KR102463472B1 - 유기 레이저 - Google Patents

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Abstract

디바이스가 제공된다. 디바이스는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 유기 방출층을 포함하는 제1 유기 발광 디바이스를 포함한다. 디바이스는 또한 광학 캐비티와, 상기 광학 캐비티 내에 배치되는 유기 레이징 물질을 포함하는 제1 레이저 디바이스를 포함한다. 상기 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광을 제1 레이저 디바이스 상에 초점을 맞추도록 포커스 메카니즘이 배치된다. 바람직하게는, 포커스 메카니즘은 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광보다 세기가 적어도 10배 큰, 보다 바람직하게는 적어도 100배 큰, 제1 레이저 디바이스에 입사하는 광을 제공한다.

Description

유기 레이저{ORGANIC LASER}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2009년 7월 29일자로 출원되고 그 개시 내용이 본 명세서에 전체적으로 참조로 합체되는 미국 특허 출원 제12/511,797호를 우선권 주장한다.
연방 정부 후원 연구 개발
본 발명은 미 공군 과학 연구소에 의해 수여된 승인 번호 제FA9550-07-0364호, 프로젝트 번호 제F017357호 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부가 본 발명에 대한 특정한 권리를 갖는다.
청구 발명은 조인트 대학 법인 연구 계약서에 이하의 단체들 중 하나 이상에 의해, 하나 이상을 대신하여 및/또는 하나 이상과 함께 이루어졌다: 미시간 대학 평의원, 프린스턴 대학, 서든캘리포니아 대학 및 유니버셜 디스플레이사. 계약서는 청구 발명이 이루어진 날에 그리고 그 날 전에 사실상 이루어졌고, 청구 발명은 계약서의 범위 내에서 착수된 활동의 결과로서 이루어졌다.
기술 분야
본 발명은 발광 디바이스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 레이징 물질(lasing material)이 유기물인 레이저에 관한 것이다.
유기 물질을 사용하게 하는 광전자 디바이스들이 많은 이유로 점점 요망되고 있다. 그러한 디바이스를 제조하는 데에 사용되는 많은 물질은 상대적으로 저렴하기 때문에, 유기 광전자 디바이스는 무기 디바이스에 비해 비용 이점의 잠재력을 갖는다. 또한, 유기 물질의 고유 특성, 예컨대 그 가요성은 가요성 기판 상의 제작과 같이 특별한 용례에 잘 적합하게 되도록 할 수 있다. 유기 광전자 디바이스의 예로는 유기 발광 디바이스(OLED; organic light emitting device), 유기 포토트랜지스터, 유기 광전지 셀 및 유기 광검출기를 포함한다. OLED의 경우에, 유기 물질은 종래 물질에 비해 유리한 성능을 가질 수 있다. 예컨대, 유기 방출층이 광을 방출하는 파장이 일반적으로 적절한 도펀트에 의해 쉽게 조정될 수 있다.
OLED는 전압이 디바이스에 걸쳐 인가될 때에 광을 방출하는 유기 박막을 사용하게 한다. OLED는 평판 디스플레이, 조명 및 역광과 같이 용례에 사용하기 위한 기술에 점점 관심을 갖고 있다. 여러 OLED 물질과 구성은 본 명세서에 전체가 참조로 합체되는 미국 특허 제5,844,363호, 제6,303,238호 및 제5,707,745호에 설명되어 있다.
OLED에 관한 보다 상세 내용과 전술한 정의는 본 명세서에 전체가 참조로 합체되는 미국 특허 제7,279,704호에서 알 수 있다.
디바이스가 제공된다. 디바이스는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 유기 방출층을 포함하는 제1 유기 발광 디바이스를 포함한다. 디바이스는 또한 광학 캐비티와, 상기 광학 캐비티 내에 배치되는 유기 레이징 물질을 포함하는 제1 레이저 디바이스를 포함한다. 상기 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광을 제1 레이저 디바이스 상에 초점을 맞추도록 포커스 메카니즘이 배치된다. 바람직하게는, 포커스 메카니즘은 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광보다 세기가 적어도 10배 큰, 보다 바람직하게는 적어도 100배 큰, 제1 레이저 디바이스에 입사하는 광을 제공한다.
바람직하게는, 제1 유기 발광 디바이스는 마이크로캐비티를 갖고 있어서, 유기 방출층이 마이크로캐비티 내에 배치된다. 일차원 및 이차원 마이크로캐비티가 사용될 수 있는 마이크로캐비티의 2가지 타입이다.
포커스 메카니즘은 구배율 렌즈 등의 렌즈일 수 있다. 구배율 렌즈는 평탄한 제1 단부와 평탄한 제2 단부를 갖는 원통형 형태를 가질 수 있고, 제1 유기 발광 디바이스는 구배율 렌즈의 평탄한 제1 단부 상에 배치되며, 제1 레이저 디바이스는 구배율 렌즈의 평탄한 제2 단부 상에 배치된다. 1/4 피치 구배율 렌즈가 바람직하다.
포커스 메카니즘은 제1 유기 발광 디바이스가 배치되는 평탄하지 않은 기판일 수 있어서, 제1 유기 발광 디바이스로부터의 광은 제1 유기 반도체 레이저의 적어도 일부가 배치되는 구역으로 집중된다. 3차원 곡률을 갖는 평탄하지 않은 기판이 바람직하다. 포물선 형태가 바람직하다. 3차원 곡률을 갖는 평탄하지 않은 기판이 바람직하다. 포물선 형태가 바람직하다.
바람직하게는, 디바이스는 제1 유기 발광 디바이스를 펄싱하도록 된 회로를 더 포함한다.
디바이스는 소비자 디바이스에 통합될 수 있다.
방법이 또한 제공된다. 제1 유기 발광 디바이스는 전기적으로 구동되어, 전장 발광한다. 전장 발광은 유기 반도체 레이저를 광학적으로 펌핑시키는 포커스 메카니즘에 의해 유기 반도체 레이저 상에 집중될 수 있다.
바람직하게는, 제1 유기 발광 디바이스는 펄스로 구동되어, OSL은 펄스로 광학적으로 펌핑된다. 바람직하게는, 펄스는 5 내지 20 나노초의 지속 기간을 갖는다. 바람직하게는, 펄스들 간의 간격은 적어도 1 마이크로초의 지속 기간을 갖는다.
도 1은 유기 발광 디바이스를 도시한다.
도 2는 별개의 전자 이송층을 갖지 않는 인버티드 유기 발광 디바이스(inverted organic light emitting device)를 도시한다.
도 3은 광학적으로 펌핑된 유기 반도체 레이저를 도시한다.
도 4는 OLED로부터의 광을 OSL 상에 초점을 맞추도록 포커스 메카니즘으로서 구배율(GRIN; gradient index) 렌즈를 도시한다.
도 5는 OLED로부터의 광을 OSL 상에 초점을 맞추도록 포커스 메카니즘으로서 만곡된 OLED를 도시한다.
도 6은 GRIN 렌즈의 피치 개념을 도시한다.
도 7은 시준된 입력광을 가정하여 GRIN 렌즈에 대한 균일한 입력 세기 프로파일과 계산된 출력 세기 프로파일을 도시한다.
도 8은 도 7에 도시된 것과 유사한 계산을 도시하지만, 입력광이 반구체 상에 등방성 각도 분배를 갖는다고 가정한다.
도 9는 제1 OLED에 대해 측정되고 표준화된 EL 스펙트럼을 도시한다.
도 10은 제1 OLED를 특징으로 하는 플롯을 도시한다.
도 11은 제2 OLED에 대해 측정되고 표준화된 EL 스펙트럼을 도시한다.
도 12는 제2 OLED를 특징으로 하는 플롯을 도시한다.
도 13은 GRIN 렌즈로부터 출력된 측정된 광을 도시하는데, 여기서 광은 제1 OLED로부터 입력된다.
도 14는 도 13에 도시된 초점에 대해 X 및 Y 방향에서 단면 세기 프로파일을 도시한다.
도 15는 GRIN 렌즈로부터 출력된 측정된 광을 도시하는데, 여기서 광은 제1 OLED로부터 입력된다.
도 16은 도 15에 도시된 초점에 대해 X 및 Y 방향에서 단면 세기 프로파일을 도시한다.
도 17은 도 5의 것과 유사한 만곡된 OLED에 대한 계산된 세기 프로파일을 도시한다.
도 18은 도 17에 도시된 OLED에 대한 세기 프로파일을 도시한다.
도 19는 OLED에 대응하는 광학 마이크로캐비티 구조를 도시한다.
도 20은 도 19의 구조를 기초로 한 여러 개의 광학 프로파일들을 도시한다.
광학적으로 펌핑된 유기 반도체 레이저(OSL; organic semiconductor laser)가 마련된다. OSL은 별개의 전기 유도된 유기 발광 디바이스(OLED)로부터의 광에 의해 펌핑된다.
광학적으로 펌핑된 OSL 디바이스는 공지되어 있다(V.G. Koslov, P.E. Burrows 및 S.R. Forrest, Nature 389, p.362 (1997) 참조). OSL은 일반적으로 내부에 유기 레이징 물질이 배치된 광학 캐비티를 포함한다. 광학 캐비티를 어떻게 형성하는지, 레이징 물질을 어디에 배치해야 하는지, 및 어떠한 물질을 사용해야 하는지 등의 고려 사항은 당업계에 널리 공지되어 있다. OSL은 OSL이 흡수할 수 있는 파장에서 충분한 세기를 갖고 OSL 상에 입사하는 광을 제공함으로써 광학적으로 펌핑될 수 있다. 레이징을 달성하기 위하여 최저의 광학 펌핑 문턱값을 갖는 광학적으로 펌핑된 종래의 OSL 디바이스의 경우에, 100 W/cm2 정도의 펌프 세기가 요구된다. 현재 이용 가능한 OLED에서 달성되는 최고의 휘도(brightness)는 10 W/cm2 정도이다. 따라서, 출력 세기에서 약 10배의 증가 없이는, 종래의 OLED는 레이징을 달성하기 위해 요구되는 레벨에서 광학적으로 펌핑된 OSL을 유도할 수 없게 된다.
본 발명의 실시예는 OLED로부터 출력된 광을 광학적으로 펌핑된 OSL 상에 초점을 맞추는 포커스 메카니즘을 제공하고, 면적이 감소되지만 세기가 증가된 광의 구역을 OLED의 디폴트 출력에 대해 제공함으로써 이 문제를 처리한다. 이 세기 증가는 종래의 OLED에 의해 종래의 광학적으로 펌핑된 OSL에서 레이징을 달성하는 데에 충분하다. 바람직하게는, OSL에 입사하는 광의 세기는 기존의 OLED에 의해 기존의 OSL 디바이스를 구동하는 데에 필요한 세기의 증가를 기초로 하여 OLED에 의해 방출된 광의 세기보다 적어도 10배 크다. 보다 바람직하게는, OSL에 입사하는 광의 세기는 OLED에 의해 방출된 광의 세기보다 적어도 100배 크고, 심지어 보다 바람직하게는 1,000배 크다. 이들 증가는 본 명세서에 개시된 구성을 기초로 하여 달성될 수 있고, 디바이스에 의해 레이징을 달성하는 데에 편리한 여유와 가장 밝은 OLED 또는 최저의 레이징 문턱값을 갖는 OSL 디바이스일 수 없는 물질을 제공한다. 이용 가능한 OLED 및 OSL의 특성과 같은 인자에 따라 광의 세기에 있어서의 다른 증가가 사용될 수 있다.
"포커스 메카니즘"은 광의 초점을 맞추는 임의의 메카니즘일 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 그러한 초점을 달성하기 위하여 하나 이상의 렌즈가 사용된다. 구배율 렌즈(GRIN)가 바람직한 포커스 메카니즘이다. GRIN 렌즈의 경우, OLED, OSL 및 GRIN 렌즈를 포함하는 편의의 유닛을 쉽게 제조할 수 있다. 원통형의 GRIN 렌즈는 평탄한 2개의 원형 단부를 갖는다. OLED는 이들 단부들 중 하나에 배치될 수 있고, OSL은 다른 단부에 배치될 수 있어, GRIN 렌즈는 OLED로부터의 광을 OSL 상에 초점을 맞춘다. 이 구성은 초점도와 세기 증가에 영향을 주는 OLED와 OSL 간의 거리가 GRIN 렌즈의 제조 중에 쉽게 조절될 수 있다는 이점을 갖는다. 1/4 피치의 GRIN 렌즈가 바람직한데, 그 이유는 1/4 피치의 GRIN 렌즈는 다른 피치를 갖는 GRIN 렌즈에 대해 작은 거리에 걸쳐 높은 초점도를 달성하기 때문이다.
몇몇 실시예의 경우에, OLED는 마이크로캐비티를 포함한다. 마이크로캐비티 OLED에서, OLED의 방출층은 마이크로캐비티 내에, 즉 적어도 반반사성(semi-reflective)인 2개의 표면들 사이에 배치된다. 마이크로캐비티 효과가 없는 OLED는 대체로 "램버티안(Lambertian)" 방출을 가질 수 있고, 즉 관찰된 방사 세기는 관찰자의 시야와 표면 법선 간의 각도(θ)의 코사인에 정비례한다. 마이크로캐비티 효과는 표면 법선 방향에서 방사 세기를 집중시키는 경향이 있어, 한계값에서 "시준된" 방출을 초래한다. 흔히, 마이크로캐비티를 갖는 OLED는 반반사면으로서 유기층과 OLED의 전극들 간의 계면을 이용하지만, 다른 표면을 이용하는 것이 물론 가능하다.
특히, 일부 포커스 메카니즘은 OLED의 방출이 지향성이고 바람직하게는 시준될 때에 최상으로 작동할 수 있다. GRIN 렌즈는 그러한 포커스 메카니즘의 일례이다.
다른 포커스 메카니즘은 OLED가 제조되는 평탄하지 않거나 만곡된 기판의 사용을 포함한다. 예컨대, 시준된 방출을 갖는 OLED를 이용하면, OLED의 각 부분은 표면 법선의 방향으로 광을 방출하게 된다. 이들 표면 법선이 특정한 스폿에서 작은 면적에 모이도록 만곡된 기판을 형성함으로써, OLED로부터 OSL 상에 초점이 렌즈의 사용없이 달성될 수 있다. 가장 높은 초점도에 도달하는 장소에 OSL을 배치할 필요는 없지만, 이러한 배치가 요망될 수 있다. 오히려, 광이 OSL을 구동하기 위해 적어도 충분히 집중되도록 OSL을 배치하는 것이 바람직하다.
3차원 곡률을 갖는 평탄하지 않은 기판이 바람직하다. 포물선 형태가 바람직하다. 2차원 곡률을 갖는 표면들이 사용될 수 있고, 제조의 용이와 같은 몇몇의 이유로 바람직할 수 있다. 그러나, 2차원 곡률을 갖는 표면들은 광을 한 지점에 초점을 맞추는 능력이 제한되고, 오히려 광을 선형 구역에 초점을 맞출 수 있다. 3차원 곡률을 갖는 표면들은 보다 큰 세기의 증가가 달성될 수 있기 때문에 바람직하다. OSL이 포물성의 초점에 또는 그 근처에 배치되는 포물선 형태가 바람직하다. 포물선 접시가 바람직한 형태의 일례이다.
바람직하게는 제1 유기 발광 디바이스를 펄싱(pulsing)하도록 된 회로를 더 포함한다. 펄싱은 계속적으로 레이징될 때에 OSL이 바람직하지 않은 담금질을 유발하는 트리플릿(triplet)의 생성을 경험할 수 있다고 여기기 때문에 바람직하다. Giebink와 Forrest의 "광학적으로 펌핑된 유기 반도체 레이저의 일시적 반응 및 전기 여자 하에 문턱값에 도달하기 위한 그 암시"(Phys. Rev. B 79, 073302(2009))를 참조하라. 펄싱된 유기 발광 디바이스는 이용하면 이 문제를 완화시킬 수 있다. 제1 유기 발광 디바이스를 펄싱하도록 된 회로는, 예컨대 시판 중인 펄스 발생기일 수 있다. 약 100 ns의 시간에 걸쳐 트리플릿은 몇몇 OSL에서 바람직하지 않은 레벨로 생성된다고 생각된다. 따라서, 100 ns 미만의 펄스 기간이 바람직하다. 바람직하게는, 펄스는 5 내지 20 나노초의 기간을 갖는다. 펄스는 상승 시간을 포함할 수 있고, 이 상승 시간 동안에 OLED의 세기가 증가하며, 이는 가능한 한 짧은 것이 바람직하다. 펄스들 간의 간격은 트리플릿이 부식되게 하여, 다른 펄스가 시작될 수 있다. 바람직하게는, 펄스들 간의 간격은 적어도 ne 마이크로초이다. 보다 긴 간격이 1초까지 또는 그 이상 사용될 수 있다. 상이한 펄스 기간 및 펄스들 간의 간격이 OSL의 물질 및 구성에 따라 사용될 수 있다. 또한, 펄스 및 간격을 위한 최적 미만의 기간이 예컨대 레이징 효율과 원하는 레이저 신호 프로파일 간에 트레이드 오프로서 사용될 수 있다.
포커스 메카니즘은 본 명세서에 구체적으로 도시된 것으로 제한되지 않는다. 다른 적절한 포커스 메카니즘은 종래의 렌즈, 프레넬 렌즈, 현미경 대물 렌즈, 오목형 미러 또는 포물면 미러, 또는 광학 요소들의 조합을 포함한다. 보다 일반적으로, 광의 초점을 맞출 수 있는 광학 요소의 임의의 광학 요소 또는 조합이 사용될 수 있다.
도 1은 유기 발광 디바이스(100)를 도시한다. 도면들은 반드시 실척으로 도시되지 않았다. 유기 발광 디바이스(100)는 기판(110), 애노드(115), 정공 주입층(120), 정공 운반층(140), 전자 운반층(145), 전자 주입층(150), 보호층(155) 및 캐소드(160)를 포함할 수 있다. 캐소드(160)는 제1 도전층(162)과 제2 도전층(164)을 갖는 컴파운드 캐소드이다. 유기 발광 디바이스(100)는 설명된 층들을 순서대로 증착함으로써 제조될 수 있다. 다양한 층들의 특성 및 기능 뿐만 아니라 예시적인 재료는 참조로 합체되는 미국 특허 제7,279,704호의 6-10 컬럼에 보다 상세하게 설명되어 있다.
화살표 170은 유기 발광 디바이스(100)에서 마이크로캐비티의 경계를 도시하고 있다. 마이크로캐비티는 계면들이 적어도 약간의 반사도를 갖고 있을 때에 장치에서 2개의 계면들 사이에 형성된다. 계면들 중 하나는 완전히 반사성일 수 있다. 그러나, OLED가 광을 방출하는 것으로 기대되기 때문에, 계면들 중 적어도 하나는 반투명해야 한다. 화살표 170은 애노드(115)와 캐소드(160)를 갖는 유기 발광 디바이스(100)의 유기층들의 계면들 간에 도시되어 있다. 이들 계면은 통상적으로 OLED에 존재하는 임의의 마이크로캐비티를 정의하는데, 그 이유는 이들 계면이 통상적인 설계가 선택될 때에 디바이스에서 가장 높은 반사도를 갖는 경향이 있기 때문이다. 그러나, 마이크로캐비티를 정의하는 데에 다른 계면들이 사용될 수 있다.
도 2는 OLED(200)를 도시하고 있다. 디바이스는 기판(210), 캐소드(215), 방출층(220), 정공 운반층(225) 및 애노드(230)를 포함한다. 디바이스(200)는 설명된 층들을 순서대로 증착함으로써 제조될 수 있다. 가장 일반적인 OLED 구성은 애노드 위에 배치된 캐소드를 갖기 때문에, 디바이스(200)는 애노드(230) 아래에 배치된 캐소드(215)를 갖고, 디바이스(200)는 "인버티드" OLED라고 칭할 수 있다. 디바이스(100)와 관련하여 설명된 것과 유사한 재료가 디바이스(200)의 대응하는 층들에 사용될 수 있다. 도 2는 몇몇 층들이 디바이스(100)의 구조로부터 어떻게 생략될 수 있는지의 일례를 제공한다.
도 1 및 도 2에 도시된 간단한 층상 구조는 비제한적인 예로 제공되고, 본 발명의 실시예는 광범위한 다른 구조들과 함께 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 설명된 구체적인 재료 및 구조는 사실상 예시적이고, 다른 재료 및 구조가 사용될 수 있다. 설명된 다양한 층들을 여러 방식으로 조합함으로써 실용적인 OLED가 달성될 수 있거나, 설계, 성능 및 비용 인자들을 기초로 하여 층들이 전체적으로 생략될 수 있다. 구체적으로 설명하지 않은 다른 층들이 또한 포함될 수 있다. 구체적으로 설명한 것과 다른 재료가 사용될 수 있다. 다양한 층들은 단일의 재료, 또는 호스트와 도펀트의 혼합물, 또는 보다 일반적인 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 층들은 다양한 하위층을 가질 수 있다. 다양한 층들에 대해 주어진 명칭들은 엄격하게 제한되도록 의도되지 않는다. 예컨대, 디바이스(200)에서, 정공 운반층(225)은 정공을 운반하고 정공을 방출층(220) 내로 주입하며, 정공 운반층 또는 정공 주입층으로서 설명될 수 있다. 일실시예에서, OLED는 캐소드와 애노드 사이에 배치된 "유기층"을 갖는 것으로 설명될 수 있다. 이 유기층은 단일층을 포함할 수 있거나, 예컨대 도 1 및 도 2과 관련하여 설명된 상이한 유기 물질의 다층을 더 포함할 수 있다.
도 3은 광학적으로 펌핑된 유기 반도체 레이저(OSL; organic semiconductor laser)(300)를 도시하고 있다. 레이저(300)는 광학 캐비티를 함께 형성하는 제1 반반사층(320)과 제2 반반사층(330)을 포함한다. 유기 레이징 물질(330)은 광학 캐비티 내에 배치된다. OSL의 문맥에서, 본 명세서에 사용된 "광학 캐비티"는 광학적으로 펌핑될 때에 레이징하도록 유기 레이징 물질에 적절한 환경을 제공하는 임의의 구조를 의미한다. 바람직하게는, 레이징 물질(330)은 입사광(350)의 우세한 파장에 대해 높은 흡수율을 갖는다. 레이징 물질(330)에 의해 흡수될 때에 입사광(350)은 레이징 물질(330)의 분자를 여기시킨다. 여기된 이들 분자는 이어서 부식되어 방출될 레이저 광의 파장을 갖는 광자를 생성한다. 이들 광자는 이중 화살표(360)에 의해 도시된 바와 같이 광학 캐비티 내에서 전후로 바운드될 수 있다. 이들 광자들 중 일부는 레이저(300)에 의해 방출되는 레이저 광(370)이 된다. 광학적으로 펌핑된 OSL 디바이스는 당업계에 널리 공지되어 있다. 도 3에 도시된 것과 상이한 특정한 구성이 사용될 수 있다. 다양한 물질 조합, 방출될 광의 다수의 파장에 대해 광학 캐비티의 광경로 길이를 합치하는 것, 반반사층에 대한 반사도 등과 같은 광학적으로 펌핑된 OSL의 설계 기준이 당업계에 널리 공지되어 있다.
도 4는 OLED로부터의 광을 OSL 상에 초점을 맞추기 위해 포커스 메카니즘으로서 구배율(GRIN) 렌즈를 사용하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 디바이스(400)는 GRIN 렌즈(420)를 포함한다. GRIN 렌즈는 일반적으로 원통형 형태이고, 광섬유에 사용되는 것과 유사한 방법을 이용하여 제조될 수 있다. OLED(410)는 GRIN 렌즈(420)의 평탄한 제1 단부 상에 배치된다. OSL(430)은 GRIN 렌즈(420)의 평탄한 제2 단부 상에 배치된다. OLED(410)에 전력이 제공될 때에, OLED는 전장 발광한다. OLED(410)로부터의 광은 GRIN 렌즈(420)에 진입하고, OSL(410)의 영역 상에 집중된다. 광이 집중되는 OSL(410)의 영역은 광이 제공되는 OLED(410)의 영역보다 상당히 작다. 그 결과, OSL(410) 상에 집중된 광은 OLED(410)에 의해 방출되는 것보다 상당히 높은 세기를 갖는다. 세기 증가는 GRIN에 대한 파라미터를 선택함으로써 조절될 수 있다. 대부분의 상황에 대해 적어도 10배의 증가가 바람직하다. 적어도 100배 또는 적어도 1000배 만큼의 증가가 또한 쉽게 달성될 수 있고, 요망될 수 있다. 10,000 미만의 세기 증가가 대부분의 실시예들에 적절하다. OSL(430)의 광학 펌핑은 간섭성 레이저 광(440)의 방출을 초래한다.
도 5는 OLED로부터의 광을 OSL 상에 초점을 맞추기 위해 포커스 메카니즘으로서 만곡된 OLED를 사용하는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. OLED는 만곡된 기판(510) 상에 제조된다. 기판(510)은 OLED로부터의 광(530)이 OLED의 방출 영역보다 상당히 작은 OSL(520)의 영역에 수렴하도록 만곡된다. 광(530)은 OSL(520)을 광학적으로 펌핑하여, 레이저 광(540)을 방출시킨다. OLED(510)의 방출 영역과 광이 집중되는 OSL(520)의 영역의 바람직한 비율 범위는 도 4에 관하여 설명한 실시예와 동일하다.
도 6은 GRIN 렌즈의 피치 개념을 도시하고 있다. GRIN 렌즈는 일반적으로 피치를 갖는다. GRIN 렌즈의 단부에 진입하는 균일한 시준된 광은 GRIN 렌즈의 길이를 따라 특정한 거리를 두고 작은 구역으로 수렴되고, 다시 GRIN 렌즈를 따라 다른 거리에서 발산하게 된다. 예컨대, 도 4의 실시예에 사용하기 위해, 렌즈의 일단부에 진입하는 광범위한 시준된 광이 렌즈의 타단부에서 바람직한 범위까지 집중되도록 소정 길이를 갖는 GRIN 렌즈를 선택하는 것이 바람직하다. 바람직한 길이 범위가 다양할 수 있는데, 그 이유는 원하는 세기 증가를 달성하기 위하여 모든 광을 한 지점에 집중시킬 필요는 없기 때문이다. 도 4는 또한 굴절률이 GRIN 렌즈의 직경에 걸쳐 변동될 수 있는 한가지 방식을 도시하고 있다. 도 4에 도시된 특정한 프로파일은 SELFOC GRIN 렌즈를 위해 중앙에 굴절률 N0와 에지에 0의 굴절률을 갖는 2차 방정식 굴절률 프로파일이다. SELFOC는 NSG America사로부터 입수 가능한 저비용 GRIN 렌즈의 상표명이다.
도 7은 GRIN 렌즈에서 균일한 입력 세기 프로파일과 계산된 출력 세기 프로파일을 도시하고 있다. 계산을 위한 파라미터는 다음과 같다. 렌즈는 도 6에 도시된 바와 같은 2차 방정식 프로파일을 갖고, 2차 방정식 굴절률 프로파일에서 N0 = 1.607, 직경(D) = 1 mm, 길이(L) = 2.58이다. 렌즈는 포물선 굴절률 프로파일의 기울기를 결정하는 0.608의 구배 상수(A)를 갖는다.
출력 프로파일은 비균질 광선 전파 방정식을 정확하게(축방이 아님) 해석함으로써 계산된다. 이들 방정식은 상미분 방정식(ODE; ordinary differential equation)이다.
Figure 112012017056769-pct00001
입력 광은 시준된 것으로 가정하였다. 프로파일(710)은 균일한 입력 세기를 보여준다. 프로파일(720)은 출력 세기를 보여준다. 대부분이 광이 입력 세기 플롯에 집중되는 영역은 입력 세기 플롯의 영역에 비해 104배 만큼 감소하였고, 출력 플롯에서 광의 세기는 더 높게 대응하였다. 종래의 OLED에 의해 쉽게 달성될 수 있는 10 W/cm2의 균일한 입력 세기를 사용하면, 평균 출력 세기는 100,000 W/cm2이다.
도 8은 입력 광이 시준된 것이라고 가정하는 대신에 입력 광이 반구체에 등방성 각도 분배를 갖는다고 가정하는 것을 제외하고는 도 7에 도시된 것과 유사한 계산을 보여준다. "등방성" 입력은 등방성 확률 분배 함수를 갖는 1000개의 시뮬레이트된 광선을 이용함으로써 시뮬레이트되었다. 소수의 광선으로 인해, 몇몇의 국부적 세기 변동이 관찰되었지만, 이들 변동은 등방성 입력 및 시준된 입력에 의해 달성될 수 있는 세기 증가들 간의 비교에 큰 영향을 주지 않는다. 프로파일(810)은 입력 세기 프로파일을 보여주고, 프로파일(821)은 출력 세기 프로파일을 보여준다. 출력 광의 세기 향상은 도 7에 도시된 것보다 훨씬 적다. 이 계산은 시준된 입력 광, 또는 적어도 소정의 시준도를 갖는 광을 사용하는 것이 요망된다는 것을 보여준다. 그러한 시준된 광은 적절한 마이크로캐비티를 갖는 OLED를 이용함으로써 OLED 맥락에서 쉽게 달성된다.
제1 OLED는 이하와 같이 제조되었다. 2.5p의 분배형 브래그 리플렉터(DBR; distributed Bragg reflector)에, OLED를 제조하였다. OLED는 이하의 층들을 순서대로 구비하였다. 140 nm의 스퍼터링된 인듐 주석 산화물(ITO), 500 nm의 NPD, 150 nm의 BCP, 300 nm의 Alq, LiF, Al. DBR은 2.5 쿼터 파장 쌍, 즉 SiO2의 2개의 개재된 762 A 두께의 층을 두고 547 A 두께의 SiNx의 3 층을 갖는다. OLED는 DBR과 Al 전극의 결과로서 마이크로캐비티를 갖는다(LiF/Al 전극의 두께는 관련되지 않고 - 완전히 반사성이 되고 전기를 적절하게 전도하도록 충분히 두껍다). OLED는 방출 스펙트럼에서 450 nm의 피크를 갖는 광을 방출하도록 구성된다. 도 9는 OLED를 위해 측정되고 표준화된 EL 스펙트럼을 보여준다.
도 10은 도 9의 OLED를 위한 계산된 방출 프로파일(1010)을 보여준다. 0도에서의 피크는 방출 프로파일이 고도로 시준되었다는 것을 보여준다. 도 10은 또한 제1 OLED에 대하여 측정된 양자 효율(QE) 대 전류 플럭스(J)(A/cm2)의 플롯(102) 뿐만 아니라 전력(W)과 플럭스(J)(A/cm2) 대 전압(V)의 플롯(1030)을 보여준다.
제2 OLED는 이하와 같이 제조되었다. 유리 기판 상에, 이하의 층들을 순서대로 증착하였다. 125 nm의 스퍼터링된 ITO, 500 nm의 NPD, 150 nm의 BCP, 300 nm의 Alq, LiF, Al. ITO는 0.1 sccm O2와 140 sccm Ar를 이용하여 80 W에서 스퍼터링된 다음, 3 시간 동안 어닐링되었다. ITO의 표면 저항은 35 Ω/□인 것으로 측정되었다. 제2 OLED는 제1 OLED와 유사하지만 DBR이 없는 제어 디바이스이다. 도 11은 제2 OLED에 대해 측정되고 표준화된 EL 스펙트럼을 보여준다. 도 12는 제2 OLED에 대해 측정된 양자 효율(QE) 대 전류 플럭스(J)(A/cm2)의 플롯(1210) 뿐만 아니라 전력(W)과 플럭스(J)(A/cm2) 대 전압(V)의 플롯(1220)을 보여준다.
제1 OLED의 구조를 갖는 OLED가 GRIN 렌즈 상에 배치되는데, OLED의 유리 기판은 GRIN 렌즈의 단부와 접촉된다. GRIN 렌즈는 1 mm의 직경을 갖고, 굴절률(n0) = 1.6073, A = 0.608 그리고 피치 = 1/4(2.58 mm의 길이에 대응함). 도 13은 GRIN 렌즈로부터 출력된 측정된 광을 보여준다. 광은 입력 광에 대해 감소된 영역 및 증가된 세기의 관점에서 20배를 보여준다. 따라서, 도 13에서 측정된 특정한 구성을 갖는 OSL에서 100 W/cm2의 세기에 도달하기 위해 약 5 W/cm2의 OLED 세기가 요구된다. 이는 1 mm의 직경을 갖는 38 nW OLED에 대응한다. 실제로 사용된 OLED는 38 mW이었지만, 세기 증가는 OSL을 구동하기 위해 필요한 세기가 OLED를 집중시킴으로써 달성될 수 있다는 것을 증명한다.
도 14는 도 13에 도시된 초점에 대해 X 및 Y 방향에서 단면 세기 프로파일을 도시하고 있다. 단위는 임의이다.
제1 OLED의 구조를 갖는 OLED가 GRIN 렌즈 상에 배치되는데, OLED의 유리 기판은 GRIN 렌즈의 단부와 접촉된다. GRIN 렌즈는 1.8 mm의 직경을 갖고, 굴절률(n0) = 1.6073, A = 0.339 그리고 피치 = 1/4(4.63 mm의 길이에 대응함). 도 15는 GRIN 렌즈로부터 출력된 측정된 광을 보여준다. 광은 입력 광에 대해 감소된 영역 및 증가된 세기의 관점에서 18배를 보여준다.
도 14는 도 13에 도시된 초점에 대해 X 및 Y 방향에서 단면 세기 프로파일을 도시하고 있다. 단위는 임의이다.
도 17은 도 5와 유사한 만곡된 OLED를 위한 계산된 세기 프로파일을 보여준다. X축 및 Y축은 임의의 단위로 위치를 나타낸다. 점선(1710)은 도 18을 위해 데이터를 취한 단면이다. 도 17은 만곡된 OLED에 의해 출력된 광의 세기에 대해 초점 구역에서 증가된 세기를 보여준다.
도 18은 도 17에 도시된 OLED를 위한 세기 프로파일을 보여준다. 마이크로캐비티 방출 프로파일(1810)은 도 17을 발생시키도록 사용된 계산에 사용되는 추정된 시준 OLED 출력을 도시한다. 초점면 세기 프로파일(1820)은 도 17의 점선(1710) 상의 다양한 지점에 대해 계산된 세기를 보여준다. 세기 프로파일(1820)에 도시된 세기는 임의의 단위이다. 일차원 마이크로캐비티의 경우에, 초점에서의 세기는 포커싱없이 OLED 세기의 6.8배이다. 이차원 마이크로캐비티의 경우에, 초점에서의 세기는 포커싱없이 OLED 세기의 43.8배이다. 일차원 마이크로캐비티는 일차원을 따라 주기적 굴절률을 갖는 구조이다. 실시는 분배형 피드백 격자(DFB; distributed feedback grating) 또는 분배형 브래그 리플렉터(DBR; disturbuted Bragg reflector)를 포함한다. 이차원 마이크로캐비티는 이차원을 따라 주기적 굴절률 변동을 갖고 통상적으로 이차원 양자 결정이라고 한다. 마이크로캐비티는 허용된 광학 모드와 허용되지 않은 광학 모드의 별개의 대역을 생성함으로써 방출 패턴에 맞출 수 있다.
도 19는 OLED에 대응하는 광학 마이크로캐비티 구조를 도시한다. 구조는 캐소드(1910), 유기층(1920) 및 고굴절률층(1930)과 저굴절률층(1940)를 교대로 하여 형성되는 DBR을 갖는다. 캐소드는 100% 반사성인 것으로 가정된다. 유기층은 모델링(nd/λ)에 유용한 파라미터를 특징으로 하는데, n은 굴절률이고, d는 두께이며, λ는 관심 파장(예컨대, OLED의 방출 스펙트럼에서 피크 파장)이다. 애노드는 상당한 광학 효과를 갖지 않아서 도 19에 도시되지 않은 것으로 가정된다. DBR은 2.2의 굴절률(nH)을 갖는 고굴절률층(1930)과 1.5의 굴절률(nH)을 갖는 저굴절률층(1940)을 교대로 하는 4개의 사이클로 구성된다. 도 19에 도시된 구조는 도 20에 도시된 광학 프로파일을 초래하는 계산에 사용된다.
도 20은 다양한 가정을 행하는 도 19의 구조를 기초로 한 여러 개의 광학 프로파일을 도시한다. 플롯(2010)은 0도에서 고도로 시준된 방출을 보여주는데, 여기서, nd/λ는 0.45이고, d는 160 nm이며, 아웃커플링 효율(outcoupling efficiency)인 η는 7%이다. 플롯(2020)은 고도로 시준된 방출을, 그러나 OLED의 표면에 수직이 아닌 방향에서 보여주는데, nd/λ는 0.56이고, d는 250 nm이며, η는 50%이다. 플롯(2030)은 고도로 시준된 방출을 보여주는데, nd/λ는 0.7이고, d는 200 nm이며, η는 40%이다. 도 20은 마이크로캐비티 효과가 다양한 파라미터에 따라 변할 수 있다는 것을 보여준다. 이들 파라미터는 원하는 마이크로캐비티 효과를 얻기 위하여 당업계의 숙련자들에 의해 쉽게 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 디바이스는 평판 디스플레이, 컴퓨터 모니터, 텔레비젼, 빌보드, 내부 또는 외부 조명 및/또는 신호를 위한 라이트, 헤드업 디스플레이, 완전 투명 디스플레이, 가요성 디스플레이, 레이저 프린터, 전화, 셀 폰, 개인 정보 단말기(PDA; personal digital assistant), 랩톱 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더, 뷰파인더, 마이크로 디스플레이, 차량, 큰 면적의 벽, 극장 또는 경기장 스크린, 또는 간판을 비롯하여 광범위한 소비자 제품에 통합될 수 있다. 패시브 매트릭스 및 액티브 매트릭스를 비롯하여 다양한 제어 메카니즘이 본 발명에 따라 제조된 디바이스를 제어하도록 사용될 수 있다. 많은 디바이스는 18℃ 내지 30℃, 보다 바람직하게는 실온(20-25℃)과 같이 사람에게 편안한 온도 범위에서 사용하도록 의도된다.
도면들은 대체로 실척으로 도시되지 않았을 수 있다.
본 명세서에 설명된 다양한 실시예들은 오직 일례이고 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것을 알아야 한다. 예컨대, 본 명세서에 설명된 많은 물질 및 구조는 본 발명의 사상에서 벗어남이 없이 다른 물질 및 구조로 대체될 수 있다. 따라서, 청구된 본 발명은 당업계의 숙련자들에게 명백한 바와 같이 본 명세서에 설명된 특정한 예 및 바람직한 실시예로부터의 변경을 포함할 수 있다. 본 발명이 작용하는 이유에 관한 다양한 이론은 제한되도록 의도되지 않는다는 것을 알아야 한다.

Claims (19)

  1. 디바이스로서,
    제1 전극; 제2 전극; 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 유기층들; 상기 유기층들의 반사도를 갖는 두 계면들 사이에 형성되는 마이크로캐비티; 및 상기 마이크로캐비티 내에 배치되는 유기 방출층을 포함하는 제1 유기 발광 디바이스와,
    광학 캐비티와, 상기 광학 캐비티 내에 배치되는 유기 레이징 물질을 포함하는 제1 레이저 디바이스와,
    상기 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광을 제1 레이저 디바이스 상에 초점을 맞추도록 배치된 포커스 메카니즘
    을 포함하고,
    상기 포커스 메카니즘은 상기 제1 유기 발광 디바이스의 광이 방출되는 상기 제1 전극의 단부 상에 배치된 평탄하지 않고 만곡된 기판이어서, 상기 제1 유기 발광 디바이스로부터의 광은 상기 제1 레이저 디바이스의 적어도 일부가 배치되는 구역으로 집중되며,
    상기 포커스 메카니즘은, 상기 제1 레이저 디바이스의 집중 구역에 입사한 광의 세기가 상기 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광의 세기보다 적어도 10배 크도록, 상기 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광을 제1 레이저 디바이스 상에 초점 맞추도록 되는 것인 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 포커스 메카니즘은 상기 제1 레이저 디바이스의 집중 구역에 입사한 광의 세기가 상기 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광의 세기보다 적어도 100배 크도록, 상기 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광을 제1 레이저 디바이스 상에 초점 맞추도록 된 것인 디바이스.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 마이크로캐비티는 일차원 마이크로캐비티인 것인 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마이크로캐비티는 이차원 마이크로캐비티인 것인 디바이스.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 상기 평탄하지 않고 만곡된 기판은 3차원 곡률을 갖는 것인 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 평탄하지 않고 만곡된 기판은 포물선 형태를 갖는 것인 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 유기 발광 디바이스를 펄스로 구동하도록 펄스를 발생시키는 회로를 더 포함하는 것인 디바이스.
  15. 삭제
  16. 제1 전극; 제2 전극; 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 유기층들; 상기 유기층들의 반사도를 갖는 두 계면들 사이에 형성되는 마이크로캐비티; 및 상기 마이크로캐비티 내에 배치되는 유기 방출층을 포함하는 제1 유기 발광 디바이스를 전기적으로 구동하는 것과,
    상기 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광을 제1 레이저 디바이스의 레이징 물질 상에 초점을 맞춤으로써 제1 레이저 디바이스를 광학적으로 펌핑하는 것
    을 포함하고, 상기 제1 레이저 디바이스는 광학 캐비티와, 상기 광학 캐비티 내에 배치되는 유기 레이징 물질을 포함하며,
    상기 제1 유기 발광 디바이스의 광이 방출되는 상기 제1 전극의 단부 상에 배치된 기판이 평탄하지 않고 만곡됨으로써 상기 제1 유기 발광 디바이스로부터의 광은 상기 제1 레이저 디바이스의 적어도 일부가 배치되는 구역으로 집중되고,
    상기 평탄하지 않고 만곡된 기판은, 상기 제1 레이저 디바이스의 집중 구역에 입사한 광의 세기가 상기 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광의 세기보다 적어도 10배 크도록, 상기 제1 유기 발광 디바이스에 의해 방출된 광을 제1 레이저 디바이스 상에 초점 맞추도록 되는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 유기 발광 디바이스는 펄스로 구동되어, 상기 제1 레이저 디바이스는 펄스로 광학적으로 펌핑되는 것인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 펄스는 5 내지 20 나노초의 길이를 갖는 것인 방법.
  19. 제17항에 있어서, 펄스들 간의 간격은 적어도 1 마이크로초의 길이를 갖는 것인 방법.
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