KR101397071B1 - 광추출 효율이 향상된 나노 캐버티 유기 발광 소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

기판; 상기 기판상에 적층된 제1전극; 상기 제1 전극 상부에 형성된 유기물층; 및 상기 유기물층 상부에 적층된 제2 전극을 포함하는 유기 발광 소자로서, 상기 제1전극과 상기 유기물층 사이에 내부가 비어 있는 캐버티(cavity)가 형성된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자를 개시한다. 본 발명에 따르면, 유기 발광 소자의 구조에서 투명전극과 유기층 광 도파로 모드에 결합되어 소자 내부로 갇혀지는 빛을 외부로 효과적으로 추출해 내기 위한 광학구조를 제공하고 있으며, 광추출 효율 향상에 따른 구동 전력감소를 얻을 수 있고, 이로 인하여 모바일 기기로 이용되는 유기 발광 소자 디스플레이의 소비전력을 절감할 수 있으며, 적은 전류를 이용하여 구동하게 됨으로써 유기 발광 소자에서 특히 문제되고 있는 유기물 재료의 수명을 연장시킬 수 있다.

Description

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

본 발명은 광추출 효율이 향상된 나노 캐버티 유기 발광 소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기 발광 소자 적층 구조에 내부가 비어 있는 캐버티를 형성하여 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 제1전극 상에 수백 나노미터 크기의 캐버티를 형성함으로써 외부 광 추출 효율이 개선된 유기 발광 소자를 제작하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 빛의 회절, 산란을 위하여 투명전극 상에 실버 클러스터 패터닝 방식을 이용하여 수백 나노미터 크기의 캐버티를 형성하는 유기 발광 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

기판;

상기 기판상에 적층된 제1전극;

상기 제1 전극 상부에 형성된 유기물층; 및

상기 유기물층 상부에 적층된 제2 전극을 포함하는 유기 발광 소자로서,

상기 제1전극과 상기 유기물층 사이에 내부가 비어 있는 캐버티(cavity)가 형성된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자를 제공한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

기판;

상기 기판상에 적층된 제1전극;

상기 제1전극 상부에 형성된 폴리머층;

상기 폴리머층 상부에 적층된 유기물층; 및

상기 유기물층 상부에 적층된 제2 전극을 포함하는 유기 발광 소자로서,

상기 제1전극과 상기 폴리머층 사이에 내부가 비어 있는 캐버티(cavity)가 형성된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자를 제공한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

기판을 형성하는 단계;

상기 기판상에 제1전극을 형성하는 단계;

상기 제1전극 상에 내부가 비어 있는 캐버티(cavity)를 형성하는 단계;

상기 캐버티가 형성된 제1전극 상에 유기물층을 형성하는 단계; 및

상기 유기물층 상에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 발광 소자의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 유기 발광 소자의 구조에서 투명전극과 유기층 광 도파로 모드에 결합되어 소자 내부로 갇혀지는 빛을 외부로 효과적으로 추출해 내기 위한 광학구조를 제공하고 있으며, 광추출 효율 향상에 따른 구동 전력감소를 얻을 수 있고, 이로 인하여 모바일 기기로 이용되는 유기 발광 소자 디스플레이의 소비전력을 절감할 수 있으며, 적은 전류를 이용하여 구동하게 됨으로써 유기 발광 소자에서 특히 문제되고 있는 유기물 재료의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 일반적인 OLED 디스플레이 소자의 간략한 구조이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따라 다양한 캐버티를 포함하여 광출력 효율을 향상시킨 OLED 소자의 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 캐버티를 채우지 않고 유지하기 위하여 얇은 폴리머 층을 스핀코팅하여 제작된 OLED 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 캐버티를 형성하기 위하여 폴리머 재료를 이용하는 OLED 소자 구조를 도시한다.
도 5는 실버 나노입자를 스핀코팅하고 신터링하여 형성된 나노 클러스터 패턴의 전자현미경 사진을 도시한다.
도 6은 얇은 폴리머 박막을 코팅하여 캐버티를 채우지 않고 평면을 형성한 소자의 전자현미경 사진이다.
도 7은 OLED 소자 구조에서 실시예 및 비교예에 따른 광추출 효율의 FDTD 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다.
도 8a 내지 도 8d는 각각 본 발명에 따른 완성된 소자의 전류전압비, 휘도 특성, 휘도효율, 전력효율을 도시한다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래기술에 따른 일반적인 유기 발광 소자의 구조를 나타내고 있다. 하부 기판(4) 위에 형성된 제1전극(3), 그 위에 형성된 유기물층(2), 그리고 마지막 제일 위층에 형성되는 제2전극(1)으로 구성된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐버티를 포함하여 광출력 효율을 향상시킨 이상적인 OLED 소자의 구조를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 광학적 굴절률이 가장 적은 캐버티를 도입하여 유기물층과 ITO 층의 경계면을 따라 형성되는 구조를 확인할 수 있다.

본 발명에 의하면, 유기 발광 소자 광도파 모드가 생성되어 진행하게 되는 제1전극과 유기물로 구성된 광도파로층의 중앙부에 수백 나노 크기의 캐버티를 형성하여 도파광의 산란이 강하게 일어나서 진행하던 빛이 외부로 추출되도록 만들어 주는 것이다. 기체가 충진된 캐버티(17) 내의 광학적 굴절률이 매우 낮게 나타나게 되므로 도파광의 회절(18)과 산란을 강하게 유도할 수 있다.

기판(14) 상의 제1전극(13)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. 바람직하게는 투명전극, 예를 들어 ITO(indium tin oxide)를 이용할 수 있다. 제1전극(13) 재료의 광학적 굴절률은 약 1.5 ~ 1.8의 범위 내에서 거의 유사한 값을 가지며 유리 기판보다는 훨씬 큰 굴절률을 나타낸다. 이로 인해 생성된 빛은 유리 기판 밖으로 쉽게 빠져나올 수가 없고 약 50% 정도가 제1전극(13)으로 구성된 광도파로에 갇혀버리게 된다.

도 2a 내지 도 2d는 캐비티의 다양한 실시예를 도시하고 있다. 캐버티(17)는 다각형, 삼각형, 반구형 등 다양한 형상으로 만들어질 수 있으며, 캐버티의 상부 적층재료와 접하는 것이 바람직하다.

본 발명의 캐버티(17)를 제작하기 위해서는 포토리쏘그라피 공정을 이용할 수도 있으나, 수백 나노미터 크기의 패턴을 형성하기 위한 포토리쏘그라피 장비는 디스플레이에서 필요로 하는 정도의 대면적 패턴을 제작하기 용이하지 않다. 따라서 본 발명에서는 실버 박막을 이용하여 형성되는 클러스터 패턴을 이용하여 대면적에 걸친 나노 패턴 제조방법을 적용할 수 있다.

제1전극(13) 상에 수백 나노 크기의 캐버티(17)를 형성한 다음, 캐버티(17) 내부를 비워진 상태로 유지하는 것이 바람직하다. 일반적으로 에칭된 패턴 위를 다른 재료로 코팅하여 덮게 되면 상부의 재료가 아래로 내려가서 형성된 캐버티(17) 내부가 채워져 버리는 현상이 나타날 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 공정을 이용하게 되면 캐버티(17) 내부가 비어있는 상태를 유지한 채 상부층을 형성하여 유기 발광 소자를 제조할 수 있다.

형성된 캐버티(17) 내부에는 기체가 채워져 있을 수도 있고, 바람직하게는 공기, 질소, 아르곤 등의 기체로 충진될 수도 있다. 어떤 기체가 채워지던 상관없이 캐버티 부분의 광학적 굴절률은 거의 1.0 이 될 것이며 주위를 감싸고 있는 투명전극 또는 유기물 재료와 매우 큰 광학적 굴절률 차이를 나타내게 된다.

따라서 광도파로에 갇혀서 진행하는 빛은 유기물 재료에 의해 재흡수가 일어나기 전에 강한 산란을 통하여 외부로 빼낼 수 있다. 광도파로에 갇힌 빛을 산란을 통하여 외부로 끄집어 내기 위해서는 이와 같이 큰 굴절률 차이를 가지는 구조물을 이용하여 산란 효율을 극대화시키는 것이 효율적이다.

이와 같이, 최대한의 굴절률 차이를 얻을 수 있는 캐버티 구조를 이용함으로써 광산란 효율의 극대화를 통한 광추출 효율의 대폭적인 향상을 기대할 수 있다.

유기물층(12)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 있다. 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.

이때 유기물층(12)은 전자와 정공을 효율적으로 이송하여 발광층에서 빛을 발생할 수 있도록 만들어 주기 위하여 서로 다른 특성의 몇 가지 종류의 유기물들이 적층되어 형성된다. 그러나 전기적 특성이 서로 다른 유기물이라도 광학적인 굴절률은 거의 유사하기 때문에 광추출 현상을 논의하는데 있어서는 각층의 유기물을 따로 구분할 필요 없이 하나의 층으로 해석할 수 있다.

유기물층(12) 재료의 광학적 굴절률은 약 1.7 ~ 1.8의 범위 내에서 거의 유사한 값을 가지고, 유리 기판보다는 훨씬 큰 굴절률을 나타낸다. 이로 인해 유기물층에서 생성된 빛은 유리 기판 밖으로 쉽게 빠져나올 수가 없고 약 50% 정도가 유기물로 구성된 광도파로에 갇혀버리게 된다.

제2전극(11)도 투명 전극 또는 반사형 전극으로 구비될 수 있는데, 투명 전극으로 사용될 때에는 제2전극이 캐소드 전극으로 사용되므로, 일함수가 작은 금속 즉, Li, Ca, LiF/Ca, LiF/Al, Al, Ag, Mg, 및 이들의 화합물이 유기물층의 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 캐버티를 채우지 않고 유지하기 위하여 박막 폴리머층을 스핀코팅하여 제작된 OLED 구조를 도시한다. 도 3을 참조하면, 폴리머 재료를 얇게 코팅하여 캐버티 내부로 유기물이 침투하는 것을 막고 상부에 유기물과 제2전극을 제작한 소자의 구조를 확인할 수 있다.

본 발명의 다른 일 형태에 따르면, 기판(24); 상기 기판상에 적층되고 내부가 비어 있는 캐버티(cavity, 27)를 포함한 제1전극(23); 상기 캐버티(27) 및 제1전극(23) 상부를 덮는 폴리머층(29); 상기 폴리머층(29) 상부에 적층된 유기물층(22); 및 상기 유기물층(22) 상부에 적층된 제2 전극(21)을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.

제1전극 상에 캐버티를 형성한 뒤 유기물을 곧바로 진공증착 시키게 되면 분자량이 작은 유기물들이 캐버티 내부에 침투되어 채워버리는 현상이 나타난다. 그러므로 형성된 캐버티를 유지하기 위해서는 분자량이 비교적 크고 ITO 표면과 접착력이 좋지 않은 재료를 이용하여 캐버티 상부에 폴리머 박막을 형성해 주는 것이 바람직하다.

캐버티 상부를 덮는 폴리머 재료로서는 전도성 고분자, 바람직하게는 투명한 전도성 고분자를 이용하게 되면, 제1전극의 투명전극과 함께 일체화된 투명전극을 형성할 수 있게 된다. 전도성 고분자는 일반적으로 전도율 10^-7Scm^-1(반도체 이상의 값) 이상의 값을 표시하는 고분자이고, 전도성 고분자의 예로는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypirrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리(페닐렌비린렌)(poly(phenylenevinylene)), 폴리(페닐렌설파이드)(poly(phenylenesulfide)) 및 PEDOT(poly-3,4ethylenedioxythiophene) 등을 들 수 있고, 바람직하게는 PEDOT을 사용할 수 있다.

전도성 고분자를 이용하게 되면 하부에 있는 투명전극을 대신할 수 있게 되며, 이때는 투명전극에 캐버티를 형성하는 대신 폴리머 재료를 이용하여 캐버티를 형성하는 방법도 가능할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 캐버티를 형성하기 위하여 폴리머 재료를 이용하는 OLED 소자 구조를 도시한다. 도 4를 참조하면, 기판(34) 위에 형성된 폴리머층(33)에 캐버티(37)를 형성하고 그 위에 전도성 고분자(39)를 이용하여 전극을 형성하여 제작가능한 OLED 소자 구조를 나타낸다.

광산란 효율을 증대시키기 위한 캐버티 구조물은 일반적으로 광파장보다 적은 크기를 가지는 것이 효과적이다. 그러나 이와 같은 작은 크기의 패턴을 수 미터에 달하는 디스플레이 소자의 전면에 형성하기 위해서는 기존의 포토리쏘그라피 공정으로는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 발명에서는 실버 입자가 가지는 고유한 특성을 이용하여 수백 나노 크기의 클러스터 패턴을 형성하고 이를 이용하여 캐버티 제작하는 방법을 제안한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 실버 나노입자를 스핀코팅하고 소결(sintering)하여 형성된 나노 클러스터 패턴의 전자현미경 사진을 도시한다. 도 5를 참조하면, 실버 나노 잉크 재료를 스핀 코팅하고 고온에서 소결 과정을 거쳐서 제작된 실버 클러스터 패턴을 보이고 있다. 진공 증착된 실버 박막에 비하여 실버 나노 잉크 재료는 낮은 소결 온도를 가지므로 TFT 소자로 인해 저온 공정이 필수적인 디스플레이 소자 제작에 적용하기에 더욱 장점을 가질 수 있다.

소결과정을 거친 실버 클러스터를 폴리머 재료의 상부에 형성한 뒤, 이를 마스크로 이용하여 폴리머 재료를 플라즈마 에칭하여 주면 폴리머 층에 실버 클러스터 형상을 새겨 넣을 수 있다. 이후 패턴이 형성된 폴리머 층을 마스크로 이용하여 하부에 위치한 투명전극층이나 유리 기판을 식각하면 캐버티 구조를 형성할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 얇은 폴리머 박막을 코팅하여 캐버티를 채우지 않고 평면을 형성한 소자의 전자현미경 사진을 도시한다. 도 6을 참조하면, 캐버티 구조물 위에 PEDOT:PSS 라는 전도성 고분자를 스핀 코팅하여 캐버티 내부를 채우지 않고 상부에 얇은 박막이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이러한 과정을 통하여 투명전극의 내부에 캐버티를 형성한 채 PEDOT:PSS 층의 상부에 유기물층과 금속전극을 제작하여 광출력 효율을 향상시킨 유기 발광 소자를 제조할 수 있다.

캐버티로 인해 향상되는 광출력 효율을 실험적으로 검증하기에 앞서 Finite Difference Time Domain (FDTD) 기법에 기초한 수치해석을 통하여 제안된 구조의 성능을 살펴 볼 수 있다. 도 7은 도 1에 따른 일반적인 구조의 OLED 소자(Ref.OLED)와 도 2에 따른 본 발명에 따른 캐버티 OLED 소자(Proposed OLED)에 대한 FDTD 시뮬레이션 결과를 보여 주고 있다. 도 7을 참조하면, 일반적 구조의 OLED에서는 다량의 빛이 광도파로를 따라 좌우로 진행해 나아가는 것을 볼 수 있으나, 캐버티 OLED의 경우에는 산란 효과로 인해 대부분의 빛이 외부로 추출되고 있음을 볼 수 있다.

투명전극(ITO)에 캐버티를 형성한 유기 발광 소자를 제작하였으며 실험적으로 캐버티 구조의 효과를 검증하였다. 유기 발광 소자를 제작하기 위하여 사용된 유기물 재료는 정공 수송층(hole transport)층으로는 NPB를 사용하였으며, 발광층으로는 Alq₃를 이용하였다.

별도의 전자수송층(electron transport)은 적층하지 않았고, 금속전극으로 LiF/Al을 이용하였다. 실버 클러스터 패턴을 이용하여 AZ5214 photoresist 층에 수백 나노 크기의 구멍을 형성하고, 이를 마스크로 이용하여 ITO 층을 건식 식각 하였으며, 이 과정을 통하여 ITO 층에 60 nm 깊이의 캐버티가 형성되었다. 형성된 캐버티 상부에 PEDOT:PSS 전도성 폴리머 재료를 50 nm 두께로 스핀 코팅하여 형성하였으며, 이 과정에서 캐버티가 채워지지 않고 PEDOT:PSS 층이 캐버티 위에 두껑을 덮듯이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. PEDOT:PSS 층 위에 유기물층과 금속전극을 차례로 증착하여 캐버티가 형성된 유기 발광 소자를 완성하였다.

도 8a 내지 도 8d는 각각 본 발명에 따른 완성된 소자의 전류전압비, 휘도 특성, 휘도효율, 전력효율을 도시한다. 도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 본 발명의 캐버티를 적용한 OLED(Proposed OLED1,2)의 경우 종래기술의 OLED(Ref. OLED)와 비교하여 휘도특성이 우수하고, 휘도효율 및 전력효율이 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 FDTD 설계에서 캐버티로 인한 광출력 효율 향상을 검증하기 위해서는 충분한 실험 결과로 볼 수 있다. 캐버티 구조의 깊이, 주기와 같은 패러미터를 최적화시키게 되면 최대 약 100% 정도까지 광출력 효율 향상을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

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.

1,11,21,31...제2전극 2,12,22,32...유기물층
3,13,23,33...제1전극 4,14,24,34...기판
5,15,25,35...공기 17,27,37....캐버티(cavity)

Claims (7)

1. 기판을 형성하는 단계;
   상기 기판상에 제1전극을 형성하는 단계;
   상기 제1전극 상에 내부가 비어 있는 나노 크기의 캐버티(cavity)를 형성하는 단계;
   상기 캐버티가 형성된 제1전극 상에 유기물층을 형성하는 단계; 및
   상기 유기물층 상에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 발광 소자의 제조방법으로서,
   상기 캐버티를 형성하는 단계는 폴리머층 상부에 실버 나노 잉크 재료를 스핀코팅하고 소결하여 폴리머층 상부에 실버 클러스터 패턴을 형성하고,
   상기 실버 클러스터 패턴을 마스크로 하여 상기 폴리머층을 식각하여 폴리머층 자체에 실버 클러스터 패턴을 형성하고,
   상기 패턴이 형성된 폴리머층을 마스크로 하여 제1전극을 식각하여 캐버티를 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조방법.
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