KR20210076759A

KR20210076759A - 유기 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치

Info

Publication number: KR20210076759A
Application number: KR1020190168280A
Authority: KR
Inventors: 이유정; 송욱; 김세웅
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-24

Abstract

본 발명의 유기 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치는 발광층과 인접한 층들의 구조를 변경하여 이를 통해 발광 효율 및 수명을 모두 개선한 유기 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치에 관한 것이다.

Description

유기 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치 {White Organic Light Emitting Element and Display Device Using the Same}

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 발광층 및 발광층과 인접층의 구성을 변경하여 발광 효율 및 수명을 모두 개선한 유기 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치에 관한 것이다.

최근 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 전기적 정보신호를 시각적으로 표현하는 표시 장치(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 박형화, 경량화, 저소비전력화의 우수한 성능을 지닌 여러 가지 다양한 평판 표시장치(Flat Display Device)가 개발되어 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube: CRT)을 빠르게 대체하고 있다.

이 같은 평판 표시장치의 구체적인 예로는 액정 표시장치(Liquid Crystal Display device: LCD), 플라즈마 표시장치(Plasma Display Panel device: PDP), 전계방출 표시장치(Field Emission Display device: FED), 유기 발광 표시장치(Organic Light Emitting Device: OLED) 및 양자점 표시 장치(Quantum Dot Display Device) 등을 들 수 있다.

이 중, 별도의 광원을 요구하지 않으며 장치의 컴팩트화 및 선명한 컬러 표시를 위해 유기 발광 표시 장치가 경쟁력 있는 어플리케이션(application)으로 고려되고 있다.

한편, 유기 발광 표시 장치에서는 복수개의 서브 화소를 구비하고, 별도의 광원없이 각 서브 화소에 유기 발광 소자를 구비하여, 광을 출사하고 있다.

유기 발광 소자는 각각 발광층을 포함되며, 발광층 정공과 전자가 재결합하여 여기자를 이룬 후 그 여기자의 에너지 상태가 그라운드로 떨어지며 광이 발광한다. 따라서, 발광층으로 정공과 전자가 제한되도록 하여 여기자 생성을 활성화하는 것이 발광 효율 관점에서 바람직하다. 그런데, 정공과 전자를 발광층으로 전달하도록 이용되는 인접층들의 특성에 따라 수송 능력에 차이가 있어, 발광층에 정공과 전자를 집중시키기 어려운 점이 있으며, 또한, 여기자가 계면에 집중될 때 수명을 확보하기 어려운 점이 있다. 이에 따라 발광 효율과 수명을 모두 개선시킨 유기 발광 소자의 구현이 어려운 면이 있어 이를 해결하고자 하는 노력이 제기되고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 특히 발광층과 인접한 층들의 구조를 변경하여 이를 통해 발광 효율 및 수명을 모두 개선한 유기 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치에 관한 것이다.

본 발명의 유기 발광 소자는, 발광층 내 전자의 흐름을 제어할 수 있는 전자 조절층을 구비하여, 발광층과 인접층의 계면 열화를 방지하며 효율 향상과 수명 개선의 효과를 갖는다.

일 실시예에 따른 본 발명의 유기 발광 소자는 서로 대향한 제 1 전극과 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 구비된 전자 저지층, 호스트와 제 1 도펀트를 포함하는 제 1 발광층 및 전자 수송층 및 상기 제 1 발광층과 상기 전자 수송층 사이에 위치하며, 상기 제 1 발광층의 발광 피크보다 장파장을 발광하는 제 2 도펀트를 갖는 전자 조절층을 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 본 발명의 표시 장치는 기판 상의 청색 서브 화소와 비청색 서브 화소에 각각 구비된 박막 트랜지스터와 상기 청색 서브 화소 및 비청색 서브 화소에 서로 분리되어, 각각의 박막 트랜지스터와 접속된 제 1 전극과, 상기 청색 서브 화소와 비청색 서브 화소에 걸쳐 상기 제 1 전극 상에 차례로 구비된 정공 수송층 및 전자 저지층과, 상기 청색 서브 화소에 구비된 청색 발광층과, 상기 비청색 서브 화소에 구비된 비청색 발광층과, 상기 청색 서브 화소와 비청색 서브 화소에 걸쳐, 상기 청색 발광층과 비청색 발광층 상에 차례로 구비된 전자 수송층 및 제 2 전극 및 상기 청색 발광층 내부 또는 상기 청색 발광층과 상기 전자 수송층 사이에 구비된 전자 조절층을 포함할 수 있다.

또한, 다른 실시예에 따른 본 발명의 표시 장치는 복수개의 서브 화소를 갖는 기판과, 상기 서브 화소에 각각 구비된 박막 트랜지스터와, 상기 박막 트랜지스터와 접속된 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 이격한 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 구비되며, 전하 생성층을 사이에 두고 나뉘는 복수개의 발광 스택 및 상기 복수개의 발광 스택 중 적어도 하나는, 전자 저지층, 제 1 발광층 및 전자 수송층과, 상기 제 1 발광층과 상기 전자 수송층 사이에 위치하며, 상기 제 1 발광층의 발광 피크보다 장파장을 발광하는 도펀트로 이루어진 전자 조절층을 포함할 수 있다.

본 발명의 유기 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 발광층 내에서 여기자 발생에 의한 효율을 확보하기 위해 발광층의 양측에 일측의 전자 수송 능력이 좋은 전자 수송층을 이용하고, 타측은 전자를 발광층 내로 제한하기 위한 전자 저지층을 이용한다. 이러한 고효율 소자에서 발광층을 통과하는 전자의 흐름을 제어하는 전자 조절층을 발광층 내부에 구비하여, 전자 저지층과 발광층 계면의 스트레스를 낮추고, 전자 저지층과 발광층 계면에 전자나 여기자 적체되어 수명이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.

둘째, 발광층 전자조절층을 발광층 내부 혹은 전자 수송층에 가까이 구비하여 전자가 발광층 내부로 들어오는 초입 단계에서 전자 수송 속도를 제어하여 전자 저지층을 통해 발광층으로 들어오는 정공과 전자 수송층에서 들어오는 전자가 재결합되는 영역, 즉, 여기자 발생되는 영역이 인접층들과의 계면이 아닌 발광층 안쪽 영역에 생성되도록 하여 발광층 내의 전하 균형을 향상시켜 효율을 향상시킬 수 있다.

셋째, 발광층 내 구비된 전자 조절층에 발광층보다 장파장의 형광 도펀트를 포함시켜 복수 스택 구조에서 전자 조절층에서 나오는 광을 백색 표시에 이용할 수 있으며, 장파장의 휘도를 보상할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 2a는 도 1의 A 영역의 층간 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면
도 2b는 A 영역의 여기자 발생 영역을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기 발광 소자를 나타낸 단면도
도 4는 도 3의 A' 영역의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 유기 발광 소자의 제 1 내지 제 4 실험예에서 전자 조절층의 상이 구성을 나타낸 도면
도 6a 및 도 6b는 비교예 및 제 1 내지 제 4 실험예의 컬러 필터 통과 전 후의 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프
도 7은 비교예 및 제 1 내지 제 4 실험예의 수명을 나타낸 그래프
도 8은 HOD 소자 혹은 EOD 소자 적용에 이용된 발광층 및 인접 유기층의 에너지 밴드 다이어그램
도 9는 HOD 소자에서 도펀트 적용 유무에 따른 전류 밀도-구동 전압 특성을 나타낸 그래프
도 10은 EOD 소자에서 도펀트 적용 유무에 따른 전류 밀도-구동 전압 특성을 나타낸 그래프
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자를 적용한 표시 장치를 나타낸 단면도
도 12a 내지 도 12c는 도 11의 유기 스택의 다양한 실시예를 나타낸 단면도
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 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 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.

본 발명의 다양한 실시예에 포함된 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.

본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, 위치 관계에 대하여 설명하는 경우에, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.

본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, 시간 관계에 대한 설명하는 경우에, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, '제 1~', '제 2~' 등이 다양한 구성 요소를 서술하기 위해서 사용될 수 있지만, 이러한 용어들은 서로 동일 유사한 구성 요소 간에 구별을 하기 위하여 사용될 따름이다. 따라서, 본 명세서에서 '제 1~'로 수식되는 구성 요소는 별도의 언급이 없는 한, 본 발명의 기술적 사상 내에서 '제 2~' 로 수식되는 구성 요소와 동일할 수 있다.

본 발명의 여러 다양한 실시예의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 다양한 실시예가 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.

본 명세서에서 어떠한 층의 'LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbitals Level) 에너지 준위' 및 'HOMO(Highest Occupied Molecular Orbitals Level) 에너지 준위'라 함은, 해당 층에 도핑된 도펀트(dopant) 물질의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위이라고 지칭하지 않는 한, 해당 층의 대부분의 중량비를 차지하는 물질, 예를 들어 호스트(host) 물질의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위를 의미한다.

본 명세서에서 'HOMO 에너지 준위'이란, 전극 전위 값을 알고 있는 기준 전극에 대한, 상대적인 전위 값으로부터 에너지 준위를 결정하는, CV(cyclic voltammetry) 법으로 측정한 에너지 준위일 수 있다. 예를 들어, 산화 전위값 및 환원 전위 값을 아는 Ferrocene을 기준 전극으로 하여 어떠한 물질의 HOMO 에너지 준위를 측정할 수 있다.

본 명세서에서 '도핑된'이란, 어떤 층의 대부분의 중량비를 차지하는 물질에, 대부분의 중량비를 차지하는 물질과 다른 물성(서로 다른 물성이란, 예를 들어, N-타입과 P-타입, 유기물질과 무기물질)을 가지는 물질이 중량비 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 20 % 미만이거나 또는 P-타입인 물질이 중량비 20% 미만인 경우에 '도핑된'층에 포함된다.

이하, 본 발명의 유기 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이며, 도 2a는 도 1의 A 영역의 층간 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이고, 도 2b는 A 영역의 여기자 발생 영역을 나타낸 도면이다.

도 1과 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유기 발광 소자는 서로 대향하는 제 1 전극(110)과 제 2 전극(180)과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 구비된 전자 저지층(140), 호스트(bh)와 제 1 도펀트(bd)를 포함하는 제 1 발광층(BEML1)(151) 및 전자 수송층(160) 및 상기 제 1 발광층(151)과 상기 전자 수송층(160) 사이에 위치하며, 상기 제 1 발광층(151)의 발광 피크보다 장파장을 발광하는 제 2 도펀트(d2)를 갖는 전자 조절층(155)을 포함할 수 있다.

상기 전자 조절층(155)은 상기 제 1 발광층(151)에 포함된 동일한 호스트(bh)를 더 포함하는 것으로, 상기 전자 조절층(155)은 호스트(bh)와 제 2 도펀트(d2)가 혼합된 구조이다.

한편, 본 발명의 유기 발광 소자가 전자 저지층(140)과 전자 수송층(160) 내에 전자 조절층(155)을 구비하는 이유는 다음과 같다.

발광층의 일측에 전자의 전송 속도가 빠른 물질로 전자 수송층을 구비하고, 또한, 발광층 내 전자를 제한하기 위해 발광층의 타측에 전자 저지층을 구비하는 구조에서는, 발광층 내 전자의 전송 속도가 빨라 전자 저지층을 거쳐 들어온 정공과 전자가 주로 전자 저지층과 발광층 계면에 만나게 되며 이에 따라 전자 저지층과 발광층 계면에서 발광 영역이 주로 발생되어 이 부위의 과잉 전자 및 여기자 적체로 인해 전자 저지층의 열화가 발생하기 쉽다. 특히, 열화가 발생되면 수명 저하 현상이 심화되는데, 본 발명은 특히 전자 저지층과 발광층 계면에서의 열화를 방지하도록 전자의 속도를 조절하여 발광층 내부에 발광 영역이 발생되도록 한 점에 특징이 있는 것이다.

본 발명의 제 1 실시예에 의하면 발광층(150)은 전자 조절층(155)의 일측에 위치한 제 1 발광층(151)과 함께 전자 조절층(155)의 타측에 위치한 제 2 발광층(152)을 구비한다. 상기 제 1, 제 2 발광층(151, 152)은 동일한 호스트(bh)와 동일한 도펀트(bd)를 구비한 것이다.

전자 조절층(155)은 발광층(150) 내 전자의 속도를 제어하기 위해 발광층(150)에 얇은 두께로 포함된 것으로, 주 발광이 이루어지는 제 1, 제 2 발광층(151, 152)과 동일한 호스트(bh)를 갖고 도펀트 성분을 제 1, 제 2 발광층(151, 152)과 달리하여 포함한다. 이 때, 도 2a 및 도 2b와 같이, 상기 전자 조절층(155)에 포함된 제 2 도펀트(d2)는 일부 발광을 하지만 발광층(150)을 지나는 전자의 속도를 제어하는데 그 주된 기능이 있으므로 전자의 속도를 낮추기 위해, 발광층(150)의 호스트(bh)의 LUMO 준위(bh_LUMO)보다 낮은 LUMO 준위(d2_LUMO)를 갖는다. 상기 전자 조절층(155)을 상기 발광층(150) 내에 구비함에 의해, 전자 수송층(160)에서 발광층(150)을 통해 전자 저지층(140)을 향하는 전자들 중 일부가 전자 조절층(155)내 제 2 도펀트(d2)의 낮은 LUMO 준위 특성에 의해 전자 조절층(155)에 제한되도록 하며, 또한 전자의 속도를 낮출 수 있다. 따라서, 전자 저지층(140)을 통과하여 발광층(150) 내로 들어오는 정공(hole)과 만나 재결합되는 영역이 전자 저지층(140)과 발광층(150)과의 계면이 아닌 도 2b와 같이, 발광층(150) 내부로 들어오도록 하여, 계면에 과잉 전자나 누설 여기자가 발생됨을 방지하여, 전자 저지층(140)의 열화를 방지할 수 있다. 이에 따라 수명 향상에 현저한 효과가 있다. 또한, 전자 조절층(155)은 자체적으로 제 2 도펀트(d2)를 구비하여 발광 기능을 하는 것으로, 전자 저지층(140)과 전자 수송층(160) 사이에 발광층(150)의 영역에서 나오는 발광 효율 외에 전자 조절층(155)에서 나오는 광 효율을 이용할 수 있어 휘도 향상을 예상할 수 있다.

한편, 전자 조절층(155)은 대략 10Å 내지 50Å의 두께로 형성하며, 발광 기능이 있지만 이는 발광층(150)의 발광의 보조적인 기능을 하는 것으로, 상기 조절층(155)의 두께는 상기 발광층(150)의 두께의 1/10 이상으로 하고, 상기 발광층(150) 두께의 반 미만으로 하는 것이, 발광층(150)에서 발광하는 색좌표 특성을 저하시키지 않는 관점에서 바람직하다.

상기 전자 조절층(155)을 10

이상의 두께로 한 것으로 막 특성을 확보하기 위해 최소 두께를 갖도록 한 것이며, 50Å 이하의 두께로 한 것으로, 발광층(150)의 도펀트(bd)가 갖는 주 발광 특성을 저하시키지 않기 위함이다.

이 경우, 발광층(150)은 대략 100 Å 이상의 두께를 갖고 400 Å이하의 두께를 가질 수 있다. 여기서, 발광층(150)이란 제 1, 제 2 발광층(151, 152)을 합산한 두께를 의미한다.

한편, 전자 조절층(155)은 전자의 흐름을 제어하기 위해 전자 수송층(160)과 가까이 있는 것이 바람직한 것으로, 이에 따라, 제 2 발광층(152)이 제 1 발광층(151)보다 얇게 하는 것이 바람직하다. 즉, 전자 조절층(155)은 전자의 흐름을 낮추어 전자와 정공의 재결합의 영역을 발광층(150) 내로 제한하는 것이 목적이므로 전자 저지층(140)과 전자 수송층(160) 사이의 두께 T 중 후단 T/2에 영역에 전자 조절층(155)을 배치하는 것이 발광층(150)에서 전자의 전송 속도를 낮추는데 효과적이다. 여기서, 상기 전자 저지층(140)과 전자 수송층(160) 사이의 두께 T 중 후단 T/2에 전자 조절층(155)이 있을 때, 발광층(150)의 발광 영역은 전자 저지층(140)과 전자 조절층(155) 사이, 즉, 제 1 발광층(151) 영역 내에 발생된다.

본 발명의 유기 발광 소자에서, 설명하지 않은 제 1 전극(110)과 전자 저지층(140) 사이에, 정공 주입층(120) 및 정공 수송층(130)의 구성을 더 포함할 수 있다. 정공 주입층(120)은 제 1 전극(110)으로부터 정공의 주입을 원활히 하기 위해 구비되는 층이며, 정공 수송층(130)은 정공 주입층(120)에서 전달된 발광층(150)으로 정공을 전달하는 층이다. 정공 수송층(130)은 또한, 광학적으로 그 두께를 조절하여 제 1 전극(110)과 제 2 전극(180) 사이에 공진에 따라 최적의 발광 위치로 발광층(150)의 영역을 결정하는 기능을 하기도 한다.

그리고, 전자 수송층(160)과 제 2 전극(180) 사이에는 전자 주입층(170)이 더 구비되기도 한다. 전자 주입층(170)은 제 2전극(180)으로부터 전자의 주입을 도와주는 기능을 하며, 이를 위해 금속 또는 금속 화합물이나 비금속 무기 화합물을 포함할 수도 있다.

경우에 따라 정공 주입층(120)이나 전자 주입층(170)은 생략되거나 그 성분을 정공 주입층(130)이나 전자 주입층(170)에 포함시켜 이루어질 수도 있다.

제 1, 제 2 전극(110, 180)은 각각 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 기능할 수 있다. 상기 제 1, 제 2 전극(110, 180) 중 어느 하나는 ITO, IZO 등의 투명 전극으로 이루어지고, 다른 하나는 Al, AgMg, APC 중 어느 하나의 반사 전극, 혹은 이들(Al, AgMg, APC) 중 어느 하나의 합금, 혹은 Al, AgMg, APC, Al 합금, AgMg, APC 합금을 이중층 이상 포함하여 이루어질 수 있다. 경우에 따라, 상기 제 1, 제 2 전극(110, 180)은 양측에 모두 투명 전극으로 이루어져 투명 표시 장치에 이용될 수도 있다. 또한, 기판에 구비된 복수개의 화소들의 영역 중 일부는 제 1, 제 2 전극 중 어느 일측은 반사 전극으로 하고, 다른 일측은 투명 전극으로 하고, 나머지 화소들의 영역에는 제 1, 제 2 전극이 모두 투명 전극이 되도록 하여 기판의 일부분의 영역을 투명부로 나머지 영역을 발광부로 영역을 선택적으로 나누어 구동할 수 있다.

예를 들어, 상기 발광층(150)의 도펀트(bd)는 430nm 내지 480nm에서 발광 피크를 갖고, 상기 전자 조절층(155)의 도펀트(d2)는 520nm 내지 600nm에서 발광 피크를 갖는 것으로, 서로 다른 색에서 발광 피크를 갖는 도펀트일 수 있다. 그 예로, 상기 전자 조절층(155)의 도펀트(d2)는 화학식 1과 같은 Rubrene을 포함할 수 있다.

[화학식 1]

이 경우, 전자 조절층(155)의 전단 및 후단에 접하여 위치하는 제 1, 제 2 발광층(151, 152)의 도펀트는 430nm 내지 480nm에서 발광 피크를 갖는 보론계 도펀트일 수 있다. 보론계 도펀트는 보론(boron)을 코어로 갖는 화합물로, 일예로 화학식 2 또는 3과 같은 화합물을 포함할 수 있다. 그러나, 제시된 형태는 일 예이며, 전자 수송층(160)의 물질 대비 높은 LUMO 준위를 갖고, 430nm 내지 480nm의 파장에서 발광 피크를 갖는 청색 도펀트라면 화학식 2 또는 3과 다른 형태의 보론계 화합물로 변경될 수도 있다.

한편, 보론계 도펀트의 LUMO 준위(bd_LUMO)는 호스트(bh) 대비 진공 준위에 보다 가까운 LUMO 값을 갖는 것으로, 호스트(bh)의 LUMO 준위(bh_LUMO)보다 높은 측에 위치하며, 절대 값으로 비교시 호스트(bh)의 LUMO 준위(bh_LUMO)보다 작은 값을 갖는다. 인접한 전자 수송층(160)의 LUMO 준위(ETL_LUMO)보다도 작은 값을 가져, 전자 수송층(160)에서 전달된 전자가 통과(passing)하기 용이하다. 따라서, 제 2 발광층(152)을 거쳐 통과된 전자는 상기 전자 조절층(155)의 도펀트(d2)에서 일부 트랩되어 전자의 속도가 완화된다.

[화학식 2]

[화학식 3]

상기 도펀트(bd)는 430nm 내지 480nm의 파장을 갖는 것으로, 발광층(150)은 청색을 발광하는 발광층일 수 있다. 그리고, 상기 도펀트(bd)는 형광 도펀트이고, 상기 전자 조절층(155)에 이용되는 도펀트(d2) 역시 형광 도펀트로, 발광층(150)과 전자 조절층(155)은 같은 호스트(bh)를 공유하고 있어, 호스트(bh)가 도펀트(bd)에 에너지를 전이하여 도펀트(bd)에서 발광이 발생되는 과정에서, 상기 전자 조절층(155)의 도펀트(d2) 또한, 도펀트(bd)로 일부 에너지를 전이시켜 발광층(150)의 발광 효율을 향상시키는 기능을 할 수도 있다.

상기 전자 조절층(155)의 도펀트(d2)는 그 주된 기능이 발광층(150)의 전자의 속도를 낮추어 정공과 재결합되는 영역을 발광층(150) 내부로 발광 영역을 조절하는데 그 주된 기능이 있으므로, 상술한 화학식 1의 루브렌 외에도 다른 색의 발광 도펀트를 포함하여 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 상기 전자 조절층(155)에 포함된 도펀트(d2)는 황색 도펀트나 적색 도펀트 외에도, 청색보다 장파장으로 발광층(150)의 호스트의 LUMO 준위(bh_LUMO)보다 낮은 LUMO 준위를 갖는다면, 다른 색의 발광 도펀트일 수도 있다.

이하의 실험에서는 발광층(150)의 도펀트(bd)를 화학식 1 또는 화학식 2 의 청색 발광하는 보론계 청색 도펀트로 하고, 전자 조절층(155)의 제 2 도펀트(d2)와 청색 도펀트의 발광 피크와 대략 100nm 이상 차이를 갖는 발광 피크를 갖는 화학식 3의 황색 또는 적색 도펀트를 이용하였다.

그러나, 이러한 예는 일 예에 한한 것이며, 발광층(150) 내 호스트(bh)와 도펀트(bd)와 전자 조절층(155)의 제 2 도펀트(d2)가 도 2의 LUMO 준위 관계를 갖고 전자 조절층(155)이 발광층(150) 내 전자 속도를 낮출 수 있다면, 상기 도펀트(bd) 및 제 2 도펀트(d2)는 다른 색을 발광하는 도펀트로 대체될 수도 있을 것이다.

여기서, 상기 전자 조절층(155) 내 도펀트(d2)의 농도는 상기 발광층(150) 내 도펀트(bd)의 농도보다 낮은 것으로, 이는 전자 저지층(140)과 전자 수송층(160) 사이의 영역에서 발광층(150)의 발광을 지배적으로 유지하기 위함이다. 여기서, 상기 전자 조절층(155) 내 도펀트(d2)와 발광층(150) 내 도펀트(bd)의 농도는 모두 10wt% 이하, 보다 바람직하게는 5wt% 이하로, 소량의 농도에서 형광 발광이 가능하다. 그리고, 전자 조절층(155) 및 발광층(150)의 호스트(bh)는 안트라센 화합물로, 전자 이동도가 정공 이동도보다 높은 호스트 물질일 수 있다.

상기 전자 조절층(155)에 상기 발광층(150)의 호스트(bh)와 동일한 호스트(bh)를 구비하고 있고, 도펀트만 다른 성분을 갖기 때문에, 정공 및 전자의 캐리어가 이동할 때, 전자 조절층(155)을 지날 때 동일 호스트 구비에 따라 전기적 배리어를 크게 받지 않고 이동이 가능하여 발광층(150) 내 특히, 전자 조절층(150)의 앞쪽의 제 1 발광층(151) 영역에서 발광 영역이 발생될 수 있다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기 발광 소자를 나타낸 단면도이며, 도 4는 도 3의 A' 영역의 에너지 밴드 다이어그램이다.

도 3 및 도 4와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유기 발광 소자는 발광층(150)을 단일화하고, 전자 조절층(155)을 전자 수송층(160)에 접하여 형성한 예를 나타낸 것이다.

상술한 제 1 실시예와 동일한 원리로 전자 조절층(155)은 발광층(150) 내 전자의 속도를 전자 수송층(160)과 바로 접한 전자 조절층(155)에서 조절하여, 전자 조절층과 전자 수송층 사이에 제 2 발광층(152)을 구비한 제 1 실시예 대비 전자가 집중되는 영역을 보다 전자 수송층(160)에 가깝게 하여, 발광 영역 역시 전자 수송층(160)에 가까운 영역으로 조절할 수 있다.

제 2 실시의 경우에도 발광 영역을 발광층(150) 내로 조절하여 전자 저지층(140)의 여기자 및 과잉 전자 적체에 의한 열화를 방지하여 수명을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

이 경우, 상기 전자 조절층(155)의 두께는 상기 발광층(150)의 두께보다 얇게 하여, 전자 조절층(155)의 도펀트 성분에 발광하는 성분이 발광층(150)의 발광 기능을 저해하지 않게 한다. 즉, 전자 조절층(155)의 두께는 발광층(150)의 두께의 0.1배 이상 1/2 이하로 한다.

설명하지 않은 동일 부호에 대해서는 상술한 제 1 실시예와 동일한 것으로 그 설명을 생략한다.

이하에서는 실험을 통해 본 발명의 유기 발광 소자의 기능 및 효과에 대해 설명한다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 유기 발광 소자의 제 1 내지 제 4 실험예에서 전자 조절층의 상이 구성을 나타낸 도면이며, 도 6a 및 도 6b는 비교예 및 제 1 내지 제 4 실험예의 컬러 필터 통과 전 후의 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프이고, 도 7은 비교예 및 제 1 내지 제 4 실험예의 수명을 나타낸 그래프이다.

비교예는 도 1의 구성에서, 전자 저지층(140)과 전자 수송층(160) 사이에 전자 조절층(155)을 갖지 않은 구성이며, 발광층의 두께를 200Å로 한 것이다.

제 1 내지 제 4 실험예들은 도 5a 내지 도 5d의 구성과 같이, 각각 전자 조절층(155a, 155b, 155c, 155d)의 위치를 변경한 것으로, 제 1 실험예는, 상기 전자 저지층(140)에 접하도록 전자 조절층(155a)의 위치를 구비하여, 도 1의 A 영역에서 층 순서는 전자 저지층(140), 전자 조절층(155a) 및 발광층(150) 및 전자 수송층(160)으로 한 것이다. 제 2 실험예는, 전자 조절층(155b)을 상기 전자 저지층(140)으로부터 57Å 이격하여 구비하였으며, 제 3 실험예는, 전자 전자 조절층(155c)을 114 Å 이격하여 구비하였으며, 제 4 실험예는, 전자 조절층(155d)을 전자 수송층(160)에 접하여 구비하였다.

여기서, 비교예와, 제 1 내지 제 4 실험예들에서 전자 저지층(140)과 전자 수송층(160) 사이의 거리는 200Å으로 일정하게 하고, 제 1 내지 제 4 실험예들에서 구비되는 전자 조절층(155a, 155b, 155c, 155d)의 두께는 각각 30Å로 한 것으로, 제 2, 제 3 실험예는, 전자 저지층(140)과 전자 조절층(155b, 155c) 사이에 제 1 발광층(151)에 구비되고, 각각 전자 조절층(155b, 155c)과 전자 수송층(160) 사이에는 제 2 발광층(152)이 나누어 구비된다. 제 2, 제 3 실험예에서 제 2 발광층(152)의 두께는 각각 전자 조절층(155b, 155c)과 전자 수송층(160)과의 이격 간격에 해당하여, 113

, 56

에 해당한다.

각각의 제 1 내지 제 4 실험예에서 전자 조절층(155a~155d)는 화학식 1의 루브렌 화합물로 도펀트(d2)를 구성하고 전자 조절층 내 도펀트(d2)의 농도를 2wt%로 하였으며, 발광층(150)의 호스트(bh)는 안트라센을 포함한 화합물로 하고, 도펀트(bd)는 화학식 1 또는 2의 보론계 화합물로 하였고, 발광층(150)에서 도펀트(bd)의 농도를 2.5wt%로 하였다. 상기 제 1 내지 제 4 실험예들에서, 전자 저지층(140)과 전자 수송층(160) 사이에 30Å 두께의 전자 조절층(155a~155d)이 포함되어, 남아있는 발광층(150)의 두께는 170 Å이다.

제 4 실험예는 상술한 본 발명의 제 2 실시예에 해당하며, 제 2, 제 3 실험예는 본 발명의 제 1 실시예에 해당한다.

구분	구동 전압(V)	휘도 (Cd/A)	조도 (lm/W)	CIEx	CIEy	휘도/ CIEy	내부 양자효율(QE)
비교예	3.49	3.82	3.44	0.142	0.058	65.22	7.21
제1실험예	3.54	9.77	8.67	0.406	0.413	23.67	3.82
제2실험예	3.60	5.94	5.19	0.190	0.125	47.63	5.69
제3실험예	3.64	5.49	4.74	0.162	0.087	62.97	7.21
제4실험예	3.70	4.92	4.18	0.152	0.074	66.85	7.53

표 1은 비교예 및 제 1 내지 제 4 실험예의 구성에, 제 1, 제 2 전극 사이에 각각 10mA/cm² 의 전류 밀도를 주어 실험을 한 것이다.전자 조절층(155a~155d)을 구비하는 제 1 내지 제 4 실험예들은 전자 조절층을 구비하지 않는 비교예 대비하여, 제 3 및 제 4 실험예가 내부 양자 효율이 동등 이상 수준을 갖고, 휘도는 상승하며, 구동 전압은 6% 이하로 증가하여 동등 이상의 효율을 가짐을 알 수 있다.

또한, 보론계 도펀트로 청색 발광을 구현시 도 6a와 같이, 컬러 필터 구비 전에도 제 4 실험예의 유기 발광 소자는 전자 조절층에서 나오는 청색 이외의 발광이 거의 없어 전자 조절층을 구비하지 않은 비교예와 유사 수준의 발광 세기를 얻을 수 있어, 컬러 필터를 구비하지 않더라도 소정 화소의 제 4 실험예와 같은 소자 구성시 순수한 청색 발광이 가능하다.

한편, 제 1 내지 제 3 실험예의 경우에도, 각 실험예의 유기 발광 소자의 광이 나오는 측으로 청색 컬러 필터층을 더 구비하여 전자 조절층의 발광을 차단하여 순수한 청색 발광을 유도할 수 있어, 제 1 내지 제 3 실험예의 유기 발광 소자도 청색 발광 소자에 이용할 수 있다.

구분	수명(T95)[Hours]
비교예	12.0
제 1 실험예	14.0
제 2 실험예	48.0
제 3 실험예	102.0
제 4 실험예	120.0

한편, 표 2 및 도 7을 살펴보면, 비교예 및 제 1 내지 제 4 실험예들에서 수명을 10mA/cm² 의 전류 밀도 및 40℃의 온도에서 측정시 초기 상태 대비 95% 의 휘도를 나타낼 때까지의 시간이 비교예는 12시간인데 비해, 제 1 내지 제 4 실험예는 모두 수명이 비교예 대비 상승함을 나타낸다. 특히, 전자 조절층을 전자 저지층과 이격하여 구비하는 제 2 내지 제 4 실험예들은 각각 비교예 대비 4배, 8.5배, 10배의 수준을 갖는 것으로, 수명이 현저히 늘어남을 알 수 있다.

또한, 비교예 및 제 1 내지 제 4 실험예들의 제 1 및 제 2 전극 사이에, 전류 밀도를 100mA/cm² 의 전류 밀도를 주어 구동 전압을 측정시 차례로 4.23V, 4.31V, 4.38V, 4.48V, 4.61V로 점차 증가하는 경향이 있다. 이 경우에도 가장 구동 전압이 큰 제 4 실험예에서도 4.61V로 비교예와 대비하여, 8% 이하로 증가한 것으로, 수명 증가를 고려하여 구동 전압의 증가는 미미한 수준이다.

이와 같이, 구동 전압과 수명을 모두 고려하여 살펴보면, 제 2 내지 제 4 실험예들에서, 구동 전압의 증가가 어느 정도 있더라도, 그 수준은 비교예 대비 10% 이하로 미미한 반면 수명에서 4배 이상의 상승이 있는 것으로, 본 발명의 전자 조절층을 발광층 내부에 전자 수송층에 가까이 구비하는 경우, 특히, 전자 저지층에 이격하여, 보다 전자 수송층 가까이 구비하는 경우, 상술한 실험들에서, 수명과 효율에서 상승이 있음을 확인할 수 있다.

이하, HOD 소자 및 EOD 소자를 통해 본 발명의 유기 발광 소자의 발광층의 특성을 살펴본다.

도 8은 HOD 소자 및 EOD 소자 적용에 이용된 발광층 및 인접 유기층의 에너지 밴드 다이어그램이다. 9는 HOD 소자에서 도펀트 적용 유무에 따른 전류 밀도-구동 전압 특성을 나타낸 그래프이고, 도 10은 EOD 소자에서 도펀트 적용 유무에 따른 전류 밀도-구동 전압 특성을 나타낸 그래프이다.

HOD (Hole only device) 소자는 양극과 음극 사이에, 정공 수송에 관련된 층만 포함시켜 구성한 것으로, 양극, 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 저지층(EBL), 발광층(EML), 음극으로 순서로 이루어진다. 하기 실험된 HOD 소자는 도 8의 발광층의 일측에 전자 저지층(EBL)을 접하여 구성한 것이고, 타측에 음극(생략)을 접하여 구성한 것이다. 도 8의 구성과 비교하여, HOD 소자에서 전자 수송층은 생략되며, 발광층(EML)은 바로 음극과 접한다. 각각 HOD 소자에서 발광층에 호스트(BH)를 기본으로 하고, 도펀트(BD)를 포함한 경우와 포함하지 않은 경우 JV 특성(전압 대 전류 밀도)을 도 9를 통해 살펴본다.

일예에 따른 HOD 소자 실험예에서 발광층(EML)은 호스트(BH)와 도펀트(BD)를 혼합하여 구성하였으며, 각각 호스트(BH)의 HOMO 준위는 전자 저지층(EBL)의 HOMO 준위보다 낮게 -5.9eV이며, 그의 HOMO 준위(BH_HOMO)는 -3eV인 재료를 이용하였다.

그리고, 호스트(BH)에 포함된 도펀트(BD)의 HOMO 준위(BD_HOMO)는 상기 호스트(BH)의 HOMO 준위(BH_HOMO)보다 높은 -5.37.eV이며, 도펀트(BD)의 LUMO 준위(BD_LUMO)는 상기 호스트(BH)의 LUMO 준위(BH_LUMO)보다 높은 -2.64eV인 재료인 보론계 도펀트를 이용하였다.

도 9와 같이, 상술한 HOMO/LUMO 준위 특성을 갖는 HOD 소자는 도펀트(BD)의 정공 트랩 특성이 강해 HOD 소자에 도펀트를 포함시 동일 전류 밀도를 구현하기 위해 구동 전압이 늘어나는 경향을 보임을 알 수 있다.

EOD (Electron only device) 소자는 양극과 음극 사이에, 전자 수송에 관련된 층만 포함시켜 구성한 것으로, 양극, 발광층(EML), 전자 수송층(ETL), 음극으로 순서로 이루어진다. 하기 실험된 EOD 소자는 도 8의 구성에서 전자 저지층이 생략되고, 발광층의 일측에 바로 양극(생략)을 접하여 구성한 것이고, 타측에 전자 수송층(ETL)을 접하여 구성한 것이다. 각각 EOD 소자에서 발광층에 호스트(BH)를 기본으로 하고, 도펀트(BD)를 포함한 경우와 포함하지 않은 경우 JV 특성(전압 대 전류 밀도)을 도 10을 통해 살펴본다.

일 예에 따른 EOD 소자 실험예에서 발광층(EML)은 호스트(BH)와 도펀트(BD)를 혼합하여 구성하였으며, 각각 호스트(BH)의 HOMO 준위는 전자 저지층(EBL)의 HOMO 준위보다 낮게 -5.9eV이며, 그의 HOMO 준위(BH_HOMO)는 -3eV인 재료를 이용하였다.

도 10과 같이, 상술한 HOMO/LUMO 준위 특성을 갖는 HOD 소자는 도펀트(BD)는 호스트와 유사 수준의 전자 이동도를 갖고, 전자 트랩성이 거의 없어, EOD 소자에 도펀트를 포함하지 않은 경우와 포함한 경우 유사 수준의 JV 특성을 갖는 점을 확인할 수 있다.

즉, 위 실험을 통해 본 발명의 발광층의 도펀트(BD)는 정공 트랩성이 있는 물질로, 본 발명의 유기 발광 소자에서, 전자 조절층(155)에 전자 트랩성이 있는 물질을 구비함에 의해 발광층(150) 내부 영역, 즉, 발광층(150)과 전자 저지층(140)의 계면이 아닌 발광층(150)의 내부에서 발광 영역이 발생되도록 하여, 과잉 전자의 여기자가 계면에서 집중되어 수명을 저하시키는 원인을 개선하도록 한 의의를 확인할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자를 적용한 표시 장치를 나타낸 단면도이다. 도 12a 내지 도 12c는 도 11의 유기 스택의 다양한 실시예를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 표시 장치는 도 11과 같이, 복수개의 서브 화소(R_SP, G_SP, B_SP, W_SP)를 갖는 기판(100)과, 상기 기판(100)의 서브 화소들(R_SP, G_SP, B_SP, W_SP)에 공통적으로 구비되는 도 12a 내지 도 12c 중 어느 하나에 따른 백색 유기 발광 소자(OLED)와, 상기 서브 화소 각각에 구비되며, 백색 유기 발광 소자(OLED)의 상기 제 1 전극(110) 과 접속된 박막 트랜지스터(TFT) 및 상기 서브 화소 중 적어도 어느 하나의 상기 제 1 전극(110) 하측에 구비된 컬러 필터층(109R, 109G, 109B)을 포함할 수 있다.

도시된 예는 백색 서브 화소(W_SP)를 포함한 예를 설명하였으나, 이에 한하지 않고, 백색 서브 화소(W_SP)가 생략되고, 적색, 녹색 및 청색 서브 화소(R_SP, G_SP, B_SP)만 구비한 구조도 가능할 것이다. 경우에 따라, 적색, 녹색 청색 서브 화소를 대체하여 조합하여 백색을 표현할 수 있는 시안(cyan) 서브 화소, 마젠타(magenta) 서브 화소 및 옐로우(yellow) 서브 화소의 조합도 가능하다.

상기 박막 트랜지스터(TFT)는 일 예로, 게이트 전극(102)과, 반도체층(104), 및 상기 반도체층(104)의 양측과 접속된 소스 전극(106a) 및 드레인 전극(106b)을 포함한다.

상기 게이트 전극(102)과 반도체층(104) 사이에는 게이트 절연막(103)이 구비된다.

상기 반도체층(104)은 예를 들어, 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 산화물 반도체 혹은 열거된 이들 중 2개 이상의 조합으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 상기 반도체층(104)이 산화물 반도체인 경우, 상기 반도체층(104)의 채널 부위의 손상을 방지하도록 에치 스타퍼(105)가 상기 반도체층(104) 상에 바로 접하여 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 박막 트랜지스터(TFT)의 드레인 전극(106b)은 제 1 전극(110)과 제 1, 제 2 보호막(107, 108) 내에 구비된 콘택홀(CT) 영역에서 접속될 수 있다.

상기 제 1 보호막(107)은 일차적으로 상기 박막 트랜지스터(TFT)를 보호하기 위해 구비되며, 그 상부에 컬러 필터(109R, 109G, 109B)가 구비될 수 있다.

상기 복수개의 서브 화소는 적색 서브 화소, 녹색 서브 화소, 청색 서브 화소 및 백색 서브 화소를 포함할 때, 상기 컬러 필터층은 백색 서브 화소(W_SP)를 제외한 나머지 서브 화소들에 제 1 내지 제 3 컬러 필터(109R, 109G, 109B)로 나뉘어 구비되어, 상기 제 1 전극(110)을 통과하여 출사되는 백색 광을 각 파장별로 통과시킨다. 그리고, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터(109R, 109G, 109B)를 덮으며, 상기 제 1 전극(110) 하측에 제 2 보호막(108)이 형성된다. 제 1 전극(110)은 콘택홀(CT)을 제외하여 제 2 보호막(108) 표면에 형성된다.

여기서, 백색 유기 발광 소자(OLED)는 투명한 제 1 전극(110)과, 이에 대향된 반사성 전극의 제 2 전극(180)과 상기 제 1, 제 2 전극(110, 180) 사이에 청색 발광 스택(S1)및 장파장(R/G 또는 YG)(인광) 발광 스택(S2)의 2 스택 적층 구조 혹은 도 12a 내지 도 12c 중 어느 하나와 같이, 제 1 청색 발광 스택(BS1), 인광 발광 스택(RGS) 및 제 2 청색 발광 스택(BS2)의 3 스택 적층 구조를 지칭할 수 있다. 혹은 유기 스택(OS)의 구성으로, 상술한 청색 발광 스택 및 인광 발광 스택 중 적어도 어느 하나를 복수개 구비하되, 각 발광 스택들 사이에 전하 생성층(CGL1, CGL2)을 구비하여 형성할 수 있다. 이 경우, 복수개 구비된 발광 스택은 동일 구조일 수 있다. 유기 스택(OS)은 도 12a와 같이, 제 1 청색 발광 스택(BS1), 인광 발광 스택(RGS), 제 2 청색 발광 스택(BS2)의 순서로 형성될 수도 있고, 도 12b와 같이, 제 1, 제 2 청색 발광 스택(BS1, BS2)을 연속적으로 형성한 후, 인광 발광 스택(RGS)을 포함하여 형성할 수도 있고, 혹은 도 12c와 같이, 인광 발광 스택(RGS)을 먼저 형성한 후, 제 1, 제 2 청색 발광 스택(BS1, BS2)을 이어 형성할 수도 있다.

청색 발광 스택(BS1, BS2)은 440nm 내지 480nm의 파장에서 발광 피크를 가지며, 인광 발광 스택(RGS)는 이보다 장파장에서 발광 피크를 갖는 것으로, 예를 들어, 이종 발광층을 구비하여 서로 다른 녹색 파장과 적색 파장에서 발광 피크를 갖는다. 녹색 파장은 녹색 발광층에 이용되는 녹색 도펀트의 발광 특성에 따라 500nm 내지 540mm에서 발광 피크를 가져 순수 녹색의 광으로 출사될 수도 있고, 혹은 540nm 내지 580nm에서 발광 피크를 가져 황녹색에 가까운 광으로 출사될 수도 있다. 그리고, 적색 파장은 600nm 내지 640nm에서 발광 피크를 갖는다.

따라서, 제 1 전극(110) 및/또는 제 2 전극(240)의 어느 쪽으로는 청색 발광 스택(BS1, BS2)에서 나온 청색 광과 인광 발광 스택(RGS)에서 나온 녹색 및 적색 광이 합산되어 출사되어 백색 광이 최종적으로 구현된다.

상기 제 1, 제 2 청색 발광 스택(BS1, BS2) 중 적어도 어느 하나가 도 1 의 A 영역 또는 도 3의 A' 영역의 전자 저지층(140), 발광층(150), 전자 조절층(155) 및 전자 수송층(160)의 적층을 포함하여 해당 스택의 수명 및 효율을 개선할 수 있다.

그리고, 인광 발광 스택(RGS)은 인광 발광층을 포함하는 것으로, 예를 들어, 발광층으로, 적색 발광층, 녹색 발광층을 적층하여 포함하거나, 적색 발광층 및 황녹색 발광층을 적층하여 포함하거나 적색 발광층, 황녹색 발광층 및 녹색 발광층을 차례로 적층하여 정공 수송층과 전자 수송층 사이에 포함하여 구성할 수 있다. 인광 발광 스택(RGS)과 제 1 또는 제 2 청색 발광 스택(BS1, BS2)은 전하 생성층(CGL1 또는 CGL2)에 의해 구분될 수 있다.

여기서 설명하지 않은 119는 뱅크(Bank)를 나타내는 것으로, 뱅크 사이의 BH는 뱅크 홀을 의미한다. 뱅크 홀을 통해 개구된 영역에 발광이 이루어지는 것으로, 상기 뱅크 홀은 각 서브 화소의 발광부를 정의한다.

한편, 상술한 구성에서, 청색 발광 스택(BS1, BS2) 내에 발광층(150)의 청색 발광과 더불어, 전자 조절층(155)에서 황녹색 또는 녹색 또는 적색의 발광이 가능하여 이는 백색 유기 발광 소자의 타 스택의 인광 발광과 함께 청색 외의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 도 11의 표시 장치는 일예로 하부 발광 방식에 따른 표시 장치를 나타낸 것이다.

그러나, 본 발명의 표시 장치는 이러한 예에 한하지 않으며, 도 11의 표시 장치의 구조에서 컬러 필터층을 제 2 전극(180) 상측에 위치시키고, 제 1 전극(110)을 반사성 금속을 포함하도록 하고, 제 2 전극(180)을 투명 전극 혹은 반투과성 금속으로 구성하여 상부 발광 방식으로 구현할 수도 있다.

혹은 상기 컬러 필터층을 생략하거나 구비하고, 상기 제 1, 제 2 전극(110, 180) 모두 투명 전극으로 하여 투명 유기 발광 소자를 구현할 수도 있다.

이하, 다른 실시예에 따른 표시 장치에 대해 설명한다.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치를 나타낸 단면도이다.

도 13과 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표시 장치는 기판(미도시, 도 11의 110 참조) 상에 적색 서브 화소(R_SP)와 녹색 서브 화소(G_SP)와, 다른 적층 구조로 청색 서브 화소(B_SP)를 구비한 것으로, 이 경우, 청색 서브 화소(B_SP)는 도 1 또는 도 3의 적층 구조를 갖는다.

즉, 청색 서브 화소(B_SP)는 제1 전극(210b), 정공 수송층(230), 전자 저지층(240), 전자 조절층(255)을 사이에 둔 제 1, 제 2 청색 발광층(251, 252)을 포함한 청색 발광층(250), 전자 수송층(260) 및 제 2 전극(280)의 순서로 형성된다.

녹색 또는 적색 서브 화소(G_SP, R_SP)는 제1 전극(210a), 정공 수송층(230), 전자 저지층(240), 녹색 또는 적색 발광층(GEML or REML)(258), 전자 수송층(260) 및 제 2 전극(280)의 순서로 형성된다.

도시된 예에서는 정공 주입층과 전자 주입층을 생략하였으나, 각각 필요에 따라 제 1 전극(210a 또는 210b)과 정공 수송층(230) 사이, 전자 수송층(260)과 제 2 전극(280) 사이에 더 형성될 수 있다.

제 1 전극(210a, 210b)은 서브 화소별로 분리되어 형성되는 것으로, 각각 박막 트랜지스터(도 11의 TFT)에 연결되어 선택적인 스위칭 동작이 가능하며, 스위칭 동작에 따라 서브 화소에 온/오프 및 개별 계조 표현이 가능하다.

녹색 또는 적색 발광층(GEML or REML)과 청색 발광층(250) 및 전자 조절층(255)을 제외하여, 정공 수송층(230), 전자 저지층(240), 전자 수송층(260)과 제 2 전극(280)은 각 서브 화소들에 연속적이며 공통적으로 형성되는 층이다. 즉, 다른 실시예에 따른 표시 장치에 있어서는 각 색 발광층과 전자 조절층의 사용에 따라 청색 서브 화소가 타색 서브 화소에 대해 비교되어 구비되며, 청색 서브 화소의 발광층의 정공 트랩성을 전자 조절층의 전자 흐름 제어로 보상하여 청색 발광층 내부로 발광 영역을 조정하여 전자 저지층 계면 열화를 방지할 수 있다.

한편, 도 13과 같이 각 서브 화소별로 다른 발광층을 구비한 구조에서는 컬러 필터층을 생략할 수도 있고, 필요에 따라 컬러 필터층을 더 구비하여, 색순도를 높여 각 서브 화소의 발광층에 구비된 발광 색을 출사시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 유기 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치는, 발광층 내에서 여기자 발생에 의한 효율을 확보하기 위해 발광층의 양측에 일측의 전자 수송 능력이 좋은 전자 수송층을 이용하고, 타측은 전자를 발광층 내로 제한하기 위한 전자 저지층을 이용한다. 이러한 고효율 소자에서 발광층을 통과하는 전자의 흐름을 제어하는 전자 조절층을 발광층 내부에 구비하여, 전자 저지층과 발광층 계면에 전자나 여기자 적체되어 수명이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 발광층 전자조절층을 발광층 내부 혹은 전자 수송층에 가까이 구비하여 전자가 발광층 내부로 들어오는 초입 단계에서 전자 수송 속도를 제어하여 전자 저지층을 통해 발광층으로 들어오는 정공과 전자 수송층에서 들어오는 전자가 재결합되는 영역, 즉, 여기자 발생되는 영역이 인접층들과의 계면이 아닌 발광층 안쪽 영역에 생성되도록 하여 발광층 내의 전하 균형을 향상시켜 효율을 향상시킬 수 있다.

그리고, 발광층 내 구비된 전자 조절층에 발광층보다 장파장의 형광 도펀트를 포함시켜 복수 스택 구조에서 전자 조절층에서 나오는 광을 백색 표시에 이용할 수 있으며, 장파장의 휘도를 보상할 수 있다.

본 발명의 유기 발광 소자는, 특히, 청색 형광 소자 구조에서 전자 수송층의 전자 주입량을 제어할 수 있는 층을 삽입하여 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.

또한, 청색 발광층 내에 청색 외의 형광 발광 기능을 도펀트를 포함한 전자 조절층을 얇은 층으로 구비하여, 청색 발광층의 효율의 변화없이 수명이 향상하는 것을 확인하였다.

이와 같은 본 발명의 유기 발광 소자는 서로 대향한 제 1 전극과 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 구비된 전자 저지층, 호스트와 제 1 도펀트를 포함하는 제 1 발광층 및 전자 수송층 및 상기 제 1 발광층과 상기 전자 수송층 사이에 위치하며, 상기 제 1 발광층의 발광 피크보다 장파장을 발광하는 제 2 도펀트를 갖는 전자 조절층을 포함할 수 있다.

상기 전자 저지층과 상기 전자 조절층과의 제 1 이격 간격이, 상기 전자 조절층과 전자 수송층과의 제 2 이격 간격보다 넓을 수 있다.

상기 전자 조절층은 상기 제 1 발광층에 포함된 동일한 호스트를 더 포함할 수 있다.

상기 전자 조절층 내 상기 제 2 도펀트의 농도보다 상기 제 1 발광층 내 상기 제 1 도펀트의 농도가 더 클 수 있다.

상기 제 2 도펀트는 상기 제 1 도펀트보다 전자 트랩성이 클 수 있다.

상기 전자 조절층과 상기 전자 수송층 사이에 제 2 발광층이 더 구비될 수 있다.

상기 제 2 발광층은 상기 제 1 발광층과 동일한 호스트와 동일한 제 1 도펀트를 포함할 수 있다.

상기 전자 조절층은 상기 전자 수송층과 접할 수 있다.

상기 제 1 발광층이 상기 제 2 발광층보다 더 두꺼울 수 있다.

상기 제 2 도펀트는 상기 전자 수송층보다 낮은 LUMO 준위를 가질 수 있다.

상기 제 2 도펀트는 상기 제 1 발광층의 호스트보다 낮은 LUMO 준위를 가질 수 있다.

상기 제 1 도펀트는 430nm 내지 480nm에서 발광 피크를 갖고, 상기 제 2 도펀트는 520nm 내지 600nm에서 발광 피크를 가질 수 있다.

상기 제 2 도펀트는 Rubrene을 포함할 수 있다.

상기 제 1 도펀트는 보론 코어를 가질 수 있다.

상기 전자 조절층은 상기 제 1 발광층보다 얇은 두께일 수 있다.

또는, 다른 실시예에 따른 본 발명의 유기 발광 소자는 서로 대향한 제 1 전극과 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 구비된 전자 저지층, 청색 호스트 및 청색 도펀트를 포함한 발광층 및 전자 수송층 및 상기 발광층 내에 상기 전자 저지층보다 상기 전자 수송층에 가까운 거리에, 상기 발광층의 두께보다 1/2 이하의 두께로 상기 청색 도펀트보다 장파장 광을 발광하는 도펀트를 포함한 전자 조절층을 포함할 수 있다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100: 기판 110: 제 1 전극
120: 정공 주입층 130: 정공 수송층
140: 전자 저지층, 150: 발광층
151: 제 1 발광층 152: 제 2 발광층
155: 전자 조절층 160: 전자 수송층
170: 전자 주입층 180: 제 2 전극

Claims

서로 대향한 제 1 전극과 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 구비된 전자 저지층, 호스트와 제 1 도펀트를 포함하는 제 1 발광층 및 전자 수송층; 및
상기 제 1 발광층과 상기 전자 수송층 사이에 위치하며, 상기 제 1 제 1 도펀트보다 장파장을 발광하는 제 2 도펀트를 갖는 전자 조절층을 포함하는 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 전자 저지층과 상기 전자 조절층과의 제 1 이격 간격이, 상기 전자 조절층과 전자 수송층과의 제 2 이격 간격보다 넓은 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 전자 조절층은 상기 제 1 발광층에 포함된 동일한 호스트를 더 포함한 유기 발광 소자.
제 3항에 있어서,
상기 전자 조절층 내 상기 제 2 도펀트의 농도보다 상기 제 1 발광층 내 상기 제 1 도펀트의 농도가 더 큰 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 도펀트는 상기 제 1 도펀트보다 전자 트랩성이 큰 유기 발광 소자.
제 2항에 있어서,
상기 제 2 이격 간격에, 상기 제 1 발광층과 동일한 호스트와 동일한 제 1 도펀트를 포함하는 제 2 발광층이 더 구비된 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 전자 조절층은 상기 전자 수송층과 접한 유기 발광 소자.
제 7항에 있어서,
상기 전자 조절층의 두께는 상기 제 1 발광층의 두께보다 얇은 유기 발광 소자.
제 6항에 있어서,
상기 제 1 발광층이 상기 제 2 발광층보다 더 두꺼운 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 도펀트는 상기 전자 수송층보다 낮은 LUMO 준위를 갖는 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 도펀트는 상기 제 1 발광층의 호스트보다 낮은 LUMO 준위를 갖는 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 도펀트는 430nm 내지 480nm에서 발광 피크를 갖고,
상기 제 2 도펀트는 520nm 내지 600nm에서 발광 피크를 갖는 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 도펀트는 청색 발광 도펀트이며,
상기 제 2 도펀트는 적색 도펀트 또는 황색 도펀트인 유기 발광 소자.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 도펀트는 Rubrene을 포함한 유기 발광 소자.
제 12항에 있어서,
상기 제 1 도펀트는 보론 코어를 갖는 유기 발광 소자.
제 6항에 있어서,
상기 전자 조절층은 상기 제 1 발광층보다 얇은 두께인 유기 발광 소자.
기판 상의 청색 서브 화소와 비청색 서브 화소에 각각 구비된 박막 트랜지스터;
상기 청색 서브 화소 및 비청색 서브 화소에 서로 분리되어, 각각의 박막 트랜지스터와 접속된 제 1 전극;
상기 청색 서브 화소와 비청색 서브 화소에 걸쳐 상기 제 1 전극 상에 차례로 구비된 정공 수송층 및 전자 저지층;
상기 청색 서브 화소에 구비된 청색 발광층;
상기 비청색 서브 화소에 구비된 비청색 발광층;
상기 청색 서브 화소와 비청색 서브 화소에 걸쳐, 상기 청색 발광층과 비청색 발광층 상에 차례로 구비된 전자 수송층 및 제 2 전극; 및
상기 청색 발광층 내부에 또는 상기 청색 발광층과 상기 전자 수송층 사이에 위치하며, 상기 전자 저지층보다 상기 전자 수송층에 가깝게, 청색보다 장파장의 광을 발광하는 도펀트를 포함한 전자 조절층을 포함한 표시 장치.
복수개의 서브 화소를 갖는 기판;
상기 서브 화소에 각각 구비된 박막 트랜지스터;
상기 박막 트랜지스터와 접속된 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 이격한 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 구비되며, 전하 생성층을 사이에 두고 나뉘는 복수개의 발광 스택; 및
상기 복수개의 발광 스택 중 적어도 하나는, 전자 저지층, 제 1 발광층 및 전자 수송층과,
상기 청색 발광층 내부에 또는 상기 청색 발광층과 상기 전자 수송층 사이에 위치하며, 상기 전자 저지층보다 상기 전자 수송층에 가깝게, 상기 제 1 발광층의 발광 피크보다 장파장을 발광하는 도펀트로 이루어진 전자 조절층을 포함하는 표시 장치.
제 18항에 있어서,
상기 서브 화소들에 구분되어 상기 제 1 전극 하측 또는 상기 제 2 전극 상측에 구비되며, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극을 통과하여 나오는 광을 인접한 서브 화소들에서 서로 다른 색으로 투과시키는 컬러 필터를 더 포함한 표시 장치.