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KR20120044675A - 광 추출층을 구비하는 유기발광 소자들 및 그 제조방법들 - Google Patents

광 추출층을 구비하는 유기발광 소자들 및 그 제조방법들 Download PDF

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KR20120044675A
KR20120044675A KR1020100106103A KR20100106103A KR20120044675A KR 20120044675 A KR20120044675 A KR 20120044675A KR 1020100106103 A KR1020100106103 A KR 1020100106103A KR 20100106103 A KR20100106103 A KR 20100106103A KR 20120044675 A KR20120044675 A KR 20120044675A
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신진욱
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한국전자통신연구원
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  • Optics & Photonics (AREA)
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Abstract

광 추출층을 구비하는 유기발광 소자가 제공된다. 상기 유기발광 소자는 기판 상에 제공되는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 및 상기 기판 사이에 위치하는 광 추출층을 구비한다. 상기 광 추출층은 상기 기판과 상기 제 1 전극보다 큰 굴절률을 갖는 고 굴절층과 상기 고 굴절층으로 부터 변형된 상변화 패턴으로 구성된다. 상기 변형된 상변화 패턴은 평면도로부터 보여질 때, 격자, 사선 또는 점 형태를 가질 수 있다. 상기 제 1 전극 상에 유기발광층이 제공되며, 상기 유기발광층 상에 제 2 전극이 제공된다. 상기 유기발광 소자의 제조방법들 역시 제공된다.

Description

광 추출층을 구비하는 유기발광 소자들 및 그 제조방법들 {Organic Light Emitting Devices having a light extracting layer and methods of fabricating the same}
본 발명은 유기발광 소자들(Organic Light Emitting Devices) 및 그 제조방법들에 관한 것이다. 더 상세하게는, 광 추출층을 구비하는 유기발광 소자들 및 그 제조방법들에 관한 것이다.
유기발광 소자는 유기발광물질을 전기적으로 여기시켜 발광시키는 자체 발광형 소자이다. 상기 유기발광 소자는 낮은 전압으로 구동이 가능하고, 광시야각 및 빠른 응답 속도를 갖기 때문에 차세대 디스플레이 및 조명으로 주목받고 있다.
상기 유기발광 소자는 기판, 애노드로 사용되는 제 1 전극, 캐소드로 사용되는 제 2 전극 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 형성된 유기발광 층을 포함한다. 상기 유기발광 층은 유기발광물질을 포함한다. 상기 제 2 전극으로 제공받은 전자와 상기 제 1 전극으로부터 제공받은 정공이 상기 유기 발광층에서 결합하여 여기자(exciton)가 형성된다. 상기 여기자는 들뜬 상태에서 바닥 상태로 천이하면서 광을 방출한다. 상기 유기발광 소자는 상기 유기발광물질의 종류에 따라 다양한 색을 방출할 수 있다. 상기 유기발광 소자는 서로 다른 색을 방출하는 유기발광 층을 이용하여 다양한 컬러를 표시할 수 있다.
상기 유기발광 층에서 방출되는 광은 제 1 전극과 기판을 투과하여 외부로 방출된다. 상기 제 1 전극으로 입사되는 상기 광은 상기 제 1 전극과 상기 기판의 계면에서, 상기 제 1 전극과 상기 기판의 굴절률로 결정되는 임계각 이상의 각도로 입사할 경우 전반사 하게 되어 제 1 전극 내부로 도파한다. 상기 유기발광 층과 상기 제 1 전극의 두께는 상기 기판의 두께보다 약 백만 분의 일의 크기를 가지므로, 상기 유기발광 층에서 상기 제 1 전극으로 입사하는 광은 수직으로 입사하는 광보다 상기 임계각 이상의 각도로 입사될 확률이 높아진다. 따라서, 상기 기판 외부로 방출되는 광 추출효율이 낮아진다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광 추출효율을 개선 시키기에 적합한 유기발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예는 유기발광 소자에 관한 것이다. 상기 유기발광 소자는 기판 상에 제 1 전극이 제공되고, 상기 제 1 전극과 상기 기판 사이에 광 추출층을 구비하고, 상기 제 1 전극 상의 유기발광층과 상기 유기발광층 상의 제 2 전극과 상기 제 2 전극 상의 보호층을 포함한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 광 추출층은 상기 기판과 상기 제 1 전극보다 큰 굴절률을 갖는 고 굴절층과 상기 고 굴절층으로부터 변형된 상변화 패턴을 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 상변화 패턴은 평면도로 보여질 때, 격자, 사선 또는 점 형태를 갖는 유기발광 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 유기발광 소자의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은 기판 상에 고 굴절층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 고 굴절층 상에 제 1 전극을 형성한다. 상기 고굴절층의 소정영역들을 변형시키어, 복수의 상변화 패턴들을 형성하되, 상기 상변화 패턴들 및 그들 사이의 고 굴절층이 광 추출층을 구성한다. 상기 제 1 전극 상에 유기발광층을 형성하고, 상기 유기발광층 상에 제 2 전극을 형성하고, 상기 제 2 전극 상에 보호층을 형성한다
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 상변화패턴은 레이저를 조사하여 형성될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 상변화패턴은 평면도로부터 보여질 때, 격자, 사선 또는 점 형태로 형성될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따르면, 기판과 제 1 전극 사이에 광 추출층이 제공되고, 상기 광 추출층은 상기 기판 및 제 1 전극보다 높은 굴절률을 갖는 고굴절층 및 이로부터 변형된 상변화 패턴들을 포함한다. 따라서, 상기 제 1 전극 상의 유기 발광층으로부터 방출되는 빛은 상기 제 1 전극 내부에서 도파되지 않고 상기 제 1 전극, 상기 광 추출층 및 상기 기판을 통하여 외부로 방출될 수 있다.
또한, 상기 광 추출층은 상기 기판과 상기 제 1 전극 사이에 고굴절층이 형성된 후에 레이저 조사를 통하여 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광 소자의 일 부분을 도시한 사시도이다.
도 2 내지 도 7은 도 1의 유기발광 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8 내지 도 10은 도 1에 보여진 광 추출층의 다양한 형태들을 나타내는 평면도들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술 되어있는 실시예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광 소자의 일 부분을 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광 소자를 설명하기로 한다.
도 1 을 참조하면, 제 1 면(101) 및 제 1 면(101)에 대향하는 제 2 면(102)을 갖는 기판(100)이 제공된다. 상기 기판(100)은 투명성을 가지는 물질로 구성될 수 있다. 상기 투명성을 가지는 기판(100)은 유리 및 플라스틱일 수 있다. 상기 기판(100)의 제 1 면(101) 상에 제 1 전극(150)이 제공될 수 있다. 상기 제 1 전극(150)은 투명성을 가지는 물질일 수 있다. 상기 투명성을 가지는 물질은 투명전도성 산화물(TCO:Transparent conductive oxide)일 수 있다. 상기 투명전도성 산화물(TCO)은 인듐주석산화물(ITO: Indum Tin Oxide) 또는 인듐아연산화물(IZO: Indium Zinc Oxide)일 수 있다. 상기 투명전도성 산화물은 1.8~1.9의 굴절률을 가질 수 있다.
상기 기판(100)의 제 1 면(101)과 상기 제 1 전극(150) 사이에 광 추출층(132)이 제공될 수 있다. 상기 광 추출층(132)은 상기 기판(100)과 상기 제 1 전극(150)보다 굴절률이 큰 물질로 구성될 수 있다. 상기 광 추출층(132)은 상기 기판(100)과 상기 제 1 전극(150)보다 굴절률이 큰 고 굴절층(130)과 상기 고 굴절층(130)으로부터 변형된 상변화 패턴들(131)로 구성될 수 있다. 상기 광 추출층(132)은 상기 고 굴절층(130)과 상기 상변화 패턴들(131)이 수평적으로 나열되어 구성될 수 있다. 상기 고 굴절층(130)은 무기물질, 유기물질 및 유기물과 무기물의 혼합물로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 무기물질은 SnO2, TiO2, CdO, TiO2-SiO2, ZrO2, ZnO, ZnS, Cu2O, Ta2O3, HfO2, 또는 In2O3 이 될 수 있고, 상기 유기물질은 폴리비닐페놀(polyvinylphenol) 수지, 에폭시(epoxy) 수지, 폴리이미드(polyimides) 수지, 폴리스티렌(polystyrene) 수지, 폴리카보네이트(polycarbonate) 수지, 폴리에틸렌(polyethylene) 수지, PMMA(polymethylmethacrylate) 수지, 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 수지가 될 수 있다. 상기 상변화 패턴들(131)은 상기 고 굴절층(130)으로부터 변형 후, 재결정화과정에서 상이 변화되어 형성될 수 있다. 상기 상변화 패턴들(131)은 상기 고 굴절층(130)과 굴절률이 다를 수 있다. 상기 광 추출층(132)은 가시광선의 파장보다 더 큰 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 광 추출층(132)의 두께는 0.5㎛ 보다 더 큰 두께를 가질 수 있다. 상기 제 1 전극(150) 상에 유기발광층(170)이 제공된다. 상기 제 1 전극(150)은 외부로부터 전압을 인가받아, 상기 유기발광층(170)에 정공을 제공할 수 있다.
상기 유기발광층(170) 상에 제 2 전극(190)이 제공될 수 있다. 상기 제 2 전극(190)은 전도성을 가지는 물질일 수 있다. 상기 유기발광층(170) 상에 제 2 ㅈ전극(190)이 제공될 수 있다. 상기 제 2 전극(190)은 전도성을 가지는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 전극(190)은 금속 또는 광 투과성 물질일 수 있다. 상기 금속은 알루미윰(Al), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo) 또는 그들의 합급일 수 있다. 상기 광 투과성 물질은 상기 금속의 박막형태일 수 있다. 상기 박막의 두께에 따라서 투과하는 빛의 파장이 다를 수 있다.
상기 제 2 전극(190)은 상기 외부에서 전압을 인가받아, 상기 유기발광층(170)에 전자를 제공할 수 있다. 상기 제 2 전극 상에 보호층이 제공될 수 있다. 상기 제 2 전극(190)은 상기 유기발광층(170)으로부터 생성된 광을 투과하여 외부로 내보내거나 또는 상기 제 1 전극(150)을 향하여 반사시킬 수 있다. 상기 유기발광층(170)은 상기 제 1 및 제 2 전극들(150, 170)로부터 제공되는 정공들 및 전자들의 재결합을 통하여 광을 생성시킨다. 즉, 상기 유기발광층(170)은 유기발광 물질로 이루어질 수 있다. 상기 유기발광 물질은 폴리플루오렌(polyfluorene) 유도체, (폴리)파라페닐렌비닐렌((poly)paraphenylenevinylene) 유도체, 폴리페닐렌(polyphenylene) 유도체, 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole) 유도체, 폴리티오펜(polythiophene) 유도체, 안트라센(anthracene) 유도체, 부타디엔(butadiene) 유도체, 테트라센(tetracene) 유도체, 디스티릴아릴렌(distyrylarylene) 유도체, 벤자졸(benzazole) 유도체 또는 카바졸(carbazole)중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 유기발광 물질들을 주재료로 하고, 상기 주재료에 도펀트(dophant)를 도핑(doping)하여, 발광효율을 높일 수도 있다. 상기 도펀트는 크산텐(xanthene), 페릴렌(perylene), 쿠마린(cumarine), 로더민(rhodamine), 루브렌(rubrene), 디시아노메틸렌피란(dicyanomethylenepyran), 티오피란(thiopyran), (티아)피릴리움((thia)pyrilium), 페리플란텐(periflanthene) 유도체, 인데노페릴렌(indenoperylene) 유도체, 카보스티릴(carbostyryl), 나일레드(Nile red), 또는 퀴나크리돈(quinacridone)을 포함할 수 있다. 상기 유기발광층(170)은 상기한 물질을 포함하는 단일층으로 형성될수 도 있고, 상기 유기발광층(170)의 발광효율을 높이기 위해 보조층을 포함하는 다중층으로 형성될 수도 있다. 상기 보조층은 정공주입층(hole injecting layer), 정공수송층(hole transfer layer), 전자수송층(electron transfer layer), 및 전자주입층(electron injecting layer)을 포함할 수 있다. 상기 제 2 전극 상에 보호층(210)이 제공될 수 있다. 상기 보호층(210)은 상기 기판(100)의 제 1 면(101)을 제외한 상기 유기발광 소자를 덮는 형태로 제공될 수 있다. 상기 보호층(210)은 공기불투과성 재료로 이루어질 수 있다. 상기 보호층(210)을 통하여 광이 추출된다면, 투명한 재료일 수 있다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상기 유기발광 소자의 제조과정을 나타내는 단면도들이고, 도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 유기발광 소자의 상기 광 추출층(132)의 다양한 형태들을 보여주는 평면도들이다.
도 2 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 유기발광 소자의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제 1 면(101)과 제 1 면(101)에 대향하는 제 2 면(102)을 갖는 기판(100)이 제공된다. 상기 기판(100)은 투명한 물질로 형성된 기판(100)일 수 있다. 상기 기판(100)은 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 상기 기판(100)의 제 1 면(101) 상에 상기 기판(100)보다 굴절률이 높은 고 굴절층(130)이 형성될 수 있다. 상기 고 굴절층(130)은 무기물, 유기물 또는 유기물과 무기물의 혼합물로 형성될 수 있다. 상기 무기물은 SnO2, TiO2, CdO, TiO2-SiO2, ZrO2, ZnO, ZnS, Cu2O, Ta2O3, HfO2, 또는 In2O3 이 될 수 있다. 상기 유기물은 폴리비닐페놀(polyvinylphenol) 수지, 에폭시(epoxy) 수지, 폴리이미드(polyimides) 수지, 폴리스티렌(polystyrene) 수지, 폴리카보네이트(polycarbonate) 수지, 폴리에틸렌(polyethylene) 수지, PMMA(polymethylmethacrylate) 수지, 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 수지가 될 수 있다. 상기 고굴절층(130)은 화학기상증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition), 스퍼터(sputter) 또는 전자빔증착장치(E-beam evaporation)를 이용하여 증착되거나, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이코팅(spray coating) 또는 에어로졸공정(aerosol process)후 열처리하여 형성될 수 있다. 상기 고굴절층(130) 상에 제 1 전극(150)을 형성할 수 있다. 상기 제 1 전극(150)은 투명성을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 상기 투명성을 가지는 물질은 투명전도성 산화물(TCO:Transparent conductive oxide)으로 형성할 수 있다. 상기 투명전도성 산화물은 인듐주석산화물(ITO: Indum Tin Oxide) 또는 인듐아연산화물(IZO: Indium Zinc Oxide)일 수 있다. 상기 투명전도성 산화물은 1.8~1.9의 굴절률을 가지도록 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제 1 전극(150)을 형성한 후에, 상기 고 굴절층(130)의 소정영역들에 레이저(L)를 선택적으로 조사하여 상기 소정영역들을 재결정화시킬 수 있다. 상기 재결정화는 상기 고 굴절층(130)의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 상기 레이저(L)가 조사된 상기 소정영역들은 상변화되어, 복수의 상변화패턴(131)들을 형성할 수 있다. 상기 상변화패턴(131)들 및 그들 사이의 상기 고굴절층(130)은 광 추출층(132)을 구성할 수 있다. 상기 레이저(L)는 적외선 레이저, 자외선 레이저, 엑시머 레이저(excimer laser), 네오듐:야그 레이저(Neodume:Yttrium Aluminium Garnet laser), 루비레이저 (ruby laser), 티타늄:사파이어 레이저(Titanium:sapphire laser), 이산화탄소 레이저(carborn dioxide laser) 또는 반도체 레이저(semiconductor laser)중 어느 하나가 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제 1 전극(150) 상에 유기발광층(170)이 형성될 수 있다. 상기 유기발광층(170)은 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition), 스퍼터(sputter), 또는 전자빔증착(E-beam evaporation) 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 유기발광층(170)은 플리플루오렌(polyfluorene) 유도체, (폴리)파라페닐렌비닐렌((poly)paraphenylenevinylene) 유도체, 폴리페닐렌(polyphenylene) 유도체, 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole) 유도체, 폴리티오펜(polythiophene) 유도체, 안트라센(anthracene) 유도체, 부타디엔(butadiene) 유도체, 테트라센(tetracene) 유도체, 디스티릴아릴렌(distyrylarylene) 유도체, 벤자졸(benzazole) 유도체 또는 카바졸(carbazole)로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 유기발광층(170) 상에 제 2 전극(190)과 보호층(210)이 순서대로 형성될 수 있다. 상기 제 2 전극(190)은 전도성을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 전극(190)은 금속 또는 광 투과성 물질로 형성될 수 있다. 상기 금속은 알루미늄(Al), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo) 또는 그들의 합금으로 형성될 수 있다. 상기 광 투과성 물질은 상기 금속의 박막형태로 형성될 수 있다. 상기 박막의 두께에 따라서 투과하는 빛의 파장이 다르도록 형성할 수 있다. 상기 제 2 전극(190)은 유기발광층(170)에서 발광된 광을 기판(100)의 제 제 2 면(102)을 향하여 반사시켜 상기 유기발광 소자의 외부로 방출되도록 하거나 상기 기판(100) 상에 상기 보호층(210) 방향 외부로 광을 투과시켜 방출되도록 형성할 수 있다. 상기 제 2 전극 상에 보호층(210)이 형성될 수 있다. 상기 보호층(210)은 상기 기판(100)의 제 1 면(101)을 제외한 상기 유기발광 소자를 덮는 형태로 형성될 수 있다. 상기 보호층(210)은 공기불투과성 재료로 이루어질 수 있다. 상기 보호층(210)을 통하여 광이 추출된다면, 투명한 재료로 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 유기발광층(170) 내에 위치한 임의의 유기발광원(S)에서 발광된 광이 상기 제 1 전극(150)을 통하여 상기 광 추출층(132)을 향하여 입사되어, 상기 광은 산란을 일으킬 수 있다. 상기 광 추출층(132)으로 광이 입사할 때, 입사각(θ)은 상기 제 1 전극(150)과 상기 광 추출층(132)간의 계면에 대한 법선으로부터 측정할 수 있다. 상기 입사각(θ)으로 입사한 광은 상기 고굴절층(130)과 상기 상변화패턴(131)에서 각각 굴절되어 상기 기판(100)으로 입사될 수 있다. 상기 광 추출층(132)에 의해 산란되는 광(B)은 상기 기판(100)의 제 2 면을 통하여 상기 기판(100)의 외부로 방출될 수 있다. 상기 광 추출층(132)이 생략되었을 때, 제 1 전극(150) 내부로 도파되는 광(A)은 상기 제 1 전극(150)과 상기 기판(100)간의 계면에서 상기 입사각(θ)이 전반사 임계각(θc)보다 클 때 발생할 수 있다. 상기 전반사 임계각은 제 1 전극(150)의 굴절률(n1)과 상기 기판(100)의 굴절률(n2)로부터 산출될 수 있다. 상기 전반사의 임계각(θc)을 구하는 식을 나타내면 수학식 1과 같다. 상기 수학식 1은 스넬의 법칙(Snell`s law)에서 유도된다.
Figure pat00001
도 8 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예로 광 추출층(132a)은 격자형태 상변화 패턴(131a)과 그들 사이의 고 굴절층(130a)로 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예로 광 추출층(132b)는 사선형태 상변화 패턴(131b)과 그들 사이의 고 굴절층(130b)로 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또다른 실시예로 광 추출층(132c)는 점 형태 상변화 패턴(131c)과 그들 사이의 고 굴절층(130c)로 형성될 수 있다.
100: 기판
101: 제 1 면
102: 제 2 면
130: 고 굴절층
131: 상변화 패턴
132: 광 추출층
150: 제 1 전극
170: 유기발광층
190: 제 2 전극
210: 보호층
L: 레이저(L)
A: 도파되는 광
B: 산란되는 광
S: 임의의 유기발광원(S)
θ: 입사각

Claims (1)

  1. 기판 상에 제공되는 제 1 전극;
    상기 기판과 상기 제 1 전극 사이에 위치하고, 상기 기판과 상기 제 1 전극보다 큰 굴절률을 갖는 고 굴절층과 상기 고 굴절층으로 부터 변형된 상변화 패턴을 포함하는 광 추출층;
    상기 제 1 전극 상의 유기발광층; 및
    상기 유기발광층 상의 제 2 전극을 포함하는 유기발광 소자.
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