KR20190069935A - 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수 스택을 갖는 유기 발광 소자로 구현되며, 소정 스택의 발광층 구조를 변경하여 전류 밀도 변화에 따른 파장별 효율 차를 개선한 조명 장치에 관한 것이다.

Description

조명 장치 {Illumination Device}
본 발명은 조명 장치에 관한 것으로, 특히, 유기 발광 소자를 이용하여 전류 밀도의 변화에 관계없이 색온도의 변화를 개선한 조명 장치에 관한 것이다.
가전에서 사용하는 조명은 최근 백열등이나 형광등에서 저전압 고수명의 LED 소자로 변화하고 있다.
그러나, LED 소자는 무기 반도체를 발광원으로 이용하는 것으로, 충분한 효율을 위해 렌즈가 요구되고, 하부에는 무기 반도체를 수납하는 발광 패키지가 요구되어 장치적으로 슬림화가 불가능한 문제가 있다.
이에 LED 소자 외에도 다른 발광원을 이용하여 조명 장치를 구현하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
이 중 유기 발광 소자를 이용한 조명 장치는 대면적 코팅이 가능하여, 일반적인 기판에 형성이 용이하다. 특히, 최근 고려되고 있는 연성화(flexibility)가 가능한 플라스틱 기판에도 형성이 가능하다. 또한, 고휘도 효율을 얻을 수 있고, 저전압 구동 및 빠른 응답 속도, 및 경량화가 가능한 이점이 있다.
이에 따라 유기 발광 소자를 이용한 조명 장치가 연구 중에 있다. 그런데, 복수 발광층을 사용하여 백색을 구현하는 백색 조명에서 서로 다른 발광층간 효율 차가 발생하는 문제가 있으며, 특히 구동 중 시간 경과 및 전류 밀도 변화에 따라 파장별 효율 차가 발생하여 이에 대한 해결이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 유기 발광 소자의 스택 구조를 변경하여 전류 밀도 변화에 따른 파장별 효율 차를 개선시킨 백색 조명 장치를 제공하는 것을 해결 과제로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 조명 장치는 복수 스택을 갖는 유기 발광 소자에 있어서, 소정 스택의 발광층 구조를 변경하여 전류 밀도 변화에 따른 파장별 효율 차를 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치는 서로 대향된 제 1, 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 유기 스택으로 채워지며, 상기 유기 스택은, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 발광체로 420nm 내지 470nm에서 피크 파장을 갖는 제1 도펀트를 포함한 제 1 발광층을 갖는 제 1 스택과, 상기 제 1 스택과 상기 제 2 전극 사이에, 발광체로 500nm 내지 590nm의 피크 파장을 갖는 제 2 도펀트와, 상기 제 2 도펀트의 피크 파장보다 60nm 내지 100nm 큰 피크 파장을 갖는 제 3 도펀트를 포함한 제 2 발광층을 갖는 제 2 스택 및 상기 제 1 스택과 제 2 스택 사이에 제 1 전하 생성층을 포함한다.
또한, 상기 제 2 스택에, 상기 제 2 발광층과 접하며, 발광체로 500nm 내지 590nm의 피크 파장을 갖는 제 4 도펀트만을 갖는 제 3 발광층을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제 1 도펀트의 중량은 제 1 발광층 내에 2wt% 내지 10wt% 포함될 수 있다.
상기 제 2 도펀트의 중량은 제 2 발광층 내에 4wt% 내지 15wt% 포함되며, 상기 제 3 도펀트의 중량은 제 2 발광층 내에 0.1wt% 내지 2.0wt% 포함될 수 있다.
상기 제 3 발광층 내에 상기 제 2 도펀트의 중량은 4wt% 내지 15wt% 포함될 수 있다.
또한, 상기 유기 스택은, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 스택 사이에 제 2 전하 생성층으로 개재하여 상기 제 1 스택과 분리되며, 상기 제 2 발광층과 동일한 제 4 발광층을 포함한 제 3 스택을 더 포함할 수 있다.
상기 제 3 스택에, 상기 제 4 발광층과 접하며, 발광체로 상기 500nm 내지 590nm의 피크 파장을 갖는 제 4 도펀트만을 갖는 제 5 발광층을 더 포함할 수 있다.
상기 제 4 도펀트는 상기 제 2 도펀트와 동일할 수 있다.
본 발명의 조명 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 조명 장치로, 제 1, 제 2 전극 사이에 유기물 층으로만 채워 이루어진 구조를 적용하여, 별도의 패키지없이 조명 장치 구현이 가능하며, 슬림화가 용이하여 플렉서블 장치에도 적용이 가능하다.
둘째, 제 1, 제 2 전극 사이에 구비된 유기 스택으로 효율이 낮고 타색 발광체와 비교하여 에너지 밴드갭이 상이한 청색 발광층은 독립적인 스택 내에 구비하고, 에너지 밴드갭이 유사한 녹색 및 적색의 발광체는 다른 스택의 동일 발광층에 공증착하여 포함시켜 장파장 영역에서 전류밀도의 변화에 관계없이 색온도를 일정하게 유지할 수 있다.
셋째, 녹색 및 적색의 발광체를 포함한 발광층과 연속하여 직접 접한 녹색의 발광체만을 포함한 녹색 발광층을 더 구비하여 백색 발광의 연색성을 높여 주광(day light)과 유사한 수준의 연색 지수를 갖는 조명 장치의 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 단면도
도 3은 본 발명의 도 1 및 도 2에 따른 본 발명의 조명 장치의 발광 스펙트럼의 파장별 세기를 나타낸 그래프
도 4는 본 발명의 조명 장치 중 제 1, 제 2전극 사이에 제 2 스택만을 구비한 구조에서의 발광 스펙트럼의 파장별 세기를 나타낸 그래프
도 5a는 비교예에 따른 백색 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 5b는 도 5a의 발광 스펙트럼의 파장별 세기를 나타낸 그래프
도 5c는 도 5a의 제 2 스택의 발광 스펙트럼의 파장별 세기를 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 조명 장치의 연색성을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 조명 장치의 연색성을 나타낸 그래프
도 8a 내지 도 8f는 다양한 조명 장치 및 주광의 연색성을 나타낸 그래프
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 단면도
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 단면도
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것으로, 실제 제품의 부품 명칭과 상이할 수 있다.
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.
그리고, 소자 또는 층이 다른 소자의 "위(on)" 또는 "상(on)" 으로 지칭되는 것은 다른 소자 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자 또는 층이 다른 소자에 "접하는" 으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않는 것을 나타낸다.
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 10 % 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 10 % 미만이거나 또는 P-타입인 물질이 중량비 10% 미만인 경우에 '도핑된'층에 포함된다.
본 명세서에서 스택이란, 정공 수송층과, 정공 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.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 단면도이다.
도 1과 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 조명 장치는 서로 대향된 제 1, 제 2 전극(110, 120)과, 상기 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이에 유기물로 이루어진 유기 스택(1000)으로 채워진다. 즉, 본 발명의 조명 장치는 최근 선호되는 무기 발광체를 발광원으로 이용하는 LED와 달리 유기물 발광체를 이용하는 것으로, 발광 패키지의 구성을 생략할 수 있어, 슬림화 및 플렉서블화가 가능한 이점이 있다.
상기 유기 스택(1000)은, 상기 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이에, 발광체로 420nm 내지 470nm에서 피크 파장을 갖는 제1 도펀트(bd)를 포함한 제 1 발광층(132)을 갖는 제 1 스택(130)과, 상기 제 1 스택(130)과 상기 제 2 전극(120) 사이에, 발광체로 500nm 내지 590nm의 피크 파장을 갖는 제 2 도펀트(gd)와, 상기 제 2 도펀트(gd)의 피크 파장보다 60nm 내지 100nm 큰 피크 파장을 갖는 제 3 도펀트(rd)를 포함한 제 2 발광층(142)을 갖는 제 2 스택(140) 및 상기 제 1 스택(130)과 제 2 스택(140) 사이에 전하 생성층(150)을 포함한다.
본 발명의 유기 스택(1000)은 적어도 연속된 제 1, 제 2 스택(130, 140)들이 전하 생성층(150)에 의해 분리되는 것으로, 각 스택(130, 140)의 발광층(132, 142)들이 서로 접하지 않는다. 따라서, 각 스택(130, 140)의 발광층(132, 142)은 독립적으로 구비된다.
또한, 제 1, 제 2 스택(130, 140)은 발광층(132, 142) 외에 발광층(132, 142)의 하부에는 정공 수송층(131, 141)이 발광층(132, 142)의 상부에는 전자 수송층(133, 143)이 더 구비될 수 있다.
그리고, 정공 수송층(131, 141)의 하측에는 HOMO 준위가 제 1 전극(110)의 일함수와 2eV 이하의 차이를 갖는 정공 주입층이, 전자 수송층(133, 143)의 상측에는 알칼리 금속이나 알칼리 토금속을 도펀트로 포함한 전자 주입층이 더 구비될 수 있다. 상기 정공 주입층은 경우에 따라, p형 도펀트를 더 포함할 수도 있다.
각각 발광층(132, 142)의 상하에 구비된 층들(133, 143, 131, 141)은 전자와 정공을 발광층(132, 142)으로 수송시키는 기능을 한다.
한편, 각 발광층(132, 142)에서 발광체는 발광의 파장대를 결정하는 도펀트이다. 발광층(132, 142) 내에는 도펀트 외에 주 성분으로 호스트가 포함되지만, 호스트는 도펀트와 에너지 밴드갭이 중첩되며, 호스트의 여기 에너지가 도펀트로 이동하여 외부 양자 효율이 높은 도펀트로부터 발광이 일어난다. 이 때, 호스트의 발광 스펙트럼을 해당 발광층의 도펀트의 흡수 스펙트럼과 많은 면적으로 중첩시켜야 발광 효율이 높다.
그리고, 상기 제 1 발광층(132)에 포함된 제 1 도펀트(bd)의 중량은 제 1 발광층(132) 내에 2wt% 내지 10wt% 함량으로 포함될 수 있다. 여기서, 청색을 발광하는 제 1 발광층(132)을 갖는 제 1 스택(130)을 녹색 및 적색을 발광하는 제 2 스택(140)과 분리하는 이유는 가시광 파장대에서 청색 발광의 발광 효율이 상대적으로 낮고, 복수개의 색상의 발광 도펀트가 섞였을 경우, 효율이 높은 타색의 발광 도펀트로 에너지가 넘어가 청색 도펀트 함량을 늘려도 청색 발광 자체의 발광이 충분히 일어나지 않기 때문이다. 특히, 조명 장치에 적용할 정도로 수명이 확보된 청색 도펀트로는 예를 들어, 파이렌(pyren) 유도체가 있는데, 이는 형광 도펀트로 하나의 발광층 내에 파이렌 유도체의 청색 형광 도펀트와 다른 색상을 발광하는 인광 발광 도펀트와 섞였을 때, 청색의 발광 효율이 매우 낮아진다. 따라서, 본 발명의 백색 조명 장치는 백색 조명에서 충분한 청색 효율을 얻기 위해 청색 발광의 제 1 발광층(132)을 갖는 제 1 스택(130)을 보다 장파장을 발광하는 제 2 발광층(142)을 갖는 제 2 스택(140)과 독립하여 구성한다. 광에서 백색은 청색, 녹색 및 적색이 합산되어 구현되는 것으로, 백색 조명으로 기능하기 위해서는 일정 수준 이상의 청색 효율이 필요하다.
한편, 제 2 스택(140)은 제 2 발광층(142)의 구성을 하나 이상의 호스트(h) 외에 발광체로 500nm 내지 590nm의 피크 파장을 갖는 제 2 도펀트(gd)와, 상기 제 2 도펀트(gd)의 피크 파장보다 60nm 내지 100nm 큰 피크 파장을 갖는 제 3 도펀트(rd)를 포함한 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 제 2 도펀트(gd)의 중량은 제 2 발광층(142) 내에 4wt% 내지 15wt% 포함되며, 상기 제 3 도펀트(rd)의 중량은 제 2 발광층(142) 내에 0.1wt% 내지 2.0wt% 포함될 수 있다. 상대적으로 적색을 발광하는 제 3 도펀트(rd)의 함량이 녹색을 발광하는 제 2 도펀트(gd)의 함량보다 낮은 이유는 백색 발광 효율의 주요 부분을 차지하는 녹색의 발광 효율을 크게 하기 위함이다. 상기 제 2 도펀트(gd)의 밴드갭이 상기 제 3 도펀트(rd)의 밴드갭보다 클 수 있으며, 이 때, 제 2 발광층(142) 내에서는 제 2 도펀트(gd)에서 정공과 전자의 재결합에 의한 여기자 발생으로 여기자가 그라운드 상태로 에너지가 떨어지며 녹색 발광하고, 이후 남는 전자 및 정공의 캐리어가 2차적으로 제 3 도펀트(rd)에서 재결합하여 여기자를 발생시켜 그라운드 상태로 에너지가 떨어지며 적색 발광한다.
여기서, 상기 제 2, 제 3 도펀트(gd, rd)는 모두 이리듐(Ir) 유도체이며, 이리듐과 결합된 유기물 및 이의 치환기의 차이에 따라 발광 파장의 차이를 갖는다.
이와 같이, 녹색과 적색 발광의 제 2, 제 3 도펀트(gd, rd)를 하나의 제 2 발광층(142)에 포함한 이유는 농도 소광없이 녹색과 적색의 발광 효율을 일정하게 유지할 수 있기 때문이다. 조명 장치에서는 필요에 따라 전류 밀도를 조정하며 백색 조명을 구현하는데, 만일 녹색 발광층과 적색 발광층을 서로 접하여 별개의 발광층을 구비하는 경우에는 전류 밀도가 높아질 때, 녹색 발광층에 포함되어 있던 전자 및 정공의 캐리어들이 적색 발광층으로 넘어가 녹색 발광층 내 정공-전자 재결합 효율이 떨어지며, 색 온도 차이가 발생한다. 본 발명의 조명 장치를 이러한 현상을 방지하기 위하여 제 2 발광층(142) 내 제 2, 제 3 도펀트(gd, rd)를 함께 이용한다.
즉, 본 발명의 조명 장치는 제 1, 제 2 전극(110, 120) 사이에 구비된 유기 스택(1000)으로 효율이 낮고 타색 발광체와 비교하여 에너지 밴드갭이 상이한 청색 발광의 제 1 발광층(132)은 독립적인 제 1 스택(130) 내에 구비하고, 에너지 밴드갭이 차이가 0.5eV 이하인 유사한 녹색 및 적색의 발광체(도펀트)는 다른 제 2 스택(140)의 동일의 제 2 발광층(142)에 공증착하여 포함시켜 장파장 영역에서 전류밀도의 변화에 관계없이 색온도를 일정하게 유지할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 조명 장치에 이용된 적색 도펀트의 밴드갭(HOMO-LUMO 차)은 2.0eV 이며, 녹색 도펀트의 밴드갭(HOMO-LUMO 차)은 2.3eV에 해당한다.
한편, 상기 제 1 전극(110)은 기판(미도시)에 접하여 위치하여 도시된 스택의 순서로 조명 장치가 형성될 수 있다. 경우에 따라, 제 2 전극(120)이 기판에 접하여 형성될 수도 있으며, 이 때에는 도 1의 스택 구조를 반전시켜 역구조로 기판 상에 형성할 수 있다. 이는 후술하는 제 2 실시예에 따른 조명 장치도 마찬가지이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 백색 조명 장치는 상술한 제 1 실시예 대비하여 제 2 스택(240) 내 제 2 발광층(242)에 접하여 상기 제 2 도펀트(gd1)과 동일한 녹색 피크 파장 특성을 갖는 제 4 도펀트(gd2)만을 발광체로 하는 제 3 발광층(243)을 더 구비한 것을 특징으로 한다. 이 경우, 제 2 스택(240) 내 제 2, 제 3 발광층(242, 243) 하부와 상부에 정공 수송층(241)과 전자 수송층(244)이 적용한 것은 상술한 제 1 실시예와 동일하다. 상기 제 2 도펀트(gd1)와 제 4 도펀트(gd2)는 동일하거나 유사한 녹색 피크 파장을 발광 특성을 갖는다. 상기 제 3 발광층(243) 내에 상기 제 4 도펀트(gd2)의 중량은 4wt% 내지 15wt% 포함될 수 있다. 상기 제 3 발광층(243)을 더 구비함에 의해, 녹색 파장에 대해 색재현율을 풍부히 할 수 있다. 어느 경우나 상기 제 2, 제 4 도펀트(gd1, gd2)는 제 3 도펀트(rd)보다 중량을 높게 하여, 녹색 발광을 충분히 한 후, 에너지를 적색 도펀트로 전달할 수 있게 한다.
이러한 색재현율은 자연광(주광: Day light)에서 본 사물의 색과 특정 조명이 어느 정도 유사한가를 나타낸 '연색성(Color Rendering)'과 연관하여 설명할 수 있다.
연색성과 관련된 '연색 지수(CRI: Color Rendering Index)'는 사물을 주광에서 바라볼 때를 연색 지수 100이라 하고, 다른 조명 장치에서 사물을 두고 바라볼 때, 주광에서 바라본 연색 지수와 비교하여 나타내며, 가시광 영역대에서 주광에서 바라본 사물과 유사한 색을 재현시 연색 지수 100에 가깝다. 본 발명의 백색 조명 장치를 적용시 연색 지수 83 이상으로 나타나며, 특히, 제 2 실시예와 같이, 제 3 발광층(243)을 더 구비한 경우, 연색 지수 92로 향상되며, 이는 색재현율이 보다 향상됨을 의미한다.
제 2 발광층(242)은 녹색 발광을 하는 제 2 도펀트(gd1)와 적색 발광을 하는 제 3 도펀트(rd)가 함께 구비되어 작은 함량으로 제 3 도펀트(rd)가 제 2 발광층(242)에 구비되어도 제 3 도펀트(rd)측으로 에너지를 넘겨 주어야 하기 때문에, 녹색의 발광을 풍부히 하려면 제 3 발광층(243)을 구비하여 녹색 파장대의 연색성을 높여야 한다.
또한, 상기 제 2 발광층(242)과 제 3 발광층(243)은 순서로 바꾸어 제 3 발광층(243)이 제 2 발광층(242)보다 먼저 구비될 수도 있다.
여기서, 녹색을 발광하는 제 3 발광층(243)이 더 구비할 때 백색 조명을 구현하는데 적녹청의 발광 효율 중 녹색의 효율을 상대적으로 높일 때, 녹색의 시인성이 좋기 때문에, 동일 전류 공급시 백색 효율이 높아지기 때문이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 따른 본 발명의 조명 장치의 발광 스펙트럼의 파장별 세기를 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명의 조명 장치 중 제 1, 제 2전극 사이에 제 2 스택만을 구비한 구조에서의 발광 스펙트럼의 파장별 세기를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 제 1 실시예와 제 2 실시예에서 파장별 세기는 동등 수준의 결과가 나왔다.
본 발명의 제 1 및 제 2 실시예를 적용한 조명 장치는 공통적으로 상술한 2 스택(130, 140/240)으로 구비시 420nm 내지 650nm의 가시광 파장대에서 3 피크 특성을 나타낸다. 또한, 도 3 및 도 4와 같이, 전류 밀도를 1mA/cm2 에서 5mA/cm2 로 늘리며 관찰시 거의 피크 파장이 450~470nm, 540~570nm, 610nm ~620nm 에서 나타나는 동일한 경향을 보이며, 커브 특성도 동일하게 나타난다. 청색을 발광하는 제 1 발광층을 제 1 스택에 독립적으로 가지기 때문에, 청색은 전류 밀도에 관계없이 동일한 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 녹색 및 적색을 함께 발광하는 제 2 발광층에서 서로 농도 소광의 간섭이 없어 전류 밀도가 증가하더라도 거의 동일한 커브 특성을 나타낸다. 이는 컬러 밸런스가 전류밀도의 관계없이 일정함을 의미한다.
한편, 상술한 도 3 및 도 4의 그래프는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 조명 장치를 다음의 순으로 적층하여 얻은 것이다.
기판(미도시) 상에, 도 1과 같이, ITO(Indium Tin Oxide)의 투명 전극으로 제 1 전극(110)을 형성하고, 이어, HATCN을 300Å의 두께로 정공 주입층(미도시)로 형성하고, 이어, NPD를 300Å의 두께로 하여 제 1 정공 수송층(131)을 형성한다.
이어, 상기 제 1 정공 수송층(131) 상에 안트라센 유도체(bh) 300Å에 청색 도펀트(bd)로 파이렌(pyren) 유도체를 5wt% 도핑하여 제 1 발광층(132)을 형성한다.
이어, 제 1 발광층(132) 상에 Alq3를 250Å 두께로 제1 전자 수송층(133)을 형성하여, 제 1 스택(130)의 형성을 완료한다.
이어, 페난트롤린(phenanthroline) 유도체 100Å에 Li을 2% 도핑하여 전하 생성층(150)을 형성한다.
이어, HATCN 300Å를 전면 증착하여 제 2 스택(140)의 제 2 정공 수송층(141)을 형성한다.
이어, 안트라센 유도체를 호스트(h)로 하며, 녹색 도펀트(gd)로 Ir 유도체를 10wt%로 도핑하고, 적색 도펀트(rd)로 녹색 도펀트(gd)와는 치환기가 상이한 Ir 유도체를 0.3wt% 도핑하여 300Å의 두께의 제 2 발광층(142)를 형성한다.
이어, 제 2 발광층(142) 상에 Alq3와 LiQ의 1:1 혼합물을 350 Å 증착하여 제 2 전자 수송층(143)을 형성하여, 제 2 스택(140)의 형성을 완료한다.
이어, Al 를 1000Å의 두께로 증착하여 제 2 전극(120)을 형성한다.
도 2의 제 2 실시예에 따른 조명 장치는 상술한 제 1 실시예와 비교하여, 제 2 스택(240)이 제 2 발광층(242) 및 제 3 발광층(243)으로 이층 발광층을 구비함에서 차이가 있다. 도 2의 제 2 실시예의 구성을 통해서도 도 3 및 도 4의 그래프의 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 나머지 구성은 제 1 실시예와 동일하게 하고, 안트라센 유도체를 호스트(h1)로 하며, 제 1 녹색 도펀트(gd1)로 Ir 유도체를 10wt%로 도핑하고, 적색 도펀트(rd)로 제 1 녹색 도펀트(gd1)와는 치환기가 상이한 Ir 유도체를 0.3wt% 도핑하여 50Å의 두께로 하여 제 2 발광층(242)를 형성하고, 이어, 제 2 녹색 도펀트(gd2)로 Ir 유도체를 10wt% 로 안트라센 유도체의 호스트(h2) 내에 도핑하여 제 3 발광층(243)을 형성한다.
여기서, 제 1, 제 2 녹색 도펀트(gd1, gd2)는 동일한 Ir 유도체일 수도 있고, 30nm 내에서 서로 다른 발광 피크 차이를 갖는 Ir 유도체일 수 있다. 상기 제 1, 제 2 녹색 도펀트(gd1, gd2)가 동일한 경우에도 이용하는 호스트(h1, h2)의 흡수 스펙트럼 차로 실질적인 녹색 영역대의 발광을 다른 파장대로 할 수 있다.
이하, 상술한 본 발명의 조명 장치와, 적색 발광층(42)과 녹색 발광층(43)을 접하여 구비한 비교예의 유기 발광 소자를 비교해본다.
도 5a는 비교예에 따른 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이며, 도 5b는 도 5a의 발광 스펙트럼의 파장별 세기를 나타낸 그래프이고, 도 5c는 도 5a의 제 2 스택의 발광 스펙트럼의 파장별 세기를 나타낸 그래프이다.
도 5a와 같이, 비교예에 따른 유기 발광 소자는 제1 전극(10)과 제 2 전극(20) 사이에 서로 다른 제 1 스택(30)과 제 2 스택(40)이 전하 생성층(50)을 사이에 두고 위치하며, 제 1 스택(30)은 청색 발광층(32)을 갖고, 제 2 스택(40)은 적색 발광층(42)과 녹색 발광층(43)을 접하여 구비한다. 또한, 공통적으로 제 1 스택(30)과 제 2 스택(40)은 각 발광층(32, 42/43)의 하부에 정공 수송층(31, 41)을 구비하고, 상부에 전자 수송층(33, 44)을 구비한다.
한편, 이하의 실험의 비교예의 유기 발광 소자는, 상술한 본 발명의 제 1, 제 2 실시예들에 따른 조명 장치와 비교하여, 제 1 스택(30, 130)은 동일 구성으로 하였으며, 제 2 스택(40, 140/240) 내 발광층의 구성에서만 차이를 주었다.
즉, 비교예의 제 2 스택(40)은 안트라센 유도체를 호스트로 하고, Ir 유도체의 적색 도펀트로 2wt% 도핑하여 적색 발광층(42)을 50Å의 두께로 형성하였고, 이어, 안트라센 유도체를 호스트로 하고, Ir 유도체의 녹색 도펀트로 10wt% 도핑하여 녹색 발광층(43)을 250Å의 두께로 형성하였다.
이 경우, 도 5b 및 도 5b와 같이, 전류 밀도를 1mA/cm2 에서 5mA/cm2 까지 늘리며 관찰시 거의 피크 파장이 450~470nm, 540~570nm, 610nm ~620nm 에서 나타나는 동일한 경향을 보이나, 특히, 녹색의 세기 커브가 고전류 밀도로 가며 떨어진다. 여기서, 청색을 발광하는 청색 발광층을 제 1 스택에 독립적으로 가지기 때문에, 청색은 전류 밀도에 관계없이 동일한 발광 특성을 나타내지만, 비교예에서는 녹색을 발광하는 녹색 발광층에서의 전자 또는 여기자 등의 캐리어가 적색을 발광하는 적색 발광층으로 넘어가 녹색 발광층의 발광 효율이 점차 떨어짐을 의미한다. 이러한 녹색 발광층의 발광 효율의 변화는 전류 밀도 변화에 따라 발생하는 것으로, 이는 비교예의 한계로 지적된다.
이와 달리, 본 발명의 조명 장치는 서로 유사한 밴드갭을 갖는 적색 발광 도펀트와 녹색 발광 도펀트를 하나의 발광층에 구비하고 이들의 흡수 스펙트럼과 자신의 발광 스펙트럼이 중첩하는 호스트(h1)를 제 2 발광층(242, 142)에 적용하여 제 2 발광층 내에서 다른 발광 도펀트를 사용하지만 서로 에너지를 전달하여, 농도 소광의 간섭이 없어 전류 밀도가 증가하더라도 거의 동일한 커브 특성을 나타낸다. 이러한 전류 밀도 변화에 관계없이 파장별 발광 세기 커브와 동일 특성은 본 발명의 제 1, 제 2 실시예에서 공통적으로 나타났다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 조명 장치의 연색성을 나타낸 그래프이다.
도 6과 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 조명 장치의 연색 지수(CRI)는 83으로 할로겐 램프보다 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 조명 장치의 연색성을 나타낸 그래프이다.
도 7과 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 조명 장치는 도 6 대비 보다 녹색 파장대비 발광 스펙트럼이 넓어진 것을 알 수 있다. 이를 연색 지수로 살펴본 연색 지수 92로 이는 거의 주광에 가깝게 색재현이 가능함을 의미한다. 즉, 적색과 녹색의 발광 도펀트를 포함한 제 2 발광층과 접하여 녹색만을 발광하는 발광 도펀트를 갖는 제 3 발광층을 구비시 이러한 연색성이 향상됨을 알 수 있다.
이하, 다양한 조명 장치와 주광의 연색성을 비교하여 설명한다.
도 8a 내지 도 8f는 다양한 조명 장치 및 주광(晝光: day light)의 연색성을 나타낸 그래프이다.
도 8a는 백열 전구의 연색성을 나타낸 것으로 연색 지수 50에 상당하며, 도 8b는 형광등의 연색성을 나타낸 것으로 연색 지수 60에 상당하며, 도 8c는 할로겐 등의 연색성을 나타낸 것으로 연색 지수 80에 상당하다. 도 8d는 청색 형광체를 더한 쿨 화이트 LED(cool white LED)의 연색성을 나타낸 것으로 대략 연색 지수 55에 상당하며, 도 8e는 웜 화이트 LED(warm white LED)의 연색성을 나타낸 것으로 대략 연색 지수 60에 상당하다. 도 8f는 주광의 연색성을 나타낸 것으로, 이러한 파장별 세기 특성을 가질 때 연색 지수 100이라 한다.
즉, 본 발명의 조명 장치를 구현시 주광에 가장 근사한 연색성을 나타내며, 특히, 제 2 실시예와 같이, 조명 장치를 구현시, 조명 장치로서 가시광 영역대의 가장 풍부한 색재현율이 가능함을 의미한다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 단면도이다.
도 9와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 조명 장치는 유기 스택(1000)의 구성을 3 스택(320, 340, 350)으로 한 것으로, 제 1 실시예와 비교하여, 도 1의 제 1 스택(130), 전하 생성층(150) 및 제 2 스택(140)과 같이, 청색 발광의 제 2 발광층(342)을 포함한 제 2 스택(340)과 적색 도펀트(rd) 및 녹색 도펀트(gd)를 포함한 제 3 발광층(352)을 구비한 제 3 스택(350)을 사이에 제 2 전하 생성층(370)을 개재하여 구비하되, 상기 제 3 스택(350)과 동일 구조로 적색 도펀트(rd) 및 녹색 도펀트(gd)를 포함한 제 1 발광층(322)을 갖는 제 1 스택(320)을 더 구비한 것이다. 각 발광층 하부와 상부에 정공 수송층(321, 341, 351)과 전자 수송층(323, 343, 353)이 구비된 것은 동일 형상이다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 것으로, 제 3 실시예와 비교하여 청색 발광층(342)을 갖는 제 2 스택(340)은 동일 구성이며, 제1 및 제 3 스택(380, 390)이 상술한 도 2의 제 2 스택(240)과 동일 형상이다. 즉, 제 1 및 제 3 스택(380, 390) 내 녹색 발광의 제 2 도펀트(gd1)와 적색 발광의 제 3 도펀트(rd)를 호스트(h1)와 포함한 제 2 발광층(382)에 접하여 상기 제 2 도펀트(gd1)과 동일하거나 인접한 녹색 피크 파장 특성을 갖는 제 4 도펀트(gd2)만을 발광체로 하는 제 3 발광층(383, 393)을 더 구비한 것을 특징으로 한다. 이 경우, 제 1, 제 3 스택(380, 390) 내 제 2 발광층(382, 392)의 하부와 상부에 정공 수송층(381, 391)과 제 3 발광층(383, 393) 상의 전자 수송층(384, 394)이 적용한 것은 상술한 제 1 실시예와 동일하다. 상기 제 2 도펀트(gd1)와 제 4 도펀트(gd2)는 동일하거나 유사한 녹색 피크 파장을 발광 특성을 갖는다. 상기 제 3 발광층(383, 393) 내에 상기 제 4 도펀트(gd2)의 중량은 6wt% 내지 15wt% 포함될 수 있다. 상기 제 3 발광층(383, 393)을 더 구비함에 의해, 앞서 설명한 바와 유사하게 녹색 파장에 대해 색재현율을 풍부히 할 수 있다.
도시하지 않았지만, 청색 발광층을 포함한 청색 스택이 복수로 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이에 복수로 구비될 수 있으며, 혹은 제 3, 제 4 실시예에서 도시된 적색 도펀트와 녹색 도펀트가 공증착된 제 2 발광층 및 녹색 도펀트만을 발광체로 갖는 제 3 발광층을 접한 구성을 3개 이상의 스택으로 포함시킬 수도 있다. 요구되는 조명의 효율에 따라 선택할 수 있으며, 본 발명의 조명 장치는 어느 실시예에서는 전류 밀도에 관계없이 컬러 밸런스가 동일한 효과를 갖는 점에서 공통의 특징이 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용효과에만 국한되지 않고, 여러 가지 변형된 예가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 할 것이다.
110: 제 1 전극 120: 제 2 전극
130: 제 1 스택 132: 제 1 발광층
140, 240: 제 2 스택 142, 242: 제 2 발광층
243: 제 3 발광층 150: 전하 생성층
1000: 유기 스택 bd: 청색 도펀트
gd, gd1, gd2: 녹색 도펀트 rd: 적색 도펀트

Claims (7)

  1. 서로 대향된 제 1, 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 유기 스택으로 채워진 조명 장치에 있어서,
    상기 유기 스택은,
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에, 발광체로 420nm 내지 470nm에서 피크 파장을 갖는 제1 도펀트를 포함한 제 1 발광층을 갖는 제 1 스택;
    상기 제 1 스택과 상기 제 2 전극 사이에, 발광체로 500nm 내지 590nm의 피크 파장을 갖는 제 2 도펀트와, 상기 제 2 도펀트의 피크 파장보다 60nm 내지 100nm 큰 피크 파장을 갖는 제 3 도펀트를 포함한 제 2 발광층을 갖는 제 2 스택; 및
    상기 제 1 스택과 제 2 스택 사이에 제 1 전하 생성층을 포함한 조명 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 스택에,
    상기 제 2 발광층과 접하며, 발광체로 500nm 내지 590nm의 피크 파장을 갖는 제 4 도펀트만을 갖는 제 3 발광층을 더 포함한 조명 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 도펀트의 중량은 제 1 발광층 내에 2wt% 내지 10wt% 포함된 조명 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 도펀트의 중량은 제 2 발광층 내에 4wt% 내지 15wt% 포함되며,
    상기 제 3 도펀트의 중량은 제 2 발광층 내에 0.1wt% 내지 2.0wt% 포함된 조명 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제 3 발광층 내에 상기 제 4 도펀트의 중량은 4wt% 내지 15wt% 포함된 조명 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 스택은,
    상기 제 1 전극과 상기 제 1 스택 사이에 제 2 전하 생성층으로 개재하여 상기 제 1 스택과 분리되며, 상기 제 2 발광층과 동일한 제 4 발광층을 포함한 제 3 스택을 더 포함한 조명 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 3 스택에,
    상기 제 4 발광층과 접하며, 발광체로 500nm 내지 590nm의 피크 파장을 갖는 제 4 도펀트만을 갖는 제 5 발광층을 더 포함한 조명 장치.
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