KR20220094034A - 표시 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표시 장치에 관한 것으로, 금속을 포함한 구성 부재의 패터닝을 통해 투과율을 높임과 함께, 패터닝된 금속과 그 인접 구성의 변화를 방지하여 표시 불량을 방지하며 또한 경시적 변화에 따른 신뢰성을 향상시키고 동시에 고온 신뢰성을 향상시키고자 한다.
Description
본 발명은 표시 장치에 관한 것으로, 특히, 단일 금속으로 패터닝된 캐소드(공통 전극)을 구비한 구조에서, 캐소드와 인접한 구조를 변경하여, 캐소드의 불량을 방지하고 및 고온 신뢰성을 향상시킬 수 있는 표시 장치에 관한 것이다.
별도의 광원을 요구하지 않으며 장치의 컴팩트화 및 선명한 컬러 표시를 위해 유기 발광 표시 장치나 양자점 발광 표시 장치와 같은 자발광 표시 장치가 경쟁력 있는 어플리케이션(application)으로 고려되고 있다.
한편, 자발광 표시 장치는 기판 상에 복수개의 화소를 구비하며, 각 화소 내에 대향된 2개의 전극과 그 사이에 발광층을 구비한 발광 다이오드를 구비한다.
최근에는 이러한 자발광 표시 장치를 적용하여, 발광과 투명 표시가 동시에 가능한 투명 표시 장치로의 적용이 고려되고 있다.
표시 장치는 여러가지 어플리케이션으로 적용될 수 있으며, 일예로 투명 표시 장치나 카메라 등의 다른 구성과 결합한 형태로 이용될 수 있다. 투명 표시 장치나 카메라를 구비한 표시 장치에서는 투과율을 높이기 위해 구성 부재의 패터닝이 요구될 수 있다.
본 발명은 금속을 포함한 구성 부재의 패터닝을 통해 투과율을 높임과 함께, 패터닝된 금속과 그 인접 구성의 변화를 방지하여 표시 불량을 방지하며 또한 경시적 변화에 따른 신뢰성을 향상시키고 동시에 고온 신뢰성을 향상시키고자 한 표시 장치에 관한 것이다.
본 발명의 표시 장치는 단일 금속으로 이루어진 캐소드를 선택적인 영역에 구비하여도, 상부 구조에 열 팽창 특성이 유사한 구조를 구비하거나 하부 구조에, 캐소드의 안정한 박막화를 유도하며 고온 안정성을 꾀할 수 있는 금속 합금의 전자 주입층을 구비함으로써, 표시 장치의 안정성 및 고온 구동시의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는, 제 1 영역과 제 2 영역을 갖는 기판과, 상기 제 1 영역에 구비된 애노드와, 상기 제 1 영역의 상기 애노드 상부와 상기 제 2 영역에 구비된 유기층과, 상기 제 1 영역과 제 2 영역의 상기 유기층 상에 구비되며, 제 1 금속을 포함한 전자 주입층과, 상기 제 1 영역의 상기 전자 주입층 상에 구비되며, 상기 제 1 금속보다 일함수가 큰 제 2 금속 단일로 이루어진 캐소드 및 상기 제 1 영역의 상기 캐소드 상부와, 상기 제 2 영역의 전자 주입층 상에 구비된 캐핑층을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 본 발명의 발광부와 투과부를 갖는 기판과, 상기 발광부에 구비된 애노드와, 상기 발광부의 상기 애노드 상부와 상기 투과부에 구비된 유기층과, 상기 발광부와 투과부의 상기 유기층 상에 구비되며, 전자 주입성의 제 1 금속과 표면 에너지가 1J/m2 이상의 제 2 금속의 합금을 포함하는 포함한 전자 주입층과, 상기 발광부에, 상기 전자 주입층 상에 구비되며, 상기 제 1 금속과 제 2 금속 사이의 일함수를 갖는 단일 금속으로 이루어진 캐소드 및 상기 발광부의 상기 캐소드 상부와, 상기 투과부의 상기 전자 주입층 상에 구비되며, 상기 캐소드보다 열팽창 계수가 작은 캐핑층을 포함할 수 있다.
본 발명의 표시 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명의 표시 장치는 단일 금속으로 반사 투과성을 갖는 캐소드를 투과부 혹은 카메라 대응 영역에서 제거되도록 패터닝되도록 형성함으로써 투과부 또는 카메라 대응 영역의 투과율을 높일 수 있다.
둘째, 패터닝된 캐소드는 재료적으로 일함수가 낮은 금속의 단일 금속으로 형성함으로써, 패터닝되더라도 면저항 작아 공통 전극(캐소드)의 일정한 전위를 유지시킬 수 있다.
셋째, 캐소드의 상부에 위치하는 캐핑층은 캐소드에 비해 열팽창 계수가 작은 재료로 구성하여 발광 소자의 광추출과 발광 소자를 보호함과 동시에, 고온 등의 열악한 환경에서도 캐소드와 유사한 인장력을 갖도록 변동되어 캐소드와의 계면에서의 불량 발생이 없어 고온 신뢰성이 우수하다.
넷째, 캐소드 하부에 위치하는 전자 주입층은 캐소드로부터 전자 주입이 용이한 전자 주입성 금속과 표면 에너지가 높은 금속의 합금으로 형성되어, 합금으로 조성된 전자 주입층 전체의 표면 에너지 특성이 캐소드와 동등 수준 이상이다. 이에 따라, 전자 주입층 상에 캐소드가 형성될 때, 전자 주입층 표면에 우수한 계면 특성으로 증착되고, 이에 따라 캐소드를 이루는 금속의 이탈이나 응집 등으로 인한 불량이 발생되지 않아 고온의 환경에도 장시간 표시 장치를 두어도 표면 불량이 발생되지 않는다. 이에 따라 표시 장치의 표면 특성이 우수하며, 구동 전압 및 효율의 경시적 변화가 방지되어 안정적이다.
다섯째, 본 발명의 표시 장치는 화소들에 공통적으로 형성된 캐소드의 하면 및 상면의 계면 안정성을 확보함으로써 궁극적으로 표시면 불량을 방지하고, 또한, 경시적인 안정성을 갖고 또한 고온 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단면도이다.
도 2는 도 1에 대응되는 일 실시예에 따른 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 표시 장치를 나타낸 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 표시 장치의 제 1 영역을 나타낸 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 표시 장치의 캐소드 상부 구성을 나타낸 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 캐핑층 증착 후, 제 1 내지 제 4 실험예(Ex1, Ex2, Ex3, Ex4)에 따른 캐핑층 재료별 증착 상태를 나타낸 광학 사진이다.
도 6a는 제 1 및 제 3 실험예(Ex1, Ex3)에 따른 봉지층 구조 적용 후 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 6b는 제 1 및 제 4 실험예(Ex1, Ex4)에 따른 외곽 씰 적용 구조에서 캐핑층 재료별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 7a는 Ag와 Mg 의 두께별 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 7b는 Ag와 Mg 의 파장별 흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 8a 내지 도 8d는 제 5, 6 실험예(Ex5, Ex6)에서, 캐소드 형성 후 고온 500시간 경과 시와, 캐핑층 형성 후 고온 500시간 경과 후의 광학 현미경 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 제 6실험예(Ex5)의 캐핑층 증착 후 0시간, 300시간 경과 후 TEM도이다.
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 표시 장치의 단면도이다.
도 11은 제 5 실시예에 따른 본 발명의 개별 발광 소자 구조 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 제 6 실험예(Ex6) 및 제 7 실험예(Ex7)의 녹색 발광 시 시간에 따른 구동 전압 변화 및 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 제 6, 제 7 실험예(Ex6, Ex7)의 캐소드 형성 후 0시간, 100시간, 300시간, 500시간 경과 후를 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 14a 및 14b는 제 6, 제 7 실험 변형예(Ex6_a, Ex7_a)의 녹색 발광 시 시간에 따른 구동 전압 변화와 효율을 나타낸 그래프이다.
도 15는 제 6, 제 7 실험 변형예(Ex6_a, Ex7_a)의 캐소드 형성 후 500시간 경과 후 상태를 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 16은 제 6 실험예 및 제 7 실험 변형예들의 청색 발광 효율을 나타낸 그래프이다.
도 17은 제 6 실험예(Ex6) 및 제 7 실험 변형예들(Ex7_c, Ex7_d, Ex7_e)의 시간에 따른 휘도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 18a 및 도 18b는 제 6 실험예(Ex6_b)와 제 7 실험예(Ex7_g)의 청색 발광시 시간에 따른 구동 전압 변화와 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 19a 및 도 19b는 제 6 실험예(Ex6_b)와 제 7 실험예(Ex7_g) 적용시 500시간 경과 후 사진이다.
도 20은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 21a 및 도 21b는 제 6 실험예(Ex6)와 제 7 실험예(Ex8)의 녹색 발광시 시간에 따른 구동 전압 변화와 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 22는 제 6 실험예와 제 8 실험예의 0시간, 100시간, 300시간, 500시간 경과 후 광학 사진이다.
도 2는 도 1에 대응되는 일 실시예에 따른 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 표시 장치를 나타낸 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 표시 장치의 제 1 영역을 나타낸 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 표시 장치의 캐소드 상부 구성을 나타낸 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 캐핑층 증착 후, 제 1 내지 제 4 실험예(Ex1, Ex2, Ex3, Ex4)에 따른 캐핑층 재료별 증착 상태를 나타낸 광학 사진이다.
도 6a는 제 1 및 제 3 실험예(Ex1, Ex3)에 따른 봉지층 구조 적용 후 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 6b는 제 1 및 제 4 실험예(Ex1, Ex4)에 따른 외곽 씰 적용 구조에서 캐핑층 재료별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 7a는 Ag와 Mg 의 두께별 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 7b는 Ag와 Mg 의 파장별 흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 8a 내지 도 8d는 제 5, 6 실험예(Ex5, Ex6)에서, 캐소드 형성 후 고온 500시간 경과 시와, 캐핑층 형성 후 고온 500시간 경과 후의 광학 현미경 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 제 6실험예(Ex5)의 캐핑층 증착 후 0시간, 300시간 경과 후 TEM도이다.
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 표시 장치의 단면도이다.
도 11은 제 5 실시예에 따른 본 발명의 개별 발광 소자 구조 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 제 6 실험예(Ex6) 및 제 7 실험예(Ex7)의 녹색 발광 시 시간에 따른 구동 전압 변화 및 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 제 6, 제 7 실험예(Ex6, Ex7)의 캐소드 형성 후 0시간, 100시간, 300시간, 500시간 경과 후를 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 14a 및 14b는 제 6, 제 7 실험 변형예(Ex6_a, Ex7_a)의 녹색 발광 시 시간에 따른 구동 전압 변화와 효율을 나타낸 그래프이다.
도 15는 제 6, 제 7 실험 변형예(Ex6_a, Ex7_a)의 캐소드 형성 후 500시간 경과 후 상태를 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 16은 제 6 실험예 및 제 7 실험 변형예들의 청색 발광 효율을 나타낸 그래프이다.
도 17은 제 6 실험예(Ex6) 및 제 7 실험 변형예들(Ex7_c, Ex7_d, Ex7_e)의 시간에 따른 휘도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 18a 및 도 18b는 제 6 실험예(Ex6_b)와 제 7 실험예(Ex7_g)의 청색 발광시 시간에 따른 구동 전압 변화와 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 19a 및 도 19b는 제 6 실험예(Ex6_b)와 제 7 실험예(Ex7_g) 적용시 500시간 경과 후 사진이다.
도 20은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 21a 및 도 21b는 제 6 실험예(Ex6)와 제 7 실험예(Ex8)의 녹색 발광시 시간에 따른 구동 전압 변화와 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 22는 제 6 실험예와 제 8 실험예의 0시간, 100시간, 300시간, 500시간 경과 후 광학 사진이다.
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.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단면도이며, 도 2는 도 1에 대응되는 일 실시예에 따른 평면도이다.
도 1과 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 표시 장치는, 제 1 영역(E)과 제 2 영역(T)을 갖는 기판(100)과, 상기 제 1 영역에 구비된 애노드(120)과, 상기 제 1 영역(E)의 상기 애노드(120) 상부와 상기 제 2 영역(T)에 구비된 적어도 하나의 유기층(141, 142)과, 상기 제 1 영역(E)과 제 2 영역(T)의 상기 유기층(141, 142) 상에 구비된 전자 주입층(160)과, 상기 제 1 영역(E)의 상기 전자 주입층(160) 상에 구비된 캐소드(170) 및 상기 제 1 영역(E)의 상기 캐소드(170) 상부와, 상기 제 2 영역(T)의 전자 주입층(160) 상에 구비된 캐핑층(180)을 포함할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 표시 장치에 있어서, 제 1 영역(E)은 발광부이며, 제 2 영역(T)은 투과부일 수 있다.
제 1 영역(E)은 애노드(120)과 캐소드(170) 사이에 발광층(150)에 포함되어, 애노드(120)과 캐소드(170) 사이에 차전압 인가되면, 애노드(120)과 캐소드(170) 사이에 전류가 흐르고 이에 따라 발광층(150)이 발광되어 동작할 수 있다.
그리고, 제 2 영역(T)은 상대적으로 제 1 영역(E)에 비해 애노드(120), 발광층(150) 및 캐소드(170)을 갖지 않는 것으로, 발광부(E)의 발광 동작과 무관하게 기판(100) 하부의 이미지를 그대로 상측으로 투과시킬 수 있다.
애노드(120)과 캐소드(170) 및 그 사이의 발광층(150)을 포함한 유기층들(141, 142)을 포함한 수직 구성을 발광 소자라 한다. 발광 소자의 유기층들(141, 142) 중 발광층(150) 하부에 있는 제 1 공통층(141)은 정공 주입 및 정공 수송과 관련된 층들로 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 저지층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그리고, 발광층(150) 상부에 있는 제 2 공통층(142)은 발광층으로부터 정공이 빠져나오는 것을 저지시키는 정공 저지층이거나 전자 수송에 관련된 전자 수송층을 포함할 수 있다.
기판(100)에는 복수개의 발광부(E)와 투과부(T)가 구비될 수 있으며, 상기 애노드(120)은 발광부(E)에 선택적으로 구비된다. 발광부(E)들은 도 1 및 도 2의 뱅크(130)에 의해 영역이 구분될 수 있다. 발광부(E)는 서로 다른 색을 발광하는 다른 색의 발광부, 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색의 발광부를 가질 수 있다. 그러나 색 발광부의 색은 적색, 녹색, 청색에 한정되지 않는 마젠타, 시안, 옐로우 등의 조합으로도 대체될 수 있다. 각 색의 발광부는 도 2에 도시된 바와 같이, 사각형일 수도 있으나, 이에 한하지 않고 다른 다각형일 수 있다. 또한, 코너부가 라운드된 형상일 수 있다. 발광부(E)와 투과부(T)는 동일 크기 및/또는 동일 비율로 형성될 수도 있고, 혹은 다른 크기 및/또는 다른 비율로 형성될 수 있다. 일예로, 적색, 녹색, 청색 발광부별 하나의 투과의 투과부가 배열될 수도 있고, 혹은 적색, 녹색, 발광부 각각마다 1:1, 혹은 1: n (n은 2 이상의 자연수)의 비율로 투과부(T)가 배열될 수 있다.
발광부(E)와 투과부(T)에 제 1, 제 2 공통층(141, 142)은 공통으로 형성될 수 있다. 이는 제 1, 제 2 공통층(141, 142)을 형성시 금속 미세 마스크없이 기판의 액티브 영역에 일체로 제 1, 제 2 공통층(141, 142)을 형성하기 때문이다. 제 1, 제 2 공통층(141, 142)은 매우 얇은 두께이며, 광학적으로 투명한 것으로 투과에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다.
한편, 상기 애노드(120)는 반사 금속과 한 층 이상의 투명 금속의 적층으로 구비될 수도 있다.
발광부(E)에 구비된 발광 소자는, 발광층(150)에서 생성된 광이 애노드(120)와 캐소드(170) 사이에서 공진을 반복하며 최종적으로 캐소드(170)을 통해 투과되기 때문에, 상기 캐소드(170)은 상기 애노드(120)과 대면된 내측 표면에서 반복적인 재반사가 가능한 반사성을 가져야 하며, 최종적으로 광이 투과되어야 하기 때문에, 투과성도 가져야 한다.
도시된 발광 소자는 발광층을 단일로 갖는 구성으로 도시되었지만 이에 한하지 않으며, 복수개의 발광층을 갖는 구성을 가질 수도 있다. 경우에 따라 전하 생성층으로 구분되는 복수개의 스택을 가질 수 있으며, 각 스택에 적어도 하나의 발광층을 갖는 구조에도 적용될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 애노드(120)는 반사성 전극을 포함할 수 있고, 캐소드(170)은 반사 투과성을 갖는 것으로, 각각 발광 소자의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 기능한다. 애노드(120)의 반사성 전극의 상면 및/또는 하면에 투명 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 캐소드(170)은 기판(100)에 구비된 복수개의 발광부들(E)에 일체형으로 형성된 것으로, 이 점에서 공통 전극이라고 명명될 수 있다. 경우에 따라, 애노드(120)는 발광 소자의 제 1 전극으로 캐소드(170)는 제 2 전극으로 지칭될 수도 있다.
한편, 본 발명의 캐소드(170)은 발광 소자의 캐소드로 기능하기 위해 반사 투과성을 갖는 금속이다.
그리고, 본 발명의 캐소드(170)은 투과부(T)에 제거된 상태에서 기판(100)의 발광부(E)들 전체에 일정 전위를 유지하여야 하기 때문에, 면저항이 작고 일함수가 4eV 이하로 낮은 단일 금속일 수 있다. 일예로, 캐소드(170)은 마그네슘(Mg)과 같은 단일 금속일 수 있다.
일함수가 4.28eV인 알루미늄(Al)의 단일 금속, 일함수가 4.52eV 내지 4.74eV인 은(Ag) 성분의 단일 금속, 일함수가 4.12eV인 은-마그네슘 합금(MgAg)과 달리 마그네슘(Mg)을 캐소드로 적용시 일함수가 3.66eV으로 전자 주입을 용이하게 한다. 또한, 캐소드 증착 과정에서 유기물과의 접합성이 커 증착 후 일부를 제거하는 패터닝이 어려운 은(Ag) 성분의 단일 금속, 혹은 은을 포함한 합금 대비 유기물과 다른 개질을 갖는 마그네슘은, 패터닝을 통해 유기물 상에서 일부 제거가 가능하다.
그러나, 본 발명의 캐소드(170)은 단일 재료로서 마그네슘에 한하지 않으며 일함수가 4eV 이하이며, 이하에서 설명하는 인접 층과의 계면 불량을 일으키지 않는 반사 투과성 금속이라면 대체 가능할 수 있다.
여기서, 캐소드(170)이 투과부(T)에서 제거된 이유는 투과부(T)에 반사 투과성을 갖는 캐소드(170)에 기인한 투과율 저하를 방지하기 위한 것이다.
알려진 상부 발광 방식의 발광 표시 장치는 반사 투과성 금속으로 AgMg 금속의 합금을 이용하는데, 이 경우 AgMg 금속합금은 패터닝을 적용하게 되면 Ag의 저항율이 커 면저항이 매우 높아져 보조 전극을 통해 상전압을 유지할 필요가 있다.
본 발명의 표시 장치는 캐소드(170)에 패터닝을 적용하여도 고전도성의 단일 금속만으로 형성함으로써 AgMg 합금의 면저항 증가 문제를 해소할 수 있다.
또한, 본 발명의 캐소드(170)이 단일 금속의 패터닝을 적용하는 구조에서, 그 상하부 구성과의 접합성을 개선하여 표시 상의 불량을 방지하며 표시 장치의 신뢰성을 개선할 수 있다. 구체적으로 하기 실험을 통한 설명과 결부하여 설명한다.
상기 캐소드(170)과 제 2 공통층(142) 사이에 위치한 전자 주입층(160)은 캐소드(170)로부터 하부 유기층과의 계면 이질성을 방지하고 전자의 주입을 용이하게 하는 것으로, 전자 주입 특성을 갖는, 즉, 일함수가 낮은 금속을 포함한다. 예를 들어, 전자 주입층(160)의 전자 주입성 금속의 일함수는 3eV 이하로, 캐소드(170)을 이루는 단일 금속보다 일함수가 낮다. 바람직하게는 상기 전자 주입층(160)은 Ba, Ca 및 Sr 중 적어도 어느 하나일 수 있는 것으로, 이들은 모두 캐소드(170)보다 낮은 일함수를 갖는 것으로, 캐소드(170)으로부터 전자 주입을 용이하게 한다.
또한, 상기 캐소드(170) 상부에 위치한 캐핑층(180)은 하부 발광 소자로부터 나오는 광의 추출을 향상시키고 발광 소자를 보호하는 기본 기능과 함께, 패터닝된 단일 금속의 캐소드(170)과 계면 접합성이 우수한 기능을 갖는다.
이를 위해 상기 캐핑층(180)은 캐소드(170)과 낮은 열팽창 계수를 갖는 물질로 이루어져 고온 등의 캐소드(170)의 신장이 발생되는 환경에서도 캐소드(170)의 신장 방향과 반대 방향의 압축력을 갖게 하여, 캐소드(170)을 이루는 단일 금속 성분의 이동(migration)을 방지할 수 있다. 이로써, 캐소드(170)을 이루는 금속 성분의 이동을 제한하여 확산 거리가 줄어들어 모래알 불량과 같은 표시 불량을 방지할 수 있다.
참고로 '모래알 불량'이란, 표시 장치를 일정 시간 고온 보관 시, 금속 원자의 이동(migration)에 의한 재배열열시, 불안정한 표면 특성, 예를 들어, 금속원자가 성막된 막 내에서 부분적인 결정(grain), 끊어짐(vacancy), 구멍(pore) 들로 인하여, 결함을 감소시키는 방향으로 움직이게 되고, 이것은 새로운 결정(grain)을 형성하며, 회복 또는 재결정 과정(recrystallization process)을 진행함에 따라서, 재배열 또는 재결정된 입자들이 모래알처럼 시인되는 현상이다.
예를 들어, 패터닝된 캐소드로 이용하는 일함수가 낮고 반사 투과성을 갖는 마그네슘(Mg)을 이용하는 경우, 마그네슘의 캐소드 상부에 유기물 성분의 캐핑층에 적용될 경우, 유기물 성분이 갖는 높은 열 팽창 계수로 인해 고온의 환경에서 인장력이 발생되며, 유기물 성분의 캐핑층의 인장력을 받아 캐소드 또한 캐핑층과 함께 늘어나게 되고, 이 경우, 캐소드 내 마그네슘은 확산이 극대화되며 모래알 불량이 나타날 수 있다.
본 발명의 표시 장치는 캐핑층(180)의 재료를 열팽창 계수가 캐소드(170)을 이루는 성분보다 작은 재료로 이용하여 고온시의 인장 스트레스에 의한 모래알 불량을 방지할 수 있다.
상기 캐핑층(180)은 금속 불화물로 하여 캐소드(170)을 이루는 금속 대비 열 팽창 계수를 낮출 수 있다. 금속 불화물에 포함된 금속은 예를 들어, 알칼리 토금속이거나 전이 금속일 수 있다. 알칼리 토금속 불화물로 MgF2 등이 있으며, 전이 금속 불화물로 YbF3 등이 있다. MgF2 의 열 팽창 계수는 10x10-6m/K 이하이며, YbF3 의 열 팽창 계수는 8.5x10-6m/K 이다.
반면, 단일 금속으로 마그네슘(Mg)의 열 팽창 계수는 26x10-6m/K이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드(170)과 캐핑층(180)은 상측으로 가며 열 팽창 계수가 낮아지도록 하여, 캐핑층(180)이 캐소드(170)의 인장시 반대 방향으로 수축력을 갖도록 하여, 캐소드(170)의 인장을 방지하고 이에 따라 캐소드(170)을 이루는 금속 성분의 이동을 방지하고 금속 성분의 확산의 영향으로 나타나는 모래알 불량을 방지할 수 있다.
도 1에서 설명하지 않은 구성 요소에 대해 설명한다.
기판(100) 상에 기판(100) 내의 불순물의 의한 영향을 방지하도록 버퍼층(101)을 구비한다. 버퍼층(101) 상의 소정 부위에 액티브층, 상기 액티브층(102) 상에 게이트 절연막(103)을 개재하여 상기 액티브층(102)의 일부에 중첩한 게이트 전극(104), 상기 액티브층(102) 양측에 각각 접속된 소스 전극(108a) 및 드레인 전극(108b)을 포함한 박막 트랜지스터(TFT)가 구비된다.
상기 게이트 전극(104)은 상기 소스 전극(108a) 및 드레인 전극(108b)의 층 사이에 제 1, 제 2 층간 절연막(105, 106)을 구비할 수 있다. 제 1, 제 2 층간 절연막 중 어느 하나는 생략될 수 있다.
상기 게이트 전극과 동일층에 제 1 스토리지 전극(104a)과 상기 제 1 스토리지 전극(104a) 중첩한 제 1 층간 절연막(105) 상부 혹은 제 2 층간 절연막(106) 상부에 제 2 스토리지 전극(104a)을 구비하여 스토리지 캐패시터를 구성할 수 있다.
그리고, 상기 박막 트랜지스터(TFT)를 보호하는 보호막(107)과 제 1, 제 2 평탄화막(111, 113)이 차례로 형성될 수 있다.
상기 박막 트랜지스터(TFT)의 드레인 전극(108b)은 발광 소자의 애노드(120)와 보호막, 제 1, 제 2 평탄화막(111, 113)을 관통한 콘택홀을 통해 직접 접속할 수도 있고, 도시된 바와 같이, 제 1 평탄화막(111) 상에 구비된 연결 금속(112b)과 그 상하부의 콘택홀을 통해 상기 애노드(120)과 전기적 연결을 가질 수도 있다.
도면 상에 표현되어 있지는 않지만, 연결 금속(112b) 및 전극 패턴(112a)은 앞서 설명한 박막 트랜지스터와 다른 액티브층을 갖고 다른 층상의 박막 트랜지스터의 구조의 소스 전극 및 드레인 전극으로 이용될 수 있다. 이 경우, 기판(100)에 가까운 액티브층(102)은 폴리 실리콘일 수 있으며, 보다 상측에 위치한 액티브층(미도시)은 산화물 반도체층일 수 있다.
제 1, 제 2 평탄화막(111, 113)은 하부 층들의 단차를 평탄화하기 위해 구비될 수 있으며, 포토 아크릴, BCB 등의 유기 재료일 수 있다.
제 1, 제 2 층간 절연막(105, 106), 버퍼층(101), 게이트 절연막(103) 및 보호막(107)은 산화막, 질화막, 산질화막 등의 무기 재료일 수 있다.
투과부(T)에서는 투과율을 높이기 위해 유기 재료 성분의 제 1, 제 2 평탄화막(111, 113)과 뱅크(130)가 투과부(T)에서 제거되는 것이 바람직하다.
도시된 예에서는 유기 재료 성분의 제 1, 제 2 평탄화막(111, 113)과 함께 무기 재료의 제 2 층간 절연막(106)과 보호막(107)이 투과부(T)에서 제거된 상태를 나타낸다. 경우에 따라 제 2 층간 절연막(106)과 보호막(107)은 투과부(T)에 남길 수 있다. 혹은 경우에 따라 무기 재료의 절연막 중 투과성이 상대적으로 낮은 재료를 투과부(T)에서 선택적으로 제거할 수도 있다.
한편, 상기 캐핑층(180) 상부에는 하부 구조의 밀봉 및 보호를 위해 봉지 구조(190)가 적용된다.
봉지 구조(190)는 일예로 교번된 무기 봉지막(185, 193)과 유기 봉지막(192)의 구조를 가질 수도 있고, 혹은 무기 보호막(185)이 캐핑층(180) 상에 형성되고, 무기 보호막 상에 페이스 씰을 적용하고 대향 기판(200)에 대향되어 기판(100)과 합착될 수 있다.
경우에 따라, 페이스 씰을 대체하여 무기 보호막이 형성된 기판(100)과 대향 기판의 가장 자리에 에지 씰을 적용하여 합착할 수도 있다. 에지 씰 안쪽에 기판(100)과 대향 기판(200) 사이에는 충진재가 채워질 수 있다.
상기 캐핑층(180)이 캐소드(170) 대비 낮은 열 팽창 계수의 물질을 갖는 경우, 캐핑층(180) 상부 구성으로써 무기 보호막도 캐핑층(180)보다 낮은 열 팽창 계수를 가져, 캐소드(170)에서부터, 캐핑층(180) 및 무기 보호막으로 가며 점차 낮아지는 열 팽창 계수를 가지며, 이를 통해 캐소드(170) 내 금속 성분의 확산 방지에 의한 모래알 불량 방지 효과를 향상시킬 수 있다.
캐핑층(180)과 닿아 있는 봉지 구조(190) 내 무기 보호막 또는 무기 봉지막은 SiNx 또는 SiON 등으로 이의 열 팽창 계수는 3.3x10-6m/K 내지 3.7x10-6m/K 로 금속 불화물로 이루어진 캐핑층(180)의 열 팽창 계수보다 낮다.
봉지 구조(190) 상에는 컬러 필터층(210)이 각 발광부(E)에 대응되어 더 구비될 수 있다.
상기 대향 기판(200)은 표시면에 대응되는 위치에 있어, 커버층 혹은 커버 윈도우, 커버 필름이라고도 한다. 경우에 따라 커버층은 상기 봉지 구조(190)의 적어도 일부분에 대해 에어 갭을 가질 수도 있다.
한편, 도 1 및 도 2에서 나타낸 기판(100)이 발광부(E)와 투과부(T)로 구분된 예를 실시예로 나타낸 것이다.
그러나, 본 발명의 표시 장치는 투명 표시를 위한 투과부를 구비한 예 외에도, 다양한 실시예에 적용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 표시 장치를 나타낸 평면도이다.
표시 장치는 복수개의 발광부들(R, G, B)이 이격된 형태로 포함된 액티브 영역(AA)과 액티브 영역(AA) 주변의 기판(100)과 패드부(PAD)를 제외하여 상기 기판(100)을 덮는 대향 기판(200)를 포함할 수 있다.
도 3의 예에는 액티브 영역(AA)에 발광부들(R, G, B)만을 도시하였으나, 이에 한하지 않으며, 액티브 영역(AA)에는 도 1 및 도 2와 같은 투과부(T)를 더 구비할 수도 있다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 표시 장치는 기판(100) 하부에 카메라를 갖는 구조이다. 이 경우, 카메라에 구비된 카메라 렌즈(CL)로 상측의 광의 시인을 용이하게 하기 위해, 도 3과 같이, 반사 투과성을 갖는 캐소드(470) 또한 카메라에 대응되는 부위에서 패터닝되어 제거될 수 있다. 이 경우, 캐소드(470)은 액티브 영역(AA) 전체와 비표시 영역(Bezel의 일부까지 연장되어 형성되는 액티브 영역(AA) 내 카메라가 대응된 영역에 카메라에 대응되는 홀(CAH)의 형상으로 제거부위를 갖는다.
한편, 각 발광부(R, G, B)는 도 1에서 설명한 바와 같이, 발광층(도 3에 미도시)과 발광층의 하부의 상부에 위치한 제 1, 제 2 공통층(441, 443)을 갖는다. 도 3에서 제 1, 제 2 공통층(441, 443)은 액티브 영역(AA) 전체와 비표시 영역(Bezel)의 일부로 연장하여 형성한다. 제 1, 제 2 공통층(441, 443)은 캐소드(470) 형성 전 형성되는 것으로, 상기 캐소드(470)의 홀(CAH) 부위에도 형성될 수 있다.
그리고, 전자 주입층 및 캐핑층은 캐소드(470)과 동일 마스크로 형성되는 것으로, 캐소드(470)이 홀(CAH)의 형상을 갖고 패터닝될 때, 상기 전자 주입층 및 캐핑층 역시 홀(CAH) 부위에서 제거될 수 있다.
제 2 실시예에 따른 표시 장치에 있어서도 캐소드(470)이 형성된 부위에서 전자 주입층과 캐핑층에 접하여 있기 때문에, 캐소드(470)의 패터닝시 캐소드(470)의 표면의 안정성 및 고온 신뢰성을 위해 캐핑층의 재료는 열 팽창 계수가 캐소드(470)에 비해 작은 물질로 형성할 수 있고, 전자 주입층은 전자 주입의 용이를 위해 전자 주입성 금속을 포함할 수 있다.
이하에서는, 실험을 통해 캐소드와 상부 구조와의 관계를 살펴본다.
도 4a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 표시 장치의 제 1 영역을 나타낸 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 표시 장치의 캐소드 상부 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4a는 도 1과 도 3의 발광부 또는 제 1 영역(E)의 단면도로 발광 소자(OLED)와 상기 발광 소자(OLED) 상부에 캐핑층(180), 무기 보호막(185) 및 충진재 혹은 에어 갭(195)이 차례로 위치함을 나타낸다.
발광 소자(OLED)는 서로 대향된 애노드(120)과 캐소드(170)를 갖고, 상기 애노드(120)과 캐소드(170) 사이에 제 1 공통층(141), 발광층(150) 및 제 2 공통층(142) 및 전자 주입층(160)을 갖는다.
고온 인가시 열 팽창 관점에서, 전자 주입층(160)은 50Å이하로 매우 얇아 열 팽창에 영향을 거의 미치지 않는다. 따라서, 애노드(120) 상부에 구성에서, 층별 열 팽창 계수의 변화를 살펴보면, 애노드(120)과 캐소드(170) 사이의 유기층들(141, 150, 142)이 함께 작용하며, 이들의 제 1 열 팽창 계수(CTE1)은 100x10-6m/K 이상으로 가장 크고 상부의 캐소드(170)의 제 2 열 팽창 계수(CTE2), 캐핑층(180)의 제 3 열 팽창 계수(CTE3), 무기 보호막(185)의 제 4 열 팽창 계수(CTE4) 및 충진재 혹은 에어 갭의 제 5 열 팽창 계수(CTE5)의 순으로 낮아진다. 예를 들어, 캐소드(170)이 마그네슘(Mg)일 때, 제 2 열 팽창 계수(CTE2)는 26x10-6m/K 이며, 캐핑층(180)으로 이용된 금속 불화물의 제 3 열 팽창 계수(CTE3)는 20x10-6m/K 이하이다. 또한, 무기 보호막(185)으로 실리콘 질화막(SiNx)의 열 팽창 계수는 3.7x10-6m/K 이고 실리콘 산질화막(SiON)의 열 팽창 계수는 3.3x10-6m/K 이고, 충진재의 열 팽창 계수는 1x10-6m/K 이고 에어 갭의 열 팽창수 계수는 0으로, 도 4a의 발광 소자(OLED)으로 상부로 가며 열 팽창 계수가 순차적으로 낮아지는 관계를 만족한다.
즉, 상술한 도 4a에 따른 본 발명의 제 3 실시예에 따른 표시 장치는, 상기 캐핑층(180)은 캐소드(170)과 낮은 열팽창 계수를 갖는 물질로 이루어져 고온 등의 캐소드(170)의 신장이 발생되는 환경에서도 캐소드(170)의 신장 방향과 반대 방향의 압축력을 갖게 하여, 캐소드(170)을 이루는 단일 금속 성분의 이동(migration)을 방지할 수 있다. 이로써, 캐소드(170)을 이루는 금속 성분의 이동을 제한하여 확산 거리가 줄어들어 모래알 불량과 같은 표시 불량을 방지할 수 있다.
상기 캐핑층(180)은 금속 불화물로 하여 캐소드(170)을 이루는 금속 대비 열 팽창 계수를 낮출 수 있다. 금속 불화물에 포함된 금속은 예를 들어, 알칼리 토금속이거나 전이 금속일 수 있다. 알칼리 토금속 불화물로 MgF2 등이 있으며, 전이 금속 불화물로 YbF3 등이 있다. MgF2 의 열 팽창 계수는 10x10-6m/K 이하이며, YbF3 의 열 팽창 계수는 8.5x10-6m/K 이다.
본 발명의 표시 장치는 캐핑층(180)의 재료를 열팽창 계수가 캐소드(170)을 이루는 성분보다 작은 재료로 이용하여 고온시의 인장 스트레스에 의한 모래알 불량을 방지할 수 있다.
도 4b와 같이, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 표시 장치는, 상기 캐핑층(180)이 복수층(first layer, ??nth layer)일 때, 상기 복수층 중 캐소드(170)에 접한 제 1층(first layer)과 캐소드에서 가장 먼 제 2층(nth layer)은 서로 다른 금속 불화물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 층(first layer)과 상기 제 2 층(second layer) 사이에 금속 불화물과 달리 이보다 열 팽창 계수가 큰 유기 캐핑층을 포함할 수 있다. 이는 복수층의 캐핑층(180) 구조에서, 최상층과 최하부의 열 팽창 계수 매칭이 인장 스트레스에 영향을 주기 때문에, 캐핑층(180)의 내부층은 유기 캐핑 재료를 포함시켜 광학적 특성을 유지시키고 캐소드(170)과 접하는 층에서 금속 성분의 확산을 방지하도록 금속 불화물을 적용하여 인장력의 발생을 최소화하고 또한, 캐소드(170)에서 먼측에 금속 불화물을 더 적용하여 캐핑층(180) 자체의 층 구조의 인장도 방지하여 경시적으로 캐핑층(180)의 인장에 의한 변화를 최소화하도록 하기 위함이다.
즉, 본 발명의 제 3 및 제 4 실시예에 따른 캐소드(170)과 캐핑층(180)은 상측으로 가며 열 팽창 계수가 낮아지도록 하여, 캐핑층(180)이 캐소드(170)의 인장시 반대 방향으로 수축력을 갖도록 하여, 캐소드(170)의 인장을 방지하고 이에 따라 캐소드(170)을 이루는 금속 성분의 이동을 방지하고 금속 성분의 확산의 영향으로 나타나는 모래알 불량을 방지할 수 있다.
이하에는 제 1 내지 제 4 실험예를 통해 캐핑층의 재료별 표면 특성, 고온 신뢰성 등을 살펴본다.
도 5a 내지 도 5d는 캐핑층 증착 후, 제 1 내지 제 4 실험예(Ex1, Ex2, Ex3, Ex4)에 따른 캐핑층 재료별 증착 상태를 나타낸 광학 사진이다.
| 구분 | 보관시간 (H) |
구동전압 (V) |
전압변화 (ΔV) |
효율 (Cd/A) |
CIEx | CIEy | 파장 (nm) |
| Ex1 | 0 | 7.2 | 158.6 | 0.268 | 0.690 | 526 | |
| 300 | 7.4 | +0.2 | 148.4 | 0.272 | 0.681 | 524 | |
| 500 | 8.3 | +1.1 | 143.3 | 0.274 | 0.678 | 524 | |
| Ex2 | 0 | 7.2 | 186.8 | 0.252 | 0.704 | 526 | |
| 300 | 7.8 | +0.6 | 180.0 | 0.257 | 0.698 | 526 | |
| 500 | 8.0 | +0.8 | 174.6 | 0.258 | 0.698 | 526 | |
| Ex3 | 0 | 7.2 | 136.5 | 0.305 | 0.669 | 542 | |
| 300 | 7.3 | +0.1 | 132.5 | 0.308 | 0.666 | 536 | |
| 500 | 7.3 | +0.1 | 130.3 | 0.308 | 0.665 | 536 | |
| Ex4 | 0 | 7.1 | 154.7 | 0.280 | 0.687 | 532 | |
| 300 | 7.2 | +0.1 | 152.3 | 0.283 | 0.685 | 532 | |
| 500 | 7.3 | +0.2 | 151.7 | 0.283 | 0.684 | 532 |
표 1 및 도 5a 내지 도 5d에는 도 1 및 도 2에 따른 구조를 적용한 것으로, 캐소드(170)은 마그네슘 단일 성분으로 형성하고, 캐핑층(180)은 제 1 내지 제 4 실험예(Ex1, Ex2, Ex3, Ex4)에서 각각, 유기 캐핑층(LCP80), LiF, MgF2, YbF3 로 달리하여 실험을 진행하였다. 100℃의 고온에서 각각 0시간, 300시간 및 500시간 보관한 후 구동 전압을 측정하고 초기 값과의 변동 전압을 산출하고, 각각의 효율, 색좌표 및 발광 피크(λmax) 값을 측정하였다. 측정은 녹색 발광 상태를 기준으로 하였다.참고로 제 1 실험예(Ex1)에서 이용된 유기 캐핑층(LCP80)의 열 팽창 계수는 100x10-6m/K 이상이며, 제 2 실험예(Ex2)에서 이용된 LiF의 열 팽창 계수는 37x10-6m/K로 모두 캐소드 성분인 마그네슘의 열 팽창 계수 26x10-6m/K 보다 크다.
제 3 실험예(Ex3)에서 이용된 MgF2의 열 팽창 계수는 10x10-6m/K 이하이며, 제 4 실험예(Ex4)에서 이용된 YbF3의 열 팽창 계수는 8.5x10-6m/K로 모두 캐소드 성분인 마그네슘의 열 팽창 계수 26x10-6m/K 보다 작다.
고온 보관에서 제 1 내지 제 4 실험예(Ex1, Ex2, Ex3, Ex4)의 결과를 살펴보면, 제 1, 제 2 실험예(Ex1, Ex2)는 구동 전압이 500시간 고온 보관 후 1.1V, 0.8V 상승한 것을 알 수 있다. 반면, 제 3, 제 4 실험예(Ex3, Ex4)는 구동 전압이 500시간 경과시에도 0.2V 이내로, 고온에서 구동 전압의 변동성이 적음을 알 수 있으며, 이로써 초기 상태와 고온 보관 후 구동 전압, 효율 및 색좌표 등의 변화가 없어, 고온 신뢰성을 확보함을 알 수 있다.
또한, 도 5a 내지 도 5d와 같이, 제 1 내지 제 4 실험예(Ex1, Ex2, Ex3, Ex4)에 대해 500시간 경과시 상태를 광학 현미경을 확인한 결과 제 1, 제 2 실험예(Ex1, Ex2)는 모래알 불량이 발생한데 비해, 제 3, 제 4 실험예(Ex, 3, Ex4)는 불량이 발생되지 않고 안정적인 표면 특성을 얻음을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 표시 장치에 있어서는 패터닝되는 캐소드를 단일 금속으로 할 때, 그 단일 금속보다 낮은 열 팽창 계수를 갖는 재료, 예를 들어, 상술한 제 3, 제 4 실험예와 같이, 금속 불화물로 형성하여, 캐소드의 표면에서의 계면 안정성을 높여 고온 신뢰성을 확보할 수 있다.
이 경우, 금속 불화물에는 Mg와 같은 알칼리 토금속이나 Yb와 같은 전이금속을 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 캐핑층(180)은 복수층을 포함할 수 있다.
이 경우, 캐핑층(180)이 복수층일 때, 복수층은 캐소드(170)에 닿는 측에서부터 멀어지며 점차 열 팽창 계수가 작아지도록 구성을 가질 수 있다.
이하에서는 봉지 구조 적용에 따른 실험예별 투과율을 살펴본다.
도 6a는 제 1 및 제 3 실험예(Ex1, Ex3)에 따른 봉지층 구조 적용 후 투과율을 나타낸 그래프이고, 도 6b는 제 1 및 제 4 실험예(Ex1, Ex4)에 따른 외곽 씰 적용 구조에서 캐핑층 재료별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 6a 에서는, 도 4a의 구조와 같이, 캐핑층(180) 상에 무기 보호막 (SiNx 또는 SiON)(185) 적용 후 충진재(195)를 형성한 후, 캐핑층(180)의 재료를 제 1 실험예(Ex1)는 유기 캐핑 재료로 하고, 제 3 실험예(Ex3)는 MgF2 로 하여, 각 구조의 파장에 따른 투과율을 측정한 것이다.
한편, 상기 캐핑층(180)이 최인접하는 위치에 있는 SiNx 또는 SiON 등의 무기 보호막(185)은 대체적으로 3~4x10-6m/K의 열 팽창 계수를 갖는 것으로, 본 발명의 표시 장치에 구성에 따른 제 3 실험예(Ex3)는 캐소드(170), 캐핑층(180) 및 무기 보호막(185)으로 가며 열 팽창 계수가 낮아지는 조건으로 하여 표시 장치의 캐소드(170)의 금속 성분의 이동을 방지하며 이로 인해 고온 신뢰성을 꾀할 수 있다. 반면, 캐핑층의 열 팽창 계수가 캐소드보다 큰 제 1 실험예(Ex1)는 투과율에서도 다른 특성을 나타낸다.
즉, 도 6a와 같이, 제 3 실험예(Ex3) 적용시 제 1 실험예(Ex1)보다 가시광선 전파장에 걸쳐 투과율이 우수하다.
도 6b 에서는, 캐핑층(180) 상에 무기 보호막(185) (SiNx 또는 SiON) 적용 후 기판(100)의 가장 자리에 에지 씰을 적용한 후 대향 기판과 대향시켜 합착한 구조이다. 이 경우, 무기 보호막(185) 상부에는 경우에 따라 바로 에어 갭이 있거나 충진재가 있을 수 있다.
이 경우, 캐핑층의 재료를 제 1 실험예(Ex1)는 유기 캐핑 재료로 하고, 제 4 실험예(Ex4)는 YbF3 로 하여, 각 구조의 파장에 따른 투과율을 측정한 것이다.
도 6b와 같이, 제 4 실험예(Ex4) 적용시 제 1 실험예(Ex1)보다 가시 광선 전파장에 걸쳐 투과율이 우수하다.
위의 실험 결과는 고온 신뢰성뿐만 아니라 금속 불화물을 캐핑층으로 구성한 경우, 캐핑층을 유기 재료로 형성한 경우 대비하여 투과율 또한 우수함을 확인한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 단일 금속으로 형성한 캐소드 상에 제 3, 제 4 실험예와 같은 열 팽창 계수가 낮은 물질, 일예로, 금속 불화물을 적용한 캐핑층을 형성하여 캐소드 상부면의 계면 특성을 우수하게 유지하고, 고온 신뢰성을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 캐소드의 특성을 하부 구성과 연관하여 살펴본다.
도 7a는 Ag와 Mg 의 두께별 반사율을 나타낸 그래프이며, 도 7b는 Ag와 Mg 의 파장별 흡수율을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 캐소드는 발광 소자에서 공진을 위해 표면에서 재반사성을 가져야 하며 또한 출사 전극으로 이용되기 때문에 투과성도 가져야 한다. 이러한 반사 투과성을 모두 갖는 금속으로 일예로 Ag, Mg의 재료가 검토된다.
도 7a와 같이, Ag, Mg 모두 두께가 두꺼워지면 반사율이 높다. 단, 상대적으로 Ag 금속이 Mg 금속보다 동일 두께에서 반사율이 낮다.
도 7b와 같이, Ag, Mg 모두 20nm 의 두께로 박막 필름 흡수 정도를 판단할 결과, Ag 성분보다 Mg 성분이 전파장에서 흡수율이 높은 점을 알 수 있다.
도 7a 및 도 7b와 같이, Mg는 광 침투 깊이(optical penetration depth)가 Ag대비 짧고 흡수가 크기 때문에, 두께가 20nm 이상일 때, 광학적으로 Ag 대비 반사와 흡수가 매우 커진다. 이에 따라, Mg과 같이 일함수가 4eV 로 낮은 재료를 캐소드로 사용하는 경우, 지나친 표면 반사와 흡수를 방지하고 일정 수준의 효율과 시야각을 확보하기 위해 20nm 미만의 두께로 적용하여야 한다. 바람직하게는 단일 성분의 캐소드로 마그네슘 이용시 그 두께는 5nm 내지 14nm (50Å~140Å) 로 하며, 보다 바람직하게는 5nm 이상 10nm 이하로 할 수 있다.
즉, 본 발명의 표시 장치는 마그네슘과 같이 일함수가 작은 금속의 단일 성분으로 캐소드 형성시 광학적 기능을 위해 얇은 두께가 필수적으로 요구된다.
이하에서는 얇은 캐소드의 두께 적용시 신뢰성 및 고온 신뢰성을 향상시키는 점에 대해 살펴본다.
도 8a 내지 도 8d는 제 5, 6 실험예(Ex5, Ex6)에서, 캐소드 형성 후 고온 500시간 경과 시와, 캐핑층 형성 후 고온 500시간 경과 후의 광학 현미경 사진이며, 도 9a 및 도 9b은 제 6실험예(Ex5)의 캐핑층 증착 후 0시간, 300시간 경과 후 TEM도이다.
제 5 실험예(Ex5)는 전자 주입층으로 Yb 단일 성분으로 20Å의 두께로 형성하고, 캐소드로 Mg 단일 성분으로 100Å 두께 형성한 것이고, 제 6 실험예(Ex6)는 전자 주입층으로 Yb 단일 성분으로 40Å의 두께로 형성하고, 캐소드로 Mg 단일 성분으로 100Å 두께 형성한 것이다.
도 8a 내지 도 8d는 제 5, 제 6 실험예를 각각 고온 100℃의 환경에서 500시간 경과 후의 상태를 나타낸 것이다. 도 8a 및 도 8b와 같이, 제 5 및 제 6 실험예(Ex5, Ex6)를 비교시 전자 주입층을 늘려 캐소드를 형성한 후 고온에 500시간 경과시 제 6 실험예(Ex6)가 상대적으로 결정성이 줄어드나, 캐소드에 캐핑층(유기 재료)을 형성 후에는 도 8c 및 도 8d와 같이, 모래알 불량의 제 5, 제 6 실험예(Ex5, Ex6)에서 모두 발생됨을 확인할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 제 6 실험예(Ex6)에 대해 0시간 및 300시간 경과 후의 상태를 TEM(Transmission Electron Microscopy) 장비로 측정하여 나타낸 것이다.
여기서, 캐핑층은 유기 캐핑 재료를 이용하였다.
제 6 실험예에서 도 9a와 같이, 초기 상태에서는 안정적이나, 도 9b와 같이, 캐소드(Mg) 내에서 금속 원자의 이동에 의해 재배열이 발생하고, 전자 주입층(Yb)과의 불안정한 표면 특성 및 내부 공극 등에 의해 결함을 감소시키는 방향으로 이동하여, 새로운 입자를 형성하며 부분적인 재결정화가 발생되며 모래알 불량으로 관찰된다.
본 발명의 발명자들은 이러한 모래알 불량이 고온 보관시 전자 주입층과 캐소드의 계면에서 발생됨을 고려하여, 본 발명의 다른 실시예로, 전자 주입층을 변경시키는 관점에서 검토한다.
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 표시 장치의 단면도이다.
도 10의 본 발명의 제 5 실시예는, 상술한 제 1 실시예에 따른 표시 장치와 전자 주입층(160)이 전자 주입성의 제 1 금속과, 표면 에너지가 1J/m2 이상인 제 2 금속을 더 포함한 점에서 차이를 갖는다.
한편, 도 9에 도시된 애노드(120)과 캐소드(170) 사이의 유기 스택은 2 스택으로 도시되었는데, 본 발명의 표시 장치는 이에 한하지 않으며, 단일 스택 또는 3스택 이상으로도 구성될 수 있다.
애노드(120)과 캐소드(170) 사이의 유기 스택이 복수 스택을 가질 때, 스택들은 전하 생성층(230)에 구분될 수 있다.
전하 생성층(230)은 n형 전하 생성층(231) 및 p형 전하 생성층(232)을 포함할 수 있으며, 경우에 따라 n형 도펀트 및 p형 도펀트를 한 층에 함께 포함시켜 단일층의 전하 생성층을 형성할 수도 있다.
기판(100)은 서로 다른 색을 발광하는 제 1 내지 제 3 발광부(E: E1, E2, E3)와, 기판(100)의 하부 광을 상부로 투과시킬 수 있는 투과부(T)로 구분될 수 있다.
제 1 내지 제 3 발광부(E: E1, E2, E3)는 각각 각 스택에 동일 색을 발광하는 발광층(251a, 261a)(251b, 262b) (251c, 261c)을 포함할 수 있으며, 각 발광층의 하부에 공통층으로 제 1, 제 2정공 수송층(222, 241)과 상부에 공통층으로 제 1, 제 2 전자 수송층(223, 242)을 포함할 수 있다.
또한, 애노드(120)과 제 1 정공 수송층(222) 사이에 정공 주입을 위해 정공 주입층(221)을 더 포함할 수 있다.
캐소드(170) 상부에는 캐핑층(180), 봉지 구조(190)가 적용되고, 커버층(200) 혹은 대향 기판에 봉지 구조(190)에 대향되는 컬러 필터층(210a, 210b, 210c)을 포함할 수 있다.
상기 컬러 필터층(210a, 210b, 210c)은 상기 제 1 내지 제 3 발광부(E1, E2, E3)가 발광하는 색의 파장을 투과시키는 것으로, 편광판을 대체할 수 있다.
도 11은 제 5 실시예에 따른 본 발명의 개별 발광 소자 구조 단면도이다.
도 11은 제 5 내지 제 8 실험예를 진행하기 위한 발광부(제 1 영역)의 소자 구조로 애노드(120)에서부터 캐핑층(180)까지 구성한 것이다.
애노드(120)의 반사 전극(121)을 중심으로 하며, 그 하부 및 상부는 제 1, 제 2 투명 전극층(121a, 121c)을 구비하여 차례로 적층된 삼층의 제 1 투명 전극층(121a), 반사 전극(121b) 및 제 2 투명 전극층(121c)으로 이루어진 애노드(120)가 적층체로서 발광 소자의 애노드로 기능하도록 한다.
상기 제 2 투명 전극층(121c)은 유기물인 정공 주입층(221)과의 계면 저항을 낮출 수 있고, 제 1 투명 전극층(121a)은 하측에 구성되는 박막 트랜지스터와의 전극 접촉성을 개선할 수 있다.
전하 생성층(231/232)으로 구분되는 스택별 발광층(250, 260)은 동일 색의 발광층일 수 있다.
한편, 정공 주입층(121)에서부터 캐핑층(180)까지의 각 층 구성에 대해 도 10과 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
하기 설명하는 실험들은 전자 주입층(160)의 성분이 전자 주입성 금속의 Yb 단일인 경우가 제 5, 제 6 실험예(Ex5, Ex6) 및 그 변형예로 하고, 전자 주입성 금속의 Yb, 표면 에너지가 1J/m2 보다 큰 금속의 Ag를 포함한 합금을 제 7 및 제 8 실험예(Ex7, Ex8) 및 그 변형예로 한다. 캐소드는 모두 마그네슘(Mg)으로 한다.
또한, 이하의 실험예에서 발광 소자가 발광하는 색은 녹색 또는 청색으로 한 경우에 대해 실험하였다.
도 12a 및 도 12b는 제 6 실험예(Ex6) 및 제 7 실험예(Ex7)의 녹색 발광 시 시간에 따른 구동 전압 변화 및 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
| 구분 | 전광특성(100℃ 0시간) | 전광특성(100℃ 500시간) | λmax (nm) |
||||||
| 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | ||
| Ex6 | 7.1 | 100 | 0.276 | 0.690 | 7.9 | 107 | 0.286 | 0.679 | 530 |
| Ex7 | 7.2 | 100 | 0.270 | 0.690 | 7.6 | 103 | 0.272 | 0.686 | 528 |
제 6 실험예(Ex6)에서, 전자 주입층은 전자 주입성 금속의 Yb로 단일로 40Å의 두께로 형성하고, 캐소드는 마그네슘 단일로 100Å의 두께로 형성하였다. 제 7 실험예(Ex7)에서, 전자 주입층은 전자 주입성 금속의 Yb와 표면 에너지가 1J/m2 보다 큰 금속의 Ag를 포함한 합금을 40Å의 두께로 형성하고, 캐소드는 마그네슘 단일로 100Å의 두께로 형성하였다. 표 2 및 도 12a 및 도 12b와 같이, 제 6 실험예(Ex6) 대비 제 7 실험예(Ex7)가 전자 주입층에 표면 에너지가 큰 금속을 더 포함시킴으로써 시간 변화에 관계없이 구동 전압과 효율 및 색좌표 변화가 없음을 확인할 수 있다.
도 13은 제 6, 제 7 실험예(Ex6, Ex7)의 캐소드 형성 후 0시간, 100시간, 300시간, 500시간 경과 후를 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 13과 같이, 제 6 실험예(Ex6)는 모두 고온 (100℃)에서 100시간, 300시간, 500시간 경과시 모래알 불량이 관찰되지만 제 7 실험예(Ex7)에서는 500시간 경과시에도 불량이 발생되지 않음을 확인할 수 있다.
도 14a 및 14b는 제 6, 제 7 실험 변형예(Ex6_a, Ex7_a)의 녹색 발광 시 시간에 따른 구동 전압 변화와 효율을 나타낸 그래프이며, 도 15은 제 6, 제 7 실험 변형예(Ex6_a, Ex7_a)의 캐소드 형성 후 500시간 경과 후 상태를 나타낸 광학 현미경 사진이다.
| 구분 | 전광특성(100℃ 0시간) | 전광특성(100℃ 500시간) | λmax (nm) |
||||||
| 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | ||
| Ex6_a | 7.1 | 100 | 0.289 | 0.676 | 11 | 117 | 0.296 | 0.669 | 528 |
| Ex7_a | 7.2 | 100 | 0.277 | 0.682 | 7.7 | 101 | 0.277 | 0.682 | 526 |
위 각 실험예는 녹색 발광에 대해 평가한 것이다. 제 6 실험 변형예(Ex6_a)에서, 전자 주입층은 전자 주입성 금속의 Yb로 단일로 40Å의 두께로 형성하고, 캐소드는 마그네슘 단일로 80Å의 두께로 형성하였다. 제 7 실험 변형예(Ex7_a)에서, 전자 주입층은 전자 주입성 금속의 Yb와 표면 에너지가 1J/m2 보다 큰 금속의 Ag를 포함한 합금을 40Å의 두께로 형성하고, 캐소드는 마그네슘 단일로 80Å의 두께로 형성하였다. 표 3 와 같이, 제 6 실험 변형예(Ex6_a)에서 캐소드 두께를 80Å으로 하였을 때, 고온100℃에서 500시간 경과 후 구동 전압 변화가 11V 로 초기 구동 전압보다 3.9V 상승하며, 도 14a 및 도 14b와 같이, 고온 보관 후 구동 전압의 변화가 현저히 심하고, 효율 또한 시간 경과에 따라 변동이 큼을 알 수 있다.
반면, 제 7 실험 변형예(Ex7_a)는 캐소드 두께를 줄여도 제 7 실험예(Ex7)와 유사한 수준으로 고온에 500시간 경과 하더라도 구동 전압이나 효율에 변동이 거의 없음을 확인할 수 있다.
또한, 제 7 실험 변형예(Ex7_a)에서는 색좌표 변동성이 없어 발광 소자로부터 나오는 광의 손실이 없는 점을 확인할 수 있다.
도 15의 제 6 실험 변형예에서는 고온 500시간 경과시 모래알 불량이 나타났으나, 도 15의 제 7 실험 변형예에서는 고온 500시간 경과 후에도 불량이 발생되지 않음을 확인할 수 있다.
이하에서는 제 7 실험예에 대해, 전자 주입층에 포함된 전자 주입성 금속과 표면 에너지가 큰 금속의 성분비를 변경하여 전광 특성 및 각 실험예에 따른 신뢰성 여부를 살펴본다.
도 16은 제 6 실험예(Ex6) 및 제 7 실험 변형예들(Ex7_c, Ex7_d, Ex7_e)의 청색 발광시 효율을 나타낸 그래프이고, 도 17은 제 6 실험예(Ex6) 및 제 7 실험 변형예들(Ex7_b, Ex7_c, Ex7_d, Ex7_e, Ex7_f)의 시간에 따른 휘도 변화를 나타낸 그래프이다.
| 구분 | 전자주입층 | 전광특성 | 수명 (%) |
신뢰성 |
||||
| (Yb:Ag) | 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | λmax(nm) | |||
| Ex6 | 1:0 | 7.7 | 100 | 0.138 | 0.050 | 462 | 100 | NG |
| Ex7_b | 10:1 | 7.8 | 117 | 0.135 | 0.055 | 464 | 180 | NG |
| Ex7_c | 7:3 | 7.8 | 113 | 0.138 | 0.050 | 462 | 160 | OK |
| Ex7_d | 5:5 | 7.8 | 108 | 0.137 | 0.053 | 462 | 160 | OK |
| Ex7_f | 3:7 | 7.8 | 100 | 0.138 | 0.050 | 462 | 150 | OK |
| Ex7_g | 1:10 | 8.0 | 92 | 0.137 | 0.053 | 462 | 130 | OK |
제 6 실험예(Ex6) 및 제 7 실험 변형예들(Ex7_b, Ex7_c, Ex7_d, Ex7_e, Ex7_f)은 캐소드로 전자 주입층의 두께를 40Å로 하고, 캐소드는 마그네슘(Mg)의 단일 금속으로 100Å의 두께로 형성하였다.
그리고, 제 6 실험예(Ex6)는 전자 주입층을 전자 주입성 금속의 Yb로 단일로 40Å의 두께로 형성한 것이며, 제 7 실험 변형예들(Ex7_b, Ex7_c, Ex7_d, Ex7_e, Ex7_f)은 전자 주입성 금속의 Yb와 표면 에너지가 큰 금속 Ag의 합금으로 하되, 그 비를 10:1, 7:3, 5:5, 3:7, 1:10으로 달리하여 고온 100℃의 온도에서 500시간 경과한 상태에서 전광 특성, 수명 및 신뢰성을 평가한 실험을 진행하였다.
제 7 실험 변형예들(Ex7_b, Ex7_c, Ex7_d, Ex7_e, Ex7_f)의 Yb:Ag의 비율은 전자 주입층 내의 체적비이며, 예를 들어, 7:3은 Yb가 전자 주입층 내에 70vol% 포함되고, Ag가 30vol% 포함됨을 의미한다.
평가된 제 7 실험 변형예들 (Ex7_b, Ex7_c, Ex7_d, Ex7_e, Ex7_f)의 효율은 제 6 실험예(Ex6)의 효율을 100%로 하여 이에 비교된 값이며, 수명 또한, 제 6 (Ex6)의 수명을 100%으로 하여 이에 비교된 값을 측정한 것이다.
표 4 및 도 16, 도 17과 같이, 전자 주입층에 Yb:Ag의 비율을 7:3, 5:5, 3:7로 한 제 7 실험 변형예들 (Ex7_c, Ex7_d, Ex7_e)에서, 구동 전압, 효율, 수명, 색좌표에서 안정적이며 신뢰성에서 우수함을 확인할 수 있다.
표 4와 같이, 제 7 실험 변형예 중 Yb:Ag의 비율을 1:10으로 한 경우(Ex7_f), 수명, 색좌표, 구동 전압 및 신뢰성에서 모두 향상하나, 효율에서 제 6 실험예(Ex6)에 미치지 않음을 볼 수 있다.
위의 실험은 전자 주입층에 전자 주입성 금속과 표면 에너지가 큰 금속을 포함하여 구성시 표면 에너지가 1J/m2 보다 큰 금속이 캐소드가 증착될 하부 표면의 막 특성을 향상시켜 전자 주입층과 단일 성분의 캐소드와의 접합성을 향상시킨 것을 의미한다. 단, 표면 에너지가 큰 금속 성분을 전자 주입층 내에서 70vol%을 초과하여 포함시 표면 에너지가 큰 금속간의 응집이 발생할 수 있어, 전자 주입층 내에 표면 에너지(SE: surface energy)가 큰 금속의 성분은 30vol% 내지 70vol%으로 하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 캐소드와 합금 성분의 전자 주입층간의 표면 에너지를 동등 수준이나 전자 주입층이 약간 크도록 하여 캐소드가 증착되는 전자 주입층의 표면 상태를 안정화하며 상부 캐소드와의 접합성을 개선한 것이다.
한편, 캐소드로 이용되는 마그네슘(Mg)의 표면 에너지는 0.78 J/m2 이며, 전자 주입층의 재료로서 전자 주입성 금속으로 이용되는 Yb는 0.5 J/m2 이며, 표면 에너지가 큰 금속으로 이용되는 Ag는 1.25 J/m2 이다.
하기 표 5는 전자 주입층 내의 전자 주입성 금속으로 Yb, 표면 에너지가 큰 금속으로 Ag 가 비율을 달리하여 포함되었을 때 각각의 표면 에너지를 나타낸 것이다.
| Yb | Ag | SE (J/m2) | |
| 비율 | 1 | 0.1 | 0.57 |
| 0.7 | 0.3 | 0.73 | |
| 0.6 | 0.4 | 0.80 | |
| 0.5 | 0.5 | 0.88 | |
| 0.3 | 0.7 | 1.03 | |
| 0.1 | 1 | 1.18 |
표 5를 살펴보면, Yb와 가 7:3으로 포함되었을 때, 표면 에너지는 0.73 J/m2 인 것으로 마그네슘의 표면 에너지인 0.78 J/m2 과 오차 범위(0.1 J/m2) 이내인 것으로, 전자 주입층을 Yb와 Ag를 7:3의 비율로 포함시 상부 마그네슘 성분의 캐소드와 거의 동등 범위의 표면 에너지를 갖는다.본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는, 전자 주입층에 포함된 합금을 이루는 금속의 특정 비를 적용하여, 전자 주입층의 표면 에너지가 상부 증착되는 캐소드보다 크거나 동등 수준으로 하여 상부 캐소드의 금속 물질의 증착시 열역학적으로 안정한 시스템을 형성하도록 하부 전자 주입층의 표면을 커버하며, 전자 주입층의 표면을 따라 거칠기가 거의 없는 평탄한 박막을 형성할 수 있다.
도 18a 및 도 18b는 제 6 실험예(Ex6_b)와 제 7 실험예(Ex7_g)의 청색 발광시 시간에 따른 구동 전압 변화와 효율 변화를 나타낸 그래프이며, 도 19a 및 도 19b는 제 6 실험예(Ex6_b)와 제 7 실험예(Ex7_g) 적용시 500시간 경과 후 사진이다.
| 구분 | 전광특성(100℃ 0시간) | 전광특성(100℃ 500시간) | ||||||
| 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | |
| Ex6_b | 7.6 | 100 | 0.143 | 0.044 | 9 | 120 | 0.142 | 0.046 |
| Ex7_g | 7.6 | 100 | 0.142 | 0.044 | 7.8 | 100 | 0.142 | 0.046 |
표 6의 각 실험예는 청색 발광에 대해 평가한 것이다.
제 6 실험예(Ex6_b)에서, 전자 주입층은 전자 주입성 금속의 Yb로 단일로 40Å의 두께로 형성하고, 캐소드는 마그네슘 단일로 100Å의 두께로 형성하였다. 제 7 실험예(Ex7_g)에서, 전자 주입층은 전자 주입성 금속의 Yb와 표면 에너지가 1J/m2 보다 큰 금속의 Ag를 1:1로 포함한 합금을 40Å의 두께로 형성하고, 캐소드는 마그네슘 단일로 100Å의 두께로 형성하였다.
표 6과 같이, 제 6 실험예(Ex6_b)에서 캐소드 두께를 100Å으로 하였을 때, 고온100℃에서 500시간 경과 후 구동 전압 변화가 9V 로 초기 구동 전압보다 1.4V 상승하며, 도 18a 및 도 18b와 같이, 고온 보관 후 구동 전압의 변화가 현저히 심하고, 효율 또한 시간 경과에 따라 변동이 큼을 알 수 있다. 이에 따라, 도 19a와 같이, 고온 보관 후 500시간 경과 후 광학 사진으로 살펴보면 표면에 모래알 불량이 발생됨을 확인할 수 있다.
반면, 표 6 및 도 18a와 도 18와 같이, 제 7 실험예(Ex7_g)는 고온에 500시간 경과 하더라도 구동 전압이나 효율에 변동이 거의 없음을 확인할 수 있다.
또한, 제 7 실험예(Ex7_g)에서는 색좌표 변동성이 없어 발광 소자로부터 나오는 광의 손실이 없고 도 19b와 같이, 고온에서 장시간 보관 후에도 표면 불량이 발생되지 않는 점을 확인할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예로, 전자 주입층을 복수 층 구성한 예에 대해 살펴본다.
도 20은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 20과 같이, 본 발명의 제 6 실시예에 따른 발광 소자는 도 1의 발광부(E) 및 도 3의 제 1 영역에 대응되는 것으로, 도 11의 발광 소자와 비교하여, 전자 주입층(360)은 이층 구조를 갖는 점에서 차이를 갖고 나머지 구성은 동일하며, 동일 부분에 대해 설명을 생략한다.
전자 주입층(360)은 전자 주입성의 단일 금속의 제 1 전자주입층(361)과 전자 주입성의 제 1 금속과 표면 에너지가 1J/m2 보다 큰 제 2 금속의 합금의 제 2 전자 주입층(362)으로 이루어진다.
여기서, 상기 제 2 전자 주입층(362)은 기능적으로 상부에 형성된 캐소드(370)의 증착 접착성을 향상시키기 위해 20Å 이상 30Å 이하로 하며, 제 1 전자 주입층(361)은 내부 유기층(242)으로 전자 주입 효율과 금속 물질의 확산 방지를 위해 10Å 이상 20Å 이하의 두께로 형성한다. 제 1, 제 2 전자 주입층(361, 362)을 합산한 전자 주입층(360)의 전체 두께는 40Å을 넘지 않도록 한다.
본 발명의 제 6 실시예에서, 캐소드(370) 상의 캐핑층(380)은 제 3 및 제 4 실험예에서 설명한 열 팽창 계수가 큰 물질의 예로 금속 불화물로 할 수도 있다. 그러나, 본 발명의 제 6 실시예에서 캐핑층(380)은 금속 불화물에 한정되지 않으며 경우에 따라 유기 캐핑 재료로 하여도 고온 보관시의 모래알 불량을 해소할 수 있다.
이하, 실험을 통해 제 6 실시예에 따른 본 발명의 표시 장치의 효과에 대해 살펴본다.
도 21a 및 도 21b는 제 6 실험예(Ex6_c)와 제 7 실험예(Ex8)의 녹색 발광시 시간에 따른 구동 전압 변화와 효율 변화를 나타낸 그래프이고, 도 22는 제 6 실험예와 제 8 실험예의 0시간, 100시간, 300시간, 500시간 경과 후 광학 사진이다. 또한, 도 23a 및 도 23b는 제 6 실험예의 캐소드 (Yb/Mg) 형성 후와 제 8 실험예의 캐소드 (Yb/AgYb) 형성 후 TEM 사진이다.
| 구분 | 전광특성(100℃ 0시간) | 전광특성(100℃ 500시간) | ||||||||
| 구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | λmax (nm) |
구동전압(V) | 효율(%) | CIEx | CIEy | λmax (nm) |
|
| Ex6_c | 7.1 | 100 | 0.288 | 0.677 | 530 | 7.8 | 96 | 0.293 | 0.671 | 528 |
| Ex8 | 7.2 | 100 | 0.276 | 0.683 | 526 | 7.5 | 101 | 0.277 | 0.682 | 526 |
표 7의 각 실험예는 청색 발광에 대해 평가한 것이다.
제 6 실험예(Ex6)에서, 전자 주입층은 전자 주입성 금속의 Yb로 단일로 40Å의 두께로 형성하고, 캐소드는 마그네슘 단일로 100Å의 두께로 형성하였다. 제 7 실험예(Ex8)에서, 전자 주입층은 전자 주입성 금속의 Yb와 표면 에너지가 1J/m2 보다 큰 금속의 Ag를 1:1로 포함한 합금을 40Å의 두께로 형성하고, 캐소드는 마그네슘 단일로 100Å의 두께로 형성하였다.
표 7과 같이, 제 6 실험예(Ex6)에서 캐소드 두께를 100Å으로 하였을 때, 고온100℃에서 500시간 경과 후 구동 전압 변화가 7.8V 로 초기 구동 전압보다 0.7V 상승하며, 도 21a 및 도 21b와 같이, 고온 보관 후 구동 전압의 변화가 제 8 실험예(Ex9) 대비 크고, 효율 또한 시간 경과에 따라 변동이 큼을 알 수 있다. 이에 따라, 도 22와 같이, 고온 보관 후 500시간 경과 후 광학 사진으로 살펴보면 표면에 모래알 불량이 발생됨을 확인할 수 있다.
반면, 표 6 및 도 21a와 도 21b와 같이, 제 8 실험예(Ex8)는 캐소드 고온에 500시간 경과 하더라도 구동 전압이나 효율에 변동이 거의 없음을 확인할 수 있다.
또한, 제 8 실험예(Ex8)에서는 색좌표 변동성이 없어 발광 소자로부터 나오는 광의 손실이 없고 도 22와 같이, 고온에서 장시간 보관 후에도 표면 불량이 발생되지 않는 점을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명의 표시 장치는 단일 금속으로 반사 투과성을 갖는 캐소드를 투과부 혹은 카메라 대응 영역에서 제거되도록 패터닝되도록 형성함으로써 투과부 또는 카메라 대응 영역의 투과율을 높일 수 있다.
여기서, 패터닝된 캐소드는 재료적으로 일함수가 낮은 금속의 단일 금속으로 형성함으로써, 패터닝되더라도 면저항 작아 캐소드(공통 전극)의 일정한 전위를 유지시킬 수 있다.
또한, 캐소드의 상부에 위치하는 캐핑층은 캐소드에 비해 열팽창 계수가 작은 재료로 구성하여 발광 소자의 광추출과 발광 소자를 보호함과 동시에, 고온 등의 열악한 환경에서도 캐소드와 유사한 인장력을 갖도록 변동되어 캐소드와의 계면에서의 불량 발생이 없어 고온 신뢰성이 우수하다.
그리고, 캐소드 하부에 위치하는 전자 주입층은 캐소드로부터 전자 주입이 용이한 전자 주입성 금속과 표면 에너지가 높은 금속의 합금으로 형성되어, 합금으로 조성된 전자 주입층 전체의 표면 에너지 특성이 캐소드와 동등 수준 이상이다. 이에 따라, 전자 주입층 상에 캐소드가 형성될 때, 전자 주입층 표면에 우수한 계면 특성으로 증착되고, 이에 따라 캐소드를 이루는 금속의 이탈이나 응집 등으로 인한 불량이 발생되지 않아 고온의 환경에도 장시간 표시 장치를 두어도 표면 불량이 발생되지 않는다. 이에 따라 표시 장치의 표면 특성이 우수하며, 구동 전압 및 효율의 경시적 변화가 방지되어 안정적이다.
본 발명의 표시 장치는 화소들에 공통적으로 형성된 캐소드의 하면 및 상면의 계면 안정성을 확보함으로써 궁극적으로 표시면 불량을 방지하고, 또한, 경시적인 안정성을 갖고 또한 고온 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명의 표시 장치는 패터닝된 캐소드를 갖는 구조에 효과적이나 이에 한하지 않는다.
도 1 및 도 3의 발광부 또는 제 1 영역에 단일 금속의 캐소드에 캐소드보다 상대적으로 열 팽창 계수가 낮은 캐핑층을 적용하거나 캐소드 하측에 위치하는 전자 주입층에 캐소드를 이루는 금속보다 높은 전자 주입성의 제 1 금속과 캐소드를 이루는 금속보다 높은 표면애노드 에너지를 갖는 제 2 금속을 포함한 전자 주입층을 적용하여 단일 성분의 금속으로 이루어진 캐소드의 표면 안정성을 꾀하고 수명, 구동 전압, 색좌표, 효율 등의 전광 특성에서 고온 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 표시 장치에서 설명된 전자 주입층과 캐핑층은 어느 하나의 특징을 통해서도 효과가 있고, 모두 적용시에도 효과를 가질 수 있다.
이를 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는, 제 1 영역과 제 2 영역을 갖는 기판과, 상기 제 1 영역에 구비된 애노드와, 상기 제 1 영역의 상기 반사 전극 상부와 상기 제 2 영역에 구비된 유기층과, 상기 제 1 영역과 제 2 영역의 상기 유기층 상에 구비되며, 제 1 금속을 포함한 전자 주입층과, 상기 제 1 영역의 상기 전자 주입층 상에 구비되며, 상기 제 1 금속보다 일함수가 큰 제 2 금속 단일로 이루어지며 반사 투과성을 갖는 캐소드 및 상기 제 1 영역의 상기 캐소드 상부와, 상기 제 2 영역의 전자 주입층 상에 구비된 캐핑층을 포함할 수 있다.
상기 캐핑층은 상기 캐소드보다 열팽창 계수가 클 수 있다.
상기 캐핑층은 금속 불화물을 포함할 수 있다.
상기 금속 불화물은 알칼리 토금속 또는 전이 금속을 포함할 수 있다.
상기 캐소드는 Mg이며, 상기 캐핑층은 YbF3 또는 MgF2 을 포함할 수 있다.
상기 캐핑층은 복수층을 포함하며, 상기 복수층 중 캐소드에 접한 제 1층과 캐소드에서 가장 먼 제 2층은 서로 다른 금속 불화물을 포함할 수 있다.
상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 유기 캐핑층을 포함할 수 있다.
상기 캐핑층 상에 무기 보호막을 더 포함하며, 상기 캐소드, 상기 캐핑층 및 상기 무기 보호막으로 가며 열팽창 계수가 작아질 수 있다.
상기 전자 주입층은 표면 에너지가 1J/m2 이상인 제 3 금속을 더 포함하고, 상기 캐소드는 상기 제 1 금속과 제 3 금속 사이의 표면 에너지를 가질 수 있다.
상기 전자 주입층은, 상기 제 1 금속으로 이루어진 제 1 층과, 상기 제 1 금속과, 표면 에너지가 1J/m2 이상인 제 3 금속의 합금의 제 2 층으로 이루어지며, 상기 제 2층이 상기 캐소드와 접할 수 있다.
상기 전자 주입층에서 상기 제 3 금속은 30vol% 내지 70vol% 포함될 수 있다.
상기 전자 주입층의 두께는 20Å 내지 40Å일 수 있다.
상기 제 1 금속은 Yb, Ba, Ca 및 Sr 중 적어도 어느 하나이며, 상기 제 3 금속은 Ag, Al 및 Au 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전자 주입층은 상기 캐소드와 동등 수준이거나 큰 표면 에너지를 가질 수 있다.
상기 캐소드는 일함수 4eV 이하이며, 표면 에너지가 1J/m2 미만이고, 두께는 50Å 내지 140Å일 수 있다.
상기 제 2 영역에 대응하여 상기 기판 하부에 카메라가 구비될 수 있다.
상기 제 1 영역에 대응하여, 상기 캐핑층 상에 컬러 필터층을 더 포함할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 본 발명의 발광부와 투과부를 갖는 기판과, 상기 발광부에 구비된 애노드와, 상기 발광부의 상기 애노드 상부와 상기 투과부에 구비된 유기층과, 상기 유기층 상에 구비되며, 전자 주입성의 제 1 금속과 표면 에너지가 1J/m2 이상의 제 2 금속의 합금을 포함하는 포함한 전자 주입층과, 상기 발광부의 상기 전자 주입층 상에 구비되며, 상기 제 1 금속과 제 2 금속 사이의 일함수를 갖는 단일 금속으로 이루어지며 반사 투과성을 갖는 캐소드 및 상기 캐소드 상부에 구비되며, 상기 캐소드보다 열팽창 계수가 작은 캐핑층을 포함할 수 있다.
상기 캐핑층은 알칼리 토금속 또는 전이 금속을 포함한 금속 불화물일 수 있다.
상기 캐핑층 상에 무기 보호막을 더 포함하며, 상기 무기 보호막은 상기 캐핑층보다 열팽창 계수가 작을 수 있다.
상기 제 2 금속은 상기 전자 주입층에 30vol% 내지 70vol%로 포함될 수 있다.
상기 캐소드를 이루는 단일 금속은 상기 제 2 금속보다 일함수가 작은 금속일 수 있다.
상기 캐핑층은 복수층을 포함하며, 상기 복수층 중 캐소드에 접한 제 1층과 캐소드에서 가장 먼 제 2층은 서로 다른 금속 불화물을 포함할 수 있다.
상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 유기 캐핑층을 포함할 수 있다.
상기 전자 주입층은, 상기 제 1 금속으로 이루어진 제 1 층과, 상기 제 1 금속과, 상기 제 2 금속의 합금의 제 2 층으로 이루어지며, 상기 제 2층이 상기 캐소드와 접할 수 있다.
상기 전자 주입층에서 상기 제 3 금속은 30vol% 내지 70vol% 포함될 수 있다.
상기 전자 주입층의 제 1금속은 Yb, Ba, Ca 및 Sr 중 적어도 어느 하나이며, 상기 제 2 금속은 Ag, Al 및 Au 중 적어도 어느 하나이며, 상기 캐소드는 Mg이며, 상기 캐핑층은 알칼리 토금속 또는 전이 금속을 포함할 수 있다.
상기 전자 주입층 및 상기 캐핑층은 상기 캐소드에 비해 상기 투과부에 더 구비될 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 TFT: 박막 트랜지스터
120: 애노드 130: 뱅크
150: 발광층 160: 전자 주입층
170: 캐소드 180: 캐핑층
190: 봉지 구조 200: 커버층
210: 컬러 필터
120: 애노드 130: 뱅크
150: 발광층 160: 전자 주입층
170: 캐소드 180: 캐핑층
190: 봉지 구조 200: 커버층
210: 컬러 필터
Claims (28)
- 제 1 영역과 제 2 영역을 갖는 기판;
상기 제 1 영역에 구비된 애노드;
상기 제 1 영역의 상기 애노드 상부와 상기 제 2 영역에 구비된 유기층;
상기 제 1 영역과 제 2 영역의 상기 유기층 상에 구비되며, 제 1 금속을 포함한 전자 주입층;
상기 제 1 영역의 상기 전자 주입층 상에 구비되며, 상기 제 1 금속보다 일함수가 큰 제 2 금속 단일로 이루어진 캐소드; 및
상기 제 1 영역의 상기 캐소드 상부와, 상기 제 2 영역의 전자 주입층 상에 구비된 캐핑층을 포함한 표시 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 캐핑층은 상기 캐소드보다 열팽창 계수가 큰 표시 장치. - 제 2항에 있어서,
상기 캐핑층은 금속 불화물을 포함하는 표시 장치. - 제 3항에 있어서,
상기 금속 불화물은 알칼리 토금속 또는 전이 금속을 포함하는 표시 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 캐소드는 Mg이며,
상기 캐핑층은 YbF3 또는 MgF2 을 포함한 표시 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 캐핑층은 복수층을 포함하며,
상기 복수층 중 상기 캐소드에 접한 제 1층과 상기 캐소드에서 가장 먼 제 2층은 서로 다른 금속 불화물을 포함하는 표시 장치. - 제 6항에 있어서,
상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 유기 캐핑층을 포함하는 표시 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 캐핑층 상에 무기 보호막을 더 포함하며,
상기 캐소드, 상기 캐핑층 및 상기 무기 보호막으로 가며 열팽창 계수가 작아지는 표시 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 전자 주입층은 표면 에너지가 1J/m2 이상인 제 3 금속을 더 포함하고,
상기 캐소드는 반사 투과성을 갖고, 상기 제 1 금속과 제 3 금속 사이의 표면 에너지를 갖는 표시 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 전자 주입층은,
상기 제 1 금속으로 이루어진 제 1 층과,
상기 제 1 금속과, 표면 에너지가 1J/m2 이상인 제 3 금속의 합금의 제 2 층으로 이루어지며,
상기 제 2층이 상기 캐소드와 접한 표시 장치. - 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
상기 전자 주입층에서 상기 제 3 금속은 30vol% 내지 70vol% 포함된 표시 장치. - 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
상기 전자 주입층의 두께는 20Å 내지 40Å인 표시 장치. - 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
상기 제 1 금속은 Yb, Ba, Ca 및 Sr 중 적어도 어느 하나이며,
상기 제 3 금속은 Ag, Al 및 Au 중 적어도 어느 하나를 포함한 표시 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 전자 주입층은 상기 캐소드와 동등 수준이거나 큰 표면 에너지를 갖는 표시 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 캐소드는 일함수 4eV 이하이며, 표면 에너지가 1J/m2 미만이고,
두께는 50Å 내지 140Å인 표시 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제 2 영역에 대응하여 상기 기판 하부에 카메라가 구비된 표시 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 영역에 대응하여, 상기 캐핑층 상에 컬러 필터층을 더 포함한 표시 장치. - 발광부와 투과부를 갖는 기판;
상기 발광부에 구비된 애노드;
상기 발광부의 상기 애노드 상부와 상기 투과부에 구비된 유기층;
상기 유기층 상에 구비되며, 전자 주입성의 제 1 금속과 표면 에너지가 1J/m2 이상의 제 2 금속의 합금을 포함하는 포함한 전자 주입층;
상기 발광부의 상기 전자 주입층 상에 구비되며, 상기 제 1 금속과 제 2 금속 사이의 일함수를 갖는 단일 금속으로 이루어진 캐소드; 및
상기 캐소드 상부에 구비되며, 상기 캐소드보다 열팽창 계수가 작은 캐핑층을 포함한 표시 장치. - 제 18항에 있어서,
상기 캐핑층은 알칼리 토금속 또는 전이 금속을 포함한 금속 불화물인 표시 장치. - 제 18항에 있어서,
상기 캐핑층 상에 무기 보호막을 더 포함하며,
상기 무기 보호막은 상기 캐핑층보다 열팽창 계수가 작은 표시 장치. - 제 18항에 있어서,
상기 제 2 금속은 상기 전자 주입층에 30vol% 내지 70vol%로 포함된 표시 장치. - 제 18항에 있어서,
상기 캐소드를 이루는 단일 금속은 상기 제 2 금속보다 일함수가 작은 금속이며, 반사 투과성을 갖는 표시 장치. - 제 18항에 있어서,
상기 캐핑층은 복수층을 포함하며,
상기 복수층 중 상기 캐소드에 접한 제 1층과 캐소드에서 가장 먼 제 2층은 서로 다른 금속 불화물을 포함하는 표시 장치. - 제 23항에 있어서,
상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 유기 캐핑층을 포함하는 표시 장치. - 제 18항에 있어서,
상기 전자 주입층은,
상기 제 1 금속으로 이루어진 제 1 층과,
상기 제 1 금속과, 상기 제 2 금속의 합금의 제 2 층으로 이루어지며,
상기 제 2층이 상기 캐소드와 접한 표시 장치. - 제 18항에 있어서,
상기 전자 주입층에서 상기 제 3 금속은 30vol% 내지 70vol% 포함된 표시 장치. - 제 18항에 있어서,
상기 전자 주입층의 제 1금속은 Yb, Ba, Ca 및 Sr 중 적어도 어느 하나이며, 상기 제 2 금속은 Ag, Al 및 Au 중 적어도 어느 하나이며,
상기 캐소드는 Mg인 표시 장치. - 제 18항에 있어서,
상기 전자 주입층 및 상기 캐핑층은 상기 캐소드에 비해 상기 투과부에 더 구비된 표시 장치.
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