KR20230103744A - 발광 소자 및 이를 이용한 발광 표시 장치 - Google Patents

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박새미
조명선
김중근
김병수
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김상범
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Abstract

본 발명의 발광 소자 및 이를 이용한 발광 표시 장치는 청색 발광 효율의 향상이 수명 저하없이 가능한 것으로 복수 스택 구조에서, 청색 형광 스택의 수를 줄여 백색 구현이 가능하다. 이를 위한 본 발명의 발광 소자는, 서로 대향된 양극과 음극과, 상기 양극과 음극 사이에, 제 1 전자 저지층, 430nm 내지 480nm의 발광 피크를 갖는 보론계 도펀트를 포함한 제 1 청색 발광층 및 제 1 전자 수송층을 포함한 제 1 스택과, 상기 제 1 청색 발광층보다 장파장을 발광하는 적어도 2개의 인광 발광층을 포함한 제 2 스택 및 상기 제 1, 제 2 스택 사이에 전하 생성층을 포함할 수 있다. 그리고, 제 1 전자 수송층은 전자 수송성 및 효율이 우수한 재료로 이루어지고, 제 1 전자 저지층은 전자가 제 1 전자 저지층과 제 1 청색 발광층 사이의 계면에 쌓이는 것을 방지할 수 있는 중수소로 치환된 화합물로 이루어진다.

Description

발광 소자 및 이를 이용한 발광 표시 장치 {Light Emitting Device and Light Display Device Using the Same}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 청색 형광 스택과 인광 스택을 포함하는 발광 소자에서, 구동 전압의 증가없이 청색 형광 발광층의 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 이를 이용한 발광 표시 장치에 관한 발명이다.
최근 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 전기적 정보신호를 시각적으로 표현하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 박형화, 경량화, 저소비전력화의 우수한 성능을 지닌 여러 가지 다양한 표시장치(Display Device)가 개발되어 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube: CRT)을 빠르게 대체하고 있다.
이 중, 별도의 광원을 요구하지 않으며 장치의 컴팩트화 및 선명한 컬러 표시를 위해 별도 광원을 구비하지 않고, 발광 소자를 표시 패널 내에 갖는 발광 표시 장치가 경쟁력 있는 어플리케이션(application)으로 고려되고 있다.
한편, 최근 발광 표시 장치에 이용되는 발광 소자는, 화질을 나타냄에 보다 높은 효율에 대한 요구가 있어, 복수의 스택을 적층하는 방식이 선호되고 있다. 그런데, 복수 스택 적용시 스택 수가 늘 때마다 구동 전압 상승하고, 스택별 구현하는 발광 색 및 발광 원리의 상이에 따라 복수 스택만으로는 효율 증가의 한계가 있다. 또한, 효율을 높이기 위해 재료 변경시 수명의 저하가 발생하는 문제도 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로, 내부 양자 효율이 낮은 형광 발광층과 그 주변 구조를 변경하여 구동 전압과 수명을 모두 양호한 수준으로 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 이를 이용한 발광 표시 장치에 관한 발명이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 서로 대향된 양극과 음극과, 상기 양극과 음극 사이에, 제 1 전자 저지층, 430nm 내지 480nm 파장의 광을 발광하는 보론계 화합물을 포함한 제 1 청색 발광층 및 제 1 전자 수송층을 포함한 제 1 스택과, 상기 제 1 청색 발광층보다 장파장을 발광하는 적어도 2개의 인광 발광층을 포함한 제 2 스택과, 상기 제 1, 제 2 스택 사이에 전하 생성층을 포함한다.
여기서, 상기 제 1 전자 수송층은 전자 수송 효율이 높은 제 1 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 제 1 전자 저지층은 스파이로플로린을 포함하는 화합물일 수 있다.
상기 전자 저지층은 상기 청색 발광층의 일면에 접하며, 상기 전자 수송층은 상기 청색 발광층의 타면에 접하고, 상기 청색 발광층의 일면과 타면은 상기 청색 발광층의 두께를 사이에 두고 마주볼 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 표시 장치는, 복수개의 서브 화소를 포함한 기판과, 상기 기판 상의 서브 화소에 각각 구비된 박막 트랜지스터 및 상기 박막 트랜지스터와 접속되며, 상기 발광 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 발광 소자 및 이를 이용한 발광 표시 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 인광 발광 스택과 전하 생성층에 의해 연결되는 청색 형광 발광 스택에서, 내부 양자 효율이 제한적인 청색 형광 발광층과 접한 전자 수송층의 재료를 변경하여 전자 수송 효율을 향상시킴으로써 청색 형광 발광층의 효율을 향상시킬 수 있다.
둘째, 빠른 전자 이동 특성을 갖는 재료의 전자 수송층 적용시 청색 형광 발광층과 반대의 면에서 접한 전자 저지층의 재료를 중수소화하여 청색 형광 발광층과 전자 저지층의 계면에서 전자나 여기자가 적체됨을 방지할 수 있어, 수명을 저하시키지 않고, 효율 개선, 휘도 개선 및 양자 효율의 개선 효과를 얻을 수 있다.
셋째, 청색 형광 발광층을 구비한 청색 형광 스택에서 효율 개선에 의해, 백색을 구현하는 발광 소자에서 요구되는 청색 스택의 개수를 줄일 수 있어, 동일 백색 구현시 스택 수를 절감할 수 있고, 이를 통해 구동 전압 감소 및 공정의 저감으로 수율 향상이 가능하다.
도 1a 및 도 1b은 본 발명의 발광 소자의 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1a 및 도 1b의 제 1 청색 스택을 나타낸 도면이다.
도 3은 실험예에서 이용한 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4는 실험예에서 이용된 발광 소자들의 발광 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 구체적인 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 발광 소자를 적용한 발광 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 '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 wt% 미만이거나 또는 P-타입인 물질이 중량비 30wt% 미만인 경우에 '도핑된'층에 포함된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 발광 소자 및 이를 포함한 발광 표시 장치에 대해 설명한다.
도 1a 및 도 1b은 본 발명의 발광 소자의 예를 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 2는 도 1a 및 도 1b의 제 1 청색 스택을 나타낸 도면이다.
도 1a 및 도 1b와 같이, 본 발명의 발광 소자는, 서로 대향된 양극(110)과 음극(200)과, 상기 양극(110)과 음극(200) 사이에, 제 1 청색 발광층(BEML1)을 포함한 제 1 스택(S1) 및 상기 제 1 청색 발광층(BEML1)보다 장파장을 발광하는 적어도 2개의 인광 발광층(REML, GEML)을 포함한 제 2 스택(S2) 및 상기 제 1, 제 2 스택(S1, S2) 사이에 제 1 전하 생성층(CGL1)을 포함한다.
도 1a는 본 발명의 발광 소자의 일 실시예로 2스택을 구비한 구성을 나타내며, 도 1b는 다른 실시예로 3스택 이상(n은 3이상의 자연수)을 구비한 예를 나타내며, 제 1 스택(S1)과 인광 발광층을 포함한 제 2 스택(S2) 외에 청색을 발광하는 제 2 청색 발광층(BEML2)을 포함한 스택을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1a에서 표현된 바와 같이, 제 1 스택(S1)의 제 1 청색 발광층(BEML1)과 양극(110) 사이에는 정공 수송 및 주입에 관련된 제 1 공통층(CML1)이 구비되고, 제 1 청색 발광층(BEML1)과 제 1 전하 생성층(CGL1) 사이에는 전자 수송에 관련된 제 2 공통층(CML2)이 구비된다. 유사하게, 제 2 스택(S2)의 적색 발광층 (REML)과 제 1 전하 생성층(CGL1) 사이에는 정공 수송에 관련된 제 3 공통층(CML3)이 구비되고, 녹색 발광층(GEML)과 음극(200) 사이에는 전자 수송에 관련된 제 4 공통층(CML4)이 구비된다.
구체적으로 도 2와 같이, 청색을 발광하는 제 1 스택(S1)은, 양극(110) 상에 정공 주입층(121), 제 1 정공 수송층(122), 제 1 전자 저지층(123), 제 1 청색 발광층(124) 및 제 1 전자 수송층(125)을 포함한다.
여기서, 정공 주입층(121)은 양극(110)에서 정공이 주입되기 전 최초로 구성된 층으로, 정공이 전극 성분으로부터 유기물 내로 주입됨에 있어 에너지 배리어를 낮춰주는 기능을 가질 수 있다. 아릴 기나 아릴렌기를 포함한 정공 수송 재료에 p형 도펀트를 포함할 수 있으며, p형 도펀트는 HATCN과 같이, HOMO 준위나 매우 낮은 유기물이거나 혹은 MgF2와 같이, 금속과 불소의 화합물의 무기 화합물일 수 있다.
제 1 정공 수송층(122)은 정공 주입층을 통해 주입된 정공이 제 1 청색 발광층(124)으로 전달되도록 하기 위해 정공 수송성이 우수한 유기물에서 선택될 수 있다. 제 1 정공 수송층(122)은 정공 수송 기능을 위해 하나의 유기물로 이루어질 수도 있고, 복수개의 유기물의 혼합물로 이루어질 수 있다.
제 1 청색 발광층(124)은 제 1 호스트와 430nm 내지 480nm의 발광 피크를 갖는 보론계 도펀트를 포함할 수 있다. 제 1 호스트는 보론계 도펀트로 에너지 전이가 용이하고, 보론계 도펀트에서 여기를 원활히 일으킬 수 있는 물질로 전자 수송이 있는 물질에서 선택할 수 있고, 예를 들어, 안트라센을 코어로 하는 유기물일 수 있다.
그리고, 제 1 전자 수송층(125)은 제 1 정공 수송층(122)이 제 1 청색 발광층(124)에 정공이 제한되도록 하는 것과 대응하여, 전자가 제 1 청색 발광층(124)에 제한되도록 다음 화학식 1과 같이, 전자 수송 효율이 높은 재료에서 선택할 수 있다. 정공과 전자가 제 1 청색 발광층(124)에 제한될수록 정공과 전자의 재결합률이 높아져 청색의 발광 효율이 상승될 수 있다.
[화학식 1]
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여기서, R1 및 R2는 독립적으로 사이클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기 및 카바졸기 중에서 선택된다.
X1, X2 및 X3은 독립적으로 N 또는 CH이다. X4, X5 및 X6중 하나는 반드시 N이며, 나머지는 CH이다.
특히, 본 발명의 발광 소자에 있어서, 제 1 전자 수송층(125)을 이루는 화학식 1의 제 1 물질은 구조의 외곽에 있는 질소(N)가 벤젠 고리의 구조적 결합을 유지한 채 강한 전자 주개 성질에 의해 제 1 청색 발광층(124)으로 전자를 높은 효율로 전달할 수 있다.
그리고, 제 1 전자 수송층(125)을 이루는 화학식 1의 물질의 예로, 하기에 제시된 ETM-01 내지 ETM-60을 들 수 있다.
Figure pat00002
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Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
Figure pat00030
Figure pat00031
그리고, 화학식 1의 대표 물질로 ETM-01 은 다음의 제조법으로 수득하였다.
(1) 제 1 화합물 합성:
Figure pat00032
4-acetylpyridine 을 6.0 g, 49.5 mmol, 4-bromobenzaldehyde 을 9.0 g, 48.6 mmol 로 준비하여, 2% NaOH 수용액 200 ml과 함께 플라스크에 넣고, 상온에서 10시간 동안 교반하고 반응 용액의 색상 변화 확인한다. 이후, 4-acetylpyridine 을 6.0g, 49.5 mmol 추가하고, NaOH 농도를 20%가 되도록 한 후에 80 oC에서 8시간 교반한다. 교반한 물질을 정제하지 않고 수분 제거 후에, 에탄올 (ethanol) 500 mL 내에 ammonium acetate 를 36.0 g 초과하여 포함한 용액에 넣고 환류 조건에서 5시간 동안 교반한다. 그리고, 에탄올에서 재결정하여 제 1 화합물 11g (60%)을 얻었다.
(2) 제 2 화합물 합성:
Figure pat00033
1-trimethylsilyl-3,5-dibromobenzene 을 6.0 g, 19.5 mmol로 준비하여, tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0) (Pd2(dba)3) (0.89 g, 1.0 mmol), tri-tert-butylphosphine tetrafluoroborate (0.59 g, 2.0 mmol), NaOtBu (4.7 g, 48.8 mmol)를 dry toluene (200 mL)에 넣고, 90 oC에서 10시간 교반하였다. 반응 완료시, 잔여 NaOtBu는 필터링한 후에 에틸아세테이트로 추출하였다. MgSO4로 수분을 제거하고 컬럼크로마토그래피 (Hexane : EA = 20:1)로 정제하여 제 2 화합물 6.1 g, (65%)를 얻었다.
(3) 제 3 화합물 합성:
Figure pat00034
제 2 화합물 (4.0 g, 8.3 mmol)를 CCl4 (70 mL)에 녹인 후, iodine monochloride solution (1.0 M in methylene chloride, 8.3 mL, 8.3 mmol)을 0 oC에서 액적식으로 주입하고 1시간 동안 교반한다. 이후, sodium thiosulfate (Na2S2O3) 5 wt% 수용액에 반응 용액을 부어서 투명해질 때까지 강하게 교반한다. 에틸렌 아세테이트로 추출하고 MsSO4에서 수분 제거 후 컬럼크로마토그래피 (Hexane : EA = 20:1)로 정제하여 제 3 화합물 (3.6 g, 80%)를 얻었다.
(4) 제 4 화합물 합성:
Figure pat00035
제 3 화합물 (3 g, 5.6 mmol), 4,4,4’,4’,5,5,5’,5’-octamethyl-2,2’-bi(1,3,2,-dioxaborolane) (2.1 g, 8.4 mmol), [1,1′-Bis(diphenylphosphino)ferrocene]dichloropalladium(II) (Pd(dppf)Cl2) (0.21 g, 0.28 mmol), Potassium acetate (KOAc) (1.65 g, 16.8 mmol)을 넣고 질소 블로윙(blowing)으로 불황성 분위기 조성 후에, 1.4-dioxane (30 mL)을 추가하고 130℃에서 12시간 동안 교반하였다. 반응이 종결된 후 에틸아세테이트로 추출한 다음 MgSO4로 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피 (Hexane:EA = 7:1 (v/v))로 정제하여 제 4 화합물 (2.3 g, 75%)를 얻었다.
(5)ETM-01 합성:
Figure pat00036
: 제 1 화합물 (1.8 g, 4.6 mmol), 제 4 화합물 (2.3 g, 4.3 mmol), Palladium(II) acetate (Pd(Oac)2) (0.048 g, 0.2 mmol), triphenylphosphine (0.28 g, 1.0 mmol), potassium carbonate (K2CO3) (3.0 g, 21.5 mmol)을 둥근 바닥 플라스크(round bottom flask)에 충진하고 불활성 분위기를 조성한 후에, 가스 제거된 THF / H2O (35 mL / 5mL)를 넣고 70 oC에서 10시간 교반 하였다. 반응이 종결된 후 dichloromethane으로 추출한 다음 MgSO4로 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피 (Hexane:EA = 7:1 (v/v))로 정제하여 ETM-01 (2.6 g, 85%)를 얻었다.
한편, 위의 합성법은 화학식 1의 대표 물질 ETM-01에 대한 것이며, 다른 화학식의 물질 ETM-02 내지 ETM-60은 초기 (1)의 제 1 화합물 합성시 질소 치환기 수를 달리하거나 (2)의 제 2 화합물 합성시 카바졸 합성 수나, 페닐기 합성 등을 달리하여 수득할 수 있다.
본 발명의 발광 소자에서는, 또한 제 1 전자 수송층(125)의 재료 변경에 의해 전자의 빠른 수송성으로 전자가 제 1 전자 수송층(125)에서 제 1 청색 발광층(124)으로 빠르게 밀려 제 1 청색 발광층(124)과 제 1 전자 저지층(123)의 계면에서 적체됨을 방지하기 위해, 제 1 전자 저지층(123)의 재료를 중수소 치환시킨다.
제 1 전자 저지층(123)은 하기 화학식 2의 재료로 이루어질 수 있다. 이는 서로 대향된 스파이로 플로렌(spyro fluorene)이 결합되고, 일측의 스파이로 플로렌의 말단기가 중수소(D)로 치환된다.
제 1 전자 저지층(123)에서 상기 제 2 물질은 중수소가 갖는 안정성에 의해 제 1 전자 저지층(123)과 제 1 청색 발광층(124)의 계면에 적체된 전자를 반발시켜 보다 제 1 청색 발광층(124) 안쪽으로 이동시켜, 적체된 전자로 제 1 전자 저지층(123)의 수명이 저하되는 것을 방지하는 기능을 하는 것으로 이해된다.
[화학식 2]
Figure pat00037
즉, R5 내지 R12는 중수소로 치환된다.
여기서, L은 단일 결합이거나, 페닐기, 나프틸기 중에서 선택된다.
R3 및 R4은 중수소치환된 페닐기, 바이 페닐기, 헤테로아릴기, 카바졸기, 다이벤조퓨란기, 다이벤조싸이오펜기 중에 선택된다.
상기 제 2 화학식으로 이루어진 전자 저지층을 이루는 물질의 예로, 하기와 같이 EBM-09 내지 EBM-24를 들 수 있다.
Figure pat00038
Figure pat00039
Figure pat00040
Figure pat00041
Figure pat00042
Figure pat00043
Figure pat00044
Figure pat00045
여기서, 전자를 제 1 청색 발광층에 제한하는데 관련된 층인 제 1 전자 저지층(123), 제 1 청색 발광층(124) 및 제 1 전자 수송층(125)은 전자 수송 및 저지 유닛(ETBU)라 한다.
한편, 제 1 스택(S1)은 다음 제 2 스택(S2)과의 사이에, 각각 음극(200)과 양극(110)에서 먼 제 1 스택(S1)과 제 2 스택(S2)에 전자와 정공을 공급하기 위한 제1 전하 생성층(CGL1)을 포함할 수 있다. 제 1 전하 생성층(CGL1)은 전자를 생성하여 제 1 스택(S1)의 제 1 전자 수송층(125)으로 생성된 전자를 공급하는 n형 전하 생성층과, 정공을 생성하여, 제 2 스택(S2)의 정공 수송층으로 공급하는 p형 전하 생성층을 포함할 수 있다.
도 1a와 같이, 발광 소자를 2스택 구조로 할 경우, 시야각 특성을 고려하여 양극(110)으로부터 가까운 제 1 스택(S1)은 형광 발광 특성의 제 1 청색 발광층(124)을 포함시켜 청색 형광 스택으로 하고, 이어 구비된 제 2 스택(S2)은 적어도 적색 인광 발광층 및 녹색 인광 발광층을 포함한 인광 발광층을 구성한 인광 발광 스택으로 구성한다.
제 2 스택(S2)에 이용되는 인광 발광층은 예를 들어, 적색 발광층과 녹색 발광층으로, 이들 장파장 인광 재료는 수명과 효율 모두 개선된 재료가 알려져 있다.
이론적으로 인광 발광층은 100%의 내부 양자 효율을 가지나, 형광 발광층은 25% 수준의 내부 양자 효율을 갖는다. 따라서, 제 2 스택(S2)을 인광 스택으로 포함하는 이유는 형광 발광 스택은 이용되는 내부 양자 효율이 25% 로 낮은 효율의 내부 양자 효율을 갖기 때문에, 구동 전압의 증가의 원인이 되는 스택의 수를 최소한으로 줄여 백색을 표현하기 위함이다. 만일 모든 발광 스택을 형광 발광 스택으로 할 경우, 정해진 스택 수로는 효율이 매우 낮다.
본 발명의 발광 소자는, 제 1 스택(S1)에서 전자 수송 및 저지 유닛(ETBU)에서 제 1 전자 수송층(125)의 재료를 달리하여, 제 1 청색 발광층(EML1, 124)에서의 청색 형광 발광 효율을 높인 것이다. 이 경우, 제 1 청색 발광층(124) 내에서는 발광층의 효율이 개선되는 경우, 효율을 개선하는 주요 메커니즘인 TTA(triplet-triplet annihilation) 기여도가 크게 상승하게 되는데, 보론계 도펀트의 여기에 이용되지 못하는 삼중항 여기자(triplet)이나 전자가 제 1 청색 발광층(124) 내에서 다른 발광 재료의 작용을 저해하거나 제 1 전자 저지층(123)의 계면 측으로 이동해 수명이 저하되는 현상을 방지하기 위해, 제 1 전자 저지층(123)을 중수소로 치환한 것이다.
즉, 본 발명의 발광 소자는 청색 발광 스택에서 청색의 효율과 수명의 트레이드 오프 관계를 개선한 것으로, 전자 수송층은 전자 수송 능력이 크게 개선된 재료를 이용하고, TTA에 의해 주로 열화가 일어나는 전자 저지층은 중수소화하여 효율 개선을 함과 동시에 수명이 저하되는 현상을 방지하여, 청색 형광 재료의 우수한 수명을 유지한다.
도 1b와 같이, 제 2 스택(S2) 외에 청색을 발광하는 스택을 더 구비할 경우, 추가적인 청색 발광 스택(BS)에도 상술한 전자를 청색 발광층에 제한하는데 관련된 층으로 제 2 화학식으로 이루어진 제 2 물질로 이루어진 제 2 전자 저지층과, 430nm 내지 480nm의 발광 피크를 갖는 보론계 도펀트를 포함한 청색 발광층(BEML2) 및 상기 제 1 화학식으로 이루어진 제 1 물질로 이루어진 제 2 전자 수송층의 전자 수송 및 저지 유닛(ETBU)을 포함할 수 있다.
본 발명의 발광 소자는 양극(110), 음극(200) 중 적어도 어느 하나를 투명 금속 혹은 반사 투과형 금속으로 하여 내부 스택(OS)에서 나오는 제 1 스택(S1)의 청색 광과 제 2 스택(S2)의 인광 발광층에서 나오는 장파장 광을 조합하여 백색 광을 출사한다.
본 발명의 발광 소자에 있어, 청색 발광 스택에 청색 형광 발광층을 이용하는 이유는 수명에 있어서 인광 재료 대비 안정성을 갖기 때문이다.
인광 스택의 제 2 스택과 형광 스택의 제 1 스택의 전하 생성층이 동등 수준으로 정공과 전자를 각 제 2 스택과 제 1 스택으로 공급해줄 때, 제 1 청색 발광층의 청색 발광 효율을 높여, 인광 스택의 제 2 스택의 인광 발광 효율과 유사 수준으로 하며, 스택 수를 줄일 수 있다. 즉, 본 발명의 발광 소자는 제 2 화학식으로 이루어진 제 2 물질의 제 1 전자 저지층(123)은 상기 제 1 청색 발광층(124)의 일면에 접하게 하고, 상기 제 1 전자 수송층(125)은 상기 제 1 청색 발광층(124)의 다른 면에 접하게 하여, 제 1 전자 수송층(125)의 재료가 갖는 빠른 전자 전달력과, 제 1 전자 저지층(123)이 중수소에 의해 제 1 청색 발광층(124)으로 전자 및 여기자를 제한함에 의해 수명 저하 없이 구동 전압 개선, 효율 및 휘도의 향상이 가능하다. 또한 이를 통해 청색 형광 스택과 인광 발광 스택의 효율을 유사 수준으로 하여, 본 발명의 발광 소자는 도 1a와 같이, 2스택 구조만으로도 백색을 구현할 수 있다. 이 경우, 스택 사용을 줄여 동일 백색을 표현하는데 구동 전압을 줄일 수 있다.
물론, 본 발명의 발광 소자는 요구되는 색온도가 높아 고효율의 청색 효율이 요구되는 경우 도 1b와 같이, 청색 발광 스택을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 본 발명의 발광 소자는 형광 청색 스택 2개 이상과 형광 청색 스택과는 다른 파장의 광을 발광하는 인광 스택을 포함할 수 있다.
만일 청색 발광 스택의 효율이 충분히 개선되면, 도 1a와 같이, 백색 발광 소자에서 청색 발광 스택은 1개만으로도 청색의 표현이 가능할 것이다. 즉, 백색 발광 소자에서 청색 발광 스택과 인광 발광 스택을 각각 하나씩만 구비하여도 효율이 개선될 수 있으며, 이 경우 스택을 줄임에 의해 구동 전압 감소 효과를 가질 수 있다.
이하, 실험에서는 청색을 발광하는 청색 발광 소자에서, 전자 저지층, 및 전자 수송층의 성분에 따라 효율 및 수명의 변화를 살펴본다. 실험예에서는 단일의 청색 형광 스택을 양극과 음극 사이에 구비한 예로 하였다.
한편, 상술한 화학식 2의 구조의 전자 저지 물질과 비교하여, 중수소를 치환하지 않는 스파이로계 플로렌을 포함하는 하기의 전자 저지 물질로 EBM-01 내지 EBM-08을 들 수 있으며, 이하의 제 1 실험예 군(Ex1-1~Ex1-72)에서는 전자 저지층을 중수소 비치환 스파이로계 플로렌을 이용하여 실험한다.
Figure pat00046
Figure pat00047
Figure pat00048
Figure pat00049
도 3은 실험예에서 이용한 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3과 같이, 제 1 실험예군(Ex1-1~Ex1-72)에서 이용한 발광 소자는, ITO로 이루어진 양극(10) 상에 차례로 다음 구성을 포함한다.
즉, 양극(10) 상에 화학식 3의 DNTPD와 MgF2 가 1:1로 혼합되어 7.5nm의 두께로 증착하여 정공 주입층(11)을 형성한다.
[화학식 3]
Figure pat00050
이어, 상기 정공 주입층(11) 상에, α-NPD를 80nm의 두께로 증착하여 정공 수송층(12)을 형성한다.
이어, 상기 정공 수송층(12) 상에, 제 1 실험예군(Ex1-1 내지 Ex1-72)에서 중수소를 치환하지 않는 물질로 EBM-01 내지 EBM-08의 재료 중 어느 하나로 전자 저지층(13)을 20nm의 두께로 형성한다.
이어, 상기 전자 저지층(13) 상에, 화학식 4의 MADN과 화학식 5의 DABNA-1의 보론계 도펀트가 3 wt%로 도핑되며, 30nm의 두께로 형성된 청색 발광층(14)을 형성한다.
[화학식 4]
Figure pat00051
[화학식 5]
Figure pat00052
이어, 상술한 도 3의 전자 수송 물질 중 ETM-08, ETM-12, ETM-14, ETM-19, ETM-22, ETM-31, ETM-32, ETM-45 및 ETM-54 중 어느 하나의 재료로 하여 15nm의 두께의 전자 수송층(15)을 형성한다.
이어, 전자 수송층(15) 상에 화학식 6의 Bphen에 2wt%로 Li이 도핑된 전자 주입층 또는 n형 전하 생성층(16)을 형성한다.
[화학식 6]
Figure pat00053
이어, 상기 전자 주입층 또는 n형 전하 생성층(16) 상에 Al 성분의 음극(20)을 형성한다.
표 1-1의 제 1 실험예 군(Ex1-1~ Ex1-9)은 각각 전자 저지층(13)의 물질을 EBM-01로 하고, 전자 수송층(15)의 물질을 ETM-08, ETM-12, ETM-14, ETM-19, ETM-22, ETM-31, ETM-32, ETM-45 및 ETM-54로 변경하며, 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압, 휘도, 외부 양자 효율을 평가하고, 가속 조건에서의 수명을 살펴보기 위해 고전류 밀도 55mA/cm2 에서 수명을 비교 평가하였다. 표 1-1의 실험예들 중 외부 양자효율(EQE)과 수명 지수가 제 1 실험예군의 5번째 실험예 (Ex1-5) 가 가장 높아 이의 수명 값을 100%로 하고, 나머지 실험예들의 수명은 이와 비교하여 평가하였다.
Figure pat00054
표 1-2의 제 1 실험예 군(Ex1-10~ Ex1-18)은 각각 전자 저지층(13)의 물질을 EBM-02로 하고, 전자 수송층(15)의 물질을 ETM-08, ETM-12, ETM-14, ETM-19, ETM-22, ETM-31, ETM-32, ETM-45 및 ETM-54로 변경하며, 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압, 휘도, 외부 양자 효율을 평가하고, 가속 조건에서의 수명을 살펴보기 위해 고전류 밀도 55mA/cm2 에서 수명을 비교 평가하였다.
Figure pat00055
표 1-3의 제 1 실험예 군(Ex1-19~Ex1-27)은 각각 전자 저지층(13)의 물질을 EBM-03로 하고, 전자 수송층(15)의 물질을 ETM-08, ETM-12, ETM-14, ETM-19, ETM-22, ETM-31, ETM-32, ETM-45 및 ETM-54로 변경하며, 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압, 휘도, 외부 양자 효율을 평가하고, 가속 조건에서의 수명을 살펴보기 위해 고전류 밀도 55mA/cm2 에서 수명을 비교 평가하였다.
Figure pat00056
표 1-4의 제 1 실험예 군(Ex1-28~Ex1-36)은 각각 전자 저지층(13)의 물질을 EBM-04로 하고, 전자 수송층(15)의 물질을 ETM-08, ETM-12, ETM-14, ETM-19, ETM-22, ETM-31, ETM-32, ETM-45 및 ETM-54로 변경하며, 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압, 휘도, 외부 양자 효율을 평가하고, 가속 조건에서의 수명을 살펴보기 위해 고전류 밀도 55mA/cm2 에서 수명을 비교 평가하였다.
Figure pat00057
표 1-5의 제 1 실험예 군(Ex1-37~Ex1-45)은 각각 전자 저지층(13)의 물질을 EBM-05로 하고, 전자 수송층(15)의 물질을 ETM-08, ETM-12, ETM-14, ETM-19, ETM-22, ETM-31, ETM-32, ETM-45 및 ETM-54로 변경하며, 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압, 휘도, 외부 양자 효율을 평가하고, 가속 조건에서의 수명을 살펴보기 위해 고전류 밀도 55mA/cm2 에서 수명을 비교 평가하였다.
Figure pat00058
표 1-6의 제 1 실험예 군(Ex1-46~Ex1-54)은 각각 전자 저지층(13)의 물질을 EBM-06로 하고, 전자 수송층(15)의 물질을 ETM-08, ETM-12, ETM-14, ETM-19, ETM-22, ETM-31, ETM-32, ETM-45 및 ETM-54로 변경하며, 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압, 휘도, 외부 양자 효율을 평가하고, 가속 조건에서의 수명을 살펴보기 위해 고전류 밀도 55mA/cm2 에서 수명을 비교 평가하였다.
Figure pat00059
표 1-7의 제 1 실험예 군(Ex1-55~Ex1-63)은 각각 전자 저지층(13)의 물질을 EBM-07로 하고, 전자 수송층(15)의 물질을 ETM-08, ETM-12, ETM-14, ETM-19, ETM-22, ETM-31, ETM-32, ETM-45 및 ETM-54로 변경하며, 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압, 휘도, 외부 양자 효율을 평가하고, 가속 조건에서의 수명을 살펴보기 위해 고전류 밀도 55mA/cm2 에서 수명을 비교 평가하였다.
Figure pat00060
표 1-8의 제 1 실험예 군(Ex1-64~Ex1-72)은 각각 전자 저지층(13)의 물질을 EBM-08로 하고, 전자 수송층(15)의 물질을 ETM-08, ETM-12, ETM-14, ETM-19, ETM-22, ETM-31, ETM-32, ETM-45 및 ETM-54로 변경하며, 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압, 휘도, 외부 양자 효율을 평가하고, 가속 조건에서의 수명을 살펴보기 위해 고전류 밀도 55mA/cm2 에서 수명을 비교 평가하였다.
Figure pat00061
한편, 상술한 제 1 실험예 군(Ex1-1~Ex1-72)에서는 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압은 3.60V 내지 3.79V 이고, 휘도는 4.9Cd/A 내지 5.7Cd/A이고, 외부 양자 효율은 7.8% 내지 9.0%임을 알 수 있다.
이와 비교하여, 비교예에서는 도 3의 구조를 동일하게 적용하되, 전자 저지층(13)의 물질로 화학식 7의 TAPC을 이용하고, 전자 수송층(15)의 물질을 벤즈이미다졸의 일종인 화학식 8의 재료를 이용하였다.
[화학식 7]
Figure pat00062
[화학식 8]
Figure pat00063
이러한 비교예에서는 동일한 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압은 3.95V 이고, 휘도는 3.9Cd/A 이고, 외부 양자 효율은 3.9% 으로 평가되었다.
즉, 제 1 실험예 군(Ex1-1~Ex1-72)이 비교예에 비해 구동 전압 감소, 휘도에서의 상승 효과와 더불어, 외부 양자 효율이 2배 이상 개선됨을 알 수 있다. 이는 전자 수송층의 재료 변경에 의한 것임을 예상할 수 있다.
이하에서는 전자 저지층의 중수소 치환 정도에 의한 효과를 제 2 실험예 군 및 제 3 실험예 군에 의해 살펴본다.
제 2 실험예 군(Ex2-1~Ex2-32)에서는 도 3의 구조를 동일하게 적용하되, 전자 저지층(13)의 물질로 EBM-09 내지 EBM-16의 재료 각각에 대해, 전자 수송층(15)의 물질로는 ETM-08, ETM-19, ETM-31 및 ETM-45로 변경하며, 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압, 휘도, 외부 양자 효율을 평가하고, 가속 조건에서의 수명을 살펴보기 위해 고전류 밀도 55mA/cm2 에서 수명을 비교 평가하였다.
구분 구조 전압[V],
10mA/cm2 		휘도[Cd/A],
10mA/cm2 		EQE(%),
10mA/cm2 		수명(%),
55mA/cm2
EBL ETL
Ex2-1 EBM-09 ETM-08 3.74 5.5 8.9 95
Ex2-2 EBM-09 ETM-19 3.77 5.4 8.8 101
Ex2-3 EBM-09 ETM-31 3.69 5.7 9.1 93
Ex2-4 EBM-09 ETM-45 3.72 5.6 9.0 110
Ex2-5 EBM-10 ETM-08 3.62 5.6 9.0 104
Ex2-6 EBM-10 ETM-19 3.79 5.5 8.8 106
Ex2-7 EBM-10 ETM-31 3.75 5.5 8.8 113
Ex2-8 EBM-10 ETM-45 3.62 5.5 8.9 110
Ex2-9 EBM-11 ETM-08 3.64 5.7 9.1 99
Ex2-10 EBM-11 ETM-19 3.66 5.6 8.9 115
Ex2-11 EBM-11 ETM-31 3.68 5.7 9.1 112
Ex2-12 EBM-11 ETM-45 3.78 5.5 8.8 90
Ex2-13 EBM-12 ETM-08 3.62 5.5 8.8 116
Ex2-14 EBM-12 ETM-19 3.61 5.6 8.9 96
Ex2-15 EBM-12 ETM-31 3.64 5.5 8.8 92
Ex2-16 EBM-12 ETM-45 3.67 5.6 9.1 95
Ex2-17 EBM-13 ETM-08 3.62 5.5 8.8 105
Ex2-18 EBM-13 ETM-19 3.73 5.4 8.7 119
Ex2-19 EBM-13 ETM-31 3.66 5.6 9.0 105
Ex2-20 EBM-13 ETM-45 3.78 5.6 9.1 91
Ex2-21 EBM-14 ETM-08 3.73 5.6 9.0 101
Ex2-22 EBM-14 ETM-19 3.68 5.7 9.1 94
Ex2-23 EBM-14 ETM-31 3.62 5.7 8.8 109
Ex2-24 EBM-14 ETM-45 3.60 5.7 8.9 113
Ex2-25 EBM-15 ETM-08 3.69 5.6 9.0 100
Ex2-26 EBM-15 ETM-19 3.77 5.6 9.0 112
Ex2-27 EBM-15 ETM-31 3.65 5.5 8.8 106
Ex2-28 EBM-15 ETM-45 3.64 5.7 9.0 95
Ex2-29 EBM-16 ETM-08 3.77 5.5 8.8 116
Ex2-30 EBM-16 ETM-19 3.79 5.5 8.8 97
Ex2-31 EBM-16 ETM-31 3.66 5.4 8.7 109
Ex2-32 EBM-16 ETM-45 3.76 5.6 9.0 107
제 2 실험예 군(Ex2-1~Ex2-32)은 스파이로계에만 중수소를 치환시킨 전자 저지 물질 (EBM-09~EBM-16)을 적용하였다. 이 경우, 제 1 실험예 군(Ex1-1~Ex1-72)에 비해 제 2 실험예 군(Ex2-1~Ex2-32)에서 전자 수송 물질은 동일하되, 전자 저지층의 중수소화 치환 상태가 다른 예들을 비교하면, 효율 변화는 미미하나, 수명이 약 10% 수준으로 개선된 점을 확인할 수 있다.
제 3 실험예 군(Ex3-1~Ex3-32)에서는 도 3의 구조를 동일하게 적용하되, 전자 저지층(13)의 물질로 EBM-17 내지 EBM-27의 재료 각각에 대해, 전자 수송층(15)의 물질로는 ETM-08, ETM-19, ETM-31 및 ETM-45로 변경하며, 각각 전류 밀도 10mA/cm2에서의 구동 전압, 휘도, 외부 양자 효율을 평가하고, 가속 조건에서의 수명을 살펴보기 위해 고전류 밀도 55mA/cm2 에서 수명을 비교 평가하였다.
구분 구조 전압[V],
10mA/cm2 		휘도[Cd/A],
10mA/cm2 		EQE(%),
10mA/cm2 		수명(%),
55mA/cm2
EBL ETL
Ex3-1 EBM-17 ETM-08 3.64 5.5 8.8 124
Ex3-2 EBM-17 ETM-19 3.72 5.6 9.1 128
Ex3-3 EBM-17 ETM-31 3.63 5.5 8.8 107
Ex3-4 EBM-17 ETM-45 3.68 5.6 9.0 110
Ex3-5 EBM-18 ETM-08 3.68 5.4 8.7 131
Ex3-6 EBM-18 ETM-19 3.68 5.7 9.1 106
Ex3-7 EBM-18 ETM-31 3.66 5.4 8.7 114
Ex3-8 EBM-18 ETM-45 3.72 5.5 8.9 133
Ex3-9 EBM-19 ETM-08 3.65 5.6 8.9 128
Ex3-10 EBM-19 ETM-19 3.80 5.6 9.0 117
Ex3-11 EBM-19 ETM-31 3.62 5.4 8.8 109
Ex3-12 EBM-19 ETM-45 3.79 5.5 8.8 120
Ex3-13 EBM-20 ETM-08 3.73 5.6 9.0 127
Ex3-14 EBM-20 ETM-19 3.69 5.5 8.8 115
Ex3-15 EBM-20 ETM-31 3.63 5.5 8.9 130
Ex3-16 EBM-20 ETM-45 3.60 5.7 9.1 113
Ex3-17 EBM-21 ETM-08 3.73 5.5 8.9 107
Ex3-18 EBM-21 ETM-19 3.65 5.5 8.8 115
Ex3-19 EBM-21 ETM-31 3.75 5.5 8.8 109
Ex3-20 EBM-21 ETM-45 3.73 5.5 8.8 113
Ex3-21 EBM-22 ETM-08 3.80 5.5 8.8 127
Ex3-22 EBM-22 ETM-19 3.69 5.4 8.7 114
Ex3-23 EBM-22 ETM-31 3.80 5.7 9.1 108
Ex3-24 EBM-22 ETM-45 3.66 5.7 9.1 129
Ex3-25 EBM-23 ETM-08 3.66 5.5 8.9 117
Ex3-26 EBM-23 ETM-19 3.75 5.5 8.9 118
Ex3-27 EBM-23 ETM-31 3.79 5.6 9.1 109
Ex3-28 EBM-23 ETM-45 3.74 5.5 8.8 113
Ex3-29 EBM-24 ETM-08 3.63 5.5 8.8 113
Ex3-30 EBM-24 ETM-19 3.72 5.5 8.9 129
Ex3-31 EBM-24 ETM-31 3.79 5.7 9.1 112
Ex3-32 EBM-24 ETM-45 3.78 5.6 8.9 134
제 3 실험예 군(Ex3-1~Ex3-32)은 스파이로계 뿐만 아니라 플로린(fluorine) 및 페닐에도 중수소가 치환된 전자 저지 물질 (EBM-17~EBM-24)을 적용하였다. 이 경우, 제 1 실험예 군(Ex1-1~Ex1-72) 에 비해 제 3 실험예 군(Ex3-1~Ex3-32)은 전자 수송 물질은 동일하되, 전자 저지층의 중수소화 치환 상태가 다른 예들을 비교하면, 효율 변화는 미미하나, 수명이 약 20% 이상 개선된 점을 확인할 수 있다.
즉, 제 2, 제 3 실험예 군(Ex2-1~Ex2-32, Ex3-1~Ex3-32)의 실험들은 우수한 효율을 갖는 전자 수송 물질을 전자 수송층으로 하였을 때, 전자 저지층의 재료를 중수소로 치환함으로써 우수한 수명 특성을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 제 1 실험예 군(Ex1-1~Ex1-72), 제 2 실험예 군(Ex2-1~Ex2-32) 및 제 3 실험예 군(Ex3-1~Ex-3-32)은 모두 보론계 도펀트를 이용하여 실험한 것으로, 모두 도 4와 같이, 대략 450nm 내지 455nm의 발광 피크를 갖고 청색 파장 범위에서 발광함을 나타낸다.
상술한 실험에서는 보론계 도펀트로, 화학식 5의 재료를 이용하였으나, 본 발명의 발광 소자에서 적용하는 청색 형광 발광층의 또 다른 보론계 도펀트로, 화학식 9 내지 16의 재료의 대체 적용도 가능하며, 이를 통해 발광 피크 430nm 내지 480nm의 청색 발광이 가능하다.
[화학식 9]
Figure pat00064
[화학식 10]
Figure pat00065
[화학식 11]
Figure pat00066
[화학식 12]
Figure pat00067
[화학식 13]
Figure pat00068
[화학식 14]
Figure pat00069
[화학식 15]
Figure pat00070
[화학식 16]
Figure pat00071
이하에서는 본 발명의 발광 소자의 구체적인 예와 이를 적용한 발광 표시 장치에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 구체적인 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 5와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 양극(110)과 음극(200) 사이에 3개의 스택(S1, S2, S3)을 갖는 예를 나타낸다. 여기서, 제 1 내지 제 3 스택(S1, S2, S3)은 제 1, 제 2 전하 생성층(150, 170)에 의해 나뉜다. 제 1 스택(S1)은 양극(110)과 제 1 전하 생성층(150) 사이에, 정공 주입층(121), 제 1 정공 수송층(122), 화학식 2의 물질의 제 1 전자 저지층(123), 보론계 형광 도펀트를 포함한 제 1 청색 발광층(124) 및 화학식 1의 물질의 제 1 전자 수송층(125)이 차례로 적층된다.
제 2 스택(S2)은 제 1, 제 2 전하 생성층(150, 170) 사이에 구비되며, 서로 인접하여 적층 구성된 적색 발광층(132), 황녹색 발광층(133) 및 녹색 발광층(134)을 포함한 인광 발광층(PEML)와, 상기 적색 발광층(132) 하측에 제 2 정공 수송층(131)과 상기 녹색 발광층(134) 상측에 제 2 전자 수송층(135)을 포함한다.
제 3 스택(S3)은 제 2 전하 생성층(170)과 음극(200) 사이에 구비되며, 제 3 정공 수송층(141), 제 2 전자 저지층(142), 제 2 청색 발광층(143) 및 제 3 전자 수송층(144)이 차례로 적층될 수 있다.
그리고, 제 2 전자 수송층(144) 상에 음극(200)을 형성할 수 있다. 경우에 따라, 제 2 전자 수송층(144)과 음극(200) 사이에는 전자 주입층을 더 형성할 수도 있다.
상기 스택들 사이의 제 1, 제 2 전하 생성층(150, 170)은 각각 전자의 생성 및 인접한 스택으로 전자의 전달을 담당하는 n형 전하 생성층(151, 171)과 정공의 생성 및 인접한 스택으로의 정공의 전달을 담당하는 p형 전하 생성층(153, 173)을 포함한다. 경우에 따라 제 1, 제 2 전하 생성층(150, 170)은 하나 이상의 호스트에 n형 도펀트, p형 도펀트를 함께 도핑하여 단일층으로 형성할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 제 1 스택(S1)의 제 1 전자 저지층(123), 제 1 청색 발광층(124) 및 제 1 전자 수송층(125)은 도 2에서 설명한 전자 수송 저지 유닛으로 기능하며, 그 물질의 변경에 의해 청색 효율이 향상되고, 제 1 전자 저지층(123)과 제 1 청색 발광층(124)의 계면에서 여기자 및 전자의 적체를 방지하여 수명 저하를 방지하는 데 효과적일 수 있다. 유사하게, 제 3 스택(S3)의 제 2 전자 저지층(142), 제 2 청색 발광층(143) 및 제 3 전자 수송층(144)은 도 2에서 설명한 전자 수송 저지 유닛으로 기능하며, 그 물질의 변경에 의해 청색 효율이 향상되고, 제 2 전자 저지층(142)과 제 2 청색 발광층(143)의 계면에서 여기자 및 전자의 적체를 방지하여 수명 저하를 방지하는 데 효과적일 수 있다.
더불어, 음극(200)에 가까운 측에 전자 주입층을 포함시 전자의 주입 효율을 높이기 위해 금속을 도핑할 수 있는데, 이러한 금속 도핑에 의한 제 3 전자 수송층(144)에서의 확산 및 성질 변경을 방지하기 위해 화학식 8과 같은 벤즈이미다졸을 상술한 제 1 화학식의 제 1 물질과 혼합하여 제 3 전자 수송층(144)을 형성할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 발광 소자를 적용한 발광 표시 장치를 나타낸 단면도이다.
한편, 상술한 발광 소자는 복수 서브 화소들에 공통적으로 적용하여 출사측의 전극측으로 백색 광을 출사할 수 있다.
도 6과 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 양극(110) 과 접속된 박막 트랜지스터(TFT) 및 상기 서브 화소 중 적어도 어느 하나의 상기 양극(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 양극(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 양극(110)을 통과하여 출사되는 백색 광을 각 파장별로 통과시킨다. 그리고, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터(109R, 109G, 109B)를 덮으며, 상기 양극(110) 하측에 제 2 보호막(108)이 형성된다. 양극(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.
발광 소자(OLED)는 발광부(BH)를 정의하는 뱅크(119)를 포함한 박막 트랜지스터 어레이 기판(100) 상에 형성된다. 발광 소자(OLED)는 일 예로 투명한 양극(110)과, 이에 대향된 반사성 전극의 음극(200)과, 상기 양극(110)과 음극(200) 사이에, 도 1a 내지 도 2 및 도 5에서 설명한 바와 같이, 제 1, 제 2 전하 생성층(CGL1, CGL2)으로 구분되는 스택들 중 청색 발광 스택(S1, S3)에 화학식 2의 전자 저지물질로 이루어지는 전자 저지층(123), 보론계 청색 도펀트를 갖는 청색 발광층(124) 및 화학식 1의 전자 수송 물질을 포함한 전자 수송층(125)으로 이루어지는 전자 수송 및 저지 유닛(ETBU)을 포함한 것에 특징이 있다.
상기 양극(110)은 각 서브 화소별로 구분되어 나뉘어 있으며, 백색 발광 소자(OLED)의 나머지 층들은 서브 화소별 구분없이 표시 영역 전체에 일체형으로 구비된다.
한편, 상술한 전자 수송 및 저지 유닛(ETBU)를 갖는 청색 발광 스택에 구비하는 경우, 형광 발광 스택에서, 내부 양자 효율의 제한적인 청색 형광 발광층과 접한 전자 수송층의 재료를 변경하여 전자 수송 효율을 향상시킴으로써 청색 형광 발광층의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 빠른 전자 이동 특성을 갖는 재료의 전자 수송층 적용시 청색 형광 발광층과 반대의 면에서 접한 전자 저지층의 재료를 중수소화하여 청색 형광 발광층과 전자 저지층의 계면에서 전자나 여기자가 적체됨을 방지할 수 있어, 수명을 저하시키지 않고, 효율 개선, 휘도 개선 및 양자 효율의 개선 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 청색 형광 발광층을 구비한 청색 형광 스택에서 효율 개선에 의해, 백색을 구현하는 발광 소자에서 요구되는 청색 스택의 개수를 줄일 수 있어, 동일 백색 구현시 스택 수를 절감할 수 있고, 이를 통해 구동 전압 감소 및 공정의 저감으로 수율 향상이 가능하다.
이를 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 서로 대향된 양극과 음극과, 상기 양극과 음극 사이에, 제 1 전자 저지층, 430nm 내지 480nm의 발광 피크를 갖는 보론계 도펀트를 포함한 제 1 청색 발광층 및 제 1 전자 수송층을 포함한 제 1 스택과, 상기 제 1 청색 발광층보다 장파장을 발광하는 적어도 2개의 인광 발광층을 포함한 제 2 스택 및 상기 제 1, 제 2 스택 사이에 전하 생성층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 전자 수송층은 화학식 1의 제 1 물질을 포함하고, 상기 제 1 전자 저지층의 제 2 물질은 스파이로 플로렌(spyro fluorine)을 포함하고, 상기 스파이로 플로렌의 적어도 일측이 중수소로 치환될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00072
R1 및 R2는 독립적으로 사이클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기 및 카바졸기 중에서 선택 된다. X1, X2 및 X3은 독립적으로 N 또는 CH이다. X4, X5 및 X6중 하나는 반드시 N이며, 나머지는 CH이다.
그리고, 상기 제 2 물질을 화학식 2를 포함할 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00073
L은 단일 결합이거나, 페닐기, 나프틸기 중에서 선택된다. R3 및 R4은 중수소치환된 페닐기, 바이 페닐기, 헤테로아릴기, 카바졸기, 다이벤조퓨란기, 다이벤조싸이오펜기 중에 선택된다. R5 내지 R12는 중수소로 치환된다.
상기 제 1 전자 저지층은 상기 제 1 청색 발광층의 일면에 접하며, 상기 제 1 전자 수송층은 상기 제 1 청색 발광층의 타면에 접하고, 상기 제 1 청색 발광층의 일면과 타면은 상기 제 1 청색 발광층의 두께를 사이에 두고 마주볼 수 있다.
상기 제 2 스택의 상기 인광 발광층은, 상기 제 1 스택에 가까이 적색 발광층과 상기 음극 가까이 녹색 발광층을 포함할 수 있다.
상기 적색 발광층과 상기 녹색 발광층 사이에 황녹색 발광층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 스택과 상기 음극 사이에, 하나 이상의 스택을 더 포함하고, 상기 제 2 스택과 상기 음극 사이에 포함된 적어도 하나의 스택은 상기 제 2 물질을 포함한 제 2 전자 저지층, 상기 제 1 청색 발광층과 동일한 색을 발광하는 제 2 청색 발광층과, 상기 제 1 물질을 포함한 제 2 전자 수송층을 포함할 수 있다.
상기 제 2 전자 수송층과 상기 음극과의 사이에 전자 주입층을 더 포함하고, 상기 제 2 전자 수송층은 제 3 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 표시 장치는, 복수개의 서브 화소를 포함한 기판과, 상기 기판 상의 서브 화소에 각각 구비된 박막 트랜지스터 및 상기 박막 트랜지스터와 접속되며, 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: 양극
121: 정공 주입층 122: 정공 수송층
123: 제 1 청색 발광층 124: 제 1 청색 발광층
125: 제 1 전자 수송층 200: 음극
S1: 제 1 스택 (청색 형광 스택) S2: 제 2 스택 (인광 스택)
S3: 제 3 스택

Claims (8)

  1. 서로 대향된 양극과 음극; 및
    상기 양극과 음극 사이에, 제 1 전자 저지층, 430nm 내지 480nm의 발광 피크를 갖는 보론계 도펀트를 포함한 제 1 청색 발광층 및 제 1 전자 수송층을 포함한 제 1 스택과, 상기 제 1 청색 발광층보다 장파장을 발광하는 적어도 2개의 인광 발광층을 포함한 제 2 스택 및 상기 제 1, 제 2 스택 사이에 전하 생성층을 포함하고,
    상기 제 1 전자 수송층은 화학식 1의 제 1 물질을 포함하고,
    상기 제 1 전자 저지층의 제 2 물질은 스파이로 플로렌(spyro fluorine)을 포함하고, 상기 스파이로 플로렌의 적어도 일측이 중수소로 치환된 발광 소자
    [화학식 1]
    Figure pat00074

    (R1 및 R2는 독립적으로 사이클로알킬기, 아릴기, 헤테로아릴기 및 카바졸기 중에서 선택 된다. X1, X2 및 X3은 독립적으로 N 또는 CH이다. X4, X5 및 X6중 하나는 반드시 N이며, 나머지는 CH이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 물질은 화학식 2를 포함한 발광 소자
    [화학식 2]
    Figure pat00075

    (L은 단일 결합이거나, 페닐기, 나프틸기 중에서 선택된다. R3 및 R4은 중수소치환된 페닐기, 바이 페닐기, 헤테로아릴기, 카바졸기, 다이벤조퓨란기, 다이벤조싸이오펜기 중에 선택된다. R5 내지 R12는 중수소로 치환된다.).
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 전자 저지층은 상기 제 1 청색 발광층의 일면에 접하며, 상기 제 1 전자 수송층은 상기 제 1 청색 발광층의 타면에 접하고,
    상기 제 1 청색 발광층의 일면과 타면은 상기 제 1 청색 발광층의 두께를 사이에 두고 마주보는 발광 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 스택의 상기 인광 발광층은, 상기 제 1 스택에 가까이 적색 발광층과 상기 음극 가까이 녹색 발광층을 포함한 발광 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 적색 발광층과 상기 녹색 발광층 사이에 황녹색 발광층을 더 포함한 발광 소자.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 스택과 상기 음극 사이에, 하나 이상의 스택을 더 포함하고,
    상기 제 2 스택과 상기 음극 사이에 포함된 적어도 하나의 스택은 상기 제 2 물질을 포함한 제 2 전자 저지층, 상기 제 1 청색 발광층과 동일한 색을 발광하는 제 2 청색 발광층과, 상기 제 1 물질을 포함한 제 2 전자 수송층을 포함한 발광 소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 2 전자 수송층과 상기 음극과의 사이에 전자 주입층을 더 포함하고,
    상기 제 2 전자 수송층은 제 3 물질을 더 포함한 발광 소자.
  8. 복수개의 서브 화소를 포함한 기판;
    상기 기판 상의 서브 화소에 각각 구비된 박막 트랜지스터; 및
    상기 박막 트랜지스터와 접속되며, 상기 제 1항 내지 제 7항의 어느 한 항에 따른 발광 소자를 포함한 발광 표시 장치.
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