KR101262673B1 - Ｏｌｅｄ 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법이 개시된다. OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법은 유리 기판에 에어로졸 증착기를 활용하여 SiO_2, TiO₂, ZnO 또는 Al₂O₃ 세라믹(ceramic) 분말을 충돌시켜 500nm ~ 1.2㎛ 세라믹 박막을 증착시키는 단계; 스프레이 노즐을 통해 세라믹 박막이 증착된 유리 기판을 불산(HF) 용액에 노출시켜 식각하는 단계; 상기 불산 용액에 의해 식각된 유리 기판을 세척하여 크기가 200㎚ 내지 500㎚, 깊이(높이)가 35nm 내지 500nm인 표면 요철이 다수 형성된 나노 표면 구조의 유리 기판을 생성하는 단계; 상기 나노 표면 구조가 형성된 유리 기판상에 평탄층을 형성하는 단계를 구성한다.
상기와 같은 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판 및 이의 제조 방법에 의하면, 에어로졸 증착 방식에 의해 SiO_2, TiO₂, ZnO 또는 Al₂O₃ 박막을 형성하여 식각함으로써, 보다 용이하게 유리 기판에 나노 표면 구조를 형성할 수 있는 효과가 있다. 특히, 온도 등의 공정 조건이 까다롭지 않을 뿐 아니라 본 발명에서 제시하는 최적의 공정 조건을 통해 보다 정밀하게 나노 표면 구조를 형성할 수 있는 효과가 있다. 이에, OLED 소자의 전반사율을 거의 0에 가깝게 줄일 수 있고, OLED 소자의 휘도 성능을 크게 높일 수 있는 효과가 있다. 또한, 공정상 비용이 절감되는 효과가 있다.

Description

ＯＬＥＤ 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF HIGH EFFICIENCY LIGHT-EXTRACTING GLASS SUBSTRATE FOR OLED LIGHT}

본 발명은 OLED(Organic Light Emitting Diodes) 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 OLED 조명용으로 사용되는 고효율의 광 추출 유리 기판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

OLED(Organic Light Emitting Diodes) 소자는 평판 유리 기판상에 투명전극층, 유기 반도체층, 금속전극층이 차례로 적층된 유기 발광 다이오드 소자이다.

투명전극과 금속전극에 전압을 인가하면 투명전극과 금속전극에서 주입된 전자와 정공이 유기반도체 층에서 결합하여 빛을 생성하고 상기 생성된 빛은 유리 기판을 통과하여 외부로 방출된다.

이때 유기 반도체층에서 전자와 정공의 결합에 따른 빛의 생성 효율을 내부 양자 효율이라고 하고, 생성된 빛이 외부로 방출되는 효율을 외부 양자효율이라고 한다.

OLED 소자의 내부 양자 효율은 유기반도체 소재의 개발 및 OLED 소자 구조 개선을 통해 이미 100%에 도달했지만 외부 양자효율은 약 20%로 낮은 편이다.

[참고도]

이와 같이 OLED의 외부 양자 효율이 낮은 이유는 각 유기반도체층(굴절률 n=1.7~1.8), 투명전극(ITO : Indim Yin Oxide, 굴절률 n=1.8~2.2), 유리 기판(굴절률 n=1.5)의 굴절률 차이에 의한 전반사 효과로 각 층에서 광도파로가 형성되며 최종 공기층으로 빠져나오는 빛의 양은 최초 생성된 빛의 약 20% 정도에 머물게 된다.

따라서, OLED 디스플레이의 품위 향상 및 차세대 평판 조명용 광원으로 OLED 소자를 적용하기 위해서 최근 외부 양자 효율 향상에 대한 관심이 증대되고 있을 뿐 아니라 전반사 억제를 위한 광추출 효율 개선을 위한 많은 연구 개발이 진행되고 있다.

OLED 소자의 외부 양자 효율 증대를 위한 광추출 기술은 크게 마이크로 렌즈 어레이(micro-lens array)를 소자 외부에 부착하는 기술, 유리 기판과 투명전극 사이에 고굴절 스캐터링(scattering) 평탄화층을 삽입하는 기술, 소자 내부에 마이크로 공진을 이용한 기술, 유리 기판의 내외부에 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 등의 나노 구조를 형성하는 기술이 대표적이다.

최근 OLED 조명 광원이 상용화되면서 가장 많이 적용되고 있는 기술은 유리 기판과 투명전극 사이에 굴절률 매칭을 위한 고굴절 스캐터링 층의 삽입이 대량 생산에 적합한 것으로 인식되면서 유리 기판 자체에 나노 구조를 형성한 후 고굴절 스캐터링 평탄층을 적층하는 방법에 대한 연구 개발이 진행되고 있다.

그 중 대표적인 방법이 유리 기판상에 실리콘산화막을 진공 증착한 후 은(Ag) 박막을 증착하고 고온 열처리 공정을 거치면 은 박막의 응집이 발생된다. 응집된 은 박막을 마스킹층으로 사용하여 실리콘 산화막을 건식 식각하고 은 박막을 제거하면 나노 구조의 유리 기판이 형성된다. 이와 같이 형성된 나노구조의 유리 기판상에 고굴절 평탄층을 형성하고 OLED 소자를 제작하면 투명전극과 고굴절 층의 광도파로 형성이 억제되며, 나노 구조가 형성된 유리 기판과 고굴절층 사이에 발생되는 광도파로의 형성이 억제되어 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있다.

이러한 방법은 실리콘 산화막의 진공증착, 은 나노 박막의 형성, 고온 열처리 공정, 건식 식각공정 등에 따른 비용 증가 및 건식 식각공정 조건이 까다로운 단점 때문에 5세대급 이상의 대면적 OLED 조명 생산에 적합하지 않다.

또한 상기 나노구조의 형상에 있어 형성된 나노 구조의 간격(pitch), 깊이(depth), 높이(height), 밀도(density of nano-structure)는 광도파 억제 및 광추출 효율 향상에 중요한 인자로 마스킹 층의 두께 조절 및 식각 깊이에 대한 조절이 어렵다는 단점이 있다.

또한 상기 유리 기판상에 나노 구조를 형성하기 위한 선행기술로 유리 식각 약액인 불산 용액에 기판을 침적시키거나 또는 불산 용약에서 발생되는 기체 상태의 불산에 기판을 노출시킴으로 발생되는 마이크로 또는 나노 크기의 표면 요철은 크기, 밀도, 특히 깊이(높이)에 대한 조절이 어려운 단점이 있다.

도 1a 및 도 1b를 통해 이를 도식적으로 설명한다.

도 1a는 종래의 낮은 광 추출 효율을 갖는 OLED 소자의 구성도이고, 도 1b는 유리 기판상에 나노 구조의 요철에 의한 높은 광 추출 효율을 갖는 OLED 소자의 구성도이다.

도 1a에서는 유리 기판에 표면처리가 없는 구조로, 각 유기반도체층(굴절률 n=1.7~1.8), 투명전극(ITO : Indim Tin Oxide, 굴절률 n=1.8~2.2), 유리 기판(굴절률 n=1.5)의 굴절률 차이에 의한 전반사 효과로 각 층에서 광도파로가 형성되며 빛이 그대로 전반사되어 손실되어 짐을 알 수 있다. 그러나, 도 1b에서는 유리 기판에 형성된 나노 구조의 표면 형상은 OLED 소자에서 발생된 빛이 고굴절의 ITO(n=1.8)와 저굴절의 유리기판(n=1)으로 입사되면서 발생되는 광도파 현상을 억제하여 기판 외부로의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.

대한민국특허청 공개특허공보 10-2012-0044408 대한민국특허청 공개특허공보 10-2012-0085377

본 발명의 목적은 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

즉, 보다 정밀하게 나노 표면 구조를 형성할 수 있도록 하여 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판을 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 목적에 따른 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법은, 유리 기판에 에어로졸 증착기를 활용하여 SiO_2, TiO₂, ZnO 또는 Al₂O₃ 세라믹(ceramic) 분말을 충돌시켜 500nm ~ 1.2㎛ 세라믹 박막을 증착하는 단계; 스프레이 노즐을 통해 세라믹 박막이 증착된 유리 기판을 불산(HF) 용액에 노출시켜 식각하는 단계; 상기 불산 용액에 의해 식각된 유리 기판을 세척하여 크기가 200㎚ 내지 500㎚, 깊이(높이)가 35nm 내지 500nm인 표면 요철이 다수 형성된 나노 표면 구조의 유리 기판을 생성하는 단계; 상기 나노 표면 구조가 형성된 유리 기판상에 평탄층을 형성하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 유리 기판에 에어로졸 증착기를 활용하여 SiO_{2 ,} TiO₂, ZnO 또는 Al₂O₃ 세라믹(ceramic) 분말을 충돌시켜 500nm ~ 1.2㎛ 세라믹 박막을 증착하는 단계는, SiO₂ 단일 분말, SiO₂ 와 TiO₂ 의 혼합 분말 또는 SiO_{2 ,} TiO₂, Al₂O₃ 의 혼합 분말을 이용하여 증착하도록 구성될 수 있다.

그리고 스프레이 노즐을 통해 세라믹 박막이 증착된 유리 기판을 불산(HF) 용액에 노출시켜 식각하는 단계는, 증착된 세라믹 박막을 식각 마스킹 층으로 사용하여 유리 기판을 식각하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법에 의하면, 에어로졸 증착 방식에 의해 SiO_{2 ,} TiO₂, ZnO 또는 Al₂O₃ 후막을 형성하여 식각함으로써, 보다 용이하게 유리 기판에 나노 표면 구조를 형성할 수 있는 효과가 있다. 특히, 온도 등의 공정 조건이 까다롭지 않을 뿐 아니라 본 발명에서 제시하는 최적의 공정 조건을 통해 보다 정밀하게 나노 표면 구조를 형성할 수 있는 효과가 있다.

이에, OLED 소자의 전반사율을 줄일 수 있고, 굴절률에 따른 광도파로 형성억제 및 광추출 효율 향상 효과가 있으며, OLED 소자의 휘도 성능을 크게 높일 수 있는 효과가 있다. 또한, 공정상 비용이 절감되는 효과가 있다.

도 1a는 종래의 낮은 광 추출 효율을 갖는 OLED 소자의 구성도이고, 도 1b는 딤플이나 홀에 의한 높은 광 추출 효율을 갖는 OLED 소자의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법의 공정도이다.
도 3a는 불산 식각 전의 SiO₂ 박막의 사진이고, 도 3b는 불산 식각 후의 유리 기판의 사진이다.
도 4a는 본 발명의 실험예에 따른 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 단면 사진이다.
도 4b는 본 발명의 실험예에 따른 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 사시각 사진이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명의 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법은, 유리 기판에 에어로졸 증착기를 활용하여 SiO_{2 ,} TiO₂, ZnO 또는 Al₂O₃ 세라믹(ceramic) 분말을 충돌시켜 500nm ~ 1.2㎛ 세라믹 박막을 증착하는 단계; 스프레이 노즐을 통해 세라믹 박막이 증착된 유리 기판을 불산(HF) 용액에 노출시켜 식각하는 단계; 상기 불산 용액에 의해 식각된 유리 기판을 세척하여 크기가 200㎚ 내지 500㎚, 깊이(높이)가 35nm 내지 500nm인 표면 요철이 다수 형성된 나노 표면 구조의 유리 기판을 생성하는 단계; 상기 나노 표면 구조가 형성된 유리 기판상에 고굴절 평탄층을 형성하는 단계를 포함하도록 구성된다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법의 공정도이다.

먼저 도 2의 (A)를 참조하면, OLED 조명용 소자를 제작하기 위한 유리 기판(100)이 준비된다. 유리 기판(100)은 대략 두께 0.4 mm 내지 1.8 mm 정도가 적합하다. OLED 조명용인 경우에는 유리 기판(100)의 두께가 얇을수록 적합하다.

다음으로 도 2의 (B)를 참조하면, 유리 기판(100)에 에어로졸 증착기를 활용하여 상온에서 세라믹(ceramic) 분말을 충돌시켜 500nm ~ 1.2㎛의 두께로 SiO₂ 박막(110)을 증착한다.

이 때, 충돌시키는 분말은 SiO₂ 단일 분말, SiO₂ 와 TiO₂ 의 혼합 분말 또는 SiO_2, TiO₂, Al₂O₃ 의 혼합 분말을 이용하여 증착할 수 있다.

그리고 나서, 스프레이 노즐을 통해 분사되는 불산(HF) 용액에 노출시켜 식각한다. 이때, 본 발명에 따른 시험 결과 0.5㎛/분의 식각률(etching rate)로 30초간 식각하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.

불산 용액에 노출시켜 식각하는 단계에서 증착된 세라믹 박막을 식각 마스킹 층으로 사용하여 유리 기판을 식각할 수도 있다.

그리고 도 2의 (C)를 참조하면, 앞서 불산 식각된 유리 기판(100)을 세척하여 크기가 200nm 내지 500nm, 깊이(높이)가 35㎚ 내지 500㎚인 표면 요철이 다수 형성된 나노 표면 구조의 유리 기판(100)을 생성한다. 높은 투과율을 얻기 위해 가장 적합한 굴절율을 나타내는 나노 표면 구조의 깊이(높이)는 시험 결과 대략 35㎚ 내지 500㎚ 깊이인 것으로 나타났다. 한편, 세척 시에는 증류수 또는 알칼리수를 이용하여 세척하도록 구성될 수 있다.

다음 공정으로 나노 표면 구조가 형성된 유리 기판상에 고굴절 평탄층을 형성하는 단계가 진행된다.

앞서 설명한 에어로졸 증착 공정 조건에 따른 결과 박막 형성 과정이 보다 용이하고 비용이 절감되었으며, 상온에서도 가능하다는 장점이 있다.

도 3a는 불산 식각 전의 SiO₂ 박막의 사진이고, 도 3b는 불산 식각 후의 유리 기판의 사진이다.

도 3a 및 도 3b는 전자 현미경을 통해 촬영한 사진으로서, 도 3a는 불산 식각 전의 사진이고 도 3b는 불산 식각 후 나노 표면 구조가 형성된 것을 나타낸다. 전체적으로 균일한 나노 표면 구조가 형성되어 있으며, 굴절률의 차이로 형성된 광도파로 사이의 전반사 되던 빛이 대부분 기판 밖으로 추출되는 효과를 가져온다.

도 4a는 본 발명의 실험예에 따른 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 단면 사진이다.

도 4a는 본 발명에 따른 실험 결과, 0.5㎛/분의 식각률(etching rate)로 30 초간 식각 조건을 적용한 결과를 촬영한 사진이다. 이러한 실험 조건은 앞서 도 2를 통해 설명한 본 발명의 식각률의 범주에 있다.

도 4b는 본 발명의 실험예에 따른 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 사시각 사진이다.

도 4b는 경사각 52 도에서 촬영한 나노 표면 구조를 나타내고 있다.

이상의 도 4a 및 도 4b에서 보듯이, 도 2에 개시된 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법에 의해 제조되는 유리 기판(100)은 에어로졸 증착 방식과 최적의 수치를 갖는 공정 조건에 의해 보다 용이하고 정밀하게 나노 표면 구조를 형성하여 OLED 소자 내의 전반사를 억제할 수 있다. 이는 본 발명의 유리 기판(100)에 의해 제조된 OLED 소자가 디스플레이나 조명 등에 이용될 때, 보다 밝고 효율이 높은 소자로 이용될 수 있음을 의미하며, 궁극적으로는 에너지 절감 및 비용 절감을 가져올 수 있다.

본 발명에 따른 유리 기판(100)은 도 2의 공정에 따라 제조되는 유리 기판으로서, OLED 등의 조명용 소자 전반에 적용될 수 있으며, 이러한 제조 공정에 따라 제조된 유리 기판(100) 및 OLED 소자에 그 효력이 미친다 할 것이다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 유리 기판에 에어로졸 증착기를 활용하여 SiO_2, TiO₂, ZnO 또는 Al₂O₃ 세라믹(ceramic) 분말을 충돌시켜 500nm ~ 1.2㎛ 세라믹 박막을 증착시키는 단계;
   스프레이 노즐을 통해 세라믹 박막이 증착된 유리 기판을 불산(HF) 용액에 노출시켜 식각하는 단계;
   상기 불산 용액에 의해 식각된 유리 기판을 세척하여 크기가 200㎚ 내지 500㎚, 깊이(높이)가 35nm 내지 500nm인 표면 요철이 다수 형성된 나노 표면 구조의 유리 기판을 생성하는 단계;
   상기 나노 표면 구조가 형성된 유리 기판상에 평탄층을 형성하는 단계를 포함하는 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 유리 기판에 에어로졸 증착기를 활용하여 SiO_{2 ,} TiO₂, ZnO 또는 Al₂O₃ 세라믹(ceramic) 분말을 충돌시켜 500nm ~ 1.2㎛ 세라믹 박막을 증착하는 단계는,
   SiO₂ 단일 분말, SiO₂ 와 TiO₂ 의 혼합 분말 또는 SiO_{2 ,} TiO₂, Al₂O₃ 의 혼합 분말을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 스프레이 노즐을 통해 세라믹 박막이 증착된 유리 기판을 불산(HF) 용액에 노출시켜 식각하는 단계는,
   증착된 세라믹 박막을 식각 마스킹 층으로 사용하여 유리 기판을 식각하는 것을 특징으로 하는 OLED 조명용 고효율 광 추출 유리 기판의 제조 방법.

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