KR102664401B1 - 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 발광 소자는, 위상 변조 표면을 포함하는 금속 반사층, 금속 반사층의 위상 변조 표면에 마련되는 색변환층, 색변환층에 마련되는 제1 전극, 제1 전극에 마련되는 정공 주입 및 수송층, 정공 주입 및 수송층에 마련되는 청색 유기 발광층, 청색 유기 발광층에 마련되는 전자 주입 및 수송층 및 전자 주입 및 수송층에 마련되는 제2 전극을 포함한다. 금속 반사층의 위상 변조 표면은 입사광에 대해 마그네틱 공진을 발생시키며, 색변환층은 광발광 물질을 포함한다.

Description

발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치{Light emitting device and display apparatus including the light emitting device}
발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
유기 전계 발광 소자(organic light emitting device; OLED)는, 양극(anode)으로부터 공급되는 정공(hole)과 음극(cathode)으로부터 공급되는 전자(electron)가 유기 발광층 내에서 결합하여 소정 색상의 빛을 방출하는 소자이다. 이러한 유기 전계 발광소자를 이용한 디스플레이 장치는 넓은 시야각, 빠른 응답속도, 얇은 두께, 낮은 제조 비용 및 높은 콘트라스트(contrast) 등과 같은 우수한 디스플레이 특성을 나타낼 수 있다. 최근에는 마이크로 캐비티 효과를 이용하여 원하는 색상의 빛을 방출하는 유기 전계 발광 소자 및 디스플레이 장치가 개발되고 있다.
예시적인 실시예는 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
일 측면에 있어서,
입사광에 대해 마그네틱 공진을 발생시키는 위상 변조 표면(phase moudulaion surface)을 포함하는 제1 금속 반사층;
상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면에 마련되며, 광발광 물질(photoluminescent material)을 포함하는 색변환층(color conversion layer);
상기 색변환층에 마련되는 제1 전극;
상기 제1 전극에 마련되는 정공 주입 및 수송층(hole injection and transport layer);
상기 정공 주입 및 수송층에 마련되는 청색 유기 발광층;
상기 청색 유기 발광층에 마련되는 전자 주입 및 수송층(electron injection and transport layer); 및
상기 전자 주입 및 수송층에 마련되는 제2 전극;을 포함하는 발광 소자가 제공된다.
상기 제1 금속 반사층과 상기 제2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티(microcavity)를 구성할 수 있다.
상기 제1 금속 반사층은 Ag, Al 및 Au 중 적어도 하나의 금속 물질을 포함할수 있다.
상기 위상 변조 표면은 나노 패턴들이 주기적으로 배치되는 메타 구조(meta structure)를 가질 수 있다.
상기 나노 패턴들 각각은 예를 들면, 원기둥(cylinder) 또는 다각 기둥(polyprism)의 형상을 가질 수 있다.
상기 나노 패턴들 각각의 크기는 대략 50nm ~ 300nm가 될 수 있다.
상기 나노 패턴들의 피치(pitch)는 대략 100nm ~ 400nm가 될 수 있다.
상기 나노 패턴들은 사각형 어레이 형태 또는 정삼각형 어레이 형태로 배열될 수 있다.
상기 색변환층은 상기 광발광 물질이 분산된 유전체를 포함할 수 있다.
상기 광발광 물질은 예를 들면, 양자점(Quantum Dots), 유기 형광 염료(organic fluorescent dye), 유기 형광 반도체(organic fluorescent semiconductor) 및 유기 인광 반도체(organic phosphorescent semiconductor) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 색변환층은 상기 광발광 물질을 포함하는 유기 바인더를 더 포함할 수있다.
상기 광발광 물질은 청색광을 녹색광으로 변환시키는 녹색 발광 물질 또는 청색광을 적색광으로 변환시키는 적색 발광 물질을 포함할 수 있다.
상기 색변환층은 상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련될 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제1 금속 반사층과 상기 색변환층 사이에 상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련되는 투명한 평탄화층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 투명 전극이고, 상기 제2 전극은 빛의 일부를 투과시키고 다른 일부를 반사시키는 반투과 전극이 될 수 있다.
상기 제1 전극은 투명 전극이고, 상기 제2 전극은 반사 전극이며,
상기 제1 금속 반사층은 빛의 일부를 투과시키고 다른 일부를 반사시키는 반투과성을 가질 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제2 전극에 마련되며 상기 위상 변조 표면을 포함하는 제2 금속 반사층; 및 상기 제2 전극과 상기 제2 금속 반사층 사이에 상기 제2 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련되는 평탄화층;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 반사층과 상기 제2 금속 반사층은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 투명 전극이고, 상기 제1 및 제2 금속 반사층 중 하나는 빛을 반사시키는 반사성을 가지며, 다른 하나는 빛의 일부를 투과시키고 다른 일부를 반사시키는 반투과성을 가질 수 있다.
다른 측면에 있어서,
서로 다른 색상의 빛을 방출하는 복수의 픽셀을 포함하고,
상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나는,
입사광에 대해 마그네틱 공진을 발생시키는 위상 변조 표면을 포함하는 제1 금속 반사층;
상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면에 마련되며, 광발광 물질을 포함하는 색변환층;
상기 색변환층에 마련되는 제1 전극;
상기 제1 전극에 마련되는 정공 주입 및 수송층;
상기 정공 주입 및 수송층에 마련되는 청색 유기 발광층;
상기 청색 유기 발광층에 마련되는 전자 주입 및 수송층; 및
상기 전자 주입 및 수송층에 마련되는 제2 전극;을 포함하는 디스플레이 장치가 제공된다.
상기 위상 변조 표면은 나노 패턴들이 주기적으로 배치되는 메타 구조를 가질 수 있다.
상기 색변환층은 상기 광발광 물질이 분산된 유전체를 포함할 수 있다.
상기 색변환층은 상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련될 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제1 금속 반사층과 상기 색변환층 사이에 상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련되는 투명한 평탄화층을 더 포함할 수 있다.
상기 발광 소자는, 상기 제2 전극에 마련되며 상기 위상 변조 표면을 포함하는 제2 금속 반사층; 및 상기 제2 전극과 상기 제2 금속 반사층 사이에 상기 제2 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련되는 평탄화층;을 더 포함할 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 청색, 녹색 및 적색 픽셀을 포함할 수 있다.
상기 녹색 픽셀의 광발광 물질은 청색광을 녹색광으로 변환시키는 녹색 발광 물질을 포함하고, 상기 적색 픽셀의 광발광 물질은 청색광을 적색광으로 변환시키는 적색 발광 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 금속 반사층의 위상 변조 표면 위에 광발광 물질을 마련함으로써 청색 유기 발광층에서 발생된 청색광을 원하는 파장의 빛으로 변환하여 출광시킬 수 있으므로 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속 반사층의 위상 변조 표면을 메타 구조로 형성하고, 이 메타 구조 위에 광발광 물질을 위치시킴으로써 발광 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 금속 반사층의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 금속 반사층의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 발광 소자에 적용될 수 있는 금속 반사층의 변형예이다.
도 5는 도 1에 도시된 발광 소자에 적용될 수 있는 금속 반사층의 다른 변형예이다.
도 6은 도 1에 도시된 발광 소자에 적용될 수 있는 금속 반사층의 또 다른 변형예이다.
도 7은 도 1에 도시된 발광 소자에 적용될 수 있는 금속 반사층의 또 다른 변형예이다.
도 8a는 금속 반사층의 실험 모델을 도시한 것이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 금속 반사층의 반사도를 도시한 그래프이다.
도 9a는 금속 반사층의 다른 실험 모델을 도시한 것이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 금속 반사층의 상면을 덮도록 색변환층을 형성한 모습을 도시한 것이다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다.
도 12는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
이하의 실시예들에 설명하는 발광 소자는 소정 파장의 빛을 외부로 발광하는 유기 전계 발광 소자(OLED; organic light emitting device)가 될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 발광 소자(100)를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 발광 소자(100)는 위상 변조 표면(phase moudulaion surface)을 포함하는 금속 반사층(110)과, 금속 반사층(110)의 위상 변조 표면에 마련되며 광발광 물질(122)을 포함하는 색변환층(color conversion layer,120)과, 색변환층(120)에 마련되는 제1 전극(131)과, 제1 전극(131)에 마련되는 정공 주입 및 수송층(hole injection and transport layer)과, 정공 주입 및 수송층에 마련되는 청색 유기 발광층(140)과, 청색 유기 발광층(140)에 마련되는 전자 주입 및 수송층(electron injection and transport layer)과, 전자 주입 및 수송층에 마련되는 제2 전극(132)을 포함한다.
제1 전극(131)은 청색 유기 발광층(140)에 정공(hole)을 제공하는 양극(anode)의 역할을 할 수 있으며, 제2 전극(132)은 청색 유기 발광층(140)에 전자(electron)를 제공하는 음극(cathode)의 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 제 1 전극(131)은 상대적으로 높은 일함수(work function)를 갖는 재료로 이루어지고 제 2 전극(132)은 상대적으로 낮은 일함수를 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
제1 전극(131)은 빛을 투과시키는 투명 전극이 될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(12)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)을 포함할 수 있다.
제2 전극(132)은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 반투과 전극이 될 수 있다. 제2 전극(132)은 얇은 두께의 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(132)은 은(Ag)과 마그네슘(Mg)의 혼합층 또는 알루미늄(Al)과 리튬(Li)의 혼합층일 수 있으며, 제 2 전극(132)의 두께는 약 10 nm 내지 20 nm일 수 있다. 제2 전극(132)의 두께가 얇기 때문에 빛의 일부가 제2 전극(132)을 통과할 수 있다.
제1 전극(131) 및 제2 전극(132) 사이에는 청색광(B)를 발생시키는 청색 유기 발광층(140)이 마련되어 있다. 제1 전극(131)과 청색 유기 발광층(140) 사이에는 정공 주입 및 수송층(hole injection and transport layer, 151)이 마련될 수 있다. 그리고, 제2 전극(132)과 청색 유기 발광층(140) 사이에는 전자 주입 및 수송층(electron injection and transport layer, 152)이 마련될 수 있다.
발광 소자(100)에는 필요에 따라 다양한 추가적인 층들을 더 마련될 수도 있다. 예를 들어, 정공 주입 및 수송층(151)과 청색 유기 발광층(140) 사이에는 전자 저지층(electron blocking layer)이 더 마련될 수 있고, 전자 주입 및 수송층(152)과 청색 유기 발광층(140) 사이에는 정공 저지층(hole blocking layer)이 더 마련될 수 있다.
이러한 구조에서, 제1 전극(131)으로부터 정공 주입 및 수송층(151)을 통해 제공된 정공과 제2 전극(132)으로부터 전자 주입 및 수숭층(152)을 통해 제공된 전자가 청색 유기 발광층(140)에서 결합하여 청색광(B)이 발생하게 된다.
금속 반사층(110)은 제2 전극(132)과 함께 마이크로 캐비티(L)를 구성하는 역할을 한다. 따라서, 금속 반사층(110)과 제2 전극(132) 사이에 마이크로 캐비티(L)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 청색 유기 발광층(140)에서 발생한 빛은 금속 반사층(110)과 제2 전극(132) 사이를 왕복하며 공진한 후에 마이크로 캐비티(L)의 공진 파장에 해당하는 빛이 제2 전극(132)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
마이크로 캐비티(L)의 공진 파장은 마이크로 캐비티(L)의 광학적 길이(optical length)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 캐비티(L)의 공진 파장을 λ라고 할 때, 마이크로 캐비티(L)의 광학적 길이는 nλ/2 (n은 자연수)일 수 있다. 이러한 마이크로 캐비티(L)의 광학적 길이는 금속 반사층(110)과 제2 전극(132) 사이의 마이크로 캐비티(L)를 형성하는 층들의 광학적 두께, 제2 전극(132)에 의한 위상 지연, 및 금속 반사층(110)에 의한 위상 변이(예컨대, 위상 지연)의 합으로 결정될 수 있다. 여기서, 마이크로 캐비티(L)를 형성하는 층들의 광학적 두께는 단순한 물리적인 두께가 아니라 층들을 이루는 굴절률을 고려한 두께를 의미한다.
본 실시예에 따르면, 마이크로 캐비티(L)를 형성하는 층들의 광학적 두께 및 제2 전극(132)에 의한 위상 지연을 고정하여 두고, 금속 반사층(110)에 의한 위상 변이만을 조절함으로써 마이크로 캐비티(L)의 광학적 길이 또는 마이크로 캐비티(L)의 공진 파장을 조절할 수 있다.
금속 반사층(110)에 의한 위상 변이를 조절하기 위하여, 금속 반사층(110)의 반사면에는 위상 변조 표면이 형성되어 있다. 이러한 위상 변조 표면은 나노 크기를 가지는 나노 패턴들(112)이 주기적으로 배치되는 메타 구조(meta structure)를 가질 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 금속 반사층의 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 금속 반사층의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 금속 반사층(110)은 베이스부(111)와 이 베이스부(111)의 상면에 형성되는 위상 변조 표면을 포함한다. 위상 변조 표면은 베이스부(111)의 상면에 주기적으로 마련되는 나노 패턴들(112)을 포함한다. 여기서, 나노 패턴들(112) 각각은 베이스부(111)의 상면으로부터 돌출된 기둥(post) 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 나노 패턴들(112) 각각은 원통 형태를 가질 수 있다. 이러한 베이스부(111) 및 나노 패턴들(112)은 일체형으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 베이스부(111) 및 나노 패턴들(112)은 Ag, Al 및 Au 중 적어도 하나의 금속 물질을 포함할 수 있다. 하지만 이는 이에 한정되지는 않는다.
위상 변조 표면의 광학적 특성(예를 들어, 반사광의 위상 지연)은 나노 패턴들(112)의 각각의 크기(구체적으로, 직경(w)) 및 높이(h)와, 나노 패턴들(112)의 피치(p)에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 마이크로 캐비티(L)의 공진 파장은 위상 변조 표면의 나노 패턴들(112) 각각의 직경(w) 및 높이(h)와, 나노 패턴들(112)의 피치(p)에 의해 결정될 수 있다. 다시 말해, 마이크로 캐비티(L)의 공진 파장을 λ라고 할 때, 마이크로 캐비티(L)의 광학적 길이가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 위상 변조 표면의 나노 패턴들(112) 각각의 직경(w) 및 높이(h)와, 나노 패턴들(112)의 피치(p)가 선택될 수 있다.
발광 소자(100)의 마이크로 캐비티(L)는 대략 430nm ~ 650nm의 공진 파장을 가질 수 있다. 이 경우, 위상 변조 표면의 나노 패턴들(112) 각각의 직경(w)은 약 50 nm 내지 300 nm가 될 수 있으며, 나노 패턴들(112) 각각의 높이(h)는 약 0 nm 내지 150 nm가 될 수 있다. 또한, 나노 패턴들(112)의 피치(p)는 약 100 nm 내지 400 nm가 될 수 있다. 하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 도 1에는 마이크로 캐비티(L)가 녹색광(G)의 파장을 공진 파장으로 가지도록 조절됨으로써 발광 소자(100)로부터 녹색광(G)이 방출되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다.
위상 변조 표면의 나노 패턴들(112)의 크기가 공진 파장보다 작으면, 입사광이 나노 패턴들(112)의 주변부에서 공진하면서 다수의 나노 광 공진 구조가 형성된다. 특히, 입사광 중에서 전기장 성분은 나노 패턴들(112) 사이의 공간으로 침투하지 못하고 자기장 성분만이 나노 패턴들(112)의 주변부에서 공진하게 된다. 따라서, 나노 패턴(112)들 사이의 공간 내에 형성되는 다수의 나노 광 공진 구조는 입사광에 대해 마그네틱 공진을 발생시키는 마그네틱 공진기가 될 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에는 나노 패턴들(112) 각각이 원기둥 형태를 가지는 경우가 예시적으로 도시되었으나, 이외에도 나노 패턴들(112) 각각은 예를 들면 타원 기둥 형태를 가질 수도 있다.
도 4는 도 1에 도시된 발광 소자에 적용될 수 있는 금속 반사층의 변형예를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 금속 반사층(110')은 베이스부(111')와 이 베이스부(111')의 상면에 형성되는 위상 변조 표면을 포함한다. 위상 변조 표면은 베이스부(111')의 상면에 주기적으로 마련되는 나노 패턴들(112')을 포함한다. 여기서, 나노 패턴들(112') 각각은 베이스부(111')의 상면으로부터 돌출된 사각 기둥 형태를 가질 수 있다.
도 4에서 위상 변조 표면의 광학적 특성(예를 들어, 반사광의 위상 지연)은 나노 패턴들(112')의 각각의 크기(구체적으로, 폭) 및 높이와, 나노 패턴들(112')의 피치에 의해 결정될 수 있다. 한편, 도 4에는 나노 패턴들(112') 각각이 사각기둥 형태를 가지는 경우가 예시적으로 도시되었으나, 이외에도 나노 패턴들(112') 각각은 삼각 기둥, 오각 기둥 등과 같은 다양한 다각 기둥(polyprism) 형태를 가질 수도 있다.
한편, 이상에서 설명된 나노 패턴들(112, 112')은 규칙적인 다양한 어레이 형태로 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 나노 패턴들(112, 112')은 사각형 어레이 형태로 배열될 수도 있고, 이외에도 나노 패턴들(112, 112')은 예를 들어 정삼각형 형태로 배열될 수도 있다.
도 5는 도 1에 도시된 발광 소자에 적용될 수 있는 금속 반사층의 다른 변형예를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 금속 반사층(110")은 베이스부(111")와 이 베이스부(111")의 상면에 형성되는 위상 변조 표면을 포함한다. 위상 변조 표면은 베이스부(111")의 상면에 주기적으로 마련되는 나노 패턴들(112")을 포함한다. 여기서, 나노 패턴들(112") 각각은 베이스부(111")의 상면으로부터 소정 깊이로 형성된 소정 형태의 홈을 가질 수 있다. 도 5에는 홈들 각각이 원통 형상을 가지는 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이외에도 홈들 각각은 다른 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 5에서 위상 변조 표면의 광학적 특성(예를 들어, 반사광의 위상 지연)은 나노 패턴들(112")의 각각의 직경 및 깊이와, 나노 패턴들(112")의 피치에 의해 결정될 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 발광 소자에 적용될 수 있는 금속 반사층의 또 다른 변형예를 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 금속 반사층(210)은 베이스부(211)와 이 베이스부(211)의 상면에 형성되는 위상 변조 표면을 포함한다. 위상 변조 표면은 베이스부(211)의 상면으로부터 돌출되도록 마련된 나노 패턴들(212)을 포함한다. 여기서, 나노 패턴들(212)은 전술한 바와 달리 베이스부(211)와 별도로 마련될 수 있다. 베이스부(211)는 다양한 재질을 포함할 수 있으며, 나노 패턴들(212)은 예를 들면, Ag, Al 및 Au 중 적어도 하나의 금속 물질을 포함할 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 발광 소자에 적용될 수 있는 금속 반사층의 또 다른 변형예를 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 금속 반사층(310)은 베이스부(311)와 이 베이스부(311)의 상면에 형성되는 위상 변조 표면을 포함한다. 위상 변조 표면은 베이스부(311)의 상면에 마련되는 나노 패턴들을 포함한다. 여기서, 나노 패턴들은 베이스부(311)의 상면으로부터 돌출되게 마련되는 나노 구조물들(312)과 이 나노 구조물들(312)의 표면에 코팅되는 금속 코팅층(313)을 포함할 수 있다. 나노 구조물들(312)은 베이스부(311)와 일체로 형성되거나 또는 별도로 마련될 수 있다. 베이스부(311) 및 나노 구조물들(312)은 다양한 재질을 포함할 수 있으며, 금속 코팅층(313)은 예를 들면, Ag, Al 및 Au 중 적어도 하나의 금속 물질을 포함할 수 있다.
도 8a는 금속 반사층의 실험 모델을 도시한 것이다. 도 8a에는 베이스부(411)의 상면에 원기둥 형상의 나노 패턴들(412)이 배치된 Ag 금속 반사층이 도시되어 있다. 여기서, 베이스부(411)의 상면은 300×300 ㎛2의 면적을 가지고 있고, 나노 패턴들(412) 각각은 100nm의 직경 및 100nm의 높이를 가지고 있으며, 나노 패턴들(412)이 225nm의 피치를 가지고 주기적으로 배치되어 있다.
도 8a에 도시된 Ag 금속 반사층(410)은 예를 들면 다음과 같은 나노 전사 프린팅 공정을 이용하여 제작될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 방법일 뿐이며, 이외의 다른 방법에 의해서도 얼마든지 제작 가능하다.
먼저, 300×300 ㎛2의 면적을 가지는 실리콘 웨이퍼의 상면에 전자빔 레지스트(e-beam resist)를 도포하고 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정을 이용하여 전자빔 레지스트에 나노 홀 패턴들을 형성한다. 여기서, 나노 홀 패턴들 각각은 100nm의 직경을 가지고 있으며, 이러한 나노 홀 패턴들은 225nm의 피치를 가지고 주기적으로 형성되어 있다.
다음으로, 패터닝된 전자빔 레지스트에 형성된 나노 홀 패턴들을 이용하여 실리콘 웨이퍼를 100nm의 깊이로 식각한다. 여기서, 실리콘 웨이퍼는 예를 들면 SF6 가스 분위기 하에서 반응성 이온 식각(RIE; Reactive Ion Etching) 공정을 이용하여 대략 10~20초 정도로 식각될 수 있다. 이후, 실리콘 웨이퍼의 상면을 덮고 있는 전자빔 레지스트를 제거함으로써 나노 홀 패턴들을 가지는 실리콘 마스터를 완성한다.
이어서, 실리콘 마스터 위에 UV 경화형 레진(UV curable resin)을 도포한 다음, 그 위에 PET(polyethylene terephthalate) 필름을 덮는다. 그리고, UV 램프를 이용하여 노광 공정을 수행하게 되면 중합 반응(polymerizartion)이 완성되고, PET 필름을 떼어내게 되면 고분자 박막에 실리콘 마스터에 형성된 나노 홀 패턴들의 역상 패턴들(reverse patterns)이 전사된다.
다음으로, 역상 패턴들이 형성된 고분자 박막 위에 UV 경화형 레진을 도포하고, 그 위에 PET 필름을 덮음 다음, UV 노광 공정을 수행하게 되면 실리콘 마스터와 동일한 나노 홀 패턴들이 형성된 고분자 몰드가 형성된다. 그리고, 나노 홀 패턴들이 형성된 고분자 몰드를 진공 증착기에 넣고 열증착 방식을 이용하여 고분자 몰드 상에 Ag 박막을 증착한 다음, 고분자 몰드로부터 Ag 박막을 분리하게 되면 도 8a에 도시된 바와 같이 베이스부(411)의 상면으로부터 돌출된 원기둥 형태의 나노 패턴들(412)을 포함하는 금속 반사층(410)이 완성될 수 있다.
도 8b는 도 8a에 도시된 Ag 금속 반사층의 반사도를 도시한 그래프이다. 도 8b를 참조하면, 녹색광의 파장인 대략 500nm에서 공진 효과가 크게 나타나고, 적색광의 파장인 600nm 및 청색광의 파장인 450nm에서 높은 반사도를 가지는 메타 미러의 특징을 나타내고 있음을 알 수 있다. 여기서, 나노 패턴들의 형태, 크기, 높이 및 피치를 변경함으로써 광 공진의 세기나 공진 파장을 제어할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 금속 반사층(110)의 위상 변조 표면과 제1 전극(131) 사이에는 색변환층(120)이 마련되어 있다. 여기서, 색변환층(120)은 유전체(121)와 이 유전체(121) 내에 분산된 광발광 물질(photoluminescent material, 122)을 포함할 수 있다.
유전체(121)는 발광 소자(100)의 균일한 전류 밀도를 위해서 메타 구조를 가지는 위상 변조 표면의 상부를 평탄화시키는 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 유전체(121)는 금속 반사층(110)의 위상 변조 표면을 덮어서 그 상면이 평탄해지도록 마련될 수 있다. 이러한 유전체(121)는 가시광에 대해 투명한 절연성 물질을 포함할 수 있다. 유전체(121)는 예를 들면, SiO2, SiNx, Al2O3, HfO2 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 유전체(121)는 아크릴 계통이나 우레탄 계통의 고분자 물질을 포함할 수도 있다.
광발광 물질(122)은 입사광, 즉 청색 유기 발광층(140)으로부터 발생된 청색광(B)을 소정 파장의 빛으로 변환시키는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 광발광 물질(122)은 높은 에너지를 가지는 광을 낮은 에너지를 가지는 광으로 변환시킬 수 있다. 예를 들면, 청색광(B)을 녹색광(G)으로 변환시키거나 또는 청색광(B)을 적색광(R)으로 변환시킬 수 있다. 도 1에는 광발광 물질(122)로 청색광(B)을 녹색광(G)으로 변환시키는 녹색 발광물질이 사용된 경우가 도시되어 있다.
광발광 물질(122)은 예를 들면, 양자점(Quantum Dots), 유기 형광 염료(organic fluorescent dye), 유기 형광 반도체(organic fluorescent semiconductor) 및 유기 인광 반도체(organic phosphorescent semiconductor) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 양자점은 예를 들면, Ⅱ-Ⅵ 족 반도체 물질 또는 Ⅲ-Ⅴ 반도체 물질을 포함할 수 있다.
색변환층(120)은 광발광 물질(122)을 포함하는 유기 바인더를 이용하여 형성될 수도 있다. 이 경우, 광발광 물질(122)을 포함하는 유기 바인더는 예를 들면 유기 용매에 고분자 물질을 광발광 물질(122)과 함께 용해시키거나 또는 열 가교성 레진(heat crosslinkable resin)이나 UV 가교성 레진을 광발광 물질(122)과 혼합함으로써 제작될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다.
기존에는 청색광을 발광하는 유기 전계 발광소자를 이용하여 녹색광을 발광시키기 위해서 유기 전계 발광소자의 발광면에 청색광을 녹색광으로 변화시키는 광발광 물질을 포함하는 색변환 필름을 부착시키는 방법이 사용되었다. 그러나, 이 경우에는 청색광이 녹색광으로 완전히 변환되지 않으면 발광 효율이 저하될 수 있으며, 색순도가 떨어지는 문제가 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 색변환 필름에 컬러 필터를 추가로 마련하는 방법이 사용되기도 한다.
본 실시예에 따른 발광 소자(100)에서는 도 1에 도시된 바와 같이 마이크로 캐비티(L)가 녹색광(G)의 파장을 공진 파장으로 가지며, 광발광 물질(122)로 녹색 발광물질이 사용된 경우에는 청색 유기 발광층(140)에서 발생된 청색광(B)이 광발광 물질(122)에 의해 녹색광(G)으로 변환된 다음 금속 반사층(110)과 제2 전극(132) 사이를 왕복하며 공진한 후에 제2 전극(132)을 통하여 외부로 출광될 수 있으며, 이에 따라 녹색광(G)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
청색 유기 발광층(140)에서 발생된 청색광(B)이 위상 변조 표면의 메타 구조에서 표면 플라즈몬(surface Plasmon)으로 변환되면 이 표면 플라즈몬은 색변환층(120) 내에 마련된 광발광 물질(122)(즉, 녹색 발광물질)에 의해 녹색광(G)으로 변환되는 효율이 크게 증가할 수 있다. 표면 플라즈몬은 메타 구조를 가지는 금속 표면의 작은 부피에 광에너지가 집중됨으로써 광세기가 매우 높아지는 특징이 있으므로 광변환 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 메타 구조 주위에는 전기장의 세기가 강해지고 이러한 강한 전기장의 내부에 광발광 물질(122)이 위치하게 되면 Purcell effect에 의해 광변환 효율이 보다 향상될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 발광 소자(100)에서는 메타 구조를 가지는 위상 변조 표면 위에 광발광 물질(122)을 포함하는 색변환층(120)이 마련됨으로써 발광 효율이 크게 향상될 수 있다.
도 9a는 금속 반사층의 다른 실험 모델을 도시한 것이다. 도 9a에는 베이스부(511)의 상면에 나노 패턴들(512)이 마련되어 있는 Ag 금속 반사층(510)이 도시되어 있다. 여기서, Ag 금속 반사층(510)은 원기둥 형상의 나노 패턴들(512)이 배치되어 있는 중심부와 나노 패턴들(512) 주위의 평탄한 외곽부로 구성되어 있다. 나노 패턴들(512)이 마련된 중심부는 300×300 ㎛2의 면적을 가지고 있고, 나노 패턴들(512) 각각은 100nm의 직경 및 100nm의 높이를 가지고 있으며, 나노 패턴들(512)이 225nm의 피치를 가지고 주기적으로 배치되어 있다.
도 9b는 도 9a에 도시된 금속 반사층의 상면을 덮도록 색변환층을 형성한 모습을 도시한 것이다. 도 9b에 도시된 색변환층(520)은 유기 용매인 chlorobenzene에 유전체인 PMMA(polymethyl methacrylate, 521)와 유기 형광 염료인 rhodamine 6G(522)를 용해시킨 용액을 금속 반사층(510)의 상면에 스핀 코팅(spin coating)함으로써 형성되었다.
도 9b에 도시된 구조의 발광 특성을 Dark Field 이미지로 측정한 결과, 나노 패턴들(512)이 형성된 메타 구조 영역(A)에서는 강한 발광이 관찰된 반면에 나노 패턴들(512)이 형성되지 않은 평탄한 영역(B)에는 매우 약한 발광이 관찰되었다. 따라서, 광발광 물질이 평탄한 금속 표면 보다는 메타 구조의 금속 표면 위에 마련하는 것이 발광 특성을 보다 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다. 도 10에 도시된 발광 소자(600)는 적색광(R)을 출광하는 점을 제외하면 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 동일하다. 이하에서는 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 10을 참조하면, 금속 반사층(610)은 제2 전극(132)과 함께 마이크로 캐비티(L)를 구성할 수 있으며, 이 금속 반사층(610)의 반사면에는 위상 변이를 조절하기 위한 위상 변조 표면이 형성되어 있다. 이 위상 변조 표면은 베이스부(611)의 상면에 나노 패턴들(612)이 주기적으로 배치되는 메타 구조를 가질 수 있다. 본 실시예에서, 마이크로 캐비티(L)는 적색광(R)의 파장을 공진 파장으로 가지도록 조절될 수 있다. 한편, 도 10에 도시된 금속 반사층(610)은 전술한 도 2 내지 도 7에 도시된 금속 반사층을 포함할 수 있다.
금속 반사층(610)의 위상 변조 표면에는 색변환층(120)이 마련되어 있다. 색변환층(120)은 유전체(121)와 이 유전체(121) 내에 분산된 광발광 물질(122)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 광발광 물질(122)로는 청색 유기 발광층(140)에서 발생된 청색광(B)을 적색광(R)으로 변환시키는 적색 발광물질이 사용될 수 있다.
도 10에 도시된 발광 소자(600)에서, 청색 유기 발광층(140)에서 발생된 청색광(B)은 광발광 물질(122)에 의해 적색광(R)으로 변환된 다음 금속 반사층(610)과 제2 전극(132) 사이를 왕복하며 공진한 후에 제2 전극(132)을 통하여 외부로 출광될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 10에 도시된 발광 소자(600)에서도 금속 반사층(610)의 위상 변조 표면 위에 광발광 물질(122)을 마련함으로써 입사광인 청색광(B)을 원하는 파장의 빛으로 변환하여 출광시킬 수 있으므로 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속 반사층(610)의 위상 변조 표면을 메타 구조로 형성하고, 이 메타 구조 위에 광발광 물질(122)을 위치시킴으로써 발광 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다. 도 11에 도시된 발광 소자(700)는 금속 반사층(610)과 색변환층(720) 사이에 투명한 평탄화층(760)이 마련된 점을 제외하면 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 동일하다. 이하에서는 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 11을 참조하면, 금속 반사층(610)의 위상 변조 표면에는 투명한 평탄화층(760)이 마련되어 있으며, 이 평탄화층(760)에는 색변환층(720)이 마련되어 있다. 금속 반사층(610)의 위상 변조 표면은 베이스부(611)의 상면에 나노 패턴들(612)이 주기적으로 배치되는 메타 구조를 가질 수 있다.
평탄화층(760)은 균일한 전류 밀도를 위해서 메타 구조를 가지는 위상 변조 표면의 상부를 평탄화시키는 역할을 할 수 있다. 이를 위해 평탄화층(760)은 금속 반사층(610)의 위상 변조 표면을 덮어서 그 상면이 평탄해지도록 마련될 수 있다. 평탄화층(760)은 가시광에 대해 투명한 절연성 물질을 포함할 수 있다. 평탄화층(760)은 예를 들면, SiO2, SiNx, Al2O3, HfO2 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
평탄화층(760)의 상면에는 색변환층(720)이 마련되어 있다. 색변환층(720)은 유전체(721)와 이 유전체(721) 내에 분산된 광발광 물질(722)을 포함할 수 있다. 유전체(721)는 가시광에 대해 투명한 절연성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 유전체(721)는 평탄화층(760)과 동일한 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광발광 물질(722)은 입사광, 즉 청색광(B)을 소정 파장의 빛으로 변환시킬수 있다. 구체적으로, 광발광 물질(722)은 높은 에너지를 가지는 광을 낮은 에너지를 가지는 광으로 변환시킬 수 있다. 광발광 물질(722)은 예를 들면, 녹색 발광물질 또는 적색 발광물질을 포함할 수 있다. 이러한 광발광 물질(722)은 예를 들면, 양자점, 유기 형광 염료, 유기 형광 반도체 및 유기 인광 반도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 색변환층(720)은 광발광 물질(722)을 포함하는 유기 바인더를 이용하여 형성될 수도 있다.
도 12은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다. 도 12에 도시된 발광 소자(800)는 금속 반사층(810)이 반투과성을 가지고 제2 전극(832)이 반사 전극이라는 점을 제외하면 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 동일하다. 이하에서는 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 12를 참조하면, 청색 유기 발광층(140)의 하부에 마련되는 제1 전극(131)은 투명 전극이 될 수 있으며, 청색 유기 발광층(140)의 상부에 마련되는 제2 전극(732)은 입사광을 반사시키는 반사 전극이 될 수 있다. 그리고, 제1 전극(131)의 하부에 마련되는 금속 반사층(810)은 빛의 일부는 투과시키고 다른 일부는 반사시키는 반투과성을 가질 수 있다.
금속 반사층(810)은 제2 전극(832)과 함께 마이크로 캐비티(L)를 구성할 수 있으며, 이 금속 반사층(810)의 반사면에는 위상 변이를 조절하기 위한 위상 변조 표면이 형성되어 있다. 여기서, 금속 반사층(810)의 위상 변조 표면은 베이스부(811)의 상면에 나노 패턴들(812)이 주기적으로 배치되는 메타 구조를 가질 수 있다. 도 12에는 마이크로 캐비티(L)가 녹색광(G)의 파장을 공진 파장으로 가지도록 조절된 경우가 예시적으로 도시되어 있다.
금속 반사층(810)의 위상 변조 표면과 제1 전극(131) 사이에는 색변환층(120)이 마련되어 있다. 여기서, 색변환층(120)은 유전체(121)와 이 유전체(121) 내에 분산된 광발광 물질을 포함할 수 있다. 도 12에는 광발광 물질(122)로 청색광(B)을 녹색광(G)으로 변환시키는 녹색 발광물질이 사용된 경우가 예시적으로 도시되어 있다.
도 12에 도시된 발광 소자(800)에서, 청색 유기 발광층(140)에서 발생된 청색광(B)은 광발광 물질(122)에 의해 녹색광(G)으로 변환된 다음 금속 반사층(810)과 제2 전극(832) 사이를 왕복하며 공진한 후에 금속 반사층(810)을 통하여 외부로 출광될 수 있다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 것이다. 이하에서는 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 13을 참조하면, 발광 소자(900)는 제1 위상 변조 표면을 포함하는 제1 금속 반사층(910)과, 색변환층(120)과, 제1 전극(131)과, 정공 주입 및 수송층(151)과, 청색 유기 발광층(140)과, 전자 주입 및 수송층(152)과, 제2 전극(932)과, 평탄화층(980)과, 제2 위상 변조 표면을 포함하는 제2 금속 반사층(970)을 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 금속 반사층(910,970)은 마이크로 캐비티(L)를 구성할 수 있다.
제1 금속 반사층(910)의 제1 위상 변조 표면은 제1 베이스부(911)의 상면에 제1 나노 패턴들(912)이 주기적으로 배치되는 메타 구조를 가질 수 있으며, 제2 금속 반사층(970)의 제2 위상 변조 표면은 제2 베이스부(971)의 하면에 제2 나노 패턴들(972)이 주기적으로 배치되는 메타 구조를 가질 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 금속 반사층(910,970)에 의해 구성되는 마이크로 캐비티(L)는 소정의 공진 파장을 가지도록 제1 및 제2 나노 패턴들(912,972)의 형상, 크기 및 피치가 조절될 수 있다.
제1 및 제2 금속 반사층(910,970) 중 하나는 반사성을 가지며, 다른 하나는 빛의 일부를 투과시키고 다른 일부를 반사시키는 반투과성을 가질 수 있다. 도 13에는 제1 금속 반사층(910)이 반사성을 가지고, 제2 금속 반사층(970)이 반투과성을 가지는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 그리고, 제1 및 제2 전극(131,932)은 투명 전극이 될 수 있다.
제1 금속 반사층(910)과 제1 전극(131) 사이에는 색변환층(120)이 마련되어 있다. 여기서, 색변환층(120)은 유전체(121)와 이 유전체(121) 내에 분산된 광발광 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 제2 금속 반사층(970)과 제2 전극(932) 사이에는 투명한 평탄화층(980)이 마련되어 있다. 여기서, 평탄화층(980)은 발광 소자(900)의 균일한 전류 밀도를 위해서 메타 구조를 가지는 제2 위상 변조 표면의 하부를 평탄화시키는 역할을 할 수 있다. 이를 위해 평탄화층(980)은 제2 금속 반사층(970)의 제2 위상 변조 표면을 덮어서 그 하면이 평탄해지도록 마련될 수 있다. 이러한 평탄화층(760)은 가시광에 대해 투명한 절연성 물질을 포함할 수 있다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 평탄화층(980)의 내부에는 색변환층(120)에 포함된 광발광 물질(122)이 더 마련될 수도 있다.
도 13에 도시된 발광 소자(900)에서는 청색 유기 발광층(140) 내에서 발생된 청색광(B)이 색변환층(120) 내의 광발광 물질(122)에 의해 소정 파장의 빛으로 변환된 다음 제1 금속 반사층(910)과 제2 금속 반사층(970) 사이를 왕복하며 공진한 후에 반투과성을 가지는 제2 금속 반사층(970)을 통하여 외부로 출광될 수 있다.
이상의 예시적인 실시예들에 따르면, 금속 반사층의 위상 변조 표면 위에 광발광 물질을 마련함으로써 입사광인 청색광(B)을 원하는 파장의 빛(예를 들면, 녹색광(G) 또는 적색광(R))으로 변환하여 출광시킬 수 있으므로 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속 반사층의 위상 변조 표면을 메타 구조로 형성하고, 이 메타 구조 위에 광발광 물질을 위치시킴으로써 발광 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 14를 참조하면, 디스플레이 장치(100)는 서로 다른 색상의 빛을 방출하는 복수의 픽셀을 포함한다. 여기서, 복수의 픽셀은 기판(미도시)의 동일 평면 상에서 서로 인접하게 배치되는 적색, 녹색 및 청색 픽셀(1300,1200,1100)을 포함할 수 있다. 도 14에는 편의상 적색, 녹색 및 청색 픽셀(1300,1200,1100)로 구성된 하나의 단위 픽셀만이 도시되어 있다. 도 14에 도시된 디스플레이 장치(1000)에서, 적색 픽셀(1300) 및 녹색 픽셀(1200)은 각각 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 같은 구조를 가질 수 있다.
적색 픽셀(1300)은 제1 위상 변조 표면을 포함하는 제1 금속 반사층(1310), 제1 위상 변조 표면에 마련되며 제1 광발광 물질(1322)을 포함하는 제1 색변환층(1320)과, 제1 색변환층(1320)에 마련되는 제1 전극(1131)과, 제1 전극(1131)에 마련되는 정공 주입 및 수송층(1151)과, 정공 주입 및 수송층(1151)에 마련되는 청색 유기 발광층(1140)과, 청색 유기 발광층(1140)에 마련되는 전자 주입 및 수송층(1152)과, 전자 주입 및 수송층(1152)에 마련되는 제2 전극(1132)을 포함한다.
제1 전극(1131)은 빛을 투과시키는 투명 전극이 될 수 있으며, 제2 전극(1132)은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 반투과 전극이 될 수 있다. 그리고, 제1 전극(1131)과 제2 전극(1132) 사이에는 청색 유기 발광층(1140)이 마련되어 있다. 제1 전극(1131)과 청색 유기 발광층(1140) 사이에는 정공 주입 및 수송층(1151)이 마련될 수 있으며, 제2 전극(1132)과 청색 유기 발광층(1140) 사이에는 전자 주입 및 수송층(1152)이 마련될 수 있다.
제1 금속 반사층(1310)은 제2 전극(1132)과 함께 제1 마이크로 캐비티를 구성할 수 있다. 제1 금속 반사층(1310)은 예를 들면 Ag, Al 및 Au 중 적어도 하나의 금속 물질을 포함할 수 있지만 이는 이에 한정되지는 않는다.
제1 금속 반사층(1310)에 의한 위상 변위를 조절함으로써 제1 마이크로 캐비티는 적색광(R)의 공진 파장을 가질 수 있다. 이를 위해, 제1 금속 반사층(1310)의 반사면에는 제1 위상 변조 표면이 형성되어 있다. 제1 금속 반사층(1310)은 도 2 및 도 3에 도시된 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 위상 변조 표면은 베이스부(1311)의 상면으로부터 돌출된 원기둥 형상의 나노 패턴들(1312)이 주기적으로 배치되는 메타 구조를 가질 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로, 제1 금속 반사층(1310)은 도 4 내지 도 7에 도시된 구조를 가질 수도 있다.
제1 색변환층(1320)은 제1 금속 반사층(1310)의 제1 위상 변조 표면을 덮도록 마련되어 있다. 제1 색변환층(1320)은 유전체(1321)와 이 유전체(1321) 내에 분산된 제1 광발광 물질(1322)을 포함할 수 있다. 유전체(1321)는 가시광에 대해 투명한 절연성 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 광발광 물질(1322)은 청색광(B)을 적색광(R)으로 변환시키는 적색 발광물질을 포함할 수 있다. 제1 광발광 물질(1322)은 예를 들면, 양자점, 유기 형광 염료, 유기 형광 반도체 및 유기 인광 반도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
녹색 픽셀(1200)은 제2 위상 변조 표면을 포함하는 제2 금속 반사층(1210)과, 제2 위상 변조 표면에 마련되며 제2 광발광 물질(1222)을 포함하는 제2 색변환층(1220)과, 제2 색변환층(1220)에 마련되는 제1 전극(1131)과, 제1 전극(1131)에 마련되는 정공 주입 및 수송층(1151)과, 정공 주입 및 수송층(1151)에 마련되는 청색 유기 발광층(1140)과, 청색 유기 발광층(1140)에 마련되는 전자 주입 및 수송층(1152)과, 전자 주입 및 수송층(1152)에 마련되는 제2 전극(1132)을 포함한다. 제1 및 제2 전극(1131,1132)과 청색 유기 발광층(1140)에 대해서는 전술하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
제2 금속 반사층(1210)은 제2 전극(1132)과 함께 제2 마이크로 캐비티를 구성할 수 있다. 제2 금속 반사층(1210)은 제1 금속 반사층(1310)과 마찬가지로 예를 들면 Ag, Al 및 Au 중 적어도 하나의 금속 물질을 포함할 수 있지만 이는 이에 한정되지는 않는다.
제2 금속 반사층(1210)에 의한 위상 변위를 조절함으로써 제2 마이크로 캐비티는 녹색광(G)의 공진 파장을 가질 수 있다. 이를 위해, 제2 금속 반사층(1210)의 반사면에는 제2 위상 변조 표면이 형성되어 있다. 제2 금속 반사층(1210)은 도 2 및 도 3에 도시된 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 제2 위상 변조 표면은 베이스부(1211)의 상면으로부터 돌출된 원기둥 형상의 나노 패턴들(1212)이 주기적으로 배치되는 메타 구조를 가질 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로, 제2 금속 반사층(1210)은 도 4 내지 도 7에 도시된 구조를 가질 수도 있다.
제2 색변환층(1220)은 제2 금속 반사층(1210)의 제2 위상 변조 표면을 덮도록 마련되어 있다. 제2 색변환층(1220)은 유전체(1221)와 이 유전체(1221) 내에 분산된 제2 광발광 물질(1222)을 포함할 수 있다. 여기서, 제2 광발광 물질(1222)은 청색광(B)을 녹색광(G)으로 변환시키는 녹색 발광물질을 포함할 수 있다. 제2 광발광 물질(1222)은 제1 광발광 물질(1322)과 마찬가지로 예를 들면, 양자점, 유기 형광 염료, 유기 형광 반도체 및 유기 인광 반도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
청색 픽셀(1100)은 제3 금속 반사층(1110)과, 제3 금속 반사층(1110)에 마련되는 유전체층(1120)과, 유전체층(1120)에 마련되는 제1 전극(1131)과, 제1 전극(1131)에 마련되는 정공 주입 및 수송층(1151)과, 정공 주입 및 수송층(1151)에 마련되는 청색 유기 발광층(1140)과, 청색 유기 발광층(1140)에 마련되는 전자 주입 및 수송층(1152)과, 전자 주입 및 수송층(1152)에 마련되는 제2 전극(1132)을 포함한다. 제1 및 제2 전극(1131,1132)과 청색 유기 발광층(1140)에 대해서는 전술하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
제3 금속 반사층(1110)은 제2 전극(1132)과 함께 제3 마이크로 캐비티를 구성할 수 있다. 제3 금속 반사층(1110)은 제1 및 제2 금속 반사층(1310,1210)과 마찬가지로 예를 들면 Ag, Al 및 Au 중 적어도 하나의 금속 물질을 포함할 수 있지만 이는 이에 한정되지는 않는다. 제3 마이크로 캐비티는 제3 마이크로 캐비티를 형성하는 층들의 구조적 및 광학적 특성을 조절함으로써 청색광(B)의 공진 파장을 가질 수 있다.
유전체층(1120)은 제3 금속 반사층(1110)의 상면을 덮도록 마련되어 있다. 이러한 유전체층(1120)은 가시광에 대해 투명한 절연성 물질을 포함할 수 있다. 이 유전체층(1120)은 전술한 제1 및 제2 색변환층(1320,1220)을 구성하는 유전체(1321,1221)와 동일한 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같은 구조의 디스플레이 장치(1000)에서, 적색 픽셀(1300)에서는 청색 유기 발광층(1140)에서 발생된 청색광(B)은 제1 광발광 물질(1322)에 의해 적색광(R)으로 변환된 다음 제1 금속 반사층(1310)과 제2 전극(1132) 사이를 왕복하며 공진한 후에 제2 전극(1132)을 통하여 외부로 출광될 수 있다.
녹색 픽셀(1200)에서는 청색 유기 발광층(1140)에서 발생된 청색광(B)은 제2 광발광 물질(1222)에 의해 녹색광(G)으로 변환된 다음 제2 금속 반사층(1210)과 제2 전극(1132) 사이를 왕복하며 공진한 후에 제2 전극(1132)을 통하여 외부로 출광될 수 있다. 그리고, 청색 픽셀(1100)에서는 청색 유기 발광층(1140)에서 발생된 청색광(B)은 제3 금속 반사층(1110)과 제2 전극(1132) 사이를 왕복하며 공진한 후에 제2 전극(1132)을 통하여 외부로 출광될 수 있다.
도 14에 도시된 디스플레이 장치에서는 적색 픽셀(1300) 및 녹색 픽셀(1200)이 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 같은 구조를 가지는 경우가 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 적색 및 녹색 픽셀(1300,1200)은 도 11 내지 도 13에 도시된 발광 소자(700,800,900)와 같은 구조를 가질 수도 있다. 또한, 도 14에 도시된 디스플레이 장치(1000)에서는 적색 및 녹색 픽셀(1300,1200)이 위상 변조 표면을 가지고 있으며 청색 픽셀(1100)은 위상 변조 표면을 가지지 않은 경우가 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 적색, 녹색 및 청색 픽셀(1200,1200,1100) 중에서 두 개의 픽셀이 위상 변조 표면을 가지고 있고 나머지 하나의 픽셀이 위상 변조 표면을 가지지 않는 경우도 가능하다. 또한, 적색, 녹색 및 청색 픽셀(1200,1200,1100) 모두가 위상 변조 표면을 가지는 경우도 가능하다. 이상에서 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다.
100,600,700,800,900.. 발광 소자
110,110',110",210,310,410,,510,610,810.. 금속 반사층
111,111',111",211,311,411,511,611,811,.. 베이스부
112,112',112",212,312,412,512,612,812.. 나노 패턴
120,520,620,720.. 색변환층
121,521,621,721.. 유전체
122,522,622,722.. 광발광 물질
131,1131.. 제1 전극
132,832,1132.. 제2 전극
140,1140.. 청색 유기 발광층
151,1151.. 정공 주입 및 수송층
152,1152.. 전자 주입 및 수송층

Claims (27)

  1. 입사광에 대해 마그네틱 공진을 발생시키는 위상 변조 표면(phase moudulaion surface)을 포함하는 제1 금속 반사층;
    상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면에 마련되며, 광발광 물질(photoluminescent material)을 포함하는 색변환층(color conversion layer);
    상기 색변환층에 마련되는 제1 전극;
    상기 제1 전극에 마련되는 정공 주입 및 수송층(hole injection and transport layer);
    상기 정공 주입 및 수송층에 마련되는 청색 유기 발광층;
    상기 청색 유기 발광층에 마련되는 전자 주입 및 수송층(electron injection and transport layer); 및
    상기 전자 주입 및 수송층에 마련되는 제2 전극;을 포함하는 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 반사층과 상기 제2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티(microcavity)를 구성하는 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 반사층은 Ag, Al 및 Au 중 적어도 하나의 금속 물질을 포함하는 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변조 표면은 나노 패턴들이 주기적으로 배치되는 메타 구조(meta structure)를 가지는 발광 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 나노 패턴들 각각은 원기둥(cylinder) 또는 다각 기둥(polyprism)의 형상을 가지는 발광 소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 나노 패턴들 각각의 크기는 50nm ~ 300nm인 발광 소자.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 나노 패턴들의 피치(pitch)는 100nm ~ 400nm 인 발광 소자.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 나노 패턴들은 사각형 어레이 형태 또는 정삼각형 어레이 형태로 배열되는 발광 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 색변환층은 상기 광발광 물질이 분산된 유전체를 포함하는 발광 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광발광 물질은 양자점(Quantum Dots), 유기 형광 염료(organic fluorescent dye), 유기 형광 반도체(organic fluorescent semiconductor) 및 유기 인광 반도체(organic phosphorescent semiconductor) 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 색변환층은 상기 광발광 물질을 포함하는 유기 바인더를 더 포함하는 발광 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광발광 물질은 청색광을 녹색광으로 변환시키는 녹색 발광 물질 또는 청색광을 적색광으로 변환시키는 적색 발광 물질을 포함하는 발광 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 색변환층은 상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련되는 발광 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 소자는 상기 제1 금속 반사층과 상기 색변환층 사이에 상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련되는 투명한 평탄화층을 더 포함하는 발광 소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 투명 전극이고, 상기 제2 전극은 빛의 일부를 투과시키고 다른 일부를 반사시키는 반투과 전극인 발광 소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 투명 전극이고, 상기 제2 전극은 반사 전극이며,
    상기 제1 금속 반사층은 빛의 일부를 투과시키고 다른 일부를 반사시키는 반투과성을 가지는 발광 소자.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극에 마련되며 상기 위상 변조 표면을 포함하는 제2 금속 반사층; 및
    상기 제2 전극과 상기 제2 금속 반사층 사이에 상기 제2 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련되는 평탄화층;을 더 포함하는 발광 소자.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 금속 반사층과 상기 제2 금속 반사층은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성하는 발광 소자.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 투명 전극이고,
    상기 제1 및 제2 금속 반사층 중 하나는 빛을 반사시키는 반사성을 가지며, 다른 하나는 빛의 일부를 투과시키고 다른 일부를 반사시키는 반투과성을 가지는 발광 소자.
  20. 서로 다른 색상의 빛을 방출하는 복수의 픽셀을 포함하고,
    상기 복수의 픽셀들 중 적어도 하나는,
    입사광에 대해 마그네틱 공진을 발생시키는 위상 변조 표면을 포함하는 제1 금속 반사층;
    상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면에 마련되며, 광발광 물질을 포함하는 색변환층;
    상기 색변환층에 마련되는 제1 전극;
    상기 제1 전극에 마련되는 정공 주입 및 수송층;
    상기 정공 주입 및 수송층에 마련되는 청색 유기 발광층;
    상기 청색 유기 발광층에 마련되는 전자 주입 및 수송층; 및
    상기 전자 주입 및 수송층에 마련되는 제2 전극;을 포함하는 디스플레이 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 위상 변조 표면은 나노 패턴들이 주기적으로 배치되는 메타 구조를 가지는 디스플레이 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 색변환층은 상기 광발광 물질이 분산된 유전체를 포함하는 디스플레이 장치.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 색변환층은 상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련되는 디스플레이 장치.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는 상기 제1 금속 반사층과 상기 색변환층 사이에 상기 제1 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련되는 투명한 평탄화층을 더 포함하는 디스플레이 장치.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 제2 전극에 마련되며 상기 위상 변조 표면을 포함하는 제2 금속 반사층; 및
    상기 제2 전극과 상기 제2 금속 반사층 사이에 상기 제2 금속 반사층의 위상 변조 표면을 덮도록 마련되는 평탄화층;을 더 포함하는 디스플레이 장치.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는 청색, 녹색 및 적색 픽셀을 포함하는 디스플레이 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 녹색 픽셀의 광발광 물질은 청색광을 녹색광으로 변환시키는 녹색 발광 물질을 포함하고, 상기 적색 픽셀의 광발광 물질은 청색광을 적색광으로 변환시키는 적색 발광 물질을 포함하는 디스플레이 장치.
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