KR20230092605A - 유기발광다이오드 및 이를 포함하는 유기발광장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2개의 전극 사이에 제 1 화합물 및 인광 물질인 제 2 화합물을 포함하는 제 1 발광물질층과, 삼중항-삼중항-소멸이 가능한 제 3 화합물 및 제 4 화합물을 포함하는 제 2 발광물질층을 포함하는 적어도 하나의 발광물질층을 가지는 유기발광다이오드 및 유기발광장치에 관한 것이다. 여기 단일항 및/또는 여기 삼중항 에너지 준위, 발광 피크의 세기 및 4반치전폭이 조절된 발광 물질들을 발광물질층에 적용하여, 유기발광다이오드의 구동 전압을 낮추고, 발광 효율, 청색 지수 및 발광 수명을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 유기발광다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 색순도와 발광 수명이 향상된 유기발광다이오드 및 이를 포함하는 유기발광장치에 관한 것이다.
평면표시소자 중의 하나인 유기발광다이오드는 액정표시장치(Liquid Crystal Display Device)를 빠르게 대체하는 발광 소자로서 주목을 받고 있다. 유기발광다이오드(organic light emitting diodes; OLED)는 2000 Å 이내의 얇은 유기 박막으로 형성되고, 사용되는 전극의 구성에 따라 단일 방향 또는 양방향으로의 화상을 구현할 수 있다. 또한 유기발광다이오드는 플라스틱과 같은 플렉서블(flexible) 투명 기판 위에도 소자를 형성할 수 있어서 플렉서블 또는 폴더블(foldable) 표시장치를 구현하기 용이하다. 뿐만 아니라, 유기발광다이오드 표시장치는 낮은 전압에서 구동이 가능하고, 색 순도가 우수하여, 액정표시장치에 비하여 큰 장점을 가지고 있다.
유기발광다이오드는 양극에서 주입된 정공(hole)과 음극에서 주입된 전자(electron)가 발광물질층에서 결합하여 엑시톤을 형성하여 불안정한 에너지 상태(excited state)로 되었다가, 안정한 바닥 상태(ground state)로 돌아오며 빛을 방출한다. 일반적인 형광 물질은 단일항 엑시톤만이 발광에 참여하기 때문에 발광 효율이 낮다. 삼중항 엑시톤도 발광에 참여하는 인광 물질은 형광 물질에 비하여 발광 효율이 높다.
하지만, 대표적인 인광 물질인 금속 착화합물은 발광 수명이 짧아서 상용화에 한계가 있다. 특히, 청색 형광 물질에 비하여 삼중항 lifetime이 긴 청색 인광 물질은 삼중항 에너지가 증가함에 따라 발광 수명이 감소한다. 따라서, 진청색 발광을 유도하기 위하여 삼중항 에너지가 높은 청색 인광 물질은 발광 수명이 급속하게 감속하는 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 깊은 청색 발광을 유도하여 높은 색순도를 가지면서도 발광 수명을 향상시킬 수 있는 유기발광다이오드 및 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치를 제공하고자 하는 것이다.
일 측면에 따르면, 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극; 및 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하며, 적어도 하나의 발광물질층을 포함하는 발광층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 발광물질층은 제 1 발광물질층과, 상기 제 1 발광물질층에 인접하게 위치하는 제 2 발광물질층을 포함하고, 상기 제 1 발광물질층은 하기 화학식 1의 구조를 가지는 제 1 화합물과, 하기 화학식 3의 구조를 가지는 제 2 화합물을 포함하고, 상기 제 2 발광물질층은 하기 화학식 5의 구조를 가지는 제 3 화합물과, 하기 화학식 7의 구조를 가지는 제 4 화합물을 포함하는 유기발광다이오드가 개시된다.
화학식 1
화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 카바졸일기 또는 카볼리닐기이며, 상기 카바졸일기 및 상기 카볼리닐기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 적어도 하나의 Q1으로 치환될 수 있음; R3는 수소 원자, 시아노기, C1-C10 알킬기, C6-C30 아릴기 및 C3-C30 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨; Z는 질소 원자 또는 CH임; L1 및 L2는 각각 독립적으로 직접 결합, C6-C30 아릴렌기 또는 C3-C20 헤테로 아릴렌기이며, 상기 C6-C30 아릴렌기 및 상기 C3-C30 헤테로 아릴렌기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, C1-C10 알킬기로 치환될 수 있음; Q1은 시아노기, C6-C20 아릴기 또는 C3-C20 헤테로 아릴기임.
화학식 3
화학식 3에서, R11 내지 R14는 각각 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 시아노기, C1-C20 알킬기, C1-C20 알킬 아미노기, C6-C30 아릴기, C3-C30 헤테로 아릴기 및 아다만틸기로 구성되는 군에서 선택되며; 상기 C6-C30 아릴기, 상기 C3-C30 헤테로 아릴기 및 상기 아다만틸기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 적어도 하나의 Q2로 치환될 수 있음; Q2는 C1-C10 알킬기, C6-C20 아릴기 및 C3-C30 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨.
화학식 5
화학식 5에서, R21 및 R22는 각각 독립적으로 수소 원자, C1-C20 알킬기, C6-C30 아릴기 또는 C3-C30 헤테로 아릴기이며, 상기 C6-C30 아릴기 및 상기 C3-C30 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, 적어도 하나의 Q3로 치환될 수 있음; R23 및 R24는 각각 C6-C30 아릴기 또는 C3-C30 헤테로 아릴기이며, 상기 C6-C30 아릴기 및 상기 C3-C30 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, 적어도 하나의 Q3로 치환될 수 있음; Q3는 C6-C20 아릴기 및 C3-C20 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨.
화학식 7
화학식 7에서, R31 내지 R35는 각각 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 시아노기, C1-C20 알킬기, C6-C30 아릴기, C3-C20 헤테로 아릴기 또는 C6-C30 아릴 아미노기이며, 상기 C6-C30 아릴기, C3-C20 헤테로 아릴기 및 C6-C30 아릴 아미노기를 구성하는 방향족 고리는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 적어도 하나의 Q4로 치환될 수 있음; m이 복수인 경우, 각각의 R34는 동일하거나 상이할 수 있고, n이 복수인 경우, 각각의 R35는 동일하거나 상이할 수 있음; m과 n은 치환기의 개수로서 각각 독립적으로 0 내지 5의 정수임; Q4는 C1-C20 알킬기, C6-C20 아릴기 및 C3-C20 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨.
상기 제 2 발광물질층은 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치할 수 있다.
상기 제 1 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위는 상기 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위보다 높고, 상기 제 4 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위는 상기 제 3 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위보다 높을 수 있다.
상기 제 3 화합물의 여기 단일항 에너지 준위는 상기 제 4 화합물의 여기 단일항 에너지 준위보다 높고, 상기 제 4 화합물의 여기 단일항 에너지 준위는 상기 제 3 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위보다 높을 수 있다.
상기 제 2 화합물의 발광(photolumiescnce) 스펙트럼에서 최대 발광 피크의 세기에 대한 2번째 발광 피크의 세기의 비율은 0.20 이상 0.65 이하일 수 있다.
상기 제 4 화합물의 4반치전폭(full with at quarter maximum, FWQM)은 상기 제 2 화합물의 4반치전복보다 좁을 수 있다.
선택적으로, 상기 발광층은 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 제 1 발광부와, 상기 제 1 발광부와 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 2 발광부와, 상기 제 1 및 제 2 발광부 사이에 위치하는 제 1 전하생성층을 포함하고, 상기 제 1 발광부와 상기 제 2 발광부 중에서 적어도 하나는 상기 발광물질층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 발광부는 상기 발광물질층을 포함하고, 상기 제 2 발광부는 청색 형광 발광물질층, 청색 인광 발광물질층, 청색 지연 형광 발광물질층 또는 상기 발광물질층을 포함할 수 있다.
상기 발광층은, 상기 제 2 발광부와 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 3 발광부와, 상기 제 2 발광부와 상기 제 3 발광부 사이에 위치하는 제 2 전하생성층을 더욱 포함할 수 있다.
이때, 상기 제 1 발광부와 상기 제 3 발광부 중에서 적어도 하나는 상기 발광물질층을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 기판; 및 전술한 유기발발광다이오드를 포함하는 유기발광장치, 예를 들어 유기발광 조명장치 또는 유기발광표시장치가 개시된다.
본 발명은 청색 인광 물질을 포함하는 제 1 발광물질층과, 삼중항-삼중항-소멸을 구현할 수 있도록 설계된 제 2 발광물질층을 포함하는 유기발광다이오드 및 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치를 제안한다.
발광 효율이 우수한 인광 물질을 포함하는 제 1 발광물질층에서 생성된 삼중항 엑시톤 에너지의 일부는 제 2 화합물에서 인광 발광을 유도하고, 삼중항 엑시톤의 일부는 덱스터(Dexter) 메커니즘을 통하여 삼중항-삼중항 소멸을 구현하는 인접한 제 2 발광물질층으로 전달된다. 제 2 발광물질층으로 전달된 삼중항 엑시톤 에너지는 제 3 화합물에서 삼중항-삼중항-소멸 메커니즘을 통하여 제 4 화합물의 단일항 엑시톤을 형성하며, 최종적으로 제 4 화합물에서 형광 발광을 구현한다.
인광 물질에서 생성된 고에너지 삼중항 엑시톤을 형광 발광층으로 분산시킴으로써, 인광 발광물질층의 삼중항 엑시톤의 농도를 감소시킨다. 이에 따라 유기발광다이오드의 구동 안정성이 향상될 있다. 형광 물질은 깊은 청색으로 발광하며 색순도 및 발광 수명이 우수하다. 따라서, 본 발명의 발광물질층을 적용하여, 깊은 청색으로 발광하면서도 색순도 및 발광 수명을 극대화할 수 있는 유기발광다이오드 및 유기발광장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유기발광표시장치의 개략적인 회로도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 유기발광장치의 일례로서 유기발광표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유기발광다이오드를 구성하는 발광물질층에서 발광 물질 사이의 단일항 에너지 준위 및 삼중항 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 유기발광다이오드를 구성하는 발광물질층에서 인광 물질과 형광 물질의 발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼에서 최대 발광 피크 및 제 2 발광 피크 및 4반치전폭(FWQM)을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따른 유기발광장치의 일례로서 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따른 유기발광장치의 일례로서 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 예시적인 제 4 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 예시적인 제 5 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 12 및 도 13은 각각 본 발명의 예시적인 실시예에서 사용된 인광 물질과 형광 물질의 발광 스펙트럼을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 14 및 도 15는 각각 본 발명의 예시적인 실시예에서 사용된 발광 물질의 발광 스펙트럼과, 유기발광다이오드의 전계 발광(electro-luminescence, EL) 스펙트럼을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 16 내지 도 19는 각각 비교예에서 사용된 발광 물질의 발광 스펙트럼과, 유기발광다이오드의 EL 스펙트럼을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 유기발광장치의 일례로서 유기발광표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유기발광다이오드를 구성하는 발광물질층에서 발광 물질 사이의 단일항 에너지 준위 및 삼중항 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 유기발광다이오드를 구성하는 발광물질층에서 인광 물질과 형광 물질의 발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼에서 최대 발광 피크 및 제 2 발광 피크 및 4반치전폭(FWQM)을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따른 유기발광장치의 일례로서 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따른 유기발광장치의 일례로서 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 예시적인 제 4 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 예시적인 제 5 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 12 및 도 13은 각각 본 발명의 예시적인 실시예에서 사용된 인광 물질과 형광 물질의 발광 스펙트럼을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 14 및 도 15는 각각 본 발명의 예시적인 실시예에서 사용된 발광 물질의 발광 스펙트럼과, 유기발광다이오드의 전계 발광(electro-luminescence, EL) 스펙트럼을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 16 내지 도 19는 각각 비교예에서 사용된 발광 물질의 발광 스펙트럼과, 유기발광다이오드의 EL 스펙트럼을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 필요한 경우에 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 설명한다.
[유기발광장치 및 유기발광다이오드]
본 발명은 인광 물질을 포함하는 발광물질층에 인접하여 삼중항-삼중항-소멸을 구현할 수 있는 다른 발광물질층을 적층한 유기발광다이오드 및 상기 유기발광다이오드를 포함하는 유기발광장치에 대한 것이다. 본 발명에 따른 유기발광다이오드는 유기발광표시장치 또는 유기발광조명 장치 등의 유기발광장치에 적용될 수 있다. 일례로, 본 발명의 유기발광다이오드를 적용한 표시장치에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 유기발광표시장치의 개략적인 회로도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 유기발광표시장치에는, 서로 교차하여 화소영역(P)을 정의하는 게이트 배선(GL)과, 데이터 배선(DL) 및 파워 배선(PL)이 형성된다. 화소영역(P)에는, 스위칭 박막트랜지스터(Ts), 구동 박막트랜지스터(Td), 스토리지 커패시터(Cst) 및 유기발광다이오드(D)가 형성된다. 화소영역(P)은 제 1 화소영역(P1, 도 15 참조), 제 2 화소영역(P2, 도 15 참조) 및 제 3 화소영역(도 15 참조)을 포함할 수 있다.
스위칭 박막트랜지스터(Ts)는 게이트 배선(GL) 및 데이터 배선(DL)에 연결되고, 구동 박막트랜지스터(Td) 및 스토리지 커패시터(Cst)는 스위칭 박막트랜지스터(Ts)와 파워 배선(PL) 사이에 연결된다. 유기발광다이오드(D)는 구동 박막트랜지스터(Td)에 연결된다. 이러한 유기발광 표시장치에서는, 게이트 배선(GL)에 인가된 게이트 신호에 따라 스위칭 박막트랜지스터(Ts)가 턴-온(turn-on) 되면, 데이터 배선(DL)에 인가된 데이터 신호가 스위칭 박막트랜지스터(Ts)를 통해 구동 박막트랜지스터(Td)의 게이트 전극과 스토리지 커패시터(Cst)의 일 전극에 인가된다.
구동 박막트랜지스터(Td)는 게이트 전극에 인가된 데이터 신호에 따라 턴-온 되며, 그 결과 데이터 신호에 비례하는 전류가 파워 배선(PL)으로부터 구동 박막트랜지스터(Td)를 통하여 유기발광다이오드(D)로 흐르게 되고, 유기발광다이오드(D)는 구동 박막트랜지스터(Td)를 통하여 흐르는 전류에 비례하는 휘도로 발광한다. 이때, 스토리지 커패시터(Cst)에는 데이터 신호에 비례하는 전압으로 충전되어, 일 프레임(frame) 동안 구동 박막트랜지스터(Td)의 게이트 전극의 전압이 일정하게 유지되도록 한다. 따라서, 유기발광 표시장치는 원하는 영상을 표시할 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 유기발광표시장치(100)는 기판(110)과, 기판(110) 상부에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)와, 평탄화층(150) 상에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 유기발광다이오드(D)를 포함한다.
기판(110)은 유리 기판, 얇은 플렉서블(flexible) 기판 또는 고분자 플라스틱 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블 기판은 polyimide(PI), polyethersulfone(PES), polyethylenenaphthalate(PEN), polyethylene Terephthalate(PET) 및 polycarbonate(PC) 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다. 그 상부에 박막트랜지스터(Tr)와, 유기발광다이오드(D)가 위치하는 기판(110)은 어레이 기판을 이룬다.
기판(110) 상에 버퍼층(122)이 형성되고, 버퍼층(122) 상에 박막트랜지스터(Tr)가 형성된다. 버퍼층(122)은 생략될 수 있다.
버퍼층(122) 상부에 반도체층(120)이 형성된다. 예를 들어, 반도체층(120)은 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 반도체층(120)이 산화물 반도체 물질로 이루어지는 경우, 반도체층(120) 하부에 차광패턴(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 차광패턴은 반도체층(120)으로 빛이 입사되는 것을 방지하여 반도체층(120)이 빛에 의하여 열화되는 것을 방지한다. 선택적으로, 반도체층(120)은 다결정 실리콘으로 이루어질 수도 있으며, 이 경우 반도체층(120)의 양 가장자리에 불순물이 도핑될 수 있다.
반도체층(120)의 상부에는 절연 물질로 이루어진 게이트 절연막(124)이 기판(110) 전면에 형성된다. 게이트 절연막(124)은 실리콘산화물(SiOx) 또는 실리콘질화물(SiNx)과 같은 무기 절연 물질로 이루어질 수 있다.
게이트 절연막(124) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 게이트 전극(130)이 반도체층(120)의 중앙에 대응하여 형성된다. 도 2에서 게이트 절연막(122)은 기판(110) 전면에 형성되어 있으나, 게이트 절연막(1202은 게이트 전극(130)과 동일한 모양으로 패터닝 될 수도 있다.
게이트 전극(130) 상부에는 절연 물질로 이루어진 층간 절연막(132)이 기판(110) 전면에 형성된다. 층간 절연막(132)은 실리콘산화물(SiOx) 또는 실리콘질화물(SiNx)과 같은 무기 절연 물질로 형성되거나, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene)이나 포토 아크릴(photo-acryl)과 같은 유기 절연 물질로 형성될 수 있다.
층간 절연막(132)은 반도체층(120)의 양측 상면을 노출하는 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)을 갖는다. 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)은 게이트 전극(130)의 양측에서 게이트 전극(130)과 이격되어 위치한다. 여기서, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)은 게이트 절연막(122) 내에도 형성될 수 있다. 선택적으로, 게이트 절연막(122)이 게이트 전극(130)과 동일한 모양으로 패터닝 될 경우, 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)은 층간 절연막(132) 내에만 형성된다.
층간 절연막(132) 상부에는 금속과 같은 도전성 물질로 이루어진 소스 전극(144)과 드레인 전극(146)이 형성된다. 소스 전극(144)과 드레인 전극(146)은 게이트 전극(130)을 중심으로 이격되어 위치하며, 각각 제 1 및 제 2 반도체층 컨택홀(134, 136)을 통해 반도체층(120)의 양측과 접촉한다.
반도체층(120), 게이트 전극(130), 소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)은 박막트랜지스터(Tr)를 이루며, 박막트랜지스터(Tr)는 구동 소자(driving element)로 기능한다. 도 2에 예시된 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층(120)의 상부에 게이트 전극(130), 소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)이 위치하는 코플라나(coplanar) 구조를 가진다. 이와 달리, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층의 하부에 게이트 전극이 위치하고, 반도체층의 상부에 소스 전극과 드레인 전극이 위치하는 역 스태거드(inverted staggered) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 반도체층은 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.
도 2에 도시하지 않았으나, 게이트 배선(GL, 도 1 참조)과 데이터 배선(DL, 도 1 참조)이 서로 교차하여 화소영역(P, 도 1 참조)을 정의하며, 게이트 배선(GL)과 데이터 배선에(DL)에 연결되는 스위칭 소자(Ts, 도 1 참조)가 더 형성된다. 스위칭 소자(Ts)는 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)에 연결된다. 또한, 파워 배선(PL, 도 1 참조)이 데이터 배선(DL)과 평행하게 이격되어 형성되며, 일 프레임(frame) 동안 구동 소자인 박막트랜지스터(Tr)의 게이트 전극의 전압을 일정하게 유지되도록 하기 위한 스토리지 커패시터(Cst, 도 1 참조)가 더 구성될 수 있다.
소스 전극(144)과 드레인 전극(146) 상부에는 평탄화층(150)이 기판(110) 전면에 형성된다. 평탄화층(150)은 상면이 평탄하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(146)을 노출하는 드레인 컨택홀(152)을 갖는다. 여기서, 드레인 컨택홀(152)은 제 2 반도체층 컨택홀(136) 바로 위에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 제 2 반도체층 컨택홀(136)과 이격되어 형성될 수도 있다.
유기발광다이오드(D)는 평탄화층(150) 상에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(146)에 연결되는 제 1 전극(210)과, 제 1 전극(210) 상에 순차 적층되는 발광층(220) 및 제 2 전극(230)을 포함한다.
1 전극(210)은 각각의 화소영역 별로 분리되어 형성된다. 제 1 전극(210)은 양극(anode)일 수 있으며, 일함수(work function) 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로 이루어질 수 있다.
예시적인 측면에서, 본 발명의 유기발광표시장치(100)가 하부 발광 방식(bottom-emission type)인 경우, 제 1 전극(210)은 투명 도전성 산화물로 이루어진 단층 구조를 가질 수 있다. 선택적인 측면에서, 본 발명의 유기발광표시장치(100)가 상부 발광 방식(top-emission type)인 경우, 제 1 전극(210) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 반사전극 또는 상기 반사층은 은(Ag) 또는 알루미늄-팔라듐-구리(aluminum-palladium-copper: APC) 합금으로 이루어질 수 있다. 상부 발광 방식인 유기발광다이오드(D)에서, 제 1 전극(210)은 ITO/Ag/ITO 또는 ITO/APC/ITO의 삼중층 구조를 가질 수 있다. 또한, 평탄화층(150) 상에는 제 1 전극(210)의 가장자리를 덮는 뱅크층(160)이 형성된다. 뱅크층(160)은 화소 영역에 대응하여 제 1 전극(210)의 중앙을 노출한다.
제 1 전극(210) 상에는 발광층(220)이 형성된다. 하나의 예시적인 측면에서, 발광층(220)은 발광물질층(emitting material layer; EML)의 단층 구조를 가질 수 있다. 선택적인 측면에서, 발광층(220)은 발광물질층과 제 1 전극(210) 사이에 순차적으로 적층되는 정공주입층(hole injection layer; HIL), 정공수송층(hole transport layer; HTL) 및/또는 전자차단층(electron blocking layer; EBL)과, 발광물질층과 제 2 전극(230) 사이에 순차적으로 적층되는 정공차단층(hole blocking layer; HBL), 전자수송층(electron transport layer; ETL) 및/또는 전자주입층(electron injection layer; EIL)을 포함할 수 있다(도 3 및 도 6 참조). 또한 발광층(220)을 구성하는 발광부는 1개로 이루어질 수도 있고(도 3 참조), 2개 이상의 발광부가 탠덤 구조를 형성할 수도 있다(도 6 참조).
발광층(220)이 형성된 기판(110) 상부로 제 2 전극(230)이 형성된다. 제 2 전극(230)은 표시 영역의 전면에 위치하며 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어져 음극(cathode)으로 이용될 수 있다. 유기발광표시장치(100)가 상부 발광 방식인 경우, 제 2 전극(230)은 얇은 두께를 가져 광투과(반투과) 특성을 갖는다.
제 2 전극(230) 상에는, 외부 수분이 유기발광다이오드(D)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 인캡슐레이션 필름(encapsulation film, 170)이 형성된다. 인캡슐레이션 필름(170)은 제 1 무기 절연층(172)과, 유기 절연층(174)과, 제 2 무기 절연층(176)의 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
유기발광표시장치(100)는 외부광의 반사를 줄이기 위한 편광판(도시하지 않음)을 더욱 포함할 수 있다. 예를 들어, 편광판(도시하지 않음)은 원형 편광판일 수 있다. 유기발광표시장치(100)가 하부 발광 방식인 경우, 편광판은 기판(110) 하부에 위치할 수 있다. 한편, 유기발광표시장치(100)가 상부 발광 방식인 경우, 편광판은 인캡슐레이션 필름(170) 상부에 위치할 수 있다. 또한, 상부 발광 방식의 유기발광표시장치(100)에서는, 인캡슐레이션 필름(170) 또는 편광판(도시하지 않음) 상에 커버 윈도우(도시하지 않음)가 부착될 수 있다. 이때, 기판(110)과 커버 윈도우(도시하지 않음)가 플렉서블 소재로 이루어진 경우, 플렉서블 표시장치를 구성할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광장치에 적용될 수 있는 유기발광다이오드에 대해서 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 3에 나타내 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(D1)는 서로 마주하는 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(230)과, 제 1 및 제 2 전극(210, 230) 사이에 위치하는 발광층(220)을 포함한다. 유기발광표시장치(100, 도 2 참조)는 적색 화소영역, 녹색 화소영역, 청색 화소영역을 포함하고, 유기발광다이오드(D1)는 청색 화소영역에 위치할 수 있다.
예시적인 측면에서, 발광층(230)은 제 1 및 제 2 전극(210, 230) 사이에 위치하는 발광물질층(EML, 240)을 포함한다. 또한, 발광층(220)은 제 1 전극(210)과 발광물질층(240) 사이에 위치하는 정공수송층(HTL, 260)과, 발광물질층(240)과 제 2 전극(230) 위치하는 전자수송층(ETL, 270) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 아울러, 발광층(220)은 제 1 전극(210)과 정공수송층(260) 사이에 위치하는 정공주입층(HIL, 250)과, 전자수송층(270)과 제 2 전극(230) 사이에 위치하는 전자주입층(EIL, 280) 중 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다. 선택적으로, 유기발광다이오드(D1)는 발광물질층(240)과 정공수송층(260) 사이에 위치하는 전자차단층(EBL, 265) 및/또는 발광물질층(240)과 전자수송층(270) 사이에 배치되는 정공차단층(HBL, 275)을 포함할 수 있다.
제 1 전극(210)은 발광물질층(240)에 정공을 공급하는 양극일 수 있다. 제 1 전극(210)은 일함수(work function) 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(TCO)로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제 1 전극(210)은 인듐-주석-산화물 (indium-tin-oxide; ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide; IZO), 인듐-주석-아연-산화물(indium-tin-zinc oxide; ITZO), 주석산화물(SnO), 아연산화물(ZnO), 인듐-구리-산화물(indium-copper-oxide; ICO) 및 알루미늄:산화아연(Al:ZnO; AZO)으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제 2 전극(230)은 발광물질층(240)에 전자를 공급하는 음극일 수 있다. 제 2 전극(230)은 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극(230)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 은(Ag), 또는 이들의 합금이나 조합과 같은 반사 특성이 좋은 소재로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
발광물질층(240)은 전자차단층(265)과 정공차단층(275) 사이에 위치하는 제 1 발광물질층(242)과, 제 1 발광물질층(242)에 인접하게 위치하는 제 2 발광물질층(244)을 포함한다. 제 1 발광물질층(242)은 인광 발광을 구현하고, 제 2 발광물질층은 삼중항-삼중항 소멸(triplet-triplet-annihilation, TTA)을 구현한다.
정공과 전자가 만나 엑시톤을 형성할 때, 스핀의 배열에 따라 짝스핀(paired spin) 형태인 단일항 엑시톤(singlet exciton)과 홀스핀(unpaired spin) 형태인 삼중항 엑시톤(triplet exciton)이 1:3의 비율로 생성된다. 종래의 형광 물질은 단일할 엑시톤만을 활용할 수 있기 때문에, 발광 효율이 낮다. 인광 물질은 단일항 엑시톤 이외에도 삼중항 엑시톤을 모두 활용할 수 있지만, 발광 수명이 짧아 상용화 수준에 미치지 못하고 있다. 본 발명에 따르면, 인광 발광을 구현하는 제 1 발광물질층(242)과 TTA를 구현하는 제 2 발광물질층(244)을 도입하여, 깊은 청색(deep blue)을 구현하여 색순도를 개선하고, 발광 수명을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 유기발광표시장치(100, 도 2 참조)가 상부 발광 타입인 경우, 제 1 및 제 2 발광물질층(242, 244)에 포함된 발광 물질 중에서 상대적으로 단파장 대역에서 최대 발광 피크를 가지는 발광 물질을 포함하는 발광물질층이 양극으로 기능하는 제 2 전극(230)에 가까운 쪽에 위치할 수 있다. 이 경우, cavity 효과를 극대화하여, 유기발광다이오드(D1)의 발광 특성을 극대화할 수 있다. 예시적인 측면에서, 형광 물질을 포함하는 제 2 발광물질층(244)은 제 1 발광물질층(242)와 정공차단층(275) 사이에 위치할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제 1 발광물질층(242)은 제 1 호스트인 제 1 화합물과 인광 물질인 제 2 화합물을 포함한다. 제 2 발광물질층(244)은 제 2 호스트인 제 3 화합물과 형광 물질인 제 4 화합물을 포함한다. 제 1 화합물은 인광 호스트일 수 있으며, 하기 화학식 1의 구조를 가질 수 있다.
화학식 1
화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 카바졸일기 또는 카볼리닐기이며, 상기 카바졸일기 및 상기 카볼리닐기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 적어도 하나의 Q1으로 치환될 수 있음; R3는 수소 원자, 시아노기, C1-C10 알킬기, C6-C30 아릴기 및 C3-C30 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨; Z는 질소 원자 또는 CH임; L1 및 L2는 각각 독립적으로 직접 결합, C6-C30 아릴렌기 또는 C3-C20 헤테로 아릴렌기이며, 상기 C6-C30 아릴렌기 및 상기 C3-C30 헤테로 아릴렌기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, C1-C10 알킬기로 치환될 수 있음; Q1은 시아노기, C6-C20 아릴기 또는 C3-C20 헤테로 아릴기임.
본 명세서에서 치환되지 않는다는 것은 수소 원자를 의미하여, 이 경우 수소 원자는 경수소, 중수소 및 삼중수소를 포함한다.
본 명세서에서, C6-C30 아릴기는 페닐, 바이페닐, 터페닐, 나프틸, 안트라세닐, 펜탄레닐, 인데닐, 인데노인데닐, 헵탈레닐, 바이페닐레닐, 인다세닐, 페날레닐, 페난트레닐, 벤조페난트레닐, 디벤조페난트레닐, 아줄레닐, 파이레닐, 플루오란테닐, 트리페닐레닐, 크라이세닐, 테트라페닐, 테트라세닐, 플레이다에닐, 파이세닐, 펜타페닐, 펜타세닐, 플루오레닐, 인데노플루오레닐 또는 스파이로 플루오레닐과 같은 축합되지 않거나 축합된(fused) 아릴기일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 명세서에서 C3-C30 헤테로 아릴기는 피롤릴, 피리디닐, 피리미디닐, 피라지닐, 피리다지닐, 트리아지닐, 테트라지닐, 이미다졸일, 피라졸일, 인돌일, 이소인돌일, 인다졸일, 인돌리지닐, 피롤리지닐, 카바졸일, 벤조카바졸일, 디벤조카바졸일, 인돌로카바졸일, 인데노카바졸일, 벤조퓨로카바졸일, 벤조티에노카바졸일, 퀴놀리닐, 이소퀴놀리닐, 프탈라지닐, 퀴녹살리닐, 시놀리닐, 퀴나졸리닐, 퀴노졸리닐, 퀴놀리지닐, 퓨리닐, 벤조퀴놀리닐, 벤조이소퀴놀리닐, 벤조퀴나졸리닐, 벤조퀴녹살리닐, 아크리디닐, 페난트롤리닐, 페리미디닐, 페난트리디닐, 프테리디닐, 나프타리디닐, 퓨라닐, 파이라닐, 옥사지닐, 옥사졸일, 옥사디아졸일, 트리아졸일, 디옥시닐, 벤조퓨라닐, 디벤조퓨라닐, 티오파이라닐, 잔테닐, 크로메닐, 이소크로메닐, 티오아지닐, 티오페닐, 벤조티오페닐, 디벤조티오페닐, 디퓨로피라지닐, 벤조퓨로디벤조퓨라닐, 벤조티에노벤조티오페닐, 벤조티에노디벤조티오페닐, 벤조티에노벤조퓨라닐, 벤조티에노디벤조퓨라닐 또는 N-치환된 스파이로 플루오레닐, 스파이로 플루오레노아크리디닐, 스파이로 플루오레노잔테닐과 같은 축합되지 않거나 축합된 헤테로 아릴기일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 화학식 1에서 R3는 수소 원자, 시아노기, C1-C5 알킬기 또는 페닐기이고, L1 및 L2는 각각 독립적으로 직접 결합 또는 치환되지 않거나 C1-C5 알킬기로 치환될 수 있는 페닐렌기이며, Q1은 시아노기, 페닐기 또는 카바졸일기일 수 있다.
예를 들어, 제 1 발광물질층(242)에 포함되는 제 1 화합물은 하기 화학식 2의 구조를 가지는 유기 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
화학식 2
제 2 화합물은 계간전이(Inter System Crossing; ISC)에 따라 삼중항 엑시톤을 발광할 수 있는 인광 물질이다. 제 2 화합물은 tetradetate 구조를 가지는 백금계 착화합물일 수 있으며, 하기 화학식 3의 구조를 가질 수 있다.
화학식 3
화학식 3에서, R11 내지 R14는 각각 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 시아노기, C1-C20 알킬기, C1-C20 알킬 아미노기, C6-C30 아릴기, C3-C30 헤테로 아릴기 및 아다만틸기로 구성되는 군에서 선택되며; 상기 C6-C30 아릴기, 상기 C3-C30 헤테로 아릴기 및 상기 아다만틸기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 적어도 하나의 Q2로 치환될 수 있음; Q2는 C1-C10 알킬기, C6-C20 아릴기 및 C3-C30 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨.
예를 들어, 화학식 3에서 R11은 수소 원자, C1-C5 알킬기, 페닐기 또는 아다만틸기이고, R12는 수소 원자, C1-C5 알킬기, 치환되지 않거나 페닐기로 치환된 아다만틸기이며, R13은 수소 원자, C1-C5 알킬기, 카바졸일기 또는 치환되지 않거나 적어도 1개의 페닐기로 치환된 페닐기이며, R14는 수소 원자 또는 C1-C5 알킬기일 수 있다.
예를 들어, 제 1 발광물질층(242)에 포함되는 제 2 화합물은 하기 화학식 4의 구조를 가지는 유기 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
화학식 4
화학식 2의 구조를 가지는 인광 물질은 발광 효율은 우수하나, 깊은 청색을 구현하기 어려우며 발광 수명이 짧다. 계간전이(ISC)에 의하여 인광 물질인 제 2 화합물을 포함하여 인광 발광하는 제 1 발광물질층(242)과, 제 4 화합물을 포함하여 형광 발광하는 제 2 발광물질층(244)에서 제 2 화합물에서 생성된 엑시톤이 분산된다. 이에 따라, 인광 발광 및 형광 발광을 혼합하여 색순도를 개선하고, 제 1 발광물질층(242)의 엑시톤 농도를 낮추어 발광 수명을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 제 1 발광물질층(242)에 인접하여 TTA를 구현하는 제 2 발광물질층(244)을 포함한다. TTA는 삼중항 상태로 여기된 분자의 상호작용 또는 충돌에 의하여 단일항 상태가 형성되는 것으로, 삼중항 엑시톤의 밀도가 높을 때 발생한다.
형광 물질을 이용한 유기발광다이오드에서, 삼중항 엑시톤을 추가적으로 활용하면, 75%의 삼중항 엑시톤 중에서 15%가 단일항 중간체로 재생성되므로, 초기에 생성된 단일항 엑시톤 25%를 포함하면 전체적으로 40%의 단일항 엑시톤이 형성될 수 있다. 따라서, TTA 메커니즘을 이용하면, 광추출 효율에 따라 8-12%의 외부양자효율을 구현할 수 있다. 특히, 2개의 삼중항 엑시톤 에너지의 합이 단일항 엑시톤 에너지보다 큰 화합물(2T1 > S1)을 충족하는 분자에서는, 확률적으로 2개의 삼중항 엑시톤 충돌하여 1개의 단일항 엑시톤을 생성할 수 있다. 따라서 초기에 생성된 삼중항 엑시톤의 절반인 37.5%가 상향전한에 의하여 단일항 엑시톤으로 재생성될 수 있기 때문에, 최대 62.5%의 단일항 엑시톤을 생성할 수 있고, 최대 12.5%-18.8%의 외부양자효율을 구현할 수 있다.
TTA 프로세스는 2개의 삼중항 엑시톤이 충돌하여 최대 1개의 단일항 엑시톤을 생성하기 때문에, 단순히 형광 발광을 이용하는 경우보다 발광 효율이 향상될 수 있으며, 전류 밀도에 관계없이 일정한 발광 효율을 구현할 수 있는 장점이 있다.
제 2 발광물질층(244)은 제 2 호스트일 수 있는 제 3 화합물과, 형광 물질인 제 4 화합물을 포함한다. 제 3 화합물은 TTA를 구현할 수 있는 분자 구조를 가지는 전자수용체(acceptor)이고, 형광 물질인 제 5 화합물은 광자수용체(sensitizer)로 기능할 수 있다. 제 4 화합물은 하기 화학식 5의 구조를 가지는 안트라센계 유기 화합물을 포함할 수 있다.
화학식 5
화학식 5에서, R21 및 R22는 각각 독립적으로 수소 원자, C1-C20 알킬기, C6-C30 아릴기 또는 C3-C30 헤테로 아릴기이며, 상기 C6-C30 아릴기 및 상기 C3-C30 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, 적어도 하나의 Q3로 치환될 수 있음; R23 및 R24는 각각 C6-C30 아릴기 또는 C3-C30 헤테로 아릴기이며, 상기 C6-C30 아릴기 및 상기 C3-C30 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, 적어도 하나의 Q3로 치환될 수 있음; Q3는 C6-C20 아릴기 및 C3-C20 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨.
예를 들어, 화학식 5에서 R21 및 R22는 각각 독립적으로 수소 원자, C1-C5 알킬기 또는 페닐기이며, R23 및 R24는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 나프틸기(예를 들어, 1-나프틸기 또는 2-나프틸기)로 치환된 페닐기 또는 나프틸기(예를 들어 1-나프틸기 또는 2-나프틸기)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
화학식 5의 구조를 가지는 안트라센계 유기 화합물은 양자 효율이 우수하고, 전기화학적 특성이 안정적이며, 적절한 여기 삼중항 에너지 준위를 가지기 때문에, 특히 청색 발광에 적합하다. 예를 들어, TTA 특성을 구현할 수 있는 제 2 호스트인 제 3 화합물은 하기 화학식 6의 구조를 가지는 안트라센계 유기 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
화학식 6
제 2 발광물질층(244)에 포함되는 제 4 화합물은, 제 2 화합물의 최대 발광 파장 피크와 유사한 최대 발광 피크를 가지는 형광 물질일 수 있다. 일례로, 제 4 화합물은 엑시톤이 여기 상태에서 바닥 상태로 전이되며, 4반치전폭(Full with at quarter maximum, FWQM)이 제 2 화합물의 4반치전폭보다 협소하여 색순도가 우수한 형광 물질일 수 있다. 제 4 화합물은 하기 화학식 7의 구조를 가지는 보론계 유기 화합물일 수 있다.
화학식 7
화학식 7에서, R31 내지 R35는 각각 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 시아노기, C1-C20 알킬기, C6-C30 아릴기, C3-C20 헤테로 아릴기 또는 C6-C30 아릴 아미노기이며, 상기 C6-C30 아릴기, C3-C20 헤테로 아릴기 및 C6-C30 아릴 아미노기를 구성하는 방향족 고리는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 적어도 하나의 Q4로 치환될 수 있음; m이 복수인 경우, 각각의 R34는 동일하거나 상이할 수 있고, n이 복수인 경우, 각각의 R35는 동일하거나 상이할 수 있음; R34 및 R35가 각각 수소 원자인 경우, m과 n은 각각 5이고, R34 및 R35가 각각 수소 원자가 아닌 경우, m과 n은 치환기의 개수로서 각각 독립적으로 0 내지 5의 정수임; Q4는 C1-C20 알킬기, C6-C20 아릴기 및 C3-C20 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨.
예를 들어, 화학식 7에서 R31 및 R32는 각각 독립적으로 수소 원자, C1-C5 알킬기이고, R33은 수소 원자 또는 치환되지 않거나 C1-C5 알킬기로 치환된 바이페닐 아미노기이며, R34와 R35는 각각 독립적으로 수소 원자, C1-C5 알킬기 또는 치환되지 않거나 적어도 1개의 페닐기로 치환될 수 있는 페닐기일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 제 4 화합물은 하기 화학식 8의 구조를 가지는 보론계 유기 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
화학식 8
예시적인 측면에서, 제 1 발광물질층(242)에서 제 2 화합물의 함량은 제 2 발광물질층(244)에서 제 4 화합물의 함량보다 클 수 있다. 이 경우, 제 2 화합물에서 생성된 삼중항 엑시톤 에너지는 제 3 화합물을 경유하여 최종적으로 제 4 화합물에 전달될 수 있다. 일례로, 제 1 발광물질층(242)에서 제 2 화합물의 함량은 5 내지 20 중량%, 예를 들어 5 내지 15 중량%이고, 제 2 발광물질층(244)에서 제 4 화합물의 함량은 0.1 내지 5 중량%, 예를 들어 0.5 내지 3 중량%일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 유기발광다이오드를 구성하는 2개의 발광물질층에서 발광 물질 사이의 에너지 전이에 대해서 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 발광물질층에서 발광 물질 사이의 단일항 에너지 준위 및 삼중항 에너지 준위에 따른 발광 메커니즘을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 인광 발광을 구현하는 제 1 발광물질층(EML1)에서 제 1 화합물은 인광 물질인 제 2 화합물에서의 삼중항 상태의 엑시톤이 소광(비-발광 소멸, quenching)되지 않고 발광에 관여할 수 있도록 유도할 수 있어야 한다.
도 4에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 제 1 발광물질층(EML1, 242)에 포함되는 제 1 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T1 H1)와 여기 단일항 에너지 준위(S1 H1)는 각각 인광 물질인 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T1 PD)와 여기 단일항 에너지 준위(S1 PD)보다 높다. 예를 들어, 제 1 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S1 H1) 및 여기 삼중항 에너지 준위(T1 H1)는 각각 제 2 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S1 PD) 및 여기 삼중항 에너지 준위(T1 PD)보다 0.2 eV 이상, 바람직하게는 0.3 eV 이상, 더욱 바람직하게는 0.5 eV 이상 높을 수 있다.
제 1 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T1 H1) 및 여기 단일항 에너지 준위(S1 H2)가 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T1 PD) 및 여기 단일항 에너지 준위(S1 PD)보다 충분히 높지 않은 경우, 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T1 PD)의 엑시톤이 제 1 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T1 H1)로의 역-전하 이동이 발생한다. 이에 따라, 삼중항 엑시톤이 발광할 수 없는 제 1 화합물에서 삼중항 엑시톤이 비-발광 소멸되기 때문에, 인광 특성을 가지는 제 2 화합물의 삼중항 상태 엑시톤이 발광에 기여하지 못하게 된다.
한편, TTA를 구현하도록 설계된 제 2 발광물질층(EML2)에서 전자수용체로 기능하는 제 3 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S1 H2)는 광자수용체로 기능하는 제 4 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S1 FD)보다 높을 수 있다. TTA를 구현할 수 있도록, 제 3 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T1 H2)는 제 4 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S1 FD) 및/또는 여기 삼중항 에너지 준위(T1 FD)보다 낮을 수 있다. 또한, 제 3 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T1 H2)는 제 4 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T1 FD)보다 낮을 수 있다.
엑시톤 재결합에 의하여, 제 4 화합물에 의해 형성된 단일항 엑시톤 에너지는 형광 발광을 유도한다. 제 4 화합물의 삼중항 엑시톤 에너지는 제 4 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위(T1 FD)보다 낮은 여기 삼중항 에너지 준위(T1 H2)를 갖는 제 3 화합물로 전이된다. 제 3 화합물은 삼중항-삼중항 에너지 전이(triplet-triplet energy transfer, TTET) 및/또는 제 2 화합물의 여기된 삼중항 엑시톤 에너지를 전달 받아 여기 삼중항 에너지 준위(T1 H2)로 여기될 수 있다. 제 3 화합물은 다른 삼중항 에너지 준위(T1 H2) 상태의 엑시톤과 결합하면서 TTA 메커니즘에 의하여 여기 단일항 에너지 준위(S1 H2) 상태의 엑시톤을 생성한다. 마지막으로, 제 3 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S1 H2) 상태의 엑시톤 에너지는 FRET(Forster Resonance Energy Transfer) 메커니즘을 통하여, 제 4 화합물의 여기 단일항 에너지 준위(S1 FD)으로 전달된다. 제 4 화합물은 원래의 단일항 엑시톤 에너지는 물론이고, 제 3 화합물에서 일부 변환된 삼중항 엑시톤 에너지를 활용하여 발광한다.
우수한 발광 특성을 구현하기 위하여, 인광 물질인 제 2 화합물과 형광 물질인 제 4 화합물의 발광(photoluminescence, PL) 특성을 제어할 필요가 있다. 도 5는 본 발명에 따른 유기발광다이오드를 구성하는 발광물질층에서 인광 물질과 형광 물질의 발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼에서 최대 발광 피크 및 제 2 발광 피크 및 4반치전폭(FWQM)을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
제 2 화합물의 최대 발광 피크(λmax(PD))는 470 nm 이하, 예를 들어 455 nm 내지 465 nm일 수 있다. 제 4 화합물의 최대 발광 피크(λmax(PD))는 제 2 화합물의 최대 발광 피크(λmax(PD))와 비교해서 대략 15 nm 범위 이내일 수 있다. 예시적인 측면에서, 제 4 화합물의 최대 발광 피크(λmax(FD))는 440 nm 내지 470 nm일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 한편, 제 4 화합물의 4반치전폭(FWQMFD)는 제 2 화합물의 4반치전폭(FWQMPD)보다 협소할 수 있다. 일례로, 제 2 화합물의 4반치전폭(FWQMPD)은 60 nm 내지 80 nm이고, 제 4 화합물의 4반치전폭(FWQMFD)은 40 내지 60 nm일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 제 2 화합물에서 첫 번째 발광 피크(다수의 발광 피크 중에서 단파장 영역에 형성되는 발광 피크, 1st peak)의 강도에 대한 두 번째 발광 피크(다수의 발광 피크 중에서 장파장 영역에 형성되는 발광 피크, 2nd peak)의 강도는 0.65 이하, 예를 들어 0.20 내지 0.65일 수 있다. 이 경우, 제 2 화합물에서 여기 삼중항 에너지 준위를 최소화하여 발광 안정성을 구현할 수 있으며, 제 4 화합물이 발광하면서 깊은 청색으로 발광하여 색순도를 개선할 수 있으며, 광추출 효율 감소를 최소화할 수 있다.
반면 2nd peak 강도가 1st peak 강도보다 큰 경우, 즉, 2nd peak가 최대 발광 피크(λmax(PD))인 경우, 삼중항 엑시톤 에너지와 관련된 1st peak가 지나치게 단파장 대역으로 이동하기 때문에, 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위가 지나치게 높아지면서, 발광 수명이 저하될 뿐만 아니라, 제 1 호스트인 제 1 화합물에서 삼중항 엑시톤이 소광되어 발광 효율이 감소할 수 있다. 또한, 4반치전폭(FWQMPD)이 증가하여, 광추출 효율이 감소할 수 있다.
다시 도 3으로 돌아가면, 정공주입층(250)은 제 1 전극(210)과 정공수송층(260) 사이에 위치하는데, 무기물인 제 1 전극(210)과 유기물인 정공수송층(260) 사이의 계면 특성을 향상시킨다. 하나의 예시적인 측면에서, 정공주입층(250)은 4,4',4"-Tris(3-methylphenylamino)triphenylamine (MTDATA), 4,4',4"-Tris(N,N-diphenyl-amino)triphenylamine(NATA), 4,4',4"-Tris(N-(naphthalene-1-yl)-N-phenyl-amino)triphenylamine(1T-NATA), 4,4',4"-Tris(N-(naphthalene-2-yl)-N-phenyl-amino)triphenylamine(2T-NATA), Copper phthalocyanine(CuPc), Tris(4-carbazoyl-9-yl-phenyl)amine(TCTA), N,N'-Diphenyl-N,N'-bis(1-naphthyl)-1,1'-biphenyl-4,4"-diamine(NPB; NPD), 1,4,5,8,9,11-Hexaazatriphenylenehexacarbonitrile(Dipyrazino[2,3-f:2'3'-h]quinoxaline-2,3,6,7,10,11-hexacarbonitrile; HAT-CN), 1,3,5-Tris[4-(diphenylamino)phenyl]benzene(TDAPB), poly(3,4-ethylenedioxythiphene)polystyrene sulfonate(PEDOT/PSS), N-(biphenyl-4-yl)-9,9-dimethyl-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)-9H-fluoren-2-amine 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다른 예시적인 측면에서, 정공주입층(260)은 후술하는 정공 수송 물질에 에 정공 주입 도펀트(p-도펀트)가 도핑된 물질을 포함할 수 있다. 정공 주입 도펀트는 HAT-CN, CuPc, 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane(F4-TCNQ), 7,7,8,8-Tetracyanoquinodimethane(F6-TCNQ), 2,2-(perfluoronaphthalene-2,6-diylidene)-dimalononitrile(F6-TCNNQ), FeCl3, V2O5, WO3, MoO3, ReO3, Fe3O4, MnO2, SnO2, CoO2, TiO2 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이 경우, 정공 주입 도펀트는 정공주입층(260) 중에 1 내지 10 중량%의 비율로 첨가될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 유기발광다이오드(D1)의 특성에 따라 정공주입층(250)은 생략될 수 있다.
정공수송층(260)은 정공주입층(250)과 발광물질층(240) 사이에 위치한다. 하나의 예시적인 측면에서, 정공수송층(260)은 N,N'-Diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine; TPD), NPB(NPD), CBP, Poly[N,N'-bis(4-butylpnehyl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidine](Poly-TPD), (Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4'-(N-(4-sec-butylphenyl)diphenylamine))] (TFB), Di-[4-(N,N-di-p-tolyl-amino)-phenyl]cyclohexane(TAPC), 3,5-Di(9H-carbazol-9-yl)-N,N-diphenylaniline(DCDPA), N-(biphenyl-4-yl)-9,9-dimethyl-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)-9H-fluoren-2-amine, N-(biphenyl-4-yl)-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)biphenyl-4-amine 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
발광물질층(240)과 제 2 전극(230) 사이에는 전자수송층(270)과 전자주입층(280)이 순차적으로 적층될 수 있다. 전자수송층(270)을 이루는 소재는 높은 전자 이동도가 요구되는데, 원활한 전자 수송을 통하여 발광물질층(240)에 전자를 안정적으로 공급한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 전자수송층(270)은 옥사디아졸계(oxadiazole-base) 화합물, 트리아졸계(triazole-base) 화합물, 페난트롤린계(phenanthroline-base) 화합물, 벤족사졸계(benzoxazole-based) 화합물, 벤조티아졸계(benzothiazole-base) 화합물, 벤즈이미다졸계(benzimidazole-base) 화합물, 트리아진계(triazine-base) 화합물 중에서 어느 하나의 화합물을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 전자수송층(270)은 tris-(8-hydroxyquinoline aluminum(Alq3), 2-biphenyl-4-yl-5-(4-t-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole(PBD), 스파이로-PBD, lithium quinolate(Liq), 1,3,5-Tris(N-phenylbenzimidazol-2-yl)benzene(TPBi), Bis(2-methyl-8-quinolinolato-N1,O8)-(1,1'-biphenyl-4-olato)aluminum(BAlq), 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(Bphen), 2,9-Bis(naphthalene-2-yl)4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(NBphen), 2-phenyl-9-(3-(2-phenyl-1,10-phenanthrolin-9-yl)phenyl)-1,10-phenanthroline(PBPPhen), 2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenathroline(BCP), 3-(4-Biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole(TAZ), 4-(Naphthalen-1-yl)-3,5-diphenyl-4H-1,2,4-triazole(NTAZ), 1,3,5-Tri(p-pyrid-3-yl-phenyl)benzene(TpPyPB), 2,4,6-Tris(3'-(pyridin-3-yl)biphenyl-3-yl)1,3,5-triazine(TmPPPyTz), Poly[9,9-bis(3'-((N,N-dimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2,7-fluorene]-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)](PFNBr), Tris(phenylquinoxaline(TPQ), TSPO1 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
전자주입층(280)은 제 2 전극(230)과 전자수송층(270) 사이에 위치하는데, 제 2 전극(270)의 특성을 개선하여 소자의 수명을 개선할 수 있다. 하나의 예시적인 측면태에서, 전자주입층(280)의 소재로는 LiF, CsF, NaF, BaF2 등의 알칼리금속 할라이드계 물질 및/또는 알칼리토금속 할라이드계 물질, 및/또는 Liq, lithium benzoate, sodium stearate 등의 유기금속계 물질이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
정공이 발광물질층(240)을 제 2 전극(230) 쪽으로 이동하거나, 전자가 발광물질층(240)을 지나 제 1 전극(210) 쪽으로 이동하는 경우, 유기발광다이오드(D1)의 발광 수명과 발광 효율이 감소할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 예시적인 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(D1)는 발광물질층(240)에 인접하여 엑시톤 차단층이 위치할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(D1)는 정공수송층(260)과 발광물질층(240) 사이에 전자의 이동을 제어, 방지할 수 있는 전자차단층(265)이 위치할 수 있다. 하나의 예시적인 측면에서, 전자차단층(265)은 TCTA, Tris[4-(diethylamino)phenyl]amine, N-(biphenyl-4-yl)-9,9-dimethyl-N-(4-(9-phenyl-9H-carbazol-3-yl)phenyl)-9H-fluoren-2-amine, TAPC, MTDATA, mCP, mCBP, CuPc, N,N'-bis[4-[bis(3-methylphenyl)amino]phenyl]-N,N'-diphenyl-[1,1'-biphenyl]-4,4'-diamine(DNTPD), TDAPB, 3,6-bis(N-carbazolyl)-N-phenyl-carbazole 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
발광물질층(240)과 전자수송층(270) 사이에 제 2 엑시톤 차단층으로서 정공차단층(275)이 위치하여 발광물질층(240)과 전자수송층(270) 사이에 정공의 이동을 방지한다. 하나의 예시적인 측면에서, 정공차단층(275)의 소재로서 전자수송층(270)에 사용될 수 있는 옥사디아졸계 화합물, 트리아졸계 화합물, 페난트롤린계 화합물, 벤족사졸계 화합물, 벤조티아졸계 화합물, 벤즈이미다졸계 화합물, 트리아진계 화합물 중에서 어느 하나가 사용될 수 있다.
일례로, 정공차단층(275)은 발광물질층(240)에 사용된 소재와 비교해서 HOMO 에너지 준위가 낮은 BCP, BAlq, Alq3, PBD, 스파이로-PBD, Liq, Bis-4,6-(3,5-di-3-pyridylphenyl)-2-methylpyrimidine(B3PYMPM), DPEPO, 9-(6-(9H-carbazol-9-yl)pyridine-3-yl)-9H-3,9'-bicarbazole 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 유기발광다이오드(D1)는 인광 물질로 이루어지는 제 1 발광물질층(242)에 인접하여 TTA를 구현하는 제 2 발광물질층(244)을 적용하여, 깊은 청색 발광을 구현하여 색순도를 개선하고, 발광 수명을 극대화할 수 있다.
선택적인 실시형태에서, 유기발광다이오드는 2개 이상의 발광부를 포함할 수 있다. 도 6은 본 발명의 예시적인 제 2 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 유기발광다이오드(D2)는 마주하는 제 1 전극(210) 및 제 2 전극(230)과, 제 1 및 제 2 전극(210, 230) 사이에 위치하는 발광층(220A)을 포함한다. 유기발광표시장치(100, 도 2 참조)는 적색 화소영역, 녹색 화소영역, 청색 화소영역을 포함하고, 유기발광다이오드(D2)는 청색 화소영역 에 위치할 수 있다. 제 1 전극(210)은 양극일 수 있고, 제 2 전극(230)은 음극일 수 있다.
발광층(220A)은 하부 발광물질층(340)을 포함하는 제 1 발광부(320)와, 상부 발광물질층(440)을 포함하는 제 2 발광부(420)를 포함한다. 또한, 발광층(220A)은 제 1 발광부(320)와 제 2 발광부(420) 사이에 위치하는 전하생성층(380)을 더욱 포함할 수 있다.
전하생성층(380)은 제 1 및 제 2 발광부(320, 420) 사이에 위치하며, 제 1 발광부(320), 전하생성층(380), 제 2 발광부(420)가 제 1 전극(210) 상에 순차 적층된다. 즉, 제 1 발광부(320)는 제 1 전극(310)과 전하생성층(380) 사이에 위치하며, 제 2 발광부(420)는 제 2 전극(230)과 전하생성층(380) 사이에 위치한다.
제 1 발광부(320)는 하부 발광물질층(340)을 포함한다. 또한, 제 1 발광부(320)는, 제 1 전극(210)과 하부 발광물질층(340) 사이에 위치하는 정공주입층(HIL, 350), 하부 발광물질층(340)과 정공주입층(350) 사이에 위치하는 제 1 정공수송층(360, HTL1), 하부 발광물질층(340)과 전하생성층(380) 사이에 위치하는 제 1 전자수송층(370, ETL1) 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다. 선택적으로, 제 1 발광부(320)는 제 1 정공수송층(360)과 하부 발광물질층(340) 사이에 위치하는 제 1 전자차단층(365, EBL1)과, 하부 발광물질층(340)과 제 1 전자수송층(370) 사이에 위치하는 제 1 정공차단층(375, HBL1) 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
제 2 발광부(420)는 상부 발광물질층(440)을 포함한다. 또한, 제 2 발광부(420)는 전하생성층(380)과 상부 발광물질층(440) 사이에 위치하는 제 2 정공수송층(460, HTL2), 상부 발광물질층(440)과 제 2 전극(230) 사이에 위치하는 제 2 전자수송층(470, ETL2), 제 2 전자수송층(470)과 제 2 전극(230) 사이에 위치하는 전자주입층(480, HIL) 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 2 발광부(420)는 제 2 정공수송층(460)과 상부 발광물질층(440) 사이에 위치하는 제 2 전자차단층(465, EBL2)과 상부 발광물질층(440)과 제 2 전자수송층(470) 사이에 위치하는 제 2 정공차단층(475, HBL2) 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
전하생성층(380)은 제 1 발광부(320)와 제 2 발광부(420) 사이에 위치한다. 즉, 제 1 발광부(320)와 제 2 발광부(420)는 전하생성층(380)에 의해 연결된다. 전하생성층(380)은 N형 전하생성층(382)과 P형 전하생성층(384)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다.
N형 전하생성층(382)은 제 1 전자수송층(370)과 제 2 정공수송층(460) 사이에 위치하고, P형 전하생성층(384)은 N형 전하생성층(382)과 제 2 정공수송층(460) 사이에 위치한다. N형 전하생성층(382)은 전자를 제 1 발광부(320)의 제 1 발광물질층(340)으로 전달하고, P형 전하생성층(384)은 정공을 제 2 발광부(420)의 제 2 발광물질층(440)으로 전달한다.
예를 들어, N형 전하생성층(382)은 전술한 전자 수송 물질에 전자 주입 도펀트(n-도펀트)가 도핑된 소재로 이루어질 수 있다. 전자 주입 도펀트는 Li, Na, K, Cs와 같은 알칼리금속 및/또는 Mg, Sr, Ba, Ra와 같은 알칼리토금속을 포함할 수 있다. N형 전하생성층(382) 중에 전자 주입 도펀트는 0.5 내지 5 중량%의 비율로 배합될 수 있다. 전자 주입 도펀트의 함량이 5 중량%를 초과하는 경우, 전자가 과도하게 주입되면서 전류 누설이 야기되거나 구동 전압이 상승할 수 있다.
P형 전하생성층(384)은 전술한 정공 수송 물질에 정공 주입 도펀트가 도핑된 소재로 이루어질 수 있다. 일례로, P형 전하생성층(384) 중에 정공 주입 도펀트는 10 내지 20 중량%의 비율로 배합될 수 있다.
본 실시형태에서, 하부 발광물질층(340)과 상부 발광물질층(440)은 각각 청색 발광물질층일 수 있다. 하부 발광물질층(340)은 제 1 화합물 및 제 2 화합물을 포함하는 제 1 발광물질층(342)과, 제 3 화합물 및 제 4 화합물을 포함하는 제 2 발광물질층(344)을 포함한다. 상부 발광물질층(440)은 제 1 화합물 및 제 2 화합물을 포함하는 제 1 발광물질층(442)과, 제 3 화합물 및 제 4 화합물을 포함하는 제 2 발광물질층(444)을 포함할 수 있다.
하부 발광물질층(340)의 제 1 발광물질층(342)에 포함되는 제 1 화합물 및 제 2 화합물은 각각 독립적으로 상부 발광물질층(440)의 제 1 발광물질층(442)에 포함되는 제 1 화합물 및 제 2 화합물과 동일하거나 상이할 수 있다. 하부 발광물질층(340)의 제 2 발광물질층(344)에 포함되는 제 3 화합물 및 제 4 화합물은 각각 독립적으로 상부 발광물질층(440)의 제 2 발광물질층(444)에 포함되는 제 3 화합물 및 제 4 화합물과 동일하거나 상이할 수 있다.
선택적으로, 하부 발광물질층(340) 및 상부 발광물질층(440) 중에서 적어도 하나, 예를 들어, 상부 발광물질층(440)은 단층 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 상부 발광물질층(440)은 청색 호스트와, 청색 도펀트를 포함할 수 있다. 청색 호스트는 제 1 화합물을 포함할 수 있다. 청색 도펀트는 청색 인광 물질, 청색 지연형광물질 및 청색 형광 물질 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상부 발광물질층(440)은 청색 인광 발광물질층, 청색 지연형광 발괄물질층 및/또는 청색 형광 발광물질층을 구성할 수 있다.
본 실시형태의 유기발광다이오드(D3)에서는 상부 및 하부 발광물질층(340, 440)이 각각 인광 물질을 포함하는 제 1 발광물질층(342, 442)에 인접하여 TTA를 구현하는 제 2 발광물질층(344, 444)이 위치한다. 이에 따라 색순도를 개선하고 발광 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 유기발광다이오드(D2)가 청색 발광물질층의 이중 스택 구조를 가지므로, 유기발광다이오드(D2)의 색감이 향상되거나 발광 효율이 최적화될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 유기발광표시장치(500)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)이 정의된 기판(510)과, 기판(510) 상부에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)와, 박막트랜지스터(Tr) 상부에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 유기발광다이오드(D)를 포함한다. 일례로, 제 1 화소영역(P1)은 청색 화소영역이고, 제 2 화소영역(P2)은 녹색 화소영역이며, 제 3 화소영역(P3)은 적색 화소영역일 수 있다.
기판(510)은 유리 기판 또는 플렉서블 기판일 수 있다. 예를 들어, 플렉서블 기판은 PI 기판, PES 기판, PEN 기판, PET 기판 및 PC 기판 중 어느 하나일 수 있다. 기판(510) 상에 버퍼층(512)이 형성되고, 버퍼층(512) 상에 박막트랜지스터(Tr)가 형성된다. 버퍼층(512)은 생략될 수 있다. 도 2에서 설명한 바와 같이, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고, 구동 소자로 기능한다.
박막트랜지스터(Tr) 상에 평탄화층(550)이 위치한다. 평탄화층(550)은 상면이 평탄하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극을 노출하는 드레인 컨택홀(552)을 갖는다.
유기발광다이오드(D)는 평탄화층(550) 상에 위치하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극에 연결되는 제 1 전극(610)과, 제 1 전극(610) 상에 순차 적층되는 발광층(620) 및 제 2 전극(630)을 포함한다. 유기발광다이오드(D)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에 위치하며, 서로 다른 색의 광을 방출한다. 예를 들어, 제 1 화소영역(P1)의 유기발광다이오드(D)는 청색 광을 발광하고, 제 2 화소영역(P2)의 유기발광다이오드(D)는 녹색 광을 발광하고, 제 3 화소영역(P3)의 유기발광다이오드(D)는 적색 광을 발광할 수 있다.
제 1 전극(610)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 별로 분리, 형성되고, 제 2 전극(630)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에 대응하여 일체로 형성된다. 제 1 전극(610)은 양극과 음극 중에서 하나일 수 있고, 제 2 전극(630)은 양극과 음극 중에서 다른 하나일 수 있다. 또한, 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 중에서 하나는 투과전극(또는 반투과전극)이고, 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 중에서 다른 하나는 반사전극일 수 있다.
예를 들어, 제 1 전극(610)은 양극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(TCO)로 이루어지는 투명 도전성 산화물층을 포함할 수 있다. 제 2 전극(630)은 음극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질, 예를 들어 저-저항 금속으로 이루어지는 금속물질층을 포함할 수 있다. 일례로, 제 1 전극(610)은 ITO, IZO, ITZO, SnO, ZnO, ICO 및 AZO 중 어느 하나를 포함하고, 제 2 전극(630)은 Al, Mg, Ca, Ag 또는 이들의 합금(예를 들어 Mg-Ag 합금)이나 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
유기발광표시장치(500)가 하부 발광 방식인 경우, 제 1 전극(610)은 투명 도전성 산화물층의 단일층 구조를 가질 수 있다. 한편, 유기발광표시장치(500)가 상부 발광 방식인 경우, 제 1 전극(610) 하부에는 반사전극 또는 반사층이 더욱 형성될 수 있다. 일례로, 반사전극 또는 반사층은 은 또는 알루미늄-팔라듐-구리(APC) 합금으로 이루어질 수 있다. 상부 발광 방식 유기발광다이오드(D)에서, 제 1 전극(610)은 ITO/Ag/ITO 또는 ITO/APC/ITO의 삼중층 구조를 가질 수 있다. 또한, 제 2 전극(630)은 얇은 두께를 가져 광투과(반투과) 특성을 가질 수 있다.
평탄화층(550) 상에는 제 1 전극(610)의 가장자리를 덮는 뱅크층(560)이 형성된다. 뱅크층(560)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에 대응하여, 제 1 전극(610)의 중앙을 노출한다.
제 1 전극(610) 상에는 발광층(620)이 형성된다. 발광층(620)은 발광물질층(EML)의 단층 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 발광층(620)은 제 1 전극(610)과 발광물질층 사이에 순차적으로 위치하는 정공주입층(HIL), 정공수송층(HTL) 및/또는 전자차단층(EBL)과, 발광물질층과 제 2 전극(630) 사이에 순차적으로 위치하는 정공차단층(HBL), 전자수송층(ETL) 전자주입층(EIL) 및/또는 전하생성층(CGL) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
청색 화소영역인 제 1 화소영역(P1)에서, 발광층(630)을 구성하는 발광물질층(640, 도 8 참조)은 제 1 화합물 및 제 2 화합물을 포함하는 제 1 발광물질층(642, 도 8 참조)과, 제 3 화합물 및 제 4 화합물을 포함하는 제 2 발광물질층(644, 도 8 참조)를 포함할 수 있다.
제 2 전극(630) 상에는, 외부 수분이 유기발광다이오드(D)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 인캡슐레이션 필름(570)이 형성된다. 인캡슐레이션 필름(570)은 제 1 무기 절연층, 유기 절연층, 제 2 무기 절연층의 삼중층 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
유기발광표시장치(500)는 외부광의 반사를 줄이기 위한 편광판(도시하지 않음)을 더욱 포함할 수 있다. 일례로, 편광판(도시하지 않음)은 원형 편광판일 수 있다. 유기발광표시장치(500)가 하부 발광 방식인 경우, 편광판은 기판(510)의 하부에 위치할 수 있다. 유기발광표시장치(500)가 상부 발광 방식인 경우, 편광판은 인캡슐레이션 필름(570) 상부에 위치할 수 있다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제 3 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 유기발광다이오드(D3)는 제 1 전극(610) 및 제 2 전극(630)과, 제 1 및 제 2 전극(610, 630) 사이에 위치하는 발광층(620)을 포함한다. 제 1 전극(610)은 양극일 수 있고, 제 2 전극(630)은 음극일 수 있다. 일례로, 제 1 전극(610)은 반사전극이고, 제 2 전극(630)은 투과전극(반투과전극)일 수 있다.
발광층(620)은 발광물질층(640)을 포함한다. 발광층(620)은 제 1 전극(610)과 발광물질층(640) 사이에 위치하는 정공수송층(HTL, 660)과, 발광물질층(640)과 제 2 전극(630) 사이에 위치하는 전자수송층(ETL, 670) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 발광층(620)은 제 1 전극(610)과 정공수송층(660) 사이에 위치하는 정공주입층(HIL, 650)과, 전자수송층(670)과 제 2 전극(630) 사이에 위치하는 전자주입층(HIL, 680) 중에서 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다. 선택적으로, 발광층(630)은 정공수송층(660)과 발광물질층(640) 사이에 위치하는 전자차단층(EBL, 665)과, 발광물질층(640)과 전자수송층(670) 사이에 위치하는 정공차단층(HBL, 675) 중에서 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.
또한, 발광층(620)은 정공수송층(660)과 전자차단층(665) 사이에 위치하는 보조 정공수송층(662)을 더욱 포함할 수 있다. 보조 정공수송층(662)은 제 1 화소영역(P1)에 위치하는 제 1 보조 정공소송층(662a), 제 2 화소영역(P2)에 위치하는 제 2 보조 정공수송층(662b) 및 제 3 화소영역(P3)에 위치하는 제 3 보조 정공수송층(662c)을 포함할 수 있다.
제 1 보조 정공수송층(662a)은 제 1 두께를 갖고, 제 2 보조 정공수송층(662b)는 제 2 두께를 갖고, 제 3 보조 정공수송층(662c)는 제 3 두께를 갖는다. 이때, 제 1 두께는 제 2 두께보다 작고, 제 2 두께는 제 3 두께보다 작다. 이에 따라, 유기발광다이오드(D3)는 마이크로 캐비티(micro-cavity) 구조를 갖는다.
즉, 서로 다른 두께를 갖는 제 1 내지 제 3 보조 정공수송층(662a, 662b, 662c)에 의해, 제 1 파장 범위의 빛(청색)을 발광하는 제 1 화소영역(P1)에서 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 간 거리는 제 1 파장 범위보다 긴 제 2 파장 범위의 빛(녹색)을 발광하는 제 2 화소영역(P2)에서 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 간 거리보다 작다. 또한, 제 2 화소영역(P2)에서 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 간 거리는 제 2 파장 범위보다 긴 제 3 파장 범위의 빛(적색)을 발광하는 제 3 화소영역(P3)에서 제 1 전극(610)과 제 2 전극(630) 간 거리보다 작다. 이에 따라 유기발광다이오드(D3)의 발광 효율이 향상된다.
도 8에서 제 1 화소영역(P3)에 제 1 보조 정공수송층(662a)이 형성되어 있다. 이와 달리, 제 1 보조 정공수송층(662a) 없이 마이크로 캐버티 구조가 구현될 수 있다. 또한, 제 2 전극(630) 상에는 광추출 향상을 위한 캡핑층(capping layer, 도시하지 않음)이 추가로 형성될 수 있다.
발광물질층(640)은 제 1 화소영역(P1)에 위치하는 제 1 발광물질층(642) 및 제 2 발광물질층(644)과, 제 2 화소영역(P2)에 위치하는 제 3 발광물질층(646)과, 제 3 화소영역(P3)에 위치하는 제 4 발광물질층(648)을 포함한다. 제 1 및 제 2 발광물질층(642, 644), 제 2 발광물질층(646) 및 제 3 발광물질층(648)은 각각 청색 발광물질층, 녹색 발광물질층 및 적색 발광물질층일 수 있다.
제 1 화소영역(P1)의 제 1 발광물질층(642)은 제 1 화합물과 제 2 화합물을 포함하고, 제 2 발광물질층(644)은 제 3 화합물과 제 4 화합물을 포함한다.
제 2 화소영역(P2)의 제 3 발광물질층(646)은 호스트와 녹색 도펀트를 포함하고, 제 3 화소영역(P3)의 제 4 발광물질층(648)은 호스트와 적색 도펀트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 3 발광물질층(646)과 제 4 발광물질층(646)의 호스트는 제 1 화합물을 포함하고, 녹색 도펀트와 적색 도펀트는 각각 녹색 또는 적색 인광 물질, 녹색 또는 적색 형광 물질 및 녹색 또는 적색 지연 형광 물질 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 8의 유기발광다이오드(D5)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에서 청색 광, 녹색 광 및 적색 광을 발광하며, 이에 따라 유기발광표시장치(500, 도 7 참조)는 컬러 영상을 구현할 수 있다.
한편, 유기발광표시장치(500)는 색 순도를 향상시키기 위해, 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에 대응하여 컬러필터층(도시하지 않음)을 더욱 포함할 수 있다. 일례로, 컬러필터층은 제 1 화소영역(P1)에 대응하는 제 1 컬러필터층(청색 컬러필터층, 도시하지 않음), 제 2 화소영역(P2)에 대응하는 제 2 컬러필터층(녹색 컬러필터층, 도시하지 않음) 및 제 3 화소영역(P3)에 대응하는 제 3 컬러필터층(적색 컬러필터층, 도시하지 않음)을 포함할 수 있다.
유기발광표시장치(500)가 하부 발광 방식인 경우, 컬러필터층(도시하지 않음)은 유기발광다이오드(D)와 기판(510) 사이에 위치할 수 있다. 유기발광표시장치(500)가 상부 발광 방식인 경우, 컬러필터층은 유기발광다이오드(D) 상부에 위치할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 유기발광표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 유기발광표시장치(1000)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)이 정의된 기판(1010)과, 기판(1010) 상부에 위치하는 박막트랜지스터(Tr)와, 박막트랜지스터(Tr) 상부에 위치하며 박막트랜지스터(Tr)에 연결되는 유기발광다이오드(D)와, 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에 대응되는 컬러필터층(1020)을 포함한다. 일례로, 제 1 화소영역(P1)은 청색 화소영역이고, 제 2 화소영역(P2)은 녹색 화소영역이며, 제 3 화소영역(P3)은 적색 화소영역일 수 있다.
기판(1010)은 유리 기판 또는 플렉서블 기판일 수 있다. 일례로, 플렉서블 기판은 PI 기판, PES 기판, PEN 기판, PET 기판 및 PC 기판 중 어느 하나일 수 있다. 박막트랜지스터(Tr)는 기판(1010) 상에 위치한다. 이와 달리, 기판(1010) 상에 버퍼층(도시하지 않음)이 형성되고, 박막트랜지스터(Tr)는 버퍼층 상에 형성될 수도 있다. 도 2를 통해 설명한 바와 같이, 박막트랜지스터(Tr)는 반도체층, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고, 구동 소자로 기능한다.
컬러필터층(1020)이 기판(1010) 상에 위치한다. 일례로, 컬러필터층(820)은 제 1 화소영역(P1)에 대응되는 제 1 컬러필터층(1022), 제 2 화소영역(P2)에 대응되는 제 2 컬러필터층(1024) 및 제 3 화소영역(P3)에 대응되는 제 3 컬러필터층(1026)을 포함할 수 있다. 제 1 컬러필터층(1022)은 청색 컬러필터층이고, 제 2 컬러필터층(1024)은 녹색 컬러필터층이며, 제 3 컬러필터층(1026)은 적색 컬러필터층일 수 있다. 예를 들어, 제 1 컬러필터층(1022)은 청색 염료(dye)와 청색 안료(pigment) 중 적어도 하나를 포함하고, 제 2 컬러필터층(1024)은 녹색 염료와 녹색 안료 중 적어도 하나를 포함하며, 제 3 컬러필터층(1026)은 적색 염료와 적색 안료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
박막트랜지스터(Tr)와 컬러필터층(1020) 상에는 평탄화층(1050)이 위치한다. 평탄화층(1050)은 상면이 평탄하며, 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(도시하지 않음)을 노출하는 드레인 컨택홀(1052)을 갖는다.
유기발광다이오드(D)는 평탄화층(1050) 상에 위치하며, 컬러필터층(1020)에 대응된다. 유기발광다이오드(D)는 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전극(도시하지 않음)에 연결되는 제 1 전극(1110)과, 제 1 전극(1110) 상에 순차 위치하는 발광층(1120) 및 제 2 전극(1130)을 포함한다. 유기발광다이오드(D)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에서 백색 광을 발광한다.
제 1 전극(1110)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 별로 분리, 형성되고, 제 2 전극(1130)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에 대응하여 일체로 형성된다. 제 1 전극(1110)은 양극과 음극 중에서 하나일 수 있고, 제 2 전극(1130)은 양극과 음극 중에서 다른 하나일 수 있다. 또한, 제 1 전극(1110)은 투과전극이고, 제 2 전극(1130)은 반사전극일 수 있다.
예를 들어, 제 1 전극(1110)은 양극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 큰 도전성 물질, 예를 들어 투명 도전성 산화물(TCO)로 이루어지는 투명 도전성 산화물층을 포함할 수 있다. 제 2 전극(1130)은 음극일 수 있으며, 일함수 값이 비교적 작은 도전성 물질, 예를 들어 저-저항 금속으로 이루어지는 금속물질층을 포함할 수 있다. 일례로, 제 1 전극(1110)의 투명 도전성 산화물층은 ITO, IZO, ITZO, SnO, ZnO, ICO 및 AZO 중 어느 하나를 포함하고, 제 2 전극(1130)은 Al, Mg, Ca, Ag, 이들의 합금(예를 들어, Mg-Ag 합금)이나 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
제 1 전극(1110) 상에 발광층(1120)이 형성된다. 발광층(1120)은 서로 다른 색을 발광하는 적어도 2개의 발광부를 포함한다. 발광부는 각각 발광물질층(EML)의 단층 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 발광부는 각각 정공주입층(HIL), 정공수송층(HTL), 전자차단층(EBL), 정공차단층(HBL), 전자수송층(ETL) 및 전자주입층(EIL) 중 적어도 하나를 더욱 포함할 수 있다. 또한, 발광층(1120)은 발광부 사이에 위치하는 전하생성층(charge generation layer, CGL)을 더욱 포함할 수 있다.
이때, 적어도 2개의 발광부 중에서 적어도 하나의 발광물질층(EML)은 제 1 화합물 및 제 2 화합물을 포함하는 제 1 발광물질층과, 제 3 화합물 및 제 4 화합물을 포함하는 제 2 발광물질층을 포함할 수 있다.
평탄화층(1050) 상에는 제 1 전극(1110)의 가장자리를 덮는 뱅크층(1060)이 형성된다. 뱅크층(1060)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에 대응하여, 제 1 전극(1110)의 중앙을 노출한다. 전술한 바와 같이, 유기발광다이오드(D)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에서 백색 광을 발광하므로, 발광층(1120)은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에서 분리될 필요 없이 공통층으로 형성될 수 있다. 뱅크층(1060)은 제 1 전극(1110) 가장자리에서의 전류 누석을 막기 위해 형성되며, 뱅크층(1060)은 생략될 수 있다.
도시하지 않았으나, 유기발광표시장치(1000)는 외부 수분이 유기발광다이오드(D)로 침투하는 것을 방지하기 위해, 제 2 전극(1130) 상에 위치하는 인캡슐레이션 필름을 더욱 포함할 수 있다. 또한, 유기발광표시장치(1000)는 외부광의 반사를 줄이기 위해, 기판(1010) 하부에 위치하는 편광판을 더욱 포함할 수 있다.
도 9의 유기발광표시장치(1000)에서, 제 1 전극(1110)은 투과전극이고, 제 2 전극(1130)은 반사전극이며, 컬러필터층(1020)은 기판(1010)과 유기발광다이오드(D) 사이에 위치한다. 즉, 유기발광표시장치(1000)는 하부 발광 방식이다. 이와 달리, 유기발광표시장치(1000)에서, 제 1 전극(1110)은 반사전극이고, 제 2 전극(1130)은 투과전극(반투과전극)이며, 컬러필터층(1020)은 유기발광다이오드(D) 상부에 위치할 수 있다.
유기발광표시장치(1000)에서 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)의 유기발광다이오드(D)는 백색 광을 발광하고, 제 1 내지 제 3 컬러필터층(1022, 1024, 1026)을 통과함으로써, 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에서 각각 청색, 녹색 및 적색이 표시된다.
도시하지 않았으나, 유기발광다이오드(D)와 컬러필터층(1020) 사이에는 색변환층이 구비될 수도 있다. 색변환층은 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에 대응하며, 청색 색변환층, 녹색 색변환층 및 적색 색변환층을 포함하며, 유기발광다이오드(D)로부터 방출된 백색 광을 각각 청색, 녹색 및 적색으로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 색변환층은 양자점을 포함할 수 있다. 따라서, 유기발광표시장치(1000)의 색 순도가 더욱 향상될 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 컬러필터층(1020) 대신에 색변환층이 포함될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 예시적인 제 4 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 유기발광다이오드(D4)는 서로 마주하는 제 1 전극(1110) 및 제 2 전극(1130)과, 제 1 및 제 2 전극(1110, 1130) 사이에 위치하는 발광층(1120)을 포함한다. 제 1 전극(1110)은 양극일 수 있고, 제 2 전극(1130)은 음극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(1110)은 투과전극이고, 제 2 전극(1130)은 반사전극일 수 있다.
발광층(1120)은 하부 발광물질층(1240)을 포함하는 제 1 발광부(1220)와, 중간 발광물질층(1340)을 포함하는 제 2 발광부(1320)와, 상부 발광물질층(1440)을 포함하는 제 3 발광부(1420)를 포함한다. 또한, 발광층(1120)은 제 1 발광부(1220)와 제 2 발광부(1320) 사이에 위치하는 제 1 전하생성층(1280)과, 제 2 발광부(1320)와 제 3 발광부(1420) 사이에 위치하는 제 2 전하생성층(1380)을 더욱 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 발광부(1220), 제 1 전하생성층(1280), 제 2 발광부(1320), 제 2 전하생성층(1380) 및 제 3 발광부(1420)가 제 1 전극(1110) 상에 순차 적층된다.
제 1 발광부(1220)는 제 1 전극(1110)과 하부 발광물질층(1240) 사이에 위치하는 정공주입층(1250)과, 하부 발광물질층(1240)과 정공주입층(1250) 사이에 위치하는 제 1 정공수송층(HTL1, 1260)과, 하부 발광물질층(1240)과 제 1 전하생성층(1280) 사이에 위치하는 제 1 전자수송층(ETL1, 1270) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 1 발광부(1220)는 제 1 정공수송층(1260)과 하부 발광물질층(1240) 사이에 위치하는 제 1 전자차단층(EBL1, 1265)과 하부 발광물질층(1240)과 제 1 전자수송층(1270) 사이에 위치하는 제 1 정공차단층(1275, HBL1) 중에서 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.
제 2 발광부(1320)는 제 1 전하생성층(1280)과 중간 발광물질층(1340) 사이에 위치하는 제 2 정공수송층(HTL2, 1360)과, 중간 발광물질층(1340)과 제 2 전하생성층(1380) 사이에 위치하는 제 2 전자수송층(ETL2, 1370) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 2 발광부(1220)는 제 2 정공수송층(1360)과 중간 발광물질층(1340) 사이에 위치하는 제 2 전자차단층(EBL2, 1365)과, 중간 발광물질층(1340)과 제 2 전자수송층(1370) 사이에 위치하는 제 2 정공차단층(HBL2, 1375) 중에서 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.
제 3 발광부(1420)는 제 2 전하생성층(1380)과 상부 발광물질층(1440) 사이에 위치하는 제 3 정공수송층(HTL3, 1460)과, 상부 발광물질층(1440)과 제 2 전극(1130) 사이에 위치하는 제 3 전자수송층(HTL3, 1470)과, 제 3 전자수송층(1470)과 제 2 전극(1130) 사이에 위치하는 전자주입층(HIL, 1480) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 3 발광부(1420)는 제 3 정공수송층(1460)과 상부 발광물질층(1440) 사이에 위치하는 제 3 전자차단층(EBL3, 1465)과, 상부 발광물질층(1440)과 제 3 전자수송층(1470) 사이에 위치하는 제 3 정공차단층(1475) 중에서 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.
제 1 전하생성층(1280)은 제 1 발광부(1220)와 제 2 발광부(1320) 사이에 위치한다. 즉, 제 1 발광부(1220)와 제 2 발광부(1320)는 제 1 전하생성층(1280)에 의해 연결된다. 제 1 전하생성층(1280)은 제 1 N형 전하생성층(1282)과 제 1 P형 전하생성층(1284)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다.
제 1 N형 전하생성층(1282)은 제 1 전자수송층(1270)과 제 2 정공수송층(1360) 사이에 위치하고, 제 1 P형 전하생성층(1284)은 제 1 N형 전하생성층(1282)과 제 2 정공수송층(1360) 사이에 위치한다. 제 1 N형 전하생성층(1282)은 전자를 제 1 발광부(1220)의 하부 발광물질층(1240)으로 전달하고, 제 1 P형 전하생성층(1284)은 정공을 제 2 발광부(1320)의 중간 발광물질층(1340)으로 전달한다.
제 2 전하생성층(1380)은 제 2 발광부(1320)와 제 3 발광부(1420) 사이에 위치한다. 즉, 제 2 발광부(1320)와 제 3 발광부(1420)는 제 2 전하생성층(1380)에 의해 연결된다. 제 2 전하생성층(1380)은 제 2 N형 전하생성층(1382)과 제 2 P형 전하생성층(1384)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다.
제 2 N형 전하생성층(1382)은 제 2 전자수송층(1370)과 제 3 정공수송층(1460) 사이에 위치하고, 제 2 P형 전하생성층(1384)은 제 2 N형 전하생성층(1382)과 제 3 정공수송층(1460) 사이에 위치한다. 제 1 N형 전하생성층(1382)은 전자를 제 2 발광부(1320)의 중간 발광물질층(1340)으로 전달하고, 제 2 P형 전하생성층(1384)은 정공을 제 3 발광부(1420)의 상부 발광물질층(1440)으로 전달한다.
본 실시형태에서, 하부, 중간 및 상부 발광물질층(1240, 1340, 1440) 중에서 하나는 청색 발광물질층이고, 하부, 중간 및 상부 발광물질층(1240, 1340, 1440) 중에서 다른 하나는 녹색 발광물질층이고, 하부, 중간 및 상부 발광물질층(1240, 1340, 1440) 중에서 나머지는 적색 발광물질층일 수 있다.
일례로, 하부 발광물질층(1240)은 청색 발광물질층이고, 중간 발광물질층(1340)은 녹색 발광물질층이며, 상부 발광물질층(1440)은 적색 발광물질층일 수 있다. 선택적으로, 하부 발광물질층(1240)은 적색 발광물질층이고, 중간 발광물질층(1340)은 녹색 발광물질층이며, 상부 발광물질층(1440)은 청색 발광물질층일 수 있다. 이하에서는, 하부 발광물질층(1240)이 청색 발광물질층이고, 중간 발광물질층(1340)이 녹색 발광물질층이며, 제 3 발광물질층(1340)이 적색 발광물질층인 경우를 중심으로 설명한다.
하부 발광물질층(1240)은 제 1 화합물 및 제 2 화합물을 포함하는 제 1 발광물질층(1242)과, 제 3 화합물 및 제 4 화합물을 포함하는 제 2 발광물질층(1244)을 포함한다.
중간 발광물질층(1340)은 호스트와 녹색 도펀트를 포함하고, 상부 발광물질층(1440)은 호스트와 적색 도펀트를 포함할 수 있다. 일례로, 중간 발광물질층(1340) 및 상부 발광물질층(1440) 각각에서, 호스트는 제 1 화합물을 포함하고, 녹색 및 적색 도펀트는 각각 녹색 및 적색 인광 물질, 녹색 및 적색 형광 물질 및 녹색 및 적색 지연 형광 물질 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
유기발광다이오드(D4)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3, 도 9 참조)에서 백색을 발광하며, 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3)에 대응되게 형성되는 컬러필터층(1020, 도 9 참조)을 통과한다. 이에 따라, 유기발광표시장치(1000, 도 9 참조)는 풀-컬러 영상을 구현할 수 있다.
도 11은 본 발명의 예시적인 제 5 실시형태에 따른 유기발광다이오드를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 11에에 나타낸 바와 같이, 유기발광다이오드(D5)는 서로 마주하는 제 1 전극(1110) 및 제 2 전극(1130)과, 제 1 및 제 2 전극(1110, 1130) 사이에 위치하는 발광층(1120A)을 포함한다.
제 1 전극(1110)은 양극일 수 있고, 제 2 전극(1130)은 음극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(1110)은 투과전극이고, 제 2 전극(1130)은 반사전극일 수 있다.
발광층(1120A)은 하부 발광물질층(1540)을 포함하는 제 1 발광부(1520)와, 중간 발광물질층(1640)을 포함하는 제 2 발광부(1620)와, 상부 발광물질층(1740)을 포함하는 제 3 발광부(1720)를 포함한다. 또한, 발광층(1120A)은 제 1 발광부(1520)와 제 2 발광부(1620) 사이에 위치하는 제 1 전하생성층(1580)과, 제 2 발광부(1620)와 제 3 발광부(1720) 사이에 위치하는 제 2 전하생성층(1680)을 더욱 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 발광부(1520), 제 1 전하생성층(1580), 제 2 발광부(1620), 제 2 전하생성층(1680) 및 제 3 발광부(1720)가 제 1 전극(1110) 상에 순차 적층된다.
제 1 발광부(1520)는 제 1 전극(1110)과 하부 발광물질층(1540) 사이에 위치하는 정공주입층(1550, HIL)과, 하부 발광물질층(1540)과 정공주입층(1550) 사이에 위치하는 제 1 정공수송층(HTL1, 1560)과, 하부 발광물질층(1540)과 제 1 전하생성층(1580) 사이에 위치하는 제 1 전자수송층(ETL1, 1570) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 1 발광부(1520)는 제 1 정공수송층(1560)과 하부 발광물질층(1540) 사이에 위치하는 제 1 전자차단층(EBL1, 1565)과 하부 발광물질층(1540)과 제 1 전자수송층(1570) 사이에 위치하는 제 1 정공차단층(1575, HBL1) 중에서 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.
제 2 발광부(1620)를 구성하는 중간 발광물질층(1640)은 제 1층(1642)과 제 2층(1644)을 포함한다. 즉, 제 1층(1642)은 제 1 전극(1110)에 근접하게 위치하고, 제 2층(1644)은 제 2 전극(1130)에 근접하게 위치한다. 또한, 제 2 발광부(1620)는 제 1 전하생성층(1580)과 중간 발광물질층(1640) 사이에 위치하는 제 2 정공수송층(HTL2, 1660)과, 중간 발광물질층(1640)과 제 2 전하생성층(1680) 사이에 위치하는 제 2 전자수송층(ETL2, 1670) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 2 발광부(1620)는 제 2 정공수송층(1660)과 중간 발광물질층(1640) 사이에 위치하는 제 2 전자차단층(EBL2, 1665)과, 중간 발광물질층(1640)과 제 2 전자수송층(1670) 사이에 위치하는 제 2 정공차단층(HBL2, 1675) 중에서 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.
제 3 발광부(1720)는 제 2 전하생성층(1680)과 상부 발광물질층(1740) 사이에 위치하는 제 3 정공수송층(HTL3, 1760)과, 상부 발광물질층(1740)과 제 2 전극(1130) 사이에 위치하는 제 3 전자수송층(HTL3, 1770)과, 제 3 전자수송층(1770)과 제 2 전극(1130) 사이에 위치하는 전자주입층(HIL, 1780) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 3 발광부(1720)는 제 3 정공수송층(1760)과 상부 발광물질층(1740) 사이에 위치하는 제 3 전자차단층(EBL3, 1765)과, 상부 발광물질층(1740)과 제 3 전자수송층(1770) 사이에 위치하는 제 3 정공차단층(1775) 중에서 적어도 어느 하나를 더욱 포함할 수 있다.
제 1 전하생성층(1580)은 제 1 발광부(1520)와 제 2 발광부(1620) 사이에 위치한다. 즉, 제 1 발광부(1520)와 제 2 발광부(1620)는 제 1 전하생성층(1580)에 의해 연결된다. 제 1 전하생성층(1580)은 제 1 N형 전하생성층(1582)과 제 1 P형 전하생성층(1584)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다. 제 1 N형 전하생성층(1582)은 제 1 전자수송층(1570)과 제 2 정공수송층(1660) 사이에 위치하고, 제 1 P형 전하생성층(1584)은 제 1 N형 전하생성층(1582)과 제 2 정공수송층(1660) 사이에 위치한다.
제 2 전하생성층(1680)은 제 2 발광부(1620)와 제 3 발광부(1720) 사이에 위치한다. 즉, 제 2 발광부(1620)와 제 3 발광부(1720)는 제 2 전하생성층(1680)에 의해 연결된다. 제 2 전하생성층(1680)은 제 2 N형 전하생성층(1682)과 제 2 P형 전하생성층(1684)이 접합된 PN접합 전하생성층일 수 있다. 제 2 N형 전하생성층(1682)은 제 2 전자수송층(1670)과 제 3 정공수송층(1760) 사이에 위치하고, 제 2 P형 전하생성층(1684)은 제 2 N형 전하생성층(1682)과 제 3 정공수송층(1760) 사이에 위치한다.
본 실시형태에서, 하부 발광물질층(1540)과 상부 발광물질층(1740)은 각각 청색 발광물질층일 수 있다. 일례로, 하부 발광물질층(1540)은 제 1 화합물 및 제 2 화합물을 포함하는 제 1 발광물질층(1542)과, 제 3 화합물 및 제 4 화합물을 포함하는 제 2 발광물질층(1544)을 포함한다. 상부 발광물질층(1740)은 제 1 화합물 및 제 2 화합물을 포함하는 제 1 발광물질층(1742)과, 제 3 화합물 및 제 4 화합물을 포함하는 제 2 발광물질층(1744)을 포함할 수 있다.
하부 발광물질층(1540)의 제 1 발광물질층(1542)에 포함되는 제 1 화합물 및 제 2 화합물은 각각 독립적으로 상부 발광물질층(1740)의 제 1 발광물질층(1742)에 포함되는 제 1 화합물 및 제 2 화합물과 동일하거나 상이할 수 있다. 하부 발광물질층(1540)의 제 2 발광물질층(1544)에 포함되는 제 3 화합물 및 제 4 화합물은 각각 독립적으로 상부 발광물질층(1740)의 제 2 발광물질층(1744)에 포함되는 제 3 화합물 및 제 4 화합물과 동일하거나 상이할 수 있다. 선택적인 측면에서, 상부 발광물질층(1740)은 하부 발광물질층(1540)에 포함되는 제 1 화합물 내지 제 4 화합물 중에서 적어도 하나와 다른 화합물을 포함하여 하부 발광물질층(1540)과 다른 파장의 빛을 발광하거나 다른 발광 효율을 가질 수 있다.
제 2 발광물질층(1640)을 구성하는 제 1층(1642)과 제 2층(1644) 중에서 어느 하나는 녹색 발광물질층이고, 제 2 발광물질층(1640)을 구성하는 제 1층 (1642)과 제 2층(1644) 중에서 다른 하나는 적색 발광물질층일 수 있다. 즉, 녹색 발광물질층과 적색 발광물질층이 연속하여 적층됨으로써, 제 2 발광물질층(1640)을 이룬다. 예를 들어, 제 1층(1642)은 적색 발광물질층이고, 제 2층(1644)은 녹색 발광물질층일 수 있다.
예를 들어, 적색 발광물질층인 제 1층(1642)은 호스트와 적색 도펀트를 포함할 수 있고, 녹색 발광물질층인 제 2층(1644)은 호스트와 녹색 도펀트를 포함할 수 있다. 일례로, 호스트는 제 1 화합물을 포함하고, 적색 및 녹색 도펀트는 각각 적색 및 녹색 인광 물질, 적색 및 녹색 형광 물질 및 적색 및 녹색 지연 형광 물질 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
유기발광다이오드(D3)는 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3, 도 9 참조) 모두에서 백색을 발광하며, 제 1 내지 제 3 화소영역(P1, P2, P3) 각각에서 컬러필터층(1020, 도 9 참조)를 통과함으로써, 유기발광표시장치(1000, 도 9 참조)는 풀-컬러 영상을 구현할 수 있다.
도 15에서 유기발광다이오드(D3)는 청색 발광물질층인 상부 및 하부 발광물질층(1540, 1740)을 각각 포함하여, 제 1 내지 제 3 발광부(1520, 1620, 1720)을 포함하여 3중 스택 구조를 갖는다. 이와 달리, 상부 및 하부 발광물질층(1540, 1740)을 포함하는 제 1 및 제 3 발광부(1520, 1720) 중에서 어느 하나가 생략되고, 유기발광다이오드(D5)는 이중 스택 구조를 가질 수도 있다.
이하, 예시적인 실시형태를 통하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다.
실험예 1: 발광 물질의 PL 스펙트럼 측정
인광 물질인 화학식 4의 화합물 2-7과, 아래 표시한 비교 화합물 1, 비교 화합물 2와, 형광 물질인 화학식 8의 화합물 4-5, 화합물 4-1과, 아래 표시한 비교 화합물 3의 PL 스펙트럼을 측정하였다. 호스트인 화학식 2의 화합물 2-1과, 각각의 인광 물질을 90:10의 중량비로 배합한 뒤, 박막을 형성하여 PL 스펙트럼을 측정하였다. 또한, 호스트인 화학식 6의 3-1과, 각각의 형광 물질을 98:2의 중량비로 배합한 뒤, 박막을 형성하여 PL 스펙트럼을 측정하였다.
[비교 화합물]
측정 결과를 하기 표 1, 도 12 및 도 13에 나타낸다. 표 1에서 λmax는 최대 발광 피크, 1st peak는 발광 피크 중에서 단파장 대역의 발광 피크, 2nd peak는 발광 피크 중에서 장파장 대역의 발광 피크, 피크 강도 비율은 1st peak의 강도에 대한 2nd peak 강도의 비율이다.
| 물질 | λmax (nm) |
1st peak (nm) |
2nd peak (nm) |
피크 강도 비율 | FWQM (nm) |
| 2-7 | 461 | 461 | 480 | 0.56 | 64 |
| 비교1 | 462 | 462 | 493 | 0.69 | 83 |
| 비교2 | 489 | 462 | 480 | 1.10 | 98 |
| 4-5 | 457 | 457 | - | - | 57 |
| 4-1 | 460 | 460 | - | - | 50 |
| 비교3 | 489 | 489 | - | - | 28 |
실시예 1: 유기발광다이오드 제조
제 1 발광물질층에 화합물 1-1과 화합물 2-7를 적용하고, 제 2 발광물질층에 화합물 3-1과 화합물 4-5를 도입한 유기발광다이오드를 제조하였다.
ITO-APC 부착 기판을 사용하기 전에 UV 오존으로 세척하고, 증발 시스템에 적재하였다. 기판 상부에 다른 층들을 증착하기 위하여 증착 챔버 내부로 이송하였다. 약 10-7 Torr 진공 하에 가열 보트로부터 증발에 의해 다음과 같은 순서로 유기물층을 증착하였다.
ITO(두께 7 nm)-APC(100 두께 100 nm); 정공주입층(NPD: p-도펀트인 F4-TCNQ = 90: 10 중량비, 두께 10 nm); 정공수송층(NPD, 두께 123 nm), 전자차단층(TAPC, 두께 5 nm), 제 1 발광물질층(화합물 1-1: 화합물 2-7 = 90: 10 중량비, 두께 15 nm); 제 2 발광물질층(화합물 3-1: 화합물 4-5 = 98: 2 중량비, 두께 15 nm); 정공차단층(B3PYMPM, 두께 5 nm), 전자수송층(PBPPhen, 두께 25 nm); 전자주입층(LiF, 두께 2 nm), 음극(Al: Mg = 90: 10 중량비, 두께 12 nm).
CPL(capping layer, NPD, 두께: 70 nm)을 성막한 뒤에 유리로 인캡슐레이션 하였다. 발광층 및 음극을 증착한 후, 피막을 형성하기 위하여 증착 챔버에서 건조 박스 내로 옮기고 후속적으로 UV 경화 에폭시 및 수분 게터(getter)를 사용하여 인캡슐레이션 하였다. 아래에 발광층에 사용된 유기 화합물의 구조를 나타낸다.
실시예 2: 유기발광다이오드 제조
제 2 발광물질층의 형광 물질로서 화합물 4-5를 대신하여, 화학식 8의 화합물 4-1을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
실시예 3: 유기발광다이오드 제조
발광물질층의 구성을 화합물 3-1과 화합물 4-5가 98: 2의 중량비로 배합된 제 1 발광물질층(두께 15 nm), 화합물 1-1과 화합물 2-7이 90: 10의 중량비로 배합된 제 2 발광물질층(두께 15 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
실시예 4: 유기발광다이오드 제조
발광물질층의 구성을 화합물 3-1과 화합물 4-1이 98: 2의 중량비로 배합된 제 1 발광물질층(두께 15 nm), 화합물 1-1과 화합물 2-7이 90: 10의 중량비로 배합된 제 2 발광물질층(두께 15 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 1: 유기발광다이오드 제조
정공수송층의 두께를 128 nm로 변경하고, 2개의 발광물질층을 대신하여 화합물 3-1과 화합물 4-5가 98: 2의 중량비로 배합된 단일 발광물질층(두께 30 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 2: 유기발광다이오드 제조
정공수송층의 두께를 128 nm로 변경하고, 2개의 발광물질층을 대신하여 화합물 3-1과 화합물 4-1이 98: 2의 중량비로 배합된 단일 발광물질층(두께 30 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 3: 유기발광다이오드 제조
정공수송층의 두께를 135 nm로 변경하고, 2개의 발광물질층을 대신하여 화합물 3-1과 비교화합물 3이 98: 2의 중량비로 배합된 단일 발광물질층(두께 30 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 4: 유기발광다이오드 제조
정공수송층의 두께를 128 nm로 변경하고, 2개의 발광물질층을 대신하여 화합물 1-1과 화합물 2-7이 90: 10의 중량비로 배합된 단일 발광물질층(두께 30 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 5: 유기발광다이오드 제조
정공수송층의 두께를 128 nm로 변경하고, 제 2 발광물질층의 형광 물질로서 화합물 4-5를 대신하여 비교화합물 3을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 6: 유기발광다이오드 제조
정공수송층의 두께를 128 nm로 변경하고, 2개의 발광물질층을 대신하여 화합물 1-1과 비교화합물 1이 90: 10의 중량비로 배합된 단일 발광물질층(두께 30 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 7: 유기발광다이오드 제조
정공수송층의 두께를 128 nm로 변경하고, 제 1 발광물질층의 인광 물질로서 화합물 2-7을 대신하여 비교화합물 1을 사용하고, 제 2 발광물질층의 형광 물질로서 화합물 4-5를 대신하여 비교화합물 3을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 8: 유기발광다이오드 제조
정공수송층의 두께를 130 nm로 변경하고, 2개의 발광물질층을 대신하여 화합물 1-1과 비교화합물 2가 90: 10의 중량비로 배합된 단일 발광물질층(두께 30 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 9: 유기발광다이오드 제조
제 1 발광물질층의 인광 물질로서 화합물 2-7을 대신하여 비교화합물 2를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 10: 유기발광다이오드 제조
제 1 발광물질층의 인광 물질로서 화합물 2-7을 대신하여 비교화합물 2를 사용하고, 제 2 발광물질층의 형광 물질로서 화합물 4-5를 대신하여 화합물 4-1을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 11: 유기발광다이오드 제조
정공수송층의 두께를 130 nm로 변경하고, 제 1 발광물질층의 인광 물질로서 화합물 2-7을 대신하여 비교화합물 2를 사용하고, 제 2 발광물질층의 형광 물질로서 화합물 4-5를 대신하여 비교화합물 3을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 12: 유기발광다이오드 제조
발광물질층의 구성을 화합물 3-1과 화합물 4-5가 98: 2의 중량비로 배합된 제 1 발광물질층(두께 15 nm), 화합물 1-1과 비교화합물 1이 90: 10의 중량비로 배합된 제 2 발광물질층(두께 15 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
실시예 13: 유기발광다이오드 제조
정공수송층의 두께를 125 nm로 변경하고, 발광물질층의 구성을 화합물 3-1과 화합물 4-1이 98: 2의 중량비로 배합된 제 1 발광물질층(두께 15 nm), 화합물 1-1과 비교화합물 1이 90: 10의 중량비로 배합된 제 2 발광물질층(두께 15 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
실험예 2: 유기발광다이오드의 발광 특성 측정
실시예 1 내지 실시예 4와, 비교예 1 내지 비교예 13에서 각각 제조된 유기발광다이오드를 대상으로 광학 특성을 측정하였다. 9 ㎟의 방출 영역을 갖는 각각의 유기발광다이오드를 외부전력 공급원에 연결하였으며, 전류 공급원(KEITHLEY) 및 광도계(PR 650)를 사용하여 실온에서 소자 특성을 평가하였다. 5.0 ㎃/㎠의 전류밀도에서 각각의 유기발광다이오드의 전류효율(cd/A), 색좌표(CIEx, CIEy), 청색 지수(blue index, BI, cd/A 값을 CIEy 값으로 나눔) 및 인광 소자 대비 상대 발광 수명(T95)를 측정하였다(실시예 1 내지 4 및 비교예 5는 각각 비교예 4와 비교한 상대 발광 수명; 비교예 7, 비교예 12 및 비교예 13은 비교예 6과 비교한 상대 발광 수명, 비교예 9-11은 비교예 8과 비교한 상대 발광 수명). 또한, 실시예에서 사용된 인광 물질 및 형공 물질의 PL 스펙트럼과, 각각의 유기발광다이오드의 전계 발광 스펙트럼을 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 2와, 도 14 내지 및 도 19에 나타낸다.
| 샘플 | EML1 | EML2 | cd/A | CIEx | CIEy | BI | T95 (상대값) |
| 비교예 1 | 4-5 | 7.7 | 0.139 | 0.046 | 169 | - | |
| 비교예 2 | 4-1 | 7.0 | 0.138 | 0.045 | 156 | - | |
| 비교예 3 | 비교3 | 18.7 | 0.115 | 0.087 | 216 | - | |
| 비교예 4 | 2-7 | 16.5 | 0.134 | 0.062 | 267 | 100 | |
| 실시예 1 | 2-7 | 4-5 | 11.1 | 0.137 | 0.052 | 214 | 372 |
| 실시예 2 | 2-7 | 4-1 | 10.6 | 0.137 | 0.051 | 207 | 315 |
| 실시예 3 | 4-5 | 2-7 | 12.0 | 0.137 | 0.057 | 210 | 342 |
| 실시예 4 | 4-1 | 2-7 | 11.7 | 0.136 | 0.057 | 204 | 302 |
| 비교예 5 | 2-7 | 비교3 | 17.8 | 0.124 | 0.077 | 232 | 252 |
| 비교예 6 | 비교1 | 15.4 | 0.131 | 0.078 | 196 | 100 | |
| 비교예 7 | 비교1 | 비교3 | 17.2 | 0.121 | 0.085 | 202 | 211 |
| 비교예 8 | 비교2 | 17.3 | 0.125 | 0.104 | 165 | 100 | |
| 비교예 9 | 비교2 | 4-5 | 10.1 | 0.135 | 0.061 | 165 | 287 |
| 비교예 10 | 비교2 | 4-1 | 9.6 | 0.135 | 0.061 | 158 | 253 |
| 비교예 11 | 비교2 | 비교3 | 19.4 | 0.116 | 0.102 | 190 | 211 |
| 비교예 12 | 4-5 | 비교1 | 12.1 | 0.135 | 0.066 | 183 | 251 |
| 비교예 13 | 4-1 | 비교1 | 13.4 | 0.131 | 0.076 | 177 | 224 |
표 2, 도 14 내지 도 19에 나타낸 바와 같이, 형광 물질만을 발광물질층에 사용한 비교예 1 및 비교예 3에서 제조된 유기발광다이오드의 발광 효율은 낮았으며, BI 역시 좋지 않았다. 인광 물질만을 발광물질층에 사용한 비교예 4, 비교예 6 및 비교예 8에서 제조된 유기발광다이오드의 발광 수명은 좋지 않았다. 발광 파장에서 제 1 피크 강도에 대한 제 2 피크 강도가 상대적으로 높으며, FWQM이 큰 비교화합물 1 및 비교화합물 2를 발광물질층에 사용한 비교예 비교예 9 내지 비교예 13에서 제조된 유기발광다이오드에서 CIEy 값이 증가하였다. 이에 따라, 발광물질층에 형광 물질만을 사용한 비교예 1-3의 유기발광다이오드와 비교해서도 BI 값이 감소하여 색 개선 효과가 미비하였다.
또한, 인광 물질의 최대 발광 피크와 비교해서 크게 차이가 있는 최대 발광 피크를 갖는 비교화합물 3을 발광물질층에 사용한 비교예 5, 비교예 7 및 비교예 11에서 제조된 유기발광다이오드에서는 CIEy 값이 큰 폭으로 증가함에 따라 BI 값이 감소하였다. 특히, 비교예 5에서 제조된 유기발광다이오드의 발광 수명은 실시예 1 내지 실시예 2에서 제조된 유기발광다이오드의 발광 수명보다 크게 감소하였다.
반면, 비교예 1 및 비교에 2에서 제조된 발광다이오드와 비교해서, 동일한 형광 물질을 적용한 실시예 1 내지 실시예 4에서 제조된 유기발광다이오드의 전류 효율은 크게 향상되고(최대 71.4% 향상), CIEy 값은 크게 변하지 않았다. 이에 따라, BI 값이 크게 향상되면서 깊은 청색 발광 및 우수한 색순도를 구현하였다. 또한, 비교예 5에서 제조된 발광다이오드와 비교해서도 발광 수명은 크게 향상되었다. 특히, 인광 물질의 최대 발광 피크와 비교해서 단파장 영역에서 최대 발광 피크가 형성되며, FWQM이 상대적으로 좁은 형광 물질을 cathode 쪽에 가까운 제 2 발광물질층에 형성한 실시예 1 및 실시예 2에서 CIEy 값은 거의 변하지 않아, BI 값 및 발광 수명이 더욱 향상되었다.
비교예 14: 유기발광다이오드 제조
2개의 발광물질층을 대신하여 화합물 1-1, 화합물 2-7 및 화합물 4-5가 88: 10: 2의 중량비로 배합된 단일 발광물질층(두께 30 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 15: 유기발광다이오드 제조
2개의 발광물질층을 대신하여 화합물 1-1, 화합물 2-7 및 화합물 4-1이 88: 10: 2의 중량비로 배합된 단일 발광물질층(두께 30 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 16: 유기발광다이오드 제조
2개의 발광물질층을 대신하여 화합물 1-1, 비교화합물 1 및 화합물 4-5가 88: 10: 2의 중량비로 배합된 단일 발광물질층(두께 30 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
비교예 17: 유기발광다이오드 제조
2개의 발광물질층을 대신하여 화합물 1-1, 화합물 2-7 및 화합물 4-1이 88: 10: 2의 중량비로 배합된 단일 발광물질층(두께 30 nm)으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 물질을 사용하여 유기발광다이오드를 제조하였다.
실험예 3: 유기발광다이오드의 발광 특성 측정
실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 4, 비교예 6 및 비교예 14 내지 비교예 17에서 각각 제조된 유기발광다이오드의 발광 특성을 실험예 1과 동일한 방법으로 측정하였다. 비교예 14-15의 발광 수명은 비교예 4와 비교하였고, 비교예 16-17의 발광 수명은 비교예 6과 비교하였다. 측정 결과를 하기 표 3에 나타낸다.
| 샘플 | EML1 | EML2 | cd/A | CIEx | CIEy | BI | T95 (상대값) |
| 비교예 4 | 2-7 | 16.5 | 0.134 | 0.062 | 267 | 100 | |
| 실시예 1 | 2-7 | 4-5 | 11.1 | 0.137 | 0.051 | 214 | 372 |
| 실시예 2 | 2-7 | 4-1 | 10.6 | 0.137 | 0.051 | 207 | 315 |
| 실시예 3 | 4-5 | 2-7 | 12.0 | 0.137 | 0.057 | 210 | 342 |
| 실시예 4 | 4-1 | 2-7 | 11.7 | 0.136 | 0.057 | 204 | 302 |
| 비교예 14 | 2-7, 4-5 | 16.7 | 0.138 | 0.050 | 333 | 48 | |
| 비교예 15 | 2-7, 4-1 | 12.5 | 0.137 | 0.049 | 254 | 32 | |
| 비교예 6 | 비교1 | 15.4 | 0.131 | 0.078 | 196 | 100 | |
| 비교예 16 | 비교1, 4-5 | 15.6 | 0.137 | 0.053 | 293 | 37 | |
| 비교예 17 | 비교 1, 4-1 | 12.0 | 0.136 | 0.053 | 225 | 26 | |
비교예 14 내지 비교예 17에서 높은 삼중항 에너지를 가지는 제 1 화합물과, 인광 물질 및 형광 물질이 동일 발광물질층에 포함된다. 인광 물질에서 생성된 삼중항 엑시톤의 농도가 단일 발광물질층에서 높게 유지되고, 생성된 삼중항 엑시톤이 인접한 다른 분자로 전이되지 못하여, 형광 물질을 열화시시키면서 발광 수명이 크게 감소하였다. 반면, 실시예에서와 같이, 인광 발광물질층과 형광 발광물질층을 구분하면, 엑시톤 분산 효과에 의하여 인광 발광물질층에서 생성된 삼중항 엑시톤 농도가 감소한다. 인광 발광물질층에서 고에너지 삼중항 엑시톤에 의한 소광(quenching, triplet-triplet annihilation 또는 triplet-polaron annihilation 등)을 억제할 수 있다. 또한, 형광 발광물질층은 여기 삼중항 에너지 준위가 낮은 제 3 화합물을 호스트로 포함하여, 형광 발광물질층의 삼중항 에너지가 낮고, 형광 발광물질층에서 엑시톤 안정성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 매우 우수한 발광 수명을 구현할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 예시적인 실시형태 및 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시형태 및 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되는 것은 아니다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 실시형태 및 실시예를 토대로 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다. 하지만, 이러한 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다는 점은, 첨부하는 청구범위에서 분명하다.
100, 500, 1000: 유기발광표시장치
210, 610, 1110: 제 1 전극
220, 220A, 620, 1120, 1120A: 발광층
230, 630, 1130: 제 2 전극
240, 340, 440, 640, 1240, 1340, 1440, 1540, 1640, 1740: 발광물질층
242, 342, 442, 642, 1242, 1542, 1742: 제 1 발광물질층
244, 344, 444, 644, 1244, 1544, 1744: 제 2 발광물질층
D, D1, D2, D3, D4, D5: 유기발광다이오드
Tr: 박막트랜지스터
210, 610, 1110: 제 1 전극
220, 220A, 620, 1120, 1120A: 발광층
230, 630, 1130: 제 2 전극
240, 340, 440, 640, 1240, 1340, 1440, 1540, 1640, 1740: 발광물질층
242, 342, 442, 642, 1242, 1542, 1742: 제 1 발광물질층
244, 344, 444, 644, 1244, 1544, 1744: 제 2 발광물질층
D, D1, D2, D3, D4, D5: 유기발광다이오드
Tr: 박막트랜지스터
Claims (15)
- 제 1 전극;
상기 제 1 전극과 마주하는 제 2 전극; 및
상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하며, 적어도 하나의 발광물질층을 포함하는 발광층을 포함하고,
상기 적어도 하나의 발광물질층은 제 1 발광물질층과, 상기 제 1 발광물질층에 인접하게 위치하는 제 2 발광물질층을 포함하고,
상기 제 1 발광물질층은 하기 화학식 1의 구조를 가지는 제 1 화합물과, 하기 화학식 3의 구조를 가지는 제 2 화합물을 포함하고,
상기 제 2 발광물질층은 하기 화학식 5의 구조를 가지는 제 3 화합물과, 하기 화학식 7의 구조를 가지는 제 4 화합물을 포함하는 유기발광다이오드.
화학식 1
화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 카바졸일기 또는 카볼리닐기이며, 상기 카바졸일기 및 상기 카볼리닐기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 적어도 하나의 Q1으로 치환될 수 있음; R3는 수소 원자, 시아노기, C1-C10 알킬기, C6-C30 아릴기 및 C3-C30 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨; Z는 질소 원자 또는 CH임; L1 및 L2는 각각 독립적으로 직접 결합, C6-C30 아릴렌기 또는 C3-C20 헤테로 아릴렌기이며, 상기 C6-C30 아릴렌기 및 상기 C3-C30 헤테로 아릴렌기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, C1-C10 알킬기로 치환될 수 있음; Q1은 시아노기, C6-C20 아릴기 또는 C3-C20 헤테로 아릴기임.
화학식 3
화학식 3에서, R11 내지 R14는 각각 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 시아노기, C1-C20 알킬기, C1-C20 알킬 아미노기, C6-C30 아릴기, C3-C30 헤테로 아릴기 및 아다만틸기로 구성되는 군에서 선택되며; 상기 C6-C30 아릴기, 상기 C3-C30 헤테로 아릴기 및 상기 아다만틸기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 적어도 하나의 Q2로 치환될 수 있음; Q2는 C1-C10 알킬기, C6-C20 아릴기 및 C3-C30 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨.
화학식 5
화학식 5에서, R21 및 R22는 각각 독립적으로 수소 원자, C1-C20 알킬기, C6-C30 아릴기 또는 C3-C30 헤테로 아릴기이며, 상기 C6-C30 아릴기 및 상기 C3-C30 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, 적어도 하나의 Q3로 치환될 수 있음; R23 및 R24는 각각 C6-C30 아릴기 또는 C3-C30 헤테로 아릴기이며, 상기 C6-C30 아릴기 및 상기 C3-C30 헤테로 아릴기는 각각 독립적으로 치환되지 않거나, 적어도 하나의 Q3로 치환될 수 있음; Q3는 C6-C20 아릴기 및 C3-C20 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨.
화학식 7
화학식 7에서, R31 내지 R35는 각각 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 시아노기, C1-C20 알킬기, C6-C30 아릴기, C3-C20 헤테로 아릴기 또는 C6-C30 아릴 아미노기이며, 상기 C6-C30 아릴기, C3-C20 헤테로 아릴기 및 C6-C30 아릴 아미노기를 구성하는 방향족 고리는 각각 독립적으로 치환되지 않거나 적어도 하나의 Q4로 치환될 수 있음; m이 복수인 경우, 각각의 R34는 동일하거나 상이할 수 있고, n이 복수인 경우, 각각의 R35는 동일하거나 상이할 수 있음; R34 및 R35가 각각 수소 원자인 경우, m과 n은 각각 5이고, R34 및 R35가 각각 수소 원자가 아닌 경우, m과 n은 치환기의 개수로서 각각 독립적으로 0 내지 5의 정수임; Q4는 C1-C20 알킬기, C6-C20 아릴기 및 C3-C20 헤테로 아릴기로 구성되는 군에서 선택됨.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 2 발광물질층은 상기 제 1 발광물질층과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 유기발광다이오드.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위는 상기 제 2 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위보다 높고, 상기 제 4 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위는 상기 제 3 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위보다 높은 유기발광다이오드.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 3 화합물의 여기 단일항 에너지 준위는 상기 제 4 화합물의 여기 단일항 에너지 준위보다 높고, 상기 제 4 화합물의 여기 단일항 에너지 준위는 상기 제 3 화합물의 여기 삼중항 에너지 준위보다 높은 유기발광다이오드.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 2 화합물의 발광(photolumiescnce) 스펙트럼에서 최대 발광 피크의 세기에 대한 2번째 발광 피크의 세기의 비율은 0.20 이상 0.65 이하인 유기발광다이오드.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 4 화합물의 4반치전폭(full with at quarter maximum, FWQM)은 상기 제 2 화합물의 4반치전복보다 좁은 유기발광다이오드.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 화합물은 하기 화학식 2의 구조를 가지는 유기 화합물에서 선택되는 유기발광다이오드.
화학식 2
- 제 1항에 있어서,
상기 제 2 화합물은 하기 화학식 4의 구조를 가지는 유기 금속 화합물에서 선택되는 유기발광다이오드.
화학식 4
- 제 1항에 있어서,
상기 제 3 화합물은 하기 화학식 6의 구조를 가지는 유기 화합물에서 선택되는 유기발광다이오드.
화학식 6
- 제 1항에 있어서,
상기 제 4 화합물은 하기 화학식 8의 구조를 가지는 유기 화합물에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 유기발광다이오드.
화학식 8
- 제 1항에 있어서,
상기 발광층은 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 제 1 발광부와, 상기 제 1 발광부와 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 2 발광부와, 상기 제 1 및 제 2 발광부 사이에 위치하는 제 1 전하생성층을 포함하고,
상기 제 1 발광부와 상기 제 2 발광부 중에서 적어도 하나는 상기 적어도 하나의 발광물질층을 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 11에 있어서,
상기 제 1 발광부는 상기 적어도 하나의 발광물질층을 포함하고,
상기 제 2 발광부는 청색 형광 발광물질층, 청색 인광 발광물질층, 청색 지연 형광 발광물질층 또는 상기 발광물질층을 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 11항에 있어서,
상기 발광층은, 상기 제 2 발광부와 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 제 3 발광부와, 상기 제 2 발광부와 상기 제 3 발광부 사이에 위치하는 제 2 전하생성층을 더욱 포함하는 유기발광다이오드.
- 제 13항에 있어서,
상기 제 1 발광부와 상기 제 3 발광부 중에서 적어도 하나는 상기 발광물질층을 포함하는 유기발광다이오드.
- 기판; 및
상기 기판 상에 위치하며, 제 1항 내지 제 14항 중에서 어느 하나의 청구항에 기재된 유기발광다이오드
를 포함하는 유기발광장치.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| KR1020210182140A KR20230092605A (ko) | 2021-12-17 | 2021-12-17 | 유기발광다이오드 및 이를 포함하는 유기발광장치 |
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| CN202211637672.4A CN116419650A (zh) | 2021-12-17 | 2022-12-16 | 有机发光二极管和包括该有机发光二极管的有机发光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210182140A KR20230092605A (ko) | 2021-12-17 | 2021-12-17 | 유기발광다이오드 및 이를 포함하는 유기발광장치 |
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Family
ID=86769648
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210182140A KR20230092605A (ko) | 2021-12-17 | 2021-12-17 | 유기발광다이오드 및 이를 포함하는 유기발광장치 |
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20220008443A (ko) * | 2020-07-13 | 2022-01-21 | 삼성디스플레이 주식회사 | 발광 소자, 이를 포함한 전자 장치 및 유기금속 화합물 |
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