KR20100112454A - 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조가 간단하면서도 높은 발광 효율과 우수한 색도를 갖는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명은 기판 상에 형성되어 정공을 발생시키는 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하게 배치되어 전하를 발생시키는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되며, 삼중항 에너지가 더 큰 제 1 도펀트와 삼중항 에너지가 더 작은 제 2 도펀트를 혼합하여 도핑하는 이중 도핑 방식의 호스트-도펀트 시스템을 갖는 발광층을 포함하여 구성됨으로써, 제조 비용의 원가를 절감하고 적색 발광 및 이를 응용한 백색 발광 등에서 우수한 색도와 고효율 특성을 나타낸다.
적색 발광, PhOLED, 효율, 휘도, 중심 발광파장, 이중 도핑

Description

이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자 및 그 제조 방법{High efficient deep red phosphorescent organic light emitting devices using the double doping technique and a method for manufacturing the same}
본 발명은 유기발광소자에 관한 것으로, 특히 구조가 간단하면서도 높은 발광 효율과 우수한 색도를 갖는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
유기발광소자(Organic Light Emitting Device: OLED)는 유기물을 전기적으로 여기하여 발광시키는 디스플레이 소자로서 저전력 구동, 자체 발광, 넓은 시야각, 높은 해상도와 천연색 실현, 빠른 응답속도 등의 장점을 갖고 있다. 이러한 유기발광소자는 휴대폰, 카메라, 시계, 사무용기기, 자동차 등의 정보 표시 수단으로 널리 활용되면서 관련 부품소재 시장도 급성장하고 있다.
유기발광소자는 기본적으로 기판(유리, 플라스틱 등)과 상부 및 하부 전극(양극 및 음극), 그리고 두 전극 사이에 유기물이 삽입된 구조를 갖는다. 유기물은 보통 다층 형태로 나타나며, 발광층의 유기물은 일반적으로 단일 재료보다 호스트-도펀트(host-dopant) 구성이 많이 이용된다. 이러한 구조에서는 캐리어들이 전극에 서 발광층으로 직접 주입되지 않고 캐리어 수송층을 통과하여 단계적으로 전송되기 때문에 구동 전압이 낮아진다. 다층 구조에서는 발광층으로 주입된 전자와 정공이 이웃 전극으로 이동할 때, 발광층 가장자리 부근에서 반대 극성의 캐리어 수송층에 의해 이동이 제한된다 따라서, 엑시톤(exciton)의 생성이 대부분 발광층에 속박되어 발광 효율이 높아진다.
유기발광소자는 빛의 방출 방식에 따라 형광 유기발광소자와 인광 유기발광소자(Phosphorescent OLED: PhOLED)로 구분된다. 상기 PhOLED는 기본적으로 정공수송층(hole transport layer: HTL), 발광층(emissive layer: EML), 정공 및 엑시톤 차단층(hole and exciton blocking layer: HBL), 전자수송층(electron tansport layer: ETL)으로 구성된다.
상기 PhOLED에서는 일중항과 삼중항 엑시톤 모두로부터 빛을 낼 수 있다. 따라서, 내부 양자효율이 이론적으로 100%에 이르지만, 실제 소자에서는 캐리어의 주입 손실과, 비 발광성 엑시톤의 형성, 삼중항-삼중항 소멸(triplet-triplet annihilation) 등으로 인해 발광 효율이 크게 감소된다. 또한 인광 소자의 발광층에서 형성된 삼중항 엑시톤은 상대적으로 긴 수명을 가져 발광층 영역을 지나 다른 영역으로 확산할 수 있다. 삼중항 엑시톤의 확산은 발광층 영역 바깥에서 에너지 전이를 일으키거나 비발광성 소멸을 가져와 발광 효율과 색 순도가 저하된다. 따라서 고효율 인광 소자를 제작하기 위해서는 발광층의 구성(재료, 두께, 도핑 농도 등)을 최적화하고, HBL과 같은 엑시톤 차단층을 설치하여 삼중항 엑시톤의 확산 손실을 방지할 수 있어야 한다.
유기발광소자는 전극으로부터 발광층에 이르기까지 다층 박막을 통해 전자와 정공의 주입과 이동, 그리고 발광층에서 엑시톤의 형성과 에너지 방출에 의하여 발광 물질의 여기 에너지에 해당하는 고유의 빛을 발산한다. 발광색은 호스트-도펀트 조합에 의해 결정되는데, 일반적으로 호스트는 높은 에너지 갭을 가지며 호스트에서 형성된 엑시톤은 보다 낮은 에너지의 도펀트로 에너지 전이를 이룬다.
도 1은 일반적인 인광 유기발광소자(PhOLED)의 구조를 나타내는 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, PhOLED(100)는 투명 전도성 양극(110)과 금속 물질을 이용한 음극(160) 사이에 정공수송층(HTL)(120), 발광층(EML)(130), 정공 및 엑시톤 차단층(HBL)(140), 전자수송층(ETL)(150)의 4 개 유기막이 적층되어 있다. 어떤 PhOLED 구조에서는 단일 발광층 대신 이중 발광층을 사용하거나 도 1의 기본 구조에 전자차단층, 정공주입층 및 전자주입층을 삽입하기도 하는데, 이런 경우 소자 구조는 훨씬 복잡하게 나타난다. 도 1의 구조에 순방향 바이어스(bias)를 인가하면 음극(160)에서 전자(170)는 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 준위를 따라 이동하고, 양극(110)에서 정공(180)은 HOMO(highest occupied molecular orbital) 준위를 따라 이동한다. 이동한 전자(170)와 정공(180)은 발광층(130)에서 결합되어 엑시톤(190)을 형성한다. 발광층(130)에서 형성된 다양한 엑시톤(190)들은 최소 에너지로 나타나는 인광 도펀트의 삼중항 에너지 상태로 빠른 전이를 일으키고, 이에 따라 인광 도펀트의 삼중항 에너지에 해당하는 빛이 방출된다. 이러한 구조에서 호스트 물질의 LUMO 및 HOMO 준위와 인광 도펀트의 삼중항 준위 간에 에 너지 차이가 크면 엑시톤 간의 에너지 전이가 충분히 이루어지지 않아 소자의 발광 효율이 저하되는 문제점이 발생한다. 특히 적색 인광 물질은 청색이나 녹색 물질에 비해 삼중항 에너지가 낮아 이러한 경향을 뚜렷이 나타내고 있으며 고효율 진적색 PhOLED의 제작을 어렵게 만들고 있다. 또한 적색 PhOLED의 제작에서 삼중항 에너지가 비교적 큰 도펀트를 사용할 경우, 발광 효율은 높아지나 진 적색의 발광 스펙트럼이 얻어지지 않는다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 간단한 구조를 통해 생산비용을 절감할 수 있는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적인 과제는 우수한 발광 특성을 갖는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자는, 기판 상에 형성되어 정공을 발생시키는 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하게 배치되어 전하를 발생시키는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되며, 삼중항 에너지가 더 큰 제 1 도펀트와 삼중항 에너지가 더 작은 제 2 도펀트를 혼합하여 도핑하는 이중 도핑 방식의 호스트-도펀트 시스템을 갖는 발광층을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 유기발광소자는 상기 제 1 전극과 발광층 사이에 형성되어 상기 정공을 상기 발광층으로 수송하는 정공수송층; 및 상기 발광층과 제 2 전극 사이에 형성되어 상기 전자를 상기 발광층으로 수송하는 전자수송층 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 유기발광소자는 상기 제 1 전극과 상기 정공수송층 사이 에 위치하는 정공주입층; 및 상기 제 2 전극과 상기 전자수송층 사이에 위치하는 전자주입층 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 유기발광소자는 상기 정공수송층과 발광층 사이에 위치하는 전자-엑시톤 차단층; 및 상기 발광층과 전자수송층 사이에 위치하는 정공-엑시톤 차단층 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자의 제조 방법은, 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상에 발광층을 형성하는 단계; 및 상기 발광층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 발광층은 발광호스트와 이중 도펀트를 동시에 증착하여 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제 1 전극 형성 후 제 1 전극의 표면을 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 발광층의 발광호스트와 이중 도펀트는 진공 증착법, 용액 주조법, 잉크젯 인쇄법 중 적어도 하나에 의해 증착 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 종래의 4 내지 5 계층의 유기박막을 갖는 소자보다 구조가 간단하고 소모되는 재료의 비용이 적게 들어 제조 비용의 원가 절감에 유리하다. 또한, 본 발명의 소자는 높은 효율을 갖고 진 적색 빛을 방출함으로써 우수한 색 범위(color gamut)를 갖는 전색(full color) AMOLED 개발에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 소자 기술은 그 자체로서 적색 광원으로 사용될 수 있으며, 적색 발광에서 우수한 색도와 고효율 특성으로 향후 저전력 AMOLED의 적색 화소 제작에 유용하게 활용될 수 있다.
또한, 청색과 적색을 혼합하는 원리를 이용하는 백색 광원의 제작, 이를 이용한 LCD 백라이트의 제작 및 각종 조명 기술에 응용될 수 있다.
또한, 유기 소자의 플렉시블(Flexible) 특성과 적색 광을 이용함으로써 광 자극에 의한 인체의 질병 치료나 의료 기기의 광원으로서 사용이 기대된다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 도핑 방식의 엑시톤 에너지 전이와 발광을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 호스트를 통해 형성된 엑시톤(210)은 일차적으로 에너지가 근접한 제 1 인광 도펀트의 삼중항 상태(220)로 에너지를 전이한다. 이 후 상기 제 1 인광 도펀트의 삼중항 상태(220)는 더 낮은 에너지의 제 2 인광 도펀트의 삼중항 상태(230)로 에너지 전이를 일으킨다. 에너지 전이 효율은 전이되는 상태들 간의 에너지 차이에 지수함수적으로 감소한다. 따라서 상기 호스트 엑시톤(210)과 상기 제 2 인광 도펀트 삼중항 상태(230) 사이의 에너지 차이가 클 경우, 상기 호스트 엑시톤(210)에서 상기 제 2 인광 도펀트의 삼중항 상태(230)로 직접적인 전이를 일으키기는 쉽지 않다.
일반적으로 인광 발광소자에서 호스트의 에너지 차이(Energy Gap)는 3 eV 정도로 나타나며 625 nm 이상의 진 적색 파장을 방출하는 빛의 에너지는 1.96 eV 이하가 되어야 한다. 이에 따라, 단일 도펀트를 이용하는 적색 인광소자를 제작할 경우, 도펀트의 삼중항 에너지가 크면 발광 효율은 좋아지는 반면, 진 적색의 빛 방출을 얻을 수 없다. 또한 삼중항 에너지가 작으면 전이 에너지 차이가 너무 커서 높은 발광 효율을 얻을 수 없다.
이러한 문제를 해결하는 방법으로, 도 2에서와 같이, 호스트와 목적하는 진 적색 방출의 도펀트 사이에 삼중항 에너지를 갖는 또 하나의 인광 도펀트, 즉 상기 제 1 인광 도펀트의 삼중항 상태(220)를 첨가하면 에너지 전이가 수월함과 동시에 최저 에너지에서의 발광에 의해 고효율 진 적색 방출의 적색 인광소자를 만들 수 있다.
소자의 구조는 제작 기술면에서 가능하면 간단한 구조가 유리하다. 그러나 단일 유기층 구조로는 전극에서 유기물 층으로 캐리어의 균형적 주입이 어렵고 유기층에서의 이동도가 다르므로 높은 효율의 PhOLED를 만들 수 없다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이중 도핑된 인광 발광소자의 에너지 준위를 나타내는 구조도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 양극(310)과 발광층(330) 사이에 정공수송층(320)을, 그리고 음극(370)과 발광층(330) 사이에 전자수송층(340)을 삽입하고 발광층(330)에는 상대적으로 에너지가 높은 제 1 도펀트(350)와 실제 발광이 이루어지며 상대적으로 에너지가 낮은 제 2 도펀트(360)를 이중으로 도핑한 새로운 적색 인광발광소자의 에너지대 구조를 보여주고 있다. 이러한 구조는 단층 유기물 구조에 비해 캐리어들이 전극(310, 370)에서 상기 발광층(330)으로 직접 주입되지 않고 전송층(320, 340)을 통과하여 주입됨으로써 구동전압을 낮출 수 있다. 또한 상기 발광층(330)에 주입된 전자와 정공이 상기 발광층(330)을 거쳐 반대편 전극으로 이동시 반대편 전송층에 막힘으로써 엑시톤의 형성 영역을 상기 발광층(330)에 속박할 수가 있다. 따라서, 전극 부근에서 엑시톤의 비발광 소멸을 억제할 수 있다.
상기와 같은 도 3의 구조를 이용하면 각 층의 유기 물질을 적절히 선택함에 따라 전형적 인광소자에서 도입되는 정공/엑시톤 차단층을 생략할 수 있다. 또한 삼중항 엑시톤은 상대적으로 긴 수명을 가져 발광 영역을 지나 다른 유기물 영역으로 확산할 수 있다. 삼중항 엑시톤의 확산은 발광 영역 바깥에서 에너지전이를 일으키거나 비발광성 소멸을 가져와 발광 효율과 색 순도가 저하된다. 따라서 고성능 인광 소자를 제작하기 위해서는 엑시톤 보호층을 설치하여 삼중항 엑시톤의 확산 손실을 방지할 수 있어야 한다. 이에 따라 대부분의 인광 소자는 캐리어의 주입 손실과 삼중항 엑시톤의 확산을 억제하기 위해 발광층과 캐리어 수송층 사이에 엑시톤 차단층을 도입한 4 내지 5 계층의 유기막 구조로 만들어지고 있다. 도 3의 구조에서는 비록 2종의 도펀트(350, 360)가 발광층(330)에서 사용되나 전체적으로 소자 구조가 간단하여 소자 성능의 개선과 함께 제조비용의 절감과 공정기술이 간단하다는 커다란 장점도 갖는다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 도핑된 인광 발광소자의 적층 구조를 나타낸 구조도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전극인 양극(anode)(410)은 일반적인 유기발광소자의 제조에 사용되는 투명한 전도성 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 양극으로서 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등이 사용될 수 있다. 제2 전극인 음극(cathode)(470)은 불투명하고 전도성이 높은 금속으로 형성되며 입사광을 반사시킨다. 또한 상기 음극(470)은 전자가 주입되는 전극으로 일 함수가 낮고 유기 물질에 영향을 미치지 않는 도전 물질로 만들어지며, 예컨대 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), LiF/Al 등 중에서 적어도 하나를 이용하여 형성될 수 있다. 정공과 전자는 각각의 선택적 캐리어 수송층(420,440)을 통해 전달되고 어느 정도 충분한 두께의 혼합 발광층(430)에서 결합되므로 캐리어의 주입 효율을 높일 수 있고, 원하지 않는 영역에서의 엑시톤 형성이나 확산에 의한 발광층 엑시톤의 손실을 줄일 수 있다. 발광 영역에서 제 1 도펀트(450)와 제 2 도펀트(460)는 다양한 비율로 혼합될 수 있으며 위치에 따라 균일 또는 불균일하게 도핑될 수 있다. 상기 발광호스트, 즉 발광층(430)은 형광 물질이고, 제 1 도펀트(450)와 제 2 도펀트(460)는 인광 물질일 수 있다. 상기 발광호스트(430)가 인광 물질일 경우 단일 인광 도펀트가 사용될 수도 있다.
상기 도 4의 구조에서 각각의 유기층에 바람직하게 사용될 수 있는 물질들로, 정공 수송층(420)의 예를 들면, 2-TNATA(4,4',4"-tris(2-naphthylphenyl-phenylamino)-triphenylamine), NPB(N,N'-bis(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine), TPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine), DNTPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis-(4-(phenyl-m-tolyl-amino)-phenyl)-biphenyl-4,4'-diamine) 등이 있다. 하지만 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자수송층(440)에 사용 가능한 물질로는 예컨대, Alq3(tris(8-hydroxyquinoline) aluminum), Balq(bis(8-bydroxyquinaldine)aluminum-biphenoxide), SFC-137(proprietary electron transport material produced by SFC)등이 있다. 하지만 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 발명은 전자 및 정공을 발광층(430)에 속박하고 엑시톤의 확산을 막기 위한 것으로서, 선택적으로, 정공차단층과 전자차단층 중 적어도 하나를 형성할 수 있다. 이러한 경우, 정공차단층의 물질로는 BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1, 10-phenanthro line), Bphen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), TAZ(3-phenyl-4-(1-naphthyl)-5-phenyl-1,2,4-triazole), TPBI(1,3,5-tris(N- phenylbenzimidazole-2-yl)benzene), Balq 등이 사용될 수 있으며, 전자차단층으로는 TCTA(4,4',4"-tris(2-naphthylphenyl-phenylamino)-triphenylamine), CBP(4,4'-N,N'-dicarbazole) biphenyl) 등이 사용될 수 있다. 하지만 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
발광 호스트, 즉 발광층(430)으로는 양극 캐리어의 이동도가 우수하고 HOMO 준위가 정공수송층의 HOMO 준위와 비슷하며 LUMO 준위가 전자수송층의 LUMO 준위와 비슷한 물질이 요구된다. 사용 물질로는 예컨대, Bebq2(bis(10-hydroxybenzo(h) quinolinato)beryllium), PH1(proprietary material produced by Merck), TCTA, CBP 등을 들 수 있다. 상기 호스트 물질들은 보통 단독으로 사용되지만, 경우에 따라 2 가지 이상을 혼합하거나 적층하여 사용할 수도 있다. 하지만 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용 가능한 도펀트들로는 Ir(piq)3, (pq)2Ir(acac), (btp)2Ir(acac), SFC-411(proprietary red phosphorescent dopant produced by SFC) 등의 이리듐 화합물과 PtOEP(2,3,7,8,12,13,17,18-octaethyl-21H,23H-porphineplatinum(Ⅱ))로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 하지만 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자의 제조방법은 발광층의 도핑 방법을 제외하고는 그 방법이 특별히 한정되지 않으며 통상의 방법으로도 이루어질 수 있다. 바람직하게, 본 발명에 따른 이중 도핑을 이용 한 고효율 진적색 인광 유기발광소자의 제조방법의 일 실시 예는 도 5에 도시된 공정 흐름도에 따라 수행될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자의 제조공정을 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, S510 단계에서 유리 기판이 준비되면, S520 단계에서 먼저, 상기 준비된 유리 기판 상에 제 1 전극으로서 ITO를 형성하고, S530 단계에서 상기 제 1 전극의 표면을 적절히 플라스마 처리할 수 있다. 상기 ITO의 면저항(Sheet Resistance)은 5~15 Ω/sq 가 바람직하다. 상기 플라즈마 처리 공정(S530)은 제1 전극(양극)으로부터 정공의 주입 장벽을 낮추고, 표면 오염제거 및 제1 전극과 유기막 간의 접착력 개선에 기여하므로, 유기물 증착 전에 선행 플라즈마 처리가 실시되어야 한다. 상기 플라스마 처리 후 고진공 상태에서 유기 박막과 금속은 인시추(In-Situ) 방식으로 증착되는데, S540 단계에서 상기 제1 전극 위에 정공수송층이 증착될 수 있는데, 예컨대, 100Å 내지 1000Å 두께로 진공 증착되어 형성된다. 다음으로 S550 단계에서 상기 정공수송층 위에 발광호스트를 제 1 도펀트 및 제 2 도펀트와 함께 동시 증착함으로써 발광층을 형성할 수 있다. 상기 발광층의 두께는 100Å 내지 1000Å으로, 호스트에 대한 전체 도펀트의 도핑 비율은 0.01 내지 0.2로, 제 1 도펀트에 대한 제 2 도펀트의 혼합 비율은 0.1 내지 10 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 이후, S560 단계에서 상기 발광층 위에 전자수송층을 예컨대 100Å 내지 1000Å 두께로 증착하고, 마지막으로 S570 단계에서 제 2 전극을 형성함으로써 소자의 제조공정을 완성할 수 있다. 제 2 전극 형성 공 정(S570)에서는 계면활성층으로서 5Å 내지 20Å의 LiF 층과 100OÅ 내지 2000Å 두께의 Al 층을 순차적으로 증착하는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 소자가 상부발광(Top Emission) 방식으로 제작될 때는 제 1 전극과 제 2 전극의 구조가 변화될 수 있으며, 필요에 따라 정공수송층과 제1 전극 사이에 정공주입층을 포함시키거나, 상기 전자수송층과 발광층 사이에 정공/엑시톤 차단층을 포함시키거나, 혹은 둘 모두를 포함시킬 수 있다.
전술된 실시 예에서 사용되는 각각의 유기 물질들은 저분자 물질을 중심으로 하지만 이에 국한되지 않으며, 고분자 및 올리고머로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질이 사용될 수도 있다.
또한 전술된 실시 예에서 유기 물질들은 진공 증착법으로 형성되지만 이에 국한되지 않으며, 용액 주조법 및 잉크젯 인쇄법으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 방법에 의해 형성될 수도 있다.
본 발명에 따른 인광 유기발광다이오드는 제1 전극과 제2 전극에 일정 전압을 인가했을 때 제1 전극으로 주입되는 정공과 제2 전극으로부터 주입되는 전자가 발광층의 중심에서 재결합하여 에너지를 방출함으로써 발광이 발생하도록 한다. 이때, 상기 제1 전극의 전위는 제2 전극의 전위보다 높게 전압을 인가하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인광 유기발광소자의 구조도이고, 도 7 및 도 8은 상기 도 6의 구조와 비교를 위한 하나의 도펀트만을 갖는 인광 유기발광 소자의 구조도이다.
도 6을 참조하면, ITO, 2-TNATA, Bebq2((pq)2Ir(acac) 및 SFC-411), SFC-137, LiF/Al로 설계된 기본 구조를 갖는 녹색 인광 유기발광다이오드를 나타낸다. 도 6의 소자 구조에서 IT0와 LiF/Al은 각각 제 1 전극(양극 전극)과 제 2 전극(음극 전극)으로 사용되었다. 또한, 2-TNATA는 정공수송층으로 사용되었고 SFC-137은 전자수송층으로 사용되었다. 그리고 Bebq2를 발광층의 호스트로, (pq)2Ir(acac)와 SFC-411을 이중 도펀트로 사용하였다. 이때, 본 발명에 따른 소자의 제조방법은 도 5에 도시된 공정 흐름도에 따라 수행된다.
먼저, 글라스 기판상에 12 Ω/sq의 ITO 전극을 형성하고, ITO 전극의 표면을 O2/Ar = 2/1, 8 mTorr, 200 W의 조건으로 2 분간 플라스마 처리를 실시한다. 플라스마 처리 후 고진공 상태에서 유기 박막과 금속이 인시추 방식으로 증착된다. 즉, 상기 ITO 전극 위에 정공수송층으로 2-TNATA가 500Å 두께로 증착된다.
다음으로 Bebq2가 호스트로, (pq)2Ir(acac) 및 SFC-411이 도펀트로 사용되고, 호스트에 대한 도펀트의 성막 비율을 각각 5%로 하여 전체적으로 330Å의 발광층을 동시 진공증착(co-evaporation) 방식으로 형성한다.
이후, 전자수송층으로 SFC-137을 500Å 두께로 증착한 후, 10Å의 LiF와 1200Å의 Al를 순차적으로 증착하여 음극을 형성함으로써 소자의 제조 공정이 완성된다.
도 7을 참조하면, 발광층의 도펀트를 (pq)2Ir(acac) 한가지로 선택하여 Bebq2 호스트 층에 도핑한 것을 제외하고는, 도 6에서와 동일한 방법으로 인광 유기발광다이오드를 제작하였다. 이때, 도 7에 도시된 바와 같이 호스트에 대한 도펀트의 성막 비율을 10 %로 하여 전체적으로 330Å의 발광층을 형성하였다.
도 8을 참조하면, 발광층의 도펀트를 SFC-411 한가지로 선택하여 Bebq2 호스트 층에 도핑한 것을 제외하고는, 도 6에서와 동일한 방법으로 인광 유기발광다이오드를 제작하였다. 이때, 도 8에 도시된 바와 같이 호스트에 대한 도펀트의 성막 비율을 10%로 하여 전체적으로 330Å의 발광층을 형성하였다.
이하 상기 도 6 내지 도 8의 구조들에 대한 실험을 통한 비교결과를 설명하기로 한다.
도 9는 상기 도 6 내지 도 8의 구조를 갖는 인광 유기발광다이오드들의 전류효율-휘도 특성 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9에 나타낸 바와 같이 10000 cd/m2 휘도 상태에서 도 6의 이중 도핑된 인광 발광소자의 전류 효율은 11.1 cd/A 로, 도 7의 (pq)2Ir(acac)가 도핑된 인광 발광소자의 전류 효율은 16.6 cd/A 로 , 도 8의 SFC-411이 도핑된 인광 발광소자의 전류 효율은 9.1 cd/A 로 각각 나타났다. 또한, 최대 전류효율은 (pq)2Ir(acac)와 SFC-411을 이중 도핑한 경우 16 cd/A 로, (pq)2Ir(acac)를 도핑한 경우 22 cd/A 로, SFC- R411을 도핑한 경우는 13.6 cd/A 로 각각 나타났다. (pq)2Ir(acac)와 SFC-411 을 이중 도핑한 도 6의 소자는 비록 (pq)2Ir(acac)를 도핑한 도 7의 소자(주황색 방출)보다는 낮은 전류효율 특성을 보였지만, SFC-411을 도핑한 도 8의 소자(진 적색 방출)의 경우보다는 전반적으로 높은 전류효율 특성을 보였으며, 10000 cd/m2 휘도 아래에서 도 8의 소자와 비교하여 약 22%의 전류효율 개선을 가져왔다.
도 10은 상기 도 6 내지 도 8의 구조를 갖는 인광 유기발광다이오드들의 전계발광 스펙트럼 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6의 중심 발광 파장은 625 nm의 진 적색을 나타내고 있으며, 도 7 및 도 8의 중심 발광 파장은 각각 610 nm 와 628 nm 로 각각 주황색과 진 적색을 나타내고 있다. 이중 도핑된 도 6의 소자가 SFC-411을 도핑한 도 8의 소자와 거의 유사한 방출 스펙트럼을 나타내면서 도 8의 소자보다 높은 발광 효율을 갖는다는 것은 발광층에서 형성된 엑시톤이 삼중항 에너지가 높은 제 1 인광 도펀트((pq)2Ir(acac))를 거쳐 삼중항 에너지가 낮은 제 2 인광 도펀트(SFC-411)로 효율적 에너지 전이를 일으킨 결과로 해석된다.
도 11은 상기 도 6 내지 도 8의 구조를 갖는 인광 유기발광다이오드들의 CIE(Commission Internationale de I'Eclairage) 색좌표 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 도 6의 색 좌표는 (0.66, 0.34) 이며 도 7 및 도 8의 색 좌표는 각각 (0.63, 0.32)와 (0.67, 0.33)로 나타나, 도 6과 도 8의 색 좌표 특성이 비슷하게 나타내는 것을 볼 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 이중 도핑된 적색 인광 소자의 높은 전류 효율 및 우수한 색도 특성은 삼중항 인광 도펀트 간의 에너지 전이를 통해 얻어지고 있으며, 625 nm 이상의 중심발광 파장을 갖는 진 적색 인광소자로서 도 7의 16 cd/A 전류 효율은 지금까지 보고된 효율 중에서 가장 높은 값으로 평가된다. 또한, 본 발명의 이중 도핑을 이용한 적색 인광 소자는 정공수송층/발광층/ 전자수송층의 3 층 유기막으로 구성됨으로, 종래의 4 내지 5 계층의 유기박막을 사용하는 소자보다 구조가 간단하고 소모되는 재료의 비용이 적게 들어 제조 비용의 절감을 가져올 수 있다.
상기 실시 예에서는 저분자 물질의 호스트와 인광 도펀트를 사용하여 진공증착법으로 적색 유기발광소자를 제작하였다. 그러나, 본 발명의 이중 도핑을 이용한 진적색 인광 소자를 제작하는 기술은 발광층의 호스트와 도펀트 재료로 고분자 또는 올리고머 물질을 사용하고, 용액 기반 기술로 유기박막을 형성하는 등 성막 기술을 변경시켜 소자를 제작하는 기술에 이르기까지 그 적용 범위를 확대시킬 수 있다.
현재의 디스플레이 기술에서 적색 형광은 휘도와 발광 효율이 절대적으로 낮으며, 적색 인광은 고 효율 특성에서 진 적색을 나타내지 않는다. 만일 진 적색의 우수한 색 특성을 갖추면서 고효율 특성을 갖는 인광 발광소자가 개발된다면 당연히 그 응용 분야는 매우 넓게 된다.
능동 구동 유기디스플레이에서 풀 컬러 디스플레이의 삼원색 화소를 형광 소자에서 인광 소자로 대체할 경우, 전력소모가 적게 든다는 것은 잘 알려져 있는 사실이다. 따라서 본 발명에 따른 이중 도핑을 이용한 적색 인광 유기발광소자는 우선 대면적 저전력 특성의 AMOLED 적색 화소 제작에 바로 적용될 수 있다.
그리고 백색 광원의 제작에서 적ㆍ 청 2-파장 혼합의 요소 층으로 응용 가능하며, 이를 이용한 각종 조명 기술, 생체 치료 및 플렉시블 광원 등에 광범위하게 적용 가능하다.
본 발명은 그 제조 방법에 있어서, 생산라인을 제어하기 위한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 본 발명에 따른 온라인 광고 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드는 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 전송될 수도 있다.
또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인 (functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 일반적인 인광 유기발광소자(PhOLED)의 구조를 나타내는 구조도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 도핑 방식의 엑시톤 에너지 전이와 발광을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이중 도핑된 인광 발광소자의 에너지 준위를 나타내는 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 도핑된 인광 발광소자의 적층 구조를 나타낸 구조도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자의 제조공정을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인광 유기발광소자의 구조도이다.
도 7 및 도 8은 하나의 도펀트만을 갖는 인광 유기발광 소자의 구조도이다.
도 9는 상기 도 6 내지 도 8의 구조를 갖는 인광 유기발광다이오드들의 전류효율-휘도 특성 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 상기 도 6 내지 도 8의 구조를 갖는 인광 유기발광다이오드들의 전계발광 스펙트럼 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 상기 도 6 내지 도 8의 구조를 갖는 인광 유기발광다이오드들의 CIE(Commission Internationale de I'Eclairage) 색좌표 비교 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims (20)

  1. 기판 상에 형성되어 정공을 발생시키는 제 1 전극;
    상기 제 1 전극과 마주하게 배치되어 전하를 발생시키는 제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되며, 삼중항 에너지가 더 큰 제 1 도펀트와 삼중항 에너지가 더 작은 제 2 도펀트를 혼합하여 도핑하는 이중 도핑 방식의 호스트-도펀트 시스템을 갖는 발광층을 포함하는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 발광층 사이에 형성되어 상기 정공을 상기 발광층으로 수송하는 정공수송층; 및
    상기 발광층과 제 2 전극 사이에 형성되어 상기 전자를 상기 발광층으로 수송하는 전자수송층 중 적어도 하나를 더 포함하는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 정공수송층 사이에 위치하는 정공주입층; 및
    상기 제 2 전극과 상기 전자수송층 사이에 위치하는 전자주입층 중 적어도 하나를 더 포함하는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 정공수송층과 발광층 사이에 위치하는 전자-엑시톤 차단층; 및
    상기 발광층과 전자수송층 사이에 위치하는 정공-엑시톤 차단층 중 적어도 하나를 더 포함하는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 발광층의 호스트 및 제 1 도펀트는 형광물질과 인광물질 중 하나로 형성되고, 제 2 도펀트는 인광물질로 형성되는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 정공 및 전자에 대한 주입층, 수송층, 차단층, 발광 호스트 및 도펀트가 모두 유기 저분자 물질로 이루어진 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 상기 정공 및 전자에 대한 주입층, 수송층, 차단층, 발광 호스트 및 도펀트 중 적어도 하나는
    유기 고분자와 유기 올리고머 중 적어도 하나로 이루어진 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 발광 호스트는
    Bebq2, PH1, TCTA, TPBi, TAZ, CBP의 호스트 물질들 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 발광 호스트는
    상기 호스트 물질들 중 적어도 두 개가 혼합된 호스트인 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 발광 호스트는
    상기 호스트 물질들 중 적어도 두 개가 적층된 구조의 호스트인 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  11. 제 4항에 있어서, 상기 발광층은
    10nm 내지 100nm의 호스트 두께를 갖는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  12. 제 4항에 있어서, 상기 발광층은
    1% 내지 20%로 도핑된 도펀트를 갖는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이중 도핑된 발광층을 포함하여 형성되는 백색 유기발광 소자.
  14. 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 상에 발광층을 형성하는 단계; 및
    상기 발광층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 발광층은 발광호스트와 이중 도펀트를 동시에 증착하여 형성되는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자의 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 1 전극 형성 후 제 1 전극의 표면을 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함하는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자의 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 발광층 사이에 정공 수송을 위한 정공 수송층을 형성하는 단계; 및 상기 발광층과 상기 제 2 전극 사이에 전자 수송을 위한 전자 수송층을 형성하는 단계 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 더 포함하는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 정공수송층과 발광층 사이에 전자-엑시톤 차단층을 형성하는 단계; 및 상기 발광층과 전자수송층 사이에 정공-엑시톤 차단층을 형성하는 단계 중 적어도 하나를 더 수행하는 단계를 더 포함하는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자의 제조 방법.
  18. 제 14항 내지 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광층의 발광호스트와 이중 도펀트는
    진공 증착법, 용액 주조법, 잉크젯 인쇄법 중 적어도 하나에 의해 증착 형성되는 이중 도핑을 이용한 고효율 진적색 인광 유기발광소자의 제조 방법.
  19. 유리 기판 상에 증착 형성되어 정공을 발생하는 양극;
    상기 양극 상에 증착 형성되어 상기 정공을 수송하는 정공수송층;
    상기 정공수송층 상에 증착 형성되며, 서로 다른 삼중항 에너지를 갖는 두 개의 도펀트를 포함하여 이중 도핑되는 발광층;
    상기 발광층 상에 증착되어 상기 발광층으로 전자를 수송하는 전자 수송층; 및
    상기 전자 수송층 상에 증착되어 전자를 발생하는 음극을 포함하는 유기발광소자.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 정공수송층 사이에 위치하는 정공주입층; 및
    상기 제 2 전극과 상기 전자수송층 사이에 위치하는 전자주입층 중 적어도 하나를 더 포함하는 유기발광소자.
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