KR101142674B1 - 유연성 있는 gbo 반사 편광 기판상에 제작된 편광 발광성 유기 발광 소자 - Google Patents

유연성 있는 gbo 반사 편광 기판상에 제작된 편광 발광성 유기 발광 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유연성이 있어 쉽게 구부러질 수 있으며 발광 효율이 높아 조도가 매우 높은 편광 발광성 OLED에 관한 것이다.
본 발명은 기존의 유리 기판 대신 유연한(flexible) GBO(Giant Birefringent Optical) 반사 편광 기판을 OLED 기판으로 채용하였고, 상기 GBO 기판은 다층 광학 시스템으로 구성되고 각 층의 인접층들 간의 평면 굴절율을 고도의 복굴절 재료로 구성되며, 각 층의 평면(x-y)방향의 굴절율과 두께(z) 방향의 굴절율을 서로 다르게 구성되고, 그 인접층들의 굴절율 또한 서로 다르게 구성되고, 상기 GBO 기판 위에 형성하는 전극은 박형 투명 전극으로 구성하였다.
편광 OLED, 편광, 복굴절, GBO 기판, 유연성

Description

유연성 있는 GBO 반사 편광 기판상에 제작된 편광 발광성 유기 발광 소자{Polarized organic light-emitting device on a flexible giant birefringent optical reflecting polarizer substrate}
본 발명은 OLED 에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 유연하게 구부러질 수 있으며 투명도가 높고 휘도가 높은 편광 OLED에 관한 것이다.
고 효율 OLED에 대한 연구는 풀 컬러 평판 디스플레이에 적용될 수 있다는 점에서 주목받고 있으며, 그에 따라 많은 연구가 이루어지고 있다.
종래 수행되어 온 대부분의 OLED에 대한 연구는 편광되지 않은 무편광(unpolarized) OLED에 관한 것이다.
그러나, 선형 편광된 OLED에 대한 연구 또한 상당량 보고되고 있으며, 이는 편광 OLED가 고휘도 OLED 디스플레이 또는 효율이 높은 액정 디스플레이에 사용될 수 있을 뿐 아니라 광학 스토리지, 광 통신 및 입체 3D 화상 시스템에 사용 될 수 있기 때문이다. 상기와 같은 새로운 광 소자들을 설계하고 제작하려면, 고도로 편광된, 즉 편광비(PR:Polarization Ratio)가 높은 발광을 필요로 한다.
대개의 경우, 선형 편광된 전계발광 (EL;electroluminescent)은 한 방향으로 배열된 단일축(uniaxial)의 액정 폴리머 또는 올리고머가 발광층으로 제시되고 있으며, 상기와 같은 발광층들을 단일축으로 배열하는 방법으로, Langmuir-Blodgett 기술이 있으며, 발광층의 막 표면을 연마 및/또는 러빙(rubbing)하는 방법, 막을 기계적으로 스트레칭 하는 방법, 정렬된 기판들 위에 선구체를 바꾸는 방법, 에피텍셜 진공 증착 방법 및 마찰 전달 방법 등이 시도되고 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 시도들은 발광 휘도와 편광비가 그다지 높지 못하고 그에 따른 발광 효율면에서 만족스럽지 못한 결과를 보여주며, 유연하게 구부러질 수 없다는 점에서도 만족할 수 있는 것은 아니다.
본 발명의 목적은 높은 편광비를 갖는 고휘도 및 고효율의 편광 발광성 OLED를 제공하는 것이며, 다른 한편으로는 유연성 있어 구부러지기 쉬운 편광 OLED를 제공하는 것이다.
본 발명은, 유리 기판 대신 굴절율이 서로 다른 두 개의 층이 교대로 다수 적층 되고, 상기 두 개의 층 중 한 층은 복굴절 특성을 갖는 것으로 구성된 GBO(Giant Birefringent Optical) (M. F. Weber, C. A. Stover, L. R. Glbert, T. J. Nevitt, and A. J. Ouderkirk, “Giant birefringent optics in multilayer polymer mirror," Science 287, 2451-2456 (2000))반사 편광 기판을 OLED 기판으로 채용하여 높은 명도와 높은 효율을 갖는 고도로 편광된 선형 편광 OLED를 제공한다.
또한, 본 발명은, 굴절율이 서로 다른 두 개의 층이 교대로 다수 적층 되고, 상기 두 개의 층 중 한 층은 복굴절 특성을 갖는 것으로 구성된 GBO(Giant Birefringent Optical) 반사 편광막 기판;
상기 GBO 반사 편광막 기판 위에 사이를 두고 적층 된 양극과 음극; 및
상기 양극과 음극 사이에 게재되어 있는 EL 발광층을 포함하는 유기 반도체 박막층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 OLED를 제공한다.
또한, 본 발명은, 기판으로 사용되는 다층 광학 시스템에서 그 구성 인접층들 사이의 평면 굴절율을 고도의 복굴절 물질로 구성하여 GBO 효과를 발생시키는 기판을 채용한 편광 OLED를 제공한다.
또한, 본 발명은, 인접층들의 두께를 조절하여 특정 파장 영역에서 보강 간섭을 일으켜 특정 파장 대역에 대해 고 반사율을 보이고 그 인접 파장 대역에서는 고 투과율을 보이도록 인접층들을 군으로 짝지은 이방성 광특성의 기판을 채용한 편광 OLED를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 다층 간섭 스택은 각 층의 평면(x-y)방향의 굴절율과 두께(z) 방향의 굴절율이 서로 다르고, 그 인접층들의 굴절율을 서로 다르게 조정 한 구조에 투명 폴리머재들을 적용하여 구성되는 다층 간섭성 GBO 다층 반사 편광자를 기판으로 제공한다.
또한, 본 발명은,
유연성 있는 GBO 반사 편광막 기판;
상기 GBO 반사 편광막 기판 위에 사이를 두고 적층 된 양극과 음극; 및
상기 양극과 음극 사이에 게재되어 있는 EL 발광층을 포함하는 유기 반도체 박막층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 OLED를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 양면 발광 OLED를 제작하기 위하여, 상기 양극과 음극을 모두 투명 전극으로 구성하는 것을 특징으로 하는 OLED를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 OLED는 유연성이 있어 쉽게 구부러질 수 있으며, 유리 기판 대신 GBO(Giant Birefringent Optical) 반사 편광 기판을 OLED 기판으로 채용하여 높은 명도와 높은 효율을 갖는 고도로 편광된 선형 편광 OLED를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다층 폴리머 편광자는 기판을 고 반사율 및 파장 선택을 요하는 광학적 응용에 사용될 수 있으며, GBO-OLED는 다층 편광자는 반사 편광자를 만들어 액정 디스플레이를 더욱 밝고 보기에 편하게 만든다는 장점을 제공할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 종래 OLED의 구성을 모식적으로 나타낸 적층 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 편광 OLED의 구성을 모식적으로 나타낸 적층 단면도이다.
종래의 OLED 적층 구성은 유리 기판(10), 투명 양극(20), 정공 주입층(30), EL 발광층(40), 전자 주입층(50) 및 음극(60)으로 되어 있다.
전술한 바와 같이, 종래 구성에 따른 OLED는 무편광 발광으로 인해 편광성이 극히 좋지 못했다.
도 2는 본 발명에 따른 편광 OLED(1000)의 구성을 나타내며, 종래 기술과 달리, 유리 기판을 쓰지 않고 GBO 반사 편광막 기판(100)을 사용한다. 상기 GBO 반사 편광막 기판(100)은 상업적으로 통용되는 다층 반사 폴리머 편광자 막(3M)을 사용하고, 그 두께는 90 μm 이하로 형성된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 50 내지 90 μm로 형성된 것을 사용할 수 있다. 상기 GBO 반사 편광막은 대략 400 내지 800 nm 대역의 빛을 반사시키며, 이러한 막은 보통 액정 디스플레이 백라이트 유닛으로 사용된다.
GBO 반사 편광막의 구조와 특성은 다음과 같다.
굴절율이 n1과 n2로 서로 다른 두 개의 층(편의상 a층, b층이라 한다)이 인접하여, 교대로 적층되어 있는 다층박막을 이루고, a층과 b층의 두께 합이 박막을 통과하는 빛의 파장과 근접할 때, 빛은 박막을 투과하지 못하고 반사되거나 소실되는 포토닉 밴드 갭 (photonic band gap)현상이 일어나게 되며, 이러한 구조를 갖는 물체를 포토닉 크리스탈(photonic crystals)이라 한다. 그런데, 상기와 같은 a층과 b층 중 어느 하나, 예를 들면 a층을 복굴절(birefringence) 특성을 갖는 물질로 구성하면, 이에 따라 a층 자체 내에서 두 가지 굴절율을 나타내어, 정상광선과 이상광선이 발생하게 되며, 이때 이 둘 중 어느 하나(예를 들면, 정상광선이라 하자)의 굴절율이 인접한 b층의 굴절율(n2)과 거의 같게 구성하면, 투과하는 빛의 입장에서는 a층과 b층의 굴절율은 같게 되므로 포토닉 크리스탈로서 작용하지 않게 되고, 다만 이상광선에서는 포토닉 크리스탈로 작용하여 이상광선은 상기 박막을 투과하지 못하게 되는 것이다. 따라서 상기 박막을 투과한 빛은 강하게 편광된 빛이 나타나게 된다. GBO 반사 편광막은 바로 복굴절 특성을 갖는 a층과 b층을 빛의 파장 대역에 비슷한 두께로 구성하고 이러한 두 층을 다수 적층 하여 제작된 것이다.
GBO 반사 편광막 기판(100)을 U.V.- 오존 처리로 세정하고 나서, GBO 반사 편광막 기판(100) 위에 유연성 있는 박형 투명 Au 전극(200)을 스퍼터링으로 형성한다. 상기 Au 전극(200)의 두께는 60 내지 90 nm, 바람직하게는 90 nm로 하고, 그 저항은 40 ohm/square 이하가 되게 한다. 상기 투명 전극(200)은 양극으로 사용되며, 기존의 ITO(Indium-Tin-Oxide) 또는, PEDOT:PSS 고분자 박막을 이용하여 사용할 수 있으며 이에 한정되지 않는다. 상기 투명 Au 전극(200)의 광 투과율은 가시광 대역에서 약 50 % 이상의 투명성을 갖는다.
다음, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(4-styrenesulphonate), Bayer)용액을 상기 투명 Au 전극(200) 위에 스핀 코팅 하여, 정공 주입 버퍼층(300)을 형성한다.
다음, EL 발광층(400)을 형성하기 위하여, 혼합 용액을 상기 정공 주입 버퍼층(300) 위에 혼합 용액을 스핀 코팅한다. 상기 혼합 용액은 폴리비닐카르바졸(poly(vinylcarbazol))의 호스트 폴리머, 전자 전달 2-(4-biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4 oxadiazole, 정공 전달 N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1, 1'biphenyl-4,4'-diamine, 및 인광성 기생 염료 Tris(2-phenlpyridine) iridium(Ⅲ)로 구성된다. 상기 혼합 용액의 발광 피크 파장은 510 nm 이하이고 그 FWHM(full width at half maximum)의 값은 85 nm 이하가 된다. 1,2-dichloroethane 과 chloroform 의 중량비 3:1로 혼합한 혼합 용제가 용액을 만들 때 사용되었다. PEDOT:PSS층과 EL 층의 두께는 각각 약 40 및 80 nm 정도로 조정된다.
전자 주입층을 형성하기 위해, 1 nm 이하의 Cs2CO3 경계층(interfacial layer)을 EL 발광층(400) 위에 열 증착으로 형성하며, 열 증착은 2×10-6 torr 압력에서 속도 0.02 nm/s로 3×3 mm2 정사각 구경을 갖는 섀도 마스크를 이용하여 수행되었다.
최종적으로, 순수 Al을 50 nm 이하의 두께로 상기 경계층 위에 상기와 동일한 진공 조건 하에 열 증착하였다.
상기와 같이 본 발명에 따라 제작한 편광 OLED(1000)와의 특성 비교를 위해 본 발명자는 유리 기판을 채용하고 나머지 적층 구성은 본 발명의 실시예와 동일하 게 한 기준 OLED 시편을 제작하여, 광학적 투과 특성 및 반사 스펙트럼을 베리안 사의 Cary 1E UV-vis 스펙트로미터와 멀티채널 스펙트로미터(HR 4000CG-UV-NIR, 오션 옵틱스사, 분해능 0.25 nm)를 이용하여 측정하였다. 시편들로부터 발광 되는 빛의 편광 특성을 편광자(polarizer) 및 분석자(analyzer)를 조합하여 사용하였다.
한편, EL 발광층의 특성을 측정하기 위해 크로마 미터(Chroma Meter) CS-200(코니카 미놀타 센싱사) 및 소스 미터(Source Meter)(Keithley 2400)가 사용되었다.
도 3(a)는 본 발명의 실시예에서 사용된 편광 GBO 편광막(100)의 유연한 특성과 높은 투명성을 보여주는 사진이다. 도 3(b)는 본 발명의 GBO 편광막의 단면 구조를 찍은 SEM 사진이다. 상기 SEM 사진은 두 종류의 층(밝게 나타나는 층과 어둡게 나타나는 층이 나이테와 같은 줄무늬로 보여 두 종류의 층이 있음이 명백하며, 이중 밝게 나타나는 층과 어둡게 나타나는 층을 편의상 a 층과 b 층이라 하기로 하나 이러한 명칭은 임의적인 것일 뿐이다)을 갖고 교대로 적층 되어 있음을 명백히 보여준다.
도 4(a)는 교차된 편광자들 사이에서 네 개의 GBO 막의 회전각에 대한 GBO 막의 편광현미경 사진을 조사한 것으로 GBO 막의 광학적 비등방성을 보여주며, 이로부터 본 실시예의 GBO 막이 광학적으로 복굴절을 나타냄을 명확히 알 수 있으며, 상기 SEM 사진에서 나타낸 두 종류의 층(편의상 a 층과 b 층이라 한다)은 각각 다른 이방성 (anisotropic) 굴절율 (nax, nay, naz) 및 (nbx, nby, nbz)을 갖고 교대로 적층 되어 있음을 명백히 보여준다. 또한, 가장 어두운 사진으로부터 상기 GBO 막에 대해 두 개의 광학 축 x 및 y의 방향을 정의할 수 있다. GBO 편광자 막으로부터 편광된 투과 스펙트럼이 그 다음 도 4(b)에서와 같이 x 축과 y 축을 따라 선형 편광된 두 개의 입사광에 대해 관찰되었다. 도 4(b)로부터 반사 대역이 입사광의 편광 방향에 대해 강하게 의존함을 알 수 있으며, 편광 투과 스펙트럼은 서로 매우 다르다는 것을 알 수 있다. 즉, y 방향에서 측정하면, R, G, B를 통합한 광범위한 가시영역 350 내지 800 nm에서 강한 반사 대역을 보이며, x 방향에서 측정하면, 거의 반사를 일으키지 않는다(투과율 90 % 정도). 이러한 반사 대역의 명백한 차이는 GBO 반사 편광막에서 교대로 적층된 층들의 굴절율들이 x와 z축 모두를 따라 매칭되어 있으며 y축을 따라서는 미스매칭되어 있음을 의미한다. 따라서 복굴절이 반사 대역으로 하여금 편광되게 하며 x축과 y축은 각각 정상(o)광축과 이상(e) 광축을 나타냄을 명확히 제시한다. 정상 광축은 GBO 반사 편광자 투과축과 일치하고 이상 광축은 GBO 반사 편광자의 차단축을 각각 나타낸다는 것 또한 명확히 보여준다.
GBO 반사 편광자의 평균 소멸율은 470 nm와 700 nm 사이의 파장 영역에서 약 16:1 정도로 평가되었다.
또한, 본 발명자는 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 제작된 GBO-OLED 소자의 전류밀도-조도-전압(J-L-V) 특성을 관찰하였다. 전하 주입 및 턴-온 전압 모두 4.0 V 아래임을 도 5(a)로부터 알 수 있으며, 그 이상의 인가 전압에서 J-L-V 곡선이 가파르게 증가함을 알 수 있다. EL 발광부의 밝기는 14.5 V에서 4,500 cd/m2 까지 도달하였다. 이러한 수치는 종래의 OLED의 경우와 거의 비슷하나, 도 5(b)에서 전류 효율 및 전력 효율-전압을 특성 도면에 도시한 바와 같이, 피크 효율은 본 발명의 편광 OLED가 종래의 OLED에 비해 월등했다. 즉, 종래의 경우 2.3 cd/A 및 0.6 lm/W 임에 비해 본 발명의 편광 OLED의 경우 6.1 cd/A 및 2.0 lm/W 이다. 상대적으로 본 실시예의 경우가 높은 효율을 보이는 것은, 투과축에 수직인 편광에 대한 여기자(exciton: singlet 과 triplet) 완화의 감소된 전이 확률과, 투과축에 나란한 편광에 대한 여기자 완화의 향상된 전이 확률에 기한 것일 수 있다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 본 발명의 편광 OLED의 발광 특성을 나타내기 위한 그래프들이고, 도 6(a)는 수직 입사(입사각 0°)에서의 정상축과 이상축의 편광에 대한 편광 발광 스펙트럼들을 보여준다. 점선 곡선은 정상 및 이상 편광 모두를 합한 것에 대한 스펙트럼이다. 이들은 편광된 EL 발광 스펙트럼들이 편광 상태에 강하게 의존함을 보여주고, 본 실시예의 편광 OLED는 전 발광 스펙트럼의 영역에서 고도로 편광되어 있음을 보여준다. 평행축 편광 EL 과 수직축 편광 EL의 누적 광도의 EL 편광비(PR)는 25 정도이며 기존 방식의 무편광 소자의 PR이 1인데 대해 월등히 높다. 여기서 PR은 광도의 비율로부터 계산되었다. 즉, PR=Io/Ie 이다.
도 6(b)는 정상축 및 이상축을 따른 편광에 대한 본 발명의 편광 OLED의 L-V 특성을 보여준다. 이는 정상축과 이상축을 따라 관찰된 편광 발광의 양적 결과를 제시한다. 도 6(c)에서 보듯이, L-V 곡선에 대해 전체 밝기 영역에 걸쳐 평균 PR이 25로 매우 높다.
도 7은 육안으로 관찰한 본 실시예의 편광 OLED의 유연성 GBO 편광 기판의 정상축(좌측) 및 이상축(우측)을 따라 동작하는 모습을 나타내는 사진이다. 이로부터 유연성 편광 OLED는 GBO 반사 편광자 기판을 이용하여 높은 편광비를 나타내고 정상축에서 매우 밝기가 밝다는 것을 알 수 있으며, 종래 OLED에 비해 우수한 편광 발광 특성을 나타냄을 알 수 있다.
또한, 다른 실시예로서 GBO-OLED에, 투명 양극과 투명 음극을 동시에 채용할 수 있다. 실시예로서 투명 GBO 기판을 이용하여 투명 OLED(transparent OLED)를 제작하였다. 소자 제작 과정은 이전의 실시예와 동일하나, 단지 최종적으로, Al:Li 합금을 15 nm 이하의 두께로 진공 조건 하에 열 증착하여 음극으로 제작하였다. 상기 15 nm Al:Li 음극의 광 투과율은 가시광 대역에서 약 50 % 이상의 투명성을 갖는다. 이렇게 제작된 GBO-OLED는 투명하여 그 가시광 투과도가 20% 이상 이었으며 소자에서 높은 양면 발광을 관찰하였다. (전면 조도 -GBO 기판쪽 방사 : 1460 cd/m2 (14 V), 배면 발광-투명 Al 음극 쪽 방사: 77 cd/m2 (14 V)). 또한, 전면 발광 빛의 편광도를 조사하여 편광비 11 : 1 임을 확인하였고, 배면 쪽 방사 빛으로부터 편광비 3.6 : 1임을 확인하였다. 이러한 실험 결과로부터 양면 발광성 투명 GBO-OLED 소자로부터, 높은 편광비를 갖는 전면 발광과 배면 발광을 동시에 얻을 수 있음을 입증하였다. 따라서 GBO-OLED에 투명전극을 설치하면, 투명 편광성 OLED(transparent polaraized OLED, TPOLED)를 실현할 수 있다. 또한, GBO-OLED는 편광성 OLED의 구현뿐만 아니라, 투명 양극과 투명 음극을 동시에 채용하는 투명 OLED(transparent OLED)에 적용하여 투명 편광성 OLED (transparent polaraized OLED, TPOLED)를 실현하는 데에도 적용할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1은 종래 OLED의 구성을 모식적으로 나타낸 적층 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 편광 OLED의 구성을 모식적으로 나타낸 적층 단면도.
도 3(a)는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 편광 OLED(1000)의 플렉서블한 특성과 높은 투명성을 보여주는 사진.
도 3(b)는 본 발명의 GBO 편광막의 단면 구조를 찍은 SEM 사진.
도 4(a)는 본 발명의 GBO 막의 회전각을 네 개의 값으로 하여 조사한 GBO 막의 마이크로 포토그라피.
도 4(b)는 본 발명의 GBO 편광자 막으로부터 편광된 투과 스펙트럼.
도 5(a)는 본 발명의 편광 OLED의 전류밀도-조도-전압(J-L-V) 특성을 나타내는 그래프.
도 5(b)는 본 발명의 편광 OLED의 전류 효율 및 전력 효율-전압을 나타내는 그래프.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 본 발명의 편광 OLED의 발광 특성을 나타내기 위한 그래프들.
도 7은 육안으로 관찰한 본 실시예의 편광 OLED의 유연성 GBO 편광 기판의 정상축(좌측) 및 이상축(우측)을 따라 동작하는 모습을 나타내는 사진.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: GBO 반사 편광막 기판 200: 투명 전극
300: 정공 주입 버퍼층 400: EL 발광층
500: 전자 주입층 600: 음극

Claims (5)

  1. 유리 기판 대신 굴절율이 서로 다른 두 개의 층이 교대로 다수 적층 되고, 상기 두 개의 층 중 한 층은 복굴절 특성을 갖는 것으로 구성된 GBO(Giant Birefringent Optical) 반사 편광막 기판을 OLED 기판으로 채용한 OLED.
  2. 굴절율이 서로 다른 두 개의 층이 교대로 다수 적층 되고, 상기 두 개의 층 중 한 층은 복굴절 특성을 갖는 것으로 구성된 GBO(Giant Birefringent Optical) 반사 편광막 기판;
    상기 GBO 반사 편광막 기판 위에 사이를 두고 적층 된 양극과 음극; 및
    상기 양극과 음극 사이에 게재되어 있는 EL 발광층을 포함하는 유기 반도체 박막층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 OLED.
  3. 제2항에 있어서, 유연성 있는 상기 GBO 반사 편광막 기판 위에 형성된 전극 중 적어도 하나의 투과도가 50 % 이상인 것을 특징으로 하는 OLED.
  4. 제2항에 있어서, 유연성 있는 상기 GBO 반사 편광막 기판의 다층 광학 시스템을 이루는 각 층의 평면(x-y)방향의 굴절율과 두께(z) 방향의 굴절율이 서로 다르고, 그 인접층들의 굴절율을 서로 다르게 구성한 GBO 다층 반사 편광막 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 OLED.
  5. 제2항에 있어서, 상기 양극과 음극을 투명 전극으로 구성하는 것을 특징으로 하는 OLED.
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