KR100873517B1 - 유기발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광결정 구조를 갖는 유기발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 유기발광소자는 빛을 통과시키는 기판, 기판 상에 형성되면서 광결정(photonic crystal) 구조를 갖는 광결정층, 광결정층 상에 형성되면서 광결정층에 비해 높은 굴절률을 갖는 중간층, 중간층 상에 형성되는 제1 전극층, 제1 전극층 상에 형성되면서 전류의 흐름에 따라 빛을 발광하는 발광층, 및 발광층 상에 형성되는 제2 전극층을 포함한다.

유기발광소자, 광효율, 광결정, 굴절률, 나노 임프린트, 졸겔법, 평탄화

Description

유기발광소자{Organic Light Emitting Device}

본 발명은 유기발광소자에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 광결정 구조를 구비함으로써 광효율이 향상되는 유기발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

유기발광소자(Oraganic Light Emitting Device ; OLED)는 형광 또는 인광 유기층에 전류를 흘려주면, 전자와 정공이 유기층에서 결합하면서 빛이 발생되는 현상을 이용한 자발광형 소자이다. 유기발광소자는 경량이고, 부품이 간소하며, 제작공정이 간단하면서도, 고화질 및 광 시야각을 구현할 수 있다.

유기발광소자는 외부 발광 효율이 제품의 발광효율을 판별하는 기준이 된다. 이런 유기발광소자의 외부 발광 효율은 내부 양자 효율과 광학 연계 효율에 의하여 결정된다. 내부 양자 효율은 비방사 재결합 손실과 일중-삼중 갈래(singlet-triplet branching) 비율에 의하여 결정된다. 내부 양자 효율은 실험적으로 80% 이상까지 향상될 수 있다. 반면, 광학 연계 효율은 내부 양자 효율에 비해 상대적으로 매우 낮아서 20%까지 향상되는 것으로 인식되고 있다. 따라서, 유기발광소자는 광학 연계 효율을 보다 높이기 위한 연구가 진행 중에 있으며, 관련 기술개발도 꾸준히 진행되고 있다.

유기발광소자의 각 층 경계면에서 발생하는 전반사 현상은 광학 연계 효율을 저하시키는 주된 요인이다. 유기발광소자는 다수 개의 기층으로 이루어지는데, 전반사 현상은 이런 기층의 경계면에서 대부분 발생된다. 종래에는 전반사 현상을 차단하면서 광학 연계 효율을 향상시키기 위한 여러 기술들이 공지되어 있다.

종래에는 마이크로 크기의 실리카 구 형상을 기판에 패터닝하는 방법, 기판의 뒷면에 마이크로 렌즈를 패터닝하는 방법, 광결정(photonic Crystal) 구조를 기판에 식각공정을 통하여 패터닝하는 방법이 공지되어 있다. 이러한 기술은 기판 또는 각 기층의 경계면에서 빛을 산란시킴으로써, 광학 연계 효율을 향상시킨다. 이렇게 연구 발표 또는 공지된 기술들은 기판 표면에 나노미터 크기의 패턴을 형성하여, 발광효율을 향상시킨다. 하지만, 이렇게 알려진 기술들은 나노미터 크기의 패턴을 형성하기 위해서 수 mm 크기의 영역만을 샘플로 하여 실험한 결과이다. 따라서, 실제 유기발광소자 제품을 제작하는 경우에는 나노 미터급 패턴을 형성시키기 어렵고, 그 제작비용도 높아지는 단점이 있다.

그리고, 종래에는 400-450 nm 크기의 홀이 있는 AAO(Anodic Aluminum Oxide) 막을 사용하여 발광 효율을 향상시킨 결과도 공지되어 있다. 하지만, AAO 막을 이용한 방법은 대면적 박막 제작이 어렵고, 생산성도 낮은 여러 문제점이 있다. 또한 AAO 막을 이용한 공정은 플라스틱 기판에 적용하기 어려운 문제점도 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 종래에 비해 광학 효율이 향상되는 유기발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 종래에 비해 대량 생산이 가능하면서도 대면적의 유기발광소자를 제작할 수 있는 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 유기발광소자는 빛을 통과시키는 기판, 상기 기판 상에 형성되면서 광결정(photonic crystal) 구조를 갖는 광결정층, 상기 광결정층 상에 형성되면서 상기 광결정층에 비해 높은 굴절률을 갖는 중간층, 상기 중간층 상에 형성되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층 상에 형성되면서 전류의 흐름에 따라 빛을 발광하는 발광층, 및 상기 발광층 상에 형성되는 제2 전극층을 포함한다.

상기 광결정층의 굴절률은 상기 기판에 비해 낮거나 동일하다. 상기 광결정층은 폴리머(polymer)로 이루어진다.

상기 중간층의 굴절률은 상기 제1 전극층에 비해 높거나 동일하다. 상기 중간층은 옥사이드(Oxide) 군 또는 나이트라이드(Nitride) 군 중에서 선택된 어느 하나의 소재로 이루어진다. 즉, 상기 중간층은 SiNx, Si₃N₄, TiO₂, MgO, ZnO, Al₂O₃, SnO₂, In₂O₃ 에서 선택된 하나 이상의 소재로 이루어진다.

유기발광소자는 상기 중간층 상에 졸겔(Sol-gel)용액으로 코팅되는 평탄화층을 더 포함하며, 상기 평탄화층 상에 상기 제1 전극층이 적층 형성된다.

상기 광결정 구조는 복수의 광결정 단위형상들이 주기적으로 배열되어 사각형 격자 구조 또는 삼각형 격자 구조를 이룬다. 상기 광결정 단위형상은 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥 중 어느 하나의 형상이다.

본 발명의 실시예에 따른 유기발광소자의 제조방법은 기판 상에 광결정층을 형성하는 광결정층 형성단계, 상기 광결정층에 비해 높은 굴절률을 갖는 중간층을 상기 광결정층 상에 형성하는 중간층 형성단계, 및 상기 중간층 상에 제1 전극층, 발광층, 제2 전극층을 순차적으로 적층 형성하는 전극 형성단계를 포함한다. 그리고, 상기 광결정층 형성단계는 상기 기판 상에 상기 광결정층 소재를 도포하는 도포 단계, 및 상기 광결정 구조의 역(逆) 표면 형상을 갖는 마스크로 상기 광결정층 소재를 임프린트시켜서 광결정(photonic crystal)을 형성시키는 임프린트 단계를 포함한다.

상기 광결정층 형성단계는 상기 임프린트 단계에서 상기 기판의 표면에 폴리머 레진을 도포하고 경화시킨 후 상기 마스크를 가압 및 가열함으로써 상기 광결정 구조를 성형시킨다. 또는 상기 광결정층 형성단계는 상기 임프린트 단계에서 액체 상태의 상기 폴리머 레진을 상기 기판의 표면에 입히고 상기 마스크로 가압한 상태에서 자외선을 조사함으로써 상기 폴리머 레진을 경화시켜 광결정 구조를 제작한다.

상기 중간층 형성단계는 상기 광결정층 상에 졸겔 용액을 떨어 뜨리는 졸겔 용액 투하 단계, 및 상기 기판을 회전시켜서 상기 졸겔 용액을 스핀 코팅시키는 스핀 코팅 단계를 포함한다. 이때, 중간층 형성단계는 상기 스핀 코팅 단계에서 상기 기판을 1000rpm ~ 4000rpm으로 고속 회전시킨 후에 상기 졸겔 용액을 가열하여 결정화를 유도한다.

상기 중간층 형성단계는 화학증착법(Chemical Vapor Deposition ; CVD), 플라즈마 화학증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 기상 증착법(Evaporating Deposition), 스퍼터링(sputtering) 중 어느 하나의 방법에 따라 상기 광결정층 상에 상기 중간층을 형성할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 유기발광소자는 광결정 구조를 구비할 뿐만 아니라 굴절률 차이로 인해 전반사 현상을 저감시킴으로써, 종래에 비해 발광 효율이 상대적으로 매우 높은 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 유기발광소자의 제조방법은 나노 임프린트 공정 및 졸겔법을 이용하여, 종래에 비해 상대적으로 저렴한 비용으로 대면적의 유기발광소자를 대량으로 생산할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기발광소자의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 유기발광소자(OLED)는 기판(10), 제1 전극층(20), 발광층(30), 제2 전극층(40)을 기본 구성요소 구비한다. 특히, 본 실시예의 유기발광소자는 기판(10)과 제1 전극층(20) 사이에서 굴절률의 차이로 인해 빛이 내부 반사되는 것을 방지하기 위한 광결정 구조를 갖는 광결정층(50)과, 제 1 전극층의 전기적 특성을 보완하는 중간층(60)을 구비한 특징이 있다.

기판(10)은 투명 기판으로서 유기발광소자의 내부에서 발생된 빛을 외부로 발산시킨다. 기판(10)은 일반적으로 유리 기판이 사용되는데, 그 굴절률이 약 1.5 정도이다. 투명 기판으로는 결정상태의 석영(quartz) 기판과 비결정상태(amorphous)의 유리 기판을 사용할 수 있다. 또한, 투명 기판으로는 사파이어(Al₂O₃) 기판과 플라스틱 기판도 사용할 수 있다.

제1 전극층(20)은 기판(10)에 광결정층(50)과 중간층(60)이 형성된 후에 중간층(60)의 일면에 적층 형성된다. 제1 전극층(20)은 투명한 투명 전도성 산화물(TCO ; Transparent Conducting Oxide) 재료로서 일반적으로 ITO(Indium Tin Oxide) 소재를 사용하고, 그 굴절률이 약 1.9 정도이다. 제1 전극층(20)은 양(+)전극으로 지칭된다.

발광층(30)은 유기발광층(Emission Layer ; EML)으로서 제1 전극층(20)의 일면에 적층 형성된다. 발광층(30)은 양전극인 제1 전극층(20)으로부터 음전극인 제2 전극층(40)으로 전류가 흐르면, 전자와 정공이 결합한다. 이로 인해, 발광 층(30)에서는 빛을 발생시키는 자발광 현상이 유발된다.

제2 전극층(40)은 발광층(30)의 일면에 적층 형성된다. 제2 전극층(40)은 금속 소재가 사용되며, 음(-)전극으로서 캐소드층(cathode layer)이라고도 한다.

그리고, 광결정층(50)은 기판(10)의 일면에 적층 형성되며, 도 2에 도시된 바와 같이 광결정(photonic crystal ; 51) 구조를 갖는다. 광결정(51)은 포토닉 밴드 갭(광결정 구조를 통과하지 못하는 파장대역)을 만들어 내는 구조체이며, 주기적인 구조로 배열된다. 광결정(51)은 주기적 구조체로서 특정한 파장 범위의 빛이 투과되지 못하거나 반사되면서 소실되는 영역이 존재한다. 이와 비슷한 이유로 인해 유기발광소자는 그 내부에서 빛이 반사되는 것이 감소되어, 발광 효율이 향상된다. 광결정(51) 구조는 아래에서 더 자세하게 설명한다.

광결정층(50)은 폴리머(polymer) 소재를 사용한다. 광결정층(50)의 굴절률이 중간층(60)의 굴절률에 비해 낮을수록, 광결정(51) 구조에 의해 발광 효율은 향상된다. 다만, 광결정층(50)의 굴절률이 낮아질수록 빛의 회절 현상도 더 커진다. 추가적 전반사를 방지하기 위해서 광결정층(50)의 굴절률은 기판(10)의 굴절률과 동일하거나 낮은 것이 바람직하다. 그리고, 광결정층(50)은 기판(10)에 준하는 투과도를 갖는다.

중간층(60)은 광결정층(50)의 일면에 적층 형성되면서, 광결정층(50)에 비해 높은 굴절률을 갖는다. 제1 전극층(20)은 전도도 및 전기적 특성이 표면 형상에 의해 많은 영향을 받는다. 하지만, 상기 설명한 바와 같이 광결정층(50)은 광결정(51)으로 인해 그 표면 형상이 평탄하지 않다. 이로 인해, 광결정층(50)과 제1 전극층(20)이 직접 접하게 되면, 많은 누설 전류가 유발될 수 있다. 중간층(60)은 광결정층(50)과 제1 전극층(20) 사이에 형성되어, 누설 전류의 발생을 억제시키는 역할을 한다.

중간층(60)은 옥사이드(Oxide) 군 또는 나이트라이드(Nitride) 군 중에서 선택된 어느 하나 이상의 소재로 이루어진다. 즉, 중간층(60)의 소재로는 SiNx, Si₃N₄, TiO₂, MgO, ZnO, Al₂O₃, SnO₂, In₂O₃와 같은 옥사이드(Oxide) 군 또는 나이트라이드(Nitride) 군에 속하는 물질이 사용된다. 특히, 중간층(60)의 소재로서 사용되는 ZnO은 ITO 소재의 제1 전극층(20)에 접하여 전기적 특성이 잘 발휘되도록 유도하는 작용도 한다.

중간층(60)의 굴절률이 높아질수록 광결정 구조에 의해 발광 효율은 향상된다. 하지만, 중간층(60)의 굴절률이 높을수록, 빛의 회절 현상도 더 커진다. 추가적 전반사를 방지하기 위해서 중간층(60)의 굴절률은 제1 전극층(20)과 동일하거나 높게 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 유기발광소자는 광결정(51) 구조와, 광결정층(50)과 중간층(60)의 굴절률 차이로 인해서 빛의 회절 또는 산란이 유발된다. 이로 인해 유기발광소자는 빛의 전반사 현상이 감소되면서, 기판으로 향하는 외부 발광 효율이 보다 향상될 수 있다. 그리고, 최적의 발광 효율, 원거리장(Far-field)에서의 광강도 분포, 또는 관찰각에 따른 광강도의 분포는 시뮬레이션 기법을 적용하여 각 기층의 두께 및 광결정 구조의 파라미터를 결정한다. 광결정(51) 구조의 파라미터는 아래에서 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명한다.

도 3a 내지 도 3d는 도 1에 도시된 광결정층에 형성될 수 있는 광결정의 배열 구조 및 광결정 단위형상을 각각 나타낸 평면도들이다.

도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 광결정(51, 52, 53) 구조는 대표적인 예들로 다음과 같은 다양한 구조가 채택될 수 있다.

도 3a에 도시된 복수 개의 광결정(51) 단위형상들은 주기적으로 배열되어 사각형 격자 구조를 이루며, 원기둥 형상이다. 도 3b에 도시된 광결정(51) 단위형상도 원기둥 형상이면서 주기적으로 배열된다. 하지만, 도 3b에 도시된 복수 개의 광결정(51) 단위형상들은 삼각형으로 배열되는 격자 구조이다. 도 3c에 도시된 광결정(52) 단위형상들은 주기적으로 배열되어 사각형 격자 구조를 이루지만, 삼각 기둥 형상이다. 도 3d에 도시된 광결정(53) 단위형상들도 주기적으로 배열되어 사각형 격자 구조를 이루지만, 사각 기둥 형상이다. 이 외에도 광결정 단위형상들은 삼각기둥과 사각기둥의 단위형상으로 삼각형 격자 구조도 가질 수 있다.

도 3a 내지 도 3d에서 a는 광결정(51, 52, 53) 단위형상들의 이격 거리고, d는 광결정(51, 52, 53) 단위형상의 대표 길이이다. 광결정(51, 52, 53) 단위형상의 대표 길이는 원기둥 형상인 경우에 그 직경이고, 삼각 기둥 형상 또는 사각 기둥 형상인 경우에 일변 길이를 의미한다. 그리고, 도 2에 도시된 t는 광결정(51) 단위형상의 높이를 의미한다. 광학 효율, 원거리장에서의 광강도 분포 또는 관찰각에 따른 광강도 분포는 광결정(51, 52, 53) 구조의 파라미터 및 기둥 형태에 따라 결정된다. 광결정의 이격거리와 높이, 대표길이를 변경함으로써 빛의 회절 및 산란 정도가 변한다. 이와 같이 회절광학(diffraction optics)적인 관점에서 살펴보면, 빛의 회절 및 산란이 많이 발생할수록 유기발광소자의 광학 효율은 향상된다.

다만, 다수의 시뮬레이션 기법을 적용하여 실험한 결과, 광결정(51, 52, 53) 단위형상의 이격 거리(a)는 빛의 파장의 1/4 ~ 2 배 일때 가장 바람직하다. 광결정(51, 52, 53) 단위형상의 이격 거리(a)가 빛의 파장보다 1/4 배 미만인 경우에는 빛이 회절 및 산란없이 투과하거나 전반사될 수 있기 때문에 부적합하며, 광결정(51, 52, 53) 단위형상의 이격 거리(a)가 빛의 파장보다 2배를 초과하는 경우에는 파장에 비하여 너무 큰 이격거리 때문에 회절 및 산란현상이 발생하지 않기 때문에 바람직하지 않다. 광결정(51, 52, 53) 단위형상의 대표 길이(d)는 이격 거리(a)의 0.1 ~ 0.5 배 일때 가장 바람직하다. 광결정(51, 52, 53) 단위형상의 대표 길이(d)가 그 이격 거리(a)보다 0.1 배 미만인 경우에는 광결정 형상이 너무 작아져서 빛이 회절 및 산란없이 투과하거나 전반사될 수 있기 때문에 부적합하며, 광결정(51, 52, 53) 단위형상의 대표 길이(d)가 이격 거리(a)보다 0.5배를 초과하는 경우에도 전반사가 발생하기 때문에 바람직하지 않다.

아래에서는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 도면을 참조하여, 나노 임프린트 공정을 이용한 제1 실시예로서 광결정층의 제조방법에 대해 설명한다.

먼저, 광결정층(50)의 제조방법은 기판(10)의 일면에 광결정층 소재를 스핀코팅 및 경화공정으로 도포한다. 광결정층 소재로는 폴리머를 사용한다. 그런 다음에는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 광결정 구조의 역(逆) 패턴 형상을 갖 는 마스크(100)로 폴리머 레진을 가열 및 가압하여 폴리머 레진을 임프린트시킨다. 그러면, 폴리머 레진에는 마스크(100)에 형성된 나노미터 크기의 광결정 구조가 용이하게 전사될 수 있고 광결정 구조를 갖는 광결정층(50)을 형성한다.

아래에서는 도 5a 내지 5c에 도시된 도면을 참조하여, 나노 임프린트 공정을 이용한 제2 실시예로서 광결정층의 제조방법에 대해 설명한다.

제2 실시예의 광결정층(50)의 제조방법은 제1 실시예와 같이 나노 임프린트 공정을 이용하지만, 그 방식에 있어서 약간의 차이가 있다. 먼저, 광결정층(50)의 제조방법은 피펫와 같은 도구를 이용하여 기판(10)의 일면에 액체상태의 폴리머 레진 일정량을 입힌다. 그런 다음에는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 광결정 구조의 역(逆) 패턴 형상을 갖는 마스크(100)로 폴리머 레진을 가압시킨다. 이때, 광결정층(50)의 제조방법은 액체상태의 폴리머 레진을 마스크(100)로 가압한 상태에서 자외선을 조사하거나 열을 가하여 경화시킨다. 그러면, 광결정층(50)의 제조방법은 마스크(100)에 형성된 나노미터 크기의 광결정 구조가 폴리머 레진에 용이하게 전사됨으로써, 광결정 구조를 갖는 광결정층(50)을 형성한다.

아래에서는 도 6a 내지 도 6b에 도시된 도면을 참조하여, 졸겔(Sol-gel)법을 이용한 중간층(60)의 제조방법에 대해 설명한다.

도 6a 내지 도 6b는 도 4c에 도시된 광결정층에 중간층을 졸겔법으로 형성하는 단계를 나타낸 단면도이다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 중간층(60)의 제조방법은 졸겔법을 이용하여 광결정층(50)에 중간층(60)을 형성한다. 즉, 중간층(60)의 제조방법은 도 5a에 도시된 바와 같이 졸겔 분사기(200)를 이용하여 광결정층(50)에 졸겔 용액(210)을 떨어 뜨린다. 그런 다음에는 기판(10)을 1000rpm ~ 4000rpm으로 고속 회전시켜서, 졸겔 용액(210)을 스핀 코팅시킨다. 그런 다음에는 졸겔 용액(210)을 가열하여 결정화를 유도함으로써, 중간층(60)을 형성한다. 이때, 중간층(60)의 제조방법은 상기와 같은 과정을 1회 이상 여러 차례로 반복해서 실시함으로써, 설정된 두께의 중간층(60)을 형성한다.

도 7a 내지 도 7c는 도 4c에 도시된 광결정층에 중간층을 형성하고서, 중간층의 표면을 평탄화시키는 단계들을 각각 나타낸 단면도이다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 유기발광소자의 제조방법은 졸겔법 이외에도 화학증착법(Chemical Vapor Deposition ; CVD), 플라즈마 화학증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 기상 증착법(Evaporating Deposition), 스퍼터링(sputtering) 방법과 같은 방법을 이용하여, 광결정층(50) 상에 중간층(61)을 형성할 수도 있다.

하지만, 이러한 방법에 의해 형성된 중간층(61)은 광결정층(50)에 형성된 양각-음각 형태의 광결정 구조로 인해 그 표면이 미세하게 비평탄화될 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 제1 전극층(20)은 전도도 및 전기적 특성이 표면 형상에 의해 많은 영향을 받기 때문에, 미세하게 비평탄화된 표면의 중간층(61)에 적층 형성되는 것은 바람직하지 아니하다.

그러므로, 유기발광소자의 제조방법은 졸겔법을 이용하여 비평탄화된 표면의 중간층(61)을 평탄화시킬 수도 있다. 즉, 유기발광소자의 제조방법은 중간층(61) 의 비평탄화된 영역이 졸겔 용액으로 채워짐으로써, 평탄화된 상태의 중간층(61)을 형성한다. 이렇게 중간층(61)의 비평탄화된 표면에 채워지는 영역은 평탄화층으로 지칭한다.

평탄화층의 제조방법은 도 7b에 도시된 바와 같이 졸겔 분사기(200)를 이용하여 비평탄화된 표면의 중간층(61)에 졸겔 용액(210)을 떨어 뜨린다. 그런 다음에는 기판(10)을 1000rpm ~ 4000rpm으로 고속 회전시켜서, 졸겔 용액(210)을 스핀 코팅시킨다. 그런 다음에는 졸겔 용액(210)을 가열하여 결정화를 유도함으로써, 평탄화된 상태의 중간층(61)이 형성된다.

도 8a 내지 도 8c는 도 4c에 도시된 광결정층의 표면을 졸겔법으로 평탄화시킨 후에 중간층을 형성하는 단계를 나타낸 단면도이다.

도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 유기발광소자의 제조방법은 다음과 같은 단계에 의해서도 중간층(62)을 형성할 수 있다. 즉, 광결정층(50)은 도 8a에 도시된 바와 같이 광결정 구조에 의해 비평탄화된 표면이지만, 유기발광소자의 제조방법은 졸겔법을 이용하여 광결정층(50)의 표면을 평탄화시킬 수 있다.

먼저, 유기발광소자의 제조방법은 도 8b에 도시된 바와 같이 1차적으로 중간층(62)을 형성한다. 이런 1차 중간층 형성단계는 광결정층(50) 상에 졸겔 용액(210)을 떨어 뜨린 후에 기판(10)을 1000rpm ~ 4000rpm으로 고속 회전시키고, 졸겔 용액(210)에 의해 광결정 구조의 사이가 채워져서 중간층(62)이 광결정층의 표면을 평탄화시킨다. 그리고, 유기발광소자의 제조방법은 2차 중간층 형성단계로서, 화학증착법(Chemical Vapor Deposition ; CVD), 플라즈마 화학증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 기상 증착법(Evaporating Deposition), 스퍼터링(sputtering) 중 어느 하나의 방법에 따라 중간층(62)을 기 설정된 두께만큼 더 형성한다.

도 9 및 도 10은 도 1에 도시된 광결정 구조를 갖는 유기발광소자의 발광량과 종래기술로서 광결정 구조가 형성되지 않은 유기발광소자의 발광량을 각각 시뮬레이션을 이용하여 비교 도시한 데이터 그래프이다.

도 9 및 도 10에 도시된 데이터 그래프는 광원의 파장이 511nm이고, 광결정 파라미터가 d=265nm, a=530nm, t=120nm 인 유기발광소자를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 또한, 데이터 그래프는 FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법에 의해서 전자기장을 수치적으로 풀어낸 것이다.

도 9에 도시된 데이터 그래프는 광원을 펄스로 작동하게 한 상태의 결과이며, 어느 일 시점에서 광원이 꺼지도록 하였다. 그리고, 광원은 실제의 상황과 비슷하게 임의의 위치에 임의의 방향의 편광(polarization)을 가지는 쌍극 자원(dipole source)으로 모델링을 하고, 임의의 시간에 계속 편광방향과 위상을 변화시켰다.

도 9에 도시된 데이터 그래프를 살펴보면, 광결정 구조를 갖는 유기발광소자는 광원이 꺼지고 나서도 계속 빛이 방출되고 있음을 알 수 있다. 더욱이 광결정 구조를 갖는 유기발광소자는 2 피코 초(pico-second) 시간 내에 약 200% 정도의 광효율이 향상되었다. 반면, 광결정 구조가 형성되지 않은 유기발광소자는 광결정 구조를 갖는 유기발광소자에 비해 발광량이 낮을 뿐만 아니라, 광원이 사라진 후에 발광량의 변화가 없었다.

도 10에 도시된 데이터 그래프는 도 9에서 시뮬레이션을 수행한 조건과 동일하게 진행하였고, 단지 광원이 지속적으로 빛을 생성하도록 하였다. 이 시뮬레이션에서도 광결정 구조를 갖는 유기발광소자는 광결정 구조가 형성되지 않은 유기발광소자에 비해 발광량이 더 높음을 알 수 있다.

도 11은 도 1에 도시된 광결정 구조를 갖는 유기발광소자와 종래기술로서 광결정 구조가 형성되지 않은 유기발광소자를 이용하여 파장에 따른 발광량을 실험 비교 도시한 데이터 그래프이다.

도 11에 도시된 데이터 그래프는 도 9 및 도 10에서 시뮬레이션한 유기발광소자의 파라미터들을 사용하여, 빛의 파장에 따른 발광량의 변화를 살펴보았다. 이때, 광결정 구조를 갖는 유기발광소자는 광결정 구조를 나노 임프린트 공정에 의해 형성하였으며, 500nm의 두께를 갖는 중간층(소재는 Si₃N₄ 임)을 플라즈마 화학증착법(PECVD)을 이용하여 형성하였다. 이 실험결과에서 광결정 구조를 갖는 유기발광소자는 빛의 파장에 따라 달라지지만, 최고 약 50% 정도의 발광량이 향상됨을 알 수 있다.

도 12 및 도 13은 도 1에 도시된 광결정 구조를 갖는 유기발광소자를 이용하여 글씨를 표현할 수 있음을 나타낸 도면들이다.

도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 유기발광소자는 광결정 구조가 형성됨으로써, 빛의 산란 및 회절이 발생하게 하여 글자나 그림이 돋보이게 만들어 시인성을 향상시키고 독특한 빛을 내보이는 글자나 그림을 표현할 수 있게 된다. 이로 인해 본 실시예의 유기발광소자는 일반 조명 및 시인성 높은 광고 조명과 같은 여러 디스플레이 분야에 응용할 수 있다.

그 예로서 도 12에 도시된 바와 같이, 유기발광소자는 "KIMM" 글자가 위치하는 영역에 광결정 구조의 파라미터를 다르게 설정함으로써, "KIMM" 글자를 더욱 돋보이게 할 수 있다. 또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 유기발광소자는 에칭 또는 기계적 소거 방식으로 특정 영역의 광결정 구조를 제거함으로써, 광결정 구조가 없는 특정 영역이 "K"라는 글자로 보여질 수 있다. 이와 같이 본 실시예의 유기발광소자는 시각적인 식별이 보다 향상되고, 독특한 빛을 내는 용도의 조명으로 널리 사용될 수 있다.

즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기발광소자의 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 광결정층을 나타낸 단면도이다.

도 3a 내지 도 3d는 도 1에 도시된 광결정층에 형성될 수 있는 광결정의 배열 구조 및 광결정 단위형상을 각각 나타낸 평면도들이다.

도 4a 내지 도 4c는 도 1에 도시된 광결정층의 광결정을 나노 임프린트 공정으로 형성하는 제1 실시예로서, 각 단계들을 각각 나타낸 단면도이다.

도 5a 내지 도 5c는 도 1에 도시된 광결정층의 광결정을 나노 임프린트 공정으로 형성하는 제2 실시예로서, 각 단계들을 각각 나타낸 단면도이다.

도 6a 내지 도 6b는 도 4c에 도시된 광결정층에 중간층을 졸겔법으로 형성하는 단계를 나타낸 단면도이다.

도 7a 내지 도 7c는 도 4c에 도시된 광결정층에 중간층을 형성하고서, 중간층의 표면을 평탄화시키는 단계들을 각각 나타낸 단면도이다.

도 8a 내지 도 8c는 도 4c에 도시된 광결정층의 표면을 졸겔법으로 평탄화시킨 후에 중간층을 형성하는 단계를 나타낸 단면도이다.

도 9 및 도 10은 도 1에 도시된 광결정 구조를 갖는 유기발광소자의 발광량과 종래기술로서 광결정 구조가 형성되지 않은 유기발광소자의 발광량을 각각 시뮬레이션을 이용하여 비교 도시한 데이터 그래프이다.

도 11은 도 1에 도시된 광결정 구조를 갖는 유기발광소자와 종래기술로서 광결정 구조가 형성되지 않은 유기발광소자를 이용하여 파장에 따른 발광량을 실험 비교 도시한 데이터 그래프이다.

도 12 및 도 13은 도 1에 도시된 광결정 구조를 갖는 유기발광소자를 이용하여 글씨를 표현할 수 있음을 나타낸 도면들이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기판 20 : 제1 전극층

30 : 발광층 40 : 제2 전극층

50 : 광결정층 51 : 광결정

60 : 중간층

100 : 마스크 200 : 졸겔 분사기

Claims (22)

1. 빛을 통과시키는 기판;

   상기 기판 상에 형성되면서 광결정(photonic crystal) 구조를 가지며, 폴리머 레진(polymer resin)으로 이루어진 광결정층;

   상기 광결정층 상에 형성되면서 상기 광결정층에 비해 높은 굴절률을 갖는 중간층;

   상기 중간층 상에 형성되는 제1 전극층;

   상기 제1 전극층 상에 형성되면서 전류의 흐름에 따라 빛을 발광하는 발광층; 및

   상기 발광층 상에 형성되는 제2 전극층;을 포함하는

   유기발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 광결정층의 굴절률은 상기 기판에 비해 낮거나 동일한 유기발광소자.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 중간층의 굴절률은 상기 제1 전극층에 비해 높거나 동일한 유기발광소자.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 중간층은 옥사이드(Oxide) 군 또는 나이트라이드(Nitride) 군 중에서 선택된 어느 하나의 소재로 이루어지는 유기발광소자.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 중간층은 SiNx, Si₃N₄, TiO₂, MgO, ZnO, Al₂O₃, SnO₂, In₂O₃ 에서 선택된 하나 이상의 소재로 이루어지는 유기발광소자.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 중간층 상에 졸겔(Sol-gel)용액으로 코팅되는 평탄화층을 더 포함하고,

   상기 평탄화층 상에 상기 제1 전극층이 적층 형성되는 유기발광소자.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 광결정 구조는 복수의 광결정 단위형상들이 주기적으로 배열되어 격자 구조를 이루는 유기발광소자.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 광결정 구조는 복수의 광결정 단위형상들이 주기적으로 배열되어 사각형 격자 구조를 이루는 유기발광소자.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 광결정 구조는 복수의 광결정 단위형상들이 주기적으로 배열되어 삼각형 격자 구조를 이루는 유기발광소자.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 광결정 단위형상은 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥 중 어느 하나의 형상인 유기발광소자.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 제1 전극층은 투명 전도성 산화물(TCO ; Transparent Conducting Oxide) 재료로 된 투명 전극층인 유기발광소자.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제

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