KR102370586B1 - 키랄 액정 발광체를 사용하는 대역 가장자리 방출 증대된 유기 발광 다이오드 - Google Patents

키랄 액정 발광체를 사용하는 대역 가장자리 방출 증대된 유기 발광 다이오드 Download PDF

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Abstract

기판 상에 용매 캐스팅될 수 있는 일련의 광중합 가능한 키랄 액정층들로 구성된 디바이스와 같은 발광 디바이스 및 이의 제조 방법이 개시되어 있다. 각각의 연속 층에서 키랄 물질들의 혼합물은 블렌드될 수 있어, 각각의 층이 동일한 키랄 피치를 갖게 된다. 추가로, 각각의 층에서 키랄 물질 또한 블렌드될 수 있어, 각각의 층에서 정상 및 이상 반사율이 나머지 층들과 일치하여 층들의 완전 조립체가 키랄 액정의 비교적 두꺼운 단일 층으로서 임의로 작용할 것이다. 각각의 층의 상기 키랄 네마틱 물질은 나선형 피치를 갖는 나선형 구조를 자연스럽게 채택할 수 있다. 발광 디바이스의 발광층은 광자 결정의 대역 가장자리 광 전파 모드로 발광하는 전계발광 물질을 추가로 포함할 수 있다.

Description

키랄 액정 발광체를 사용하는 대역 가장자리 방출 증대된 유기 발광 다이오드
관련 특허원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 3월 10일자로 출원된 미국 가특허출원 62/306,128에 대하여 우선권 주장일의 35 U.S.C.§119(e)에 따른 이익을 청구하며 이는 인용에 의해 본원에 포함된다.
2015년 6월 24일자로 출원된 미국 가특허출원 62/183,771은 이의 전문이 인용에 의해 본원에 포함된다.
2003년 5월 8일자로 출원된 미국 특허 7,335,921, 2003년 5월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 10/434,941 및 2003년 5월 8일자로 출원된 미국 특허 9,129,552에는, 하나 이상의 광자 결정(photonic crystal) 구조체가 발광 다이오드 구조와 통합되어, 유도 방출 현상을 통해 증대된 레벨의 발광 및 에너지 효율을 제공하는 발광 다이오드 디바이스(LED), 특히 유기 발광 다이오드 디바이스(OLED)가 개시되어 있다. 개시된 디바이스는 레이저(laser) 및 비레이저(non-laser) 디바이스 둘 다를 포함한다. 집합적으로 피드백 증대된 유기 발광 다이오드(feedback enhanced organic light emitting diode)(FE-OLED)로 지칭되는 이들 디바이스의 조작 원리는, 광이 광자 결정으로부터 디바이스의 발광층으로 피드백되거나 또는 다른 반사 구조물로부터 오직 하나의 광자 결정으로 피드백되어, 발광층으로부터의 광의 유도 방출을 일으키는 것이다. 피드백 광(feedback light)의 전파 방향이 이들 디바이스의 평면에 수직이기 때문에, 그리고 광이 방출을 유도함에 따라 유도 방출에 의해 생성된 광이 동일한 방향으로 전파하기 때문에, FE-OLED로부터 방출되는 거의 모든 광은 디바이스의 평면에 수직인 방향으로 방출된다. 즉, 디바이스는 수직으로 방출한다.
광이 실질적으로 면내 전파 방향(in-plane direction of propagation)으로 방출되지 않기 때문에, FE-OLED에서의 거의 완전한 수직 발광은 전력 입력 대비 광 발생의 효율을 크게 증가시킨다. OLED와 LED에서 실질적으로 면내 전파 방향으로 방출되는 광은, 디바이스 내의 층으로부터 층 계면으로의 반사에 의해 디바이스 내에 트랩(trap)되어, 결국 발열 디바이스에 흡수된다. 따라서 FE-OLED에서의 수직 발광은 에너지 효율을 개선시킨다.
FE-OLED는 일반적으로 1형 또는 2형으로 기술된다. 제1 디바이스(1형 디바이스)는 1차원 광자 결정의 결함 내에서 광을 발생시켜 작동하는 것을 특징으로 할 수 있다. 광자 결정은 광의 반사율이 이의 범위에 걸쳐 주기적으로 변화하는 유전 매질이다. 반사율의 주기적인 변화의 결과는, 광 전파를 위한 파동 방정식이 주기적 지수 변화(periodic index variation)의 방향(들)으로 전파하는 광에 대한 파장 범위(저지 대역(stop band))에 대한 해법을 갖지 않는다는 것이다. 그 결과, 광자 결정 매체에 매립된 발광 물질 분자는 주기적 지수 변화의 방향(들)에서 저지 대역 내의 파장을 갖는 광을 방출할 수 없다. 두 번째 결과는, 광자 결정 매체 외부로 전파되는 광이, 저지 대역 내의 파장을 갖고 반사율 변화 방향으로 또는 이들 방향 중 하나로 이동하는 경우, 매체의 표면으로부터 완전히 반사될 것이다. FE-OLED에서 사용되는 광자 결정 구조는 통상적으로 디바이스의 평면에 수직인 반사율 변화 축을 갖는 일차원적 특성을 가지며, 즉, 디바이스의 투과 축과 평행하지만 더 높은 차원의 광자 결정 또한 사용될 수 있다.
1형 디바이스에는, 반사율의 규칙적인 주기 변화(cyclic variation)가 일어나지 않는 디바이스의 평면에 평행하며 광자 결정 매체 내의 캐비티(cavity)를 구성하는 평면 영역(결함)이 존재한다. 이 구조를 설명하는 또 다른 방식은, 결함을 생성하는 광자 결정 매체에 위상 슬립(phase-slip)이 있다는 점이다. 발광 분자가 결함 내에 매립되면, 파장 저지 대역 내에서 방출되는 광은 광자 결정 매체의 반사 특성에 의해 결함 내에 트랩될 것이다. 결함의 두께는 매우 작게 만들어질 수 있으며 그 결과 결함 내에 트랩된 광의 광자 밀도가 상당히 높아질 수 있다. 이는 결함 내의 물질에 매립된 여기 상태 분자로부터 발광을 매우 효율적으로 유도한다.
통상적으로, 1형 디바이스의 결함은 2개의 광자 결정 반사기 사이의 마이크로-캐비티(micro-cavity)이다. 마이크로-캐비티 내의 발광체 분자에 의해 생성된 광은 더 많은 광 방출을 유도하는 2개의 반사기 사이에서 왕복하여 반사된다.
1형 디바이스가 광자 결정 구조의 광 반사 특성의 이점이 있는 한편, 2형 디바이스는 광자 결정 내부에서 방출되는 광의 특성에 의존한다. 전술된 바와 같이, 저지 대역은 광자 결정 구조 내에서 생성된다. 이는, 순환적으로 변하는 반사율 구조를 통해 허용되는 광의 전파가 없는 파장 범위이다. 자유 공간에서 저지 대역 파장에 존재하는 광 전파 모드 또는 상태는, 광자 결정 구조가 광 발광체 주위로 도입될 때 파괴되는 것이라고 생각하는 것이 유혹적일 것이다. 그러나 이는 사실이 아니다. 실제로 일어나는 일은, 광 전파 상태가 저지 대역에서 방출되어 파장 스펙트럼의 가장자리에 "쌓인다(stacking up)". 이러한 종류의 거동은 일반적으로 상태 밀도, 즉 전자기 스펙트럼의 에너지 간격당 허용되는 파 전파(wave propagation) 상태 또는 모드의 수 측면에서 정량화된다. 자유 공간(점선) 및 광자 결정 매체(실선)에 대한 광 주파수(light frequency) 대 상태 밀도의 플롯을 도 1에 나타낸다. 주파수 B와 C 사이의 저지 대역 파장 영역에서 상태 밀도는 0이다. 그러나, 저지 대역의 경계로부터 각각 약간 적색 및 청색으로 변하는 파장 A 및 D에서, 이러한 "스택업(stacking up)" 현상은, 광자 결정 매체에서의 상태 밀도가 자유 공간에서의 광 전파의 경우보다 상당히 높음을 의미한다. 발광 분자가 그 주위로 방출할 광자의 양은, 광을 전파시키기 위해 이용 가능한 상태 밀도에 의존하기 때문에, 도 1의 광자 결정의 발광체는 주파수 A와 D에서 자유 공간에서보다 훨씬 더 많은 광을 방출한다.
광자 결정의 또 다른 특징은, 저지 대역에 가까운 파장(또는 주파수)에서 매체가 부분적으로 투과성이고 부분적으로는 반사한다는 것이다. 그 결과, 이러한 파장에서 방출되는 광은 방출 지점을 중심으로 국부적으로 매질 내에 축적된다. 저지 대역에 인접한 파장에서의 광자 방출의 정상 레벨보다 높은 것의 조합은, 내부 반사로 인해 매체 내의 이들 광자의 축적과 결합하여, 광자 결정 매체의 벌크 전체에 걸쳐 매우 높은 광자 밀도를 산출하기 때문이다. 이러한 높은 광자 밀도는 결국 광자 결정에 매립된 모든 여기 상태의 발광체 분자로부터 유도 방출을 보장한다. 사용되는 광자 결정 구조의 1차원적 성질로 인해, 유도 방출에 의해 생성되는 광의 전파 방향은 1형 디바이스와 마찬가지로 모두 수직 방향이고, 2형 디바이스의 에너지 효율이 유사하게 향상된다.
레이저 디바이스는 형광 염료로 도핑된 키랄 액정을 사용하는 키랄 레이저 형태인 것으로 입증되었다. 배향된 키랄 액정의 구조가 도 2에 도시되어 있다. 층(220) 내의 막대형 액정 분자(210)는 디렉터(230)로 불리는 축에 평행한 단일 방향을 지시하는 이들의 장축으로 배향되는 경향이 있다. 배향된 네마틱 액정에서, 디렉터는 항상 동일한 방향을 가리킨다. 그러나, 몇몇 분자 성분의 비대칭 형상으로 인해, 키랄 액정에서, 도 2에 도시된 바와 같이 축(240)을 따라 물질을 통과할 때, 디렉터(230)의 방향이 회전하여 나선형을 쓸어낸다(sweep out). 따라서 개별 액정 분자들은 나선형 구조(helical structure)로 조합된다. 개별 분자들 내의 전자 분극(electronic polarization)의 이방성 때문에, 액정 물질을 통과하는 적절한 원편광(circular polarization)의 광은, 이의 전기 벡터가 분자의 장축에 수직인 경우보다 이의 관련된 전기 벡터가 분자의 장축에 평행한 경우에 훨씬 더 높은 반사율을 갖게 된다. 광은 적절한 파장을 갖는다는 것을 감안하면, (예를 들면, 우측으로 감기는 대 좌측으로 감기는) 대향하는 원편광의 광은 액정의 나선형 구조를 추적하기 위해 회전된 이의 관련 전기 벡터를 가지므로, 키랄 액정 구조를 통과할 때 반사율의 변화가 없다. 따라서, 축(240)에 평행하게 전파하는 올바르게 감기는 원편광된 광은 광의 전기 벡터에 평행한 방향과 평행하지 않은 방향으로 진동하는 장축을 갖는 분자를 통과할 때 주기적으로 진동하는 반사율이 예상된다. 이러한 방식으로, 키랄 액정 분자의 어셈블리는 축(240)을 따라 광의 하나의 원편광을 위한 1차원 광자 결정 물질로서 작용한다. 매체는 도 1에 도시된 것과 유사한 광 방출을 위한 저지 대역을 가질 것이고, 전자기 스펙트럼에서 저지 대역 가장자리 근처에서 상태 밀도의 향상이 있을 것이다. 이러한 배향된 키랄 액정에 도핑된 형광 염료가 여기되어 (예를 들면, YAG 레이저로부터의 광에 의한 광학적 펌핑에 의해) 발광되고 생성된 광이 이의 스펙트럼 대역에서 (도 1의 A 및 D와 유사하게) 저지 대역 가장자리에서 파장들 중의 하나와 동일한 파장을 키랄 매체에서 갖는 경우, 광자 밀도의 빌드업(buildup)은 해당 대역 가장자리 파장에서 발생할 것이다. 이들 광자는 추가의 방출을 촉진할 것이다. 키랄 레이저에서, 레이저 발생(lasing)을 가능하게 하기 위한 충분한 유도 방출이 존재하고 흡수 손실은 거의 없다. 이러한 광학적으로 펌핑된 염료 도핑된 액정 레이저는, 발광 다이오드에서와 같이 전기적 여기보다는 광학적 여기에 의해 광 방출이 여기된다는 점을 제외하면, 2형 고체 상태 디바이스와 유사한 원리로 작동한다. 키랄 액정 레이저 디바이스의 또 다른 중요한 측면은, 형광 발광체 물질이 키랄 액정 매체에 걸쳐 매립되었다는 점이다. 이는 레이저 발생을 개시하기에 충분한 레이저 이득을 생성하기 위한 형광 물질의 넓은 분포를 초래하였다.
고체 상태 2형 디바이스를 생성하는 것은 종래의 LED 및 유기 발광 다이오드 (OLED)의 구조로부터 기인하는 즉각적인 문제에 직면하며, 이의 예 300이 도 2에 묘사되어 있다. OLED(300)는 기판(310), 투명 애노드(320), 정공 주입층(330), 정공 수송층(340), 발광체 층(350), 전자 수송층(360), 및 금속 캐소드(370)로 이루어진다. 디바이스(300)는 다음과 같이 기능한다: 애노드와 캐소드 사이에 전기 전위차가 인가되면, 양으로 하전된 정공이 애노드(320)로부터 정공 주입층(330)으로 주입된다. 부과된 전기장의 영향하에 정공은 정공 주입층으로부터 정공 수송층(340)을 통해 발광체 층(350)으로 유동한다. 이와 동시에 전자는 캐소드(370)로부터 전자 수송층(360)으로 주입된다. 부과된 전기장의 영향하에 전자는 전자 수송층으로부터 발광체 층(350)으로 주입된다. 발광체 층에서, 전자와 정공은 단일 유기 분자 상에 함께 쌍을 이루며 분자를 전자적으로 여기된 상태로 촉진시킨다. 이어서, 이들 여기된 상태(여기자(exciton))는 붕괴되어 광을 생성시킨다.
OLED에서 정공 주입층(330), 정공 수송층(340), 발광체 층(350), 및 전자 수송층(360)은 모두 유기 물질로 구성되며, 이는 통상의 무기 반도체 물질에 비해 전하 캐리어 (전자 또는 정공) 이동도가 매우 낮다. 현재의 OLED에서 모든 유기층의 총 두께는 200 나노미터 미만이고 발광체 층은 25 내지 50 나노미터 범위의 두께를 갖는다.
발광체 층이 2개의 광자 결정 구조들 사이의 결함 또는 마이크로-캐비티에 위치하는 무기 1형 디바이스가 미국 특허 4,949,350에 개시되어 있으며, 여기에는 발광 물질이 In0 .2Ga0 .8As와 같은 무기 반도체인 1형 디바이스가 교시되어 있다. 이들 디바이스의 구조의 한 가지 예가 도 4 및 도 5에 묘사되어 있다. 발광체를 함유하는 캐비티 상의 그리고 캐비티 하의 광자 결정 구조는, 장치로부터 요구되는 파장인 파장 900+ nm를 갖는 광에 대한 1/4 파 두께에 해당하는 층 두께를 갖는 AlAs(더 낮은 반사율) 및 GaAs(더 높은 반사율)의 에피택셜 성장된 교번 층(alternating layer)으로 이루어진다.
도 4는 디바이스(400)의 상부도를 제시한다. 상기 디바이스는 투명한 전자 전도성 기판(410), 전자 전도성 광자 결정 미러(420), OLED의 전자 수송층과 동일한 기능을 수행하는 스페이서 층(430), 발광체 층(440), 정공 수송층과 동일한 기능을 수행하는 제2 스페이서 층(450), 정공 전도성 광자 결정 층(460), 금 애노드, 및 전기 접점(480 및 490)으로 이루어진다.
도 5는 층(420 및 430)의 보다 상세한 도면을 나타낸다. 전자 전도성 광자 결정 미러(420)는 비소화알루미늄 층(520) 및 비소화갈륨 층(540)의 20쌍(510)으로 이루어진다. 각 층의 쌍 사이에는 4개의 매우 얇은(1.7 나노미터) 교대 GaAS 및 AlAs 층들로 이루어진 "초격자(superlattice)"(530)가 있다. 이들 초격자는 전기 전도성을 향상시키기 위해 포함되며 광학 기능을 갖지 않는다. 도 5에는 또한 제1 스페이서 층(430)으로 이루어진 서브층이 도시되어 있다. 이들은 AlAs 층(550), 또 다른 초격자(560), 및 GaAs 층(570)이다. 광을 발광체 층에 더 가두고자 하는 등급별 인덱스 층(graded index layer)(580)이 또한 도시되어 있다. 광자 결정 층(460)은 또한 광자 결정 층(420)이 있던 것처럼 교대하는 AlAs 및 GaAs 층으로 구성된다. 이러한 예에서 이들 물질의 12개 층 쌍이 사용되었다.
다시 도 4를 참조하면, 디바이스에 동력이 공급되면, 기판(410)으로부터의 전자는 개재 층(intervening layer)들을 통해 발광체 층(440)으로 통과한다. 이와 동시에 애노드(470)로부터의 정공은 개재 층들을 통해 발광체 층(440)으로 통과한다. 전자와 정공은 발광체 층에서 재결합하여 적외선을 생성한다. 이 광은 2개의 광자 결정 스택에서 반사되어, 광자 밀도가 층(430, 440 및 450)으로 이루어진 캐비티 내에 형성된다. 이러한 높은 광자 밀도는 레이저 발생이 유도되는 충분한 레벨에서 유도 방출을 생성한다. 도 4에 도시된 것과 같은 디바이스는 VCSEL(수직 캐비티, 표면 방출 층(vertical cavity, surface emitting laser))로 알려져 있으며 현재 일반적으로 이용 가능하다.
미국 특허 6,160,828에는 VCSEL로 알려진 1형 유기 디바이스가 개시되어 있으며 이의 예 600이 도 6에 도시되어 있다. 디바이스는 투명 기판(610), 제1 거울층(620), 제1 전극(630), 정공 수송층(640), 발광체 층(650), 전자 수송층(660), 제2 전극(670), 및 제2 거울층(680)으로 이루어진다. 층(640, 650, 및 660)은 유기 물질로 구성된다. 상기 특허에는 제1 거울층 및/또는 제2 거울층이 분산형 브래그 반사기(distributed Bragg reflector)인 것으로 언급되어 있다. 분산형 브래그 반사기는 높은 반사율과 낮은 반사율의 교번 층을 연속으로 증착하여 구성된 1차원 광자 결정 구조이다. 미국 특허 4,949,350에 개시된 VCSEL의 경우와 마찬가지로, 전자 및 정공은 이러한 디바이스의 발광체 층(650)에서 재결합하여 광을 생성시키고, 이후에 발광체 층을 통해 거울층에 의해 반사되어 이후의 광 방출을 유도한다. 레이저 발생을 개시하기에 충분한 양의 광자 밀도가 거울들 사이의 공간에 형성된다.
미국 특허 4,949,350 및 미국 특허 6,160,828이 둘 다 캐비티로 갖는 것은, 레이저 캐비티 내에 광을 제한하는 캐비티의 양쪽 측면에서 사용되는 것으로 개시된 광자 결정 구조가 교대로 높은 그리고 낮은 반사율을 갖는 광 전달 물질의 많은 층들을 연속으로 증착함으로써 형성된다는 것이다. OLED의 경우, 이들 디바이스의 제조에 사용되는 제조 기술은 진공 증발 또는 스퍼터링이다. 효율적으로 작동하는 디바이스를 생산하기 위해서는, 두께 측면에서 높은 정밀도로 레이저 마이크로-캐비티 내에 이들 매우 얇은 층과 매우 얇은 층을 증착하는 것이 필요하였다.
광자 결정 구조가 투명 물질의 층의 연속 증착에 의해 구성되는 FE-OLED는, 반사율 프로파일이 불연속인 광자 결정 구조를 갖는다. 즉, 광자 결정 구조의 층 경계에서 반사율은 갑작스럽게 불연속적으로 변화한다. 이러한 층 구조는 많은 층들의 정확한 진공 증착을 요구하며, 이는 낮은 제조 비용이 요구되는 경우에 또는 디바이스 크기가 커질수록 실용적이지 않게 된다. 따라서, 더 간단한 제조 방법을 갖는 유사한 디바이스가 요망된다.
도 1은 광 주파수에 대한 상태 밀도(density of states)의 플롯을 도시하며 이는 자유 공간 및 광자 결정 매체에 대해 나타낸다.
도 2는 배향된 키랄 액정의 예시적인 구조를 도시한다.
도 3은 예시적인 종래의 유기 발광 다이오드를 도시한다.
도 4는 예시적인 무기 1형 구조를 도시한다.
도 5는 예시적인 무기 1형 구조를 도시한다.
도 6은 예시적인 VCSEL을 도시한다.
도 7은 키랄 액정 발광 디바이스의 다양한 양태를 도시한다.
도 8은 대표적인 정공 수송, 광배향층을 도시한다.
도 9는 단량체성 정공 수송의 광중합된 공중합체를 도시한다.
도 10은 단량체성 액정 광배향 물질을 도시한다.
도 11은 대표적인 강하게 전자 수용성인 단량체성 도펀트를 도시한다.
도 12는 대표적인 정공 수송 액정 물질을 도시한다.
도 13은 대표적인 키랄 도펀트를 도시한다.
도 14는 대표적인 발광체 물질을 도시한다.
도 15는 대표적인 발광체 호스트 물질을 도시한다.
도 16은 발광층을 위한 대표적인 도펀트 및 호스트 물질을 도시한다.
도 17은 대표적인 전자 및 정공 수송 호스트 물질을 도시한다.
도 18은 대표적인 전자 수송 물질 및 키랄 도펀트를 도시한다.
도 19는 대표적인 n형 도펀트를 도시한다.
현재의 OLED, 예를 들면 도 3에 도시된 OLED에서, 모든 유기 층의 총 두께는 200 나노미터 미만이고 발광체 층은 25 내지 50 나노미터 범위의 두께를 갖는다. 이들 층은, 물질의 낮은 전하 캐리어 이동도가 큰 임피던스의 도입을 초래하지 않을 정도로 충분히 얇다. 반면, 상기 논의된 형광 염료로 도핑된 키랄 액정층은 두께가 대략 20 마이크론이며, 유사하게 낮은 전하 캐리어 이동도를 가질 것이다. 따라서, 유사한 반사율 변화가 주어진 대역-가장자리 방출 2형 레이저 디바이스를 제조하기 위해, 발광체 층은 전체에 도핑된 발광 물질을 갖고 두께가 대략 20 마이크론인 광자 결정 구조를 함유해야 할 것으로 예상된다. 디바이스에서 두꺼운 발광체 층을 사용하면, OLED에서 매우 큰 임피던스 손실이 발생하여, 디바이스가 매우 상승된 전압에서 구동하여 열 파손(thermal failure)을 겪게 될 것이다.
1형 광자 결정 구조 디바이스는 홀로그램 미러(평면파 홀로그램), 및 키랄 액정 및 합성 오팔(opal)과 같은 자가 조립된 구조체를 포함한다. 이들 유형의 광자 결정 구조를 갖는 디바이스가 미국 특허 출원 10/434,941에 개시되어 있다. 전술된 VCSEL 디바이스에서 사용하기 위한 층별(layer by layer) 접근법에서와 같이, 이들 3가지 유형의 광자 결정 구조는 1개 제조 단계에서 일체형 구조로 제조될 수 있다는 이점이 있다. 그러나, 이는 심각한 문제를 야기한다. 이러한 디바이스에서 상단의 광자 결정 구조는 하단의 광자 결정 구조와 위상 등록(phase registration)되어야 하거나, 또는 발광체 층에서 최대로 원하는 광자 밀도(photon density)는 발생하지 않을 것이다. 간섭측정법(interferometric method)에 의한 2개의 홀로그램 반사체의 잠재적 공간 등록(potential spatial registration)은 고수율로 성공적으로 시행되지 않았다. 따라서, 현재까지 이들 유형의 광자 결정 구조를 함유하는 1형 디바이스를 소비자 애플리케이션을 위해 고수율 저비용으로 제조하는 검증된 방법이 존재하지 않고 있다.
발광 물질이 액정을 통해 도핑되는 것과는 반대로, 발광 물질이 단일층 또는 구역에 위치한다는 점에서, 고체 상태 2형 디바이스(대역-가장자리 모드에서 광이 생성되는 디바이스)는 <0010> 문단에 개시된 키랄 레이저 디바이스와 상이하다. 예상되는 바와는 달리, 광자가 광자 결정 구조 전체에 분포되더라도, 발광체-함유 층의 광자 밀도는, 비레이저 디바이스내의 발광 물질로부터의 거의 완전한 유도 방출을 얻을 정도로 충분히 높아질 수 있다. 따라서, 미국 가특허원 62/183,771에 개시된 바와 같이, 유기 층(정공 주입, 정공 수송, 발광, 전자 수송 및 임의의 전하 캐리어 차단층)이 모두 광자 결정 구조의 단일 층 또는 구역에 포함되어 있는 디바이스를 설정할 수 있다. 이러한 방식에서, 대역-가장자리 방출 유기 발광 다이오드(BE-OLED)는 와트당 300루멘을 초과하는 발광 효율로 제조된다.
미국 가특허원 62/183,771에 따라 제조된 BE-OLED는 이의 에너지 효율, 작업 수명, 및 이것이 생성시킬 수 있는 색 영역(color gamut) 측면에서 매우 유리하다. 그러나, 단일의 단색(monochrome) BEOLED 디바이스의 제조는 대략 20개의 물질 층의 진공 증착을 요구한다. 키랄 액정을 사용하여 광자 결정 구조를 생성시키는 더 간단하고 더 용이하게 제조할 수 있는 구조를 갖는 대역-가장자리 방출 OLED 디바이스가 기재되어 있다.
본 발명의 기본 개념은, 일련의 광중합 가능한 키랄 액정층은 기판 상의 용매 캐스트(solvent cast)일 수 있다는 점이다. 각각의 층이 증착됨에 따라, 이는 광중합되어, 키랄 액정 구조를 강고한(robust) 중합체 매트릭스에서 제 위치에 고정되어 있게 한다. 후속 층이 선행 층의 상부에서 용매 캐스트되는 경우, 중합된 기저층의 분자의 최상부층은 유체 오버레이층의 분자의 하부층을 배향시키는 템플릿(template)으로 작용한다. 이러한 오버레이층이 적절하게 배향되면, 이어서 이는 광중합된다. 필요한 경우, 제3의 및 더 많은 광중합 가능한 키랄 액정층이 제2의 층의 상부에 용매 캐스트될 수 있고 이어서 배향 및 광중합될 수 있다.
각각의 연속 층에서의 키랄 물질들의 혼합물은 각각의 층이 동일한 키랄 피치를 갖는 방식으로 블렌드될 수 있다. 추가로, 각각의 층에서 키랄 물질은, 각각의 층에서 정상 반사율(ordinary refractive index)과 이상 반사율(extraordinary refractive index)이 나머지 층들과 일치하도록 블렌드될 수 있다. 하나의 양태에 있어서, 상기 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 이상 반사율과 정상 반사율간의 차이는, 나머지 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 이상 반사율과 정상 반사율간의 차이로부터 10% 미만 차이가 난다. 또 다른 양태에 있어서, 상기 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 이상 반사율은, 나머지 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 이상 반사율로부터 10% 미만 차이가 난다. 또 다른 양태에 있어서, 상기 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 정상 반사율은, 나머지 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 정상 반사율로부터 10% 미만 차이가 난다. 이러한 방식으로 물질의 키랄 피치와 정상 및 이상 반사율을 일치시킴으로써, 생성된 층 조립체는 키랄 액정 중합체의 광학적으로 균일한 조립체이다. 즉, 층들의 완전한 조립체는 키랄 액정의 비교적 두꺼운 단일 층으로서 광학적으로 기능할 것이다. 이러한 적층된 조립체의 한 가지 중요한 측면은, 키랄 액정의 나선형 구조의 피치 및 공간 내에서의 이의 수직(일반적으로 층 경계에 대해) 위치가 상기 구조 내의 층 경계와 관련될 필요는 없다는 점이다. 키랄 액정 조립체의 중심 층이 OLED의 활성 유기층(active organic layer)(예를 들면 발광체 층, 전하 수송 및 주입층)인 경우, 이들 층은 반사율 교대(alternation)에 대해 임의의 수직 위치에 위치될 수 있고 디바이스의 전기적 요건에 의해 지시되는 임의의 두께를 가질 수 있다. 따라서 키랄 디바이스 구조에서 전자 디바이스 구조는 광학 디바이스 구조화는 격리되어 있다(deconstrained).
도 7은 키랄 액정 발광 디바이스의 다양한 양태를 나타낸다. 디바이스를 임의의 적합한 물질로 이루어진 투명 기판(71), 예를 들면 유리 또는 투명 플라스틱 위에 층별로 빌드업한다. 우선, 투명한 전기 전도성 애노드 층(72)을 대부분 진공 증착에 의해 기판 상에 코팅한다. 이러한 애노드층은 인듐 아연 산화물 또는 인듐-주석 산화물과 같은 투명한 반도체 물질을 포함할 수 있다. 이어서, 정공 수송, 액정 광배향층(73)을 기판 표면 상에 코팅한다. 미국 특허 7,118,787 및 미국 특허 출원 2011/0020566에는 키랄 액정 발광 디바이스의 다양한 양태에서 이러한 정공 수송층으로 사용될 수 있는 다양한 물질이 개시되어 있다. 예를 들면, 예시적인 예비중합된 용매 캐스트 정공 수송 액정 광배향 물질(800)이 도 8에 도시되어 있다. 대안적으로, 단량체성 정공 수송 물질(900)(도 9에 도시됨) 및 단량체성 액정 광배향 물질(1000)(도 10에 도시됨)의 예시적인 광중합된 공중합체가 층(73)의 형성에 사용될 수 있다. 이 경우, 층들은, 애노드층의 표면 상으로 2개 단량체들의 혼합물을 용매 캐스팅하고 이들을 제 위치에 광중합하여 제조한다. 이러한 유형의 액정 광배향층은, 우선 전술된 바와 같이 층을 형성하고 이어서 이를 (예를 들면 파장 325nm에서) UV 편광에 노광시킴으로써 제조한다. 이는, 층의 분자 내의 하나의 축을 따라 배향되어 있지만 층의 평면 내의 수직 축을 따라서는 배향되어 있지 않은 쿠마린 작용 단위에서 이중 결합을 중합시킨다. 이어서, 이는, 그 위에 코팅된 액정 분자를 배향하는 배향층의 표면에서 이방성 표면 에너지를 생성시킨다.
도 7에 나타낸 바와 같이 제조되어야 하는 다음 층은 p-도핑된 정공 수송층(74)이다. 이 층의 제조 목표는, 애노드와 발광체 층(76) 사이의 전압 강하를 최소화하는 상대적으로 높은 전도성 필름을 생성시키는 것이다. 이는, 단량체성 키랄 액정 정공 수송 물질을 도 11에 도시된 강하게 전자 수용성인 단량체성 p-도펀트(1100)로 도핑함으로써 달성된다.
비교적 얇은 층의 키랄 물질에서 완전한 광자 저지 대역을 얻기 위해, 도 7에 나타낸 층(74)의 제조에 사용되는 키랄 네마틱 단량체, 및 디바이스 내의 나머지 키랄 액정층이 이의 이상 반사율 대 이의 정상 반사율의 매우 높은 비를 가져야 할 필요가 있다. 이어서, 이는, 이의 분자의 장축이 분자의 너비보다 훨씬 길다는 것을 의미한다. 이러한 정공 수송 액정 물질의 하나의 예(1200)가 도 12에 도시되어 있다. 이러한 정공 수송 액정 물질의 대체 표현(1210)이 또한 도시되어 있으며, 여기서, n = 3, m = 10이다. 5 내지 12의 다른 값을 갖는 물질을 또한 사용할 수 있다. 이들 유형의 물질의 또 다른 예(1220)가 도 12에 도시되어 있다. 여기서, n 값은 3이고 m 값은 5 내지 12인 물질(1220)을 이러한 층에서 사용할 수 있다.
디바이스 내의 모든 키랄 액정 중합체 층들은 정상 및 이상 반사율 측면에서 일치할 필요가 있기 때문에, 복굴절(birefringent)이 적은 액정 단량체 물질을 이러한 층 내의 물질들의 혼합물로 도입하여 반사율을 조정할 필요가 있을 수 있다. 예를 들면, n = 1 또는 2인 상기 화학식의 화합물을 반사율 조정을 위한 첨가제로서 사용할 수 있다.
요구되는 피치의 키랄 액정 중합체를 제조하기 위해, 도 7에서 층(74)의 제조에 사용되는 단량체 혼합물을 키랄 도펀트로 도핑할 필요가 있다. 예시적인 키랄 도펀트는 도 13에 나타낸 화학식(1300)으로 예시된다. 키랄 도펀트(1300)는 n 값이 1 내지 3이고 m 값이 5 내지 12이며 대칭의 분자 중심은 별표로 강조 표시된다. 대안적으로, 도 13에 나타낸 화학식(1310)으로 예시된 키랄 도펀트를 사용할 수 있으며, 도펀트(1310)는 n 값이 1 내지 3이고 m 값이 5 내지 12이며 대칭의 분자 중심은 별표로 강조 표시된다.
다시 도 7을 참조하면, 층(74)의 형성에 사용되는 단량체와 p-도펀트(1100)의 혼합물은 광배향층(73) 상의 용매 캐스트이며, 용매는 실온 또는 승온에서 증발 제거될 수 있다. 일단 용매가 없어지면, 물질은 키랄 네마틱 액정 유체의 층 형태 또는 가능하게는 키랄 네마틱 액정 유리 형태이다. 층(73)의 상부 표면에서 이방성 표면 에너지는 층(73)과 층(74) 사이의 계면에서 키랄 네마틱 물질의 분자들이 이의 분자 장축 표면과 평행하게 배향되고 분자 장축이 모두 실질적으로 동일한 방향으로 배향되어 이에 따라 층(74)에서 원하는 나선형 구조를 생성하도록 유도한다. 층별 공정에서 제조될 다음 층은 정공 수송층(75)이다. 이 층의 기능은 전기 전도성 정공을 p-도핑 층(74)에서 발광체 층(76)으로 전달하는 것이다. 그렇게 함으로써 정공은 층(74)의 전도성 도펀트의 최고준위 점유 분자궤도(highest occupied molecular orbital)(HOMO) 수준으로부터 발광체 층(76)의 HOMO 에너지 수준으로 에너지 전이된다. 이 층은, 혼합물에 p-도펀트가 존재하지 않는다는 점을 제외하고는 층(74)의 생성에 사용된 것과 유사한 방식으로, 키랄 네마틱 액정 단량체들의 혼합물 용액의 용매 캐스팅에 의해 생성된다. 단량체 혼합물의 캐스트에 사용된 용매를 증발 제거한 후, 이 혼합물의 물질은 키랄 네마틱 액정 유체 층 또는 키랄 네마틱 유리를 층(74)의 상부 표면 상에 형성한다. 층(74)의 액정 순서는 템플릿을 제공하여, 층(75)의 하부 표면에서 분자의 장축은 층(74)의 상부 표면에서 중합체 물질의 네마틱 분자 코어의 장축과 평행하게 배향된다. 이러한 방식으로, 층(74 및 75)에서 물질의 키랄 성질에 의해 유도된 나선형 구조는 이들 2개 층 사이의 계면을 가로질러 연속으로 통과한다. 층(75)의 물질이 제 위치에 적절하게 배향되면 이는 자외광에 노출되어 중합된다. 층(75)의 형성에 사용되는 키랄 네마틱 단량체 물질은, p-도펀트가 생략된 것을 제외하고는 층(74)의 제조에 사용된 것과 동일할 수 있다. 사용된 분자의 정확한 화학 구조 및 이의 분자 길이는, 2개 층의 혼합물의 정상 및 이상 반사율 성분들이 서로 일치해야 하고 2개 층 내의 키랄 네마틱 구조의 나선형 피치들이 또한 동일해야 한다는 요구 사항에 따라 결정된다.
디바이스의 발광체 층(76)은, 적절한 피치의 나선형 구조를 생성시키기 위해 키랄 첨가제로 도핑된 단량체성 네마틱 전계발광 물질로만 이루어질 수 있다. 한 가지 적합한 전계발광 네마틱 물질(1400)이 도 14에 예시되어 있다. 그러나, 이 층의 물질에 대한 보다 바람직한 제형은, 단량체성 키랄 네마틱 물질들의 혼합물로 이루어진 호스트 내로 도핑된 전계발광 도펀트를 사용하는 것이다. 이러한 접근법은 다수의 이점들, 예를 들면, 도펀트에 의한 광의 자가 흡수를 최소화시키도록 도펀트 농도를 선택할 수 있고; 단량체성 호스트 키랄 네마틱 물질들을 블렌드하여 쌍극성(ambipolar), 즉, 전자 및 정공 이동도가 대략 동일한 혼합물을 생성할 수 있으며; 키랄 호스트의 원하는 나선형 구조를 유지하면서도, 매우 높은 양자 효율을 갖는 인광 발광체와 같은 비(non)-액정 발광체 물질을 도펀트로 사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
나선형 광자 결정 구조에서 동반되는 광선은, 디바이스 층의 평면에 모두 평행하게 배향되어 있는, 이의 관련된 전기 벡터를 갖는다. 결과적으로, 이 광은, 전이 모멘트가 실질적으로 디바이스의 평면에도 존재하는 여기된 분자하고만 상호작용할 것이다. 따라서, 전이 모멘트가 디바이스 평면 내에 있도록 분자가 우선적으로 배향되어 있는 전계발광 물질은 본 발명의 디바이스의 발광체 층에서 사용되는 경우 가장 높은 디바이스 에너지 효율(외부 양자 효율)을 산출할 것이다.
몇몇 발광체 층 호스트 물질은 소분자 OLED의 제조에서 진공 증착시 발광체 층의 평면에서 이의 장축과 자발적으로 배향한다. 이들 호스트 물질이 도 15에 예시된 일반 구조(1500)를 함유하는 인광 헤테로렙틱(heteroleptic) 인광 이리듐 유기금속 도펀트로 도핑되는 경우, 발광 도펀트는 층의 평면에서 이의 전이 모멘트(transition moments)로 배향된다.
이들 분자에서, 이리듐은 두자리(bidentate) 리간드 아세틸아세톤 (2,4-사이클로펜탄디온)의 단일 분자에서 착화된다. 이는 또한 2개의 두자리 리간드에 대해 이리듐이 탄소 결합에 공유 결합하며, 이들 각각의 리간드는 또한 질소 결합에 대한 이리듐 배위 결합에 의해 이리듐에 결합된다. 이러한 분자의 한 가지 예(1510)는 Ir(ppy)2(acac)이다.
진공 증착된 소분자 OLED 디바이스의 발광층에서 호스트 물질 4,4'-비스(카바졸-일)비페닐(CBP)에 8% 농도로 도핑하면, 인광 물질의 분자가 주로 면내에 있는 전이 모멘트로 배향되기 때문에, 이러한 녹색 발광 물질은 이례적으로 높은 발광 효율을 산출한다. 이 물질의 단량체 버전인 1520은 키랄 네마틱 단량체 호스트에 도핑할 수 있으며 생성된 혼합물을 사용하여 도 7의 층(76)을 형성할 수 있다.
유사하게, 도 16에 예시된 적색 발광 물질(1600) 비스(2메틸디벤조[f,h]퀴녹살린)(아세틸아세토네이트)이리듐 III [Ir(MDQ)2(acac)]을, 전이 모멘트의 면내 배향을 생성하는 진공 증착된 소분자 OLED 디바이스의 발광층 내에서 호스트 물질 N,N'디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐벤지덴(NPB)으로 도핑할 수 있다. 이 물질의 단량체 버전 1610이 또한 도 16에 예시되어 있고, 이는 키랄 네마틱 단량체 호스트에 도핑될 수 있으며 이 혼합물은 층(76)의 형성에 사용된다.
층(76)에서 쌍극성 호스트 물질의 사용은, 층 경계에 존재할 수 있는 트랩을 피하면서 층 경계로부터 멀리 떨어져 있는 여기자를 생성하기 위해 재결합에 의해 발광체 층으로의 전자 및 정공의 균형 잡힌 주입을 허용한다. 정공 수송, 단량체성, 키랄 네마틱 호스트 물질을 전자 수송, 단량체성, 키랄 네마틱 호스트 물질과 블렌딩하여 쌍극성 호스트 물질을 제조할 수 있다. 정공 수송 호스트 물질의 예가 도 17에 화학식(1700)으로 예시되어 있다.
유사하게, 전자 수송 호스트 물질의 예가 화학식 1710으로 예시되어 있다. 물질(1700)과 블렌드되어 쌍극성 호스트 혼합물을 생성할 수 있는 물질이 또한 도 17에 도시되어 있다.
적절한 양의 두 가지 유형의 화합물들을 혼합함으로써, 쌍극성 혼합물을 수득할 수 있다. 추가로, 층(74 및 75)의 반사율과 일치하도록 올바른(right) 이상 반사율 및 정상 반사율을 갖는 혼합물인, 적합한 n 값을 갖는 물질들을 혼합함으로써, 혼합물의 나선형 피치는 첨가된 키랄 도펀트의 양에 기초하여 조정될 수 있다. 키랄 도펀트(1720)의 예가 도 8에 예시되어 있으며, 여기서 m = 5 내지 12이고 비대칭의 분자 중심은 별표로 강조 표시된다.
제조될 다음 디바이스 층은 전자 수송층(77)이다. 이 층의 기능은 n-도핑된 층(78)으로부터 발광체 층(76)으로 전자를 전달하는 것이다. 그렇게 함으로써, 전자는 층(78)의 전도성 도펀트의 전자 에너지 수준으로부터 발광체 층(76)의 HOMO 에너지 수준으로 에너지 전이된다. 이 층은, 상기 층의 제조에 사용된 것과 유사한 방식으로, 키랄 네마틱 액정 단량체들의 혼합물 용액의 용매 캐스팅에 의해 제조된다. 단량체 혼합물의 캐스트에 사용된 용매를 증발 제거한 후, 기저층으로부터의 템플릿 영향으로 인해, 이 혼합물의 물질은 키랄 네마틱 액정 유체의 배향 층 또는 키랄 네마틱 유리를 형성한다. 이러한 방식으로, 층(77) 및 디바이스 내의 모든 선행하는 층에서 물질의 키랄 성질에 의해 유도된 나선형 구조는 이들 2개 층 사이의 계면을 가로질러 연속으로 통과한다. 나선형 구조는 중합되어, 이를 UV 광에 노출시켜 이를 제 위치에 고정시킨다.
전자 수송(77)은 단량체성 네마틱 물질들의 혼합물로부터 제조되며, 그 예는 도 18에 예시되어 있고 여기서 n은 1 내지 3이고 m은 5 내지 12이다. 적합한 값 n을 갖는 이 시리즈의 구성요소인 물질들을 혼합함으로써, 층(74, 75 및 76)의 반사율과 일치하도록 올바른 이상 반사율 및 정상 반사율을 갖는 혼합물이 제형화될 수 있다. 혼합물의 나선형 피치는 첨가된 키랄 도펀트의 양에 기초하여 조정될 수 있다. 사용할 수 있는 키랄 도펀트(1810)의 예가 도 18에 예시되어 있으며, 여기서, n = 1 내지 3이고 m = 5 내지 12이고 비대칭의 분자 중심은 별표로 강조 표시된다. 사용할 수 있는 다른 키랄 도펀트의 예(1820)가 도 18에 예시되어 있으며, 여기서, m = 5 내지 12이고 비대칭의 분자 중심은 별표로 강조 표시된다.
제조되어야 하는 다음 디바이스 층은 n-도핑된 전자 수송층(77)이다. 이 층의 기능은 캐소드(710)로부터 또는 가능하게는 광학 전자 주입층(78)으로부터 전자 수송층(77)으로 전자를 전달하는 것이다. 그렇게 함으로써, 전자는 캐소드 일함수의 전자 에너지 수준으로부터 전자 수송층(77)의 최저준위 점유 분자궤도(lowest unoccupied molecular orbital)(LUMO) 에너지 수준으로 에너지 전이된다. 이 층은, 이전 층의 생성에 사용된 것과 유사한 방식으로, 키랄 네마틱 액정 단량체들의 혼합물 용액의 용매 캐스팅에 의해 생성된다. 이 층은 또한, 필름이 용매 캐스트된 후 가열에 의해 활성화되는, 도 19에 예시된 도펀트 (4-(1,3-디메틸-2,3-디하이드로-1H벤조이미다졸-2-일)페닐)디메틸아민(N-DBMI)과 같은 n-도펀트(1900)를 혼입한다.
단량체 혼합물의 캐스트에 사용된 용매를 증발 제거한 후, 기저층으로부터의 템플릿 영향으로 인해, 이 혼합물의 물질은 키랄 네마틱 액정 유체의 배향 층 또는 키랄 네마틱 유리를 형성한다. 이러한 방식으로, 층(78) 및 디바이스 내의 모든 선행하는 층에서 물질의 키랄 성질에 의해 유도된 나선형 구조(79)는 이들 2개 층 사이의 계면을 가로질러 연속으로 통과한다. 나선형 구조는 중합되어, 이를 UV 광에 노출시켜 이를 제 위치에 고정시킨다.
층(78)은 층(77)에 대해 사용된 것과 같은 단량체성 네마틱 물질들의 동일한 혼합물, 예를 들면, n = 1 내지 3이고 m = 5 내지 12인 1800을 사용하여 생성될 수 있다. 적합한 값 n을 갖는 이 시리즈의 구성요소인 물질들을 혼합함으로써, 층(74, 75, 76, 및 76)의 반사율과 일치하도록 올바른 이상 반사율 및 정상 반사율을 갖는 혼합물이 제형화될 수 있다. 동일한 키랄 도펀트, 예를 들면, n = 1 내지 3이고, m = 5 내지 12이고 도 18에 도시된 바와 같이 비대칭의 분자 중심이 별표로 강조 표시된 1810, 및 m = 5 내지 12이고 도 18에 도시된 바와 같이 비대칭의 분자 중심이 별표로 강조 표시된 1820이 또한 나선형 구조의 피치를 조정하는데 사용될 수 있다
임의로 층(78)은 전자 주입층(710)으로 밀봉될 수 있다. 예를 들면, 층(710)은 플루오르화리튬 또는 탄산세슘을 포함할 수 있다. 층(711)은 캐소드이며, 예를 들면, 알루미늄과 같은 일 함수가 낮은 금속으로부터 제조될 수 있다. 미국 가특허원 62/183,771의 디바이스에 비해 본 발명의 디바이스의 주요 이점은, 캐소드(711)가 광자 결정 구조에서 필수적이지는 않으므로 투명하거나 특히 잘 제어된 두께를 가질 필요는 없다는 점이다. 미국 가특허원 62/183,771의 디바이스에서 캐소드는 광 손실을 방지하기 위해 가능한 한 투명해야 하고, 광자 결정 내의 반사율 영역 또는 영역의 일부를 구성하므로, 매우 엄격하게 제어된 두께를 가져야 한다. 이러한 요건을 충족시키기 위해, 미국 가특허원 62/183,771의 디바이스에서 캐소드는 사실상 다층 구조를 가지며, 적절히 제조하기가 어렵다. 본 발명의 디바이스의 캐소드는 간단하며 용이하게 제조된다.
디바이스(7100)에 동력이 공급되면, 정공은 애노드(72)로부터 정공 주입층(72)과 층(74 및 75)을 통해 발광체 층(76)으로 유동한다. 이와 동시에 전자는 캐소드층(711)으로부터 층(710, 78 및 77)을 통해 발광체 층(76)으로 유동한다. 전자와 정공은 층(76)의 발광성 물질 분자 상에서 재결합하여 여기자를 생성한다. 발광체 층(76)은 광자 결정 구조 내에 있으므로, 해당 층에서 생성된 여기자는 광자 결정의 정지-대역 내의 파장에서 광을 방출할 수 없다. 그러나, 층(76)의 발광성 물질의 방출 대역이 정지-대역의 대역-가장자리 파장을 중첩하는 경우, 광 방출이 발생하며, 이들 파장에서의 고밀도 상태로 인해, 이례적으로 높은 수준의 방출이 발생한다. 광자 결정은, 거의 모든 광 방출이 유도 방출일 정도로 여기자와 상호작용하기에 충분한 광자가 존재하는 지점으로 광자 밀도를 증가시키는 구조 내에서, 대역-가장자리 방출로부터 광을 트랩한다. 하나의 양태에 있어서, 상기 발광 디바이스로부터 방출된 광의 90% 이상은 유도 방출을 통해 방출한다. 그러나, 레이저 발생을 초래하기 위한 유도 방출 수준이 불충분하다. 유도 방출로부터의 광은 디바이스 내에서의 전파 방향에서 거의 완전하게 수직 방향이기 때문에, 광의 내부 반사 및 트랩핑으로 인한 손실은 거의 없고 그 결과 디바이스는 매우 에너지 효율적이다.

Claims (20)

  1. 발광 디바이스로서,
    p-도펀트로 도핑된 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제1 정공 수송층;
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제2 정공 수송층;
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 발광층;
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제1 전자 수송층;
    n-도펀트로 도핑된 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제2 전자 수송층;
    애노드; 및
    액정 배향층을 포함하는 정공 주입층
    을 포함하고,
    상기 정공 주입층이 상기 애노드와 상기 제1 정공 수송층 사이에 위치하고,
    상기 층들 각각이 평면을 포함하고, 상기 층들의 각각의 하나를 구성하는 상기 키랄 네마틱 액정 물질이, 상기 층들의 각각의 하나의 상기 평면과 평행한 장축을 갖는 분자를 포함하고,
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 상기 층들의 각각의 중합된 키랄 네마틱 액정 물질이 나선형 피치(helical pitch)를 갖는 나선형 구조를 채택하고, 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 상기 나선형 구조의 상기 나선형 피치가 각각의 층 내에서 동일하고,
    상기 층들 각각이 두께를 갖고, 상기 발광층이, 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 모든 층들을 합한 총 두께의 10% 이하인 두께를 갖고,
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 상기 층들의 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질이 이상 반사율 및 정상 반사율을 갖고, 상기 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 이상 반사율과 정상 반사율간의 차이가, 나머지 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 이상 반사율과 정상 반사율간의 차이로부터 10% 미만 차이가 나는, 발광 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광층을 구성하는 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질이 전계발광 물질로 도핑되는, 발광 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 발광층이 평면을 추가로 포함하고, 상기 전계발광 물질이, 상기 발광층의 상기 평면과 평행하게 배향된 전계발광을 담당하는 전이 모멘트(transition moment)를 갖는 분자를 포함하는, 발광 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 복수의 층들이 함께 조합되어 광자 결정(photonic crystal)을 형성하는, 발광 디바이스.
  5. 제4항에 있어서, 상기 발광층이, 상기 광자 결정의 대역 가장자리 광 전파 모드(band edge light propagation mode)로 발광하는 전계발광 물질을 추가로 포함하는, 발광 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 발광 디바이스로부터 방출된 광의 90% 이상이 유도 방출을 통해 방출되는, 발광 디바이스.
  7. 발광 디바이스로서,
    p-도펀트로 도핑된 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제1 정공 수송층;
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제2 정공 수송층;
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 발광층;
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제1 전자 수송층;
    n-도펀트로 도핑된 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제2 전자 수송층;
    애노드; 및
    액정 배향층을 포함하는 정공 주입층
    을 포함하고,
    상기 정공 주입층이 상기 애노드와 상기 제1 정공 수송층 사이에 위치하고,
    상기 층들 각각이 평면을 포함하고, 상기 층들의 각각의 하나를 구성하는 상기 키랄 네마틱 액정 물질이, 상기 층들의 각각의 하나의 상기 평면과 평행한 장축을 갖는 분자를 포함하고,
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 상기 층들의 각각의 중합된 키랄 네마틱 액정 물질이 나선형 피치(helical pitch)를 갖는 나선형 구조를 채택하고, 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 상기 나선형 구조의 상기 나선형 피치가 각각의 층 내에서 동일하고,
    상기 층들 각각이 두께를 갖고, 상기 발광층이, 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 모든 층들을 합한 총 두께의 10% 이하인 두께를 갖고,
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 상기 층들의 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질이 이상 반사율을 갖고, 상기 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 이상 반사율이, 나머지 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 이상 반사율로부터 10% 미만 차이가 나는, 발광 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 발광층을 구성하는 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질이 전계발광 물질로 도핑되는, 발광 디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 발광층이 평면을 추가로 포함하고, 상기 전계발광 물질이, 상기 발광층의 상기 평면과 평행하게 배향된 전계발광을 담당하는 전이 모멘트(transition moment)를 갖는 분자를 포함하는, 발광 디바이스.
  10. 제7항에 있어서, 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 복수의 층들이 함께 조합되어 광자 결정(photonic crystal)을 형성하는, 발광 디바이스.
  11. 제10항에 있어서, 상기 발광층이, 상기 광자 결정의 대역 가장자리 광 전파 모드(band edge light propagation mode)로 발광하는 전계발광 물질을 추가로 포함하는, 발광 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 발광 디바이스로부터 방출된 광의 90% 이상이 유도 방출을 통해 방출되는, 발광 디바이스.
  13. 발광 디바이스로서,
    p-도펀트로 도핑된 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제1 정공 수송층;
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제2 정공 수송층;
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 발광층;
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제1 전자 수송층;
    n-도펀트로 도핑된 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 제2 전자 수송층;
    애노드; 및
    액정 배향층을 포함하는 정공 주입층
    을 포함하고,
    상기 정공 주입층이 상기 애노드와 상기 제1 정공 수송층 사이에 위치하고,
    상기 층들 각각이 평면을 포함하고, 상기 층들의 각각의 하나를 구성하는 상기 키랄 네마틱 액정 물질이, 상기 층들의 각각의 하나의 상기 평면과 평행한 장축을 갖는 분자를 포함하고,
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 상기 층들의 각각의 중합된 키랄 네마틱 액정 물질이 나선형 피치(helical pitch)를 갖는 나선형 구조를 채택하고, 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 상기 나선형 구조의 상기 나선형 피치가 각각의 층 내에서 동일하고,
    상기 층들 각각이 두께를 갖고, 상기 발광층이, 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 모든 층들을 합한 총 두께의 10% 이하인 두께를 갖고,
    중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 상기 층들의 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질이 정상 반사율을 갖고, 상기 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 정상 반사율이, 나머지 층들 각각의 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질의 정상 반사율로부터 10% 미만 차이가 나는, 발광 디바이스.
  14. 제13항에 있어서, 상기 발광층을 구성하는 상기 중합된 키랄 네마틱 액정 물질이 전계발광 물질로 도핑되는, 발광 디바이스.
  15. 제14항에 있어서, 상기 발광층이 평면을 추가로 포함하고, 상기 전계발광 물질이, 상기 발광층의 상기 평면과 평행하게 배향된 전계발광을 담당하는 전이 모멘트(transition moment)를 갖는 분자를 포함하는, 발광 디바이스.
  16. 제13항에 있어서, 중합된 키랄 네마틱 액정 물질을 포함하는 복수의 층들이 함께 조합되어 광자 결정(photonic crystal)을 형성하는, 발광 디바이스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 발광층이, 상기 광자 결정의 대역 가장자리 광 전파 모드(band edge light propagation mode)로 발광하는 전계발광 물질을 추가로 포함하는, 발광 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 발광 디바이스로부터 방출된 광의 90% 이상이 유도 방출을 통해 방출되는, 발광 디바이스.
  19. 기판 상에 복수의 키랄 액정층을 용매 캐스팅(solvent casting)함으로써 발광 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    상기 기판 상에 액정 배향 물질의 층을 증착시키고, 상기 액정 배향 물질을 처리하여, 그 위에 코팅된 액정 물질의 분자를 배향시키는 단계;
    키랄 액정 구조, 분자의 상부층에 의해 형성된 상부 표면, 및 분자의 하부층에 의해 형성된 상기 상부 표면에 대향하는 하부 표면을 포함하는 제1 키랄 액정층을, 상기 액정 배향 물질의 층의 상부에 상기 제1 키랄 액정층을 용매 캐스팅함으로써, 상기 액정 배향 물질의 층의 상부 위에 증착시켜, 상기 하부 표면이 상기 액정 배향 물질의 층에 인접하여 위치하고 상기 제1 키랄 액정층의 분자의 하부층이 상기 액정 배향 물질의 층에 의해 배향되는, 단계;
    상기 제1 키랄 액정층을 상기 기판 상에 증착시킨 후 광중합시켜, 상기 제1 키랄 액정층의 상기 키랄 액정 구조가 강고한 중합체 매트릭스에서 제 위치에 고정되어 있게 하는, 단계;
    키랄 액정 구조, 분자의 상부층에 의해 형성된 상부 표면, 및 분자의 하부층에 의해 형성된 상기 상부 표면에 대향하는 하부 표면을 포함하는 제2 키랄 액정층을, 상기 제1 키랄 액정층의 상부에 상기 제2 키랄 액정층을 용매 캐스팅함으로써, 상기 제1 키랄 액정층의 상부 위에 증착시켜, 상기 제1 키랄 액정층의 상기 상부 표면을 상기 제2 키랄 액정층의 상기 하부 표면에 인접하게 하며, 이때 상기 제1 키랄 액정층의 상기 상부 표면을 형성하는 분자의 상기 상부층이 상기 제2 키랄 액정층의 상기 하부 표면을 형성하는 분자의 상기 하부층을 배향시키는 템플릿(template)으로 작용하는, 단계;
    상기 제2 키랄 액정층의 상기 하부 표면을 형성하는 상기 하부층의 분자가 상기 제1 키랄 액정층의 상기 상부 표면을 형성하는 상기 상부층의 분자와 상호작용에 의해 배향되면 상기 제2 키랄 액정층을 광중합시키는 단계; 및
    상기 제2 키랄 액정층의 상부에 하나 이상의 추가의 키랄 액정층을 용매 캐스팅하는 단계, 상기 하나 이상의 추가의 키랄 액정층의 하부층 분자를 배향시키는 단계, 및 상기 하나 이상의 추가의 키랄 액정층을 광중합시키는 단계를 반복하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  20. 삭제
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