KR20060039460A

KR20060039460A - 유기전기발광소자

Info

Publication number: KR20060039460A
Application number: KR1020040088544A
Authority: KR
Inventors: 김봉옥; 김치식; 정소영; 권혁주; 조영준; 최경훈; 김성민; 윤승수
Original assignee: (주)그라쎌
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2006-05-09
Also published as: KR100605112B1

Abstract

본 발명은 다색 유기발광 장치에 관한 것으로, 투광성을 갖는 제 1 전극 상에 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 금속 전극 순으로 적층된 복수의 서브픽셀로 이루어지며, 상기 각각의 서브픽셀의 발광층은 적색광, 녹색광, 청색광 및 백색광이 발광되는 유기발광 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

유기발광, 백색발광, 청색발광, 적색발광

Description

유기전기발광소자{Organic light emitting diodes}

도 1. RGB 독립발광방식의 종래 유기발광소자

도 2. 색변환 방식의 종래 유기발광소자

도 3. 칼라필터를 구비한 백색발광 방식의 종래 유기발광소자

도 4. RGBW 컬러필터를 구비한 W-RGB방식의 종래 유기발광소자

도 5. 13,000개의 이미지에서 사용된 색좌표 분포

도 6. 여러 가지 이미지에 대한 RGB 및 RGBW 디스플레이의 전력 소모 그래프

도 7. 본 발명에 따른 RGBW 독립발광 방식의 유기발광소자

도 8. 본 발명에 따른 백색광이 발광되는 서브픽셀 구조

도 9. 백색 OLED의 발광 스펙트럼

도 10. 본 발명에 다른 백색 OLED의 발광 색순도

도 11. 백색 OLED의 전류밀도-전압 특성

도 12. 백색 OLED의 휘도-전압 특성

도 13. 백색 OLED의 발광효율-휘도 특성

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

11 - 제 1 전극

12 - 정공 주입층(HIL)

13 - 정공 수송층(HTL)

14 - 발광층(LEL)

15 - 전자 수송층(ETL)

16 - 전자 주입층(EIL)

17 - 금속전극

18 - 청색발광층

19 - 적색발광층

20 - 색변환층

21 - 칼라필터

22 - 백색 발광층

23 - 액정

유기발광소자(OLED)는 경량박형, 저소비전력 및 빠른 응답 속도 등의 특성을 갖고 있어 동영상 구현 등에 적합한 차세대 평판 디스플레이로 각광을 받고 있다. 현재는 휴대폰에서 외부창의 기본 패널로 채택될 정도로 상용화가 빠르게 진전되고 있으며, 그 기술의 발전 속도가 매우 가파르게 상승하고 있어 최근 20인치 급의 OLED가 개발된 바 있으며, 3 - 4년 내에는 중대형 화면의 OLED TV를 접하게 될 것으로 기대되고 있다. 특히, 한국, 일본 및 대만 등의 아시아 국가들이 반도체, LCD 등의 첨단 디스플레이 소자를 개발한 경험을 바탕으로 기술 개발에 박차를 가하고 있어, 향후 디스플레이 시장의 주도권 쟁탈전이 더욱 치열해지리라 예상된다.

이러한 OLED를 이용하여 풀컬러 디스플레이를 구현하기 위해서는, 핵심부품소재인 발광소재의 개발이 매우 중요한 요소가 되리라 여기지만, 발광소재의 성능 개선 속도가 실제로 중대형 화면을 목표로 생각하면, 매우 느린 편이다. 따라서, OLED의 획기적인 성능 향상을 위해서는 패널 구조 측면에서 새로운 개념이 도입되어야 하며, 이러한 이유로 인하여 패널회사들은 패널 구조를 변화시켜 상용화 수준의 디스플레이를 구현하고자 하는 많은 개념들이 발표되고 있다.

OLED를 이용하여 풀컬러 디스플레이 구현방법으로 아래의 3가지 방식이 공지되어 있다.

(1) RGB 독립발광방식

도 1에 도시된 바와 같이 RGB로 각각 유기발광하는 발광층을 갖는 서브픽셀을 이용하는 독립발광방식으로서, 이 방식은 가장 일반적인 OLED 패널 구조로서, 현재 상용화되어 있는 패널들이 모두 RGB 독립발광방식을 채택하고 있다.

종래의 RGB 독립발광 방식에서는 CIE 좌표 (0.33, 0.33)의 백색을 RGB로 맞추어야 하므로, RGB의 단위 소자로 사용할 때보다 전기 효율이나 순수 색도 면에서 손실을 감수하더라도 색의 조화를 더 우선시 하는 방향으로 OLED 구조를 설계할 수 밖에 없었다. 예를 들면 순청색의 효율이나 색도가 떨어질 경우 순적색을 구현할 수 있어도 백색 구현 때문에 색도가 약간 떨어지는 적색을 사용하는 방법을 채택하는 등의 문제를 가지고 있다.

(2) 색변환 방식

도 2에 도시된 바와 같이 청색 발광 소자 위에 청색을 위한 블랭크 서브픽셀, 적색 및 녹색의 색변환층을 가진 서브픽셀을 두는 방식으로서, 색변환 방식에서는 고성능의 청색 발광 재료의 개발이 매우 중요하다. 특히, 청색의 경우, 큰 에너지 갭을 갖고 있어 재료의 안정성 측면에서 다른 색깔의 발광 재료보다 소자 내에서 불리한 상황이다. 현재까지 개발된 청색 발광 재료의 경우, 색순도나, 발광 효율 측면에서는 어느 정도 적용이 가능하나, 수명 측면에서의 불리함 때문에 방식 (2)의 적용이 아직은 거의 발표되지 않고 있다.

(3) 칼라필터를 구비한 백색발광 방식

도 3에 도시된 바와 같이 백색 OLED 위에 RGB 컬러필터를 두는 방식으로서, 이 방식의 채택 여부는 RGB 삼색 영역의 스펙트럼이 선명하고, 고휘도, 고효율의 특성을 갖는 백색 OLED의 개발에 달려 있다. 많은 연구진들이 이러한 구조를 목표로 고효율 백색 OLED의 개발에 매달려 있으나, 실제 많은 문제점들이 부각되고 있는 실정이다.

백색 OLED는 2가지 발광재료를 이용하는 방식과 3가지 발광재료를 이용하는 방식이 알려져 있다. 2가지 발광재료를 이용하는 방식은 공정 마진이 넓고 백색 색좌표의 구현이 용이한 반면, RGB 컬러필터 사용 시 현저하게 발광효율이 감소하는 단점을 가지고 있다. 실제 아무리 광대역의 발광 파장대를 가지고 있는 발광 재료를 사용한다 하더라도, 컬러필터를 통과한 RGB 각각의 발광효율은, 백색 발광효율의 1/5 수준 정도밖에는 구현할 수 없게 되는 것이다. 이에 반해, 3가지 발광재료를 채택한 방식에서는 RGB 컬러필터를 통과한 후에도 백색의 발광효율에서 큰 손실을 보지 않기는 하지만, 공정이 매우 까다롭고, 구동전압에 따른 백색 색좌표의 변화가 매우 심한 단점을 가지고 있다.

한편 상기 칼라필터를 구비한 백색발광 방식의 변형으로, 코닥에 의하여 2004년 8월 대구에서 개최된 국제 디스플레이학회 "IMID 2004"에서 도 4에 도시된 바와 같은 구조의 백색 OLED 위에 RGBW 컬러필터를 부착하는 방법을 제안된바 있으며, 상기 방식은 대한민국공개특허공보 제2003-77430호와 대한민국공개특허공보 제2004-74958호에도 공지된 바 있다.

코닥사의 비디오 이미지 분석에 따르면, 도 5의 색좌표 분포 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 대부분의 비디오 이미지에서는 순수한 RGB의 사용이 드물고 백색이 섞인 중간색의 사용이 월등히 많으며, 따라서, 도 6의 여러 가지 이미지에 대한 RGB 및 RGBW 디스플레이의 전력 소모량 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 RGBW 방식의 디스플레이 장치의 경우 RGB 컬러필터 대신에 백색 OLED의 색을 그대로 이용하는 백색 필터를 추가한 RGBW 컬러필터를 사용하면, RGB 컬러필러를 사용하는 것에 비하여 전력 소모를 50 % 정도 줄일 수 있다고 보고되고 있다.

그러나 코닥사의 RGBW 컬러필터 채용방식은 백색 OLED에 컬러필터를 사용하여 풀컬러 디스플레이를 구현하는 방법 자체가 자발광을 하지 못하는 LCD의 디스플레이 구현을 그대로 차용한 것으로, 컬러필터에 의한 막대한 빛의 손실 때문에 전력 소모가 크게 증가하는 단점이 있다. 자체 발광인 OLED는 고효율의 다양한 발광색을 낼 수 있기 때문에 방식 (3)의 컬러필터형 풀컬러 구현방식과 코닥의 RGBW 컬러필터 채용방식은 전력 소모 측면의 단점이 더 크게 부각되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 RGB 독립발광방식의 변형 방법으로서 자발광인 OLED의 장점을 충분히 살릴 수 있고, 전력소모가 적은 RGBW 독립발광 방식의 유기발광소자를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 또 다른 목적으로서 백색 구현을 RGB로 하지 않고 독립적인 백색발광 서브픽셀을 구비하고 있어 백색 밸런스 문제로부터 비교적 자유로워 발광 재료나 발광 소자 구조를 채택할 수 있는 RGBW 독립발광 방식의 유기발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명은 RGB 독립발광방식의 변형 방법으로서 자발광인 OLED의 장점을 충분히 살릴 수 있고, 전력소모가 적은 RGBW 독립발광 방식의 유기발광소자에 관한 것으로서, 상세하게는 투광성을 갖는 제 1 전극 상에 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 금속 전극 순으로 적층된 복수의 서브픽셀로 이루어지며, 상기 각각의 서 브픽셀의 발광층은 적색광, 녹색광, 청색광 및 백색광이 발광되는 유기발광 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 RGBW 독립발광 방식의 유기발광소자는 색상의 대부분을 차지하는 중간색 구현에 RGB 세 개의 서브픽셀을 모두 켜지 않고, RW, GW 또는, BW의 두 가지 서브픽셀 만을 켜서 전력 소모를 줄이는 방법을 채택한 것이다. RGBW 독립발광 방식을 채용함으로서 RGB의 세 가지 서브픽셀 만을 사용할 때 항상 고려해야 하는 컬러 밸런스 문제를 극복할 수 있게 되었으며, 따라서 본 발명의 RGBW 독립 발광 방법을 채용함으로서 종래의 RGB 독립발광방식에서 발생하는 문제들로부터 좀 더 자유롭게 발광 재료나 소자구조를 선택 할 수 있게 되었다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 RGBW 독립발광 방식의 유기발광소자는 도 7에 도시된 바와 같이 투광성을 갖는 제 1 전극 상에 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 금속 전극 순으로 적층된 복수의 서브픽셀로 이루어지며, 상기 각각의 서브픽셀의 발광층은 적색광, 녹색광, 청색광 및 백색광이 발광되는 유기발광 재료로 이루어진다.

적색광, 녹색광 및 청색광이 발광되는 발광층은 동일성분으로 이루어진 유기발광 재료 또는 제 1 유기발광 재료로 형성된 유기발광 물질막에 제 2 유기발광 재료를 도핑한 유기발광 재료로 구비되며, 상기 유기발광 재료는 종래의 RGB 독립발광 방식에서 채용되는 종래의 유기발광 재료를 채용될 수 있다. 백색광이 발광되 는 서브픽셀의 발광층은 청색 유기발광 재료와 적색 유기발광 재료를 적층하여 구비되는 것이 바람직하며, 발광층은 제1 유기발광 재료에 제2 발광 재료를 도핑하여 사용하는 도핑시스템을 채용하는 것이 바람직하고, 따라서 청색 및 적색 발광재료는 각각 2개의 화합물로서 구성될 수 있다.

본 출원인은 하기의 화학식 1과 화학식 2로 구성되는 청색 발광재료와 하기의 화학식 3과 화학식 4로 구성되는 적색 발광재료를 적층한 발광층을 이용하여 최대 13 cd/A의 발광효율과 최대 휘도 50,000 cd/m² 의 탁월한 성능을 보이는 백색 OLED를 발명하였으며, 따라서 출원인에 의하여 발명된 백색 OLED와 더불어 종래의 RGB 독립발광 방식에서 채택하고 있는 RGB OLED를 이용하여 우수한 성능의 RGBW 독립발광 방식의 OLED를 구현할 수 있다.

[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

[화학식 4]

본 발명에 따른 RGBW 독립발광 방식의 다색 유기발광 장치에서 구비되는 백색 서브픽셀의 발광층은 정공 수송층위에 청색발광 재료/적색발광 재료 순으로 적층되는 것이 바람직하며, 청색발광 재료 및 적색발광 재료의 발광효율 등을 고려하여 각 발광재료들의 적층 두께를 조절하여 목적하는 RGBW의 발광효율과 발광휘도를 조절할 수 있다.

발광층(LEL)의 상하로 구비되어 서브픽셀을 구성하는 제 1전극, 정공수송층(HTL), 전자 수송층(ETL), 금속전극은 종래의 공지된 것들을 채용하는 것이 가능하며, 제 1전극과 정공 수송층(HTL) 사이에 정공 주입층(HIL)을 추가로 구비할 수 있다.

제 1전극은 전도성이고 투명전극이며, 본 발명에서 사용되는 통상의 투명물질은 인듐-주석 산화물(ITO), 인듐-아연산화물(IZO) 및 주석 산화물이지만, 알루미늄- 또는 인듐-도핑된 산화아연, 마그네슘-인듐 산화물 및 니켈-텅스텐 산화물을 포함하나 이에 한정되지 않으며, 증발, 스퍼터링, 화학증착, 또는 전기화학적 수단과 같은 임의의 적당한 수단에 의하여 침착될 수 있다.

필요시 구비되는 정공 주입층(HIL)에 사용되는 정공 주입물질은 유기층의 성막 특성을 향상시키고 정공 수송층(HTL)으로의 정공의 주입을 용이하게 하는 역할을 하게 된다. 정공 주입층에 사용하기에 적합한 물질은 2 이상의 방향족 3차 아민 잔기를 포함하는 아릴아민계 화합물, 미합중국특허공보 제4,720,432호에 기재된 포르피린계 화합물, 미합중국특허공보 제6,208,075호에 기재된 플라즈마-침착된 플루오로카본 중합체 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

정공 수송층(HIL)으로 유용한 정공수송물질은 방향족 3차 아민과 같은 화합물이 널리 공지되어 있으며, 특히 미합중국특허공보 제4,720,432호 및 제5,061,569호에 기재된 2 이상의 방향족 3차 아민 잔기를 포함하는 화합물이 바람직하나, 상기의 화합물의 범위로 한정되는 것은 아니다.

정공 수송층 위에 앞서 언급한 상기 발광층 위에 전자 수송층(ETL)이 증발, 스퍼터링, 화학증착 또는 전기화학적 수단과 같은 임의의 수단에 의하여 침착되며, 상기 전자 수송층에 사용되기에 바람직한 물질은 금속킬레이팅화합물, 벤즈아졸, 폴리페닐렌비닐렌 유도체, 폴리-파라-페닐렌 유도체 등을 포함한다.

금속전극은 금속 또는 금속 산화물로 이루어진 투명전도층과 상기 투명전도층 아래에 발광층과 접촉하여 전자주입층(EIL)로 구성된다.

이하, 본 발명에 따른 RGBW 독립발광 방식의 유기발광소자에 사용되는 백색광이 발광되는 서브픽셀의 구현예에 소자의 발광특성을 설명한다.

본 발명에 따른 백색광이 발광되는 서브픽셀의 구조는 도 8에 기재된 바와 같이 다음의 통상의 서브픽셀 구조를 사용하였다.

ITO/HIL(60)/HTL(20)/BlueEML(14)/RedEML(19)/ETL(30)/EIL(2)/Al (단위:nm)

먼저, OLED용 글래스(삼성-코닝제)로부터 얻어진 투명전극 ITO 박막(15 Ω/□)을, 트리클로로에틸렌, 아세톤, 에탄올, 증류수를 순차적으로 사용하여 초음파 세척을 실시한 후, 이소프로판올에 넣어 보관한 후 사용하였다.

진공 증착 장비의 기판 폴더에 ITO 기판을 설치하고, 진공 증착 장비 내의 셀에 화학식 5의 4,4',4"-트리스(N,N-(2-나프틸)-페닐아미노)트리페닐아민(4,4',4"-tris(N,N-(2-naphthyl)-phenylamino)triphenylamine, 2-TNATA)을 넣고, 챔버 내의 진공도가 10^-6 torr에 도달할 때까지 배기시킨 후, 셀에 전류를 인가하여 2-TNATA를 증발시켜 ITO 기판 상에 60 nm 두께의 정공 주입층을 증착하였다.

다음으로 상기 진공 증착 장비 내의 다른 셀에 화학식 6의 N,N'-비스(α-나프틸)-N,N'-디페닐-4,4‘-디아민(N,N'-bis(α-naphthyl)-N,N'- diphenyl-4,4'-diamine, NPB)을 넣고, 셀에 전류를 인가하여 NPB를 증발시켜 정공 주입층 위에 20 nm 두께의 정공 전달층을 증착하였다.

정공 전달층을 증착한 후 백색 발광층을 형성시키기 위하여 발광재료를 2 개 층으로 성막하였다. 먼저, 화학식 1의 화합물과 화학식 2의 화합물을 각각 다른 셀에 넣고, 2:100의 몰% 비율로 동시에 증발시켜 14 nm 두께의 첫 번째 발광층을 증착하였다. 그리고 나서, 첫 번째 발광층 위에 화학식 3의 화합물과 화학식 4의 화합물을 4:100의 몰% 비율로 동시에 증발시켜 19 nm 두께의 두 번째 발광층을 증착하여 백색 발광층을 성막하였다.

이어서 NPB와 동일한 방법으로, 상기 발광층 위에 전자 수송층으로서 화학식 7의 트리스(8-히드록시퀴놀린)-알루미늄(tris(8-hydroxyquinoline) -aluminum, Alq)을 30 nm 두께로 증착하였으며, 동일한 방법으로 전자 주입층으로서 화학식 8의 리튬 퀴놀레이트(lithium quinolate, Liq)를 2 nm 두께로 증착하였다.

이와 같이 유기층(7)이 형성된 후, 다른 진공 증착 장비를 이용하여 알루미늄(Al) 금속 음극을 150 nm의 두께로 증착하여 백색 유기발광소자를 제작하였다.

[화학식 5]

[화학식 6]

[화학식 7]

[화학식 8]

상기의 단계로 제작한 백색 발광 서브픽셀의 발광층은 각각 15 cd/A, 18 cd/A 의 발광 효율을 가진 청색과 적색 발광재료를 이용하여 백색 OLED를 제작한 것으로서, 제조된 OLED 소자는 3,000 cd/m² 의 휘도에서 12 cd/A 의 효율을 보이고, 모든 휘도 영역에서 순백색이 구현되었다.

본 발명에 따른 RGBW 독립발광방식의 유기발광소자에 사용되는 백색광이 발광되는 서브픽셀의 발광특성을 도 9 내지 도 13에 도시하였으며, 이로부터 간단한 발광 소자 구조를 가지는 상기의 백색 OLED는 기존 RGB OLED 구조와 공통층을 같이 사용할 수 있어 완벽한 호환성을 가지며, 휘도 변화에 따른 백색 순도의 변화가 거의 없고, 발광 효율이 매우 높으며, 소자 수명이 다른 RGB 소자에 비해 길어서, RGBW 패턴용으로 상용화시키기에 매우 우수한 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

RGBW 독립발광방식의 유기발광소자를 이용하여 OLED 풀컬러 디스플레이를 구현하면, 대부분의 중간색 표현에 RW, GW, BW의 두가지 서브픽셀만을 사용하면 되 므로 RGB 서브픽셀 시스템에 비해 전력 소모를 50 % 정도 줄일 수 있고, 백색 구현을 RGB로 할 필요가 없기 때문에 백색 밸런스 문제로부터 비교적 자유롭게, 발광 재료나 발광 소자 구조를 채택할 수 있는 장점이 있다.

Claims

투광성을 갖는 제 1 전극 상에 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 금속 전극 순으로 적층된 복수의 서브픽셀로 이루어지며, 상기 각각의 서브픽셀의 발광층은 적색광, 녹색광, 청색광 및 백색광이 발광되는 유기발광 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다색 유기발광 장치.
제 1항에 있어서,

적색광, 녹색광 및 청색광이 발광되는 발광층은 동일성분의 유기발광재료 또는 2 이상의 유기발광 재료로 구성되고, 백색광이 발광되는 서브픽셀의 발광층은 청색 유기발광 재료와 적색 유기발광 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 다색 유기발광 장치.
제 2항에 있어서,

백색광으로 발광되는 발광층은 하기의 화학식 1 및 화학식 2로 구성되는 청색 발광재료와 하기의 화학식 3 및 화학식 4로 구성되는 적색 발광재료를 적층한 것을 특징으로 하는 다색 유기발광 장치.

[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

[화학식 4]
제 3항에 있어서,

백색광이 발광되는 발광층은 청색발광 재료와 적색발광 재료의 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 다색 유기발광 장치.