KR20220092301A - 백색 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 백색 발광 소자 및 표시 장치는 내부 스택 구조의 변경과 출사측 전극과 관계를 통해 시야각 변화에 따른 휘도 변화를 방지하고 동시에 색 편차를 개선하며 동시에 구동 전압을 낮출 수 있다.

Description

백색 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치{White Light Emitting Device and Display Device Using the Same}
본 발명은 백색 발광 소자에 관한 것으로, 특히 구조 변경을 통해 효율 개선과 시야각 변화에 따른 휘도 및 색 변화를 방지할 수 있으며, 구동 전압을 낮춘 백색 유기 발광 소자 및 이를 포함한 표시 장치에 관한 것이다.
최근 별도의 광원을 요구하지 않으며 장치의 컴팩트화 및 선명한 컬러 표시를 위해 자발광 표시 장치가 경쟁력 있는 어플리케이션(application)으로 고려되고 있다. 자발광 표시 장치는 내부 발광 재료에 따라 유기 발광 표시 장치 및 무기 발광 표시 장치로 구분될 수 있다.
한편, 자발광 표시 장치에서는 복수개의 서브 화소를 구비하고, 별도의 광원없이 각 서브 화소에 발광 소자를 구비하여, 광을 출사하고 있다.
또한, 표시 장치는 고해상도, 고집적화되며 금속 미세 마스크를 요구하지 않고 공통적으로 유기층 및 발광층을 구성하는 탠덤(tandem) 소자가 공정성 측면에서 부각되며 이에 대한 연구가 이루어지고 있다.
그런데, 복수개의 스택을 갖는 탠덤(tandem) 소자로 백색을 구현하는 표시 장치는, 복수층의 발광층이 포함되며, 각 발광층은 다른 공진 특성을 나타내어 시청자가 화면을 일정 각도로 기울여 볼 때 색 불량이 관측되는 시야각 불량이 관찰되는 경향이 있다. 이에 복수 발광층이 중첩된 구조에서 시야각에 따른 색 편차를 해결하고자 하는 노력이 제기되고 있다.
본 발명의 백색 발광 소자 및 표시 장치는 내부 스택 구조의 변경과 출사측 전극과 관계를 통해 시야각 변화에 따른 휘도 변화를 방지하고 동시에 색 편차를 개선하며 동시에 구동 전압을 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 소자는 제 1 전극 상에 적색 발광층 및 녹색 발광층을 포함한 제 1 스택과, 상기 제 1 스택 상의 전하 생성층과, 상기 전하 생성층 상에 청색 발광층을 포함한 제 2 스택 및 상기 제 2 스택 상에 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극을 통해 광이 출사되며, 상기 제 1 전극의 두께는 상기 제 1 전극의 하면에서부터 상기 제 2 전극의 하면까지 거리의 0.10 배 이상이며 0.26 배 이하일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 본 발명의 표시 장치는 복수개의 서브 화소를 포함한 기판과, 상기 서브 화소 각각에 구비된 박막 트랜지스터와, 상기 각 서브 화소에, 상기 박막 트랜지스터와 접속된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 상에, 전하 생성층에 의해 나뉜 제 1 스택과 제 2 스택을 갖고, 상기 제 1 스택에 적색 발광층 및 녹색 발광층을 포함하며, 상기 제 2 스택에 청색 발광층을 갖는 백색 유기 스택 및 상기 백색 유기 스택 상에 제 2 전극을 포함하고, 상기 백색 유기 스택으로부터 나오는 광은 상기 제 1 전극을 통해 출사되며, 상기 제 1 전극의 두께는 상기 제 1 전극과 상기 백색 유기 스택을 합한 두께의 0.10 배 이상이며 0.26 배 이하일 수 있다.
본 발명의 백색 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명의 백색 발광 소자는 적색, 녹색 및 청색 발광층의 위치를 특정하고, 제 1 전극의 두께를 제 1 전극과 백색 유기 스택을 포함한 두께에 대해 일정 관계로 하여 각 광의 스펙트럼이 수직 거리에서 경사가 완만한 특성을 갖도록 하여 시야각이 변화하여도 색 특성은 정면과 동일 또는 유사한 특성을 유지할 수 있다. 시야각에 변화에 따른 색변동성이 없어 표시 장치의 적용이 유리하다. 특히, 전 방위에서 시야각 변화를 거의 발생시키지 않아 대면적으로 적용시 많은 시청자가 시청하여도 색감 차를 발생시키지 않고 우수한 색 특성을 나타낼 수 있다.
둘째, 시야각 변화에 따른 휘도 편차를 발생시키지 않아 어느 방향에서 시청하여도 동일한 영상 구현이 가능하다.
셋째, 백색 유기 스택 구조에서 최소 구조로 3피크 구현이 가능하여, 구동 전압 감소와 공정성의 개선이 동시에 가능하다.
도 1은 본 발명의 백색 발광 소자를 나타낸 개략 단면도이다.
도 2는 도 1의 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 백색 발광 소자의 각 발광 색의 EL 스펙트럼과 이에 대응되는 발광층의 위치를 나타낸 컨투어 맵이다.
도 4는 도 2의 백색 발광 소자를 포함한 표시 장치를 나타낸 단면도이다.
도 5는 제 1, 제 2 실험예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 제 1, 제 2 실험예의 시야각에 따른 색편차를 나타낸 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 제 1 내지 제 3 실험예의 컨투어 맵이다.
도 8은 본 발명의 백색 발광 소자의 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 백색 발광 소자의 시야각 변화에 따른 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 백색 발광 소자의 시야각 변화에 따른 색편차를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 백색 발광 소자의 JV 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 12는 제 2 및 제 4 실험예에 따른 백색 발광 소자의 95 수명을 나타낸 그래프이다.
도 13은 제 1 및 제 2 실험예의 시간 경과에 따른 구동 전압 편차를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 백색 발광 소자의 시간 경과에 따른 색온도 변화를 나타낸 그래프이다.
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 기판 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 포함된 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기판이 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.
한편, 본 명세서에서 EL (전계발광, electroluminescence) 스펙트럼이라 함은, (1) 유기 발광층에 포함되는 도펀트 물질이나 호스트 물질과 같은 발광 물질의 고유한 특성을 반영하는 PL(광발광, photoluminescence) 스펙트럼과, (2) 전자 수송층 등과 같은 유기층들의 두께를 포함한 유기 발광 소자의 구조와 광학적 특성에 따라 결정되는, 아웃 커플링(out coupling) 에미턴스(emittance) 스펙트럼 커브의 곱으로써 산출된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 백색 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 백색 발광 소자를 나타낸 개략 단면도이며, 도 2는 도 1의 일 실시예를 나타낸 단면도이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 백색 발광 소자의 각 발광 색의 EL 스펙트럼과 이에 대응되는 발광층의 위치를 나타낸 컨투어 맵이다.
도 1 및 도 2와 같이, 본 발명의 백색 발광 소자(2000)는 제 1 전극(110) 상에 적색 발광층(141) 및 녹색 발광층(142)을 포함한 제 1 스택(S1)과, 상기 제 1 스택(S1) 상의 전하 생성층(160)과, 상기 전하 생성층(160) 상에 청색 발광층(150)을 포함한 제 2 스택(S2) 및 상기 제 2 스택(S2) 상에 제 2 전극(120)을 포함한다.
본 발명의 백색 발광 소자(2000)는, 각 발광층(141, 142, 150) 위치의 특정 설계와, 제 1 전극(110)의 하면에서부터 제 2 전극(120)까지 거리(d)에서, 특정 조건으로 제 1 전극(110)의 두께를 적용한다. 이를 통해, 백색 유기 스택(WEL)에서 발광 위치를 정하는 컨투어 맵에서, 제 1 전극(110)의 하면에서부터 제 2 전극(120)까지의 수직 거리(d)에 대해 완만한 단일 경사를 갖는 컨투어 영역에 적색 발광층(141), 녹색 발광층(142) 및 청색 발광층(150)을 위치시켜 타색 간섭을 방지시키고 시야각 변화에 대해 안정한 휘도 특성과 색 특성을 유지하도록 한다.
본 발명의 백색 발광 소자(2000)는 상기 제 1 전극(110)이 출사측으로, 백색 발광 소자(2000) 내부에서 발광된 광은 제 1 전극(110)을 통해 광이 출사된다. 제 1 전극(110)은 투명 전극, 제 2 전극(120)은 반사성 전극으로, 제 1 스택(S1)의 적색 발광층(141)과 녹색 발광층(142)에서 발생된 광과 제 2 스택(S2)의 청색 발광층(150)에서 발생된 광은 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이에서 공진되며 최종적으로 제 1 전극(110)을 통해 출사된다. 상기 제 1 전극(110)은 인듐(Indium), 주석(Sn), 아연(Zinc), 티타늄(Ti), 갈륨(Ga) 중 적어도 2개의 원소를 포함한 투명 산화물 전극이다. 예를 들어, 제 1 전극(110)은 ITO, IZO 등의 재료로 형성할 수 있으며, 음극(120)은 Al, Al합금, Ag, Ag합금, Mg, Mg 합금, APC(Ag-Pd-Cu) 등 반사 전극을 포함하여 이루어질 수 있다.
기능적으로 제 1 전극(110)은 애노드(Anode)라 할 수 있으며, 제 2 전극(120)은 캐소드(Cathode)라 할 수 있다.
한편, 본 발명의 백색 발광 소자(2000)는 특히 시야각에 따라 변화되는 색시야각 특성을 개선하고자 한 것으로 이를 위해 제 1 스택과 제 2 스택 내 발광층들이 단일의 완만한 경사를 갖는 컨투어 영역 내에 배치되어 있어, 도 3에서 보이는 바와 같이 다른 색 발광의 간섭이 나타나지 않는 위치에 있게 되어, 시야각에 따라 색변동성을 줄이거나 방지할 수 있다. 예를 들어, 적색 혹은 녹색의 발광층이 위치하는 컨투어 영역과 청색의 발광층이 위치하는 컨투어 영역이 다른 경사에 따라 배치될 때, 시야각이 커질수록 적색 혹은 녹색 발광층의 최적 발광 영역에 대한 대응 각도와 청색 발광층의 최적 발광 영역에 대한 대응 각도의 차가 커지며, 이로 인해 적색 혹은 녹색의 휘도 변화와, 청색의 휘도 변화에 시인 차가 발생하게 된다. 본 발명의 백색 발광 소자(2000)는 이를 방지하도록 단일의 완만한 경사를 갖는 컨투어 영역 내에 적색, 녹색 및 청색 발광층이 배치되도록 한 것이다.
이를 위해 상기 제 1 전극(110)의 두께(Ad)는 상기 제 1 전극(110)의 하면에서부터 상기 제 2 전극(120)의 하면까지 거리(d)의 0.10 배 이상이며 0.26 배 이하(0.1d≤Ad≤0.26d)일 수 있다.
여기서, 본 발명의 백색 발광 소자의 상기 제 1 전극(110)의 하면에서부터 상기 제 2 전극(120)의 하면까지의 거리(d)는 150nm 내지 200nm일 수 있다. 이 거리(d)에는 제 1 전극(110)의 두께와 유기물 성분의 백색 유기 스택(WEL)의 두께를 포함한 것이다. 특히, 제 1 전극(110)의 하면에서부터 상기 제 2 전극(120)의 하면까지의 거리(d)는 백색 유기 스택(WEL)을 포함하고, 이 백색 유기 스택(WEL)은 2스택을 구비하였음에도 200nm 이하로 얇아 실질적으로 본 발명의 백색 발광 소자는 2스택 구조이지만 제 1, 제 2 스택(S1, S2) 사이에서 발광을 수행하는 발광층 중 가장 하측에 위치한 적색 발광층(141)과 가장 상측에 위치한 청색 발광층(150) 사이의 거리가 짧은 구성을 갖는다. 이 때, 적색 발광층(141)과 녹색 발광층(142)이 바로 접하여 위치하며, 녹색 발광층(142)과 청색 발광층(150) 사이의 층들(132, 160, 133)의 두께가 얇다. 또한, 상기 제 1 전극(110)의 두께(Ad)가 제 1 전극(110)의 하면에서부터 상기 제 2 전극(120)의 하면까지의 거리(d)에 비례하여 얇기 때문에, 공지된 2 스택 구조에 비해서도 제 1 전극(110)의 두께가 얇게 된다.
제 1 스택(S1)과 제 2 스택(S2) 사이에는 n 형 전하 생성층(161) 및 p형 전하 생성층(162)이 적층된 전하 생성층(160)이 구비되어, n형 전하 생성층(161)에서는 전자를 생성하여 상기 제 1 스택(S1)으로 전자를 공급하고, 상기 p형 전하 생성층(162)에서는 정공을 생성하여 상기 제 2스택(S2)으로 정공을 공급하는 기능을 한다. 전하 생성층(160)은 도 2에 도시된 이층 구조로 형성될 수도 있지만 다른 성질의 도펀트들을 포함하여 하나의 전하 생성층으로 구비할 수도 있다. 본 발명의 백색 발광 소자(2000)에서, 상기 전하 생성층(160)을 구비한 이유는 제 1 스택(S1)은 제 2 전극(120)으로부터 멀어 직접적으로 전자의 공급을 받기 어렵고, 제 1 스택(S2)은 제 1 전극(110)으로부터 멀어 직접적으로 정공의 공급을 받기 어려워, 스택 내 발광층으로 정공 및 전자의 공급을 균형 있게 맞춰 주어 각 스택 내의 발광층에서 정공과 전자의 밸런스를 조정하기 위함이다.
한편, 상기 제 1 스택(S1)은 상기 적색 발광층(141)과 제 1 전극(110) 사이에 제 1 공통층(131)을 구비하고, 녹색 발광층(142)과 전하 생성층(160) 사이에 제 2 공통층(132)을 구비한다. 제 1 공통층(131)은 정공 주입층 및 정공 수송층을 포함할 수 있으며, 경우에 따라 적색 발광층(141)에 가까이 전자 저지층을 더 포함할 수도 있다. 상기 제 2 공통층(132)은 전자 수송층을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제 2 스택(S2)은 상기 전하 생성층(160)과 청색 발광층(150) 사이에 제 3 공통층(133)을 구비하고, 청색 발광층(150)과 제 2 전극(120) 사이에 제 4 공통층(134)을 구비한다. 상기 제 3 공통층(133)은 정공 수송층을 포함하고, 상기 제 4 공통층(134)은 전자 수송층 및 전자 주입층을 포함할 수 있다.
각 스택에서, 발광층 하측에 위치한 공통층(131, 133)은 정공 수송에 관여하며, 발광층 상측에 위치한 공통층(132, 134)은 전자 수송에 관여한다.
각 스택 내에 구비된 공통층의 두께를 조절하여, 제 2 전극(120)으로부터 적색 발광층(141), 녹색 발광층(142) 및 청색 발광층(150)의 위치 (수직 거리)를 조정할 수 있다.
한편, 본 발명의 적색 발광층(141)에 이용하는 호스트 재료는 아릴기를 코어로 하며, 상기 아릴기와 탄소수 6 내지 24의 치환 또는 비치환 아릴기, 치환 또는 비치환된 헤테로 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 10 내지 30의 축합아릴기, 탄소수 2 내지 24의 치환 또는 비치환된 헤테로 아릴기, 탄소수 1 내지 24의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 1 내지 24의 치환 또는 비치환된 헤테로 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 24의 사이클로 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 24의 알콕시키, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 24의 아릴 옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 24의 알킬실릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 24의 아릴 실릴기, 시아노기, 할로겐기, 중수소 및 수소로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, R~R14는 이웃하는 치환기와 축합링을 형성할 수 있다.
그리고, 코어로 이루어하는 성분은 아릴기로, 페닐, 나프탈렌, 플루오렌, 카바졸, 페나진, 페난트롤린, 페난트리딘, 아크리딘, 시놀린, 퀴나졸린, 퀴녹살린, 나프티트린, 프탈라진, 퀴놀라잔, 인돌, 인다졸, 피리다진, 피라진, 피리미딘, 피리딘, 피라졸, 이미다졸, 피롤로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.
이러한 상기 적색 발광층(141)의 호스트 재료로 일례로, CBP, CDBP, mCP, BCP, BAlq, TAZ 등을 들 수 있으며, 이러한 재료는 하나 또는 복수개 포함될 수 있다.
그리고, 상기 적색 발광층(141)에 적색을 발광하기 위해 도펀트가 포함되는데, 일예로 Ir(piz)3(Tris(1-phenylisoquinoline)iridium(III), Ir(piq)2(acac)(Bis(1-phenylisoquinoline)(acetylacetonate)iridium(III), Ir(bip)2(acac)(Bis)2-benzolbithiophen-2-yl-pyridime)(acetylacetonate)iridium(III)), Ir(BT)2(acac)(Bis(2-pheylbenzothazolato)(accetylacetonate)iridium(III) 등으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 녹색 발광층(142)의 일예로, 호스트에는 Alq3를 모체로 사용하는 C-545T(10-(2-benzothia-zylyl)-1,1,7,7-tetramethyl-2, 3, 6, 7-tetrahydro-1H,5H, 11H-[l]benzo-pyrano[6,7,8-ij]quinolizin-11-ne)와 그 유도체들과 Quinacridone 유도체들 및 카바졸 유도체들을 포함할 수 있다. Alq3를 호스트로 할 경우 그 자체로 녹색 발광이 가능하지만, 녹색 발광의 효율 향상을 위해 녹색 도펀트를 포함하며, 이에는 인광 및 형광 도펀트가 모두 가능하다.
상기 청색 발광층(150)의 재료로는 적어도 하나 이상의 청색 호스트와 적어도 하나 이상의 청색 도펀트를 포함할 수 있다. 구체적으로, 안트라센(anthracene) 유도체, 파이렌(pyrene) 유도체 및 페릴렌(perylene) 유도체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 호스트 물질에 파이렌계 또는 보론계 청색 도펀트 등이 도핑되어 이루어질 수 있다.
한편, 상술한 적색 발광층(141), 녹색 발광층(142) 및 청색 발광층(150)의 도펀트들은 그 치환기를 변경하여 파장을 조정할 수 있을 것이다.
본 발명의 백색 발광 소자(2000)는 2개의 스택으로 적색, 녹색 및 청색의 구분되는 색 발광이 가능한 2스택 3 피크 구조(2stack 3peak)를 구현한 것이다.
백색을 표현함에 있어서 여러 방법이 가능하다. 예를 들어, 하나의 발광층에 복수개의 다른 색의 발광 도펀트를 포함시켜 백색을 구현할 수도 있고, 3개 이상의 스택에 청색, 녹색, 적색 발광층을 각각 나누어 배치시켜 백색을 구현할 수도 있을 것이다. 그런데, 단일 발광층에 복수개의 발광 도펀트를 구비시에는 발광 도펀트별 필요한 여기 에너지가 상이하고 지속적인 정공 및 전자의 재결합 과정에서 발광 도펀트별 소광 특성, 효율 차 및 수명 차 등이 발생하여, 시간이 경과함에 따라 균일한 백색 표현이 불가능한 문제가 있다. 그리고, 3개 이상의 스택에 나누어 발광층을 구비하는 경우, 녹색을 중심으로 시인성의 차이가 있어, 실제 표시 장치로 구현시 특정 색의 색감이 떨어지는 문제가 있으며, 또한, 스택 수 증가에 따라 공정 재현성의 저하 및 구동 전압 증가의 문제가 있다.
또한, 다른 예로, 2 스택 2 피크 소자 구조에 황녹색 도펀트를 적용하여 색시야각 특성은 우수할 수 있다. 그러나, 단일의 황녹색 도펀트를 사용시 각각 적색과 녹색의 순색 표현은 어렵다. 색순도를 높이기 위해 2 스택 3피크를 적용하는데, 이 경우, 인광 발광층이 다층화되며 시야각에 따른 색변화가 나타날 수 있다.
이에 본 발명의 백색 발광 소자는 2스택 3피크 구조를 통해, 최소 스택 구조로, 3 스택 이상 구조에서의 공정성이 떨어지고 전극들 사이의 유기물층의 두께가 늘어나 구동 전압이 줄어드는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 청색 발광층, 녹색 발광층 및 적색 발광층의 별개 구성으로, 각 색의 재현성을 높일 수도 있다.
더불어, 본 발명의 백색 발광 소자는 도 3의 컨투어 맵에서 나타난 바와 같이, 제 2 전극(120) 및 제 1 전극(110) 사이의 수직 거리에서, 각 발광층의 위치가 일정 경사를 갖는 하나의 컨투어 영역(contour region)에서 결정될 수 있도록 제 1 스택(S1), 전하 생성층(160) 및 제 2 스택(S2)의 합산 두께로 결정되는 유기물층의 총 두께 (d-Ad)가 얇다. 이는 본 발명의 백색 발광 소자가 하기 후술되는 복수개의 경사를 갖는 컨투어 영역에서 각 스택의 발광층의 위치가 결정되는 2스택 3 피크 구조의 제 1 실험예(Ex1)와 차별화되는 특징이다. 본 발명의 발명자들은 제 1 전극(110)의 거리를, 제 1 전극(110)의 하면으로부터 제 2 전극(120)의 하면까지의 거리(d)의 0.10배 이상 내지 0.26배 이하에서 설정되도록 하고, 제 1 전극(110)의 하면으로부터 제 2 전극(120)의 하면까지의 거리(d)를 150nm 내지 200nm로 하여 얇은 2 스택 구조 내에서 컨투어 영역의 경사가 완만한 특성을 도출한다. 특히, 하나의 완만한 경사를 갖는 컨투어 영역에서 각각 청색 발광층의 위치, 녹색 발광층의 위치 및 적색 발광층의 위치를 결정하여, 복수 컨투어 영역을 이용하여 스택별 다른 발광층을 대응시키는 구조 대비 타색 간섭을 방지할 수 있다. 또한, 완만한 경사를 갖는 컨투어 영역에서 청색 발광층이 결정될 때, 청색 발광층이 위치하는 발광 영역을 포함한 일정 수직 거리에서 유사한 청색 발광 세기가 발생되고, 녹색 발광층이 위치하는 발광 영역을 포함한 일정 수직 거리에서 유사한 녹색 발광 세기가 발생되고, 적색 발광층이 위치하는 발광 영역을 포함한 일정 수직 거리에서 유사한 적색 발광 세기가 발생되도록 한다. 이를 통해 백색 발광 소자를 정면에서 일정 각도로 기울여 관찰하는 시야각 변화시에도 각 발광층에서 유사 발광 색 세기를 보여 시야각 변화에 따른 휘도 변화를 방지하고 동시에 색 편차를 방지할 수 있다. 이러한 시야각 변화에 따른 휘도 변화 방지 및 색 편차 방지 효과는 적색 발광층(141)과 녹색 발광층(142)을 인접하게 구비하는 구조에서 공정을 늘리지 않고 얻을 수 있는 매우 의미 있는 효과이다.
이를 통해 도 3에서 살펴볼 수 있는 바와 같이, 각 발광층(141, 142, 150)의 위치를 각 발광색의 발광 세기가 동등 수준으로 유사한 범위에서 확보하고, 각 발광층의 두께 범위에서 타색 발광의 간섭을 방지하도록 한다. 즉, 발광층의 위치를 정하는 컨투어 영역의 경사가 제 2 전극으로부터의 거리에서 완만하게 나타나고 청색, 녹색 및 적색의 최적 발광을 나타내는 등고선이 타 등고선과 겹치거나 일부 중첩되는 경향을 보이지 않기 때문에, 청색 발광층(150)의 발광 위치가 완만한 등고선 내의 대략 20nm 이상의 두께에서 확보되고, 상기 청색 발광층(150)으로부터 하측으로 이격하여 차례로 녹색 발광층(142)의 발광 위치와 적색 발광층(141)의 발광 위치가 확보된다. 각 발광층(142, 141, 150)에서 충분한 발광 영역을 갖기 위해 녹색 발광층(142)은 대략 20nm 이상의 두께로 하고, 적색 발광층(141)은 대략 10nm 이상의 두께로 한다. 상기 청색, 녹색 및 적색 발광층(150, 142, 141)의 두께는 상기 제 1 전극(110)과 제 2 전극(120) 사이의 두께를 150nm 이하로 하기 위해 모두 30nm 이하로 할 수 있다.
그리고, 상기 청색 발광층(150)은 454nm 내지 458nm에서 발광 피크를 갖고, 상기 녹색 발광층(142)은 525nm 내지 540nm에서 발광 피크를 갖고, 상기 적색 발광층(141)은 560nm 내지 626nm에서 발광 피크를 가질 수 있다.
상기 각 발광층(141, 142, 150)은 각각 최대 보강 간섭이 일어나는 위치에 있으며, 하기 식 1을 만족한다.
[식 1]
Figure pat00001
(h 는 백색 유기 스택의 거리, z는 제 2 전극으로부터 발광층과의 거리)
본 발명의 백색 발광 소자에서, 제 1전극(110)의 하면에서부터 제 2 전극(120)까지의 거리(d)를 포함하여 전체 광학 두께를 설정하고, 구비된 백색 유기 스택(WEL) 내에서 각 발광층(141, 142, 150)에 적용된 도펀트의 파장을 고려하여 발광층의 위치를 설정한다. 각 발광층(141, 142, 150)은 각각 호스트 내에 색의 파장을 조정하는 도펀트가 포함된다.
적색 발광층(141)과 녹색 발광층(142)은 인광 재료의 호스트 및 도펀트를 포함할 수 있고, 청색 발광층(150)은 형광 재료의 호스트 및 도펀트를 포함할 수 있다.
제 1 스택(S1) 내의 적색 발광층(141)과 녹색 발광층(142)은 서로 인접하게 설계되어 있지만, 도 3에서 살펴볼 수 있는 바와 같이, 각각 색변화가 크지 않은 컨투어 영역에 발광 영역이 발생하도록 적색 발광층(141)과 녹색 발광층(142)을 대응시켜 시야각이 변화하여도 동일 또는 유사 색이 관찰될 수 있게 하여 시야각 변동에 따른 휘도 편차 및 색 편차를 방지한다.
경우에 따라, 상기 제 1 스택(S1) 내에 단일 인광 발광층을 구성하여 녹색 및 적색의 2 피크를 구현하는 바도 가능하다. 이 때, 인광 발광층의 인광 도펀트는 발광 피크가 520nm내지 626nm의 파장에 있을 것이다. 단일 인광 발광층의 경우에도 도 3의 컨투어 맵에서 동일 색의 파장에 대해 동일 또는 유사 세기가 나오는 컨투어 영역이, 제 2 전극(120)으로부터 수직 거리에서 일정 거리 이상 확보되는 영역으로 인광 발광층을 위치시켜 시야각 변동에 의해 휘도 편차 및 색 편차에 발생됨을 방지할 수 있다.
본 발명의 백색 발광 소자에서 청색 발광층(150)은 제 2 스택(S2)에 위치하여야 하며, 적색 및 녹색 발광층(141, 142)의 인광 발광층들은 제 1 스택(S1)에 위치한다. 청색 발광층(150)이 보다 상측에 위치하는 것은, 하나의 경사를 갖는 컨투어 영역에서 청색, 녹색 및 적색의 발광층을 모두 위치시켜야 하는 상황에서, 상대적으로 시인성이 낮은 청색의 발광층(150)을 가장 발광 세기가 큰 영역에 위치시키기 위해서이다. 이를 통해 추가적인 청색 발광층을 더 구비하지 않고도 시청자가 청색, 녹색 및 적색을 대등할 정도의 휘도로 인식할 수 있다.
제 1, 제 2 스택의 사이에는 전하 생성층(160)이 위치한다. 전하 생성층(160)은 예를 들어, p형 전하 생성층(161)과 n형 전하 생성층(162)이 적층되어 있다.
이하에서는 본 발명의 백색 발광 소자와 박막 트랜지스터 어레이를 연결한 표시 장치의 구성에 대해 설명한다.
도 4는 도 2의 백색 발광 소자를 포함한 표시 장치를 나타낸 단면도이다.
도 4와 같이, 본 발명의 표시 장치는 복수개의 서브 화소(R_SP, G_SP, B_SP, W_SP)를 갖는 기판(100)과, 상기 기판(100)에 공통적으로 구비되는 도 1 내지 3의 백색 발광 소자(OLED, 2000)와, 상기 서브 화소 각각에 구비되며, 백색 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. 그리고, 상기 반도체층(104)의 채널이 위치한 부위 상부에는 직접적인 소스/드레인 전극(106a, 106b)과 상기 반도체층(104)의 접속을 방지하기 위해 채널 보호층(105)이 더 구비될 수 있다.
상기 게이트 전극(102)과 반도체층(104) 사이에는 게이트 절연막(103)이 구비된다.
상기 반도체층(104)은 예를 들어, 산화물 반도체, 비정질 실리콘 및 다결정 실리콘 중 어느 하나이거나 앞서 열거된 이들 중 2개 이상의 조합으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 상기 반도체층(104)이 산화물 반도체인 경우, 박막 트랜지스터 형성에 소요되는 가열 온도를 낮출 수 있어 기판(100) 사용에 자유도가 높아 플렉서블 표시 장치로의 적용이 유리할 것이다.
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 필터는 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 발광 소자(OLED)는 투명한 제 1 전극(110)과, 이에 대향된 반사성 전극의 제 2 전극(120)과 상기 제 1, 제 2 전극(110, 120) 사이에, 도 1 내지 도 3과 같이, 인광 발광 스택의 제 1 스택(S1)과 청색 발광 스택(S2)을 사이에 전하 생성층(160)을 개재한 백색 유기 스택(WEL)을 가질 것이다.
상기 제 1 전극(110)은 각 서브 화소별로 구분되어 나뉘어 있으며, 백색 발광 소자(OLED)의 나머지 층들은 서브 화소별 구분없이 표시 영역 전체에 일체형으로 구비된다.
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, 상기 제 1 전극(110)의 하측의 구성으로 기판(100)을 포함하여, 박막 트랜지스터(TFT)과 컬러 필터(109R, 109G, 109B)와 이들 구성이 배치된 절연막들을 포함하여 박막 트랜지스터 어레이 기판(1000)이라 한다.
이하에서는 본 발명의 백색 발광 소자의 2 스택 구조에서 발광층 배치의 의의를 설명하기 위해, 본 발명과 다른 발광층의 배치를 갖는 제 1 실험예와 본 발명의 발광층의 배치를 갖는 제 2 실험예를 비교하여 설명한다.
도 5는 제 1, 제 2 실험예를 나타낸 단면도이며, 도 6은 제 1, 제 2 실험예의 시야각에 따른 색편차를 나타낸 그래프이다.
제 1 실험예(Ex1)는 도 5와 같이, 제 1 전극(Anode)과 제 2 전극(Cathode) 사이에 있는 백색 유기 스택이 전하 생성층(CGL) 사이에 제 1 스택(S1)과 제 2 스택(S2)을 갖고, 제 1 스택(S1)에 청색 발광층을 갖고, 제 2 스택(S2)에 서로 접한 적색 발광층 및 녹색 발광층을 갖는다.
제 2 실험예(Ex2)는, 제 1 전극(Anode)과 제 2 전극(Cathode) 사이에 있는 백색 유기 스택이 전하 생성층(CGL) 사이에 제 1 스택(S1)과 제 2 스택(S2)을 갖고, 제 1 스택(S1)에 서로 접한 적색 발광층 및 녹색 발광층을 갖고, 제 2 스택(S2)에 청색 발광층을 갖는다. 제 2 실험예(Ex2)가 도 1 내지 도 3에서 설명한 본 발명의 백색 발광 소자에 대응된 구조이다.
제 1, 제 2 실험예(Ex1, Ex2)에서 발광층과 전극 사이 및 발광층과 전하 생성층 사이에는 공통층이 더 구비될 수 있다.
시야각을 0°에서부터 15°씩 변화시키며 60°까지, 상기 제 1, 제 2 실험예(Ex1, Ex2)의 EL 스펙트럼을 평가하며, 색 편차(Δu'v')를 평가하였다.
제 1 실험예(Ex1)는 도 6과 같이, 시야각 15°이후부터 정면 대비하여 색 편차(Δu'v')가 크게 나타나며, 특히, 시야각 50°에서는 0.050에 가깝게 나타남을 알 수 있다. 반면, 본 발명의 백색 발광 소자를 적용한 제 2 실험예(Ex2)는 시야각 0°에서부터 60°까지 색 편차(Δu'v')가 모두 0.010보다 낮은 수준으로 나타난다. 즉, 본 발명의 백색 발광 소자는 2 스택 구조(Ex2)에서 발광층의 위치가 각 스택 내에서 시야각 변화에 관계없이 일정한 색감 및 휘도를 유지할 수 있는 위치에 적용된 점을 확인할 수 있다. 도 6의 색 편차(Δu'v')결과는 백색 서브 화소의 색좌표 변화 값을 u'v' 값으로 변환하여 정면 기준과 비교하여, 변화량 Δ 값으로 표기한 것이다.
제 2 실험예(Ex2)에서 상대적으로, 제 1 실험예(Ex1) 대비 색변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
이러한 색편차 수치는 제품에 적용시 중요한 스펙으로 표기하는 특성이며, 표시 장치에서 중요한 항목이다. LCD, LED 가 적용된 표시 대비 유기 발광 소자를 포함하는 표시 장치가 갖는 중요 장점 중에 하나이기도 하다.
이하에서는 표 1을 참조하여, 제 1, 제 2 실험예의 색별 효율, 시야각에 따른 색 편차 및 색재현 효과를 비교하여 살펴본다.
특성 제 1 실험예(Ex1) 제 2 실험예(Ex2)
효율(Cd/A)/at full white R 100% 87%
G 100% 97%
B 100% 81%
W 100% 95%
시야각에 따른 색편차(Δu'v') 0.051 <0.01
DCI 중첩비(%) 100% 100%
BT2020 중첩비(%) 100% 103%
표 1은 제 1 실험예(Ex1)의 색효율, DCI 중첩비 및 BT 2020 중첩비를 각각 100%로 하고, 제 2 실험예(Ex2)의 색효율, DCI 중첩비 및 BT 2020 중첩비를 이에 비교된 값으로 평가하였다. 제 1 실험예(Ex1)와 제 2 실험예(Ex2)의 각 색 효율은 백색을 표현하기 위해 각 색 서브 화소의 발광 효율을 비교한 것이다. 표 1은 제 2 실험예(Ex2) 대비 효율이 높은 것이 아니라 백색을 표현함에 있어서, 제 2 실험예(Ex2)는 제 1 실험예(Ex1)과 비교하여, 백색을 표현함에 있어서, 녹색과 백색 서브 화소(G, W)의 효율이 상대적으로 적색과 청색 서브 화소(R, B) 대비 더 높은 효율을 갖는 점을 나타낸다.
앞의 도 5 및 도 6을 통해 본 발명의 백색 발광 소자에 따른 제 2 실험예(Ex2) 적용시 제 1 실험예(Ex1)의 1/10 미만으로 시야각 편차가 발생하는 것으로, 시야각 변화에 따라 색편차가 없음을 확인한 바 있다.
DCI는 디지털 시네마로 표현할 수 있는 색역의 만족도(Digital Cinema Initiatives)를 의미하며, BT2020은 국제 방송 표준단체인 ITU에서 권고한 4K/UHD의 규격으로, Rec.2020라고도 부르는 규격이다. 참고로 DCI 보다 BT2020에서 보다 엄격한 기준을 적용하며, 색표현 면적이 더 크다.
표 1은 본 발명의 백색 발광 소자에 따른 제 2 실험예(Ex2)가 제 1 실험예(Ex1)와 동등 수준 이상의 색 재현이 가능함을 나타내고 있다. 이는 제 2 실험예(Ex2) 적용시 보다 정확하고 선명한 영상 구현이 가능한 점을 의미한다.
본 발명의 백색 발광 소자는, 표시 장치의 관점에서 고려된 것이다. 표시 장치는 서브 화소의 발광 색에 따라 백색, 적색, 녹색 및 청색 서브 화소로 구분될 수 있다. 각 서브 화소의 효율, 수명 및 색좌표를 고려하여 도 4의 뱅크(119)의 오픈 영역으로 정의되는 개구율과 구동 전력을 정할 수 있으며, 상대적인 색 효율 차는 개구율 및 구동 전력으로 보상할 수 있다.
이하에서는, 3 피크를 구현하는 구조로, 2스택 구조의 상술한 제 1 실험예(Ex1) 및 제 2 실험예(Ex2)와 더불어, 3스택 구조의 제 3 실험예(Ex3)를 비교하여 설명한다.
도 7a 내지 도 7c는 제 1 내지 제 3 실험예의 컨투어 맵이다.
도 7a와 같이, 제 1 실험예(Ex1)는 2스택 구조로, 제 1 스택에 청색 발광층(B)이 배치되고, 제 2 스택에 적색 및 녹색 발광층(R, G)이 배치된 구조이다. 제 1 전극(Anode)의 하면으로부터 제 2 전극(Cathode)의 하면까지의 총 수직 거리가 4300Å 내지 4500Å이다. 이는 2 스택 구조이지만, 제 1 전극(Anode)의 두께가 1000Å 이상으로 두껍고 내부 백색 유기 스택에서 청색 발광층(B)과 적색 발광층(R)이 그 발광 영역을 서로 다른 제 1, 제 2 컨투어 영역(C1, C2)의 최대 발광 세기를 갖는 부위에 위치시킴으로써, 실질적으로 광학 거리가 넓은 거리에 걸쳐 형성되고 있다. 여기서, 제 3 컨투어 영역(C3)은 어느 발광색에 대해서도 충분한 수직 거리를 확보할 수 없는 점을 나타내고, 이로써, 제 1 실험예(Ex1)는 제 1 전극(Anode)로부터 처음 발광층이 위치하는 청색 발광층(B)의 영역의 제 1 전극(Anode)으로부터 이격 간격이 큰 점을 나타내고 있다. 이는 제 1 전극(Anode)와 청색 발광층(B) 사이에 위치한 공통층의 두께가 매우 두꺼움을 의미하며, 결과적으로 백색 유기 스택의 전체 두께가 두꺼워짐을 의미한다. 그리고, 제 1 실험예(Ex1)에서는 청색 발광층(B)이 위치한 제 2 컨투어 영역(C2)과 적색 및 녹색 발광층(R, G)이 위치한 제 1 컨투어 영역(C1)의 경사가 상이하여, 이로 인해 시야각을 달리할 때, 청색의 시야각 변화와 녹색 및 적색의 시야각 변화가 상이하며, 색 편차 및 휘도 편차가 발생할 수 있다.
도 7b와 같이, 제 2 실험예(Ex2)는 상술한 도 1 내지 도 3의 2 스택 구조로, 제 1 스택에 적색 및 녹색 발광층(R, G)이 배치되고, 제 2 스택에 청색 발광층(B)이 배치된 구조이다. 제 2 실험예(Ex2)는 제 1 전극(Anode)의 하면으로부터 제 2 전극(Cathode)의 하면까지의 총 수직 거리(d)가 1500Å 내지 2000Å (=150nm~200nm)이다. 제 1 실험예(Ex1)와 같은 2 스택 구조이지만, 단일 경사를 갖는 컨투어 영역(C1) 내에 청색 발광층(B), 녹색 발광층(G) 및 적색 발광층(R)을 배치시켜, 제 2 실험예(Ex2)는 제 1 실험예(Ex1)의 거리 4300Å 내지 4500Å 의 1/2 미만이다
여기서, 제 2 실험예(Ex2)는 제 1, 제 2 전극(110, 120) 사이의 백색 유기 스택(WEL)의 두께와 제 1 전극(110)의 두께 모두 제 1 실험예(Ex1)의 1/2 이하의 수준으로 할 수 있다.
예를 들어, 제 2 실험예(Ex2)는 백색 유기 스택(WEL)을 1500Å 이하의 수준으로 유지할 수 있고, 제 1 전극(110)의 두께를 제 1 전극(110)의 하면에서 제 2 전극(120) 하면 까지의 거리(d)의 0.10배 이상 0.26배 이하로 하여, 대략 520Å보다 작은 두께로 할 수 있다. 이 경우, 제 1 전극의 두께를 1000Å 이상으로 하는 제 1 실험예(Ex1)보다 제 1 전극(110)의 두께를 1/2 이하의 수준으로 할 수 있다.. 또한, 광학적인 영향을 미치는 제 1 전극(110)의 두께를 제 1 전극(110)의 하면에서 제 2 전극(120) 하면 까지의 거리(d)에 대해 제 1 실험예(Ex1) 보다 작은 수준으로 줄여 백색 유기 스택(WEL)으로부터 제 1 전극(110)을 투과하는 광의 투과율을 높일 수 있다. 이러한 제 2 실험예(Ex2)에 있어서는 또한, 청색, 녹색 및 적색 발광층(B, G, R)이 각각 단일 경사를 갖는 컨투어 영역(C1) 내에 위치하고 컨투어 영역(C1)이 제 1 전극(110)의 하면에서 제 2 전극(120) 하면까지의 거리(d)의 경사가 완만하여 청색 발광층(B), 녹색 발광층(G) 및 적색 발광층(R)의 각 발광 영역(도 1의 B-EMZ, G-EMZ, R-EMZ 참조)이 일정한 수직 거리를 확보할 수 있어, 시청자가 시야각 기울이며 표시 장치를 바라볼 때에도, 색변화나 휘도 변화 없이 동일한 색감을 느낄 수 있다.
한편, 도 7c의 제 3 실험예(Ex3)는 3 스택으로 3 피크를 구현한 구조로, 제 1 스택에 제 1 청색 발광층(B1)이 배치되고, 제 2 스택에 적색 및 녹색 발광층(R, G)이 배치되고, 제 3 스택에 제 2 청색 발광층(B2)이 배치된 구조이다. 청색을 효율을 높이고자 한 구조로 제 1 전극(Anode)의 하면에서부터 제 2 전극(Cathode)의 하면까지의 거리가 5300Å 내지 5500Å 로, 스택의 구비 수가 제 1 및 제 2 실험예(Ex1, Ex2) 대비 많고, 제 1 전극(Anode)의 두께가 제 1 실험예(Ex1)의 수준으로 광학 거리가 매우 두껍다. 이러한 제 3 실험예(Ex3)는 제 1 전극(Anode)와 제 2 전극(Cathode) 사이에 발생되는 서로 다른 경사의 제 1 내지 제 4 컨투어 영역(C1, C2, C3, C4) 중 제 3 컨투어 영역(C3)에서 제 1 청색 발광층(B1)을 위치시키고, 제 2 컨투어 영역(C2)에서 적색 및 녹색 발광층(R, G)을 위치시키고, 제 1 컨투어 영역(C1)에서 제 2 청색 발광층(B2)을 위치시킨다. 이러한 제 3 실험예(Ex3)는 앞서 설명한 경우, 제 1 전극(Anode)의 하면에서부터 제 2 전극(Cathode)의 하면까지의 거리와 요구되는 공통층의 두께 및 스택 수가 증가함에 의해 공정성이 떨어지고 구동 전압이 늘어나는 문제 외에도, 제 1 내지 제 3 컨투어 영역(C1, C2, C3)의 경사가 모두 상이하며, 각 스택에서 이용되는 발광층들이 다른 시야각 경향성을 갖게 되어, 청색과, 녹색 및 적색의 시야각에 따른 변화가 상이한 문제도 발생한다.
즉, 본 발명의 백색 발광 소자와 같은 구조의 제 2 실험예(Ex2) 대비하여, 제 1 실험예(Ex1)는 제 1 전극(Anode)의 하면에서부터 제 2 전극(Cathode)의 하면까지의 거리가 2배 이상이며, 제 3 실험예(Ex3)는 제 1 전극(Anode)의 하면에서부터 제 2 전극(Cathode)의 하면까지의 거리가 2.5배 이상으로, 제 1, 제 3 실험예(Ex1, Ex3)은 발광층과 인접한 공통층이나 전하 생성층 및 제 1 전극(Anode)의 두께가 두꺼워야 하는 제약이 있다. 이로 인해 제 1, 제 3 실험예(Ex1, Ex3)은 제 1 전극 및 백색 유기 스택 형성시 공정의 부담이 크고, 구동 전압이 커지는 문제점을 가질 수 있다.
또한, 제 1 실험예(Ex1)와 제 3 실험예(Ex3)는 각 스택 별로 다른 경사를 갖는 컨투어 영역의 발광 영역을 이용하는 것으로, 이로 인해 스택 별로 다른 시야각 경향성이 발생되어, 시야각에 따른 색편차 및 휘도 편차 문제점을 갖는다. 그러나, 본 발명은 단일 경사를 갖는 컨투어 영역 내에 다른 스택의 적색 및 녹색 발광층과 청색 발광층을 배치시킴에 의해, 시야각 변화에 따른 색편차 및 휘도 편차 문제를 해결할 수 있다.
이하에서는, 실험을 통해 본 발명의 효과에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 백색 발광 소자의 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다. 도 9는 본 발명의 백색 발광 소자의 시야각 변화에 따른 파장별 광의 세기를 나타낸 그래프이다. 도 10은 본 발명의 백색 발광 소자의 시야각 변화에 따른 색편차를 나타낸 그래프이다. 도 11은 본 발명의 백색 발광 소자의 JV 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 8과 같이, 본 발명의 백색 발광 소자는 청색, 녹색 및 적색에 대해 발광 피크 특성을 보이는 3 피크 구현이 가능하다.
그리고, 도 9와 같이, 정면에서부터 시야각을 0°에서부터 15°씩 변화시키며 60°까지, 본 발명의 백색 발광 소자의 EL 스펙트럼을 살펴보면, 각 발광 색별로 그 세기의 변화가 거의 없는 점을 확인할 수 있으며, 이 점에서 본 발명의 백색 발광 소자가 시야각이 변화하더라도 동일 색감, 동일 휘도 특성을 나타냄을 알 수 있다.
그리고, 도 10은 시야각 변화에 따른 색 편차 값(Δu'v')을 정면에서부터 시야각을 0°에서부터 15°씩 변화시키며 60°까지 나타낸 것으로, 그 변화 값을 알기 쉽게 세로 축을 확대한 것으로 실질적으로 시야각 60°에서도 색 편차 값(Δu'v')은 0.005이하로 앞서 설명한 제 1 실험예(Ex1)의 1/10 수준인 점을 알 수 있으며, 시야각 변화에 따른 색 편차가 미미함을 확인할 수 있다.
또한, 도 11과 같이, 본 발명의 백색 발광 소자는 구동 전압 7V 이상의 수준에서 전류 밀도 10mA/cm2 이상을 나타내고 있어, 안정적인 소자 구현이 가능함을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 백색 발광 소자 및 표시 장치는 백색 유기 스택의 두께가 얇기 때문에, 제 1 스택(S1)과 제 2 스택(S2) 사이에 구비되는 전하 생성층의 두께 역시 매우 얇다. 그리고, 전하 생성층(도 2의 160)의 총 두께는 60Å 이상 150Å 이하로 하는 것으로, 전하 생성층(160)은 n형 전하 생성층 및 p 전하 생성층을 구비할 수 있다.
상기 전하 생성층(160)의 두께를 60Å 이상이거나 크게 하는 이유는 인접한 스택으로 정공 및 전자를 공급하는 전하 생성층(160)의 두께를 60Å 미만으로 줄이게 되면 수명을 확보하기 어렵기 때문이며, 상기 전하 생성층(160)의 두께를 150Å 이하로 하는 이유는, 전하 생성층(160)의 두께가 150Å 를 초과할 경우 상기 도 3에서 나타난 녹색 발광층의 발광 영역(G-EMZ)와 청색 발광층의 발광 영역(B-EMZ) 사이에서 다른 공통층을 확보하기 어렵기 때문이다.
이하에서는 상술한 제 1 실험예와 구조와, 본 발명에서 적용하는 제 2 실험예와 제 4 실험예로, 각각 전하 생성층의 두께를 달리하여 구동 전압 등의 특성을 살펴본다. 참고로, 제 4 실험예(Ex4)는 제 2 실험예(Ex2)와 동일한 스택 구조로, 제 1 스택에 적색 및 녹색 발광층이 제 2 스택에 청색 발광층이 구비된다.
제 1 실험예(Ex1) 제 2 실험예(Ex2) 제 4 실험예(Ex4)
p형 전하생성층(Å) 75 65 30
n형 전하생성층(Å) 150 65 30
구동 전압[V](at 10J) 8.5 7.4 7.8
구동 전압[V](at 100J) 11.0 9.2 9.8
효율 (Cd/A) 58.9 51.1 54.9
색좌표 (CIEx, CIEy) (0.32, 0.29) (0.31, 0.33) (0.38, 0.43)
휘도 반치각 0.89 0.92 0.85
60°시야각 Δu'v' 0.048 0.006 0.006
제 1 실험예(Ex1-도 7a 참조) 대비 제 2 실험예(Ex2-도 3 및 도 7b 참조)는 앞서 같은 스택 구조이지만 제 1 전극의 두께 및 백색 유기 스택의 총 두께를 줄여 공정성이 개선되고, 구동 전압이 줄어드는 점을 설명한 바 있다. 또한, 유사한 색좌표 조건에서, 시야각 변화에 따른 색편차( Δu'v')도 거의 발생하지 않음을 알 수 있다. 여기서, 제 2 실험예(Ex2)는 n형 전하 생성층과 p형 전하 생성층을 합한 총 전하 생성층의 두께를 130Å로 한 것이다.
한편, 본 발명과 동일한 2 스택 구조로 하되, 전하 생성층의 두께를 60Å으로 한 제 4 실험예(Ex4)의 경우, 구동 전압이 증가하고, 백색을 표현하는 색좌표의 특성이 변화하는 경향을 보임을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 스택 구조에서는 단일 경사의 컨투어 영역에서 적색, 녹색 및 청색 발광층이 배치되는 것으로, 스택 사이의 발광층 사이의 거리가 매우 짧은 것으로, 전하 생성층의 두께는 대략 130Å 이하로 얇게 하고 또한 60Å 이상으로 할 때 구동 전압 감소와 색 이상 특성을 유지하는 수준에서 만족됨을 알 수 있다.
도 12는 제 2 및 제 4 실험예의 95 수명을 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 13은 제 1 및 제 2 실험예의 백색 발광 소자의 시간 경과에 따른 구동 전압 편차를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 14는 본 발명의 백색 발광 소자의 시간 경과에 따른 색온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12와 같이, 제 2 실험예(Ex2)와 제 4 실험예(Ex4)는 초기 휘도에 대해 95% 수준의 휘도를 나타내는 95 수명을 평가한 결과, 유사한 수명을 나타낸다. 대체적으로 제 2 실험예(Ex2)가 제 4 실험예(Ex4) 대비 우수하며, 이는 전하 생성층의 두께를 일정 수준 이상으로 확보하여야 함을 의미한다.
도 12 내지 도 14의 실험예들에서 제시된 시간(100%)는 변화 및 가속 조건의 장치의 수명을 살펴보는 기준 시간으로 수백 시간일 수 있다.
도 13과 같이, 제 1 실험예(Ex1-도 7a 참조)와 제 2 실험예(Ex2-도 7b 참조)에 대해, 시간에 따른 구동 전압 변화(ΔV)를 평가한 결과, 제 2 실험예(Ex2)가 제 1 실험예(Ex1) 대비 작은 것으로 본 발명과 같은 제 2 실험예(Ex2) 구조가 시간에 따른 구동 전압 변동성이 작음을 확인할 수 있다.
도 14은 본 발명의 시간에 따른 색온도 변화(Δ CCT)를 나타낸 것으로, 100시간이 경과되어도 색온도는 300K 미만으로 변동성을 나타내는 것으로, 일정 시간 경과 후에도 초기 수준의 색온도 특성을 나타냄을 알 수 있다.
즉, 위의 실험을 통해 제 2 실험예(Ex2)와 같은 본 발명의 백색 발광 소자 및 표시 장치의 적용시 구동 전압의 변동성이 적고, 수명이 안정적이고, 색온도 특성을 안정적으로 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
백색 유기 스택을 표시 장치로 구현시 색온도를 일정 수준으로 맞춰야 하는 데 이를 고려시 스택 수가 늘거나 복수의 컨투어 영역을 사용시 백색 유기 스택의 구성이 복잡하고, 구동 전압이 늘어나는 문제로 패널 적용 성능이 떨어지는 문제가 있다. 즉, 본 발명의 백색 발광 소자 및 표시 장치는 색온도를 일정 수준으로 맞추고, 색시야각 및 시야각에 따른 휘도 감소율, 색재현율 등을 종합적으로 맞춘 것으로, 복수 스택 구조에서, 발생되는 색 시야각을 개선하며, 색온도 및 기본 파장은 유지하고, 추가적으로 시야각에 따른 휘도 감소를 방지할 수 있다.
본 발명의 백색 발광 소자는 적색, 녹색 및 청색의 3피크를 갖는 소자이다. 즉, 본 발명의 백색 발광 소자는, 적색, 녹색 및 청색 각각의 광에 대해 세기 변화가 거의 없고 휘도 감소도 보이지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 전방위에서 동등 수준을 나타내는 것으로, 이러한 경향으로 보아 새로운 제품 군에 적용 가능할 것으로 보인다.
그리고, 본 발명의 백색 발광 소자는 대형화가 가능하다. 즉, 대면적 표시 장치에 요구되는 시야각 범위가 넓은데, 상술한 넓은 시야각 범위에서 동등한 휘도 및 색효율을 보이고 있어, 넓은 공간에서 많은 사람들이 시청하기에 적합한 좋은 특성을 나타내고 있다. 또한, 구조 또한 단순하여 그 적용 범위가 다양할 것으로 기대된다. 각 피크별 세기의 변화도 거의 없어 어느 방향에서도 동일한 영상 구현이 가능하다.
또한, 본 발명의 백색 발광 소자는 광학 거리 및 발광 영역의 위치를 최적화함으로써, 적색 발광층과 녹색 발광층이 인접함에도, 비율을 조절하여 시야각 및 휘도 감소에 자유로운 구조를 구현한다.
본 발명의 2 스택 구조는 적층 순서 및 광학 거리를 재구성하여 제 1 전극의 두께 범위부터 유기물 전체 두께 및 발광층의 위치를 한정하여, 시야각에 따른 색변화가 거의 없으며, 휘도 감소가 없는 전방위 동일한 휘도와 색을 유지하는 소자 구조를 제안한다. 이를 통해 IT 및 표시 장치 제품에 확대 적용이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 백색 발광 소자는 제 1 전극 상에 적색 발광층 및 녹색 발광층을 포함한 제 1 스택과, 상기 제 1 스택 상의 전하 생성층과, 상기 전하 생성층 상에 청색 발광층을 포함한 제 2 스택 및 상기 제 2 스택 상에 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극을 통해 광이 출사되며, 상기 제 1 전극의 두께는 상기 제 1 전극의 하면에서부터 상기 제 2 전극의 하면까지 거리의 0.10 배 이상이며 0.26 배 이하일 수 있다.
상기 제 1 전극의 하면에서부터 상기 제 2 전극의 하면까지의 거리는 150nm 내지 200nm일 수 있다.
상기 청색 발광층은 454nm 내지 458nm에서 발광 피크를 갖고, 상기 녹색 발광층은 525nm 내지 540nm에서 발광 피크를 갖고, 상기 적색 발광층은 560nm 내지 626nm에서 발광 피크를 가질 수 있다.
상기 청색 발광층 및 상기 녹색 발광층 각각은 상기 적색 발광층보다 두꺼울 수 있다.
상기 전하 생성층의 두께는 상기 적색 발광층보다 얇을 수 있다.
상기 적색 발광층과 녹색 발광층은 접하며, 상기 제 1 전극과 상기 적색 발광층 사이에 제 1 공통층을 포함하고, 상기 녹색 발광층과 상기 전하 생성층 사이에 제 2 공통층을 포함하고, 상기 전하 생성층과 상기 청색 발광층 사이에 제 3 공통층을 포함하고, 상기 청색 발광층과 상기 제 2 전극 사이에 제 4 공통층을 포함할 수 있다.
상기 적색 발광층의 하면에서부터 상기 청색 발광층 상면 사이의 거리는 60nm 내지 100nm일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 본 발명의 표시 장치는 복수개의 서브 화소를 포함한 기판과, 상기 서브 화소 각각에 구비된 박막 트랜지스터와, 상기 각 서브 화소에, 상기 박막 트랜지스터와 접속된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 상에, 전하 생성층에 의해 나뉜 제 1 스택과 제 2 스택을 갖고, 상기 제 1 스택에 적색 발광층 및 녹색 발광층을 포함하며, 상기 제 2 스택에 청색 발광층을 갖는 백색 유기 스택 및 상기 백색 유기 스택 상에 제 2 전극을 포함하고, 상기 백색 유기 스택으로부터 나오는 광은 상기 제 1 전극을 통해 출사되며, 상기 제 1 전극의 두께는 상기 제 1 전극과 상기 백색 유기 스택을 합한 두께의 0.10 배 이상이며 0.26 배 이하일 수 있다.
상기 기판과 상기 제 1 전극 사이에 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 전극은 투명 전극이며, 상기 제 2 전극은 반사성 전극일 수 있다.
본 발명의 백색 발광 소자는 적색, 녹색 및 청색 발광층의 위치를 특정하고, 제 1 전극의 두께를 제 1 전극과 백색 유기 스택을 포함한 두께에 대해 일정 관계로 하여 각 광의 스펙트럼이 수직 거리에서 경사가 완만한 특성을 갖도록 하여 시야각이 변화하여도 색 특성은 정면과 동일 또는 유사한 특성을 유지할 수 있다. 시야각에 변화에 따른 색변동성이 없어 표시 장치의 적용이 유리하다. 특히, 전 방위에서 시야각 변화를 거의 발생시키지 않아 대면적으로 적용시 많은 시청자가 시청하여도 색감 차를 발생시키지 않고 우수한 색 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 시야각 변화에 따른 휘도 편차를 발생시키지 않아 어느 방향에서 시청하여도 동일한 영상 구현이 가능하다.
그리고, 백색 유기 스택 구조에서 최소 구조로 3피크 구현이 가능하여, 구동 전압 감소와 공정성의 개선이 동시에 가능하다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
110: 제 1 전극 120: 제 2 전극
131: 제 1 공통층 132: 제 2 공통층
133: 제 3 공통층 134: 제 4 공통층
141: 적색 발광층 142: 녹색 발광층
150: 청색 발광층 160: 전하 생성층
161: n형 전하 생성층 162: p형 전하 생성층
1000: 박막 트랜지스터 어레이 기판
2000: 백색 발광 소자
d: 제 1 전극 하면에서부터 제 2 전극 하면까지의 거리
S1: 제 1 스택 S2: 제 2 스택
WEL: 백색 유기 스택

Claims (17)

  1. 제 1 전극 상에 적색 발광층 및 녹색 발광층을 포함한 제 1 스택;
    상기 제 1 스택 상의 전하 생성층;
    상기 전하 생성층 상에 청색 발광층을 포함한 제 2 스택; 및
    상기 제 2 스택 상에 제 2 전극을 포함하고,
    상기 제 1 전극을 통해 광이 출사되며,
    상기 제 1 전극의 두께는 상기 제 1 전극의 하면에서부터 상기 제 2 전극의 하면까지 거리의 0.10 배 이상이며 0.26 배 이하인 백색 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극의 하면에서부터 상기 제 2 전극의 하면까지의 거리는 150nm 내지 200nm인 백색 발광 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 청색 발광층은 454nm 내지 458nm의 파장에서 발광 피크를 갖고,
    상기 녹색 발광층은 525nm 내지 540nm의 파장에서 발광 피크를 갖고,
    상기 적색 발광층은 560nm 내지 626nm의 파장에서 발광 피크를 갖는 백색 발광 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 청색 발광층 및 상기 녹색 발광층 각각은 상기 적색 발광층보다 두꺼운 백색 발광 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전하 생성층의 두께는 상기 적색 발광층보다 얇은 백색 발광 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 적색 발광층과 녹색 발광층은 접하며,
    상기 제 1 전극과 상기 적색 발광층 사이에 제 1 공통층을 포함하고,
    상기 녹색 발광층과 상기 전하 생성층 사이에 제 2 공통층을 포함하고,
    상기 전하 생성층과 상기 청색 발광층 사이에 제 3 공통층을 포함하고,
    상기 청색 발광층과 상기 제 2 전극 사이에 제 4 공통층을 포함한 백색 발광 소자.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 녹색 발광층의 상면에서부터 상기 청색 발광층 하면 사이의 거리는 30nm 내지 65nm인 백색 발광 소자.
  8. 복수개의 서브 화소를 포함한 기판;
    상기 서브 화소 각각에 구비된 박막 트랜지스터;
    상기 각 서브 화소에, 상기 박막 트랜지스터와 접속된 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에, 전하 생성층에 의해 나뉜 제 1 스택과 제 2 스택을 갖고, 상기 제 1 스택에 적색 발광층 및 녹색 발광층을 포함하며, 상기 제 2 스택에 청색 발광층을 갖는 백색 유기 스택; 및
    상기 백색 유기 스택 상에 제 2 전극을 포함하고,
    상기 백색 유기 스택으로부터 나오는 광은 상기 제 1 전극을 통해 출사되며,
    상기 제 1 전극의 두께는 상기 제 1 전극과 상기 백색 유기 스택을 합한 두께의 0.10 배 이상이며 0.26 배 이하인 표시 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제 1 전극 사이에 컬러 필터를 더 포함한 표시 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 투명 전극이며, 상기 제 2 전극은 반사성 전극인 표시 장치.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 전극의 하면에서부터 상기 제 2 전극의 하면까지의 거리는 150nm 내지 200nm인 표시 장치.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 청색 발광층은 454nm 내지 458nm의 파장에서 발광 피크를 갖고,
    상기 녹색 발광층은 525nm 내지 540nm의 파장에서 발광 피크를 갖고,
    상기 적색 발광층은 560nm 내지 626nm의 파장에서 발광 피크를 갖는 표시 장치.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 청색 발광층 및 상기 녹색 발광층 각각은 상기 적색 발광층보다 두꺼운 표시 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 전하 생성층의 두께는 상기 적색 발광층보다 얇은 표시 장치.
  15. 제 8항에 있어서,
    상기 적색 발광층과 녹색 발광층은 접하며,
    상기 제 1 전극과 상기 적색 발광층 사이에 제 1 공통층을 포함하고,
    상기 녹색 발광층과 상기 전하 생성층 사이에 제 2 공통층을 포함하고,
    상기 전하 생성층과 상기 청색 발광층 사이에 제 3 공통층을 포함하고,
    상기 청색 발광층과 상기 제 2 전극 사이에 제 4 공통층을 포함한 표시 장치.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 녹색 발광층의 상면에서부터 상기 청색 발광층 하면 사이의 거리는 30nm 내지 65nm인 표시 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 적색 발광층의 하면에서부터 상기 청색 발광층 상면 사이의 거리는 80nm 내지 115nm인 표시 장치.
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