KR20230103743A - 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 발광층에서 이용되지 못한 정공을 별도의 층을 발광층에 인접하여 구비하여 발광에 이용하여 효율과 수명을 모두 개선한 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치에 관한 발명이다. 이를 위해 본 발명의 발광 소자는 서로 대향된 제 1 전극 및 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에, 정공 수송층, 발광층, 효율 개선층 및 전자 수송층을 순서대로 포함하며, 상기 발광층은 안트라센 유도체의 제 1 호스트와 제 1 청색 도펀트를 갖고, 상기 효율 개선층은 양극성(bipolar)의 제 2 호스트와 제 2 청색 도펀트를 포함할 수 있다.

Description

발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치 {Light Emitting Display Device and Display Device Using the Same}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 효율 개선층을 발광층에 인접하게 구성함으로써 발광층에서 여기에 이용되지 못하고 소비되던 정공을 발광에 활용함으로써 효율을 개선할 수 있는 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치에 관한 발명이다.
최근 별도의 광원을 요구하지 않으며 장치의 컴팩트화 및 선명한 컬러 표시를 위해 발광 표시 장치가 경쟁력 있는 어플리케이션(application)으로 고려되고 있다.
한편, 발광 표시 장치에서는 복수개의 서브 화소를 구비하고, 별도의 광원없이 각 서브 화소에 발광 소자를 구비하여, 광을 출사하고 있다.
발광 소자는 발광 색별 효율에 차이가 있고 최근에는 청색 발광 소자에 대해 연구가 진행 중이다. 청색 형광 소자의 경우 삼중항 여기자 융합(TTF: Triplet-triplet Fusion) 방식으로 효율을 개선하고 있으며, 이 방식을 적용시 효율-수명간의 트레이드 오프(trade-off) 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 발광 소자는 이를 해결하기 위해 안출한 것으로, 발광층에서 이용되지 못한 정공을 별도의 층을 발광층에 인접하여 구비하여 발광에 이용하여 효율과 수명을 모두 개선한 발광 소자 및 이를 이용한 표시 장치에 관한 발명이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 서로 대향된 제 1 전극 및 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에, 정공 수송층, 발광층, 효율 개선층 및 전자 수송층을 순서대로 포함하며, 상기 발광층은 안트라센 유도체의 제 1 호스트와 제 1 청색 도펀트를 갖고, 상기 효율 개선층은 양극성(bipolar)의 제 2 호스트와 제 2 청색 도펀트를 포함할 수 있다.
본 발명의 발광 소자는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 발광 소자는 발광층과 전자 수송층 사이에 효율 개선층을 구비하고, 이에 양극성(bipolar) 호스트와 청색 도펀트를 포함시켜, 효율 개선층 에서 발광층 내에 잔류한 정공을 발광에 이용하여 보조 발광이 발생되도록 한다. 즉, 삼중항 융합 방식으로 효율을 올리는 방식에서 삼중항 생성에 이용되지 못한 정공을 효율 개선층에서 발광에 이용함으로써 효율을 개선할 수 있다.
또한, 발광층 내에서 여기자나 캐리어가 발광에 이용되지 못하고 층 내에 잔류하여 소광되는 경우 수명의 저하를 일으킬 수 있으나 본 발명의 발광 소자는 구동 전류가 공급되는 동안 발광층에 인접한 효율 개선층에서 잉여 정공을 엑시톤 (exciton) 생성에 활용하여 캐리어나 여기자가 계면에서 적체되어 발생되는 수명 저하 현상을 방지하며 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 발광층과 주변층의 에너지 밴드다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 3은 발광층과 주변층에서 정공 및 전자의 이동과, 주발광 및 보조 발광이 발생되는 현상을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것으로, 실제 제품의 부품 명칭과 상이할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도면에 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 포함된 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, 위치 관계에 대하여 설명하는 경우에, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, 시간 관계에 대한 설명하는 경우에, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명함에 있어, '제 1~', '제 2~' 등이 다양한 구성 요소를 서술하기 위해서 사용될 수 있지만, 이러한 용어들은 서로 동일 유사한 구성 요소 간에 구별을 하기 위하여 사용될 따름이다. 따라서, 본 명세서에서 '제 1~'로 수식되는 구성 요소는 별도의 언급이 없는 한, 본 발명의 기술적 사상 내에서 '제 2~' 로 수식되는 구성 요소와 동일할 수 있다.
본 발명의 여러 다양한 실시예 내의 각각의 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 다양한 실시예가 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
본 명세서에서 어떠한 층의 'LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbitals Level) 에너지 준위' 및 'HOMO(Highest Occupied Molecular Orbitals Level) 에너지 준위'라 함은, 해당 층에 도핑된 도펀트(dopant) 물질의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위이라고 지칭하지 않는 한, 해당 층의 대부분의 중량비를 차지하는 물질, 예를 들어 호스트(host) 물질의 LUMO 에너지 준위 및 HOMO 에너지 준위를 의미한다.
본 명세서에서 'HOMO 에너지 준위'이란, UV 를 조사하여 표면에서 전자가 튀어나오는데 필요한 에너지를 측정하여 산출한 것이다. 즉, 방축된 광전자를 일렉트로미터(electrometer)로 측정하여, 얻어진 광전자 방출의 조사 광자 에너지 곡선으로부터 광전자 방출의 임계 값을 외삽하여 측정할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 비교된 HOMO, LUMO 준위는 진공 레벨을 기준으로 한 것으로, 모두 음의 값이다. 따라서, 2개의 값을 비교가 어느 한쪽이 낮다는 것은, 진공 레벨을 기준으로 더 아래쪽에 있다는 의미이며, 절대 값으로는 더 큰 값을 의미한다.
그리고, 에너지 밴드갭(Eg)은 UV 흡수 스펙트럼을 측정하여, 흡수 스펙트럼의 장파장의 라이징 에지(rising edge)에 대해 접선을 그어 횡축과의 교점인 파장을 에너지 값(E = hν/λ =h*C/λ, 여기서, h 는 플랑크 상수, C는 빛의 속도, λ 는 광의 파장)으로 환산하여 구한다.
본 명세서에서 '도핑된'이란, 어떤 층의 대부분의 중량비를 차지하는 물질에, 대부분의 중량비를 차지하는 물질과 다른 물성(서로 다른 물성이란, 예를 들어, N-타입과 P-타입, 유기물질과 무기물질)을 가지는 물질이 중량비 30 % 미만으로 첨가가 되어 있음을 의미한다. 달리 말하면, '도핑된' 층이란, 어떤 층의 호스트 물질과 도펀트 물질을 중량비의 비중을 고려하여 분별해 낼 수 있는 층을 의미한다. 그리고 '비도핑된'이란, 도핑된'에 해당하는 경우 이외의 모든 경우를 칭한다. 예를 들어, 어떤 층이 단일 물질로 구성되었거나, 서로 성질이 동일 유사한 물질들이 혼합되어 구성되는 경우, 그 층은'비도핑된' 층에 포함된다. 예를 들어, 어떤 층을 구성하는 물질들 중 적어도 하나가 P-타입이고, 그 층을 구성하는 물질 모두가 N-타입이 아니라면, 그 층은 '비도핑된' 층에 포함된다. 예를 들어, 어떤 층을 구성하는 물질들 중 적어도 하나가 유기 물질이고, 그 층을 구성하는 물질 모두가 무기 물질은 아니라면, 그 층은 '비도핑된'층에 포함된다. 예를 들어, 어떤 층을 구성하는 물질들이 모두 유기 물질인데, 그 층을 구성하는 물질들 중 적어도 어느 하나가 N-타입이고 또 다른 적어도 어느 하나가 P-타입인 경우에, N-타입인 물질이 중량비 30 % 미만이거나 또는 P-타입인 물질이 중량비 30% 미만인 경우에 '도핑된'층에 포함된다.
한편, 본 명세서에서 EL (전계발광, electroluminescence) 스펙트럼이라 함은, (1) 유기 발광층에 포함되는 도펀트 물질이나 호스트 물질과 같은 발광 물질의 고유한 특성을 반영하는 PL(광발광, photoluminescence) 스펙트럼과, (2) 전자 수송층 등과 같은 유기층들의 두께를 포함한 유기 발광 소자의 구조와 광학적 특성에 따라 결정되는, 아웃 커플링(out coupling) 에미턴스(emittance) 스펙트럼 커브의 곱으로써 산출된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이며, 도 2는 발광층과 주변층의 에너지 밴드다이어그램을 나타낸 도면이다. 도 3은 발광층과 주변층에서 정공 및 전자의 이동과, 주발광 및 보조 발광이 발생되는 현상을 나타낸 도면이다.
도 1 과 같이, 본 발명의 발광 소자는 서로 대향된 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(200)과, 상기 제 1 전극(110)과 상기 제 2 전극(200) 사이에, 정공 주입층(120)(HIL), 정공 수송층(130)(HTL), 전자 저지층(140)(EBL), 발광층(150)(EML), 효율 개선층(160)(HRL), 전자 수송층(170)(ETL) 및 전자 주입층(180)(EIL)을 순서대로 포함한다.
정공 주입층(120)은 제 1 전극(110)으로부터 정공 주입을 원활히 하는 층으로, 정공 수송성 재료와 p형 도펀트를 포함하거나, 제 1 전극(110)과의 일함수 차가 작은 무기 화합물로 이루어질 수 있다.
그리고, 정공 수송층(130)은 정공 주입층(120)으로부터 정공을 발광층(150)으로 전달하는 기능을 갖는다.
전자 저지층(140)은 정공 수송층(130)과 유사하게 정공 수송 기능과 함께, 발광층(150)에서 전자가 정공 수송층(130)으로 넘어가는 것을 막는 기능을 갖는다. 이 기능을 위해 도 2 와 같이, 전자 저지층(140)의 LUMO 준위는 발광층(150)의 호스트의 LUMO 준위보다 상측에 있을 수 있다.
상기 발광층(150)은 400nm 내지 490nm의 파장에서 발광 피크를 갖는 것으로, 가시 광 영역대 중 청색 파장의 광을 발광하는 층이다. 발광층(150)은 호스트(BH)와 제 1 청색 도펀트(BD1)를 포함한다. 그리고, 제 1 청색 도펀트(BD1)는 400nm 내지 490nm의 파장에서 발광 특성을 나타낸다. 이를 위해 보론계 도펀트, 파이렌계 도펀트 등을 이용할 수 있다.
상기 발광층(150)은 제 1 청색 도펀트(BD1)에서 형광 발광하는 것이며, 또한, 발광층(150)의 발광 효율을 높이기 위해, 형광에 이용되지 못한 삼중항 간 융합(TTF: triplet-triplet Fusion)을 유도한다. 형광 발광 외에 TTF 에 의한 삼중항간 융합으로 발광 효율을 높이게 되는데, 이를 위해 호스트(BH)는 삼중항간 융합이 효과적으로 발생하는 안트라센 유도체를 이용한다.
도 3과 같이, 발광층(150)에서 TTF 메커니즘을 이용함에 의해 빠른 전달 능력으로 전자 저지층(140)에 가까이 전달이 집중되고, 이에 따라 발광층(150)과 전자 저지층(140)의 계면에 가까이에서 주 발광(E1)의 발광 영역이 집중 발생된다. 이로 인해, 효율은 높지만, 전자 저지층의 열화를 유발시켜 수명이 단축되는 단점이 발생한다. 이 때, 정공 수송층의 정공 특성을 개선하여 전자 저지층 열화를 완화시켜 수명을 개선하는 것이 일반적이다. 그러나 효율 감소하는 단점을 수반한다.
효율 개선층(160)은 그 기능 때문에 명명된 것으로, 발광층(150) 내에서 전자와의 재결합에 이용되지 못하고, 전자 저지층(140)과 반대측으로 밀려간 정공을 다시 여기자로 생성하여 보조 발광(E2)에 이용시키는 것을 의미한다. 추가적으로 정공 축적에 의한 전자 수송층(170)의 열화를 감소시켜 수명 개선도 가능하다. 효율 개선층(160)은 발광층(150)에서 제한되어 있던 정공을 효율 개선층(160)의 제 2 호스트(LIH)가 갖는 양극성 부분으로 전달받아 효율 개선층(160)의 일측의 전자 수송층(170)에서 전달되는 전자와 결합하여 여기자가 형성되고, 이중 단일항(singlet) 여기자의 에너지는 청색 도펀트(BD2)에 전달되어 보조 발광(E2)이 발생한다.
효율 개선층(160)은 이를 위해 도 2와 같이, 에너지 밴드갭이 큰 양극성(bipolar)의 제 2 호스트(LIH)와 청색 발광을 위한 제 2 청색 도펀트(BD2)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 2 호스트(LIH)는 단일 물질로 각각 n형과 p형의 서로 다른 물질이 아니라 화학적으로 결합되어 단일 물질 자체로 전자의 전달력과 정공의 전달력을 함께 갖는 재료를 의미한다.
이를 위해 상기 효율 개선층(160)의 제 2 호스트(LIH)는 전자 수송 작용기와 정공 수송 작용기를 함께 포함한 단일의 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 제 2 호스트(LIH)는 재료적으로 트리아진(triazine) 및 피리미딘(pyrimidine) 중 어느 하나와, 카바졸(carbazole), 스파이로플로렌(spirofluorene) 및 디벤조퓨란 (dibenzofuran) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제 2 호스트(LIH)는 발광 특성을 갖는 것으로 오실레이터 강도(f)가 0.01 이상이다.
여기서, 오실레이터 강도 (f)는 실험적으로 다음과 같이 구해질 수 있다.
Figure pat00001
e 과 n는 각각, molar extinction coefficient (흡수 스펙트럼으로부터 구해질 수 있음) 와 wavenumber이다.
상기 제 2 호스트(LIH)의 일중항 여기 준위와 삼중항 여기 준위의 차이(ΔEst)는 0.01eV 이상 0.3eV 이하이고, 상기 제 2 호스트의 삼중항 여기 준위는 2.7eV 이상 3.4eV 이하일 수 있다.
또한, 상기 제 2 호스트(LIH)의 에너지 밴드 갭은 2.7eV 이상일 수 있다.
위와 같은 양극성의 상기 제 2 호스트(LIH)는 다음의 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 호스트(LIH)가 카바졸(carbazole)과 피리미딘(pyrimidine)을 포함시 다음 LIH1 내지 LIH18의 재료일 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
그리고, 상기 제 2 호스트(LIH)가 카바졸과 트리아진(triazine)을 포함시 다음 LIH19 내지 LIH33일 수 있다.
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
또한, 상기 제 2 호스트(LIH)가 스파이로 플루오렌(spirofluorene)과 트리아진(triazine) 혹은 피리미딘을 포함시 다음 LIH34 내지 LIH 45를 들 수 있다.
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
혹은 상기 제 2 호스트(LIH)가 카바졸과 디벤조퓨란(dibenzofuran) 포함시 다음 LIH46 내지 LIH51을 들 수 있다.
상기 제 2 호스트(LIH)가 복수 카바졸간의 연결과 함께, 피리미딘 혹은 트리아진을 포함하는 경우, 하기 LIH52 내지 LIH55 을 들 수 있다.
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
한편, 상술한 제 2 호스트(LIH)는 양극성을 갖는 일 예이며, 본 발명의 발광 소자는 이에 한정되지는 않는다. 다른 재료로서 안정성을 갖고 양극성을 갖는다면 대체될 수 있다.
그리고, 상기 효율 개선층(160)은 보조 발광(E2)이 이루어지는 것으로, 이를 위한 제 2 청색 도펀트(BD2)는 하기와 같이, HBD1 내지 HBD24일 수 있다.
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
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Figure pat00027
Figure pat00028
한편, 제시된 제 2 도펀트(BD2)의 예는 보론을 코어로 한 화합물이다. 제시된 도펀트의 경우 발광층(150)에서 이용하는 제 1 도펀트(BD1)로도 이용할 수 있다.
그러나, 본 발명은 이에 한하지 않는다. 제 2 도펀트(BD2)는 제시된 도펀트의 예 외에도 밴드갭 2.65eV 이상의 형광 도펀트, TADF 도펀트, 인광 도펀트 모두 가능하다. 효율 개선층(160)에 이용되는 제 2 호스트(LIH)가 에너지 밴드갭이 큰 것으로, 다양한 도펀트의 사용이 가능하다.
HBD1 내지 HBD24의 경우 발광층(150)과 효율 개선층(160)에서 함께 도펀트로 이용할 수 있다.
만일 발광층(150)의 제 1 청색 도펀트(BD1)과 효율 개선층(160)의 제 2 청색 도펀트(BD2)가 상이하다면 발광층(150)에서 주발광이 발생되도록 효율 개선층(160)을 통해 에너지 전달이 가능하도록, 상기 효율 개선층의 제 2 청색 도펀트의 삼중항 준위가 상기 발광층의 제 1 청색 도펀트의 삼중항 준위보다 높고 (T1(BD in HRL) > T1 (BD in EML), 상기 효율 개선층의 제 2 청색 도펀트의 일중항 준위가 상기 발광층의 제 1 청색 도펀트의 일중항 준위보다 높다 (S1(BD2 in HRL) > S1 (BD1 in B EML)).
따라서, 효율 개선층(160)은 발광층(150)에서의 발광(E1)과 함께 보조 발광(E2)하는 기능을 한다.
상기 전자 수송층(170)은 제 2 전극(200)에서 공급되는 전자를 효율 개선층(160)을 거쳐 발광층(150)으로 전달하기 위한 층으로 안트라센을 코어로 한 유도체일 수 있다.
그리고, 전자 주입층(180)은 LiF, Liq 혹은 전이 금속 등을 포함하여 제 2 전극(200)으로부터 전자의 주입을 원활히 하는 층일 수 있다.
도 1 내지 도 3에서 도시된 예에서 제 1 전극(110)은 양극(Anode)라고도 하며, 제 2 전극(200)은 음극(cathode)이라고도 한다.
도 3에 도시된 발광층(150)에 의한 주발광 (E1)과 효율 개선층(160)에 의한 보조 발광(E2)의 방향은 제 1 전극(110)과 제 2 전극(200) 중 제 1 전극(110)이 투명 전극이고, 제 2 전극(200)이 반사 전극이 경우에 대한 것이다. 그러나, 본 발명은 이에 한하지 않으며 발광이 반대 방향이 경우에도 적용될 수 있다.
또한, 도 1에는 상기 발광층(150)과 효율 개선층(160)이 접한 측과 반대 측에 전자 저지층(140)이 구비된 예를 나타내었으나, 경우에 따라 전자 저지층(140)이 생략되고 발광층(150)과 정공 수송층(130)이 바로 접한 경우도 가능하다. 도 2에서 도시된 예에서 정공 수송층(130)의 LUMO 준위가 발광층(150)의 LUMO 준위보다 높은 것으로, 전자 저지 기능을 정공 수송층(130)이 겸할 수 있다.
한편, 상기 정공 수송층(130), 전자 저지층(140), 발광층(150), 효율 개선층(160) 및 전자 수송층(170)은 청색 유닛(BU)이라 한다. 그리고, 이러한 청색 유닛(BU)은 제 1 전극(110)과 제 2 전극(200) 사이에 다른 발광 유닛과 전하 생성층을 사이에 두고 연결될 수 있다.
이하, 구체적으로 효율 개선층의 재료와 인접한 발광층의 두께 및 전자 수송층의 두께를 달리 적용하여 실험한 예를 참조하며 본 발명의 발광 소자의 효과를 살펴본다.
제 1 내지 제 7 실험예(Ex1~Ex7)을 진행하였으며, 도 1의 구조의 순서로 발광 소자를 형성하였다.
기판 상에 ITO 성분의 제 1 전극(Anode)을 형성 후 UV 오존으로 세척한 다음에 이를 증발시스템에 적재한다.
이어, 상기 제 1 전극(Anode) 상에 각 성분의 증착을 위해 진공 증착 챔버 내로 이송된다.
약 10-6 Torr 진공 하 가열 보트로부터 증발에 의해, 다음의 순서로 증착된다.
제 1 실험예(Ex1)의 기준으로 설명한다.
즉, 정공 주입층(HIL)을 DNTPD 에 MgF2를 포함하여 110Å의 두께로 형성한다. 이어, DNTPD 성분으로 600Å의 두께의 정공 수송층(HTL)을 형성한다.
이어, TATC 성분을 150Å의 두께로 전자 저지층(EBL)을 형성한다.
이어, MADN을 제 1 호스트(BH)로 하고, HBD1 성분을 제 1 청색 도펀트(BD1) 2wt% 도핑하여, 300Å의 두께로 발광층(EML)을 형성한다.
이어, ZADN을 230Å의 두께로 하여 전자 수송층(ETL)을 형성한다.
이어, LiF 성분으로 15Å의 두께로 전자 주입층(EIL)을 형성한다.
이어, 알루미늄(Al) 성분으로 제 2 전극(Cathode)을 형성한다.
제 1 및 제 2 실험예(Ex1, Ex)은 동일하게 효율 개선층을 갖지 않는 구조로, 제 1 실험예(Ex1)는 발광층 내의 효율이 보다 고려된 예이고, 제 2 실험예(Ex2)는 상대적으로 수명이 고려되어 발광층에 접한 전자 저지층(EBL)의 물질의 HOMO/LUMO 에너지 준위가 조절된 것이다. 표 1은 제 2 실험예(Ex2)의 구동 전압, 휘도 효율, 외부 양자 효율, 색좌표 값 (CIEx, CIEy) 및 수명을 기준으로 하여 다른 실험예들의 값을 평가하였다.
제 2 실험예(Ex2)는 제 1 실험예(Ex1) 대비 전자 저지층(EBL)에서 정공 전류(hole current)가 개선되어 발광층(B EML) 내에서 넓은 영역으로 발광 영역이 형성되어 수명을 제 1 실험예(Ex1) 대비 개선한 것이다.
제 1 실험예(Ex1)는 수명보다 상대적으로 효율이 고려된 것으로, 수명은 제 2 실험예(Ex2)에 비해 65%의 수준이다.
제 3 실험예(Ex3) 내지 제 5 실험예(Ex5)는 효율 개선층(160)이 구비된 것으로, 효율 개선층(160)의 제 2 호스트(LIH)에 상술한 LIH1 내지 LIH55를 적용하였다. 그리고, 제 2 청색 도펀트(BD2)는 발광층의 제 2 청색 도펀트(BD1)와 동일한 HBD1을 이용하였다.
제 3 실험예(Ex3)는 발광층(150)의 두께를 200Å으로 하고, 효율 개선층(160)의 두께를 100Å으로 하고, 전자 수송층(170)의 두께는 230Å으로 하였다.
제 4 실험예(Ex4)는 발광층(150)의 두께를 150Å으로 하고, 효율 개선층(160)의 두께를 150Å으로 하고, 전자 수송층(170)의 두께는 230Å으로 하였다.
제 5 실험예(Ex5)는 발광층(150)의 두께를 300Å으로 하고, 효율 개선층(160)의 두께를 100Å으로 하고, 전자 수송층(170)의 두께는 130Å으로 하였다.
제 6 실험예(Ex6)는 상술한 제 3 실험예(Ex3)와 비교하여 효율 개선층에 호스트 재료를 n형 단일 성분으로 한 것에만 차이가 있고 나머지는 동일 두께로 하며, 인접 층의 구성도 동일하게 하였다. 여기서, 일예로 n형 단일 성분은 안트라센 유도체를 이용하였다.
제 7 실험예(Ex7)는 상술한 제 3 실험예(Ex3)와 비교하여 효율 개선층에 호스트 재료를 n형 호스트와 p형 호스트를 1:1로 혼합하고 나머지 조건은 제 3 실험예(Ex3)와 동등 조건으로 한 것이다. n형 호스트는 안트라센 유도체로 이용하고, p형 호스트는 DNTPD를 이용하였다.
표 1을 근거로 설명한다.
표 1은 10 mA/cm2에서의 소자 특성을 보여주며, 제 3 실험예(Ex3), 제 5 실험예(Ex5) 및 제 7 실험예(Ex7)가 수명이 향상되고, 제 3 내지 제 6 실험예(Ex3~Ex6)에서 효율이 향상됨을 알 수 있다.
실험예 구조(B EML/HRL/ETL)
:두께(Å) 		전압 (V) 휘도(Cd/A) EQE CIEx CIEy 수명
Ex1 300/ 0 /230 (Å) +0.06 104% 105% 0.000 -0.002 65%
Ex2 300/ 0 /230 (Å) 0.00 100% 100% - - 100%
Ex3 200/100/230 (Å) +0.08 105% 105% 0.001 0.001 124%
Ex4 150/150/230 (Å) +0.12 102% 100% 0.001 0.001 83%
Ex5 300/100/130 (Å) +0.02 102% 100% 0.000 0.004 120%
Ex6 200/100/230 (Å) +0.10 105% 104% 0.000 0.002 60%
Ex7 200/100/230 (Å) +0.18 91% 89% 0.000 0.004 136%
제 1, 제 2 실험예(Ex1, Ex2)는 효율 개선층을 구비하지 않은 예이다. 그리고, 제 2 실험예(Ex2)는 수명을 고려하여 전자 저지층의 HOMO/LUMO 준위가 달라진 것으로, 정공 전류가 개선되어 제 1 실험예(Ex1) 대비 구동 전압이 0.06V 감소되었다.
그리고, 제 3 실험예(Ex3)는 제 2 실험예(Ex1) 대비 효율이 105%, 외부 양자 효율이 105%이며, 특히 수명이 124%가 되어, 효율 및 수명 개선의 효과가 두드러진 것을 확인할 수 있다. 이는 효율 개선층(HRL)에서 여분의 정공에 대한 여기자(exciton) 형성이 매우 효율적으로 일어남을 의미한다.
제 4 실험예(Ex4)는 효율 개선층(HRL)에 제 3 실험예(Ex3)와 동일한 제 2 호스트 재료와 제 2 청색 도펀트(BD2)를 포함한 것이나, 효율 개선층(HRL)의 두께를 좀 더 늘리고, 발광층(B EML)은 대신 줄였다. 이 경우, 제 4 실험예(Ex4)는 수명 및 효율이 모두 감소하였다. 이는 발광층(B EML)에 사용된 제 1 호스트(BH) 대비하여 효율 개선층(HRL)에 사용된 제 2 호스트(LIH)가 다소 여기자(exciton) 형성 효율이 낮고, 열 안정성이 떨어지기 때문으로 해석된다.
제 5 실험예(Ex5)는 제 1 실험예(Ex1)와 동일 수준으로 발광층(B EML)의 두께를 이용하고, 대신 효율 개선층(HRL)을 전자 수송층(ETL)에 해당하는 영역에 위치시킨 것으로, 제 3 실험예(Ex3)와 유사한 수명을 얻음을 확인할 수 있으나, 효율은 소폭 낮아졌다. 이는 효율 개선층(HRL)이 발광층(B EML)과 전자 저지층(EBL)의 계면에서 멀수록 효율 개선층(HRL) 내에서 여기자(exciton) 발생이 어렵고 정공에 의한 전자 수송층의 열화를 방지하는 기능만을 갖는 것으로 해석된다.
따라서, 제 4 및 제 5 실험예(Ex4, Ex5)를 살펴보면 효율 개선층(HRL)을 이용시 발광층(B EML)과 두께를 나누어 발광 영역으로 사용하는 것이 바람직한 것으로 보이고, 제 3 실험예(Ex3) 및 제 4 실험예(Ex4)를 비교하면 효율 개선층(HRL)은 발광층(B EML)보다 작은 두께를 가져야 수명 개선에 효과적임을 알 수 있다.
한편, 제 6 실험예(Ex6)는 제 3 실험예(Ex3)와 동일 두께 조건을 갖되, 효율 개선층(HRL)의 호스트 물질을 n형 호스트 하고, 청색 도펀트를 포함한 것인데, 이 때, 효율 개선층(HRL)이 전자 전송 경로에 있다. 이 경우, 제 3 실험예(Ex3)와 비교하여, 효율은 유사하나, 수명이 급감하는 것을 알 수 있다. 이는 n 형 단일 극성의 호스트가 정공에 대한 내구성이 약하기 때문인 것으로 보인다. 한편, n형 단일 극성 호스트와 반대의 p형 단일 극성 호스트는 전자 수송 능력이 없는 것으로, p형 단일 극성 호스트를 효율 개선층에 이용시 전자 수송층과 발광층 사이의 물질이 전자 수송 능력이 없어지는 것으로 구동 전압이 심하게 올라갈 수 있어 평가하지 않았다.
제 7 실험예(Ex7)는 각각 p 형 호스트와 n형 호스트를 3:7로 혼합한 것으로, 이 경우, 수명은 개선 효과가 높으나, 구동 전압이 늘고, 효율, 외부 양자 효율이 반대로 떨어지는 것으로, 전자 수송층으로부터 발광층으로의 전자 주입 능력이 떨어짐을 의미한다.
즉, 본 발명의 발광 소자는 제 3 실험예(Ex3)와 같이, 효율 개선층에 LIH1 내지 LIH55의 제 2 호스트(LIH)와 청색 도펀트를 사용하고, 발광층(B EML)의 두께를 효율 개선층(HRL)보다 두껍게 하고, 전자 수송층(ETL)의 두께를 발광층(B EML)의 두께보다 두껍게 하여 수명 및 효율을 효율 개선층을 적용하지 않는 구조 대비하여 현저하게 개선할 수 있다.
따라서, 본 발광 소자는 효율 개선층을 발광층과 전자 수송층 사이에 구비하되 그 두께와 성분을 조절하며 보조 발광을 수행하여, 효율을 개선하고 또한 잉여 정공을 활용하여 수명 또한 개선시킴을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 발광 소자는 청색 발광 소자에서 문제시 되었던 효율과 수명의 트레이드 오프 관계를 방지하며 수명과 효율 모두 개선된 소자를 제안할 수 있다.
제 1 실험예(Ex1)는 전자 전달 능력이 높은 전자 수송층을 이용한 것으로, 전자 축적이 발광층과 전자 저지층과의 계면에서 전자 축적이 있어, TTF활성화 되며 효율 개선되는 이점이 있는 반면에 전자 저지층의 열화를 가속화하여 수명을 단축시키는 단점이 발생한다. 본 발명은 전자 저지층의 열화를 방지함과 동시에 효율 또한 개선한 것으로, 일반적으로 청색 형광 소자가 수명과 효율이 트레이드 오프 관계에 있다는 한계를 해소할 수 있는 것이다.
한편, 상기 상술한 발광 소자는 청색을 발광할 수 있는 것으로, 기판 상의 청색 서브 화소에 대응되어 구비될 수 있을 것이다. 이 경우, 상술한 발광 소자는 기판 상에 서브 화소에 구비된 박막 트랜지스터와 접속되어 서브 화소에서 선택적인 턴온/턴오프 동작을 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 발광 소자 구조에서 설명한 정공 수송층(130), 전자 저지층(140), 발광층(150), 효율 개선층(160), 전자 수송층(170)을 청색 발광 유닛(BU)으로 하고, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(200) 사이에, 상기 청색 발광 유닛(BU)과 전하 생성층(250)을 사이에 두고 비청색 발광 유닛(NBU)을 구비한 예이다.
비청색 발광 유닛(NBU)은 다른 발광층을 포함하고, 발광층 하측에 정공 수송층 및 발광층 상측에 전자 수송층을 더 포함할 수 있다.
그리고, 청색 발광 유닛(BU)과 상기 비청색 발광 유닛(NBU)에서 발광된 광을 조합하여 백색 광이 제 1 전극(110) 또는 제 2 전극(200) 중 어느 하나를 통해 출사될 수 있다.
경우에 따라, 비청색 발광 유닛(NBU)과 제 2 전극(200) 사이에 다른 발광 유닛이 더 부가되어 효율 및 색역을 확장시킬 수도 있을 것이다.
도 4의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 복수의 스택이 적용된 발광 소자를 표시 장치에 적용한 예를 살펴본다.
이하에는 일 실시예에 따라 상술한 본 발명의 발광 소자를 적용한 표시 장치를 살펴본다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치를 나타낸 단면도이다.
도 5와 같이, 본 발명의 표시 장치는 복수개의 서브 화소(R_SP, G_SP, B_SP, W_SP)를 갖는 기판(100)과, 상기 기판(100)에 공통적으로 구비되는 발광 소자(OLED)와, 상기 서브 화소 각각에 구비되며, 발광 소자(OLED)의 상기 제 1 전극(110) 과 접속된 박막 트랜지스터(TFT) 및 상기 서브 화소 중 적어도 어느 하나의 상기 제 1 전극(110) 하측에 구비된 컬러 필터층(109R, 109G, 109B)을 포함할 수 있다.
도시된 예는 백색 서브 화소(W_SP)를 포함한 예를 설명하였으나, 이에 한하지 않고, 백색 서브 화소(W_SP)가 생략되고, 적색, 녹색 및 청색 서브 화소(R_SP, G_SP, B_SP)만 구비한 구조도 가능할 것이다. 경우에 따라, 적색, 녹색 청색 서브 화소를 대체하여 조합하여 백색을 표현할 수 있는 시안(cyan) 서브 화소, 마젠타(magenta) 서브 화소 및 옐로우(yellow) 서브 화소의 조합도 가능하다.
상기 박막 트랜지스터(TFT)는 일 예로, 게이트 전극(102)과, 반도체층(104), 및 상기 반도체층(104)의 양측과 접속된 소스 전극(106a) 및 드레인 전극(106b)을 포함한다. 그리고, 상기 반도체층(104)의 채널이 위치한 부위 상부에는 직접적인 소스/드레인 전극(106a, 106b)과 상기 반도체층(104)의 접속을 방지하기 위해 채널 보호층(105)이 더 구비될 수 있다.
상기 게이트 전극(102)과 반도체층(104) 사이에는 게이트 절연막(103)이 구비된다.
상기 반도체층(104)은 예를 들어, 산화물 반도체, 비정질 실리콘 및 다결정 실리콘 중 어느 하나이거나 앞서 열거된 이들 중 2개 이상의 조합으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 상기 반도체층(104)이 산화물 반도체인 경우, 박막 트랜지스터 형성에 소요되는 가열 온도를 낮출 수 있어 기판(100) 사용에 자유도가 높아 플렉서블 표시 장치로의 적용이 유리할 것이다.
또한, 상기 박막 트랜지스터(TFT)의 드레인 전극(106b)은 제 1 전극(110)과 제 1, 제 2 보호막(107, 108) 내에 구비된 콘택홀(CT) 영역에서 접속될 수 있다.
상기 제 1 보호막(107)은 일차적으로 상기 박막 트랜지스터(TFT)를 보호하기 위해 구비되며, 그 상부에 컬러 필터(109R, 109G, 109B)가 구비될 수 있다.
상기 복수개의 서브 화소는 적색 서브 화소, 녹색 서브 화소, 청색 서브 화소 및 백색 서브 화소를 포함할 때, 상기 컬러 필터는 백색 서브 화소(W_SP)를 제외한 나머지 서브 화소들에 제 1 내지 제 3 컬러 필터(109R, 109G, 109B)로 나뉘어 구비되어, 상기 제 1 전극(110)을 통과하여 출사되는 백색 광을 각 파장별로 통과시킨다. 그리고, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터(109R, 109G, 109B)를 덮으며, 상기 제 1 전극(110) 하측에 제 2 보호막(108)이 형성된다. 제 1 전극(110)은 콘택홀(CT)을 제외하여 제 2 보호막(108) 표면에 형성된다.
여기서, 상기 기판(100)에서부터 박막 트랜지스터(TFT), 컬러 필터(109R, 109G, 109B) 및 제 1, 제 2 보호막(107, 108)까지 포함하여 박막 트랜지스터 어레이 기판(1000)이라 한다.
한편, 상술한 발광 소자(OLED)는 청색 발광의 효율을 (청색)발광층과 인접한 효율 개선층에서의 보조 발광을 통해 향상시키고, 효율 개선층에서 발광층 내에 제한되어 소진되는 정공을 발광에 재 이용할 수 있는 것으로, 이를 통해 발광층 내 캐리어 활용을 높이고 발광층 내에서 캐리어가 적체되어 발생되는 소광 등의 문제를 해결하여 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 발광 소자는 발광층과 전자 수송층 사이에 효율 개선층을 구비하고, 이에 양극성(bipolar) 호스트와 청색 도펀트를 포함시켜, 효율 개선층 에서 발광층 내에 잔류한 정공을 발광에 이용하여 보조 발광이 발생되도록 한다. 즉, 삼중항 융합 방식으로 효율을 올리는 방식에서 삼중항 생성에 이용되지 못한 정공을 효율 개선층에서 발광에 이용함으로써 효율을 개선할 수 있다.
또한, 발광층 내에서 여기자나 캐리어가 발광에 이용되지 못하고 층 내에 잔류하여 소광되는 경우 수명의 저하를 일으킬 수 있으나 본 발명의 발광 소자는 구동 전류가 공급되는 동안 발광층에 인접한 효율 개선층에서 잉여 정공을 정공에 활용하여 캐리어나 여기자가 계면에서 적체되어 발생되어 수명 저하 현상을 방지하며 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 서로 대향된 제 1 전극 및 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에, 정공 수송층, 발광층, 효율 개선층 및 전자 수송층을 순서대로 포함하며, 상기 발광층은 안트라센 유도체의 제 1 호스트와 제 1 청색 도펀트를 갖고, 상기 효율 개선층은 양극성(bipolar)의 제 2 호스트와 제 2 청색 도펀트를 포함할 수 있다.
상기 제 2 호스트는 전자 수송 작용기와 정공 수송 작용기를 함께 포함한 단일의 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 제 2 호스트는 트리아진(triazine) 및 피리미딘(pyrimidine) 중 어느 하나와, 카바졸(carbazole), 스파이로플로렌(spirofluorene) 및 디벤조퓨란 (dibenzofuran) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광층의 두께는 상기 효율 개선층보다 두껍고 상기 전자 수송층보다 얇은 것이 바람직하다.
상기 제 2 호스트의 일중항 여기 준위와 삼중항 여기 준위의 차이는 0.01eV 이상 0.3eV 이하이고, 상기 제 2 호스트의 삼중항 여기 준위는 2.7eV 이상 3.4eV 이하일 수 있다.
상기 제 2 호스트의 에너지 밴드 갭은 2.7eV 이상일 수 있다.
상기 제 1 도펀트와 상기 제 2 도펀트는 동일하고, 400nm 내지 490nm의 파장에 발광 피크를 가질 수 있다.
상기 제 1 도펀트와 상기 제 2 도펀트는 각각 400nm 내지 490nm의 파장에 발광 피크를 갖고, 상기 제 2 도펀트는 상기 제 1 도펀트보다 일중항 여기 준위 및 삼중항 여기 준위가 각각 높을 수 있다.
상기 정공 수송층과 상기 발광층 사이에 전자 저지층을 더 구비하고 상기 발광층은 상기 전자 저지층과 상기 효율 개선층과 각각 양면에서 접할 수 있다.
상기 제 2 호스트는 하기 LIH1 내지 LIH55 중 어느 하나일 수 있다.
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상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에, 상기 정공 수송층, 상기 발광층, 상기 효율 개선층 및 상기 전자 수송층을 포함하여 제 1 유닛으로 하고, 상기 제 1 유닛과 전하 생성층을 사이에 두고 비청색 발광층을 적어도 하나 포함한 제 2 유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시 장치는 상기 기판 상에 복수개의 서브 화소를 포함한 기판과, 상기 서브 화소 각각에 구비된 박막 트랜지스터 및 상기 서브 화소 중 적어도 하나에 상기 박막 트랜지스터와 연결된 상술한 발광 소자를 포함할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 기판 110: 제 1 전극
120: 정공 주입층 130: 정공 수송층
140: 전자 저지층 150: 청색 발광층
160: 효율 개선층 170: 전자 수송층
180: 전자 주입층 200: 제 2 전극

Claims (12)

  1. 서로 대향된 제 1 전극 및 제 2 전극;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에, 정공 수송층, 발광층, 효율 개선층 및 전자 수송층을 순서대로 포함하며,
    상기 발광층은 안트라센 유도체의 제 1 호스트와 제 1 청색 도펀트를 갖고,
    상기 효율 개선층은 양극성(bipolar)의 제 2 호스트와 제 2 청색 도펀트를 포함한 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 호스트는 전자 수송 작용기와 정공 수송 작용기를 함께 포함한 단일의 화합물로 이루어진 발광 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 호스트는
    트리아진(triazine) 및 피리미딘(pyrimidine) 중 어느 하나와,
    카바졸(carbazole), 스파이로플로렌(spirofluorene) 및 디벤조퓨란 (dibenzofuran) 중 적어도 어느 하나를 포함한 발광 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발광층의 두께는 상기 효율 개선층보다 두껍고 상기 전자 수송층보다 얇은 발광 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 호스트의 일중항 여기 준위와 삼중항 여기 준위의 차이는 0.01eV 이상 0.3eV 이하이고,
    상기 제 2 호스트의 삼중항 여기 준위는 2.7eV 이상 3.4eV 이하인 발광 소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 호스트의 에너지 밴드 갭은 2.7eV 이상인 발광 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 도펀트와 상기 제 2 도펀트는 동일하고, 400nm 내지 490nm의 파장에 발광 피크를 갖는 발광 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 도펀트와 상기 제 2 도펀트는 각각 400nm 내지 490nm의 파장에 발광 피크를 갖고,
    상기 제 2 도펀트는 상기 제 1 도펀트보다 일중항 여기 준위 및 삼중항 여기 준위가 각각 높은 발광 소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 정공 수송층과 상기 발광층 사이에 전자 저지층을 더 구비하고
    상기 발광층은 상기 전자 저지층과 상기 효율 개선층과 각각 양면에서 접한 발광 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 호스트는 하기 LIH1 내지 LIH55 중 어느 하나인 발광 소자.
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    Figure pat00067
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에,
    상기 정공 수송층, 상기 발광층, 상기 효율 개선층 및 상기 전자 수송층을 포함하여 제 1 유닛으로 하고,
    상기 제 1 유닛과 전하 생성층을 사이에 두고 비청색 발광층을 적어도 하나 포함한 제 2 유닛을 더 포함한 발광 소자.
  12. 상기 기판 상에 복수개의 서브 화소를 포함한 기판;
    상기 서브 화소 각각에 구비된 박막 트랜지스터; 및
    상기 서브 화소 중 적어도 하나에 상기 박막 트랜지스터와 연결된 제 1 항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 발광 소자를 포함한 표시 장치.
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