KR101352561B1 - 고분자 물질, 광학 필름 및 유기 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 고분자 물질 및 그 광학 필름은 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되는 고굴절 물질 및 상기 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되며 상기 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 포함함으로써, 고분자 매트릭스에 고굴절 물질 및 저굴절 물질이 함께 결합되어 있는 광산란층으로 기능하거나 고굴절 필름에 저굴절 입자가 분산된 광산란층으로 기능한다.
Description
본 발명은 고분자 물질, 광학 필름 및 유기 발광 소자에 관한 것으로, 상세하게는 광추출 효율을 개선할 수 있는 광학 필름 및 이를 적용한 유기 발광 소자에 관한 것이다.
유기 발광 소자, 예를 들어 유기 발광 다이오드는 애노드 전극으로부터 공급되는 홀과 캐소드 전극으로부터 공급되는 전자가 그 양전극 사이에 형성된 유기 발광층에서 결합하여 엑시톤이 형성되고 그것이 다시 재결합하는 과정에서 발광하는 소자이다. 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED)는 스스로 발광하는 소자로서 넓은 시야각, 빠른 응답속도 및 높은 색재현율로 인하여 디스플레이 장치에 응용되어 개발되어 왔다. 이에 나아가 최근 유기 발광 다이오드를 조명에 응용하는 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 유기 발광 다이오드는 R(red), G(green), B(blue)를 따로 발현하거나 백색광을 발현하도록 구성될 수 있다.
톰슨(Thompson) 등에 의하면 유기 발광 소자의 발광 효율을 나타내는 외부 에너지 효율은, 소자의 내부 에너지 효율과 광추출 효율의 곱으로 나타낼 수 있고 유기 발광층에서 방출된 광이 굴절률이 다른 상기 각 층의 경계면을 통과하는 과정에서 전반사 등의 이유로 기판 외부로 방출되지 못하고 각 층 내부에 붙잡히기 때문에 20%가 넘지 못한다고 알려져 있다(Optics Letters 22, 6, 396, 1997). 즉, 유기 발광 소자의 외부 광효율은 20%를 넘지 못한다. 이렇게 유기 발광 다이오드 내의 각 층에 갇혀 층 내부에서 도파되는 광을 도파모드 광이라 하고 각 층의 경계면을 지나 외부 공기로 방출되는 광을 방출모드 광이라고 한다. 이와 같이 패널형태의 면광원 소자에서 도파모드 광을 방출모드 광으로 전환시켜 소자 외부로 출사시키는 것을 광추출이라고 한다.
광추출 효율을 높이기 위해서는 유기 발광 소자에서 출사 방향 쪽으로 갈수록 굴절률이 동일하거나 높은 재료를 적층시키면 된다. 그러나 빛 출사를 위해 사용되는 투명한 기판, 예를 들어 유리 기판의 경우 낮은 굴절률인 1.5을 가지므로 문제가 발생된다.
도 1은 종래의 유기 발광 소자의 적층 구조를 나타낸 개략도로, 기판(10), 투명 전극인 애노드(20), 유기 발광층(30), 반사 전극인 캐소드(40), 보호막(50)이 순서대로 적층된 유기 발광 다이오드를 나타내었다.
일반적인 유기 발광 다이오드에서는 유기 발광층에서 발생된 광 중에서 캐소드 방향으로 방출되는 광은 대부분 반사되어 애노드 방향으로 향하게 되어 발생된 대부분의 광은 결국 애노드 측 방향으로 방출된다. 이때 애노드가 기판 상에 적층된 유기 발광 다이오드에서는 광을 방출시키기 위해 기판은 투명 성질을 갖는 유리 기판 등이 이용된다. 광이 유기 발광층과 애노드 및 기판을 거쳐 공기 중으로 방출되는 과정에서 각 층의 굴절률 차이로 인하여 유기 발광층과 애노드층 사이의 반사광 ① 및 애노드층과 기판 사이의 반사광 ②, 기판과 공기 사이의 반사광 ③이 발생된다. 특히 아래 스넬의 법칙(수학식 1)에 의해 기판면의 수직에 대하여 임계각 이상의 각도로 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 경계면에 입사되는 광들은 모두 전반사를 일으켜 외부로 방출되지 못하고 소자 내부에서 소멸된다.
여기서, n1은 입사 전의 물질의 굴절률이고,
n2는 입사 후의 물질의 굴절률이며,
a1은 입사면 법선에 대한 입사각이고,
a2는 입사면 법선에 대한 굴절각이다.
유기 발광 다이오드의 유기 발광층의 가시광선 굴절률은 광의 파장에 따라 달라지며 일반적으로 1.6~1.9 범위에 있다. 일반적으로 애노드로 사용되는 ITO(인듐 주석 산화물)의 굴절률이 1.9~2.0 이므로 유기 발광층과 애노드 사이의 전반사는 거의 발생되지 않아 별다른 문제가 없다. 그러나 일반적으로 사용하는 유리나 플라스틱 투명 기판의 굴절률이 1.5 정도이고 유기 발광 다이오드의 유기 발광층과 애노드층의 두께가 일반적으로 100~400nm 범위로 매우 얇은 경우, 유기 발광층에서 발생된 광의 대부분이 도파모드로 되어 소자 밖으로 방출되지 못한다. 유기 발광층에서 발생된 광의 대부분이 기판면에 수직하지 않고 기판면에 평행에 가까운 각도로 굴절률이 작은 기판에 입사되기 때문이다. 따라서, 일반적인 유기 발광 다이오드에서는 유리 기판 밖으로 방출되어 나오는 광 ④의 비율이 전체 발광량의 20% 정도로 매우 작다.
수학식 1에서 알 수 있듯이 경계면 양측의 물질의 굴절률이 같으면 입사각과 굴절각이 같아져 전반사가 일어나지 않는다. 즉 유기 발광층 및 애노드의 굴절률과 기판의 굴절률이 같거나 유사하면 기판/애노드 사이의 경계면에서 전반사에 의한 도파모드의 발생이 극소화되어 광추출 효율이 높아지고 유기 발광 다이오드의 전력 효율이 증가하게 된다.
그러나 일반적으로 애노드로 사용되는 ITO(인듐주석산화물)의 굴절률은 1.9~2.0에 이르기 때문에 애노드와 굴절률이 같은 기판 재료를 찾기란 매우 어렵다. 게다가 유기 발광 다이오드는 일반적으로 애노드 방향으로 빛이 방출되기 때문에 기판 재료는 가시광선 영역에서 투과율이 매우 높아야 하는데 투명하면서도 1.9~2.0의 굴절률을 갖고 기판으로서의 적절한 강도와 표면 평활도를 가지는 기판재료는 매우 드물다. 그러한 기판 재료가 있다고 하더라도 그 기판 재료를 판유리 형태로 얇고 평탄하게 대면적으로 제조하기는 매우 어렵다.
따라서 고효율의 유기 발광 소자를 대량제조하기 위해서는 제조공정이 용이하고 제조비용이 낮은 광추출 구조가 필요하다.
본 발명은 광추출 효율을 개선할 수 있는 고분자 물질, 광학 필름 및 이를 적용한 유기 발광 소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고분자 물질은 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되는 고굴절 물질 및 상기 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되며 상기 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 포함할 수 있다. 광학 필름은 상기 고분자 물질을 사용하여 구성된다.
이때, 상기 저굴절 물질은 상기 고굴절 물질과 비교하여 낮은 온도에서 상기 고분자 매트릭스로부터 이탈될 수 있다.
한편, 본 발명의 유기 발광 소자는 유기 발광층 및 상기 유기 발광층에서 방사된 빛의 광추출 효율을 증가시키는 필름층을 포함하고, 상기 필름층은 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되며 상기 유기 발광층 이상의 굴절률을 갖는 고굴절 물질과, 상기 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되며 상기 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 포함할 수 있다.
이때, 상기 필름층의 저굴절 물질은 상기 유기 발광층을 포함하는 적층체에 증착된 후 가열되어 상기 고분자 매트릭스로부터 이탈될 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명의 고분자 물질로부터 제조된 광학 필름은 유기 발광층 이상의 굴절률을 갖는 고굴절 물질을 포함하여 도파모드 광을 최소화할 수 있다. 이와 함께 저굴절 물질을 포함함으로써 광산란층으로 기능하도록 한다.
또한, 필름 제조 과정에서 한번의 열처리 공정으로 저굴절 물질이 고굴절 필름에 분산되게 함으로써 광유입 및 광산란 효율을 높이고 제조 공정을 간소화시킬 수 있다.
도 1은 종래의 유기 발광 소자의 적층 구조를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 광학 필름의 분자 구조를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 물질 및 그 광학 필름의 분자 구조를 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 필름을 열처리한 후의 분자 구조를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 유기 발광 소자를 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명의 광학 필름용 고분자 제조 방법의 일실시예에 따른 공정도.
도 2는 본 발명의 광학 필름의 분자 구조를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 물질 및 그 광학 필름의 분자 구조를 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 필름을 열처리한 후의 분자 구조를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 유기 발광 소자를 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명의 광학 필름용 고분자 제조 방법의 일실시예에 따른 공정도.
이하, 본 발명의 광학 필름 및 유기 발광 소자에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 광학 필름의 분자 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2에 도시된 고분자 물질(고분자 화합물) 및 광학 필름은 고분자 매트릭스(110), 상기 고분자 매트릭스(110)에 화학적으로 결합되는 고굴절 물질(x) 및 상기 고분자 매트릭스(110)에 화학적으로 결합되며 상기 고굴절 물질(x)보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질(y)을 포함한다. 고분자 매트릭스에 고굴절 물질 및 저굴절 물질이 함께 화학적으로 결합되어 있다. 여기서 n은 1~1000이다.
고분자 매트릭스(110)는 광학 필름을 구성하는 기본 화합물이다. 고분자 매트릭스에서 동그라미(○)는 환상 지방족 또는 방향족일 수 있으며, 네모(□)는 지방족 또는 방향족일 수 있다. 고분자 매트릭스(110)는 예를 들어 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산으로 구성될 수 있다. 폴리이미드는 디아민과 이산무수물로 중합한 폴리아믹산으로부터 제조된 고내열성 엔지니어링의 대표적인 플라스틱이다.
본 발명의 광학 필름은 고분자 매트릭스, 고굴절 물질, 저굴절 물질을 모두 포함하고 있다. 고굴절 물질에 의해 외부의 빛이 용이하게 유입되며, 저굴절 물질에 의해 유입된 빛이 산란되는 구조를 갖는다.
이러한 효과를 극대화시키기 위해서는 유기 발광 소자 등에 본 발명의 광학 필름을 적층한 후 저굴절 물질을 고분자 매트릭스로부터 이탈시키는 것이 바람직하다. 이때 한번의 열처리 또는 한번의 화학 반응 등에 의해 고분자 매트릭스로부터 저굴절 물질만 이탈되도록 하는 것이 좋다. 이에 따르면 고굴절 물질은 고분자 매트릭스에 결합된 상태를 유지하므로 광학 필름 전체적으로 고굴절을 갖게 되며 내부에 저굴절 물질에 의한 광산란 입자가 형성된다. 결과적으로 유기 발광 소자 등의 광추출을 개선시키는 광산란층이 형성된다.
이를 위해 고굴절 물질은 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산 내 디아민부(111)에 화학적으로 결합되며, 저굴절 물질은 상기 폴리아믹산 내 이산무수물부(113) 카르복실산에 결합되는 것이 바람직하다. 이러한 저굴절 물질의 화학적 결합으로 폴리아믹산은 폴리아믹에스테르화되며 카르복실산에 화학적으로 결합되어 에스테르화되어 있는 저굴절 물질은 고온에서 이탈되어 폴리아믹에스테르는 폴리이미드화된다. 이미드화 중에 고굴절 물질은 안정되게 디아민에 화학적으로 결합되어 있으므로 최종적으로 굴절률이 높은 폴리이미드에 저굴절률 입자가 분산되어 있는 복합 소재가 된다. 이에 따르면 필름 성형 후 한번의 열처리 또는 화학 반응으로 저굴절 물질인 광산란 입자가 포함된 고굴절 광학 필름을 얻을 수 있다. 이와 같이 광산란 입자를 포함하는 고굴절 광학 필름은 유기 발광 소자 등에서 광산란층으로 기능할 수 있다.
유기 발광 소자의 광추출에서 애노드와 기판 사이의 굴절률 차이에 의한 유기 발광층/애노드층의 고립광을 외부로 추출하는 기술을 내부 광추출이라고 하고, 기판 내 고립광을 외부(공기)로 추출하는 기술을 외부 광추출이라고 한다.
광산란층은 내부 광추출과 외부 광추출에 모두 적용될 수 있다.
광산란층은 시야각에 따른 색상 변화가 없고 근본적으로 Lambertian 배광이 되므로 패널의 밝기가 균일한 장점이 있다. 또한 광산란층은 매트릭스에 굴절률이 매트릭스와 크게 상이한 입자를 잘 분산시켜 유리 기판 위에 도포하기만 하면 되므로 비교적 제조공정이 간단하다. 광산란층을 적용하면 광산란층이 없는 경우에 비해 광추출 효율이 증가함은 물론, 시야각에 따른 색상 변화가 더 적고 Lambertian에 더 가까운 배광이 나타난다. 그러나 광산란 효과를 크게 나타내기 위해서는 산란 중심이 충분히 많아야 하는데, 산란 중심이 너무 많아질 경우 후방 산란(back scattering)도 함께 증가하기 때문에 유기 발광층 내에서 산란광이 다시 흡수될 확률도 증가한다. 따라서 산란도와 내부 흡수가 최적화되어야 광추출 효율 증가가 일어난다. 그러나 이것은 광산란층 내에서 빛의 흡수가 전혀 없다고 가정한 경우이고, 대부분 광산란층 내부에서 흡수가 있을 경우 광추출 효과에 의한 광효율 증가분이 광산란층의 흡수로 인하여 감소된다. 따라서 광산란층을 내부 광추출 구조로 사용하기 위해서는 가시광선의 흡수가 적을수록 좋다.
이상에서 살펴보면 광산란층은 매트릭스와 굴절률의 차이가 큰 것으로 매트릭스와 잘 혼합되어야 하고, 가시광선의 흡수가 적은 것이어야 한다. 본 발명에 의하면 이러한 조건을 모두 만족할 수 있다.
고굴절 물질(x)은 TiO2 , ZrO2, ZnO, SnO2, In2O3, In2O3, In2O3-SnO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 광학 필름이 OLED 등의 유기 발광 소자에 적용될 경우 고굴절 물질의 굴절률은 유기 발광층의 그 것 이상인 것이 바람직하다. 저굴절률의 재질에서 고굴절률의 재질로 빛이 전파될 때 도파모드 광이 발생되지 않기 때문이다.
유기 발광층의 굴절률이 1.6~1.9이므로 고굴절 물질의 굴절률은 1.9 이상인 것이 좋다. 유기 발광층에 적층되는 애노드에 광학 필름이 적층된다면 애노드의 굴절률이 1.9~2.0이므로 고굴절 물질의 굴절률은 2.0 이상인 것이 좋다. 그런데 실험적으로 1.8 이상의 굴절률에서도 도파모드 광이 생성되지 않는 것이 확인되었다. 이는 유기 발광층 또는 애노드의 표면이 이상적으로 평탄하지 않은 관계로 각 경계면에서 광 산란 효과가 일부 일어나기 때문인 것으로 추정된다. 이상의 굴절률을 만족하는 동시에 유기 발광 소자에서 요구하는 투과도를 갖는 재질을 살펴보면 굴절률이 2.5를 초과하기는 힘들다 따라서, 고굴절 물질의 굴절률은 구체적으로 1.8~2.5일 수 있다.
이상의 굴절률과 유기 발광 소자가 요구하는 투과도를 만족한다면 고굴절 물질은 TiO2, ZrO2, ZnO, SnO2, In2O3, In2O3, In2O3-SnO2 외에 다른 물질일 수 있다.
저굴절 물질(y)은 SiO2를 포함할 수 있다. 저굴절 물질(y)은 광학 필름으로 유입된 빛을 산란시키기 위한 산란 입자를 형성한다. 산란 입자는 유입된 빛을 산란시키기 위해 산란 입자를 감싸는 물질, 즉 고분자 매트릭스의 굴절률보다 작아야 한다. 이러한 산란 입자는 고분자 매트릭스에 결합된 상태로 기능하기도 하나 바람직하게는 고분자 매트릭스로부터 이탈되는 것이 좋다. 고분자 매트릭스로부터 이탈된 저굴절 물질은 랜덤한 크기를 갖고 랜덤한 위치에 형성된다. 따라서 광산란층의 기능에 보다 부합된다.
저굴절 물질은 고굴절 물질과 비교하여 낮은 온도에서 고분자 매트릭스로부터 이탈되는 것이 바람직하다. 이를 위해 고분자 매트릭스가 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산인 경우 저굴절 물질이 이산무수물의 카르복실산에 화학적으로 결합되어 있어 아믹에스테르화되어 열 또는 화학적으로 이미드화 반응에 참여하여 이미드화시 저굴절 물질이 베이스 필름에서 이탈되는 것이 좋다.
이상의 고분자 물질 및 그 광학 필름은 고굴절 물질과 저굴절 물질을 모두 포함하며, 경우에 따라 저굴절 물질은 고분자 매트릭스로부터 용이하게 이탈될 수 있는 결합 구조를 갖는다.
이러한 고분자 물질 및 그 광학 필름은 다음 화학식 1과 같은 구조를 갖는다. 여기서 n은 1~1000이다.
여기서, x는 고굴절 물질이고,
y는 상기 고굴절 물질에 비하여 굴절률이 낮은 저굴절 물질이다.
화학식 1에 의하면 y는 상기 x와 비교하여 낮은 온도에서 이탈될 수 있다.
x는 다음의 화학식 2로 표시되는 구조의 화합물에 의해 전화되는 무기·금속 oxide일 수 있다.
여기서, A는 Alkoxide 그룹으로 물에 의해 hydroxide 그룹으로 전화하고,
M은 Ti, Zr, Zn, Sn, In이다.
위에서 M은 Ti, Zr, Zn, Sn, In으로 예시하였으나 oxide(산화물)가 고굴절률을 갖는 무기 금속 원소이면 된다.
y는 다음의 화학식 3으로 표시되는 구조의 화합물에 의해 전화되는 무기·금속 oxide일 수 있다.
여기서, A는 Alkoxide 그룹으로 물에 의해 hydroxide 그룹으로 전화하고,
M'는 Si이다.
이때 M'는 oxide(산화물)가 M에 의해 저굴절률을 갖는 무기 금속 원소이면 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 물질 및 그 광학 필름의 분자 구조를 나타낸 개략도이다. 여기서 n은 1~1000이다.
살펴보면, 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산 내 디아민부에 고굴절 물질로 TiO2를 포함하는 물질이 화학적으로 결합되어 있으며, 폴리아믹산 이산무수물부의 카르복실산에 저굴절 물질로 SiO2를 포함하는 물질이 결합되어 있다.
도 3의 분자 구조를 갖는 광학 필름은 그 자체만으로도 고굴절 물질과 저굴절 물질을 포함하여 광산란층의 기능을 수행한다. 여기에 더해 열처리 의해 SiO2가 용이하게 이탈되는 구조를 갖는다. 열처리에 의해 이탈된 SiO2가 랜덤한 크기로 랜덤한 위치에 배치되므로 광학 필름이 신뢰성 있는 광산란층으로 기능하도록 한다.
도 3의 고분자 물질 및 그 광학 필름에 열처리 후의 분자 구조는 도 4와 같다. 여기서 n은 1~1000이다. 폴리아믹산 내 이산무수물부의 카르복실산에 결합된 저굴절 물질인 SiO2를 포함하는 물질은 열처리에 의해 폴리아믹에스테르가 폴리이미드로 자연스럽게 전화하면서 SiO2입자가 이탈되는 것을 알 수 있다.
위에서 살펴본 광학 필름이 적용된 유기 발광 소자는 일예로 도 5와 같다.
도 5는 본 발명의 유기 발광 소자를 나타낸 개략도이다.
도 5에 도시된 유기 발광 소자는 유기 발광층(230) 및 상기 유기 발광층(230)에서 방사된 빛의 광추출 효율을 증가시키는 필름층(250)을 포함한다.
도 5에서는 기판(210), 필름층(250), 애노드(220), 유기 발광층(230), 캐소드(240)가 순서대로 적층된 유기 발광 소자를 예시하였다.
기판(210)은 유기 발광 소자의 기구적 강도를 제공하는 동시에 투명 창의 역할을 겸한다. 기판은 광이 투과하는 성질의 유리, 플라스틱으로 이루어질 수 있으며, 플라스틱의 경우 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PES(polyethersulfone), PI(polyimide) 등이 사용된다. 기판(210) 없이 필름층(250)만이 사용될 수도 있다.
애노드(220)는 ITO 등의 투명 전극일 수 있다.
캐소드(240)는 금속 박막으로 이루어지며 유기 발광층(230)에서 방사된 빛을 반사시켜 기판(210) 측으로 방사되도록 한다.
유기 발광층(230)은 애노드(220)와 캐소드(240)에서 제공된 전력에 의해 광을 생성하는 요소로 유기물을 포함한다. 예를 들어 유기 발광 다이오드(OLED)는 전계를 인가할 때 유기 발광층(230)에서 만난 전자와 정공의 재결합 시 에너지가 방출되면서 특정한 파장의 빛이 발생하는 원리를 이용한 자체 발광형 소자이다. 유기 발광 다이오드의 기본적 구조는 기판(210))에서 가까운 순으로 양극(ITO막), 정공주입층, 정공운송층, 발광층, 전자운송층, 전자주입층, 음극(금속 전극)로 이루어져 있다. 여기서, 양 전극(220, 240) 사이에 위치하는 층, 구체적으로 정공주입층, 정공운송층, 발광층, 전자운송층, 전자주입층 등을 유기 발광층이라 칭하기로 한다.
필름층(250)은 기판(210)과 애노드(220) 사이에 배치되어 유기 발광층(230)에서 방사된 빛의 내부 광추출 효율을 개선한다. 물론, 외부 광추출 효율을 개선하기 위하여 필름층은 도 5에서 기판(210)의 아래면에 적층될 수도 있다.
유기 발광층의 가시광선 굴절률은 광의 파장에 따라 달라지며 일반적으로 1.6~1.9 범위에 있다. 일반적으로 애노드로 사용되는 ITO(인듐 주석 산화물)의 굴절률이 1.9~2.0이므로 빛이 낮은 굴절률의 재질로부터 높은 굴절률의 재질로 전파되어 유기 발광층과 애노드 사이의 전반사는 거의 발생되지 않는다. 그러나 일반적으로 사용하는 유리나 플라스틱 투명 기판의 굴절률이 1.5 정도이고 유기 발광층과 애노드의 두께가 일반적으로 100~400nm 범위로 매우 얇은 경우, 유기 발광층에서 발생된 광의 대부분이 도파모드로 되어 소자 밖으로 방출되지 못한다. 이러한 현상을 방지하기 위해 광산란층의 기능을 갖는 필름층(250)을 기판과 애노드 사이에 배치한다.
필름층(250)은 고굴절 물질이 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되어 유기 발광층(230) 이상의 굴절률을 가지며, 상기 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되며 상기 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 포함한다. 필름층(250)은 앞에서 살펴본 광학 필름일 수 있다.
필름층(250)은 유기 발광층(230) 이상의 굴절률을 갖는 고굴절 물질이 화학적으로 필름 베이스(고분자 매트릭스)에 결합되어 있음으로써 유기 발광층에서 방사된 빛은 효과적으로 필름층으로 유입된다.
이렇게 필름층으로 유입된 빛은 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질에 의해 산란되어 필름층과 기판의 경계면에서 발생되는 도파모드가 최소화된다.
이에 의해 광추출 효율이 개선된다. 이때 광추출 효율을 보다 개선하기 위해 저굴질 물질을 필름층을 형성하는 고분자 매트릭스로부터 이탈되도록 하는 것이 좋다. 예를 들어 필름층의 저굴절 물질은 상기 유기 발광층을 포함하는 적층체에 도포된 후 가열되어 상기 고분자 매트릭스로부터 이탈된다. 이때 고분자 매트릭스에 결합되어 있는 고굴절 물질이 고분자 매트릭스로부터 이탈되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이 경우 고굴절 매트릭스(고굴절 물질을 포함한 고분자 매트릭스)(251)에 저굴절 입자(253)가 분산되어 있는 필름층(250)이 된다. 예를 들어 고분자 매트릭스가 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산인 경우 폴리아믹산 내 디아민부에 고굴절 물질을 화학적으로 결합시키고, 폴리아믹산 내 이산무수물의 카르복실산에 저굴절 물질을 화학적으로 결합시켜 놓으면 열처리에 의해 폴리아믹 에스테르가 이미드화하면서 저굴절 물질만 이탈되고 고굴절 물질은 폴리이미드 내에서 결합 상태를 유지하게 된다. 물론 이를 위해서는 저굴절 물질이 이탈되는 온도로부터 고굴절 물질이 이탈되는 온도의 사이 범위에서 열처리가 이루어져야 할 것이다.
즉, 본 발명의 유기 발광 소자에 의하면 기판에 필름층을 적층한 후 한번의 열처리를 통해 광산란층을 형성할 수 있어 제조 공정을 간소화시킬 수 있다. 또한 고굴절 물질과 저굴절 물질을 고분자 매트릭스에 물리적으로 결합하는 것이 아니라 화학적으로 결합시킴으로써 보다 취급이 용이하며, 고굴절 물질과 저굴절 물질의 고른 분배를 고려하지 않아도 된다. 화학적 결합의 특성상 필름층 전체에 고르게 고굴절 물질과 저굴절 물질이 분포하기 때문이다.
이상에서 살펴본 광학 필름은 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산 내 디아민부에 고굴절 물질을 화학적으로 결합시키고, 상기 폴리아믹산 내 이산무수물의 카르복실산에 상기 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 결합시키는 간단한 공정으로 제조될 수 있다.
도 6은 본 발명의 광학 필름용 고분자 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
먼저, 디아민에 고굴절 물질을 화학적으로 결합시킨다. 이를 통해 TiO2 등을 포함한 고굴절 물질이 결합된 디아민 단량체가 생성된다. 여기서 m은 0이상의 실수이다.
다음, 디아민을 이산무수물과 함께 중합하여 폴리아믹산을 제조한다. 여기서, n은 1~1000이다.
중합된 폴리아믹산 내 이산무수물부의 카르복실산에 위 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 화학적으로 결합시키는 것으로 광학 필름용 고분자가 완성된다. 이때 저굴절 물질은 SiO2 등을 포함할 수 있다. 상기 고분자의 합성은 N, N-dimethyl acetamide(DMAc), N, N-dimethyl formamide(DMF), N-methyl pyrrolidine(NMP), cyclopentanone, cyclohexanone, γ-butyrolactone 등의 용매에서 수행되며 광학용 필름의 제작은 상기 고분자 용액을 필터하여 스핀코팅하고 용매를 제거함으로써 이루어진다. 저굴절 물질의 이탈은 200℃ 이상의 고온에서 이루어지며 400℃ 이상에서는 고굴절 물질이 이탈될 수 있다. 따라서 용매 제거 및 저굴절 물질의 이탈은 200℃~400℃에서 진공 또는 상압에서 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 고분자 물질은 광유입의 증가 및 유입된 빛을 산란시키는 광학 필름에 적용할 수 있다.
특히, 유기 발광 소자의 광산란층으로 기능하는 광학 필름에 적용하는 것이 유리하다.
110...고분자 매트릭스 210...기판
220...애노드 230...유기 발광층
240...캐소드 250...필름층
220...애노드 230...유기 발광층
240...캐소드 250...필름층
Claims (15)
- 고분자 매트릭스;
상기 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되는 고굴절 물질; 및
상기 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되며 상기 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 포함하며,
상기 고분자 매트릭스에 상기 고굴절 물질 및 상기 저굴절 물질이 함께 화학적으로 결합되고, 상기 저굴절 물질은 상기 고굴절 물질과 비교하여 낮은 온도에서 상기 고분자 매트릭스로부터 이탈되는 고분자 물질. - 고분자 매트릭스;
상기 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되는 고굴절 물질; 및
상기 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되며 상기 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 포함하며,
상기 고분자 매트릭스에 상기 고굴절 물질 및 상기 저굴절 물질이 함께 화학적으로 결합되고, 상기 저굴절 물질은 상기 고굴절 물질과 비교하여 낮은 온도에서 상기 고분자 매트릭스로부터 이탈되는 광학 필름. - 삭제
- 제 2 항에 있어서,
상기 고굴절 물질은 TiO2 , ZrO2, ZnO, SnO2, In2O3, In2O3, In2O3-SnO2 중 적어도 하나를 포함하는 광학 필름.
- 제 2 항에 있어서,
상기 저굴절 물질은 SiO2를 포함하는 광학 필름.
- 제 2 항에 있어서,
상기 고분자 매트릭스는 폴리아믹산을 포함하는 광학 필름.
- 제 6 항에 있어서,
상기 고굴절 물질은 폴리이미드의 전구체인 상기 폴리아믹산 내 디아민부에 화학적으로 결합되고,
상기 저굴절 물질은 상기 폴리아믹산 내 이산무수물부의 카르복실산에 화학적으로 결합되는 광학 필름.
- 다음 식으로 표시되는 구조를 갖는 광학 필름.
여기서, x는 고굴절 물질이고,
y는 상기 고굴절 물질에 비하여 굴절률이 낮은 저굴절 물질이며,
n은 1~1000이다.
- 제 8 항에 있어서,
상기 y는 상기 x와 비교하여 낮은 온도에서 이탈되는 광학 필름.
- 제 8 항에 있어서,
상기 x는 다음 식으로 표시되는 구조의 화합물에 의한 무기·금속 oxide를 갖는 광학 필름.
여기서, A는 Alkoxide 그룹으로 물에 의해 hydroxide 그룹으로 전화하고,
M은 Ti, Zr, Zn, Sn, In이다.
- 제 8 항에 있어서,
상기 y는 다음 식으로 표시되는 구조의 화합물에 의한 무기·금속 oxide를 갖는 광학 필름.
여기서, A는 Alkoxide 그룹으로 물에 의해 hydroxide 그룹으로 전화하고,
M'는 Si이다.
- 유기 발광층; 및
상기 유기 발광층에서 방사된 빛의 광추출 효율을 증가시키는 필름층을 포함하고,
상기 필름층은 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되며 상기 유기 발광층 이상의 굴절률을 갖는 고굴절 물질과, 상기 고분자 매트릭스에 화학적으로 결합되며 상기 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 포함하는 유기 발광 소자.
- 제 12 항에 있어서,
상기 필름층의 저굴절 물질은 상기 유기 발광층을 포함하는 적층체에 증착된 후 가열되어 상기 고분자 매트릭스로부터 이탈되는 유기 발광 소자.
- 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산 내 디아민부에 고굴절 물질을 화학적으로 결합시키고, 상기 폴리아믹산 내 이산무수물부 카르복실산에 상기 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 화학적으로 결합시키는 광학 필름 제조 방법.
- 디아민에 고굴절 물질을 화학적으로 결합시키는 단계;
상기 디아민을 이산무수물과 중합시키는 단계; 및
상기 중합체인 폴리아믹산의 이산무수물부 카르복실산에 상기 고굴절 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절 물질을 화학적으로 결합시키는 단계;
를 포함하는 광학 필름 제조 방법.
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