KR100720668B1 - 투명한 양극산화 알루미나 필름을 이용한 높은 광 취출율을 가지는 발광소자 - Google Patents

Abstract

발광층이 접한 유리면 위에 양극산화 다공성 알루미나 필름을 제조하고, 이를 이용하여 광학적 output coupling을 증가시켜 유기전기발광소자의 외부발광효율을 높이는 방법에 관한 것이다. 또한 제조된 양극산화 다공성 알루미나를 이온 흐름(ion drift)방법을 이용해 투명한 양극산화 알루미나 필름으로 변형시킨 후 발광소자를 제조하여 외부발광효율을 향상시킨다.

나노다공성, 투명 알루미나 필름, 이온흐름법, 유기전기발광소자, 외부발광효율

Description

투명한 양극산화 알루미나 필름을 이용한 높은 광 취출율을 가지는 발광소자 {High output coupling efficiency of light emitting device with transparent porous anodic alumina on ITO glass substrate}

도 1은 양극산화 다공성 알루미나를 이용하여 제작된 유기전기발광소자의 개략도

도 2은 ITO 유리 기판 위의 양극산화 다공성 알루미나의 주사 전자 현미경(SEM) 사진

도 3은 유기전기발광소자에서 양극산화 다공성 알루미나를 사용하기 전과 사용 후의 전류밀도-광량(I-L) 특성곡선

100%의 내부발광효율을 가지는 유기전기발광소자에서 발광된 빛이 ITO(Indium Tin Oxide)와 유리를 투과하여 밖으로 나올 때 효율은 Snell의 법칙에 의해서 약 17.5%이다. 이러한 효율 감소는 유리를 기판으로 사용하는 유기전기발광소자에서 외부발광효율 감소에 큰 영향을 미치고 있다. 이를 극복하기 위해서 광학적인 output coupling을 증가시켜서 투과 효율을 증가시키고 있는데, 광학적 output coupling을 증가시키기 위한 다양한 방법이 연구되어 지고 있다. 기존의 연구된 방법은 Texture 구조를 가지는 면을 유리판에 처리하는 방법, microspheres를 ITO 유리면에 사용하는 방법, ITO 유리면에 micro lens를 사용하는 방법, mesa 구조를 사용하는 방법 그리고 ITO와 유리면 사이에 실리카(silica) aerogel을 사용하는 방법 등이 있다. 이중에서 실리카 aerogel을 이용하는 방법은 100% 광량이 증가하는 효과를 나타내었으나 실리카 aerogel이 수분에 매우 민감하고 불안정하여 소자의 수명이 짧아지는 결과를 나타내어서 상업적으로 사용하기에 불가능하다. micro lens나 mesa 구조를 이용하는 방법은 외부발광효율 증가는 나타났으나 micro lens나 mesa 구조를 제작하기 위해서는 비용이 많이 증가하여서 그 실효성이 낮다. microspheres를 이용한 방법은 외부발광효율의 증가가 나타나지 않고 빛의 분산에 의한 파장 변화만이 관찰되었다. 그러므로 무기EL 소자에서 30%의 효율 증가를 가져온 texture 구조를 이용한 방법이 소자의 수명이나 제작비의 많은 상승 없이 활용될 수 있을 것이다. 그러나 유리가 비정질의 형태를 이루고 있어서 유리 위에 texture 구조를 일정한 모양으로 형성하는 것은 매우 어렵다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 ITO 유리 기판 위에 양극 산화 다공성 알루미나를 제작하여서 광학적 output coupling을 증가시켜 발광소자의 외부발광효율이 증가시키는 것이다. 그리고 양극 산화의 손쉬운 방법을 통하 여 원하는 다양한 형태의 다공성 구조를 제작하여 저렴한 가격으로 경제성을 높인다.

본 연구에서는 유리면에 전기산화 방법을 이용하여 다공성 알루미나를 균일한 나노 구조로 제작하여(도 2) 유리와 공기의 계면에서 산란을 발생시켜서 광학적 취출률을 증가시키는 것이다. 이를 위해서는 다공성 알루미나층이 빛을 반사하거나 흡수하지 않아야 한다. 그러나 기존의 전기 산화 방법을 이용하여 제작된 다공성 알루미나는 나노미터 크기의 알루미늄 알갱이가 남아 투과도가 70% 정도로 유리의 90%에 비해서 매우 낮다. 낮은 알루미나의 투과도는 소자 내에서 발광된 빛이 외부로 나오는 것을 막아서 외부발광효율이 감소하는 원인이 될 수 있다. 이를 막기 위해서는 투명한 양극산화 다공성 알루미늄의 제작이 필요한데, 이온흐름방법(ion drift)을 사용하면 알루미늄을 전기 산화 후 남아있는 알루미늄 조각을 손쉽게 알루미나로 변화시킬 수 있다. 이온흐름방법을 통해서 제작된 다공성 알루미나는 투과도가 85% 이상으로 ITO 유리의 투과도인 90%와 거의 동일하며, 유리와의 접착력도 획기적으로 향상된다. 또한 알루미나는 경도가 높고 공기 중에 매우 안정하여서 hard coating 재료로 사용되는데, ITO 유리 기판 위에 알루미나를 제작하여서 유리면의 경도를 높여 유리 기판을 보호하는 역할을 할 수 있다.

또한 공정이 간단하고, 세공의 크기를 제어하기 쉬우며, 기판 크기에 영향을 받지 않아서 대면적에 적용이 가능하며, 제작 가격이 낮아 상업적 효용성이 높 을 것으로 기대된다.

제조된 다공성 알루미나는 그림 2에서 보듯 벌집 모양의 구조로 세공의 평균 폭이 5 나노미터 내지 100 나노미터 미만으로 이루어져 유리 기판 위에 수직으로 형성되어 위치하게 되고, 유리면을 투과하여 나온 빛이 다공성 알루미나 면을 투과할 때 다공성 구조에 의해서 빛이 산란되어 취출률이 증가하게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 발광소자 주에서 유기전기발광소자 제작의 구체적 예로 설명한다.

세척된 유리 위에 500nm 두께의 알루미늄을 증착하였다. 증착된 알루미늄을 양극 산화 방법을 이용하여 다공성 구조의 알루미나로 제조하였다. 이때 사용된 양극 산화방법은 다음과 같다. 0.3 M의 옥살산(Oxalic acid)에 음극으로 탄소, 양극으로는 증착된 알루미늄 기판을 사용하였으며, 전압으로 40V의 직류를 흐르게 하는 정전압법으로 알루미늄을 다공성 반투명 알루미나로 산화시킨다. 이때 황산이나 인산과 같은 사용되는 산의 종류와 인가되는 전압에 따라서 다공성 알루미나의 세공의 평균 폭의 크기는 변화를 줄 수 있으며 이의 두께는 양극산화의 시간에 따라 조절할 수 있다.(Jessensky등, Appl. Phys. Lett., 72,1173, 1998)
제조된 반투명한 알루미나는 이온흐름방법을 이용하여 투명한 다공성 알루미나로 변환하였다. 이때 사용된 이론 흐름방법은 다음과 같다 상기 제작된 다공성 반투명 알루미나/유리 시편을 구리나 스테인리스 스틸과 같은 재질의 잘 세척된 평판형 금속 전극 사이에 위치 시킨다. 이를 열원(heater)를 이용 하여 250-300℃ 사이의 온도를 유지한 상태로 만든 후 약 500-700V 의 직류 전압을 인가한다. 이때 일반적인 초기 전류 밀도는 700V에서 약 0.1 mA/cm² 이며 이온 흐름이 진행됨에 따라 감소하며 다공성 알루미나 필름이 투명하게 된다.

유리의 알루미나 반대면에 RF-sputter를 사용하여 ITO를 증착하였으며, 이때 ITO의 면저항은 100/sq이다. 제작된 ITO 유리는 wet etching 방법을 통해서 pattern 하였다.

유기전기발광소자의 제작은 thermal evaporation 방법을 이용하여 유기물과 Aluminum/Lithium 합금의 금속 전극을 연속 증착하였다. 이때 제작된 유기전기발광소자의 구조는 porous alumina/glass/ITO/TPD/Alq₃/ Al:Li으로 하였다. 제작된 소자의 개략도는 도 1에 표시하였다. 도 1은 소자의 측단면을 표시한 것으로 5는 다공성 알루미나, 4는 유리(glass), 3은 ITO, 2는 정공주입층, 발광층 및 전자주입층 등을 포함한 다층의 유기물, 그리고 1은 Al:Li 전극을 나타낸다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상적 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에서 예시되지 안은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함은 당연하다. 예를 들면 본 발 명의 실시 예에서, 기판 위의 다른 방법을 통한 다공성 알루미나의 제작 및 다공성 알루미나의 구조 변경 등과 같은 다공성 알루미나의 변형, 기판의 재질 및 소자의 구조 변형 등과 같은 소자 내의 변형, 소자제작 방법의 변형 그리고 LED, LCD, 플라즈마 광원 등의 다양한 광학 소자에서 광학적 취출률을 증진시키기 위한 응용 등을 다양하게 실시할 수 있는 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 3은 동일한 조건에서 양극 산화 다공성 알루미나를 사용한 소자와 사용하지 않은 소자의 전류 밀도에 따른 광량 변화를 나타낸 것으로 양극 산화 다공성 알루미나를 사용한 소자의 경우 동일한 전류 밀도에서 광량이 약 25% 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 광량의 증가는 유리 위의 양극 산화 다공성 알루미늄이 유리면에 임계각보다 작은 각을 가지고 도달한 빛을 반사시키거나 유리면을 따라 waveguide 되지 않고 유리면 밖으로 방출되어 광학적 취출률이 증가하는 것이다. 유기전기발광소자에서 유리면에 전기 산화 다공성 알루미나를 제작하여 25% 이상의 외부발광효율을 증가시킬 수 있으며 이는 일반적인 인광 소자의 외부발광소자의 효율이 10%를 기준으로 하면 2.5%의 외부발광효율증가가 기대되고 이를 내부발광효율로 보면 10%이상 증가한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한 외부발광효율의 이론적 한계인 17.5% 보다 높은 외부발광효율을 가지는 유기전기발광소자의 개발도 가능하다. 이처럼 외부발광효율의 증가는 낮은 전류에서 소자를 구동하여 필요한 광량을 얻을 수 있어서 소자의 수명이 연장 시킬 것으로 기대되며, 제작된 패널의 전력 소비량도 줄일 수 있다.

또한 세공의 크기가 나노미터 영역이어서 유리표면에서의 분산에 의한 파장 변화나 이미지가 왜곡되는 현상을 막을 수 있다. 그리고 알루미나의 높은 경도로 인해 소자의 기판을 보호하는 역할을 수행하여 추가의 coating을 하지 않아도 사용 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 유리 기판 위에 양극산화 다공성 알루미나를 사용 함으로서 유기전기발광소자에 있어 외부발광효율의 증가가 가능하였으며, 그 제조 고정이 간단하며, 균일한 대면적으로의 제조도 매우 손쉬워서 높은 경제성을 갖는다. 또한 유기전기발광소자 외에도 다양한 전기 광학 소자에 쉽게 응용될 수 있는 기술이다.

Claims (4)

1. 상측으로부터 하측으로 투명한 나노 다공성 알루미나; 유리(glass); 투명전극; 다층의 유기물 및 전극으로 이루어지되,

   상기 투명한 나노 다공성 알루미나는 양극 산화 방법에 의해 반투명 나노 다공성 알루미나로 형성된 후에 이온 흐름법(ion drift)에 의해 제조되는 투명 나노 다공성 알루미나 필름을 갖는 발광 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 나노 다공성 알루미나의 세공의 평균 폭은 5나노미터 내지 100나노미터 미만의 범위인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
3. 제1항에 있어 상기 발광층이 Photoluminescence, Electroluminescence 혹은 전자성 여기 발광하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
4. 삭제

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