KR101468063B1 - 양면 발광형 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 및 조명 - Google Patents

양면 발광형 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 및 조명 Download PDF

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Abstract

일 측면에 따라서 기판; 상기 기판 상에 형성된 투명한 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되고 상기 하부전극과 대향된 투명한 상부전극; 상기 하부전극과 상기 상부전극 사이에 개재되고, n-도핑층, 상기 n-도핑층 상에 형성된 유기발광층, 상기 유기발광층 상에 형성된 정공수송층 및 상기 정공수송층 상에 형성되고 시아노기 함유 화합물로 이루어진 정공주입층을 포함하는 유기층; 상기 상부전극 상에 형성된 제1 광추출향상층; 및 상기 기판 하에 형성된 제2 광추출향상층; 을 포함하는 양면 발광형 유기 발광 소자를 제공한다. 상기 제1 광추출향상층은 상기 제1 광추출향상층의 높이에 수직인 평면에 대하여 50° 내지 80°의 경사와 50-100㎛ 의 높이를 갖는 복수개의 제1 볼록부의 배열을 포함한다.

Description

양면 발광형 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 및 조명{Double-sided organic light-emitting diode and display device and illumination}
유기 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 소자의 양 말단에 마이크로 구조가 적용되어 광추출 효율(outcoupling efficiency)이 향상된 양면 발광형 유기 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
유기 발광 소자(organic light emitting diode)는 자발광형 소자로서 시야각이 넓고 콘트라스트가 우수할 뿐만 아니라, 응답시간이 빠르며, 휘도, 구동전압 및 응답속도 특성이 우수하고 다색화가 가능하다는 장점을 가진다.
일반적인 유기 발광 소자는 기판, 애노드, 정공주입층, 정공수송층, 발광층, 전자수송층, 전자주입층 및 캐소드의 순서로 적층되어 이루어지고, 인버티드 유기 발광 소자는 기판, 캐소드, 전자주입층, 전자수송층, 발광층, 정공수송층, 정공주입층 및 애노드의 순서로 적층된 구조를 가진다. 양면 발광형 유기 발광 소자는 이들 구조에서 애노드 및 캐소드가 모두 투명한 물질로 이루어진다.
유기 발광 소자의 구동 원리는 다음과 같다. 유기 발광 소자의 애노드 및 캐소드 간에 전압을 인가하면, 애노드로부터 주입된 정공이 정공수송층을 경유하여 발광층으로 이동하고 캐소드로부터 주입된 전자는 전자수송층을 경유하여 발광층으로 이동하고 상기 정공 및 전자(캐리어)는 발광층에서 재결합하여 엑시톤(exciton)을 생성하고 이 엑시톤이 여기 상태에서 기저상태로 변하면서 광이 방출된다.
종래의 양면 발광형 유기 발광 소자는 전면 발광형 또는 배면 발광형 소자에 비해 공진 효과가 상대적으로 약하여 높은 광추출 효율을 얻기가 어렵다.
일반적인 유기 발광 소자의 경우 내부층의 굴절률 차이에 기인한 전반사 때문에 광추출 효율이 20% 내외로 제한되어 왔으며, 특히 ITO 등의 투명 전극을 사용한 유기 발광 소자는 소자 내에 많은 빛이 갇혀 광추출 효율이 더욱 낮았다. 이를 개선하고자 투명 전극과 유리 기판 사이에 특정 크기와 배치 간격을 갖는 광결정 구조를 도입하거나 소자 자체를 골판지 구조(corrugated structure) 또는 주름 구조(wrinkled structure)로 만드는 방법이 제안되었다.
양면 발광형 유기 발광 소자의 경우에 이와 동일한 원리를 적용하여 투명 전극과 유리 기판 사이의 계면에서 광추출을 개선하고자 투명 전극과 유리 기판 사이에 특정 크기와 배치 간격을 갖는 광결정 구조를 도입할 수 있으나, 이 경우에는 시야각에 따라 발광하는 빛의 스펙트럼이 변하는 시야각 의존성 문제나 투명 전극으로 인한 정공 및 전자의 주입의 불량 문제 등이 발생하여 만족스러운 결과를 얻기 힘들다.
광추출 효율이 향상된 양면 발광형 유기 발광 소자를 제공하고자 한다.
일 측면에 따라서 기판; 상기 기판 상에 형성된 투명한 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되고 상기 하부전극과 대향된 투명한 상부전극; 상기 하부전극과 상기 상부전극 사이에 개재되고, n-도핑층, 상기 n-도핑층 상에 형성된 유기발광층, 상기 유기발광층 상에 형성된 정공수송층 및 상기 정공수송층 상에 형성되고 시아노기 함유 화합물로 이루어진 정공주입층을 포함하는 유기층; 상기 상부전극 상에 형성된 제1 광추출향상층; 및 상기 기판 하에 형성된 제2 광추출향상층; 을 포함하는 양면 발광형 유기 발광 소자를 제공한다. 상기 제1 광추출향상층은 상기 제1 광추출향상층의 높이에 수직인 평면에 대하여 50° 내지 80°의 경사와 50-100㎛ 의 높이를 갖는 복수개의 제1 볼록부의 배열을 포함한다.
상기 제1 광추출향상층 및 상기 제2 광추출향상층이 서로 독립적으로 유기물, 무기물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 제1 광추출향상층 및 상기 제2 광추출향상층의 가시 광선 투과율이 서로 독립적으로 70% 내지 99%일 수 있다.
상기 제1 광추출향상층은 1.4 내지 2.2의 굴절률을 가질 수 있다.
상기 제1 광추출향상층이 상기 상부전극과 접촉하는 제1 입사면 및 상기 제1 입사면의 반대측에 위치한 제1 출사면을 갖고, 상기 제1 볼록부의 배열이 상기 제1 출사면 상에 형성될 수 있다.
상기 복수개의 제1 볼록부의 표면적을 상기 제1 출사면의 표면적으로 나눈 값으로 정의되는 필팩터가 50% 내지 100%일 수 있다.
상기 제1 볼록부는 콘(원뿔) 형상, 삼각뿔 또는 사각뿔과 같은 다각형의 각뿔 형상, 또는 이들의 윗면이 잘린 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 볼록부는 밑면의 직경이 1㎛ 내지 500㎛인 원뿔을 가질 수 있다.
상기 제2 광추출향상층이 상기 기판과 접촉하는 제2 입사면 및 상기 제2 입사면의 반대측에 위치한 제2 출사면을 가지고, 상기 제2 출사면 상에는 복수개의 제2 볼록부의 배열이 형성될 수 있다.
상기 복수개의 제2 볼록부의 표면적을 상기 제2 출사면의 표면적으로 나눈 값으로 정의되는 필팩터가 50% 내지 100%일 수 있다.
상기 제2 볼록부는 원뿔 형상, 필라 형상, 피라미드 형상 또는 렌즈 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 볼록부는 높이가 1㎛ 내지 500㎛이고 밑면의 직경이 1㎛ 내지 500㎛인 렌즈 형상을 가질 수 있다.
상기 n-도핑층은 제1 전자수송물질 및 상기 제1 전자수송물질에 도핑된 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Cs2CO3, Rb2CO3 및 Ba2CO3 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 n-도핑층은 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Cs2CO3, Rb2CO3 및 Ba2CO3 중 적어도 1종으로 이루어진 불순물층 및 상기 불순물층 상에 형성된 제1 전자수송물질을 포함하는 제1 전자수송층을 포함할 수 있다.
상기 불순물층의 두께가 2Å 내지 100Å일 수 있다.
상기 시아노기 함유 화합물이 헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴(HAT-CN)일 수 있다.
상기 제1 광추출향상층은 1.4 내지 2.2의 굴절률을 가질 수 있다.
상기 제2 광추출향상층은 1.4 내지 2.2의 굴절률을 가질 수 있다.
다른 일 측면에 따라서 상기 양면 발광형 유기 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
또 다른 일 측면에 따라서 양면 발광형 유기 발광 소자를 포함하는 조명을 제공한다.
일 측면에 따른 양면 발광형 유기 발광 소자는 외부 양자 효율과 전력 효율이 향상된다.
도 1은 일 구현예에 따른 양면 발광형 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단도면이다.
도 2는 제1 볼록부가 원뿔 형태인 경우 그 수직 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 다른 일 구현예에 따른 양면 발광형 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4a는 실시예의 유기발광소자의 제1 광추출향상층의 SEM(scattering electron microscopy) 이미지이다.
도 4b는 실시예의 유기발광소자의 제2 광추출향상층의 SEM 이미지이다.
도 5a는 실시예의 유기발광소자의 제1 광추출향상층의 광학 현미경 이미지이다.
도 5b는 실시예의 유기발광소자의 제2 광추출향상층의 광학 현미경 이미지이다.
도 6은 실시예의 유기발광소자의 제1 광추출향상층의 단면 SEM 이미지이다.
도 7은 실시예의 유기 발광 소자의 외부 양자 효율(EQE, external quantum efficiency) 및 전력 효율(power efficiency)의 전류 밀도에 대한 그래프이다.
도 8은 비교예의 유기 발광 소자의 외부 양자 효율 및 전력 효율의 전류 밀도에 대한 그래프이다.
도 9는 제1 광추출향상층의 마이크로 렌즈와 제2 광추출향상층의 마이크로 콘의 높이에 따른 외부양자효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 마이크로 렌즈와 마이크로 콘의 높이가 각각 35㎛ 와 80㎛ 일 때 제1 광추출향상층과 제2 광추출향상층의 굴절률에 따른 외부양자효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예들을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 구현예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려 여기서 소개되는 구현예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 일 구현예에 따른 양면 발광형 유기 발광 소자(100)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
일 구현예에 따른 양면 발광형 유기 발광 소자(100)는 기판(101), 상기 기판(101) 상에 형성된 투명한 하부전극(110), 상기 하부전극(110) 상에 형성되고 상기 하부전극(110)과 대향된 투명한 상부전극(130), 상기 하부전극(110)과 상기 상부전극(130) 사이에 개재된 유기층(120), 상기 기판(101) 하에 형성된 제1 광추출향상층(141) 및 상기 상부전극(130) 상에 형성된 제2 광추출향상층(142)을 포함한다.
상기 유기층(120)은 n-도핑층(123), 상기 n-도핑층(123) 상에 형성된 유기발광층(125), 상기 유기발광층(125) 상에 형성된 정공수송층(126), 및 상기 정공수송층(126) 상에 형성되고 시아노기 함유 화합물로 이루어진 정공주입층(127)을 포함한다. 유기발광층(125)과 n-도핑층(123) 사이에는 전자의 주입 및 수송을 원활하게 하기 위해 전자수송층(미도시)이 형성될 수 있다.
상기 n-도핑층(123)은 전자수송 특성을 가지는 층에 n-도펀트가 불순물로 함유된 층이다. 소자에 전압을 인가하면 n-도핑층(123) 내에서 전자가 생성되고, n-도핑층(123) 내에서 생성된 전자는 유기발광층(125)으로 주입 및 수송된다.
상기 정공수송층(126)과 상기 정공주입층(127)은 정공을 유기발광층(125)으로 주입 및 수송시키는 역할을 한다. 즉, 정공은 상부전극(130)으로부터 주입되어 정공주입층(127)과 정공수송층(126)을 차례로 거쳐 유기발광층(125)으로 수송된다.
상기 제1 광추출향상층(141)은 전면 발광(top emission)을 위해 상부전극(130) 상에 형성되므로 상대적으로 높은 굴절률을 가지도록 형성된다. 제1 광추출향상층(141)은 유기물의 굴절률 범위를 포함하여 약 1.4 내지 약 2.2의 굴절률을 가진다.
상기 제2 광추출향상층(142)은 배면 발광(bottom emission)을 위해 기판(101) 하에 이것과 유사한 굴절률을 가지도록 형성되며, 이것은 비교적 낮은 굴절률 범위를 포함하여 약 1.4 내지 약 2.2의 굴절률을 가진다.
일반적으로 소자의 하부전극을 투명 전극으로 선택할 경우 전하의 주입 및 수송에 어려움이 발생하나, 상기 양면 발광형 유기 발광 소자(100)는 하부전극(110)을 투명 전극으로 선택하더라도 전자의 주입 및 수송이 원활하게 이루어질 수 있다.
양면 발광형 유기 발광 소자(100)는 하부전극(110)과 유기발광층(125) 사이에 n-도핑층(123)이 구비되어 있어서 하부전극(110)의 재료 선택의 폭이 넓어진다. 즉, 하부전극(110)에 (-) 전압을 인가하고 상부전극(130)에 (+) 전극을 인가하면, n-도핑층(123)과 하부전극(110) 사이 계면의 에너지 장벽이 낮아져 하부전극(110)의 일함수 값에 상관없이 전자의 주입 및 수송이 용이해진다. 그 결과 소자의 하부전극(110)의 선택 폭이 넓어져 하부전극(110)을 양면 발광에 적합한 투명 전극으로 선택할 수 있다.
n-도핑층(123)은 제1 전자수송물질에 n-도펀트를 포함하는 단일층일 수 있다.
제1 전자수송물질로는 B3PYMPM(비스-4,6-(3,5-디-3-피리딜페닐)-2-메틸피리미딘), Alq3, Bphen(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), BCP(2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), TPBi(2,2!!!,2???-(1,3,5-벤젠트리일)-트리스(1-페닐-1H-벤즈이미다졸), TPQ1(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[(3-페닐-6-트리플루오로메틸)퀴녹살린-2-일]벤젠), TPQ2(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[{3-(4-tert-부틸페닐)-6-트리플루오로메틸}퀴녹살린-2-일]벤젠), TAZ(3-(4-비페닐릴)-4-페닐-5-터트-부틸페닐-1,2,4-트리아졸), NTAZ(4-(나프탈렌-1-일)-3,5-디페닐-4H-1,2,4-트리아졸), tBu-PBD(2-(4-비페닐릴)-5-(4-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸), BeBq2(10-벤조[h]퀴놀리놀-베릴륨), E3(터플루오렌) 또는 이들 중 2종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
n-도펀트로는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 란타늄(La), 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 또는 이테르븀(Yb) 중 적어도 1종의 금속; 상기 금속의 질화물; 상기 금속의 탄산염; 또는 상기 금속의 착물 중 적어도 1종을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 란타늄(La), 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 이테르븀(Yb) 등은 일함수가 상대적으로 낮아 전자의 생성에 유리하기 때문에 n-도펀트로서 사용될 수 있다. 예를 들면, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Cs2CO3, Rb2CO3 또는 Ba2CO3 중 적어도 1종을 n-도펀트로서 사용할 수 있다. 한편, 피로닌 B(pyronin B), DMC(decamethylcobaltocene, 데카메틸코발토센), BEDTTTF(bis(ethylenedithio)-tetrathiafulvalene, 비스(에틸렌디티오)-테트라티아풀발렌), 로다민B(rhodamin B), TMBI (1,2,3-trimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole, 1,2,3-트리메틸-2-페닐-2,3-디히드로-1H-벤조이미다졸), DMBI (1,3-dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole, 1,3-디메틸-2-페닐-2,3-디히드로-1H-벤조이미다졸), Cl-DMBI (dichlorophenyl-1,3-dimethyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole, 디클로로페닐-1,3-디메틸-2,3-디히드로-1H-벤조이미다졸), N-DMBI (4-(1,3-dimethyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole-2-yl)-phenyl)-dimethyl-amine, 4-(1,3-디메틸l-2,3-디히드로-1H-벤조이미다졸-2-일)-페닐)-디메틸-아민), OH-DMBI (2-(1,3-dimethyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazol-2-yl)-phenol, 2-(1,3-디메틸-2,3-디히드로-1H-벤조이미다졸-2-일)-페놀), PTCDI-C13(N,N′-ditridecylperylene-3,4:9,10-tetracarboxylic acid diimide, N,N′-디트리데실페릴렌-3,4:9,10-테트라카르복실산 디이미드) 또는 F-PTCDI-C4(N,N′-dibutyl-1,7-difluoroperylene-3,4:9,10-tetracarboxylic acid diimide, N,N′-디부틸-1,7-디플루오로페릴렌-3,4:9,10- 테트라카르복실산 디이미드)과 같은 n-형의 유기 화합물을 n-도펀트로서 사용할 수 있다.
이때 n-도펀트의 함량은 n-도핑층(123)의 총중량 대비 0.1 중량 % 내지 25 중량 %일 수 있다. n-도펀트 함량이 상기 범위를 만족하는 경우 n-도핑층(123) 내에서 전자가 만족스러운 수준으로 생성될 수 있다.
n-도핑층(123)은 위에서 설명한 바와 같이 단일층일 수 있으나 선택적으로 도 1에 도시한 바와 같이 n-도펀트로 이루어진 불순물층(173!!!)과 상기 불순물층(173!!!) 상에 적층된 제1 전자수송층(173???)으로 이루어진 이중층일 수 있다. 이 경우에도 마찬가지로 불순물층(173!!!)과 하부전극(110) 사이 계면의 에너지 장벽이 낮아져 하부전극(110)의 일함수 값에 상관없이 전자의 주입 및 수송이 용이해지고, 그 결과 소자의 하부전극(110)의 선택 폭이 넓어지고 하부전극(110)을 양면 발광에 적합한 투명 전극으로 선택할 수 있다.
양면 발광형 유기 발광 소자(100)의 상부전극(130) 하에는 시아노기 함유 화합물로 이루어진 정공주입층(127)이 구비되어 있다. 정공주입층(127)은 상부전극(130)으로부터 주입된 정공을 유기발광층(125)으로 원활하게 주입 및 수송시킬 뿐만 아니라, 스퍼터링과 같은 제조 공정에서 발생할 수 있는 유기층의 손상을 방지하여 준다. 이러한 정공주입층(127)의 특성으로 인해 소자의 상부전극(130)을 양면 발광에 적합한 투명 전극으로 선택할 수 있다.
정공주입층(127)은 도핑하지 않은 단일 물질로 이루어진 층으로 사용하는 것이 바람직하다. 단일 물질로 이루어진 층을 사용할 경우 실질적인 구동 전압의 상승 없이 만족스러운 수준의 정공 주입 특성을 가질 수 있고 유기층의 손상도 방지할 수 있다.
정공주입층(127)의 재료로는 시아노기를 함유한 결정성 유기화합물을 사용할 수 있는데, 이러한 시아노기 함유 결정성 유기화합물로는 예를 들어 하기와 같은 헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴(HAT-CN)이 있다.
Figure 112013041626287-pat00001
HAT-CN
통상적으로 상부전극에 투명 전극을 사용하는 경우에 전하의 주입 및 수송에 어려움이 발생하나 헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴(HAT-CN)을 사용하여 정공주입층(127)을 형성하면 형성된 유기층이 격자화되는 특성을 가져 스퍼터링과 같은 제조 공정에서 발생할 수 있는 이온 충격 손상(ion bombardment damage)로부터 유기층을 보호하는 역할을 하여 투명소자의 구현이 용이하다.
양면 발광형 유기 발광 소자(100)의 정공주입층(127) 하에는 정공수송층(126)이 구비되어 있다. 정공수송층(126)은 정공주입층(127)과 함께 정공의 주입 및 수송을 원활하게 하는 기능을 한다.
정공수송층(126)은 정공수송물질을 포함한다. 정공수송물질로는 프탈로시아닌 유도체, NPB(4,4!!!-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐), TPD(4,4!!!-비스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]바이페닐), MTDATA(4,4!!!,4???-트리스[(3-메틸페닐)페닐아미노]트라이페닐아민), TAPC(1,1-비스(4-(N,N-다이-p-톨릴아미노)페닐)사이클로헥세인), TCTA(4-(9H-카바졸-9-일)-N,N-비스[4-(9H-카바졸-9-일)페닐]-벤젠아민), CBP(9,9!!!-[1,1!!!-바이페닐]-4,4!!!-다이일비스-9H-카바졸), mCP(9,9!!!-(1,3-페닐렌)비스-9H-카바졸) 또는 2-TNATA(4,4!!!,4???-트리스(N-(2-나프틸)-N-페닐아미노) 트리페닐아민) 중 적어도 1종을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
양면 발광형 유기 발광 소자(100)의 상부전극(130) 상에 제1 광추출향상층(141)이 형성되어 있다.
제1 광추출향상층(141)으로는 약 1.4 내지 약 2.2의 굴절률을 만족하는 유기물, 무기물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 제1 광추출향상층(141)은 상부전극(130) 상에 형성되므로 제2 광추출향상층(142)보다 굴절률이 다소 높다.
제1 광추출향상층(141)의 가시 광선 투과율은 약 70% 내지 약 99%일 수 있다. 제2 광추출향상층(142)은 전면 발광을 위해 투명한 특성을 가진다.
제1 광추출향상층(141)은 상부전극(130) 상에 접촉하여 형성될 수 있다. 제1 광추출향상층(141)의 면 중, 상부전극(130)과 접촉하는 면을 제1 입사면이라 정의하고 상기 제1 입사면의 반대측에 위치한 면을 제1 출사면이라고 정의하면, 상기 제1 출사면 상에는 복수개의 제1 볼록부가 형성될 수 있다.
제1 볼록부는 광산란을 일으켜서 유기발광층(125)으로부터 상부전극(130)을 통해 외부로 방출되는 광의 추출 효율을 향상시킨다. 구체적으로 제1 볼록부의 반복 주기를 가시 광선의 파장 영역이 되도록 형성한다면 제1 볼록부가 상부전극(130)을 통해 나오는 가시 광선에 대해 산란체 역할을 하여 가시 광선의 추출 특성을 향상시킬 수 있다. 제1 볼록부의 특정 형상과 주기에 따라 광산란 형태가 결정되므로 제1 볼록부의 형상과 주기를 단색광 파장의 산란에 적합하도록 형성하여 상부전극(130) 외부로 방출되는 광의 추출 특성을 조절할 수 있다.
제1 볼록부의 필팩터(fill factor)는 제1 입사면 상에 형성된 복수개의 제1 볼록부의 표면적을 제1 출사면의 표면적으로 나눈 값으로 정의되며, 제1 볼록부의 필팩터가 약 50% 내지 약 100%인 경우 제1 볼록부에 의한 산란이 적합하여 광추출 특성이 만족스러운 수준이 될 수 있다.
제1 볼록부는 콘(원뿔) 형상, 삼각뿔 또는 사각뿔과 같은 다각형 뿔 형상, 또는 이들의 윗면이 잘린 형상 등과 같이 측면이 경사를 갖는 형상을 가질 수 있다.
도 2는 제1 볼록부가 원뿔 형태인 경우 그 수직 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, D 는 밑면의 직경이고, H 는 높이고, θ 는 밑면에 대한 측면의 경사 각도이다. 제1 볼록부의 밑면의 직경(D)은 1㎛ 내지 500㎛ 이고, 경사 각도(θ)는 약 50° 내지 80° 일 수 있다. 이때 필팩터는 약 50% 내지 100%일 수 있다.
제1 볼록부가 상기와 같은 형상과 직경, 경사각 및 필팩터를 가질 경우 전반사 또는 광도파로에 의한 광소실을 감소시키고 광을 외부로 보다 잘 추출시킬 수 있다.
기판(101) 하에는 제2 광추출향상층(142)이 구비되어 있다. 제2 광추출향상층(142)의 재료로는 약 1.4 내지 약 2.2의 굴절률을 만족하는 유기물, 무기물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 제2 광추출향상층(142)은 기판(101) 아래에 형성되므로 기판(101)과 비슷한 수준의 굴절율을 갖는 물질을 사용할 수 있다. 유기물의 경우에는 통상적으로 굴절률이 낮은 것을 사용하고 무기물의 경우에는 굴절률이 높지 않은 것을 주로 사용할 수 있다.
제2 광추출향상층(142)의 가시 광선 투과율은 약 70% 내지 약 99%일 수 있다. 제2 광추출향상층(142)은 배면 발광을 위하여 투명한 특성을 가진다.
제2 광추출향상층(142)은 기판(101)과 접촉할 수 있다. 제2 광추출향상층(142)의 면 중, 기판(101)과 접촉하는 면을 제2 입사면이라 정의하고 상기 제2 입사면의 반대측에 위치한 면을 제2 출사면이라고 정의하면, 상기 제2 출사면 상에는 복수개의 제2 볼록부가 형성될 수 있다.
제2 볼록부는 광산란을 일으켜서 유기발광층(125)으로부터 기판(101)을 통해 외부로 방출되는 광의 추출 효율을 향상시킨다. 구체적으로 제2 볼록부의 반복 주기를 가시 광선의 파장 영역이 되도록 형성한다면 제2 볼록부가 기판(101)을 통해 나오는 가시 광선에 대해 산란체 역할을 하여 가시 광선의 추출 특성을 향상시킬 수 있다. 제2 볼록부의 특정 형상과 주기에 따라 광산란 형태가 결정되므로 제2 볼록부의 형상과 주기를 단색광 파장의 산란에 적합하도록 형성하여 기판(101) 외부로 방출되는 광의 추출 특성을 조절할 수 있다.
제2 볼록부의 형상과 주기를 특정짓는 인자로서 필팩터를 예로 들 수 있다. 필팩터는 제2 입사면 상에 형성된 복수개의 제2 볼록부의 표면적을 제2 출사면의 표면적으로 나눈 값으로 정의된다. 필팩터가 약 50% 내지 약 100%인 경우 제2 볼록부에 의한 산란이 적합하여 광추출 특성이 만족스러운 수준이 될 수 있다.
제2 볼록부는 원뿔 형상, 필라 형상, 피라미드 형상 또는 렌즈 형상을 가질 수 있다. 제2 볼록부가 상기와 같은 형상일 경우, 전반사 또는 광도파로에 의한 광소실을 감소시키고 광을 외부로 보다 잘 추출시킬 수 있다.
제2 볼록부의 폭과 높이는 제2 볼록부의 형상과 산란되는 광의 파장에 따라 변화될 수 있다. 예를 들어, 제2 볼록부는 렌즈 형상일 수 있으며, 이 경우 제2 볼록부의 밑면의 직경 및 높이는 1㎛ 내지 500㎛일 수 있고 필팩터는 약 70% 내지 90%일 수 있다.
도 3은 다른 일 구현예에 따른 양면 발광형 유기 발광 소자(200)의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
상기 양면 발광형 유기 발광 소자(200)는 기판(101), 상기 기판(101) 상에 형성된 투명한 하부전극(110), 상기 하부전극(110) 상에 형성되고 상기 하부전극(110)과 대향된 투명한 상부전극(130), 상기 하부전극(110)과 상기 상부전극(130) 사이에 개재된 유기층(220), 상기 상부전극(130) 상에 형성된 제1 광추출향상층(141) 및 상기 기판(101) 하에 형성된 제2 광추출향상층(142)을 포함한다.
상기 유기층(220)은 n-도핑층(123), 상기 n-도핑층(123) 상에 형성된 유기발광층(125), 상기 유기발광층(125) 상에 형성된 정공수송층(126) 및 상기 정공수송층(126) 상에 형성되고 시아노기 함유 화합물로 이루어진 정공주입층(127)을 포함한다. 유기발광층(125)과 n-도핑층(123) 사이에는 전자의 주입 및 수송을 원활하게 하기 위해 제2 전자수송층(224)이 더 형성되어 있다.
본 실시예의 유기 발광 소자(200)는 유기층(220)이 제2 전자수송층(224)을 더 포함하는 점에서 도 1의 실시예와 차이가 있다.
제2 전자수송층(224)은 제2 전자수송물질을 포함한다. 제2 전자수송물질로는 제1 전자수송물질과 마찬가지로 B3PYMPM(비스-4,6-(3,5-디-3-피리딜페닐)-2-메틸피리미딘), Alq3, Bphen(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), BCP(2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), TPBi(2,2!!!,2???-(1,3,5-벤젠트리일)-트리스(1-페닐-1H-벤즈이미다졸), TPQ1(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[(3-페닐-6-트리플루오로메틸)퀴녹살린-2-일]벤젠), TPQ2(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[{3-(4-tert-부틸페닐)-6-트리플루오로메틸}퀴녹살린-2-일]벤젠), TAZ(3-(4-비페닐릴)-4-페닐-5-터트-부틸페닐-1,2,4-트리아졸), NTAZ(4-(나프탈렌-1-일)-3,5-디페닐-4H-1,2,4-트리아졸), tBu-PBD(2-(4-비페닐릴)-5-(4-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸), BeBq2(10-벤조[h]퀴놀리놀-베릴륨), E3(터플루오렌) 또는 이들 중 2종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 상기 도 3에 제공된 양면 발광형 유기 발광 소자(200)를 참조하여 양면 발광형 유기 발광 소자(200)의 구조 및 제조 방법을 상세히 설명한다. 한편, 양면 발광형 유기 발광 소자(200)의 제조방법은 양면 발광형 유기 발광 소자(100)의 제조에도 적용될 수 있다.
일 구현예에 따른 양면 발광형 유기 발광 소자(200)는 기판(101)을 제공하는 단계, 상기 기판(101) 상에 투명한 하부전극(110)을 형성하는 단계, 상기 하부전극(110) 상에 n-도핑층(123), 유기발광층(125), 정공수송층(126) 및 시아노기 함유 화합물로 이루어진 정공주입층(127)을 포함한 유기층(220)을 형성하는 단계, 상기 유기층(220) 상에 투명한 상부전극(130)을 형성하는 단계, 상기 상부전극(130) 상에 1.6 내지 2.2의 굴절률을 갖는 제1 광추출향상층(141)을 형성하는 단계 및 상기 기판(101) 하에 1.4 내지 2.2의 굴절률을 갖는 제2 광추출향상층(142)을 형성하는 단계를 거쳐 제조된다.
기판(101)으로는 기계적 강도, 열적 안정성, 투명성, 표면 평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있으며, 특히 양면 발광을 위해 투명한 기판을 사용할 수 있다.
예를 들면, 기판(101)으로는 SiO2를 주성분으로 하는 투명한 유리 재질 기판을 사용할 수 있다.
기판 상에는 하부전극(110)을 형성한다. 하부전극(110)은 비아홀을 통하여 n형 박막트랜지스터의 드레인 전극과 전기적으로 연결되어, n형 박막 트랜지스터로부터 인가되는 구동 전류를 공급 받는 역할을 한다. 하부전극(110)은 예를 들면 캐소드일 수 있다.
하부전극(110)은 양면 발광을 위해 ITO(인듐주석산화물), IZO(인듐아연산화물) 또는 ZnO(아연 산화물) 같은 투명한 산화물, 그래핀(graphene), Ag 또는 Al 등과 같은 투명한 물질을 사용할 수 있다. 바람직하게는 ITO 등을 사용할 수 있으며, 필요에 따라 ITO에 자외선-오존 처리한 것을 사용할 수도 있다. 하부전극(110)은 공지된 다양한 방법, 예를 들면, 증착법, 스퍼터링법, 스핀코팅법 또는 블레이드코팅법 등을 이용하여 형성될 수 있다.
하부전극(110) 상에는 n-도핑층(123)을 형성한다. n-도핑층(123)은 제1 전자수송물질에 불순물인 n-도펀트를 도핑한 단일층으로 형성하거나, 또는 불순물인 n-도펀트로 이루어진 불순물층(123!!!)에 제1 전자수송물질을 포함하는 제1 전자수송층(123???)이 순서대로 적층된 이중층으로 형성한다.
n-도핑층(123) 내에서는 n-도펀트의 영향으로 전자가 생성되고, 생성된 전자는 전자수송층(274)을 거쳐 유기발광층(125) 쪽으로 이동하여 소자에 전류를 흐르게 한다.
n-도핑층(123)은 제1 전자수송물질에 n-도펀트를 도핑하여 형성할 수 있으며, n-도펀트의 도핑 농도는 n-도핑층(123)의 총중량 대비 약 0.1중량 % 내지 25중량 %일 수 있다. n-도핑층(123)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. n-도핑층(123)의 두께는 약 5Å 내지 약 1,000Å일 수 있다. n-도핑층(123)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 n-도핑층(123) 내에서 만족스러운 수준으로 전자가 생성될 수 있다.
n-도핑층을 이중층으로 형성하는 경우에는 불순물층(123!!!)과 제1 전자수송층(123???)을 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용하여 순서대로 적층하여 형성할 수 있으며, 불순물층(123!!!)의 두께는 약 2Å 내지 약 100Å일 수 있고, 불순물층(123!!!) 및 제1 전자수송층(123???)의 두께의 합은 약 5Å 내지 약 1,000Å 일 수 있다. 불순물층(123!!!) 및 제1 전자수송층(123???)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 불순물층(123!!!) 및 제1 전자수송층(123???)에 의해 만족스러운 수준으로 전자가 생성될 수 있다.
n-도핑층(123) 상에는 제2 전자수송층(224)을 형성할 수 있다. 제2 전자수송층(224)은 제2 전자수송물질을 사용하여 형성하며, 예를 들면 B3PYMPM(비스-4,6-(3,5-디-3-피리딜페닐)-2-메틸피리미딘), Alq3, Bphen(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), BCP(2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), TPBi(2,2!!!,2???-(1,3,5-벤젠트리일)-트리스(1-페닐-1H-벤즈이미다졸), TPQ1(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[(3-페닐-6-트리플루오로메틸)퀴녹살린-2-일]벤젠), TPQ2(트리스-페닐퀴녹살린즈 1,3,5-트리스[{3-(4-tert-부틸페닐)-6-트리플루오로메틸}퀴녹살린-2-일]벤젠), TAZ(3-(4-비페닐릴)-4-페닐-5-터트-부틸페닐-1,2,4-트리아졸), NTAZ(4-(나프탈렌-1-일)-3,5-디페닐-4H-1,2,4-트리아졸), tBu-PBD(2-(4-비페닐릴)-5-(4-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸), BeBq2(10-벤조[h]퀴놀리놀-베릴륨), E3(터플루오렌) 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 전자수송층(224)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 제2 전자수송층(224)의 두께는 약 5Å 내지 약 1,000Å일 수 있다. 제2 전자수송층(224)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 만족스러운 정도의 전자 주입 및 수송 특성을 얻을 수 있다.
제2 전자수송층(224) 상에는 유기발광층(125)을 형성한다. 유기발광층(125)은 공지의 인광 호스트와 인광 도펀트, 또는 공지의 형광 호스트와 형광 도펀트를 사용하여 형성할 수 있다.
공지의 호스트로서, 예를 들어, Alq3(트리스(8-퀴놀리노레이트)알루미늄), CBP(4,4!!!-N,N!!!-디카바졸-비페닐), ADN(9,10-디-나프탈렌-2-일-안트라센), PVK(폴리(n-비닐카바졸)), TCTA, TPBI(1,3,5-트리스(N-페닐벤즈이미다졸-2-일)벤젠), TBADN(3-터트-부틸-9,10-디(나프트-2-일) 안트라센), 또는 E3 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
적색 도펀트로서 PtOEP(Pt(II) 옥타에틸포르핀), Ir(piq)3(트리스(2-페닐이소퀴놀린)이리듐), Btp2Ir(acac)(비스(2-(2!!!-벤조티에닐)-피리디나토-N,C3!!!)이리듐(아세틸아세토네이트)), DCM(4-(디시아노메틸렌)-2-메틸-6-[p-(디메틸아미노)스티릴]-4H-피란) 또는 DCJTB(4-(디시아노메틸렌)-2-터트-부틸-6-(1,1,7,7,-테트라메틸주로리딜-9-에닐)-4H-피란) 등을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
녹색 도펀트로서 Ir(ppy)3(트리스(2-페닐피리딘), Ir(ppy)2(acac)(비스(2-페닐피리딘)(아세틸아세토) 이리듐(III)), 또는 Ir(mpyp)3(트리스(2-(4-톨일)페닐피리딘) 이리듐), C545T(10-(2-벤조티아졸일)-1,1,7,7-테트라메틸-2,3,6,7,-테트라하이드로-1H,5H,11H-[1]벤조피라노 [6,7,8-ij]-퀴놀리진-11-온) 등을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 청색 도펀트로서, F2Irpic(비스[3,5-디플루오로-2-(2-피리딜)페닐(피콜리나토) 이리듐(III)), (F2ppy)2Ir(tmd), Ir(dfppz)3, DPVBi(4,4!!!-비스(2,2!!!-디페닐에텐-1-일)비페닐), DPAVBi(4,4!!!-비스(4-디페닐아미노스타릴) 비페닐), 또는 TBPe(2,5,8,11-테트라-tert-부틸 페릴렌) 등을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기발광층(125)이 호스트 및 도펀트를 포함할 경우 도펀트의 함량은 통상적으로 호스트 약 100 중량부를 기준으로 하여 약 0.01 내지 약 25 중량부의 범위에서 선택할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기발광층(125)의 두께는 약 100Å 내지 약 500Å일 수 있다. 유기발광층(125)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 우수한 발광 특성을 나타낼 수 있다.
유기발광층(125)에 인광 도펀트가 포함될 경우에는 삼중항 여기자 또는 정공이 전자수송층으로 확산되는 현상을 방지하기 위하여, 유기발광층(125)과 전자수송층 사이에 정공 저지층(HBL, 미도시)을 형성할 수도 있다.
유기발광층(125) 상에는 정공수송층(126)을 형성한다. 정공수송층(126)을 형성하는 재료로는 프탈로시아닌 유도체, NPB(4,4!!!-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐), TPD(4,4!!!-비스[N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노]바이페닐), MTDATA(4,4!!!,4???-트리스[(3-메틸페닐)페닐아미노]트라이페닐아민), TAPC(1,1-비스(4-(N,N-다이-p-톨릴아미노)페닐)사이클로헥세인), TCTA(4-(9H-카바졸-9-일)-N,N-비스[4-(9H-카바졸-9-일)페닐]-벤젠아민), CBP(9,9!!!-[1,1!!!-바이페닐]-4,4!!!-다이일비스-9H-카바졸), mCP(9,9!!!-(1,3-페닐렌)비스-9H-카바졸) 또는 2-TNATA(4,4!!!,4???-트리스(N-(2-나프틸)-N-페닐아미노) 트리페닐아민) 중 적어도 1종을 들 수 있다.
정공수송층(126)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 정공수송층(126)의 두께는 약 5Å 내지 약 1,000Å일 수 있다. 정공수송층(126)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 만족스러운 정도의 정공 수송 특성을 얻을 수 있다.
정공수송층(126) 상에는 정공주입층(127)을 형성한다. 정공주입층(127)은 시아노기를 함유한 결정성 유기화합물로 형성할 수 있으며, 예를 들면 헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴을 사용하여 형성할 수 있다. 정공주입층(127)의 형성은 진공증착법, 스핀코팅법, 캐스트법 또는 LB법 등과 같은 다양한 방법을 이용할 수 있다. 정공주입층(127)의 두께는 약 10Å 내지 약 10,000Å일 수 있다. 정공주입층(127)의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실질적인 구동 전압의 상승 없이 만족스러운 정도의 정공 주입 특성을 얻을 수 있다.
정공주입층(127) 상에는 상부전극(130)을 형성한다. 상부전극(130)은 양면 발광을 위해 투명 전극으로 형성할 수 있다. 바람직하게는, ITO(인듐주석산화물), IZO(인듐아연산화물) 또는 ZnO(아연 산화물) 같은 투명한 산화물, 그래핀(graphene), Ag 또는 Al 등과 같은 투명한 물질을 사용할 수 있다.
다음으로 상부전극(130) 상에 제1 광추출향상층(141)을 형성한다. 제1 광추출향상층(141)은 투명한 상부전극(130)과 유사한 수준의 굴절률, 약 1.4 내지 2.2의 굴절률을 갖는 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 제1 광추출향상층(141)의 재료로는 통상의 유기 합성 재료를 사용할 수 있으며, 예를 들면 NPB를 사용할 수 있다. 제1 광추출향상층(141)의 제작 방법으로는 이온빔 증착법(ion beam deposition), 전자빔 증착법(electron beam deposition), 플라즈마 증착법(plasma deposition), 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition), 화학적 기상 증착법(chemiacl vapor deposition), 열증착법(thermal deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 코팅 또는 전사(transfer) 방법 등을 사용할 수 있다.
마지막으로 기판(101) 하에 제2 광추출향상층(142)을 형성한다. 제2 광추출향상층(142)은 기판(101)과 유사한 수준의 굴절률, 약 1.4 내지 약 2.2의 굴절률을 갖는 물질을 사용하여 형성할 수 있다.
제2 광추출향상층(142)은 유리 또는 플라스틱을 굴절률 정합 점착제(index matching adhesive)를 사용하여 기판(101) 하에 필름 타입으로 부착함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어 제2 광추출향상층(142)의 재료로는 굴절률 약 1.5의 PDMS(폴리디메틸실록산) 마이크로 렌즈 어레이를 사용하고, 굴절률 정합 점착제로는 자외선 경화 에폭시 점착제를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 양면 발광형 유기 발광 소자(200)는 시야각에 따라 발광하는 빛의 스펙트럼이 변하는 현상이 감소하고, 양 말단에 투명전극을 사용하더라도 정공 및 전자의 주입 특성이 양호하여 우수한 발광 효율을 가진다.
다른 일 측면에 따라, 기판, 상기 기판 상에 형성되며 소스 전극, 드레인 전극, 산화물 반도체층, 게이트 전극, 및 게이트 절연층을 포함하는 n형 박막 트랜지스터; 상기 n형 박막 트랜지스터 상에 형성된 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성된 상기 설명한 양면 발광형 유기 발광 소자를 포함하고, 상기 양면 발광형 유기 발광 소자의 상기 하부전극이 상기 소스 전극 및 드레인 전극 중 하나와 전기적으로 연결된 디스플레이 장치가 제공된다.
상기 디스플레이 장치는 발광 효율이 우수하며 최근 디스플레이 분야에 대두되고 있는 플렉시블 유기 발광 디스플레이 장치 및 조명 등에 유용하게 사용될 수 있다.
이하에서, 비제한적인 참조예 및 실시예를 통하여 일 구현예를 따르는 유기 발광 소자에 대하여 보다 구체적으로 설명하나, 본 발명이 하기의 참조예 및 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예
하기와 같은 같은 구성을 가지는 양면발광형 유기 발광 소자를 제조하였다:
제2 광추출향상층(필름 타입 마이크로 렌즈 어레이, NOA65(Norland Product, n=1.52)(70㎛) /ITO 유리 기판(700Å) /Cs2CO3(10Å) /B3PYMPM(300Å) /TPBi(150Å) /CBP 92 중량%:Ir(ppy)3 8 중량%(150Å) /TAPC(400Å) /HAT-CN(500Å) /lZO(600Å) /제1 광추출향상층(α-NPD) (80㎛)
하부전극으로는 700Å 두께의 ITO 유리 기판을 사용하였다. 상기 ITO 유리 기판 상부에 Cs2CO3를 진공 증착하여 10Å 두께의 불순물층을 형성하고, 상기 불순물층 상에 B3PYMPM을 진공 증착하여 300Å 두께의 제1 전자수송층을 형성하였다. 상기 제1 전자수송층 상부에 TPBi를 진공 증착하여 150Å 두께의 제2전자수송층을 형성하였다. 상기 제2전자수송층 상부에 CBP와 Ir(ppy)3를 92:8의 중량비로 공증착하여 150Å 두께의 발광층을 형성하였다. 상기 발광층 상부에 TAPC를 진공 증착하여 400Å 두께의 정공수송층을 형성하였다. 상기 정공수송층 상부에 HAT-CN을 진공 증착하여 500Å 두께의 정공주입층을 형성한 다음, IZO를 스퍼터 증착하여 600Å 두께의 상부전극을 형성하였다.
상기 IZO 상부전극 위에 60㎛ 직경의 원형 구멍의 배열을 갖는 금속 섀도우 마스크를 사용하여 α-NPD를 진공증착하여 높이 80㎛ 와 경사각 60° 내지 70° 및 약 100%의 필팩터를 갖는 마이크로 콘 배열의 제1 광추출향상층을 형성하였다. α-NPD의 굴절율은 550nm에서 약 1.80으로 IZO의 약 2.0의 값과 가깝다.
상기 유리 기판 하에 굴절률 정합 광학 접착제(index matching optical adhesive)인 NOA65로 이루어지고 굴절률 1.52로 정합되고 마이크로 렌즈 형상이 패터닝된 필름을 부착시켜 35㎛ 두께의 제2 광추출향상층을 형성하였다.
도 4a는 실시예의 유기발광소자의 마이크로 콘 배열의 제1 광추출향상층의 SEM(scattering electron microscopy) 이미지이이고, 도 4b는 실시예의 유기발광소자의 마이크로 렌즈 배열의 제2 광추출향상층의 SEM 이미지이다. 도 5a는 실시예의 유기발광소자의 마이크로 콘 배열의 제1 광추출향상층의 광학 현미경 이미지이이고, 도 5b는 실시예의 유기발광소자의 마이크로 렌즈 배열의 제2 광추출향상층의 광학 현미경 이미지이다.
도 4a 및 도 5a 의 이미지로부터 마이크로 콘 배열의 제1 광추출향상층의 필팩터가 약 100%이고 마이크로 콘의 바닥 직경이 약 65㎛ 인 것을 알 수 있다.
도 4b 및 도 5b 의 이미지로부터 마이크로 렌즈 배열의 제2 광추출향상층의 필팩터가 약 90 %이고 마이크로 렌즈의 바닥 직경이 약 80㎛ 인 것을 알 수 있다.
도 6은 실시예의 유기발광소자의 마이크로 콘 배열의 제1 광추출향상층의 단면 SEM 이미지이다. 도 6의 이미지로부터 마이크로 콘의 경사각이 약 70° 내지 80° 인 것을 알 수 있다.
비교예
제1 광추출향상층 및 제2 광추출향상층을 형성하지 않은 점을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법을 이용하여 하기와 같은 구성을 가지는 양면형 유기 발광 소자를 제조하였다.
ITO 유리 기판(700Å) /Cs2CO3(10Å) /B3PYMPM(300Å) /TPBi(150Å) /CBP 92 중량%:Ir(ppy)3 8 중량%(150Å) /TAPC(400Å) /HAT-CN(500Å) /lZO(600Å)
도 7 및 도 8은 각각 실시예 및 비교예의 유기 발광 소자의 외부 양자 효율(EQE, external quantum efficiency) 및 전력 효율(power efficiency)의 전류 밀도에 대한 그래프이다. 도 7 및 도 8의 그래프에서 ■는 하부 전극 방향의 광방출, ●는 상부 전극 방향의 광방출, ▲는 하부 전극 방향과 상부 전극 방향의 광방출의 합, 즉, 양 방향의 광방출에 대한 값들을 나타낸다.
표 1은 0.02mA/cm2 의 전류 밀도와 3.7V 의 구동전압에서의 외부양자효율 및 전력 효율의 값이다. 외부양자효율향상비율은 실시예의 외부양자효율 대 비교예의 외부양자효율의 비이다.
외부양자효율
(%)		 전력 효율 (lm/W) 외부양자효율향상비율
실시예 하부방향 양방향 31.8 47.3 138.7 2.6
상부방향 15.5
비교예 하부방향 양방향 13.0 18.2 53.4 -
상부방향 5.2
도 7 및 도 8의 그래프 및 표 1에서 실시예의 유기 발광 소자의 외부양자 효율과 전력 효율이 비교예의 것보다 2.6배 큰 것을 알 수 있다. 한편, 도 7 및 도 8의 그래프에서 전류 밀도가 증가할 수록 외부양자 효율과 전력 효율이 감소하는데, 이는 전하 밀도가 증가하면서 양 방향에서 주입되는 전하가 불균형을 이루기 때문으로 여겨진다.
시뮬레이션
3차원 기하학적 광선 추적 시뮬레이션 방법(LightTools®)을 사용하여 양면형 유기발광소자의 광추출을 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션에 사용한 유기발광소자는 2.5㎝×2.5㎝의 크기의 유리 기판 위에 구성 되었고, 상부전극 위에 마이크로 콘 어레이(MCA, microcone array)의 제1 광추출향상층과 하부전극 아래 마이크로 렌즈 어레이(MLA, microlens array) 제2 광추출향상층을 갖는다.
상기 제1 광추출향상층과 제2 광추출향상층의 필팩터는 각각 100%와 90%로 가정하였다. 광추출의 효과를 조사하기 위하여 시뮬레이션에서 제1 광추출향상층의 마이크로 콘의 직경은 60㎛로 고정되었고, 마이크로 구조의 높이와 굴절률이 변화되었다. 광선의 추적을 위하여 시뮬레이션에서 균일하게 분산된 25,000개의 등방성 점 광원으로 이루어진 2㎜×2㎜ 크기의 평면 광원을 유기층의 중간에 위치시켰다.
도 9는 제1 광추출향상층의 마이크로 렌즈와 제2 광추출향상층의 마이크로 콘의 높이에 따른 외부양자효율의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 9를 참조하면, 마이크로 렌즈와 마이크로 콘의 높이가 각각 35㎛ 와 80㎛ 일 때 외부양자효율이 가장 큰 값을 갖는 것으로 나타난다. 도 10은 마이크로 렌즈와 마이크로 콘의 높이가 각각 35㎛ 와 80㎛ 일 때 제1 광추출향상층과 제2 광추출향상층의 굴절률에 따른 외부양자효율의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 10을 참조하면, 제1 광추출향상층의 굴절률이 1.8 이고, 제2 광추출향상층의 굴절률이 1.5 인 경우에 외부양자효율이 가장 큰 값을 갖는다. 또한, 이 경우 광추출향상층을 사용하지 않은 경우와 비교하여 약 2.7배 외부양자효율이 향상된 것으로 나타나는데 이것은 실시예과 비교예에서 실험적으로 측정한 값인 2.6배 외부양자효율이 향상된 것과 일치한다.
100, 200: 유기 발광 소자 101: 기판
110: 하부전극 120: 유기층
123: n-도핑층 125: 유기발광층
126: 정공수송층 127: 정공주입층
130: 상부전극 141: 제1 광추출향상층
142: 제2 광추출향상층 224: 제2 전자수송층

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 투명한 하부전극;
    상기 하부전극 상에 형성되고 상기 하부전극과 대향된 투명한 상부전극;
    상기 하부전극과 상기 상부전극 사이에 개재되고, n-도핑층, 상기 n-도핑층 상에 형성된 유기발광층, 상기 유기발광층 상에 형성된 정공수송층 및 상기 정공수송층 상에 형성되고 시아노기 함유 화합물로 이루어진 정공주입층을 포함하는 유기층;
    상기 상부전극 상에 형성된 제1 광추출향상층; 및
    상기 기판 하에 형성된 제2 광추출향상층; 을 포함하되,
    상기 제1 광추출향상층은 상기 제1 광추출향상층의 높이에 수직인 평면에 대하여 50° 내지 80°의 경사와 50-100㎛의 높이를 갖는 복수개의 제1 볼록부의 배열을 포함하는 양면 발광형 유기 발광 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광추출향상층 및 상기 제2 광추출향상층이 서로 독립적으로 유기물, 무기물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 양면 발광형 유기 발광 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광추출향상층 및 상기 제2 광추출향상층의 가시 광선 투과율이 서로 독립적으로 70% 내지 99%인 양면 발광형 유기 발광 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광추출향상층은 1.4 내지 2.2의 굴절률을 갖는 양면 발광형 유기 발광 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광추출향상층이 상기 상부전극과 접촉하는 제1 입사면 및 상기 제1 입사면의 반대측에 위치한 제1 출사면을 갖고, 상기 제1 볼록부의 배열이 상기 제1 출사면 상에 형성된 양면 발광형 유기 발광 소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 복수개의 제1 볼록부의 표면적을 상기 제1 출사면의 표면적으로 나눈 값으로 정의되는 필팩터가 50% 내지 100%인 양면 발광형 유기 발광 소자.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 볼록부는 콘(원뿔) 형상, 다각형의 각뿔 형상 또는 이들의 윗면이 잘린 형상을 갖는 양면 발광형 유기 발광 소자.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 볼록부는 밑면의 직경이 1㎛ 내지 500㎛인 원뿔을 갖는 양면 발광형 유기 발광 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광추출향상층이 상기 기판과 접촉하는 제2 입사면 및 상기 제2 입사면의 반대측에 위치한 제2 출사면을 가지고, 상기 제2 출사면 상에는 복수개의 제2 볼록부의 배열이 형성된 양면 발광형 유기 발광 소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수개의 제2 볼록부의 표면적을 상기 제2 출사면의 표면적으로 나눈 값으로 정의되는 필팩터가 50% 내지 100%인 양면 발광형 유기 발광 소자.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 볼록부는 원뿔 형상, 필라 형상, 피라미드 형상 또는 렌즈 형상을 갖는 양면 발광형 유기 발광 소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2 볼록부는 높이가 1㎛ 내지 500㎛이고 밑면의 직경이 1㎛ 내지 500㎛인 렌즈 형상을 갖는 양면 발광형 유기 발광 소자.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 n-도핑층은 제1 전자수송물질 및 상기 제1 전자수송물질에 도핑된 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Cs2CO3, Rb2CO3, Ba2CO3, 피로닌 B(pyronin B), DMC(decamethylcobaltocene, 데카메틸코발토센), BEDTTTF(bis(ethylenedithio)-tetrathiafulvalene, 비스(에틸렌디티오)-테트라티아풀발렌), 로다민B(rhodamin B), TMBI (1,2,3-trimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole, 1,2,3-트리메틸-2-페닐-2,3-디히드로-1H-벤조이미다졸), DMBI (1,3-dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole, 1,3-디메틸-2-페닐-2,3-디히드로-1H-벤조이미다졸), Cl-DMBI (dichlorophenyl-1,3-dimethyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole, 디클로로페닐-1,3-디메틸-2,3-디히드로-1H-벤조이미다졸), N-DMBI (4-(1,3-dimethyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole-2-yl)-phenyl)-dimethyl-amine, 4-(1,3-디메틸l-2,3-디히드로-1H-벤조이미다졸-2-일)-페닐)-디메틸-아민), OH-DMBI (2-(1,3-dimethyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazol-2-yl)-phenol, 2-(1,3-디메틸-2,3-디히드로-1H-벤조이미다졸-2-일)-페놀), PTCDI-C13(N,N′-ditridecylperylene-3,4:9,10-tetracarboxylic acid diimide, N,N′-디트리데실페릴렌-3,4:9,10-테트라카르복실산 디이미드) 또는 F-PTCDI-C4(N,N′-dibutyl-1,7-difluoroperylene-3,4:9,10-tetracarboxylic acid diimide, N,N′-디부틸-1,7-디플루오로페릴렌-3,4:9,10- 테트라카르복실산 디이미드) 중 적어도 1종을 포함하는 양면 발광형 유기 발광 소자.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 n-도핑층은 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Cs2CO3, Rb2CO3, Ba2CO3, 피로닌 B, DMC, BEDTTTF, 로다민B, TMBI, DMBI, Cl-DMBI, N-DMBI, OH-DMBI, PTCDI-C13 또는 F-PTCDI-C4 중 적어도 1종으로 이루어진 불순물층 및 상기 불순물층 상에 형성된 제1 전자수송물질을 포함하는 제1 전자수송층을 포함하는 양면 발광형 유기 발광 소자.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 불순물층의 두께가 2Å 내지 100Å인 양면 발광형 유기 발광 소자.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 시아노기 함유 화합물이 헥사아자트리페닐렌 헥사카보니트릴(HAT-CN)인 양면 발광형 유기 발광 소자.
  17. 삭제
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광추출향상층은 1.4 내지 2.2의 굴절률을 갖는 양면 발광형 유기 발광 소자.
  19. 제1항 내지 제16항 및 제18항 중 어느 한 항에 따른 양면 발광형 유기 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치.
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