드의 결함 표면 영역에 위치할 수 있다. 계 세기가 증가됨에 따라, 온도가 국부적으로 증가될 수 있고 때때로 캐소드 물질이 연성화되고(soften) 용융될 수 있다. 광전 활성 유기 다이오드에서 사용되는 유기 물질 및 일반적인 유기 물질은 비교적 낮은 온도를 견딜 수 있을 뿐이고 흔히 비교적 낮은 용융/열분해 온도를 갖기 때문에, 상승된 온도로 인해 유기층 물질이 열화(degrade) 및/또는 연성화될 수 있으며, 이것은, 흔히 캐소드와 애노드 사이의 많은 바(bar)의 고 정전 압력과 더불어 유기 물질의 위험성, 및 예를 들어 상기한 이유로 인해 통상적으로 유기층이 매우 얇거나 다른 임의의 방식으로 손상된 위치에서 이러한 유기 물질을 통해 캐소드와 애노드 사이에서 발생하는 단락의 위험성을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 비교적 높은 전류가 발생할 수 있으며, 이것은 더 높은 온도 및 더 큰 손상으로 이어진다.
따라서, 다음에 따르는 설명으로부터 명백한 전술한 목적 및 다른 목적은, 애노드 전극층, 캐소드 전극층, 애노드 전극층과 캐소드 전극층 사이에 배치된 광전 활성 유기층, 광전 활성 유기층과 캐소드 전극층 사이에 배치되어 광전 활성 유기층에 인접하는 전하 캐리어 유기층을 포함하는 광전 활성 유기 다이오드에 의해 달성되며, 여기서 전하 캐리어 유기층은 고 도핑 유기 반도체 물질로 형성된다. 단락 방지층은 캐소드 전극층과 전하 캐리어 유기층 사이에 배치되어 캐소드 전극층에 인접하며, 여기서 단락 방지층은 무기 반도체 물질로 형성된다.
본 명세서에서 "광전 활성"(electro-optically active)은, 광을 전기로 변환하는 능력 및/또는 전기를 광으로 변환하는 능력을 가리킨다. 이러한 용어가 층을 설명하는 데 사용되는 경우, 이것은 통상적으로 그 층이 예를 들어 이러한 능력을 갖추고 있는 서브층(sub-layer)의 형태로 된 물질을 포함한다는 것을 의미하고, 다이오드를 설명하는 데 사용되는 경우, 이것은 통상적으로 그 층이 예를 들어 이러한 능력을 갖추고 있는 층의 형태로 된 물질을 포함하며 이 경우는 예를 들어 유기 발광 다이오드(OLED)에 해당한다는 것을 의미한다.
"애노드 전극"은 통상적으로 예를 들어 캐리어나 기판 상에 피착된 베이스층(base layer)의 형태로 된 정공 주입을 위한 전극이다.
"캐소드 전극"은 통상적으로 예를 들어 피착된 최상위층(top layer)의 형태로 된 전자 주입을 위한 전극이다.
단락 방지층은 캐소드층과 전하 캐리어 유기층 사이의 직접적인 접촉을 방지하고, 이것은 캐소드층이 전하 캐리어 유기층에 악영향을 끼치는 위험성을 줄이고, 이는 다시 캐소드와 애노드 사이의 단락 발생의 위험성을 줄인다. 무기 물질은 통상적으로 유기 물질만큼 민감하지 않으며 이에 따라 방지 목적으로 더 적합하다. 게다가, 반도체 물질은 통상적으로 양호한 투명성을 갖고, 이것은 캐소드 전극과 유기층 사이에 배치된 층에 대하여 바람직한 특성이다.
단락 방지층은 도통될 수 있다. 무기 반도체가 통상적으로 열 증착에 의해 피착된 후 단락 방지층을 형성하는 경우, 이 단락 방지층은 캐소드보다는 덜 도통되지만 통상적으로 도통되며, 그럼에도 불구하고 본질적으로 사용되는 물질은 반도체이다. 도통 상태를 유지하는 것은 보다 두꺼운 층을 가능하게 하며, 이것은 방지 목적에 유익하다. 보다 나은 도전성은 통상적으로 보다 두꺼운 층이 가능하고 이에 따라 보다 나은 단락 방지가 가능하다는 것을 의미한다. 이러한 두께는, 단락이 곧 발생하는 상황에서 유해하며 증가하는 경향이 있는 전류를 줄이는 데 유익한 도통 상태를 달성하도록 이용될 수 있다.
무기 반도체 물질은 캐소드층의 물질보다 높은 용융점을 갖는 것이 바람직하다. 이것은 유기 다이오드로 하여금 전극 물질을 용융시킬 위험성이 있는 열이 전개되는 상황을 더 잘 견딜 수 있게 한다. 이러한 상황에서 손상되지 않고(inact) 강건한 단락 방지층은, 전극 물질과 직접적으로 접촉하지 않도록 전하 캐리어 유기층을 더 보호하고, 넓은 표면에 걸쳐 유기층에 가해지는 힘과 압력을 분산하며, 이것은 유기층이 압축되고 손상되는 위험성을 줄인다.
무기 반도체 물질은 2.7eV보다 큰 밴드갭(bandgap)을 가질 수 있고, 3eV보다 큰 밴드갭을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이것은, 청색의 전계 발광이 흡수되지 않을 수 있으며 이에 따라 광전자가 단락 방지층과 전하 캐리어 유기층 사이의 계면에서 발생할 수 없다는 것을 의미한다. 게다가, 단락 방지층은 단락 방지층과 캐소드층 사이의 계면에서 발생할 수 있는 핫 전자(hot electron)에 대하여 안정적이다. 광전자는 단락 방지층에서 열화(thermalised)되고 이에 따라 유기층을 손상시키지 않을 수 있다. 약 2.7eV보다 큰 밴드갭에 의한 유익한 부수 효과는, 단락 방지층이 여기자(exciton) 차단층으로도 기능한다는 점이다.
무기 반도체 물질은 0.5eV 내지 3.5eV 사이의 전자 친화도를 가질 수 있다. 이것은 전자의 최저 비점유 분자 궤도(lowest unoccupied molecular orbital; LUMO) 내로의 주입 장벽(injection barrier)을 적응시키고 최소화하고, 단락 방지층은 전자 주입층으로서 추가로 기능할 수 있다.
무기 반도체 물질은 >1인 유전 상수를 가질 수 있고, >10인 유전 상수를 갖는 것이 바람직할 수 있으며, >30인 유전 상수를 갖는 것이 보다 바람직할 수 있다. 고 유전 상수의 물질은, 예를 들어, 결함의 날카로운 모서리에서의 계 세기를 줄이고 이에 따라 결국 단락으로 이어질 수 있는 고 계 세기의 위험성을 감소시키는 데 도움을 준다.
무기 반도체 물질은 Bao, BaSe, La2O3 또는 Ce2O3와 같이 알칼리 토금속이나 란탄족의 이원 산화물 또는 칼코게나이드를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
단락 방지층은 적어도 50Å의 두께를 가질 수 있고, 200Å를 초과하는 두께를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
자신과 접촉하는 캐소드층 물질에 대하여 대략 불활성 물질로 된 커버층이 존재할 수 있으며, 이러한 불활성 물질은 캐소드층의 표면 상에 피착되어 그 표면이 완전히 커버되고 표면 결함이 제거될 수 있다. 커버층이 피착되어 캐소드 표면을 커버하는 경우, 핀홀, 기타 보이드(void) 및 날카로운 결함과 같은 표면 결함이 채워지고 커버되며, 이러한 결함에서 발생하는 높은 계 세기(high field strength)의 위험성이 줄어든다. 이것은 단락으로 이어질 수 있는 조건의 위험성을 줄인다. 단락이 곧 발생할 상황이 여전히 존재하는 경우, 단락 방지층은 유기층에 대한 악영향의 위험성 및 캐소드와 애노드 사이에서 발생하는 단락의 위험성을 줄인다.
광전 활성 유기 다이오드를 포함하는, 램프, 디스플레이 장치, 또는 유기 태양 전지 장치와 같은 조명 장치가 있을 수 있다.
이하, 본 발명의 현재 바람직한 실시예들을 도시하는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광전 활성 유기 다이오드의 층들의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 2A는 도 1의 광전 활성 유기 다이오드 내의 이중층 광전 활성 유기층의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 2B는 도 2A에 도시한 유기층의 대안으로서 이중층의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 다른 일 실시예에 따른 광전 활성 유기 다이오드 내의 층들의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광전 활성 유기 다이오드의 층들의 단면도를 개략적으로 도시한다. 광전 활성 유기 다이오드는, 기판(100), 애노드 층(102), 광전 활성 유기층(110), 전하 캐리어 유기층(116), 단락 방지 무기층(120), 및 캐소드층(122)을 포함한다.
기판(100)은 통상적으로 투명하며, 예를 들어, 세라믹, 유리, 실리콘, 플라 스틱, 또는 금속으로 형성될 수 있다. 기판은 단단할 수 있고 또는 유연할 수 있다.
애노드층(102)은 통상적으로 비교적 높은 일함수를 갖고 도통 물질로 된 정공 주입층이며, 통상적으로 도 1에서 화살표로 표시한 바와 같이 광이 투광될 수 있도록 투명하다. 애노드층에 적합한 투명 물질의 대표적인 한 가지의 예는 인듐 주석 산화물(ITO)이다. 다른 예로는, 금속, 금속 산화물, 도핑된 무기 반도체, 도핑된 도전성 폴리머. 또는 소분자(small molecule) 등이 있다. 애노드층(102)의 두께 범위는 통상적으로 약 100Å 내지 3000Å이다. 애노드층(102)은, 예를 들어, 진공 증착(vacuum evaporation), 스퍼터링, 전자빔 증착, 또는 화학 기상 증착과 같이, 당해 기술에 알려져 있는 박막을 위한 다양한 증착 기술들 중 임의의 기술에 의해 기판(100) 상에 피착될 수 있다.
광전 활성 유기층(110)은 서브 층들을 포함할 수 있지만, 광으로부터 전기로의/전기로부터 광으로의 변환을 위해 적어도 하나의 활성 발광/흡광층을 포함할 수 있다. 유기층(110)의 총 두께는 약 500Å를 초과할 수 있지만, 약 1000Å를 초과하는 것이 바람직할 수 있다.
예를 들어, 보다 매끄러운 기저 표면인 애노드층 또는 기판은, 일반적으로 보다 얇은 유기층을 허용한다는 점에 주목하기 바란다.
도 2A 및 도 2B를 참조하여 유기층(110)의 구조 및 물질을 더 설명한다.
도 1에서, 화살표는 광이 유기층(110)으로부터 방출되어 애노드(102)와 기판(100)을 통과하는 것을 표시한다. 다른 실시예들에서는 방출된 광이 투명 캐소 드를 통해 또는 캐소드와 애노드 둘 다를 통해 방출되고 또다른 실시예들에서는 광이 흡수될 수 있다는 점에 주목하기 바란다.
전하 캐리어 유기층(116)은 고 도핑 유기 반도체 물질로 되어 있으며, 이것은 통상적으로 1:10,000 내지 1:10 범위의 도핑 농도를 갖는다. 도펀트는 유기 분자 또는 이러한 유기 분자의 단편(fragment)일 수 있다. 통상적으로 도핑을 위해 사용되는 유기 분자는 200g/mole 이상의 분자 질량을 갖는다. 실제로, 상한값은 통상적으로 1200g/mole이다.
도 1에서와 같이, 전하 캐리어 유기층(116)이 광전 활성 유기층(110)과 캐소드층(122) 사이에 배치된 경우, 이 유기층은 통상적으로 전자 주입층 및/또는 전자 수송층으로서 사용되고, 고 도핑 유기 반도체 물질은 n형 도핑된 것이다.
다른 실시예들에서, 다른 전하 캐리어 유기층은 통상적으로 정공 주입층 및/또는 정공 수송층으로서 사용하도록 광전 활성 유기층(110)과 애노드층(122) 사이에 배치되고, 고 도핑 유기 반도체 물질은 p형 도핑된 것이다.
고 도핑 유기 반도체 물질의 예로는, 테트라에틸 피로닌 염화물로 도핑된 1,4,2,8-나프탈렌 테트라 카르복실 이무수물(dianhydride)(NDTCA)이 있다.
고 도핑 때문에, 고 도핑된 전하 캐리어 유기층의 두께는 통상적으로 미도핑(undoped) 전하 캐리어 층에서 실제로 얻을 수 있는 두께보다 클 수 있다. 그 두께는 예를 들어 최대 1000Å 이상일 수 있다.
전하 캐리어 유기층(116)은 이러한 층을 피착하기 위한 종래의 임의의 기술을 이용하여 피착될 수 있고, 이 기술은 예를 들어 열 증착(thermal evaporation) 또는 유기 기상 증착(organic vapor phase deposition)을 포함한다. 전하 캐리어층(116)이 활성 유기층(110) 상에 광전(electro-optically) 피착되면, 광전 활성 유기층이 손상되지 않도록 주의해야 한다. 그러나, 전하 캐리어층과 활성 유기층 둘 다는 유기물이므로, 이것은 통상적으로 문제되지 않는다.
단락 방지층(120)은, 약 0.5eV 내지 약 3.5eV 사이의 전자 친화도, 약 2.6eV보다 큰 바람직하게는 약 3eV보다 큰 밴드갭, 캐소드층(122)의 물질의 용융점보다 높은 용융점을 가질 수 있는 무기 반도체 물질로 형성된다.
단락 방지층(120)용으로 적합한 것으로 발견된 물질로는, 예를 들어, 알칼리 토금속이나 란탄족의 이원 산화물 또는 칼코게나이드가 있으며, 산화 바륨(BaO), 셀렌화 바륨(BaSe), 산화 란탄(La2O3), 산화 세륨(Ce2O3)을 예로 들 수 있다. 예를 들어, 예시한 물질들이 열 증착에 의해 피착된 후 단락 방지층(120)을 형성하는 경우, 통상적으로 O 또는 Se의 공공(vacancy)이 존재하고 이에 따라 산소 결핍 또는 셀륨 결핍이 존재하며, 이것은 본래 미도핑 반도체 물질로 형성된 단락 방지층이 비교적 두꺼운 층을 허용하는 도전성을 나타내는 하나의 이유일 수 있다.
다른 예로는, 알칼리 토금속이나 란탄족의 이원 산화물 및/또는 칼코게나이드를 포함하는 혼합물, 또는 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및/또는 란탄족과 같이 저(low) 전자 친화도 금속을 포함한 알칼리 토금속의 이원 산화물 및/또는 칼코게나이드의 혼합물을 들 수 있다.
무기 반도체 물질의 유전 상수는 1보다 클 수 있으며, 예를 들어, 10보다 크 고 또는 심지어 30보다 클 수 있다. 예를 들어, BaO은 약 34의 유전 상수를 갖는다. 단락 방지층(120)의 두께 범위는 약 10Å 내지 50,000Å일 수 있으며, 약 50Å 내지 10,000Å가 바람직할 수 있고, 통상적으로 약 100Å 내지 1,000Å일 수 있다. 흔히, 적어도 200Å의 두께가 필요하다.
단락 방지층(120)을 전하 캐리어 유기층(116) 상에 피착하는 경우, 이것은 전하 캐리어 유기층에 유해하지 않은 방식으로 행해져야 한다. 이러한 단락 방지층(120)을 피착하는 방법은 예를 들어 열 증착을 포함한다. BaO, La2O3, Ce2O3와 같이 알칼리 토금속이나 란탄족의 이원 산화물의 경우, 단락 방지층(120)은, 예를 들어 알칼리 토금속이나 란탄족을 열 증착에 의해 피착한 후, 예를 들어 증착용으로 사용된 용기 내에 산소를 주입하여 원 위치 산화(in situ oxidation)를 수행하여 알칼리 토금속이나 란탄족을 대응하는 이원 산화물로 변환함으로써, 생성될 수 있다. 이것은 이원 산화물의 직접적인 열 증착에 필요한 온도가 매우 높을 때 특히 유익할 수 있다.
캐소드층(122)은 통상적으로 금속성 물질이거나 금속이며, 비교적 낮은 일함수를 갖는 물질일 수 있다. 그러나, 환경적으로 안정적이고 덜 반응적이도록, 통상적으로 보다 높은 일함수를 갖고 보다 안정적인 물질이 선택되며, 또는 낮은 일함수의 물질을 보다 안정적인 물질과 합금(alloy)하거나 결합할 수 있다. 낮은 일함수의 물질의 예로는, 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 바륨(Ba)이 있다. 보다 높은 일함수를 갖지만 보다 안정적인 물질의 예로는, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 또는 은(Ag)이 있다. 광이 캐소드가 아닌 애노드를 통해 투광될 때, 캐소드의 물질은 통상적으로 양호한 유리이어야 하며, 즉, 관심 대상인 광에 대하여 반사성을 가져야 한다. 이러한 점에서 예를 들어 Al 및 Ag는 양호한 물질로 여겨진다. 캐소드의 그다지 낮지 않은 일함수는 단락 방지층(120)에 의해 보상될 수 있으며, 이 단락 방지층은 추가로 전자 주입층으로서 기능할 수 있다. 도 1에 도시한 바와 같이 고 도핑 전하 캐리어층(116)이 광전 활성 유기층(110)과 캐소드층(122) 사이에 위치하는 경우, 전하 캐리어층(116)은 강력하게 전자 주입을 행할 수 있으며, 이에 따라 캐소드층(122)의 물질이 한층 더 높은 일함수를 가질 수 있다.
캐소드층(122)의 두께 범위는 약 300Å 내지 10,000Å일 수 있다. 캐소드층(122)은, 예를 들어 열 증착을 포함한 종래의 다수의 기술 중 임의의 기술에 의해 단락 방지층(120) 상에 피착될 수 있다.
도 2A는 예를 들어 광전 활성 유기층(110)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 본 명세서에서 광전 활성 유기층(110)은 이중층(bilayer) 구조를 갖고, 예를 들어, N,N'-디페닐-N,N'-비스(l-나프틸)-l,l'비페닐-4,4''디아민(aNPD)인 정공 수송층(113; HTL)과, Alq3인 전자 수송 및 발광의 결합층(115; ETL/EML)을 포함한다. 예시한 구조는 이미 알려져 있으며 종래의 OLED에서 사용된다. 이것은 소위 소 분자 구조(small molecule structure)의 일 예이다. 이러한 구조를 채용하는 OLED를 소 분자 발광 다이오드(smoLED 또는 SM-LED)라 칭할 수 있다. 유기층(113, 115)은 통상적으로 열 증착 또는 유기 기상 증착에 의해 피착된 smoLED 내에 있다.
본 명세서에서 제시한 것에 더하여, smoLED의 광전 활성 유기층(110)이, 보다 많거나 보다 적은 층들, 및 예를 들어 종래의 smoLED에서 사용되는 것과 같이 기타 유기 물질의 층들을 포함할 수 있다는 점을 이해하기 바란다.
도 2B는, 도 2A의 광전 활성 유기층(110)과는 다른 이중층 조성을 갖는 광전 활성 유기층(210)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 본 명세서에서 유기층(210)은, 예를 들어 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)인 유기 HIL(211)과, 예를 들어 폴리플루오렌인 결합된 ETL/EML(215)을 포함한다. 예시한 구조는 본래 알려져 있으며 종래의 OLED에서 사용된다. 이것은, 소위 대 분자, 즉, 폴리머 구조의 일 예이다. 이러한 구조를 채용하는 OLED는 폴리머 발광 다이오드(polyLED 또는 PLED)라 칭할 수 있다. 유기층(211, 215)은 polyLED 내에 있으며 통상적으로 스핀코팅 기술이나 인쇄 기술에 의해 피착된다.
본 명세서에서 제시한 것에 더하여, polyLED 유기층이, 보다 많거나 보다 적은 층들과, 예를 들어 종래의 polyLED에서 사용되는 것과 같은 기타 유기 물질의 층들을 포함할 수 있다는 점을 이해하기 바란다.
따라서, 본 발명은 임의의 특정한 광전 활성 유기층, 광전 활성 유기층 구조, 광전 활성 유기층의 조성 또는 물질에 의존하지 않으며, 본 발명의 원리는 종래의 OLED 및 기타 광전 활성 유기 다이오드에서 사용되는 것과 같은 대부분의 광전 활성 유기층에 적용가능하며 이러한 유기층과 양립될 수 있다는 점을 이해하기 바란다.
도 3은, 캐소드층(322)를 커버하도록 피착된 커버층(324)과 두 개의 전하 캐 리어 유기층(316a, 316b)이 존재하는 일 실시예에 따른 광전 활성 유기 다이오드 내의 층들의 단면도를 개략적으로 도시한다. 층(300, 302, 310, 316a, 320, 322)들은 도 1과 관련하여 제시한 실시예의 층(100, 102, 110, 116, 120, 122)들에 각각 대응할 수 있다.
추가 전하 캐리어 유기층(316b)은 고 도핑 유기 반도체 물질로 형성된 것이며, 즉, 전하 캐리어 유기층(316a)에 대응하지만 다른 물질로 형성된 것이다. 전하 캐리어 유기층(316b)이 광전 활성 유기층(310)과 애노드층(302) 사이에 배치되므로, 이 전하 캐리어 유기층은 통상적으로 정공 주입층 및/또는 정공 수송층으로서 사용되며 고 도핑 유기 반도체 물질은 p형 도핑된 것이다.
커버층(324)은, 캐소드층(322)의 물질과 다른 거의 화학적으로 불활성의 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 커버층(324)은 통상적으로 피착되어 캐소드층(322)의 층 표면을 커버한다. 캐소드층(322)의 표면에서 핀홀(pin hole), 보이드(void), 기타 결함 및 손상과 같은 날카로운 모서리 결함은 커버층(324)에 의해 커버되어 채워질 수 있다. 흔히 표면 결함에 의해 손상되는 한 가지 공통된 캐소드 물질은 Al이다. 커버층(324)의 물질은, 1보다 큰, 예를 들어, 10보다 큰 또는 심지어 30보다 큰 고 유전 상수를 가질 수 있다. 이 물질은 또한 도전성일 수 있다.
실제로, 표면 결함과 이러한 표면 결함의 악영향을 제거하는 커버층(324)의 필요한 커버 특성 및 채움 특성은 통상적으로 기상 증착된 무기 및 유기의 서로 다른 많은 물질들 중 하나의 물질에 의해 얻을 수 있다고 밝혀졌다. 그럼에도 불구 하고, 이러한 물질은 박막 패키징 물질 또는 아교(glue)인 것이 바람직하다. 박막 패키징 물질의 예로는, 통상적으로 유도성 결합된 PECVD(IC-PECVD)와 같이 플라즈마 인핸스먼트 기상 증착(PECVD)에 의해 피착된 질화 실리콘(SiN), 탄화 실리콘(SiC), 이산화 실리콘(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3)이 있다. 아교는 통상적으로 두 개의 용액을 이용하여 실온에서 경화가능한 에폭시형, 또는 통상적으로 한 개의 용액을 이용하는 에폭시나 아크릴 유형의 UV 경화가능 부착제가 바람직하다. 아교가 사용되는 경우, 채움(filling) 특성과 커버 특성은, 예를 들어 70℃와 같이 실온을 초과하도록 가열을 행함으로써 아교가 부착될 때 아교의 점성을 감소시킴으로써 향상될 수 있다.
커버층의 채움 특성과 커버 특성에 더하여, 커버층(324)은, 예를 들어 산소와 습도에 대하여 불활성 상태를 유지하여 캐소드층(322)과 단락 방지층(320)과 같은 불활성층들을, 이러한 물질이나 유해할 수 있지만 마찬가지로 제조 또는 사용 환경에서 피하기 어려울 수 있는 기타 물질로부터 보호함으로써, 환경 보호 특성을 가질 수 있다. 그러나, 환경 보호 특성은, 대신에 또는 또한, 커버층(324) 상에 피착될 수 있는 제2 커버층(도시하지 않음)에 의해 제공될 수 있다. 커버층에 대하여 아교가 사용되는 경우, 아교는 예를 들어 물의 내부 확산(in-diffusion)에 대하여 예를 들어 아교 유리 덮개(glued glass coverlid)와 같은 환경 보호층을 부착하도록 추가로 사용될 수 있다.
일반적으로, 커버층(324)의 두께는, 결함을 채우고 캐소드층(322)의 표면을 커버하는 데 충분한 물질이 피착되어 있는 한, 중요하지 않다. 그러나, 그 두께의 범위는 약 1000Å 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 광전 활성 유기 다이오드는, 조명 장치, 유기 태양 전지 장치(organic solar cell device)에서 사용될 수 있으며, 유기 발광 다이오드(OLED)일 수 있으며 램프, 평면 TV와 같은 디스플레이 장치, 컴퓨터 모니터, 디지털 카메라, 휴대폰, 다양한 기타 전자 장치에서 사용될 수 있다.
이하, 보다 특정한 실시예를 설명한다.
OLED로서 사용하기 위한 광전 활성 유기 다이오드는, 유리 기판 상에 피착된 150nm의 ITO층, 및 이에 후속하는 100nm의 aNPD층과 80nm의 Alq3층을 포함한다. 2%의 농도를 갖는 테트라에틸 피로닌 염화물로 도핑된 1,4,2,8-나프탈렌 테트라카르복실 이무수물로 형성된 10nm 층이 Alq3 층 상에 피착된다. BaO 20nm 층은 Alq3 층 상에 피착되고 이어서 100nm Al층이 뒤따른다. PECVD로 피착된 100nm SiN 층은 Al층을 커버하며 그 표면 내의 결함을 제거한다.
본 발명이 상술한 실시예 및 예로 결코 한정되지 않는다는 점을 당업자라면 인식할 것이다. 오히려, 청구범위 내에서 많은 수정 및 변경이 가능하다.

Claims (12)

  1. 광전 활성 유기 다이오드(electro-optically active organic diode)로서,
    애노드 전극층(102)과,
    캐소드 전극층(122)과,
    상기 애노드 전극층(102)과 상기 캐소드 전극층(122) 사이에 배치된 광전 활성 유기층(110)과,
    상기 광전 활성 유기층(110)과 상기 캐소드 전극층(122) 사이에 배치되어 상기 광전 활성 유기층(110)에 인접하는 전하 캐리어 유기층(charge carrier organic layer; 116) - 상기 전하 캐리어 유기층(116)은 고 도핑 유기 반도체 물질(highly doped organic semiconductor material)로 형성되어 있음 - 을 포함하고,
    단락 방지층(short protection layer; 120)이 상기 캐소드 전극층(122)과 상기 전하 캐리어 유기층(116) 사이에 배치되어 상기 캐소드 전극층(122)에 인접하며, 무기 반도체 물질로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 활성 유기 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락 방지층(120)이 도통되어 있는 광전 활성 유기 다이오드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 무기 반도체 물질은 상기 캐소드 전극층(122)의 물질보다 높은 용융 온도를 갖는 광전 활성 유기 다이오드.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 반도체 물질은 2.7eV보다 큰 밴드갭, 바람직하게는 3eV보다 큰 밴드갭을 갖는 광전 활성 유기 다이오드.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 반도체 물질은 0.5eV 내지 3.5eV 범위의 전자 친화도를 갖는 광전 활성 유기 다이오드.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 반도체 물질은 1보다 큰 유전 상수, 바람직하게는 10보다 큰 유전 상수, 보다 바람직하게는 30보다 큰 유전 상수를 갖는 광전 활성 유기 다이오드.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 반도체 물질은 알칼리 토금속이나 란탄족 원소의 이원 산화물 또는 칼코게나이드를 포함하고, 바람직하게는 BaO, BaSe, La2O3 또는 Ce2O3를 포함하는 광전 활성 유기 다이오드.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단락 방지층(120)은 적어도 50Å의 두께, 바람직하게는 200Å를 초과하는 두께를 갖는 광전 활성 유기 다이오드.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극층(322)의 표면과 접촉하도록 배치된 커버층(324)을 더 포함하고 - 상기 캐소드 전극층(322)이 상기 전하 캐리어 유기층(316a)과 상기 커버층(324) 사이에 위치함 -,
    상기 커버층(324)은 상기 커버층(324)과 접촉하는 캐소드 전극층(322)의 물질에 대하여 거의 불활성의 물질로 형성되어 있고,
    상기 불활성의 물질은 상기 캐소드 전극층(322)의 표면이 완전히 커버되고 표면 결함이 제거되도록 상기 표면 상에 피착되어 있는 광전 활성 유기 다이오드.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광전 활성 유기 다이오드를 포함하는, 램프와 같은 조명 장치.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광전 활성 유기 다이오드를 포함하는 디스플레이 장치.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광전 활성 유기 다이오드를 포함하는 유기 태양 전지 장치(organic solar cell device).
KR1020097003336A 2006-07-19 2007-07-13 광전 활성 유기 다이오드, 이러한 다이오드를 포함하는, 조명 장치, 디스플레이 장치, 및 유기 태양 전지 장치 KR20090034987A (ko)

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