KR101932298B1 - 나노입자 및 주기적 구조체를 갖는 oled 광 추출 필름 - Google Patents

나노입자 및 주기적 구조체를 갖는 oled 광 추출 필름 Download PDF

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Abstract

나노입자 및 가공된 주기적 구조체를 갖는 광 추출 필름. 광 추출 필름은 실질적으로 투명한 기재; 기재 상의 저굴절률의 1차원 또는 2차원의 주기적 구조체; 및 주기적 구조체 위에 적용된 고굴절률의 평탄화 백필 층을 포함한다. 광 산란 나노입자는 주기적 구조체 위에 층으로 적용되거나 또는 백필 층 내에 포함된다.

Description

나노입자 및 주기적 구조체를 갖는 OLED 광 추출 필름{OLED LIGHT EXTRACTION FILMS HAVING NANOPARTICLES AND PERIODIC STRUCTURES}
유기 발광 다이오드 (OLED) 장치는 캐소드와 애노드 사이에 개재되는 전계발광 유기 재료(electroluminescent organic material)의 박막을 포함하며, 이들 전극 중 하나 또는 둘 모두는 투명 전도체이다. 장치를 가로질러 전압이 인가될 때, 전자 및 정공이 그들 각각의 전극으로부터 주입되어, 발광 여기자(emissive exciton)의 중간 형성을 통해 전계발광 유기 재료 내에서 재조합된다.
OLED 장치에서, 발생된 광의 70% 초과가 전형적으로 장치 구조 내에서의 공정들로 인해 손실된다. 고굴절률의 유기 및 산화인듐주석(ITO) 층들과 저굴절률의 기판 층들 사이의 계면에서 광이 갇히는 것이 이러한 열악한 추출 효율의 주요 원인이다. 방출된 광의 상대적으로 적은 양만이 투명 전극을 통하여 "유용한" 광으로서 나온다. 광의 대부분은 내부 반사를 겪는데, 이로 인해 장치의 에지로부터 방출되거나 장치 내에 갇히며, 결국 반복하여 통과된 후에 장치 내의 흡수로 손실된다.
광 추출 필름은 내부 나노구조체를 이용하여 장치 내의 도파 손실(waveguiding loss)을 피한다. 광결정 또는 선형 격자와 같은 규칙적인 특징부를 포함하는 내부 나노구조체는, 강한 광 추출을 제공하지만, 방출된 광의 각분포 및 분광 분포에 있어서 회절 관련된 편차를 생성하는 경향이 있으며, 이는 최종 응용에 바람직하지 않을 수 있다. 따라서, 출력되는 광에서 바람직하지 않은 휘도(luminance) 및 색상의 각 불균일성(angular non-uniformity)을 또한 감소시키면서, 나노구조체를 통한 광 추출의 효율을 동시에 향상시키는 광 추출 필름에 대한 요구가 존재한다.
본 발명에 따른 광 추출 필름은 실질적으로 투명한 기재(substrate); 기재 상의 저굴절률의 주기적 구조체; 및 주기적 구조체 위에 적용된 고굴절률의 평탄화 백필(planarizing backfill) 층을 포함한다. 광 산란 나노입자는 주기적 구조체 위에 단층으로 또는 서브-단층(sub-monolayer)으로 적용되거나, 또는 백필 층 내에 포함된다.
주기적 구조체와 광 산란 나노입자의 조합은 더욱 균일한 휘도 및 분광 분포를 갖는 향상된 광 추출을 제공한다.
첨부 도면은 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 이점 및 원리를 설명한다.
<도 1>
도 1은 주기적 구조체 위에 서브-단층으로 적용된 나노입자를 갖는 광 추출 필름의 다이어그램;
<도 2>
도 2는 백필 층 전반에 분포된 나노입자를 갖는 광 추출 필름의 다이어그램;
<도 3>
도 3은 1차원 주기적 구조체의 사시도;
<도 4>
도 4는 2차원 주기적 구조체의 사시도;
<도 5>
도 5는 광 추출 필름을 OLED 장치에 라미네이팅하는 것을 나타내는 다이어그램;
<도 6>
도 6은 광 추출 필름을 OLED 장치에 라미네이팅하는 것을 나타내는 다이어그램;
<도 7>
도 7은 1D 구조화된 필름 상에 코팅된 나노입자의 이미지;
<도 8>
도 8은 2D 구조화된 필름 상에 코팅된 나노입자의 이미지;
<도 9a>
도 9a는 1D 구조화된 필름 상의 나노입자의 평면도의 이미지;
<도 9b>
도 9b는 1D 구조화된 필름 상의 나노입자의 단면도의 이미지;
<도 10>
도 10은 2D 구조화된 필름 상의 나노입자의 이미지;
<도 11a>
도 11a는 나노입자를 갖는 2D 구조화된 필름을 갖는 샘플 및 나노입자를 갖지 않는 2D 구조화된 필름을 갖는 샘플에 대한 극각(polar angle)의 함수로서의 휘도를 나타내는 도면;
<도 11b>
도 11b는 편평한 필름 상의 나노입자를 사용하여 제조된 샘플에 대한 극각의 함수로서의 휘도를 나타내는 도면;
<도 12>
도 12는 나노입자를 갖는 1D 구조화된 필름을 갖는 샘플 및 나노입자를 갖지 않는 1D 구조화된 필름을 갖는 샘플에 대한, 그리고 나노입자 또는 나노구조체를 갖지 않는 유리 기재를 사용하여 제조된 샘플에 대한, 극각의 함수로서의 휘도를 나타내는 도면;
<도 13>
도 13은 1D 구조체에 의해 부분적으로 정돈된 나노입자의 이미지.
본 발명의 실시 형태는 광 추출 필름 및 OLED 장치를 위한 그의 용도에 관한 것이다. 광 추출 필름의 예는 미국 특허 출원 공개 제2009/0015757호 및 제2009/0015142호에 기재되어 있으며, 이들 둘 모두는 완전히 설명된 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된다.
도 1은 주기적 구조체와, 주기적 구조체 상에 위치된 나노입자를 갖는 광 추출 필름(10)의 구조의 다이어그램이다. 광 추출 필름(10)은 실질적으로 투명한 기재(12; 가요성, 경성(rigid), 또는 윈도우 층), 저굴절률의 주기적 구조체(14), 주기적 구조체(14) 위에 표면 층 방식으로 분산된 나노입자(16), 및 주기적 구조체(14) 및 나노입자(16) 위에 실질적으로 평탄한 표면(19)을 형성하는 고굴절률의 평탄화 백필 층(18)을 포함한다. 용어 "실질적으로 평탄한 표면"은 백필 층이 하부 층을 평탄화시키지만, 약간의 표면 편차가 실질적으로 평탄한 표면에 존재할 수 있음을 의미한다.
도 2는 주기적 구조체 및 나노입자를 갖는 다른 광 추출 필름(20)의 구조의 다이어그램이다. 광 추출 필름(20)은 실질적으로 투명한 기재(22; 가요성, 경성, 또는 윈도우 층), 저굴절률의 주기적 구조체(24), 나노입자(26), 및 주기적 구조체(24) 및 나노입자(26) 위에 실질적으로 평탄한 표면(29)을 형성하는 고굴절률의 평탄화 백필 층(28)을 포함한다. 이 실시 형태에서, 나노입자(26)는, 광 추출 필름(10)에 대해 나타낸 바와 같은 표면 층 방식이 아니라, 백필 층(28) 전반에, 예를 들어, 부피 분포(volume distribution)로 분포된다.
광 추출 필름(10, 20)을 위한 주기적 구조체는, 실시예에 나타낸 바와 같이, 기재와 일체로 형성될 수 있거나, 또는 기재에 적용되는 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기재에 저굴절률 재료를 적용하고, 후속적으로 재료를 패턴화함으로써, 주기적 구조체가 기재 상에 형성될 수 있다. 또한, 주기적 구조체는 나노구조체 또는 마이크로구조체로 구현될 수 있다. 나노구조체는 적어도 하나의 치수, 예를 들어, 폭이 1 마이크로미터 미만인 구조체이다. 마이크로구조체는 적어도 하나의 치수, 예를 들어, 폭이 1 마이크로미터 내지 1 밀리미터인 구조체이다. 광 추출 필름(10, 20)을 위한 주기적 구조체는 1차원 (1D)일 수 있는데, 이는 단지 1차원에서 주기적임, 즉, 최근린(nearest-neighbor) 특징부가 표면을 따라 하나의 방향에서는 균등하게 이격되어 있으나 직교 방향을 따라서는 그렇지 않음을 의미한다. 1D 주기적 나노구조체의 경우에, 인접한 주기적 특징부들 사이의 간격이 1 마이크로미터 미만이다. 1차원 구조체는, 예를 들어, 연속하거나 긴 프리즘 또는 리지(ridge), 또는 선형 격자를 포함한다. 도 3은 기재(30) 상의, 이러한 예의 선형 프리즘의, 1D 주기적 구조체(32)를 나타내는 사시도이다.
광 추출 필름(10, 20)을 위한 주기적 구조체는 또한 2차원 (2D)일 수 있는 데, 이는 2차원에서 주기적임, 즉, 최근린 특징부가 표면을 따라 두 상이한 방향에서 균등하게 이격되어 있음을 의미한다. 2D 나노구조체의 경우에, 두 방향 모두에서의 간격이 1 마이크로미터 미만이다. 상이한 두 방향에서의 간격은 상이할 수 있음에 유의한다. 2차원 구조체에는, 예를 들어, 렌즈릿(lenslet), 피라미드, 사다리꼴, 원형 또는 정방형 기둥, 또는 광결정 구조체가 포함된다. 2차원 구조체의 다른 예에는, 완전히 설명된 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2010/0128351호에 기재된 바와 같은 만곡 측면 원뿔(curved sided cone) 구조체가 포함된다. 도 4는 기재(34) 상의 이러한 예의 피라미드의 2D 주기적 구조체(36)를 나타내는 사시도이다.
광 추출 필름(10, 20)을 위한, 서브마이크로미터(sub-micron) 입자로 또한 지칭되는 나노입자는 나노구조체에 대한 범위 이내의 크기를 가지며, 특정 필름에 대한 범위 이내의 동일한 크기 또는 상이한 크기일 수 있다. 하기에 추가로 설명되고 실시예에 예시된 바와 같이, 나노입자가 특정 크기 범위 이내이고 백필 층과 상이한 굴절률을 갖는 경우에 나노입자는 또한 광 산란 나노입자이다. 예를 들어, 나노입자는 직경이 100 ㎚ 내지 1,000 ㎚의 범위일 수 있거나, 또는 나노입자는 직경이 10 ㎚ 내지 300 ㎚의 범위일 수 있으며, 100 ㎚ 내지 1,000 ㎚ 범위의 크기를 갖는 응집체(agglomeration)를 형성할 수 있다. 게다가, 나노입자는 혼합된 입자 크기, 즉 440 ㎚ 또는 500 ㎚ 나노입자와 혼합된 300 ㎚ 나노입자와 같이 함께 혼합된 큰 나노입자 및 작은 나노입자로 구현될 수 있는데, 이는 상응하는 광 추출 필름의 증가된 분광 응답을 야기할 수 있다. 특정 응용에 따라 나노입자는 아마도 나노구조체에 대한 범위를 벗어나는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 광 추출 필름이 OLED 조명을 위해 사용되는 경우에, 디스플레이와는 대조적으로, 나노입자는 직경이 최대 수 마이크로미터일 수 있다. 나노입자는 유기 재료 또는 기타 재료로 구성될 수 있으며, 규칙적이거나 불규칙적인 임의의 입자 형상을 가질 수 있다. 나노입자는 대안적으로 다공성 입자로 구현될 수 있다. 광 추출 필름에 사용되는 나노입자의 예는 완전히 설명된 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2010/0150513호에 기재되어 있다.
표면 층 방식으로 분포된 나노입자(16)를 갖는 광 추출 필름(10)의 경우, 나노입자의 층은 단층으로 된 나노입자로, 나노입자의 응집체를 갖는 층으로, 또는 다층으로 구현될 수 있다. 나노입자는 결합제의 사용 없이 코팅될 수 있으며, 이는 나노입자의 응집체를 야기할 수 있다. 바람직한 실시 형태에서, 실시예에 예시된 바와 같이, 나노입자(16)는 크기, 예를 들어, 직경이 주기적 구조체(14)의 피치와 실질적으로 동일하거나 또는 그보다 다소 더 작아서 (예를 들어, 피치의 1/4 내지 1배), 나노입자는 주기적 구조체에 의해 적어도 부분적으로 정돈된다. 적어도 부분적인 정돈은, 실시예에 예시된 바와 같이, 입자가 주기적 구조체 내에 정렬되거나 또는 조립되는 것을 통해 일어날 수 있다. 주기적 구조체의 피치는 인접한 구조체 사이의 거리, 예를 들어, 인접한 프리즘의 정점 사이의 거리를 지칭한다. 적어도 부분적인 정돈을 달성하기 위해 크기 정합(size matching), 예를 들어, 440 ㎚ 나노입자와 600 ㎚ 피치의 주기적 구조체 또는 300 ㎚ 나노입자와 500 ㎚ 피치의 주기적 구조체가 사용될 수 있다. 또한, 주기적 구조체의 형상 및 종횡비는 크기 정합 및 나노입자의 부분적 정돈을 결정하는 요인일 수 있다.
광 추출 필름(10, 20)을 위한 평탄화 백필 층은 주기적 구조체 및 입자 코팅 위에 적용되어 이들을 평탄화시키고 굴절률차(index contrast)를 제공한다. 고굴절률의 백필 층과 함께의 저굴절률의 주기적 구조체는, 백필 층이 주기적 구조체보다 더 큰 굴절률을 갖고, 백필 층과 주기적 구조체가 충분한 굴절률 차이, 바람직하게는 0.2 이상을 가져서, 광 추출 필름과 광학적으로 연결되는 OLED 장치의 광 추출을 향상시킴을 의미한다. 광 추출 필름은, 직접 또는 다른 층을 통해, OLED 장치의 광 출력 표면에 맞대어 위치되는 백필 층의 평탄한 표면을 가짐으로써 OLED 장치와 광학적으로 연결될 수 있다. 평탄화 백필 층은 선택적으로 광 추출 필름을 OLED 장치의 광 출력 표면에 접합하기 위한 접착제로 구현될 수 있다. 광 추출 필름을 위한 고굴절률의 백필 층의 예는 완전히 설명된 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2010/0110551호에 기재되어 있다.
광 추출 필름(10, 20)을 위한 기재, 저굴절률의 주기적 구조체, 고굴절률의 백필 층, 및 나노입자를 위한 재료는 상기에서 확인된 특허 출원 공개에서 제공된다. 예를 들어, 기재는 유리, PET, 폴리이미드, TAC, PC, 폴리우레탄, PVC, 또는 가요성 유리로 구현될 수 있다. 상기에서 확인된 특허 출원 공개에서는 광 추출 필름(10, 20)의 제조 방법이 또한 제공된다. 선택적으로, 기재는 광 추출 필름을 포함하는 장치를 수분 또는 산소로부터 보호하는 배리어 필름으로 구현될 수 있다. 배리어 필름의 예는 미국 특허 출원 공개 제2007/0020451호 및 미국 특허 제7,468,211호에 개시되어 있으며, 이들 둘 모두는 완전히 설명된 것처럼 본 명세서에 참고로 포함된다.
도 5 및 도 6은 광 추출 필름을 OLED 장치에 광학 커플링하고 잠재적으로 접착하기 위한 광학 커플링 층의 사용을 나타낸다. 도 5에 나타난 바와 같이, 광학 커플링 층(42)은 광 추출 필름(44) 내의 백필 층의 평탄한 표면(48)에 적용되며, 이는 이어서 OLED 장치(40)의 광 출력 표면(46)에 라미네이팅될 수 있다. 광학 커플링 층은 OLED 장치의 광 출력 표면과 광 추출 필름의 백필 층 사이의 광학 커플링을 제공하는 접착제로 구현될 수 있다. 라미네이션 공정과 함께 광학 커플링 층으로서의 접착제의 사용은 또한 광 추출 필름을 OLED 장치에 접착하고 그들 사이의 에어 갭을 제거하는 역할을 할 수 있다. OLED 장치의 백플레인 형태는, 픽셀 웰(pixel well; 47)에 의해 나타난 바와 같이, 전형적으로 평탄하지 않으며, 광학 커플링 층(42)은 픽셀 웰의 기하학적 형상에 일치하거나 그 안으로 팽창하여 광 추출 필름(44)과 OLED 장치(40) 사이의 갭을 채울 것으로 예상된다.
대안적으로, 도 6에 나타낸 바와 같이, 광학 커플링 층(52)이 OLED 장치(50)의 광 출력 표면(56)에 적용되며, 이어서 광 추출 필름(54) 내의 백필 층의 평탄한 표면(58)이 OLED 장치(50)에 라미네이팅된다. 도 6에 나타난 바와 같이, 광 추출 필름의 라미네이션 전에 접착제 광학 커플링 층이 OLED 장치에 적용되는 경우, 광학 커플링 층은 또한 OLED 장치의 광 출력 표면을 평탄화시키는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상부 발광 활성 매트릭스 OLED 디스플레이 백플레인은, 픽셀 웰(57)에 의해 나타난 바와 같이, 반드시 고도의 평탄성을 갖지는 않는데, 이러한 경우에, 광 추출 필름의 라미네이션 전에 광학 커플링 층이 OLED 스택의 캐소드 또는 임의의 다른 상부 층 상에 사전-침착될 수 있다. 광학 커플링 층의 그러한 사전-침착은, 광 추출 필름의 후속적인 라미네이션을 고려하여, 백플레인 및 장치의 비평탄성을 감소시킬 수 있다. 이러한 경우에 광학 커플링 층은 용액 침착 방법에 의해 OLED 디스플레이 상에 코팅될 수 있다. 예를 들어, 광학 커플링 층은 액체 제형으로부터 OLED의 전체 영역 상에 적용될 수 있는데, 이 경우에, 광 추출 필름의 라미네이션 후에 선택적으로, UV 또는 열 경화 방법을 사용하여 경화될 수 있다. 광학 커플링 층은 또한 두 라이너 사이에 개별적으로 제공되는 광학 커플링 필름으로서 라미네이팅될 수 있는데 - OLED 장치를 향하는 라이너를 사전에 제거함 - , 이 경우에 광학 커플링 층은 픽셀 웰에 일치하거나 그 안으로 팽창할 것으로 예상된다. 광학 커플링 층의 적용 후에, 도 6에 나타난 바와 같이, 백플레인 형태 위에 충분한 평탄화가 제공된다.
백플레인 형태는 추출 요소 (나노입자 및 주기적 구조체)와 OLED 장치 사이의 거리를 결정하기 때문에, 광학 커플링 층을 위한 재료는 OLED 유기 및 무기 층 (예를 들어, ITO)의 굴절률에 필적하는 높은 굴절률 (예를 들어, 1.6 내지 2.2)을 가질 필요가 있다. 그러한 재료에는 무기 산화물 및 질화물, 예를 들어, TiO2 및 SiN, 유기 재료, 예를 들어, 트라이아릴아민 (예를 들어, 일본 소재의 호도가야 케미칼 컴퍼니(Hodogaya Chemical Co.)로부터의 EL022T), 및 무기 성분 및 유기 성분 둘 모두를 포함하는 제형 (예를 들어, 열경화성 또는 UV 경화성 수지 중에 분산된 TiO2 나노입자)이 포함된다.
개별적인 광학 커플링 층의 대안으로서, 고굴절률의 백필 층 자체가 고굴절률 접착제로 구성되어, 백필의 광학 및 평탄화 기능, 및 접착제 광학 커플링 층의 접착 기능이 동일한 층에 의해 수행될 수 있다.
실시예
이들 실시예의 모든 부, 백분율, 비 등은 달리 기재되지 않는 한 중량을 기준으로 한다. 사용한 용매 및 기타 시약은, 달리 명시되지 않는 한 시그마-알드리치 케미칼 컴퍼니 (Sigma-Aldrich Chemical Company; 미국 위스콘신주 밀워키 소재)로부터 입수하였다.
Figure 112013092331039-pct00001
제조예
A-174 개질된 200 ㎚ 실리카의 제조
응축기 및 온도계가 구비된 500 mL 플라스크에서, 재빨리 교반하면서 151.8 g의 TX13112 콜로이드 용액 및 180 g의 1-메톡시-2-프로판올을 함께 혼합하였다. 이어서, 1.48 g의 실퀘스트 A-174를 첨가하였다. 혼합물을 16시간 동안 80℃로 가열하였다. 이어서, 150 g의 추가의 1-메톡시-2-프로판올을 첨가하였다. 생성된 용액을 실온까지 냉각되게 하였다. 60℃ 수조 하에서 회전식 증발기를 사용하여 대부분의 물 및 1-메톡시프로판올 용매를 제거하여, 1-메톡시-2-프로판올 중 59.73 중량%의 A-174 개질된 200 ㎚ 실리카 분산액을 얻었다.
A-174 개질된 440 ㎚ 실리카의 제조
응축기 및 온도계가 구비된 500 mL 플라스크에서, 재빨리 교반하면서, 200 g의 MP4540M 콜로이드 용액 및 200 g의 1-메톡시-2-프로판올을 함께 혼합하였다. 이어서, 0.6 g의 실퀘스트 A-174를 첨가하였다. 혼합물을 16시간 동안 80℃로 가열하였다. 이어서, 150 g의 추가의 1-메톡시-2-프로판올을 첨가하였다. 생성된 용액을 실온까지 냉각되게 하였다. 60℃ 수조 하에서 회전식 증발기를 사용하여 대부분의 물 및 1-메톡시프로판올 용매를 제거하여, 1-메톡시-2-프로판올 중 49.5 중량%의 A-174 개질된 440 ㎚ 실리카 분산액을 얻었다.
D510 안정화된 50 ㎚ TiO 2 나노입자 분산액의 제조
솔플러스 D510 및 1-메톡시-2-프로판올의 존재 하에 밀링 공정을 사용하여 대략 52% 중량의 TiO2를 갖는 TiO2 나노입자 분산액을 제조하였다. 솔플러스 D510은 TiO2 중량을 기준으로 25 중량%의 양으로 첨가하였다. 디스퍼매트(DISPERMAT) 혼합기 (미국 플로리다주 폼파노 비치 소재의 폴 엔. 가드너 컴퍼니(Paul N. Gardner Company))를 사용하여 10분 동안 혼합물을 사전혼합하고, 이어서 네츠쉬 미니서 밀 (NETZSCH MiniCer Mill; 미국 펜실베이니아주 엑스턴 소재의 네츠쉬 프리미어 테크놀로지스, 엘엘씨 (NETZSCH Premier Technologies, LLC.))을 하기 조건으로 사용하였다: 4300 rpm, 0.2 ㎜ YTZ 밀링 매질, 250 ml/min 유량. 1시간의 밀링 후에, 1-메톡시-2-프로판올 중 백색 페이스트형 TiO2 분산액을 얻었다. 맬번 인스트루먼츠 제타사이저 나노(Malvern Instruments ZETASIZER Nano) ZS (미국 메사추세츠주 웨스트보로 소재의 맬번 인스트루먼츠 인크(Malvern Instruments Inc))를 사용하여 입자 크기를 결정하였고 50 ㎚ (Z-평균 크기)였다.
200 ㎚ 광학 나노입자 용액 (용액 A)의 제조:
5 g의 A-174 개질된 200 ㎚ 실리카, 0.746 g의 SR833S, 68.8 g의 아이소프로필 알코올, 및 0.06 g의 이르가큐어 127을 함께 혼합하여 균질한 코팅 용액 (용액 A)을 형성하였다.
440 ㎚ 광학 나노입자 용액 (용액 B)의 제조:
6.4 g의 A-174 개질된 440㎚ 실리카, 0.792 g의 SR833S, 72 g의 아이소프로필 알코올, 및 0.07 g의 이르가큐어 127을 함께 혼합하여 균질한 용액 (용액 B)을 형성하였다.
440 ㎚ 광학 나노입자를 갖는 고굴절률 백필 (용액 C)의 제조:
10 g의 D510 안정화된 50 ㎚ TiO2 용액, 1.5566 g의 A-174 처리된 440 ㎚ 실리카, 1.5567 g의 SR833S, 14.5 g의 1-메톡시-2-프로판올, 22.5 g의 2-부탄온, 및 0.05 g의 이르가큐어 127을 함께 혼합하여 코팅 제형 (용액 C)을 형성하였다.
고굴절률 백필 용액 (HI-BF)의 제조:
20 g의 D510 안정화된 50 ㎚ TiO2 용액, 2.6 g의 SR833S, 0.06 g의 이르가큐어 127, 25.6 g의 1-메톡시-2-프로판올, 38.4 g의 2-부탄온을 함께 혼합하여 균질한 고굴절률 백필 용액을 형성하였다.
나노구조화된 격자 필름: 600 ㎚ 1D 구조체의 제작
우선 미국 특허 제7,140,812호에 기재된 바와 같은 집속 이온 빔 (FIB) 밀링을 사용하여 다중-팁 다이아몬드 공구를 제조함으로써, 600 ㎚ "톱니형" 격자 필름을 제작하였다. 이어서, 다이아몬드 공구를 사용하여 마이크로-복제 롤을 제조하고, 이어서 이를 사용하여, 0.5% (2,4,6 트라이메틸 벤조일) 다이페닐 포스핀 옥사이드를 포토머 6210 및 SR238의 75:25 블렌드에 혼합하여 제조된 중합성 수지를 이용하는 연속 캐스트 및 경화 공정으로, PET 필름 상에 600 ㎚ 1D 구조체를 만들었다.
실시예 1A 및 실시예 1B: 1D 및 2D 구조화된 필름 상의 200 ㎚ SiO 2 나노입자
#5 와이어-권취 로드 (미국 뉴욕주 웹스터 소재의 알디 스페셜티즈(RD Specialties)로부터 입수함)를 사용하여, 600 ㎚ 1D 구조체를 갖는 필름 (실시예 1A) 및 500 ㎚ 2D 구조체를 갖는 필름 (실시예 1B) 상에 용액 A (200 ㎚ SiO2 나노입자)를 코팅하였다. 이어서, 생성된 필름을 10 min 동안 공기 중에서 건조하고, 이어서, 질소 분위기 하에 100% 램프 출력에서 9.1 m/min (30 ft/min)의 라인 속도로 1회 통과시키도록 작동하는, H-벌브가 구비된 퓨젼 유브이-시스템즈 인크.(Fusion UV-Systems Inc.) 라이트-햄머(Light-Hammer) 6 UV (미국 메릴랜드주 가이터스버그) 프로세서를 사용하여 경화시켰다.
#10 와이어-권취 로드 (미국 뉴욕주 웹스터 소재의 알디 스페셜티즈로부터 입수함)를 사용하여 HI-BF 용액을 나노입자 1D 및 2D 구조 필름 상에 코팅하였다. 이어서, 생성된 필름을 10 min 동안 공기 중에서 건조하고, 이어서, 상기에 기재된 것과 동일한 조건 하에서 퓨젼 유브이-시스템즈 인크. 라이트-햄머 6 UV를 사용하여 경화시켰다.
도 7 및 도 8은 각각 1D 및 2D 구조화된 필름 상에 코팅된 200 ㎚ SiO2 나노입자의 SEM 이미지를 나타낸다. 도 7은 대략 가시광의 파장의 길이 규모로 클러스터링된 나노입자를 나타내며, 도 8은 아래에 있는 2D 구조체와 관련된 나노입자의 국소 밀도의 변동을 나타낸다. 백필 코팅 공정 후, 구조화된 표면은 나노입자를 갖는 1D 및 2D 구조체 둘 모두에 대해 매우 잘 평탄화되었다. 1D 구조체의 경우에, 나노입자 커버리지(coverage)가 목표한 것보다 더 컸으나, 200 ㎚ 나노입자들이 함께 응집되어 다수의 공극(void)이 개재된 800 ㎚ 내지 1,000 ㎚의 더 큰 입자를 형성하는 것으로 나타났다.
이어서, 플라즈마 화학 증착 (PECVD, 영국 요튼 소재의 옥스포드 인스트루먼츠(Oxford Instruments)로부터 입수가능한 모델 플라즈마랩 시스템 (PLASMALAB System)100)에 의해, 백필을 갖는 200㎚ 실리카-나노입자-코팅된 1D 패턴을 질화규소의 100 ㎚ 두께 층으로 오버코팅하였다. PECVD 공정에 사용된 파라미터가 하기 표 1에 기재되어 있다:
Figure 112013092331039-pct00002
질화규소 층의 굴절률을 메트리콘(Metricon) 모델 2010 프리즘 커플러(Prism Coupler)(미국 뉴저지주 페닝턴 소재의 메트리콘 코포레이션(Metricon Corporation))를 사용하여 측정하였고, 1.78인 것으로 나타났다.
상기 기재 상의 OLED 제작은, 애노드의 기하학적 형상을 형성하도록 5 ㎜ x 5 ㎜ 픽셀화된 섀도우 마스크를 통해, 백필-코팅된 나노입자/1D 구조화된 필름 상에 침착된 대략 110 ㎚-두께 ITO를 사용하여 시작하였다. 후속하여, 간단한 녹색 유기 발광 층 및 캐소드를 침착시켜 OLED를 완성하였다. 약 0.13 mPa(10-6 Torr)의 기저 압력의 진공 시스템에서 표준 열 침착에 의해 OLED를 제작하였다. 하기 OLED 구조를 침착시켰다: HIL (300㎚) / HTL (40㎚) / 녹색 EML (30㎚) / ETL (20㎚) / LiF (1㎚) / Al (200㎚). 완료 후에, 봉지 필름과 OLED 캐소드 사이에 산소 스캐빈저(scavenger) 및 건조제로서 사에스(SAES) 게터(getter)를 사용하여 OLED를 봉지 배리어 필름으로 봉지하였다.
비교를 위해, 나노입자를 갖지 않는 1D 구조화된 필름을 사용하여 OLED를 또한 구성하였다. 코노스코프(conoscope) 측정에서는 1D 구조화된 필름으로 제조된 샘플이 상대적으로 높은 강도를 갖는 작은 영역들, 및 상대적으로 낮은 강도의 영역들에 의해 둘러싸인 더 낮은 강도를 갖는 다소 더 큰 영역들을 생성한 것으로 나타났다. 대조적으로, 1D 구조화된 필름 상에 코팅된 200 ㎚ 나노입자로 제조된 샘플에 대한 코노스코프 데이터는 훨씬 더 균일한 강도 분포를 나타내었다. 이러한 데이터는 1D 구조화된 필름 상에 코팅된 200 ㎚ 나노입자가, 나노입자를 갖지 않는 1D 구조화된 필름과 비교하여, OLED 장치의 각 균일성을 상당히 개선하였음을 입증한다.
실시예 2A 및 실시예2B : 1D 및 2D 구조화된 필름 상의 440 ㎚ SiO 2 나노입자
#5 와이어-권취 로드 (미국 뉴욕주 웹스터 소재의 알디 스페셜티즈로부터 입수함)를 사용하여, 600 ㎚ 1D 구조체를 갖는 필름 (실시예 2A) 및 500 ㎚ 2D 구조체를 갖는 필름 (실시예 2B) 상에 용액 B (440 ㎚ SiO2 나노입자)를 코팅하였다. 생성된 필름을 10 min 동안 공기 중에서 건조하고, 이어서, 실시예 1A에 기재된 바와 같이 UV 경화시켰다. #10 와이어-권취 로드 (미국 뉴욕주 웹스터 소재의 알디 스페셜티즈로부터 입수함)를 사용하여, HI-BF 용액을 나노입자 코팅된 1D 및 2D 구조화된 필름 상에 코팅하였다. 생성된 필름을 10 min 동안 공기 중에서 건조하고, 이어서, 실시예 1A에 기재된 바와 같이 UV 경화시켰다. 비교를 위해, 비구조화된 PET 필름 상에 코팅 용액 B를 유사하게 코팅하였다. 도 9a 및 도 9b는 1D 구조화된 필름 상의 440 ㎚ SiO2 나노입자의 평면도 및 단면도를 나타낸다. 도 10은 2D 구조화된 필름 상의 440 ㎚ SiO2 나노입자를 나타낸다. 이들 도면은 이들 실시예에서 나노입자가 부분적으로 정돈됨을 나타낸다. 대조적으로, 나노입자가 편평한 표면 상에 코팅되는 경우에는 나노입자의 분포가 전형적으로 무작위적이다.
100 ㎚ 질화규소, 100 ㎚ ITO, 및 OLED 층을, 실시예 1A에 기재된 바와 같이, 1D 구조화된 필름 (비교예), 2D 구조화된 필름 (비교예), 유리 기재 (비교예), 1D 구조화된 필름 상의 440 ㎚ 나노입자 (실시예 2A), 및 2D 구조화된 필름 상의 440 ㎚ 나노입자 (실시예 2B) 상에 침착시켰다.
1D 구조화된 필름 상의 나노입자를 갖는 OLED 장치 및 비교 샘플에 대해 코노스코프 측정을 행하였다. 유리 대조군 샘플은 상대적으로 균일하지만 상대적으로 낮은 강도 분포를 나타내었다. 1D 구조화된 필름 샘플은 상대적으로 높은 강도를 갖는 작은 영역들, 및 상대적으로 낮은 강도의 영역들에 의해 둘러싸인 더 낮은 강도를 갖는 다소 더 큰 영역들을 생성하였다. 1D 구조화된 필름 상의 440㎚ 나노입자로 제조된 샘플은 균일하고 높은 강도 분포를 나타내었다. 비구조화된 필름 상의 440 ㎚ 나노입자로 제조된 샘플은 상대적으로 높은 강도 영역들에 의해 둘러싸인 코노스코프 플롯의 중심에 가까운 상대적으로 낮은 강도 영역을 가졌다. 코노스코프 결과는, 나노입자를 갖지 않는 1D 구조화된 필름 또는 비구조화된 필름 상에 코팅된 440 ㎚ 나노입자와 비교하여, 1D 구조화된 필름 상의 자가-조립된(self-assembled) 440㎚ 나노입자가 OLED 장치의 각 균일성을 상당히 개선하였음을 나타내었다. 통합 이득(integrated gain)은 비교 샘플에 대해서보다 실시예 2A에 대해 상당히 더 높은 것으로 나타났다.
유사하게, 440㎚ 나노입자 코팅된 2D 구조화된 필름 상에 제조된 OLED 장치 (실시예 2B), 및 비교를 위해, 나노입자를 갖지 않는 2D 구조화된 필름 상에 제조된 OLED 장치에 대해 코노스코프 데이터를 얻었다. 나노입자를 갖지 않는 2D 구조화된 필름을 사용하여 제조된 샘플에 대한 코노스코프 데이터는 더 낮은 강도의 영역들로 둘러싸인 상대적으로 높은 강도의 밴드를 나타내었다. 440 ㎚ 나노입자를 갖는 2D 구조화된 필름을 갖는 샘플의 경우, 강도가 훨씬 더 균일하였으나 2D 패턴의 상대적으로 높은 강도의 영역이 완전히 없어지지는 않았다. 통합 이득은 비교 샘플에 대해서보다 실시예 2B에 대해 상당히 더 높은 것으로 나타났다. 코노스코프 데이터로부터 결정된 휘도가 도 11a 및 도 11b에 나타나있다. 도 11a는 나노입자를 갖는 2D 구조화된 필름을 갖는 샘플 및 나노입자를 갖지 않는 2D 구조화된 필름을 갖는 샘플에 대한, 2D 구조체의 축에 대한 0도 방위각에 따른 극각의 함수로서의 휘도를 나타내며, 도 11b는 편평한 필름 상의 나노입자를 사용하여 제조된 샘플에 대한 극각의 함수로서의 휘도를 나타낸다.
실시예 3: 1D 구조체 상의 백필과 혼합된 440 ㎚ SiO 2 나노입자
#5 및 #10 와이어-권취 로드 (미국 뉴욕주 웹스터 소재의 알디 스페셜티즈로부터 입수함)를 사용하여, 용액 C (440 ㎚ SiO2 나노입자)를 600 ㎚ 1D 구조화된 필름 상에 코팅하였다. 이어서, 생성된 필름을 10 min 동안 공기 중에서 건조하고, 이어서, 실시예 1A에 기재된 바와 같이 UV 경화시켰다. 백필과 혼합된 440 ㎚ 나노입자의 층의 굴절률을, 메트리콘 모델 2010 프리즘 커플러를 사용하여 측정하였고 1.83인 것으로 나타났다.
100 ㎚ 질화규소 및 OLED 층을, 실시예 1A에 기재된 바와 같이, 유리 대조군 (비교예), 나노입자를 갖지 않는 1D 구조화된 필름 (비교예), 및 백필 중에 440㎚ 나노입자를 갖는 1D 구조화된 필름 (실시예 3) 상에 침착시켰다. 실시예 3의 OLED 장치 및 비교 샘플로부터 코노스코프 데이터를 얻었다. 1D 구조화된 필름 상의 백필 중 440 ㎚ 나노입자는 OLED 장치의 각 균일성 및 통합 이득 둘 모두를 상당히 개선하였다. 도 12는 나노입자를 갖는 1D 구조화된 필름을 갖는 샘플 및 나노입자를 갖지 않는 1D 구조화된 필름을 갖는 샘플에 대한, 그리고 나노입자 또는 나노구조체를 갖지 않는 유리 기재를 사용하여 제조된 샘플에 대한, 1D 구조체의 방향에 대해 0도 방위각을 따른 극각의 함수로서의 휘도를 나타낸다.
실시예 4 및 실시예 5: 하이브리드 광 추출 필름을 위한 롤 투 롤(Roll to Roll) 공정
2 단계 공정 (실시예 4)
3.0 m/min (10 ft/min)의 웨브 속도 및 4.7 cc/min의 분산액 전달율로 롤 투 롤 코팅 공정을 사용하여 용액 B (440 ㎚ SiO2 나노입자)를 600 ㎚ 1D 구조체를 갖는 필름 상에 코팅하였다. 코팅을 공기 중에서 실온에서 건조하고, 이어서, 후속적으로 82℃ (180℉)에서 추가로 건조하고, 이어서, 질소 분위기 하에 75% 램프 출력에서 3.0 m/min (10 ft/min)의 라인 속도로 작동하는, H-벌브가 구비된 퓨젼 유브이-시스템즈 인크. 라이트-햄머 6 UV (미국 메릴랜드주 가이터스버그) 프로세서를 사용하여 경화시켰다. 생성된 나노입자 코팅의 SEM 사진이 도 13에 나타나있으며, 440 ㎚ SiO2 나노입자가 600 ㎚ 1D 구조체에 의해 부분적으로 정돈되었음을 알 수 있다.
3.0 m/min (10 ft/min)의 웨브 속도 및 2.28 cc/min의 분산액 전달율로 롤 투 롤 코팅 공정을 사용하여 HI-BF 용액을 나노입자 코팅된 1D 구조화된 필름 상에 코팅하였다. 코팅을 공기 중에서 실온에서 건조하고, 이어서, 후속적으로 82℃ (180℉)에서 추가로 건조하고, 이어서, 질소 분위기 하에 75% 램프 출력에서 3.0 m/min (10 ft/min)의 라인 속도로 작동하는, H-벌브가 구비된 퓨젼 유브이-시스템즈 인크. 라이트-햄머 6 UV (미국 메릴랜드주 가이터스버그) 프로세서를 사용하여 경화시켰다.
1 단계 공정 (실시예 5)
4.6 m/min (15 ft/min)의 웨브 속도 및 7.29 cc/min의 분산액 전달율로 롤 투 롤 코팅 공정을 사용하여 용액 C (440 ㎚ SiO2 나노입자)를 600 ㎚ 1D 구조체를 갖는 필름 상에 코팅하였다. 코팅을 공기 중에서 실온에서 건조하고, 이어서, 후속적으로 82℃ (180℉)에서 추가로 건조하고, 이어서, 질소 분위기 하에 75% 램프 출력에서 4.6 m/min (15 ft/min)의 라인 속도로 작동하는, H-벌브가 구비된 퓨젼 유브이-시스템즈 인크. 라이트-햄머 6 UV (미국 메릴랜드주 가이터스버그) 프로세서를 사용하여 경화시켰다. 생성된, 600 ㎚ 1D 구조화된 필름 상의 백필에 혼합된 440 ㎚ NP의 SEM 이미지는 백필이 1D 구조체를 효과적으로 평탄화시켰음을 나타내었다. 비교를 위해, 비구조화된 PET 필름 상에 코팅 용액 C를 유사하게 코팅하였다.
OLED 장치 및 코노스코프 결과
100 ㎚ 질화규소, 100 ㎚ ITO, 및 OLED 층을 1D 구조화된 필름 상의 440 ㎚ 나노입자 (실시예 4), 1D 구조화된 필름 상의 백필 중 440㎚ 나노입자 (실시예 5), 비구조화된 PET 필름 상의 백필 중 440 ㎚ 나노입자 (비교예) 및 유리 기재 (비교예) 상에 침착시켰다. 실시예 1A에 기재된 바와 같이 녹색 발광 OLED를 제조하였다. 유사하게, 그러나 하기 OLED 층을 사용하여 적색 OLED를 구성하였다: HIL (300㎚) / HTL (40㎚) / 적색 EML (30㎚) / ETL (20㎚) / LiF (1㎚) / Al (200㎚).
다수의 샘플에 대해 코노스코프 측정을 행하였다. 코노스코프 결과는, 나노입자를 갖지 않는 1D 구조화된 필름 또는 비구조화된 필름 상에 코팅된 440 ㎚ 나노입자와 비교하여, 1D 구조화된 필름 상의 자가-조립된 440 ㎚ 나노입자 (실시예 4)가 OLED 장치의 각 균일성을 상당히 개선하였음을 나타내었다. 표 2는 실시예 4 및 실시예 5의 녹색 및 적색 OLED 및 비구조화된 필름 상의 나노입자 (비교예)를 사용하여 제조된 OLED에 대한 축상 이득 및 총 (통합) 이득을 요약하여 나타낸다. 표 2에 보고된 이득은, 추출 특징부를 갖지 않는 유리 기재를 사용하여 제조된 샘플이 1의 통합 이득을 갖도록 정규화시켰다.
Figure 112013092331039-pct00003

Claims (27)

  1. 나노입자 및 주기적 구조체를 갖는 광 추출 필름으로서,
    실질적으로 투명한 기재(substrate);
    실질적으로 투명한 기재 상의 1차원 주기적 구조체 - 상기 주기적 구조체의 폭과 피치는 각각 600 ㎚ 이하임 - ;
    단층으로 된, 주기적 구조체 위에 표면 층 방식으로 적용된 광 산란 나노입자 - 상기 나노입자는 실질적으로 주기적 구조체 내에 정렬됨 - ; 및
    주기적 구조체 및 나노입자 위에 적용된 평탄화 백필(planarizing backfill) 층 - 상기 평탄화 백필 층은 백필 층의 실질적으로 평탄한 표면을 형성함 - 을 포함하며,
    백필 층의 굴절률은 주기적 구조체의 굴절률보다 크고,
    나노입자의 직경은 주기적 구조체의 피치의 1/4 내지 1배인, 광 추출 필름.
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