KR20120091119A

KR20120091119A - 광전 유기 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20120091119A
Application number: KR1020127010569A
Authority: KR
Inventors: 마크 필리펜스; 랄프 패트졸드; 빕케 사페르트; 다비드 하트만; 아비드 훈제; 랄프 크라우세
Original assignee: 오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-08-17
Also published as: DE102009047883A1; JP5858918B2; JP2013506949A; US8785916B2; US20120241729A1; EP2483943A2; WO2011039277A2; CN102549794A; WO2011039277A3; EP2483943B1; CN102549794B

Abstract

광전 유기 소자는 제1전극, 제1전극 상에 배치된 제1평탄화층, 평탄화층 상에 배치된 제1주입층, 주입층 상에 배치된 유기 기능층, 유기 기능층 상에 배치된 제2전극을 포함하고, 이때 제1전극이 애노드를 가리키는 경우 에너지 레벨에 대해 E_F-E_HOMO _, _Inj _.≤ E_F-_EHOMO _, _Plan 과 E_F-E_HOMO _, _Inj.< E_F-E_HOMO _, _Funk _-가 적용된다. 또는, 제1전극이 캐소드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_LUMO _, _Inj _.-E_F ≤ E_LUMO _, _Plan-E_F 및 E_LUMO _, _inj _.-E_F < E_LUMO _, _Funk _.-E_F가 적용되고, 이때 E_F는 페르미 에너지(Fermi energy)를 나타내고, E_HOMO는 각각의 층의 최대 점유 에너지 레벨의 에너지를 나타내고, E_LUMO는 각각의 층의 최저 미점유 에너지 레벨의 에너지를 나타낸다.

Description

광전 유기 소자 및 그 제조 방법{OPTOELECTRONIC ORGANIC COMPONENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}

본 특허 출원은 독일 특허 출원 10 2009 047 883.3의 우선권을 청구하고, 그 공개 내용은 참조로 포함된다.

특허청구범위 제1항에 따른 광전 유기 소자가 제공된다.

광전 유기 소자의 제조에 있어 널리 알려진 문제는, 소자의 내측을 향해 있는 전극의 표면에 입자 또는 다른 불순물이 결합할 수 없거나, 표면이 예컨대 금속 첨단(metal peak)을 포함할 수 있다는 것이다. 이는 예컨대 소자 내에서 가능한 국부적 단락 또는 국부적 고오믹(high-ohmic) 전류 경로를 위한 원인일 수 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해 이제까지 사용된 가능성은 표면에 상당한 비용이 드는 세정 공정을 해야 한다는 것이다. 다른 해결 접근법은 전극에 걸쳐 두꺼운 층을 적용하고 예컨대 상기 층이 금속 첨단을 덮는 것이다. 이러한 층에서는 물론, 전류 전압 특성선에 통계상의 산포도(dispersion)가 있다는 문제가 발생한다. 이에 대한 이유는, 예컨대 불순물에 의해 야기된 국부적 층 두께 편차이다. 이로부터, 다시 저항 편차가 발생할 수 있고, 저항 편차는 공정 안정성에 부정적으로 작용한다.

본 발명의 실시예의 과제는, 광전 유기 소자를 제공하는 것으로, 상기 소자의 경우, 다수의 소자가 있을 때 전류 전압 특성선에서 통계상의 산포도가 줄어든다.

상기 과제는 특허청구범위 제1항에 따른 광전 유기 소자에 의하여 해결된다. 광전 유기 소자의 부가적 실시예는 부가적 종속항의 주제이다.

본 발명의 일 실시예는 광전 유기 소자에 관한 것으로, 상기 소자는: 제1전극, 제1전극 상에 배치된 제1평탄화층, 평탄화층 상에 배치된 제1주입층, 주입층 상에 배치된 유기 기능층, 유기 기능층 상에 배치된 제2전극을 포함하고, 이때 제1전극이 애노드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_F-E_HOMO _, _Inj _.≤ E_F-E_HOMO _, _Plan _.및 E_F-E_HOMO, _Inj _.< E_F-E_HOMO _, _Funk _.가 적용되고, 또는, 제1전극이 캐소드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_LUMO _, _Inj _.-E_F ≤ E_LUMO _, _Plan _.-E_F 및 E_LUMO _, _Inj _.-E_F < E_LUMO _, _Funk _.-E_F 가 적용되고, 이때 E_F는 페르미 에너지를 나타내고, E_HOMO는 각각의 층의 최고 점유 에너지 레벨의 에너지를 나타내며, E_LUMO는 각각의 층의 최저 미점유 에너지 레벨의 에너지를 나타낸다.

이때 바람직하게는, 제1전극이 애노드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_F-E_HOMO, _Inj _.< E_F-E_HOMO _, _Plan _.및 E_F-E_HOMO _, _Inj _.< E_F-E_HOMO _, _Funk _.가 적용되고, 또는 제1전극이 캐소드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_LUMO _, _Inj _.-E_F < E_LUMO _, _Plan _.-E_F 및 E_LUMO _, _Inj _.-E_F < E_LUMO _, _Funk _.-E_F 가 적용된다.

제1평탄화층을 제1주입층과 목적에 맞게 조합함으로써, 전류 전압 특성선에서 통계학적 산포도가 명백하게 감소할 수 있다. 제1평탄화층, 제1주입층, 유기 기능층의 에너지 레벨을 목적에 맞게 동조시킴으로써, 내부 저장부가 형성된다. 광전 유기 소자의 구동 시 제1전극으로부터 배출된 전하 캐리어는 제1평탄화층을 통해 제1주입층 안으로 이동한다. 에너지 레벨로 인하여, 제1주입층 내에 전위 우물이 형성되고, 상기 전위 우물 내에 전하 캐리어들이 모일 수 있다. 주입층의 전위 우물에 의해 형성된 내부 저장부로 인하여, 전극 또는 평탄화층의 국부적 저항 편차가 균일화될 수 있다. 상기 저장부는 광전 유기 소자의 내부에 위치하며, 즉 소자의 두 전극 사이에 위치한다. 이로써, 소자의 내부에서 전하 캐리어 수송은 안정화되며, 경우에 따라 발생하는 장(field) 편차 및 저항 편차는 균일화될 수 있다. 전위 우물은 어떤 의미에서는 전하 캐리어를 위한 고유의 소스를 나타내며, 상기 소스는, 소자의 구동 동안 전하 캐리어를 일정한 양으로 소정의 면에서 상기 면 다음에 이어진 유기 기능층으로 배출할 수 있다. 따라서, 전극의 내측에서 가능한 불순물 또는 금속 첨단에도 불구하고 소자 내에서 안정적인 전하 수송이 달성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1전극이 애노드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_F-E_HOMO _, _Plan _.< E_F-E_HOMO _, _Funk _.가 적용되고, 또는 제1전극이 캐소드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_LUMO _, _Funk _.-E_F < E_LUMO _, _Plan _.-E_F 가 적용된다.

에너지 레벨을 적절하게 동조시킴으로써, 전위 우물의 "측벽"의 높이가 결정될 수 있다. 측벽의 높이는 에너지적으로, 전하 캐리어가 이후의 인접한 층에 도달하기 위해 극복해야만 하는 저항을 제공한다. 이 저항을 충분히 높게 선택하면, 이를 통해, 전위 우물 내에서 충분히 전하 캐리어가 수집되는 것이 보장되고, 이는, 어느 경우에도 전하 캐리어가 주입층 내에서 상기 주입층 이후에 후속 층 안에 주입되기 위해 제공된다는 결과를 초래한다. 따라서, 시간에 따르거나/따르고 공간에 따라 균일하며 일정한 전하 캐리어 배출이 달성될 수 있다. 측벽의 높이에 의해, 또한 전위 우물의 전하 캐리어의 "수용량"이 조절될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1전극으로부터 배출된 전하 캐리어는 제1주입층 내에서 축적된다. 이는, 광전 유기 소자의 구동 시 주입층 내에서 전하 캐리어 밀도가, 상기 층에 직접 인접한 층들 내에서보다 더 크다는 것을 의미한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1주입층 내에 축적된 전하 캐리어는 상기 주입층 다음에 이어진 층 안으로 주입된다.

상기 축적된 전하 캐리어가 다음에 이어진 층 안으로 주입되는 것은, 그 위에 후속 층이 지속적으로 그리고 일정하게 전하 캐리어로 공급받는 것을 보장하며, 이로써 전하 수송이 소자 내에서 안정화된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1평탄화층의 저항(R)(R_Plan _.), 제1주입층의 저항(R_Inj _.)을 위해, 그리고 제1평탄화층과 제1주입층 사이의 접촉에 의한 경계면 저항(R_Kontakt _, _Inj _.) 및 제1주입층과 유기 기능층 사이의 접촉에 의한 경계면 저항(R_Kontakt _{, Funk.})을 위해 조건: R_Plan _.+ R_Kontakt _, _Inj _.≤ R_Inj _.+ R_Kontakt _, _Funk _.가 적용된다.

이때 평탄화층의 저항은 바람직하게는 주입층의 저항의 범위 내에 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1주입층은 1 내지 20 nm의 층 두께를 가진다.

이때 1 내지 3 nm의 범위가 바람직하다. 이미 매우 얇은 주입층은 전하 캐리어 수송의 현저한 안정화에 기여할 수 있다. 이는, 이미 더 두꺼운 평탄화층 상에 한번 더 매우 두꺼운 층이 적용될 필요가 없다는 이점이 있으며, 이는 소자의 총 두께와 관련하여 소자의 현저한 확대를 초래할 것이다.

다른 바람직한 범위는 3 내지 20 nm이다. 상기 두께의 층은 전하 수송과 관련하여 매우 양호한 안정화 특성을 가진다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1주입층이 도핑되어 있다. 제1전극이 애노드인 경우, 제1주입층은 바람직하게는 p형 도핑되어 있다. 제1전극이 캐소드인 경우, 주입층은 바람직하게는 n형 도핑되어 있다.

주입층의 도핑에 의해, 예컨대 상기 주입층의 에너지 레벨이 목적에 맞게 조절될 수 있다. 또한, 도핑에 의해 전하 캐리어 수송 또는 주입층 내에서 전하 캐리어 축적이 개선될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 도핑재료는 MoO₂, MoO₃, WO₃, ReO₃, Re₂O₇, V₂O₅ 로부터 선택된다. 상기 도핑재료는 바람직하게는 p형 도펀트로서 사용된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1주입층은 Alq₃ (LUMO -3.1 eV), BCP (LUMO -2.9 eV) , Bphen (LUMO -2.9 eV) , NTCDA (LUMO -4.0 eV), ZnPc, THAP (LUMO -4.6 eV)로부터 선택된 매트릭스 물질을 포함한다. 이때, 매트릭스 물질은 Li, Cs, BEDT-TTF, Pyronin-B-chlorid, Cs₂CO₃, Ru(terpy)₂, CoCp₂ 중 하나의 재료로 n형 도핑되어 있다. 이때, "LUMO"는 최저 미점유 분자 궤도를 나타낸다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1주입층은 4, 4', 4"- 트리스 (N- (1-나프틸) -N-페닐-아미노) 트리페닐아민(4,4',4"- Tris(N-(l-naphthyl)-N-phenyl-amino)triphenylamin), 프탈로시아닌-구리착물(Phthalocyanine-copper complex), 4, 4', 4" -트리스 (N-3-메틸페닐-N-페닐-아미노) 트리페닐아민(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)triphenylamin), N,N' -비스 (나프탈렌-1-일) -N,N' - 비스 (페닐) -벤지딘(N,N'-Bis(naphthalen-1-yl)-N,N'bis(phenyl)-benzidin), 2,2',7,7'-테트라키스 (N,N -디페닐아미노) - 9, 9' -스피로비플루오렌(2,2',7,7'-Tetrakis(N,N-diphenylamin)-9,9'-spirobifluoren), 디-[4- (N,N -디톨일-아미노) - 페닐]사이클로헥산(Di-[4-(N,N-ditolyl-amino)phenyl] cyclohexan), N,N' -비스 ( 3-메틸페닐 ) -N,N' -비스 (페닐) - 벤지딘(N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidin)으로부터 선택된 재료를 포함한다.

이하의 표 1에는 각각의 물질의 각 최대 점유 분자 궤도(HOMOs)의 에너지 레벨이 상술되어 있다.

4, 4', 4"- 트리스 (N- (1-나프틸) -N-페닐-아미노) 트리페닐아민	-5.0 eV
프탈로시아닌-구리착물	-5.2 eV
4 , 4 ', 4 ' ' -트리스 (N-3-메틸페닐-N-페닐-아미노) 트리페닐아민	-5.0 eV
N,N' -비스 (나프탈렌-1-일) -N,N' - 비스 (페닐) -벤지딘	-5.5 eV
2,2',7,7'-테트라키스 (N,N -디페닐아미노) - 9, 9' -스피로비플루오렌	-5.4 eV
디-[4- (N,N -디톨일-아미노) - 페닐] 사이클로헥산	-5.5 eV
N,N' -비스 ( 3-메틸페닐 ) -N,N' -비스 (페닐) - 벤지딘	-5.57 eV

HOMO의 상태는 예컨대 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry)을 이용하여 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1주입층은 PEDOT:PSS, 폴리 (9-비닐카르바졸)(Poly(9-vinylcarbazol)), 폴리 (N, N' -비스 (4- 부틸페닐 ) -N, N' -비스 (페닐) -벤지딘(Poly(N,N'-bis(4-butylphenyl)- N,N'-bis(phenyl)-benzidin), 폴리 ( 3- 헥실티오펜)(Poly(3-hexylthiophen)) , 폴리아닐린(Polyanilin)으로부터 선택된 재료를 포함한다.

이하의 표 2에는 이러한 재료들 중 3개의 재료를 위한 HOMO 영역이 제공되어 있다:

PEDOT:PSS	-5.0 내지 -5.9 eV
폴리 (N, N' -비스 (4- 부틸페닐 ) -N, N' -비스 (페닐) -벤지딘	-5.1 내지 -5.17 eV
폴리 ( 3- 헥실티오펜)	-5.23 eV

개별층들의 정확한 에너지 레벨값은 상기 개별층의 각각의 도핑에 의해 조절될 수 있다. 따라서, 제1주입층 및 제1평탄화층을 위해 동일한 매트릭스 물질이 사용될 수 있고, 상기 매트릭스 물질의 정확한 에너지 레벨은 예컨대 도핑 재료를 이용하여 조절될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1평탄화층은 PEDOT:PSS, PEDOT계 물질, 폴리(9- 비닐카르바졸) , 폴리 (N, N' -비스 (4-부틸페닐) -N, N' - 비스 (페닐) -벤지딘, 폴리 ( 3-헥실티오펜) , 폴리아닐린으로부터 선택된 재료를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1평탄화층은 무기 평탄화층을 포함한다. 상기 평탄화층은 InO, GaO, ZnO, SnO, MoO, VO, SbO, Bio, ReO, TaO, WO, NbO, NiO로부터 선택된 재료를 포함할 수 있다.

제1주입층 또는 제1평탄화층의 에너지 레벨을 인식하여, 상기 층은 도핑 및/또는 물질 선택 및 물질 혼합에 의해 서로 동조될 수 있어서, 에너지 레벨은 앞서 설명한 상호간 비율로 존재한다. 이에 상응하는 것은, 제1주입층 및 유기 기능층의 에너지 레벨의 동조를 위해 적용된다.

상술된 재료는 전극 상에 평탄화층으로서 또는 평탄화층 상에 주입층으로서 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1평탄화층은 제1전극 상에 직접 배치되어 있다. 제1평탄화층의 두께는 제1전극 상의 비균일한 부분의 높이보다 더 크다. 이를 통해, 제1평탄화층을 이용하여 제1전극 상의 비균일한 부분이 균일화될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서 광전 유기 소자는 부가적으로: 제2전극과 유기 기능층 사이에 배치된 제2평탄화층, 제2평탄화층과 유기 기능층 사이에 배치된 제2주입층을 포함한다.

상기 실시예에서, 두 전극은 각각 하나의 평탄화층을 포함하고, 두 평탄화층과 유기 기능층 사이에 각각 하나의 주입층이 배치되어 있다. 이를 통해, 유기 기능층으로, 캐소드로부터 전극의 배출 및 애노드로부터 정공의 배출은 주입층에 의해 각각 안정화된다. 따라서, 이러한 실시예는 매우 안정적인 전하 캐리어 수송을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서 광전 유기 소자는 전계 발광 소자로서 형성되어 있다.

이때, 예컨대 유기발광다이오드(OLED)를 다루는 것일 수 있다. OLED를 형성할 수 있는 층 스택(stack of layers)은 애노드 및 캐소드를 포함한다. 상기 애노드 및 캐소드로부터, 전압의 인가에 의해 정공 또는 전극이 배출되고, 이들은 각각 다른 전극의 방향으로 이동한다. 전하 캐리어는 예컨대, 상기 전하 캐리어가 광발광 층 내에서 충돌하기 전에, 우선 정공- 또는 전자 수송층을 통해 이동한다. 상기 광발광층에서 전자는 정공과 함께 여기자를 형성한다. 여기자는 방출층 내에 위치한 발광재료를 복사 방출을 위해 여기시킬 수 있다. OLED는 유기 기능층을 포함할 수 있고, 유기 기능층은 예컨대 광방출 전하 캐리어 차단층 또는 전하 캐리어 수송층 또는 이들의 조합을 가리킬 수 있다.

본 발명의 다른 적어도 일 실시예는 광전 유기 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

광전 유기 소자의 제조를 위한 일 실시예에서 상기 방법은 방법단계: A) 제1전극의 제공, B) 제1전극 상에 제1평탄화층의 적용, C) 제1평탄화층 상에 제1주입층의 적용, D) 제1주입층 상에 유기 기능층의 적용, E) 유기 기능층 상에 제2전극의 적용을 포함하며, 이때 제1전극이 애노드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_F-E_HOMO,Inj.≤ E_F-E_HOMO _, _Plan _.및 E_F-E_HOMO _, _Inj _.< E_F-E_HOMO _, _Funk _.가 적용되고, 또는, 제1전극이 캐소드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_LUMO _, _Inj _.-E_F ≤ E_LUMO _, _Plan _.-E_F 및 E_LUMO _{, Inj.}-E_F < E_LUMO _, _Funk _.-E_F 가 적용되고, 이때 E_F는 페르미 에너지를 나타내고, E_HOMO는 각각의 층의 최고 점유 에너지 레벨의 에너지를 나타내며, E_LUMO는 각각의 층의 최저 미점유 에너지 레벨의 에너지를 나타낸다.

또한, 본 방법은 앞서 열거한 하나 이상의 특징들을 가진 광전 유기 소자를 제조할 수 있게 하는 특징 및 단계를 포함할 수 있다.

제1평탄화층은 방법단계 B)에서 제1전극 상에 가스상 증착을 이용하거나 습식화학적 공정을 이용하여 적용될 수 있다. 제1평탄화층에 의해, 세정에도 불구하고 아직 전극 상에 있을 수 있는 예컨대 먼지, 유리, 금속, 또는 유기 입자와 같은 불순물이 덮인다. 또한, 제1평탄화층은, 상기 제1평탄화층이 전극의 금속 첨단을 둘러싸고 덮어 씌울만한 두께로 적용되며, 상기 금속 첨단은 예컨대 제1전극의 제조를 위한 스퍼터링 기술에 의해 발생할 수 있다. 이를 통해, 광전 유기 소자의 구동 시 형성된 전기장의 경우에 따른 과도한 장 증가는 전극들 사이에서 감쇄되고, 따라서 상기 불순물의 전기적 영향이 줄어든다. 방법단계 C)에서 제1주입층의 적용 및 방법단계 D)에서 적합한 에너지 레벨로 유기 기능층의 적용에 의해, 앞에 언급한 형태로 전위 우물이 형성된다. 제1주입층 뿐만 아니라 유기 기능층은 가스상 증착뿐만 아니라 습식화학적 공정을 이용하여 적용될 수 있다.

방법의 다른 변형예에서, 방법단계 C)에서 제1주입층은 습식화학적 방법을 이용하여 적용된다.

방법의 다른 변형예에서, 방법단계 B)에서 제1평탄화층은 습식화학적 방법을 이용하여 적용된다.

방법의 다른 변형예에서, 방법단계 D)에서 유기 기능층은 습식화학적 방법을 이용하여 적용된다.

습식화학적 공정을 투입함으로써, 공정 비용이 절감될 수 있다. 층들은 예컨대 스핀코팅방법, 나이프 코팅(knife coating)방법 또는 인쇄방법에 의해 적용될 수 있다. 이를 위해 예컨대 용제계 유기 물질이 사용될 수 있다.

또는, 제1주입층, 제1평탄화층 및 유기 기능층은 각각 서로 무관하게 가스상으로 증착될 수 있다.

방법의 다른 실시예에서, 방법은 부가적으로 방법단계:

F) 유기 기능층 상에 제2주입층의 적용, G) 제2주입층 상에 제2평탄화층의 적용을 포함한다.

이때, 단계 F), G)는 방법단계 E)전에 실시된다.

부가적 단계 F), G)를 포함한 방법에 따라 제조된 소자는 두 전극 상에서 각각 유기 기능층을 향한 쪽에서 평탄화층 및 주입층을 포함한다.

방법의 다른 변형예에서, 방법단계 F)에서 제2주입층은 습식화학적 방법을 이용하여 적용된다.

방법의 다른 변형예에서, 방법단계 G)에서 제2평탄화층은 습식화학적 방법을 이용하여 적용된다.

또는, 제2주입층, 제2평탄화층은 각각 서로 무관하게 가스상으로 증착될 수 있다.

본 발명의 다른 이점, 유리한 실시예 및 발전방식은 이하 도 1a 내지 6b와 관련하여 설명된 실시예로부터 도출된다.

도 1a 내지 d는 본 발명의 실시예의 개략적 횡단면도를 각각 도시한다.
도 2a 내지 d는 본 발명의 실시예의 개략적 횡단면도를 각각 도시하되, 상기 실시예는 제2평탄화층 및 제2주입층을 포함한다.
도 3a 내지 b는 본 발명의 실시예의 광전 유기 소자 내에서 관련된 층들의 에너지 도식을 각각 도시한다.
도 4는 유기 소자의 5개의 전류 전압 특성선을 도시한다.
도 5a, b는 일 실시예에 따른 본 발명에 따른 소자와 본 발명에 따르지 않으며 제1폴리머를 포함한 소자의 특성선을 비교하는 대조도를 도시한다.
도 6a, b는 일 실시예에 따른 본 발명에 따른 소자와 본 발명에 따르지 않으며 제2폴리머를 포함한 소자의 특성선을 비교하는 대조도를 도시한다.

도 1a 내지 d는 본 발명에 따른 실시예를 개략적 횡단면도로 각각 도시한다. 층 스택 옆에서 각 좌측의 화살표(9)는 층들이 포개어져 적용되는 순서를 제공한다. 상기 순서는 예컨대 앞에 설명한 방법 중 하나에 따라 방법 단계 A) 내지 E)에서 실시할 수 있다. 소자 상부 또는 하부의 블록 화살표(10)는 각각의 소자의 광 방출 방향을 나타낸다. 4개의 각각의 실시예는 제1전극(1)을 가진 층 시퀀스를 포함하고, 제1전극은 상기 전극의 표면에 비균일한 부분(6)을 포함하고, 상기 비균일한 부분은 전극 표면의 불순물 또는 표면 구조에 의해 형성될 수 있다. 상기 비균일한 부분은 그 위에 배치된 제1평탄화층(2)에 의해 덮어씌워지고 따라서 균일화된다. 그 후, 제1평탄화층(2) 다음에 각각 상기 제1평탄화층보다 더 얇은 제1주입층(3)이 배치된다. 그 위에 이어진 유기 기능층(4)과 함께, 제1주입층(3) 내에서 물질의 적합한 선택에 의해 일반 설명부에 설명한 방식으로 전위 우물이 형성된다. 또한, 층시퀀스는 제2전극(5)을 더 포함한다.

도 2a 내지 d는 본 발명의 실시예의 개략적 횡단면도를 각각 도시하되, 상기 실시예는 도 1a 내지 d에 도시된 바와 같은 실시예에 비해 부가적으로 제2평탄화층(2') 및 제2주입층(3')을 더 포함한다. 이들은 예컨대 앞에 열거한 방법 단계 F), G)에 의해 형성될 수 있다. 제2평탄화층(2')은 각각 제2전극(5)과 제2주입층(3') 사이에 배치되어 있다. 제2주입층(3')은 각각 제2평탄화층(2')과 유기 기능층(4) 사이에 배치되어 있다.

유기 기능층(4)은 예컨대 광방출 전하 캐리어 차단층 또는 전하 캐리어 수송층 또는 이들의 조합을 가리킬 수 있다.

제1 및/또는 제2전극(1, 5)은 각각 서로 무관하게, 스퍼터링되거나 열에 의해 증발(evaporation)되거나 용액으로부터 처리된 전극을 가리킬 수 있다.

도 3a, 3b는 제1평탄화층(2), 그 위에 이어진 제1주입층(3) 및 유기 기능층(4)의 에너지 도해를 각각 도시한다. 상부 절반에는 접촉 형성 이전의 에너지 도해가 각각 도시되어 있고, 하부 절반에는 각각 개별층들의 접촉 형성 이후에 에너지 도해가 각각 도시되어 있다. 접촉 형성 이후에, 열역학적 균형을 이루면서 전위 우물이 형성된다. E_F는 각각의 도면에서 페르미 에너지를 표시한다.

도 3a에는 최대 점유 분자 궤도(HOMOs)의 에너지 레벨이 도시되어 있다. 전극으로부터, 이 경우 애노드로부터, 좌측에서 정공(7)은 제1평탄화층(2) 안으로 배출된다. 개별층들의 접촉 형성에 의해, 제1주입층(3) 내에 전위 우물이 형성되고, 상기 전위 우물 내에 정공(7)이 이제 축적될 수 있다. 이제, 전위 우물로부터 그 위에 이어진 유기 기능층(4) 안으로 배출이 이루어질 수 있다. 이는 인접한 유기 기능층(4)에 정공(7)을 균일하고 지속적으로 공급하는 것을 보장하며, 이는 소자 내에서 전하 수송의 안정화를 위해 기여한다.

도 3b에는 이제 최저 비점유 분자 궤도(LUMOs)의 에너지 레벨이 도시되어 있다. 여기서 이제 우측에서 전극으로부터, 이 경우 캐노드로부터, 전자(8)는 제1평탄화층(2) 안으로 주입된다. 여기서도, 다시 물질의 적합한 선택에 의해 제1주입층(3) 내에 전위 우물이 형성되고, 이로써 전자(8)가 상기 제1주입층 내에 모인다. 전위 우물로부터 이제 전자(8)는 유기 기능층(4) 안에 배출될 수 있다.

도 4에는 5개의 서로 다른 소자를 위한 5개의 전류 전압 특성선(로마숫자 I 내지 V로 표시됨)이 도시되어 있다. 인가된 전압(U)에 대한 전류 밀도(J)가 각각 도시되어 있다. 소자는 전하 캐리어로서 주로 정공을 포함하는 소자(소위 "Hole-only-소자")를 가리킨다. 상기 소자는 이하의 구성을 가진다: ITO 애노드, 동시에 정공 주입층(HIL)으로서도 역할하는 120 nm두께의 제1평탄화층, 경우에 따라서 p형 도핑된 20 nm두께의 주입층, N,N'-디(나프트-1-일)-N,N'-디페닐-벤지딘(N,N'-Di(naphth-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidin)(NPB)으로 이루어진 100 nm두께의 유기 기능층 그리고 Al-캐소드. 특성선(I, II)을 채용하는 소자는 각각 제1주입층을 포함하지 않으며, 즉 본 발명에 따르지 않은 소자이다. 반면, 특성선(III,IV)을 채용하는 소자는 소자이면서 주입층을 포함한다. 특성선(I, III)의 소자를 위해, 제1평탄화층 및 제1주입층을 위해 각각 동일한 폴리머가 선택되었다. 이에 상응하는 것은 특성선(II 또는 IV)을 채용한 소자에도 적용된다. 따라서, 특성선(I, III 또는 II, IV)을 채용하는 소자는 각각 제1주입층의 부재 또는 현존에 의해서만 구별된다. 특성선(V)을 채용한 소자는 제1평탄화층도 제1주입층도 포함하지 않는다. 도면으로부터 추론할 수 있는 바와 같이, 평탄화층만 포함하고 주입층은 포함하지 않는 소자의 특성선은 우측에서 상이하게 진행하는 반면, 평탄화층 및 주입층을 포함한 소자를 위한 특성선은 1 내지 7 volt의 범위에서 거의 합동으로 진행한다.

도 5a, 5b 또는 6a, 6b에는 각각 구조가 동일한 32개의 소자를 위한 전류 전압 특성선이 도시되어 있다. 이때, 전압(U)에 대한 전류 밀도(J)가 도시되어 있다. 각각의 도면에는, 32개의 소자를 위한 특정한 측정점에 존재하는 산포도가 제공되어 있다. 측정된 소자는 각각 4 ㎟의 활성면을 포함한다. 소자들은 각각 백색 방출 OLED를 가리킨다.

도 5a, 6a에 도시된 소자는 각각 본 발명에 따른 소자를 가리킨다. 상기 소자는 각각 이하의 구성을 포함한다: ITO 애노드, 100 nm 두께의 제1평탄화층, 20 nm 두께의 제1주입층, 90 nm 두께의 유기 기능층, Al 캐소드. 도 5a 또는 6a에서 측정된 두 소자는, 평탄화층 및 주입층을 위해 사용된 폴리머에 있어서만 구별된다.

반면, 도 5b, 6b에는 본 발명에 따른 소자가 측정되어 있다. 상기 소자의 구성은 도 5a 또는 6a에 도시된 본 발명에 따른 소자에 비해, 제1평탄화층과 제1주입층의 조합 대신 120 nm두께의 평탄화층만 사용되었다는 점에서 달라졌다. 상기 평탄화층의 두께는 제1평탄화층 및 제1주입층으로 구성된 본 발명에 따른 소자의 층 두께의 합에 상응한다. 도 5a, 5b에 측정된 소자의 경우, 평탄화층을 위해 각각 동일한 폴리머가 사용되었다. 이는 마찬가지로 도 6a, 6b의 소자를 위해서도 상응하게 적용된다.

그래프로부터 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 두 실시예는 전류 밀도가 약 1mA/㎠일 때, 도 5b 또는 6b에 도시되며 제1주입층을 제공하지 않는 본 발명에 따르지 않은 소자에 비해, 현저히 더 작은 산포도를 가진다. 따라서, 제1평탄화층을 제1주입층과 목적에 맞게 조합함으로써, 전류 전압 특성선 흐름에서 통계학적 산포도가 명백하게 감소할 수 있음을 분명히 인식할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 소자는 3V와 4V 사이의 통상적 구동 전압의 범위에서, 주입층을 포함하지 않으며 본 발명에 따르지 않은 소자에 비해 현저히 개선된 공정 안정성을 포함한다.

본 발명은 실시예에 의거한 설명에 의하여 한정되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각 조합을 포함하고, 이러한 점은 특히, 상기 특징 또는 상기 조합이 그 자체로 명백하게 특허청구범위 또는 실시예에 제공되지 않더라도, 특허청구범위에서의 특징들의 각 조합을 포괄한다.

Claims

제1전극(1), 제1전극(1) 상에 배치된 제1평탄화층(2), 평탄화층(2) 상에 배치된 제1주입층(3), 주입층(3) 상에 배치된 유기 기능층(4), 유기 기능층(4) 상에 배치된 제2전극(5)을 포함하는 광전 유기 소자에 있어서,
제1전극(1)이 애노드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_F-E_HOMO _, _Inj _.≤ E_F-E_HOMO,Plan.및 E_F-E_HOMO _, _Inj _.< E_F-E_HOMO _, _Funk _.가 적용되거나, 또는,
제1전극(1)이 캐소드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_LUMO _, _Inj _.-E_F ≤ E_LUMO,Plan.-E_F 및 E_LUMO _, _inj _.-E_F < E_LUMO _, _Funk _.-E_F 가 적용되고,
E_F는 페르미 에너지(Fermi energy)를 나타내고, E_HOMO는 각 층의 최대 점유 에너지 레벨의 에너지를 나타내고, E_LUMO는 각 층의 최저 미점유 에너지 레벨의 에너지를 나타내는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 1에 있어서,
제1전극(1)이 애노드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_F-E_HOMO _, _Plan _.< E_F-E_HOMO,Funk.가 적용되거나, 또는
제1전극(1)이 캐소드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_LUMO _, _Funk _.-E_F < E_LUMO,Plan.-E_F가 적용되는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
제1전극(1)으로부터 배출된 전하 캐리어는 제1주입층(3) 내에 축적되는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 3에 있어서,
제1주입층(3) 내에 축적된 후의 전하 캐리어는 후속 층(subsequent layer) 안에 주입되는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
제1평탄화층(2)의 저항(R)(R_Plan _.) 및 제1주입층(3)의 저항(R_Inj _.)을 위해, 그리고 제1평탄화층(2)과 제1주입층(3) 사이의 접촉에 의한 경계면 저항(R_Kontakt _, _Inj _.) 및 제1주입층(3)과 유기 기능층(4) 사이의 접촉에 의한 경계면 저항(R_Kontakt _, _Funk _.)을 위해 조건: R_Plan _.+ R_Kontakt _, _Inj ≤ R_Inj _.+ R_Kontakt _, _Funk _.이 적용되는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
제1주입층(3)은 층 두께가 1 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
제1주입층(3)은 도핑되는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 7에 있어서,
도핑 재료는 MoO₂, MoO₃, WO₃, ReO₃, Re₂O₇, V₂O₅로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
제1주입층(3)은:
4,4',4"-트리스(N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노)트리페닐아민((4,4',4"- Tris(N-(l-naphthyl)-N-phenyl-amino)triphenylamin));
프탈로시아닌-구리착물(Phthalocyanine-copper complex);
4,4',4"-트리스(N-3-메틸페닐-N-페닐-아미노)트리페닐아민(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)triphenylamin);
N,N'-비스(나프탈렌-1-일)-N,N'-비스(페닐)-벤지딘(N,N'-Bis(naphthalen-1-yl)-N,N'bis(phenyl)-benzidin);
2,2',7,7'-테트라키스(N,N-디페닐아민)-9,9'-스피로비플루오렌(2,2',7,7'-Tetrakis(N,N-diphenylamin)-9,9'-spirobifluoren);
디-[4-(N,N-디톨일-아미노)-페닐]사이클로헥산(Di-[4-(N,N-ditolyl-amino)phenyl]cyclohexan); 및
N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-벤지딘(N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidin)
으로부터 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
제1주입층(3)은:
PEDOT:PSS;
폴리(9-비닐카르바졸)(Poly(9-vinylcarbazol));
폴리(N,N'-비스(4-부틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-벤지딘(Poly(N,N'-bis(4-butylphenyl)- N,N'-bis(phenyl)-benzidin);
폴리(3-헥실티오펜)(Poly(3-hexylthiophen)); 및
폴리아닐린(Polyanilin)
으로부터 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
제1평탄화층(2)은 PEDOT:PSS, PEDOT계 물질, 폴리(9-비닐카르바졸), 폴리(N,N'-비스(4-부틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-벤지딘, 폴리(3-헥실티오펜), 폴리아닐린으로부터 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
광전 유기 소자는 제2전극(5)과 유기 기능층(4) 사이에 배치된 제2평탄화층(2'), 및 제2평탄화층(2')과 유기 기능층(4) 사이에 배치된 제2주입층(3')을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
광전 유기 소자는 전계 발광 소자로서 형성된 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자.
광전 유기 소자의 제조 방법에 있어서,
A) 제1전극(1)을 제공하는 단계,
B) 제1전극(1) 상에 제1평탄화층(2)을 적용하는 단계,
C) 제1평탄화층(2) 상에 제1주입층(3)을 적용하는 단계,
D) 제1주입층(3) 상에 유기 기능층(4)을 적용하는 단계, 및
E) 유기 기능층(4) 상에 제2전극(5)을 적용하는 단계를 포함하고,
제1전극(1)이 애노드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_F-E_HOMO _, _Inj _.≤ E_F-E_HOMO,Plan.및 E_F-E_HOMO _, _Inj _.< E_F-E_HOMO _, _Funk _.가 적용되거나, 또는,
제1전극(1)이 캐소드를 가리키는 경우, 에너지 레벨에 대해 E_LUMO _, _Inj _.-E_F ≤ E_LUMO,Plan.-E_F및 E_LUMO _, _inj _.-E_F < E_LUMO _, _Funk _.-E_F가 적용되고,
E_F는 페르미 에너지(Fermi energy)를 나타내고, E_HOMO는 각 층의 최대 점유 에너지 레벨의 에너지를 나타내고, E_LUMO는 각 층의 최저 미점유 에너지 레벨의 에너지를 나타내는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자 제조 방법.
청구항 14에 있어서,
제1주입층(3)은 단계 C)에서 습식 화학적 방법을 이용하여 적용되는 것을 특징으로 하는 광전 유기 소자 제조 방법.