KR101009868B1 - 전력변환능이 개선된 수직 공동 광-생성 디바이스 - Google Patents

전력변환능이 개선된 수직 공동 광-생성 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 외부 입사광에 반응하여, 전력 전환 효율을 개선시키도록 선택된 확장된 스펙트럼 선폭을 갖는 콰지-레이저(quasi-laser) 광을 생성시키는 수직 공동 광-생성 디바이스로서, 기판; 소정의 범위의 파장의 광에 대해 반사성인 하부 유전성 스택; 콰지-레이저 광을 생성시키는 유기 활성 영역을 포함하는 수직 공동 광-생성 디바이스에 관한 것이다. 또한, 상기 디바이스는, 상기 하부 유전성 스택으로부터 이격되어 있으며 소정의 범위의 파장의 광에 대해 반사성인 상부 유전성 스택을 포함하며; 상기 유기 활성 영역이, 하나 이상의 주기적 이득 영역(들), 및 상기 주기적 이득 영역(들)의 한쪽 면에 배치되고 상기 주기적 이득 영역이 상기 디바이스의 정재파(standing wave) 전자기장의 파복과 정렬되도록 배열된 유기 스페이서(spacer) 층을 포함하고; 상기 상부 또는 하부 유전성 스택이, 이의 피크 반사율이 99% 미만이고 상기 디바이스의 스펙트럼 선폭이 증가되지만 허용가능한 수준의 자발적 방출을 생성시키도록 선택된 것이다.

Description

전력변환능이 개선된 수직 공동 광-생성 디바이스{VERTICAL CAVITY LIGHT-PRODUCING DEVICE WITH IMPROVED POWER CONVERSION}
도 1은 본 발명에 따른 광학적으로 펌핑(pumping)된 유기계 수직 공동 콰지-레이저 디바이스의 개략적인 측면도이다.
도 2는 강도 대 파장의 그래프를 나타낸 것으로, 광학적으로 펌핑된 유기 수직 공동 콰지-레이저 디바이스로부터의 방출 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 3은, 유전성 스택 반사율이 감소된 것을 제외하고는 도 2와 유사한 광학적으로 펌핑된 유기 수직 공동 콰지-레이저 디바이스로부터의 콰지-레이저 방출 스펙트럼의 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 수직 공동 콰지-레이저 디바이스
110 기판
120 하부 유전성 스택
130 유기 활성 영역
140 상부 유전성 스택
160 주기적 이득 영역
170 유기 스페이서 층
180 펌프 빔
190 콰지-레이저 방출
본 발명은 발광 디바이스에 관한 것이다.
지난 십여년에 걸쳐, 유기 발광 다이오드(OLED)는 저렴하고 효율적인 광원으로서 유망성이 증가하여 왔다. 디바이스는 그 층이 비결정성 유기 물질로 이루어짐에 따라 저렴하게 제조된다. 따라서, 이들 층은 예컨대 저진공 열 증발, 스핀 캐스팅 및 잉크-젯 기술에 의해 저렴하게 침착될 수 있다. 이에 반해, 무기 발광 다이오드(LED)는 금속 유기 화학 증착 및 분자 빔 에피택시(epitaxy)와 같은 고가의 침착 장비를 요구하는 결정성 물질로 이루어지고, 특정 기판에만 침착될 수 있다. 이러한 차이의 최종적 결과는, 수십만(내지 수백만)개의 화소로 이루어진 OLED계 다색 어레이가 디스플레이 용도로 수많은 제조업자에 의해 전세계적으로 대규모로 일상적으로 제조되고 있다는 데 있다.
OLED 디바이스의 효율 면에서, 그의 내부 양자 효율은 80 내지 90% 정도로 높음에도 불구하고, 외부 양자 효율은 전형적으로 1 내지 3%이다. 이러한 모순된 면은 스핀 정역학(spin statics)의 결과이며, 이에 의하면 비-인광 물질의 경우 여기자의 4분의 3은 비-발광 삼중항(triplet)이다. 그러나, 양자 효율차에 보다 크게 기여하는 요소는 광-파이핑(piping)에 의한 것이며, 이때 전체 내부의 반사능을 기초로하여 간단히 분석하면(그린함(N.C. Greenham) 등의 문헌 "Adv. Master. 6, 491[1994]") 평면 디바이스에서 생성된 광의 1/2n2(이때 n은 디바이스 층의 굴절율이다)만이 사실상 디바이스로부터 배출된다는 것을 나타낸다. OLED 디바이스의 경우, n은 1.9 정도이고, 그러므로 생성된 광의 14%만이 디바이스의 상부로부터 빠져나오게 된다.
지난 십여년 동안, 무기 및 유기계 LED 연구자들은 LED 디바이스의 아웃-커플링(out-coupling) 효율을 증가시키는 몇몇 수단을 발견하기 위해 공동의 노력을 하여 왔다. 불로빅(Bulovic) 등의 미국 특허 제 5,834,893 호는 디바이스의 도파관 방식을 아웃-커플링시키기 위해 기울어진 측벽을 갖는 금속성 피트(pit)에서 OLED를 성장시키는 것을 제안하고 있다. 예컨대 야마사키(Yamasaki) 등의 문헌 "Appl. Phys. Lett. 76, 1243(2000)" 및 윈디쉬(Windisch) 등의 문헌 "Appl. Phys. Lett. 74, 2256(1999)" 등의 다수의 문헌에서는 외부 효율을 향상시키기 위해 스캐터링 중심들(각각 부피 또는 표면에 대해)을 사용하였다. 그 외는 아웃-커플링 효율을 향상시키는 것으로 주기적으로 위치하는 스캐터링기에 의존한다. 예를 들어, 사무엘(I.D.W. Samuel) 등은 국제공개공보 제 WO 00/70691 호에서는 브래그 격자를 사용하여 아웃-커플링을 증가시켰으나 에르챠크(Erchark) 등의 문헌 "Appl. Phys. Lett. 78, 563(2001)"에서는 2차원 광결정 구조를 사용하였다. 각각의 경우, 추출 효율은 향상되었지만, 이는 선예도(acutance) 손실을 수반하였다. 즉, 향상된 아웃-커플링은 화소의 원래 크기보다 큰 거리에 걸쳐 발생하여, 이는 화소 크기의 불필요한 증가를 초래하게 된다.
향상된 아웃-커플링을 유지하면서, 상기 선예도 손실을 방지하는 방법으로는 공명 공동(resonant cavity) LED(RCLED) 구조를 사용하는 것이 있다. 이러한 구조는 무기 물질 시스템에 대해 조(Cho) 등의 미국 특허 제 5,226,053 호에서 최초로 제안되었다. 이들은, 연구를 통해, LED 제어 시료와 관련하여 외부 효율면에서 대략 1.7배의 증가율을 수득하였다.(슈베르트(E.F. Schubert) 등의 문헌 "Appl. Phys. Lett. 60, 921[1992]"). 이후, 야콥센(Jacobsen) 등의 미국 특허 제 5,804,919 호에서는 RCLED 개념을 사용하여 디스플레이 제품에 대해 인광체의 방출을 증강시켰다. 조 등의 미국 특허 제 5,226,053 호에서 지적된 바와 같이, RCLED의 적절한 조작은, 하나의 유전성 스택 반사율이 전형적 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL) 값 99% 초과로부터 감소되는 것을 제외하고는 VCSEL의 조작과 매우 유사한 디바이스 구조를 요구한다. 야콥센 등에게 허여된 미국 특허 제 5,804,919 호에서는, 하나의 유전성 스택 반사율을 감소시키는 중요성을 언급하지 않고 있다. 또한, 야콥센 등은 스페이서 층에 의해 둘러싸인 더 얇은 활성 영역들(<30㎚) 대신 벌크의 활성 영역 두께를 사용할 것을 교시하고 있으며, 이 경우 불필요한 자발적 방출을 최소로 유지시키면서 우수한 효율을 가질 것이 요구된다. 따라서, 야콥센 등이 미국 특허 제 5,804,919 호에서 방사체(emitter)로서 유기 활성 영역을 언급하고 있더라고, 이들이 논의한 구조는 RCLED 디바이스를 적절히 구성할 수 없다. 또한, 야콥센 등이 언급한 유기 방사체는 단지 호스트 물질 Alq[알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)]이며, 이는 매우 저급한 발광 특성을 갖는다. 따라서, 현재까지, RCLED 개념은 선예도 손실을 수반하지 않으면서 아웃-커플링 효율을 향상시킬 수 있어야만 하는 유기 방사체 제품에는 적절히 적용되지 못하여 왔다.
본 발명의 목적은 전력 변환 효율을 개선시키도록 선택된 스펙트럼 선폭을 갖는 콰지-레이저 광을 생성시키는 수직 공동 광-생성 디바이스를 제공하는 것이다.
이들 목적은, 외부 입사광에 반응하여, 전력 전환 효율을 개선시키도록 선택된 확장된 스펙트럼 선폭을 갖는 콰지-레이저 광을 생성시키는 수직 공동 광-생성 디바이스로서,
a) 기판;
b) 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성인 하부 유전성 스택;
c) 콰지-레이저 광을 생성시키는 유기 활성 영역; 및
d) 상기 하부 유전성 스택으로부터 이격되어 있으며 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성인 상부 유전성 스택
을 포함하며;
e) 상기 유기 활성 영역이, 하나 이상의 주기적 이득 영역(gain region)(들), 및 상기 주기적 이득 영역(들)의 한쪽면에 배치되되 주기적 이득 영역(들)이 상기 디바이스의 정재파(standing wave) 전자기장의 파복과 정렬되도록 배열된 유기 스페이서 층을 포함하고;
f) 상부 또는 하부 유전성 스택이, 이의 피크 반사율이 99% 미만이고 상기 디바이스의 스펙트럼 선폭이 증가되지만 허용가능한 수준의 자발적 방출을 생성시킴으로써 전력 변환 효율을 향상시키도록, 선택되는 것인 수직 공동 광-생성 디바이스에 의해 달성된다.
이점
매우 뜻밖에도, 본 발명자들은 유전성 스택중 하나의 반사율을 적절히 선택함으로써 불필요한 자발적 방출을 허용될 수 있을 정도로 작게 유지하면서 전력 변환 효율이 실질적으로 증가될 수 있음을 발견하였다. 또한, 조사된 광은 좁은 스펙트럼 선폭을 유지하고 디바이스의 광축 주위에서 방향성 있게 방출된다.
본 발명의 이점은, 유기 물질로 이루어지는 이득 영역들을 갖되 상기 이득 영역이 디바이스의 정재파 전자기장의 파복에 위치하는, 상부 및 하부 유전성 스택 반사물을 혼입시킴으로써 수직 공동 광-생성 구조의 디바이스 작동 효율을 향상시키는데 있다. 유전성 스택중 하나의 반사율은, VCSEL 디바이스에 대해서는 전형적으로 높도록 선택되는 반면, 마주하는 유전성 스택의 반사율은 99% 미만으로 감소된다. 그 결과, 전력 변환 효율이 향상되고, 자발적 방출에 의한 불필요한 출력은 상당히 감소된 상태로 유지되고, 조사된 광은 좁은 스펙트럼 선폭을 유지하면서 디바이스의 광축 주위에서 방향성 있게 방출된다.
본 발명은 외부 광원(도시되지 않음)을 사용하여 본 발명에 따라 수직 공동 광-생성 디바이스를 구동시킨다. 바람직하게는, 외부 광은 비부합성 (또한 저렴한) 무기 LED에 의해 생성된다. 무기 LED의 스팟 크기가 일반적으로 넓기 때문에(250 마이크론 정도의 전형적인 무기 LED 화소 모서리 길이), 넓은-면적 VCSEL형 디바이스로부터 생성된 레이저 방출은 본래 다중방식(multimodal)이다. 디스플레이와 같은 제품의 경우, 다중방식 디바이스 조작은 불필요한 스페클(speckle)이 야기하는 것을 방지하므로 사실상 바람직하다. 앞서 논의된 바와 같이, 수직 공동 광-생성 유기 디바이스의 출력 효율을 증가시키기 위해서는, 디바이스 출력 효율을 증가시키기 위해 유전성 스택중 하나의 반사율을 감소시키는 것을 제외하고는 VCSEL 구조를 사용하는 것이 한 방법이다. 이러한 유형의 디자인안은 조(Cho) 등의 미국 특허 제 5,226,053 호에서의 RCLED 구조와 유사하나 조 등의 디바이스에 비해 본 발명의 디바이스는 스펙트럼 선폭이 많이 감소되었다. 결론적으로, 디바이스를 RCLED 구조로 지칭하는 대신, 선폭이 6㎚ 미만이고 원치않는 자발적 방출이 콰지-레이저 방출에 비해 크게 억제되므로 콰지-레이저 디바이스로 불려질 것이다. 고효율의 수직 공동 광-생성 구조를 가능케하기 위해서는, 본 발명에 따르고 도 1에 도시된 바와 같은 콰지-레이저 디바이스(100)를 구성할 필요가 있다. 기판(110)은 의도된 방향의 광학적 펌핑 및 레이저 방출에 따라 광투과성이거나 또는 불투과성일 수 있다. 기판(110)은 투명한 유리 또는 플라스틱일 수 있다. 다르게는, 반도체 물질(예를 들어, 실리콘) 또는 세라믹 물질을 포함하지만 이에 한정되지 않는 불투과성 기판이, 광학적 펌핑 및 레이저 방출이 동일한 표면으로부터 발생하는 경우, 사용될 수 있다.
기판(110) 상에는 하부 유전성 스택(120)이 침착되며, 이는 교차하는 고굴절율 및 저굴절율 유전성 물질로 이루어진다. 하부 유전성 스택(120)은 소정 범위의 파장에서의 콰지-레이저 광을 반사하도록 설계된다. 전형적인 고굴절율 및 저굴절율 물질은 각각 TiO2 및 SiO2이다. 하부 유전성 스택(120)은 표준 전자-빔 침착에 의해 침착되며, 이때 전형적인 침착 온도는 240℃이다. 유기 활성 영역(130)은 하부 유전성 스택(120)에 침착된다. 활성 영역은 저분자량 유기 물질, 공액 중합체성 유기 물질 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 저분자량 유기 물질은 고진공(10-6 torr) 열 증발에 의해 전형적으로 침착되는 반면, 공액 중합체는 스핀 캐스팅에 의해 통상적으로 형성된다. 도 1은 유기 활성 영역(130)이 벌크 층이 아닌 다층 복합체임을 나타낸다. 무기 VCSEL 레이저에 관한 미국 특허 제 4,881,236 호에서 브루엑(Brueck) 등의 제안에 따르면, 유기 활성 영역(130)은 유기 스페이서 층(170)과 분리된 하나 이상의 주기적 이득 영역(160)을 포함한다. 주기적 이득 영역(160)의 두께는 전형적으로 50㎚ 미만이며, 바람직하게는 10 내지 30㎚이다. 유기 스페이서 층(170)의 두께는, 주기적 이득 영역이 레이저 공동의 정재파 전자기장의 파복과 정렬되도록 선택된다. 활성 영역내에 주기적 이득 영역을 사용함으로써 전력 전환 효율을 증대시키고 원치않는 자발적 방출을 크게 감소시킨다. 요약하자면, 활성 영역(130)은 하나 이상의 주기적 이득 영역(160) 및 상기 주기적 이득 영역(들)의 한면에 배치되고 상기 주기적 이득 영역(들)이 디바이스의 정재파 전자기장의 파복과 정렬되도록 배열된 유기 스페이서 층(170)을 포함한다.
주기적 이득 영역(들)(160)은 높은 양자 효율로 형광을 내는 저분자량 유기 물질 또는 중합체성 유기 물질로 이루어진다. 전형적인 중합체성 물질은, 예컨대 본원에 참조되고 있는 통상 양도된 미국 특허 제 6,194,119 B1 호에 워크(Wolk) 등에 의해 교시된 바와 같이, 폴리페닐렌비닐렌 유도체, 디알콕시-폴리페닐렌비닐렌, 폴리-p-페닐렌 유도체 및 폴리플루오렌 유도체가 있다. 이러한 실시양태에서, 호스트-도판트 조합을 이득 매질로 사용하는 것이 바람직한데, 이는 (포르스터(Forster) 에너지 전달의 메카니즘을 따라) 레이저 광을 발하는 파장에서 이득 매질에 대해 매우 작은 비펌핑 대역-대-대역 흡수 계수, 즉 < 1㎝-1이 나타나기 때문이다(M. Berggren 등, Nature 389, 466[1997]). 녹색-발광 콰지-레이저에 유용한 호스트-도판트 조합의 예로는, 호스트로서는 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)(Alq)이고 도판트로서는 [10-(2-벤조티아졸릴)-2,3,6,7-테트라하이드로-1,1,7,7-테트라메틸-1H,5H,11H-[1]벤조피라노[6,7,8-ij]퀴놀리지닌-11-온](C545T)이다(0.5%의 부피율). 다른 호스트-도판트 조합이 다른 파장 영역에서의 방출, 예컨대 청색 및 적색 방출에 사용될 수 있다. 유기 스페이서 층(170)은 콰지-레이저 방출(190) 및 펌프 빔광(180)(외부 광원에 의해 생성됨) 모두에 대해 고도로 투명한 물질이 사용되는 것이 바람직하다. 이 실시양태에서, 스페이서 물질로 1,1-비스-(4-비스(4-메틸-페닐)-아미노-페닐)-사이클로헥산(TAPC)이 선택되는데, 이는 가시 스펙트럼 및 UV 근방 스펙트럼을 통해 매우 낮은 흡수율을 가지며 그의 굴절율이 Alq의 굴절율보다 조금 낮기 때문이다. 이러한 굴절율의 차이는 정재파 전기장 파복과 주기적 이득 영역(들)(160) 사이의 겹침이 최대화하도록 돕기 때문에 유용하다. 활성 영역(130)에 이어 상부 유전성 스택(140)이 침착된다. 상부 유전성 스택(140)은 하부 유전성 스택과 이격되어 있으며 소정의 범위의 파장의 광에 대한 반사성을 갖는다. 그의 조성은 하부 유전성 스택(120)의 조성과 유사하다. 상부 유전성 스택(140)이 유기계 활성 영역 상에 침착되므로, 그의 배치 온도는 유기물이 용융되는 것을 방지하도록 낮게 유지되어야 한다. 따라서, 상부 유전성 스택(140)에 대한 전형적인 배치 온도는 70℃이다. 우수한 콰지-레이저 광을 방출하는 성능을 수득하기 위해서는, 상부 유전성 스택(140)의 피크 반사율은, 이를 통한 콰지-레이저의 방출을 방지하도록 99% 초과, 바람직하게는 99.9% 초과인 것이 바람직하다. 하부 유전성 스택(120)에 대해서, 콰지-레이저 광 아웃-커플링 효율을 향상시키기 위해서는 스택 반사율을 99%보다 작게 하는 것이 바람직하며, 여기서 하부 스택 반사율을 추가로 감소시키면 외부 효율은 더욱 높아지고, 스펙트럼 선폭은 더욱 넓어지고, 콰지-레이저 발광의 콘(cone) 각도가 더욱 커지는 결과가 발생한다. 요약하면, 하부 유전성 스택은 그의 피크 반사율이 99% 미만이도록 선택되어야만 하며, 그 결과 스펙트럼 선폭이 증가되지만 허용될 수 있는 수준의 자발적 방출을 생성시킴으로써 전력 변환 효율이 개선되는 결과가 발생한다. 사실상 하부 유전성 스택(120)의 피크 반사율을 85% 미만으로 낮춤으로써 전력 전환 효율은 20% 초과일 수 있는 것으로 판단되었다.
콰지-레이저 디바이스(100)는 펌프 입사빔(180)에 의해 광학적으로 구동되고 콰지-레이저(190)를 방출할 것이다. 펌프 빔은 LED로부터와 같이 엇결성 빛(incoherent light)이거나 초점화된 레이저 광일 수 있다. 도 1은 하부 유전성 스택(120)을 통한 콰지-레이저 방출(190)을 도시하고 있다. 다르게는, 불투과성(예컨대, 실리콘) 기판인 경우, 광학적 펌핑 및 콰지-레이저 방출 모두가 상부 유전성 스택(140)을 통해 발생하며, 이 경우 상부 유전성 스택(140)은 99% 미만의 피크 반사율을 가질 것이며, 반면 하부 스택(120)의 피크 반사율은 99% 초과일 것이다. 광학적으로 펌핑된 유기 콰지-레이저 디바이스는 하기 수단에 의해 작동된다. 펌프 빔(180)은 상부 유전성 스택(140)을 통해 투과하고, 주기적 이득 영역(들)에 의해 흡수되는데, 이때 펌프 빔 에너지의 일부 분획은 더욱 긴 파장의 콰지-레이저로서 재방출된다. 펌프 빔(180)이 상부 유전성 스택(140)을 통해 들어가는 경우, 콰지-레이저 출력(190)이 하부 유전성 스택(120) 및 기판(110)을 통해 주로 방출되는 것을 확인하기 위해, 상기 논의된 바와 같이, 큰 상부 유전성 스택(140) 피크 반사율을 선택하여 일부가 이를 통해 방출하는 것을 방지할 필요가 있다. 디바이스의 전력 전환 효율을 개선시키기 위해, 추가의 유전성 층을 상기 두 개의 유전성 스택 모두에 추가시키는 것이 통상적으로 실행되며, 이러한 스택은 상부 유전성 스택(140)이 펌프 빔(180)에 대한 반사성이 매우 크고, 하부 유전성 스택(120)이 펌프 빔에 대한 반사성이 매우 크다. 고안된 디바이스 구조의 결과로서, 콰지-레이저 방출이 기판(110)을 통해 주로 발생한다. 도 1은 하부 유전성 스택(120) 및 기판(110)을 통한 콰지-레이저 방출을 도시하고 있으며, 다르게는 콰지-레이저 구조는 기판(110) 및 하부 유전성 스택(120)을 통해 광학적으로 펌핑될 수 있으며, 콰지-레이저 방출은 유전성 스택 반사체의 적절한 설계에 의해 상부 유전성 스택(140)을 통해 주로 나온다. 불투과성 기판의 경우, 예컨대 실리콘 기판인 경우, 광학적 펌핑 및 콰지-레이저 방출 모두가 상부 유전성 스택(140)을 통해 발생한다.
본 발명이 다른 실시양태에서, 상부 유전성 스택(140)은 반사성 금속 거울 층의 침착으로 대체된다. 통상적인 금속은 은 또는 알루미늄이며, 이들은 90% 초과의 반사율을 가진다. 금속은 진공 열 증발에 의해 침착시켜, 아래 위치하는 유기 층의 손상을 방지하는 것이 바람직하다. 이러한 다른 실시양태에서, 펌프 빔(190)과 콰지-레이저 방출(190) 모두는 기판(110)을 통해 진행될 것이다.
실시예
하기 실시예는 본 발명의 추가적인 이해를 위해 제시된 것이며, 본 발명이 이러한 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
실시예 1
도 1의 콰지-레이저 디바이스의 출력 특성을 측정하기 위해, 콰지-레이저 구조를 미리-세척한 6 인치 석영 기판 상에서 성장시켰다. 기판(110) 상에 종래의 전자-빔 침착법에 의해 하부 유전성 스택(120)을 침착시켰으며, 상기 하부 유전성 스택은 교대하는 고굴절율 및 저굴절율의 Ta2O5 및 SiO2 층으로 이루어졌다. 생성된 유전성 거울은 550㎚에서 측정된 피크 반사율이 약 97.2%이었다. 하부 유전성 스택(120)의 상단에는 고진공 열 증발에 의해 유기 활성 영역(130)이 침착되며, 순서대로 TAPC 152㎚, 0.5%의 C545T를 함유한 Alq 25㎚, TAPC 140㎚, 0.5% C545T를 함유한 Alq 25㎚ 및 TAPC 153㎚이었다. 최종적으로, 상부 유전성 스택(140)은 저온 전자-빔 침착에 의해 침착되며, 석영 기판의 측정 온도는 72℃ 미만으로 유지시켰다. 이는 각각 교대하는 고굴절율 및 저굴절율의 TiO2및 SiO2 층의 이루어졌다. 생성된 유전성 거울은 560㎚에서 측정된 피크 반사율이 약 99.98%이었다.
스펙트럼 및 전력 특성 둘 모두에 관해 디바이스를 시험하기 위해, 콰지-레이저 공동을 5 mW 니치아(Nichia) 레이저 다이오드로부터의 403㎚의 출력을 사용하여 디바이스의 상측에 수직으로 광학적으로 펌핑하였다. 펌프 레이저는 5 내지 5000 KHz의 반복도에서 50nsec의 레이저 펄스를 생성하였다. 펌프 빔 강도를 2개의 중성 농도 휠(neutral density wheel)의 조합으로 조절하였고, 1000㎚ 렌즈를 사용하여 레이저 공동 표면 상으로 초점을 맞추었다. 결과적으로 디바이스 표면 상의 측정된 펌프 빔 스팟은 177×243㎛의 면적의 타원형이었다. 스펙트럼 측정을 위해, 공동으로부터의 콰지-레이저 출력(190)을, 슬릿과 가장 근접한 25㎜ f/1 렌즈 및 100㎜ f/4 렌즈의 조합에 의해 스펙스 더블 단색화장치(Spex double monochrometer)의 입구 슬릿(0.22m)에 초점을 맞추었다(결과적으로, 콰지-레이저의 근접장(near-field) 이미지가 4배 확대됨). 단색화장치의 분해능은 약 0.4㎚이고, 그의 출력을 TE 쿨드 하마마츠 928p 광전자증배관 튜브(TE cooled Hamamatsu 928p photomultiplier tube)에 의해 검출하였다.
도 2는 500 KHz의 펌프 레이저 반복도(2.5% 듀티 사이클(duty cycle))에 대해 0.5 NA(조리개수, numerical aperture) 렌즈에 의해 수집된 콰지-레이저 스펙트럼을 도시한 것이다. 시료는 546㎚에서 하나의 다중모드 콰지-레이저 피크를 가지며, 이의 반치폭(full-width at half-maximum)은 3.3㎚이다. 콰지-레이저 피크의 긴 파장 측에서, 평균 자발적 방출 신호 강도는 546㎚에서의 콰지-레이저 피크보다 40 dB이 작다. 콰지-레이저 피크의 짧은 파장 측에서, 자발적 방출 신호는 더욱 크고, 그의 평균 강도는 546㎚에서의 콰지-레이저 피크보다 34 dB이 작다. 따라서, 하부 유전성 스택(120)의 반사율을 >99%(전형적인 VCSEL 값)에서 97.2%로 감소시킴에도 불구하고, 자발적 방출은 억제된 상태로 머물게 된다.
이러한 디바이스의 전력 전환 효율을 측정하기 위해, 그의 출력은 미리-보정된(calibrated) 적분구에 의해 수집되었다. 펌프 공급원 전력 밀도, 듀티 사이클, 및 디바이스 표면에서의 스팟 크기는 도 2의 스펙트럼을 생성시키는데 사용되는 것과 유사하였다. 따라서, 측정된 흡수된(펌프 전력의 18%가 디바이스에 의해 흡수됨) 디바이스의 전력 전환 효율은 15%이었다. 펌프 빔(180) 파장이 403㎚이고, 도2의 다중모드 콰지-레이저 피크가 546㎚이었던 것을 참작하면서, 디바이스의 외부 양자 효율은 20%이다.
실시예 2
디바이스 구조는, 하부 유전성 스택(120)(이는 높은 지수의 물질용 TiO2 및 Ta2O5의 혼합물을 사용하였다)은, 555㎚에서 측정된 피크 반사율이 84%을 수득하도록 교체된 것을 제외하고는, 실시예 1의 것과 유사하게 설계된다. 펌프 빔 반복도가 5 MHz(듀티 사이클 25%)로 증가되었던 것을 제외하고는, 도 2를 작성하는데 사용된 바와 동일한 여기 조건을 사용하면서, 도 3은 0.5 NA 렌즈에 의해 수집된 디바이스의 출력 스펙트럼을 도시한 것이다. 시료는 562㎚에서 하나의 콰지-레이저 피크를 가지며, 그의 FWHM은 5.6㎚이다. 511.4㎚에서, 약한 자발적 방출 피크(4.8㎚ FWHM)가 또한 나타나며, 그의 강도는 562㎚에서의 콰지-레이저 피크보다 15 dB이 작았다. 콰지-레이저 피크의 긴 파장 측에서, 평균 자발적 방출 신호 강도는 콰지-레이저 피크보다 32 dB이 작다. 약한 자발적 방출 피크의 출현은 광학적 공동을 감소시킨 결과이며, 이에 의해 공명 방식에 대해 더욱 경쟁적인 비-공명 방식이 발생한다. 디바이스의 전력 전환 효율 면에서, 그의 측정값은 22%이었으며, 이는 32%의 외부 양자 효율을 발생시킨다. 수개의 상이한 펌프 빔 듀티 사이클(0.25, 2.5 및 25%)에서 전력 전환 효율을 측정한 것 이외에, 또한 2개의 추가의 더욱 높은 전력 밀도에서 측정하였다. 이들은 12.5% 및 31%로서 공칭 전력 밀도보다 더욱 컸으며, 이는 각각 2.1 및 5.2 W/㎠의 디바이스 표면에서의 펌프 빔 전력 밀도를 발생시킨다. 이들 모든 경우에 대해, 외부 양자 효율은 31%로 고정된다. 따라서, 시스템은 고려된 범위에 대한 전력 밀도 및 듀티 사이클 모두에서 선형이다. 앞서 논의한 바와 같이, 광학적으로 펌핑된 평면 OLED 디바이스는 기껏해야 14%의 외부 양자 효율을 가질 것이다(층의 지수는 약 1.9이고 내부 양자 효율은 100%로 가정한다). 따라서, 이 실시예의 디바이스는 외부 양자 효율이 2.2배 증가하고, 부수적으로 스펙트럼 선폭은 좁아지고 디바이스 선예도도 손실되지 않는다.
본 발명에 따른 콰지-레이저 광을 생성시키는 수직 공동 광-생성 디바이스를 사용하면 전력 전환 효율이 개선되고 디바이스의 신예도의 손실을 방지할 수 있다.

Claims (6)

  1. 외부 입사광에 반응하여, 전력 전환 효율을 개선시키도록 선택된 확장된 스펙트럼 선폭을 갖는 콰지-레이저(quasi-laser) 광을 생성시키는 수직 공동 광-생성 디바이스로서,
    a) 기판;
    b) 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성인 하부 유전성 스택;
    c) 콰지-레이저 광을 생성시키는 유기 활성 영역; 및
    d) 상기 하부 유전성 스택으로부터 이격되어 있으며 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성인 상부 유전성 스택
    을 포함하며;
    e) 상기 유기 활성 영역이, 하나 이상의 주기적 이득 영역(gain region)(들), 및 상기 주기적 이득 영역(들)의 한쪽면에 배치되되 주기적 이득 영역(들)이 수직 공동 광-생성 디바이스의 정재파(standing wave) 전자기장의 파복과 정렬되도록 배열된 유기 스페이서(spacer) 층을 포함하고;
    f) 상기 상부 또는 하부 유전성 스택이, 이의 피크 반사율이 99% 미만이고 수직 공동 광-생성 디바이스의 스펙트럼 선폭이 증가되지만 허용가능한 수준의 자발적 발광을 생성시킴으로써 전력 변환 효율을 향상시키도록 선택된 것인,
    수직 공동 광-생성 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전성 스택 중 하나 이상을 통해 상기 유기 활성 영역으로 펌프 빔 광(pump beam light)이 투과 및 도입되는 수직 공동-광 생성 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유기 활성 영역이 호스트 물질과 도판트의 혼합물을 포함하고, 상기 유기 스페이서 층이 펌프 빔 및 콰지-레이저 광에 투명한 것인, 수직 공동 광-생성 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 호스트 물질이 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)이고, 상기 도판트가 [10-(2-벤조티아졸릴)-2,3,6,7-테트라하이드로-1,1,7,7-테트라메틸-1H,5H,11H-[1]벤조피라노[6,7,8-ij]퀴놀리진-11-온]이고, 상기 유기 스페이서 층이 1,1-비스(4-비스(4-메틸-페닐)-아미노-페닐)-사이클로헥산인 수직 공동 광-생성 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 활성 영역이 중합체 물질을 포함하는 수직 공동 광-생성 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 전환 효율이 20% 초과인 수직 공동 광-생성 디바이스.
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