KR20130115027A - 엑시플렉스를 형성하는 공동 호스트를 포함하는 유기 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

바닥전극; 상기 바닥전극과 대향된 상부전극; 및 상기 바닥전극과 상기 상부전극 사이에 개재된 유기층으로서, 엑시플렉스를 형성하는 ⅰ) 정공 수송성 호스트와 ⅱ) 전자 수송성 호스트, 및 상기 정공 수송성 호스트의 삼중항 에너지, 상기 전자 수송성 호스트의 삼중항 에너지 및 상기 엑시플렉스의 삼중항 에너지보다 작은 삼중항 에너지를 갖는 ⅲ) 인광 도펀트를 포함하는 유기층;을 포함하는 유기 발광 소자가 제공된다.

Description

엑시플렉스를 형성하는 공동 호스트를 포함하는 유기 발광 소자{Organic light-emitting diode comprising exciplex forming co-host}
본 발명은 엑시플렉스를 형성하는 공동 호스트를 포함하는 유기 발광 소자에 관한 것으로서, 상세하게는 발광층에 엑시플렉스를 형성하는 호스트 및 형광 또는 인광 도펀트를 사용한 유기 발광 소자에 관한 것이다. 상기 유기 발광 소자는 유기 발광 조명 또는 유기 발광 디스플레이 장치에 사용될 수 있다.
유기 발광 소자(organic light emitting diode)는 자발광형 소자로서 시야각이 넓고 콘트라스트가 우수할 뿐만 아니라, 응답시간이 빠르며, 휘도, 구동전압 및 응답속도 특성이 우수하고 다색화가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
유기 발광 소자의 구동 원리는 다음과 같다. 상부전극 및 바닥전극 간에 전압을 인가하면, 바닥전극으로부터 주입된 정공이 정공 수송층을 경유하여 발광층으로 이동하고 상부전극으로부터 주입된 전자는 전자 수송층을 경유하여 발광층으로 이동한다. 상기 정공 및 전자(캐리어)는 발광층 영역에서 재결합하여 엑시톤(exciton)을 생성하고 이 엑시톤이 여기 상태에서 기저상태로 변하면서 광이 방출된다.
유기 발광 소자의 성능은 매우 발전하여 최근에는 외부양자효율이 29%인 소자뿐만 아니라 롤-오프(roll-off)가 매우 낮은 소자도 발표되었다. 하지만 일반적인 유기 발광 소자의 구동 전압은 아직도 이론적인 값보다 매우 높은 편인데, 이렇게 구동전압이 매우 높게 형성되는 이유는 유기 발광 소자가 바닥전극/정공주입층/정공수송층/발광층/전자수송층/전자주입층/상부전극 순으로 적층된 구조를 가져 각 전극과 유기층 사이 및/또는 유기층들 사이에서 전자 및/또는 정공의 주입 장벽이 생기기 때문인 것으로 알려져 있다. 그리하여 구동전압을 낮추기 위해 에너지 장벽을 낮추거나 없애고 전자와 정공의 전달이 균형을 이루도록 하는 시도가 있었으나 이 경우에도 여전히 발광효율이 낮고 고휘도에서 롤-오프(roll-off)가 크며 구동전압은 이론적인 값에 비하여 매우 높은 편이다.
이와 같이, 종래의 유기 발광 소자는 구동전압과 발광효율이 동시에 만족스러운 수준에 도달하지 못하여 이를 해결하기 위한 다양한 기술이 필요한 실정이다.
상기 언급한 바와 같은 문제를 해결하고자, 발광효율이 우수하고 구동전압은 낮은 유기 발광 소자를 제공하고자 한다.
일 측면에 따라, 바닥전극; 상기 바닥전극과 대향된 상부전극; 및 상기 바닥전극과 상기 상부전극 사이에 개재된 유기층으로서, 엑시플렉스를 형성하는 ⅰ) 정공 수송성 호스트와 ⅱ) 전자 수송성 호스트, 및 상기 정공 수송성 호스트의 삼중항 에너지, 상기 전자 수송성 호스트의 삼중항 에너지 및 상기 엑시플렉스의 삼중항 에너지보다 작은 삼중항 에너지를 갖는 ⅲ) 인광 도펀트를 포함하는 유기층;을 포함하는 유기 발광 소자가 제공된다.
상기 정공 수송성 호스트 및 상기 전자 수송성 호스트는 하기 관계식 (1) 및 (2)를 만족할 수 있다:
(1) 정공 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 > 0.2eV,
(2) 정공 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 > 0.2eV.
상기 유기층은 발광층을 포함할 수 있다.
상기 유기층은 발광층, 상기 발광층과 상기 바닥전극 사이에 개재된 정공 수송층 및 상기 발광층과 상기 상부전극 사이에 개재된 전자 수송층을 포함하고, 상기 정공 수송성 호스트, 상기 전자 수송성 호스트 및 상기 인광 도펀트는 상기 발광층에 포함될 수 있다.
상기 정공 수송층은 상기 정공 수송성 호스트와 동일한 정공 수송성 물질을 포함할 수 있고, 상기 전자 수송층은 상기 전자 수송성 호스트와 동일한 전자 수송성 물질을 포함할 수 있다.
상기 정공 수송성 호스트, 상기 전자 수송성 호스트 및 상기 인광 도펀트의 혼합 몰비는 100:30~300:1~100일 수 있다.
상기 정공 수송성 호스트와 상기 전자 수송성 호스트의 조합은 TCTA:B3PYMPM, TCTA:TPBi, TCTA:3TPYMB, TCTA:BmPyPB, TCTA:BSFM, CBP:B3PYMPM 및 NPB:BSFM 중 1종일 수 있다.
다른 일 측면에 따라, 바닥전극; 상기 바닥전극과 대향된 상부전극; 및 상기 바닥전극과 상기 상부전극 사이에 개재된 유기층으로서, 엑시플렉스를 형성하며 상기 엑시플렉스의 일중항 에너지와 삼중항 에너지의 차이가 0.3eV 미만인 ⅰ) 정공 수송성 호스트와 ⅱ) 전자 수송성 호스트, 및 상기 엑시플렉스의 일중항 에너지보다 작은 일중항 에너지를 갖는 ⅲ) 형광 도펀트를 포함하는 유기층;을 포함하는 유기 발광 소자가 제공된다.
상기 정공 수송성 호스트 및 상기 전자 수송성 호스트는 하기 관계식 (1) 및 (2)를 만족할 수 있다:
(1) 정공 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 > 0.2eV,
(2) 정공 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 > 0.2eV.
상기 유기층은 발광층을 포함할 수 있다.
상기 유기층은 발광층, 상기 발광층과 상기 바닥전극 사이에 개재된 정공 수송층 및 상기 발광층과 상기 상부전극 사이에 개재된 전자 수송층을 포함할 수 있고, 상기 정공 수송성 호스트, 상기 전자 수송성 호스트 및 상기 형광 도펀트는 상기 발광층에 포함될 수 있다.
상기 정공 수송층은 상기 정공 수송성 호스트와 동일한 정공 수송성 물질을 포함할 수 있고, 상기 전자 수송층은 상기 전자 수송성 호스트와 동일한 전자 수송성 물질을 포함할 수 있다.
상기 정공 수송성 호스트, 상기 전자 수송성 호스트 및 상기 형광 도펀트의 혼합 몰비는 100:30~300:1~100일 수 있다.
상기 정공 수송성 호스트와 상기 전자 수송성 호스트의 조합은 TCTA:B3PYMPM, TCTA:TPBi, TCTA:3TPYMB, TCTA:BmPyPB, TCTA:BSFM, CBP:B3PYMPM 및 NPB:BSFM 중 1종일 수 있다.
다른 일 측면에 따라, 상기 유기 발광 소자를 포함하는 조명이 제공된다.
다른 일 측면에 따라, 상기 유기 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치가 제공된다.
일 측면에 따른 유기 발광 소자는 엑시플렉스를 형성하는 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트를 사용함으로써 낮은 구동 전압과 높은 발광 효율을 가지고 고휘도에서 고효율 특성을 나타낸다.
다른 일 측면에 따른 디스플레이 장치 또는 조명은 엑시플렉스를 형성하는 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트를 사용한 유기 발광 소자를 포함하여 저전압 고효율 특성이 요구되는 분야에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3a 및 3b는 각각 참고예 1 및 비교참고예 1에 따른 박막의 광발광 스펙트럼(photoluminescent spectrum)을 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 4f는 참고예 2 내지 6에 따른 박막의 광발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1에 따른 유기 발광 소자의 각 층에 대한 최고준위 점유 분자궤도(HOMO) 및 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에 따른 유기 발광 소자의 전압-전류밀도 관계를 나타낸 그래프이고, 도 6b는 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에 따른 유기 발광 소자의 전압-발광휘도 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에 따른 유기 발광 소자의 외부양자효율을 나타낸 그래프이고, 도 7b는 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에 따른 유기 발광 소자의 전력효율을 나타낸 그래프이다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 발광 소자(10)의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
일 구현예에 따른 유기 발광 소자(10)는, 바닥전극(11); 상기 바닥전극(11)과 대향된 상부전극(19); 및 상기 바닥전극(11)과 상기 상부전극(19) 사이에 개재된 유기층(15)으로서, 엑시플렉스를 형성하는 ⅰ) 정공 수송성 호스트와 ⅱ) 전자 수송성 호스트, 및 상기 정공 수송성 호스트의 삼중항 에너지, 상기 전자 수송성 호스트의 삼중항 에너지 및 상기 엑시플렉스의 삼중항 에너지보다 작은 삼중항 에너지를 갖는 ⅲ) 인광 도펀트를 포함하는 유기층(15);을 포함한다.
상기 유기 발광 소자(10)의 바닥전극(11)은 (+) 전압이 인가되는 애노드일 수 있고 상부전극(19)은 (-) 전압이 인가되는 캐소드일 수 있다. 이와 반대로, 바닥전극(11)이 캐소드일 수 있고 상부전극(19)은 애노드일 수도 있다. 편의상, 바닥전극(11)이 애노드이고 상부전극(19)은 캐소드인 경우를 중심으로 설명한다.
상기 유기 발광 소자(10)의 바닥전극(11)과 상부전극(19)에 전압을 인가시키면, 유기층(15)에서 정공은 정공 수송성 호스트에 의해 수송되고 전자는 전자 수송성 호스트에 의해 수송되어 발광층(16)에서 엑시톤이 생성된다. 발광층(16)의 호스트로서 정공 수송 특성을 가진 정공 수송성 호스트와 전자 수송 특성을 가진 전자 수송성 호스트를 혼합하여 사용하기 때문에 정공 및 전자가 발광층(16)으로 주입될 때 에너지 장벽이 없어 구동 전압이 낮아지게 된다.
그러나, 일반적으로 정공을 지닌 정공 수송성 호스트와 전자를 지닌 전자 수송성 호스트가 발광층(16)에서 만나게 되면 정공과 전자가 하나의 호스트 물질 내에 존재하지 않기 때문에 쉽게 엑시톤을 형성하지 못한다. 그 결과 전자 수송성 호스트가 전자를 정공 수송성 호스트에게 건네줌으로써 정공 수송성 호스트 내에서 엑시톤이 형성되거나, 정공 수송성 호스트가 정공을 전자 수송성 호스트에게 건네줌으로써 전자 수송성 호스트가 엑시톤을 형성하게 된다. 또는, 전자 수송성 호스트와 정공 수송성 호스트가 각각 전자와 정공을 도펀트에게 건네줌으로써 도펀트 내에서 엑시톤이 형성되게 된다. 이 경우 하나의 호스트 내에서 엑시톤이 생성될 수 있도록 정공 수송성 호스트 또는 전자 수송성 호스트 사이의 에너지 장벽을 넘어 정공 또는 전자를 건네주거나, 도펀트 내에서 엑시톤이 생성될 수 있도록 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트가 도펀트로 정공과 전자를 건네주기 때문에 구동 전압의 상승이 야기된다.
상기 유기 발광 소자(10)는 유기층(15)에 서로 만나 엑시플렉스를 형성할 수 있는 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트를 공동 호스트로 사용하기 때문에 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트가 그들 간의 에너지 장벽을 넘어 정공 또는 전자를 건네주거나 도펀트로 정공과 전자를 건네주지 않고서도 단지 물리적으로 만나기만 함으로써 엑시플렉스를 형성하여 에너지 전이를 통해 도판트에 엑시톤을 형성 시킬 수 있다.
유기층(15)에서 엑시플렉스를 형성한 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트는 인광 도펀트로 엑시톤을 전달한다. 이러한 엑시톤의 전달이 원활하게 이루어지기 위해, 인광 도펀트의 삼중항 에너지는 정공 수송성 호스트의 삼중항 에너지, 전자 수송성 호스트의 삼중항 에너지 및 엑시플렉스의 삼중항 에너지보다 작아야 한다.
그 결과, 상기 유기 발광 소자(10)는 정공을 가진 정공 수송성 호스트와 전자를 가진 전자 수송성 호스트가 유기층(15)에서 서로 만나면 엑시플렉스를 형성하고 여기서 형성된 엑시플렉스의 에너지가 인광 도펀트로 전달되어 엑시톤이 형성될 수 있으며, 그 후 발광층(16)에서 엑시톤의 재결합이 일어나 발광하게 된다.
이러한 유기 발광 소자(10)는, 공동 호스트를 사용하여 정공 및 전자가 발광층(16)으로 주입될 때 에너지 장벽이 없어지고, 정공 수송성 호스트 또는 전자 수송성 호스트 사이의 에너지 장벽을 넘어 정공 또는 전자를 건네주거나 도펀트로 정공과 전자를 건네주지 않고 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트가 만나 엑시플렉스를 형성하기 때문에, 구동 전압이 낮고 발광효율이 높은 특성을 가진다. 특히 인광 도펀트를 사용하는 경우에 고휘도에서 롤-오프 없이 고효율을 나타낼 수 있다.
상기 정공 수송성 호스트 및 상기 전자 수송성 호스트가 하기 관계식 (1) 및 (2)를 만족시킬 수 있다.
(1) 정공 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 > 0.2eV.
(2) 정공 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 > 0.2eV.
정공 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지와 전자 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지의 차이가 0.2eV보다 큰 경우, 전자가 전자 수송성 호스트로부터 정공 수송성 호스트로 직접 전달되는 과정 없이 엑시플렉스가 원활하게 형성될 수 있다.
또한, 정공 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지와 전자 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지의 차이가 0.2eV보다 큰 경우, 정공이 정공 수송성 호스트로부터 전자 수송성 호스트로 직접 전달되는 과정 없이 엑시플렉스가 원활하게 형성될 수 있다.
상기 유기 발광 소자(10)의 유기층(15)은 발광층(16)을 포함할 수 있다. 유기층(15)에는 정공 수송성 호스트 및 전자 수송성 호스트가 포함되며, 발광층(16)에는 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 인광 도펀트가 포함된다.
상기 유기 발광 소자(10)의 유기층(15)에서 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 인광 도펀트의 혼합 몰비는 100:30~300:1~100일 수 있다. 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 인광 도펀트의 혼합 몰비가 상기 범위를 만족할 경우, 만족스러운 수준의 에너지 전이와 발광이 일어날 수 있다.
예를 들면, 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트의 조합은 TCTA:B3PYMPM, TCTA:TPBi, TCTA:3TPYMB, TCTA:BmPyPB, TCTA:BSFM, CBP:B3PYMPM 및 NPB:BSFM 중 1종일 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
도 2는 다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자(20)의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자(20)는, 바닥전극(21); 상기 바닥전극(21)과 대향된 상부전극(29); 및 상기 바닥전극(21)과 상기 상부전극(29) 사이에 개재된 유기층(25)으로서, 발광층(26), 상기 발광층(26)과 상기 바닥전극(21) 사이에 개재된 정공 수송층(23), 상기 정공 수송층(23)과 상기 바닥전극(21) 사이에 개재된 정공 주입층(22), 상기 발광층(26)과 상기 상부전극(28) 사이에 개재된 전자 수송층(27), 상기 전자 수송층(27)과 상기 상부전극(28) 사이에 개재된 전자 주입층(28)을 포함하는 유기층(25)을 포함한다. 여기서, 정공 주입층(22) 및 전자 주입층(28) 중 적어도 하나는 생략될 수 있다.
상기 유기 발광 소자(20)의 정공 수송층(23)은 정공 수송성 호스트를 포함하고, 발광층(26)은 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 인광 도펀트를 포함하고, 전자 수송층(27)은 전자 수송성 호스트를 포함한다. 상기 정공 수송성 호스트와 상기 전자 수송성 호스트는 엑시플렉스를 형성하는 공동 호스트이다.
즉, 정공 수송층(23)은 정공 수송성 물질을 포함하는데 상기 정공 수송성 물질은 정공 수송성 호스트와 동일한 물질이고, 전자 수송층(27)이 포함하는 전자 수송성 물질은 전자 수송성 호스트와 동일한 물질이다.
상기 유기 발광 소자(20)에서 정공은 바닥전극(21)으로부터 정공 주입층(22)을 지나 정공 수송층(23)으로 수송되면서 정공 수송층(23)에서는 정공 수송성 호스트 내에 존재하게 되며, 전자는 상부전극(29)으로부터 전자 주입층(28)을 지나 전자 수송층(27)으로 수송되면서 전자 수송층(27)에서는 전자 수송성 호스트 내에 존재하게 된다. 발광층(26)으로 정공 및 전자가 전달될 때, 정공은 정공 수송층(23)으로부터 발광층(26)의 정공 수송성 호스트로 이동함으로써 전달되고 전자는 전자 수송층(27)으로부터 발광층(26)의 전자 수송성 호스트로 이동함으로써 전달되므로 정공 수송층(23)과 발광층(26) 간의 에너지 장벽 및 전자 수송층(27)과 발광층(26) 간의 에너지 장벽이 없어져 구동 전압이 크게 감소한다.
발광층(26)에서 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트가 물리적으로 만나 엑시플렉스를 형성한 후 에너지를 인광 도펀트로 전달하여 엑시톤이 형성된다. 여기서 에너지의 전달이 원활하게 이루어지기 위해 인광 도펀트의 삼중항 에너지는 정공 수송성 호스트의 삼중항 에너지, 전자 수송성 호스트의 삼중항 에너지 및 엑시플렉스의 삼중항 에너지보다 작아야 한다.
상기 유기 발광 소자(20)의 발광층(26)에서 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 인광 도펀트의 혼합 몰비는 100:30~300:1~100일 수 있다. 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 인광 도펀트의 혼합 몰비가 상기 범위를 만족할 경우, 만족스러운 수준의 에너지 전이와 발광이 일어날 수 있다.
다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자는, 바닥전극; 상기 바닥전극과 대향된 상부전극; 및 상기 바닥전극과 상기 상부전극 사이에 개재된 유기층으로서, 엑시플렉스를 형성하며 상기 엑시플렉스의 일중항 에너지와 삼중항 에너지의 차이가 0.3eV 미만인 ⅰ) 정공 수송성 호스트와 ⅱ) 전자 수송성 호스트, 및 상기 엑시플렉스의 일중항 에너지보다 작은 일중항 에너지를 갖는 ⅲ) 형광 도펀트를 포함하는 유기층;을 포함한다.
상기 유기 발광 소자의 바닥전극은 (+) 전압이 인가되는 애노드일 수 있고 상부전극은 (-) 전압이 인가되는 캐소드일 수 있다. 이와 반대로, 바닥전극이 캐소드일 수 있고 상부전극은 캐소드일 수도 있다. 편의상, 바닥전극이 애노드이고 상부전극은 캐소드인 경우를 중심으로 설명한다.
상기 유기 발광 소자의 바닥전극과 상부전극에 전압을 인가시키면, 유기층에서 정공은 정공 수송성 호스트에 의해 수송되고 전자는 전자 수송성 호스트에 의해 수송되어 발광층에서 엑시톤이 생성된다. 발광층의 호스트로서 정공 수송 특성을 가진 정공 수송성 호스트와 전자 수송 특성을 가진 전자 수송성 호스트를 혼합하여 사용하기 때문에 정공 및 전자가 발광층으로 주입될 때 에너지 장벽이 없어 구동 전압이 낮아지게 된다.
상기 유기 발광 소자는 유기층에 서로 만나 엑시플렉스를 형성할 수 있는 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트를 공동 호스트로 사용하기 때문에 이들은 단지 물리적으로 만나기만 함으로써 엑시플렉스를 형성할 수 있다.
유기층에서 엑시플렉스를 형성한 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트는 일중항 상태와 삼중합 상태로 존재하는데, 1:3의 비율로 삼중항 상태로 존재하는 것이 훨씬 더 많다.
상기 유기 발광 소자에서 엑시플렉스의 일중항 에너지와 삼중항 에너지의 차이가 0.3eV 미만이기 때문에 삼중항 상태로 존재하는 것들이 일중항 상태로 가역적 계간 전이를 할 수 있다. 따라서 유기층 내의 엑시플렉스들은 대부분 일중항 상태로 전이된 상태로 존재할 수 있다. 또한, 형광 도펀트의 일중항 에너지는 엑시플렉스의 일중항 에너지보다 작기 때문에 유기층 내에 존재하는 일중항 상태의 엑시플렉스들이 도펀트로 에너지를 원활하게 전달하여 엑시톤이 형성될 수 있고, 그 결과 유기 발광 소자의 내부양자효율은 매우 높아질 수 있다.
이러한 유기 발광 소자는, 공동 호스트를 사용하여 정공 및 전자가 발광층으로 주입될 때 에너지 장벽이 없어지고, 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트가 만나 엑시플렉스를 형성하여 일중항 상태의 엑시톤을 형광 도펀트에 전달해 주기 때문에, 구동 전압이 낮고 발광효율이 높으며 특히 내부양자효율이 매우 높은 특성을 가진다.
상기 정공 수송성 호스트 및 상기 전자 수송성 호스트가 하기 관계식 (1) 및 (2)를 만족시킬 수 있다.
(1) 정공 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 > 0.2eV.
(2) 정공 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 > 0.2eV.
정공 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지와 전자 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지의 차이가 0.2eV보다 큰 경우, 전자가 전자 수송성 호스트로부터 정공 수송성 호스트로 직접 전달되는 과정 없이 엑시플렉스가 원활하게 형성될 수 있다.
또한, 정공 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지와 전자 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지의 차이가 0.2eV보다 큰 경우, 정공이 정공 수송성 호스트로부터 전자 수송성 호스트로 직접 전달되는 과정 없이 엑시플렉스가 원활하게 형성될 수 있다.
상기 유기 발광 소자의 유기층은 발광층을 포함할 수 있다. 유기층에는 정공 수송성 호스트 및 전자 수송성 호스트가 포함되며, 발광층에는 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 형광 도펀트가 포함된다.
상기 유기 발광 소자의 유기층에서 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 형광 도펀트의 혼합 몰비는 100:30~300:1~100일 수 있다. 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 형광 도펀트의 혼합 몰비가 상기 범위를 만족할 경우, 만족스러운 수준의 엑시톤 전이와 발광이 일어날 수 있다.
예를 들면, 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트의 조합은 TCTA:B3PYMPM, TCTA:TPBi, TCTA:3TPYMB, TCTA:BmPyPB, TCTA:BSFM, CBP:B3PYMPM 및 NPB:BSFM 중 1종일 수 있다.
다른 일 구현예에 따른 유기 발광 소자는, 바닥전극; 상기 바닥전극과 대향된 상부전극; 및 상기 바닥전극과 상기 상부전극 사이에 개재된 유기층으로서, 발광층, 상기 발광층과 상기 바닥전극 사이에 개재된 정공 수송층, 상기 정공 수송층과 상기 바닥전극 사이에 개재된 정공 주입층, 상기 발광층과 상기 상부전극 사이에 개재된 전자 수송층, 상기 전자 수송층과 상기 상부전극 사이에 개재된 전자 주입층을 포함하는 유기층을 포함한다. 여기서, 정공 주입층 및 전자 주입층 중 적어도 하나는 생략될 수 있다.
상기 유기 발광 소자의 정공 수송층은 정공 수송성 물질을 포함하는데 상기 정공 수송성 물질은 정공 수송성 호스트와 동일한 물질이고, 전자 수송층이 포함하는 전자 수송성 물질은 전자 수송성 호스트와 동일한 물질이다.
상기 유기 발광 소자에서 정공은 바닥전극으로부터 정공 주입층을 지나 정공 수송층으로 수송되면서 정공 수송층에서는 정공 수송성 호스트 내에 존재하게 되며, 전자는 상부전극으로부터 전자 주입층을 지나 전자 수송층으로 수송되면서 전자 수송층에서는 전자 수송성 호스트 내에 존재하게 된다. 발광층으로 정공 및 전자가 전달될 때, 정공은 정공 수송층으로부터 발광층의 정공 수송성 호스트로 이동함으로써 전달되고 전자는 전자 수송층으로부터 발광층의 전자 수송성 호스트로 이동함으로써 전달되므로 정공 수송층과 발광층 간의 에너지 장벽 및 전자 수송층과 발광층 간의 에너지 장벽이 없어져 구동 전압이 크게 감소한다.
발광층에서 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트가 물리적으로 만나 엑시플렉스를 형성하고 생성된 엑시톤을 형광 도펀트로 전달한다. 여기서 엑시플렉스의 일중항 에너지와 삼중항 에너지의 차이가 0.3eV 미만이기 때문에 엑시플렉스는 일중항 상태로 존재하고 형광 도펀트의 일중항 에너지는 엑시플렉스의 일중항 에너지보다 작기 때문에 엑시플렉스는 일중항 상태에서 엑시톤을 형광 도펀트로 원활하게 전달할 수 있다.
상기 유기 발광 소자의 발광층에서 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 형광 도펀트의 혼합 몰비는 100:30~300:1~100일 수 있다. 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 형광 도펀트의 혼합 몰비가 상기 범위를 만족할 경우, 만족스러운 수준의 에너지 전이와 발광이 일어날 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 유기 발광 소자의 제조 방법을 상세하 설명한다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(미도시)으로는, 통상적인 유기 발광 소자에 사용되는 기판을 사용할 수 있으며, 기계적 강도, 열적 안정성, 투명성, 표면 평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 예를 들면 SiO2를 주성분으로 하는 투명한 유리 재질로 기판을 형성할 수 있다.
기판 상에는 바닥전극(21)을 형성한다. 바닥전극(21)은 투명 전극 또는 반사 전극으로 형성할 수 있으며, 배면 발광형인 경우에는 투명 전극으로 형성할 수 있다. 투명 전극으로 형성할 때는 ITO, IZO, ZnO 또는 그래핀 등을 사용할 수 있고, 반사 전극으로 형성할 때에는 Ag, Mg, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr 또는 이들의 화합물 등으로 반사막을 형성한 후, 그 위에 ITO, IZO, ZnO 또는 그래핀 등으로 막을 형성함으로써 형성할 수 있다. 바닥전극(21)은 공지된 다양한 방법, 예를 들면, 증착법, 스퍼터링법 또는 스핀코팅법 등을 이용하여 형성될 수 있다.
바닥전극(21) 상에는 정공 주입층(22)을 형성한다. 정공 주입층(22)은 바닥전극(21) 상부에 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 정공 주입층(22)에 사용되는 물질로는 공지된 정공 주입 재료를 사용할 수 있는데, 예를 들면, 구리프탈로시아닌 등과 같은 프탈로시아닌 화합물, m-MTDATA, TDATA, TAPC, 2-TNATA, Pani/DBSA (폴리아닐린/도데실벤젠술폰산), PEDOT/PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌술포네이트)), Pani/CSA (폴리아닐린/캠퍼술폰산) 또는 Pani/PSS (폴리아닐린/폴리(4-스티렌술포네이트)) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
정공 주입층(22) 상에는 정공 수송층(23)을 형성한다. 정공 수송층(23)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 정공 수송층(23)을 형성하는 재료로는 상기 설명한 정공 수송성 호스트를 사용할 수 있다.
정공 수송층(23) 상에는 발광층(26)을 형성한다. 발광층(26)은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
발광층(26)은 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 인광 도펀트(또는 형광 도펀트)를 포함한다. 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트의 조합으로는 TCTA:B3PYMPM, TCTA:TPBi, TCTA:3TPYMB, TCTA:BmPyPB, TCTA:BSFM, CBP:B3PYMPM 및 NPB:BSFM 중 1종을 사용할 수 있다.
인광 도펀트로는 Ir(ppy)3, Ir(ppy)2(acac) 또는 PtOEP와 같은 인광 물질로 도프된 CBP, PVK와 같은 카바졸 유도체 등을 사용할 수 있으며, 형광 도펀트로는 융합 고리 방향족 화합물(예를 들면 루브렌(rubrene)), 쿠마린(coumarine)(예를 들면, DMQA, C545T) 또는 디-피란(di-pyran)(예를 들면, DCJTB, DCM)로 도프된 Alq3, Gaq3, Al(Saph-q) 또는 Ga(Saph-q)와 같은 형광 물질을 사용할 수 있다.
발광층(26)에 포함되는 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트 및 인광 도펀트(또는 형광 도펀트)의 함량은 혼합 몰비로 약 100:30~300:1~100에서 선택될 수 있다.
발광층(26) 상부에는 전자 수송층(27)이 형성된다. 전자 수송층(27)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 전자 수송층(27)을 형성하는 재료로는 상기 설명한 전자 수송성 호스트를 사용할 수 있다.
전자 수송층(27) 상에는 상부전극(29)으로부터 전자의 주입을 용이하게 하는 기능을 전자 주입층(28)을 형성한다. 전자 주입층(28)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 전자 주입층(28)을 형성하는 재료로는 LiF, NaCl, CsF, Li2O, BaO 등과 같은 물질을 이용할 수 있다.
전자 주입층(28) 상에는 상부 전극(29)을 형성한다. 상부 전극(29)은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 등의 알칼리 금속, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 등의 알칼리 토금속; 알루미늄, 스칸듐, 바나듐, 아연, 이트륨, 인듐, 세륨, 사마륨, 유로퓸, 테르븀, 이테르븀 등의 금속; 이들 중 2개 이상의 합금; 또는 이들 중 1개 이상과 금, 은, 백금, 구리, 망간, 티탄, 코발트, 니켈, 텅스텐, 주석 중 1개 이상과의 합금; 및 이들 중 적어도 2종을 포함하는 구조체로 형성할 수 있다. 필요에 따라서는 ITO에 자외선-오존 처리한 것을 사용할 수도 있다. 합금으로서는, 예를 들면 ITO(인듐주석산화물), IZO(인듐아연산화물), ZnO(아연 산화물) 또는 그래핀 등을 사용할 수 있다. 전면 발광형인 경우 상부 전극(29)은 ITO, IZO, ZnO 또는 그래핀 같은 투명한 산화물로 형성될 수 있다. 상부전극(29)은 공지된 다양한 방법, 예를 들면, 증착법, 스퍼터링법 또는 스핀코팅법 등을 이용하여 형성될 수 있다.
다른 일 측면에 따라, 상기 유기 발광 소자를 포함하는 조명이 제공된다. 상기 조명은 엑시플렉스를 형성하는 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트 및 인광 또는 형광 도펀트를 포함하는 유기 발광 소자를 구비한다.
다른 일 측면에 따라, 상기 유기 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치가 제공된다. 상기 디스플레이 장치는 소스, 드레인, 게이트 및 활성층을 포함한 트랜지스터 및 엑시플렉스를 형성하는 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트 및 인광 또는 형광 도펀트를 포함하는 유기 발광 소자를 구비하며, 상기 유기 발광 소자의 바닥전극이 상기 소스 및 드레인 중 하나와 전기적으로 연결될 수 있다.
이하에서, 비제한적인 참조예 및 실시예를 통하여 일 구현예를 따르는 유기 발광 소자에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기의 참조예 및 실시예로 한정되는 것은 아니다.
참조예 1
TCTA 박막, B3PYMPM 박막, 및 TCTA와 B3PYMPM을 1:1 몰비로 혼합한 박막을 제조하고, 상기 3개의 박막에 대해, He:Cd 레이저와 단색광기(Acton Reaserch Corporation; SpectraPro 300i)가 부착된 광전증배관(Acton Reaserch Corporation; PD-471)을 사용하여 광발광 스펙트럼을 측정하여 도 3a에 나타내었다.
비교참조예 1
TCTA 박막, BAlq 박막, 및 TCTA와 BAlq를 1:1 몰비로 혼합한 박막을 제조하였다. 상기 3개의 박막에 대해, He:Cd 레이저와 단색광기(Acton Reaserch Corporation; SpectraPro 300i)가 부착된 광전증배관(Acton Reaserch Corporation; PD-471)을 사용하여 광발광 스펙트럼을 측정하여 도 3b에 나타내었다.
참조예 2
TCTA 박막, TPBi 박막, 및 TCTA와 TPBi를 1:1 몰비로 혼합한 박막을 제조하였다. 상기 3개의 박막에 대해, He:Cd 레이저와 단색광기(Acton Reaserch Corporation; SpectraPro 300i)가 부착된 광전증배관(Acton Reaserch Corporation; PD-471)을 사용하여 광발광 스펙트럼을 측정하여 도 4a에 나타내었다.
참조예 3
TCTA 박막, 3TPYMB 박막, 및 TCTA와 3TPYMB를 1:1 몰비로 혼합한 박막을 제조하였다. 상기 3개의 박막에 대해, He:Cd 레이저와 단색광기(Acton Reaserch Corporation; SpectraPro 300i)가 부착된 광전증배관(Acton Reaserch Corporation; PD-471)을 사용하여 광발광 스펙트럼을 측정하여 도 4b에 나타내었다.
참조예 4
TCTA 박막, BmPyPb 박막, 및 TCTA와 BmPyPb를 1:1 몰비로 혼합한 박막을 제조하였다. 상기 3개의 박막에 대해, He:Cd 레이저와 단색광기(Acton Reaserch Corporation; SpectraPro 300i)가 부착된 광전증배관(Acton Reaserch Corporation; PD-471)을 사용하여 광발광 스펙트럼을 측정하여 도 4c에 나타내었다.
참조예 5
TCTA 박막, BSFM 박막, 및 TCTA와 BSFM을 1:1 몰비로 혼합한 박막을 제조하였다. 상기 3개의 박막에 대해, He:Cd 레이저와 단색광기(Acton Reaserch Corporation; SpectraPro 300i)가 부착된 광전증배관(Acton Reaserch Corporation; PD-471)을 사용하여 광발광 스펙트럼을 측정하여 도 4d에 나타내었다.
참조예 6
CBP 박막, B3PYMPM 박막, 및 CBP:B3PYMPM를 1:1 몰비로 혼합한 박막을 제조하였다. 상기 3개의 박막에 대해, He:Cd 레이저와 단색광기(Acton Reaserch Corporation; SpectraPro 300i)가 부착된 광전증배관(Acton Reaserch Corporation; PD-471)을 사용하여 광발광 스펙트럼을 측정하여 도 4e에 나타내었다.
참조예 7
NPB 박막, BSFM 박막, 및 NPB와 BSFM을 1:1 몰비로 혼합한 박막을 제조하였다. 상기 3개의 박막에 대해, He:Cd 레이저와 단색광기(Acton Reaserch Corporation; SpectraPro 300i)가 부착된 광전증배관(Acton Reaserch Corporation; PD-471)을 사용하여 광발광 스펙트럼을 측정하여 도 4f에 나타내었다.
평가예
도 3a를 참조하면, 참조예 1에 따른 박막의 경우 TCTA:B3PYMPM 혼합 박막의 광발광 스펙트럼은 각 단일 박막인 TCTA의 광발광 스펙트럼 및 B3PYMPM의 광발광 스펙트럼에서 나타나지 않는 장파장 영역의 광을 나타내는 것을 알 수 있다. 이로부터 TCTA:B3PYMPM 혼합 박막은 TCTA와 B3PYMPM이 만나 엑시플렉스를 형성한다는 것을 알 수 있다.
도 3b를 참조하면, 비교참조예 1에 따른 박막의 경우 TCTA:BAlq 혼합 박막의 광발광 스펙트럼은 단일 박막인 BAlq의 광발광 스펙트럼에서 나타나는 파장 영역의 광을 나타내는 것을 알 수 있다. 이로부터 TCTA:BAlq 혼합 박막은 TCTA와 BAlq이 만나도 엑시플렉스를 형성하지 않는다는 것을 알 수 있다.
도 4a 내지 4f를 참조하면, 참조예 2 내지 7에 따른 박막의 경우, 각 참조예의 혼합 박막의 광발광 스펙트럼은 상기 혼합 박막을 구성하는 성분으로 이루어진 단일 박막의 광발광 스펙트럼에서 나타나지 않은 장파장 영역의 광을 나타내는 것을 알 수 있다. 이로부터 참조예 2 내지 7에 따른 혼합 박막들은 정공 수송성 호스트 물질과 전자 수송성 호스트 물질이 혼합되어 엑시플렉스를 형성한 것을 알 수 있다.
실시예 1
하기와 같은 같은 구성을 가지는 유기 발광 소자를 제조하였다:
ITO / TAPC / TCTA / TCTA :B3PYMPM: Ir ( ppy ) 2 (acac) / B3PYMPM / LiF / Al
바닥전극으로는 유리 기판에 ITO막을 형성한 1500Å 두께의 ITO 유리 기판을 사용하고, 상기 ITO 유리 기판 상부에 TAPC를 증착하여 200Å 두께의 정공 주입층을 형성하였다.
상기 정공 주입층 상부에 TCTA를 증착하여 100Å 두께의 정공 수송층을 형성하였다.
상기 정공 수송층 상부에 TCTA:B3PYMPM:Ir(ppy)2(acac)을 100:100:21의 몰비로 동시 증착하여 300Å 두께의 발광층을 형성하였다.
상기 발광층 상부에 B3PYMPM을 증착하여 400Å 두께의 전자 수송층을 형성하였다.
상기 전자 수송층 상부에 LiF를 증착하여 10Å 두께의 정공 주입층을 형성한 다음, Al을 증착하여 1000Å 두께의 상부전극을 형성함으로써 유기 발광 소자를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 바닥전극으로 700Å 두께의 ITO 유리 기판을 사용하고 정공 주입층으로 TAPC를 60Å 두께로 증착한 층을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 구성을 가지는 유기 발광 소자를 제조하였다.
ITO / TAPC / TCTA / TCTA :B3PYMPM: Ir ( ppy ) 2 (acac) / B3PYMPM / LiF / Al
비교예 1
상기 실시예 1에서 발광층으로 TCTA:BAlq:Ir(ppy)2(acac)을 100:100:21의 몰비로 동시 증착하여 300Å 두께의 층을 형성하고 전자 수송층으로 BAlq를 증착하여 400Å 두께의 층을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 구성을 가지는 유기 발광 소자를 제조하였다.
ITO / TAPC / TCTA / TCTA : BAlq : Ir ( ppy ) 2 (acac) / BAlq / LiF / Al
비교예 2
상기 실시예 1에서 발광층으로 TCTA:BAlq:Ir(dmpq)2(acac)을 100:100:6의 몰비로 동시 증착하여 300Å 두께의 층을 형성하고 전자 수송층으로 BAlq를 증착하여 400Å 두께의 층을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 하기 구성을 가지는 유기 발광 소자를 제조하였다.
ITO / TAPC / TCTA / TCTA : BAlq : Ir ( dmpq ) 2 (acac) / BAlq / LiF / Al
평가예
상기 실시예 1에 따른 유기 발광 소자를 구성하는 각 층에 대한 최고준위 점유 분자궤도(HOMO) 및 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 정공 수송성 호스트인 TCTA의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지는 전자 수송성 호스트인 B3PYMPM의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지보다 약 0.77eV 높고, TCTA의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지는 B3PYMPM의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지보다 0.94eV 높은 것을 알 수 있다. 이것은 각각 전자가 전자 수송성 호스트로부터 정공 수송성 호스트로 직접 전달되거나 정공이 정공 수송성 호스트로부터 전자 수송성 호스트로 직접 전달되는 과정 없이 엑시플렉스가 원활하게 형성될 수 있다는 것을 나타낸다.
한편, BAlq의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 및 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지는 각각 2.9eV 및 5.9eV인 것으로 알려져 있다. 이것은 비교예 1의 유기 발광 소자의 발광층은 TCTA와 BAlq의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지의 차이가 약 0.07eV이므로 엑시플렉스가 원활하게 형성되기 어렵다는 것을 나타낸다.
상기 실시예 1 및 비교예 1~2에 따른 유기 발광 소자의 발광층을 구성하는 정공 수송성 호스트, 전자 수송성 호스트, 이들이 혼합되어 형성된 엑시플렉스, 및 도펀트의 재료의 삼중항 에너지(각 박막을 저온유지장치(cryostat)에 넣어 35K의 온도로 유지시킨 상태에서 ND:YAG 레이저와 분광기(Acton Reaserch Corporation; SpectraPro 2300i)가 부착된 전하결합소자(Princeton Instruments; 7397-0005)를 사용하여 광발광 스펙트럼을 측정한 뒤 그 파장의 빛이 가진 에너지를 계산하여 얻음)를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 정공 수송성 호스트 전자 수송성 호스트 엑시플렉스 도펀트
실시예 1
 TAPC B3PYMPM TAPC-B3PYMPM Ir(ppy)2(acac)
2.8eV 2.75eV 2.51eV 2.37eV
비교예 1
 TCTA BAlq - Ir(ppy)2(acac)
2.8eV 2.2eV - 2.37eV
비교예 2
 TCTA BAlq - Ir(dmpq)2(acac)
2.8eV 2.2eV - 2.01eV
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1에 따른 유기 발광 소자는 도펀트의 삼중항 에너지가 정공 수송성 호스트의 삼중항 에너지, 전자 수송성 호스트의 삼중항 에너지 및 엑시플렉스의 삼중항 에너지보다 작은 것을 알 수 있다. 이것은 실시예 1의 발광층에서 형성된 엑시플렉스가 인광 도펀트로 에너지를 전달할 수 있다는 것을 나타낸다. 한편, 비교예 1의 유기 발광 소자는 엑시플렉스를 형성하지 못하고 도펀트의 삼중항 에너지가 전자 수송성 호스트의 삼중항 에너지보다 높으며, 비교예 2의 유기 발광 소자는 엑시플렉스를 형성하지 못하는 것을 알 수 있다.
상기 실시예 1~2 및 비교예 1~2에 따른 유기 발광 소자에 대하여 색도계(Photo research spectrophotometer; PR-650) 및 전원 공급장치(Keithley 2400)를 사용하여 전압-전류밀도-발광휘도의 관계를 측정하여 그 결과를 도 6a 및 6b에 나타내었다.
도 6a를 참조하면, 실시예 1~2에 따른 유기 발광 소자는 발광 시작 전압이 약 2.4V로 녹색 에너지 갭과 거의 동일한 에너지 갭에 해당하는 전압을 보임으로써 이론적으로 가능한 가장 낮은 구동 전압을 나타냄을 알 수 있다. 한편, 비교예 1~2에 따른 유기 발광 소자는 발광 시작 전압이 각각 약 4.5V 및 약 3.6V로 나타나는 것을 알 수 있다. 이것은 엑시플렉스를 형성하는 실시예 1~2에 따른 유기 발광 소자는 엑시플렉스를 형성하지 않는 비교예 1~1에 따른 유기 발광 소자보다 낮은 구동 전압을 가진다는 것을 나타낸다.
도 6b를 참조하면, 실시예 1~2에 따른 유기 발광 소자는 비교예 1~2에 따른 유기 발광 소자보다 더 높은 발광 휘도를 가짐을 알 수 있다.
상기 실시예 1~2 및 비교예 1~2에 따른 유기 발광 소자에 대하여 상기 측정한 전압-전류밀도-발광휘도 자료를 기초로 외부양자효율 및 전력효율을 계산하여 그 결과를 도 7a 및 7b에 나타내었다.
도 7a를 참조하면, 실시예 1~2에 따른 유기 발광 소자는 외부 양자 효율이 약 27 내지 29%로 매우 높으며, 10,000㏅/㎡에서 외부 양자 효율이 약 27%를 넘어 롤-오프가 거의 없는 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 한편, 비교예 1에 따른 유기 발광 소자는 외부 양자 효율이 약 1.1%로 매우 낮으며, 비교예 2에 따른 유기 발광 소자는 외부 양자 효율이 약 20.5%를 나타났다. 특히, 비교예 1에 따른 유기 발광 소자는 도펀트의 삼중항 에너지가 전자 수송성 호스트의 삼중항 에너지보다 높기 때문에 외부 양자 효율이 매우 낮게 나온 것으로 예측할 수 있다. 이로부터, 실시예 1~2에 따른 유기 발광 소자는 비교예 1~2에 따른 유기 발광 소자보다 외부 양자 효율이 더 높음을 알 수 있다.
도 7b를 참조하면, 실시예 1~2에 따른 유기 발광 소자는 비교예 1~2에 따른 유기 발광 소자보다 전력 효율이 월등히 높음을 알 수 있으며, 특히 고휘도에서도 매우 높은 전력 효율을 가지는 것을 알 수 있다.
상기 결과를 종합하여, 실시예 1~2 및 비교예 1~2에 다른 유기 발광 소자에 대하여, 전압, 외부 양자 효율 및 전력 효율을 하기 표 2에 나타내었다.
구분 전압(V) 외부양자효율(%) 전력효율(㏐/W)
구동 @1000㏅/㎡ 최대 @1000㏅/㎡ 최대 @1000㏅/㎡
실시예 1 2.4 3.2 27.1 26.8 113.7 97.9
실시예 2 2.4 3.3 29.1 29.0 119.1 101.4
비교예 1 4.5 10.5 1.1 0.5 2.5 0.4
비교예 2 3.6 8.4 20.5 19.8 20.6 9.4
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1~2에 따른 유기 발광 소자는 비교예 1~2에 따른 유기 발광 소자보다 낮은 구동 전압, 높은 발광 효율 및 높은 전력 효율을 가지며, 고휘도에서 전력 효율이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 대하여 상기 실시예를 참조하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 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 특허청구범위의 기술적 사항에 의하여 정해져야 할 것이다.
10, 20: 유기 발광 소자
11, 21: 바닥전극
15, 25: 유기층
16, 26: 발광층
19, 29: 제2전극
22: 정공 주입층
23: 정공 수송층
27: 전자 수송층
28: 전자 주입층

Claims (16)

  1. 바닥전극;
    상기 바닥전극과 대향된 상부전극; 및
    상기 바닥전극과 상기 상부전극 사이에 개재된 유기층으로서, 엑시플렉스를 형성하는 ⅰ) 정공 수송성 호스트와 ⅱ) 전자 수송성 호스트, 및 상기 정공 수송성 호스트의 삼중항 에너지, 상기 전자 수송성 호스트의 삼중항 에너지 및 상기 엑시플렉스의 삼중항 에너지보다 작은 삼중항 에너지를 갖는 ⅲ) 인광 도펀트를 포함하는 유기층;
    을 포함하는 유기 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정공 수송성 호스트 및 상기 전자 수송성 호스트가 하기 관계식 (1) 및 (2)를 만족하는 유기 발광 소자:
    (1) 정공 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 > 0.2eV,
    (2) 정공 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 > 0.2eV.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유기층이 발광층을 포함하는 유기 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기층이 발광층, 상기 발광층과 상기 바닥전극 사이에 개재된 정공 수송층 및 상기 발광층과 상기 상부전극 사이에 개재된 전자 수송층을 포함하고,
    상기 정공 수송성 호스트, 상기 전자 수송성 호스트 및 상기 인광 도펀트가 상기 발광층에 포함된 유기 발광 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정공 수송층이 상기 정공 수송성 호스트와 동일한 정공 수송성 물질을 포함하고, 상기 전자 수송층이 상기 전자 수송성 호스트와 동일한 전자 수송성 물질을 포함하는 유기 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정공 수송성 호스트, 상기 전자 수송성 호스트 및 상기 인광 도펀트의 혼합 몰비가 100:30~300:1~100인 유기 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 정공 수송성 호스트와 상기 전자 수송성 호스트의 조합이 TCTA:B3PYMPM, TCTA:TPBi, TCTA:3TPYMB, TCTA:BmPyPB, TCTA:BSFM, CBP:B3PYMPM 및 NPB:BSFM 중 1종인 유기 발광 소자.
  8. 바닥전극;
    상기 바닥전극과 대향된 상부전극; 및
    상기 바닥전극과 상기 상부전극 사이에 개재된 유기층으로서, 엑시플렉스를 형성하며 상기 엑시플렉스의 일중항 에너지와 삼중항 에너지의 차이가 0.3eV 미만인 ⅰ) 정공 수송성 호스트와 ⅱ) 전자 수송성 호스트, 및 상기 엑시플렉스의 일중항 에너지보다 작은 일중항 에너지를 갖는 ⅲ) 형광 도펀트를 포함하는 유기층;
    을 포함하는 유기 발광 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 정공 수송성 호스트 및 상기 전자 수송성 호스트가 하기 관계식 (1) 및 (2)를 만족하는 유기 발광 소자:
    (1) 정공 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최저준위 비점유 분자궤도(LUMO)의 에너지 > 0.2eV,
    (2) 정공 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 - 전자 수송성 호스트의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO)의 에너지 > 0.2eV.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 유기층이 발광층을 포함하는 유기 발광 소자.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 유기층이 발광층, 상기 발광층과 상기 바닥전극 사이에 개재된 정공 수송층 및 상기 발광층과 상기 상부전극 사이에 개재된 전자 수송층을 포함하고,
    상기 정공 수송성 호스트, 상기 전자 수송성 호스트 및 상기 형광 도펀트가 상기 발광층에 포함된 유기 발광 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 정공 수송층이 상기 정공 수송성 호스트와 동일한 정공 수송성 물질을 포함하고, 상기 전자 수송층이 상기 전자 수송성 호스트와 동일한 전자 수송성 물질을 포함하는 유기 발광 소자.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 정공 수송성 호스트, 상기 전자 수송성 호스트 및 상기 형광 도펀트의 혼합 몰비가 100:30~300:1~100인 유기 발광 소자.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 정공 수송성 호스트와 상기 전자 수송성 호스트의 조합이 TCTA:B3PYMPM, TCTA:TPBi, TCTA:3TPYMB, TCTA:BmPyPB, TCTA:BSFM, CBP:B3PYMPM 및 NPB:BSFM 중 1종인 유기 발광 소자.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 유기 발광 소자를 포함하는 조명.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 유기 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치.
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