KR102538050B1 - 광 추출 장치 및 oled 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

유기 발광 다이오드(OLED)를 위한 광 추출 장치는 OLED 방출기, 복수의 테이퍼형 반사기, 및 스페이서 층을 포함한다. 각각의 상기 테이퍼형 반사기는 제 1 표면, 상기 제 1 표면에 대향하고 상기 제 1 표면의 표면적보다 큰 표면적을 포함하는 제 2 표면, 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 간 확장하는 적어도 하나의 측면 표면을 포함한다. 상기 스페이서 층은 상기 OLED 방출기에 결합된 제 1 표면 및 각각의 상기 복수의 테이퍼형 반사기의 제 1 표면에 결합된 제 2 표면을 포함한다. 상기 OLED로부터 방출된 광은 상기 스페이서 층을 통과하여 상기 복수의 테이퍼형 반사기로 진행한다. 각각의 상기 복수의 테이퍼형 반사기의 적어도 하나의 측면 표면은 탈출 원뿔 내로 그리고 대응하는 테이퍼형 반사기의 제 2 표면 밖으로 광을 재지향시키는 경사를 포함한다.

Description

광 추출 장치 및 OLED 디스플레이
본 개시는 일반적으로 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이에 관한 것이다. 특히, OLED 디스플레이 및 OLED 디스플레이로부터 광 추출을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
OLED는 통상적으로 기판, 제 1 전극, 하나 이상의 OLED 발광 층, 및 제 2 전극을 포함한다. OLED는 상부-방출 또는 하부-방출일 수 있다. 상부-방출 OLED는 기판, 제 1 전극, 하나 이상의 OLED 층을 갖는 OLED 구조, 및 제 2 투명 전극을 포함할 수 있다. OLED 구조의 하나 이상의 OLED 층은 방출 층을 포함할 수 있고 또한 전자 및 정공 주입 층과 전자 및 정공 수송 층을 포함할 수 있다.
상기 OLED 구조에 의해 방출된 광은 높은 굴절 지수를 갖는 층에서 낮은 굴절 지수를 갖는 층으로, 예를 들어 통상적으로 1.7-1.8 범위의 굴절 지수를 갖는 OLED 구조에서 통상적으로 약 1.5의 지수를 갖는 유리 기판으로, 또는 유리 기판에서 1.0의 지수를 갖는 공기로 통과할 때마다 내부 전반사(TIR)에 의해 포획된다.
디스플레이를 형성하기 위해, 상기 OLED는 디스플레이 기판 상에 배열될 수 있고 캡슐화 층으로 커버될 수 있다. 그러나, 상기 OLED에서 방출된 광은 캡슐화 층과 OLED 사이의 공간이 고체 재료로 채워져 있어도 캡슐화 층의 상부 표면에서 다시 한번 TIR을 겪게 된다. 이는 상기 OLED 디스플레이에서 사용할 수 있는 OLED-생성 광의 양을 더욱 감소시킨다.
본 발명은 OLED 디스플레이 및 OLED 디스플레이로부터 광 추출을 위한 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 개시의 일부 구현 예는 유기 발광 다이오드(OLED)를 위한 광 추출 장치에 관한 것이다. 상기 광 추출 장치는 OLED 방출기, 복수의 테이퍼형 반사기, 및 스페이서 층을 포함한다. 각각의 테이퍼형 반사기는 제 1 표면, 상기 제 1 표면에 대향하고 상기 제 1 표면의 표면적보다 큰 표면적을 포함하는 제 2 표면, 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 간 확장하는 적어도 하나의 측면 표면을 포함한다. 스페이서 층은 OLED 방출기에 결합된 제 1 표면 및 각각의 복수의 테이퍼형 반사기의 제 1 표면에 결합된 제 2 표면을 포함한다. OLED로부터 방출된 광은 스페이서 층을 통과하여 복수의 테이퍼형 반사기로 진행한다. 상기 각각의 복수의 테이퍼형 반사기의 적어도 하나의 측면 표면은 탈출 원뿔(escape cone) 내로 그리고 대응하는 테이퍼형 반사기의 제 2 표면 밖으로 반사에 의해 광을 재지향시키는 경사를 포함한다.
본 개시의 또 다른 구현 예들은 하부-방출 OLED 디스플레이에 관한 것이다. 상기 하부-방출 OLED 디스플레이는 스페이서 층, 테이퍼형 반사기의 어레이, 및 기판을 포함한다. 스페이서 층은 OLED의 어레이에 결합된다. 상기 OLED의 어레이의 각 OLED는 광이 상기 스페이서 층으로 방출되는 하부 표면을 갖는다. 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 적어도 2개의 테이퍼형 반사기는 상기 OLED의 어레이의 각 OLED와 중첩한다. 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기는 제 1 표면, 상기 제1표면에 대향하고 상기 제 1 표면의 표면적보다 큰 표면적을 포함하는 제 2 표면, 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 간 확장하는 적어도 하나의 측면 표면을 포함한다. 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기의 제1표면은 상기 스페이서 층에 결합되고 OLED의 어레이와 마주한다. 상기 기판은 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기의 제 2 표면에 결합된다.
본 개시의 또 다른 구현 예들은 상부-방출 OLED 디스플레이에 관한 것이다. 상기 상부-방출 OLED 디스플레이는 기판, 스페이서 층, 테이퍼형 반사기의 어레이, 및 캡슐화 층을 포함한다. 상기 기판은 OLED의 어레이를 서포트한다. OLED의 어레이의 각 OLED는 광이 방출되는 상부 표면을 갖는다. 상기 스페이서 층은 상기 OLED의 어레이의 각 OLED의 상부 표면에 결합된다. 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 적어도 2개의 테이퍼형 반사기는 상기 OLED의 어레이의 각 OLED와 중첩한다. 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기는 제 1 표면, 상기 제 1 표면에 대향하고 상기 제 1 표면의 표면적보다 큰 표면적을 포함하는 제 2 표면, 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 간 확장하는 적어도 하나의 측면 표면을 포함한다. 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기의 제 1 표면은 상기 스페이서 층에 결합되고 상기 OLED의 어레이와 마주한다. 상기 캡슐화 층은 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기의 제 2 표면에 결합된다.
본원에 개시된 광 추출 장치를 포함하는 OLED 디스플레이는 이 OLED 디스플레이로부터의 광의 아웃-커플링(out-coupling)을 상당히 향상시키고 상기 OLED 디스플레이의 효율 및 피크 밝기를 증가시킨다. OLED 디스플레이의 외부 효율은 광 추출 장치를 포함하지 않은 디스플레이에 비해 100% 증가할 수 있다. 증가된 외부 효율로 인해, 상기 디스플레이의 픽셀들은 동일한 밝기에서 더 적은 전류로 구동될 수 있으며, 이는 디스플레이의 유용한 수명을 늘리고 "번-인(burn-in)" 효과를 감소시킨다. 대안으로 또는 추가로, 상기 디스플레이의 픽셀들은 더 높은 피크 밝기를 생성할 수 있으며, 이는 높은 동적 범위(HDR)를 가능하게 한다. 이들 기능은 상기 디스플레이의 전체 두께를 수십 micron만큼 증가시키면서 달성된다. 상기 광 추출 장치는 색상-중립적이며, 따라서 적색, 녹색, 및 청색 픽셀에 동일하게 유용하다. 또한, 상기 광 추출 장치는 선명도와 콘트라스트(contrast)를 감소시킬 수 있는 광 산란(즉, 헤이즈(haze))을 도입하지 않는다. 또한, 상기 광 추출 장치는 광의 편광 상태를 스크램블링하지 않으며, 따라서 주변 광 반사를 감소시키기 위해 원형 편광자의 사용과 호환된다.
추가적인 특징 및 장점들은 다음의 상세한 설명에 기재될 것이며, 부분적으로는 그 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명백하거나 다음의 상세한 설명, 청구범위 및 도면을 포함하여 본원에 설명된 구현 예들을 실시함으로써 인식될 것이다.
상술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 단지 예시일 뿐이며, 청구범위의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 기초를 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다. 첨부된 도면은 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성한다. 도면은 하나 이상의 구현 예(들)를 예시하고, 설명과 함께 다양한 구현 예의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.
본 발명에 따르면, OLED 디스플레이 및 OLED 디스플레이로부터 광 추출을 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1a는 예시의 하부-방출 유기 발광 다이오드(OLED) 구조를 개략적으로 도시하고;
도 1b는 예시의 상부-방출 OLED 구조를 개략적으로 도시하고;
도 2a는 예시의 하부-방출 OLED 디스플레이의 단면의 단면도를 도시하고;
도 2b는 예시의 상부-방출 OLED 디스플레이의 단면의 단면도를 도시하고;
도 3a는 본원에 개시된 방법 및 광-추출 장치를 채용하는 예시의 OLED 디스플레이의 하향식 보기 도면이고;
도 3b는 OLED들 및 이 OLED들에 의해 형성된 OLED 어레이의 예시의 치수를 나타내는 4개의 OLED의 어레이의 하향식 클로즈-업 보기 도면이고;
도 4는 도 3a의 OLED 디스플레이의 단면의 클로즈-업 x-z 단면도이고;
도 5는 예시의 테이퍼형 반사기의 입면도이고;
도 6a 및 6b는 테이퍼형 반사기에 대한 예시 형상의 측면도이고;
도 7a는 테이퍼형 반사기의 측면에 대한 예시의 복잡한 표면 형상의 플롯이고, 여기서 상기 형상은 OLED에 의해 테이퍼형 반사기의 바디로 방출되고 상부 표면에 직접 닿지 않는 모든 광이 테이퍼형 반사기의 측면 표면에서 내부 전반사를 겪도록 보장하고;
도 7b는 테이퍼형 반사기의 유리한 형상의 개략도로서, 상기 형상은 테이퍼형 반사기 재료에 대한 탈출 원뿔 외측에 있는 OLED에 의해 방출된 광선이 상기 테이퍼형 반사기의 측벽에 의해 먼저 반사되지 않고 상기 테이퍼형 반사기의 상단 표면에 직접 닿을 수 없도록 하는 것을 보장하고;
도 8a 및 8b는 테이퍼형 반사기에 대한 예시 형상의 상면도이고;
도 9a는 본원에 개시된 OLED 디스플레이를 포함하는 일반화된 전자 장치의 개략도이며;
도 9b 및 9c는 도 9a의 일반화된 전자 장치의 예들이다.
이제 본 개시의 구현 예들에 대한 참조가 상세하게 이루어질 것이며, 그 예들은 첨부 도면에 예시되어 있다. 가능한 한, 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 사용될 것이다. 그러나, 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본원에서 설명하는 구현 예들로 한정되지 않는다.
범위는 본원에서 "약" 하나의 특정 값부터 그리고/또 "약" 다른 특정 값까지 표현될 수 있다. 그와 같은 범위가 표현될 때, 다른 구현 예는 하나의 특정 값부터 그리고/또 다른 특정 값까지 포함한다. 유사하게, 값들이 선행에 "약"을 사용하여 근사치로 표현될 때, 그 특정 값이 또 다른 구현 예를 형성한다는 것을 이해해야 할 것이다. 각 범위의 끝점은 다른 끝점과 관련하여, 그리고 다른 끝점과 독립적으로 모두 중요하다는 것을 더 이해해야 할 것이다.
본원에 사용되는 방향 용어, 예를 들어, 위, 아래, 오른쪽, 왼쪽, 앞, 뒤, 상부, 하부, 수직, 수평은 도면들을 참조해서만 만들어지며 절대적인 방향을 의미하지는 않는다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에 설명된 임의의 방법은 그 단계들이 특정 순서로 수행되어야 하는 것으로 해석되는 것은 아니며, 임의의 장치로도 특정 방향을 요구해야 하는 것으로 해석되는 것은 결코 아니다. 따라서, 방법 청구항이 실제로 그 단계들을 따르는 순서를 언급하지 않거나, 임의의 장치 청구항이 실제로 개별 구성 요소에 대한 순서 또는 방향을 언급하지 않거나, 또는 그렇지 않고 청구범위 또는 설명에서 단계들이 다음과 같이 구체적으로 명시되지 않은 경우, 특정 순서로 제한되거나 장치의 구성 요소들에 대한 특정 순서 또는 방향이 인용되지 않는 경우, 어떤 점에서든 순서 또는 방향을 추론하도록 의도된 것은 아니다. 이는 다음을 포함하여 해석에 대한 임의의 가능한 비-표현적 근거를 유지한다: 단계들의 배열, 동작 흐름, 구성 요소들의 순서, 또는 구성 요소들의 방향과 관련된 논리의 문제; 문법적 구성 또는 구두점에서 파생된 일반적 의미; 및 명세서에 기술된 구현 예들의 수 또는 타입.
본원에 사용된 바와 같이, 단수형 "하나의", "한" 및 "그"는 문맥에서 달리 명시하지 않는 한 복수의 참조를 포함한다. 따라서, 예를 들어, "하나의" 구성 요소에 대한 언급은 문맥이 달리 명시하지 않는 한 두 개 이상의 그와 같은 구성 요소를 갖는 측면을 포함한다.
데카르트 좌표는 참조 및 토론의 용이함을 위해 도면에 사용되며 방위나 방향을 제한하려는 의도가 아니다.
OLED와 관련하여 용어 "광 추출"은 실제 OLED 층화 구조 내에 존재하지 않는 형태들을 사용하여 OLED에서 방출되는 광의 양을 증가시키는 장치 및 방법과 관련된다.
OLED의 굴절 지수(nO)는 OLED 구조를 구성하는 다양한 층의 기여도를 포함하는 유효 굴절 지수이며, 일 예에서 약 1.6 내지 1.85 범위인 반면, 또 다른 예에서 약 1.7 내지 1.8 범위이고, 또 다른 예에서 약 1.76 내지 1.78 범위이다.
이제 도 1a를 참조하면, 예시의 하부-방출 OLED 구조(100)가 개략적으로 도시된다. 하부 발광 OLED 구조(100)는 투명 기판(102; 예컨대, 유리, 플라스틱 등), 투명 애노드(104; 예컨대, ITO), 및 캐소드(116)를 포함한다. 특정 예시의 구현 예들에서, 상기 캐소드(116)는 은 또는 알루미늄과 같은 높은 반사성 금속으로 제조될 수 있다. 상기 애노드(104)와 캐소드(116) 사이에서, 하부-방출 OLED 구조(100)는 정공 주입 층(HIL; 106), 정공 수송 층(HTL; 108), 방출 층(EML; 110), 전자 수송 층(ETL; 112), 및 전자 주입 층(EIL; 114)을 포함한다. 상기 하부-방출 OLED 구조(100)는 애노드(104)의 하부 표면을 통해 그리고 기판(102)을 통해 광을 방출한다.
도 1b는 예시의 상부-방출 OLED 구조(120)를 개략적으로 도시한다. 상부-방출 OLED 구조(120)는 기판(122; 예컨대, 유리, 플라스틱 등), 애노드(124), 및 투명 캐소드(136; 예컨대, Al 또는 Ag와 같은 초박형 금속 또는 Mg:Ag 또는 Ba:Ag와 같은 합금). 특정 예시의 구현 예들에서, 상부-방출 OLED 구조(120)는 또한 캐소드(136) 위에 캡핑 층(capping layer; 예컨대, WO3)을 포함할 수 있다. 애노드(124)와 캐소드(136) 사이에서, 상부-방출 OLED 구조(120)는 HTL(126), 전자 차단 층(HBL; 128), EML(130), 정공 차단 층(HBL; 132), 및 ETL(134)을 포함할 수 있다. 상부-방출 OLED 구조(120)는 캐소드(136)의 상부 표면을 통해 광을 방출한다.
도 2a는 예시의 하부-방출 OLED 디스플레이(200)의 단면의 단면도를 도시한다. OLED 디스플레이(200)는 하부-방출 OLED(100), 스페이서 층(202), 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208), 및 기판(218)을 포함한다. 복수(즉, 적어도 2개)의 상기 테이퍼형 반사기(210)는 OLED(100)와 중첩한다. 특정 예시의 구현 예들에서, 적어도 2개의 행×적어도 2개의 열의 테이퍼형 반사기(210; 즉, 4개의 테이퍼형 반사기)가 OLED(100)와 중첩한다. 다른 구현 예들에서, 적어도 3개의 행×5개의 열의 테이퍼형 반사기(210; 즉, 15개의 테이퍼형 반사기)가 OLED(100)와 중첩한다. 또 다른 구현 예들에서, 적어도 10개의 행×적어도 30개의 열의 테이퍼형 반사기(210; 즉, 300개의 테이퍼형 반사기)가 OLED(100)와 중첩한다.
각각의 테이퍼형 반사기(210)는 제 1 표면(212) 및 이 제 1 표면(212)에 대향하는 제 2 표면(214)을 포함한다. 상기 제 2 표면(214)은 상기 제 1 표면(212)보다 더 크다(즉, 더 큰 표면적을 갖는다). 각각의 테이퍼형 반사기(210)는 또한 제 1 표면(212)과 제 2 표면(214) 간 확장되는 적어도 하나의 측면 표면(216)을 포함한다. 특정 예시의 구현 예들에서, 테이퍼형 반사기의 어레이(208)의 각 테이퍼형 반사기(210)는 아래에서 좀더 상세히 설명되는 바와 같이 사다리꼴 단면을 갖는 절두형 피라미드의 형상을 갖는다. 상기 각각의 테이퍼형 반사기의 적어도 하나의 측면 표면(216)이 상기 제 2 표면(214)으로 완전히 확장되지 않도록 도 2a에 나타낸 바와 같이 상기 테이퍼형 반사기(210)는 각각의 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)에서 서로 결합될 수 있다.
스페이서 층(202)은 OLED(100)의 하부에 광학적으로 결합된 제 1 표면(204) 및 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212)에 광학적으로 결합된 제 2 표면(206)을 포함한다. 특정 예시의 구현 예들에서, 스페이서 층(202)은 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212) 길이의 약 10% 내지 100% 사이의 두께를 갖는다. 상기 스페이서 층(202)의 굴절 지수는 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)의 굴절 지수보다 크거나 같을 수 있다.
기판(218)은 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214)에 광학적으로 결합된다. 기판(218)은 유리, 플라스틱, 또는 다른 적절한 투명 재료로 만들어질 수 있다. 상기 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)의 굴절 지수는 상기 기판(218)의 굴절 지수보다 크거나 같을 수 있다. 상기 OLED(100)로부터 방출된 광은 상기 스페이서 층(202)을 통과하여 상기 테이퍼형 반사기(210)로 진행한다. 상기 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 적어도 하나의 측면(216; '측면 표면'이라고도 칭함)은 탈출 원뿔 내로 그리고 대응하는 테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214) 밖으로 반사에 의해 광을 재지향시키는 경사를 포함한다. 그 다음, 광은 기판(218)을 통과하여 외부 환경(222)으로 진행한다.
3개의 광선 224a, 224b, 및 224c가 도 2a에 나타나 있다. 광선(224a)은 OLED(100)의 하부로부터 스페이서 층(202)을 통해 그리고 테이퍼형 반사기(210)를 통해 상기 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)으로 직접 전파되며, 여기서 광은 기판(218)으로 전파되고 이를 통해 외부 환경(222)으로 진행한다. 광선(224b)은 OLED(100)의 하부로부터 스페이서 층(202)을 통해 그리고 테이퍼형 반사기(210)를 통해 상기 테이퍼형 반사기의 측면 표면(216)으로 직접 전파되며, 여기서 광은 반사되어 상기 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)으로 재지향된다. 다음에, 광선(224b)은 기판(218)으로 전파되고 이를 통해 외부 환경(222)으로 진행한다. 광선(224c)은 OLED(100)의 하부로부터 스페이서 층(202)으로 전파되고 테이퍼형 반사기(210)들 사이에 있는 스페이서 층의 제 2 표면(206)의 일부로 직접 전파되며, 여기서 광은 상기 스페이서 층 내에서 TIR로 반사된다. 광은 스페이서 층(202)의 제 1 표면(204)에서 OLED(100)에 의해 다시 반사된다. 그 다음, 광선(224c)은 다시 스페이서 층(202)을 통과하고 이번에는 테이퍼형 반사기(210)를 통해 상기 테이퍼형 반사기의 측면 표면(216)으로 직접 통과하며, 여기서 광은 반사되어 상기 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)으로 재지향된다. 그 다음, 광선(224c)은 기판(218)으로 전파되고 이를 통해 외부 환경(222)으로 진행한다. OLED 디스플레이(200) 내의 광 전파에 관한 추가적인 세부 사항은 도 4를 참조하여 아래에서 논의될 것이다.
도 2b는 예시의 상부-방출 OLED 디스플레이(250)의 단면의 단면도를 도시한다. OLED 디스플레이(250)는 상부-방출 OLED(120), 금속 접촉부(252), 기판(218), 스페이서 층(202), 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208), 및 캡슐화 층(254)을 포함한다. 복수(즉, 적어도 2개)의 테이퍼형 반사기(210)는 OLED(120)와 중첩한다. 특정 예시의 구현 예들에서, 적어도 2개의 행×적어도 2개의 열의 테이퍼형 반사기(210; 즉, 4개의 테이퍼형 반사기)가 OLED(120)와 중첩한다. 다른 구현 예들에서, 적어도 3개의 행×5개의 열의 테이퍼형 반사기(210; 즉, 15개의 테이퍼형 반사기)가 OLED(120)와 중첩한다. 또 다른 구현 예들에서, 적어도 10개의 행×적어도 30개의 열의 테이퍼형 반사기(210; 즉, 300개의 테이퍼형 반사기)가 OLED(120)와 중첩한다.
각각의 테이퍼형 반사기(210)는 제 1 표면(212) 및 이 제 1 표면(212)에 대향하는 제 2 표면(214)을 포함한다. 상기 제 2 표면(214)은 상기 제 1 표면(212)보다 더 크다(즉, 더 큰 표면적을 갖는다). 각각의 테이퍼형 반사기(210)는 또한 제 1 표면(212)과 제 2 표면(214) 간 확장되는 적어도 하나의 측면 표면(216)을 포함한다. 특정 예시의 구현 예들에서, 테이퍼형 반사기의 어레이(208)의 각 테이퍼형 반사기(210)는 아래에서 좀더 상세히 설명되는 바와 같이 사다리꼴 단면을 갖는 절두형 피라미드의 형상을 갖는다. 상기 각각의 테이퍼형 반사기의 적어도 하나의 측면 표면(216)이 상기 제 2 표면(214)으로 완전히 확장되지 않도록 도 2b에 나타낸 바와 같이 상기 테이퍼형 반사기(210)는 각각의 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)에서 서로 결합될 수 있다.
스페이서 층(202)은 OLED(100)의 상부에 광학적으로 결합된 제 1 표면(204) 및 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212)에 광학적으로 결합된 제 2 표면(206)을 포함한다. 특정 예시의 구현 예들에서, 스페이서 층(202)은 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212) 길이의 약 10% 내지 100% 사이의 두께를 갖는다. 상기 스페이서 층(202)의 굴절 지수는 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)의 굴절 지수보다 크거나 같을 수 있다.
기판(218; 예컨대, 유리, 플라스틱 등)은 금속 접촉부(252)를 통해 OLED(120)에 결합된다. 캡슐화 층(254)은 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214)에 광학적으로 결합된다. 캡슐화 층(254)은 유리, 플라스틱, 또는 다른 적절한 투명 재료로 이루어질 수 있다. 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)의 굴절 지수는 상기 캡슐화 층(254)의 굴절 지수보다 크거나 같을 수 있다. 상기 OLED(120)로부터 방출된 광은 상기 스페이서 층(202)를 통과하여 상기 테이퍼형 반사기(210)로 진행한다. 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 적어도 하나의 측면 표면(216)은 탈출 원뿔 내로 그리고 대응하는 테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214) 밖으로 반사에 의해 광을 재지향시키는 경사를 포함한다. 그 다음, 광은 캡슐화 층(254)을 통과하여 외부 환경(222)으로 진행한다.
3개의 광선 264a, 264b, 및 264c가 도 2b에 나타나 있다. 광선(264a)은 OLED(120)의 상부로부터 스페이서 층(202)을 통해 그리고 테이퍼형 반사기(210)를 통해 상기 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)으로 직접 전파되며, 여기서 광은 캡슐화 층(254)으로 전파되고 이를 통해 외부 환경(222)으로 진행한다. 광선(264b)은 OLED(120)의 상부로부터 스페이서 층(202)을 통해 그리고 테이퍼형 반사기(210)를 통해 상기 테이퍼형 반사기의 측면 표면(216)으로 직접 전파되며, 여기서 광은 반사되어 상기 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)으로 재지향된다. 다음에, 광선(264b)은 캡슐화 층(2254)으로 전파되고 이를 통해 외부 환경(222)으로 진행한다. 광선(264c)은 OLED(120)의 상부로부터 스페이서 층(202)으로 전파되고 테이퍼형 반사기(210)들 사이에 있는 스페이서 층의 제 2 표면(206)의 일부로 직접 전파되며, 여기서 광은 상기 스페이서 층 내에서 TIR로 반사된다. 광은 스페이서 층(202)의 제 1 표면(204)에서 OLED(120)에 의해 다시 반사된다. 그 다음, 광선(264c)은 다시 스페이서 층(202)을 통과하고 이번에는 테이퍼형 반사기(210)를 통해 상기 테이퍼형 반사기의 측면 표면(216)으로 직접 통과하며, 여기서 광은 반사되어 상기 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)으로 재지향된다. 그 다음, 광선(264c)은 캡슐화 층(218)으로 전파되고 이를 통해 외부 환경(222)으로 진행한다. OLED 디스플레이(250) 내의 광 전파에 관한 추가적인 세부 사항은 도 4를 참조하여 아래에서 논의될 것이다.
도 3a는 본원에 개시된 방법 및 광-추출 장치를 채용하는 예시의 OLED 디스플레이(300)의 하향식 보기 도면이다. 도 3b는 OLED 디스플레이(300)의 단면의 클로즈-업 하향식 보기 도면이고, 반면 도 4는 상기 OLED 디스플레이(300)의 단면의 클로즈-업 x-z 단면도이다. 하나의 구현 예에서, OLED 디스플레이(300)는 하부-방출 OLED 디스플레이이고 도 2a에 도시된 OLED 디스플레이 구조를 포함한다. 다른 구현 예에서, OLED 디스플레이(300)는 상부-방출 OLED 디스플레이이고 도 2b에 도시된 OLED 디스플레이 구조를 포함한다.
도 3a, 3b, 및 4와 관련하여, 상기 OLED 디스플레이(300)는 OLED(304)의 어레이(302), 스페이서 층(202), 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208), 및 투명 층(306)을 포함한다. OLED(304)의 어레이(302)는 스페이서 층(202)의 제 1 표면(204) 상에 존재한다. 일 구현 예에서, 각각의 OLED(304)는 도 1을 참조하여 앞서 설명되고 예시된 OLED(100)와 같은 하부-방출 OLED이다. 다른 구현 예에서, 각각의 OLED(304)는 도 1b를 참조하여 앞서 설명되고 예시된 OLED(120)와 같은 상부-방출 OLED이다. 각각의 OLED(304)가 하부-방출 OLED인 경우, 투명 층(306)은도 2a를 참조하여 앞서 설명되고 예시된 기판(218)과 같은 기판이다. 각각의 OLED(304)가 하부-방출 OLED인 경우, 도 4의 OLED 디스플레이(300)의 z-축 방위가 도 2a의 OLED 디스플레이(200)의 z-축 방위와 일치하도록 반전될 수 있다는 것을 주목하자. 각각의 OLED(304)가 상부-방출 OLED인 경우, 투명 층(306)은 도 2b를 참조하여 앞서 설명되고 예시된 캡슐화 층(254)과 같은 캡슐화 층이다. 각각의 OLED(304)가 상부-방출 OLED인 경우, 금속 접촉부(252) 및 도 2b의 OLED 디스플레이(250)의 기판(218)은 단순성을 위해 도 4의 OLED 디스플레이(300)에서 제외되었다는 것을 염두해 두자.
도 3b에 나타낸 바와 같이, OLED(304)는 x-방향으로 길이 Lx 및 y-방향으로 길이 Ly를 갖는다. 일 구현 예에서, Lx는 Ly와 같다. OLED 어레이(302)의 OLED(304)는 나란한 간격 Sx 및 Sy만큼 x-방향 및 y-방향으로 서로 이격되어 있다. 일 구현 예에서, Sx는 Sy와 같다. 일 구현 예에서, OLED(304)는 모두 동일한 크기이고 동일하게 이격된다. 다른 구현 예에서, 상기 OLED(304)는 모두 동일한 치수 Lx, Ly를 갖지 않으며, 간격 Sx, Sy는 모두 동일하지 않다. 상기 OLED(304)는 각각 동일한 컬러의 광을 방출하거나 또는 적색, 녹색, 청색 및/또는 백색과 같은 상이한 컬러의 광을 방출할 수 있다. 상기 OLED(304)가 직사각형 배열을 갖는 것으로 예시되어 있지만, 다른 구현 예에서 상기 OLED(304)는 직사각형이 아닌 배열(예컨대, 다이아몬드)을 가질 수 있다.
테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)는 OLED(304)에 광학적으로 결합되고, 적어도 2개의 테이퍼형 반사기(210)는 각각의 OLED(304)와 중첩되고 상기 각각의 OLED(304)에 광학적으로 결합된다. 도 5는 예시적인 테이퍼형 반사기(210)의 상승 분해도이다. 각각의 테이퍼형 반사기(210)는 바디(215), 제 1 표면(212), 적어도 하나의 측면 표면(216), 및 제 2 표면(214)을 포함한다. 상기 제 1 표면(212)은 적어도 하나의 외측 에지(212E)를 포함하고, 상기 제 2 표면(214)은 적어도 하나의 외측 에지(214E)를 포함한다. 상기 테이퍼형 반사기 바디(215)는 굴절 지수 nP를 갖는 재료로 이루어진다.
상기 테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214)은 제 1 표면(212)보다 더 큰데(즉, 더 큰 표면적을 갖는다), 즉, 상기 제 2 표면은 테이퍼형 반사기의 "베이스"이다. 특정 예시의 구현 예들에서, 상기 테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214)은 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212)보다 면적이 적어도 1.5배 더 크다. 일 구현 예에서, 상기 제 1 및 제 2 표면(212 및 214)은 총 4개의 측면 표면(216)이 있도록 직사각형(예컨대, 정사각형)이다. 테이퍼형 반사기(210)가 회전 대칭인 예에서, 그것은 하나의 측면 표면(216)을 갖는다고 말할 수 있다. 측면 표면(216)은 각각 단일 평면 표면이거나 다수의 분할된 평면 표면으로 이루어지거나 연속적으로 만곡된 표면일 수 있다.
따라서, 일 예에서, 테이퍼형 반사기(210)는 불완전하거나 잘린(절두형) 직사각형-기반 피라미드라고도 하는 사다리꼴 단면을 포함하는 절두형 피라미드의 형상을 갖는다. 테이퍼형 반사기(210)를 위한 다른 형상도 아래에서 논의되는 바와 같이 효과적으로 채용될 수 있다. 상기 테이퍼형 반사기(210)는 z-방향으로 이어지는 중심 축(AC)을 갖는다. 제 2 (상부) 표면(214) 및 제 1 (하부) 표면(212)이 정사각형 형상을 갖는 예에서, 상기 제 2 표면(214)은 폭 치수 WT를 갖고 상기 제 1 표면(212)은 폭 치수 WB를 갖는다. 보다 일반적으로, 상기 제 2 표면(214)은 (x, y) 폭 치수 WTx 및 WTy를 갖고, 상기 제 1 표면(212)은 (x, y) 폭 치수 WBx 및 WBy를 갖는다. 상기 테이퍼형 반사기(210)는 또한 상기 제 1 표면(212)과 제 2 표면(214) 사이의 축 방향 거리로서 규정된 높이 HP를 갖는다.
특정 예시의 구현 예들에서, 상기 테이퍼형 반사기(210)는 단일 재료로 만들어진 단일의 모놀리식(monolithic) 구조로 형성된다. 이는 몰딩 공정, 임프린팅(imprinting) 공정(예컨대, 자외선 또는 열 임프린팅) 또는 수지계 재료를 사용하는 미세 복제 공정과 같은 유사한 공정을 사용하여 달성될 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212)은 스페이서 층(202)의 제 2 표면(206) 상에 배열된다. OLED(304)는 스페이서 층(202)의 제 1 표면(204) 상에 배열된다. 스페이서 층(202)은 굴절 지수 nIM을 갖는 지수-매칭 재료를 포함할 수 있고, 테이퍼형 반사기(210)를 OLED(304)에 인터페이스하는 데 사용된다. 테이퍼형 반사기 굴절 지수 nP는, 바람직하게, 예를 들어 OLED 굴절 지수 nO에 가능한 한 가깝다. 일 구현 예에서, np와 nO 간 차이는 약 0.3 이하, 더 바람직하게 약 0.2 이하, 좀더 바람직하게 약 0.1 이하, 보다 더 바람직하게 약 0.01 이하이다. 다른 구현 예에서, 지수-매칭 재료 굴절 지수 nIM은 테이퍼형 반사기 굴절 지수 nP보다 낮지 않고, 바람직하게는 np와 nO 사이의 값을 갖는다. 일 예에서, 테이퍼형 반사기 굴절 지수 nP는 약 1.6과 1.8 사이이다.
일 구현 예에서, 스페이서 층(202)의 지수-매칭 재료는 접착 특성을 가지며 테이퍼형 반사기(210)를 OLED(304)에 부착하는 역할을 한다. 상기 지수-매칭 재료는, 예를 들어 무기 재료, 접착제, 광학적으로 투명한 접착제, 접합제 등을 포함한다. 각각의 OLED(304), 테이퍼형 반사기(210), 및 스페이서 층(202)의 조합은 발광 장치를 규정한다. 상기 테이퍼형 반사기(210) 및 스페이서 층(202)은 광 추출 장치를 규정한다.
테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214)은 투명 층(306)의 제 1 (하부) 표면(308)에 광학적으로 결합된다. 상기 테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214)은 제 2 에지(214E)들 사이에 어떠한 실질적인 공간도 없이 투명 층(306)의 제 1 표면(308)을 타일(tile)할 수 있다. 외부 환경(222)은 투명 층(306)의 제 2 (상부) 표면(310)에 바로 인접하여 존재한다. 상기 외부 환경(222)은 통상적으로 공기이지만, 진공, 불활성 가스 등과 같이 디스플레이를 사용할 수 있는 다른 환경일 수 있다.
다시 도 2a, 2b, 및 4를 참조하면, 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)는 인접한 테이퍼형 반사기들과 스페이서 층(202)의 제 2 표면(206) 사이에 한정된 공간(220)을 규정한다. 특정 예시의 구현 예들에서, 공간(220)은 공기와 같은 매질로 채워진 반면, 다른 구현 예들에서, 상기 공간은 광 흡수(즉, 흑색) 재료와 같은 유전체 재료 형태의 매질로 채워진다. 주어진 굴절 지수 nS의 매질로 공간(220)을 채우는 것은 아래에서 더 자세히 논의된다.
테이퍼형 반사기(210)는 통상적으로 상대적으로 높은 굴절 지수, 즉 바람직하게는 OLED 방출 층(110)만큼 높은 굴절 지수를 갖는 재료로 이루어진다(도 1a 및 1b). 상기 테이퍼형 반사기(210)는 상술한 스페이서 층(202)을 사이에 두고 반전된 구성으로 대응하는 OLED(304) 상에 작동 가능하게 배열되고 그와 중첩된다. 각각의 OLED(304)는 OLED 어레이(302)의 픽셀로 간주될 수 있으며, OLED(304), 스페이서 층(202) 및 적어도 2개의 테이퍼형 반사기(210)의 각 조합은 발광 장치이며, 그러한 발광 장치의 조합은 OLED 디스플레이(300)를 위한 발광 장치의 어레이를 규정한다.
상기 OLED(304)는 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212)을 향해 광을 방출한다. 상기 테이퍼형 반사기(210)의 상대적으로 높은 굴절 지수 nP 및 스페이서 층(202)의 굴절 지수 nIM 때문에, OLED(304)의 방출 층에서 생성된 광선(320)은 TIR에 의해 포획되지 않고 OLED의 캐소드에 의해 반사되거나 직접적으로 OLED로부터 전파될 수 있다. 3개의 광선(320a, 320b, 및 320c)이 도 4에 나타나 있다. 광선(320a)은 OLED(304)로부터 스페이서 층(202)을 통해 그리고 테이퍼형 반사기(210)를 통해 상기 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)으로 직접 전파되고, 여기서 광은 투명 층(306)으로 전파되고 이를 통해 외부 환경(222)으로 진행된다. 광선(320b)은 OLED(304)로부터 스페이서 층(202)을 통해 그리고 테이퍼형 반사기(210)를 통해 테이퍼형 반사기의 측면 표면(216)으로 직접 전파되고, 여기서 광이 반사되고 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)으로 재지향된다. 다음에, 광선(320b)은 투명 층 (306)으로 전파되고 이를 통해 외부 환경(222)으로 진행된다. 광선(320c)은 OLED(304)로부터 스페이서 층(202)으로 그리고 테이퍼형 반사기(210)들 사이에 있는 스페이서 층의 제 2 표면(206)의 일부로 직접 전파되고, 여기서 광은 상기 스페이서 층 내에서 TIR에 의해 반사된다. 광은 스페이서 층(202)의 제 1 표면(204)에서 OLED(304)에 의해 다시 반사된다. 광선(320c)은 다시 스페이서 층(202)을 통과하고, 이번에는 테이퍼형 반사기(210)를 통해 직접 테이퍼형 반사기의 측면 표면(216)으로 진행하며, 여기서 광은 반사되어 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)으로 재지향된다. 그 다음, 광선(320c)은 투명 층(306)으로 전파되고 이를 통해 외부 환경(222)으로 진행된다. 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(112)이 스페이서 층(202)의 제 2 표면(206) 면적의 약 1/4을 커버하는 예에서, 광선이 디스플레이(300)를 빠져 나가기 위해서는 평균 약 4회의 반사가 필요할 것이다.
특정 예시의 구현 예에서, 측면(216)은, 나타낸 바와 같이, 수직에 대한, 예컨대 중심 축(AC)에 평행하게 이어지는 수직 기준선(RL)에 대한 경사각(θ)에 의해 규정되는 경사를 갖는다. 측면(216)의 경사가 너무 가파르지 않은 경우(즉, 경사각(θ)이 충분히 큰 경우), TIR 조건은 테이퍼형 반사기(210)에 들어가는 광선(320)의 임의의 원점에 대해 충족될 것이고, 테이퍼형 반사기(210)의 측면에 바로 인접한 공간(220)으로 측면(216)을 통과함으로써 광선이 손실되지 않을 것이다.
또한, 테이퍼형 반사기(210)의 높이(HP)가 충분히 크면, 제 2 표면(214)에 입사하는 모든 광선(320)은 테이퍼형 반사기(210)의 굴절 지수 nP 및 투명층(306)의 굴절 지수 nE에 의해 규정된 TIR 탈출 원뿔(219; 도 7b) 내에 있고, 이에 따라 투명 층(306)으로 빠져 나간다. 게다가, 광선(320)은 또한 투명 층(306)의 재료의 굴절 지수 nE 및 투명 층(306)의 제 2 표면(310)에 바로 인접하여 존재하는 외부 환경(222)의 굴절 지수 ne에 의해 규정되는 TIR 탈출 원뿔 내에 있을 것이다.
따라서, OLED(304)의 OLED 구조에서 다른 투명 애노드의 광 흡수 및 스페이서 층(202)에서의 광 흡수를 무시하면, OLED에 의해 생성된 광(320)의 100%는 원칙적으로 투명 층(306) 위에 존재하는 외부 환경(222)으로 전달될 수 있다. 본질적으로, 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 바디(215)를 구성하는 지수-매칭 재료는 테이퍼형 반사기(210)가 완벽한(또는 거의 완벽한) 내부 광 추출기로서 작용하도록 허용하는 반면, 측면(216)의 반사 특성은 테이퍼형 반사기가 완벽한(또는 거의 완벽한) 외부 광 추출기가 되도록 허용한다.
테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)가 없으면, OLED 디스플레이(300)에서 결합된 파워는 잘 디자인된 OLED 구조에 대한 소스 파워의 약 30%가 될 것이고, 스페이서 층(202)의 두께에 기초하여 크게 변하지 않을 것이다. 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)의 경우, OLED 디스플레이(300)에서 결합된 파워는 최대 효율에 도달할 때까지 스페이서 층(202)의 두께가 증가함에 따라 증가한다. 이러한 변화는 OLED(304)로부터 방출된 광선(320)이 스페이서 층(202)을 횡단한 후에 전파되는 방식에 기인한다.
광선(320b)과 같은 탈출 원뿔 외측의 광선(테이퍼형 반사기(210) 없이 디스플레이 내에 포획될)은 테이퍼형 반사기(210)의 측면 표면(216)에서 TIR에 의해 재지향되고 이제 탈출 원뿔 내부에 있고 디스플레이(300)를 빠져 나갈 수 있다. 인접한 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212)들 간 스페이서 층(202)의 제 2 표면(206)에 부딪치는 탈출 원뿔 외측의 광선(320c)과 같은 광선은 OLED(304)를 향해 TIR에 의해 반사된다. 그 다음 광선은 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)를 향해 다시 반사되고, 여기서 광선은 그들이 부딪치는 위치에 따라 다시 전송되거나 반사될 수 있다.
스페이서 층(202)의 매우 작은 두께의 경우, 첫 번째 부딪침에서, 인접한 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212)들 사이의 중간에 있는 광선은 테이퍼형 반사기 중 하나의 제 1 표면(112)에 광선이 부딪치기 전에 많은 바운스(bounce)를 필요로 할 수있고, 광선이 다시 바운스될 때마다, OLED(304) 및/또는 스페이서 층(202)에서의 흡수로 인해 일부 파워가 손실된다. 상기 스페이서 층의 두께가 증가함에 따라, 그와 같은 광선이 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212)과 만나고 이어서 디스플레이(300)를 빠져 나갈만큼 충분히 멀리 측면으로 이동하기 위해 더 적은 바운스가 필요하다. 따라서, 초기에 스페이서 층 두께가 증가함에 따라 광 추출 효율이 증가한다. 그러나, 주어진 수의 바운스 이후에 광선이 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212)에 부딪칠 확률은 스페이서 층 두께의 추가 증가에 따라 변하지 않는다. 광 추출 효율이 최대에 도달하면, 이론적으로 스페이서 층(202)의 두께가 더 증가해도 변하지 않아야 한다.
위에 제시된 논리에 의해, 특정 값 이상의 스페이서 층(202)의 임의의 두께는 가능한 최대 광 추출 효율을 달성하는 측면에서 본 개시의 목적에 잘 부합하는 것처럼 보일 수 있다. 그러나, 고려해야 할 또 다른 고려 사항이 있다. 초기에 탈출 원뿔의 외측에 있는 광선이 각 바운스 후 측면으로 상당한 거리를 이동할 수 있기 때문에, 이는 픽셀이 "워싱 아웃(washing out)"을 이끌 수 있고, 디스플레이 픽셀 간에 "크로스-토크"가 발생하여 선명도를 감소시키고 결국 콘트라스트도 감소시킬 수 있다. 따라서, 특정 예시의 구현 예들에서, 스페이서 층(202)의 최적 두께는 최대 효율에 도달할 만큼 충분히 크나 더 크지는 않다.
하부-방출 OLED 디스플레이에 대한 특정 예시의 구현 예들에서, 외부 효율의 증가는 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)가 없는 하부-방출 OLED 디스플레이에 비해 약 60%이다. 상부-방출 OLED 디스플레이에 대한 특정 예시의 구현 예에서, 외부 효율의 증가는 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)가 없는 상부-방출 OLED 디스플레이에 비해 약 100%이다. 달성된 실제 개선은, OLED(304)의 순서 및 구성과, OLED 디스플레이에서 광 출력을 증가시키는 데 사용될 수 있는 공동 효과를 포함하여 OLED의 도파 특성과 발광 쌍극자 분자의 복사 역학 간의 결과적인 상호 작용에 따라 달라진다.
TIR 조건 설명
굴절 지수 n1 및 n2를 각각 갖는 공기 및 유리와 같이 서로 다른 2개의 투명 재료의 경계에서, 높은-지수 재료의 방향에서 상기 경계에 입사하는 광선은 상기 경계에서 100% 반사를 경험하고 임계각(θc)보다 높은 표면 법선에 대한 각도로 상기 경계에서 입사하는 경우 낮은 지수 재료로 빠져 나갈 수 없다. 상기 임계각은 sin(θc)=n1/n2로 규정된다.
높은-지수의 재료를 빠져 나갈 수 있고 그 안에서 TIR을 겪지 않는 모든 광선은 원뿔각 2θc를 갖는 원뿔 안에 놓일 것이다. 이러한 원뿔은 탈출 원뿔로 지칭되며 도 7b와 연계하여 아래에서 논의된다.
임의의 굴절 지수를 갖는 임의의 일련의 층에 대해, 임계각(θc) 및 탈출 원뿔(219)은 광선이 기원하는 층의 굴절 지수 및 광선이 빠져 나가는 층 또는 매질의 굴절 지수에 의해 규정됨을 알 수 있다. 따라서, 반사-방지 코팅은 TIR 조건을 변경하는 데 사용할 수 없으며 TIR 조건을 극복하여 광 추출을 돕는 데 사용할 수 없다.
반구(hemisphere)로 등방성 방출이 있고 모든 각도에 대해 동일한 강도를 갖는 포인트 소스(point source)의 경우, 그 소스 재료를 빠져 나갈 수 있는 광의 양은 2π(1-cos(θc))에 의해 주어진 상기 탈출 원뿔(219)의 입체각의 비율과 같고 반구의 전체 입체각(2π)이 1-cos(θc)와 같다. 굴절 지수가 n2=1.76인 OLED 재료와 굴절 지수가 n1=1.0인 공기를 예로 들면, 임계각은 θc=arcsin(1/1.76)=34.62°이다.
OLED 재료의 상부에 있는 일련의 상이한 재료 층에 대해 공기로 빠져 나가는 광의 양(즉, 광 입력과 비교한 광 출력)은 1-cos(34.62°)=17.7%이다. 이를 외부 광 추출 효율(LE)이라고 한다. 이러한 결과는 OLED가 등방성 방출기라고 가정하지만 이러한 가정에 기초한 광 추출 효율의 추정치는 보다 엄격한 분석을 통해 얻은 실제 결과와 실제로 관찰되는 것과 매우 유사하다.
테이퍼형 반사기 형상 고려 사항
도 6a는 적어도 하나의 만곡된 측면 표면(216)을 포함하는 예시의 테이퍼형 반사기(210)의 측면도이다. 도 6b는 적어도 하나의 분할된 평면 측면 표면(216)을 포함하는 다른 테이퍼형 반사기(210)의 구현 예의 측면도이다. 특정 예시의 구현 예에서, 하나 이상의 측면 표면(216)은, 테이퍼형 반사기(210)가 제 2 표면(214)에서 제 1 표면에서보다 더 넓은 한, 예컨대 원통형, 포물선, 쌍곡선, 또는 평면 이외의 임의의 다른 형상과 같은 단일의 만곡된 표면에 의해 규정될 수 있다. 일 구현 예에서, 상기 테이퍼형 반사기(210)는 회전 대칭이고, 따라서 단일 측면(216)을 포함한다.
반드시 필요한 것은 아니지만, 테이퍼형 반사기(210)의 측면 표면(216) 상의 임의의 지점에서 TIR 조건이 상기 테이퍼형 반사기의 제 1 표면(212)을 통해 상기 테이퍼형 반사기로 들어가는 광의 임의의 가능한 기원 지점에 대해 관찰될 경우 발광 장치의 성능이 최적화된다. 도 7a는 간단한 수치 모델을 사용하여 계산된 측면 표면(216)에 대한 예시의 복잡한 표면 형상에 대한 z 좌표 대 x 좌표(상대적 단위)의 플롯이다. z-축과 x-축은 각 방향의 정규화된 길이를 나타낸다. OLED(304)에서 기원되고 스페이서 층(202)을 통과하는 광은 [-1, 0]에서 [1, 0]까지 x-방향으로 확장되는 것으로 가정되고, 거기에는 [-1,0] 위치에서 시작되지만 이는 도 7a의 플롯에는 나타내지 않은 또 다른 측면(216)이 존재한다. 측면(216)의 형상은 [-1, 0]에서 기원하는 광선이 항상 표면 법선에 대해 정확히 45°로 표면에 입사되도록 계산되었다. z=0에서 기원되고 -1과 1 사이의 x에서 기원되는 임의의 다른 광선은 [-1, 0]에서 기원하는 광선보다 측면(216)에서 더 높은 입사각을 갖는다.
투명 층(306)으로 직접 빠져 나가는 OLED(304)에 의해 방출된 모든 광선이 도 7b의 개략도에 예시된 바와 같이 탈출 원뿔(219) 내에 있도록 테이퍼형 반사기(210)의 높이(HP)가 되면 발광 장치의 성능이 더욱 향상될 수 있다. 도 7b는 상기 테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214)에 의해 규정된 평면(TP)을 포함한다. 상기 테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214)이 상기 탈출 원뿔(219)의 한계를 규정하는 라인(219L)(즉, 그에 의해 교차하지 않음) 내에 완전히 있을 때 그 조건이 충족된다. 탈출 원뿔 라인(219L)은 제 1 표면(212)의 에지(212E)에서 기원되고 제 2 표면(214)에 대해 임계각(θc)에서 평면(TP)과 교차하며, 여기서 θc의 값은 sin(θc)=na/np로서 테이퍼형 반사기 재료의 굴절 지수 np 및 공기의 굴절 지수 na에 의해 규정된다.
일반적인 경우, 테이퍼형 반사기(210)의 굴절 지수(np) 및 OLED(304)의 기하학적 형태(사이의 간격 및 크기)에 의존하는 테이퍼형 반사기(210)의 최적 높이(HP)가 존재한다. 상기 높이(HP)가 너무 작으면, 상기 테이퍼형 반사기(210)의 측면 표면(216)에 떨어지는 OLED(304)로부터 방출된 모든 광선은 TIR을 겪지만, 일부 광선은 제 2 표면(214)으로 직접 이동하여 임계각보다 큰 각도로 입사하므로 디스플레이에 공기가 있는 첫 번째 경계에서 포획될 것이다. 높이(HP)가 너무 크면, 상기 제 2 표면(214)으로 직접 이동하는 모든 광선은 탈출 원뿔(219) 내에 있을 것이지만, 측면 표면(216)에 떨어지는 일부 광선은 측면 표면에 대한 탈출 원뿔 내에 있을 것이고, 따라서 그 측면 표면을 빠져 나갈 것이다. 특정 예시의 구현 예에서, 테이퍼형 반사기의 HP의 최적 높이(HP)는 일반적으로 (0.5)WB와 2WT 사이, 보다 일반적으로 WB와 WT 사이이다. 또한, 일 구현 예에서, 측벽(216)의 국부적인 경사는 약 2° 내지 50°, 또는 심지어 약 10° 내지 45°일 수 있다. 특정 예시의 구현 예들에서, 서로에 대한 제 1 표면(212)의 폭(WB), 제 2 표면(214)의 폭(WT) 및 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 높이(HP)의 비율은 약 1:2:1.4와 1:2:1.8 사이이다. 예를 들어, 각각의 테이퍼형 반사기(210)는 28×28 ㎛ 제 1 표면(212), 56×56 ㎛ 제 2 표면(214), 및 42 ㎛ 높이를 가질 수 있다.
테이퍼형 반사기 어레이
상기 나타낸 바와 같이, 복수의 테이퍼형 반사기(210)는 테이퍼형 반사기 어레이(208)를 규정한다. 상기 테이퍼형 반사기(210)의 제 1 표면(212)은 OLED(304)의 방출 표면과 중첩되고 그와 광학적으로 결합된다. 상기 테이퍼형 반사기(210)의 제 2 표면(214)이 제 1 표면(212)보다 크기 때문에, 일 예(도 4 참조)에서, 제 2 표면은 투명 층(306)의 제 1 표면(308) 전체를 실질적으로 커버할 수 있는 크기가 되거나 또는 채용된 특정 제조 기술이 허용하는 한 가깝게 크기가 결정된다.
예시의 OLED 디스플레이(300)는 테이퍼형 반사기(210)의 높이(HP)와 동일한 두께를 갖고 고체 재료 층으로 절단된 교차하는 V-홈 공간(220)의 직사각형 격자를 갖는 스페이서 층(202) 바로 위에 있는 고체 재료 층을 갖는 것으로 생각될 수 있다. 그와 같은 구조는 삼각형 단면 릿지(ridge)의 직사각형 격자를 규정하도록 구성된 마스터 복제 도구를 사용하여 적합한 수지 또는 광 경화성 또는 열 경화성 재료의 층에서 미세 복제될 수 있다. 예를 들어, 그와 같은 도구는 테이퍼형 반사기 어레이와 똑같이 보이는 패턴을 먼저 다이아몬드 가공한 다음, 역 패턴을 복제함으로써 마스터를 만들어 제조할 수 있다. 그러한 마스터는 내구성을 위해 금속화될 수 있다.
각 테이퍼형 반사기의 제 2 표면(214)이 제 1 표면(212)의 2배이고, 테이퍼형 반사기의 높이(HP)가 하부 표면의 높이의 1.5 배이고, 측벽이 평평하다면, 측면 표면(216)의 경사각(θ)은 arctan(1/3)=18.4°이다. 테이퍼형 반사기(210) 또는 이러한 경사각을 갖는 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)를 제조하는 것은 다이아몬드 가공 기술의 능력 내에 있다.
V-홈의 하부가 더 둥글다면, 동일한 경사각(θ)에 대해, 테이퍼형 반사기(210)의 높이(HP)는 제 1 표면(212)의 크기(치수)의 1.5배보다 작을 수 있다. OLED 디스플레이(300)의 다른 구성 또는 복제 마스터를 만들기 위한 다른 기술에 대해, 테이퍼형 반사기의 기하학적 형태에 대한 다른 제한이 적용될 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 테이퍼형 반사기(210)의 주기적 어레이(208)를 형성하기 위해, 복제 도구 또는 몰드는 그러한 구조의 네거티브 복제물이며, 이는 절두형 함몰부 또는 "보울(bowl)"의 어레이로 간주될 수 있다. 상기 테이퍼형 반사기 어레이(208)를 형성하기 위해 그와 같은 도구를 사용할 때, 상기 도구가 액체 또는 성형 가능한 복제 재료의 층으로 눌려질 때 보울에 공기를 포획하는 것을 피하는 것이 바람직할 수 있다. 그와 같은 공기 포획을 피하는 한 가지 기술은 복제 도구 또는 몰드를 완전하고 잘리지(절두되지) 않은 피라미드 보울의 어레이로 제조하는 것이다. 이 경우, 테이퍼형 반사기의 높이는 복제 재료 층의 두께에 의해 제어될 수 있다. 상기 도구는 투명 층(306)과 접촉할 때까지 복제 재료에서 눌러진다. 목적에 따라 복제된 각각의 테이퍼형 반사기 위에 공기 포켓이 남게된다. 표면 장력으로 인해 테이퍼형 반사기 상부가 둥글어지지 않도록 주의할 수 있다.
본원에 개선된 발광 장치 및 방법은 광 산란이 아닌 광 반사에 전적으로 의존한다. 따라서, OLED의 반사 캐소드에 의해 반사된 주변 광의 편광은 반사시 변경되지 않으며, 이는 접근 방식이 원형 편광자의 사용과 완벽하게 호환됨을 의미한다. 또한, 반사시에 헤이즈가 없고, 따라서 산란 기술을 사용하여 광 추출을 개선하는 거의 모든 다른 접근 방식의 문제점인 디스플레이 콘트라스트비의 감소가 없다.
수지 테이퍼형 반사기
상기 나타낸 바와 같이, 일 구현 예에서, 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208)는 수지가 몰딩 공정 및 대량-복제 기술과 유사하기 때문에 수지를 사용하여 형성될 수 있다. 수지를 사용하여 그러한 어레이(208)를 형성할 때는, 에지 밀봉을 위해 프릿(frit)에 의해 코팅될 수 있도록 투명 층(306)의 에지에 수지가 없는 것이 바람직하다. 또한, 수지가 터치 센서를 만드는 통상적인 150℃ 처리 온도에서 견딜 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 수지가 동작 온도 범위 내에서, 적어도 OLED 재료에 가장 해로운 타입, 즉 산소 및 물의 가스 방출이 없거나 극히 낮은 것이 바람직하다.
테이퍼형 반사기들 사이의 공간을 위한 재료
상기 나타낸 바와 같이, 테이퍼형 반사기(210)의 어레이(208) 및 스페이서 층(202)은 굴절 지수 nS를 갖는 매질로 채워진 제한된 공간(220)을 규정한다. 특정 예시의 구현 예에서, 상기 제한된 공간(220)은 nS=na=1의 굴절 지수를 갖는 공기로 채워져 있다. 다른 구현 예에서, 공간(220)은 고체 재료로 채워질 수 있다. 일반적으로, 공간(220) 내의 매질은 가능한 한 낮은 굴절 지수를 가져 탈출 원뿔(219)이 가능한 한 크게 유지되는 것이 바람직하다.
가능한 최상의 광 추출 이점을 얻으려면, 충전 재료의 굴절 지수 nS가 1.2 이하인 것이 바람직하다. 그와 같은 낮은 굴절 지수를 가진 재료의 예는 공기 또는 기타 다른 적절한 건조 및 무산소 가스로 채워진 다공성 유기 또는 무기 매트릭스인 에어로겔이 있다. 실리카계 에어로겔은 잔류 물 오염을 흡수하는 추가적인 역할을 수행하여 OLED 재료의 수명을 증가시킬 수 있다. 각각의 테이퍼형 반사기(210)의 바디(215)를 구성하는 재료가 1.7의 굴절 지수 nP를 갖고 에어로겔의 굴절 지수가 1.2이면, 임계각(θc)은 허용 가능한 임계각인 약 45°가 될 것이다.
테이퍼형 반사기 변형
테이퍼형 반사기(210)는 전체 광 추출 효율을 향상시키기 위해 여러 방식으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 일 구현 예에서, 측면 표면(216)은 반사 코팅을 포함할 수 있다. 이러한 구성은 테이퍼형 반사기(210)가 더 이상 TIR을 사용하여 동작하지 않기 때문에 본질적으로 임의의 투명 재료가 공간(220)을 채울 수 있게 한다.
도 8a는 테이퍼형 반사기(210)에 대한 예시의 육각형 형상의 상면도이다. 이러한 예에서, 각각의 테이퍼형 반사기(210)는 육각형 형상의 제 1 표면(212) 및 이 제 1 표면(212)으로부터 육각형 형상의 제 2 표면으로 확장되는 6개의 측면 표면(216)을 포함한다. 도 8a의 점선은 테이퍼형 반사기의 어레이에서 인접한 테이퍼형 반사기(210)들의 측면 표면(216)들을 나타낸다.
도 8b는 테이퍼형 반사기(210)에 대한 예시의 삼각형 형상의 상면도이다. 이러한 예에서, 각각의 테이퍼형 반사기(210)는 삼각형 형상의 제 1 표면(212) 및 이 제 1 표면(212)으로부터 삼각형 형상의 제 2 표면으로 확장되는 3 개의 측면 표면(216)을 포함한다. 도 8b의 점선은 테이퍼형 반사기의 어레이에서 인접한 테이퍼형 반사기(210)들의 측면 표면(216)들을 나타낸다.
OLED 디스플레이를 사용한 전자 장치
본원에 개시된 OLED 디스플레이는, 예를 들어 디스플레이를 이용하는 소비자 또는 상업용 전자 장치를 포함하는 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다. 전자 장치의 예로는 컴퓨터 모니터, 현금 자동 입출금기(ATM), 및 휴대 전화, 개인 미디어 플레이어 및 태블릿/랩톱 컴퓨터를 포함한 휴대용 전자 장치가 있다. 다른 전자 장치에는 자동차 디스플레이, 가전 제품 디스플레이, 기계 디스플레이 등이 포함된다. 다양한 구현 예에서, 상기 전자 장치는 스마트 폰, 태블릿/랩톱 컴퓨터, 개인용 컴퓨터, 컴퓨터 디스플레이, 울트라북, 텔레비전 및 카메라와 같은 소비자 전자 장치를 포함할 수 있다.
도 9a는 본원에 개시된 OLED 디스플레이(300)를 포함하는 일반화된 전자 장치(340)의 개략도이다. 그러한 일반화된 전자 장치(340)는 또한 OLED 디스플레이(300)에 전기적으로 연결된 제어 전자 장치(350)를 포함한다. 상기 제어 전자 장치(350)는 메모리(352), 프로세서(354) 및 칩셋(356)을 포함할 수 있다. 상기 제어 전자 장치(350)는 또한 예시의 편의를 위해 나타내지 않은 다른 알려진 구성 요소를 포함할 수 있다.
도 9b는 랩톱 컴퓨터 형태의 예시적인 전자 장치(340)의 입면도이다. 상기 랩톱 컴퓨터는 본원에 개시된 OLED 디스플레이(300)를 포함한다. 도 9c는 스마트 폰 형태의 예시적인 전자 장치(340)의 정면도이다. 그러한 스마트 폰은 본원에 개시된 OLED 디스플레이(300)를 포함한다.
본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 개시의 구현 예들에 대해 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 개시는 수반된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에 있다면 그와 같은 변형 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 유기 발광 다이오드(OLED)를 위한 광 추출 장치로서, 상기 광 추출 장치는:
    OLED 방출기;
    상기 OLED 방출기와 중첩되는 복수의 테이퍼형 반사기; 및
    스페이서 층을 포함하며,
    각각의 상기 테이퍼형 반사기는 제 1 표면, 상기 제 1 표면에 대향하고 상기 제 1 표면의 표면적보다 큰 표면적을 포함하는 제 2 표면, 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 간 확장하는 적어도 하나의 측면 표면을 포함하고,
    상기 스페이서 층은 상기 OLED 방출기에 결합된 제 1 표면 및 각각의 상기 복수의 테이퍼형 반사기의 제 1 표면에 결합된 제 2 표면을 포함하며,
    상기 OLED로부터 방출된 광은 상기 스페이서 층을 통과하여 상기 복수의 테이퍼형 반사기로 진행하고,
    각각의 상기 복수의 테이퍼형 반사기의 적어도 하나의 측면 표면은 탈출 원뿔(escape cone) 내로 그리고 대응하는 테이퍼형 반사기의 제 2 표면 밖으로 광을 재지향시키는 경사를 포함하며,
    각각의 테이퍼형 반사기의 높이 및 경사가, 각각의 테이퍼형 반사기의 제 2 표면을 통해 직접 빠져나가는 OLED 방출기에 의해 방출된 모든 광선이 탈출 원뿔 내에 있도록 되어 있는, 광 추출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    각각의 복수의 테이퍼형 반사기는 사다리꼴 단면을 포함하는 절두형 피라미드를 포함하는, 광 추출 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    복수의 테이퍼형 반사기는 적어도 2개의 행 및 적어도 2개의 열로 배열된 테이퍼형 반사기의 2차원 어레이를 포함하는, 광 추출 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    스페이서 층의 굴절 지수는 복수의 테이퍼형 반사기의 굴절 지수보다 크거나 같은, 광 추출 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    각각의 복수의 테이퍼형 반사기의 제 2 표면의 표면적은 각각의 복수의 테이퍼형 반사기의 제 1 표면의 표면적보다 적어도 1.5배 더 큰, 광 추출 장치.
  6. 하부-방출 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이로서, 상기 하부-방출 OLED 디스플레이는:
    OLED의 어레이에 결합된 스페이서 층;
    테이퍼형 반사기의 어레이; 및
    기판을 포함하며,
    상기 OLED의 어레이의 각 OLED는 광이 상기 스페이서 층으로 방출되는 하부 표면을 갖고,
    상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 적어도 2개의 테이퍼형 반사기는 상기 OLED의 어레이의 각 OLED와 중첩하고, 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기는 제 1 표면, 상기 제 1 표면에 대향하고 상기 제 1 표면의 표면적보다 큰 표면적을 포함하는 제 2 표면, 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 간 확장하는 적어도 하나의 측면 표면을 포함하고, 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기의 제 1 표면은 상기 스페이서 층에 결합되고 OLED의 어레이와 마주하며,
    상기 기판은 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기의 제 2 표면에 결합되고,
    OLED의 어레이의 각각의 OLED의 하부 표면으로부터 방출된 광은 스페이서 층을 통과하여 테이퍼형 반사기의 어레이로 진행하고,
    테이퍼형 반사기의 어레이의 각각의 테이퍼형 반사기의 적어도 하나의 측면 표면은 탈출 원뿔 내로 그리고 대응하는 테이퍼형 반사기의 제 2 표면 밖으로 광을 재지향시키는 경사를 포함하며,
    각각의 테이퍼형 반사기의 높이 및 경사가, 각각의 테이퍼형 반사기의 제 2 표면을 통해 직접 빠져나가는 OLED 방출기에 의해 방출된 모든 광선이 탈출 원뿔 내에 있도록 되어 있는, 하부-방출 OLED 디스플레이.
  7. 청구항 6에 있어서,
    테이퍼형 반사기의 어레이의 각각의 테이퍼형 반사기는 사다리꼴 단면을 포함하는 절두형 피라미드를 포함하는, 하부-방출 OLED 디스플레이.
  8. 청구항 6에 있어서,
    스페이서 층의 굴절 지수는 테이퍼형 반사기의 어레이의 굴절 지수보다 크거나 같은, 하부-방출 OLED 디스플레이.
  9. 청구항 8에 있어서,
    테이퍼형 반사기의 어레이의 굴절 지수는 기판의 굴절 지수보다 크거나 같은, 하부-방출 OLED 디스플레이.
  10. 상부-방출 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이로서, 상기 상부-방출 OLED 디스플레이는:
    OLED의 어레이를 서포트하는 기판, 여기서 상기 OLED의 어레이의 각 OLED는 광이 방출되는 상부 표면을 가짐;
    상기 OLED의 어레이의 각 OLED의 상부 표면에 결합된 스페이서 층;
    테이퍼형 반사기의 어레이; 및
    상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기의 제 2 표면에 결합된 캡슐화 층을 포함하며,
    상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 적어도 2개의 테이퍼형 반사기는 상기 OLED의 어레이의 각 OLED와 중첩하고, 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기는 제 1 표면, 상기 제 1 표면에 대향하고 상기 제 1 표면의 표면적보다 큰 표면적을 포함하는 제 2 표면, 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면 간 확장하는 적어도 하나의 측면 표면을 포함하고, 상기 테이퍼형 반사기의 어레이의 각 테이퍼형 반사기의 제 1 표면은 상기 스페이서 층에 결합되고 상기 OLED의 어레이와 마주하고,
    OLED의 어레이의 각각의 OLED의 상부 표면으로부터 방출된 광은 스페이서 층을 통과하여 테이퍼형 반사기의 어레이로 진행하고,
    테이퍼형 반사기의 어레이의 각각의 테이퍼형 반사기의 적어도 하나의 측면 표면은 탈출 원뿔 내로 그리고 대응하는 테이퍼형 반사기의 제 2 표면 밖으로 광을 재지향시키는 경사를 포함하며,
    각각의 테이퍼형 반사기의 높이 및 경사가, 각각의 테이퍼형 반사기의 제 2 표면을 통해 직접 빠져나가는 OLED 방출기에 의해 방출된 모든 광선이 탈출 원뿔 내에 있도록 되어 있는, 상부-방출 OLED 디스플레이.
  11. 청구항 10에 있어서,
    테이퍼형 반사기의 어레이의 각각의 테이퍼형 반사기는 사다리꼴 단면을 포함하는 절두형 피라미드의 형태를 포함하는, 상부-방출 OLED 디스플레이.
  12. 청구항 10에 있어서,
    스페이서 층의 굴절 지수는 테이퍼형 반사기의 어레이의 굴절 지수보다 크거나 같은, 상부-방출 OLED 디스플레이.
  13. 청구항 12에 있어서,
    테이퍼형 반사기의 어레이의 굴절 지수는 캡슐화 층의 굴절 지수보다 크거나 같은, 상부-방출 OLED 디스플레이.
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