KR101715844B1 - 기공을 포함한 광추출층 - Google Patents

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Abstract

기공을 포함하는 복수의 광추출층이 개시된다. 개시된 광추출층은, 투명 기판 상에 배치된 것으로, 상기 광추출층은 적어도 두개의 금속산화물층으로 이루어지며, 적어도 하나의 상기 금속 산화물층에서 상기 투명기판을 향한 제1면과 상기 제1면과 반대측의 제2면에는 각각 복수의 기공이 형성된다.

Description

기공을 포함한 광추출층 {Light extraction layer having voids}
개시된 실시예들은 기공을 가진 복수의 광추출층에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적어도 하나의 광추출층의 표면에 기공이 형성되어서 광추출 효율을 향상시키는 광추출층에 관한 것이다.
유기 발광 소자(OLED)는 예를 들어, 화합물 반도체 재료로 이루어지는 점광원 소자인 LED(Light Emitting Diode)와는 다르게, 면발광이 가능할 뿐만 아니라, 낮은 소비전력, 높은 야외 시인성, 가요성(flexible) 등과 같은 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 이유로 OLED는 디스플레이 장치뿐만 아니라 조명 분야에서도 많은 관심을 받고 있다. 그런데, OLED는 통상적으로 발광된 빛의 약 20% 정도만 외부로 방출될 정도로 광추출 효율이 낮은 편이다. 이러한 낮은 광추출 효율은 주로 유기 발광층과 외부의 공기 사이의 굴절률 차이에 기인한다. 즉, 유기 발광층에서 발생하는 빛 중에서 특정한 각도 영역의 빛만 외부로 방출되고, 나머지 각도 영역의 빛은 공기와의 계면에서 발생하는 전반사로 인해 OLED 내부에서 흡수되어 사라지게 된다.
OLED의 광추출 효율을 향상시키기 위해 다양한 구조의 광추출층이 사용되고 있다. 예를 들어, 기판의 외부 표면 상에 마이크로렌즈 어레이 형태의 광추출층을 부착할 수 있다. 그러나, 기판의 외부 표면에 형성된 외부 광추출층은 OLED 내부의 층들 사이에서 발생하는 광손실을 방지할 수 없어서 효율 향상에 한계가 있다.
이에 따라, OLED 내부에 광추출층을 구현하기 위한 다양한 구조들이 제안되고 있다. 예를 들어, 이러한 내부 광추출층은 기판과 투명 전극 사이에 배치되는 것이 일반적이다. 내부 광추출층은 빛의 경로를 외부로 바꾸기 위해 통상적으로 요철이나 산란체를 포함하고 있는데, 이로 인해 투명 전극의 표면 평탄도가 저하될 수 있다. 투명 전극의 표면 평탄도가 저하되면, 정공 및 전자와 같은 전하들이 특정 영역에 집중되어 OLED의 전기적 특성이 악화될 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 광추출층과 투명 전극 사이에 평탄층이 더 추가될 수 있다.
이종 물질층 사이의 원자 확산 속도 차이에 의해 상기 이종 물질층의 경계면에 광산란 요소를 형성한 복수의 광추출층을 제공한다.
일 실시예에 따른 기공을 포함한 복수의 광추출층은:
투명 기판 상에 배치된 것으로, 평탄한 상부 표면을 갖는 투명한 광추출층이며,
상기 광추출층은 적어도 두개의 금속산화물층으로 이루어지며, 적어도 하나의 상기 금속 산화물층에서 상기 투명기판을 향한 제1면과 상기 제1면과 반대측의 제2면에는 각각 복수의 기공(void)이 형성된다.
상기 적어도 두개의 금속산화물층은 상기 투명기판 상에 순차적으로 적층된 Zn 산화물층과 Al 산화물층을 포함한다.
상기 복수의 기공은 상기 Zn 산화물층의 양면에 형성될 수 있다.
상기 Zn 산화물층에서 상기 투명 기판과 접촉하는 제1 기공이 상기 Al 산화물층과 접촉하는 제2 기공 보다 더 클 수 있다.
상기 Zn 산화물층은 0.5 ~ 1 ㎛ 두께를 가질 수 있다.
상기 Al 산화물층은 10nm ~ 1 ㎛ 두께를 가질 수 있다.
일 국면에 따르면, 상기 Al 산화물층 상에 다른 Zn 산화물층이 더 배치되며, 상기 Al 산화물층과 접촉하는 상기 다른 Zn 산화물층의 표면에 복수의 기공이 형성된다.
다른 국면에 따르면, 상기 Zn 산화물층과 상기 투명 기판 사이에 다른 Al 산화물층이 더 배치된다.
상기 제1면에 형성된 기공과 상기 제2면에 형성된 기공은 각각 다른 층과 접촉하게 상기 하나의 상기 금속 산화물층에서 그루브 형태일 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 복수의 광추출층 중 적어도 하나의 광추출층의 표면에 광산란 요소인 기공이 형성되며, 광추출층의 상부 표면이 편평하기 때문에 광추출 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광추출층을 포함하는 발광 소자의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 2는 일 실시예에 따른 광추출층을 포함하는 발광 소자의 산란도를 측정한 결과를 보여주는 그래프다.
도 3은 일 실시예에 따른 광추출층이 적용된 OLED소자의 광추출효율에 대한 파동광학 simulation의 결과를 보여주는 그래프다.
도 4는 다른 실시예에 따른 광추출층을 포함하는 발광소자의 구조를 보여주는 단면도다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광추출층을 포함하는 발광소자의 구조를 보여주는 단면도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 광추출층을 포함하는 발광 소자(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 1을 참조하면, 투명 기판(110)의 상부 표면에 투명한 광추출층(120)이 배치되어 있다. 광추출층(120) 상에는 투명 전극(130), 발광층(140), 및 반사 전극(150)이 순차적으로 적층되어 있다.
투명기판(110)은 투명한 유리나 투명한 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 투명기판(110)으로 알루미노 실리케이트 유리를 사용하였다.
투명 전극(130)은 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명 전도성 산화물로 이루어질 수 있다. 또한, 투명 전도성 산화물 이외에도, 그래핀(graphene)을 사용하거나, 또는 금속을 빛이 투과할 수 있는 매우 얇은 두께로 형성하여 투명 전극(130)으로서 사용할 수도 있다.
반사 전극(150)은 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등과 같이 반사성이 우수한 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
발광층(140)은 예를 들어 유기 발광 재료로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되는 것은 아니며, 유기 발광 재료 이외에도 발광층(140)의 재료로서 예를 들어 양자점과 같은 무기 발광 재료나 다른 발광 재료를 사용할 수 있다. 도면에는 상세히 도시되지 않았지만, 투명 전극(130)이 양극이고 반사 전극(150)이 음극인 경우에, 투명 전극(130)과 발광층(140) 사이에는 정공 주입층과 정공 수송층이 더 개재될 수 있으며, 반사 전극(150)과 발광층(140) 사이에는 전자 주입층과 전자 수송층이 더 개재될 수도 있다. 또한, 투명 전극(130)이 음극이고 반사 전극(150)이 양극인 경우에는, 투명 전극(130)과 발광층(140) 사이에 전자 주입층과 전자 수송층이 더 개재될 수 있으며, 반사 전극(150)과 발광층(140) 사이에 정공 주입층과 정공 수송층이 더 개재될 수도 있다.
광추출층(120)은 제1 광추출층(121) 및 제2 광추출층(122)을 포함한다. 제1 광추출층(121) 및 제2 광추출층(122)은 각각 서로 다른 금속 산화물로 형성된다. 제1 광추출층(121) 및 제2 광추출층(122)은 열처리에 의해서 원자의 확산속도가 다른 물질로 이루어져 있다. 열처리는 700℃ 정도에서 수시간 수행될 수 있다.
예컨대, 제1 광추출층(121)은 Zn 산화물층이며, 제2 광추출층(122)은 Al 산화물층일 수 있다. 이하에서는 제1 광추출층(121)이 Zn 산화물층이며, 제2 광추출층(122)이 Al 산화물층인 예를 가지고 설명한다. 열처리에 의해 원자 확산속도가 빠른 Zn 원자가 Al 산화물층으로 이동하는 속도가 더 빠르며, 따라서, Zn 산화물층에 기공이 형성된다.
한편, 고온에서 열처리시 열팽창 계수의 차이로 광추출층(120)의 깊이 방향으로 스트레스가 발생하고, 이는 원자의 확산을 촉진시킨다. 스트레스의 크기는 열팽창 계수가 상대적으로 큰 Al 산화물층의 두께에 의해 결정될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광추출층의 산란도를 측정한 결과를 보여주는 그래프다.
도 2는 글래스 기판 상에 Zn 산화물층 및 Al 산화물층이 적층된 구조에서 열처리에 의해 Zn 산화물층의 양면에 기공이 형성된 광추출층 구조를 가지고 400 nm 파장의 산란도를 측정한 결과를 보여준다. Al 산화물층의 두께가 증가함에 따라 산란도(Haze)가 증가되는 것을 볼 수 있다. 즉, 도 2의 그래프는 Al 산화물층의 두께에 의해 기공의 크기 및 밀도가 달라질 수 있는 것을 보여준다. 도 2에서 Al 산화물층의 두께가 제로인 경우는 Zn 산화물층에 기공이 없는 상태에서의 산란도를 보여준다. 도 2의 Haze(%)는 광추출층에 수직으로 광을 입사시킨 후, 수직으로 진행하지 않고 산란되어 퍼진 빛의 비율을 측정한 데이터다.
제1 광추출층(121)은 0.5~1 ㎛ 두께로 형성될 수 있다. 제1 광추출층(121)에서 투명기판(110)과 접촉하는 제1면(121a)에는 제1 기공(125)이 형성되며, 제2 광추출층(122)과 접촉하는 제2면(121b)에는 제2 기공(126)이 형성된다. 제1 기공(125)은 제2 기공(126) 보다 크다. 제1 기공(125)은 200~400nm 크기의 기공일 수 있으며, 제2 기공(126)은 수십 nm 크기의 기공일 수 있다. 제1 광추출층(121)의 두께가 0.5㎛ 보다 작으면 제1 기공(125)이 제2 기공(126)과 접촉하여 제1 광추출층(121)에 홀이 형성될 수 있다. 제1 기공(125) 및 제2 기공(126)은 각각 다른 물질층(110, 122)과 접촉하게 그루브 형상을 가진다.
제2 광추출층(222)은 10nm ~ 1 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.
광추출층(120)은 발광층(140)에서 발생하여 투명 전극(130)을 통과한 빛이 투명 기판(110)에서 전반사되는 것을 최소화하기 위해 빛의 진행 경로를 바꾸어주는 역할을 한다. 이를 위해, 광추출층(120)에는 다수의 기공들이 형성되어 있다. 기동들의 굴절률은 광추출층(120)의 굴절률과 다르다. 따라서, 투명 전극(130)에 의해 전반사되는 각도 범위로 광추출층(120) 내부를 진행하는 빛은 기공에 의해 진행 각도가 바뀔 수 있다. 예를 들어, 투명 기판(110)의 상부 표면의 법선을 기준으로 높은 각도로 진행하던 빛의 진행 각도가 기공들에 의해 투명 기판(110)의 상부 표면의 법선에 가까운 각도로 변경될 수 있다. 이러한 효과는 광추출층(120)과 기공(121, 122) 사이의 굴절률 차이가 클수록 향상될 수 있다.
한편, 광추출층(120)은 기공(121, 122)으로 인하여 광추출층(120)의 상부 표면이 울퉁불퉁해지면, 그 위에 형성되는 투명 전극(130)의 평탄도도 악화될 수 있다. 그러면, 정공 및 전자와 같은 전하들이 투명 전극(130)의 특정 영역에 집중되면서 발광 소자(100)의 전기적 특성이 열화될 수 있다. 따라서, 광추출층(120)의 상부 표면에 요철이 생기지 않아야 한다. 제1 광추출층(121)의 제2면(121b)에 기공이 형성되어 있지만, 제2 광추출층(122)의 상부 표면이 평탄한 상태를 유지하고 있다. 따라서, 본 실시예에서는 기공(121, 122)이 형성되면서도 편평도가 저하되지 않으므로 광추출효율을 효과적으로 증대시킬 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 광추출층이 적용된 OLED소자의 광추출효율에 대한 파동광학 simulation의 결과를 보여주는 그래프다. 도 3의 광추출 비는 가시광선 영역에서의 광추출 효율의 평균값이다. 해석은 Finite Difference in Time Domain (FDTD)방법에 의해 실행되었으며, 변수로서 기공의 크기를 사용하였다. 기공의 종횡비(Aspect ratio)는 1.5이다. 제1 광추출층인 Al 산화물층 및 제2 광추출층인 Zn 산화물층의 두께는 각각 500nm, 50nm 이였다. 제1면에 형성된 기공의 높이가 300nm 일 때, 광추출효율이 1.7배 이상 증가하는 것을 볼 수 있다. 광추출효율이 1 인 경우는 광추출층이 없는 상태를 나타낸다.
도 4는 다른 실시예에 따른 광추출층을 포함하는 발광소자(200)의 구조를 보여주는 단면도다. 도 1의 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 광추출층(220)은 투명 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 제1 광추출층(221), 제2 광추출층(222) 및 제3 광추출층(223)을 포함한다. 제1 광추출층(221) 및 제2 광추출층(222)은 각각 서로 다른 금속 산화물로 형성되며, 제2 광추출층(222)과 제3 광추출층(223)도 서로 다른 금속 산화물로 형성된다. 제1 광추출층(221)과 제3 광추출층(223)은 동일한 금속 산화물로 형성될 수 있다. 이하에서는 제1 광추출층(221)과 제3 광추출층(223)이 동일한 금속 산화물로 형성된 실시예를 설명한다.
제1 광추출층(221) 및 제2 광추출층(222)은 열처리에 의해서 원자의 확산속도가 다른 물질로 이루어져 있다. 예컨대, 제1 광추출층(221)은 Zn 산화물층이며, 제2 광추출층(222)은 Al 산화물층일 수 있다. 이하에서는 제1 광추출층(221)과 제3 광추출층(223)이 Zn 산화물층이며, 제2 광추출층(222)이 Al 산화물층인 예를 가지고 설명한다. 열처리에 의해 원자 확산속도가 빠른 Zn 원자가 Al 산화물층으로 이동하는 속도가 더 빠르며, 따라서, Zn 산화물층에 기공이 형성된다.
한편, 고온에서 열처리시 열팽창 계수의 차이로 광추출층(220)의 깊이 방향으로 스트레스가 발생하고, 이는 원자의 확산을 촉진시킨다. 스트레스의 크기는 열팽창 계수가 상대적으로 큰 Al 산화물층의 두께에 의해 결정될 수 있다.
제1 광추출층(221) 및 제3 광추출층(223)은 0.5~1 ㎛ 두께로 형성될 수 있다. 제1 광추출층(221)에서 투명기판(210)과 접촉하는 제1면(221a)에는 제1 기공(225)이 형성되며, 제2 광추출층(222)과 접촉하는 제2면(221b)에는 제2 기공(226)이 형성된다. 제1 기공(225)은 제2 기공(226) 보다 크다. 제1 기공(225)은 200~400nm 크기의 기공일 수 있으며, 제2 기공(226)은 수십 nm 크기의 기공일 수 있다. 제1 광추출층(221)의 두께가 0.5㎛ 보다 작으면 제1 기공(225)이 제2 기공(226)과 접촉하여 제1 광추출층(221)에 홀이 형성될 수 있다.
제2 광추출층(222)은 10nm ~ 1 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.
제3 광추출층(223)에서 제2 광추출층(222)과 접촉하는 제1면(223a)에는 제3 기공(227)이 형성된다. 제3 기공(227)의 크기는 200~400nm 일 수 있다.
광추출층(220)의 상부 표면에 요철이 생기지 않아야 한다. 제3 광추출층(223)의 상부 표면이 평탄한 상태를 유지하고 있다.
광추출층(220)에서의 기공(225~227)의 증가로 광의 추출 효과가 증가될 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광추출층을 포함하는 발광소자(300)의 구조를 보여주는 단면도다. 도 1의 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 광추출층(320)은 투명 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 제1 광추출층(321), 제2 광추출층(322) 및 제3 광추출층(323)을 포함한다. 제1 광추출층(321) 및 제2 광추출층(322)은 각각 서로 다른 금속 산화물로 형성되며, 제2 광추출층(322)과 제3 광추출층(323)도 서로 다른 금속 산화물로 형성된다. 제1 광추출층(321)과 제3 광추출층(323)은 동일한 금속 산화물로 형성될 수 있다. 이하에서는 제1 광추출층(321)과 제3 광추출층(323)이 동일한 금속 산화물로 형성된 실시예를 설명한다.
제1 광추출층(321) 및 제2 광추출층(322)은 열처리에 의해서 원자의 확산속도가 다른 물질로 이루어져 있다. 예컨대, 제1 광추출층(321)은 Al 산화물층이며, 제2 광추출층(322)은 Zn 산화물층일 수 있다. 이하에서는 제1 광추출층(321)과 제3 광추출층(323)이 Al 산화물층이며, 제2 광추출층(322)이 Zn 산화물층인 예를 가지고 설명한다. 열처리에 의해 원자 확산속도가 빠른 Zn 원자가 Al 산화물층으로 이동하는 속도가 더 빠르며, 따라서, Zn 산화물층에 기공이 형성된다.
한편, 고온에서 열처리시 열팽창 계수의 차이로 광추출층(320)의 깊이 방향으로 스트레스가 발생하고, 이는 원자의 확산을 촉진시킨다. 스트레스의 크기는 열팽창 계수가 상대적으로 큰 Al 산화물층의 두께에 의해 결정될 수 있다.
제1 광추출층(321) 및 제3 광추출층(323)은 10nm ~ 1 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.
제2 광추출층(322)은 0.5~1 ㎛ 두께로 형성될 수 있다. 제2 광추출층(322)에서 투명기판(310)과 접촉하는 제1면(322a)에는 제1 기공(325)이 형성되며, 제2 광추출층(322)과 접촉하는 제2면(322b)에는 제2 기공(326)이 형성된다. 제1 기공(325)과 제2 기공(326)은 수십 nm 크기의 기공일 수 있다.
제2 광추출층(320)의 상부 및 하부에 각각 배치된 제3 광추출층(323) 및 제1 광추출층(321)에 의해 광추출층(320)의 평탄도가 더 증가할 수 있다. 또한, 기공이 형성되는 영역이 증가되므로, 광추출 효율의 증가가 예상된다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 발광 소자 110: 투명 기판
120: 광추출층 121: 제1 광추출층
122: 제2 광추출층 125: 제1 기공
126: 제2 기공 130: 투명 전극
140: 발광층 150: 반사 전극

Claims (15)

  1. 투명 기판 상에 배치된 것으로, 평탄한 상부 표면을 갖는 투명한 광추출층으로, 상기 광추출층은 적어도 두개의 금속산화물층으로 이루어지며, 적어도 하나의 상기 금속 산화물층에서 상기 투명기판을 향한 제1면과 상기 제1면과 반대측의 제2면에는 각각 복수의 기공(void)이 형성되며,
    상기 적어도 두개의 금속산화물층은 상기 투명기판 상에 순차적으로 적층된 Zn 산화물층과 Al 산화물층이며,
    상기 복수의 기공은 상기 Zn 산화물층의 양면에 형성되며,
    상기 Zn 산화물층에서 상기 투명 기판과 접촉하는 제1 기공이 상기 Al 산화물층과 접촉하는 제2 기공 보다 더 큰 광추출층.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 Zn 산화물층은 0.5 ~ 1 ㎛ 두께를 가진 광추출층.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 Al 산화물층은 10nm ~ 1 ㎛ 두께를 가진 광추출층.
  7. 삭제
  8. 투명 기판 상에 배치된 것으로, 평탄한 상부 표면을 갖는 투명한 광추출층으로, 상기 광추출층은 적어도 3개의 금속산화물층으로 이루어지며, 적어도 하나의 상기 금속 산화물층에서 상기 투명기판을 향한 제1면과 상기 제1면과 반대측의 제2면에는 각각 복수의 기공(void)이 형성되며,
    상기 적어도 3개의 금속산화물층은 상기 투명기판 상에 순차적으로 적층된 Zn 산화물층과 Al 산화물층과 다른 Zn 산화물층을 더 포함하며,
    상기 복수의 기공은 상기 Zn 산화물층의 양면에 형성되며,
    상기 Zn 산화물층에서 상기 투명 기판과 접촉하는 제1 기공이 상기 Al 산화물층과 접촉하는 제2 기공 보다 더 크며,
    상기 다른 Zn 산화물층에서 상기 Al 산화물과 접촉하는 표면에 복수의 기공이 형성된 광추출층.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 Zn 산화물층과 상기 다른 Zn 산화물층은 각각 0.5 ~ 1 ㎛ 두께를 가진 광추출층.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 Al 산화물층은 10nm ~ 1 ㎛ 두께를 가진 광추출층.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두개의 금속산화물층은 상기 Zn 산화물층과 상기 투명 기판 사이에 배치된 다른 Al 산화물층을 더 포함하는 광추출층.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 Zn 산화물층은 0.5 ~ 1 ㎛ 두께를 가진 광추출층.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 Al 산화물층은 10nm ~ 1 ㎛ 두께를 가진 광추출층.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1면에 형성된 기공과 상기 제2면에 형성된 기공은 각각 다른 층과 접촉하게 상기 하나의 상기 금속 산화물층에서 그루브 형상인 광추출층.
  15. 제 1 항의 광추출층;
    상기 광추출층의 상부 표면 상의 투명전극;
    상기 투명전극 상에 배치된 발광층; 및
    상기 발광층 상에 배치된 반사전극을 포함하는 복수의 광추출층을 가진 발광소자.
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