KR20210048977A

KR20210048977A - 유기발광다이오드 및 유기발광장치

Info

Publication number: KR20210048977A
Application number: KR1020200113939A
Authority: KR
Inventors: 류혜근; 최익랑; 김준연; 김성근; 이주영
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사; 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-05-04

Abstract

본 발명은 제 1 전극에 가깝게 위치하는 제 1 발광물질층은 정공 결합 특성이 강한 제 1 화합물과 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물을 포함하고, 제 2 전극에 가깝게 위치하는 제 2 발광물질층은 전자 결합 특성이 강하며, 삼중항-삼중항-소멸이 가능한 제 4 화합물을 포함하는 유기발광다이오드와 상기 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치에 관한 것이다. 에너지 준위가 조절된 2개의 발광물질층을 가지는 유기발광다이오드의 구동 전압을 낮추고, 발광 효율 및 발광 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

유기발광다이오드 및 유기발광장치{ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE AND ORGANIC LIGHT EMITTING DEVICE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 유기발광다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우수한 발광 특성을 가지는 유기발광다이오드 및 이를 포함하는 유기발광장치에 관한 것이다.

평면표시소자 중의 하나인 유기발광다이오드는 액정표시장치(Liquid Crystal Display Device)를 빠르게 대체하는 발광 소자로서 주목을 받고 있다. 유기발광다이오드(organic light emitting diodes; OLED)는 2000 Å 이내의 얇은 유기 박막으로 형성되고, 사용되는 전극의 구성에 따라 단일 방향 또는 양방향으로의 화상을 구현할 수 있다. 또한 유기발광다이오드는 플라스틱과 같은 플렉서블(flexible) 투명 기판 위에도 소자를 형성할 수 있어서 플렉서블 또는 폴더블(foldable) 표시장치를 구현하기 용이하다. 뿐만 아니라, 유기발광다이오드 표시장치는 낮은 전압에서 구동이 가능하고, 색 순도가 우수하여, 액정표시장치에 비하여 큰 장점을 가지고 있다.

유기발광다이오드는 양극에서 주입된 정공(hole)과 음극에서 주입된 전자(electron)가 발광물질층에서 결합하여 엑시톤을 형성하여 불안정한 에너지 상태(excited state)로 되었다가, 안정한 바닥 상태(ground state)로 돌아오며 빛을 방출한다. 종래의 일반적인 형광 물질은 단일항 엑시톤만이 발광에 참여하기 때문에 발광 효율이 낮다. 삼중항 엑시톤도 발광에 참여하는 인광 물질은 형광 물질에 비하여 발광 효율이 높다. 하지만, 대표적인 인광 물질인 금속 착화합물은 발광 수명이 짧아서 상용화에 한계가 있다. 특히, 청색 인광 물질은 발광 효율과 색 순도가 좋지 않은 문제가 있다.

본 발명의 목적은 구동 전압을 낮추면서, 발광 효율 및 발광 수명을 향상시킬 수 있는 유기발광다이오드와, 상기 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치를 제공하고자 하는 것이다.

일 측면에 따르면, 본 발명은 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극; 및 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층을 포함하고, 상기 발광물질층은 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 제 1 발광물질층과, 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 2 발광물질층을 포함하고, 상기 제 1 발광물질층은 제 1 화합물, 제 2 화합물 및 제 3 화합물을 포함하고, 상기 제 2 발광물질층은 제 4 화합물 및 제 5 화합물을 포함하며, 상기 제 1 화합물은 하기 화학식 1의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하고, 상기 제 2 화합물은 하기 화학식 3의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하며, 상기 제 4 화합물은 하기 화학식 9의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드를 제공한다.

[화학식 1]

화학식 1에서, R₁은 카바졸일기, 아크리디닐기, 디하이드로 아크리디닐기, 페나지닐기, 페녹사지닐기 및 벤조벤조이미다조이미다졸일기로 구성되는 군에서 선택되는 축합 헤테로 방향족 작용기이며, 상기 헤테로 방향족 작용기는 치환되지 않거나 C₁-C₁₀ 알킬기 및 카바졸일기 중에서 적어도 어느 하나의 작용기로 치환됨; R₂는 페닐기, 나프틸기, 안트라세닐기, 카바졸일기, 카보닐기 및 C₆-C₂₀ 아릴 아미노기로 구성되는 군에서 선택되며, 상기 R₂를 구성하는 방향족 또는 헤테로 방향족 고리는 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기 및 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 중에서 적어도 하나의 작용기로 치환됨; R₃ 내지 R₅는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기 또는 시아노기임; X는 CR₆ 또는 질소 원자(N)이고, R₆는 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기 및 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨; p, q, r은 각각 독립적으로 0 또는 1의 정수임.

[화학식 3]

화학식 3에서, R₁₁ 및 R₁₂는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기, 또는 카바졸일 모이어티, 아크리디닐 모이어티, 디하이드로 아크리디닐 모이어티, 페나지닐 모이어티 및 페녹사지닐 모이어티로 구성되는 군에서 선택되는 축합 헤테로 방향족 작용기이며, 상기 축합 헤테로 방향족 작용기는 치환되지 않거나 C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환되거나, 스파이로 구조를 형성하며, R₁₁ 및 R₁₂ 중에서 적어도 하나는 축합 헤테로 방향족 작용기임; R₁₃과 R₁₄는 각각 독립적으로 직접 또는 C₆-C₂₀ 아릴렌 고리를 통하여 연결되는 C₆-C₂₀ 아릴기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기이며, 상기 C₆-C₂₀ 아릴기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환되거나, 또는 R₁₃과 R₁₄는 서로 합쳐져서 적어도 하나의 산소 원자를 포함하는 축합 헤테로 방향족 고리를 형성하며, 상기 축합 헤테로 방향족 고리는 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기 및 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기로 구성되는 적어도 하나의 작용기로 치환됨.

[화학식 9]

화학식 9에서, R₃₁ 및 R₃₂는 각각 독립적으로 C₆-C₂₀ 아릴기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기이며, 상기 아릴기 및 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환됨; R₃₃ 및 R₃₄는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기임.

다른 측면에 따르면, 본 발명은 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극; 및 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층을 포함하고, 상기 발광물질층은 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 제 1 발광물질층과, 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 2 발광물질층을 포함하고, 상기 제 1 발광물질층은 제 1 화합물, 제 2 화합물 및 제 3 화합물을 포함하고, 상기 제 2 발광물질층은 제 4 화합물 및 제 5 화합물을 포함하며, 상기 제 1 화합물은 전술한 화학식 1의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하고, 상기 제 4 화합물은 전술한 화학식 9의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하며, 상기 제 2 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^TD)와 여기 삼중항 에너지 준위(T_1TD)의 차이(ΔE_ST ^TD)는 0.3 eV 이하인 유기발광다이오드를 제공한다.

또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 기판; 전술한 유기발발광다이오드를 포함하는 유기발광장치, 예를 들어 유기발광 조명장치 또는 유기발광표시장치를 제공한다.

본 발명은 저-전압에서 뛰어난 발광 효율을 구현하는 열활성지연형광 물질과, 고-전압에서 상대적으로 뛰어난 발광 효율을 구현하는 삼중항-삼중항-소멸을 유도하는 물질을 조합한 유기발광다이오드 및 상기 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치를 제안한다. 본 발명에 따른 유기발광다이오드는 구동 전압을 낮추고 발광 효율 및 발광 수명을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 유기발광장치의 일례로서 유기발광표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 에너지 준위가 조절되고, 지연 형광 타입에 따른 발광물질층의 위치가 효율적으로 설계된 발광물질층에서 전하가 효율적으로 주입, 전달되는 상태를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 비교예에 따라 에너지 준위가 조절되지 않은 열활성지연형광 발광물질층에서 들뜬복합체가 형성되면서 발생하는 문제점을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 비교예에 따라 지연 형광 타입에 따른 발광물질층의 위치가 잘못 설계된 발광물질층에서 전하가 주입, 전달되지 못하는 문제점을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 비교예에 따라 지연 형광 타입에 따른 발광물질층의 위치가 잘못 설계되고, 발광 물질의 에너지 준위가 조절되지 않은 발광물질층에서 들뜬 복합체가 형성되며, 전하가 주입, 전달되지 못하는 문제점을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 발광물질층에서 발광 물질 사이의 단일항 에너지 준위 및 삼중항 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따른 유기발광장치의 일례로서 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따른 유기발광장치의 일례로서 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명의 예시적인 제 4 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 발명의 예시적인 제 5 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 유기발광다이오드에서 전류밀도에 따른 발광 효율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 필요한 경우에 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 설명한다.

[유기발광장치 및 유기발광다이오드]

본 발명은 상이한 타입의 지연 형광을 이용하고, 발광 물질의 에너지 준위가 조절되는 복수의 발광물질층을 적용한 유기발광다이오드 및 상기 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치에 대한 것이다. 본 발명에 따른 유기발광다이오드는 유기발광표시장치 또는 유기발광조명 장치 등의 유기발광장치에 적용될 수 있다. 일례로, 본 발명의 유기발광다이오드를 적용한 표시장치에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 유기발광표시장치(100)는 기판(110)과, 기판(110) 상부에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)와, 평탄화층(150) 상에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 유기발광다이오드(D)를 포함한다.

기판(110)은 유리 기판, 얇은 플렉서블(flexible) 기판 또는 고분자 플라스틱 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블 기판은 polyimide(PI), polyethersulfone(PES), polyethylenenaphthalate(PEN), polyethylene Terephthalate(PET) 및 polycarbonate(PC) 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다. 그 상부에 박막트랜지스터(Tr)와, 유기발광다이오드(D)가 위치하는 기판(110)은 어레이 기판을 이룬다.

기판(110) 상에 버퍼층(122)이 형성되고, 버퍼층(122) 상에 박막트랜지스터(Tr)가 형성된다. 버퍼층(122)은 생략될 수 있다.

버퍼층(122) 상부에 반도체층(120)이 형성된다. 예를 들어, 반도체층(120)은 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 반도체층(120)이 산화물 반도체 물질로 이루어지는 경우, 반도체층(120) 하부에 차광패턴(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 차광패턴은 반도체층(120)으로 빛이 입사되는 것을 방지하여 반도체층(120)이 빛에 의하여 열화되는 것을 방지한다. 선택적으로, 반도체층(120)은 다결정 실리콘으로 이루어질 수도 있으며, 이 경우 반도체층(120)의 양 가장자리에 불순물이 도핑될 수 있다.

반도체층(120)의 상부에는 절연 물질로 이루어진 게이트 절연막(124)이 기판(110) 전면에 형성된다. 게이트 절연막(124)은 실리콘산화물(SiO_x) 또는 실리콘질화물(SiN_x)과 같은 무기 절연 물질로 이루어질 수 있다.

게이트 절연막(124) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 게이트 전극(130)이 반도체층(120)의 중앙에 대응하여 형성된다. 도 1에서 게이트 절연막(122)은 기판(110) 전면에 형성되어 있으나, 게이트 절연막(1202은 게이트 전극(130)과 동일한 모양으로 패터닝 될 수도 있다.

게이트 전극(130) 상부에는 절연 물질로 이루어진 층간 절연막(132)이 기판(110) 전면에 형성된다. 층간 절연막(132)은 실리콘산화물(SiO_x) 또는 실리콘질화물(SiNx)과 같은 무기 절연 물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기 절연 물질로 형성될 수 있다.

층간 절연막(132)은 반도체층(120)의 양측 상면을 노출하는 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)을 갖는다. 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)은 게이트 전극(130)의 양측에서 게이트 전극(130)과 이격되어 위치한다. 여기서, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)은 게이트 절연막(122) 내에도 형성될 수 있다. 선택적으로, 게이트 절연막(122)이 게이트 전극(130)과 동일한 모양으로 패터닝 될 경우, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)은 층간 절연막(132) 내에만 형성된다.

층간 절연막(132) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 소스 전극(144)과 드레인 전극(146)이 형성된다. 소스 전극(144)과 드레인 전극(146)은 게이트 전극(130)을 중심으로 이격되어 위치하며, 각각 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)을 통해 반도체층(120)의 양측과 접촉한다.

반도체층(120), 게이트 전극(130), 소스 전극(154) 및 드레인 전극(156)은 박막트랜지스터(Tr)를 이루며, 박막트랜지스터(Tr)는 구동 소자(driving element)로 기능한다. 도 1에 예시된 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층(120)의 상부에 게이트 전극(130), 소스 전극(154) 및 드레인 전극(156)이 위치하는 코플라나(coplanar) 구조를 가진다. 이와 달리, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층의 하부에 게이트 전극이 위치하고, 반도체층의 상부에 소스 전극과 드레인 전극이 위치하는 역 스태거드(inverted staggered) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 반도체층은 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.

도 1에 도시하지 않았으나, 게이트 배선과 데이터 배선이 서로 교차하여 화소 영역을 정의하며, 게이트 배선과 데이터 배선에 연결되는 스위칭 소자가 더 형성된다. 상기 스위칭 소자는 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)에 연결된다. 또한, 파워 배선이 데이터 배선 또는 데이터 배선과 평행하게 이격되어 형성되며, 일 프레임(frame) 동안 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)의 게이트 전극의 전압을 일정하게 유지되도록 하기 위한 스토리지 캐패시터가 더 구성될 수 있다.

한편, 유기발광표시장치(100)는 유기발광다이오드(D)에서 생성된 빛을 투과하는 컬러 필터(미도시)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터(미도시)는 적색(R), 녹색(G) 또는 청색(B) 광을 투과할 수 있다. 이 경우, 광을 투과하는 적색, 녹색 및 청색의 컬러 필터 패턴이 각각의 화소 영역에 형성될 수 있다. 컬러 필터(미도시)를 채택함으로써, 유기발광표시장치(100)는 풀-컬러를 구현할 수 있다. 예를 들어, 유기발광표시장치(100)가 하부 발광 타입인 경우, 유기발광다이오드(D1)에 대응하는 층간 절연막(132) 상부에 광을 투과하는 컬러 필터(미도시)가 위치할 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, 유기발광표시장치(100)가 상부 발광 타입인 경우, 컬러 필터(미도시)는 유기발광다이오드(D)의 상부, 즉 제 2 전극(230) 상부에 위치할 수도 있다.

소스 전극(144)과 드레인 전극(146) 상부에는 평탄화층(150)이 기판(110) 전면에 형성된다. 평탄화층(150)은 상면이 평탄하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(146)을 노출하는 드레인 컨택홀(152)을 갖는다. 여기서, 드레인 컨택홀(152)은 제 2 반도체층 컨택홀(136) 바로 위에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 제 2 반도체층 컨택홀(136)과 이격되어 형성될 수도 있다.

유기발광다이오드(D)는 평탄화층(150) 상에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(146)에 연결되는 제 1 전극(210)과, 제 1 전극(210) 상에 순차 적층되는 발광층(220) 및 제 2 전극(230)을 포함한다.

1 전극(210)은 각각의 화소영역 별로 분리되어 형성된다. 제 1 전극(210)은 양극(anode)일 수 있으며, 일함수(work function) 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제 1 전극(210)은 인듐-주석-산화물 (indium-tin-oxide; ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide; IZO), 인듐-주석-아연-산화물(indium-tin-zinc oxide; ITZO), 주석산화물(SnO), 아연산화물(ZnO), 인듐-구리-산화물(indium-copper-oxide; ICO) 및 알루미늄:산화아연(Al:ZnO; AZO)으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 유기발광표시장치(100)가 하부 발광 방식(bottom-emission type)인 경우, 제 1 전극(210)은 투명 도전성 산화물로 이루어진 단층 구조를 가질 수 있다. 한편, 본 발명의 유기발광표시장치(100)가 상부 발광 방식(top-emission type)인 경우, 제 1 전극(210) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사전극 또는 상기 반사층은 은(Ag) 또는 알루미늄-팔라듐-구리(aluminum-palladium-copper: APC) 합금으로 이루어질 수 있다. 상부 발광 방식인 유기발광다이오드(D)에서, 제 1 전극(210)은 ITO/Ag/ITO 또는 ITO/APC/ITO의 삼중층 구조를 가질 수 있다. 또한, 평탄화층(150) 상에는 제 1 전극(210)의 가장자리를 덮는 뱅크층(160)이 형성된다. 뱅크층(160)은 화소 영역에 대응하여 제 1 전극(210)의 중앙을 노출한다.

제 1 전극(210) 상에는 발광층(220)이 형성된다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 발광층(220)은 발광물질층(emitting material layer; EML)의 단층 구조를 가질 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 발광층(220)은 발광물질층과 제 1 전극(210) 사이에 순차적으로 적층되는 정공주입층(hole injection layer; HIL), 정공수송층(hole transport layer; HTL) 및/또는 전자차단층(electron blocking layer; EBL)과, 발광물질층과 제 2 전극(230) 사이에 순차적으로 적층되는 정공차단층(hole blocking layer; HBL), 전자수송층(electron transport layer; ETL) 및/또는 전자주입층(electron injection layer; EIL)을 포함할 수 있다(도 2 및 도 8 참조). 또한 발광층(220)을 구성하는 발광부는 1개로 이루어질 수도 있고, 2개 이상의 발광부가 탠덤 구조를 형성할 수도 있다. 발광층(220)을 구성하는 물질 및 구조에 대해서는 후술한다.

발광층(220)이 형성된 기판(110) 상부로 제 2 전극(230)이 형성된다. 제 2 전극(230)은 표시 영역의 전면에 위치하며 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어져 음극(cathode)으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극(230)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 은(Ag), 또는 이들의 합금이나 조합과 같은 반사 특성이 좋은 소재로 이루어질 수 있다. 유기발광표시장치(100)가 상부 발광 방식인 경우, 제 2 전극(230)은 얇은 두께를 가져 광투과(반투과) 특성을 갖는다.

제 2 전극(230) 상에는, 외부 수분이 유기발광다이오드(D)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 인캡슐레이션 필름(encapsulation film, 170)이 형성된다. 인캡슐레이션 필름(170)은 제 1 무기 절연층(172)과, 유기 절연층(174)과, 제 2 무기 절연층(176)의 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

유기발광표시장치(100)는 외부광의 반사를 줄이기 위한 편광판(도시하지 않음)을 더욱 포함할 수 있다. 예를 들어, 편광판(도시하지 않음)은 원형 편광판일 수 있다. 유기발광표시장치(100)가 하부 발광 방식인 경우, 편광판은 기판(110) 하부에 위치할 수 있다. 한편, 유기발광표시장치(100)가 상부 발광 방식인 경우, 편광판은 인캡슐레이션 필름(170) 상부에 위치할 수 있다. 또한, 상부 발광 방식의 유기발광표시장치(100)에서는, 인캡슐레이션 필름(170) 또는 편광판(도시하지 않음) 상에 커버 윈도우(도시하지 않음)가 부착될 수 있다. 이때, 기판(110)과 커버 윈도우(도시하지 않음)가 플렉서블 소재로 이루어진 경우, 플렉서블 표시장치를 구성할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광장치에 적용될 수 있는 유기발광다이오드에 대해서 구체적으로 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2에 나타내 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(D1)는 서로 마주하는 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(230)과, 제 1 및 제 2 전극(210, 230) 사이에 위치하는 발광층(220)을 포함한다. 유기발광표시장치(100, 도 1 참조)는 적색 화소영역, 녹색 화소영역, 청색 화소영역을 포함하고, 유기발광다이오드(D1)는 청색 화소영역에 위치할 수 있다.

예시적인 실시형태에서, 발광층(230)은 제 1 및 제 2 전극(210, 230) 사이에 위치하는 발광물질층(EML, 240)을 포함한다. 또한, 발광층(220)은 제 1 전극(210)과 발광물질층(240) 사이에 위치하는 정공수송층(HTL, 260)과, 발광물질층(240)과 제 2 전극(230) 사이에 위치하는 전자수송층(ETL, 270) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 발광층(220)은 제 1 전극(210)과 정공수송층(260) 사이에 위치하는 정공주입층(HIL, 250)과, 전자수송층(270)과 제 2 전극(230) 사이에 위치하는 전자주입층(EIL, 280) 중 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다. 선택적으로, 유기발광다이오드(D1)는 발광물질층(240)과 정공수송층(260) 사이에 위치하는 전자차단층(EBL, 265) 및/또는 발광물질층(240)과 전자수송층(270) 사이에 배치되는 정공차단층(HBL, 275)을 포함할 수 있다.

제 1 전극(210)은 발광물질층(240)에 정공을 공급하는 양극일 수 있다. 제 1 전극(210)은 일함수(work function) 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(TCO)로 형성되는 것이 바람직하다. 예시적인 실시형태에서, 제 1 전극(210)은 ITO, IZO, ITZO), SnO, ZnO, ICO 및 AZO로 이루어질 수 있다.

제 2 전극(230)은 발광물질층(240)에 전자를 공급하는 음극일 수 있다. 제 2 전극(230)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질, 예를 들어 Al, Mg, Ca, Ag, 또는 이들의 합금이나 조합과 같은 반사 특성이 좋은 소재로 이루어질 수 있다.

발광물질층(240)은 전자차단층(265)과 정공차단층(275) 사이에 위치하는 제 1 발광물질층(242, EML1, 하부 발광물질층, 제 1 층)과, 제 1 발광물질층(242)과 정공차단층(275) 사이에 위치하는 제 2 발광물질층(244, EML2, 상부 발광물질층, 제 2 층)을 포함한다. 제 1 및 제 2 발광물질층(242, 244)은 각각 지연 형광(delayed fluorescence)을 구현한다. 제 1 발광물질층(242)은 열활성지연형광(themally-actiavate delayed fluorescence, TADF)을 구현하고, 제 2 발광물질층(244)은 삼중항-삼중항-소멸(triplet-triplet-annihilation, TTA)을 구현한다.

정공과 전자가 만나 엑시톤을 형성할 때, 스핀의 배열에 따라 짝스핀(paired spin) 형태인 단일항 엑시톤(singlet exciton)과 홀스핀(unpaired spin) 형태인 삼중항 엑시톤(triplet exciton)이 1:3의 비율로 생성된다. 종래의 형광 물질은 단일할 엑시톤만을 활용할 수 있기 때문에, 발광 효율이 낮다. 인광 물질은 단일항 엑시톤 이외에도 삼중항 엑시톤을 모두 활용할 수 있지만, 발광 수명이 짧아 상용화 수준에 미치지 못하고 있다.

종래의 형광 물질 및 인광 물질이 가지는 단점을 해결하기 위하여, 지연 형광(delayed fluorescence)이 개발되었다. 현재까지 개발된 지연 형광은 크게 열활성지연형광(thermally activated delayed fluorescence; TADF)과 삼중항-삼중항-소멸(triplet-triplet-annihilation; TTA)이다.

일례로, 제 1 발광물질층(242)은 제 1 화합물, 제 2 화합물 및 제 3 화합물을 포함한다. 제 1 화합물은 제 1 호스트이고, 제 2 화합물은 열활성지연형광 물질이며, 제 3 화합물은 형광 물질일 수 있다. 열활성지연형광(TADF)을 구현하는 제 1 발광물질층(242)에서 제 1 화합물은 정공에 대한 결합 및 주입 특성이 상대적으로 우수한 h-타입(p-타입) 호스트일 수 있다. 일례로, 제 1 화합물은 하기 화학식 1의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함한다.

[화학식 1]

일례로, 화학식 1에서 R₁은 치환되지 않거나 다른 카바졸일기로 치환된 카바졸일기 또는 벤조벤조이미다조이미다졸일기일 수 있고, R₂는 치환되지 않거나 다른 카바졸일기로 치환딘 카바졸일기, 치환되지 않거나 피리딜기 또는 카바졸일기로 치환된 카보닐기, 페닐 치환 아르키디닐기, 알킬 치환 페닐기, 각각 카바졸일기로 치환된 다이페닐 아미노기일 수 있다.

예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(242)에 포함되는 제 1 화합물은 하기 화학식 2의 구조를 가지는 어느 하나의 유기 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

[화학식 2]

화학식 2에서 1-1 내지 1-14 화합물은 각각 2,6-di(9H-carbazol-9-yl)pyridine(2,6-CzPy), 2,6-di(9H-3,9'-bicarbazol-9-yl)pyridine, 9-(6-(9H-carbazol-9-yl)pyridin-2-yl)-9H-3,9'-bicarbazole, 1,3-Bis(carbazol-9-yl)benzene(mCP), 9-(4-(9H-pyrido[2,3-b]indol-9-yl)phenyl)-9H-3,9'-bicarbazole(pBCb2Cz), 9-(4-(10-phenylanthracene-9-yl)phenyl)-9H-carbazole(PhPC), 2,6-bis[3-(9H-Carbazol-9-yl)phenyl]pyridine(26DCzppy), 5-(5-(2,4,6-triiso-propylphenyl)pyridin-2-yl)-5H-benzo[d]benzo[4,5]imidazo[1,2-a]imidazole(PPBI), tris(4-carbazoyl-9-yl-phenyl)amine(TCTA), 3',5-di(9H-carbazol-9-yl)-[1,1'-biphenyl]-3-carbonitrile(mCBP-CN), 3,3'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl(mCBP), 4,4'-Bis(9-carbazolyl)-2,2'-dimethylbiphenyl(CDBP), 8-(9H-carbazol-9-yl)-5-(pyridin-2-yl)-5H-pyrido[3,2-b]indole(CzCbPy), 5-(6-(9H-carbazol-9-yl)pyridin-2-yl)-8-(9H-carbazol-9-yl)-5H-pyrido[3,2-b]indole(2CzCbPy)이다.

제 1 발광물질층(242)을 구성하는 제 2 화합물은 열활성지연형광 물질이다. 열활성지연형광 물질은 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^DF)와 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^DF) 사이의 에너지 밴드갭(ΔE_ST ^DF)이 매우 협소하다(도 7 참조). 따라서, 열활성지연형광 물질에서 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^DF)를 가지는 엑시톤과 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^DF)를 가지는 엑시톤은 분자내전하이동(intramolecular charge transfer, ICT)이 가능한 상태로 이동하고, 이로부터 바닥 상태(ground state, S₀)로 전이된다(S₁ →ICT←T₁).

열활성지연형광 물질은 최고준위점유분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital; HOMO) 상태와 최저준위비점유분자궤도(Lowest Unoccupid Molecular Orbital; LUMO) 상태의 분자 궤도 간의 상호작용이 작아지고, 삼중항 상태와 단일항 상태에서 중간 상태(ICT)로 전이가 가능해진다. 삼중항 상태와 단일항 상태에서 모두 에너지 전이가 일어나기 위해서, 열활성지연형광 물질은 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^DF)와 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^DF) 사이의 에너지 밴드갭(ΔE_ST ^DF)가 0.3 eV 이하, 예를 들어 0.05 내지 0.3 eV이어야 한다. 단일항 상태와 삼중항 상태의 에너지 차이가 작은 재료는 원래의 단일항 상태의 엑시톤 에너지가 바닥 상태로 떨어지면서 형광을 나타낼 뿐만 아니라, 상온 수준의 열 에너지에 의하여 삼중항 상태에서 에너지가 보다 높은 단일항 상태로 상향전환(up-conversion)되는 역 계간전이(Reverse Inter System Crossing; RISC)가 일어나고, 단일항 상태가 바닥 상태로 전이되면서 지연 형광을 나타낸다.

즉, 열활성지연형광 물질에서 25%의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^DF)를 가지는 엑시톤과 75%의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^DF)를 가지는 엑시톤이 중간 상태(ICT)로 전이되고, 다시 바닥 상태(S₀)로 떨어지면서 발광이 일어난다. 따라서, 열활성지연형광 물질의 내부양자효율은 이론적으로 100%가 되기 때문에, 종래의 인광 물질에 준하는 발광 효율을 구현할 수 있다. 일례로, 열활성지연형광 물질일 수 있는 제 2 화합물은 하기 화학식 3의 구조를 가지는 보론계 유기 화합물을 포함할 수 있다.

[화학식 3]

예를 들어, R₁₁ 및 R₁₂를 구성하는 카바졸일 모이어티, 아크리디닐 모이어티, 디하이드로 아크리디닐 모이어티, 페나지닐 모이어티 및 페녹사지닐 모이어티는 카바졸일기, 아크리디닐기, 디하이드로 아크리디닐기, 페나지닐기, 페녹사지닐기는 물론이고, 이들 축합 헤테로 방향족 작용기에 벤젠 고리, 나트탈렌 고리, 인덴 고리, 피리딘 고리, 인돌 고리, 퓨란 고리, 벤조퓨란 고리, 디벤조퓨란 고리, 티오펜 고리, 벤조티오펜 고리, 디벤조티오펜 고리가 축합되거나, 잔텐 또는 플루오렌 등의 다른 축합 방향족 고리와 스파이로 구조를 형성할 수 있다.

일례로, 화학식 3에서 R₁₁은 경수소, 중수소, 삼중수소 또는 C₁-C₁₀ 알킬기일 수 있고, R₁₂는 각각 치환되지 않거나 적어도 1개의 C₁-C₁₀ 알킬기 및/또는 페닐기로 치환되거나, 잔텐 또는 플루오렌과 스파이로 구조를 형성하는 카바졸일기, 인돌로카바졸일기, 디인돌로카바졸일기, 인데노카바졸일기, 아크리디닐기, 디하이드로 아크리디닐기, 페나지닐기, 페녹사지닐기일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, R₁₃은 직접 또는 페닐렌 고리와 같은 아릴렌 고리를 통하여 연결되며, 치환되지 않거나 1개 내지 4개의 C₁-C₁₀ 알킬기로 치환된 페닐기, 카바졸일기, 아크리디닐기, 디하이드로 아크리디닐기일 수 있다. 선택적으로, R₁₃과 R₁₄가 합쳐져서 형성되는 축합 헤테로 방향족 고리는 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기로 치환된 옥사-보라나프토(oxa-boranaphtho) 고리를 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 일례로, 제 2 화합물은 하기 화학식 4의 구조를 가지는 어느 하나의 유기 화합물을 포함할 수 있다.

[화학식 4]

화학식 4에서 2-1 화합물과 2-2 화합물은 각각 5-(2,12-di-tert-butyl-5,9-dioxa-13b-boranaphtho[3,2,1-de]anthracen-7-yl)-10,15-diphenyl-10,15-dihydro-5H-diindolo[3,2-a:3′,2′-c]carbazole (TDBA-DI), 10-(2,12-di-tert-butyl-5,9-dioxa-13b-boranaphtho[3,2,1-de]anthracen-7-yl)-9,9-dimethyl-9,10-dihydroacridine (TDBA-Ac)이다.

열활성지연형광 물질인 제 2 화합물은 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^DF)와 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^DF)의 차이(ΔE_ST ^DF)가 매우 적고, 역 계간전이(RISC)에 의하여 제 2 화합물의 여기 삼중항 엑시톤 에너지가 제 2 화합물의 여기 단일항 엑시톤으로 전환되기 때문에, 양자 효율이 우수하다. 그런데, 화학식 3 또는 화학식 4의 구조를 가지는 제 2 화합물은 삼중항 엑시톤을 활용하기 때문에, 추가적인 전하이동 전이(charge transfer transition, CT transition)이 유발된다. CT 발광 메커니즘에 기인하는 발광 특성에 기인하여, 화학식 3 또는 화학식 4의 구조를 가지는 제 2 화합물은 반치폭(full-width at half maximum, FWHM)이 매우 넓어서 색 순도 측면에서 한계가 있다.

열활성지연형광 물질이 가지는 한계점을 해결하기 위하여, 제 1 발광물질층(2402은 형광 물질인 제 3 화합물을 포함하여 초형광을 구현한다. 전술한 바와 같이, 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물은 단일항 엑시톤 에너지와 삼중항 엑시톤 에너지도 이용할 수 있다. 따라서, 제 1 발광물질층(242)이 열활성지연 형광 물질인 제 2 화합물과 비교해서 적절한 에너지 준위를 가지는 형광 물질을 제 3 화합물로 포함하면, 열활성지연형광 물질로부터 방출된 엑시톤 에너지를 형광 물질이 흡수하고, 형광 물질이 흡수한 에너지는 100% 단일항 엑시톤만 생성하면서 발광 효율을 극대화할 수 있다.

제 1 발광물질층(242)에 포함된 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물의 여기 삼중항 엑시톤 에너지로부터 전환된 단일항 엑시톤 에너지를 포함하여, 제 2 화합물의 여기 단일항 엑시톤 에너지는 Forster 공명에너지전이(Forster resonance energy transfer, FRET) 메커니즘에 의하여 동일한 발광물질층 내의 형광 물질인 제 3 화합물로 전달되고, 제 3 화합물에서 최종적인 발광이 일어난다. 제 2 화합물에서 생성된 엑시톤 에너지가 제 3 화합물로 효율적으로 전달될 수 있도록, 제 2 화합물의 발광 파장에 대하여 흡수 파장의 중첩 영역이 큰 화합물이 제 3 화합물로 사용될 수 있다. 최종적으로 발광하는 제 3 화합물은 CT 발광 메커니즘이 아니라, 여기 상태에서 바닥 상태에서 전이되면서 발광하기 때문에, 반치폭이 협소하여 색 순도를 향상시킬 수 있다.

일례로, 제 1 발광물질층(242)에 포함되는 형광 물질인 제 3 화합물은 하기 화학식 5의 구조를 가지는 보론계 유기 화합물 또는 하기 화학식 7의 구조를 가지는 파이렌계 유기 화합물을 포함한다.

[화학식 5]

화학식 5에서, R₂₁ 내지 R₂₄는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 또는 C₆-C₂₀ 아릴 아미노기이며, 상기 아릴기, 상기 헤테로 아릴기 및 상기 아릴 아미노기를 구성하는 방향족 고리 및 헤테로 방향족 고리는 각각 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환됨.

[화학식 7]

화학식 7에서, R₂₆ 및 R₂₇은 각각 독립적으로 C₆-C₂₀ 아릴 아미노기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴 아미노기이며, 상기 아릴 아미노기 및 상기 헤테로 아릴 아미노기를 구성하는 방향족 고리 및 헤테로 방향족 고리는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, 시아노기, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환됨.

일례로, 화학식 5에서 R₂₁ 및 R₂₂는 각각 독립적으로 페닐기, 바이페닐기 또는 나프틸기와 같은 아릴기일 수 있고, R₂₃은 경수소, 중수소 또는 삼중수소일 수 있으며, R₂₄는 치환되지 않거나 적어도 1개의 C₁-C₁₀ 알킬기로 치환된 바이페닐 아미노기 또는 치환되지 않거나 적어도 1개의 C₁-C₁₀ 알킬기로 치환된 카바졸일기일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예시적인 실시형태에서, 화학식 5의 구조를 가지는 보론계 유기 화합물은 하기 화학식 6의 구조를 가지는 어느 하나의 유기 화합물을 포함할 수 있다.

[화학식 6]

화학식 6에서 3-1 화합물과 3-2 화합물은 각각 9-[1,1'-biphenyl]-3-yl-N,N,5,11-tetraphenyl-5,9-dihydro-5,9-diaza-13b-boranaphtho[3,2,1-de]anthrancene-3-amineDABNA-2), 5,9-diphenyl-5H,9H-[1,4]benzazaborino[2,3,4-kl]phenazaborine(DABNA-1)이다.

한편, 화학식 7의 구조를 가지는 파이렌계 유기 화합물은 하기 화학식 8의 구조를 가지는 어느 하나의 유기 화합물을 포함할 수 있다.

[화학식 8]

열활성지연형광(TADF) 물질을 사용하면, 단일항 엑시톤 에너지와 삼중항 엑시톤 에너지를 모두 활용할 수 있기 때문에, 발광다이오드(D)의 발광 효율이 향상될 수 있다. 초형광을 구현하기 위하여 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물과, 형광 물질인 제 3 화합물을 단일 발광물질층에 도입하는 경우, 열활성지연형광 물질에서 역-계간전이(RISC)를 통해 내부양자효율 100%를 구현하여야 한다.

그런데, 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물로부터 인접한 형광 물질인 제 3 화합물로 엑시톤 에너지가 전달되는 속도는 제 2 화합물에서 RISC가 일어나는 속도보다 빠르다. 특히, 고전류 밀도에서 열활성지연형광 물질의 여기 삼중항 엑시톤 에너지가 단일항 엑시톤으로 변환되는 RISC가 일어나기 전에, 열활성지연형광 물질의 삼중항 엑시톤 에너지가 형광 물질의 삼중항으로 전달된다. 형광 물질의 삼중항 엑시톤 에너지는 비-발광으로 소멸되기 때문에, 실질적으로는 열활성지연형광 물질의 단일항 엑시톤 에너지만 형광 물질의 단일항으로 전달되기 때문에, 발광 효율이 저하될 수 있다.

고전류 밀도에서 발광 효율이 급속하게 저하되는 열활성지연형광(TADF)의 문제점을 해결하기 위하여, 제 1 발광물질층(242)에 인접하여 TTA를 구현하는 제 2 발광물질층(244)을 포함한다. TTA는 삼중항 상태로 여기된 분자의 상호작용 또는 충돌에 의하여 단일항 상태가 형성되는 것으로, 삼중항 엑시톤의 밀도가 높을 때 발생한다.

형광 물질을 이용한 유기발광다이오드에서, 삼중항 엑시톤을 추가적으로 활용하면, 75%의 삼중항 엑시톤 중에서 15%가 단일항 중간체로 재생성되므로, 초기에 생성된 단일항 엑시톤 25%를 포함하면 전체적으로 40%의 단일항 엑시톤이 형성될 수 있다. 따라서, TTA 메커니즘을 이용하면, 광추출 효율에 따라 8-12%의 외부양자효율을 구현할 수 있다. 특히, 2개의 삼중항 엑시톤 에너지의 합이 단일항 엑시톤 에너지보다 큰 화합물(2T₁ > S₁)을 충족하는 분자에서는, 확률적으로 2개의 삼중항 엑시톤 충돌하여 1개의 단일항 엑시톤을 생성할 수 있다. 따라서 초기에 생성된 삼중항 엑시톤의 절반인 37.5%가 상향전한에 의하여 단일항 엑시톤으로 재생성될 수 있기 때문에, 최대 62.5%의 단일항 엑시톤을 생성할 수 있고, 최대 12.5%-18.8%의 외부양자효율을 구현할 수 있다.

TTA 프로세스는 2개의 삼중항 엑시톤이 충돌하여 최대 1개의 단일항 엑시톤을 생성하기 때문에, 열활성지연형광(TADF)만큼의 발광 효율이 향상되지 않는다. 하지만, TTA 프로세스를 적용하면, 전류 밀도에 관계없이 일정한 발광 효율을 구현할 수 있는 장점이 있다.

예시적인 실시형태에서, 제 2 발광물질층(244)은 제 2 호스트일 수 있는 제 4 화합물과, 형광 물질인 제 5 화합물을 포함한다. 일례로, 제 4 화합물은 TTA를 구현할 수 있는 분자 구조를 가지는 전자수용체(acceptor)이고, 형광 물질인 제 5 화합물은 광자수용체(sensitizer)로 기능할 수 있다.

제 2 발광물질층(244)에서 제 4 화합물은 전자에 대한 결합 및 주입 특성이 상대적으로 양호한 e- 타입(n-타입)일 수 있다. 예를 들어, 제 4 화합물은 하기 화학식 9의 구조를 가지는 안트라센계 유기 화합물을 포함한다.

[화학식 9]

화학식 9의 구조를 가지는 안트라센계 유기 화합물은 양자 효율이 우수하고, 전기화학적 특성이 안정적이며, 적절한 여기 삼중항 에너지 준위를 가지기 때문에, 특히 청색 발광에 적합하다. 일례로, TTA 특성을 구현할 수 있는 제 2 호스트인 제 4 화합물은 하기 화학식 10의 구조를 가지는 어느 하나의 유기 화합물을 포함할 수 있다.

[화학식 10]

화학식 10에서 5-1 내지 5-4 화합물은 각각 2-tert-Butyl-9,10-di(naphth-2-yl)anthracene(TBADN), 9,10-di(naphthalen-2-yl)anthracene(ADN), 9,10-di(naphthalen-2-yl)-2-phenylanthracene(PADN), 2-methyl-9,10-bis(naphthalen-2-yl)anthracene(MADN)이다.

한편, 제 2 형광 물질일 수 있는 제 5 화합물은, 제 1 발광물질층(242)에서 제 1 형광 물질로 사용된 제 3 화합물과 동일할 수 있다. 선택적으로, 제 5 화합물은 제 3 화합물과 유사한 발광 파장, 여기 단일항 및 삼중항 에너지 준위, HOMO 및 LUMO 에너지 준위를 가지는 다른 유기 화합물일 수 있다.

다시 도 2로 돌아가면, 정공주입층(250)은 제 1 전극(210)과 정공수송층(260) 사이에 위치하는데, 무기물인 제 1 전극(210)과 유기물인 정공수송층(260) 사이의 계면 특성을 향상시킨다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공주입층(250)은 4,4',4"-Tris(3-methylphenylamino)triphenylamine (MTDATA), 4,4',4"-Tris(N,N-diphenyl-amino)triphenylamine(NATA), 4,4',4"-Tris(N-(naphthalene-1-yl)-N-phenyl-amino)triphenylamine(1T-NATA), 4,4',4"-Tris(N-(naphthalene-2-yl)-N-phenyl-amino)triphenylamine(2T-NATA), Copper phthalocyanine(CuPc), Tris(4-carbazoyl-9-yl-phenyl)amine(TCTA), N,N'-Diphenyl-N,N'-bis(1-naphthyl)-1,1'-biphenyl-4,4"-diamine(NPB; NPD), 1,4,5,8,9,11-Hexaazatriphenylenehexacarbonitrile(Dipyrazino[2,3-f:2'3'-h]quinoxaline-2,3,6,7,10,11-hexacarbonitrile; HAT-CN), 1,3,5-Tris[4-(diphenylamino)phenyl]benzene(TDAPB), poly(3,4-ethylenedioxythiphene)polystyrene sulfonate(PEDOT/PSS) 및/또는 N-(biphenyl-4-yl)-9,9-dimethyl-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)-9H-fluoren-2-amine 등으로 이루어지는 어느 하나의 화합물로 이루어질 수 있다. 유기발광다이오드(D1)의 특성에 따라 정공주입층(250)은 생략될 수 있다.

정공수송층(260)은 제 1 전극(210)과 발광물질층(240) 사이에서 발광물질층(240)에 인접하여 위치한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공수송층(260)은 N,N'-Diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine; TPD), NPB(NPD), 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl(CBP), Poly[N,N'-bis(4-butylpnehyl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidine](Poly-TPD), (Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4'-(N-(4-sec-butylphenyl)diphenylamine))] (TFB), Di-[4-(N,N-di-p-tolyl-amino)-phenyl]cyclohexane(TAPC), 3,5-Di(9H-carbazol-9-yl)-N,N-diphenylaniline(DCDPA), N-(biphenyl-4-yl)-9,9-dimethyl-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)-9H-fluoren-2-amine 및/또는 N-(biphenyl-4-yl)-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)biphenyl-4-amine 등으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.

발광물질층(240)과 제 2 전극(230) 사이에는 전자수송층(270)과 전자주입층(280)이 순차적으로 적층될 수 있다. 전자수송층(270)을 이루는 소재는 높은 전자 이동도가 요구되는데, 원활한 전자 수송을 통하여 발광물질층(240)에 전자를 안정적으로 공급한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(270)은 옥사디아졸계(oxadiazole-base) 화합물, 트리아졸계(triazole-base) 화합물, 페난트롤린계(phenanthroline-base) 화합물, 벤족사졸계(benzoxazole-based) 화합물, 벤조티아졸계(benzothiazole-base) 화합물, 벤즈이미다졸계(benzimidazole-base) 화합물, 트리아진계(triazine-base) 화합물 중에서 어느 하나의 화합물을 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 전자수송층(270)은 tris-(8-hydroxyquinoline aluminum(Alq₃), 2-biphenyl-4-yl-5-(4-t-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole(PBD), 스파이로-PBD, lithium quinolate(Liq), 1,3,5-Tris(N-phenylbenzimidazol-2-yl)benzene(TPBi), Bis(2-methyl-8-quinolinolato-N1,O8)-(1,1'-biphenyl-4-olato)aluminum(BAlq), 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(Bphen), 2,9-Bis(naphthalene-2-yl)4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(NBphen), 2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenathroline(BCP), 3-(4-Biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole(TAZ), 4-(Naphthalen-1-yl)-3,5-diphenyl-4H-1,2,4-triazole(NTAZ), 1,3,5-Tri(p-pyrid-3-yl-phenyl)benzene(TpPyPB), 2,4,6-Tris(3'-(pyridin-3-yl)biphenyl-3-yl)1,3,5-triazine(TmPPPyTz), Poly[9,9-bis(3'-((N,N-dimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2,7-fluorene]-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)](PFNBr), tris(phenylquinoxaline(TPQ) 및/또는 Diphenyl-4-triphenylsilyl-phenylphosphine oxide(TSPO1) 등으로 구성되는 군에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

전자주입층(280)은 제 2 전극(230)과 전자수송층(270) 사이에 위치하는데, 제 2 전극(270)의 특성을 개선하여 소자의 수명을 개선할 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자주입층(280)의 소재로는 LiF, CsF, NaF, BaF₂ 등의 알칼리금속 할라이드계 물질 및/또는 알칼리토금속 할라이드계 물질 및/또는 Liq, lithium benzoate), sodium stearate 등의 유기금속계 물질이 사용될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 정공이 발광물질층(240)을 제 2 전극(230) 쪽으로 이동하거나, 전자가 발광물질층(240)을 지나 제 1 전극(210) 쪽으로 이동하는 경우, 유기발광다이오드(D1)의 발광 수명과 발광 효율이 감소할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(D1)는 발광물질층(240)에 인접하여 적어도 1개의 엑시톤 차단층이 위치한다.

예를 들어, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(D1)는 정공수송층(260)과 발광물질층(240) 사이에 전자의 이동을 제어, 방지할 수 있는 전자차단층(265)이 위치한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자차단층(265)은 9,10-dihydro-9,9-dimethyl-10-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)-acridine(PCzAc), 9-phenyl-3,9-bicarbazole(CCP), mCP, mCBP 9-(4-tert-butylphenyl)-3,6-bis(triphenylsilyl)-9H-carbazole (CzSi), TCTA, DCDPA, 트리스[4-(디에틸아미노)페닐]아민(tris[4-(diethylamino)phenyl]amine), N-(바이페닐-4-일)-9,9-디메틸-N-(4-(9-페닐-9H-카바졸-3-일)페닐)-9H-플루오렌-2-아민, TAPC, MTDATA, N,N'-bis[4-[bis(3-methylphenyl)amino]phenyl]-N,N'-diphenyl-[1,1'-biphenyl]-4,4'-diamine(DNTPD), TDAPB 및/또는 3,6-비스(N-카바졸일)-N-페닐-카바졸(3,6-bis(N-carbazolyl)-N-phenyl-carbazole)로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

또한, 발광물질층(240)과 전자수송층(270) 사이에 제 2 엑시톤 차단층으로서 정공차단층(275)이 위치하여 발광물질층(240)과 전자수송층(270) 사이에 정공의 이동을 방지한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 정공차단층(275)의 소재로서 전자수송층(270)에 사용될 수 있는 옥사디아졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 페난트롤린계 화합물, 벤족사졸계 화합물, 벤조티아졸계 화합물, 벤즈이미다졸계 화합물, 트리아진계 화합물 중에서 어느 하나가 사용될 수 있다.

예를 들어, 정공차단층(275)은 발광물질층(240)에 사용된 소재와 비교해서 HOMO 에너지 준위가 낮은 BCP, BAlq, Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq, 비스-4,6-(3,5-디-3-피리딜페닐)-2-메틸피리미딘(bis-4,6-(3,5-di-3-pyridylphenyl)-2-methylpyrimidine; B3PYMPM), DPEPO, 9-(6-(9H-카바졸-9-일)피리딘-3-일)-9H-3,9'-바이카바졸 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물로 이루어질 수 있다.

TADF 특성을 구현하는 제 1 발광물질층(242)와 TTA 특성을 구현하는 제 2 발광물질층(244)은 호스트의 타입이나 각각의 발광 물질 사이의 에너지 준위를 조절하여, 발광 효율 및 발광 수명이 향상된 유기발광다이오드(D1)를 구현할 수 있다. 도 3은 본 발명에 따라 에너지 준위가 조절되고, 지연 형광 타입에 따른 발광물질층의 위치가 효율적으로 설계된 발광물질층에서 전하가 효율적으로 주입, 전달되는 상태를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도시한 바와 같이, 전자차단층(EBL)의 LUMO 에너지 준위(LUMO^EBL)는, 제 1 발광물질층(EML1)을 구성하는 제 1 호스트인 제 1 화합물(H1), 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물(TD) 및 제 1 형광 물질인 제 3 화합물(FD1)의 LUMO 에너지 준위(LUMO^H1, LUMO^TD, LUMO^FD1)은 물론이고, 제 2 발광물질층(EML2)을 구성하는 제 2 호스트인 제 4 화합물(H2) 및 제 2 형광 물질인 제 5 화합물(FD2)의 LUMO 에너지 준위(LUMO^H2, LUMO^FD2)보다 얕다. 이에 따라, 전자가 전자차단층(EBL)에서 효율적으로 차단될 수 있다.

한편, 제 1 발광물질층(EML1)에서 제 1 호스트인 제 1 화합물, 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물 및 제 1 형광 물질인 제 3 화합물의 HOMO 에너지 준위와 LUMO 에너지 준위가 적절하게 조절되어야 한다.

일례로, 제 1 발광물질층(EML1)에서, 제 1 호스트일 수 있는 제 1 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^H1)와 열활성지연형광 물질일 수 있는 2 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^TD)의 차이(|HOMO^H1-HOMO^TD|) 또는 제 1 화합물의 LUMO 에너지 준위(LUMO^H1)와 제 2 화합물의 LUMO 에너지 준위(LUMO^TD)의 차이(|LUMO^H1-LUMOT^D|)는 0.5 eV 이하, 예를 들어, 0.1 내지 0.5 eV인 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 제 호스트일 수 있는 제 1 화합물에서 열활성지연형광 물질일 수 있는 제 2 화합물로의 전하 이동 효율이 향상되어, 최종적으로 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

제 2 화합물의 LUMO 에너지 준위(LUMO^TD)는 제 3 화합물의 LUMO 에너지 준위(LUMO^FD1)보다 얕고, 제 2 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^TD)는 제 3 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMOF^D1)보다 깊을 수 있다. 또한 제 2 발광물질층(EML2)에서, 제 2 호스트일 수 있는 제 4 화합물의 LUMO 에너지 준위(LUMO^H2)는 제 2 형광 물질일 수 있는 제 5 화합물의 LUMO 에너지 준위(LUMO^FD2)보다 얕고, 제 4 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^H2)는 제 5 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMOF^D2)보다 깊을 수 있다. 이 경우, 각각의 발광물질층(EML1, EML2)로 주입된 정공과 전자가 호스트로부터 최종적으로 발광하는 형광 물질로 신속하게 전달되어, 엑시톤을 형성할 수 있다.

한편, 제 1 발광물질층(EML1)에서 제 1 호스트인 제 1 화합물의 LUMO 에너지 준위(LUMO^H1)와 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^TD) 사이의 에너지 밴드갭(Eg1)은 하기 식 (1)을 충족한다. 식 (1)을 충족하는 경우, 제 1 화합물과 제 2 화합물 사이에서 들뜬 복합체(exciplex)가 형성되지 않으면서, 발광 효율 및 색 순도가 향상될 수 있다.

|LUMO^H1 - HOMO^TD| > 2.4 eV (1)

하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 화합물의 LUMO 에너지 준위(LUMO^H1)는 제 2 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^TD)와 비교해서 최소 2.8 eV 이상 얕도록 설계될 수 있다.

한편, 전자차단층(EBL)으로부터 제 1 발광물질층(EML1)으로 정공이 효율적으로 전달될 수 있도록, 제 1 발광물질층(EML1)을 구성하는 제 1 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^H1)와, 전자차단층(EBL)을 구성하는 물질의 HOMO 에너지 준위(HOMO^EBL) 사이의 에너지 밴드갭(ΔHOMO1)은 하기 식 (2)를 충족한다.

0 eV ≤ |HOMO^H1 - HOMO^EBL| < 0.8 eV (2)

하나의 예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(EML1)을 구성하는 제 1 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^H1)는 전자차단층(EBL)을 구성하는 물질의 HOMO 에너지 준위(HOMO^EBL)의 에너지 밴드갭(ΔHOMO1)은 동일하거나 최대 0.5 eV, 예를 들어 0.3 eV일 수 있다.

전술한 바와 같이, 제 1 발광물질층(EML1)에 화학식 1 또는 화학식 2의 구조를 가지는 임의의 유기 화합물인 p-타입 호스트인 제 1 화합물과, 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물을 도입하고, 제 2 발광물질층(EML2)에는 TTA를 구현할 수 있으며 화학식 9 또는 화학식 10의 구조를 가지는 임의의 유기 화합물 n-타입 호스트가 도입된다. 제 1 및 제 2 발광물질층(EML1, EML2)을 구성하는 발광 물질의 종류와, 발광 물질 및 인접한 전자차단층(EBL)을 구성하는 물질의 에너지 준위를 조절하여, 제 1 및 제 2 발광물질층(EML1, EML2)으로 정공과 전하가 균형있게 주입될 수 있고, 유기발광다이오드(D1)에서의 발광 효율 및 발광 수명을 향상시킬 수 있다.

한편, 도 4는 비교예에 따라 에너지 준위가 조절되지 않은 열활성지연형광 발광물질층에서 들뜬 복합체가 형성되면서 발생하는 문제점을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 4는 열활성지연형광을 구현하는 제 1 발광물질층(EML1)에서 제 1 화합물인 제 1 호스트가 e- 타입(n-타입)인 경우이다. 일례로, e- 타입의 제 1 호스트는 아래에 표시한 트리아진계 호스트일 수 있다.

[트리아진계 e-타입 호스트]

비교 호스트 1 비교 호스트 3은 각각 2-(9,9'-spirobi[fluoren]-3-yl)-4,6-diphenyl-1,3,5-triazine(SF3-TRZ), 2-(9,9'-spirobi[fluoren]-4-yl)-4,6-diphenyl-1,3,5-triazine, 2-(9,9'-spirobi[fluoren]-2-yl)-4,6-diphenyl-1,3,5-triazine이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 제 1 발광물질층(EML1)에 e- 타입 호스트를 적용하면, 제 1 화합물의 LUMO 에너지 준위(LUMO^H1)와 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^TD) 사이의 에너지 밴드갭(Eg2)이 식 (1)을 충족하지 못하면서, 제 1 화합물과 제 2 화합물 사이에 들뜬복합체가 형성된다. 또한, 제 1 발광물질층(EML1)을 구성하는 제 1 호스트인 제 1 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^H1)와, 전자차단층(EBL)을 구성하는 물질의 HOMO 에너지 준위(HOMO^EBL) 사이의 에너지 밴드갭(ΔHOMO2)이 커지면서, 식 (2)를 충족하지 못하기 때문에, 정공과 전하가 균형있게 제 1 및 제 1 발광물질층(EML1, EML2)로 주입되지 못한다. 이에 따라, 유기발광다이오드의 색 순도가 저하되고, 발광 효율 및 발광 수명 역시 증가하지 못한다.

도 5는 비교예에 따라 지연 형광 타입에 따른 발광물질층의 위치가 잘못 설계된 발광물질층에서 전하가 주입, 전달되지 못하는 문제점을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 5에서는 전자차단층(EBL)에 인접하여, TTA를 구현하는 e- 타입 호스트를 포함하는 제 1 발광물질층(EML1)이 위치하고, TADF를 구현하며, h+ 타입 호스트를 포함하는 제 2 발광물질층(EML2)이 전자차단층(EBL)과 이격하여 위치한다. 이 경우, 제 2 발광물질층(EML2)로 전자가 효율적으로 주입하지 못하기 때문에, 제 1 및 제 2 발광물질층(EML1, EML2)으로의 정공과 전자의 주입이 균형을 잃게되고, 엑시톤이 효율적으로 형성되지 못하면서 발광 효율과 발광 효율이 저하된다.

도 6은 비교예에 따라 지연 형광 타입에 따른 발광물질층의 위치가 잘못 설계되고, 발광 물질의 에너지 준위가 조절되지 않은 발광물질층에서 들뜬 복합체가 형성되며, 전하가 주입, 전달되지 못하는 문제점을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 5에 나타낸 것과 비교하면, 도 5은 TADF를 구현하는 제 2 발광물질층(EML2)이 e- 타입의 호스트를 포함한 경우이다. 도 4에 나타낸 것과 유사하게, 제 2 발광물질층(EML1)을 구성하는 e- 타입 호스트인 제 1 화합물의 LUMO 에너지 준위(LUMO^H1)와 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^TD) 사이의 에너지 밴드갭(Eg2)이 식 (1)을 충족하지 못하면서, 제 1 화합물과 제 2 화합물 사이에 들뜬복합체가 형성된다. 이에 따라, 유기발광다이오드의 색 순도가 저하되고, 발광 효율 및 발광 수명 역시 증가하지 못한다.

이어서, 본 발명에 따른 유기발광다이오드를 구성하는 2개의 발광물질층에서 발광 물질 사이의 에너지 전이에 대해서 설명한다. 도 7은 본 발명에 따른 발광물질층에서 발광 물질 사이의 단일항 에너지 준위 및 삼중항 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 개략적으로 나타낸 모식도이다. TADF를 구현하는 제 1 발광물질층(EML1)에서 초형광을 구현하기 위하여, 제 1 호스트인 제 1 화합물은 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물에서의 삼중항 상태의 엑시톤이 소광(비-발광 소멸, quenching)되지 않고 발광에 관여할 수 있도록 유도할 수 있어야 한다. 이를 위해서, 호스트인 제 1 화합물, 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물, 제 1 형광 물질인 제 3 화합물의 에너지 준위가 조절되어야 한다.

도 7에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 제 1 발광물질층(EML1)에 포함되는 제 1 호스트일 수 있는 제 1 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^H1)와 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^H1)는 각각 열활성지연형광 특성을 가지는 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^TD)와 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^TD)보다 높다. 예를 들어, 제 1 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^H1)는 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^TD)보다 0.2 eV 이상, 바람직하게는 0.3 eV 이상, 더욱 바람직하게는 0.5 eV 이상 높을 수 있다.

제 1 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^H1) 및 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^H2)가 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^TD) 및 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^TD)보다 충분히 높지 않은 경우, 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^TD)의 엑시톤이 제 1 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^H1)로의 역-전하 이동이 발생한다. 이에 따라, 삼중항 엑시톤이 발광할 수 없는 제 1 화합물에서 삼중항 엑시톤이 비-발광 소멸되기 때문에, 열활성지연형광 특성을 가지는 제 2 화합물의 삼중항 상태 엑시톤이 발광에 기여하지 못하게 된다. 열활성지연형광 특성을 가지는 제 2 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^TD)와 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^TD)의 차이(ΔE_ST ^TD)는 0.3 eV 이하, 예를 들어 0.05 내지 0.3 eV일 수 있다.

또한, 열활성지연형광을 구현하는 제 1 발광물질층(EML1)에서 역-계간전이(RISC)에 의하여 ICT 착물 상태로 변환된 열활성지연형광 물질인 제 2 화합물로부터 제 1 형광 물질인 제 3 화합물로 엑시톤 에너지가 효율적으로 전이되어, 고효율, 고 색 순도를 가지는 유기발광다이오드(D1)를 구현할 필요가 있다. 이러한 유기발광다이오드(D1)를 구현할 수 있도록, 열활성지연형광 물질일 수 있는 제 2 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^TD)는 제 1 형광 물질일 수 있는 제 3 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^FD1)보다 높다. 필요한 경우, 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^TD)는 제 3 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^FD1)보다 높을 수 있다.

예시적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(EML1) 내에 제 1 화합물의 중량비는 제 2 화합물의 중량비보다 크고, 제 2 화합물의 중량비는 제 3 화합물의 중량비보다 클 수 있다. 제 2 화합물의 중량비가 제 3 화합물의 중량비보다 큰 경우, 제 2 화합물로부터 제 3 화합물로 FRET 메커니즘에 의한 에너지 전달이 충분히 일어날 수 있다. 예를 들어, 제 1 발광물질층(EML1) 중에 제 1 화합물은 60 내지 75 중량%, 제 2 화합물은 20 내지 40 중량%, 제 3 화합물은 0.1 내지 5 중량%의 비율로 포함될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

한편, TTA를 구현하도록 설계된 제 2 발광물질층(EML2)에서 전자수용체로 기능하는 제 4 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^H2)는 광자수용체로 기능하는 제 5 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^FD2)보다 높지만, 제 4 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^H2)는 제 5 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^FD2)보다 낮을 수 있다. 엑시톤 재결합에 의하여, 제 5 화합물은 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^FD2)를 가지도록 여기되고, 여기된 단일항 엑시톤 에너지는 계간전이(Intersystem crossing, ISC)를 통해 제 5 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^FD2) 상태의 엑시톤을 생성한다. 제 4 화합물은 삼중항-삼중항 에너지 전이(triplet-triplet energy transfer, TTET)를 통하여, 제 5 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^FD2) 상태의 엑시톤 에너지를 전달받아 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^H2)로 여기되고, 다른 삼중항 에너지 준위(T₁ ^H2) 상태의 엑시톤과 결합하면서 TTA 메커니즘에 의하여 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^H2) 상태의 엑시톤을 생성한다. 마지막으로, 제 4 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^H2) 상태의 엑시톤 에너지는 FRET 메커니즘을 통하여, 제 5 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^FD2)으로 전달된다. 제 5 화합물은 원래의 단일항 엑시톤 에너지는 물론이고, 제 4 화합물에서 일부 변환된 삼중항 엑시톤 에너지를 활용하여 발광한다.

예시적인 실시형태에서, 제 2 발광물질층(EML2) 내에 제 4 화합물의 중량비는 제 5 화합물의 중량비보다 크다. 예를 들어, 제 2 발광물질층(EML2) 중에 제 4 화합물은 70 내지 99 중량%, 바람직하게는 90 내지 99 중량%, 제 5 화합물은 1 내지 30 중량%, 바람직하게는 1 내지 10 중량%의 비율로 포함될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

본 발명에 따르면, 저전류 밀도에서 발광 효율이 우수한 열활성지연형광(TADF)을 구현하는 제 1 발광물질층과, 고전류 밀도에서도 양호한 발광 효율을 유지할 수 있는 삼중항-삼중항 소멸(TTA)을 구현하는 제 2 발광물질층을 구성하는 발광 물질의 종류, 에너지 준위 등을 조절하여, 구동 전압을 낮추고, 발광 효율, 발광 수명 및 색 순도가 우수한 유기발광다이오드(D1)를 제조할 수 있다.

선택적인 실시형태에서, 유기발광다이오드는 2개 이상의 발광부를 포함할 수 있다. 도 8은 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 유기발광다이오드(D2)는 마주하는 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(230)과, 제 1 및 제 2 전극(210, 230) 사이에 위치하는 발광층(220A)을 포함한다. 유기발광표시장치(100, 도 1 참조)는 적색 화소영역, 녹색 화소영역, 청색 화소영역을 포함하고, 유기발광다이오드(D2)는 청색 화소영역 에 위치할 수 있다. 제 1 전극(210)은 양극일 수 있고, 제 2 전극(230)은 음극일 수 있다.

발광층(220A)은 제 1 발광물질층(340)을 포함하는 제 1 발광부(320), 제 2 발광물질층(440)을 포함하는 제 2 발광부(420)를 포함한다. 또한, 발광층(220A)은 제 1 발광부(320)와 제 2 발광부(420) 사이에 위치하는 전하생성층(380)을 더욱 포함할 수 있다.

전하생성층(380)은 제 1 및 제 2 발광부(320, 420) 사이에 위치하며, 제 1 발광부(320), 전하생성층(380), 제 2 발광부(420)가 제 1 전극(210) 상에 순차 적층된다. 즉, 제 1 발광부(320)는 제 1 전극(210)과 전하생성층(380) 사이에 위치하며, 제 2 발광부(420)는 제 2 전극(330)과 전하생성층(380) 사이에 위치한다.

제 1 발광부(320)는 제 1 발광물질층(340, EML1)을 포함한다. 또한, 제 1 발광부(320)는, 제 1 전극(210)과 제 1 발광물질층(340) 사이에 위치하는 제 1 정공수송층(360, HTL1), 제 1 전극(210)과 제 1 정공수송층(360) 사이에 위치하는 정공주입층(350, HIL), 제 1 발광물질층(340)과 전하생성층(380) 사이에 위치하는 제 1 전자수송층(370, ETL1) 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다. 선택적으로, 제 1 발광부(320)는 제 1 정공수송층(360)과 제 1 발광물질층(340) 사이에 위치하는 제 1 전자차단층(365, EBL1)과 제 1 발광물질층(340)과 제 1 전자수송층(370) 사이에 위치하는 제 1 정공차단층(375, HBL1) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

제 2 발광부(420)는 제 2 발광물질층(440, EML2)을 포함한다. 또한, 제 2 발광부(420)는 전하생성층(380)과 제 2 발광물질층(440) 사이에 위치하는 제 2 정공수송층(460, HTL2), 제 2 발광물질층(440)과 제 2 전극(230) 사이에 위치하는 제 2 전자수송층(470, ETL2), 제 2 전자수송층(470)과 제 2 전극(230) 사이에 위치하는 전자주입층(480, HIL) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 2 발광부(420)는 제 2 정공수송층(460)과 제 2 발광물질층(440) 사이에 위치하는 제 2 전자차단층(465, EBL2)과, 제 2 발광물질층(440)과 제 2 전자수송층(470) 사이에 위치하는 제 2 정공차단층(475, HBL2) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

전하생성층(380)은 제 1 발광부(320)와 제 2 발광부(420) 사이에 위치한다. 즉, 제 1 발광부(320)와 제 2 발광부(420)는 전하생성층(380)에 의해 연결된다. 전하생성층(380)은 N형 전하생성층(382)과 P형 전하생성층(384)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다.

N형 전하생성층(382)은 제 1 전자수송층(370)과 제 2 정공수송층(460) 사이에 위치하고, P형 전하생성층(384)은 N형 전하생성층(382)과 제 2 정공수송층(460) 사이에 위치한다. N형 전하생성층(382)은 전자를 제 1 발광부(320)의 제 1 발광물질층(340)으로 전달하고, P형 전하생성층(384)은 정공을 제 2 발광부(420)의 제 2 발광물질층(440)으로 전달한다.

본 실시형태에서, 제 1 발광물질층(340)과 제 2 발광물질층(440)은 각각 청색 발광물질층일 수 있다. 예를 들어, 제 1 발광물질층(340)은 제 1 전자차단층(365)와 제 1 정공차단층(375) 사이에 위치하는 제 1 하부 발광물질층(342, 제 1 층)과, 제 1 하부 발광물질층(342)과 제 1 정공차단층(375) 사이에 위치하는 제 1 상부 발광물질층(344, 제 2층)을 포함한다. 제 2 발광물질층(440)은 제 2 전자차단층(465)와 제 2 정공차단층(475) 사이에 위치하는 제 2 하부 발광물질층(442, 제 1 층)과, 제 2 하부 발광물질층(442)과 제 2 정공차단층(475) 사이에 위치하는 제 2 상부 발광물질층(444, 제 2 층)을 포함한다. 이때, 제 1 및 제 2 하부 발광물질층(342, 442)은 각각 제 1 내지 제 3 화합물을 포함하여 TADF를 구현하고, 제 1 및 제 2 상부 발광물질층(344, 444)은 각각 제 4 내지 제 5 화합물을 포함하여 TTA를 구현할 수 있다.

TADF를 구현하는 제 1 및 제 2 하부 발광물질층(342, 442) 각각에서 제 1 화합물의 중량비는 제 2 화합물의 중량비보다 크고, 제 2 화합물의 중량비는 제 3 화합물의 중량비보다 클 수 있다. 제 2 화합물의 중량비가 제 3 화합물의 중량비보다 큰 경우, 제 2 화합물로부터 제 3 화합물로 FRET 메커니즘에 의한 에너지 전달이 충분히 일어날 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 하부 발광물질층(342, 442) 중에 제 1 화합물은 60 내지 75 중량%, 제 2 화합물은 20 내지 40 중량%, 제 3 화합물은 0.1 내지 5 중량%의 비율로 포함될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

한편, TTA를 구현하는 제 1 및 제 2 상부 발광물질층(344, 444) 각각에서 제 4 화합물의 중량비는 제 5 화합물의 중량비보다 클 수 있다. 제 1 및 제 2 상부 발광물질층(344, 444) 중에 제 4 화합물은 70 내지 99 중량%, 예를 들어 90 내지 99 중량%, 제 5 화합물은 1 내지 30 중량%, 예를 들어 1 내지 10 중량%의 비율로 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

선택적인 실시형태에서, 제 1 발광물질층(340)과 제 2 발광물질층(440) 중에서 어느 하나는 호스트와 다른 청색 도펀트를 포함할 수 있다. 호스트는 제 1 화합물 및/또는 제 4 화합물을 포함하고, 다른 청색 도펀트는 청색 인광 물질, 청색 형광 물질 및 청색 지연형광물질을 포함하여 다른 파장의 빛을 발광하거나 다른 발광 효율을 가질 수 있다. 제 1 발광물질층(340)과 제 2 발광물질층(440) 중에서 다른 청색 도펀트를 포함하는 어느 하나의 발광물질층은 단층 구조로 이루어질 수 있다.

본 실시형태의 유기발광다이오드(D2)에서 제 1 및 제 2 발광물질층(340, 440) 중에서 적어도 어느 하나는 TADF를 구현하는 하부 발광물질층과 TTA를 구현하는 상부 발광물질층을 포함한다. 이에 따라, 유기발광다이오드(D2)의 색 순도와 발광 효율이 향상된다. 아울러, 유기발광다이오드(D2)가 청색 발광물질층의 이중 스택 구조를 가지기 때문에, 유기발광다이오드(D2)의 색감이 향상되거나 발광 효율이 최적화될 수 있다.

도 9는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 유기발광표시장치(500)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)이 정의된 기판(510)과, 기판(510) 상부에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)와, 박막트랜지스터(Tr) 상부에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 유기발광다이오드(D)를 포함한다. 일례로, 제 1 화소영역(P1)은 청색 화소영역이고, 제 2 화소영역(P2)은 녹색 화소영역이며, 제 3 화소영역(P3)은 적색 화소영역일 수 있다.

기판(510)은 유기 기판 또는 플렉서블 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블 기판은 PI 기판, PES 기판, PEN 기판, PET 기판 및 PC 기판 중 어느 하나일 수 있다.

기판(510) 상에 버퍼층(512)이 형성되고, 버퍼층(512) 상에 박막트랜지스터(Tr)가 형성된다. 버퍼층(812)은 생략될 수 있다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고, 구동 소자로 기능한다.

박막트랜지스터(Tr) 상에 평탄화층(550)이 위치한다. 평탄화층(550)은 상면이 평탄하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극을 노출하는 드레인 컨택홀(552)을 갖는다.

유기발광다이오드(D)는 평탄화층(550) 상에 위치하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극에 연결되는 제 1 전극(610)과, 제 1 전극(610) 상에 순차 적층되는 발광층(620) 및 제 2 전극(630)을 포함한다. 유기발광다이오드(D)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에 위치하며, 서로 다른 색의 광을 방출한다. 예를 들어, 제 1 화소영역(P1)의 유기발광다이오드(D)는 청색 광을 발광하고, 제 2 화소영역(P2)의 유기발광다이오드(D)는 녹색 광을 발광하고, 제 3 화소영역(P3)의 유기발광다이오드(D)는 적색 광을 발광할 수 있다.

제 1 전극(610)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 별로 분리, 형성되고, 제 2 전극(630)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에 대응하여 일체로 형성된다.

제 1 전극(610)은 양극과 음극 중 하나일 수 있고, 제 2 전극(630)은 양극과 음극 중 다른 하나일 수 있다. 또한, 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 중 하나는 투과전극(또는 반투과전극)이고, 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 중 다른 하나는 반사전극일 수 있다.

예를 들어, 제 1 전극(610)은 양극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(TCO)로 이루어지는 투명 도전성 산화물층을 포함할 수 있다. 제 2 전극(630)은 음극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질, 예를 들어 저-저항 금속으로 이루어지는 금속물질층을 포함할 수 있다. 일례로, 제 1 전극(610)은 ITO, IZO, ITZO, SnO, ZnO, ICO 및 AZO 중 어느 하나를 포함하고, 제 2 전극(630)은 Al, Mg, Ca, Ag 또는 이들의 합금(예를 들어 Mg-Ag 합금)이나 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.

유기발광표시장치(400)가 하부 발광 방식인 경우, 제 1 전극(610)은 투명 도전성 산화물층의 단일층 구조를 가질 수 있다.

한편, 유기발광표시장치(500)가 상부 발광 방식인 경우, 제 1 전극(610) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다. 일례로, 반사전극 또는 반사층은 은 또는 알루미늄-팔라듐-구리(APC) 합금으로 이루어질 수 있다. 상부 발광 방식 유기발광다이오드(D)에서, 제 1 전극(610)은 ITO/Ag/ITO 또는 ITO/APC/ITO의 삼중층 구조를 가질 수 있다. 또한, 제 2 전극(630)은 얇은 두께를 가져 광투과(반투과) 특성을 가질 수 있다.

평탄화층(550) 상에는 제 1 전극(610)의 가장자리를 덮는 뱅크층(560)이 형성된다. 뱅크층(560)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에 대응하여, 제 1 전극(610)의 중앙을 노출한다.

제 1 전극(610) 상에는 발광층(620)이 형성된다. 발광층(620)은 발광물질층(EML)의 단층 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 발광층(620)은 제 1 전극(610)과 발광물질층 사이에 순차적으로 위치하는 정공주입층(HIL), 정공수송층(HTL) 및/또는 전자차단층(EBL)과, 발광물질층과 제 2 전극(930) 사이에 순차적으로 위치하는 정공차단층(HBL), 전자수송층(ETL) 및/또는 전자주입층(EIL) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

청색 화소영역인 제 1 화소영역(P1)에서, 발광층(630)을 구성하는 발광물질층은 제 1 화합물 내지 제 3 화합물로 이루어져 TADF를 구현하는 제 1 발광물질층(하부 발광물질층, 제 1 층)과, 제 4 화합물 내지 제 5 화합물로 이루어져 TTA를 구현하는 제 2 발광물질층(상부 발광물질층, 제 2 층)을 포함할 수 있다.

제 2 전극(630) 상에는, 외부 수분이 유기발광다이오드(D)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 인캡슐레이션 필름(570)이 형성된다. 인캡슐레이션 필름(570)은 제 1 무기 절연층, 유기 절연층, 제 2 무기 절연층의 삼중층 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

유기발광표시장치(500)는 외부광의 반사를 줄이기 위한 편광판(도시하지 않음)을 더욱 포함할 수 있다. 일례로, 편광판(도시하지 않음)은 원형 편광판일 수 있다. 유기발광표시장치(500)가 하부 발광 방식인 경우, 편광판은 기판(510)의 하부에 위치할 수 있다. 유기발광표시장치(500)가 상부 발광 방식인 경우, 편광판은 인캡슐레이션 필름(570) 상부에 위치할 수 있다.

도 10은 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 유기발광다이오드(D3)는 제 1 전극(610) 및 제 2 전극(630)과, 제 1 및 제 2 전극(610, 630) 사이에 위치하는 발광층(620)을 포함한다.

제 1 전극(610)은 양극일 수 있고, 제 2 전극(630)은 음극일 수 있다. 일례로, 제 1 전극(610)은 반사전극이고, 제 2 전극(630)은 투과전극(반투과전극)일 수 있다.

발광층(620)은 발광물질층(640)을 포함한다. 발광층(620)은 제 1 전극(610)과 발광물질층(640) 사이에 위치하는 정공수송층(HTL, 660)과, 발광물질층(640)과 제 2 전극(630) 사이에 위치하는 전자수송층(ETL, 670) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 발광층(620)은 제 1 전극(610)과 정공수송층(660) 사이에 위치하는 정공주입층(HIL, 650)과, 전자수송층(670)과 제 2 전극(630) 사이에 위치하는 전자주입층(HIL, 680) 중 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다. 선택적으로, 발광층(620)은 정공수송층(660)과 발광물질층(640) 사이에 위치하는 전자차단층(EBL, 665)과, 발광물질층(640)과 전자수송층(670) 사이에 위치하는 정공차단층(HBL, 675) 중 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.

또한, 발광층(620)은 정공수송층(660)과 전자차단층(665) 사이에 위치하는 보조 정공수송층(662)을 더욱 포함할 수 있다. 보조 정공수송층(662)은 제 1 화소영역(P1)에 위치하는 제 1 보조 정공소송층(662a), 제 2 화소영역(P2)에 위치하는 제 2 보조 정공수송층(662b) 및 제 3 화소영역(P3)에 위치하는 제 3 보조 정공수송층(662c)을 포함할 수 있다.

제 1 보조 정공수송층(662a)은 제 1 두께를 갖고, 제 2 보조 정공수송층(662b)는 제 2 두께를 갖고, 제 3 보조 정공수송층(662c)는 제 3 두께를 갖는다. 이때, 제 1 두께는 제 2 두께보다 작고, 제 2 두께는 제 3 두께보다 작다. 이에 따라, 유기발광다이오드(D3)는 마이크로 캐비티(micro-cavity) 구조를 갖는다.

즉, 서로 다른 두께를 갖는 제 1 내지 제 3 보조 정공수송층(662a, 662b, 662c)에 의해, 제 1 파장 범위의 빛(청색)을 발광하는 제 1 화소영역(P1)에서 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 간 거리는 제 1 파장 범위보다 긴 제 2 파장 범위의 빛(녹색)을 발광하는 제 2 화소영역(P2)에서 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 간 거리보다 작다. 또한, 제 2 파장 범위의 빛을 발광하는 제 2 화소영역(P2)에서 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 간 거리는 제 2 파장 범위보다 긴 제 3 파장 범위의 빛(적색)을 발광하는 제 3 화소영역(P3)에서 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 간 거리보다 크다. 이에 따라 유기발광다이오드(D3)의 발광 효율이 향상된다.

도 10에서 제 1 화소영역(P1)에 제 1 보조 정공수송층(662a)이 형성되어 있다. 이와 달리, 제 1 보조 정공수송층(662a) 없이 마이크로 캐버티 구조가 구현될 수 있다. 또한, 제 2 전극(630) 상에는 광추출 향상을 위한 캡핑층(capping layer, 도시하지 ?邦?)이 추가로 형성될 수 있다.

발광물질층(640)은 제 1 화소영역(P1)에 위치하는 제 1 발광물질층(642)과, 제 2 화소영역(P2)에 위치하는 제 2 발광물질층(644)과, 제 3 화소영역(P3)에 위치하는 제 3 발광물질층(646)을 포함한다. 제 1 발광물질층(642), 제 2 발광물질층(644) 및 제 3 발광물질층(646)은 각각 청색 발광물질층, 녹색 발광물질층 및 적색 발광물질층일 수 있다.

예시적인 측면에서, 제 1 화소영역(P1)의 제 1 발광물질층(642)은 제 1 화합물 내지 제 3 화합물을 포함하여 TADF를 구현하는 하부 발광물질층(642a, 제 1 층)과, 제 4 화합물 내지 제 5 화합물을 포함하여 TTA를 구현하는 상부 발광물질층(642b, 제 2 층)을 포함할 수 있다.

이때, 상부 발광물질층(642a) 중에서 제 1 화합물의 중량비는 제 2 화합물의 중량비보다 크고, 제 2 화합물의 중량비는 제 3 화합물의 중량비보다 클 수 있다. 제 2 화합물의 중량비가 제 3 화합물의 중량비보다 큰 경우, 제 2 화합물로부터 제 3 화합물로 FRET 메커니즘에 의한 에너지 전달이 충분히 일어날 수 있다. 예를 들어, 하부 발광물질층(642a) 중에 제 1 화합물은 60 내지 75 중량%, 제 2 화합물은 20 내지 40 중량%, 제 3 화합물은 0.1 내지 5 중량%의 비율로 포함될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 한편, TTA를 구현하는 상부 발광물질층(642b)에서 제 4 화합물의 중량비는 제 5 화합물의 중량비보다 클 수 있다. 상부 발광물질층(642b) 중에 제 4 화합물은 70 내지 99 중량%, 예를 들어 90 내지 99 중량%, 제 5 화합물은 1 내지 30 중량%, 예를 들어 1 내지 10 중량%의 비율로 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

한편, 제 2 화소영역(P2)에 위치하는 제 2 발광물질층(644)은 호스트와 녹색 도펀트를 포함하고, 제 3 화소영역(P3)에 위치하는 제 3 발광물질층(646)은 호스트와 적색 도펀트를 포함할 수 있다. 이때, 제 2 발광물질층(644)과 제 3 발광물질층(646)의 호스트는 제 1 화합물 및/또는 제 4 화합물을 포함하고, 녹색 도펀트와 적색 도펀트는 각각 녹색 또는 적색 인광 물질, 녹색 또는 적색 형광 물질 및 녹색 또는 적색 지연형광물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

도 11의 유기발광다이오드(D3)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에서 청색 광, 녹색 광 및 적색 광을 발광하며, 이에 따라 유기발광표시장치(500, 도 9 참조)는 컬러 영상을 구현할 수 있다.

한편, 유기발광표시장치(500)는 색 순도를 향상시키기 위해, 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에 대응하여 컬러필터층(도시하지 않음)을 더욱 포함할 수 있다. 일례로, 컬러필터층은 제 1 화소영역(P1)에 대응하는 제 1 컬러필터층(청색 컬러필터층, 도시하지 않음), 제 2 화소영역(P2)에 대응하는 제 2 컬러필터층(녹색 컬러필터층, 도시하지 않음) 및 제 3 화소영역(P3)에 대응하는 제 3 컬러필터층(적색 컬러필터층, 도시하지 않음)을 포함할 수 있다.

유기발광표시장치(500)가 하부 발광 방식인 경우, 컬러필터층(도시하지 않음)은 유기발광다이오드(D)와 기판(510) 사이에 위치할 수 있다. 유기발광표시장치(500)가 상부 발광 방식인 경우, 컬러필터층은 유기발광다이오드(D) 상부에 위치할 수 있다.

도 11은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 유기발광표시장치(1000)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)이 정의된 기판(1010)과, 기판(1010) 상부에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)와, 박막트랜지스터(Tr) 상부에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 유기발광다이오드(D)와, 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에 대응되는 컬러필터층(1020)을 포함한다. 일례로, 제 1 화소영역(P1)은 청색 화소영역이고, 제 2 화소영역(P2)은 녹색 화소영역이며, 제 3 화소영역(P3)은 적색 화소영역일 수 있다.

기판(1010)은 유리 기판 또는 플렉서블 기판일 수 있다. 일례로, 플렉서블 기판은 PI 기판, PES 기판, PEN 기판, PET 기판 및 PC 기판 중 어느 하나일 수 있다. 박막트랜지스터(Tr)는 기판(1010) 상에 위치한다. 이와 달리, 기판(1010) 상에 버퍼층(도시하지 않음)이 형성되고, 박막트랜지스터(Tr)는 버퍼층 상에 형성될 수도 있다. 도 1을 통해 설명한 바와 같이, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고, 구동 소자로 기능한다.

컬러필터층(1020)이 기판(1010) 상에 위치한다. 일례로, 컬러필터층(820)은 제 1 화소영역(P1)에 대응되는 제 1 컬러필터층(1022), 제 2 화소영역(P2)에 대응되는 제 2 컬러필터층(1024) 및 제 3 화소영역(P3)에 대응되는 제 3 컬러필터층(1026)을 포함할 수 있다. 제 1 컬러필터층(1022)은 청색 컬러필터층이고, 제 2 컬러필터층(1024)은 녹색 컬러필터층이며, 제 3 컬러필터층(1026)은 적색 컬러필터층일 수 있다. 예를 들어, 제 1 컬러필터층(1022)은 청색 염료(dye)와 청색 안료(pigment) 중 적어도 하나를 포함하고, 제 2 컬러필터층(1024)은 녹색 염료와 녹색 안료 중 적어도 하나를 포함하며, 제 3 컬러필터층(1026)은 적색 염료와 적색 안료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

박막트랜지스터(Tr)와 컬러필터층(1020) 상에는 평탄화층(1050)이 위치한다. 평탄화층(1050)은 상면이 평탄하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(도시하지 않음)을 노출하는 드레인 컨택홀(1052)을 갖는다.

유기발광다이오드(D)는 평탄화층(1050) 상에 위치하며, 컬러필터층(1020)에 대응된다. 유기발광다이오드(D)는 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(도시하지 않음)에 연결되는 제 1 전극(1110)과, 제 1 전극(1110) 상에 순차 위치하는 발광층(1120) 및 제 2 전극(1130)을 포함한다. 유기발광다이오드(D)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에서 백색 광을 발광한다.

제 1 전극(1110)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 별로 분리, 형성되고, 제 2 전극(1130)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에 대응하여 일체로 형성된다.

제 1 전극(1110)은 양극과 음극 중 하나일 수 있고, 제 2 전극(1130)은 양극과 음극 중 다른 하나일 수 있다. 또한, 제 1 전극(1110)은 투과전극이고, 제 2 전극(1130)은 반사전극일 수 있다.

예를 들어, 제 1 전극(1110)은 양극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(TCO)로 이루어지는 투명 도전성 산화물층을 포함할 수 있다. 제 2 전극(1130)은 음극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질, 예를 들어 저-저항 금속으로 이루어지는 금속물질층을 포함할 수 있다. 일례로, 제 1 전극(1110)의 투명 도전성 산화물층은 ITO, IZO, ITZO, SnO, ZnO, ICO 및 AZO 중 어느 하나를 포함하고, 제 2 전극(1130)은 Al, Mg, Ca, Ag, 이들의 합금(예를 들어, Mg-Ag 합금)이나 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.

제 1 전극(1110) 상에 발광층(1120)이 형성된다. 발광층(1120)은 서로 다른 색을 발광하는 적어도 2개의 발광부를 포함한다. 발광부는 각각 발광물질층(EML)의 단층 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 발광부는 각각 정공주입층(HIL), 정공수송층(HTL), 전자차단층(EBL), 정공차단층(HBL), 전자수송층(ETL) 및 전자주입층(EIL) 중 적어도 하나를 더욱 포함할 수 있다. 또한, 발광층(1120)은 발광부 사이에 위치하는 전하생성층(charge generation layer, CGL)을 더욱 포함할 수 있다.

이때, 적어도 2개의 발광부 중 어느 하나의 발광물질층(EML)은 제 1 화합물 내지 제 3 화합물을 포함하여 TADF를 구현하는 제 1 발광물질층(하부 발광물질층)과, 제 4 화합물 내지 제 5 화합물을 포함하여 TTA를 구현하는 제 2 발광물질층(상부 발광물질층)을 포함할 수 있다.

평탄화층(1050) 상에는 제 1 전극(1110)의 가장자리를 덮는 뱅크층(1060)이 형성된다. 뱅크층(1060)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에 대응하여, 제 1 전극(1110)의 중앙을 노출한다. 전술한 바와 같이, 유기발광다이오드(D)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에서 백색 광을 발광하므로, 발광층(1120)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에서 분리될 필요 없이 공통층으로 형성될 수 있다. 뱅크층(1060)은 제 1 전극(1110) 가장자리에서의 전류 누석을 막기 위해 형성되며, 뱅크층(1060)은 생략될 수 있다.

도시하지 않았으나, 유기발광표시장치(1000)는 외부 수분이 유기발광다이오드(D)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 제 2 전극(1130) 상에 위치하는 인캡슐레이션 필름을 더욱 포함할 수 있다. 또한, 유기발광표시장치(1000)는 외부광의 반사를 줄이기 위해, 기판(1010) 하부에 위치하는 편광판을 더욱 포함할 수 있다.

도 11의 유기발광표시장치(1000)에서, 제 1 전극(1110)은 투과전극이고, 제 2 전극(1130)은 반사전극이며, 컬러필터층(1020)은 기판(1010)과 유기발광다이오드(D) 사이에 위치한다. 즉, 유기발광표시장치(1000)는 하부 발광 방식이다. 이와 달리, 유기발광표시장치(1000)에서, 제 1 전극(1110)은 반사전극이고, 제 2 전극(1130)은 투과전극(반투과전극)이며, 컬러필터층(1020)은 유기발광다이오드(D) 상부에 위치할 수 있다.

유기발광표시장치(1000)에서 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)의 유기발광다이오드(D)는 백색 광을 발광하고, 제 1 내지 제 3 컬러필터층(1022, 1024, 1026)을 통과함으로써, 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에서 각각 청색, 녹색 및 적색이 표시된다.

도시하지 않았으나, 유기발광다이오드(D)와 컬러필터층(1020) 사이에는 색변환층이 구비될 수도 있다. 색변환층은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에 대응하며, 청색 색변환층, 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 포함하며, 유기발광다이오드(D)로부터 방출된 백색 광을 각각 청색, 녹색 및 적색으로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 색변환층은 양자점을 포함할 수 있다. 따라서, 유기발광표시장치(1000)의 색 순도가 더욱 향상될 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 컬러필터층(1020) 대신에 색변환층이 포함될 수도 있다.

도 12는 본 발명의 예시적인 제 5 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 유기발광다이오드(D5)는 서로 마주하는 제 1 전극(1110) 및 제 2 전극(1130)과, 제 1 및 제 2 전극(1110, 1130) 사이에 위치하는 발광층(1120)을 포함한다. 제 1 전극(1110)은 양극일 수 있고, 제 2 전극(1130)은 음극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(1110)은 투과전극이고, 제 2 전극(1130)은 반사전극일 수 있다.

발광층(1120)은 제 1 발광물질층(1240)을 포함하는 제 1 발광부(1220)와, 제 2 발광물질층(1340)을 포함하는 제 2 발광부(1320)와, 제 3 발광물질층(1440)을 포함하는 제 3 발광부(1420)를 포함한다. 또한, 발광층(1120)은 제 1 발광부(1220)와 제 2 발광부(1320) 사이에 위치하는 제 1 전하생성층(1280)과, 제 2 발광부(1320)와 제 3 발광부(1420) 사이에 위치하는 제 2 전하생성층(1380)을 더욱 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 발광부(1220), 제 1 전하생성층(1280), 제 2 발광부(1320), 제 2 전하생성층(1380) 및 제 3 발광부(1420)가 제 1 전극(1110) 상에 순차 적층된다.

제 1 발광부(1220)는 제 1 전극(1110)과 제 1 발광물질층(1240) 사이에 위치하는 제 1 정공수송층(HTL1, 1260)과, 제 1 전극(1110)과 제 1 정공수송층(1260) 사이에 위치하는 정공주입층(HIL, 1250)과, 제 1 발광물질층(1240)과 제 1 전하생성층(1280) 사이에 위치하는 제 1 전자수송층(ETL1, 1270) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 1 발광부(1220)는 제 1 정공수송층(1260)과 제 1 발광물질층(1240) 사이에 위치하는 제 1 전자차단층(EBL1, 1265)과 제 1 발광물질층(1240)과 제 1 전자수송층(1270) 사이에 위치하는 제 1 정공차단층(1275, HBL1) 중에서 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.

제 2 발광부(1320)는 제 1 전하생성층(1280)과 제 2 발광물질층(1340) 사이에 위치하는 제 2 정공수송층(HTL2, 1360)과, 제 2 발광물질층(1340)과 제 2 전하생성층(1380) 사이에 위치하는 제 2 전자수송층(ETL2, 1370) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 2 발광부(1220)는 제 2 정공수송층(1360)과 제 2 발광물질층(1340) 사이에 위치하는 제 2 전자차단층(EBL2, 1365)과 제 2 발광물질층(1340)과 제 2 전자수송층(1370) 사이에 위치하는 제 2 정공차단층(HBL2, 1375) 중에서 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.

제 3 발광부(1420)는 제 2 전하생성층(1380)과 제 3 발광물질층(1440) 사이에 위치하는 제 3 정공수송층(HTL3, 1460)과, 제 3 발광물질층(1440)과 제 2 전극(1130) 사이에 위치하는 제 3 전자수송층(HTL3, 1470)과, 제 3 전자수송층(1470)과 제 2 전극(1130) 사이에 위치하는 전자주입층(HIL, 1480) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 3 발광부(1420)는 제 3 정공수송층(1460)과 제 3 발광물질층(1440) 사이에 위치하는 제 3 전자차단층(EBL3, 1465)과 제 3 발광물질층(1440)과 제 3 전자수송층(1470) 사이에 위치하는 제 3 정공차단층(1475) 중에서 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.

제 1 전하생성층(1280)은 제 1 발광부(1220)와 제 2 발광부(1320) 사이에 위치한다. 즉, 제 1 발광부(1220)와 제 2 발광부(1320)는 제 1 전하생성층(1280)에 의해 연결된다. 제 1 전하생성층(1280)은 제 1 N형 전하생성층(1282)과 제 1 P형 전하생성층(1284)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다.

제 1 N형 전하생성층(1282)은 제 1 전자수송층(1270)과 제 2 정공수송층(1360) 사이에 위치하고, 제 1 P형 전하생성층(1284)은 제 1 N형 전하생성층(1282)과 제 2 정공수송층(1360) 사이에 위치한다. 제 1 N형 전하생성층(1282)은 전자를 제 1 발광부(1220)의 제 1 발광물질층(1240)으로 전달하고, 제 1 P형 전하생성층(1284)은 정공을 제 2 발광부(1320)의 제 2 발광물질층(1340)으로 전달한다.

제 2 전하생성층(1380)은 제 2 발광부(1320)와 제 3 발광부(1420) 사이에 위치한다. 즉, 제 2 발광부(1320)와 제 3 발광부(1420)는 제 2 전하생성층(1380)에 의해 연결된다. 제 2 전하생성층(1380)은 제 2 N형 전하생성층(1382)과 제 2 P형 전하생성층(1384)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다.

제 2 N형 전하생성층(1382)은 제 2 전자수송층(1370)과 제 3 정공수송층(1460) 사이에 위치하고, 제 2 P형 전하생성층(1384)은 제 2 N형 전하생성층(1382)과 제 3 정공수송층(1460) 사이에 위치한다. 제 2 N형 전하생성층(1382)은 전자를 제 2 발광부(1320)의 제 2 발광물질층(1340)으로 전달하고, 제 2 P형 전하생성층(1384)은 정공을 제 3 발광부(1420)의 제 3 발광물질층(1440)으로 전달한다.

본 실시형태에서, 제 1 내지 제 3 발광물질층(1240, 1340, 1440) 중에서 하나는 청색 발광물질층이고, 제 1 내지 제 3 발광물질층(1240, 1340, 1440) 중에서 다른 하나는 녹색 발광물질층이고, 제 1 내지 제 3 발광물질층(1240, 1340, 1440) 중에서 나머지는 적색 발광물질층일 수 있다.

일례로, 제 1 발광물질층(1240)은 청색 발광물질층이고, 제 2 발광물질층(1340)은 녹색 발광물질층이며, 제 3 발광물질층(1440)은 적색 발광물질층일 수 있다. 이와 달리, 제 1 발광물질층(1240)은 적색 발광물질층이고, 제 2 발광물질층(1340)은 녹색 발광물질층이며, 제 3 발광물질층(1440)은 청색 발광물질층일 수 있다.

제 1 발광물질층(1240)이 청색 발광물질층인 경우, 제 1 발광물질층(1240)은 제 1 전자차단층(1265)과 제 1 정공차단층(1275) 사이에 위치하는 제 1 하부 발광물질층(1242, 제 1 층)과, 제 1 하부 발광물질층(1242)과 제 1 정공차단층(1275) 사이에 위치하는 제 1 상부 발광물질층(1244, 제 2 층)을 포함할 수 있다. 제 1 하부 발광물질층(1242)은 화합물 1 내지 화합물 3을 포함하여 TADF를 구현하고, 제 1 상부 발광물질층(1244)은 화합물 4 내지 화합물 6을 포함하여 TTA를 구현한다.

이와 달리, 제 1 발광물질층(1240)이 적색 발광물질층인 경우, 제 1 발광물질층(1240)은 단층 구조를 가질 수 있다. 이때, 제 1 발광물질층(1240)은 호스트와 적색 도펀트를 포함할 수 있다. 호스트는 제 1 화합물 및/또는 제 4 화합물을 포함하고, 적색 도펀트는 적색 인광 물질, 적색 형광 물질 및 적색 지연형광물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제 2 발광물질층(1340)은 호스트와 녹색 도펀트를 포함할 수 있다. 호스트는 제 1 화합물 및/또는 제 4 화합물을 포함하고, 녹색 도펀트는 녹색 인광 물질, 녹색 형광 물질 및 녹색 지연형광물질 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제 3 발광물질층(1440)이 청색 발광물질층인 경우, 제 3 발광물질층(1440)은 제 3 전자차단층(1465)과 제 3 정공차단층(1475) 사이에 위치하는 제 2 하부 발광물질층(1442, 제 1 층)과, 제 2 하부 발광물질층(1442)과 제 3 정공차단층(1475) 사이에 위치하는 제 2 상부 발광물질층(1444, 제 2 층)을 포함할 수 있다. 제 2 하부 발광물질층(1442)은 화합물 1 내지 화합물 3을 포함하여 TADF를 구현하고, 제 2 상부 발광물질층(1444)은 화합물 4 내지 화합물 6을 포함하여 TTA를 구현한다.

이와 달리, 제 3 발광물질층(1440)이 적색 발광물질층인 경우, 제 3 발광물질층(1440)은 단층 구조를 가질 수 있다. 이때, 제 3 발광물질층(1440)은 호스트와 적색 도펀트를 포함할 수 있다. 호스트는 제 1 화합물 및/또는 제 4 화합물을 포함하고, 적색 도펀트는 적색 인광 물질, 적색 형광 물질 및 적색 지연형광물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이때, TADF를 구현하는 제 1 및 제 2 하부 발광물질층(1242, 1442) 각각에서 제 1 화합물의 중량비는 제 2 화합물의 중량비보다 크고, 제 2 화합물의 중량비는 제 3 화합물의 중량비보다 클 수 있다. 제 2 화합물의 중량비가 제 3 화합물의 중량비보다 큰 경우, 제 2 화합물로부터 제 3 화합물로 FRET 메커니즘에 의한 에너지 전달이 충분히 일어날 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 하부 발광물질층(1242, 1442) 중에 제 1 화합물은 60 내지 75 중량%, 제 2 화합물은 20 내지 40 중량%, 제 3 화합물은 0.1 내지 5 중량%의 비율로 포함될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

한편, TTA를 구현하는 제 1 및 제 2 상부 발광물질층(1244, 1444) 각각에서 제 4 화합물의 중량비는 제 5 화합물의 중량비보다 클 수 있다. 제 1 및 제 2 상부 발광물질층(1244, 1444) 중에 제 4 화합물은 70 내지 99 중량%, 예를 들어 90 내지 99 중량%, 제 5 화합물은 1 내지 30 중량%, 예를 들어 1 내지 10 중량%의 비율로 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

유기발광다이오드(D4)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3, 도 14 참조)에서 백색을 발광하며, 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에 대응되게 형성되는 컬러필터층(1020, 도 11 참조)을 통과한다. 이에 따라, 유기발광표시장치(1000, 도 11 참조)는 풀-컬러 영상을 구현할 수 있다.

도 13은 본 발명의 예시적인 제 5 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 유기발광다이오드(D5)는 서로 마주하는 제 1 전극(1110) 및 제 2 전극(1130)과, 제 1 및 제 2 전극(1110, 1130) 사이에 위치하는 발광층(1120A)을 포함한다.

제 1 전극(1110)은 양극일 수 있고, 제 2 전극(1130)은 음극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(1110)은 투과전극이고, 제 2 전극(1130)은 반사전극일 수 있다.

발광층(1120A)은 제 1 발광물질층(1540)을 포함하는 제 1 발광부(1520)와, 제 2 발광물질층(1640)을 포함하는 제 2 발광부(1620)와, 제 3 발광물질층(1740)을 포함하는 제 3 발광부(1720)를 포함한다. 또한, 발광층(1120A)은 제 1 발광부(1520)와 제 2 발광부(1620) 사이에 위치하는 제 1 전하생성층(1580)과, 제 2 발광부(1620)와 제 3 발광부(1720) 사이에 위치하는 제 2 전하생성층(1680)을 더욱 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 발광부(1520), 제 1 전하생성층(1580), 제 2 발광부(1620), 제 2 전하생성층(1680) 및 제 3 발광부(1720)가 제 1 전극(1110) 상에 순차 적층된다.

제 1 발광부(1520)를 구성하는 제 1 발광물질층(1540)은 제 1 하부 발광물질층(1542, 제 1 층)과 제 1 상부 발광물질층(1544, 제 2 층)을 포함한다. 즉, 제 1 하부 발광물질층(1542)은 제 1 전극(1110)에 근접하게 위치하고, 제 1 상부 발광물질층(1544)은 제 2 전극(1130)에 근접하게 위치한다. 제 1 발광부(1520)는 제 1 전극(1110)과 제 1 발광물질층(1540) 사이에 위치하는 제 1 정공수송층(HTL1, 1560)과, 제 1 전극(1110)과 제 1 정공수송층(1560) 사이에 위치하는 정공주입층(HIL, 1550)과, 제 1 발광물질층(1540)과 제 1 전하생성층(1580) 사이에 위치하는 제 1 전자수송층(ETL1, 1570) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 1 발광부(1520)는 제 1 정공수송층(1560)과 제 1 발광물질층(1540) 사이에 위치하는 제 1 전자차단층(EBL1, 1565)과 제 1 발광물질층(1540)과 제 1 전자수송층(1570) 사이에 위치하는 제 1 정공차단층(1575, HBL1) 중에서 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.

제 2 발광부(1620)를 구성하는 제 2 발광물질층(1640)은 제 2 하부 발광물질층(1642)과 제 2 상부 발광물질층(1644)을 포함한다. 즉, 제 2 하부 발광물질층(1642)은 제 1 전극(1110)에 근접하게 위치하고, 제 2 상부 발광물질층(1644)은 제 2 전극(1130)에 근접하게 위치한다. 또한, 제 2 발광부(1620)는 제 1 전하생성층(1580)과 제 2 발광물질층(1640) 사이에 위치하는 제 2 정공수송층(HTL2, 1660)과, 제 2 발광물질층(1640)과 제 2 전하생성층(1680) 사이에 위치하는 제 2 전자수송층(ETL2, 1670) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 2 발광부(1620)는 제 2 정공수송층(1660)과 제 2 발광물질층(1640) 사이에 위치하는 제 2 전자차단층(EBL2, 1665)과 제 2 발광물질층(1640)과 제 2 전자수송층(1670) 사이에 위치하는 제 2 정공차단층(HBL2, 1675) 중에서 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.

제 3 발광부(1720)를 구성하는 제 3 발광물질층(1740)은 제 3 하부 발광물질층(1742, 제 1 층)과 제 3 상부 발광물질층(1744, 제 2 층)을 포함한다. 즉, 제 3 하부 발광물질층(1742)은 제 1 전극(1110)에 근접하게 위치하고, 제 3 상부 발광물질층(1744)은 제 2 전극(1130)에 근접하게 위치한다. 제 3 발광부(1720)는 제 2 전하생성층(1680)과 제 3 발광물질층(1740) 사이에 위치하는 제 3 정공수송층(HTL3, 1760)과, 제 3 발광물질층(1740)과 제 2 전극(1130) 사이에 위치하는 제 3 전자수송층(HTL3, 1770)과, 제 3 전자수송층(1770)과 제 2 전극(1130) 사이에 위치하는 전자주입층(HIL, 1780) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 3 발광부(1720)는 제 3 정공수송층(1760)과 제 3 발광물질층(1740) 사이에 위치하는 제 3 전자차단층(EBL3, 1765)과 제 3 발광물질층(1740)과 제 3 전자수송층(1770) 사이에 위치하는 제 3 정공차단층(1775) 중에서 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.

제 1 전하생성층(1580)은 제 1 발광부(1520)와 제 2 발광부(1620) 사이에 위치한다. 즉, 제 1 발광부(1520)와 제 2 발광부(1620)는 제 1 전하생성층(1580)에 의해 연결된다. 제 1 전하생성층(1580)은 제 1 N형 전하생성층(1582)과 제 1 P형 전하생성층(1584)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다. 제 1 N형 전하생성층(1582)은 제 1 전자수송층(1570)과 제 2 정공수송층(1660) 사이에 위치하고, 제 1 P형 전하생성층(1584)은 제 1 N형 전하생성층(1582)과 제 2 정공수송층(1660) 사이에 위치한다.

제 2 전하생성층(1680)은 제 2 발광부(1620)와 제 3 발광부(1720) 사이에 위치한다. 즉, 제 2 발광부(1620)와 제 3 발광부(1720)는 제 2 전하생성층(1680)에 의해 연결된다. 제 2 전하생성층(1680)은 제 2 N형 전하생성층(1682)과 제 2 P형 전하생성층(1684)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다. 제 2 N형 전하생성층(1682)은 제 2 전자수송층(1670)과 제 3 정공수송층(1760) 사이에 위치하고, 제 2 P형 전하생성층(1684)은 제 2 N형 전하생성층(1682)과 제 3 정공수송층(1760) 사이에 위치한다. 예시적인 측면에서, 제 1 및 제 2 N형 전하생성층(1584, 1684) 중에서 적어도 어느 하나는 화학식 1 내지 화학식 3의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함할 수 있다.

본 실시형태에서, 제 1 발광물질층(1540)과 제 3 발광물질층(1740)은 각각 청색 발광물질층일 수 있다. 예시적인 측면에서, 제 1 및 제 3 발광물질층(1540, 1740)은 각각 화합물 1 내지 화합물 3을 포함하여 TADF를 구현하는 하부 발광물질층(1542, 1742)와, 화합물 4 내지 화합물 5를 포함하여 TTA를 구현하는 상부 발광물질층(1544, 1744)를 포함한다.

이때, TADF를 구현하는 제 1 및 제 3 하부 발광물질층(1542, 1742) 각각에서 제 1 화합물의 중량비는 제 2 화합물의 중량비보다 크고, 제 2 화합물의 중량비는 제 3 화합물의 중량비보다 클 수 있다. 제 2 화합물의 중량비가 제 3 화합물의 중량비보다 큰 경우, 제 2 화합물로부터 제 3 화합물로 FRET 메커니즘에 의한 에너지 전달이 충분히 일어날 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 3 하부 발광물질층(1542, 1742) 중에 제 1 화합물은 60 내지 75 중량%, 제 2 화합물은 20 내지 40 중량%, 제 3 화합물은 0.1 내지 5 중량%의 비율로 포함될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

한편, TTA를 구현하는 제 1 및 제 3 상부 발광물질층(1544, 1744) 각각에서 제 4 화합물의 중량비는 제 5 화합물의 중량비보다 클 수 있다. 제 1 및 제 3 상부 발광물질층(1544, 1744) 중에 제 4 화합물은 70 내지 99 중량%, 예를 들어 90 내지 99 중량%, 제 5 화합물은 1 내지 30 중량%, 예를 들어 1 내지 10 중량%의 비율로 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

제 2 발광물질층(1640)을 구성하는 제 2 하부 발광물질층(1642)과 제 2 상부 발광물질층(1644) 중 하나는 녹색 발광물질층이고, 제 2 발광물질층(1640)을 구성하는 제 2 하부 발광물질층(1642)과 제 2 상부 발광물질층(1644) 중 하나는 적색 발광물질층일 수 있다. 즉, 녹색 발광물질층과 적색 발광물질층이 연속하여 적층됨으로써, 제 2 발광물질층(1640)을 이룬다.

예를 들어, 녹색 발광물질층인 제 2 하부 발광물질층(1642)은 호스트와 녹색 도펀트를 포함할 수 있다. 호스트는 제 1 화합물 및/또는 제 4 화합물을 포함하고, 녹색 도펀트는 녹색 인광 물질, 녹색 형광 물질 및 녹색 형광 물질 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

한편, 적색 발광물질층인 제 2 상부 발광물질층(1644)은 호스트와 적색 도펀트를 포함할 수 있다. 호스트는 제 1 화합물 및/또는 제 4 화합물을 포함하고, 적색 도펀트는 적색 인광 물질, 적색 형광 물질 및 적색 지연형광물질 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

유기발광다이오드(D5)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3, 도 11 참조) 모두에서 백색을 발광하며, 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에서 컬러필터층(1020, 도 11 참조)를 통과함으로써, 유기발광표시장치(1000, 도 11 참조)는 풀-컬러 영상을 구현할 수 있다.

도 13에서, 유기발광다이오드(D5)는 청색 발광물질층인 제 1 및 제 3 발광물질층(1540, 1740)을 각각 포함하여, 제 1 내지 제 3 발광부(1520, 1620, 1720)를 포함하여 3중 스택 구조를 갖는다. 이와 달리, 제 1 및 제 3 발광물질층(1540, 1740)를 각각 포함하는 제 1 및 제 3 발광부(1520, 1720) 중 어느 하나가 생략되고, 유기발광다이오드(D5)는 이중 스택 구조를 가질 수 있다.

이하, 예시적인 실시형태를 통하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다.

실시예 1: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층이 TADF를 구현하고, 제 2 발광물질층이 TTA를 구현하는 유기발광다이오드를 제조하였다. 제 1 발광물질층의 제 1 호스트는 화학식 2의 1-1 화합물(2,6-di(9H-carbazol-9-yl)pyridine, 2,6-CzPy, LUMO: -2.6 eV, HOMO: -5.7 eV), 열활성지연형광물질은 화학식 4의 2-1 화합물(TDBA-DI, LUMO: -2.6 eV, HOMO: -5.5 eV)을 사용하였고, 제 2 발광물질층의 제 2 호스트는 화학식 10의 5-1 화합물(TBADN, LUMO: -2.6 eV, HOMO: -5.5 eV)를 사용하였다. 제 1 발광물질층 및 제 2 발광물질층의 형광 물질은 화학식 6-1의 3-1 화합물(DNBAN-2, LUMO: -2.8 eV, HOMO: -5.4 eV)를 각각 사용하였다. 또한, 전자차단층은 TAPC(LUMO: -2.0 eV, HOMO: -5.5 eV)를 사용하였다.

ITO 부착 기판을 사용하기 전에 UV 오존으로 세척하고, 증발 시스템에 적재하였다. 기판 상부에 다른 층들을 증착하기 위하여 증착 챔버 내부로 이송하였다. 약 10^-7 Torr 진공 하에 가열 보트로부터 증발에 의해 다음과 같은 순서로 유기물층을 증착하였다. 이때, 유기물의 증착 속도는 1 Å/s로 설정하였다.

ITO; 정공주입층(HAT-CN, 두께 7 nm), 정공수송층(NPB, 두께 78 nm), 전자차단층(TAPC, 두께 15 nm), 제 1 발광물질층(2,6-CzPy: TDBA-DI: DABNA-2 = 69: 30: 1 중량%, 두께 15 nm), 제 2 발광물질층(TBADN: DABNA-2 = 97:3 중량%, 두께 15 nm), 정공차단층(B3PYMPM, 두께 10 nm), 전자차단층(TPBi, 두께 25 nm), 전자주입층(LiF), 음극(Al).

CPL(capping layer)을 성막한 뒤에 유리로 인캡슐레이션 하였다. 발광층 및 음극을 증착한 후, 피막을 형성하기 위하여 증착 챔버에서 건조 박스 내로 옮기고 후속적으로 UV 경화 에폭시 및 수분 게터(getter)를 사용하여 인캡슐레이션 하였다. LUMO^H1 - HOMO^TD = 2.9 eV, HOMO^H1 - HOMO^EBL = -0.2 eV.

실시예 2: 유기발광다이오드 제조

제 2 발광물질층의 제 2 호스트로서 TBADN을 대신하여, 화학식 10의 5-2 화합물(ADN, LUMO: -2.6 eV, HOMO: -5.8 eV)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실시예 3: 유기발광다이오드 제조

제 2 발광물질층의 제 2 호스트로서 TBADN을 대신하여, 화학식 10의 5-3 화합물(PADN)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실시예 4: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층의 제 1 호스트로서 2,6-CzPy를 대신하여, 화학식 2의 1-2 화합물(2,6-di(9H-3,9'-bicarbazol-9-yl)pyridine, LUMO: -2.3 eV, HOMO: -5.5 eV)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다. LUMO^H1 - HOMO^TD = 3.1 eV, HOMO^H1 - HOMO^EBL = 0.0 eV).

실시예 5: 유기발광다이오드 제조

제 2 발광물질층의 제 2 호스트로서 TBADN을 대신하여, 화학식 10의 5-2 화합물(ADN)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 4와 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실시예 6: 유기발광다이오드 제조

제 2 발광물질층의 제 2 호스트로서 TBADN을 대신하여, 화학식 10의 5-3 화합물(PADN)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 4와 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실시예 7: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층의 제 1 호스트로서 2,6-CzPy를 대신하여, 화학식 2의 1-3 화합물(9-(6-(9H-carbazol-9-yl)pyridin-2-yl)-9H-3,9'-bicarbazole, LUMO: -2.3 eV, HOMO = -5.4 eV)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다. LUMO^H1 - HOMO^TD = 3.2 eV, HOMO^H1 - HOMO^EBL = 0.1 eV).

실시예 8: 유기발광다이오드 제조

제 2 발광물질층의 제 2 호스트로서 TBADN을 대신하여, 화학식 10의 5-2 화합물(ADN)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 7과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실시예 9: 유기발광다이오드 제조

제 2 발광물질층의 제 2 호스트로서 TBADN을 대신하여, 화학식 10의 5-3 화합물(PADN)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 7과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실시예 10: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층의 두께를 20 nm, 제 2 발광물질층의 두께를 10 nm로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실시예 11: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층의 두께를 10 nm, 제 2 발광물질층의 두께를 20 nm로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실시예 12: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층의 두께를 7.5 nm, 제 2 발광물질층의 두께를 22.5 nm로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실시예 13: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층의 두께를 5 nm, 제 2 발광물질층의 두께를 25 nm로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실시예 14: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층의 두께를 2.5 nm, 제 2 발광물질층의 두께를 27.5 nm로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

비교예 1: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층의 제 1 호스트로서 2,6-CzPy를 대신하여, 트리아진계 호스트인 비교 호스트 1(SF3-TRZ, LUMO: -3.1 eV, HOMO: -6.5 eV)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다. LUMO^H1 - HOMO^TD = 2.4 eV, HOMO^H1 - HOMO^EBL = -1.0 eV.

비교예 2: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층이 TTA를 구현하고, 제 1 발광물질층이 TADF를 구현하는 유기발광다이오드를 제조하였다. 제 1 발광물질층(TABDN: DNBNA-2 = 97:3 중량%; 두께 15 nm)과 제 2 발광물질층(2,6-CzPy: TDBA-DI: DABNA-2 = 69: 30: 1 중량%, 두께 15 nm)을 변경한 것을 제외하고, 실시예 1 과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

비교예 3: 유기발광다이오드 제조

제 1 발광물질층이 TTA를 구현하고, 제 1 발광물질층이 TADF를 구현하는 유기발광다이오드를 제조하였다. 제 2 발광물질층의 호스트로 2,6-CzPy를 대신하여, 트리아진계 호스트인 SF3-TRZ를 사용한 것을 제외하고, 비교예 2와 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

비교예 4: TADF 단일 발광물질층의 유기발광다이오드 제조

TADF를 구현하는 단일발광물질층을 가지는 유기발광다이오드를 제조하였다. 단일 발광물질층(2,6-CzPy: TDBA-DI: DABNA-2 = 69: 30: 1 중량%, 두께 30 nm)을 적용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

비교예 5: TTA 단일 발광물질층의 유기발광다이오드 제조

TTA를 구현하는 단일발광물질층을 가지는 유기발광다이오드를 제조하였다. 단일 발광물질층(TBADN: DABNA-2 = 97:3 중량%, 두께 30 nm)을 적용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질 및 절차를 반복하여 유기발광다이오드를 제조하였다.

실험예 1: 유기발광다이오드의 발광 특성 측정

실시예 1 내지 실시예 14와 비교예 1 내지 비교예 5에서 각각 제작된 유기발광다이오드를 대상으로 광학 특성을 측정하였다. 9 ㎟의 방출 영역을 갖는 각각의 유기발광다이오드를 외부전력 공급원에 연결하였으며, 전류 공급원(KEITHLEY) 및 광도계(PR 650)를 사용하여 실온에서 소자 특성을 평가하였다. 8.6 ㎃/㎠의 전류밀도에서 각각의 유기발광다이오드의 구동 전압(V), 전류효율(cd/A), 전력효율(lm/W), 외부양자효율(EQE, %)을 측정하였고, 300 nit에서 휘도가 초기 대비 90% 수준으로 감소하기까지 시간(T₉₀)을 측정하였다. 본 실험예에 따라 측정한 각각의 유기발광다이오드에 대한 발광 특성 측정 결과를 표 1 및 도 14에 나타낸다.

유기발광다이오드의 발광 특성

샘플	V	cd/A	lm/W	EQE (%)	T₉₀ (시간)
비교예 1	3.49	9.9	7.4	6.2	~120
비교예 2	4.54	16.6	11.4	8.9	~600
비교예 3	3.72	16.0	13.5	9.0	~100
비교예 4	4.12	39.0	29.8	19.9	~300
비교예 5	4.08	7.1	5.5	8.5	~2300
실시예 1	4.11	30.1	24.0	18.2	~600
실시예 2	4.02	18.7	14.6	14.3	~490
실시예 3	4.05	20.3	15.8	12.1	~530
실시예 4	4.30	31.6	23.1	14.8	~450
실시예 5	4.22	22.6	16.8	15.0	~440
실시예 6	4.20	25.7	19.2	16.0	~410
실시예 7	4.18	27.8	20.9	17.0	~400
실시예 8	4.14	28.5	21.7	17.4	~390
실시예 9	4.10	23.6	17.9	15.6	~440
실시예 10	4.12	34.6	26.2	19.0	~460
실시예 11	4.11	27.1	21.7	17.3	~820
실시예 12	4.11	23.4	16.7	15.8	~1200
실시예 13	4.10	16.8	14.5	15.1	~1500
실시예 14	4.09	9.3	9.2	12.6	~1800

표 1에 나타낸 바와 같이, 전자 결합 특성이 상대적으로 강한 트리아진계 호스트를 제 1 발광물질층에 도입한 비교예 1의 유기발광다이오드와 비교하여, 실시예 1-14에서 제조된 유기발광다이오드의 전류효율, 전력효율, 외부양자효율 및 발광 수명은 각각 최대 249.5%, 254.1%, 206.5%, 1400.0% 향상되었다. 제 1 발광물질층이 TTA를 구현하고, 제 2 발광물질층이 TADF를 구현하도록 설계된 비교예 2의 유기발광다이오드와 비교하여, 실시예 1-14에서 제조된 유기발광다이오드의 구동전압은 최대 11.5% 감소하였고, 전류효율, 전력효율, 외부양자효율 및 발광 수명은 각각 최대 108.4%, 129.8%, 113.5%, 757.1% 향상되었다. 제 1 발광물질층이 TTA를 구현하고, 제 2 발광물질층에 트리아진계 호스트를 도입하여 TADF를 구현하도록 설계된 비교예 3의 유기발광다이오드와 비교하여, 실시예 1-14에서 제조된 유기발광다이오드의 전류효율, 전력효율, 외부양자효율 및 발광 수명은 각각 최대 116.3%, 94.1%, 111.1%, 1700.0% 향상되었다.

또한, TADF만을 구현하도록 설계된 비교예 4의 유기발광다이오드와 비교해서, 실시예 1-14에서 제조된 유기발광다이오드의 발광 수명은 최대 6배 향상되었다. 또한, TTA만을 구현하도록 설계된 비교예 5의 유기발광다이오드와 비교해서, 실시예 1-14에서 제조된 유기발광다이오드의 전류효율, 전력효율 및 외부양자효율은 각각 최대 387.3%, 376.4%, 123.5% 향상되었다.

한편, 도 14에 나타낸 바와 같이, TADF만을 구현하도록 설계된 비교예 4의 유기발광다이오드는 전류밀도가 증가할수록 외부양자효율이 급속하게 저하되는 것을 확인하였다. 반면, 실시예에 따라 제조된 유기발광다이오드는 전류밀도의 증가에 따른 외부양자효율의 감소 비율은 훨씬 적었으며, 고전류에서는 비교예 4의 유기발광다이오드에 비하여 외부양자효율이 향상된 것을 확인하였다. 반면, TTA만을 구현하도록 설계된 비교예 5의 유기발광다이오드는 전류밀도 증가에 따른 외부양자효율의 변화가 거의 없다는 것을 확인하였다.

상기에서는 본 발명의 예시적인 실시형태 및 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시형태 및 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되는 것은 아니다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 실시형태 및 실시예를 토대로 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다. 하지만, 이러한 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다는 점은, 첨부하는 청구범위에서 분명하다.

100, 500, 1000: 유기발광표시장치
210, 610, 1110: 제 1 전극
220, 220A, 620, 1120: 발광층
230, 630, 1130: 제 2 전극
240, 340, 440, 1240, 1340, 1440, 1540, 1640, 1740: 발광물질층
D, D1, D2, D3, D4, D5: 유기발광다이오드
Tr: 박막트랜지스터

Claims

제 1 전극;
상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극; 및
상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층을 포함하고,
상기 발광물질층은 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 제 1 발광물질층과, 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 2 발광물질층을 포함하고,
상기 제 1 발광물질층은 제 1 화합물, 제 2 화합물 및 제 3 화합물을 포함하고, 상기 제 2 발광물질층은 제 4 화합물 및 제 5 화합물을 포함하며,
상기 제 1 화합물은 하기 화학식 1의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하고, 상기 제 2 화합물은 하기 화학식 3의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하며, 상기 제 4 화합물은 하기 화학식 9의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 1]

화학식 1에서, R₁은 카바졸일기, 아크리디닐기, 디하이드로 아크리디닐기, 페나지닐기, 페녹사지닐기 및 벤조벤조이미다조이미다졸일기로 구성되는 군에서 선택되는 축합 헤테로 방향족 작용기이며, 상기 헤테로 방향족 작용기는 치환되지 않거나 C₁-C₁₀ 알킬기 및 카바졸일기 중에서 적어도 어느 하나의 작용기로 치환됨; R₂는 페닐기, 나프틸기, 안트라세닐기, 카바졸일기, 카보닐기 및 C₆-C₂₀ 아릴 아미노기로 구성되는 군에서 선택되며, 상기 R₂를 구성하는 방향족 또는 헤테로 방향족 고리는 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기 및 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 중에서 적어도 하나의 작용기로 치환됨; R₃ 내지 R₅는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기 또는 시아노기임; p, q, r은 각각 독립적으로 0 또는 1의 정수임.
[화학식 3]

화학식 3에서, R₁₁ 및 R₁₂는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기, 또는 카바졸일 모이어티, 아크리디닐 모이어티, 디하이드로 아크리디닐 모이어티, 페나지닐 모이어티 및 페녹사지닐 모이어티로 구성되는 군에서 선택되는 축합 헤테로 방향족 작용기이며, 상기 축합 헤테로 방향족 작용기는 치환되지 않거나 C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환되거나, 스파이로 구조를 형성하며, R₁₁ 및 R₁₂ 중에서 적어도 하나는 축합 헤테로 방향족 작용기임; R₁₃과 R₁₄는 각각 독립적으로 직접 또는 C₆-C₂₀ 아릴렌 고리를 통하여 연결되는 C₆-C₂₀ 아릴기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기이며, 상기 C₆-C₂₀ 아릴기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환되거나, 또는 R₁₃과 R₁₄는 서로 합쳐져서 적어도 하나의 산소 원자를 포함하는 축합 헤테로 방향족 고리를 형성하며, 상기 축합 헤테로 방향족 고리는 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기 및 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기로 구성되는 적어도 하나의 작용기로 치환됨.
[화학식 9]

화학식 9에서, R₃₁ 및 R₃₂는 각각 독립적으로 C₆-C₂₀ 아릴기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기이며, 상기 아릴기 및 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환됨; R₃₃ 및 R₃₄는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기임.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 화합물의 최저준위비점유분자궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO) 에너지 준위(LUMO^H1)와 상기 제 2 화합물의 최고준위점유분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO) 에너지 준위(HOMO^TD)는 하기 식 (1)을 충족하는 유기발광다이오드.
|LUMO^H1 - HOMO^TD| > 2.4 eV (1)
제 1항에 있어서, 상기 제 3 화합물 및 상기 제 5 화합물은 각각 하기 화학식 5 또는 하기 화학식 7의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 5]

화학식 5에서, R₂₁ 내지 R₂₄는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 또는 C₆-C₂₀ 아릴 아미노기이며, 상기 아릴기, 상기 헤테로 아릴기 및 상기 아릴 아미노기를 구성하는 방향족 고리 및 헤테로 방향족 고리는 각각 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환됨.
[화학식 7]

화학식 7에서, R₂₆ 및 R₂₇은 각각 독립적으로 C₆-C₂₀ 아릴 아미노기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴 아미노기이며, 상기 아릴 아미노기 및 상기 헤테로 아릴 아미노기를 구성하는 방향족 고리 및 헤테로 방향족 고리는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, 시아노기, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환됨.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 화합물은 하기 화학식 2의 구조를 가지는 어느 하나의 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 2]
제 1항에 있어서, 상기 제 2 화합물은 하기 화학식 4의 구조를 가지는 어느 하나의 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 4]
제 1항에 있어서, 상기 제 4 화합물은 하기 화학식 10의 구조를 가지는 어느 하나의 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 10]
제 1항에 있어서, 상기 제 3 화합물 및 상기 제 5 화합물은 각각 하기 화학식 6의 구조를 가지는 어느 하나의 유기 화합물 또는 하기 화학식 8의 구조를 가지는 어느 하나의 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 6]

[화학식 8]
제 1항에 있어서, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이에 위치하는 전자차단층을 더욱 포함하고, 상기 제 1 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^H1)와 상기 전자차단층을 구성하는 물질의 HOMO 에너지 준위(HOMO^EBL)는 하기 식 (2)를 충족하는 유기발광다이오드.
0 eV ≤ |HOMO^H1 - HOMO^EBL| < 0.8 eV (2)
제 1항에 있어서, 상기 제 2 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^TD)는 상기 제 3 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^FD1)보다 높은 유기발광다이오드.
제 1항에 있어서, 상기 제 4 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^H2)는 상기 제 5 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(S₁ ^FD2)보다 높고, 상기 제 4 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^H2)는 상기 제 5 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^FD2)보다 낮은 유기발광다이오드.
제 1 전극;
상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극; 및
상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 발광물질층을 포함하고,
상기 발광물질층은 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 제 1 발광물질층과, 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 2 발광물질층을 포함하고,
상기 제 1 발광물질층은 제 1 화합물, 제 2 화합물 및 제 3 화합물을 포함하고, 상기 제 2 발광물질층은 제 4 화합물 및 제 5 화합물을 포함하며,
상기 제 1 화합물은 하기 화학식 1의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하고, 상기 제 4 화합물은 하기 화학식 9의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하며, 상기 제 2 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^TD)와 여기 삼중항 에너지 준위(T_1TD)의 차이(ΔE_ST ^TD)는 0.3 eV 이하인 유기발광다이오드.
[화학식 1]

화학식 1에서, R₁은 카바졸일기, 아크리디닐기, 디하이드로 아크리디닐기, 페나지닐기, 페녹사지닐기 및 벤조벤조이미다조이미다졸일기로 구성되는 군에서 선택되는 축합 헤테로 방향족 작용기이며, 상기 헤테로 방향족 작용기는 치환되지 않거나 C₁-C₁₀ 알킬기 및 카바졸일기 중에서 적어도 어느 하나의 작용기로 치환됨; R₂는 페닐기, 나프틸기, 안트라세닐기, 카바졸일기, 카보닐기 및 C₆-C₂₀ 아릴 아미노기로 구성되는 군에서 선택되며, 상기 R₂를 구성하는 방향족 또는 헤테로 방향족 고리는 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기 및 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 중에서 적어도 하나의 작용기로 치환됨; R₃ 내지 R₅는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기 또는 시아노기임; X는 CR₆ 또는 질소 원자(N)이고, R₆는 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기 및 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨; p, q, r은 각각 독립적으로 0 또는 1의 정수임.
[화학식 9]

화학식 9에서, R₃₁ 및 R₃₂는 각각 독립적으로 C₆-C₂₀ 아릴기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기이며, 상기 아릴기 및 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환됨; R₃₃ 및 R₃₄는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기임.
제 11항에 있어서, 상기 제 1 화합물의 최저준위비점유분자궤도(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO) 에너지 준위(LUMO^H1)와 상기 제 2 화합물의 최고준위점유분자궤도(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO) 에너지 준위(HOMO^TD)는 하기 식 (1)을 충족하는 유기발광다이오드.
|LUMO^H1 - HOMO^TD| > 2.4 eV (1)
제 11항에 있어서, 상기 제 2 화합물은 하기 화학식 3의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 3]

화학식 3에서, R₁₁ 및 R₁₂는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₁-C₁₀ 알킬기, 또는 카바졸일 모이어티, 아크리디닐 모이어티, 디하이드로 아크리디닐 모이어티, 페나지닐 모이어티 및 페녹사지닐 모이어티로 구성되는 군에서 선택되는 축합 헤테로 방향족 작용기이며, 상기 축합 헤테로 방향족 작용기는 치환되지 않거나 C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환되거나, 스파이로 구조를 형성하며, R₁₁ 및 R₁₂ 중에서 적어도 하나는 축합 헤테로 방향족 작용기임; R₁₃과 R₁₄는 각각 독립적으로 직접 또는 C₆-C₂₀ 아릴렌 고리를 통하여 연결되는 C₆-C₂₀ 아릴기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기이며, 상기 C₆-C₂₀ 아릴기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환되거나, 또는 R₁₃과 R₁₄는 서로 합쳐져서 적어도 하나의 산소 원자를 포함하는 축합 헤테로 방향족 고리를 형성하며, 상기 축합 헤테로 방향족 고리는 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기 및 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기로 구성되는 적어도 하나의 작용기로 치환됨.
제 11항에 있어서, 상기 제 3 화합물 및 상기 제 5 화합물은 각각 하기 화학식 5 또는 하기 화학식 7의 구조를 가지는 유기 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
[화학식 5]

화학식 5에서, R₂₁ 내지 R₂₄는 각각 독립적으로 경수소, 중수소, 삼중수소, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 또는 C₆-C₂₀ 아릴 아미노기이며, 상기 아릴기, 상기 헤테로 아릴기 및 상기 아릴 아미노기를 구성하는 방향족 고리 및 헤테로 방향족 고리는 각각 치환되지 않거나, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환됨.
[화학식 7]

화학식 7에서, R₂₆ 및 R₂₇은 각각 독립적으로 C₆-C₂₀ 아릴 아미노기 또는 C₃-C₂₀ 헤테로 아릴 아미노기이며, 상기 아릴 아미노기 및 상기 헤테로 아릴 아미노기를 구성하는 방향족 고리 및 헤테로 방향족 고리는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, 시아노기, C₁-C₁₀ 알킬기, C₆-C₂₀ 아릴기, C₃-C₂₀ 헤테로 아릴기 및 이들의 조합으로 구성되는 작용기로 치환됨.
제 11항에 있어서, 상기 제 1 전극과 상기 제 1 발광물질층 사이에 위치하는 전자차단층을 더욱 포함하는 유기발광다이오드.
제 15항에 있어서, 상기 제 1 화합물의 HOMO 에너지 준위(HOMO^H1)와 상기 전자차단층을 구성하는 물질의 HOMO 에너지 준위(HOMO^EBL)는 하기 식 (2)를 충족하는 유기발광다이오드.
0 eV ≤ |HOMO^H1 - HOMO^EBL| < 0.8 eV (2)
제 11항에 있어서, 상기 제 1 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^H1)와 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^H1)는 각각 상기 제 2 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^TD)와 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^TD)보다 높은 유기발광다이오드.
제 11항에 있어서, 상기 제 2 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^TD)는 상기 제 3 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S₁ ^FD1)보다 높은 유기발광다이오드.
제 11항에 있어서, 상기 제 4 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(S₁ ^H2)는 상기 제 5 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(S₁ ^FD2)보다 높고, 상기 제 4 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^H2)는 상기 제 5 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T₁ ^FD2)보다 낮은 유기발광다이오드.
기판; 및
상기 기판 상에 위치하며, 청구항 제 1항 내지 제 19항 중에서 어느 하나의 청구항에 기재된 유기발광다이오드
를 포함하는 유기발광장치.