KR20150104299A - 유기 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광층을 형성하면서 발광층에 정공수송물질 및 전자수송물질을 도핑하여, 전자수송층 및 정공수송층을 별도로 형성하지 않도록 함으로써 배리어의 형성을 최대한 억제하여 전하 이동도를 높일 수 있는 유기 발광 다이오드에 관한 것입니다.
본 발명의 실시 예에 따른 유기 발광 다이오드는, 양극; 상기 양극 상에 형성되며, 복층으로 구성되는 복합 유기 발광층; 및 상기 복합 유기 발광층 상에 형성되는 음극을 포함하고, 상기 복합 유기 발광층은 상기 양극 상에 순차적으로 적층되는 정공수송물질층, 호스트와 도펀트를 포함하는 발광층 및 전자수송물질층으로 구성될 수 있다.

Description

유기 발광 다이오드{Organic light emitting diode}

본 발명은 유기 발광 다이오드에 관한 것으로, 상세하게는 발광층을 형성하면서 발광층에 정공수송물질 및 전자수송물질을 도핑하여, 전자수송층 및 정공수송층을 별도로 형성하지 않도록 함으로써 배리어의 형성을 최대한 억제하여 전하 이동도를 높일 수 있는 유기 발광 다이오드에 관한 것입니다.

21세기에 들어와 정보의 정확성뿐만 아니라 신속성이 중요시되어, 여러 산업 분야에서 정보 디스플레이 분야가 매우 중요한 비중을 차지하게 되었다. 디스플레이는 기존의 CRT 디스플레이에서 휴대가 가능할 수 있는 평판 디스플레이인 LCD로 옮겨와서 현재 가장 많이 사용되고 있다.

그러나 LCD는 수광 소자이기 때문에 밝기, 명암, 시야각, 대면적화 등에 기술적 한계가 있어 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 소자 개발이 필요하게 되었으며, 그 중 하나가 유기 발광 다이오드(OLED: Organic Light Emitting Diode)이다.

유기 발광 다이오드는 중금속을 사용하지 않은 친환경적인 기술이고, 다양한 형태로 면 광원의 제작이 가능하고, 무엇보다 고 연색 지수를 가지고 있어 눈에 자극을 주지 않을 뿐만 아니라 다양한 색상을 구현할 수 있다.

또한, 유기 발광 다이오드는 저전압에서 구동이 가능하고, 발열량이 작기 때문에 에너지 절감 효과도 가지고 있어, 다양한 구조를 갖는 유기 발광 다이오드가 연구 개발되고 있다.

일반적으로 유기 발광 다이오드는 유기반도체 재료를 이용하여 유기박막 형태로 적층하여 구현된다.

유기 발광 현상의 원리는 다음과 같다. 양극과 음극 사이에 유기물층을 위치시켰을 때 두 전극을 통하여 특정 유기 반자의 내부에 전압을 걸어주게 되면 음극과 양극으로부터 각각 전자와 정공이 유기물층으로 주입된다.

유기물층으로 주입된 전자와 정공은 재결합하여 엑시톤(exciton)을 형성하고, 이 엑시톤이 다시 바닥 상태로 떨어지면서 빛이 나게 된다.

종래 유기 발광 다이오드의 구조를 도시한 도 1을 참조하면, 이러한 원리를 이용하는 유기 발광 다이오드는 일반적으로 기판(11) 상에 양극(12)과 음극(16), 그 사이에 위치한 유기물층, 예컨대 정공 수송층(Hole Transport Layer; HTL)(13), 발광층(14), 전자 수송층(Electron Transport Layer; ETL)(15)을 포함하는 유기물층을 포함할 수 있다.

따라서, 각 층의 역할에 따라 유기 반도체 재료가 달라진다. 재료의 종류가 달라진다는 의미는 층간 일함수의 차이와 층간 계면이 존재하게 되므로, 층간 반도체 재료의 종류가 달라지면서 배리어들이 존재하게 되고, 이 배리어들은 전하들의 이동을 방해하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 발광층을 형성하면서 발광층에 정공수송물질 및 전자수송물질을 도핑하여, 전자수송층 및 정공수송층을 별도로 형성하지 않도록 함으로써 배리어의 형성을 최대한 억제하여 전하 이동도를 높일 수 있는 유기 발광 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 유기 발광 다이오드는, 양극; 상기 양극 상에 형성되며, 복층으로 구성되는 복합 유기 발광층; 및 상기 복합 유기 발광층 상에 형성되는 음극을 포함하고, 상기 복합 유기 발광층은 상기 양극 상에 순차적으로 적층되는 정공수송물질층, 호스트와 도펀트를 포함하는 발광층 및 전자수송물질층으로 구성될 수 있다.

이때, 상기 정공수송물질층은 상기 양극의 HOMO(the highest occupied molecular orbital) 준위와 상기 호스트의 HOMO 준위 사이의 HOMO 준위를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전자수송물질층은 상기 음극의 LUMO(the lowest unoccupied molecular orbital) 준위와 상기 호스트의 LUMO 준위 사이의 LUMO 준위를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 정공수송물질층 및 상기 전자수송물질층은 단층 또는 복층으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 정공수송물질층은 복수의 도핑층으로 이루어지는 경우, 상기 복수의 도핑층은 상기 양극에서 상기 발광층으로 갈수록 점진적으로 HOMO 준위가 높아지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전자수송물질층은 복수의 도핑층으로 이루어지는 경우, 상기 복수의 도핑층은 상기 음극에서 상기 발광층으로 갈수록 점진적으로 LUMI 준위가 작아지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 정공수송물질층의 두께가 상기 전자수송물질층의 두께보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 유기 발광 다이오드의 발광층이 복층으로 구성되며, 이때, 종래에는 발광층과 양극 사이에 정공 수송층이 형성되고, 발광층과 음극 사이에 전자 수송층이 형성된 것과 달리, 본 발명에서는 발광층에 전자수송물질 및 정공수송물질을 도핑하여 정공 수송층과 전자 수송층이 형성되지 않는 구조가 제안된다.

따라서, 발광층을 형성하면서 발광층에 정공수송물질 및 전자수송물질을 도핑하여, 전자수송층 및 정공수송층을 별도로 형성하지 않도록 함으로써 배리어의 형성을 최대한 억제하여 전하 이동도를 높일 수 있다.

도 1은 종래 유기 발광 다이오드의 구조를 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 유기 발광 다이오드의 일 구성을 도시한 단면도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서의 전하의 이동 상태를 도시한 상태도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은, 유기 발광 다이오드의 발광층이 복층으로 구성되며, 이때, 종래에는 발광층과 양극 사이에 정공 수송층이 형성되고, 발광층과 음극 사이에 전자 수송층이 형성된 것과 달리, 본 발명에서는 발광층에 전자수송물질 및 정공수송물질을 도핑하여 정공 수송층과 전자 수송층이 형성되지 않는 구조를 제안한다.

또한, 명세서에서의 “HOMO”는 최고 점유 분자 오비탈(the highest occupied molecular orbital)을 의미하고 “LUMO”는 최저 비점유 분자 오비탈(the lowest unoccupied molecular orbital)을 의미한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 유기 발광 다이오드의 일 구성을 도시한 단면도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 유기 발광 다이오드는 양극(120, anode); 상기 양극(120) 상에 형성된 복합 유기 발광층(130); 및 상기 복합 유기물층(130) 상에 형성되는 음극(140, cathode)을 포함하는 적층 구조를 갖는다.

그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 층들을 지지하는 기판(110)을 더 포함할 수 있다.

상기 기판(110)은 제한되지 않는다. 상기 기판(110)은 지지력을 갖는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 유리 기판이나 고분자 기판 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 기판(110)은 플렉서블을 고려한다면 고분자 기판으로부터 선택될 수 있으며, 구체적으로 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene Naphthalate; PEN) 및 폴리카보네이트(polycarbonate; PC) 등으로부터 선택된 하나 이상의 수지를 포함하는 필름을 사용할 수 있다.

한편, 상기 복합 유기 발광층(130)은 발광층(131), 정공수송물질층(133) 및 전자수송물질층(135)을 포함한다.

상기 발광층(emittering layter, EML)(131)은 전하 이송 물질로서의 호스트(Host)와 인광 물질로서의 도펀트(Dopant)를 포함하여, 정공과 전자가 주입되는 경우, 주입된 정공과 전자가 재조합하여 빛을 방출한다.

상기 정공수송물질층(133)은 상기 양극(120)과 상기 발광층(131) 사이에 형성되며, 상기 발광층(131)의 호스트를 증착하는 과정에서 동시에 형성될 수 있다.

한편, 상기 정공수송물질층(133)은 상기 양극(120)의 HOMO 준위와 상기 발광층(131)에 사용되는 호스트의 HOMO 준위 사이의 HOMO 준위를 갖는다.

이때, 상기 정공수송물질층(133)은 상기 양극층의 HOMO 준위보다 크고, 상기 발광층(131)에 사용되는 호스트의 HOMO 준위보다 작은 HOMO 준위를 갖는다.

또한, 상기 정공수송물질층(133)은 단층으로 이루어질 수 있고, 복층으로 이루어질 수도 있으며, 복층으로 이루어지는 경우, 양극(120)에서 발광층(131)으로 갈수록 점진적으로 HOMO 준위가 높아지도록 형성된다.

도 2에 따르면, 상기 정공수송물질층(133)은 제 1 도핑층(133a) 및 제 2 도핑층(133b)의 2개의 층으로 이루어지나, 3개 이상의 층으로 이루어질 수 있음은 물론이다.

따라서, 제 1 도핑층(133a)의 HOMO 준위는 제 2 도핑층(133b)의 HOMO 준위보다 작으므로, 양극(120) 및 발광층(131) 사이의 HOMO 준위 레벨을 살펴보면, “양극 < 제 1 도핑층 < 제 2 도핑층 < 발광층의 호스트”의 관계가 성립한다.

한편, 상기 정공수송물질층(133)의 재질로는 NPB(N-phenylamino]-biphenyl), 4,4’,4”-트리스(카바졸-9-일) 트리페닐아민(4,4',4"-tris(carbazol-9-yl) triphenylamine : TCTA), 디-[4,-(N,N-디톨일-아미노)-페닐]시클로헥산 (Di-[4-(N,N-ditolyl-amino)-phenyl]cyclohexane: TAPC) 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있으나, 상기 정공수송물질층(133)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 전자수송물질층(135)은 상기 음극(140)과 상기 발광층(131) 사이에 형성되며, 상기 발광층(131)의 호스트를 증착하는 과정에서 동시에 형성될 수 있다.

한편, 상기 전자수송물질층(135)은 상기 음극(140)의 LUMO 준위와 상기 발광층(131)에 사용되는 호스트의 LUMO 준위 사이의 LUMO 준위를 갖는다.

이때, 상기 전자수송물질층(135)은 상기 발광층(131)에 사용되는 호스트의 LUMO 준위보다 크고, 상기 음극(140)의 LUMO 준위보다 작은 LUMO 준위를 갖는다.

또한, 상기 전자수송물질층(135)은 단층으로 이루어질 수 있고, 복층으로 이루어질 수도 있으며, 복층으로 이루어지는 경우, 음극(140)에서 발광층(131)으로 갈수록 점진적으로 LUMO 준위가 작아지도록 형성된다.

도 2에 따르면, 상기 전자수송물질층(135)은 제 3 도핑층(135a) 및 제 4 도핑층(135b)의 2개의 층으로 이루어지나, 3개 이상의 층으로 이루어질 수 있음은 물론이다.

따라서, 제 3 도핑층(135a)의 LUMO 준위는 제 4 도핑층(135b)의 LUMO 준위보다 크므로, 음극(140) 및 발광층(131) 사이의 LUMO 준위 레벨을 살펴보면, “발광층의 호스트 < 제 4 도핑층 < 제 3 도핑층 < 음극”의 관계가 성립한다.

한편, 상기 전자수송물질층(135)의 재질로는 2,2’,2”-(벤젠-1,3,5-트리일)-트리스(1-페닐-1H-벤즈이미다졸) ((2,2′,2″-(benzene-1,3,5-triyl)- tris(1-phenyl-1H-benzimidazole : TPBI), 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline : Bphen), 1,3,5-트리[(3-피리딜)-펜-3-일]벤젠 (1,3,5-tri[(3-pyridyl)-phen-3-yl]benzene : TmPyPB), 3-(4-비페닐)-4-(페닐-5-tert-부틸페닐-1,2,4-트리아졸 (3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole : TAZ) 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있으나, 상기 전자수송물질층(135)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 정공수송물질층(133)을 구성하는 제 1 및 제 2 도핑층(133a, 133b)의 상대적 두께 비는 공정 환경 및 특성에 따라 다양하게 설정될 수 있으며, 상기 정공수송물질층(133)이 3개 이상의 도핑층으로 구성되는 경우에도 마찬가지이다.

동일하게, 상기 전자수송물질층(135)을 구성하는 제 3 및 제 4 도핑층(135a, 135b)의 상대적 두께 비는 공정 환경 및 특성에 따라 다양하게 설정될 수 있으며, 상기 전자수송물질층(135)이 3개 이상의 도핑층으로 구성되는 경우에도 마찬가지이다.

한편, 상기 정공수송물질층(133)의 두께보다는 상기 전자수송물질층(135)의 두께가 두꺼운 것이 바람직하다. 이러한 두께 차이에 의해 정공 이동 속도와 전자 이동 속도의 차이가 보상되어, 발광층(131)의 발광 효율을 증대시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 유기 발광 다이오드에 있어서의 전하의 이동 상태를 도시한 상태도이다.

도 3을 참조하면, 양극(120)으로부터 정공이 이동되어 발광층(131)으로 주입되고, 음극(140)으로부터 전자가 이동되어 발광층(131)으로 주입된다.

이때, 양극(120)으로부터 이동되는 정공은 제 1 도핑층(133a) 및 제 2 도핑층(133b)을 거쳐 발광층(131)으로 주입되고, 음극(140)으로부터 이동되는 전극은 제 3 도핑층(135a) 및 제 4 도핑층(135b)을 거쳐 발광층(131)으로 주입된다.

한편, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 도핑층(133a, 133b)은 상기 양극(120)의 HOMO 준위와 상기 발광층(131)에 사용되는 호스트의 HOMO 준위 사이의 HOMO 준위를 가져, 상기 양극(120)과 상기 발광층(131) 사이의 에너지 준위 차(에너지 장벽)를 줄여주므로 정공은 종래보다 수월하게 상기 발광층(131)으로 이동할 수 있다.

마찬가지로, 상기 제 3 및 제 4 도핑층(135a, 135b)은 상기 양극(140)의 LUMO 준위와 상기 발광층(131)에 사용되는 호스트의 LUMO 준위 사이의 LUMO 준위를 가져, 상기 음극(140)과 상기 발광층(131) 사이의 에너지 준위 차(에너지 장벽)을 줄여주므로 전자는 종래보다 수월하게 상기 발광층(131)으로 이동할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 유기 발광 다이오드의 발광층이 복층으로 구성되며, 발광층에 전자수송물질 및 정공수송물질을 도핑하여 정공 수송층과 전자 수송층이 형성되지 않는 구조가 제안된다.

따라서, 발광층을 형성하면서 발광층에 정공수송물질 및 전자수송물질을 도핑하여, 전자수송층 및 정공수송층을 별도로 형성하지 않도록 함으로써 배리어의 형성을 최대한 억제하여 전하 이동도를 높일 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드를 한정된 실시 예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

따라서, 본 발명에 기재된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 : 기판 120 : 양극
130 : 복합 유기 발광층 131 : 발광층
133 : 정공수송물질층 133a : 제 1 도핑층
133b : 제 2 도핑층 135 : 전자수송물질층
135a : 제 3 도핑층 135b : 제 4 도핑층
140 : 음극

Claims (7)

1. 양극;
   상기 양극 상에 형성되며, 복층으로 구성되는 복합 유기 발광층; 및
   상기 복합 유기 발광층 상에 형성되는 음극을 포함하고,
   상기 복합 유기 발광층은 상기 양극 상에 순차적으로 적층되는 정공수송물질층, 호스트와 도펀트를 포함하는 발광층 및 전자수송물질층으로 구성되는 유기 발광 다이오드.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 정공수송물질층은 상기 양극의 HOMO(the highest occupied molecular orbital) 준위와 상기 호스트의 HOMO 준위 사이의 HOMO 준위를 갖는 유기 발광 다이오드.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전자수송물질층은 상기 음극의 LUMO(the lowest unoccupied molecular orbital) 준위와 상기 호스트의 LUMO 준위 사이의 LUMO 준위를 갖는 유기 발광 다이오드.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 정공수송물질층 및 상기 전자수송물질층은 단층 또는 복층으로 이루어지는 유기 발광 다이오드.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 정공수송물질층은 복수의 도핑층으로 이루어지고,
   상기 복수의 도핑층은 상기 양극에서 상기 발광층으로 갈수록 점진적으로 HOMO 준위가 높아지는 유기 발광 다이오드.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 전자수송물질층은 복수의 도핑층으로 이루어지고,
   상기 복수의 도핑층은 상기 음극에서 상기 발광층으로 갈수록 점진적으로 LUMI 준위가 작아지는 유기 발광 다이오드.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 정공수송물질층의 두께가 상기 전자수송물질층의 두께보다 두꺼운 유기 발광 다이오드.
   

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