KR100865622B1

KR100865622B1 - 디스플레이의 휘도 향상을 위한 광자결정 구조의 형성방법

Info

Publication number: KR100865622B1
Application number: KR1020020050550A
Authority: KR
Inventors: 박준용; 서은미; 송인성; 신중한
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2008-10-27
Also published as: KR20040018644A

Abstract

본 발명은 디스플레이의 휘도를 향상시키는 수단으로 제시되고 있는 2차원 판상 광자결정(photonic crystal slab) 구조를 형성하는 새로운 방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 특정 파장의 광원에 노광시 노광 정도에 따라 높이 차이 또는 용해도 차이를 발현하는 광반응성 고분자 박막이 도포된 유리기판을 일정한 주기(Λ)로 간섭된 레이저 빔에 노광하는 과정을 유리기판 또는 레이저 시스템을 그 유리기판에 수직인 축을 중심으로 360/n°씩 회전시키면서 반복시행한 후 현상 및/또는 에칭하는 공정을 거쳐 2차원의 n각형 배열을 가진 간격주기 Λ의 판상 광자결정 구조를 대면적의 유리기판 상에 형성하며, 본 발명에 의해 발광층에서 생성된 빛이 뷰잉(viewing) 방향으로 집중되어 우수한 휘도를 시현하고 소비전력이 적어 경제적인 디스플레이를 면적에 구애받지 않고 용이하게 생산할 수 있다.

유기전계발광 디스플레이, 광자결정, 격자, 레이저 간섭계, 아조 벤젠, 포토레지스트

Description

디스플레이의 휘도 향상을 위한 광자결정 구조의 형성방법{Method for Fabrication of Photonic Crystal Structure to Improve Brightness of A Display}

도 1은 본 발명에 사용된 레이저 시스템의 개략도, 및

도 2는 실시예 1에 따라 유리기판 위에 전사된 2차원의 3각형 배열을 가진 간격주기 300nm의 판상 광자결정 구조의 AFM 사진이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: Ar+ 레이저(Ar+ Laser)

2: 빔 스플리터(Beam splitter)

3: 거울

4: 1/2 파장판(half-wave plate, "HWP") 또는

1/4 파장판(quarter-wave plate, "QWP")

5: 편광기(Polarizer)

6: 공간필터(Spatial Filter) + 대물렌즈(Objective Lens)

+ 핀홀(Pinhole)

7: 조준렌즈(Collimating Lens)

8: 시료

9: 회전비계(Rotational Stage)

10: 입사각(Incident Angle)

본 발명은 디스플레이의 휘도를 향상시키는 수단으로 제시되고 있는 2차원 판상 광자결정(photonic crystal slab) 구조를 형성하는 새로운 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 간섭계를 이용하여 유기전계발광 디스플레이의 투명전극기판 상에 발광파장보다 작은 격자상수(Λ) 및 지름(D)을 가지는 구멍들의 규칙적인 배열을 가지는 대면적의 2차원 평판(salb) 형태의 광자결정 구조를 도입하는 방법에 관한 것이다.

차세대 디스플레이로서 큰 관심을 끌고 있는 유기전계발광 디스플레이는 자발광형 디스플레이이므로 백라이트가 필요없고, 액정 디스플레이에서 발생하는 시야각 문제가 없으며, 응답속도도 수십 ㎲ 정도로 매우 빠르고, 디스플레이 판넬 두께가 수 mm 정도로 얇게 제작가능한 등 많은 장점들을 가진다. 또한, 저전압 구동 및 직류전압 구동이 가능하므로 회로의 IC화가 용이하여, 기기의 소형화 및 소비전력 감소가 기대된다. 특히, 발광물질로 고분자 유기물질을 사용하면, 평판형 디스플레이 뿐만 아니라 곡선형 디스플레이 등 자유롭게 형태를 변형할 수 있는 디스플레이가 가능하게 되며, 제조공정이 간단해지기 때문에 제조원가를 절감할 수 있는 잠재성을 가진다.

하지만, 이처럼 많은 장점에도 불구하고 유기전계발광 디스플레이의 실용화를 방해하는 가장 큰 문제는 발광효율 및 이에 연관된 수명이다. 유기전계발광 소자는 기본적으로 유리기판 등을 포함하는 투명전극 위에 유기박막을 다층으로 형성시키고, 그 위에 음극을 형성시켜서 완성되며, 일반적으로 소자의 발광수명을 향상시키기 위해서 봉지(encapsulation)하여 산소 및 수분과의 접촉을 억제한다. 다층으로 형성되는 유기박막의 종류는 정공주입층, 정공수송층, 완충층, 전자주입층, 전자수송층 등으로 구성되며, 고분자 전계발광 소자의 경우 하나의 층이 여러 층의 역할을 하기도 한다. 이러한 방법으로 완성된 유기전계발광 소자에 전장을 인가하면 양극으로는 정공이 주입되고 음극으로는 전자가 주입되며, 이들이 이동하여 발광층 내에서 재결합하면서 발생된 재결합에너지에 의해 여기자가 생성된다. 이 여기자가 기저상태로 안정화되면서 방출되는 에너지가 빛으로 방출되는 것이 유기전계발광이다.

이러한 형태의 발광소자에서 발광된 빛을 디스플레이의 용도로 사용하는데 있어서 발광효율은 매우 중요한 요소이다. 그러나 아직까지는 장시간 안정적으로 발광효율을 유지할 수 있는 기술 수준에 도달하지 못한 것이 사실이다. 이를 해결하기 위해 발광재료의 개발이 진행되어지고 있으나, 순색(full color) 구현을 위한 적색, 녹색, 청색의 발광재료 각각에 대해 이러한 요구조건을 만족시킬 수 있는 수준에 도달하기에는 아직 한계를 보이고 있다. 따라서 발광재료에 의존하지 않고 발광효율을 향상시키는 기술이 필요한데, 이러한 관점에서 진행되고 있는 연구들이 소자 구조의 개량이다. 통상의 유기전계발광 소자에 있어서, 발광층으로부터 방출된 빛은 표시장치를 구성하는 기판에 도달하기 전에 고굴절률의 투명 전극막을 통과하게 된다. 이 때 입사각의 정도에 따라 빛이 전면으로 진행되지 못하고 투명 전극막에 갇히게 되어 소자의 측면으로 새어 나오는 에지방출(edge emission) 현상이 발생한다. 일반적으로 굴절률(n)이 약 2 정도인 ITO 박막의 경우 입사각이 임계각, θc(여기서, sin θc - 1/n = 0) 이하인 경우에만 박막의 전면으로 빛을 방출할 수 있다. 이러한 에지방출 현상은 디스플레이의 휘도를 저하시키는 주요한 요인으로 작용하는 것으로 지적되어 왔다.

이러한 문제를 해결하기 위해 2차원의 회절 격자 혹은 2차원의 판상 광자결정을 유리기판과 ITO 박막의 사이에 도입한 결과, 2배 이상의 휘도 향상 효과를 얻을 수 있었다는 보고가 있다(참조: 일본 특개평11-283751, 일본 특개소2002-158095). 이들 문헌에서는 2차원의 3각형 배열 형태가 이상적임을 제시하고 있다. 하지만 위의 기술에서는 2차원의 회절 격자 혹은 2차원의 판상 결정 구조를 도입하기 위해서 리소그래피 기술과 불소수소산을 이용한 에칭기술에 의존하는데, 리소그래피 방법의 경우 마스크를 사용하여야만 하기 때문에 디스플레이와 같은 대면적에 수백 nm 정도의 배열을 가지는 구조를 형성하는데는 적합하지 않다. 따라서 대면적의 미세구조를 규칙성을 유지하며 형성할 수 있는 경제적인 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 전계 효과에 의해 발광되는 발광소자의 발광효율을 향상시키기 위해 디스플레이용 유리기판의 전면에 2차원 판상 광자결정 구조를 형성함에 있어서, 기존의 마스크를 사용하는 리소그래피 방법이 가지고 있는 면적의 제한성을 극복할 수 있는 대면적의 격자구조 패터닝 방법을 제공함을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 한 측면은 다음의 단계들에 의해 디스플레이용 유리기판 위에 2차원의 n각형 배열을 가진 판상 광자결정 구조를 도입하여 디스플레이의 발광효율을 향상시키는 방법에 관한 것이다:

(a) SiO₂ 박막이 코팅된 디스플레이용 유리기판 위에 노광 정도에 따라 물리적 혹은 화학적 상이성이 발현되는 광반응성 고분자 박막을 도포하는 단계;

(b) 상기 광반응성 고분자 박막에 일정한 주기(Λ)로 간섭된 레이저 간섭계의 빔을 조사하여 상기 고분자 박막 상에 상기 레이저 빔의 간섭무늬와 일치하게 인-플레인(in-plane) 방향으로 Λ의 간격주기를 가지는 줄무늬 모양의 1차원 격자 구조를 형성하는 단계;

(c) 상기 유리기판 혹은 상기 레이저 간섭계를 유리기판에 수직인 축을 중심으로 360/n°씩 n-1회 회전시키면서 매 회전마다 상기 (b) 단계를 반복하여 2차원의 n각형 배열을 가진 간격주기 Λ의 판상 광자결정 구조를 형성하는 단계; 및

(d) 상기 판상 광자결정 구조를 상기 유리기판 표면의 SiO₂박막으로 전사하는 단계.

본 발명의 다른 측면은 상기 방법에 의해 2차원의 n각형 배열을 가진 판상 광자결정 구조가 표면에 형성된 유리기판이 투명전극기판으로 도입된 디스플레이에 관한 것이다.

본 발명자들은 특정 파장의 광원에 노광시 물리적 또는 화학적 변화를 일으키는 광반응성 고분자 물질을 도포한 유리기판에 일정한 주기(Λ)로 간섭된 레이저 빔을 조사하면, 그 빔의 보강/상쇄간섭무늬와 일치하게 Λ의 간격주기를 가지는 줄무늬 모양의 1차원 격자가 상기 고분자 박막 위에 인-플레인(in-plane) 방향으로 형성되는데 착안하여, 유리기판 혹은 레이저 시스템을 유리기판에 수직인 축을 중심으로 360/n°씩 회전시키면서 매 회전마다 동일한 노광 단계를 반복한 후 현상 및/또는 에칭 공정을 거쳐 2차원의 n각형 배열을 가진 간격주기 Λ의 판상 광자결정 구조를 대면적의 유리기판 상에 형성하는데 성공하고 본 발명을 성안하게 되었다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서 유리기판을 박막 코팅하는 용도로 사용가능한 광반응성 고분자 물질 중 노광에 의해 물리적 상이성을 발현하는 물질의 대표적인 예로는, 특정 파장의 광조사에 의해 트랜스(trans) 형에서 시스(cis) 형으로의 광이성질화(photoisomerization) 현상이 일어나는 하기 화학식 1의 아조 벤젠 단위(azo benzene moiety)를 중합체의 주쇄 또는 측쇄에 하나 이상 포함하는 아조계 고분자를 들 수 있다:

상기 아조계 고분자로 이루어진 박막은 특정 파장의 광원이 일정한 주기를 가지는 간섭 패턴으로 입사될 경우 보강간섭에 노광된 영역과 상쇄간섭에 노광된 영역 간에 기하학적 높이의 차이를 형성하는 특성을 갖는다.

본 발명에 사용 가능한 또 다른 광반응성 고분자 물질은 노광에 의해 원래의 물질과는 화학적 성질이 상이한 새로운 물질로 전환되는 물질로서, 그 대표적인 예로는 흡광에 의해 전체적인 분자구조의 변화를 일으킬 수 있는 감광성 단위(photosensitive moiety)를 하나 이상 포함하는 포토레지스트 물질이 있다. 그러한 감광성 단위들을 하기 화학식 2 내지 5에 예시하였으나, 이들에 국한되는 것은 아니다:

(상기 화학식 2 내지 5에서, R은 탄화수소기임)

상기 포토레지스트 물질로 이루어진 박막은 특정 파장의 광원이 일정한 주기를 가지는 간섭 패턴으로 입사될 경우 보강간섭에 노광된 영역과 상쇄간섭에 노광된 영역 간에 특정 용매에 대한 용해도 차이를 보이는 특성이 있으며, 이러한 포토레지스트 물질은 반도체 리소그래피 분야에서 이미 잘 알려져 있다.

본 발명에서 유리기판 위에 상기 광반응성 고분자 물질을 도포하는 방법은 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 제한받지 아니하며, 스핀코팅법 등을 적용가능하다. 광반응성 고분자 박막의 두께는 고분자 용액의 농도, 스핀코팅기를 사용하는 경우에는 스핀코팅기의 회전속도, 그리고 코팅시간 등을 조절함으로써 적절히 결정된다.

유리기판 위에 도포된 광반응성 고분자 물질의 박막은 이어서 간섭계에 노광되는데, 본 발명에서는 간섭계의 광원으로서 상기 광반응성 고분자 물질의 물리적 혹은 화학적 반응을 유발할 수 있는 파장의 빛을 포함하는 레이저를 사용한다. 도 1을 참조하여 설명하면, 레이저(1)에서 나온 빔(beam)은 빔스플리터(2)를 통하여 두 개의 빔으로 나누어지고, 각각의 빔은 거울(3)에서 반사되어 대물렌즈와 핀홀을 포함하는 공간필터(6)를 통과하면서 빔의 크기가 확장되어진다. 확장된 빔의 크기와 세기는 레이저의 세기와 대물렌즈의 선택에 따라 조절될 수 있다. 확장된 각각의 빔은 조준렌즈(7)에 의해 평행한 빔으로 만들어지고, 두 평행한 빔의 교차면에 시료 유리기판(8)이 배치된다. 상기 유리기판(8)은 유리기판에 수직인 축을 중심으로 360° 회전가능한 회전비계(9)에 접합되어 있으며, 유리기판의 표면에는 고분자 박막의 접착성과 후속 에칭 공정시의 용이성을 위해 미리 SiO₂ 박막이 코팅되어 있다. 유리기판에 입사되는 두 빔의 입사각도(θ)는 브레그의 법칙(Bragg's law)에 의해 90°까지 조절이 가능하다. 또한 평행 빔들의 세기는 HWP 또는 QWP(4)를 사용하여 조절할 수 있으며, 편광기(5)를 사용하여 빔의 편광을 변화시킬 수 있다. 두 개의 평행한 빔들이 형성하는 보강?상쇄간섭은 삼각함수형태(sign profile)의 빛의 세기 분포를 보인다.

일정한 동일 파장(λ)을 가지는 두 입사 빔이 이루는 간섭의 주기(Λ)는 브 레그의 법칙에 따라 다음과 같은 관계식을 가지며, 본 발명에서 Λ는 최종 디스플레이의 발광파장보다 작은 값을 갖도록 선택된다:

2Λ sinθ = λ

1회의 유리기판의 노광을 통해 Λ의 간격주기를 가지는 1차원의 격자 패턴이 고분자 박막 표면에 형성되며, 상술한 바와 같이, 동일 기판을 그 기판에 수직인 축을 중심으로 120°씩 2회 더 연속해서 회전/노광을 하는 경우 3각형의 격자 패턴이, 90°씩 3회 더 연속해서 회전/노광을 하는 경우 4각형의 격자 패턴이 형성되는 식으로, 유리기판에 수직인 축을 중심으로 360/n°씩 n-1회 더 회전하면서 매 회전마다 동일한 노광 단계를 반복함으로써 2차원의 n각형 배열을 가진 격자 패턴을 얻을 수 있다. 목적 패턴의 형성 여부는 AFM(atomic force microscopy) 또는 SEM(scanning electron microscopy)를 이용하여 확인가능하다.

이와 같이 레이저 간섭계에의 노광에 의해 형성된 고분자 박막의 2차원 판상 광자결정 구조는 별도의 현상 및/또는 에칭 공정을 통해 그 패턴이 유리기판 위로, 보다 정확하게는 유리기판 표면의 SiO₂ 박막으로 전사될 수 있다. 고분자 박막이 아조계 고분자로 이루어진 경우에는, 별도의 현상 공정 없이 격자구조의 골과 마루의 높이 차이를 직접 마스크로 이용하여 유리기판 표면의 SiO₂ 박막을 에칭하는 것이 가능하다. 반면, 고분자 박막이 포토레지스트 물질로 이루어진 경우에는 적절한 현상액을 사용하여 격자구조의 골 부분은 제거하고 마루 부분만을 남겨둔 다음, 그 패턴을 마스크로 이용하여 에칭하여야 한다. 본 발명에 적합한 에칭 방식은 본 발 명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 제한되지 않으나, 특히 아조계 고분자를 이용한 경우에는 격자 모양을 유지하기 위해 건식에칭을 하는 것이 바람직하다. 건식에칭 시에는, 아조계 고분자 박막이 일정한 속도로 에칭되어 SiO₂층이 나타날 때까지는 O₂나 CF계 혹은 이들이 혼합된 형태의 에천트(etchant)를 사용하며, 일단 SiO₂층이 드러난 후에는 SiO₂층이 아조계 고분자 박막보다 에칭 속도가 빠른 조건의 가스를 포함하는 에천트를 사용한다. 유리기판 위로 전사된 광자결정 구조의 깊이는 에천트 및 에칭 조건의 선택에 의해 원하는 치수로 조절가능하며, 필요에 따라서 잔류 고분자를 제거하기 위한 목적으로 애싱(ashing) 처리를 추가로 행할 수도 있다.

본 발명의 방법에 따라 형성된 2차원 판상 광자결정 구조를 가지는 유리기판 위에 통상의 스퍼터링(sputtering) 공정에 따라 전극 형상의 산화인듐주석(ITO)층을 투명전극 층으로 증착하고, 그 위에 유기 발광물질을 원하는 두께로 코팅하여 발광층을 형성한 다음, 전극으로 금속층을 열증착시키면 유기 전계발광 소자를 얻을 수 있다.

완성된 유기 전계발광 디스플레이에서, 2차원의 판상 광자결정 구조는 유리기판과 ITO막 사이에 존재하며, 이미 공지된 바와 같이 상기 2차원의 판상 광자결정 구조는 발광층에서 생성된 빛의 계면에서의 전반사를 억제함으로써 뷰잉(viewing) 방향으로 빛을 집중시켜 디스플레이의 발광효율을 향상시키는 역할 을 한다.

편의상 본 발명의 구성을 유기전계발광 디스플레이용 기판을 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 방법은 기존의 리소그래피 방법과는 달리 기판의 면적에 제한받지 않고 대면적 기판 상에도 정밀한 격자 패턴을 형성할 수 있기 때문에, 유/무기 전계발광 디스플레이, LCD(Liquid Crystal Display), 및 전면 유리의 한쪽 면이 인광체(phosphor) 등의 형광물질로 이루어진 CRT(Cathode Ray Tube)와 FED(Field Emission Display)를 비롯하여 기타 투명전극기판을 사용하는 모든 종류의 디스플레이에 발광 효율을 향상시키기 위한 목적으로 2차원 판상 광자결정 구조를 도입하는데 적용가능하다.

이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명의 보호범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1: 아조계 고분자 박막 상에서의 2차원 판상 광자결정 구조의 형성

0.7mm의 두께를 가지는 디스플레이용 유리기판 위에 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 3000Å의 두께를 가지는 SiO₂ 박막을 증착한 후, 중성세제(Clean Ace; 井內盛榮堂, 일본)와 아세톤, 이소프로필알코올을 이용하여 각각 순차적으로 10분씩 세척하였다. 세척 후 건조된 유리기판 위에, 사이클로헥사논에 용해된 poly(1-(4-nitrophenyl)-2-(4-[ 2-(methacryloyloxy)- ethyl]ethylaminophenyl)diazene)-co-4-[2-(methacroyloxy)ethyl]azobenzene) (Mw=7,000, MWD=1.75)를 스핀코팅기를 사용하여 300 nm의 두께의 박막으로 도포하였다. 코팅 후 120℃의 핫플레이트 위에서 상기 기판을 10분 동안 건조시켜 용매를 제거하였다. 건조된 기판을 파장 488 nm의 아르곤 레이져 광원을 구비한 레이저 간섭계를 사용하여, 아조계 고분자의 트랜스 형태를 띤 N=N 단위가 시스 형태로 광이성질화 되도록 노광하였다. 이때 레이저빔의 입사각도를 50o로 조절하여, 간격주기(Λ)와 높이(h)가 각각 300nm와 90nm인 1차원 선형 패턴을 얻었다. 삼각패턴(triangular pattern)을 형성하기 위해서, 상기 기판을 기판에 수직인 축을 중심으로 120°씩 2회 더 회전시키면서 동일 조건에서 노광하기를 반복하였다. 총 3회 노광된 기판을 AFM(atomic force microscopy)으로 관찰하여 삼각패턴을 확인하였다(도 2). 아조계 고분자 박막에 형성된 패턴이 SiO₂ 박막으로 그대로 전사되도록, 우선 C₂F₆ 가스를 이용한 건식에칭으로 SiO₂층이 나타날 때까지 패터닝된 아조계 고분자 박막을 에칭한 후, F₂ 가스를 포함하는 에천트를 사용하여 후에칭을 행하였다. 에칭이 완료된 후 잔류 아조계 고분자를 제거하기 위해 애싱을 한 다음, AFM(atomic force microscopy)을 통해서 패턴을 재확인하였다.

상기와 같이 제작된 3각형 배열의 2차원 판상 광자결정 구조가 패터닝된 유리기판을 중성세제(Clean Ace; 井內盛榮堂, 일본)를 이용하여 60℃에서 10분 동안 초음파 세척기로 세척한 후, 증류수를 이용하여 초음파 세척기로 재세척하여 표면에 남아있는 중성세제 성분을 모두 제거하였다. 이후, 아세톤 및 이소프로필 알코 올을 이용하여 초음파 세척기로 각각 10분 동안 세척하였다. 세척된 기판을 열풍으로 건조시킨 후, DC 스퍼터링 장비(SPUCO-35TC, 디알진공, 대한민국)를 사용하여 전극 모양의 패턴을 가지는 마스크를 통해 두께가 1500Å이고 면저항이 10Ω인 ITO 전극층을 스퍼터링 하였다. 상기 ITO 전극 표면의 불순물을 제거함과 동시에 투명전극의 에너지 장벽을 작게 하여 정공주입을 원활히 하기 위해, 자외선 오존 세척기로 드라이 크리닝하였다.

세정이 완료된 2차원 판상 광자결정 구조를 포함하는 상기 ITO 기판(ITO glass) 상에, 발광보조 물질로서 폴리-3,4-에틸렌 다이옥시티오펜(PEDOT, Bayer社, 독일)을 메탄올을 이용하여 중량비 1:3의 비율로 희석한 후, 기판 전면에 도포하고, 3000 rpm의 속도로 50초 동안 스핀코팅하였다. 코팅 후 110℃의 핫플레이트 위에서 5분 동안 건조시켰다.

이와 같이 형성된 발광보조층 위에 poly(p-phenylenevinylene)계 발광 물질을 수분 100ppm 이하의 글로브 박스(glove box) 내에서 80nm의 두께로 스핀코팅하고, 70℃ 핫플레이트 위에서 60분간 건조시켰다. 발광물질이 코팅된 기판을 1×10-7 torr의 진공 챔버내에서 금속 전극으로서 칼슘을 500Å 두께로 열증착시키고, 보호막으로 칼슘층 위에 알루미늄을 2000Å 두께로 열증착시켰다. 마지막으로, 커버글래스와 자외선 경화제(NOA81, Norland, 미국)를 이용하여 봉지(encapsulation)하여 발광소자 제작을 완료하였다.

실시예 2: 포토레지스트 고분자 박막 상에서의 2차원 판상 광자결정 구조의 형성

0.7mm의 두께를 가지는 디스플레이용 유리기판 위에 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 3000Å의 두께를 가지는 SiO₂ 박막을 증착한 후, 중성세제(Clean Ace; 井內盛榮堂, 일본)와 아세톤, 이소프로필알코올을 이용하여 각각 순차적으로 10분씩 세척하였다. 세척 후 건조된 유리기판 위에, 포토레지스트(SEPR551, Shinetchu,일본)를 500nm 두께로 스핀코팅하고 110℃에서 소성(baking)하였다. 뒤이어 파장 488nm의 아르곤 레이져 광에 의해 간섭노광하였다. 이때 레이저빔의 입사각도를 50o로 조절하여, 간격주기(Λ)와 높이(h)가 각각 300nm와 500nm인 1차원 선형 패턴을 얻었다. 삼각패턴을 형성하기 위해서, 상기 기판을 기판에 수직인 축을 중심으로 120°씩 2회 더 회전시키면서 동일 조건에서 노광하기를 반복하였다. 총 3회 노광된 기판 위의 포토레지스트 층을 현상한 후, AFM(atomic force microscopy)을 통해서 삼각패턴을 확인하였다. 3각형 배열의 격자패턴이 형성된 포토레지스트 박막을 마스크로 사용하고 F₂ 가스를 포함하는 에천트를 사용하여 후에칭을 행하여, 포토레지스트 박막에 형성된 패턴이 SiO₂ 박막에 전사되도록 하였다. 에칭이 완료된 후 포토레지스트 물질을 제거하기 위해 애싱을 한 다음, AFM(atomic force microscopy)을 통해서 패턴을 재확인하였다.

상기와 같이 제작된 3각형 배열의 2차원 판상 광자결정 구조가 패터닝된 유리기판을 사용하여 상기 실시예 1에서와 동일한 방식으로 전계발광 소자를 제작하였다.

시험예: 전계발광 소자의 발광효율 측정

상기 실시예 1 및 2에서 제작된 각 전계발광 소자와, 2차원 판상 광자결정 구조가 도입되지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 제작된 전계발광 소자의 발광효율을 휘도와 전기적 특성(전압, 전류밀도)을 측정하여 평가하였다. 그 결과, 300nit에서 2차원 판상 광자결정 구조가 도입되지 않은 경우의 발광효율 1.62cd/A에서, 아조계 고분자를 이용하여 2차원 판상 광자결정 구조가 도입된 경우(실시예 1) 8.16cd/A, 포토레지스트를 이용하여 2차원 판상 광자결정 구조가 도입된 경우(실시예 2) 7.98cd/A로 각각 향상된 것을 확인하였다. 또한, 2차원 판상 광자결정 구조의 도입으로 인한 발광 색좌표의 변화는 없었다(0.59, 0.40).

한편, 수명은 1000nit 초기휘도에서 2차원 판상 광자결정 구조가 도입되지 않은 경우의 100시간에서, 아조계 고분자를 이용하여 2차원 판상 광자결정 구조가 도입된 경우(실시예 1) 360시간, 포토레지스트를 이용하여 2차원 판상 광자결정 구조가 도입된 경우(실시예 2) 330시간으로 각각 향상된 결과를 보였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 발광층에서 생성된 빛이 뷰잉(viewing) 방향으로 집중되어 우수한 휘도를 시현하고 소비전력이 적어 경제적인 디스플레이를 면적에 구애받지 않고 용이하게 생산할 수 있다.

Claims

다음의 단계들을 포함하는, 디스플레이용 유리기판의 표면에 2차원의 n각형 배열을 가진 판상 광자결정 구조를 형성하는 방법:

(a) SiO₂ 박막이 코팅된 디스플레이용 유리기판 위에 노광 정도에 따라 물리적 혹은 화학적 상이성이 발현되는 광반응성 고분자 박막을 도포하는 단계;

(b) 상기 광반응성 고분자 박막에 일정한 주기(Λ)로 간섭된 레이저 간섭계의 빔을 조사하여 상기 고분자 박막 상에 상기 레이저 빔의 간섭무늬와 일치하게 인-플레인(in-plane) 방향으로 Λ의 간격주기를 가지는 줄무늬 모양의 1차원 격자 구조를 형성하는 단계;

(c) 상기 유리기판 혹은 상기 레이저 간섭계를 유리기판에 수직인 축을 중심으로 360/n°씩 n-1회 회전시키면서 매 회전마다 상기 (b) 단계를 반복하여 2차원의 n각형 배열을 가진 간격주기 Λ의 판상 광자결정 구조를 형성하는 단계; 및

(d) 상기 판상 광자결정 구조를 상기 유리기판 표면의 SiO₂ 박막으로 전사하는 단계.
제 1항에 있어서, 상기 물리적 상이성은 상기 고분자 박막의 보강간섭 빔에 노광된 부분과 상쇄간섭 빔에 노광된 부분 간의 아웃-오브-플레인(out-of-plane) 방향으로의 높이 차이인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 화학적 상이성은 상기 고분자 박막의 보강간섭 빔에 노광된 부분과 상쇄간섭 빔에 노광된 부분 간의 특정 용매에 대한 용해도 차이인 것을 특징으로 하는 방법.
제 2항에 있어서, 상기 고분자가 하기 화학식 1로 표시되는 아조 벤젠 단위를 중합체의 주쇄 또는 측쇄에 하나 이상 포함하는 아조계 고분자인 것을 특징으로 하는 방법:

[화학식 1]
제 3항에 있어서, 상기 고분자가 포토레지스트 물질인 것을 특징으로 하는 방법.
제 5항에 있어서, 상기 포토레지스트 물질이 하기 화학식 2 내지 5로 표시되는 감광성 단위들 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

[화학식 2]

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 5]

(상기 화학식 2 내지 5에서, R은 탄화수소기임)
제 2항에 있어서, 상기 전사단계 (d)가 (c) 단계에서 형성된 판상 광자결정 구조의 고분자 박막을 직접 마스크로 이용하여 유리기판 표면의 SiO₂ 박막을 에칭하 는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 전사단계 (d)가 (c) 단계에서 형성된 판상 광자결정 구조의 고분자 박막을 현상하여 그의 골 부분을 제거하고 마루 부분만을 유리기판 상에 남겨둔 후, 남겨진 패턴을 마스크로 이용하여 유리기판 표면의 SiO₂ 박막을 에칭하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 간섭계는 빔 확장 장치를 구비하여 단위 면적당 일정 노광세기 이상을 유지하면서 대면적을 노광시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 광자결정 구조의 간격주기 Λ가 상기 디스플레이의 발광파장보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항의 방법에 의해 2차원의 n각형 배열을 가진 판상 광자결정 구조가 표면에 형성된 유리기판이 투명전극기판으로 도입된 디스플레이.