KR20140092710A - 유기발광다이오드 - Google Patents

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KR20140092710A
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Abstract

본 발명에서는, 향상된 수평 배향성을 갖는 도펀트를 함유하는 호스트/도펀트 방식의 발광층을 포함하는 유기발광다이오드를 제공한다. 본 발명의 일 측면에 따른 유기발광다이오드의 일 구현예는, 양극층; 상기 양극층 위에 위치하는 발광층으로서, 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질 및 전자수송물질을 포함하는 호스트 및 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질을 포함하는 도펀트를 포함하는 발광층; 및 상기 발광층 위에 위치하는 음극층;을 포함한다.

Description

유기발광다이오드{Organic light emitting diode}
본 발명은 유기발광다이오드(organic light emitting diode: OLED)에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 호스트 및 인광 도펀트를 포함하는 발광층(emission layer: EML)을 채용한 유기발광다이오드에 관한 것이다.
유기발광다이오드는 전형적인 예를 들면, 음극층, 전자 수송층, 발광층, 정공 수송층 및 양극층을 포함한다. 유기발광다이오드에 있어서, 통상적으로, 전자 수송층, 발광층 및 정공 수송층은 유기 화합물에 기초한다. 음극층과 양극층 사이에 전압이 인가되면, 정공은 양극층으로부터 정공 수송층을 통하여 발광층으로 주입된다. 전자는 음극층으로부터 전자 수송층을 통하여 발광층으로 주입된다. 발광층으로 공급된 정공과 전자는 발광층에서 재결합하여 엑시톤(exiton)을 형성한다. 엑시톤은 소멸하면서 에너지를 방출한다. 엑시톤으로부터 방출된 에너지는 발광층 내의 발광물질을 여기시킨다. 여기된 발광물질이 기저상태로 변하면서 빛을 발생시킨다.
유기발광다이오드의 발광층의 발광 물질은 일중항 엑시톤에 의하여 여기되는 형광 물질, 또는, 삼중항 엑시톤에 의하여 여기되는 인광 물질일 수 있다. 발광층 내에서 일중항 엑시톤 대 삼중항 엑시톤의 통계적 생성비율은 1:3인 것으로 알려져 있다. 발광층에 존재하는 발광 물질이 형광 물질인 경우, 삼중항 엑시톤은 빛의 발생에 기여하지 못하고 낭비된다. 발광층에 존재하는 발광 물질이 인광 물질인 경우, 일중항 엑시톤 및 삼중항 엑시톤 모두가 빛의 발생에 기여할 수 있으며, 그에 따라, 발광층의 내부 양자 효율은 100 %에 도달할 수 있다.
발광층은 도핑되지 않은 호스트를 포함할 수 있다. 또는, 발광층은 호스트 및 도펀트를 포함할 수 있다. 호스트는 발광층의 물리적 형태를 형성하는 매트릭스의 역할을 한다. 도펀트는 상기 매트릭스 중에 분산되어 있다. 발광층이 도핑되지 않은 호스트를 포함하는 경우, 호스트 자체가 발광 물질일 수 있다. 발광층이 호스트 및 도펀트를 포함하는 경우, 도펀트는 발광 물질이고, 호스트는 발광물질이거나 아닐 수 있다.
발광층이 도핑되지 않은 호스트를 포함하는 경우, 호스트는 엑시머를 형성할 수 있고, 그에 따라, 색순도의 감소 및 효율의 저하가 발생할 수 있다. 호스트 및 도펀트를 포함하는 발광층은, 도핑되지 않은 호스트를 포함하는 발광층에 비하여, 향상된 색순도를 가지며, 또한, 에너지 전이를 통한 효율의 증가를 얻을 수 있다.
인광 물질을 채용하고 호스트/도펀트 방식을 채용하는 발광층을 사용함으로써, 유기발광다이오드의 발광 효율이 증가되어 왔다. 예를 들어, 실제로 제작된 유기발광다이오드의 일부는 외부양자효율이 29%에 도달하였다. 특히, 적색 유기발광다이오드의 외부양자효율은 26%에 도달하였다. 그러나, 여전히, 유기발광다이오드의 발광 효율은 만족스럽지 못한 수준이다.
유기발광다이오드의 외부 양자 효율은 "외광 효율 × 내부 양자 효율 × 전하 균형"으로 결정된다. 따라서, 발광층의 외광 효율을 증가시킴으로써, 유기발광다이오드의 외부 양자 효율을 개선할 수 있다.
호스트/도펀트 방식을 채용하는 발광층에 있어서, 이론적 계산에 의하면, 호스트 매트릭스 내에서 도펀트가 배향되어 있지 않으면, 상기 발광층의 외광 효율은 30 %를 초과할 수 없는 것으로 알려져 있다. 이와 반대로, 알려진 바에 의하면, 호스트 매트릭스 내에서 도펀트가 수평으로 배향될 수 있다면, 상기 발광층의 외광 효율이 어느 정도 증가할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 수평 배향된 도펀트를 포함하는 호스트/도펀트 방식의 발광층이 구현된 사례가 없다. 나아가, 30 % 이상의 외부 양자 효율을 갖는 유기발광다이오드 소자가 구현된 사례도 아직 없다.
본 발명에서는, 향상된 수평 배향성을 갖는 도펀트를 함유하는 호스트/도펀트 방식의 발광층을 포함하는 유기발광다이오드를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 유기발광다이오드의 일 구현예는,
양극층;
상기 양극층 위에 위치하는 발광층으로서, 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질 및 전자수송물질을 포함하는 호스트 및 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질을 포함하는 도펀트를 포함하는 발광층; 및
상기 발광층 위에 위치하는 음극층;을 포함한다.
본 발명에서 밝혀진 바에 따르면, 발광층에 있어서, 호스트로서 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질 및 전자수송물질을 조합하여 사용하고, 도펀트로서 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질을 사용하면, 상기 호스트 내에서의 상기 도펀트의 수평 배향율이 급격히 증가한다.
특정 메카니즘으로 한정되는 것은 아니지만, 이는, 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질 및 전자수송물질을 포함하는 호스트와 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질 사이의 상호작용에 기인하는 것으로 추정된다. 예를 들면, 엑시플렉스를 형성하는 NPB계 정공수송물질 및 B3PYMPM계 전자수송물질을 포함하는 호스트의 굴절률은 광학적으로 비등방성을 보이고, Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질은 화학구조 상의 비대칭성을 보인다. 상기 호스트 재료의 굴절률이 광학적 비등방성을 갖는다는 것은 상기 호스트 재료가 특정 방향으로의 배향을 갖는다는 것을 의미한다. 따라서, 상기 호스트 재료의 배향이 상기 도펀트 재료의 수평 배향을 유도하는 것으로 추정된다. 또한, Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질 도펀트의 화학구조 상의 비대칭에 의하여, Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질 도펀트의 수평 배향이 촉진되는 것으로 추정된다.
본 발명의 발광층에서의 도펀트의 수평 배향율이 매우 높기 때문에, 본 발명의 발광층은 매우 향상된 외광 효율을 발휘할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 발광층을 포함하는 유기발광다이오드는 매우 향상된 외부 양자 효율을 가질 수 있다.
도 1은, 실시예 1의 유기발광다이오드의 발광 스펙트럼이다.
도 2는 실시예 1의 유기발광다이오드의 발광층에서의 Ir(mphmq)2tmd 인광 물질의 수평 배향율 측정결과이다.
도 3은 비교예 1의 유기발광다이오드의 발광층에서의 Ir(ppy)2acac 인광 물질의 수평 배향율을 측정결과이다.
도 4는, 실시예 1의 유기발광다이오드에 대한 전압-전류밀도-발광휘도의 관계이다.
도 5는 실시예 1의 유기발광다이오드에 대한 휘도 대비 외부양자효율의 관계이다.
도 6은, 실시예 1의 유기발광다이오드에 대한 휘도 대비 전력효율의 관계이다.
도 7은 비교예 1의 유기발광다이오드에 대한 전압-전류밀도-발광휘도의 관계이다.
도 8은, 비교예 1의 유기발광다이오드에 대한 외부양자효율 및 전력효율이다.
이하에서는, 본 발명의 일 측면에 따른 유기발광다이오드를 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 일 측면에 따른 유기발광다이오드의 일 구현예는,
양극층;
상기 양극층 위에 위치하는 발광층으로서, 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질 및 전자수송물질을 포함하는 호스트 및 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질을 포함하는 도펀트를 포함하는 발광층; 및
상기 발광층 위에 위치하는 음극층;을 포함한다.
엑시플렉스라 함은 들뜬상태 전하이동 복합체를 의미한다. 본 발명에 있어서, 발광층의 호스트는 정공수송물질과 전자수송물질을 포함하며, 정공수송물질과 전자수송물질은 엑시플렉스를 형성하는 물질의 쌍을 이룬다. 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질:전자수송물질 쌍은, 비제한적인 예를 들면, NPB:B3PYMPM, TCTA:B3PYMPM, TCTA:TPBi, TCTA:3TPYMB, TCTA:BmPyPB, TCTA:BSFM, CBP:B3PYMPM, 또는 NPB:BSFM일 수 있다.
<정공수송물질>
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003

<전자수송물질>
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질은 Ir(mphmq)2tmd(여기서, mphmq = 2-(3,5-dimethylphenyl)-4-methylquinoline, tmd = 2,2,6,6-tetramethylheptane-3,5-dionate) 및 그 유도체를 의미한다.
<Ir(mphmq)2tmd>
Figure pat00009

발광 층에 있어서 정공수송물질의 함량 대비 전자수송물질의 함량이 너무 작으면 상대적으로 정공 수송이 우세한 반면, 정공 수송물질의 함량 대비 전자수송물질의 함량이 너무 크면 전자 수송특성이 우세하다.
발광층에 있어서, Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질의 함량이 너무 작으면 효율이 감소할 수 있다. 발광층에 있어서, Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질의 함량이 너무 크면 도펀트 엑시톤(exciton) 끼리 자체 소멸이 일어나 효율이 감소할 수 있다.
예를 들어, 발광층에 있어서, 전자수송물질의 함량은, 정공수송물질의 100 몰부를 기준으로 하여, 약 50 몰부 내지 약 150 몰부일 수 있다.
예를 들어, 발광층에 있어서, Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질의 함량은, 정공수송물질, 전자수송물질 및 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질의 총 중량 100 wt%를 기준으로 하여, 약 1 wt% 내지 약 20 wt%일 수 있다.
발광층에서의 도펀트의 수평 배향 전이쌍극자 비율은 발광층 안에 있는 전체 도펀트 분자중에서 발광층의 주된 면과 전이쌍극자 방향과 평행하게 위치하는 도펀트 분자의 비율을 의미한다.
발광층에서의 도펀트의 전이쌍극자모멘트가 높은 수평 배향율을 가질 수록, 발광층의 외광 효율이 증가한다. 수직 배향 전이쌍극자 모멘트를 갖는 도펀트는 주로 발광층 면과 수직한 방향으로 전기장을 방출하는데, 이렇게 방출된 빛은 발광층 및 투명 전극층내로 전파되는 도파 모드(waveguide mode)나 금속전극과의 SPP(surface plasmon polaritons)에 의하여 주로 손실된다. 이와 달리, 수평 배향 전이쌍극자 모멘트를 갖는 도펀트는 발광층의 주된 면에 수평한 방향으로 전기장을 방출하며, 이렇게 방출된 빛은 소자 외부로 진행하는 비율이 크다. 따라서 수직배향 전이쌍극자 대비 수평배향 전이쌍극자 비율이 높을수록 외광 효율이 증가하여 외부양자효율이 증가한다.
본 발명에 있어서, 발광층 내의 Ir(mphmq)2tmd계 도펀트의 수평 배향율은 매우 높다. 호스트 내에서, 도펀트가 무작위적으로 배향된 경우에는, 도펀트의 수평 배향율은 약 67 %이다. 이론 계산에 의하면, 도펀트의 수평 배향율이 약 67 %인 경우에는 발광층의 외광 효율은 약 25.7 %에 불과하다. 이에 비하여, 본 발명의 발광층에 있어서는, Ir(mphmq)2tmd계 도펀트의 수평 배향율은, 예를 들면, 약 83 % 내지 약 89 %일 수 있다. 이론 계산에 의하면, 도펀트의 수평 배향율이 약 89 %인 경우, 발광층의 외광 효율은 약 35.8 % 를 가질 수 있다.
본 발명의 유기발광다이오드에 있어서, 양극층 및 음극층 각각은, 불투명 전극, 투명 전극 또는 반사 전극일 수 있다. 본 발명의 유기발광다이오드의 작동시, 양극층에는 양의 전압이 인가되고, 음극층에는 음의 전압이 인가된다. 불투명 전극은, 예를 들면, 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 구조체일 수 있다. 투명 전극은, 예를 들면, ITO, IZO, ZnO 또는 그래핀일 수 있다. 반사 전극은, 예를 들면, 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 형성될 수 있다.
본 발명의 유기발광다이오드의 다른 구현예에 있어서, 양극층과 발광층의 사이에, 정공 수송층 및 정공 주입층 중의 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 정공 수송층은, 바람직하게는, 발광층에 사용된 정공수송물질을 포함할 수 있다. 정공 주입층은, 예를 들면, 구리프탈로시아닌 등과 같은 프탈로시아닌 화합물, m-MTDATA(4,4′,4″-Tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine), TDATA(4,4′,4″-tris(N,N-diphenyl-amino)triphenylamine ), TAPC(1,1-bis-(4-bis(4-methyl-phenyl)-amino-phenyl)-cyclohexane), 2-TNATA(4,4 ,4 -tris(N-(2-naphthyl)-N-phenyl-amino)triphenylamine), Pani/DBSA (폴리아닐린/도데실벤젠술폰산), PEDOT/PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌술포네이트)), Pani/CSA (폴리아닐린/캠퍼술폰산), Pani/PSS (폴리아닐린/폴리(4-스티렌술포네이트)), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 정공 수송층 및 정공 주입층이 모두 사용되는 경우, 양극층과 정공 수송층의 사이에 정공 주입층이 위치할 수 있다.
본 발명의 유기발광다이오드의 또 다른 구현예에 있어서, 음극층과 발광층의 사이에, 전자 수송층 및 전자 주입층 중의 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 전자 수송층은, 바람직하게는, 발광층에 사용된 전자수송물질을 포함할 수 있다. 전자 주입층은, 예를 들면, LiF, NaCl, CsF, Li2O, BaO, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 전자 수송층 및 전자 주입층이 모두 사용되는 경우, 음극층과 전자 수송층의 사이에 전자 주입층이 위치할 수 있다.
본 발명의 유기발광다이오드의 또 다른 구현예에 있어서, 전자수송층은 n 도펀트를 더 포함할 수 있다. n 도펀트는, 예를 들면, Rb2CO3, Cs2CO3, LiF, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 전자 수송층에 n 도펀트를 더 포함함으로써, 전자 수송층과 정공 수송층 간의 전하균형을 유도할 수 있다. 전자 수송층과 정공 수송층 간의 전하균형은 유기발광다이오드의 외부양자효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 유기발광다이오드를 제조하는 방법의 예를 상세히 설명한다(양극층이 바닥에 위치하는 구현예를 설명한다).
먼저, 양극층을 기판 위에 형성한다. 기판으로서는, 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. 양극층은 공지된 다양한 방법, 예를 들면, 증착법, 스퍼터링법 또는 스핀코팅법 등을 이용하여 형성될 수 있다. 양극층 위에 정공 주입층을 형성한다. 정공 주입층은 양극층 위에 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB(Langmuir-Blodgett)법 등과 같은 다양한 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 정공 주입층 위에 정공 수송층을 형성한다. 정공 수송층의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 정공 수송층 위에 발광층을 형성한다. 발광층은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 발광층 위에 전자 수송층을 형성한다. 전자 수송층의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 전자 수송층 위에 전자 주입층을 형성한다. 전자 주입층의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 전자 주입층 위에 음극층을 형성한다. 음극층은 공지된 다양한 방법, 예를 들면, 증착법, 스퍼터링법 또는 스핀코팅법 등을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 본 발명의 유기발광다이오드를 포함하는 조명이 제공된다. 상기 조명은 양극층; 상기 양극층 위에 위치하는 발광층으로서, 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질 및 전자수송물질을 포함하는 호스트 및 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질을 포함하는 도펀트를 포함하는 발광층; 및 상기 발광층 위에 위치하는 음극층;을 포함하는 유기발광다이오드를 구비한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 본 발명의 유기발광다이오드를 포함하는 디스플레이 장치가 제공된다. 상기 디스플레이 장치는 소스, 드레인, 게이트 및 활성층을 포함한 트랜지스터; 및 양극층, 상기 양극층 위에 위치하는 발광층으로서, 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질 및 전자수송물질을 포함하는 호스트 및 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질을 포함하는 도펀트를 포함하는 발광층, 및 상기 발광층 위에 위치하는 음극층을 포함하는 유기발광다이오드;를 구비하며, 상기 유기발광다이오드의 음극층 또는 양극층이 상기 소스 및 드레인 중 하나와 전기적으로 연결될 수 있다.
<실시예>
실시예 1 --- 유기발광다이오드의 제작 ( 발광층 : NPB , B3PYMPM 및 Ir( mphmq ) 2 tmd )
ITO 100nm가 증착된 유리기판 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 1 Å/s의 증착속도로, TAPC를 증착하여 75 nm 두께의 정공 주입층을 형성하였다.
정공 주입층 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 1 Å/s의 증착 속도로 NPB를 증착하여 10 nm 두께의 정공 수송층을 형성하였다.
정공 수송층 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 NPB, B3PYMPM 및 Ir(mphmq)2tmd를 각각 0.49 Å/s, 0.46 Å/s, 0.05 Å/s의 증착 속도로 동시 증착하여 30 nm 두께의 발광층을 형성하였다. NPB : B3PYMPM의 몰비는 1:1 이었고, NPB, B3PYMPM 및 Ir(mphmq)2tmd의 총 중량 100 wt%를 기준으로 하여, Ir(mphmq)2tmd의 함량은 5 wt%이었다.
발광층 위에, 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 1 Å/s의 증착 속도로, B3PYMPM을 증착하여 10 nm 두께의 전자 수송층을 형성하였다.
전하균형을 맞추기 위하여, 전자 수송층 위에, 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서, B3PYMPM 및 n 도펀트로서 RB2CO3를 각각 0.98 Å/s, 0.02 Å/s의 증착 속도로 동시 증착하여, 45 nm 두께의 전하균형용 전자 수송층을 형성하였다. 전하균형용 전자 수송층에 있어서, RB2CO3 도핑량은, B3PYMPM 및 RB2CO3의 총 중량 100 wt%를 기준으로 하여, 2 wt%이었다.
전하균형용 전자 수송층 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 4 Å/s의 증착 속도로, Al을 증착하여 100 nm 두께의 상부전극을 형성함으로써 실시예 1의 유기발광다이오드를 제조하였다.
실시예 1의 유기발광다이오드에 대하여, 분광광도계 (Spectrascan PR 650, Photoresearch)를 사용하여 발광 스펙트럼을 얻었다. 도 1은, 실시예 1의 유기발광다이오드의 발광 스펙트럼이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 유기발광다이오드는 612 nm 에서 피크를 보였으며, 적색광 소자로 적합하게 사용될 수 있다.
비교예 1 --- 유기발광다이오드의 제작 ( 발광층 : TCTA , B3PYMPM 및 Ir( ppy ) 2 acac )
ITO 100nm가 증착된 유리기판 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 1 Å/s의 증착 속도로, TAPC를 증착하여 60 nm 두께의 정공 주입층을 형성하였다.
정공 주입층 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 1 Å/s의 증착 속도로, TCTA를 증착하여 10 nm 두께의 정공 수송층을 형성하였다.
정공 수송층 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서, TCTA, B3PYMPM 및 Ir(ppy)2acac를 각각 0.52 Å/s, 0.4 Å/s, 0.08 Å/s의 증착 속도로 동시 증착하여 30 nm 두께의 발광층을 형성하였다. TCTA : B3PYMPM의 몰비는 1:1 이었고, TCTA, B3PYMPM 및 Ir(ppy)2acac의 총 중량 100 wt%를 기준으로 하여, Ir(ppy)2acac의 함량은 8 wt%이었다.
TCTA : 4,4’,4’’-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine
Ir(ppy)2acac : bis(2-phenylpyridine)iridium(III) acetylacetonate
발광층 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 1 Å/s의 증착 속도로, B3PYMPM을 증착하여 40 nm 두께의 전자 수송층을 형성하였다.
전자 수송층 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 0.01 Å/s의 증착 속도로, LiF를 증착하여 0.7 nm 두께의 전자 주입층을 형성하였다.
전자 주입층 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 4 Å/s의 증착 속도로, Al을 증착하여 100 nm 두께의 상부전극을 형성함으로써 비교예 1의 유기발광다이오드를 제조하였다.
참조예 1 --- 발광층의 형성
유리기판 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서 NPB, B3PYMPM 및 Ir(mphmq)2tmd를 각각 0.49 Å/s, 0.46 Å/s, 0.05 Å/s의 증착 속도로, NPB, B3PYMPM 및 Ir(mphmq)2tmd를 동시 증착하여 30 nm 두께의 발광층을 형성하였다. NPB : B3PYMPM의 몰비는 1:1 이었고, NPB, B3PYMPM 및 Ir(mphmq)2tmd의 총 중량 100 wt%를 기준으로 하여, Ir(mphmq)2tmd의 함량은 5 wt%이었다. 참조예 1의 발광층은 실시예 1의 유기발광다이오드에 사용된 발광층과 동일하다.
비교 참조예 1 --- 발광층의 형성
유리기판 위에, 진공 열증착법으로 5 x 10-7 torr 이하의 진공도에서, TCTA, B3PYMPM 및 Ir(ppy)2acac를 각각 0.52 Å/s, 0.4 Å/s, 0.08 Å/s의 증착 속도로, TCTA, B3PYMPM 및 Ir(ppy)2acac를 동시 증착하여 30 nm 두께의 발광층을 형성하였다. TCTA : B3PYMPM의 몰비는 1:1 이었고, TCTA, B3PYMPM 및 Ir(ppy)2acac의 총 중량 100 wt%를 기준으로 하여, Ir(ppy)2acac의 함량은 8 wt%이었다. 비교 참조예 1의 발광층은 비교예 1의 유기발광다이오드에 사용된 발광층과 동일하다.
발광층에서의 인광 물질의 수평 배향율 측정
합성 쿼츠로 만들어진 반원통형 렌즈에 합성 쿼츠 기판위에 증착된 샘플을 고정 시키고, 325 nm 레이저를 조사하여 발광을 시킨다. 발광된 빛은 편광 필름을 통과하여 PMT(Photomultiplier tube)와 단색광기(monochromator)로 측정하고 1도씩 돌려가며 -90 도부터 90 도까지 측정을 한다. 발광체가 수직 배향을 가질 때 나타내는 각도별 p-편광 광발광 세기와 수평 배향을 가질 때 나타내는 각도별 p-편광 광발광 세기를 계산하여 이 둘 값에 각각 가중치를 곱하여 실험치와 일치되는 지점을 구해 수평배향율을 결정할 수 있다.
도 2는 참조예 1의 발광층에서의 Ir(mphmq)2tmd 인광 물질의 수평 배향율 측정결과이다. 도 3은 비교 참조예 1의 발광층에서의 Ir(ppy)2acac 인광 물질의 수평 배향율을 측정결과이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 참조예 1의 발광층에서의 Ir(mphmq)2tmd 인광 물질의 수평 배향율은 89%이었다. 반면에, 도 3에 나타난 바와 같이, 비교 참조예 1의 발광층에서의 Ir(ppy)2acac 인광 물질의 수평 배향율은 76%에 불과하였다. 이로부터, NPB, B3PYMPM 및 Ir(mphmq)2tmd의 조합은 매우 우수한 도펀트의 수평 배향율을 유도한다는 예상외의 효과를 발휘함을 알 수 있다.
외부 양자 효율의 측정
실시예 1 및 비교예 1의 유기발광다이오드에 대하여, 색도계(Photo research spectrophotometer; PR-650) 및 전원 공급장치(Keithley 2400)를 사용하여 전압-전류밀도-발광휘도의 관계를 측정하였다.
도 4는, 실시예 1의 유기발광다이오드에 대한 전압-전류밀도-발광휘도의 관계이다. 도 4의 전압-전류밀도-발광휘도 자료를 기초로 하여, 실시예 1의 유기발광다이오드에 대한 외부양자효율 및 전력효율을 계산하였다. 도 5는 실시예 1의 유기발광다이오드에 대한 휘도 대비 외부양자효율의 관계이다. 도 6은, 실시예 1의 유기발광다이오드에 대한 휘도 대비 전력효율의 관계이다.
도 7은 비교예 1의 유기발광다이오드에 대한 전압-전류밀도-발광휘도의 관계이다. 도 7의 전압-전류밀도-발광휘도 자료를 기초로 하여, 비교예 1의 유기발광다이오드에 대한 외부양자효율 및 전력효율을 계산하였다. 도 8은, 비교예 1의 유기발광다이오드에 대한 외부양자효율 및 전력효율이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 유기발광다이오드는 최대 외부양자효율이 37.28% 이었으며, 휘도 1000 nit에서 36.92%의 외부양자효율을, 휘도 10000 nit에서 31.28%의 외부양자효율을 나타내었다. 이러한 성능은, 고 휘도에서도 30%이상의 외부양자효율을 발휘하는 실시예 1의 유기발광다이오드의 성능은, 현재까지 알려진 바에 의하면, 세계 최고의 성능이다. 현재까지 알려진 바에 의하면, 종래의 녹색 유기발광다이오드 소자는 최대 외부양자효율이 29%이었으며, 종래의 적색 유기발광다이오드 소자는 최대 외부양자효율이 26%에 불과하였다.
비교예 1의 유기발광다이오드는, 도 8에 나타난 바와 같이, 최대 외부양자효율이 29.1% 이었으며, 휘도 10000 nit에서 27.8%의 외부양자효율을 나타내었다. 이러한 성능은, 실시예 1의 유기발광다이오드에 비하여, 매우 저조한 성능이다.
이러한 결과로부터, 발광층을 위한 NPB, B3PYMPM 및 Ir(mphmq)2tmd의 조합은, "발광층에서의 도펀트 수평 배향율을 매우 향상시키며 그에 따라 유기발광다이오드가 매우 향상된 외부양자효율을 갖게 한다"는 예상외의 효과를 발휘함을 알 수 있다.
나아가, 발광층을 위한 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질 및 전자수송물질을 포함하는 호스트 및 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질을 포함하는 도펀의 조합은, "발광층에서의 도펀트 수평 배향율을 매우 향상시키며 그에 따라 유기발광다이오드가 매우 향상된 외부양자효율을 갖게 한다"는 예상외의 효과를 발휘함을 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 양극층;
    상기 양극층 위에 위치하는 발광층으로서, 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질 및 전자수송물질을 포함하는 호스트; 및 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질을 포함하는 도펀트;를 포함하는 발광층; 및
    상기 발광층 위에 위치하는 음극층;을 포함하는,
    유기발광다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 호스트는, 엑시플렉스를 형성하는 정공수송물질:전자수송물질 쌍으로서, NPB:B3PYMPM, TCTA:B3PYMPM, TCTA:TPBi, TCTA:3TPYMB, TCTA:BmPyPB, TCTA:BSFM, CBP:B3PYMPM, 또는 NPB:BSFM를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 발광층에 있어서, 상기 전자수송물질의 함량은, 상기 정공수송물질의 100 몰부를 기준으로 하여, 50 몰부 내지 150 몰부인 것을 특징으로 하는 유기발광다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 발광층에 있어서, 상기 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질의 함량은, 상기 정공수송물질, 상기 전자수송물질 및 상기 Ir(mphmq)2tmd계 인광 물질의 총 중량 100 wt%를 기준으로 하여, 1 wt% 내지 20 wt%인 것을 특징으로 하는 유기발광다이오드.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 유기발광다이오드가, 상기 양극층과 상기 발광층의 사이에, 정공 수송층 및 정공 주입층 중의 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광다이오드.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유기발광다이오드가, 상기 음극층과 상기 발광층의 사이에, 전자 수송층 및 전자 주입층 중의 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광다이오드.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전자 수송층이 n 도펀트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광다이오드.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 유기발광다이오드를 포함하는 조명.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 유기발광다이오드를 포함하는 디스플레이 장치.
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