KR20210059578A - 발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법 - Google Patents

발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 발광 장치는, 기판, 기판 상에 형성된 제 1 전극, 제 1 전극 상에 형성되어, 광을 생성하는 발광층, 발광층 상에 형성된 제 2 전극 및 발광층과 제 2 전극 사이에 형성된 제 1 산화물층 및 제 1 산화물층과 제 2 전극 사이에 형성되며, 제 1 산화물층과 에너지 준위가 상이한 제 2 산화물층을 가지는 전자 주입층을 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 장치에 의하면, 전극으로부터 발광층으로의 전자의 이동을 용이하게 하거나, 발광층으로 이동하는 전자 및 정공의 균형을 조절할 수 있다. 이에, 발광 장치의 전기적 및 광학적 특성이 향상되는 효과가 있다.

Description

발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기적, 광학적 특성이 향상된 발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 차세대 디스플레이로 각광받는 유기 전계 발광 장치(Organic Light Emitting Device : OLED), 양자점 전계 발광 장치(Quantum-Dot Light Emitting Device : QD-LEDs) 등은 기존 백라이트에 의해 빛을 내고, 컬러필터에 의해 색상을 구현하는 액정 표시 장치와 다르게 자체적으로 총천연색의 빛을 발광할 수 있는 자발광 디스플레이다. 이와 같은 특징으로 유기 전계 발광 장치(OLED), 양자점 전계 발광 장치(QLED)는 별도의 광원을 필요로 하지 않기 때문에 박형 및 경량화, 자연스러운 총천연색 구현 등의 강점을 가진다.
이러한 디스플레이 장치에 있어서, 전기, 광학적 특성을 향상시키고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
한국공개특허 10-2009-0059486
본 발명은 전기적, 광학적 특성이 향상된 발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 전자의 주입 및 이동이 향상된 발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 장치는 기판; 상기 기판 상에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성되어, 광을 생성하는 발광층; 상기 발광층 상에 형성된 제 2 전극; 및 상기 발광층과 제 2 전극 사이에 형성된 제 1 산화물층 및 상기 제 1 산화물층과 제 2 전극 사이에 형성되며, 상기 제 1 산화물층과 에너지 준위가 상이한 제 2 산화물층을 가지는 전자 주입층;을 포함한다.
상기 제 1 산화물층의 에너지 준위가 상기 제 2 산화물층의 에너지 준위에 비해 클 수 있다.
상기 제 1 산화물층의 에너지 준위가 상기 제 2 산화물층의 에너지 준위에 비해 낮을 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 산화물층은 산화물 입자를 포함하고, 상기 산화물 입자의 입경은 1nm 내지 20nm일 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 산화물층 중 어느 하나는 ZnO로 이루어진 산화물 입자를 포함하고, 다른 하나는 ZnO에 금속이 도핑된 산화물 입자를 포함한다.
상기 ZnO에 도핑되는 금속은 Mg 또는 Ca이다.
상기 ZnO에 상기 금속을 도핑하는데 있어서, 상기 산화물 입자 전체에 대해, 상기 금속이 30wt% 이하가 되도록 도핑된다.
상기 제 1 전극과 상기 발광층 사이에 형성된 정공 수송층; 상기 발광층과 전자 주입층 사이에 형성된 전자 수송층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 장치의 제조 방법은, 기판 상에 제 1 전극, 발광층, 전자 주입층 및 제 2 전극을 순차적으로 적층 형성하는 과정을 포함하고,
상기 전자 주입층을 형성하는 과정은, 상기 발광층 상에 제 1 산화물층을 형성하는 과정; 및 상기 제 1 산화물층 상에 상기 제 1 산화물층과 에너지 준위가 다른 제 2 산화물층을 적층 형성하는 과정;을 포함한다.
상기 제 1 및 제 2 산화물층을 형성하는데 있어서, 상기 제 1 및 제 2 산화물층 중 어느 하나는 ZnO로 이루어진 산화물 입자를 포함하도록 형성하고, 다른 하나는 ZnO에 금속이 도핑된 산화물 입자를 포함하도록 형성하고, 상기 ZnO에 도핑되는 금속은 Mg 또는 Ca이다.
상기 제 1 및 제 2 산화물층을 형성하는데 있어서, 상기 산화물 입자의 입경이 1nm 내지 20nm가 되도록 형성한다.
상기 제 1 산화물층을 형성하는데 있어서, 상기 제 1 산화물층의 하지층을 어닐링하는 과정을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 장치에 의하면, 에너지 준위가 서로 상이한 제 1 및 제 2 산화물층 적층 형성하여 전자 주입층을 형성한다. 이에, 전극으로부터 발광층으로의 전자의 이동을 용이하게 하거나, 발광층으로 이동하는 전자 및 정공의 균형을 조절할 수 있다. 이에, 발광 장치의 전기적 및 광학적 특성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 발광 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 실험예들에 따른 산화물층의 에너지준위(eV)를 설명하기 위해, 밸런스 밴드(Valance Band; VB), 컨덕션 밴드(Conduction Band; CB) 및 밴드갭(Band Gap ; BG)을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3은 제 1 내지 제 3 실험예들에 따른 산화물층에 있어서, 파장에 따른 흡광도(Absorbance)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 3을 밴드갭 에너지에 따른 흡광도(Absorbance)로 변환한 그래프이다.
도 5는 제 1 내지 제 3 실험예들에 따른 산화물층을 광전자 분광법(UPS)으로 측정한 결과 그래프이다.
도 6은 제 1 내지 제 3 실험예들에 따른 산화물층의 밸런스 밴드 영역을 나타낸 그래프이다.
도 7은 제 4 내지 제 6 실험예들에 따른 전압(V)-전류밀도(mA/cm2) 그래프이고, 도 8은 도 7을 로그 스케일화 한 것이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 장치의 일부를 도시한 도면으로, 에너지 준위(electron volt; eV)에 따라 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 장치의 일부를 도시한 도면으로, 에너지 준위(eV)에 따라 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 도면은 과장될 수 있고, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 전기적, 광학적 특성이 향상된 발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 전자의 주입 및 이동이 향상된 발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 여기서, 발광 장치는 유기 전계 발광 장치(organic light-emitting devices; OLED) 또는 양자점 전계 발광 장치(quantum-dot light-emitting devices; QLED) 일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 발광 장치를 나타낸 도면이다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 장치에 대해 설명한다. 이때, 발광 장치로 유기 전계 발광 장치(Organic Light Emitting Device; OLED)를 예를 들어 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 장치는 기판(100), 기판(100) 상에 형성되며 양극(anode)로서 기능하는 제 1 전극(200), 제 1 전극(200) 상에 형성되며, 정공과 전자가 만나 여기되어 광이 발생되는 발광층(400), 발광층(400) 상에서 적층 형성되며, 에너지 준위가 서로 상이한 제 1 및 제 2 산화물층(610, 620)을 가지는 전자 주입층(600) 및 전자 주입층(600) 상에 형성되며 음극(cathode)으로서 기능하는 제 2 전극(700)을 포함한다.
그리고, 발광 장치는, 제 1 전극(200)과 발광층(400) 사이에 형성된 정공 수송층(300) 및 발광층(400)과 전자 주입층(600) 사이에 형성된 전자 수송층(500)을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 전극(200)과 정공 수송층(300) 사이에 형성된 정공 주입층(미도시)을 더 포함할 수도 수 있다.
기판(100)은 광 투과성의 특성을 가지는 유리(glass)일 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 기판(100)은 플랙서블한 필름을 사용할 수 있다. 플랙서블한 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트(PAR) 및 폴리이미드(PI) 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
제 1 전극(200)은 정공(hole)을 제공하는 양극(anode)으로서, 발광층(400)에서 생성된 광이 발광 장치 밖으로 방출될 수 있도록 투명 또는 반투명의 전도성 물질로 형성할 수 있다. 제 1 전극(200)은 예를들어 ITO(Indium-Tin-Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), AZO(ZnO:Al), GZO(ZnO:Ga), BZO(ZnO:B) 및 SnO2(SnO2:F) 중 어느 하나로 형성할 수 있다.
제 2 전극(700)은 전자를 공급하는 음극(cathode)으로서, 전기 전도성을 가지며, 발생된 광이 반사되어 제 1 전극(200)으로 향할 수 있도록 소정의 반사율을 가지는 금속 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 제 2 전극(700)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 마그네슘(Mg) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기에서는 제 1 전극(200)이 투광 특성을 가지고, 제 2 전극(700)이 높은 반사율을 가지도록 형성하여, 발광층(400)에서 생성된 광이 제 1 전극(200)을 투과하여 방출되는 것을 설명하였다. 하지만 이에 한정되지 않고, 제 1 전극(200)이 높은 반사율을 가지고, 제 2 전극(700)이 광투과 특성을 가지도록 형성하여, 광이 제 2 전극(700)을 투과하여 방출되도록 형성할 수도 있다.
상술한 제 1 및 제 2 전극(100, 700) 각각은 열증착(thermal evaporation) 방법, 전자빔증착(electron beam evaporation) 방법, 스퍼터링(sputtering) 증착 방법, PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법, ALD(atomic layer deposition) 중 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
정공 수송층(300)은 제 1 전극(200)으로부터 전달된 정공이 발광층(400)으로 원활하게 이동 즉, 수송될 수 있도록 하는 재료로 형성되며, 예를 들어 유기물 재료를 이용하여 형성할 수 있다. 보다 구체적인 예로, NPD(또는 NPB), TPD(N,N'-bis-(3-methylphenyl)-N,N'-bis-(phenyl)-benzidine), s-TAD 및 MTDATA(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine) 중 적어도 하나의 재료로 형성할 수 있다.
발광층(400)은 정공과 전자가 만나 여기되어 광이 발생되는 층으로서, 예컨대 유기물 재료로 형성될 수 있으며, 발생시키고자 하는 하는 색에 따라 그 유기물 재료가 선택될 수 있다. 즉, 발광층(400)은 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 및 백색(White) 중 어느 하나의 색이 발광되도록 형성될 수 있고, 인광 또는 형광 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
보다 구체적인 예를들어 설명하면, CBP(carbazole biphenyl) 또는 mCP(1,3-bis(carbazol-9-yl)를 포함하는 호스트 물질에 인광 또는 형광 도펀트를 도핑시켜 적색(Green)의 광을 발광시키는 발광층을 형성할 수 있다. 이때, 인광 도펀트로는 PIQIr(acac)(bis(1-phenylisoquinoline)acetylacetonate iridium), PQIr(acac)(bis(1-phenylquinoline)acetylacetonate iridium), PQIr(tris(1-phenylquinoline)iridium) 및 PtOEP(octaethylporphyrin platinum) 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 이용할 수 있다. 또한, 형광 도펀트로 PBD:Eu(DBM)3(Phen) 및 Perylene을 포함하는 재료를 이용할 수 있다.
또한, Alq3(hydroxyquinoline aluminum), CBP 및 mCP 중 적어도 어느 하나의 호스트 물질에 도펀트를 도핑시켜 녹색(Green)의 광을 발생시키는 발광층을 형성할 수 있다. 이때, 도펀트로 예컨대 Ir(ppy)3(fac tris(2-phenylpyridine)iridium)을 포함하는 재료를 사용할 수 있다.
다른 예로, 청색(Blue)을 발광시키고자 하는 경우, CBP 및 mCP 중 적어도 하나를 포함하는 호스트 물질에 FIrpic 및 (CF3ppy)2Ir(pic) 중 적어도 하나의 인광 도펀트를 도핑하여 발광층을 형성할 수 있다. 또한, spiro-DPVBi, spiro-6P, 디스틸벤젠(DSB), 디스트릴아릴렌(DSA), PFO계 고분자 및 PPV계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 형광 물질로 발광층을 형성할 수도 있다.
전자 수송층(500)은 전자 주입층(600)으로부터 전달된 전자를 발광층으로 전달하는 층으로서 예컨대 Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)aluminum), PBD, TAZ, spiro-PBD, BAlq 및 SAlq 중 적어도 하나의 유기물 재료로 형성할 수 있다.
정공 수송층(300), 발광층(400) 및 전자 수송층(500) 각각을 형성하는 재료는 상술한 재료에 특별히 한정되지 않으며, 각각의 기능을 수행할 수 있는 다양한 재료들이 사용될 수 있다.
또한, 상기에서는 정공 수송층(300), 발광층(400) 및 전자 수송층(500)이 유기물 재료로 형성되는 것을 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 무기물 재료로 형성될 수 있다.
그리고, 정공 수송층(300), 발광층(400) 및 전자 수송층(500)을 형성하는 재료는 고체 물질일 수 있고, 열증착(thermal evaporation) 방법, 전자빔증착(electron beam evaporation) 방법, 스퍼터링(sputtering) 증착 방법, PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법, ALD(atomic layer deposition) 중 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
또한, 정공 수송층(300), 발광층(400) 및 전자 수송층(500)은 고체 물질에 한정되지 않고, 액상의 물질로 형성될 수도 있는데, 이때 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 잉크젯 코팅(ink-jet coating) 및 스핀 캐스팅 방법으로 형성할 수도 있다.
전자 주입층(600)은 제 2 전극(700)으로부터 제공된 전자를 전자 수송층(500)으로 주입 또는 이송시키는 층으로서, 에너지 준위가 서로 상이한 제 1 및 제 2 산화물층(610, 620)을 포함한다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여, 상대적으로 전자 수송층(500)에 인접한 산화물층을 제 1 산화물층(610)이라 명명하고, 상대적으로 제 2 전극(700)에 인접한 산화물층을 제 2 산화물층(620)이라 명명한다.
제 1 및 제 2 산화물층(610, 620) 각각은 복수 또는 다수의 산화물 입자를 포함하는 박막으로 형성된다. 그리고, 제 1 및 제 2 산화물층(610, 620) 각각에 포함된 산화물 입자는 ZnO 입자이거나, ZnO 입자에 금속이 도핑된 입자일 수 있고, 도핑되는 금속은 Mg 또는 Ca 일 수 있다.
이하에서는 ZnO에 Mg가 도핑된 산화물 입자는 MgZnO로 표현하고, ZnO에 Ca가 도핑된 산화물 입자는 CaZnO로 표현하여 설명한다.
이를 반영하여, 보다 구체적으로 설명하면, 제 1 및 제 2 산화물층(610, 620) 중 어느 하나는 복수의 ZnO 입자를 포함하도록 형성되고, 다른 하나는 복수의 MgZnO 입자 또는 CaZnO 입자를 포함하도록 형성된다.
그리고, ZnO에 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca) 중 어느 하나의 금속이 도핑된 것을 전체(100wt%)로 할 때, 도핑된 금속이 30wt% 이하(0 wt% 초과)가 되도록 형성한다. 이를 다른 말로 설명하면, ZnO에 금속이 도핑된 것을 'ZnxY1-xO'로 표현할 때, Y는 Mg 또는 Ca 이고, 1-x는 0 초과, 0.3 이하일 수 있다.
그리고, 제 1 및 제 2 산화물층(610, 620) 각각에 포함된 산화물 입자의 입경은 나노미터(nm)의 크기이며, 1nm 내지 20nm, 보다 바람직하게는 3nm 내지 8nm가 되도록 형성한다.
제 1 및 제 2 산화물층(610, 620)에 포함된 산화물 입자의 크기가 나노미터(nm)가 되도록 형성하는 것은, 산화물 입자의 크기가 마이크로 미터(㎛)일 때에 비해 전기적 특성 즉, 전자의 이동도가 향상되기 때문이다.
한편, 산화물 입자의 입경이 20nm를 초과하도록 형성하는 경우, 산화물 입자에 의한 전기적 특성 향상 효과가 없거나, 미미하다. 그리고, 산화물 입자의 크기를 1nm 미만으로 마련하기는 어려운 문제가 있다. 이에, 산화물 입자의 입경이 1nm 내지 20nm, 보다 바람직하게는 3nm 내지 8nm가 되도록 형성한다.
제 1 및 제 2 산화물층(610, 620) 각각을 형성하기 위한 원료(이하, 산화물층 형성용 원료)는 졸-겔법으로 마련할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, ZnO 입자를 포함하는 산화물충 형성용 원료를 마련하는 경우, 먼저, Zn을 포함하는 전구체(이하, 제 1 소스 원료)를 제 1 용매에 용융시키고, 산소를 포함하는 전구체(이하, 반응 원료)를 제 2 용매에 용융시킨다. Zn을 포함하는 제 1 소스 원료로 zinc acetate dihydrate를 이용할 수 있고, 제 1 용매로 DMSO(dimethyl sulfoixde)를 이용할 수 있다. 그리고, 산소를 포함하는 반응 원료로 TMAH(tetramethylammoniumhydroixde), 제 2 용매로 에탄올을 이용할 수 있다. 그리고 제 1 소스 원료가 용해된 제 1 용매와, 반응 원료가 용해된 제 2 용매를 혼합시키고, 합성 및 침전 반응시킨다. 이때, 제 1 소스 원료와 반응 원료가 반응하여, 다수의 ZnO 입자가 생성되며, 이 ZnO 입자가 침전된다. 이에, 다수의 ZnO 입자가 포함되며, 액상 또는 페이스트 상태의 산화물층 형성용 원료가 마련된다.
다른 예로, ZnO에 Mg 또는 Ca가 도핑된 입자 즉, MgZnO 입자 또는 CaZnO 입자를 포함하는 산화물층 형성용 원료를 마련하는데 있어서, 제 1 소스 원료, 반응 원료, 제 1 및 제 2 용매는 상술한 재료와 동일하게 사용할 수 있다. 그리고, 금속 전구체가 더 추가되는데, Mg를 포함하는 전구체(이하, 제 2 소스 원료)로 magnesium　acetate tetrahydrate를 사용할 수 있고, Ca를 포함하는 전구체(이하, 제 2 소스 원료)로 calcium chloride를 사용할 수 있다.
산화물층 형성용 원료가 마련되면, 이를 전자 수송층(500) 상에 도포하여 산화물층을 형성한다. 이때, 스핀 코팅(Coating), 인쇄(printing) 방법으로 도포할 수 있다. 또한, 도포 전에 하지층 예컨대 전자 수송층(300)을 어닐링(annealing) 할 수 있다. 이와 같은 과정을 통해 전자 수송층(500) 상에 산화물층이 형성되며, 이 산화물층에는 ZnO 산화물 입자, MgZnO 산화물 입자, CaZnO 산화물 입자 중 어느 하나가 포함되어 있다.
도 2는 실험예들에 따른 산화물층의 에너지준위(eV)를 설명하기 위해, 밸런스 밴드(Valance Band; VB), 컨덕션 밴드(Conduction Band; CB) 및 밴드갭(Band Gap ; BG)을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 3은 제 1 내지 제 3 실험예들에 따른 산화물층에 있어서, 파장에 따른 흡광도(Absorbance)를 나타낸 그래프이다. 도 4는 도 3을 밴드갭 에너지에 따른 흡광도(Absorbance)로 변환한 그래프이다.
도 5는 제 1 내지 제 3 실험예들에 따른 산화물층을 광전자 분광법(UPS)으로 측정한 결과 그래프이다. 도 6은 제 1 내지 제 3 실험예들에 따른 산화물층의 밸런스 밴드 영역의 결합 에너지(eV)를 나타낸 그래프이다.
표 1은 제 1 내지 제 3 실험예에 따른 산화물층의 이차 전자 컷 오프 에너지(Ecut-off)(eV), 페르미 준위(eV), 밸런스 밴드 영역의 온셋 에너지(Eon-set)(eV), 밸런스 밴드의 최댓값 에너지(EMX-VB)(eV), 밴드갭 에너지(EBG)(eV), 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)(eV)를 정리하여 나타낸 것이다.
이차 전자 컷 오프 에너지(Ecut-off)(eV) 페르미 준위(eV) 밸런스 밴드 영역의 온셋 에너지(Eon-set)(eV) 밸런스 밴드의 최댓값 에너지(EMX-VB)(eV) 밴드갭 에너지(EBG)(eV) 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)(eV)
제 1 실험예 17.98 3.22 3.78 7.00 3.39 3.61
제 2 실험예 17.86 3.34 4.04 7.38 3.67 3.71
제 3 실험예 17.85 3.35 4.20 7.55 3.68 3.87
제 1 실험예는 ZnO 입자를 포함하는 산화물층이고, 제 2 및 제 3 실험예는 ZnO에 Mg가 도핑된 MgZnO 입자를 포함하는 산화물층이다. 그리고, 제 2 및 제 3 실험예는 도핑된 Mg 농도가 다른데, 제 2 실험예는 Mg 도핑 농도가 10wt%인 산화물층이고, 제 3 실험예는 Mg 도핑 농도가 15wt%인 산화물층이다.
제 1 내지 제 3 실험예에 따른 산화물층의 흡광도는 예컨대 도 3과 같고, 이를 변환하면 도 4와 같다.
도 3을 도 4와 같이 변환하는데 있어서, 아래 수식 1을 이용하였다.
[수식 1]
Figure pat00001
여기서, h는 플랑크 상수, c는 빛의 속도, λ는 파장이다. 그리고, E는 에너지(eV)이다.
도 4 및 표 1을 참조하면, 제 1 실험예의 밴드갭 에너지(EBG)는 3.39eV, 제 2 실험예의 밴드갭 에너지(EBG)는 3.67eV, 제 3 실험예의 밴드갭 에너지(EBG)는 3.68eV이다. 즉, ZnO 입자를 포함하는 산화물층(제 1 실험예)의 밴드갭 에너지(EBG)에 비해, Mg가 도핑된 MgZnO 입자를 포함하는 산화물층(제 2 및 제 3 실험예)의 밴드갭 에너지(EBG)가 큰 것을 알 수 있다.
도 5 및 및 표 1을 참조하면, 제 1 내지 제 3 실험예에 따른 산화물층의 이차 전자 컷 오프(Ecut-off) 에너지(Ecut-off)(eV)를 알 수 있다. 즉, 제 1 실험예는 이차 전자 컷 오프 에너지(Ecut-off)가 17.98eV, 제 2 실험예는 이차 전자 컷 오프 에너지(Ecut-off)가 17.86eV, 제 3 실험예는 이차 전자 컷 오프 에너지(Ecut-off)가 17.85eV 임을 알 수 있다.
그리고, 도 6 및 및 표 1을 참조하면, 제 1 내지 제 3 실험예의 밸런스 밴드 영역의 온셋 (on-set) 에너지(Eon-set)(eV)를 알 수 있다. 즉, 제 1 실험예는 밸런스 밴드 영역의 온셋 에너지(Eon-set)가 3.78eV, 제 2 실험예는 밸런스 밴드 영역의 온셋 에너지(Eon-set)가 4.04eV, 제 3 실험예는 밸런스 밴드 영역의 온셋 에너지(Eon-set)가 4.20eV 임을 알 수 있다.
도 5 및 도 6을 통해 검출 또는 도출된 이차 전자 컷 오프 에너지(Ecut-off) 및 밸런스 밴드 영역의 온셋 에너지(Eon-set)를 이용하면, 제 1 내지 제 3 실험예에 따른 산화물층에 대한 밸런스 밴드의 최댓값 에너지(EMX-VB)(eV)를 산출할 수 있다. 이때, 아래의 수식 2를 이용하여 밸런스 밴드의 최댓값 에너지(EMX-VB)(eV)를 산출할 수 있다.
[수식 2]
Figure pat00002
수식 2에서 EMX-VB는 밸런스 밴드의 최댓값 에너지, EI는 입사된 광자의 에너지로서 21.2eV 일 수 있고, Ecut-off는 이차 전자 컷 오프 에너지, Eon-set은 밸런스 밴드 영역의 온셋 에너지이다.
수식 2에 입사된 광자의 에너지(EI), 이차 전자 컷 오프 에너지(Ecut-off), 밸런스 밴드 영역의 온셋 에너지(Eon-set) 값을 적용하면, 밸런스 밴드의 최댓값 에너지(EMX-VB)가 산출된다. 즉, 제 1 실험예의 밸런스 밴드의 최댓값 에너지(EMX-VB)는 7.00eV, 제 2 실험예의 밸런스 밴드의 최댓값 에너지(EMX-VB)는 7.38eV, 제 3 실험예의 밸런스 밴드의 최댓값 에너지(EMX-VB)는 7.55eV 이다.
그리고, 밸런스 밴드의 최댓값 에너지(EMX-VB)와 밴드갭 에너지(EBG)(eV) 간의 차이를 연산하면, 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)(eV)가 산출된다(수식 3 참조).
[수식 3]
Figure pat00003
즉, 제 1 실험예의 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)가 3.61eV, 제 2 실험예의 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)가 3.71eV, 제 3 실시예의 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)가 3.87eV이다.
이로부터, 제 1 내지 제 3 실험예의 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)가 서로 다름을 알 수 있다. 또한, ZnO 입자를 포함하는 산화물층(제 1 실험예)의 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)에 비해, Mg가 도핑된 MgZnO 입자를 포함하는 산화물층(제 2 및 제 3 실험예)의 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)가 큼을 알 수 있다. 그리고, 제 2 및 제 3 실험예를 비교하면, Mg의 도핑 농도에 따라 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)가 다름을 알 수 있다.
이렇게, 컨덕션 밴드의 최솟값 에너지(EMM-CB)(eV)가 각기 다른 값을 가지는 것은, 에너지 준위가 다른 것으로 설명될 수 있다. 따라서, 금속 예컨대, Mg가 도핑된 MgZnO 입자를 포함하는 산화물층(제 2 및 제 3 실험예) 에너지 준위가 ZnO 입자를 포함하는 산화물층(제 1 실험예)의 에너지 준위에 비해 높은 것으로 설명될 수 있다.
도 7은 제 4 내지 제 6 실험예들에 따른 전압(V)-전류밀도(mA/cm2) 그래프이고, 도 8은 도 7을 로그 스케일화 한 것이다. 제 4 내지 제 6 실험예는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 각기 다른 산화물층을 형성한 것이다. 여기서, 제 4 내지 제 6 실험예의 제 1 전극은 ITO(Indium-Tin-Oxide)로 형성하였고, 제 2 전극은 알루미늄(Al)으로 동일하게 형성하였다. 그리고, 제 4 실험예에 따른 산화물층은 ZnO 입자를 포함하는 산화물층이고, 제 5 및 제 6 실험예는 ZnO에 Mg가 도핑된 MgZnO 입자를 포함하는 산화물층이다. 제 5 및 제 6 실험예는 도핑된 Mg 농도가 다른데, 제 4 실험예는 Mg 도핑 농도가 10wt%인 산화물층이고, 제 6 실험예는 Mg 도핑 농도가 15wt%인 산화물층이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제 4 내지 제 6 실험예의 전압(V)에 따른 전류밀도(mA/cm2) 특성이 다름을 알 수 있다. 즉, 산화물층에 포함된 산화물 입자의 종류(즉, ZnO 입자 또는 MgZnO 입자)와 금속의 도핑 농도에 따라 전압(V)에 따른 전류밀도(mA/cm2) 특성이 다름을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 장치의 일부를 도시한 도면으로, 에너지 준위(electron volt; eV)에 따라 도시한 것이다. 도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 발광 장치의 일부를 도시한 도면으로, 에너지 준위(eV)에 따라 도시한 것이다.
본 발명의 실시예들에서는 상술한 바와 같은 산화물 입자를 포함하는 제 1 및 제 2 산화물층(610, 620)을 적층 형성하여 전자 주입층(600)을 형성한다. 이때, 제 1 산화물층(610)과 제 2 산화물층(620)의 에너지 준위가 서로 다르도록 형성한다.
보다 구체적으로, 도 9에 도시된 제 1 실시예와 같이, 제 2 산화물층(620)의 에너지 준위가 제 1 산화물층(610)의 에너지 준위에 비해 낮게 형성할 수 있다. 이를 위해, 예컨대 제 1 산화물층(610)은 ZnO에 Mg 또는 Ca이 도핑하여, MgZnO 입자 또는 CaZnO 입자를 포함하도록 형성하고, 제 2 산화물층(620)은 ZnO 입자를 포함하도록 형성할 수 있다. 이에, 제 2 산화물층(620)의 에너지 준위가 제 1 산화물층(610)에 비해 낮게 형성된다.
이렇게, 제 2 전극(700)에 인접한 제 2 산화물층(620)의 에너지 준위가 제 1 산화물층(610)에 비해 낮게 형성되는 경우, 그 반대의 경우에 비해 음극인 제 2 전극(700)과 제 2 산화물층(620) 간의 에너지 장벽이 낮아진다. 이에, 제 2 전극(700)에서 발광층(400)까지의 전자 주입 및 이동 속도가 향상되는 효과가 있다.
다른 예로, 도 10에 도시된 제 2 실시예와 같이 제 2 산화물층(620)의 에너지 준위가 제 1 산화물층(610)에 비해 높도록 형성할 수 있다. 이를 위해, 예컨대 제 1 산화물층(610)은 ZnO 입자를 포함하도록 형성하고, 제 2 산화물층(620)은 ZnO에 Mg 또는 Ca이 도핑하여, MgZnO 입자 또는 CaZnO 입자를 포함하도록 형성할 수 있다.
이렇게, 제 2 전극(700)에 인접한 제 2 산화물층(620)의 에너지 준위가 제 1 산화물층(610)에 비해 높게 형성하는 것은, 발광층(400)에서 전자와 정공이 만나는 효율을 향상시키기 위함일 수 있다. 즉, 제 1 전극(100)으로부터 제공된 정공이 발광층(400)으로 이동하는 속도와, 제 2 전극(700)으로부터 제공된 전자가 발광층(400)으로 이동하는 속도의 전하의 균형(charge balance)을 조절하기 위함일 수 있다.
상기에서는 유기 전계 발광 장치의 전자 주입층이 실시예들에 따른 제 1 및 제 2 산화물층으로 형성되는 것을 설명하였다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 양자점 전계 발광 장치의 전자 주입층을 실시예들에 따른 제 1 및 제 2 산화물층을 적용하여 형성할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에서는 에너지 준위가 서로 상이한 제 1 및 제 2 산화물층(610, 620)을 형성하여 전자 주입층(600)을 형성함으로써, 제 2 전극(700)으로부터 전자 수송층(500)으로의 전자의 이동을 용이하게 하거나, 발광층(400)으로 이동하는 전자 및 정공의 균형을 조절할 수 있다. 이에, 발광 장치의 전기 및 광학적 특성, 보다 구체적으로, 전류 밀도, 휘도 및 양자 효율 중 적어도 하나가 향상되는 효과가 있다.
100: 기판 200: 제 1 전극
300: 정공 수송층 400: 발광층
500: 전자 수송층 600: 전자 주입층
610: 제 1 산화물층 620: 제 2 산화물층
700: 제 2 전극

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에 형성되어, 광을 생성하는 발광층;
    상기 발광층 상에 형성된 제 2 전극; 및
    상기 발광층과 제 2 전극 사이에 형성된 제 1 산화물층 및 상기 제 1 산화물층과 제 2 전극 사이에 형성되며, 상기 제 1 산화물층과 에너지 준위가 상이한 제 2 산화물층을 가지는 전자 주입층;
    을 포함하는 발광 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 산화물층의 에너지 준위가 상기 제 2 산화물층의 에너지 준위에 비해 큰 발광 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 산화물층의 에너지 준위가 상기 제 2 산화물층의 에너지 준위에 비해 낮은 발광 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 산화물층은 산화물 입자를 포함하고, 상기 산화물 입자의 입경은 1nm 내지 20nm의 발광 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 산화물층 중 어느 하나는 ZnO로 이루어진 산화물 입자를 포함하고, 다른 하나는 ZnO에 금속이 도핑된 산화물 입자를 포함하는 발광 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 ZnO에 도핑되는 금속은 Mg 또는 Ca인 발광 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 ZnO에 상기 금속을 도핑하는데 있어서, 상기 산화물 입자 전체에 대해, 상기 금속이 30wt% 이하가 되도록 도핑된 발광 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 발광층 사이에 형성된 정공 수송층;
    상기 발광층과 전자 주입층 사이에 형성된 전자 수송층을 포함하는 발광 장치.
  9. 기판 상에 제 1 전극, 발광층, 전자 주입층 및 제 2 전극을 순차적으로 적층 형성하는 과정을 포함하고,
    상기 전자 주입층을 형성하는 과정은,
    상기 발광층 상에 제 1 산화물층을 형성하는 과정; 및
    상기 제 1 산화물층 상에 상기 제 1 산화물층과 에너지 준위가 다른 제 2 산화물층을 적층 형성하는 과정;
    을 포함하는 발광 장치의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 산화물층을 형성하는데 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 산화물층 중 어느 하나는 ZnO로 이루어진 산화물 입자를 포함하도록 형성하고, 다른 하나는 ZnO에 금속이 도핑된 산화물 입자를 포함하도록 형성하고,
    상기 ZnO에 도핑되는 금속은 Mg 또는 Ca인 발광 장치의 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 산화물층을 형성하는데 있어서, 상기 산화물 입자의 입경이 1nm 내지 20nm가 되도록 형성하는 발광 장치의 제조 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 산화물층을 형성하는데 있어서, 상기 제 1 산화물층의 하지층을 어닐링하는 과정을 포함하는 발광 장치의 제조 방법.
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