KR101267665B1 - 방향성 유기 발광 다이오드를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

애노드 또는 캐쏘드로서 패턴화된 금속 전극의 도입에 의해 유기 발광 다이오드의 방향성이 개선된다.

Description

방향성 유기 발광 다이오드를 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DIRECTIONAL ORGANIC LIGHT EMITTING DIODES}
도 1은 본 발명에 따른 실시양태를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따라 패턴화된 전극을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 하나의 실시양태에 대한 총 방사된 파워(total radiated power) 대 a/λ를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 하나의 실시양태에 대한 추출 비율 대 a/λ를 도시한다.
도 5a는 본 발명에 따른 단일 수평 쌍극자의 방사 패턴을 도시한다.
도 5b는, 광이 고 전도성 금속 전극을 통해 아웃커플링되지(outcouple) 않은 종래 기술의 단일 수평 쌍극자의 방사 패턴을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 실시양태에 대한 총 방사된 파워 대 a/λ를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 실시양태에 대한 총 방사된 파워 대 a/λ를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 실시양태에 대한 추출 비율 대 a/λ를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 실시양태에 대한 총 방사된 파워 대 a/λ를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 실시양태에 대한 추출 비율 대 a/λ를 도시한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110,120 - 금속 전극
114,115,116 - 유기 층
125 - 구멍
225 - 격자구조
발광 다이오드(LED)의 추출 효율을 개선시키면 LED의 총 효율이 증가한다. LED 방향성을 증가시키면 프로젝터와 같은 특정 분야에 대한 LED의 선호도가 더욱 높아진다. 황(J.K Hwang) 등의 문헌 "Phys. Rev. B 60, pp.4688, 1999", 수(Y. Xu) 등의 문헌 "J. Opt. Soc. Am. B16, 465(1999)" 및 리(R.K. Lee) 등의 문헌 "J. Opt. Soc. Am. B17, 1438(1999)"에서, GaAs 및 GaN LED에 대한 몇몇 상이한 구조형태들이 심사되어 왔다.
유기 발광 다이오드(OLED) 분야의 개선된 추출 효율이 홉손(P.A. Hobson) 등의 문헌 "Advanced Materials, 14, 19, 2002"에서 논의되어 있으며 참고로 인용되고 있다.
본 발명에 따라, 하나의 금속 전극이 애노드로서 제공되고 다른 금속 전극이 캐쏘드로서 제공되는 2개의 금속 전극을 사용하여 그들 사이에 유기 층들을 위치시키는 유기 발광 다이오드(OLED)를 제공함으로써, OLED의 총 방사된 파워, 추출 효율 및 방향성이 개선될 수 있다. 광은 높은 방향성을 제공하기 적합하게 천공된 2개의 금속 전극들 중 하나를 통해 아웃커플링된다.
도 1은 본 발명에 따른 유기 발광 다이오드(OLED)를 단면으로 도시한다. 금속 전극(110, 120)은 고 전도성을 갖는 금속으로 제조된다. 금속 전극(110, 120) 중 하나가 캐쏘드 전극일 수 있으며 나머지 금속 전극은 애노드 전극일 수 있다. 캐쏘드로서 작동하는 금속 전극은 전형적으로 전자 주입을 위한 낮은 에너지 차단벽을 제공하도록 낮은 일 함수를 갖지만, 애노드로서 작동하는 금속 전극은 전형적으로 정공 주입을 위한 낮은 에너지 차단벽을 제공하도록 높은 일 함수를 갖는다.
금속 전극(110, 120)은 그들 사이에 유기 층(115, 116, 114)을 위치시킨다. 유기 층(115, 116, 114)은 전형적으로 약 1.75의 평균 굴절 지수를 가질 수 있으며, 작은 분자 또는 중합체계일 수 있다. 금속 전극(120)이 애노드 전극이면, 층(115)은 전형적으로 예컨대 다이아민으로 제조된 얇은 정공 수송 층(HTL)인 반면, 층(116)은 전형적으로 캐쏘드 전극인 금속 전극(115)의 다음에 위치한 유기 전자 수송 층(ETL)이다. 금속 전극(120)이 캐쏘드 전극이면, 층(115)은 전형적으로 유기 전자 수송 층(ETL)인 반면, 층(116)은 전형적으로 예컨대 다이아민으로 제조된 얇은 정공 수송 층(HTL)이다. 층(114)은 발광 층이다. 본 발명에 따라, 금속 전극(120)은 도 2의 상면도에서 도시된 삼각형 격자구조(225)와 같은 격자구조를 형성하는 구멍(125)을 갖는 패턴화된 표면이다. 상기 표면은 또한 예컨대 벌집 또는 준주기성(quasiperiodic) 격자구조를 형성하는 구멍(125)으로 패턴화될 수 있다. 구멍(125)이 공기, SiO2, SiNx 또는 기타 적합한 광학 투명성 유전체 물질로 충전될 수 있음을 주지한다. 당해 분야의 숙련자에게 잘 공지된 다수의 방법이 구멍(125)을 형성하는데 사용될 수 있다. 본 발명에 따라, 구멍은 예컨대 그의 단면이 원형, 타원형, 삼각형 또는 육각형일 수 있다. 본 발명에 따라 다른 다각형 단면들이 또한 사용될 수 있다.
도 3은, 본 발명에 따른 실시양태의 총 방사된 파워(TRP)를 도시하는 것으로서, 상기 TRP는 금속 전극을 갖지 않은 무제한적으로 긴 단일 유기 물질 내의 쌍극자의 TRP에 의해 나누어진 본 발명에 따른 실시양태의 TRP의 비율이다. TRP는, OLED를 모델로 하는데 전형적으로 사용되는 유한 차분 시간 영역해석(finite difference time domain, FDTD) 방법을 사용하여 계산되며, 그 예로는 참고로 인용하는 황 등의 문헌 "Physical. Review. B 60, 4688, 1999" 또는 류(H.Y. Ryu) 등의 문헌 "Journal of the Optical Society of Korea 6, 59, 2002"를 참고한다. 계산을 목적으로, 발광 층(114)은 평면 내에서 랜덤하게 배향하는 2000개의 평탄한 쌍극자를 갖는 평면으로서 접근된다. 상기 평탄한 쌍극자들은 상이한 상들에서 여기되어 임의의 위치 및 배향 공명을 감소시킨다. 금속 전극(110, 120)은 계산 목적을 위한 손실이 없는 완전한 전도체인 것으로 추정된다. 이 실시양태에서, 격자구조 상수는 "a"이고, 유기 층(115, 114, 116)의 총 두께(t)는 약 0.8125a이고, 구멍(125)의 반경은 약 0.36a이고, 쌍극자의 평면은 약 0.5a의 거리(td)에 의해 전극(110)으로부터 분리된다.
도 3의 곡선(310)은, 0.326의 a/λ에서 거의 8배 만큼 TRP가 향상됨을 보여준다(여기서, λ는 자유 공간 파장이다). OLED의 내부 양자 효율이 개선된다. 쌍극자의 평면이 전극(110, 120) 사이 1/2 지점에 위치하는 경우, TRP의 최대치가 달성되는데, 이는 금속 전극(110, 120)이 거울로서 작동하기 때문이다. 전극(110)은 본질적으로 완전한 거울로서 작동하는 반면, 전극(120)은 구멍(125)의 존재로 인해 불완전한 거울로서 작동한다. 전계 최대치는 전형적으로 금속 전극(110, 120) 사이의 중간 지점에 또는 그에 인접하게 존재한다.
도 4에서의 곡선(410)은 본 발명에 따른 실시양태에 있어서 총 방사된 파워에 대한 30°의 1/2 각도를 갖는 원추형 내로 방사된 파워의 비율을 나타낸다. 상기 비율의 최대치는 약 0.313의 a/λ에서 53%로 발생하며, a/λ의 더욱 높은 비율의 경우 갑자기 떨어진다. a/λ 값은, 총 두께(t)를 갖는 유기 층(115, 114, 116)에 있어서, 2개의 금속 전극(110, 120) 사이에 존재할 수 있는 최저 차원 모드로서 예상치 못했던 것은 아니지만, 금속 전극(110, 120) 상에서 파동함수(wavefunction)가 0인 것을 요구하는 경우에는 λn/2 파장 모드이다. 그러므로, λn/2 = λ/2n = t이며, 여기서 n은 유기 층(115, 114, 116)의 평균 굴절 지수이다. t를 αa(여기서, a는 격자구조 상수이다)로 기입하면, a/λ = 1/2nα = 0.35이며, 이는 도 3 및 4로부터의 대략적 결과들이다.
도 5a는 본 발명에 따른 하나의 실시양태에 대한 약 0.313의 a/λ에서 여기된 단일 수평 쌍극자의 방사 패턴(510)을 도시한다. 방사 패턴(510)은 매우 방향성이며, 상기 파워는 전방 90° 방향으로부터 ± 약 17° 내에서 1/2까지 감소한다. 본원의 목적을 위해, 용어 "매우 방향성"은 파워의 40% 이상이 약 30°의 1/2 각도를 갖는 원추형 내로 방사되는 본 발명에 따른 실시양태를 지칭한다. 도 5b는, 광이 고 전도성 금속 전극을 통해 아웃커플링되지 않은 약 0.313의 a/λ에서 여기된 단일 수평 쌍극자의 방사 패턴(530)을 도시한다. 광은 약 60°의 1/2 각도를 갖는 원추형 내로 방사된다.
도 6은, 층(115, 114, 116)의 조합된 두께에 대한 td/a의 다양한 값에 의한, 금속 전극(110)으로부터 분리된 쌍극자들의 평면에 대한 a/λ의 함수로서의 총 방사된 파워를 도시한다. 금속 전극(120) 내의 구멍(125)의 반경(r)은 약 0.36a이다(여기서, a는 격자구조 상수이다). 총 방사된 파워에 대한 곡선(610, 620, 630, 640)은 각각 0.5, 0.25, 0.688 및 0.125의 td/a에 상응한다. 최대 TRP는 곡선(610, 620, 630, 640)의 경우 약 0.313의 a/λ에서 존재한다. 0.375, 0.438 및 0.5의 td/a의 값들의 경우 TRP에서의 차이는 약 5% 미만이며, 상기 TRP는 이들 3개의 값들의 경우 약 8.3이다. 그러므로, 발광 층(114)은 전형적으로 앞서 지적한 바와 같이 금속 전극(110, 120) 사이의 1/2 지점에 위치한다.
도 7은 도 3에서와 같이 다른 파라미터를 갖는 금속 전극(120) 내부가 공기로 충전된 구멍(125)의 삼각형 격자구조에 대한 a/λ의 함수로서의 TRP를 도시한다. 구멍(125)의 반경은 곡선(710, 720, 730, 740) 각각의 경우, 0.24a, 0.3a, 0.36a 및 0.42a이다. TRP의 피크는 구멍(125)의 반경이 증가함에 따라 더욱 낮은 a/λ의 값으로 이동하는 것으로 관찰된다. 도 8은 도 7의 구조형태에 대한 30°의 1/2 각도를 갖는 원추형 내로의 추출 비율을 도시한다. 곡선(810, 820, 830, 840)은 각각 0.24a, 0.3a, 0.36a 및 0.42a의 구멍(125)의 반경에 상응한다.
도 9는 금속 전극(120) 내부가 공기로 충전된 구멍(125)의 정사각형 격자구조에 대한 TRP를 도시한다. 곡선(910)에서, 구멍(125)은 약 0.4a의 반경(r)을 갖는 원이며, 곡선(920)에서, 구멍(125)은 약 0.5a의 측면을 갖는 정사각형 구멍(125)이다. 도 10은 도 9의 정사각형 격자구조 구조형태의 경우 30°의 1/2 각도를 갖는 원추형 내로의 추출 비율을 도시한다. 곡선(1010)은 약 0.4a의 반경(r)을 갖는 원형 구멍(125)에 상응하는 반면, 곡선(1020)은 약 0.5a의 측면을 갖는 정사각형 구멍에 상응한다. 곡선(1010)에 의해 도시된 바와 같이 원형 구멍(125)을 갖는 정사각형 격자구조에 대한 추출 비율은, 각각 곡선(830, 840)의 경우 r/a 약 0.36 및 0.42의 원형 구멍(125)을 갖는 삼각형 격자구조에 대한 추출 비율에 견줄만하다. 곡선(830, 840, 1010)의 피크는 비교적 폭이 넓으며, 이는 전형적으로 중요하게 고려되는 제작성을 향상시킨다. 곡선(1020)에 의해 제시된 바와 같이 정사각형 구멍(125)을 갖는 정사각형 격자구조에 대한 추출 비율은, 도 8에서의 곡선(820)에 의해 도시된 바와 같이 r/a 약 0.3의 원형 구멍을 갖는 삼각형 격자구조에 대한 추출 비율에 견줄만하다. 곡선(1020, 820) 모두는 전형적으로 제작을 더욱 어렵게 만드는 비교적 폭이 좁은 피크를 나타내는데, 이는 더욱 치밀한 제작 공차(manufacturing tolerance)가 요구되기 때문이다. 정사각형 구멍(125)이 사용되는 곡선(920)의 경우 도 9에서의 TRP는 약 10이며, 이는 곡선(710, 720, 730, 740)에 의해 표시된 구조형태에 대한 도 7에 제시된 TRP보다 약 15% 이상 개선된 것이다.
본 발명이 특정 실시양태들과 함께 기재되어 있지만, 당해 분야의 숙련자에 의해 여러 대안, 변형 및 변경이 앞선 기재내용에 견주어 분명할 것임은 증명되어 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구의 범위의 취지 및 범위 내에 속하는 이러한 모든 기타 대안, 변형 및 변경을 포함하는 것이다.
본 발명에 따르면, 유기 발광 다이오드의 방향성이 개선된다.

Claims (20)

  1. 다수의 유기 층; 및 상기 다수의 유기 층을 사이에 둔 제1 및 제2 전도성(conducting) 금속 전극을 포함하는 유기 발광 다이오드 장치로서,
    상기 제2 전도성 금속 전극이 이를 관통하는 구멍들의 격자구조(lattice)를 포함하는 패턴화된 표면을 포함하여서 파워의 40% 이상이 30°의 1/2 각도를 갖는 원추형 내로 방사되도록 하는 방사 패턴으로 상기 유기 발광 다이오드가 발광하도록 작동하며, 상기 구멍들의 반경이 0.36a 내지 0.42a이고 a는 격자구조 상수인,
    유기 발광 다이오드 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍들의 격자구조가 구멍들의 삼각형 격자구조인 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍들의 격자구조가 구멍들의 정사각형 격자구조인 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍들의 격자구조에서의 구멍이 정사각형 단면을 갖는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍들의 격자구조에서의 구멍이 원형 단면을 갖는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍들의 격자구조에서의 구멍이 SiO2, SiNx 및 공기로부터 선택된 물질로 충전된 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전도성 금속 전극이 캐쏘드 전극인 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 유기 층들 중 하나가 발광 층인 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 유기 층들 중 하나가 다이아민을 포함하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 유기 층이 중합체를 포함하는 장치.
  11. 다수의 유기 층을 제공하는 단계; 및
    상기 다수의 유기 층을 사이에 둔 제1 및 제2 전도성 금속 전극을 제공하는 단계를 포함하는 유기 발광 다이오드의 제조방법으로서,
    상기 제2 전도성 금속 전극이 이를 관통하는 구멍들의 격자구조(lattice)를 포함하는 패턴화된 표면을 포함하여서 파워의 40% 이상이 30°의 1/2 각도를 갖는 원추형 내로 방사되도록 하는 방사 패턴으로 상기 유기 발광 다이오드가 발광하도록 작동하며, 상기 구멍들의 반경이 0.36a 내지 0.42a이고 a는 격자구조 상수인,
    유기 발광 다이오드의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 구멍들의 격자구조가 구멍들의 삼각형 격자구조인 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 구멍들의 격자구조가 구멍들의 정사각형 격자구조인 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 구멍들의 격자구조에서의 구멍이 정사각형 단면을 갖는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 구멍들의 격자구조에서의 구멍이 원형 단면을 갖는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 구멍들의 격자구조에서의 구멍을 SiO2, SiNx 및 공기로부터 선택된 물질로 충전시키는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 전도성 금속 전극이 캐쏘드 전극인 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 다수의 유기 층들 중 하나가 발광 층인 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 다수의 유기 층들 중 하나가 다이아민을 포함하는 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 다수의 유기 층이 중합체를 포함하는 방법.
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