KR100437886B1 - 고발광효율 광결정 유기발광소자 - Google Patents

고발광효율 광결정 유기발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 유기발광소자는, 상면에 요철이 형성된 투명기판; 상기 유리기판 상면 상에 형성되는 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 형성되는 정공수송 유기 EL층; 상기 정공수송 유기 EL층 상에 형성되는 전자수송 유기 EL층; 및 상기 전자수송 유기 EL층 상에 형성되는 캐소드 전극층; 을 구비하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 투명기판 상면에 형성된 요철에 의한 광결정의 주기는 상기 전자수송층/정공수송층 계면에서 발생되는 빛의 파장 수준으로 하는 것이 좋다. 본 발명에 의하면, 투명기판에 광결정 요철을 형성시켜 누설광(leaky wave)을 발생시킴으로서 화질의 저하없이 외부발광효율 및 화각을 증가시킬 수 있다. 또한 광결정에서의 유효굴절율이 투명기판과 투명전극층 사이의 값을 나타내므로 무반사 코팅을 한 것과 같은 효과가 나타나 이로 인한 투과율 증가도 동시에 발생한다.

Description

고발광효율 광결정 유기발광소자{High extraction efficiency photonic crystal organic light emitting device}
본 발명은 유기발광소자(Organic light-emitting device)에 관한 것으로서, 특히 투명기판에 광결정 요철구조를 형성하여 외부발광효율을 높인 유기발광소자에 관한 것이다.
최근 유기발광소자의 배열을 이용한 디스플레이 장치는 평면성, 고화질, 휴대성, 저소비전력 등의 장점으로 인해 많은 관심을 받고 있다.
도 1은 종래의 유기발광소자를 설명하기 위한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 유기발광소자는 투명기판(10) 상면에 투명전극층(20), 정공수송총(hole conduction layer, 30), 전자수송층(electron conduction layer, 40), 캐소드 전극층(cathode layer, 50)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
여기서, 투명기판(10)으로는 유리기판이 많이 사용되며, 투명전극층(20)으로는 ITO막(Indium-Tin-Oxide layer)이 많이 사용된다. 캐소드 전극층(50)의 예로는 Mg-Al 합금층을 들 수 있다. 정공수송층(30) 및 전자수송층(40)으로는 유기 EL 물질을 사용하는데, 대표적으로, 정공수송층(30)으로는 N,N'-디페틸-N,N'-비스-(3-메틸페닐)-4,4'-디아민(이하 'TPD') 또는 폴리에틸렌다이옥시티오펜(PEDOT)가 많이 사용되고, 전자수송층(40)으로는 트리스(8-히드록시퀴놀리노)알루미늄(이하 'Alq3')이 많이 사용된다. 각 층의 대표적인 물질에 대한 절대굴절율은 n(유리) = 1.46, n(ITO)=1.8, n(TPD)=1.76, n(Alq3)=1,7 이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 캐소드 전극층(50)에 음의 전압을 인가하고, 투명전극층(20)에 양의 전압을 인가하면, 정공수송층(30)/전자수송층(40)의 접합부(35, 이하 '활성영역')에서 정공-전자의 결합이 발생하고, 이에 따라 자발적 방출에 의한 빛이 발생하게 된다.
활성영역(active area, 35)에서 자발방출에 의해 발생된 빛은 정공수송층(30)/투명전극층(20) 계면 및 투명전극층(20)/투명기판(10) 계면을 차례로 거쳐서 외부 공기중으로 방출되게 된다. n(Alq3)=1,7 이고 n(ITO) = 1.8 로서 투명전극층(20)의 절대굴절률이 전자수송층(30)보다 더 크기 때문에, 전자수송층(30)/투명전극층(20) 계면에서는 대부분의 빛이 투명전극층(20)으로 굴절되어 투과된다.
그러나, n(ITO)=1.8이고 n(유리) = 1.46로서, 투명기판(10)의 절대굴절률이 투명전극층(20)보다 더 작기 때문에 투명기판(10)에 임계각보다 큰 각도로 입사된 빛은 전반사되어 공기중으로 나가지 못하게 된다. n(유리) = 1.46이고 n(공기)=1 이므로 투명기판(10)/공기 계면에서도 이와 동일한 현상이 나타난다.
도면에서 Θcc는 투명전극층(20)/투명기판(10) 사이의 임계각을 나타내며, Θc는 투명기판(10)/공기 사이의 임계각을 나타낸 것이다. 그리고, Θo는 Θc가 되도록 투명기판(10)에 입사되는 빛의 각도를 나타낸 것이다.
투명기판(10)에서 전반사되는 빛의 양은 활성영역(35)의 특정 발광점에서 발생된 빛의 분포가 방향에 관계없이 등방성(isotropic)이고 재흡수가 일어나지 않는다는 가정하에의하여 계산하면 약 31.5%가 된다. 여기서, T유리(θ)는 투명기판(10)의 투과율을 나타낸다. 그리고, 투명전극층(20)에서 전반사되는 빛의 양은 위와 동일한 가정하에서에 의하여 계산하면 약 51%가 된다. 여기서, TITO(θ)는 투명전극층(20)의 투과율을 나타낸다. 즉, 전체 전반사되는 빛의 양이 약 82.5% 정도로 많음을 알 수 있다.
이렇게 종래의 유기발광소자는 외부발광효율(extraction efficiency)이 약 17%로서 매우 낮음을 볼 수 있다. 외부발광효율이 낮게 되면 디바이스의 소비전력이 증가하고 또한 배열을 이루는 유기발광소자의 수명이 단축되는 등 디바이스의 성능에 나쁜 영향을 미치므로 가능한 한 회부발광효율을 증가시켜야 한다.
외부발광효율을 증가시키기 위하여 종래의 기술로서는 유리 기판에 콘 모양의 배열을 형성하여 임계각 이상으로 입사하는 빛도 외부로 전파되게 하는 방법(참고문헌: High-external-quantum-efficiency organic light-emitting device, G. Gu, D.Z.Garbuzov, P.E.Burrows, S.Venkatesh, S.R.Forrest, Optics Letters, 22, 396, 1997), 그리고, 유리기판 위에 라미네이티드 렌즈 배열(laminated lens array)을 형성하여 입사각을 줄임으로서 외부발광효율을 증가시키는 방법(참고문헌: Improvement of output coupling efficiency of organic light-emitting diodes by backside substrate modification, C.F.Madigan, M.H.Lu, J.C.Sturm, Applied Physics Letters, 27, 1650, 2000) 등이 제안된 바 있으나 제조공정이 복잡하고 화질이 저하되는 등의 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 투명기판에 광결정 요철구조을 형성시켜 누설광(leaky wave)을 발생시킴으로서 높은 외부발광효율을 갖는 유기발광소자를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 유기발광소자를 설명하기 위한 개략도;
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유기발광소자를 설명하기 위한 도면들이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
10: 투명기판 20: 투명전극층
30: 정공수송총 35: 활성 영역
40: 전자수송층 50: 캐소드 전극층
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기발광소자는, 상면에 요철이 형성된 투명기판; 상기 유리기판 상면 상에 형성되는 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 형성되는 정공수송 유기 EL층; 상기 정공수송 유기 EL층 상에 형성되는 전자수송 유기 EL층; 및 상기 전자수송 유기 EL층 상에 형성되는 캐소드 전극층; 을 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 투명기판 상면에 형성된 요철에 의한 광결정의 주기는 상기 전자수송층/정공수송층 계면에서 발생되는 빛의 파장의 1/3~2배 수준이 좋으며 요부의 깊이는 10~200nm인 것이 좋다. 상기 요부의 깊이는 상기 투명전극층의 계면 성능을 저하시키지 않는 범위내에서 가능하면 깊게 할수록 좋다
상기 투명기판 상면에 형성된 요철에 의한 광결정은 정사각형 격자 모양, 삼각형 격자 모양, 벌집 격자 모양으로 주기적으로 반복배열될 수 있다. 그리고, 상기 투명기판 상면에 형성된 요철은 상기 투명기판 상면을 식각하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기 전자수송층/정공수송층 계면에서 발생되는 빛의 파장에 관계없이 동일한 회절각도를 얻기 위해, 상기 투명기판에 형성된 요철에 의한 광결정의 주기를 △라하고, 상기 광결정에 입사되는 광의 파장을 λ라 할 때, λ/△ 가 일정한 값이 되도록 하는 것이 좋다.하기의 설명에 있어서, 광결정은 서로 다른 두가지 물질이 1차원 또는 2,3차원상에서 주기적으로 반복되는 구조를 갖는 것이다. 이러한 광결정은 광밴드갭에 따라 특정 주파수대역의 전자기파가 전달되지 않는 특성을 갖는다. 결국, 광결정 구조는 소정의 주기를 가지면서 계속적으로 반복되는 구조가 효율적이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히설명한다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유기발광소자를 설명하기 위한 도면들이다. 여기서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일기능을 수행하는 구성요소를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 유기발광소자의 개략도를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유기발광소자는 종래와 마찬가지로 투명기판(10) 상면에 투명전극층(20), 정공수송총(30), 전자수송층(40), 캐소드 전극층(50)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
다만, 투명전극층(20)과 접하는 투명기판(10) 상면에 요철(凹凸)에 의한 광결정(photonic crystal)이 형성되어 있는 것이 종래와의 주된 차이이다. 투명기판 상면(10)에 형성된 광결정은 투명기판(10) 상면을 소정의 깊이만큼 식각하여 형성한다. 식각기술은 통상적인 반도체 공정에서 많이 개발되어 있기 때문에 매우 미세한 식각도 가능하다. 물론, 투명기판(10) 상면에 돌출부를 형성시킬 수도 있지만, 아직까지는 돌출부를 형성하는 것보다 투명기판(10)을 식각하여 파내는 기술이 더욱 용이하다.
이렇게 투명기판(10) 상면에 요철이 형성되게 되면, 그 위에 적층되는 투명전극층(20)의 상면에도 동일한 형태의 요철이 형성되게 된다. 물론, 투명전극층(20)의 상면에 형성되는 요철은 투명전극층(20)을 두껍게 형성시키면 없어질 수도 있으며, 투명전극층(20) 상면에 요철이 없는 경우에도 본 발명의 효과는 나타난다.
도 3은 투명기판(10) 상면에 형성된 광결정의 배열을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 광결정은 (a)와 같이 정사각형 격자 모양(square lattice type)을 가질수도 있고, (b)와 같이 삼각형 격자 모양(triangular lattice type)을 가질수도 있으며, (c)와 같이 벌집 격자 모양(honeycomb lattice type)을 가질 수도 있다. 물론, (d)와 같이 자유스러운 격자모양을 할 수도 있다(random lattice pattern).
투명기판(10)에 형성된 광결정의 주기는 활성영역(35)에서 발생되는 빛의 파장의 1/3~2배 수준이 좋다. 그리고, 요부(凹部)의 깊이는 10~200nm인 것이 좋다. 상기 요부의 깊이는 투명전극층(20)의 계면 성능을 저하시키지 않는 범위내에서 가능하면 깊게 할수록 좋다
도 4는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 1차원 광 격자(grating) 형상의 모델을 도시한 것이다. 도면에서, kin은 평면방향으로의 파수(in plane-wave vector)를 나타낸다. N은 광결정에서의 유효굴절율을 나타내며 n(유리)＜N＜n(ITO)의 값을 갖는다. βin은 2π/λ를 나타내며, 여기서 λ는 입사되는 빛의 파장이다. K는 2π/Δ를 나타내며, 여기서 Δ는 광결정의 주기이다.
참조부호 a로 표시한 빛은 요철부위에 갇혀서 외부로 방출되지 못하는 빛을 나타낸다. 그리고, 참조부호 b로 표시한 빛은 외부로 방출되는 누설광(leaky wave)을 나타낸다. 누설광은 n(유리 또는 ITO)ㆍsinθ = Nㆍkin+ qㆍK의 값을 만족하는 θ의 방향으로 방출된다. q는 정수(integer)를 나타낸다.
누설광(leaky wave)의 방향은 광결정의 주기에 따라 조절이 가능하므로 소자의 기능에 따라 주기에 대한 설계는 달라질 수 있다. 디스플레이 장치의 목적과 광효율을 극대화시키기 위하여 누설광(leaky wave)의 방향은 가능한 수직방향으로 향하도록 설정하는 것이 좋다.
통상, 투명전극층(20)으로서 ITO막을 30 ~ 200nm의 두께로 형성하므로 임계각 이내로 투과된 빛에 의해 형성되는 상과 누설광(leaky wave)에 의해 형성된 상의 위치는 육안으로 구분이 불가능하다. 따라서, 디스플레이 장치에서 누설광(leaky wave)에 의한 화질 저하는 발생하지 않는다.
도 3과 같은 2차원 주기적 배열의 광결정을 형성하게 되면, 회절격자가 여러방향으로 형성되기 때문에 누설광(leaky wave)도 여러방향으로 회절 및 산란되며, 이로인해 외부발광효율이 증가함과 동시에 화각도 증가하는 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 칼라 디스플레이로의 적용예를 설명하기 위한 도면이다. 칼라 디스플레이 장치에서 2차원 주기적 배열의 광결정을 이용할 경우, 활성영역(35)에서 발생되는 빛의 파장에 따라 외부로의 회절각도가 달라진다. 따라서, 활성영역(35)에서 발생되는 빛의 파장에 관계없이 동일한 회절각도를 얻기 위해서는 광결정 주기 Δ를 sinθ = λ빨강(R)/Δ = λ초록(G)/Δ = λ파랑(B)/Δ 이 되도록 만들면 된다.
광결정 격자를 도 3(d)와 같이 자유롭게 배열하되 소정의 평균주기를 갖도록 하면 누설광(leaky wave)의 파장에 따른 방향 의존성이 없어지므로 특정한 파장의 빛이 특정한 방향으로 몰리는 색 편향 현상을 없앨 수 있다.
도 6은 투명기판(10) 상면에 형성된 요철의 여러가지 형태를 도시한 도면들이다. 도시된 바와 같이 요철은 도 2와 같은 수직 홈 형태가 아닌 곡선(a) 또는 톱니(b) 형태를 가질 수 있으며, 적절한 요철 형태에 의하여 더 향상된 외부발광 회절효율을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 투명기판에 광결정 요철을 형성시켜 누설광(leaky wave)을 발생시킴으로서 화질의 저하없이 외부발광효율 및 화각을 증가시킬 수 있다. 또한 광결정에서의 유효굴절율이 투명기판(10)과 투명전극층(20) 사이의 값을 나타내므로 무반사 코팅을 한 것과 같은 효과가 나타나 이로 인한 투과율 증가도 동시에 발생한다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (15)

  1. 유기발광 소자에 있어서,
    요철에 의한 광결정의 주기가 전자수송층/정공수송층 계면에서 발생되는 빛의 파장의 1/3~2배인 상면에 요철이 형성된 투명기판;
    상기 유리기판 상면 상에 형성되는 투명전극층;
    상기 투명전극층 상에 형성되는 정공수송 유기 EL층;
    상기 정공수송 유기 EL층 상에 형성되는 전자수송 유기 EL층; 및
    상기 전자수송 유기 EL층 상에 형성되는 캐소드 전극층; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 투명전극층의 절대굴절률이 상기 투명기판의 절대굴절률보다 더 크고, 상기 투명기판의 절대굴절률이 공기의 절대굴절률보다 더 큰 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 투명전극층이 ITO막인 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 투명기판이 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 투명전극층이 30 ~ 200nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 투명기판 상면에 형성된 요철의 요부(凹部) 깊이가 10~200nm인 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 투명기판 상면에 형성된 요철에 의한 광결정이 정사각형 격자 모양으로 주기적으로 반복배열되는 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 투명기판 상면에 형성된 요철에 의한 광결정이 삼각형 격자 모양으로 주기적으로 반복배열되는 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 투명기판 상면에 형성된 요철에 의한 광결정이 벌집 격자 모양으로 주기적으로 반복배열되는 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 투명기판 상면에 형성된 요철이 상기 투명기판 상면을식각하여 형성된 것임을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 투명전극층의 상면에도 상기 투명기판 상면에 형성된 요철과 동일한 형태의 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 투명기판에 형성된 요철에 의한 광결정의 주기를 △라하고, 상기 광결정에 입사되는 광의 파장을 λ라 할 때, λ/△ 가 일정한 값이 되는 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 정공수송 유기 EL층의 절대굴절률이 상기 투명전극층의 절대굴절률보다 더 작은 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
  15. 제1항에 있어서, 상기 투명기판 상면에 형성된 요철이 곡선 또는 톱니형태를 가지는 것을 특징으로 하는 광결정 유기발광소자.
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