KR20100077083A - 유기전계 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 화소영역과 상기 화소영역 내에 구동영역과 스위칭 영역 정의된 제 1 기판 상의 상기 화소영역의 경계에 서로 교차하며 형성된 게이트 및 데이터 배선과; 상기 스위칭 및 구동영역에 각각 형성된 스위칭 및 구동 박막트랜지스터와; 상기 화소영역 전면에 상기 구동 박막트랜지스터의 드레인 전극을 노출시키는 드레인 콘택홀을 가지며 형성된 보호층과; 상기 화소영역 내에 제 1 금속물질로써 상기 보호층 위로 상기 구동 박막트랜지스터의 드레인 전극과 상기 드레인 콘택홀을 통해 접촉하며 제 1 두께를 가지며 형성된 반사패턴과; 상기 화소영역 내에 상기 반사패턴 상부로 투명 도전성 물질로 형성되어 애노드 전극의 역할을 하는 제 1 전극과; 상기 제 1 전극의 가장자리와 중첩하며 상기 화소영역의 경계에 형성된 뱅크와; 상기 뱅크 둘러싸인 영역에 대응하여 상기 제 1 전극 위로 형성되며, 다중층 구조를 가지며 형성된 유기 발광층과; 상기 다중층 구조의 유기 발광층 위로 화소영역의 구분없이 일함수 값이 비교적 낮은 금속물질로 형성되어 캐소드 전극을 역할을 하는 제 2 전극과; 상기 제 1 기판과 마주하는 제 2 기판과; 상기 제 1 및 제 2 기판 가장자리를 따라 형성된 씰패턴를 포함하는 유기전계 발광소자를 제공한다.
유기전계, 발광소자, 휘도, 반사율, 색재현율, 반사패턴, 광학버퍼층
Description
본 발명은 유기전계 발광소자(organic electro luminescent device)에 관한 것이며, 특히 발광 효율을 극대화시킨 유기전계 발광소자에 관한 것이다.
평판 디스플레이(FPD; Flat Panel Display)중 하나인 유기전계 발광소자는 높은 휘도와 낮은 동작 전압 특성을 갖는다. 또한 스스로 빛을 내는 자체발광형이기 때문에 명암대비(contrast ratio)가 크고, 초박형 디스플레이의 구현이 가능하며, 응답시간이 수 마이크로초(㎲) 정도로 동화상 구현이 쉽고, 시야각의 제한이 없으며 저온에서도 안정적이고, 직류 5 내지 15V의 낮은 전압으로 구동하므로 구동회로의 제작 및 설계가 용이하다.
또한, 상기 유기전계 발광소자의 제조공정은 증착(deposition) 및 인캡슐레이션(encapsulation) 장비가 전부라고 할 수 있기 때문에 제조 공정이 매우 단순하다.
이러한 특성을 갖는 유기전계 발광소자는 크게 패시브 매트릭스 타입과 액티 브 매트릭스 타입으로 나뉘어지는데, 패시브 매트릭스 방식에서는 주사선(scan line)과 신호선(signal line)이 교차하면서 매트릭스 형태로 소자를 구성하므로, 각각의 픽셀을 구동하기 위하여 주사선을 시간에 따라 순차적으로 구동하므로, 요구되는 평균 휘도를 나타내기 위해서는 평균 휘도에 라인수를 곱한 것만큼의 순간 휘도를 내야만 한다.
그러나 액티브 매트릭스 방식에서는, 픽셀(pixel)을 온(on)/오프(off)하는 스위칭 소자인 박막트랜지스터(Thin Film Transistor)가 화소영역별로 위치하고, 이 박막트랜지스터와 연결된 제 1 전극은 화소영역 단위로 온(on)/오프(off)되고, 이 제 1 전극과 대향하는 제 2 전극은 공통전극이 된다.
그리고 상기 액티브 매트릭스 방식에서는 화소영역에 인가된 전압이 스토리지 커패시터에 충전되어 있어, 그 다음 프레임(frame) 신호가 인가될 때까지 전원을 인가해 주도록 함으로써, 주사선수에 관계없이 한 화면동안 계속해서 구동한다. 따라서 낮은 전류를 인가하더라도 동일한 휘도를 나타내므로 저소비전력, 고정세, 대형화가 가능한 장점을 가지므로 최근에는 액티브 매트릭스 타입의 유기전계 발광소자가 주로 이용되고 있다.
이하, 이러한 액티브 매트릭스형 유기전계 발광소자의 기본적인 구조 및 동작특성에 대해서 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 액티브 매트릭스형 유기전계 발광소자의 한 화소에 대한 회로도이다.
도시한 바와 같이 액티브 매트릭스형 유기전계 발광소자의 하나의 화소는 스 위칭(switching) 박막트랜지스터(STr)와 구동(driving) 박막트랜지스터(DTr), 스토리지 커패시터(StgC), 그리고 유기전계 발광 다이오드(E)로 이루어진다.
즉, 제 1 방향으로 게이트 배선(GL)이 형성되어 있고, 이 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 형성되어 화소영역(P)을 정의하며 데이터 배선(DL)이 형성되어 있으며, 상기 데이터 배선(DL)과 이격하며 전원전압을 인가하기 위한 전원배선(PL)이 형성되어 있다.
또한, 상기 데이터 배선(DL)과 게이트 배선(GL)이 교차하는 부분에는 스위칭 박막트랜지스터(STr)가 형성되어 있으며, 상기 스위칭 박막트랜지스터(STr)와 전기적으로 연결된 구동 박막트랜지스터(DTr)가 형성되어 있다. 상기 유기전계 발광 다이오드(E)의 일측 단자인 제 1 전극은 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극과 연결되고, 타측 단자인 제 2 전극은 전원배선(PL)과 연결되고 있다. 이때, 상기 전원배선(PL)은 전원전압을 상기 유기전계발광 다이오드(E)로 전달하게 된다. 또한, 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 게이트 전극과 소스 전극 사이에는 스토리지 커패시터(StgC)가 형성되고 있다.
따라서, 상기 게이트 배선(GL)을 통해 신호가 인가되면 스위칭 박막트랜지스터(STr)가 온(on) 되고, 상기 데이터 배선(DL)의 신호가 구동 박막트랜지스터(DTr)의 게이트 전극에 전달되어 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)가 온(on) 되므로 유기전계발광 다이오드(E)를 통해 빛이 출력된다. 이때, 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)가 온(on) 상태가 되면, 전원배선(PL)으로부터 유기전계발광 다이오드(E)에 흐르는 전류의 레벨이 정해지며 이로 인해 상기 유기전계발광 다이오드(E)는 그레 이 스케일(gray scale)을 구현할 수 있게 되며, 상기 스토리지 커패시터(StgC)는 스위칭 박막트랜지스터(STr)가 오프(off) 되었을 때, 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 게이트 전압을 일정하게 유지시키는 역할을 함으로써 상기 스위칭 박막트랜지스터(STr)가 오프(off) 상태가 되더라도 다음 프레임(frame)까지 상기 유기전계발광 다이오드(E)에 흐르는 전류의 레벨을 일정하게 유지할 수 있게 된다.
도 2는 종래의 유기전계 발광소자의 구동 박막트랜지스터를 포함하는 하나의 화소영역에 대한 단면도이다.
도시한 바와 같이, 제 1 기판(10) 상에는 순수 폴리실리콘의 제 1 영역(13a)과 불순물이 도핑된 제 2 영역(13b)으로 구성된 반도체층(13), 게이트 절연막(16), 게이트 전극(20), 상기 제 2 영역(13b)을 각각 노출시키는 반도체층 콘택홀(25)을 갖는 층간절연막(23), 소스 및 드레인 전극(33, 36)이 순차적으로 적층 형성되어 구동 박막트랜지스터(DTr)를 구성하고 있으며, 상기 소스 및 드레인 전극(33, 36)은 각각 전원배선(미도시) 및 유기전계 발광 다이오드(E)와 연결되어 있다.
상기 유기전계 발광 다이오드(E)는 다층 구조의 유기 발광층(55)이 개재된 상태로 서로 대향된 제 1 전극(47) 및 제 2 전극(58)으로 구성된다. 이때 상기 제 1 전극(47)은 각 화소영역(P)별로 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극과 접촉하며 형성되고 있으며, 상기 제 2 전극(58)은 상기 유기 발광층(55) 위로 전면에 형성되고 있다. 이러한 제 2 전극과 이격하며 캡슐레이션을 위한 제 2 기판이 테두리에 형성된 씰패턴에 의해 접착되어 형성되고 있다.
이때, 도면에 나타내지 않았지만, 각 화소영역 내에는 상기 구동 박막트랜지스터와 동일한 구조를 가지며, 상기 게이트 및 데이터 배선과 연결된 스위칭 박막트랜지스터가 형성되어 있다. 또한, 각 화소영역 내에는 제 1 스토리지 전극과 게이트 절연막과 제 2 스토리지 전극으로 이루어진 제 1 스토리지 커패시터와, 상기 제 2 스토리지 전극과 층간절연막과 제 3 스토리지 전극으로 이루어지는 제 2 스토리지 커패시터가 병렬구조를 이루며 형성되어 있다.
한편, 전술한 구성을 갖는 유기전계 발광 다중층 구조를 갖는 유기 발광층을 살펴보면, 실제 발광을 하는 유기 발광 물질층을 기준으로 이와 상기 제 2 전극 사이에 순차적으로 전자주입층(electron injection layer)과 전자수송층(electron transporting layer)이 형성되어 있으며, 상기 유기 발광 물질층과 상기 제 1 전극 사이에 정공수송층(hole transporting layer)과 정공주입층(hole injection layer)이 형성되어 있다.
이러한 구조를 갖는 유기전계 발광 다이오드에서 빛이 나오는 메커니즘을 살펴보면, 광원인 유기 발광 물질층으로부터 이를 이루는 유기 발광 물질의 특성에 따라 특정 파장대의 빛이 방출되고, 여러 층을 통과하면서 빛의 세기와 색이 결정되고 있다. 빛의 진행 경로 상에 있어서, 여러 층을 구성하는 여러 매질을 통과할 때 매질의 파장대별로 굴절율이 결정되어 있기 때문에, 이에 따라 반사율과 투과율이 결정된다. 이를 이용하여 빛의 색도와 세기를 최적화 하는 설계가 가능하다.
종래의 유기전계 발광 소자는 일함수 값이 비교적 높은 투명 도전성 물질로 이루어진 제 1 전극과 일함수 값이 비교적 낮은 금속물질로 이루어지 제 2 전극 사 이에 전자주입층(electron injection layer)과 전자수송층(electron transporting layer)과 유기 발광 물질층과 정공수송층(hole transporting layer)과 정공주입층(hole injection layer)이 형성되어 있으며, 상기 제 1 전극 하부로 무기절연물질 로 이루어진 보호층과 층간절연막과 게이트 절연막이 존재한다. 따라서 이러한 여러 물질층의 두께와 파장대별 굴절율에 의해 최종 출력되는 빛의 성질이 결정된다.
광경로 상의 물질층들 간 굴절율의 비에 의해 반사율이 결정되며, 이때 반사된 빛은 제 2 전극에 다시 반사되어 본래의 제 1 기판 면을 향하여 발광된 빛과 보강 및 상쇄 간섭을 일으킨다. 이 경우 적, 녹, 청색 별로 물질층의 두께를 조절하여 보강간섭이 일어나도록 설계 할 수 있다.
하지만, 전술한 구조를 갖는 종래의 유기전계 발광소자는 광경로 상의 반사율이 낮기 때문에 저색순도 성분의 차광이 어려워 색재현율을 상승시키는데 한계가 있으며, 광효율 또한 극대화 하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 유기 발광 물질층으로부터 나오는 빛의 반사율을 높혀 고휘도를 가지며, 높은 색재현율을 갖는 빛을 발광하는 유기전계 발광소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기전계 발광소자는, 화소영역과 상기 화소영역 내에 구동영역과 스위칭 영역 정의된 제 1 기판 상의 상기 화소영역의 경계에 서로 교차하며 형성된 게이트 및 데이터 배선과; 상기 스위칭 및 구동영역에 각각 형성된 스위칭 및 구동 박막트랜지스터와; 상기 화소영역 전면에 상기 구동 박막트랜지스터의 드레인 전극을 노출시키는 드레인 콘택홀을 가지며 형성된 보호층과; 상기 화소영역 내에 제 1 금속물질로써 상기 보호층 위로 상기 구동 박막트랜지스터의 드레인 전극과 상기 드레인 콘택홀을 통해 접촉하며 제 1 두께를 가지며 형성된 반사패턴과; 상기 화소영역 내에 상기 반사패턴 상부로 투명 도전성 물질로 형성되어 애노드 전극의 역할을 하는 제 1 전극과; 상기 제 1 전극의 가장자리와 중첩하며 상기 화소영역의 경계에 형성된 뱅크와; 상기 뱅크 둘러싸인 영역에 대응하여 상기 제 1 전극 위로 형성되며, 다중층 구조를 가지며 형성된 유기 발광층과; 상기 다중층 구조의 유기 발광층 위로 화소영역의 구분없이 일함수 값이 비교적 낮은 금속물질로 형성되어 캐소드 전극을 역할을 하는 제 2 전극과; 상기 제 1 기판과 마주하는 제 2 기판과; 상기 제 1 및 제 2 기판 가장자리를 따라 형성된 씰패턴을 포함한다.
상기 반사패턴의 제 1 두께는, 10nm 내지 20nm인 것이 특징이다.
상기 다중층 구조의 유기 발광층은, 이웃하는 3개의 화소영역에 순차적으로 대응하여 각각 적, 녹, 청색을 발광하는 것이 특징이며, 상기 적, 녹, 청색을 발광하는 다중층 구조의 유기 발광층 각각은, 상기 제 1 전극으로부터 순차적으로 정공 주입층(hole injection layer)과 정공수송층(hole transporting layer)과 유기 발광 물질층과, 및 전자수송층(electron transporting layer)이 적층된 것이 특징이다. 또한, 상기 적, 녹 및 청색을 발광하는 화소영역에 형성되는 각각의 정공주입층(hole injection layer)은 45nm 내지 55nm, 25nm 내지 35nm, 5nm 내지 15nm의 두께를 가지며, 상기 적, 녹 및 청색을 발광하는 화소영역에 형성되는 각각의 정공수송층(hole transporting layer)은 모두 동일한 두께로 5nm 내지 15nm가 되며, 상기 적, 녹 및 청색을 발광하는 화소영역에 형성되는 각각의 유기 발광 물질층은 55nm 내지 65nm, 40nm 내지 50nm, 35nm 내지 45nm의 두께를 가지며, 상기 적, 녹 및 청색을 발광하는 화소영역에 형성되는 각각의 전자수송층(electron transporting layer)은 모두 동일한 두께로 15nm 내지 25nm가 되는 것이 특징이다. 또한, 상기 전자 수송층과 상기 제 2 전극 사이에는 전자주입층(electron injection layer)이 형성되며, 상기 적, 녹 및 청색을 발광하는 화소영역에 형성되는 각각의 전자주입층(electron injection layer)은 모두 동일하게 10nm 내지 50nm의 두께를 갖는 것이 특징이다.
상기 보호층과 상기 반사패턴 사이에는 상기 드레인 콘택홀을 갖는 광학 버퍼층이 형성되며, 상기 보호층은 산화실리콘(SiO2)으로 상기 광학 버퍼층은 질화실리콘(SiNx)으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 스위칭 및 구동 박막트랜지스터는 각각 순수 폴리실리콘의 제 1 영역과, 이의 양측으로 불순물 폴리실리콘의 제 2 영역으로 구성된 반도체층과, 게이트 절연막과, 상기 제 1 영역에 각각 대응하여 형성된 게이트 전극과, 상기 제 2 영역을 각각 노출시키는 반도체층 콘택홀을 가지며 형성된 층간절연막과, 상기 반도체층 콘택홀을 통해 상기 제 2 영역과 각각 접촉하며 서로 이격하는 소스 및 드레인 전극이 순차 적층된 형태를 갖는 것이 특징이다.
또한, 상기 각 화소영역에는 스토리지 영역이 정의되며, 상기 스토리지 영역에는 순차 적층된 제 1 스토리지 전극과, 상기 게이트 절연막과, 제 2 스토리지 전극과, 층간절연막과 제 3 스토리지 전극이 순차 적층되어 제 1 및 제 2 스토리지 커패시터를 이루는 것이 특징이다.
본 발명에 따른 유기전계 발광 소자는, 유기 발광층 내부에 적정 두께를 가져 선택적으로 투과 및 반사가 가능한 선택 반사층을 형성하여 반사율을 높임으로써 고휘도 구현 및 색재현율을 향상시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유기전계 발광소자의 구동 박막트랜지스터를 포함하는 하나의 화소영역에 대한 단면도이다. 이때 설명의 편의를 위해 구동 박막트랜지스터(DTr)가 형성되는 영역을 구동영역(DA), 그리고 도면에는 나타내지 않았지만 스위칭 박막트랜지스터가 형성되는 영역을 스위칭 영역이라 정의한다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기전계 발광소자(101)는 구동 및 스위칭 박막트랜지스터(DTr, 미도시)와 스토리지 커패시터(StgC1, StgC2) 및 유기전계 발광 다이오드(E)가 형성된 제 1 기판(110)과, 인캡슐레이션을 위한 제 2 기판(170)으로 구성되고 있다.
우선, 제 1 기판(110)의 구성에 대해 설명한다.
상기 제 1 기판(110) 상부로 상기 구동영역(DA) 및 스위칭 영역(미도시)에 대응하여 각각 순수 폴리실리콘으로 이루어지며 그 중앙부는 채널을 이루는 제 1 영역(113a) 그리고 상기 제 1 영역(113a) 양측면으로 고농도의 불순물이 도핑된 제 2 영역(113b)으로 구성된 반도체층(113)이 형성되어 있다.
또한, 스토리지 영역(StgA)에는 상기 구동영역(DA)의 구비된 반도체층(113)과 연결되며 불순물이 도핑된 폴리실리콘으로써 이루어진 제 1 스토리지 전극(115)이 형성되어 있다.
다음, 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 구비된 반도체층(113)과 상기 스토리지 영역(StgA)의 제 1 스토리지 전극(115)을 덮으며 전면에 무기절연물질로써 게이트 절연막(116)이 형성되어 있다. 또한, 상기 게이트 절연막 위로 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에는 각각 상기 반도체층(113) 중 순수 폴리실리콘만으로 이루어진 제 1 영역(113a)에 대응하여 게이트 전극(121)이 형성되어 있으며, 상기 스토리지 영역(StgA)에는 상기 제 1 스토리지 전극(115)에 대응하여 제 2 스토리지 전극(118)이 형성되고 있다. 이때, 제 1 스토리지 전극(115)과 제 1 게이트 절연막(116)과 제 2 스토리지 전극(118)은 제 1 스토리지 커패시터(StgC1)를 이룬 다.
한편, 상기 게이트 전극(121)과 제 2 스토리지 전극(118) 위로는 무기절연물질로써 층간절연막(123)이 형성되어 있다. 이때, 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 있어서는 상기 불순물이 도핑된 제 2 영역(113b)에 대응하여 상기 층간절연막(123)과 그 하부의 게이트 절연막이 제거됨(116)으로써 상기 게이트 전극(121) 양측의 상기 제 2 영역(113b)을 각각 노출시키는 반도체층 콘택홀(125)이 구비되고 있다.
또한, 상기 층간절연막(123) 상부로 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 있어서는 상기 반도체 콘택홀(125)을 통해 상기 불순물 도핑된 폴리실리콘의 제 2 영역(113b)과 각각 접촉하며, 상기 게이트 전극(121)을 사이에 두고 이격하는 소스 및 드레인 전극(133, 136)이 각각 형성되어 있다. 이때, 상기 소스 및 드레인 전극(133, 136)과, 이들 전극(133, 136)과 접촉하는 제 2 영역(113b)을 포함하는 반도체층(113)과, 상기 반도체층(113) 상부에 형성된 게이트 절연막(116) 및 게이트 전극(121)은 각각 구동 박막트랜지스터(DTr) 및 스위칭 박막트랜지스터(미도시)를 이룬다.
또한, 도면에 나타나지 않았지만, 상기 층간절연막(123) 위로는 상기 스위칭 박막트랜지스터(미도시)의 소스 전극(미도시)과 연결되며 상기 게이트 배선(미도시)과 교차하여 상기 화소영역(P)을 정의하는 데이터 배선(130)이 형성되어 있으며, 상기 데이터 배선(130)과 나란하게 이격하며 전원배선(미도시)이 형성되어 있다.
또한, 상기 스토리지 영역(StgA)에 있어서는 상기 층간절연막(123) 위로 상기 제 2 스토리지 전극(118)과 중첩하며 상기 전원배선(미도시)과 연결된 제 3 스토리지 전극(138)이 형성되고 있으며, 상기 중첩하는 제 2 및 3 스토리지 전극(118, 138)과, 이들 두 전극(118, 138) 사이에 위치하는 상기 층간절연막(123)은 제 2 스토리지 커패시터(StgC2)를 이루고 있다.
한편, 상기 구동 및 스위칭 박막트랜지스터(DTr, 미도시) 위로는 무기절연물질인 산화실리콘(SiO2)으로써 보호층(140)이 형성되어 있으며, 상기 보호층(140) 위로는 본 발명의 특징적인 구성으로서 무기절연물질인 질화실리콘(SiNx)으로써 발광효율 증대를 위한 광학 버퍼층(141)이 형성되어 있다. 이때 상기 광학 버퍼층(141)과 그 하부의 상기 보호층(140)에는 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극(136)을 노출시키는 드레인 콘택홀(143)이 형성되어 있다.
상기 드레인 콘택홀(143)을 구비한 광학 버퍼층(141) 위로는 본 발명의 또 다른 특징적인 구성으로서 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극(136)과 상기 드레인 콘택홀(143)을 통해 접촉되며, 각 화소영역(P) 별로 반사효율 증대를 위해 반사효율이 우수하며 선택적 투과가 가능하도록 그 두께가 매우 얇은 5nm 내지 20nm도의 두께를 가지며 반사패턴(145)이 형성되어 있다.
또한, 상기 반사패턴(145) 위로는 제 1 전극(147)이 형성되어 있다. 이때, 상기 제 1 전극(147)은 애노드 전극의 역할을 하는 것으로, 일함수 값이 비교적 크며 투명 도전성 물질 예를들면 인듐-틴-옥사이드(ITO) 또는 인듐-징크-옥사이 드(IZO)로 이루어지고 있는 것이 특징이다.
다음, 상기 제 1 전극(147) 위로 각 화소영역(P)의 경계에는 뱅크(150)가 형성되어 있다. 이때 상기 뱅크(150)는 각 화소영역(P)을 둘러싸는 형태로 상기 제 1 전극(147)의 테두리와 중첩하며 상기 제 1 전극(147)의 중앙부를 노출시키며 형성되고 있다.
한편, 상기 각 화소영역(P)의 상기 뱅크(150)로 둘러싸인 영역의 상기 제 1 전극(147) 상부에는 정공주입층(hole injection layer)(160e), 정공수송층(hole transporting layer)(160d), 유기 발광 물질층(160a), 전자수송층(electron transporting layer)(160b) 및 전자주입층(electron injection layer)(160c)으로 구성된 유기 발광층(160)이 형성되어 있다. 이때 상기 전자주입층(electron injection layer)(160c)은 생략될 수 있다.
이때, 도면에 나타내지 않았지만, 상기 유기 발광 물질층(160)은 적, 녹, 청색 화소영역(P)별로 그 두께를 달리하는 것이 특징이다. 적색을 발광하는 적색 유기 발광 물질층의 경우 55nm 내지 65nm정도의 두께를 가지며, 녹색 유기 발광 물질층의 경우 40nm 내지 50nm 정도의 두께를, 청색 유기 발광 물질층의 경우 35nm 내지 45nm 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 정공주입층(hole injection layer)(160e)은 적, 녹, 청색 유기 발광 물질층에 대해 각각 45nm 내지 55nm, 25nm 내지 35nm, 5nm 내지 15nm의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하며, 상기 정공수송층(hole transporting layer)(160d)은 적, 녹, 청색 유기 발광 물질층에 대해 모두 동일하게 5nm 내지 15nm정도의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 전자수송층(electron transporting layer)(160b)은 적, 녹, 청색 유기 발광 물질층에 대해 모두 동일하게 15nm 내지 25nm의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하며, 상기 전자주입층(electron injection layer)(160c)은 형성되는 경우, 적, 녹, 청색 유기 발광 물질층에 대해 모두 동일하게 10nm 내지 50nm의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 전술한 구성을 갖는 상기 유기 발광층(160)과 상기 뱅크(150) 상부에는 표시영역 전체에 하나의 판형태를 가지며 일함수 값이 비교적 작은 금속물질로써 캐소드 역할을 하는 제 2 전극(163)이 형성되고 있다. 이때, 상기 제 1, 2 전극(147, 163)과 그 사이에 형성된 유기 발광층(160)은 유기전계 발광 다이오드(E)를 이루게 된다.
이러한 구조를 갖는 제 1 기판(110)과 대향하여 투명한 재질의 제 2 기판(170)이 그 테두리를 따라 씰패턴(미도시)에 의해 합착됨으로써 본 발명에 따른 상부 발광 방식 유기전계 발광소자(101)를 이루고 있다. 이때 상기 제 1 기판(110)과 제 2 기판(170)의 내부는 불활성 기체인 질소(N2)로 충진되거나 또는 진공의 분위기를 갖도록 형성되고 있다.
전술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 유기전계 발광소자(101)의 경우, 상기 유기 발광층(160)의 발광효율 증대를 위해 질화실리콘(SiNx)으로 이루어진 광학 버퍼층(141)을 구비하고, 상기 제 1 전극(147) 하부에 발광효율이 우수한 금속물질로 서 반사패턴(145)을 구비함으로써 저 색순도 성분은 차단하고, 반사율을 향상시킨다. 또한, 상기 반사패턴(145)에 의해 반사된 빛과 또는 상기 반사패턴(145)에 의해 반사된 후 상기 제 2 전극(163)에 의해 다시 반사된 빛과 상기 유기 발광 물질층(160a)으로부터 상기 제 1 기판(110)을 향하여 발광한 빛과 보강간섭을 일으키도록 상기 반사패턴(145)의 두께와, 상기 적, 녹, 청색의 유기 발광 물질층(160a)의 두께와, 정공주입층(hole injection layer)(160e), 정공수송층(hole transporting layer)(160d), 전자수송층(electron transporting layer)(160b) 및 전자주입층(electron injection layer)(160c) 각각의 두께를 적절히 조절하여 형성함으로써 휘도를 향상시키고, 각 적, 녹, 청색의 빛의 색순도를 향상시킨 것이 특징이다.
이러한 현상이 발생할 수 있는 것은, 상기 반사패턴(145)과 상기 제 2 전극(163) 사이에 형성된 각 물질층의 굴절율의 다름으로 인해 일부 반사되거나 또는 전반사 조건(빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행할 때 입사각이 임계각 보다 클 경우 경계면에서 전부 반사되는 현상이다)을 만족하는 경우, 특정 각도로 입사되는 빛에 대해서는 각 물질층에서의 전반사가 이루어짐으로써 가능하게 되는 것이다. 특히 그 두께가 얇아 빛의 투과가 선택적으로 가능한 반사패턴(145)은 일례로 알루미늄(Al)으로 이루어질 경우 그 굴절율은 0.64 정도가 되며 이와 접촉하며 형성된 투명 도전성 물질의 제 1 전극(147)과 질화실리콘(SiNx)의 광학 버퍼층(141)은 그 굴절율이 각각 2.02와 1.94가 된다. 따라서 상기 반사패턴(145)과 접촉하는 제 1 전극(147)을 통과하여 상기 반사패턴(145)쪽으로 입사되는 빛은 임계각 이상이 되면 전반사 조건을 만족하게 되어 상기 제 2 전극(163)이 형성된 쪽으로 반사되며, 임계각보다 작은 각도를 갖고 입사될 때까지 상기 반사패턴(145)과 제 2 전극(163) 사이를 왕복하게 된다. 따라서, 사용자가 화면을 바라보는 정면에 대해서는 저순도 색성분을 갖는 빛이 제거되며, 빛의 리사이클링에 의해 휘도가 향상되게 되는 것이다.
도 4a, 4b 및 도 4c는 종래 및 본 발명에 따른 유기전계 발광소자의 적, 녹, 청색 화소영역에 대응하여 나오는 적, 녹, 청색의 파장대의 빛의 강도를 각각 나타낸 그래프이다.
우선, 도 4a를 참조하면, 그 피크치가 625nm 정도의 파장대를 갖는 적색을 발광하는 빛은 종래의 경우 그 강도가 2.0정도가 되었지만, 본 발명의 경우 6.5정도가 됨을 알 수 있으며, 이는 곧 적색을 표시함에 있어서 그 순도가 높아졌음을 의미한다. 또한 상기, 625nm의 파장을 기준으로 그래프의 그 폭이 종래보다 작게 형성됨을 알 수 있는데, 이는 순 적색에 가까운 파장대의 빛만이 방출되며, 낮은 색순도를 갖는 빛이 제거되었음을 의미한다.
또한, 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 녹색 및 청색의 화소영역으로 나오는 빛 또한 적색과 동일하게 그래프의 피크가 종래대비 본 발명이 높게 나타나고 있으며, 그래프의 폭 또한 더욱 좁게 형성됨을 알 수 있다. 이는 각각 녹색 및 청색에 대해서도 색순도가 높아졌음을 의미하며, 각 색별로 낮은 순도를 갖는 빛은 제거되었음을 의미한다.
한편, 적, 녹, 청색을 나타내는 파장대의 강도가 증가하였음은 곧 빛의 세기가 증가하였음을 의미하며 이는 최종적으로 휘도가 향상되었음을 나타내는 것이다.
적색 화소영역을 통해 방출되는 적색의 빛은 종래의 경우 9.2cd/A 였지만, 본 발명에 따는 유기전계 발광소자의 경우 19.7cd/A가 되었으며, 녹색 및 청색도 종래의 경우 각각 19.4cd/A, 3.8cd/A 였던 것이 36.8cd/A와 3.9cd/A로 증가되었음을 시뮬레이션을 통해 알 수 있었다. 즉, 청색에 휘도는 종래와 본 발명이 유사하였지만, 적색 및 녹색의 휘도에 있어서는 거의 2배정도의 휘도 향상이 이루어지게 되었음을 알 수 있다.
한편, 도면에 나타나지 않았지만, 전술한 휘도 및 색순도를 갖는 종래 및 본 발명에 따른 유기전계 발광소자로부터 나오는 적, 녹, 청색의 빛을 색좌표계(CIE1931)에 표시한 결과를 살펴보면, 종래의 유기전계 발광소자에서 나오는 빛의 상기 색좌표계에서의 면적을 100이라 할 경우, 본 발명에 따른 유기전계 발광소자에서 나오는 빛을 표시한 면적은 120.7이 되어 20% 정도의 색재현율의 향상이 이루어졌음을 알 수 있었다.
이후에는 전술한 본 발명의 실시예에 따른 유기전계 발광소자의 제조 방법에 대해 도 3을 참조하여 간단히 설명한다.
우선, 투명한 제 1 절연기판(110) 상에 비정질 실리콘을 증착하여 비정질 실리콘층(미도시)을 형성하고, 이에 대해 레이저 빔을 조사하거나 또는 열처리를 실시하여 상기 비정질 실리콘층을 폴리실리콘층(미도시)으로 결정화시킨다.
이후, 포토레지스트의 도포, 노광 마스크를 이용한 노광, 노광된 포토레지스트의 현상, 식각 및 스트립을 포함하는 마스크 공정을 실시하여 상기 폴리실리콘층(미도시)을 패터닝함으로써, 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에는 순수 폴리실리 콘 상태의 반도체패턴(미도시)을 형성하고, 스토리지 영역(StgA)에는 순수 폴리실리콘 상태의 스토리지 패턴(미도시)을 형성한다.
다음, 상기 순수 폴리실리콘의 반도체패턴(미도시)과 스토리지 패턴(미도시) 위로 무기절연물질 예를들면 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)을 증착하여 게이트 절연막(116)을 표시영역 전면에 형성한다.
다음, 게이트 절연막(116) 위로 상기 스토리지 영역(StgA)에 대응해서는 상기 게이트 절연막(116)을 노출시키고 그 외의 영역에 대해서는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한 후, 불순물을 도핑함으로써 상기 스토리지 영역(StgA)에 형성된 상기 스토리지 패턴(미도시)이 불순물 폴리실리콘 상태의 제 1 스토리지 전극(115)을 이루도록 한다.
다음, 상기 포토레지스트 패턴(미도시)을 스트립(strip)을 진행하여 제거한 후, 상기 게이트 절연막(116) 위로 저저항 금속물질 예를들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd), 구리(Cu), 구리합금 중 하나를 증착하여 제 1 금속층(미도시)을 형성하고, 이를 마스크 공정을 진행하여 패터닝함으로써 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)의 형성된 각 반도체패턴(미도시)의 중앙부에 대응하여 각각 게이트 전극(121)을 형성한다. 동시에 상기 제 2 게이트 절연막(119) 위로 상기 스위칭 영역(미도시)에 형성된 게이트 전극과 연결되며 일방향으로 연장하는 게이트 배선(미도시)을 형성하고, 상기 스토리지 영역(StgA)의 상기 제 1 스토리지 전극(115)에 대응하여 제 2 스토리지 전극(118)을 형성한다. 이때, 기판(110) 상에 순차 적층된 상기 제 1 스토리지 전극(115)과 게이트 절연막(116)과 제 2 스토리지 전극(118)은 제 1 스토리지 커패시터(StgC1)를 이룬다.
다음, 상기 게이트 전극(120)을 블록킹 마스크로 이용하여 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 형성된 각 반도체 패턴(미도시)에 불순물 즉, 3가 원소 또는 5가 원소를 도핑함으로써 상기 게이트 전극(121) 외측에 위치한 부분이 상기 불순물이 도핑된 제 2 영역(113b)을 이루며, 도핑이 방지된 게이트 전극(121)에 대응하는 부분은 순수 폴리실리콘의 제 1 영역(113a)을 이루는 반도체층(113)을 형성한다.
다음, 제 1 및 제 2 영역(113a, 113b)으로 나뉘어진 반도체층(113) 위로 전면에 무기절연물질인 산화실리콘(SiO2) 또는 산화실리콘(SiO2)을 증착하여 층간절연막(123)을 형성한다. 이후, 마스크 공정을 진행하여 상기 층간절연막(123)과 그 하부의 제 2 및 제 1 게이트 절연막(119, 116)을 패터닝함으로써 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 형성된 반도체층의 제 2 영역(113b)을 각각 노출시키는 반도체층 콘택홀(125)을 형성한다.
다음, 상기 층간절연막(123) 위로 금속물질 예를들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd), 구리(Cu), 구리합금, 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 중 하나를 증착하여 제 3 금속층(미도시)을 형성하고, 이를 마스크 공정을 진행하여 패터닝함으로써 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 각각 상기 반도체층 콘택홀(125)을 통해 상기 제 2 영역(113b)과 각각 접촉하는 소스 및 드레인 전극(133, 136)을 형성한 다. 이때, 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 순차 적층된 상기 반도체층(113)과 제 1 및 제 2 게이트 절연막(116)과 게이트 전극(121)과 층간절연막(123)과 서로 이격하는 소스 및 드레인 전극(133, 136)은 스위칭 및 구동 박막트랜지스터(미도시, DTr)를 이룬다. 동시에 상기 층간절연막(123) 위로 상기 스위칭 영역(미도시)에 형성된 소스 전극(미도시)과 연결되며 상기 게이트 배선(미도시)과 교차하여 화소영역(P)을 정의하는 데이터 배선(130)과, 상기 데이터 배선(130)과 이격하며 나란히 배치되는 전원배선(미도시)을 형성한다.
또한, 스토리지 영역(StgA)에는 상기 층간절연막(123) 위로 제 3 스토리지 전극(138)을 형성한다. 이때, 상기 제 2 스토리지 전극(118)과 상기 제 2 게이트 절연막(119) 및 층간절연막(123)과 제 3 스토리지 전극(138)은 제 2 스토리지 커패시터(StgC2)를 이룬다.
다음, 상기 소스 및 드레인 전극(133, 136)과 제 3 스토리지 전극(138) 위로 무기절연물질인 산화실리콘(SiO2)을 증착하여 보호층(140)을 형성하고, 연속하여 상기 보호층 위로 무기절연물질인 질화실리콘(SiNx)을 증착함으로써 광학 버퍼층(141)을 형성한다. 이후 상기 광학 버퍼층(141)과 그 하부의 보호층을 마스크 공정을 진행하여 패터닝함으로써 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극(136)을 노출시키는 드레인 콘택홀(143)을 형성한다.
다음, 상기 드레인 콘택홀(143)을 갖는 광학 버퍼층(141) 위로 반사효율이 우수한 금속물질 예를들면 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금(AlNd)을 10nm 내지 20nm 정도의 두께를 갖도록 증착하고, 연속하여 그 상부로 일함수 값이 비교적 높은 투명 도전성 물질인 인듐-틴-옥사이드(ITO) 또는 인듐-징크-옥사이드(IZO)를 증착한 후, 이들 두 물질층을 일괄 또는 연속하여 패터닝함으로서 각 화소영역(P)별로 상기 드레인 콘택홀(143)을 통해 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극(136)과 접촉하는 10nm 내지 20nm 정도의 두께를 갖는 반사패턴(145)과, 이와 접촉하는 제 1 전극(147)을 형성한다.
이후, 상기 제 1 전극(147) 위로 유기절연물질 예를들면 포토아크릴(photo acryl) 또는 벤조사이클로부텐(BCB)을 도포하여 제 1 유기절연물질층(미도시)을 형성하고, 이를 패터닝함으로써 각 화소영역(P)의 경계를 포함하여 상기 제 1 전극(147)의 가장자리를 테두리하는 형태로 뱅크(150)를 형성한다.
다음, 상기 뱅크(150)가 형성된 기판(110)에 대해 상기 뱅크(150) 사이로 노출된 상기 제 1 전극(147) 위로 순차적으로 정공주입층(hole injection layer)(160e), 정공수송층(hole transporting layer)(160d), 유기 발광 물질층(160a), 전자수송층(electron transporting layer)(160b) 및 전자주입층(electron injection layer)(160c)으로 이루어진 유기 발광층(160)을 형성한다. 이때 상기 유기 발광층(160)을 이루는 각 층은 일례로 쉐도우 마스크를 이용한 열증착을 통해 형성하거나 또는 잉크제팅, 노즐 코팅 등의 방법에 의해 형성될 수 있다.
다음, 상기 다층 구조를 갖는 유기 발광층(160) 위로 비교적 일함수 값이 작은 금속물질 예를들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 은(Ag), 마그네슘(Mg), 금(Au) 중 하나를 표시영역 전면에 증착하여 제 2 전극(163)을 형성함으로써 제 1 기판(110)을 완성한다. 이때 상기 제 1 전극(147)과 유기 발광층(160)과 상기 제 2 전극(163)은 유기전계 발광 다이오드(E)를 이룬다.
한편, 전술한 바와 같이 완성된 제 1 기판(110)에 대해, 상기 표시영역의 테두리를 따라 씰패턴(미도시)을 형성하고, 투명한 재질의 제 2 기판(170)을 대향시킨 후, 불활성 기체 예를들면 질소(N2) 가스 분위기 또는 진공의 분위기에서 상기 제 1 및 제 2 기판(110, 170)을 합착함으로써 본 발명의 실시예에 따른 유기전계 발광소자(101)를 완성할 수 있다.
도 1은 일반적인 액티브 매트릭스형 유기전계 발광소자의 한 화소에 대한 회로도.
도 2는 종래의 유기전계 발광소자의 구동 박막트랜지스터를 포함하는 하나의 화소영역에 대한 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유기전계 발광소자의 구동 박막트랜지스터와 스토리지 커패시터 및 유기전계발광 다이오드를 포함하는 하나의 화소영역에 대한 단면도.
도 4a, 4b 및 도 4c는 종래 및 본 발명에 따른 유기전계 발광소자의 적, 녹, 청색 화소영역에 대응하여 나오는 적, 녹, 청색의 파장대의 빛의 강도를 각각 나타낸 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
110 : 제 1 기판 113 : 반도체층
113a, 113b : 제 1 및 제 2 영역 115 : 제 1 스토리지 전극
116 : 게이트 절연막 118 : 제 2 스토리지 전극
121 : 게이트 전극 123 : 층간절연막
125 : 반도체층 콘택홀 130 : 데이터 배선
133 : 소스 전극 136 : 드레인 전극
138 : 제 3 스토리지 전극 140 : 보호층
141 : 광학 버퍼층 143 : 드레인 콘택홀
145 : 반사패턴 147 : 제 1 전극
150 : 뱅크 160 : 유기 발광층
160a : 유기 발광 물질층 160b : 전자 수송층
160c : 전자주입층 160d : 정공수송층
160e : 정공주입층 163 : 제 2 전극
DA : 구동영역 DTr : 구동 박막트랜지스터
E : 유기전계 발광 다이오드 P : 화소영역
StgA : 스토리지 영역 StgC1 : 제 1 스토리지 커패시터
StgC2 : 제 2 스토리지 전극
Claims (9)
- 화소영역과 상기 화소영역 내에 구동영역과 스위칭 영역 정의된 제 1 기판 상의 상기 화소영역의 경계에 서로 교차하며 형성된 게이트 및 데이터 배선과;상기 스위칭 및 구동영역에 각각 형성된 스위칭 및 구동 박막트랜지스터와;상기 화소영역 전면에 상기 구동 박막트랜지스터의 드레인 전극을 노출시키는 드레인 콘택홀을 가지며 형성된 보호층과;상기 화소영역 내에 제 1 금속물질로써 상기 보호층 위로 상기 구동 박막트랜지스터의 드레인 전극과 상기 드레인 콘택홀을 통해 접촉하며 제 1 두께를 가지며 형성된 반사패턴과;상기 화소영역 내에 상기 반사패턴 상부로 투명 도전성 물질로 형성되어 애노드 전극의 역할을 하는 제 1 전극과;상기 제 1 전극의 가장자리와 중첩하며 상기 화소영역의 경계에 형성된 뱅크와;상기 뱅크 둘러싸인 영역에 대응하여 상기 제 1 전극 위로 형성되며, 다중층 구조를 가지며 형성된 유기 발광층과;상기 다중층 구조의 유기 발광층 위로 화소영역의 구분없이 일함수 값이 비교적 낮은 금속물질로 형성되어 캐소드 전극을 역할을 하는 제 2 전극과;상기 제 1 기판과 마주하는 제 2 기판과;상기 제 1 및 제 2 기판 가장자리를 따라 형성된 씰패턴을 포함하는 유기전계 발광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사패턴의 제 1 두께는, 10nm 내지 20nm인 것이 특징인 유기전계 발광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 다중층 구조의 유기 발광층은, 이웃하는 3개의 화소영역에 순차적으로 대응하여 각각 적, 녹, 청색을 발광하는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 적, 녹, 청색을 발광하는 다중층 구조의 유기 발광층 각각은, 상기 제 1 전극으로부터 순차적으로 정공주입층(hole injection layer)과 정공수송층(hole transporting layer)과 유기 발광 물질층과, 및 전자수송층(electron transporting layer)이 적층된 것이 특징인 유기전계 발광소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 적, 녹 및 청색을 발광하는 화소영역에 형성되는 각각의 정공주입층(hole injection layer)은 45nm 내지 55nm, 25nm 내지 35nm, 5nm 내지 15nm의 두께를 가지며,상기 적, 녹 및 청색을 발광하는 화소영역에 형성되는 각각의 정공수송층(hole transporting layer)은 모두 동일한 두께로 5nm 내지 15nm가 되며,상기 적, 녹 및 청색을 발광하는 화소영역에 형성되는 각각의 유기 발광 물질층은 55nm 내지 65nm, 40nm 내지 50nm, 35nm 내지 45nm의 두께를 가지며,상기 적, 녹 및 청색을 발광하는 화소영역에 형성되는 각각의 전자수송층(electron transporting layer)은 모두 동일한 두께로 15nm 내지 25nm가 되는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
- 제 5 항에 있어서,상기 전자 수송층과 상기 제 2 전극 사이에는 전자주입층(electron injection layer)이 형성되며,상기 적, 녹 및 청색을 발광하는 화소영역에 형성되는 각각의 전자주입층(electron injection layer)은 모두 동일하게 10nm 내지 50nm의 두께를 갖는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호층과 상기 반사패턴 사이에는 상기 드레인 콘택홀을 갖는 광학 버퍼층이 형성되며, 상기 보호층은 산화실리콘(SiO2)으로 상기 광학 버퍼층은 질화실리콘(SiNx)으로 이루어진 것이 특징인 유기전계 발광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 스위칭 및 구동 박막트랜지스터는 각각 순수 폴리실리콘의 제 1 영역과, 이의 양측으로 불순물 폴리실리콘의 제 2 영역으로 구성된 반도체층과, 게이트 절연막과, 상기 제 1 영역에 각각 대응하여 형성된 게이트 전극과, 상기 제 2 영역을 각각 노출시키는 반도체층 콘택홀을 가지며 형성된 층간절연막과, 상기 반도체층 콘택홀을 통해 상기 제 2 영역과 각각 접촉하며 서로 이격하는 소스 및 드레인 전극이 순차 적층된 형태를 갖는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 각 화소영역에는 스토리지 영역이 정의되며, 상기 스토리지 영역에는 순차 적층된 제 1 스토리지 전극과, 상기 게이트 절연막과, 제 2 스토리지 전극과, 층간절연막과 제 3 스토리지 전극이 순차 적층되어 제 1 및 제 2 스토리지 커패시터를 이루는 것이 특징인 유기전계 발광소자.
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