KR102460417B1 - 향상된 도파 모드 커플링을 사용하는, 광 추출이 개선된 oled - Google Patents

향상된 도파 모드 커플링을 사용하는, 광 추출이 개선된 oled Download PDF

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Abstract

광 추출이 향상된 유기 발광 다이오드 (OLED) 디바이스가 개시된다. OLED 디바이스는 유기 층을 가지며 제1 도파 모드를 지원하는 상부 도파체 구조부, 및 제1 도파 모드에 실질적으로 매칭되는 제2 도파 모드를 지원하는 광-추출 도파체를 갖는 하부 도파체 구조부를 포함한다. 하부 도파체 구조부는 광-추출 매트릭스와 계면접촉하는 광-추출 도파체를 포함한다. 광-추출 도파체는 하나 이상의 광-재배향 특징부를 포함한다. 상부 및 하부 도파체 구조부는 제1 도파 모드로부터 제2 도파 모드로의 모드 커플링을 용이하게 하는 한편 제1 도파 모드가 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 커플링하는 것을 실질적으로 회피하도록 구성된다. 제2 도파 모드로 진행하는 광은 광-추출 도파체의 광-재배향 특징부에 의해 OLED 디바이스를 빠져나가도록 재배향된다.

Description

향상된 도파 모드 커플링을 사용하는, 광 추출이 개선된 OLED {OLEDS WITH IMPROVED LIGHT EXTRACTION USING ENHANCED GUIDED MODE COUPLING}
<관련 출원과의 교차 참조>
본 출원은 2014년 10월 24일에 출원된 U.S. 가출원 제62/068,190호의 35 U.S.C. §119에 의거한 우선권의 이익을 주장하며, 그 내용은 2013년 9월 20일에 출원된 특허 출원 제14/041,359호와 관련되어 있고, 그 내용은 전문이 인용되고 본원에 참조로 포함된다.
<분야>
본 개시내용은 유기 발광 다이오드 (OLED), 특히 향상된 도파 모드 커플링을 사용하는, 광 추출이 개선된 OLED에 관한 것이다.
OLED는 유기 재료의 양쪽에 배치된 전극으로부터 유래된 전류에 노출 시에 유기 재료 (막)의 전기발광에 의존하는 발광 다이오드의 한 유형이다. 그것의 탁월한 발광 특성 때문에, OLED는 스마트폰으로부터 대형 옥외 디스플레이에 이르는 다양한 디스플레이 응용품을 위한 광원으로서 매력이 있다.
다른 유형의 LED와 마찬가지로, OLED에 관한 지속적인 도전과제는 광 추출을 최적화하는 것이다. 결과적으로, 광 추출 효율을 증가시키고 OLED의 다른 성능 매개변수를 향상시키기 위한, '359 출원에 기술된 것을 포함하는, 다양한 OLED 구성이 제안되어 왔다.
그럼에도 불구하고, OLED의 성능을 더욱 향상시키기 위해 OLED로부터의 광 추출을 계속 개선할 필요가 여전히 있다.
<요약>
개시내용의 한 측면은, 제1 도파 모드를 지원하고 캐소드, 하부 표면을 갖는 애노드, 및 캐소드와 애노드 사이에 개재된 유기 발광 반도체 재료를 포함하는 상부 도파체 구조부; 상부 도파체 구조부와 계면접촉하고 제1 도파 모드에 실질적으로 매칭되는 제2 도파 모드를 지원하고 상부 표면을 갖는 기판, 기판의 상부 표면 상에 분포된 광-추출 도파체, 및 광-추출 도파체 및 기판의 상부 표면 상에 분포된 광-추출 매트릭스를 포함하는 하부 도파체 구조부를 포함하고, 여기서 광-추출 매트릭스는, 애노드의 하부 표면과 계면접촉하고 상부 도파체 구조부의 제1 도파 모드로부터 하부 도파체 구조부의 제2 도파 모드로의 모드 커플링을 용이하게 하는 한편 제1 도파 모드로부터 표면 플라즈몬 폴라리톤(plasmon polariton)으로의 커플링을 실질적으로 회피하는 거친 상부 표면을 포함하고; 여기서 하부 도파체 구조부의 광-추출 도파체 내에서 제2 도파 모드로 진행하는 광은 하부 도파체 구조부의 광-재배향(light-redirecting) 특징부에 의해 기판의 하부 표면을 빠져나가도록 재배향되는 것인, 광 추출이 향상된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 광-추출 도파체가 불연속적 도파체 요소를 포함하는 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은, 제1 도파 모드로 운반되는 광의 50% 이하가 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 커플링되는 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 거친 상부 표면이 피크-대-밸리(peak-to-valley) 진폭 A 및 주기 P를 갖는 주기적 성분을 가지며 0.5 ㎛ ≤ P ≤ 2 ㎛이고 20 ㎚ ≤ A ≤ 60 ㎚인 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 거친 상부 표면이 제곱평균제곱근 (RMS) 표면 거칠기 σ33에 의해 한정되는 랜덤 성분을 가지며 5 ㎚ ≤ σ33 ≤ 25 ㎚인 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 광-추출 도파체가 응집된 나노입자 코팅으로부터 형성된 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 응집된 나노입자 코팅이 티타니아 루타일, 아나타제, 지르코니아, 이트리아-안정화된 지르코니아, 알루미나, 산화주석, 산화세륨, 산화아연, 및 이들과 실리카의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 광-추출 도파체가 광-재배향 특징부를 갖는 연속적 도파체 요소를 포함하는 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 광-추출 도파체가 표면 거칠기 및 내부 공극 형태의 광-재배향 특징부를 포함하는 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 광 추출이 향상된 OLED 디바이스이다. OLED 디바이스는 유기 층을 가지며 제1 도파 모드를 지원하도록 구성된 상부 도파체 구조부; 제1 도파 모드에 실질적으로 매칭되는 제2 도파 모드를 지원하도록 구성된 광-추출 도파체를 갖는 하부 도파체 구조부를 포함하고, 여기서 광-추출 도파체는, 제1 도파 모드로부터 제2 도파 모드로의 모드 커플링을 용이하게 하는 한편 제1 도파 모드가 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 커플링하는 것을 실질적으로 회피하도록 구성된 광-추출 매트릭스와 계면접촉하고; 여기서 광-추출 도파체는 광-추출 도파체 내에서 제2 도파 모드로 진행하는 광이 하부 도파체 구조부를 빠져나가도록 상기 광을 재배향시키는 광-재배향 특징부를 포함한다.
개시내용의 또 다른 측면은 광-추출 도파체가 불연속적 도파체 요소를 포함하는 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 광-추출 도파체가 응집된 나노입자 코팅으로부터 형성된 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 응집된 나노입자 코팅이 티타니아, 루타일, 아나타제, 지르코니아, 이트리아-안정화된 지르코니아, 알루미나, 산화주석, 산화세륨, 산화아연, 및 이들과 실리카의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 상기에 기술된 OLED 디바이스이다.
개시내용의 또 다른 측면은 향상된 방식으로 유기 발광 다이오드 (OLED) 디바이스로부터 광을 추출하는 방법이다. 방법은 유기 재료 층에 의해 방출된 광을 애노드와 캐소드 사이에 개재된 유기 재료 층에 의해 형성된 상부 도파체 구조부의 제1 도파 모드로 도파하고; 제1 도파 모드의 광을, 상부 도파체의 애노드와 계면접촉하는 제1 거친 표면을 갖는 광-추출 매트릭스와 계면접촉하며 다양한 두께를 갖는 광-추출 도파체를 포함하고 하부 표면을 갖는 하부 도파체 구조부의 제2 도파 모드로 진행하는 광으로 광학적으로 커플링시키고; 광-추출 도파체 내에서 진행하는 광을, 하부 도파체 구조부의 하부 표면을 빠져나가도록 재배향시키는 것을 포함하고, 여기서 거친 표면은, 제1 도파 모드의 광이 광-추출 도파체 내에서 제2 도파 모드로 진행하는 광으로 커플링하는 것을 향상시키는 한편 제1 도파 모드가 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 커플링하는 것을 실질적으로 회피하도록 구성된다.
개시내용의 또 다른 측면은 광-추출 도파체 내에서 제2 도파 모드로 진행하는 광을 재배향시키는 것을 하나 이상의 광-재배향 특징부로부터의 산란을 통해 수행하는 것인, 상기에 기술된 방법이다.
개시내용의 또 다른 측면은 하나 이상의 광-재배향 특징부가 광-추출 도파체의 몸체 내의 공극 및 광-추출 도파체의 거친 표면을 포함하는 것인, 상기에 기술된 방법이다.
개시내용의 또 다른 측면은 광-추출 도파체가 불연속적 도파체 요소를 포함하는 것인, 상기에 기술된 방법이다.
개시내용의 또 다른 측면은 제1 도파 모드의 광의 50% 이하가 광-추출 매트릭스의 거친 표면과 애노드 사이의 계면에서 지원되는 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 커플링되는 것인, 상기에 기술된 방법이다.
개시내용의 또 다른 측면은 거친 상부 표면이 주기적 성분 및 랜덤 성분을 가지며, 이때 주기적 성분은 피크-대-밸리 진폭 A 및 주기 P를 가지며 0.5 ㎛ ≤ P ≤ 2 ㎛ 및 20 ㎚ ≤ A ≤ 60 ㎚이고, 랜덤 성분은 제곱평균제곱근 (RMS) 표면 거칠기 σ33에 의해 한정되고 5 ㎚ ≤ σ33 ≤ 25 ㎚인 것인, 상기에 기술된 방법이다.
개시내용의 또 다른 측면은 광-추출 도파체가 티타니아 루타일, 아나타제, 지르코니아, 이트리아-안정화된 지르코니아, 알루미나, 산화주석, 산화세륨, 산화아연, 및 이들과 실리카의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 응집된 나노입자 코팅으로부터 형성된 것인, 상기에 기술된 방법이다.
본 개시내용의 특정한 실시양태의 하기 상세한 설명은 하기 도면과 관련하여 읽힐 때 가장 잘 이해될 수 있고, 도면에서 동일한 구조는 동일한 참조 부호로 표시된다.
도 1a는 본 개시내용의 한 실시양태에 따른 예시적인 OLED 디바이스의 적층 구조의 단면도이다.
도 1b는 예시적인 광-추출 도파체 및 광-추출 매트릭스를 보여주는 도 1에 따른 OLED 디바이스의 중심 부분의 근접 단면도이다.
도 2a는 도 1a와 유사하며, 광-추출 도파체가 불연속적 도파체 요소를 포함하는 것인 한 예시적인 실시양태를 도시한다.
도 2b는 도 1b와 유사하며, 광-추출 매트릭스 내의 광-추출 도파체의 도파체 요소를 보여준다.
도 3은 도 1의 예시적인 OLED 디바이스에 대한 예시적인 굴절률 프로필을 도시하는 굴절률 n 대 x (㎛)의 도표이다.
도 4a는 도 1b와 유사한 근접도이지만, 다양한 두께를 갖는 응집된 나노입자 코팅에 의해 한정된 광-추출 도파체를 보여주고, 표면 거칠기에 주기적 성분을 포함하는 광-추출 매트릭스의 상부 표면을 보여준다.
도 4b는 도 2b 및 도 4a와 유사하며, 응집된 나노입자 코팅으로서 형성된 불연속적 도파체 요소를 갖는 광-추출 도파체를 보여준다.
도 5a는 주기적 성분 및 랜덤 성분을 갖는 거친 상부 표면을 보여주는 광-추출 매트릭스의 상부 표면의 근접 개략도이다.
도 5b는 광-추출 매트릭스의 상부 표면의 표면 거칠기가 함께 첨가된 주기적 성분 및 랜덤 성분을 갖는 방식을 도시하는 개략도이다.
도 6은 예시적인 광-추출 매트릭스의 표면에 대한 전력 스펙트럼 밀도 S(f) (상대 단위) 대 공간 주파수 f (㎛_1)의 도표이다.
하기 설명에서, 두 개의 항목 (예를 들어, 두 개의 표면, 두 개의 층, 두 개의 구조부 등) A 및 B가 "계면접촉된" 또는 A가 B와 "계면접촉한다"와 관련하여 사용되는 용어 "계면접촉된" 및 "계면접촉한다"는 항목 A 및 B가 서로 바로 인접하도록 놓이거나 달리 서로 접촉하도록 배치된 것을 의미한다.
도 1은 개시내용의 한 실시양태에 따른 예시적인 OLED(8)의 단면도이다. 도 2는 OLED 구조부의 중심 부분의 근접 단면도이다. OLED(8)는 다이오드 상부구조부(10) 및 광-추출 하부구조부(20)를 포함한다. 다이오드 상부구조부(10)는 애노드(12), 캐소드(14), 및 애노드(12)와 캐소드(14) 사이에 개재된 유기 발광 반도체 재료 층 ("유기 층")(16)을 포함한다. 애노드(12), 캐소드(14) 및 유기 층(16)은 애노드(12)의 하부 표면에 의해 한정된 하부 표면(18)을 갖는 상부 도파체 구조부(15)를 한정한다. 상부 도파체 구조부(15)는 두께 D15를 가지며, 이는 한 예에서는 D15 ≤ 1.0 ㎛이고 또 다른 예에서는 0.1 ㎛ ≤ D15 ≤ 0.6 ㎛이다.
한 예시적인 실시양태에서, 상부 도파체 구조부(15)의 애노드(12)는 유기 층(16)에 의해 방출되는 가시-파장 광을 투과하는 투명 전도성 산화물, 예컨대 인듐 주석 산화물 (ITO)로 만들어진다. 상기에 명시된 바와 같이, 애노드(12)의 하부 표면(18)은 하기에 기술되는 바와 같이 광 추출 하부구조부의 광-추출 매트릭스의 상부 표면과의 적합한 계면을 제공한다. 캐소드(14)는 유기 층(16)의 발광 재료와 매칭하는 적당한 일함수를 갖는 임의의 전도성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐소드(14)는 Ag, Au, Al, SM, Tm, Yb 또는 이원금속성 재료, 예컨대 Ca:Al, Eu:Yb, 또는 Tm:Yb를 포함할 수 있다. 캐소드(14)의 두께는 약 70 내지 400 ㎚, 또는 약 70 내지 300 ㎚, 또는 약 70 내지 200 ㎚의 범위일 수 있다.
일부 경우에, 캐소드(14)가 70 ㎚ 미만의 두께를 가질 때, 유기 층(16)으로부터 방출된 광이 캐소드뿐만 아니라 애노드(12)를 통해 빠져나갈 수 있기 때문에 OLED 디바이스(8)는 양방향성으로 될 수 있다. 이는 추가적인 성분이 캐소드를 빠져나간 광을 거두는 데 사용되는 특정한 상황에서는 유리할 수 있다. 그러므로, OLED 디바이스(8)의 일부 실시양태는 약 10 ㎚ 내지 약 70 ㎚, 약 70 ㎚ 미만의 두께, 또는 OLED로부터 방출된 광(60)의 1% 초과가 캐소드를 통해 방출되게 하는 두께를 갖는 캐소드(14)를 포함할 수 있다.
광-추출 하부구조부(20)는 상부 표면(23), 저부 또는 하부 표면(25)을 갖는 기판(22), 및 기판의 상부 표면 상에 형성되어 있는 광-추출 도파체(24), 및 광-추출 도파체와 계면접촉하는 (예를 들어, 그것 상에 분포되어 있는) 광-추출 매트릭스(30)를 포함한다. 광-추출 매트릭스(30)는 상부 도파체 구조부(15)의 하부 표면(18)과 계면접촉하는 상부 표면(32)을 갖는다. 한 예에서, 기판(22)은 화학적으로 강화된 유리, 이온-교환된 유리, 비-강화된 유리 또는 무알칼리 유리를 포함할 수 있다. 기판(22), 광-추출 매트릭스(30) 및 광-추출 도파체(24)는, 하기에 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 유형의 광-재배향 특징부를 포함하는 하부 도파체 구조부(27)를 한정한다.
한 예에서, 광-추출 도파체(24)는 몸체(24b) 및 상부 표면(24s)을 갖는다. 한 예에서, 몸체(24b)는 공극(24v)을 포함하고, 상부 표면(24s)은 RMS 표면 거칠기 σ24를 갖는다. 도 1b에 가장 잘 나타내어진 한 예에서, 몸체(24b)는, 상부 표면(24s)이 또한 z-방향 위치의 함수로서 x-방향으로 변동하게 하도록, 두께 THb에 있어서 변동한다. 상부 표면(24s)의 평균 x-위치는 <24s>로 표시되고 평균 상부 표면이라고 지칭된다. 한 예에서, 상부 표면(24s)은 기판 상부 표면(23)에 대해 측정된 높이 함수 h24(z)에 의해 한정된 표면 높이를 갖는다. 도 1b에서 볼 수 있는 바와 같이, 광-추출 매트릭스(30)는 <32>로 표시된 평균 표면을 갖는 다양한 표면(32)을 갖는다.
광-추출 도파체(24)의 평균 표면 <24s>와 상부 도파체 구조부(15)의 하부 표면(18)을 분리하는 x-방향 거리는 DX라고 표시되며, 이는 한 예에서 1 ㎛ 미만이다.
OLED(8)는 임의로 다이오드 상부구조부(10)의 정상에 캡슐화 층(40)을 포함할 수 있다.
도 1a는 OLED 구조부(8)로부터 기판(22)을 통해 추출되는 광(60)을 보여주며, 이때 추출된 광(60)은, 하기에 설명되는 바와 같이, 광-추출 도파체(24)의 몸체(24b) 내에서 및 표면(24s)으로부터 유래된다. 실제로, 광(60)은 비교적 넓은 범위의 각도에 걸쳐 기판(22)을 빠져나간다.
한 예에서, 광-추출 도파체(24)는 상부 도파체 구조부(15)에 충분히 가깝게 배치되고 (즉, 거리 DX는 충분히 작음) 상부 도파체 구조부 내에서 진행하는 광이 광-추출 도파체로 광학적으로 커플링될 수 있도록 실질적으로 동일한 모드 구조를 갖도록 구성된다. 이러한 광 커플링은 커플링 길이 LC에 걸쳐 일어난다. 한 예에서, 광-추출 도파체(24)는, 상부 및 하부 도파체 구조부(15 및 27)가 실질적으로 동일한 유형의 모드를 지원하는 것 (즉, 실질적으로 동일한 모드 구조를 갖는 것)을 보장하도록, 상부 도파체 구조부(15)의 유효 굴절률 및 치수와 실질적으로 유사한 유효 굴절률 및 치수를 갖는다. 광 추출을 위해 사용되는 커플링된 도파체의 한 예는 본원에 참조로 포함되는 USP 7,432,649에 개시되어 있다.
또 다른 예에서, 하부 도파체 구조부(27)의 모달 체적(modal volume)은 상부 도파체 구조부(15)가 지원하는 것보다 훨씬 더 많은 모드를 지원한다. 이는, 하부 도파체 구조부의 치수 또는 두께는 표면 거칠기로 인해 변하기 때문에, 상부 도파체 구조부(15)에서 지원되는 모드와 매칭하는, 하부 도파체 구조부(27)에서 지원되는 모드가 있을 것을 보장한다. 일반적으로 말하자면, 평판 도파체 내의 모드의 개수 N은 대략 N = (πd/λ)(n 2 2-n 1 2)1/2에 의해 주어지고, 여기서 d는 평판 도파체의 코어의 두께이고 n 2 및 n 1은 각각 코어 및 클래딩 굴절률이다. 따라서, 하부 도파체 구조부(27) 내의 모드의 개수는 광-추출 층(24)의 두께 THb에 비례하여 증가하고, 이는 상부 도파체 구조부(15)와 하부 도파체 구조부 (27) 사이의 모드 매칭을 더 잘 보장한다. 한 예에서, 광-추출 도파체(24)의 두께 THb는 공칭 0.5 마이크로미터이고, 또 다른 예에서 THb ≤ 1.5 ㎛이고, 또 다른 예에서 THb ≤ 3 ㎛이고, 또 다른 예에서 THb ≤ 5 ㎛이다. 한 예에서, 상기 두께 THb는 평균 표면 <24s>에 대해 측정된 광-추출 도파체(24)의 평균 두께이다.
도 2a는 도 1a와 유사하고 광-추출 도파체(24)가 복수의 불연속적 광-추출 도파체 요소 ("WG 요소")(24E)를 포함하는 것인 예시적인 실시양태를 도시한다. 이러한 실시양태에서 광-추출 매트릭스(30)는 또한 "평탄화 층"이라고 불리는데, 왜냐하면 그것이 불연속적 WG 요소(24E) 및 기판의 상부 표면(23) 상에 분포되어 WG 요소들 사이의 틈새를 메우기 때문이다.
각각의 WG 요소(24E)는 종결점 (또는 단부)(24A 및 24B)을 갖는다. 각각의 WG 요소(24E)는 종결점들 (24A 및 24B) 사이의 거리에 의해 한정된 길이 LT를 갖는다. 일부 경우에, 광-추출 매트릭스(30) 내의 WG 요소(24E)에 의해 점유된 공간의 총량은 약 35% 내지 약 65%일 수 있다. 인접한 WG 요소들(24E)의 종결점들(24A 및 24B)은, 하기에 설명되는 바와 같이, 광-추출 매트릭스(30)의 재료로 메워지고 광 추출 부위를 한정하는 길이 LG ("틈새 길이")의 틈새(35)를 한정한다.
DX가 약 0.4 ㎛인 한 예에서, 커플링 길이 LC는 약 10 ㎛ 이하이고, WG 요소(24E)의 길이 LT는 대략 10 ㎛ 이상이다. DX가 약 0.3 ㎛인 한 예에서, 커플링 길이 LC는 약 5 ㎛ 이하이고, WG 요소(24E)의 길이 LT는 대략 5 ㎛ 이상이다. 한 예에서, DX는 대다수의, 또는 실질적으로 모든 WG 요소(24E)가 10 ㎛ 이하의 길이 LT 를 갖게 하기에 충분히 얇은 것으로 선택된다.
최대 광 추출 효율을 위해, 조건 LT > LC가 충족되어야 한다. 커플링 길이 LC가 모드에 따라 달라진다는 것이 또한 주목할 만한 가치가 있다. 상부 도파체 구조부(15)의 도파 모드 50의 고차(higher-order) 모드는 저차(lower-order) 모드보다 훨씬 더 짧은 길이에 걸쳐 하부 도파체 구조부(27)로 커플링된다. 이는 도파 모드 50의 고차 모드의 소산장(evanescent field)이 저차 모드에 비해 광-추출 층(30) 및 광-추출 도파체(24) (또는 도파체 요소(24E)) 내로 기하급수적으로 더 멀리 연장되기 때문이다.
이러한 조건은 수학적으로 비 Rβ = exp(-βh·d)/exp(-βl·d)로서 표현될 수 있고, 여기서 βh 및 βl은 각각 도파 모드 50의 고차 및 저차 모드의 전파 상수이다. 이러한 비 Rβ는 매우 큰 수일 수 있다. 최고차 및 최저차 모드의 경우에, 비 Rβ는 여러 자릿수일 수 있다. 그래서 도파 모드 50 중 최고차 모드가 10 마이크로미터의 커플링 길이 LC 내에서 하부 도파체 구조부(27)로 커플링되는 경우에, 최저차 모드는 밀리미터, 일부 경우에 센티미터 또는 그 초과의 길이 내에서 커플링된다. 광-추출 층(30)의 표면(32) 상의 거칠기는 상부 도파체 구조부(15)의 도파 모드 50 중 저차 모드가 하부 도파체 구조부(27)의 고차 모드(54)로 커플링되는 것을 허용한다.
한 예에서, 대다수의, 또는 실질적으로 모든 WG 요소(24E)는 10 ㎛ 이하의 길이 LT를 가지며, 한 예에서, LT ≤ 5 ㎛이다. 또한 한 예에서, WG 요소(24E)를 갖는 하부 도파체 구조부(27)는 상부 및 하부 도파체 구조부(15 및 27)가 실질적으로 동일한 유형의 모드를 지원하는 것 (즉, 실질적으로 동일한 모드 구조를 갖는 것)을 보장하도록 상부 도파체 구조부(15)의 상응하는 층과 실질적으로 유사한 굴절률 (또는 유효 굴절률) 및 실질적으로 유사한 치수를 가질 수 있다. 상기에 언급된 바와 같이, 하부 도파체 구조부(27)는 또한 상부 도파체 구조부(15)의 모드 50보다 훨씬 더 큰 개수의 모드 54를 지원할 수 있다.
한 예에서, WG 요소(24E)는 슈도-랜덤(pseudo-random) 분포되고, 즉, 길이 LT 및 틈새 간격 LG에 있어서 변동한다. 한 예에서, 슈도-랜덤 분포는 길이 LT 및 간격 LG의 요망되는 값에 실질적으로 중심을 두고 WG 요소(24E)의 실질적으로 균일한 분포를 보장하기에 충분한 정도로 제작 공정을 통해 제어되는 랜덤 분포이다.
도 3은 OLED 디바이스(8)에 대한 거리 x의 함수로서의 굴절률 n의 도표이고, OLED 디바이스에 대한 예시적인 굴절률 프로필을 도시한다. 예시적인 실시양태에서, 광-추출 매트릭스(30)의 굴절률 n(P)이 상부 도파체 구조부(15)의 유효 굴절률 n eff(O) 및 WG 요소(24)의 유효 굴절률 n eff(WG)보다 적어도 대략 0.2 더 작은 것을 보장함으로써, 향상된 광 추출을 달성할 수 있다.
또 다른 예에서, 각각의 유효 굴절률 n eff(O) 및 n eff(WG)은 대략 0.2 이하만큼 상이하다. 또한, 도 1a를 참조하자면, 상부 도파체 구조부(15)의 두께 D15 및 광-추출 매트릭스(30)의 두께 D30 (도 2b를 참조함)은 대략 1.5 ㎛ 미만, 또는 일부 실시양태에서, 1.0 ㎛ 미만만큼 상이하다. 상기에 명시된 바와 같이, 상부 도파체 구조부(15)는 종종 광-추출 도파체(24)로부터 1.5 ㎛ 미만, 또는 일부 실시양태에서 1.0 ㎛ 미만, 또는 일부 실시양태에서 0.5 ㎛ 미만의 거리 DX만큼 분리된다.
한 예에서, 상부 도파체 구조부(15) 및 하부 도파체 구조부(27)는, 작동 시에, 다이오드 상부구조부(10)의 유기 층(16)에서 유래된 광이 상부 도파체 구조부 내에서 z-방향으로, 도시를 쉽게 하기 위해 단일 도파 모드로서 나타내어진, 도파 모드 50 (예를 들어 TE 및 TM 모드를 포함하여, 5 또는 6 개의 도파 모드)으로 진행하도록 구성된다. 도파 모드 50의 일부분 (즉, 소산 테일(evanescent tail))은 광-추출 매트릭스(30) 및 그것 내에 존재하는 광-추출 도파체(24) 내로 연장된다.
상기에 명시된 바와 같이, 한 예에서, 하부 도파체 구조부(27)의 광-추출 도파체(24) (불연속적 도파체 실시양태에서의 WG 요소(24E)를 포함함)는, 하부 도파체 구조부의 도파 모드 54가 상부 도파체 구조부의 도파 모드 50과 실질적으로 매칭하도록, 굴절률 및 너비에 있어서 상부 도파체 구조부(15)와 실질적으로 매칭한다. 이는 상부 도파체 구조부(15)와 하부 도파체 구조부(27) 사이의 효율적인 모드 커플링을 용이하게 한다. 결과적으로, 도파 모드 50의 광의 일부는 광-추출 하부구조부(20)의 광-추출 도파체(24)로 커플링되고, 그것 내에서, 도시를 쉽게 하기 위해 단일 도파 모드로서 나타내어진, 도파 모드 54로서 진행한다. 도파 모드 50의 고차 모드의 소산 테일은 상부 도파체 구조부(15)로부터 더 멀리 연장되어 나가고, 따라서 상부 도파체 구조부(15)의 유기 층(16)에 더 단단히 결합된 저차 모드의 소산 테일에 비해, 하부 도파체 구조부(27)의 광-추출 매트릭스(30)와 더 강하게 상호작용한다.
상부 도파체 구조부(15)와 하부 도파체 구조부(27) 사이의 모드 커플링은 광학적 모드가 하나의 도파체로부터 또 다른 도파체로 커플링되는 데 요구되는 전파 거리로서 한정되는 전술된 커플링 길이 LC에 걸쳐 일어난다. 커플링 길이 LC는, 관련 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이, 도파체 기하구조, 도파체 굴절률, 파장 및 커플링된 도파 모드의 유효 굴절률 사이의 미스매칭에 의해 결정된다. 모드 커플링을 통한 OLED 디바이스(8)로부터의 광(60)의 추출은 바람직하게는 플라즈몬 흡수의 흡수 길이 LPA 보다 더 짧은 길이 규모에 걸쳐 일어나며, 즉, LC < LPA이다.
광-추출 도파체(24) 내에서 진행하는 도파 모드 54는 표면(24s) 상의 거칠기와 상호작용하며, 또한 몸체(24b) 내의 공극(24v)으로부터 체적 산란된다(volumetrically scatter). 따라서, 추출된 광(60)의 일부는 광-추출 도파체(24)로부터 재배향된 광으로서 유래되고, 이때 표면(24s) 상의 거칠기 및 몸체(24b) 내의 공극(24v)은 하부 도파체 구조부(27)의 광-재배향 특징부의 예를 구성한다. 광-추출 도파체(24)가 불연속적 WG 요소(24E)를 포함하는 경우에, 광-재배향 특징부는 추가적으로 WG 요소(24)의 종말 단부(24A 및 24B)를 포함한다. 따라서, 광-재배향 특징부는 표면 거칠기 및 공극 (또는 "내부 거칠기"), 굴절률 변동, 및 재료 계면을 포함한다. 광-재배향 특징부는 또한 광-추출 도파체(24)의 몸체의 두께 THb에 있어서의 변동 또는 기복을 포함한다. 이러한 기복 또는 변동은 그것 내에서 진행하는 도파 모드 54의 유실을 초래한다.
한 예에서, WG 요소(24E)의 표면(24s)의 표면 거칠기 σ24는 상부 도파체 구조부(15)와 하부 도파체 구조부(27) 사이의 효율적인 모드 커플링이 가능하도록 광-추출 매트릭스(30)로 하여금 0.5 ㎛ 이하의 두께 D30을 갖는 것을 가능하게 하기에 충분히 작다.
광-추출 도파체의 형성
한 예에서, WG 요소(24E)를 포함하는 광-추출 도파체(24)는 루타일 티타니아 응집된 나노입자 코팅을 한정하도록 티타니아의 나노입자와 함께 결합제 및/또는 분산제에 의해 형성된 것과 같은 응집된 코팅을 포함한다. 다른 재료는 티타니아, 지르코니아, 알루미나, 산화주석, 산화아연, 산화세륨뿐만 아니라 이들 재료와 실리카의 혼합물, 및 이들 재료의 조합을 포함한다. 결합제는 계면활성제일 수 있고 (전형적으로 < 1 wt% 또는 < 0.05 wt%), 비-이온성 및 비-반응성일 수 있고, 무기 산화물 나노입자의 전하에 영향을 미치지 않아야 한다. 결합제는 또한 우수한 분산 특성을 나노입자 용액에 제공하는 것으로 선택될 수 있고 나노입자 수용액의 표면장력을 낮춤으로써 (25℃에서 ~34 dyne/㎝) 균일성을 갖는 딥-코팅 가능한 용액을 제공할 수 있다. 예를 들어, 비-이온성 계면활성제는 더 다우 케미칼 컴파니(The Dow Chemical Company)로부터 입수 가능한 비-이온성 계면활성제인 터지톨(Tergitol)™과 유사한 계면활성제로부터 선택된다. 적합한 결합제는 또한, 예를 들어, 바스프 코포레이션(BASF Corporation)으로부터 입수 가능한, 1급 히드록실 기에서 종결되는 2관능성 블록 공중합체 계면활성제인 플루로닉스(Pluronics) P123®과 유사한 계면활성제를 포함한다.
WG 요소(24E)를 제조하는 방법은 요망되는 특성을 갖는 표면을 제조하는, 관련 기술분야에 공지되어 있는 코팅 방법을 포함하고, 여기서 WG 요소 농도 및 분산제 농도는 WG 요소의 필요한 농도를 제공하도록 변동될 수 있다. 이러한 방법은 딥 코팅, 스핀 코팅, 스크린 프린팅, 잉크 젯트 코팅, 분무, 증기 또는 입자 침착, 롤러 코팅 또는 롤-대-롤 가공 등을 포함하지만, 이로 제한되는 것은 아니다.
광-추출 매트릭스(30)를 형성하는 재료는 또한 결합제 및 평활화/평탄화 층으로서 간주될 수 있고, 기판(22)의 굴절률과 실질적으로 유사한 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 기판(22)은 유리일 수 있고 광-추출 재료는 "스핀 온 글라스(spin on glass)"로서 제공될 수 있다. 광-추출 매트릭스(30)는 비교적 높은 균열 내성 (경화 후 낮은 수축)을 특징으로 할 수 있고, 나노 규모의 틈새를 메울 수 있는 능력을 가질 수 있으며, 일반적으로 열적으로 안정할 수 있다. 일반적으로, 광-추출 매트릭스(30)는 공기 중에서 대략 250 내지 400℃까지 열적으로 안정할 수 있다. 이러한 온도가 초과되면, 광-매트릭스 재료의 표면은 산화되고, 550℃ 초과의 온도에서는 균열을 초래할 수 있다. 예를 들어, 광-추출 매트릭스(30)는 부분적으로 중합된 폴리메틸실록산 (예를 들어, T-12, 512B, T-11 스핀 온 글라스 (허니웰(Honeywell)), 폴리-디메틸-실록산, 폴리-디페닐-실록산, 부분적으로 중합된 폴리실세스퀴옥산, 폴리-메틸-실세스퀴옥산 (하드실(HardSil)™AM, 겔레스트 케미칼즈(Gelest Chemicals)), 및 폴리-페닐-실세스퀴옥산, 폴리-메틸-페닐 실세스퀴옥산 (하드실™AP, 겔레스트) 중 하나 이상으로부터 형성될 수 있다.
예시적인 실시양태에서, 광-추출 도파체(24)는 WG 요소(24E)를 한정하는 지르코니아 코팅으로부터 형성된다. 광-추출 도파체(24)의 구조적 형태는 유효 굴절률 및 그의 변동, 두께 THb 및 그의 변동, 표면(24s)의 표면 거칠기에 의해 한정된 체적 산란 및 표면 산란을 포함하는 하나 이상의 광-재배향 특징부로 인한 광 추출을 가능하게 한다. 한 예에서, 표면(24s)의 RMS 표면 거칠기 σ24는 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛의 범위의 상관 길이 CL24를 갖는다. 한 예에서, 표면(24s)의 RMS 표면 거칠기 σ24는 D30 < 0.5 ㎛ (WG 요소(24E)의 경우) 또는 DX < 0.5 ㎛ (광-추출 도파체(24)가 연속적인 경우)의 두께를 갖는 광-추출 매트릭스(30)의 사용을 가능하게 하도록 50 ㎚ 미만이다.
지르코니아 응집된 나노입자 코팅이 광-추출 도파체(24) (WG 요소(24E)에 의해 한정된 광-추출 도파체를 포함함)를 한정하는 데 사용되는 한 예에서, 정방정계 지르코니아 나노입자 (3YSZ, 3 mol% 이트리아 안정화된 지르코니아) 분산제 결합제 용매 배합물을 테이프 캐스팅, 슬롯 코팅 또는 딥 코팅하고 800℃ 미만으로 열처리하여 중합체 결합제 및 분산제를 제거함으로써 코팅을 형성한다.
이러한 배합물 중의 정방정계 지르코니아 나노입자 (3YSZ, 3 mol% 이트리아-안정화된 지르코니아)는 약 50 ㎚의 일차 입자 크기를 가지며 매우 작은 (예를 들어, 20 ㎚의) 미소결정으로 구성된다. WG 요소(24E)의 두께 및 표면 거칠기를 분산액 특징 및 코팅 매개변수를 변경함으로써 변동시킬 수 있다. 이어서 샘플을 350℃ 내지 700℃의 범위의 온도로 가열함으로써 결합제를 연소하고, 이어서 중합체를 제거하기 위해 800℃ 미만으로 가열하여 광-추출 도파체(24)를 한정하는 0.5 ㎛ 이하 또는 2 ㎛ 이하 또는 5 ㎛ 이하 또는 10 ㎛ 이하의 두께의 다공성 지르코니아 층을 생성한다.
따라서, 한 예에서, 지르코니아는 기판(22)의 상부 표면(23) 상에 침착되고 분산액을 형성하는 데 사용된 중합체 분산제 및 용매는 열적 사이클에 의해 열적으로 제거된다. 이러한 열적 단계로 인해 중합체의 제거와 동시에 틈새(35)를 한정하는 공극이 구조부 내에 남겨지며, 상기 공극은 광-추출 매트릭스(30)의 재료로 메워지거나 메워지지 않은 채로 있다.
지르코니아의 굴절률은, 전파하는 광의 파장에 따라, 대략 2.2이다. 이러한 굴절률은 상부 도파체 구조부(15)의 도파 매개변수와 하부 도파체 구조부(27)의 것의 우수한 매칭을 가능하게 하고, 즉 상부 도파체 구조부의 도파 모드 50은 지르코니아 광-추출 도파체(24)와 실질적으로 동일한 도파 모드 54를 갖는다. 지르코니아 응집체 광-추출 도파체(24)의 몸체(24b)는 도파 모드 54로 운반된 광을 산란시키는 전술된 공극(24v)을 갖는다. 이들 공극(24v)의 치수가 전파하는 가시-파장 광의 파장보다 작기 때문에, 광은 넓은 각도로 산란되고, 이는 추출된 광(60)의 효율적인 추출을 가능하게 한다.
광-추출 매트릭스의 표면 거칠기
도 4a 및 4b는 도 2a 및 2b와 유사한 근접도이고, 광-추출 도파체(24)가 연속적 구조를 갖는 실시양태 (도 4a) 및 광-추출 도파체(24)가 불연속적 WG 요소 (24E)를 갖는 실시양태 (도 4b)를 보여준다.
도 4a의 연속적 광-추출 도파체(24) 및 WG 요소(24E)를 포함하는 불연속적 광-추출 도파체는 거친 상부 표면(24s)을 한정하는 응집된 나노입자 코팅에 의해 형성되는 것으로 나타내어져 있다. 도 4a 및 4b는 또한 표면 거칠기(33)에 주기적 성분을 포함하는 광-추출 매트릭스(30)의 상부 표면(32)을 보여준다. 상부 표면(32)의 평균 위치는 <32>로 표시되어 있다.
광-추출 매트릭스(30)의 상부 표면(32)에서의 표면 거칠기(33)는, 상부 도파체 구조부(15)에 의해 지원된 도파 모드 50의 고차 모드와 강하게 상호작용하는 섭동(perturbation)을 나타내어, 향상된 광 추출을 제공하고, 즉 표면 거칠기의 부재 시보다 더 많은 추출된 광(60)이 수득된다. 표면 거칠기(33)는 상부 도파체 구조부(15)의 모드 50의 저차 모드로부터, 상부 도파체 구조부(15)로부터 하부 도파체 구조부(27)로 더 쉽게 커플링되는 고차 모드로의 모드 커플링을 용이하게 하는 역할을 한다. 이는 OLED 디바이스(8)로부터의 포획된 광의 효율적인 유동 또는 확산을 가능하게 한다.
상기에 명시된 바와 같이, 한 예에서, 광-추출 도파체(24)의 거친 상부 표면(24s)은 그것 내에서 진행하는 도파 모드 54의 산란을 초래하는 한편 광-추출 매트릭스(30)가 1 ㎛ 미만의 두께 DX 또는 D30 또는 심지어 0.5 ㎛ 미만의 DX 또는 D30을 갖는 것을 허용하기에 충분히 거칠다. 또한, 응집된 나노입자 코팅이 광-추출 도파체(24)의 몸체(24b)를 한정할 때, 응집된 나노입자 코팅에 의해 한정된 전술된 공극(24v)은 도파 모드 54의 전술된 체적 산란을 일으키며, 그럼으로써 OLED 디바이스(8)로부터의 광(60)의 향상된 광 추출을 초래한다.
도 5a는 광-추출 매트릭스(30)의 상부 표면(32) 및 표면 거칠기(33)의 근접도이다. 표면 거칠기(33)는, 도 5b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 주기적 성분(33P) 및 랜덤 성분(33R)을 갖는다. 표면 거칠기(33)는 표면 높이 함수 h(z) = hP(z) + hR(z)에 의해 특징지워질 수 있고, 여기서 hP(z)는 주기적 성분이고 hR(z)는 랜덤 성분이다. 주기적 성분 hP(z)는 피크-대-밸리 진폭 A 및 주기 P에 의해 한정된다. 랜덤 성분은 제곱평균제곱근 (RMS) 표면 거칠기 σ33을 갖는 랜덤 또는 분포 (예를 들어, 가우스)를 갖는 hR(z)에 의해 특징지워진다.
한 예에서, 주기적 성분에 의해 한정되는 바와 같은 표면 거칠기(33)의 주기 P는 범위 0.5 ㎛ ≤ P ≤ 2 ㎛에 의해 한정된다. 또한 한 예에서, 진폭 A는 상부 도파체 구조부(15)의 두께 D15의 약 5% 내지 10%이고, 그래서 한 예에서 진폭 A는 범위 (0.05)·D15 ≤ A ≤ (0.1)·D15에 의해 한정된다. 한 예에서, 진폭 A는 20 ㎚ ≤ A ≤ 60 ㎚의 범위이고, 또 다른 예에서 진폭 A는 25 ㎚ ≤ A ≤ 50 ㎚의 범위이다. 광-추출 도파체가 WG 요소(24E)를 포함하는 한 예에서, 주기 P는 WG 요소의 길이 LT보다 작다.
RMS 표면 거칠기 σ33이 너무 크면, 도파 모드 50은 손실이 있는 표면 플라즈몬 모드로 커플링될 것이며 향상된 광 추출을 초래하지 않을 것이다. RMS 표면 거칠기 σ33이 너무 작으면, 광 추출을 향상시키기 위한 상부 도파체 구조부(15)의 도파 모드 50의 WG 요소(24E)의 도파 모드 54로의 커플링이 불충분할 것이다. 한 예에서, RMS 표면 거칠기 σ33은 5 ㎚ ≤ σ33 ≤ 25 ㎚의 범위이고, 또 다른 예에서, RMS 표면 거칠기는 7 ㎚ ≤ σ33 ≤ 15 ㎚의 범위이다.
광-추출 매트릭스(30)의 표면(32)을 위해 요망되는 매개변수를 규명하는 또 다른 방법은 상부 도파체 구조부(15)와 광-추출 도파체(24) 사이에서 일어나는 모드 커플링을 조사하는 것이며, 여기서 표면(32)은 이들 두 개의 도파체 구조부들 사이에 존재한다.
두 개의 모드 i 및 j 사이의 모드 커플링 C i,j 는 하기 표현에 의해 잘 근사화될 수 있다:
C i,j = ∫ψ i ψ j δn2 (h(z)/a)dz (1)
상기 식에서 δn2는 광-추출 매트릭스(30)와 인접한 층 사이의 굴절률 차를 나타내고 a는 정규화 상수이다. i 및 j 모드는 직교하지만, 표면 높이 h(z)의 변동은 도파된 광이 고도로 감쇠하는 표면 플라즈몬 모드를 포함하여 도파 모드들 중에서 커플링할 수 있게 하는 상-매칭 조건을 제공한다. 예시적인 OLED 디바이스(8)는 상부 도파체 구조부(15)가 상기 식 (1)에서 ψ로 나타내어진 다섯 개의 도파 모드 50를 지원하도록 구성된다. 도파 모드 50의 정확한 개수는 광학적 파장, 상부 도파체 구조부(15)의 층 (12, 14 및 16)의 두께뿐만 아니라 그것의 각각의 굴절률에 따라 다르다.
도파 모드 50의 광학적 전파 상수 β뿐만 아니라 파동 함수는 관련 기술분야에 공지되어 있는 방법에 의해 계산될 수 있다 (예를 들어 문헌(Yeh, "Optical Waves in Layered Media," published by John Wiley & Sons, Inc.)을 참조함). i 및 j 모드의 전파 상수들 β 사이의 차 Δβ를 취함으로써 이러한 커플링을 초래하는 데 요구되는 표면 주파수 매개변수를 추정할 수 있다. 차 Δβ는 길이의 역수의 단위를 갖는다.
전파 상수 β를 사용하면, 표면 주파수 f는 약 0.5 내지 2㎛- 1이다. 그러므로 이들 표면 주파수 f가 일반적으로 바람직하다. 이들 표면 주파수 f 중 몇몇은 또한 표면 플라즈몬 폴라리톤으로의 커플링을 초래할 것이다. 다른 한편으로, 식 (1)을 사용하는 계산은, 향상된 광 추출 값을 초래하는 도파 모드 50과 도파 모드 54 사이의 모드 커플링은 표면 플라즈몬 폴라리톤으로의 커플링보다 더 높은 속도로 일어난다는 것을 보여준다.
광-흡수 표면 플라즈몬 폴라리톤은 표면(32)이 거친 표면일 때에만 일어난다. 표면 플라즈몬 폴리라톤으로의 모드 커플링을 위한 상-매칭 조건은 표면 주파수 f가 2 ㎛- 1를 초과해야 한다는 것을 암시하며, 그래서 한 예시적인 실시양태에서, 표면(32)의 거친 표면(33)에 대한 표면 주파수 f는 2 ㎛-1 미만이다. 다른 한편으로, 0.5 ㎛-1 미만의 표면 주파수 f가 또한 표면 플라즈몬 폴라리톤으로의 커플링을 초래할 수 있지만 폴라리톤은 에너지가 낮고 그러므로 상당량의 광을 운반할 수 없다는 것이 시뮬레이션 및 실험을 통해 결정되었다.
도 6은 광-추출 매트릭스(30)의 예시적인 거친 표면(32)에 대한 전력 스펙트럼 밀도 S(f) (상대 단위) 대 공간 주파수 f (㎛-1)의 도표이다. 도표는 곡선 c1에서 표면의 2 ㎛ 스캔에 기초한 실제 데이터, 및 곡선 c2에서 측정 데이터에 피팅한 것을 포함한다. 도표는 f = 2 ㎛-1 주파수 미만에서의 공간 주파수 f의 높은 농도를 보여주며, 이를 넘어서면 표면 플라즈몬 폴라리톤으로의 요망되지 않는 모드 커플링이 현저해진다. 도표는 또한 f = 1 ㎛-1에서의 공간 주파수의 가장 높은 농도를 보여주며, 이는 매우 바람직하고, 이때 1 ㎛-1에서의 공간 주파수 성분의 수와 2 ㎛-1에서의 공간 주파수 성분의 수 사이에는 약 10배의 감소가 있고, 1 ㎛-1와 3 ㎛-1 사이에는 약 1000배의 감소가 있다.
한 예에서, 표면(32)은 공간 주파수 f가 f ≤ 2 ㎛-1의 범위이거나 0.5 ㎛-1 ≤ f ≤ 2 ㎛-1의 범위인 것인 표면 거칠기 및 σ33 ≤ 40 ㎚의 범위 또는 5 ㎚ ≤ σ33 ≤ 20 ㎚의 전술된 범위의 RMS 표면 거칠기 σ33 을 갖는다. 따라서, 한 예시적인 실시양태에서, 표면(32)은, 표면의 대부분의 공간 주파수가 조건 f ≤ 2 ㎛-1 또는 대안으로서 0.5 ㎛-1 ≤ f ≤ 2 ㎛-1을 충족시키고 또 다른 예에서 2 ㎛-1 미만인 공간 주파수 f의 분율 (예를 들어, 백분율)이 90% 초과인 것인 표면 거칠기를 갖는다.
관련 기술분야의 통상의 기술자라면, 본원에 기술된 바와 같은 개시내용의 바람직한 실시양태를 첨부된 청구범위에서 한정된 바와 같은 개시내용의 진의 또는 범주에서 벗어나지 않게 다양하게 개질할 수 있다는 것을 명백하게 알 것이다. 따라서, 개시내용은 첨부된 청구범위 및 그것의 균등물의 범주 내에 속하는 개질 및 변형을 망라한다.

Claims (23)

  1. 제1 도파 모드를 지원하고, 캐소드, 하부 표면을 갖는 애노드, 및 캐소드와 애노드 사이에 개재된 유기 발광 반도체 재료를 포함하는 상부 도파체 구조부; 및
    상부 도파체 구조부와 계면접촉하고, 제1 도파 모드에 매칭되는 제2 도파 모드를 지원하고, 상부 표면 및 하부 표면을 갖는 기판, 기판의 상부 표면 상에 분포된 광-추출 도파체, 및 광-추출 도파체 및 기판의 상부 표면 상에 분포된 광-추출 매트릭스를 포함하는 하부 도파체 구조부
    를 포함하고,
    여기서 광-추출 매트릭스는, 애노드의 하부 표면과 계면접촉하고 상부 도파체 구조부의 제1 도파 모드로부터 하부 도파체 구조부의 제2 도파 모드로의 모드 커플링을 용이하게 하는 한편 제1 도파 모드로부터 표면 플라즈몬 폴라리톤으로의 커플링을 회피하는 거친 상부 표면을 포함하고;
    여기서 하부 도파체 구조부의 광-추출 도파체 내에서 제2 도파 모드로 진행하는 광은 하부 도파체 구조부의 광-재배향 특징부에 의해 기판의 하부 표면을 빠져나가도록 재배향되며,
    여기서 거친 상부 표면이 피크-대-밸리 진폭 A 및 주기 P를 갖는 주기적 성분을 가지며 여기서 0.5 ㎛ ≤ P ≤ 2 ㎛이고 20 ㎚ ≤ A ≤ 60 ㎚이며,
    여기서 거친 상부 표면이 제곱평균제곱근 (RMS) 표면 거칠기 σ33에 의해 한정되는 랜덤 성분을 가지며 여기서 5 ㎚ ≤ σ33 ≤ 25 ㎚인,
    광 추출이 향상된 유기 발광 다이오드(OLED) 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 광-추출 도파체가 불연속적 도파체 요소를 포함하는 것인 OLED 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 제1 도파 모드로 운반되는 광의 50% 이하가 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 커플링되는 것인 OLED 디바이스.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 광-추출 도파체가 응집된 나노입자 코팅으로부터 형성된 것인 OLED 디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 응집된 나노입자 코팅이 티타니아 루타일, 아나타제, 지르코니아, 이트리아-안정화된 지르코니아, 알루미나, 산화주석, 산화세륨, 산화아연, 및 이들과 실리카의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 OLED 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 광-추출 도파체가 광-재배향 특징부를 갖는 연속적 도파체 요소를 포함하는 것인 OLED 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 광-추출 도파체가 표면 거칠기 및 내부 공극 형태의 광-재배향 특징부를 포함하는 것인 OLED 디바이스.
  10. 유기 층을 가지며 제1 도파 모드를 지원하도록 구성된 상부 도파체 구조부; 및
    제1 도파 모드에 매칭되는 제2 도파 모드를 지원하도록 구성된 광-추출 도파체를 갖는 하부 도파체 구조부
    를 포함하고,
    여기서 광-추출 도파체는, 거친 상부 표면을 갖는 광-추출 매트릭스와 계면접촉하고, 광-추출 매트릭스는 제1 도파 모드로부터 제2 도파 모드로의 모드 커플링을 용이하게 하는 한편 제1 도파 모드가 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 커플링하는 것을 회피하도록 구성되고;
    여기서 광-추출 도파체는 광-추출 도파체 내에서 제2 도파 모드로 진행하는 광이 하부 도파체 구조부를 빠져나가도록 상기 광을 재배향시키는 광-재배향 특징부를 포함하며,
    여기서 거친 상부 표면이 피크-대-밸리 진폭 A 및 주기 P를 갖는 주기적 성분을 가지며 여기서 0.5 ㎛ ≤ P ≤ 2 ㎛이고 20 ㎚ ≤ A ≤ 60 ㎚이며,
    여기서 거친 상부 표면이 제곱평균제곱근 (RMS) 표면 거칠기 σ33에 의해 한정되는 랜덤 성분을 가지며 여기서 5 ㎚ ≤ σ33 ≤ 25 ㎚인,
    광 추출이 향상된 유기 발광 다이오드 (OLED) 디바이스.
  11. 제10항에 있어서, 광-추출 도파체가 불연속적 도파체 요소를 포함하는 것인 OLED 디바이스.
  12. 제10항에 있어서, 광-추출 도파체가 응집된 나노입자 코팅으로부터 형성된 것인 OLED 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 응집된 나노입자 코팅이 티타니아 루타일, 아나타제, 지르코니아, 이트리아-안정화된 지르코니아, 알루미나, 산화주석, 산화세륨, 산화아연, 및 이들과 실리카의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 OLED 디바이스.
  14. 유기 재료 층에 의해 방출된 광을 애노드와 캐소드 사이에 개재된 유기 재료 층에 의해 형성된 상부 도파체 구조부의 제1 도파 모드로 도파하고;
    제1 도파 모드의 광을, 상부 도파체의 애노드와 계면접촉하는 거친 표면을 갖는 광-추출 매트릭스와 계면접촉하며 다양한 두께를 갖는 광-추출 도파체를 포함하고 하부 표면을 갖는 하부 도파체 구조부의 제2 도파 모드로 진행하는 광으로 광학적으로 커플링시키고, 여기서 거친 표면은, 제1 도파 모드의 광이 광-추출 도파체 내에서 제2 도파 모드로 진행하는 광으로 커플링하는 것을 향상시키는 한편 제1 도파 모드가 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 커플링하는 것을 회피하도록 구성된 것이고;
    광-추출 도파체 내에서 진행하는 광을, 하부 도파체 구조부의 하부 표면을 빠져나가도록 재배향시키는 것
    을 포함하며,
    여기서 거친 상부 표면이 피크-대-밸리 진폭 A 및 주기 P를 갖는 주기적 성분을 가지며 여기서 0.5 ㎛ ≤ P ≤ 2 ㎛이고 20 ㎚ ≤ A ≤ 60 ㎚이며,
    여기서 거친 상부 표면이 제곱평균제곱근 (RMS) 표면 거칠기 σ33에 의해 한정되는 랜덤 성분을 가지며 여기서 5 ㎚ ≤ σ33 ≤ 25 ㎚인,
    향상된 방식으로 유기 발광 다이오드 (OLED) 디바이스로부터 광을 추출하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 광-추출 도파체 내에서 제2 도파 모드로 진행하는 광을 재배향시키는 것이 하나 이상의 광-재배향 특징부로부터의 산란에 의해 유발되는 것인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 하나 이상의 광-재배향 특징부가 광-추출 도파체의 몸체 내의 공극 및 광-추출 도파체의 거친 표면을 포함하는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 광-추출 도파체가 불연속적 도파체 요소를 포함하는 것인 방법.
  18. 제14항에 있어서, 제1 도파 모드의 광의 50% 이하가 광-추출 매트릭스의 거친 표면과 애노드 사이의 계면에서 지원되는 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 커플링되는 것인 방법.
  19. 삭제
  20. 제14항에 있어서, 광-추출 도파체가 티타니아 루타일, 아나타제, 지르코니아, 이트리아-안정화된 지르코니아, 알루미나, 산화주석, 산화세륨, 산화아연, 및 이들과 실리카의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 응집된 나노입자 코팅으로부터 형성된 것인 방법.
  21. 제1항에 있어서, 광-추출 도파체가 광-추출 매트릭스의 하부 표면과 계면접촉하는 상부 표면을 포함하고, 광-추출 도파체의 상부 표면은 50 nm 미만의 제곱평균제곱근 (RMS) 표면 거칠기를 갖고, 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛의 범위의 상관 길이를 갖는 것인 OLED 디바이스.
  22. 제10항에 있어서, 광-추출 도파체가 광-추출 매트릭스의 하부 표면과 계면접촉하는 상부 표면을 포함하고, 광-추출 도파체의 상부 표면은 50 nm 미만의 제곱평균제곱근 (RMS) 표면 거칠기를 갖고, 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛의 범위의 상관 길이를 갖는 것인 OLED 디바이스.
  23. 제14항에 있어서, 광-추출 도파체가 광-추출 매트릭스의 하부 표면과 계면접촉하는 상부 표면을 포함하고, 광-추출 도파체의 상부 표면은 50 nm 미만의 제곱평균제곱근 (RMS) 표면 거칠기를 갖고, 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛의 범위의 상관 길이를 갖는 것인 방법.
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