KR101389987B1 - 광추출 효율이 향상된 유기 발광 소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

기판; 상기 기판상에 입경이 서로 상이한 나노입자를 분산시킨 폴리머를 스핀코팅하여 형성된 나노입자 분산 폴리머층; 상기 나노입자 분산 폴리머층 상부에 나노입자의 형상대로 적층된 제1 전극; 상기 제1 전극 상부에 나노입자의 형상대로 적층된 유기물층; 및 상기 유기물층 상부에 적층된 제2 전극을 포함하는 유기 발광 소자를 개시한다. 본 발명에 따르면, 유기 발광 소자의 구조에서 투명전극과 유기층 광 도파로 모드에 결합되어 소자 내부로 영구히 갇혀지는 빛을 외부로 추출해 내기 위한 광학적 구조로서, 나노입자가 분산된 폴리머 재료를 이용하여 스핀코팅 공정과 에칭 공정을 통하여 손쉽게 제작할 수 있음으로 인해 OLED 디스플레이 대량 생산 공정에 적합한 광추출 효율 향상 구조를 제공한다.

Description

광추출 효율이 향상된 유기 발광 소자 및 그의 제조방법{Organic light emitting device with enhanced out-coupling efficiency and method of preparing the device}

본 발명은 광추출 효율이 향상된 유기 발광 소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기 발광 소자 내부에서 형성된 빛들 중 투명전극과 유기층으로 이루어진 광도파로에 갇히게 되는 빛을 기판 외부로 추출해 냄으로써 높은 발광효율을 나타내는 유기 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

디스플레이 장치들 중, 유기 발광 디스플레이 장치는 시야각이 넓고 컨트라스트가 우수할 뿐만 아니라 응답속도가 빠르다는 장점을 가지므로 차세대 디스플레이 장치로서 주목을 받고 있다. 유기 발광 디스플레이 장치에 사용되는 유기 발광 소자는 일반적으로 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 유기물로 이루어진 발광층을 구비하고 있다.

유기 발광 소자는 이들 전극들에 양극 및 음극 전압이 각각 인가됨에 따라 애노드 전극으로부터 주입된 정공(hole)이 정공 수송층을 경유하여 발광층으로 이동되고, 전자는 캐소드 전극으로부터 전자 수송층을 경유하여 발광층으로 이동되어서, 발광층에서 전자와 정공이 재결합하여 여기자(exiton)을 생성하게 된다. 이 여기자가 여기 상태에서 기저 상태로 변화됨에 따라, 발광층의 형광성 분자가 발광함으로써 화상을 형성하게 된다. 풀 컬러(full color)형 유기 발광 소자의 경우에는 적(R), 녹(G), 청(B)의 삼색을 발광하는 화소(pixel)를 구비토록 함으로써 풀 컬러를 구현한다.

일반적으로 기판, ITO 전극(애노드 전극), 발광층을 포함하는 여러 유기층 및 금속 전극(캐소드 전극)의 다층 구조로 이루어지는 유기 발광 소자의 전력 효율은 소자 구동에 필요한 전력 소비량을 결정하는 아주 중요한 변수이다. 전력 효율의 개선은 적은 전류로 원하는 휘도를 얻게 해줌으로써 소자 수명 연장에도 기여하게 된다. 유기 발광 소자의 전력 효율을 높이기 위한 세 가지 중요한 요인은 다음과 같다.

첫 번째 요소는 높은 내부 양자 효율을 구현하는 것이다. 내부 양자 효율은 유기 발광 소자의 양극과 음극으로 주입되는 전자 및 정공의 수와 내부에서 생성되는 광자 수의 비율로 정의할 수 있다. 높은 내부 양자 효율을 얻기 위해서는 전자-정공의 재결합을 높일 수 있는 재료를 개발하여 발광층으로 사용하거나, 발광 물질에 형광 색소나 인광 색소를 도핑하여 소자를 제작한다. 또한 전자, 정공 수송층 역할을 하는 유기물들의 에너지 레벨을 고려하여 적절히 배열함으로써 전자와 정공이 발광층까지 많이 전달되고 각 전하량의 균형이 잘 맞추어져 주입된 전자와 정공이 엑시톤으로 변환하는데 기여할 수 있도록 한다.

두 번째 요소는 전극과 유기 주입층 사이에서 차지 캐리어(charge carrier)의 주입에 영향을 미치는 에너지 갭을 최소화시키기 위한 물질들을 선택하여 적절히 잘 배열시킴으로써 오믹(Ohmic) 손실을 낮추고 낮은 구동 전압으로 원하는 휘도를 구현하는 것이다.

세 번째 요소는 외부 광 추출 결합 효율이 높아야 한다. 상세히, 유기 발광 소자의 발광층에서 형성된 빛들은 ITO와 유기층의 높은 굴절률로 인해 발생하는 광 도파 모드, 기판과 공기층의 굴절률 차이에 의한 내부 전반사 모드로 인해 80% 이상의 빛들이 내부로 갇히게 되어 최종적으로 사용자 측으로 추출되는 광량은 상당히 적은 값으로 제한된다. 이러한 한계를 극복하기 위하여, 마이크로렌즈나 나노 크기의 구조물을 소자 내부에 삽입하여 유기 발광 소자의 외부 광 추출 효율을 향상시키는 방법이 개발되고 있다.

현재, 높은 내부 양자 효율을 가지는 물질을 적용하고, 다층 박막의 여러 유기물들을 전하의 주입과 전달이 용이하도록 적층시킨 유기 발광 소자들이 다양한 제품에 적용되면서 넓은 시장을 형성해 나가고 있다. 이렇듯 내부 양자 효율을 향상시키고자 하는 연구들은 활발히 이루어지고 상당 부분 개선이 되어 가고 있으나, 유기 발광 소자의 외부 광 추출 효율이 상당히 낮은 수준으로 제한되어 있는 것은 유기 발광 소자 개발의 큰 걸림돌이라 할 수 있다. 높은 내부 양자 효율을 가지는 발광층에서 생성된 빛의 대부분이 소자 외부로 추출되기 위한 방법을 찾는 것은 전력 효율을 개선할 뿐만 아니라 저전력으로 소자를 구동시킴으로써 유기 발광 소자의 수명 연장에도 기여하는 매우 중요한 기술이라 할 수 있다.

유기 발광 소자는 기본적으로 유리기판, 투명전극, 유기물 및 금속 전극으로 구성되는 다층 구조를 지닌다. 금속전극과 투명전극을 통하여 각각 주입된 전자와 정공은 유기물 이송층을 통과한 뒤 발광층에서 서로 만나 엑시톤을 형성하여 발광에 이르게 된다. 이 과정에서 생성된 빛은 유리기판을 통과하여 소자 외부로 빠져 나와야 외부 발광효율에 기여할 수 있다.

그러나 실제로는 발광층에서 형성된 빛 중에 50% 가량이 높은 굴절률을 가지는 투명전극과 유기층으로 형성되는 광 도파로 내부에 갇히게 되고, 30% 정도의 빛은 유리 기판과 공기층 사이의 굴절률 차이로 인해 발생하는 전반사로 소자 내부에 갇히며, 20% 정도의 빛만이 공기층 외부로 추출되고 있다는 문제가 있다.

외부 광추출 효율 향상을 위한 다양한 소자 구조가 제안되어 왔으며 널리 이용되고 있는 구조로는 ITO 층의 하부에 포토닉 크리스탈과 같은 파장보다 작은 나노 구조물을 형성하여 ITO-유기물층에 갇혀있는 빛을 산란과 회절을 통하여 외부로 추출하는 방법이다.

대한민국 등록특허 제10-1029299호는 기판 상에 열 또는 광 경화 공정으로 형성된 비주기성을 갖는 요철 형상의 유기물 미세패턴을 갖는 나노구조체가 포함된 유기 발광 소자를 개시하고 있다. 그러나 이러한 나노 구조의 미세패터닝도 전자빔 리쏘그라피 또는 레이저 간섭계를 이용해야 한다는 어려움이 있으며 대면적의 디스플레이를 저렴하게 제작하기 위해서는 적절하지 않은 방법이다.

ITO 기판 상부에 마이크론 크기의 산란을 위한 구조물을 형성하여 외부 광추출 효율을 개선한 결과도 보고되었다[Y. Sun and S. R. Forrest, "Enhanced light out-coupling of organic light-emitting devices using embedded low-index grids," Nature Photonics, 2008). 그러나 포토닉 크리스탈 구조에 비하여 대면적에 걸쳐서 패턴을 제작하기에는 용이하지만, 패턴의 크기가 너무 커서 광추출 효율 개선 정도가 그다지 높지 않다는 단점이 있다.

최근에는 PDMS 재료 상부에 고온에서 금속을 증착하고 저온으로 온도를 내리면서 발생하는 표면 굴곡 (buckling) 현상을 이용하여 유기 발광 소자가 제작되는 기판에 굴곡된 면을 형성하여 광출력 효율을 개선한 결과도 발표된 바 있다(E. Koo, et al., "Light extraction from organic light emitting diodes enhanced by spontaneously formed buckles," Nature Photonics, 2010). 그러나 이 기술은 PDMS를 이용하여 OLED 기판상에 굴곡 패턴을 전사시키는 과정이 필요하며 이는 대형 디스플레이 공정에 적용시키기에는 적합하지 않다는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 빛의 회절, 산란을 위한 구조물을 제작하기 위하여 나노입자 분산 폴리머 재료를 이용하고, 이를 통하여 손쉽게 대면적에 걸쳐서 외부 광 추출 효율 개선된 유기 발광 소자를 제작하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 빛의 회절, 산란을 위한 구조물을 제작하기 위하여 속이 비어있는 중공 나노입자 분산 폴리머 재료를 이용하여 외부 광 추출 효율 개선된 유기 발광 소자를 제작하는 것을 목적으로 한다.

또한 빛의 회절, 산란을 위한 나노입자 패턴을 포함하는 유기 발광 소자의 제조방법을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

또한 빛의 회절, 산란을 위하여 속이 비어있는 중공 나노입자를 이용한 유기 발광 소자의 제조방법을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

기판;

상기 기판상에 입경이 서로 상이한 나노입자를 분산시킨 폴리머를 스핀코팅하여 형성된 나노입자 분산 폴리머층;

상기 나노입자 분산 폴리머층 상부에 나노입자의 형상대로 적층된 제1 전극;

상기 제1 전극 상부에 나노입자의 형상대로 적층된 유기물층; 및

상기 유기물층 상부에 적층된 제2 전극을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

기판;

상기 기판상에 입경이 서로 상이하고 내부가 비어있는 중공 나노입자를 분산시킨 폴리머를 스핀코팅하여 형성된 나노입자 분산 폴리머층;

상기 나노입자 분산 폴리머층 상부에 나노입자 분산 폴리머층의 형상을 따라가면서 적층된 제1 전극;

상기 제1 전극 상부에 나노입자의 형상대로 적층된 유기물층; 및

상기 유기물층 상부에 적층된 제2 전극을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

나노입자가 분산된 폴리머 조성물을 형성하는 단계;

기판상에 상기 나노입자 분산 폴리머 조성물을 코팅하여 50 ~ 300 nm의 박막을 형성하는 단계;

상기 나노입자를 에칭하여 제거함으로써 기판상의 폴리머 표면에 반구형의 딤플(dimple) 형상을 형성하는 단계; 및

상기 폴리머 딤플 형상을 마스크 레이어로 이용하여 기판의 내부를 식각함으로써 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 유기 발광 소자의 제조방법을 제공한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

내부가 비어있는 중공 나노입자가 분산된 폴리머 조성물을 형성하는 단계;

기판상에 상기 중공 나노입자 분산 폴리머 조성물을 코팅하여 50 ~ 300 nm의 박막을 형성하는 단계;

상기 중공 나노입자를 건식 식각 공정을 통하여 상반부를 제거함으로써 기판상의 폴리머 표면에 반구형의 딤플(dimple) 형상을 형성하는 단계; 및

상기 폴리머 딤플 형상을 마스크 레이어로 이용하여 기판의 내부를 식각함으로써 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 유기 발광 소자의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 유기 발광 소자의 구조에서 투명전극과 유기층 광 도파로 모드에 결합되어 소자 내부로 영구히 갇혀지는 빛을 외부로 추출해 내기 위한 광학적 구조로서, 나노입자가 분산된 폴리머 재료를 이용하여 스핀코팅 공정과 에칭 공정을 통하여 손쉽게 제작할 수 있고 OLED 디스플레이 대량 생산 공정에 적합한 광추출 효율 향상 구조를 제공한다. 나아가 속이 비어있는 중공 나노입자가 분산된 폴리머 재료를 기판에 스핀 코팅하여 중공 나노입자가 돌출된 형태의 표면을 형성하고, 그 위에 적층구조를 형성하여 OLED 소자를 제조함으로써 중공 나노입자의 낮은 광굴절률로 인해 산란 효율이 극대화되어 광추출 효율을 대폭 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 나노입자 분산 폴리머를 이용하여 대면적에 걸쳐 제작된 딤플 구조를 갖는 광출력 효율 향상된 OLED 광소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 속이 비어있는 중공 나노입자 분산 폴리머를 이용하여 형성된 딤플 구조를 가지는 광출력 효율 향상된 OLED 광소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노입자 분산 폴리머를 이용하여 기판 위에 딤플 구조를 형성하는 OLED 광소자 제작공정의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 속이 비어 있는 중공 나노입자 (hollow core nanoparticles)가 분산된 폴리머를 이용하여 기판 위에 딤플 구조를 형성하는 OLED 광소자 제작공정의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 나노입자가 분산된 폴리머를 기판 위에 코팅하여 딤플 형상의 표면을 형성하는 OLED 광소자 제작공정의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 속이 비어 있는 중공 나노입자 (hollow core nanoparticles)가 분산된 폴리머를 기판 위에 코팅하여 딤플 형상의 표면을 형성하는 OLED 광소자 제작공정의 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 FDTD(finite difference time domain) 기법을 이용한 수치해석 결과를 보이고 있다.
도 8은 본 발명의 FDTD 설계에 따른 net flux 값을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 크기에 따른 광추출 효율 개선 정도를 도시한 것이다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 기판; 상기 기판상에 입경이 서로 상이하고 내부가 비어있는 중공 나노입자를 분산시킨 폴리머를 스핀코팅하여 형성된 나노입자 분산 폴리머층; 상기 나노입자 분산 폴리머층 상부에 나노입자 분산 폴리머층의 형상을 따라가면서 적층된 제1 전극; 상기 제1 전극 상부에 나노입자의 형상대로 적층된 유기물층; 및 상기 유기물층 상부에 적층된 제2 전극을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.

본 발명의 나노입자 분산 폴리머는 지금까지 다양하게 개발되어 시장에서 구입이 가능한 실리카, 금속 나노입자를 이용하여 폴리머 재료에 혼합하여 골고루 분산시킨 상태의 재료이다. 나노입자의 표면처리를 통하여 폴리머 재료 내부에 분산이 원활하게 이루어지도록 만들어 주는 기술은 널리 알려져 있는 상태이다. 이를 통하여 금속 나노입자나 실리카 나노입자를 폴리머 내부에 고르게 분산시킨 형태의 재료를 합성할 수 있다. 또한 최근 들어 활발히 기술 개발이 이루어진 중공 나노입자(hollow core nanoparticles)도 대량 생산이 가능한 상태로 기술 개발이 이루어지고 있으며, 이를 폴리머 재료 내부에 분산시키는 기술은 공지된 기술을 이용할 수 있다.

본 발명에서는 이러한 다양한 나노입자를 분산시킨 폴리머 재료를 이용하는 것을 특징으로 하여 OLED 소자의 광추출 효율을 개선하기 위한 딤플 구조를 손쉽게 대면적에 걸쳐서 제작 가능한 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 디스플레이 장치를 도시한 단면도이다. 투명한 기판(15) 위에 나노입자(11) 분산 폴리머(10)를 이용하여 제작된 불규칙적인 형태의 나노 돌출 구조를 기판(15)의 상부에 형성하고, 그 위에 제1 전극(12), 유기물층(13), 제2 전극(14)을 차례로 형성하면 광출력 효율을 향상시킨 OLED 광소자를 완성하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 속이 비어있는 중공 나노입자 분산 폴리머를 이용하여 형성된 딤플 구조를 가지는 광출력 효율 향상된 OLED 광소자의 단면도이다. 도 1과 마찬가지로 투명한 기판(15) 위에 나노입자(11) 분산 폴리머(10)를 이용하여 제작된 불규칙적인 형태의 나노 돌출 구조를 기판(15)의 상부에 형성하고, 그 위에 제1 전극(12), 유기물층(13), 제2 전극(14)을 차례로 형성한다. 나노입자(11)로서 이용될 수 있는 재료들 중에서 중공 나노입자는 낮은 광굴절률 값으로 인해 산란 효율이 가장 높게 되어 광출력 효율 향상에 최적인 나노입자이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노입자 분산 폴리머를 이용하여 기판 위에 딤플 구조를 형성하여 광출력이 향상된 OLED 광소자를 제작하는 공정 순서도를 나타내고, 구체적인 제작 과정은 다음과 같다. 투명한 기판(25) 상에 나노입자(21) 분산 폴리머(20) 재료를 스핀코팅하고 베이킹, 경화 공정을 거쳐 박막을 형성한다.

분산된 나노입자(21)의 크기는 100~1000 nm 정도이며, 폴리머(20) 재료의 농도를 조절하여 박막의 두께가 100~500 nm 정도가 되도록 제작한다. 이로 인해 폴리머가 코팅된 표면은 나노입자(21)들이 폴리머 박막 위로 울퉁불퉁하게 튀어나온 형태가 될 것이다. 나노입자의 입경이 각각 상이한 것이 바람직하고, 나노입자로 형성된 나노입자 분산 폴리머층은 입자의 거리와 간격이 상이한 것이 바람직하다.

나노입자는 일정한 형태대로 분산되어 있는 것이 아니라 불규칙적인 형태로서 비주기성을 나타낸다. 이러한 나노입자가 개별 입자의 크기가 일정하지 않고 불규칙적인 비주기성을 나타내는 것이 오히려 빛의 회절과 산란에 유리하기 때문에 광출력 효율의 관점에서 바람직하다. 이와 같은 울퉁불퉁한 나노입자(21) 돌출 표면 위에 제1 전극(22), 유기물층(23), 제2 전극(24)을 차례로 진공증착하여 형성하면 광출력 효율이 향상된 OLED 광소자가 완성된다.

제1전극(22)은 투명 전극 또는 반사형 전극으로 구비될 수 있는 데, 투명 전극으로 사용될 때에는 ITO, IZO, ZnO, 또는 In₂O₃로 구비될 수 있고, 반사형 전극으로 사용될 때에는 Ag, Mg, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr, 및 이들의 화합물 등으로 반사막을 형성한 후, 그 위에 ITO, IZO, ZnO, 또는 In₂O₃를 형성할 수 있다.

유기물층(23)은 저분자 또는 고분자 유기층이 사용될 수 있는데, 저분자 유기층을 사용할 경우 홀 주입층(HIL: Hole Injection Layer), 홀 수송층(HTL: Hole Transport Layer), 발광층(EML: Emission Layer), 전자 수송층(ETL: Electron Transport Layer), 전자 주입층(EIL: Electron Injection Layer) 등이 단일 또는 복합의 구조로 적층되어 형성될 수 있으며, 사용 가능한 유기 재료도 구리 프탈로시아닌(CuPc: copper phthalocyanine), N,N-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐-벤지딘 (N,N'-Di(naphthalene-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine: NPB), 트리스-8-하이드록시퀴놀린 알루미늄(tris-8-hydroxyquinoline aluminum)(Alq3) 등을 비롯해 다양하게 적용 가능하다. 이들 저분자 유기층은 진공증착의 방법으로 형성된다.

고분자 유기층의 경우에는 대개 홀 수송층(HTL) 및 발광층(EML)으로 구비된 구조를 가질 수 있으며, 이때, 홀 수송층으로 PEDOT를 사용하고, 발광층으로 PPV(Poly-Phenylenevinylene)계 및 폴리플루오렌(Polyfluorene)계 등 다양한 고분자 유기물질을 사용할 수 있으며, 이를 스크린 인쇄나 잉크젯 인쇄방법 등으로 형성할 수 있다. 이와 같은 유기층은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 실시예들이 적용될 수 있음은 물론이다.

제2 전극(24)도 투명 전극 또는 반사형 전극으로 구비될 수 있는데, 투명 전극으로 사용될 때에는 제2 전극(24)이 캐소드 전극으로 사용되므로, 일함수가 작은 금속 즉, Li, Ca, LiF/Ca, LiF/Al, Al, Ag, Mg, 및 이들의 화합물이 유기물층(23)의 방향을 향하도록 증착한 후, 그 위에 ITO, IZO, ZnO, 또는 In₂O₃ 등의 투명 전극 형성용 물질로 보조 전극층이나 버스 전극 라인을 형성할 수 있다. 그리고, 반사형 전극으로 사용될 때에는 위 Li, Ca, LiF/Ca, LiF/Al, Al, Ag, Mg, 및 이들의 화합물을 전면 증착하여 형성한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 속이 비어있는 중공 나노입자 분산 폴리머를 이용하여 기판 위에 딤플 구조를 형성하여 광출력이 향상된 OLED 광소자를 제작하는 공정 순서도를 나타낸다. 투명한 기판(35) 상에 속이 비어있는 중공 나노입자(31)를 분산한 폴리머(30) 재료를 스핀코팅하고, 베이킹, 경화 공정을 거쳐 박막을 형성한다. 이어서 제1 전극(32), 유기물층(33), 및 제2 전극(34)을 형성하여 순차적으로 적층하여 소자를 완성하고 나노입자가 중공이라는 것을 제외하고는 도 3에서 설명한 바와 동일하다.

한편, 나노입자 분산 폴리머 재료를 OLED 광소자 내부에 잔류하지 않도록 소자를 제작하여 광출력 효율을 개선할 수 있다. 최종적으로 완성된 OLED 구조의 내부에 나노입자 분산 폴리머가 남아 있게 되면 OLED 소자의 안정성에 영향을 미치게 되며, 재료의 순도를 비롯한 다양한 제약 조건을 만족시킬 수 있는 나노입자 분산 폴리머가 필요하게 된다. 그러므로 이러한 단점을 보완하기 위해서는 나노입자 분산 폴리머를 이용하여 표면에 나노입자가 돌출된 구조물을 형성한 뒤, 나노입자를 제거하여 폴리머 재료만 표면에 남게 할 수 있다.

본 발명의 다른 일 형태에 따르면, 나노입자가 분산된 폴리머 조성물을 형성하는 단계; 기판상에 상기 나노입자 분산 폴리머 조성물을 코팅하여 50 ~ 300 nm의 박막을 형성하는 단계; 상기 나노입자를 에칭하여 제거함으로써 기판상의 폴리머 표면에 반구형의 딤플(dimple) 형상을 형성하는 단계; 및 상기 폴리머 딤플 형상을 마스크 레이어로 이용하여 기판의 내부를 식각함으로써 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 유기 발광 소자의 제조방법을 제공한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 나노입자가 분산된 폴리머를 기판 위에 코팅하여 딤플 형상의 표면을 형성하는 OLED 광소자 제작 공정 순서도를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 기판(45) 위에 폴리머(42)가 코팅된 표면은 나노입자(40)들이 폴리머(42) 박막 위로 울퉁불퉁하게 튀어나온 형태가 된다.

먼저 기판(45) 위의 외부로 노출된 나노입자(41)를 에칭을 통하여 제거하고, 나노입자가 제거된 표면은 폴리머(40)만 남아 있게 되며, 이러한 폴리머(40)를 마스크 패턴으로 이용하고 플라즈마 에칭 공정을 통하여 하부 기판(45)을 식각하여 딤플패턴을 기판(45)에 이전시킨다. 상기 일련의 과정을 통하여 불규칙적인 수백 나노 크기의 딤플 구조물을 형성시킨 기판(45)의 상부에 제1 전극(42), 유기물층(43), 제2 전극(44)을 증착하면 광추출 효율을 향상시킨 OLED 광소자를 제작할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 일 형태에 따르면, 속이 비어있는 중공 나노입자가 분산된 폴리머 재료를 OLED 소자 내부에 포함되도록 제작하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 실리카 나노입자를 포함하는 경우와 유사한 원리로서 광출력 효율 향상 효과를 얻을 수 있다. 그러나 중공 나노입자는 내부가 비어져 있기 때문에 광학적 굴절률이 매우 낮게 되며, 이로 인해 빛의 산란 효과를 극대화시킬 수 있게 된다.

실리카와 같은 재료의 굴절률 1.5 정도에 비하여 중공 나노입자의 굴절률은 1.0 에 가깝게 됨으로써 막대한 양의 산란 효율 증가를 기대할 수 있다. 그러므로 OLED 소자 내부에 갇혀 있는 빛들을 강하게 산란시켜서 외부로 추출시키기에 매우 유리한 특성을 가지게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 입자의 속이 비어 있는 중공 나노입자 (hollow core nanoparticles)가 분산되어 있는 폴리머를 기판 위에 코팅하여 딤플 형상의 표면을 형성하는 OLED 광소자 제작공정 순서도를 나타낸다.

나노입자를 에칭하여 딤플 패턴을 만드는 공정에서 중공 나노입자를 이용하게 되면 나노입자의 제거 공정이 단순화될 수 있다. 중공 나노입자는 내부가 비어 있기 때문에 폴리머와 함께 혼합한 상태에서 기판 상부에 코팅하고 경화한 뒤 간단한 건식 식각 공정을 통하여 중공나노입자의 상반부를 제거할 수 있고, 상반부가 제거된 중공 나노입자는 별도의 에칭 공정이 없이도 딤플 패턴을 형성할 수 있다. 이로 인해 추가적인 식각 공정 없이 대량 생산 공정에 적용하기에 용이한 장점을 가진다.

구체적으로는 중공 나노입자(51)가 분산된 폴리머(50) 재료를 기판 위에 스핀코팅하고 베이킹, 경화 공정을 거쳐 박막을 형성한다. 분산된 중공 나노입자(51)의 크기는 100~1000 nm 정도이며, 폴리머(50) 재료의 농도를 조절하여 박막의 두께가 100~500 nm 정도가 되도록 제작한다. 중공 나노입자는 입자의 내부가 비어있는 상태이므로 실리카 나노입자를 이용하는 경우에 필요했었던 입자를 제거하는 공정이 필요가 없게 된다.

중공 나노입자(51)들이 기판(55) 위의 폴리머(50) 박막 위로 서로 다른 크기로 분산되어 있고, 플라즈마(산소)를 이용하여 폴리머 박막을 수십 nm 정도 에칭을 하면 중공 나노입자의 상반부가 에칭되어 제거되면서 중공 나노입자의 하반부가 남아 있게 되어 딤플 패턴이 형성된다. 이로 인해 나노입자를 제거하기 위한 번거로운 공정을 생략하고서 손쉽게 대면적에 걸쳐서 광출력 효율 향상을 위한 딤플 패턴을 형성할 수 있다. 딤플 패턴 위에 제1 전극(52), 유기물층(53), 제2 전극(54)을 증착하여 OLED 소자를 제작하는 공정은 상기 나노입자를 이용하는 경우와 동일하므로 반복적인 설명을 생략한다.

도 7은 Finite Difference Time Domain (FDTD) 기법을 이용한 수치해석 결과를 나타내고 있다. 이는 제안된 나노입자 분산 폴리머를 도입한 OLED 광소자의 광추출 효율 개선이 실제로 이루어질 수 있는가를 확인하기 위한 과정이다. 도 7의 (a)에서는 나노입자 구조가 없는 일반적인 OLED 광소자 내부에서 빛이 발생하였을 때 진행하여 나아가는 과정을 보이고 있다. 투명전극과 유기물층으로 형성된 광도파로를 따라서 매우 강한 세기의 빛이 전파되어 나가게 되는 것을 볼 수 있다. 이러한 빛은 소자의 외부로 빠져나오지 못하기 때문에 유용하게 사용되지 못하는 빛이 된다. 도 7의 (b)에서는 중공 나노입자를 도입한 OLED 광소자에서 빛의 진행 상황을 보여주고 있다. 이 경우 투명전극-유기물층 광도파로를 따라서 진행하는 빛을 거의 볼 수가 없으며, 대부분의 빛이 수직 방향으로 소자의 외부로 분출되어 나오는 것을 볼 수 있다. 이로 인해 외부 광추출 효율이 큰 폭으로 개선될 것으로 기대할 수 있다. 도 7의 (c)에서는 나노입자 분산 폴리머를 이용하여 기판을 에칭한 OLED 소자의 시뮬레이션 결과를 보이고 있다. 이 경우 광도파로를 따라 진행하는 미약한 빛을 볼 수 있으나, 대부분의 빛이 외부로 추출되는 경향을 확인할 수 있다.

도 8 및 도 9에서는 FDTD 설계 결과를 요약한 데이터를 보이고 있다. FDTD 설계에서 외부로 추출되는 빛을 시간에 따라 살펴 보면, 도 8과 같은 net flux 값을 얻을 수 있다. 기본적인 OLED 소자와 중공 나노입자 도입 소자, 그리고 기판을 에칭한 소자에 대하여 비교한 결과를 보이고 있는데, 중공 나노입자를 도입한 OLED 소자에서 가장 큰 값을 net flux 값이 나타나는 것을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 크기에 따른 FDTD 설계 결과를 도시한다. 입자의 크기가 500~700 nm 정도가 될 때 가장 높은 광출력 효율 개선 정도가 얻어짐을 확인할 수 있다. 그러나 이 값은 재료의 굴절률이나 광도파로의 두께에 따라 영향을 받을 수 있다. 이 결과에서도 중공 나노입자를 도입한 OLED의 경우 두 배에 가까운 광출력 효율 개선을 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10,20,30,40,50....폴리머 11,21,31,41,51....나노입자
12,22,32,42,52....제1 전극 13,23,33,43,53....유기물층
14,24,34,44,54....제2 전극 15,25,35,45,55....기판

Claims (8)

1. 내부가 비어있는 중공 나노입자가 분산된 폴리머 조성물을 형성하는 단계;
   기판상에 상기 중공 나노입자가 분산된 폴리머 조성물을 코팅하여 50 ~ 300 nm의 박막을 형성하는 단계;
   상기 중공 나노입자를 건식 식각 공정을 통하여 중공 나노입자의 상반부를 제거하고, 기판상의 폴리머 표면에는 중공 나노입자의 하반부가 남아 있어 반구형의 딤플(dimple) 형상의 패턴을 형성하는 단계; 및
   상기 형성된 패턴의 형상대로 전극 및 유기물층을 적층하여 증착하는 단계;를 포함하는 유기 발광 소자의 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 반구형의 딤플 형상은 거리와 간격이 상이하여 불규칙한 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조방법.
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