KR20160069004A - 유기 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 양극과 음극; 상기 양극과 음극 사이에 구비된 발광층을 포함하여 이루어지고, 상기 발광층은 전자 이동도가 정공 이동도의 104 배보다 크고 105 배보다 작은 특성을 가진 호스트 물질을 포함하여 이루어진 유기 발광 소자에 관한 것이다.

Description

유기 발광 소자{Organic Light Emitting Device}
본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고온에서 화상품질 저하를 방지할 수 있는 유기 발광 소자에 관한 것이다.
유기 발광 소자는 전자(electron)를 주입하는 음극(cathode)과 정공(hole)을 주입하는 양극(anode) 사이에 발광층이 형성된 구조를 가지며, 음극에서 발생된 전자 및 양극에서 발생된 정공이 발광층 내로 주입되면 주입된 전자 및 정공이 결합하여 엑시톤(exciton)이 생성되고, 생성된 엑시톤이 여기상태(excited state)에서 기저상태(ground state)로 떨어지면서 발광을 하는 소자이다.
이와 같은 유기 발광 소자는 적색의 광을 발광하는 적색 발광층을 구비한 적색 화소, 녹색의 광을 발광하는 녹색 발광층을 구비한 녹색 화소 및 청색의 광을 발광하는 청색 발광층을 구비한 청색 화소를 포함하여 이루어짐으로써 풀컬러 화상을 디스플레이할 수 있다.
이하, 도면을 참조로 종래의 유기 발광 소자에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 유기 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 종래의 유기 발광 소자는 적색(R) 화소, 녹색(G) 화소, 및 청색(B) 화소를 포함하여 이루어진다.
상기 적색(R) 화소, 녹색(G) 화소, 및 청색(B) 화소 각각은 양극(Anode), 정공 주입층(Hole Injectig Layer; HIL), 정공 수송층(Hole Transporting Layer; HTL), 발광층(Emitting Layer; EML), 전자 수송층(Electron Transporting Layer; ETL), 전자 주입층(Electron Injecting Layer; EIL), 및 음극(Cathode)을 포함하여 이루어진다.
상기 정공 주입층(HIL)은 상기 양극(Anode) 상에 형성되고, 상기 정공 수송층(HTL)은 상기 정공 주입층(HIL) 상에 형성된다.
상기 발광층(EML)은 상기 정공 수송층(HTL) 상에 형성된다. 상기 발광층(EML)은 적색(R) 화소에 형성된 적색 발광층(EML(R)), 녹색(G) 화소에 형성된 녹색 발광층(EML(G)), 및 청색(B) 화소에 형성된 청색 발광층(EML(B))을 포함한다.
상기 전자 수송층(ETL)은 상기 발광층(EML) 상에 형성되고, 상기 전자 주입층(EIL)은 상기 전자 수송층(ETL) 상에 형성되고, 상기 음극(Cathode)은 상기 전자 주입층(EIL) 상에 형성된다.
이와 같은 종래의 유기 발광 소자는 개인용 디스플레이 장치뿐만 아니라 산업용 또는 군사용 등의 다양한 디스플레이 장치로 제작될 수 있기 때문에, 각각의 용도에 맞는 다양한 테스트가 이루어질 수 있다. 예로서, 고온의 극한온도에서 견딜 수 있도록 고온 테스트가 행해질 수 있다.
아래 표 1은 종래의 유기 발광 소자를 70℃에서 240시간 동안 동작한 후 상온에서 화이트(White)의 색좌표 변화량을 측정한 결과이다. 구체적으로, 종래의 유기 발광 소자에 대해서 상온에서 저계조(Gray 15) 및 고계조(Gray 255)에 따른 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy)를 측정하였고, 70℃에서 240시간 동안 동작한 후 상온에서 저계조(Gray 15) 및 고계조(Gray 255)에 따른 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy)를 측정하였다.
표 1
Figure pat00001
표 1에서 알 수 있듯이, 고계조(Gray 255)의 경우 상온에서 측정한 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy)와 70℃에서 240시간 동안 동작한 후 상온에서 측정한 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy) 사이에 큰 차이가 없지만, 저계조(Gray 15)의 경우 상온에서 측정한 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy)와 70℃에서 240시간 동안 동작한 후 상온에서 측정한 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy) 사이에 큰 차이가 있음을 알 수 있다. 특히, 70℃에서 240시간 동안 동작한 경우 Y축의 색좌표(Wy) 값이 증가하기 때문에 방출되는 색상이 녹색을 띠는 화이트(Greenish White) 색상을 나타내어 화상 품질이 저하된다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 고온에서 화상 품질 저하를 줄일 수 있는, 특히 고온 및 저계조에서 화상 품질 저하를 줄일 수 있는 유기 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 양극과 음극; 상기 양극과 음극 사이에 구비된 발광층을 포함하여 이루어지고, 상기 발광층은 전자 이동도가 정공 이동도의 104 배보다 크고 105 배보다 작은 특성을 가진 호스트 물질을 포함하여 이루어진 유기 발광 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 녹색 발광층, 적색 발광층, 및 청색 발광층을 포함하여 이루어지고, 상기 녹색 발광층, 적색 발광층 및 청색 발광층 중 적어도 하나의 발광층은 전자 이동도가 정공 이동도의 104 배보다 크고 105 배보다 작은 특성을 가진 호스트 물질을 포함하여 이루어진 유기 발광 소자를 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발광층을 구성하는 호스트 물질의 전자 이동도가 정공 이동도의 104 배보다 크고 105 배보다 작은 특성을 가짐으로써, 고온 및 저계조에서 화상 품질 저하를 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 유기 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 온도 변화에 따른 화소별 광효율 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 일반적인 녹색 발광층을 구성하는 호스트 물질의 전하 이동도를 도시한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 발광층을 구성하는 호스트 물질의 전하 이동도를 도시한 그래프이다.
도 5a는 종래의 녹색 발광층에 대해서 상온 및 고온에서 각각 측정한 전류밀도에 대한 광효율 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 녹색 발광층에 대해서 상온 및 고온에서 각각 측정한 전류밀도에 대한 광효율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명자는 고온에서 화이트 색좌표가 변화되어 화상 품질이 저하되는 원인을 파악하기 위해서 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B) 화소별로 광효율 변화량을 측정하였다.
도 2는 온도 변화에 따른 화소별 광효율 변화를 보여주는 그래프이다. 도 2에서 알 수 있듯이, 청색(B) 화소, 적색(R) 화소, 및 녹색(G) 화소 각각에서 상온과 고온(70℃에서 240시간 동작) 사이에서 광효율 변화가 발생하여, 화이트(W) 색상의 광효율이 변화됨을 알 수 있다.
특히, 녹색(G) 화소에서의 광효율 변화가 청색(B) 화소 및 적색(R) 화소에서의 광효율 변화보다 큼을 알 수 있고, 또한, 고계조보다는 저계조에서 광효율 변화가 큼을 알 수 있다.
아래 표 2는 청색(B) 화소, 적색(R) 화소, 및 녹색(G) 화소 각각에서 상온의 광효율에 대한 고온(70℃에서 240시간 동작)의 광효율 변화율을 나타낸 것이다.
표 2
Figure pat00002
위 표 2에서 알 수 있듯이, 상온에 비하여 고온의 경우에 있어서, 고계조(Gray 255)에서는 적색(R) 화소, 녹색(G) 화소, 및 청색(B) 화소 모두 5% 미만의 광효율 저하를 보이고 있다. 그러나, 저계조(Gray 31)에서는 적색(R) 화소와 청색(B) 화소는 5%보다 큰 광효율 저하를 보이고 있는데, 녹색(G) 화소는 오히려 광효율이 향상됨을 알 수 있다.
위에서와 같이 고계조에서는 적색(R) 화소, 녹색(G) 화소, 및 청색(B) 화소 모두 상온 대비 고온의 광효율 저하 편차가 크지 않기 때문에 화이트(White)의 색좌표 변화가 크지 않게 된다. 그러나, 저계조에서는 적색(R) 화소와 청색(B) 화소 사이의 상온 대비 고온의 광효율 저하 편차가 크고, 특히, 녹색(G) 화소는 오히려 상온 대비 고온의 광효율이 증가하기 때문에, 화이트(White)의 색좌표 변화가 크게 됨을 알 수 있다.
따라서, 광효율 변화가 큰 녹색(Green) 화소를 대상으로 하여 녹색 발광층에서의 전하 밸런싱(charge balancing)의 변화에 대해서 검토하였고, 그 결과를 바탕으로 색좌표 변화를 줄일 수 있도록 하기 위한 녹색 발광층을 구성하는 호스트 물질의 요건을 최적화하였는데, 그에 대해서 이하에서 설명하기로 한다.
발광층에서의 발광 효율은 전하 밸런싱에 의해서 큰 영향을 받는다. 보다 구체적으로 설명하면, 발광층에서는 음극에서 주입된 전자(electron)와 양극에서 주입된 정공(hole)이 결합하여 엑시톤(exciton)이 생성되고 그와 같은 엑시톤이 여기상태(excited state)에서 기저상태(ground state)로 떨어지면서 발광을 하게 되므로, 전자와 정공의 밸런싱이 잘 맞아야 발광 효율이 증진된다. 예로서, 전자의 주입량에 비하여 정공의 주입량이 적다든지 또는 정공의 주입량에 비하여 전자의 주입량이 적으면 발광층의 발광 효율이 떨어지게 된다.
도 3a 및 도 3b는 일반적인 녹색 발광층을 구성하는 호스트 물질의 전하 이동도를 도시한 그래프로서, 도 3a는 상온에서의 전하 이동도를 도시한 것이고 도 3b는 고온(70℃에서 240시간 동작)에서의 전하 이동도를 도시한 것이다. 본 명세서에서 전하 이동도라 함은 전자 이동도와 정공 이동도를 통칭하는 것이다.
도 3a 및 도 3b에서 HTL은 정공 수송층(Hole Transporting Layer)을 의미하고, EML은 발광층(Emitting Layer)을 의미하고, ETL은 전자 수송층(Electron Transporting Layer)을 의미한다.
도 3a에서 알 수 있듯이, 상온상태에 있어서 녹색 발광층을 구성하는 호스트 물질은 전자 이동도(Electron mobility)와 정공 이동도(Hole mobility)가 모두 크다. 특히, 전자 이동도가 정공 이동도에 비하여 더욱 크다. 전자 이동도가 크기 때문에 전자 수송층(ETL)을 통해 전달된 전자는 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면 근처까지 이동하여 상기 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면 근처에 많이 분포하게 된다. 또한, 정공 이동도도 크기 때문에 정공 수송층(HTL)을 통해 전달된 정공은 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면 근처를 지나서 발광층(EML) 내에 많이 분포하게 된다.
여기서, 전자 이동도 곡선과 정공 이동도 곡선이 겹쳐지는 영역(A)에서 전자와 정공의 결합에 의한 엑시톤이 생성되어 발광이 이루어진다. 상기 전자 이동도 곡선과 정공 이동도 곡선이 겹쳐지는 영역(A)은 후술하는 도 3b의 경우에 비하여 상대적으로 작으며, 따라서 도 3a의 경우가 도 3b의 경우보다 전하 밸런싱이 좋지 않다.
도 3b에서 알 수 있듯이, 고온(70℃)에서 240시간 동안 동작하게 되면 녹색 발광층을 구성하는 호스트 물질의 전하 이동도가 상온에서보다 떨어지게 된다. 따라서, 녹색 발광층을 구성하는 호스트 물질의 전자 이동도가 도 3a에서보다 떨어지므로 전자 수송층(ETL)을 통해 전달된 전자는 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면까지 이동하지 못하고 발광층(EML) 내에 많이 분포하게 된다. 또한, 녹색 발광층을 구성하는 호스트 물질의 정공 이동도가 도 3a에서보다 떨어지므로 정공 수송층(HTL)을 통해 전달된 정공은 멀리 이동하지 못하고 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면 근처에 많이 분포하게 된다.
결과적으로, 전자 이동도 곡선과 정공 이동도 곡선이 겹쳐지는 영역(B)이 도 3a에서의 영역(A) 보다 켜져서 오히려 상온에서보다 고온에서의 전하 밸런싱이 좋아지게 된다. 이와 같은 이유로 인해서 전술한 표 2에서와 같이 녹색(G) 화소에서 상온 대비 고온의 광효율이 향상된 것이다.
이상에서와 같이, 일반적으로 고온에서는 발광층의 호스트 물질의 전자 이동도 및 정공 이동도가 상온에서보다 떨어지게 되는데, 그와 같은 경우에도 전술한 도 3b에서와 같이 전자 이동도 곡선과 정공 이동도 곡선의 중첩 영역은 증가될 수 있어 발광 효율은 오히려 증가될 수 있음을 확인하였다.
모든 화소의 발광층에서 발광 효율이 증가되는 것은 문제가 없지만 특정 화소의 발광층에서만 발광 효율이 증가되면 발광 효율이 증가되는 특정 화소의 발광층에서의 발광 세기가 증가되어 화이트의 색좌표가 변경되는 문제가 생긴다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이, 적색 화소의 적색 발광층과 청색 화소의 청색 발광층은 고온에서 발광 효율이 떨어지는데, 녹색 화소의 녹색 발광층에서만 고온에서 발광 효율이 증가되면 녹색의 발광 세기가 증가되어 녹색을 띠는 화이트(greenish white)가 방출되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명자는 고온에서 발광층의 호스트 물질의 전하 이동도가 떨어지는 것을 감안하여 상온에서 발광층의 호스트 물질의 전하 이동도를 최적화하는 방안에 대해서 검토하여 도 4a 및 도 4b와 같은 발광층을 구성하는 호스트 물질의 최적화된 전하 이동도 특성을 개발하게 되었다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 발광층을 구성하는 호스트 물질의 전하 이동도를 도시한 그래프로서, 도 4a는 상온에서의 전하 이동도를 도시한 것이고 도 4b는 고온에서의 전하 이동도를 도시한 것이다.
도 4a에서 알 수 있듯이, 상온상태에 있어서 발광층을 구성하는 호스트 물질은 전자 이동도(Electron mobility)는 크지만 정공 이동도(Hole mobility)는 작다.
호스트 물질의 전자 이동도가 크기 때문에 발광층(EML)의 중앙 영역을 중심으로 하여 전자 이동도 곡선의 피크(Peak)는 정공 수송층(HTL) 쪽에 위치하게 되고, 따라서 전자 수송층(ETL)을 통해 전달된 전자는 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면 근처까지 이동하여 상기 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면 근처에 많이 분포하게 된다.
호스트 물질의 정공 이동도는 작기 때문에 발광층(EML)의 중앙 영역을 중심으로 하여 정공 이동도 곡선의 피크(Peak)는 정공 수송층(HTL) 쪽에 위치하게 되고, 따라서 정공 수송층(HTL)을 통해 전달된 정공은 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면을 지나 멀리 이동하지 못하여 상기 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면 근처에 많이 분포하게 된다. 도시된 바와 같이, 정공 이동도 곡선의 피크는 전자 이동도 곡선의 피크보다는 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면에서 멀리 떨어져 있다.
여기서, 전자 이동도 곡선과 정공 이동도 곡선이 겹쳐지는 영역(C)에서 전자와 정공의 결합에 의한 엑시톤이 생성되어 발광이 이루어지는데, 상기 전자 이동도 곡선과 정공 이동도 곡선이 겹쳐지는 영역(C)은 전술한 도 3a의 경우에 비하여 상대적으로 크다. 따라서, 상온에서 전하 밸런싱이 전술한 도 3a의 경우에 비하여 좋아 발광효율이 향상될 수 있다.
도 4b에서 알 수 있듯이, 고온(70℃)에서 240시간 동안 동작하게 되면 발광층을 구성하는 호스트 물질의 전하 이동도가 상온에서보다 떨어지게 된다. 따라서, 발광층을 구성하는 호스트 물질의 전자 이동도가 도 4a에서보다 떨어지므로 전자 수송층(ETL)을 통해 전달된 전자는 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면까지 이동하지 못하고 전술한 도 4a에서보다 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면에서 떨어진 발광층(EML) 내에 많이 분포하게 된다.
또한, 발광층을 구성하는 호스트 물질의 정공 이동도가 도 4a에서보다 떨어지므로 정공 수송층(HTL)을 통해 전달된 정공은 멀리 이동하지 못하고 전술한 도 4a에서보다 발광층(EML)과 정공 수송층(HTL)의 계면에 가까운 위치에 많이 분포하게 된다.
여기서, 전자 이동도 곡선과 정공 이동도 곡선이 겹쳐지는 영역(D)에서 전자와 정공의 결합에 의한 엑시톤이 생성되어 발광이 이루어지는데, 상기 전자 이동도 곡선과 정공 이동도 곡선이 겹쳐지는 영역(D)은 전술한 도 4a의 경우와 유사하다. 따라서, 고온에서의 전하 밸런싱이 상온에서의 전하 밸런싱과 큰 차이가 없어 고온에서의 발광효율이 상온에서의 발광효율과 유사하게 된다.
이와 같이 발광층의 호스트 물질이 도 4a 및 도 4b와 같은 전하 이동도 곡선을 가지게 되면, 전술한 도 3a 및 도 3b와 같은 전하 이동도 곡선을 가지는 경우에 비하여, 상온에서의 발광효율이 향상됨과 더불어 고온에서의 발광효율 저하를 줄일 수 있게 된다.
이와 같이 도 4a 및 도 4b와 같은 전하 이동도 곡선을 가지기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광층의 호스트 물질은 상온에서 다음과 같은 특성을 구비하는 것이 바람직하다.
발광층의 호스트 물질의 전자 이동도는 상기 발광층의 호스트 물질의 정공 이동도보다 큰 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 상기 발광층의 호스트 물질의 전자 이동도는 상기 발광층의 호스트 물질의 정공 이동도의 104 배보다 크고 105 배보다 작은 것이 바람직하다. 이와 같이 상온에서 상기 발광층의 호스트 물질의 전자 이동도가 상기 발광층의 호스트 물질의 정공 이동도의 104 배보다 크고 105 배보다 작은 경우 전술한 도 4a와 같은 전하 이동도 곡선을 가지게 되고, 또한 고온에서 전하 이동도가 떨어질 경우 도 4b와 같은 전하 이동도 곡선을 가질 수 있게 된다.
현재까지 개발된 발광층의 호스트 물질 특성을 감안할 때, 상기 발광층의 호스트 물질의 전자 이동도는 8.0×10-6 ~ 10.0×10-6의 범위이고, 발광층의 호스트 물질의 정공 이동도는 4.0×10-10 ~ 6.0×10-10의 범위일 수 있다.
본 명세서 전체에서 전자 이동도 및 정공 이동도는 0.25 mV/cm의 전계하에서 측정된 값이다.
도 5a는 종래의 녹색 발광층에 대해서 상온 및 고온(70℃에서 240시간 동작)에서 각각 측정한 전류밀도에 대한 광효율 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 녹색 발광층에 대해서 상온 및 고온(70℃에서 240시간 동작)에서 각각 측정한 전류밀도에 대한 광효율 변화를 나타내는 그래프이다.
종래의 녹색 발광층은 전자 이동도가 8.0×10-5이고 정공 이동도가 2.0×10-7인 호스트 물질을 이용하였고, 본 발명의 일 실시예에 따른 녹색 발광층은 전자 이동도가 9.0×10-6이고 정공 이동도가 5.0×10-10인 호스트 물질을 이용하였다.
도 5a에서 알 수 있듯이, 종래의 경우는 0.3 mA/cm2 이하의 낮은 전류밀도에서 상온에 비하여 고온(70℃에서 240시간 동작)에서 발광 효율이 오히려 상승 되고, 상온과 고온 사이의 편차가 큼을 알 수 있다.
그에 반하여, 도 5b에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예의 경우는 약 0.1 mA/cm2 미만의 낮은 전류밀도에서만 상온에 비하여 고온(70℃에서 240시간 동작)에서 발광 효율이 상승 되고, 상온과 고온 사이의 편차가 작음을 알 수 있다.
아래 표 3은 전술한 종래의 녹색 발광층을 포함한 유기 발광 소자 및 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 녹색 발광층을 포함하는 유기 발광 소자를 70℃에서 240시간 동안 동작한 후 상온에서 화이트(White)의 색좌표 변화량을 측정한 결과이다.
구체적으로, 상온에서 저계조(Gray 15) 및 고계조(Gray 255)에 따른 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy)를 측정하였고, 70℃에서 240시간 동안 동작한 후 상온에서 저계조(Gray 15) 및 고계조(Gray 255)에 따른 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy)를 측정하였다.
표 3
Figure pat00003
표 3에서 알 수 있듯이, 고계조(Gray 255)에 있어서, 종래 및 본 발명 모두 상온에서 측정한 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy)와 70℃에서 240시간 동안 동작한 후 상온에서 측정한 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy) 사이에 큰 차이가 없다. 즉, 종래 및 본 발명 모두 고계조(Gray 255)에서는 온도 변화에 따른 색좌표 변화량이 X좌표 및 Y좌표 모두 0.004 이하임을 알 수 있다. 본 명세서에서 온도 변화라 함은 상온과 고온(70℃에서 240시간 동안 동작) 사이의 변화를 의미한다.
저계조(Gray 15)에 있어서, 종래의 경우는 상온에서 측정한 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy)와 70℃에서 240시간 동안 동작한 후 상온에서 측정한 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy) 사이에 큰 차이가 있다. 특히, 종래의 경우 70℃에서 240시간 동안 동작한 경우 Y축의 색좌표(Wy) 값이 증가하기 때문에 방출되는 색상이 녹색을 띠는 화이트(Greenish White) 색상을 나타내어 화상 품질이 저하된다.
그러나, 저계조(Gray 15)에 있어서, 본 발명의 경우는 상온에서 측정한 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy)와 70℃에서 240시간 동안 동작한 후 상온에서 측정한 화이트(White)의 색좌표(Wx,Wy) 사이에 큰 차이가 없다. 특히, 본 발명의 경우는 종래에 비하여 X축의 색좌표(Xx)는 조금 증가하였지만 Y축 색좌표(Xy)는 크게 감소하였기 때문에 녹색을 띠는 화이트(Greenish White) 색상이 나타나지 않게 되어 화상 품질이 향상될 수 있다. 즉, 종래는 저계조(Gray 15)에서 온도 변화에 따른 색좌표 변화량이 X좌표는 0.006로 작지만 Y좌표는 0.54로 크다. 그에 반하여, 본 발명은 저계조(Gray 15)에서 온도 변화에 따른 색좌표 변화량이 X좌표 및 Y좌표 모두 0.020 이하로 작다.
이상은 녹색 발광층을 대상으로 설명하였지만, 본 발명은 녹색 발광층 뿐만 아니라 적색 발광층과 청색 발광층에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자의 개략적인 단면도이다.
도 6에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자는 적색(R) 화소, 녹색(G) 화소, 및 청색(B) 화소를 포함하여 이루어진다.
상기 적색(R) 화소, 녹색(G) 화소, 및 청색(B) 화소 각각은 양극(Anode), 정공 주입층(HIL), 정공 수송층(HTL), 발광층(EML), 전자 수송층(ETL), 전자 주입층(EIL), 음극(Cathode), 및 캡핑층(Capping layer; CPL)을 포함하여 이루어진다.
상기 적색(R) 화소 및 녹색(G) 화소 각각은 상기 정공 수송층(HTL)과 상기 발광층(EML) 사이에 두께 조절층(TCL)이 추가로 구비되어 있다.
이하, 각각의 층들에 대해서 구체적으로 설명한다.
상기 양극(Anode)은 전도성 및 일함수(work function)가 높은 투명한 도전물질, 예로서 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO2 또는 ZnO 등으로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 정공 주입층(HIL)은 상기 양극(Anode) 상에 형성되며 MTDATA(4,4',4"-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine), CuPc(copper phthalocyanine) 또는 PEDOT/PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiphene, polystyrene sulfonate) 등으로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 상기 정공 주입층(HIL)은 상기 정공 수송층(HTL)을 구성하는 물질에 P타입의 도펀트가 도핑되어 이루어질 수도 있다.
상기 정공 수송층(HTL)은 상기 정공 주입층(HIL) 상에 형성되며, TPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1,1'-bi-phenyl-4,4'-diamine), NPD(N, N-dinaphthyl-N, N'-diphenyl benzidine), 또는 NPB(N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine) 등으로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 상기 정공 수송층(HTL)은 P타입의 도펀트가 포함되지 않은 것을 제외하고 상기 정공 주입층(HIL)과 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 이 경우 동일한 공정 장비에서 연속 증착 공정으로 상기 정공 주입층(HIL)과 정공 수송층(HTL)을 형성할 수 있다.
상기 두께 조절층(TCL)은 상기 적색(R) 화소 및 상기 녹색(G) 화소에는 형성되고 상기 청색(B) 화소에는 형성되지 않는다. 이와 같은 두께 조절층(TCL)은 보강간섭을 통해서 광효율을 향상시키는 역할을 한다. 발광층(EML)에서 발광한 광은 양극(Anode) 또는 음극(Cathode)으로 방출되면서 화상을 디스플레이한다. 이때 상기 발광층(EML)에서 발광한 광의 일부는 상기 양극(Anode) 또는 상기 음극(Cathode)으로 바로 방출되지만 상기 발광층(EML)에서 발광한 광의 나머지는 상기 양극(Anode)과 상기 음극(Cathode) 사이에서 반사 및 재반사를 반복한 후에 상기 양극(Anode) 또는 상기 음극(Cathode)으로 방출된다. 따라서, 상기 양극(Anode) 또는 상기 음극(Cathode)으로 바로 방출되는 광과 상기 양극(Anode)과 상기 음극(Cathode) 사이에서 반사 및 재반사를 반복하면서 방출되는 광이 서로 보강간섭을 일으킬 경우 최종적으로 방출되는 광이 증폭되어 광효율이 향상될 수 있다. 이와 같은 보강간섭을 통해 광을 증폭하기 위해서는 상기 양극(Anode)에서 상기 음극(Cathode)까지의 거리가 상기 발광층(EML)에서 방출되는 광의 반파장(λ/2)의 정수배가 되어야 한다. 각각의 화소 별로 광효율을 향상시키기 위해서는, 적색(R) 화소의 경우 가장 긴 파장(λ)의 광이 방출되므로 상기 양극(Anode)과 상기 음극(Cathode) 사이의 거리가 상대적으로 가장 멀어야 하고, 청색(B) 화소의 경우 가장 짧은 파장(λ)의 광이 방출되므로 상기 양극(Anode)과 상기 음극(Cathode) 사이의 거리가 상대적으로 가장 가까워야 한다.
상기 두께 조절층(TCL)은 위와 같은 보강간섭을 통해 광효율을 향상시키기 위해 형성하는 것이다. 전술한 바와 같이 청색(B) 화소는 상기 양극(Anode)과 상기 음극(Cathode) 사이의 거리가 상대적으로 가장 가까워야 하기 때문에, 상기 청색(B) 화소에는 상기 두께 조절층(TCL)이 구비되지 않는다. 또한, 상기 적색(R) 화소에서의 상기 양극(Anode)과 상기 음극(Cathode) 사이의 거리는 상기 녹색(G) 화소에서의 상기 양극(Anode)과 상기 음극(Cathode) 사이의 거리보다 크기 때문에, 상기 적색(R) 화소에 형성된 두께 조절층(TCL(R))의 두께는 상기 녹색(G) 화소에 형성된 두께 조절층(TCL(G))의 두께보다 두껍다.
상기 두께 조절층(TCL)은 정공수송능력이 있는 물질로 이루어진다. 구체적으로, 상기 두께 조절층(TCL)은 TPD(N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1,1'-bi-phenyl-4,4'-diamine), NPD(N, N-dinaphthyl-N, N’-diphenyl benzidine), 또는 NPB(N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine) 등으로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 발광층(EML)은 적색(R) 화소에 형성된 적색 발광층(EML(R)), 녹색(G) 화소에 형성된 녹색 발광층(EML(G)), 및 청색(B) 화소에 형성된 청색 발광층(EML(B))을 포함한다. 상기 적색 발광층(EML(R))과 상기 녹색 발광층(EML(G))은 상기 두께 조절층(TCL) 상에 형성되고 상기 청색 발광층(EML(B))은 상기 정공 수송층(HTL) 상에 형성된다.
상기 적색 발광층(EML(R))은 적색(R) 광, 예를 들어 피크(peak) 파장 범위가 600nm 내지 640nm 범위의 적색(R) 광을 발광할 수 있는 유기물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 카바졸계 화합물 또는 금속 착물으로 이루어진 인광 호스트 물질 적색(R) 도펀트가 도핑되어 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 상기 적색 도펀트는 이리듐(Ir) 또는 백금(Pt)의 금속 착물로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 녹색 발광층(EML(G))은 녹색(G) 광, 예를 들어 피크(peak) 파장 범위가 500nm 내지 570nm 범위의 녹색(G) 광을 발광할 수 있는 유기물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 카바졸계 화합물 또는 금속 착물으로 이루어진 인광 호스트 물질에 인광 녹색(G) 도펀트가 도핑되어 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 상기 카바졸계 화합물은 CBP(4,4-N,N'-dicarbazole-biphenyl), CBP 유도체, mCP(N,N'-dicarbazolyl-3,5-benzene) 또는 mCP 유도체 등을 포함할 수 있고, 상기 금속 착물은 ZnPBO(phenyloxazole) 금속 착물 또는 ZnPBT(phenylthiazole) 금속 착물 등을 포함할 수 있다.
상기 청색 발광층(EML(B))은 청색(B) 광, 예를 들어 피크(peak) 파장 범위가 430nm 내지 490nm 범위의 청색(B) 광을 발광할 수 있는 유기물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 안트라센(anthracene) 유도체, 파이렌(pyrene) 유도체 및 페릴렌(perylene) 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 형광 호스트 물질에 형광 청색(B) 도펀트가 도핑되어 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 적색 발광층(EML(R)), 녹색 발광층(EML(G)), 및 청색 발광층(EML(B)) 중 적어도 하나의 발광층을 구성하는 호스트 물질은 전술한 바와 같이 전자 이동도가 정공 이동도의 104 배보다 크고 105 배보다 작은 특성을 가지고, 특히, 전자 이동도는 8.0×10-6 ~ 10.0×10-6의 범위를 가지고, 정공 이동도는 4.0×10-10 ~ 6.0×10-10의 범위를 가질 수 있다.
상기 전자 수송층(ETL)은 상기 발광층(EML) 상에 형성되어 있다. 상기 전자 수송층(ETL)은 옥사디아졸(oxadiazole), 트리아졸(triazole), 페난트롤린(phenanthroline), 벤족사졸(benzoxazole) 또는 벤즈티아졸(benzthiazole) 등으로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 주입층(EIL)은 상기 전자 수송층(ETL) 상에 형성되어 있다. 상기 전자 주입층(EIL)은 LiF(lithium fluoride) 또는 LiQ(lithium quinolate) 등으로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 음극(Cathode)은 상기 전자 주입층(EIL) 상에 형성되어 있다. 상기 음극(Cathode)은 낮은 일함수를 가지는 금속, 예로서, 알루미늄(Al), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 리튬(Li) 또는 칼슘(Ca) 등으로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 캡핑층(Capping Layer; CPL)은 상기 음극(Cathode) 상에 형성되어 있다. 상기 캡핑층(CPL)은 광 추출 효과를 증진시키는 역할을 한다. 이와 같은 캡핑층(CPL)은 정공 수송능력이 있는 유기물로 이루어질 수도 있고, 발광층(EML)을 구성하는 호스트 물질로 이루어질 수도 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 다만, 상기 캡핑층(CPL)은 생략하는 것도 가능하다.
이상 설명한 본 발명에 따른 유기 발광 소자는 화상을 표시하는 디스플레이 장치 이외에 조명 장치 등과 같이 당업계에 공지된 다양한 발광 장치에 적용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다
HIL: 정공 주입층 HTL: 정공 수송층
TCL: 두께 조절층 EML: 발광층
ETL: 전자 수송층 EIL: 전자 주입층
CPL: 캡핑층

Claims (8)

  1. 양극과 음극;
    상기 양극과 음극 사이에 구비된 발광층을 포함하여 이루어지고,
    상기 발광층은 전자 이동도가 정공 이동도의 104 배보다 크고 105 배보다 작은 특성을 가진 호스트 물질을 포함하여 이루어진 유기 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 호스트 물질의 전자 이동도는 8.0×10-6 ~ 10.0×10-6의 범위인 유기 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 호스트 물질의 정공 이동도는 4.0×10-10 ~ 6.0×10-10의 범위인 유기 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광층은 녹색 발광층으로 이루어진 유기 발광 소자.
  5. 녹색 발광층, 적색 발광층, 및 청색 발광층을 포함하여 이루어지고,
    상기 녹색 발광층, 적색 발광층 및 청색 발광층 중 적어도 하나의 발광층은 전자 이동도가 정공 이동도의 104 배보다 크고 105 배보다 작은 특성을 가진 호스트 물질을 포함하여 이루어진 유기 발광 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 호스트 물질의 전자 이동도는 8.0×10-6 ~ 10.0×10-6의 범위인 유기 발광 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 호스트 물질의 정공 이동도는 4.0×10-10 ~ 6.0×10-10의 범위인 유기 발광 소자.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유기 발광 소자의 온도 변화에 따른 색좌표 변화량이 X좌표 및 Y좌표 모두 0.0020 이하인 유기 발광 소자.
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