KR20190064317A - 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치 - Google Patents

유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 유기 발광 소자는 동일 색의 발광층을 스택 구조에서 각각 구비시 출사측과 내측의 인형광 특성을 조정하여 시야각, 수명 및 효율을 모두 향상시킨다.

Description

유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치{Organic Light Emitting Device And Organic Light Emitting Display Device Using the Same}
본 발명은 유기 발광 소자에 관한 것으로서, 특히, 서로 다른 스택에 동색 발광층을 적용한 구조에서, 효율 및 수명을 향상시킨 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치에 관한 것이다.
최근 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 전기적 정보신호를 시각적으로 표현하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 박형화, 경량화, 저소비 전력화의 우수한 성능을 지닌 여러 가지 다양한 평판 표시장치(Flat Display Device)가 개발되어 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube: CRT)을 빠르게 대체하고 있다.
이 같은 평판 표시장치의 구체적인 예로는 액정 표시장치(Liquid Crystal Display device: LCD), 플라즈마 표시장치(Plasma Display Panel device: PDP), 전계방출 표시장치(Field Emission Display device: FED), 유기 발광 표시장치(Organic Light Emitting Device: OLED) 등을 들 수 있다.
이 중, 별도의 광원을 요구하지 않으며 장치의 컴팩트화 및 선명한 컬러 표시를 위해 유기 발광 표시 장치가 경쟁력 있는 어플리케이션(application)으로 고려되고 있다.
한편, 유기 발광 표시 장치에는 복수개의 서브 화소를 갖는 기판 상에, 각 서브 화소에 대응되어 발광을 위한 유기 발광 소자가 구비된다. 그리고, 상기 유기 발광 소자는 양극과 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 정공 수송층, 발광층 및 전자 수송층을 순서대로 구비하여 이루어진다.
이러한 유기 발광 소자는, 양극과 음극 사이에 전기장을 가함으로써 빛을 내는 소자로, 낮은 전압에서 구동이 가능하고, 전력 소모가 비교적 적고, 또한 가볍고 플렉서블한 기판 위에도 소자 제작이 가능한 것이 특징이다.
유기 발광 표시 장치는 개별 서브 화소에 발광을 위한 유기 발광 소자가 구비되어 있어, 광을 발산한다. 개별 유기 발광 소자에 있어서는, 발광층 내에 정공과 전자가 결합하여 엑시톤(exciton)을 이루며, 엑시톤이 그라운드 상태로 에너지가 떨어지며, 광을 발광하는 것으로, 발광층에서의 정공과 전자의 결합 효율에 따라 발광 효율이 결정된다.
한편, 서브 화소에 구비되는 유기 발광 소자는 각 서브 화소별로 서로 다른 색의 발광을 하는 발광층을 각각 하나씩 구비하여 서로 다른 발광층을 단일 스택을 구비하는 방식 또는 복수개의 서로 다른 색의 발광층을 갖는 스택을 중첩시켜 전체의 서브 화소에서 공통적으로 백색을 발광하되 다른 색상의 광을 선택적으로 투과시키는 컬러 필터층을 상기 유기 발광 소자 상에 적용시키는 탠덤 방식 중 하나로 구현될 수 있다.
그런데, 유기 발광 소자는 표시 장치에 이용시 박막 트랜지스터와 연결되어 전류를 공급받아 구동되는데, 점차 고해상도로 가며 작아진 각 서브 화소의 크기 내에 박막 트랜지스터가 차지하는 면적 또한 줄어들게 되며, 이에 따라 구조적으로 박막 트랜지스터에서 공급하는 전류의 효율 감소의 문제가 있어, 유기 발광 소자의 전류 효율을 향상시키고자 하는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 유기 발광 소자의 효율은 구조 및 재료에 관계되어 있으며, 구조 및 재료를 변경시에는 수명의 변동이 크기 때문에, 고해상도에 적합하며 수명과 효율에서 모두 신뢰성 있는 유기 발광 소자의 도출이 어려운 실정이다.
본 발명의 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 서로 다른 스택에 동색 발광층을 적용한 구조에서, 효율 및 수명을 향상시키며 신뢰성을 갖는 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치에 관한 것이다.
본 발명의 유기 발광 소자는 동색을 발광하는 발광층을 구비한 복수 스택 구조에서, 발광 효율과 수명을 향상시키고 시야각 특성을 확보한 유기 발광 소자에 관한 것이다.
일 실시예에 따른 본 발명의 유기 발광 소자는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되어, 출사측으로 이용되는 제 2 전극과, 상기 제 1, 제 2 전극 사이에, 동일한 색을 발광하는 발광층을 갖는 제 1 내지 제 n (n은 2이상의 자연수) 스택과, 상기 제 1 내지 제 n 스택의 서로 인접한 스택들 사이에, 각각 n형 전하 생성층 및 p형 전하 생성층을 포함하여 이루어진 n-1개의 전하 생성층을 포함한 유기 발광 소자에 있어서, 상기 제 n 스택의 발광층은 인광 발광층이며, 상기 제 1 내지 제 n-1 스택 중 적어도 하나의 발광층은 형광 발광층이며, 상기 각 전하 생성층의 n형 및 p형 전하 생성층의 계면에서 인접한 양 스택의 발광층까지의 거리는 동일하거나 상기 제 2 전극에 가까운 스택의 발광층까지의 거리가 더 두껍다.
또한, 상기 각 전하 생성층의 n형 및 p형 전하 생성층의 계면에서 상기 제 2 전극에 가까운 스택의 발광층까지의 거리는 상기 각 전하 생성층의 n형 및 p형 전하 생성층의 계면에서 상기 제 1 전극에 가까운 스택의 발광층까지의 거리의 2.2배 이하인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 n 스택의 인광 발광층이 다른 스택의 형광 발광층보다 두께가 두꺼운 것이 바람직하다.
또한, 상기 인광 발광층은 하나 이상의 인광 호스트와 제 1 파장 영역의 광을 발광하는 하나의 인광 도펀트를 포함하고, 상기 형광 발광층은 하나 이상의 형광 호스트의 상기 제 1 파장 영역의 광을 발광하는 하나의 형광 도펀트를 포함하며, 상기 인광 도펀트는 상기 형광 도펀트보다 낮은 파장에서 피크를 가질 수 있다.
그리고, 상기 인광 발광층의 발광스펙트럼의 반치폭은 상기 형광 발광층의 발광 스펙트럼의 반치폭을 포함할 수 있다.
상기 제 1 내지 제 n 스택들에서 인접한한 스택들간의 발광층 사이의 거리는 800Å 내지 1200Å일 수 있다.
또한, 상기 제 1 내지 제 n 스택들에서, 인접한 형광 발광층을 포함한 스택과 인광 발광층을 포함한 스택간, 중앙의 n형 전하 생성층 및 p형 전하 생성층의 경계면으로부터 상기 형광 발광층 사이의 거리는 200Å 이상일 수 있다.
동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유기 발광 표시 장치는 제 1 내지 제 3 서브 화소를 규칙적으로 갖는 기판과, 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들에 각각 구비된 박막 트랜지스터 및 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소 각각에 상기 박막 트랜지스터에 전기적으로 접속되며, 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되어, 출사측으로 이용되는 제 2 전극과, 상기 제 1, 제 2 전극 사이에, 각각 발광층을 갖는 제 1 내지 제 n (n은 2이상의 자연수) 스택 및 상기 제 1 내지 제 n 스택의 서로 인접한 스택들 사이에, 각각 n형 전하 생성층 및 p형 전하 생성층을 포함하여 이루어진 n-1개의 전하 생성층을 포함한 제 1 내지 제 3 유기 발광 소자를 포함한다. 그리고, 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들은 각각 제 1 내지 제 n 스택의 발광층들은 동일 색상의 발광층을 포함하며, 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들 중 적어도 어느 하나의 서브 화소에서 상기 제 n 스택의 발광층은 인광 발광층이며, 상기 제 1 내지 제 n-1 스택 중 적어도 하나의 발광층은 형광 발광층이며, 상기 각 전하 생성층의 n형 및 p형 전하 생성층의 계면에서 인접한 양 스택의 발광층까지의 거리는 동일하거나 상기 제 2 전극에 가까운 스택의 발광층까지의 거리가 더 두꺼울 수 있다.
여기서, 제 1 내지 제 3 서브 화소들은 제 1 내지 제 n 스택에 대해, 각각 동일 스택에 대해 서로 다른 색을 발광하는 제 1 내지 제 3 발광층을 구비하며, 상기 제 1 내지 제 3 발광층은 서로 다른 두께일 수 있다.
상기 제 1 내지 제 n 스택은 각각의 발광층을 제외하여 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들에 대해 공통으로 구비되는 공통층을 구비할 수 있다.
상기 전하 생성층은 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들에 대해 끊김없이 공통으로 구비될 수 있다.
본 발명의 유기 발광 소자 및 이를 이용한 유기 발광 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 동색의 발광층을 복수 스택에 적용하여, 동일 휘도에서 단일 스택 소자 대비 요구되는 전류를 최소화하여 유기 발광 소자 자체에서 얻을 수 있는 효율을 향상시켜 고해상도 적용에 유리하다.
둘째, 동색의 발광층을 복수 스택에 적용시 출사측에 가까운 스택의 발광층을 인광 발광층으로 하고 이와 다른 스택 중 적어도 어느 하나의 발광층은 형광 발광층으로 함으로써, 인광의 고효율과 형광의 장수명 특성을 함께 도출할 수 있다. 이와 같이, 인광 발광층과 형광 발광층을 특정 위치에 정의함으로써, 적층 스택에 발생될 수 있는 시야각에 따라 휘도 저하 특성도 효과적으로 방지할 수 있으며, 동시에 고온에 대한 신뢰성도 개선할 수 있다. 따라서, 표시 장치에 적용할 수 있는 신뢰성 있는 고효율 장수명 유기 발광 소자의 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 2a 내지 도 2c는 제 1 내지 제 3 비교예의 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 4는 제 1 내지 제 3 비교예와 본 발명의 제 1 실시예의 일예의 수명을 나타낸 그래프
도 5는 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예의 각각의 일예에 따른 수명을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 제 4, 제 5 및 제 2 실시예의 따른 수명을 나타낸 그래프
도 7은 도 3a의 a: b의 두께 관계에 따른 효율을 나타낸 그래프
도 8은 제 2, 제 3 비교예 및 본 발명의 제 1 실시예 적용시 시야각에 따른 Δu'v'를 나타낸 그래프
도 9는 제 2, 제 3 비교예 및 본 발명의 제 1 실시예 적용시 시야각에 따른 휘도 저하율의 변화를 나타낸 그래프
도 10은 녹색 파장에서 형광 도펀트와 인광 도펀트의 피크 스펙트럼을 나타낸 그래프
도 11은 본 발명의 유기 발광 표시 장치를 나타낸 단면도
발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 다양한 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 다양한 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도면에 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 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.
본 발명의 다양한 실시예에 포함된 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, 위치 관계에 대하여 설명하는 경우에, 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.
본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, 시간 관계에 대하여 설명하는 경우에, 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.
본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, '제 1~', '제 2~' 등이 다양한 구성 요소를 서술하기 위해서 사용될 수 있지만, 이러한 용어들은 서로 동일 유사한 구성 요소 간에 구별을 하기 위하여 사용될 따름이다. 따라서, 본 명세서에서 '제 1~'로 수식되는 구성 요소는 별도의 언급이 없는 한, 본 발명의 기술적 사상 내에서 '제 2~' 로 수식되는 구성 요소와 동일할 수 있다.
본 발명의 여러 다양한 실시예의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 다양한 실시예가 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
본 명세서에서 '도핑된'이란, 어떤 층의 대부분의 중량비를 차지하는 물질에, 대부분의 중량비를 차지하는 물질과 다른 물성(서로 다른 물성이란, 예를 들어, N-타입과 P-타입, 유기물질과 무기물질)을 가지는 물질이 중량비 15 % 미만으로 첨가가 되어 있음을 의미한다. 달리 말하면, '도핑된' 층이란, 어떤 층의 호스트 물질과 도펀트 물질을 중량비의 비중을 고려하여 분별해 낼 수 있는 층을 의미한다. 그리고 '비도핑된'이란, 도핑된'에 해당하는 경우 이외의 모든 경우를 칭한다. 예를 들어, 어떤 층이 단일 물질로 구성되었거나, 서로 성질이 동일 유사한 물질들이 혼합되어 구성되는 경우, 그 층은'비도핑된' 층에 포함된다. 예를 들어, 어떤 층을 구성하는 물질들 중 적어도 하나가 P-타입이고, 그 층을 구성하는 물질 모두가 N-타입이 아니라면, 그 층은 '비도핑된' 층에 포함된다. 예를 들어, 어떤 층을 구성하는 물질들 중 적어도 하나가 유기 물질이고, 그 층을 구성하는 물질 모두가 무기 물질은 아니라면, 그 층은 '비도핑된'층에 포함된다. 예를 들어, 어떤 층을 구성하는 물질들이 모두 유기 물질인데, 그 층을 구성하는 물질들 중 적어도 어느 하나가 N-타입이고 또 다른 적어도 어느 하나가 P-타입인 경우에, N-타입인 물질이 중량비 15 % 미만이거나 또는 P-타입인 물질이 중량비 15% 미만인 경우에 '도핑된'층에 포함된다.
본 명세서에서 스택이란, 실시예에서 특정 구조로 제한하지 않는 한 정공 수송층과, 정자 수송층을 포함하는 유기층 및 정공 수송층과 전자 수송층 사이에 배치되는 유기 발광층을 포함하는 단위 구조를 의미한다. 유기층에는 정공 주입층, 전자 저지층, 정공 저지층 및 전자 주입층 등이 더 포함될 수도 있으며, 이 밖에도 유기 발광 소자의 구조나 설계에 따라 다른 유기층들이 더 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1과 같이, 본 발명의 유기 발광 소자는 제 1 전극(110)과, 상기 제 1 전극과 대향되어, 출사측으로 이용되는 제 2 전극(120)과, 상기 제 1, 제 2 전극(110, 120) 사이에, 동일한 색을 발광하는 발광층(143, …, 185)을 갖는 제 1 내지 제 n (n은 2이상의 자연수) 스택과, 상기 제 1 내지 제 n 스택의 서로 인접한 스택들 사이에, 각각 n형 전하 생성층(160a, 560a) 및 p형 전하 생성층(160b, 560b)을 포함하여 이루어진 n-1개의 전하 생성층(160, .., 560)을 포함한다.
여기서, 상기 제 n 스택(nth stack)(180)의 발광층(185)은 인광 발광층(ph+pd)이며, 상기 제 1 내지 제 n-1 스택 중 적어도 하나의 발광층은 형광 발광층(fh+fd)이다. 도 1에는 제 1 스택에 형광 발광층을 적용한 예를 나타낸다. 제 1 내지 제 n-1 스택 중 형광 발광층을 구비하지 않는 스택은 인광 발광층을 구비할 것이다.
이 경우, 본 발명의 유기 발광 소자의 최소 스택은 2개로, 예를 들어 제 1, 제 2 전극(110, 120) 사이에 구비된 스택들이 2개라면, 제 1 스택은 형광 발광층을 구비할 것이며, 제 2 스택은 인광 발광층을 구비할 것이다.
또한, 상기 각 전하 생성층(160, …, 560)의 n형 전하 생성층(160a, 560a)과 p형 전하 생성층(160b, 560b)의 계면에서 인접한 양 스택의 발광층까지의 거리(a, b)는 동일하거나 상기 제 2 전극에 가까운 스택의 발광층까지의 거리(a)가 더 두껍다. 이는 복수 스택을 전하 생성층으로 구분하는 구조에서, 전하 생성층(160, 560)을 통과하여 인접한 스택을 통해 전달되는 캐리어들의 수송성 중 상대적으로 p형 전하 생성층(160b, 560b)으로 다음 스택의 정공 수송층으로 전달되는 정공 이동도(hole mobility)가 n형 전하 생성층에서 이전 스택의 전자 수송층으로 전달되는 전자 이동도(mobility)보다 높기 때문이다. 따라서, 전하 생성층에 인접한 상부 스택의 정공 수송층(184)의 두께를 전하 생성층에 인접한 하부 스택의 전자 수송층(144)의 두께보다 보다 두껍게 하여, 정공이 수송되는 길이를 전자가 수송되는 길이보다 길이를 한다. 이를 통해, 각 스택의 발광층(185, 143) 내 정공과 전자가 유사한 속도로 공급되도록 하여, 정공과 전자의 결합이 발광층(185, 143) 내에 한해 이루어지게 한다. 따라서, 미결합된 전자가 정공 수송층과 발광층의 계면에 쌓이거나 미결합된 정공이 전자 수송층과 발광층의 계면에 쌓이는 현상을 방지함으로써 캐리어의 계면 적체에 따른 수명 저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 각 전하 생성층(160, …, 560)의 n형 및 p형 전하 생성층(160a, 160b)(560a, 560b)의 계면에서 상기 제 2 전극(120)에 가까운 스택의 발광층까지의 거리(a)는 상기 각 전하 생성층의 n형 및 p형 전하 생성층의 계면에서 상기 제 1 전극(110)에 가까운 스택의 발광층까지의 거리(b)의 2.2배 이하인 것이 바람직하다. a:b간의 수치적 의의는 이하의 실험 설명에서 보충한다.
한편, 본 발명의 유기 발광 소자는 각 스택에 발광층 외에 발광층의 하부와 상부에 접한 정공 수송층(142, 184)과 전자 수송층(144, 186)을 구비한다. 그리고, 제 1 전극(110)에 가까운 측에는 정공의 주입을 위해 p형 도펀트가 포함된 정공 주입층(141)이 더 구비되고, 제 2 전극(120)에 가까운 측에는 전자의 주입을 위해 배리어를 낮추는 전자 주입층(187)이 더 구비된다. 전자 주입층(187)은 주로 무기물로 이루어지기 때문에, 제 1, 제 2 전극(110, 120) 사이의 유기물층들과 구별하여, 제 2 전극(120)의 구성으로 보기도 한다.
본 발명의 유기 발광 소자는 상부 발광 방식으로, 제 2 전극(120) 측이 출사측이 되며, 이에 따라 상기 제 2 전극(120)은 ITO, IZO, ITZO, IGZO 등의 투명 전극으로 이루어지거나 혹은 AgMg 등의 반투과 전극으로 이루어진다. 반투과 전극으로 제 2 전극(120)이 구비될 때, 광의 투과를 위해 그 두께는 투명 전극으로 이루어진 경우 대비 1/10 이상 얇을 수 있다. 그리고, 제 1 전극(110)은 ITO 등과 같이, 유기물과 계면 접합성이 좋은 투명 전극과, 각 스택의 발광층에서 나온 광 중 하측으로 전달된 광이 다시 상측으로 전달될 수 있게, 반사성을 갖는 반사 전극의 적층 구조로 이루어진다.
한편, 상기 제 2 전극(120) 상측은 유기 발광 소자의 보호 및 광 효율 향상을 위해 캐핑층(130)을 더 구비할 수 있다. 도시되지 않았지만, 장치에 적용시 상기 캐핑층(130) 상부에는 유기 발광 소자의 봉지를 위해 무기막, 유기막이 교번하여 적층되는 배리어 스택이 더 포함될 수 있다.
그리고, 출사측에 가까운 상기 제 n 스택에 구비된 제 n 발광층으로서 인광 발광층(185)이 다른 스택에 있는 형광 발광층(143)보다 두께가 두꺼운 것이 바람직하다. 이는 인광 발광층의 두께를 일정 이상 확보하여 전체 유기 발광 소자의 구동 전압을 낮추고 효율을 향상시키고자 함이다.
또한, 상기 인광 발광층(185)은 하나 이상의 인광 호스트(ph)와 제 1 파장의 광을 발광하는 하나의 인광 도펀트(pd)를 포함한다. 그리고, 다른 스택에 있는 상기 형광 발광층(143)은 하나 이상의 형광 호스트(fh)의 상기 제 1 파장의 광을 발광하는 하나의 형광 도펀트(fd)를 포함한다. 각 발광층(185, 143)에서 포함되는 호스트(ph, fh)는 각각 1개 내지 4개일 수 있으며, 각각의 인광 도펀트(pd)와 형광 도펀트(fd)는 각 발광층의 호스트의 총질량에 대해 15wt% 이하로 포함된다. 호스트가 발광층 내에 여러 개 구비될 때, 호스트들은 서로 다른 정공 이동도와 전자 이동도를 가지며, 구비되는 호스트들의 이동도와 질량비를 고려하여 각 발광층 내 정공과 전자의 결합 영역을 조절할 수 있다.
한편, 상기 인광 도펀트(pd)는 상기 형광 도펀트(fd)보다 낮은 파장에서 피크를 갖는다. 또한, 상기 인광 발광층(185)의 발광스펙트럼의 반치폭은 상기 형광 발광층(143)의 발광 스펙트럼의 반치폭을 포함하는 것으로, 인광 발광층(185)은 형광 발광층(143)과 동일 색을 발광하지만 상대적으로 높은 세기로 발광할 수 있다. 이는 인광 발광층(185)과 형광 발광층(143)이 동일 두께로 구비되어도 발광 효율은 인광 발광층(185)에서 형광 발광층(143) 대비 우수함을 의미하고, 특히, 본 발명의 유기 발광 소자는 출사측의 광의 출사 효율을 높이기 위해서는 출사 측인 제 2 전극(120)과 접한 스택에 인광 발광층(185)을 구비하도록 한다.
상술한 동색 발광층을 복수 스택에 적용하는 구조에서, 출사측에 가까운 스택에 인광 발광층을 적용하고 나머지 스택에 적어도 하나의 형광 발광층을 적용하는 것은 다양한 색을 발광하는 서브 화소들에 적용할 수 있다. 즉, 적색 발광층을 복수 스택에 적용하는 적색 서브 화소, 녹색 발광층을 복수 스택에 적용하는 녹색 서브 화소 및 청색 발광층을 복수 스택에 적용하는 청색 서브 화소에 적용 가능하며, 경우에 따라 유기 발광 표시 장치가 백색 서브 화소나 다른 오렌지색이나 황색 등의 다른 색상의 서브 화소를 포함하는 경우에도 동색 발광층간의 이종의 형광/인광 발광층을 적용할 수 있다.
일반적인 유기 발광 소자에서 탠덤 구조를 가질 때, 각 스택에 발광층을 구비하는 경우, 발광층들은 동일한 성질로 형성한다. 즉, 하나의 탠덤 구조에서, 복수 스택이 있더라도 여러 스택에 발광층들은 동일한 형광 발광층이나 동일한 인광 발광층을 이용한다. 특히, 동일 색을 발광하는 탠덤 구조는 장비의 비용이나 재료비 절감 차원에서 동일 인광 발광층을 구비하거나 혹은 동일 형광 발광층을 적용하고 있다.
본 발명의 유기 발광 소자는 이와 달리 출사측에 가까운 스택의 발광층에 인광 발광층을 적용하고 다른 스택들 중 적어도 하나의 발광층에 형광 발광층을 적용한다. 특히 인광/형광 혼합 구조에서, 본 발명에서 특히 출사측에 가까운 스택의 인광 발광층을 적용하고, 나머지 스택의 발광층 중 적어도 하나에 형광 발광층을 적용한 이유는 본 발명의 발명자들이 다른 혼합 구조보다 이러한 구조에서, 보다 효율과 수명 및 시야각에 따른 색편차 관점에서 보다 유리한 구조를 실험을 통해 확인하였기 때문이다.
이하, 상술한 본 발명의 유기 발광 소자의 구조가 갖는 의의를 비교예들과 비교하여 실험을 통해 설명한다.
이하의 실험들에서는 녹색 발광층을 복수 스택에 적용한 예에 대해 설명한다. 인광 발광층을 출사측에 최인접한 스택에 구비하고, 나머지 스택 중 적어도 하나에 형광 발광층을 구비하는 점에서, 다른 색상의 발광층의 스택 구조에서도 동일 또는 유사 효과가 있다.
도 2a 내지 도 2c는 제 1 내지 제 3 비교예의 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c와 같이, 제 1 비교예 내지 제 3 비교예에 따른 유기 발광 소자와 도 3a 및 도 3b에 따른 제 1, 제 2 실시예에 따른 유기 발광 소자는 서로 대향된 제 1, 제 2 전극 사이에 2개의 스택과 2개의 스택 사이의 하나의 전하 생성층을 구비한 점에서 공통점을 갖는다. 그리고 각 스택에 구비되는 적층 구조도 동일하다. 즉, 제 1 내지 제 3 비교예 및 제 1 및 제 2 실시예의 유기 발광 소자는 제 1 전극(11, 110), 정공 주입층(21, 141), 제 1 정공 수송층(22, 142), 제 1 발광층(23, 51, 143) 및 제 1 전자 수송층(24, 144)을 포함한 제 1 스택(20, 140), n형 전하 생성층(40a, 160a) 및 p형 전하 생성층(40b, 160b)으로 이루어진 전하 생성층(40, 160)과, 그 상부에 제 2 정공 수송층(31, 184), 제 2 발광층(32, 185) 및 제 2 전자 수송층(33, 186)을 포함한 제 2 스택(30, 180) 및 제 2 전극(12, 120)을 포함한다.
각 스택에 포함되는 발광층들은 녹색을 발광한다는 점에서 동일하나 각각 포함된 호스트 및 도펀트의 재료가 상이하다.
즉, 도 2a와 같이, 제 1 비교예에서 제 1 스택의 제 1 발광층(23) 및 제 2 스택의 제 2 발광층(32)이 모두 형광 발광층이다. 제 1, 제 2 발광층(23, 32)에 동일한 형광 발광층을 이용시 각각 동일한 형광 호스트(fh)에 동일한 형광 도펀트(fd)가 동일 함량으로 도핑되어 포함된다. 두께도 동일하게 적용한다.
구체적으로 실험의 제 1 비교예에 적용한 구조를 설명한다.
먼저, 기판(미도시) 상에 ITO(70Å)/APC(1000Å)/ITO(70Å)를 적층 구조로 하여 제 1 전극(11)을 형성한다.
이어, 제 1 전극(11) 상에, NPD를 400Å로 증착한다. 여기서, NPD 의 증착시 제 1 전극(11)과 닿는 계면에 인접하여, 대략 50Å 의 두께에서, p형 도핑 물질 TCNQF4 3%를 도핑하여, 정공 주입층(21)이 되며, 나머지 순수 NPD의 증착된 두께의 부분은 제 1 정공 수송층(22)이 된다.
이어, 상기 제 1 정공 수송층(22) 상에, 호스트로 안트라센(antracene) 유도체 400Å에, 녹색 형광 도펀트로 역시 안트라센 계열의 도펀트를 약 5wt% 도핑하여 제 1 발광층(23)을 형성한다.
이어, 상기 제 1 발광층(23) 위에 Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)aluminum)로 150Å 를 증착하여 제 1 전자 수송층(24)을 형성한다. 실험예에서는 일예로 Alq3를 이용하였지만, 유사한 전자 수송 특성을 갖는 물질로 PBD, BMB-3T, PF-6P, PyPySPyPy, COT, TPBI, 사디아졸 유도체, 안트라센 유도체, TAZ, BAlq 및 SAlq 중 어느 하나가 이용될 수도 있다.
이어, 안트라센 유도체 호스트 물질 150Å 에 Li을 1wt% 도핑하여 n형 전하 생성층(40a)을 형성한다.
그 후, 400Å 의 두께로 NPD 물질을 증착하되, 상기 n형 전하 생성층(40a)과의 계면측에 50Å 의 두께에 한해 p형 도펀트 TCNQ4 15wt% 를 도핑하여, p형 전하 생성층(40b)을 형성하고, 연속적으로 NPD가 공급되는 나머지 350 Å 의 두께의 영역은 제 2 정공 수송층(31)으로 형성한다.
이어, 상기 제 1 발광층(23)과 동일하게 호스트로 안트라센 유도체 400Å에 녹색 도펀트로 역시 안트라센 계열의 형광 도펀트를 약 5wt% 도핑하여 제 2 발광층(32)을 형성한다.
이어, 전 영역에 제 1 전자 수송층(24)에 사용된 전자 수송물질과 LiQ의 1:1 비율로 300Å의 두께의 제 2 전자 수송층(33)을 형성한다.
이어, 전자 주입층(34)으로 Mg:LiF (1:1_30Å)을 형성하고, 이어, 제 2 전극으로 Ag:Mg(3:1_160Å)를 형성한다. 실험에서는 유기 발광 소자의 상부 보호를 위해 제 2 전극(12) 상부에 NPD로 650Å 두께의 캐핑층(13)까지 형성한 상태로 평가를 하였다.
여기서, 상기 제 1 발광층(23) 및 제 2 발광층(32)은 각각 전하 생성층(40) 내 n형 전하 생성층(40a)과 p형 전하 생성층(40b)의 계면에서, 각각 300Å, 400Å 이격되는데, 이를 통해 각 발광층에서 발광하는 광이 서로 간섭되지 않게 하기 위함이다.
도 2b와 같이, 제 2 비교예에서 제 1 스택의 제 1 발광층(51) 및 제 2 스택의 제 2 발광층(52)이 모두 인광 발광층이다. 상기 제 1, 제 2 발광층(51, 52)은 각각 동일한 인광 호스트(ph)에 동일한 인광 도펀트(pd)가 동일 함량으로 도핑되어 포함된다. 두께는 400Å 로 동일하게 적용한다.
제 2 비교예에서는, 상술한 제 1 비교예와 비교하여, 제 1, 제 2 발광층(51, 52)의 성분만을 달리한다. 즉, 제 2 비교예의 제 1, 제 2 발광층(51, 52)은 공통적으로 CBP, BCP, BeBq2, CDBP, TAZ, BAlq 및 mCP 중 선택된 적어도 하나의 인광 호스트를 포함하며, ppy3Ir(fac tris(2-phenylpyridine)Iridium), ppy2Ir(acac), dp2Ir(acac), bzq2Ir(acac), bo2Ir(acac), op2Ir(acac) 및 tpy2Ir(acac) 중에서 선택된 적어도 하나의 인광 도펀트를 이용한다. 주로 인광 도펀트로 Ir 계 착체 화합물을 이용할 수 있다. 그리고, 상기 제 1, 제 2 발광층(51, 52) 내에 Ir계 인광 도펀트는 인광 호스트에 5wt%으로 도핑한다.
도 2c와 같이, 제 3 비교예에서 제 1 스택의 제 1 발광층(51)은 인광 발광층이며, 제 2 스택의 제 2 발광층(32)은 형광 발광층이다. 이 경우, 제 1, 제 2 발광층(51, 32)은 동일 두께로 하며, 각각에 포함되는 인광 도펀트 및 형광 도펀트의 함량은 각 발광층에 대해 동일 함량으로 한다.
제 3 비교예는 상술한 제 2 비교예의 인광 발광층과 동일하게 인광 호스트에, Ir계 인광 도펀트를 5wt%으로 도핑하여 두께 400Å의 제 1 발광층(51)을 형성하고, 제 2 발광층(32)은 제 1 비교예의 형광 발광층과 동일하게 안트라센 유도체 400Å에 녹색 도펀트로 역시 안트라센 계열의 형광 도펀트를 약 5wt% 도핑하여 제 2 발광층(32)을 형성한다. 나머지 구성은 모두 제 1 비교예와 동일하다.
본 발명에 따른 도 3a 및 도 3b의 제 1 및 제 2 실시예에서는 제 3 비교예와 반대로 제 1 스택의 제 1 발광층(143)은 반대로 형광 발광층이며, 제 2 스택의 제 2 발광층(185)은 인광 발광층이다. 이 경우, 제 1 실시예와 제 2 실시예와 차이점은 제 1 실시예에서는 제 1 발광층(143)과 제 2 발광층(185)을 동일 두께로 적용한 것이고, 제 2 실시예에서는 형광 발광층의 제 1 발광층(143)보다 인광 발광층의 제 2 발광층(185)을 두껍게 한 점에서 차이점으로 한다. 제 1, 제 2 실시예 모두 제 1, 제 2 실시예의 각 스택의 도펀트 함량은 동일하게 한다.
즉, 도 3a에 따른 본 발명의 제 1 실시예에서, 제 1 발광층(143)은 제 1 비교예의 형광 발광층과 동일하게 안트라센 유도체 400Å에 녹색 도펀트로 역시 안트라센 계열의 형광 도펀트를 약 5wt% 도핑하여 형성하고, 제 2 발광층은 상술한 제 2 비교예의 인광 발광층과 동일하게 인광 호스트에, Ir계 인광 도펀트를 5wt%으로 도핑하여 두께 400Å의 제 2 발광층(185)을 형성한다. 한편, 상기 제 2 발광층은 정공 수송성 호스트와 전자 수송성 호스트의 이성의 호스트를 1:1로 섞어 이용하였다. 상기 형광 도펀트로는 언급된 안트라센 유도체 외에 쿠마린 유도체, DCM, 키나크리돈 등을 대체하여 사용하는 경우에도 동등한 효과를 갖는다.
나머지 구성은 모두 제 1 비교예와 동일하다.
도 3b에 따른 본 발명의 제 2 실시예는, 제 1 실시예와 동일 재료에, 제 1 발광층(143)을 300Å으로 한 점에서만 차이를 갖는다. 그리고, 도시되지 않았지만, 본 발명의 제 3 실시예는 제 2 발광층(185)이 제 1 실시예와 동일 조건이지만 제 1 발광층(143)이 제 1 실시예 대비 두꺼운 점에서 차이를 갖는다.
도 4는 제 1 내지 제 3 비교예와 본 발명의 제 1 실시예의 일예의 수명을 나타낸 그래프이다.
구조 구동전압(V) 휘도
(Cd/A)		 CIEx CIEy T95수명(%)
구분 제 1 발광층 제 2 발광층
제 1 비교예 형광 형광 8.7 103.4 0.244 0.691 100
제 2 비교예 인광 인광 6.0 213.1 0.244 0.708 75
제 3 비교예 인광 형광 6.6 164.1 0.239 0.706 70
제 1 실시예 형광 인광 7.4 184.7 0.240 0.710 99
도 4 및 하기 표 1을 참조하면, 수명 관점에서는 제 1 비교예와 같이, 적층 스택의 제 1, 제 2 발광층들에 모두 형광 발광층을 이용하는 것이 좋지만, 이 경우, 구동 전압의 상승 정도가 심하고, 휘도의 효율 또한 낮아 다른 구조의 고려가 필요하다. 대조적으로 제 2 비교예와 같이, 적층 스택의 제 1, 제 2 발광층에 모두 인광 발광층을 이용시 구동 전압과 휘도에서는 좋은 특성을 나타내지만 수명이 제 1 비교예 대비 3/4 수준으로 장수명이 요구되는 복수 스택 구조에 적합하지 않음을 알 수 있다.
제 3 비교예의 경우는 인광의 저구동 전압과 형광의 수명 상승 이점을 모두 이용하고자 제 1 발광층에 인광 발광층을 제 2 발광층에 형광 발광층을 적용하였는데, 형광 발광층을 스택 구조에 모두 사용한 구조(제 1 비교예) 대비 구동 전압과 휘도에서의 상승 효과는 있지만, 수명이 오히려 인광 발광층을 스택 구조에 모두 사용한 구조(제 2 비교예) 대비하여 떨어져 서로 다른 성질의 발광층의 장점을 보완적으로 이용할 수 없음이 확인되었다.
본 발명의 유기 발광 소자는 제 1 실시예와 같이, 제 1, 제 2 스택의 제 1 발광층과 제 2 발광층에 차례로 형광 발광층과 인광 발광층을 적용함으로써, 형광 발광층을 2 스택에 모두 적용한 제 1 비교예와 거의 동등 수준의 수명을 얻을 수 있다. 그리고, 상술한 제 3 비교예와 비교하여 12.6% 이상 효율이 향상됨을 알 수 있고, 제 1 비교예에 대비해서는 78.6% 이상 효율이 향상됨을 알 수 있다. 다만, 구동 전압은 제 3 비교예 대비 상승하였으나, 이 때의 구동 전압 상승은 제 3 비교예 대비 12.1% 정도로, 효율이 제 3 비교예 대비 상승한 것에 못 미치며, 발광 효율 상승의 이점이 구동 전압이 상승함으로 나타나는 전력 효율 저하의 문제점 대비 크며, 또한, 고효율과 장수명을 동시에 얻는다는 이점에서 본 발명의 제 1 실시예는 상술한 제 1 내지 제 3 비교예 대비 의의가 있다.
한편, 설명하지 않은 비교예들 및 실시예들에서 CIEx, CIEy 의 값은 동등 수준의 녹색 발광에 해당하는 색좌표 값을 나타낸다.
그리고, 실험에서 수명은 초기 휘도의 95%의 휘도가 될 때까지의 경과시간을 나타낸 것으로, 그 시간이 길수록 소자의 시간에 따른 효율 감소가 적음을 의미한다. 위 실험 결과에서는 본 발명의 제 1 실시예 적용시 각 스택에 모두 형광 발광층을 사용한 구조와 거의 동등 수준의 수명을 가지며, 효율은 각 스택에 모두 인광 발광층을 사용한 구조와 동등 수준의 효율을 나타내고 있어, 형광발광층/인광 발광층의 혼합 발광층 사용 구조가 효과적임을 알 수 있다.
이하에서는 제 1 실시예의 변형을 통해 구동 전압까지 낮춘 다른 제 2 실시예의 의의를 설명한다.
제 1 실시예는 제 1, 제 2 발광층을 동일 두께로 한 데 비해, 도 3b는 제 2 실시예를 나타낸 것으로, 형광 발광층의 제 1 발광층 대비 인광 발광층의 제 2 발광층을 상대적으로 두껍게 한 점을 차이점으로 한 것이다. 반면 제 3 실시예는 도 3a와 동일 스택 구조로 하되, 형광 발광층의 제 1 발광층을 500Å의 두께로, 인광 발광층의 제 2 발광층의 두께 400Å보다 두껍게 한 것에서만 차이를 갖는다.
도 5는 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예의 각각의 일예에 따른 수명을 나타낸 그래프이다.
구분 제1발광층
(형광)(Å)		 제2발광층
(인광)(Å)		 구동전압(V) 효율
(Cd/A)		 CIEx CIEy T95수명
(%)
제 1 실시예 400 400 7.4 184.7 0.240 0.710 100
제 2 실시예 300 400 6.8 202.0 0.244 0.708 120
제 3 실시예 500 400 7.9 164.1 0.239 0.706 70
표 2 및 도 5와 같이, 제 1, 제 2 발광층을 400Å의 두께로 동일한 제 1 실시예의 경우의 T95 수명을 100%로 할 때, 이와 비교하여 상대적으로 제 1 발광층(143)을 300Å으로 얇게 한 경우, 수명이 제 1 실시예 대비 20% 이상 향상됨을 알 수 있다. 여기서, 제 2 실시예는 T95 수명 외에 제 1 실시예 대비 구동 전압도 저하되며, 효율도 향상되는 효과가 있음을 알 수 있다.
반면, 형광 발광층인 제 1 발광층(143)의 두께가 500Å로 는 경우에는, 수명이 제 1 실시예 대비 30% 이상 줄어들고, 구동 전압은 오히려 제 1 실시예 대비 상승하고, 효율은 제 1 실시예보다 떨어져, 본 발명의 유기 발광 소자와 같이, 복수 스택 구조에서, 하측의 스택에 형광 발광층을 적용하고, 상측 스택에 인광 발광층을 적용시에는 상대적으로 형광 발광층의 두께가 인광 발광층의 두께보다 얇은 경우가 보다 효과적임을 알 수 있다. 즉, 제시된 실험에서는 제 2 발광층을 400Å의 두께로 하고, 제 1 발광층(143)을 이보다 얇게 300Å으로 얇게 한 경우, 제 2 실시예가 가장 높은 효율을 나타낸다. 앞서, 도 3a에 따른 구조의 본 발명의 제 1 실시예가 비교예들 대비 효과가 우수함을 설명하였다. 즉, 본 발명의 제 2 실시예 적용시 제 1 실시예보다 효과가 높은 것으로, 이를 통해 본 발명의 제 2 실시예 적용시는 비교예들 대비 더욱 효율 및 효과가 우수함을 이해할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 4, 제 5 및 제 2 실시예에 따른 수명을 나타낸 그래프이다.
이하의 실험은 제 4, 제 5 및 제 2 실시예로, 각 실험에서 제 1 발광층(형광 발광층)의 두께를 300Å로 동일하게 하고, 제 2 발광층(인광 발광층)에서만 각각 200Å, 300Å, 400Å로 차이를 준 것이다. 이 경우, 형광 발광층의 두께를 제 1 실시예 대비 줄여, 앞의 제 1, 제 3 실시예 대비 구동 전압이 모두 저하하는 향상된 결과를 얻을 수 있다. 다만, 인광 발광층의 제 2 발광층의 두께가 낮게 되면 충분한 효율이 나오지 않은 결과를 보여준다.
즉, 표 3 및 도 6과 같이, 제 4, 제 5 및 제 2 실시예와 같이, 제 1 전극에 가까이 위치한 형광 발광층은 300Å의 이하의 두께라면 구동 전압이 증가가 방지되며, 인광 발광층은 이와 같거나 보다 두꺼운 300~400Å로 형성시 효율이 향상됨을 알 수 있다. 또한, 수명 역시, 도 6과 같이, 인광 발광층이 형광 발광층보다 두꺼울 때, 수명이 보다 향상됨을 알 수 있다.
구분 제1발광층
(형광)(Å)		 제2발광층
(인광)(Å)		 구동전압(V) 효율
(Cd/A)		 CIEx CIEy
제 4 실시예 300 200 6.8 128.8 0.247 0.699
제 5 실시예 300 300 6.8 144.3 0.242 0.709
제 2 실시예 300 400 6.8 202.0 0.244 0.708
도 7은 도 3a의 a: b의 두께 관계에 따른 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7과 같이, 본 발명의 유기 발광 소자에 있어서, n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층의 계면과 제 2 스택의 발광층 사이의 거리 a와 n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층의 계면과 제 1 스택의 발광층 사이의 거리 b 에 따라 유기 발광 소자의 효율을 나타낸 것이다.
주목할 것은 a와 b의 거리가 40nm (400Å)로 동일한 구간부터 n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층의 계면과 제 2 스택의 발광층 사이의 거리 a 가 점차 늘어날 때는 효율의 편차가 크지 않으나, n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층의 계면과 제 1 스택의 발광층 사이의 거리 b가 늘어나는 경우에는 효율 편차가 심해짐을 알 수 있다.
이 경우, 효율은 상술한 도 3a의 본 발명의 제 1 실시예 구조에서, 인접한 발광층간의 거리를 80nm(=800Å)으로 고정시키고, n 형 전하 생성층과 p형 전하 생성층의 계면과 제 2 스택의 발광층 사이의 거리 a는 55nm(550Å)이며, n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층의 계면과 제 1 스택의 발광층 사이의 거리 b가 25nm(250Å)인 경우의 효율을 100%로 하고, a:b 의 두께 비를 달리하여 효율을 비교 평가한 것이다. 이 경우, 제 1 스택의 제 1 전자 수송층의 두께를 10 nm(100Å)으로 하고, 제 2 스택의 제 2 정공 수송층의 두께를 50nm(500Å)으로 할 수 있다. 한편, n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층의 계면과 제 1 스택의 발광층 사이의 거리 b는 45nm(450Å)이며, n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층의 계면과 제 2 스택의 발광층 사이의 거리 a가 35nm(350Å)인 경우에도 100%의 효율을 얻은 점을 확인할 수 있다. 그러나, 거리 b는 커질수록 점차 효율 편차가 커지므로, 거리 b는 20nm(200Å) 내지 45nm(450Å)의 범위에 한해 정하며, 100% 을 넘는 효율을 구현시에서는 거리 b보다 a가 크거나 거리 b와 a가 동등한 경우가 바람직하다. 이 경우, a의 거리는 b의 거리와 동등하거나 b의 거리의 2.2배 이하에서 정해지는 것이 효율 관점에서 바람직하다.
상술한 a:b 거리 관련 실험에서는 인접한 스택의 발광층간의 거리에서, 발광층 외에는 모두 서브 화소들에서 공통층이 적용된 구조에서 실험한 것으로, 인접 스택간 발광층간의 거리(a+b)는 800Å으로 하여 진행하였지만, 이에 한하지는 않는다. 서로 다른 색상의 서브 화소들에 대해 예를 들어, 구비된 서브 화소가 공통층 외에 보조 정공 수송층을 구비하고, 상기 보조 정공 수송층이 선택적으로 특정 서브 화소에 구비된다면, 인접 스택간 발광층간의 거리(a+b)는 800Å 내지 1200Å 으로 변경될 수 있다. 여기서, 인접 스택이란 도 3a 및 도 3b와 같이, 형광 스택이 하측에 있고, 출사측에 접한 인광 스택이 상측에 위치한 구조를 의미하며, 인접 스택간 발광층 거리(a+b)란 인접 스택의 형광 발광층의 상부면에서 인광 발광층의 하부면까지의 거리를 의미한다.
한편, 본 발명의 유기 발광 소자의 구조는 상술한 효율이나 구동 전압 수명뿐만 아니라 시야각 관점에서 이점을 갖는다.
도 8은 제 2, 제 3 비교예 및 본 발명의 제 1 실시예 적용시 시야각에 따른 Δu'v'를 나타낸 그래프이며, 도 9는 제 2, 제 3 비교예 및 본 발명의 제 1 실시예 적용시 시야각에 따른 휘도 저하율의 변화를 나타낸 그래프이다.
시야각은 화면을 정면이 아닌 측면에서 기울여 보는 각을 의미한다. 즉, 정면은 시야각 0˚를 의미하고, 가장 큰 시야각은 90˚에 상당한다. 정면 기준으로 좌우 대칭성이 있으므로, 일반적으로 좌측 시야각과 우측 시야각은 대칭적 특성을 나타난다. 도 8 및 도 9와 같이, 시야각의 변화 경향은 0˚에서 20˚로 상승할 때까지 휘도가 거의 선형적으로 떨어지고, 다시 35˚까지는 크게 변화가 없고, 35˚ 이후부터는 매우 큰 휘도 저하 경향을 보인다.
구비된 복수 스택에 인광 발광층을 모두 사용한 제 2 비교예의 경우는, 효율의 상승은 있더라도 시야각에 따른 휘도 저하 및 휘도 편차 특성이 가장 좋지 않다. 즉, 제 2 비교예는 실험된 가장 높은 시야각 50˚에서 색시야각 편차(Δu'v') 가 0.236에 해당하며, 정면 대비 28%의 휘도 값을 나타내다.
구조(제 1발광층/제2발광층) 색시야각(Δu'v' at 50˚) 휘도 저하(at 50˚)
인광EML/인광EML(제2비교예) 0.236 28%
인광EML/형광EML(제3비교예) 0.234 29%
형광EML/인광EML(제1실시예) 0.200 38%
또한, 형광 발광층과 인광 발광층을 혼합 사용하는 경우라도 인광 발광층의 배치가 어디인지에 따라 큰 차이를 보이는데, 제 3 비교예와 같이, 형광 발광층이 출사측에 있고, 하측 스택에 인광 발광층이 있는 경우는 시야각 50˚에서 Δu'v'이 0.234 이상이며, 휘도의 세기가 정면 대비 29% 수준으로 시야각 변화에 따른 휘도 저하 및 편차 특성이 좋지 않음을 알 수 있다.
반면 본 발명의 제 1 실시예의 경우, 전체 시야각 영역에서 색순도 편차 특성을 나타내는 Δu'v'가 제 2, 제 3 비교예보다 낮아짐을 알 수 있고, 실험에서 가장 큰 시야각 50˚에서 Δu'v'이 0.200으로 색순도 편차가 낮아지며, 휘도 저하 특성도 정면 대비 38%의 수준으로 색순도와 휘도 특성이 모두 개선됨을 확인할 수 있었다.
도 10은 녹색 파장에서 형광 도펀트와 인광 도펀트의 피크 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 10은 녹색을 발광하는 형광 도펀트와 인광 도펀트의 피크 스펙트럼을 나타낸 것으로, 상대적으로 인광 도펀트가 형광 도펀트가 갖는 피크보다 단파장대에서 피크가 발생되며, 인광 도펀트의 반치폭(FWHM: full width at half maximum)이 형광 도펀트의 반치폭을 커버하는 것으로, 이는 인광 도펀트의 발광 세기가 형광 도펀트보다 보다 넓은 파장에서 크다는 것을 의미하며, 형광 발광층과 인광 발광층이 동일 두께, 동일 위치에 위치한다고 할 때, 인광 발광층이 보다 세기에 영향을 준다는 점을 의미한다. 이에 따라 본 발명의 유기 발광 소자에서는 동색을 발광하는 발광층을 복수 스택에 적용시 출사측의 인광 발광층을 다른 스택의 형광 발광층보다 두껍게 적용하는 구조를 적용한다.
이하, 상술한 유기 발광 소자를 적용한 유기 발광 표시 장치를 설명한다.
상술한 유기 발광 소자는 단일 서브 화소의 적층 구조를 위주로 설명하였고, 실험에서는 녹색 발광층을 복수 스택에 적용한 예에 대해 설명하였지만, 이에 한하지 않으며, 적색 및 청색 서브 화소에서도 이와 동일하게 하측 스택에 형광 발광층을 출사측에 가까운 상측 스택에 인광 발광층을 적용할 수 있다. 이러한 형광/인광 발광층의 혼합 구조는 단일 서브 화소에 적용할 수도 있고, 혹은 전체 서브 화소에 적용할 수도 있고, 혹은 2 이상의 서브 화소에 적용할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 유기 발광 표시 장치를 나타낸 단면도이다.
도 11과 같이, 본 발명의 유기 발광 표시 장치는 제 1 내지 제 3 서브 화소(SP1, SP2, SP3)를 규칙적으로 갖는 기판(100)과, 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들에 각각 구비된 박막 트랜지스터(205) 및 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소 각각에 상기 박막 트랜지스터에 전기적으로 접속된 유기 발광 소자(OLED)가 구비된다.
도 11은 2 스택 구조의 상기 유기 발광 소자(OLED)를 나타낸 것으로, 제 1 전극(210)과, 상기 제 1 전극과 대향되어, 출사측으로 이용되는 제 2 전극(270)과, 상기 제 1, 제 2 전극(210, 270) 사이에, 각각 발광층을 갖는 제 1 내지 제 n (n은 2이상의 자연수) 스택(S1, S2) 및 상기 제 1 내지 제 n 스택의 서로 인접한 스택들 사이에, 각각 n형 전하 생성층(도 1의 160a 참조) 및 p형 전하 생성층(도 1의 160b 참조)을 포함하는 전하 생성층(260)을 포함한다.
상기 제 1 전극(210)이 각 서브 화소(SP1, SP2, SP3)에 전기적으로 나뉘어져 구비되므로, 제 1 전극(210)과 제 2 전극(270) 사이의 유기물층 구성이 인접 서브 화소들에 공통으로 구비되어 있어도, 각 서브 화소의 제 1, 제 2 전극(210, 270) 사이의 수직 구조로 나타나는 유기 발광 소자는 서브 화소별로 독립적으로 기능한다.
제 1 전극(210), 각 스택의 발광층(231, 232, 233/ 251, 252, 253)을 제외하고 나머지 발광층들(231, 232, 233/ 251, 252, 253) 사이의 층들은 제 1 내지 제 3 서브 화소들에서 분리되지 않고 공통으로 형성되는 공통층들이다.
상기 제 1 전극(210)과 제 1 발광층(231, 232, 233) 사이에는 정공 주입층(221), 제 1 정공 수송층(222)의 공통층이 구비되고, 제 1 발광층(231, 232, 233)과 제 2 발광층(251, 252, 253) 사이에는 제 1 전자 수송층(223), 전하 생성층(260), 제 2 정공 수송층(241)이 공통으로 구비된다.
또한, 같은 방식으로 제 1, 제 2 전극(210, 270) 사이에 제 3 스택 이상 구비될 경우, 인접한 스택의 발광층 사이의 구성이 같은 방식으로, 반복된다.
마지막 스택(제 n 스택)에 있어서는, 적색, 녹색 및 청색의 인광 발광층과 제 2 전극(270) 사이에 (n-1)번째 전자 수송층 및 전자 주입층이 구비된다.
그리고, 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들(SP1, SP2, SP3)은 각각 제 1 내지 제 n 스택의 발광층들(231, 232, 233/ 251, 252, 253,…)은 동일 색상의 발광층을 포함하며, 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들 중 적어도 어느 하나의 서브 화소에서 상기 제 n 스택의 발광층은 인광 발광층이며, 상기 제 1 내지 제 n-1 스택 중 적어도 하나의 발광층은 형광 발광층이다.
도 1에서 설명한 바와 같이, 상기 각 전하 생성층의 n형 및 p형 전하 생성층의 계면에서 인접한 양 스택의 발광층까지의 거리는 동일하거나 상기 제 2 전극에 가까운 스택의 발광층까지의 거리가 더 두꺼운 경우, 유기 발광 소자의 효율이 우수하다.
여기서, 제 1 내지 제 3 서브 화소들은 제 1 내지 제 n 스택에 대해, 각각 동일 스택에 대해 청색, 녹색, 적색과 같이, 서로 다른 색을 발광하는 제 1 내지 제 3 발광층(231, 232, 233/ 251, 252, 253)을 구비하며, 상기 제 1 내지 제 3 발광층(231, 232, 233/ 251, 252, 253)은 서로 다른 두께일 수 있다. 이는 각 발광색별 파장의 공진 주기가 다르기 때문이며, 파장이 짧을수록 얇은 두께로 발광층이 구비된다.
한편, 설명하지 않은 도면 부호 280은, 상기 제 2 전극(270) 상측에 유기 발광 소자의 보호 및 광 효율 향상을 위해 구비되는 캐핑층이다.
본 발명의 유기 발광 표시 장치는 동일 휘도를 내기 위해, 복수 스택 각각에 동색의 발광층을 적용하여, 각 발광층의 걸리는 전류를 낮추기 때문에, 발광시 열화가 진행되는 유기 발광 소자의 열화를 늦출 수 있어, 결과적으로 수명을 향상시킬 수 있는 것이다.
이 경우, 유기 발광 표시 장치에 구비되는 적어도 어느 하나의 서브 화소에 수명 향상과 효율 향상을 동시에 얻을 수 있도록 출사측에 인광 발광층을 구비하고, 나머지 스택 중 적어도 하나에 형광 발광층을 구비하고, 이러한 형광/인광 발광층의 서로 이종의 발광층을 스택에 적용시 상대적으로 인광 발광층 대비 효율이 낮은 형광 발광층의 두께를 줄임으로써, 구동전압도 낮출 수 있다.
본 발명의 유기 발광 소자 및 이를 적용한 유기 발광 표시 장치는 상술한 구조를 구비함에 의해, 형광의 장수명 특징과, 인광의 고효율 특징을 모두 발휘할 수 있으며, 특히 각 발광층의 위치를 최적화하여 고 화질의 디스플레이 화질 구현을 할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
110, 210: 제 1 전극 120, 270: 제 2 전극
130, 280: 캐핑층 140: 제 1 스택
141: 제 정공 주입층 142: 제 1 정공 수송층
143: 제 1 발광층 144: 제 1 전자 수송층
160: 전하 생성층 160a: n형 전하 생성층
160b: p형 전하 생성층 180: 제 N 스택
184: 제 2 정공 수송층 185: 제 2 발광층
186: 제 2 전자 수송층 187: 전자 주입층
200: 기판 205: 박막 트랜지스터
207: 보호막 S1: 제 1 스택
S2: 제 2 스택

Claims (14)

  1. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극과 대향되어, 출사측으로 이용되는 제 2 전극;
    상기 제 1, 제 2 전극 사이에, 동일한 색을 발광하는 발광층을 갖는 제 1 내지 제 n (n은 2이상의 자연수) 스택;
    상기 제 1 내지 제 n 스택의 서로 인접한 스택들 사이에, 각각 n형 전하 생성층 및 p형 전하 생성층을 포함하여 이루어진 n-1개의 전하 생성층을 포함한 유기 발광 소자에 있어서,
    상기 제 2 전극은 상기 제 n 스택과 접하며, 상기 제 n 스택의 발광층은 인광 발광층이며,
    상기 제 1 내지 제 n-1 스택 중 적어도 하나의 발광층은 형광 발광층이며,
    상기 각 전하 생성층의 n형 및 p형 전하 생성층의 계면에서 인접한 양 스택의 발광층까지의 거리는 동일하거나 상기 제 2 전극에 가까운 스택의 발광층까지의 거리가 더 두꺼운 유기 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 각 전하 생성층의 n형 및 p형 전하 생성층의 계면에서 상기 제 2 전극에 가까운 스택의 발광층까지의 거리는 상기 각 전하 생성층의 n형 및 p형 전하 생성층의 계면에서 상기 제 1 전극에 가까운 스택의 발광층까지의 거리의 2.2배 이하인 유기 발광 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 n 스택의 인광 발광층이 다른 스택의 상기 형광 발광층보다 두께가 두꺼운 유기 발광 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 인광 발광층은 하나 이상의 인광 호스트와 제 1 파장 영역의 광을 발광하는 하나의 인광 도펀트를 포함하고,
    상기 형광 발광층은 하나 이상의 형광 호스트의 상기 제 1 파장 영역의 광을 발광하는 하나의 형광 도펀트를 포함하며,
    상기 인광 도펀트는 상기 형광 도펀트보다 낮은 파장에서 피크를 갖는 유기 발광 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 인광 발광층의 발광스펙트럼의 반치폭은 상기 형광 발광층의 발광 스펙트럼의 반치폭을 포함하는 유기 발광 소자.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 n 스택들에서,
    인접한 형광 발광층을 포함한 스택과 인광 발광층을 포함한 스택간 상기 인광 발광층의 하부면과 상기 형광 발광층의 상부면 사이의 거리는 800Å 내지 1200Å인 유기 발광 소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 n 스택들에서,
    인접한 형광 발광층을 포함한 스택과 인광 발광층을 포함한 스택간, 중앙의 n형 전하 생성층 및 p형 전하 생성층의 경계면으로부터 상기 형광 발광층 사이의 거리는 200Å 이상인 유기 발광 소자.
  8. 제 1 내지 제 3 서브 화소를 규칙적으로 갖는 기판;
    상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들에 각각 구비된 박막 트랜지스터; 및
    상기 제 1 내지 제 3 서브 화소 각각에 상기 박막 트랜지스터에 전기적으로 접속되며, 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되어, 출사측으로 이용되는 제 2 전극과, 상기 제 1, 제 2 전극 사이에, 각각 발광층을 갖는 제 1 내지 제 n (n은 2이상의 자연수) 스택 및 상기 제 1 내지 제 n 스택의 서로 인접한 스택들 사이에, 각각 n형 전하 생성층 및 p형 전하 생성층을 포함하여 이루어진 n-1개의 전하 생성층을 포함한 제 1 내지 제 3 유기 발광 소자를 포함한 유기 발광 표시 장치에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들은 각각 제 1 내지 제 n 스택의 발광층들은 동일 색상의 발광층을 포함하며,
    상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들 중 적어도 어느 하나의 서브 화소에서
    상기 제 2 전극은 상기 제 n 스택과 접하며, 상기 제 n 스택의 발광층은 인광 발광층이며,
    상기 제 1 내지 제 n-1 스택 중 적어도 하나의 발광층은 형광 발광층이며,
    상기 각 전하 생성층의 n형 및 p형 전하 생성층의 계면에서 인접한 양 스택의 발광층까지의 거리는 동일하거나 상기 제 2 전극에 가까운 스택의 발광층까지의 거리가 더 두꺼운 유기 발광 표시 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    제 1 내지 제 3 서브 화소들은 제 1 내지 제 n 스택에 대해,
    각각 동일 스택에 대해 서로 다른 색을 발광하는 제 1 내지 제 3 발광층을 구비하며,
    상기 제 1 내지 제 3 발광층은 서로 다른 두께인 유기 발광 표시 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 n 스택은 각각의 발광층을 제외하여 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들에 대해 공통으로 구비되는 공통층을 구비한 유기 발광 표시 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 전하 생성층은 상기 제 1 내지 제 3 서브 화소들에 대해 끊김없이 공통으로 구비된 유기 발광 표시 장치.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 제 n 스택의 인광 발광층이 다른 스택의 형광 발광층보다 두께가 두꺼운 유기 발광 표시 장치.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 인광 발광층은 하나 이상의 인광 호스트와 제 1 파장 영역의 광을 발광하는 하나의 인광 도펀트를 포함하고,
    상기 형광 발광층은 하나 이상의 형광 호스트의 상기 제 1 파장 영역의 광을 발광하는 하나의 형광 도펀트를 포함하며,
    상기 인광 도펀트는 상기 형광 도펀트보다 낮은 파장에서 피크를 갖는 유기 발광 표시 장치.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 인광 발광층의 발광스펙트럼의 반치폭은 상기 형광 발광층의 발광 스펙트럼의 반치폭을 포함하는 유기 발광 표시 장치.
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