KR101160633B1 - 고휘도 유기발광다이오드 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고휘도 및 고효율의 유기발광다이오드 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
굴곡구조가 형성된 유리기판과, 상기 유리기판의 상기 굴곡구조상에 형성되는 투명전극층과, 상기 투명전극층상에 형성되는 p-type 유기층과, 상기 p-type 유기층상에 형성되는 n-type 유기층과, 상기 n-type 유기층상에 형성되는 캐소드층을 포함하는 유기발광다이오드가 제시된다.

Description

고휘도 유기발광다이오드 및 그 제작 방법 {High brightness organic light emitting diode and the manufacturing method thereof}

본 발명은 고휘도 및 고효율의 유기발광다이오드 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는 유리기판에 수십 나노미터 두께의 금을 증착하고, 열처리를 통하여 증착된 금을 섬형태로 만들고, 섬형태의 금을 마스크로 사용하여 기판을 식각함으로써, 기판의 표면에 용이하게 굴곡구조를 만들고, 굴곡구조를 갖는 기판에 유기발광다이오드가 제작되는 고휘도 및 고효율의 유기발광다이오드 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

유기발광다이오드(OLED, organic light emitting diode)는 자발광형 디스플레이로 활용되며, 차세대 친환경, 고효율 조명으로 주목 받고 있다. OLED 광원은 지금까지의 광원에 비하여 점광원, 선광원, 면광원의 다양한 형태로 제작이 가능하여 디자인 자유도가 높다. 또한 발열이 적으며, 다양한 색상을 구현할 수 있고, 디밍이 가능하여 에너지 절감효과가 있다. 이와 같은 잠재적 가능성 때문에 선진국 및 조명 선진회사는 원천기술 확보에 주력하고 있다. OLED는 양극(ITO)과 음극(cathode) 사이에 기능성 박막 형태의 유기물 반도체층이 삽입되어 있는 구조로 양극에서 정공이 주입되며, 음극에서 전자가 주입되어 유기물층에서 정공과 전자가 결합함으로써 빛이 발생되는 발광소자이다.

OLED 광원의 현재 효율대비 약 2배까지 성능을 향상시킬 수 있는 해결책 중의 하나로 광추출 기술이 주목 받고 있다. 일반적으로 배면 발광형 OLED의 구조에서 생성된 빛은 약 20% 정도만 사용되고 나머지는 여러 가지 경로를 통하여 손실되는 것으로 알려져 있다. 특히, 투명전극과 유기층 사이에서 waveguide 모드(약 45%)로 빠져 나가거나 기판의 전반사로 인해 기판에 갇혀 손실(약 35%)되는 현상이 대표적인 예이다. 이러한 빛의 소실을 줄이고, 광원의 광효율을 증대시키기 위해서는 빛을 소자 외부로 추출하는 효율을 높이는 방법의 개발이 반드시 필요하다. 이를 위하여 기판 표면 변형을 통한 광추출 효율 향상법, 빛의 산란을 일으키는 매질을 사용한 광추출 효율 향상법, 배열된 마이크로 렌즈를 이용한 광추

출 효율 향상법, 마이크로 캐비티 구조를 이용한 광추출 효율 향상법, 광결정이나 나노캐비티를 이용한 광추출 효율 향상법, 표면 플라즈몬 효과를 이용한 광추출 효율 향상법, 무반사막을 사용한 광추출 효율 향상법 등에 대한 연구가 이루어지고 있다. 독일, 일본, 미국 등에서 광추출의 극대화를 위한 연구가 다각적으로 이루어지고 있으며, 주로 마이크로렌즈 어레이와 같은 외부 광추출 필름의 도입을 통하여 효율을 높이기 위한 연구가 수행되고 있다.

공개된 광추출 기술에 대해서, 미국특허공개번호 US 2009-0001883에서는 기판, 제1 전극, 유기 발광층, 제2 전극을 갖는 OLED에서, 기판과 제1 전극 또는 제2 전극, 또는 기판, 제1 및 제2 전극은 투명하고, 투명한 층 밖으로 부분적으로 돌출된 투명한 구형 입자들이 배열된 발명이 개시되어 있고,

특허등록 제10-0863171호에는 유기 EL소자의 투명성 기판에서, 투명성 기판의 양면에 광학간섭막을 형성하되, 발광층에서 발생된 광에 대하여 반사량을 감소시키는 굴절률과 막두께를 갖고서 1이상의 층으로 구성하여 광추출 효율을 개선하는 발명이 개시되어 있고,

미국특허 US7586245에서는 마이크로구조의 필름을 사용하여 OLED 장치에 의해 출사된 광을 확산하는 특징과 장치의 휘도를 증가시키는 특징을 갖는 발명이 개시되어 있다.

그러나, 상술한 종래기술의 광추출 기술은 투명기판에 필름 또는 광확산을 위한 구조물을 추가하는 발명으로서, 제작되는 유기발광다이오드(OLED)의 두께가 두꺼워지는 문제점이 있다.

따라서, 고효율과 장수명 특성을 확보하기 위해서는 유기소재 및 소자구조 개발과 더불어 광추출 기술 개발로서 제작된 유기발광다이오드의 두께가 두꺼워지지 않고 효율적인 광추출 기술의 개발이 요망된다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 굴곡구조가 형성된 유리기판을 이용하여 광추출 효율을 향상시키는 유기발광다이오드를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 유기발광다이오드에 사용되는 투명기판에 고효율의 광추출을 위한 굴곡구조를 간단한 공정으로 제조하는 유기발광다이오드의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 본 발명은 목적을 달성하기 위한 기술적 해결 수단으로서, 본 발명의 제1 관점으로는 굴곡구조가 형성된 유리기판과, 상기 유리기판의 상기 굴곡구조상에 형성되는 투명전극층과, 상기 투명전극층상에 형성되는 p-type 유기층과, 상기 p-type 유기층상에 형성되는 n-type 유기층과, 상기 n-type 유기층상에 형성되는 캐소드층을 포함하는 유기발광다이오드가 제시된다.

본 발명의 제2 관점은, 유리기판 위에 수십 나노미터 두께의 금박막을 증착시키는 단계와, 상기 유리기판상의 금박막이 섬형태로 변형되도록 열처리를 하는 단계와, 상기 섬형태의 금을 마스크로 사용하여 식각 공정을 통하여 기판의 표면에 굴곡구조를 형성하는 단계와, 상기 유리기판의 굴곡구조상에 투명전극층을 증착하는 단계와, 상기 투명전극층상에 p-type 유기층을 증착하는 단계와, 상기 p-type 유기층상에 n-type 유기층을 증착하는 단계와, 상기 n-type 유기층상에 캐소드층을 증착하는 단계를 포함하는 유기발광다이오드 제조방법이 제시된다.

본 발명의 기판 표면에 굴곡구조를 형성한 유기발광다이오드에 의하면, 유기층의 비표면적이 증대되어 단위 면적당 발광량이 증가되고, 광추출 효율이 증대되어 휘도가 증가할 뿐만 아니라, 유기발광다이오드의 전광 변환 효율을 높이며, 여러 각도로의 광추출이 가능해짐으로써 시야각을 넓힐 수 있다.

도 1은 본 발명의 기판에 얇은 금 박막을 증착한 구조의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 열처리를 통하여 박막 형태의 금이 섬형태로 바뀐 형상의 표면을 보여주는 원자힘현미경 사진이다.
도 3은 도 2의 열처리를 통하여 박막 형태의 금이 섬형태로 바뀐 형상의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 3의 섬형태의 금을 마스크로 사용하여 식각 후의 굴곡구조가 형성된 구조의 개략적인 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 굴곡구조를 갖는 유리기판 위에 투명전극, p-type 유기층, n-type 유기층 및 캐소드(cathode)를 증착한 유기발광다이오드의 개략적인 단면도 및 본 발명의 굴곡구조에 의하여 전반사된 빛이 방출면으로 추출되는 개념의 설명도이다.
도 6은 본 발명의 유기발광다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하 본 발명의 실시예에 관한 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 유리 기판에 금박막을 증착한 구조의 개략적인 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 유리기판(10)상에 10nm 정도의 금 박막(20)을 스퍼터링(sputtering), 열증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation) 등의 일반적인 방법을 이용하여 용이하게 증착할 수 있다. 상기 유리기판에 증착되는 금 박막의 두께는 바람직하게는 1nm~100nm로 하는 것이 좋다.

도 2 는 유리기판에 증착된 금박막을 열처리하여 섬형태로 변한 구조의 표면 원자힘현미경(AFM, atomic force microscopy) 사진이다. 섬의 크기는 약 1마이크로미터 정도가 됨을 알 수 있다.

도 3은 도2의 유리기판상에 섬형태의 금이 형성된 구조의 개략적인 단면도이다. 도 3의 섬형태의 금(30) 형성은 상기 유리기판상에 금 박막을 증착한 후 열처리에 의하여 구현할 수 있다. 또한, 유리기판을 가열한 상태에서 금 박막을 증착하여도 도 3과 같은 섬형태의 금(30)과 같은 구조를 얻을 수 있다.

상기 열처리는 200℃~1000℃에서 수행하는 것이 바람직하다.

도 4는 유리기판 상의 섬형태의 금을 마스크로 사용하여 식각 후 유리기판상에 형성되는 굴곡구조의 개략적인 단면도이다.

상기 유리기판의 굴곡구조(40)를 위한 식각은 건식 식각과 습식 식각을 사용할 수 있으나 상기 섬형태의 금(30)이 접착력이 좋지 않으므로 건식 식각을 하는 것이 바람직하다. 건식 식각은 수직으로 수행하는 것보다는 수직으로부터 30도 이상으로 기울여서 유리기판을 회전하면서 식각을 수행함으로써 비스듬한 형태의 형상을 갖게 하여, 투명전극과 유기층의 증착시 끊어지는 곳이 생기지 않도록 하는 것이 바람직하다.

상기 기술한 굴곡구조(40)의 형성 방법은 같은 진공 챔버내에서 박막 증착, 열처리, 식각 공정을 수행할 수 있는 장점을 가지고 있다.

상기 식각 공정후 섬형태의 금(30)을 제거함으로써 굴곡구조(40)를 갖는 유리 기판을 확보하게 된다.

바람직하게는 상기 유리기판(10)의 양면에 같은 공정을 수행하여 양면 모두에 굴곡구조(40)를 형성하여 광추출 효율을 증대하고 시야각을 넓힐 수 있다.

도 5 는 본 발명의 굴곡구조를 갖는 유리기판 위에 형성되는 유기발광다이오드의 개략적인 단면도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 유기발광다이오드는 굴곡구조(40)가 형성된 유리기판(10)과, 상기 유리기판(10)의 상기 굴곡구조(40)상에 형성되는 투명전극층(50)과, 상기 투명전극층(50)상에 형성되는 p-type 유기층(60)과, 상기 p-type 유기층(60)상에 형성되는 n-type 유기층(70) 및 상기 n-type 유기층(70)상에 형성되는 캐소드층(80)을 포함하고 있다.

도 5에서 도시한 바와 같이, 굴곡구조를 도입하지 않은 유기발광다이오드의 경우, 유기층(60)(70)에서 생성된 빛의 상당량은 상기 유기층(60)(70)과 상기 투명전극층(50)에서 혹은 유리기판(10)에서 전반사에 의하여, 유기기판의 방출면(90)쪽으로 방출되지 못하고 측면으로 계속 반사되어 전파되다가 결함에 흡수되어 열로 변환되어 소자의 특성에 악영향을 미치게 된다.

그러나 본 발명에서와 같이 굴곡구조(40)를 도입함으로써, 측면으로 전파되던 빛은 굴곡면에 반사됨으로써 용이하게 방향을 바꾸게 되어 광추출 효율이 급격히 증가하게 된다.

또한 평탄한 구조에 비하여 굴곡구조에 형성된 유기층(60)(70)의 비표면적이 증가함으로써 더 많은 량의 빛을 생성할 수 있는 효과를 보이게 되므로 휘도를 향상시킬 수 있다.

같은 방법을 사용하거나, 샌드블라스팅 방법을 통하여 유리 기판의 방출면(90)에 굴곡구조를 형성하게 되면 광추출 효율이 더욱 증대될 뿐만 아니라 시야각을 향상시키고, 표면에서 글레어(glare) 현상을 제거할 수 있다.

또한, 캐소드(Cathode)(80)를 투명전극으로 형성하면 빛은 소자의 상하로 방사되며 상하 모든 방향으로의 광추출 효율이 증대된다.

도 6은 본 발명의 유기발광다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명의 유기발광다이오드 제조 방법은, 유리기판 위에 수십 나노미터 두께의 금박막을 증착시키는 단계(S100)와, 상기 유리기판상의 금박막이 섬형태로 변형되도록 열처리를 하는 단계(S200)와, 상기 섬형태의 금을 마스크로 사용하여 식각 공정을 통하여 기판의 표면에 굴곡구조를 형성하는 단계(S300)와, 상기 유리기판에서 섬형태의 금을 제거하는 단계(S400)와, 상기 유리기판의 굴곡구조상에 투명전극층을 증착하는 단계(S500)와, 상기 투명전극층상에 p-type 유기층을 증착하는 단계(S600)와, 상기 p-type 유기층상에 n-type 유기층을 증착하는 단계(S700)와, 상기 n-type 유기층상에 캐소드층을 증착하는 단계(S800)를 포함한다.

상기 유리기판에 증착되는 금 박막의 두께는 바람직하게는 1nm~100nm로 하는 것이 좋다. 또한, 상기 열처리단계(S200)에서는 200℃~1000℃에서 열처리를 하는 것이 바람직하다.

이상에서 본 발명의 하나의 실시예를 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 이에 한정되지 않는 것이 당연하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상의 범위에 해당하는 한 유기발광다이오드에 사용되는 유리기판의 표면에 굴곡구조를 형성하는 다양한 실시예를 포함한다 하겠다. 예를 들면, 상기 실시예에서는 섬형태의 금을 마스크로 사용하여 유리기판의 굴곡구조를 형성하였지만, 굴곡구조를 갖는 주형물을 제조하고, 그 주형물을 이용하여 굴곡구조를 갖는 유리기판을 제조할 수 있다.

10 : 유리기판
20 : 금 박막
30 : 섬형태의 금
40 : 유리기판의 굴곡구조
50 : 투명전극층
60 : p-type 유기층
70 : n-type 유기층
80 : 캐소드
90 : 유리기판의 방출면

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 광의 방출면과 그 이면을 갖는 유리기판의 상기 이면에 수십 나노미터 두께의 금박막을 증착시키는 단계와,
   상기 유리기판상의 금박막이 섬형태로 변형되도록 열처리를 하는 단계와,
   상기 섬형태의 금을 마스크로 사용하여 식각 공정을 통하여 상기 유리기판의 이면에 굴곡구조를 형성하는 단계와,
   상기 유리기판에서 섬형태의 금을 제거하는 단계와,
   상기 유리기판의 굴곡구조의 표면에 투명전극층을 굴곡구조를 갖도록 증착하는 단계와,
   상기 굴곡구조의 투명전극층상에 p-type 유기층을 굴곡구조를 갖도록 증착하는 단계와,
   상기 굴곡구조의 p-type 유기층상에 n-type 유기층을 굴곡구조를 갖도록 증착하는 단계와,
   상기 굴곡구조의 n-type 유기층상에 캐소드층을 굴곡구조를 갖도록 증착하는 단계를 포함하는 유기발광다이오드 제조 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 유리기판의 상기 광의 방출면에 굴곡구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 유기발광다이오드 제조 방법.
9. 삭제
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 유리기판에 금 박막을 증착시키는 단계에서, 상기 금 박막은 1nm~100nm의 두께로 증착시키는 것을 특징으로 하는 유기발광다이오드 제조 방법.
11. 청구항 7에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 200℃~1000℃의 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유기발광다이오드 제조 방법.
    
    

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