KR100306237B1 - 색조절가능한유기발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세공동 구조를 갖는 유기발광소자에 관한 것으로, 유리기판 위에 굴절율이 큰 물질과 굴절율이 작은 물질을 교대로 증착시켜 형성한 DBR층, ITO(Indium Tin Oxide)층으로 이루어진 양극 투명 전극, 유기 발광층을 포함하며, 상기 유기발광층 위에 음극 금속 전극이 반투명 금속막으로 이루어지고, 별도의 실리콘기판 위에 마이크로 액츄에이터를 패터닝하고, 그 위에 전반사 금속막을 형성한 후, 스페이서를 매개로 서로 대면하도록 접합한 것이다.
따라서, 인가된 전압에 따라 마이크로 액츄에이터가 구동하여 공간층의 두께를 변화시킴으로써 특정 파장을 증폭하여 정확한 R.G.B를 구현할 수 있다.

Description

색 조절가능한 유기발광소자{COLOR TUNABLE ORGANIC LIGHT-EMITTING DEVICE}
본 발명은 유기물질을 사용한 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MEMS(micro electromechanical systems) 기술을 이용하여 평면 미세공동(planar microcavity) 두께를 조절함으로서 단일 픽셀에 대하여 원하는 R.G.B 빛깔을 구현할 수 있는 색 조절이 가능한 유기발광소자에 관한 것이다.
종래의 유기물질을 사용한 발광소자는 안정성을 유지하기 위하여 투명전도막(ITO; indium tin oxide) 위에 안정화된 고분자에 발광효율을 증가시키기 위한 정공수송물질을 혼합하여 정공수송층을 제작한 후, 진공 시스템을 사용하여 유기발광물질을 증착하고, 그 위에 금속전극을 코팅하는 구조가 일반적으로 사용된다. 경우에 따라, 발광층과 금속전극 사이에 전자수송층을 삽입하는 경우도 있다.
그러나, 일반적으로 유기발광소자의 발광물질로 사용되는 유기 단분자 물질은 높은 발광효율, 저렴한 가격, 다양한 색상조절, 박막제작의 용이성 등의 장점은 있으나 발광되는 빛의 띠넓이(band width)가 넓기 때문에 정확한 색상의 빛깔을 얻기가 어렵고, 평판유리를 통하여 빛이 방출됨으로써 내부전반사에 의한 빛 손실이 크므로 효율면에서 떨어진다는 단점이 있다.
이와같은 단점을 해소하기 위해 미세공동 구조의 유기발광소자가 본 출원인에 의해 대한민국 특허출원번호 97-52337 호에 공개되어 있다.
도 1은 종래의 유기발광소자의 구조를 보인 단면도이다.
선행출원된 미세공동 구조의 유기발광소자는 유리기판(1) 위에 굴절율이 큰 물질과 굴절율이 작은 물질을 교대로 증착시켜 형성한 분포된 브래그 반사기(Distrbuted Bragg Reflector:DBR)층(2; 이하 DBR층이라 약칭함), ITO(Indium Tin Oxide)층으로 이루어진 양극 투명 전극(3), 유기 발광층(4) 및 음극 금속 전극(5)으로 구성된다.
음극 금속 전극(5)으로는 마그네슘, 알루미늄, 인듐, 은-마그네슘 등을 사용할 수 있다.
유기 발광층(4)은 유기 발광물질로 이루어지며, DCM의 경우는 주요 피크 파장이 607㎚로서 적색을 나타내고, Alq3의 경우는 508㎚으로서 녹색을 나타내며, TB의 경우는 459㎚로서 청색을 나타낸다.
DBR층(2)의 반사율은 다음 수학식 1에 의하여 결정할 수 있다.
상기 식에서, n′는 굴절율이 큰 유전막의 굴절율이고, n″은 굴절율이 작은 유전막의 굴절율이며, N은 유전막 쌍의 수를 나타낸다.
이렇게 제조된 DBR층(2)은 고반사율 거울(High Reflective Mirror)로서 작용하며, 반대쪽인 음극 금속 전극(5)의 완전 거울(Perfect Mirror)과 함께 평면 미세공동(Planar Microcavity) 구조를 이룬다.
이상의 구조로 제작된 유기 발광소자의 방출 조건은 페브리-페롯 간섭계(Fabry-Perot Interferometer) 원리에 적용할 수 있으며, 다음 수학식 2에 의하여 방출광의 피크 파장을 구할 수 있다.
상기식에서, d는 공동 두께, n은 DBR층의 굴절율, θ는 공동 내부에서의 광방출 각도, m은 정수, λ는 방출되는 빛의 피크 파장이다.
미세공동의 두께는 진공증착과정에서 in-situ 두께 측정 모니터를 이용하여 0.1Å 단위까지 측정할 수 있다.
그런데 종래의 평면 미세공동을 이용한 유기 발광소자의 경우 한 픽셀에서 특정 파장의 전계발광만 얻을 수 있으며 특정 픽셀에서 특정 파장의 빛을 얻기 위해서는 미세공동 제작 조건을 각각 달리해야하는 번거러움이 있었다.
더불어 공통의 미세공동 구조를 적용하여 R.G.B를 동시에 얻어낼 수 있으나 이 경우 칼라 필터를 이용하여 특정 픽셀에서 원하는 빛깔을 얻어내어야 함으로 공정상의 번거러움과 함께 칼라 필터를 통과하므로서 절대 밝기 및 콘트라스트 저하를 초래하게 된다.
따라서 본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, MEMS(micro electromechanical systems) 기술을 적용한 마이크로 액츄에이터를 이용하여 평면 미세공동(planar microcavity)의 전체 광 두께(total optical thickness)를 가변시킴으로서 단일 픽셀에서 원하는 R.G.B 빛깔을 구현할 수 있으며, 유기발광층의 패터닝 공정없이도 색 조절이 가능한 유기발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 유리기판 위에 굴절율이 큰 물질과 굴절율이 작은 물질을 교대로 증착시켜 형성한 DBR층, ITO(Indium Tin Oxide)층으로 이루어진 양극 투명 전극, 유기 발광층을 포함하는 유기발광소자에 있어서,상기 유기발광층 위에 음극 금속 전극이 반투명 금속막으로 이루어지고, 별도의 실리콘기판 위에 마이크로 액츄에이터를 패터닝하고, 그 위에 전반사 금속막을 형성한 후, 상기 패터닝된 반투명 금속막과 전반사 금속막을 스페이서를 매개로 서로 소정간격 떨어진 채 대면하도록하여 인가된 전압에 따라 마이크로 액츄에이터가 구동하여 공간층의 두께를 변화시킴으로써 특정 파장을 증폭하여 정확한 R.G.B를 구현할 수 있는 유기발광소자를 제공한다.
도 1은 종래의 유기발광소자의 구조를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 유기발광소자의 구조를 도시한 단면도,
도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터의 구동 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 ; 유리기판 12 ; DBR층
13 ; 양극 투명 전극 14 ; 유기 발광층
15 ; 음극 금속 전극 21 ; 실리콘 기판
22 ; 마이크로 액츄에이터 23 ; 전반사 금속막
24 ; 스페이서
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 유기발광소자의 구조를 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 유리기판(11) 위에 DBR층(12), 양극 투명 전극(13), 유기 발광층(14) 및 반투명 금속막으로 이루어진 음극 금속 전극(15)이 형성되고, 별도의 실리콘기판(21) 위에 마이크로 액츄에이터(22), 전반사 금속막(23)이 형성되며, 두 개의 기판이 스페이서(24)를 매개로 서로 대면하도록 접합된 구성을 갖는다.
DBR층(12)은 굴절율이 큰 유전막과 굴절율이 작은 유전막을 교대로 증착시켜 형성한 분포된 브래그 반사기(Distrbuted Bragg Reflector : DBR)로 형성된다. 이때 DBR의 재료로서는 굴절율(n)이 1.5 인 실리콘산화막과 굴절율(n)이 2.2 인 실리콘 질화막을 사용할 수 있으며, 폴리이미드와 같은 고분자막을 사용할 수 있다.
양극 투명 전극(13)으로는 일반적으로 ITO(Indium Tin Oxide)가 사용된다.
유기 발광층(14)을 구성하는 유기 발광물질로는 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'-디페닐-1,4'-디아민(DCM); 트리스(8-하이드로퀴놀리나토)알루미늄(Alq3); 1,1,4,4-테트라페닐-1,3-부타디엔(TB), 1,2,3,4,5-펜타페닐-1,3-사이클로펜타디엔(PPCP) 및 N,N'-비스(2,5-디-터트-부틸페닐)-3,4,9,10-페릴렌 디카복시이미드(BPPC) 등이 사용될 수 있다.
유기 발광물질인 DCM의 경우는 주요 피크 파장이 607㎚로서 적색을 나타내고, Alq3의 경우는 508㎚으로서 녹색을 나타내며, TB의 경우는 459㎚로서 청색을 나타낸다.
상기 음극 금속 전극(15)은 일함수 값이 작은 알칼리 계열 금속(Li, Mg, Ca) 등이 주로 사용되며, 혼합물질(Alloy)로서 Mg;Ag, Li;Al, Mg;Al 등이 사용된다. 특히, 반투명 상태의 음전극을 형성하기 위해 상기 금속 또는 혼합물질은 50Å정도 코팅(Coating)후 그 위에 ITO막을 500Å 코팅하는 것이 바람직하다.
마이크로 액츄에이터(22)는 인가된 전압에 따라 기계적인 변형을 일으키는 압전물질인 PZT(22a)와, PZT(22a)에 소정의 전압을 인가하기 위해 PZT(22a) 양단에 구비되는 전극부(22b,22c)와, 전극부(22b,22c)에 전압을 공급하기 위해 전기적으로 연결되는 전원부(22d) 및 전원부(22d)로부터 공급되는 전압을 선택적으로 단락시키기 위한 스위칭부(22e)로 구성된다.
한편, 전극부(22b,22c) 중 유기 발광층(14)과 서로 대면하는 전극부(22c)는 광학 거울(optical mirror) 역할을 수행하는 것이 바람직하다.
이를 위해 전반사 금속막(23)은 대부분의 금속이 적용될 수 있으나 일반적으로 Al막이 광학 거울로 사용된다.
Al막 표현을 보호하기 위하여 Al막을 1000Å 이내로 코팅후 알루미나(Al2O3)막을 50Å 이내로 형성시킨다. 이는 400℃ 열처리 과정을 통하여 자연적으로 생성된다.
이렇게 제작된 유기발광소자의 양극 투명 전극(13)과 음극 금속 전극(15)에 전원이 인가되며, 더불어 마이크로 액츄에이터(22)를 구동하기 위한 전원이 독립적으로 인가된다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터의 구동예를 도시한 것으로, 도 3a는 전원이 인가되지 않은 경우이며, 도 3b는 전원이 인가된 경우를 나타낸다.
즉, 전원이 인가된 경우 PZT의 길이(l)가 압전 변형을 일으켜 수직방향으로 최초의 길이(l1)에 비해 변형된 길이(l2)만큼 증가된다. 이는 공간층의 두께를 변화시킴으로써 특정 파장에 따른 빛의 밝기를 변화시킨다.
이상의 구조로 제작된 발광소자의 방출 조건은 페브리-페롯 간섭계(Fabry-Perot Interferometer) 원리에 적용할 수 있으며, 다음 수학식 3에 의하여 방출광의 피크 파장을 구할 수 있다.
상기식에서, L(λ)는 미세공동 두께, θ는 공동 내부에서의 광방출 각도, m은 정수, λ는 방출되는 빛의 피크 파장이다.
한편, DBR층(12)의 반사율(R2)은 수학식 4에 의하여 고굴절층과 저굴절층의 쌍으로 이루어진 막의 굴절율차 Υi로서 구할 수 있다.
한편, 전반사 금속막(23)의 위상변화(φm)는 수학식 5에 의해 계산된다.
상기 식에서, ns는 유기 발광층(14)의 굴절율, nm는 전반사 금속막 굴절율에서 실수 부분, km은 전반사 금속막 굴절율에서 허수 부분이다.
이상의 물리량을 구한 후, 수학식 6을 통하여 평면 미세공동의 전체 두께를 결정할 수 있으며 특정 평면 미세공동 두께일 때, 수학식 4를 통하여 특정파장의 전계발광 피크를 얻을 수 있다.
상기 식에서, R1은 전반사 금속막 반사율, R2는 DBR 반사율, X1은 전반사 금속막으로부터 방출 쌍극(emitting dipole)의 유효거리,│E sub {cav} (λ)│ sup 2 는 특정파장 λ의 자유공간에서의 전계발광 강도이다.
한편, 공동의 두께L(λ)는 수학식 5에 의하여 계산된다.
상기 식에서, 첫번째항은 특정파장의 전자기파가 DBR에 파고드는 침투 깊이를 나타내며, 전계발광 스펙트럼의 중심파장(λ), 평균 굴절율(Δn)은 DBR에서 고굴절층과 저굴절층에서의 굴절율차(n)를 통하여 구할 수 있다.
두 번째항은 DBR 표면에서 전반사 금속막 사이의 광 두께를 나타내며, 각 구성요소는 수학식 8과 같다.
상기 식에서, ni는 각 광 필름의 굴절율, Lj는 각 층의 두께이다.
따라서, 마이크로 액츄에이터(22)를 이용하여 공기층의 두께를 변화시킴으로서 광 두께를 변화시킬 수 있다.
세 번째항은 전반사 금속막(23)에서의 특정파장 전자기파의 침투 깊이를 나타내며, 위상변화에 대한 보정을 취함으로서 전체 광 두께를 구하게 된다.
수학식 6에서의 경우, 미세공동을 거쳐나오는 전계 발광이 아닌 도 2의 양극 투명 전극(13), 유기 발광층(14), 음극 금속 전극(15)만으로 이루어진 유기발광소자일때의 전계발광의 강도를 나타낸다.
수학식 6을 통하여 상기 설명한 바와 같이 특정 파장의 전계발광을 얻을 수 있다.
이상의 조건으로 제작된 마이크로 액츄에이터를 이용한 평면 미세공동 유기발광소자는 수학식 3의 조건에 맞는 특정파장을 증폭하게 되고 그 조건은 정확한 R.G.B를 구현하게 되는 것이다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 평면 미세공동을 이용한 유기 발광소자는 전체 광 두께를 가변시킴으로서 단일 픽셀에서 원하는 R.G.B 빛깔을 모두 얻어 낼수 있으며, 미세 공동 제작 조건을 달리하기 위한 각각의 패터닝 공정없이도 풀-칼라(full-color)를 구현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 칼라 필터를 사용하지 않게되므로 절대 밝기 및 콘트라스트의 향상을 가져올 수 있다.

Claims (2)

  1. 유리기판 위에 굴절율이 큰 물질과 굴절율이 작은 물질을 교대로 증착시켜 형성한 DBR층, ITO층으로 이루어진 양극 투명 전극, 유기 발광층을 포함하는 유기발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 유기 발광층 위에 음극 금속 전극이 반투명 금속막으로 이루어지고, 별도의 실리콘기판 위에 마이크로 액츄에이터를 형성하고, 그 위에 전반사 금속막을 형성한 후, 상기 반투명 금속막과 전반사 금속막 사이에 공기층이 형성되도록 스페이서를 매개로 접합한 유기발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 액츄에이터를 압전물질로 형성한 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
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