KR20040048235A - 광 공진기를 구비한 유기 전계 발광 소자 - Google Patents

광 공진기를 구비한 유기 전계 발광 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공진 효과를 일으키는 간단한 단일막 구조를 가짐으로써 광취출효율을 향상시키고, 광취출효율을 빛이 투사되는 최종 단계에서 보상하기 위한 것으로, 기판 상에 서로 교차하도록 배설된 제 1 및 제 2 전극층과, 상기 제 1, 2전극층의 사이에 배치되어 발광하는 적어도 유기 발광층을 포함하는 유기층과, 상기 유기층을 밀봉하는 밀봉부를 구비한 유기 전계 발광 소자에 있어서, 상기 유기층의 발광 방향으로 최외곽 부재의 내측면에는 단일막으로 형성되어 빛의 광학적 공진이 일어나는 광공진층이 더 구비되고, 상기 광공진층은 그 굴절률이 상기 광공진층을 둘러싼 서로 다른 층들의 각 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다.

Description

광 공진기를 구비한 유기 전계 발광 소자{Organic electro-luminescence device with optical resonator}
본 발명은 유기 전계 발광 소자에 관한 것으로, 더 상세하게는 유기막에 의해 발생된 광의 취출효율이 개선된 유기 전계 발광 소자에 관한 것이다.
통상적으로 유기 전계 발광 소자는 형광성 유기 화합물을 전기적으로 여기시켜 발광시키는 자발광형 디스플레이로 낮은 전압에서 구동이 가능하고, 박형화가 용이하며 광시야각, 빠른 응답속도 등 액정표지 장치에 있어서 문제점으로 지적된 결점을 해결할 수 있는 차세대 디스플레이로 주목받고 있다.
이러한 유기 전계 발광 소자는 유리나 그밖에 투명한 절연기판에 소정 패턴의 유기막이 형성되고 이 유기막의 상하부에는 전극층들이 형성된다. 유기막은 유기 화합물로 이루어진다. 이러한 유기막들을 형성하는 재료로는 프탈로시아닌(CuPc:copper phthalocyanine), N,N-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐-벤지딘 (N,N'-Di(naphthalene-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine: NPB) , 트리스-8-하이드록시퀴놀린 알루미늄(tris-8-hydroxyquinoline aluminum)(Alq3)등이 이용된다.
상기와 같이 구성된 유기 전계 발광 소자는 전극들에 양극 및 음극 전압이 인가됨에 따라 양극전압이 인가된 전극으로부터 주입된 정공(hole)이 정공 수송층을 경유하여 발광층으로 이동되고, 전자는 음극전압이 인가된 전극으로부터 전자 수송층을 경유하여 발광층으로 주입된다. 이 발광층에서 전자와 홀이 재결합하여 여기자(exiton)를 생성하고, 이 여기자가 여기상태에서 기저상태로 변화됨에 따라,발광층의 형광성 분자가 발광함으로써 화상이 형성된다. 상기 여기자는 에너지 상태로 분류하였을 때 하나의 일중항 상태와 세 개의 삼중항 상태를 가진다. 밴드갭 에너지 특성상 일중항의 에너지 상태에서는 발광을 하게 되나 삼중항 상태의 에너지는 발광을 하지 않고 열에너지로 변하게 된다.
상술한 바와 같이 구동되는 유기 전계 발광 소자의 광효율은 내부효율(internal efficiency)과 외부효율(external efficiency)로 나누어지는데, 내부효율은 유기 발광 물질의 광전변환 효율에 의존하며, 광취출효율(light coupling efficiency)이라고도 불리는 외부효율은 유기 전계 발광 소자를 구성하는 각층의 굴절률에 좌우된다. 이 중 외부효율인 광취출효율의 경우에는 유기 전계 발광 소자가 음극선관이나 PDP 등 다른 표시장치에 비해 낮은 편이어서, 이로 인해 휘도, 수명 등 표시장치의 특성면에서 개선의 여지가 많다.
이렇듯, 종래의 유기 전계 발광 소자의 광취출효율이 타 표시장치에 비해 낮은 가장 큰 원인은 상기 유기막에 의해 방출되는 광이 임계각 이상으로 출사될 때 ITO 전극층과 같이 굴절률이 높은 층과 기판과 같이 굴절률이 낮은 층 사이의 계면에서 전반사를 일으키게 되어 외부로 취출되는 것이 방해받기 때문이다. 따라서, 이러한 계면에서의 전반사 문제로 인하여 유기 전계 발광 소자에 있어 실제 유기 발광층에서 발생되는 빛은 약 1/4 정도만이 외부로 취출될 수 있다.
상기와 같은 광취출효율은 ITO 전극의 두께와 기판의 굴절률에 따라 달라지는 데, 실제 ITO 전극은 ITO의 전기적 특성 및 공정상의 특성 등을 감안할 때, 대략 150 내지 200nm 정도의 두께를 갖게 되며, 이 때에는 약 23% 정도의 광취출효율밖에 얻을 수 없다.
이와 같은 광취출율의 저하를 방지하기 위한 종래 유기 전계 발광 소자의 일예가 일본 공개 특허 공보 소 63-172691호에 개시되어 있다. 개시된 유기 전계 발광 소자는 돌출렌즈 등의 집광성을 가지는 기판을 구비한다. 그러나 이러한 집광을 위한 돌출렌즈는 유기막의 발광에 따른 화소가 매우 작으므로 기판에 형성하기 어렵다.
일본 공개 특허 공보 소 62-172691호에는 투명전극층과 발광층에 제1유전체층을 개재함과 동시에 투명전극측에 상기 제1유전체층과 투명전극 사이 중간의 굴절률을 가지는 제2의 유전체층을 개재한 유기 전계 발광 소자가 개시되어 있고, 일본 공개 특허공보 평1-220394호에는 기판 상에 하부전극, 절연층, 발광층 및 상부전극을 형성하며, 상기 발광층의 편면에 광을 반사시키는 미러가 형성된 유기 전계 발광 소자가 개시되어 있다.
이러한 유기 전계 발광 소자는 발광층의 두께가 매우 얇기 때문에 측면에 반사를 위한 미러를 설치하는 것이 매우 어렵고, 결과적으로 생산원가 상승의 원인이 된다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 일본 공개 특허 공보 평 11-283751호에는 양극과 음극의 사이에 일층 또는 다수층의 유기층을 가지는 유기 전계 발광 표시 장치에 있어서, 구성요소로서 회절격자 또는 존 플레이트를 포함한 구성이 개시되어 있다. 이는 굴절률의 차이가 나는 경계부근에 회절격자를 형성시켜 빛의 산란효과에 의해 유기층의 빛을 취출하는 것이다. 그러나, 이러한 회절 격자층은 실제 제조 공정상 복잡하고, 그 표면 굴곡으로 인하여 박막의 상부층의 패턴 형성이 곤란하며, 표면 굴곡을 메우기 위해서는 별도의 평탄화 공정이 추가되어야 하는 문제가 있다.
또한, 이러한 유기 전계발광 소자의 문제점을 개선하기 위하여, 일본 공개특허공보 특개평8-250786호, 특개평8-213174호, 특개평10-177896호에는 광학적 미세공동(optical microcavity) 개념을 이용한 유기 전계 발광 소자가 개시되어 있다. 개시된 유기 전계 발광 소자에서는 글라스 기판과 ITO 전극과의 사이에 다층 구조의 반투과 거울을 형성하고, 이 반투과 거울이 반사판으로서의 기능을 겸한 금속 음극과 함께 광공진기로서의 기능을 하게 된다. 이 때, 상기 반투과 거울은 고굴절률을 가지는 TiO2층과 저굴절률을 가지는 SiO2층이 교대로 적층되어 다중층을 형성하고, 이 다중층의 층의 수로서 반사율을 조절하여 광공진기능을 설계한다. 그러나, 이러한 광 공진기는 반투과 거울을 이루는 층의 수가 많을수록 반사특성이 향상되므로 층의 수를 증가시켜야 하지만, 특정 파장에 대한 반사율을 조절하기 위해서는 적층되는 층의 수와 두께를 정확히 설계해야 하므로 유기 전계 발광 소자의 공정이 복잡해지는 단점을 가진다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공진 효과를 일으키는 간단한 적층 구조를 가짐으로써 광취출효율을 향상시킬 수 있는 유기 전계 발광 소자를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 단일막 구조를 통해 광취출효율을 빛이 투사되는 최종 단계에서 보상할 수 있는 유기 전계 발광 소자를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PM 타입 유기 전계 발광 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 PM 타입 유기 전계 발광 소자의 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따른 AM 타입 유기 전계 발광 소자의 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따른 AM 타입 유기 전계 발광 소자의 단면도.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 유기 전계 발광 소자의 광 공진층의 두께와 각 화소를 구성하는 유기 발광층의 광취출효율의 관계를 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 투명 기판11: 제 1 전극층
12: 내부 절연막13: 유기층
14: 제 2전극층15: 밀봉부
20: 광 공진층
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 서로 교차하도록 배설된 제 1 및 제 2 전극층과, 상기 제 1, 2전극층의 사이에 배치되어 발광하는 적어도 유기 발광층을 포함하는 유기층과, 상기 유기층을 밀봉하는 밀봉부를 구비한 유기 전계 발광 소자에 있어서, 상기 유기층의 발광 방향으로 최외곽 부재의 내측면에는 단일막으로 형성되어 빛의 광학적 공진이 일어나는 광공진층이 더 구비되고, 상기 광공진층은 그 굴절률이 상기 광공진층을 둘러싼 서로 다른 층들의 각 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 광공진층의 두께는 상기 유기 발광층으로부터 발광하는 각 색광의 피크 파장을 상기 광공진층의 굴절률로 나눈 유효 파장의 반파장에 대한 정수배 중 최소공배수로 설정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 광공진층은 TiO2로 구비될 수 있고, 이 때, 상기 유기 발광층 중 녹색 발광층에 대응되는 상기 광공진층의 두께는 60㎚ 내지 100㎚가 되고, 상기 유기 발광층 중 청색 발광층에 대응되는 상기 광공진층의 두께는 30㎚ 내지 50㎚가 되며, 상기 유기 발광층 중 적색 발광층에 대응되는 상기 광공진층의 두께는 20㎚ 내지 40㎚가 되도록 할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면다음과 같다 .
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 유기 전계 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도로, 도 1에는 수동 구동 방식(PM: Passive Matrix type)의 유기 전계 발광 소자를 나타내었다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 유기 전계 발광 소자는 투명한 소재로 구비된 투명 기판(10)의 상면에 소정의 패턴으로 제 1 전극층(11)이 형성되고, 상기 제 1 전극층(11)의 상부로 적어도 유기 발광층을 포함하는 유기층(13)이 형성되며, 상기 유기층(13)의 상부로 상기 제 1 전극층(11)과 교차되도록 소정 패턴의 제 2 전극층(14)이 형성된다. 그리고, 상기 제 2 전극층(14)의 상부로는 상기 제 1전극층(11), 유기층(13), 제 2 전극층(14)을 외부로부터 밀봉시키는 밀봉부(15)가 더 구비된다. 그리고, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따르면, 상기 투명기판(10)과 제 1 전극층(11)의 사이에는 단일막으로 형성된 광공진층(20)이 구비된다.
도면에서는 설명의 편의를 위해 각 전극층에 전원이 인가되는 단자부 및 회로 구성 등은 도시하지 않았으며, 이에 대해서는 본 명세서에서는 그 설명을 생략한다.
상기 투명 기판(10)은 투명한 글라스재나 플라스틱재의 기판이 사용될 수 있으며, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 소다 라임(Soda Lime) 기판이 사용될 수 있다. 비록 도면에 도시하지는 않았지만 상기 투명 기판(10)의 상면에는 기판의 평활성과 불순원소의 침투를 차단하기 위하여 버퍼층을 더 구비할 수 있으며,상기 버퍼층은 SiO2등으로 형성할 수 있다.
상기 투명 기판(10) 상에 적층되는 제 1 전극층(11)은 투명 소재의 전도성 물질로 형성할 수 있는 데, ITO(Indium Tin Oxide)로 형성할 수 있고, 포토 리소그래피법에 의해 소정의 패턴이 되도록 형성할 수 있다. 상기 제 1 전극층(11)의 패턴은 서로 소정 간격 떨어진 스트라이프 상의 라인들로 형성될 수 있다. 이렇게 ITO로 구비된 제 1 전극층(11)은 도시되지 않은 외부 제 1 전극단자에 연결되어 애노드(anode)전극으로서 작용될 수 있다.
상기 제 1 전극층(11)이 형성된 투명 기판(10) 상에는 상기 제 1 전극층(11)의 사이 공간을 메우도록 내부 절연층(12)이 형성될 수 있다. 상기 내부 절연층(12)은 감광성 폴리 이미드나 포토 레지스트를 이용해 포토 리소그래피법으로 소정 패턴으로 형성될 수 있는 데, 적어도 화소에 해당하는 부분으로 상기 제 1 전극층(11)이 노출되도록 한다. 이 내부 절연층(12)은 제 1 전극층(11)간의 명확한 분할을 목적으로 한 것으로, 이후 적층될 제 2 전극층(14)과 상기 제 1 전극층(11)간의 전기적 단락을 방지하는 기능도 겸비한다.
상기 내부 절연층(12)의 상부로는 유기층(13)이 형성되는 데, 상기 유기층(13)은 저분자 유기물 또는 고분자 유기물을 사용할 수 있다.
저분자 유기물로 형성된 저분자 유기층의 경우에는 홀 주입층, 홀 수송층, 유기 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층 등이 단일 혹은 복합의 구조로 적층되어 형성될 수 있다.
또한, 사용 가능한 유기 재료도 구리 프탈로시아닌(CuPc: copper phthalocyanine), N,N-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐-벤지딘 (N,N'-Di(naphthalene-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine: NPB) , 트리스-8-하이드록시퀴놀린 알루미늄(tris-8-hydroxyquinoline aluminum)(Alq3) 등을 비롯해 다양하게 적용 가능하다. 상기 유기층(13)은 풀 칼라 유기 전계 발광 소자일 경우 상기 유기 발광층을 각 화소의 컬러에 대응되도록 다양한 패턴으로 형성 가능하다. 이러한 저분자 유기층은 진공 중에서 유기물을 가열하여 증착하는 방식으로 형성될 수 있는 데, 그 중 유기 발광층의 형성은 각 화소에 대응되도록 소정 패턴의 슬릿(slit)이 구비된 마스크를 개재하여 각 칼라별로 순차로 증착하여 형성할 수 있다.
한편, 고분자 유기물로 형성된 고분자 유기층의 경우에는 홀 수송층(Hole Transport Layer: HTL) 및 유기 발광층(Emission Layer)이 적층될 수 있는 데, 이 밖에도 상기 저분자 유기층의 경우와 같이 다양한 층상 구조를 가질 수 있음은 물론이다. 상기 고분자 홀 수송층은 폴리에틸렌 디히드록시티오펜 (PEDOT: poly-(2,4)-ethylene-dihydroxy thiophene)이나, 폴리아닐린(PANI: polyaniline) 등을 사용하여 잉크젯 프린팅이나 스핀 코팅의 방법에 의해 상기 투명 기판(10)의 제 1 전극층(11) 상부에 형성되며, 상기 고분자 유기 발광층은 PPV, Soluble PPV's, Cyano-PPV, 폴리플루오렌(Polyfluorene) 등을 사용할 수 있으며 잉크젯 프린팅이나 스핀 코팅 또는 레이저를 이용한 열전사방식 등의 통상의 방법으로 컬러 패턴을 형성할 수 있다.
상기 유기층(13)의 상부로는 제 2 전극층(14)이 상기 제 1 전극층(11)에 교차되는 패턴으로 형성되는 데, 이 제 2 전극층(14)은 알루미늄/칼슘(Al/Ca)으로 도시되지 않은 외부 제 1 전극단자에 연결되어 캐소오드(cathode)전극으로서 작용될 수 있다. 상기 제 2 전극층(14)의 패터닝은 수분에 취약한 유기층(13)으로 말미암아 제 1 전극층(11)과 같이 포토 리소그래피법으로 행하기는 곤란하며, 이에 따라 마스크를 개재하여 직접 소정 패턴으로 증착시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 비록 도시하지는 않았지만 상기 내부 절연막(12)의 형성 시에 소정 패턴의 캐소오드 세퍼레이터를 형성하여 이 캐소오드 세퍼레이터를 이용한 패턴 형성이 가능하도록 할 수도 있다. 상기 제 2 전극층(14)은 도 1의 화살표 방향과 같이 빛이 유기층(13)으로부터 투명 기판(10)의 방향으로 발광할 경우에는 유기층(13)으로부터 상방으로 발광된 빛의 반사판 역할을 겸하게 된다.
상기 제 2 전극층(14)의 상부로는 밀봉부(15)가 구비되는 데, 상기 밀봉부(15)는 내부에 흡습제가 구비된 메탈 캡으로 구비될 수 있으며, 또는 밀봉용 수지재를 도포하여 내부로 수분 침투가 차단될 수 있도록 한다. 상기 밀봉부(15)는 이 밖에도 기판을 이용하여 형성될 수도 있다.
상기와 같은 유기 전계 발광 소자에 있어서, 유기층(13)의 발광 방향으로 최외곽 부재의 내측면에는 광공진층(20)이 더 구비된다. 즉, 도 1에서 볼 때, 투명 기판(10)과 제 1 전극층(11)의 사이에 광공진층(20)이 개재되는 것이다.
상기 광공진층(20)은 단일막으로 형성되어 광공진층(20) 내에서 빛의 광학적 공진이 일어나도록 하는 것으로, 그 굴절률이 상기 광공진층(20)을 둘러싸고 있는 부재들인 상기 투명 기판(10)의 굴절률 및 상기 제 1 전극층(11)의 굴절률보다 큰물질을 사용하여 형성한다. 따라서, 유기층(13)으로부터 발광되어 상기 광공진층(20)에 소정 각도로 입사된 빛은 상기 광공진층(20)이 주변 매질에 비해 밀하기 때문에 전반사되어 상기 광공진층(20) 내에 갖히게 되고, 이렇게 제 1 전극층(11)/광공진층(20) 및 투명기판(10)/광공진층(20)의 계면에서 반사된 빛들의 위상이 일치하게 되면 서로 보강간섭을 일으켜 투명 기판(10)으로 증폭된 빛이 나오게 되고, 이에 따라 광취출효율이 증대되는 것이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 광공진층(20)은 SiO2를 주성분으로 하는 글라스 기판인 상기 투명 기판(10)과, ITO로 이루어진 상기 제 1 전극층(11)보다 굴절률이 높고 투명한 소재인 TiO2를 이용하여 진공 증착 또는 스퍼터링 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.
이러한 광취출효율의 증대는 광공진층(20)의 두께를 적절히 조절함으로써 이루어질 수 있다.
상기 광공진층(20)의 두께는 상기 유기층(13)의 유기 발광층으로부터 발광하는 적(R), 녹(G), 청(B) 각 색광의 피크 파장을 상기 광공진층의 굴절률로 나눈 유효 파장의 반파장에 대한 정수배 중 최소공배수로 설정될 수 있다.
도 5 내지 도 7에는 각 색광에 있어서, TiO2로 이루어진 광공진층(20)의 두께에 따른 광취출효율을 나타낸 것이다.
먼저, 도 5에는 530nm의 피크 파장을 갖는 녹색광에 있어서 광공진층(20)의 두께에 따른 광취출효율을 나타낸 것으로, 투명 기판(10)은 통상의 소다 라임 기판을 사용하였고, 제 1 전극층(11)은 굴절률 1.79인 ITO로 두께가 150nm가 되도록 형성하였다. 그리고, 이 때 광공진층(20)을 형성하는 TiO2의 굴절률은 2.36이다.
도 5에서 볼 수 있듯이, 녹색광의 광취출효율은 광공진층(20)의 두께에 따라 달라지며, 이는 녹색광의 피크 파장을 광공진층의 굴절률로 나눈 유효 파장의 반파장의 정수배의 주기로 최대값을 나타냄을 알 수 있다.
도 6에는 450nm의 피크 파장을 갖는 청색광에 있어서, 광공진층(20)의 두께에 따른 광취출효율을 나타낸 것으로, 이 때 제 1 전극층(11)은 굴절률이 1.93인 ITO로 150nm의 두께로 형성한 것이고, 광공진층(20)을 형성하는 TiO2의 굴절률은 2.46이다.
도 6에서도 볼 수 있듯이, 청색광의 광취출효율은 광공진층(20)의 두께에 따라 달라지며, 이는 청색광의 피크 파장을 광공진층의 굴절률로 나눈 유효 파장의 반파장의 정수배의 주기로 최대값을 나타냄을 알 수 있다.
도 7에는 620nm의 피크 파장을 갖는 적색광에 있어서, 광공진층(20)의 두께에 따른 광취출효율을 나타낸 것으로, 이 때 제 1 전극층(11)은 굴절률이 1.66인 ITO로 150nm의 두께로 형성한 것이고, 광공진층(20)을 형성하는 TiO2의 굴절률은 2.31이다.
도 7에서도 볼 수 있듯이, 적색광의 광취출효율은 광공진층(20)의 두께에 따라 달라지며, 이는 적색광의 피크 파장을 광공진층의 굴절률로 나눈 유효 파장의 반파장의 정수배의 주기로 최대값을 나타냄을 알 수 있다.
이렇듯, 각 색광에 따라 광취출효율이 다르므로 각 색광의 피크 파장을 상기광공진층의 굴절률로 나눈 유효 파장의 반파장에 대한 정수배 중 최소공배수에 의해 각 색광에서 공통되게 최대 효율을 나타내는 광공진층의 두께를 설정할 수 있다.
한편, 상기와 같이 각 색광에 따라 광취출효율이 다르므로, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 유기 전계 발광 소자는 도 2에서 볼 수 있듯이, 상기 광공진층(20)을 각 화소별로 다른 높이로 형성할 수 있다. 도 2에서 유기층(13)은 하층으로부터 홀 주입층 및/또는 수송층(131)과, 적, 녹, 청색의 각 유기 발광층(132)(133)(134)과, 전자 수송층 및/또는 주입층(135)으로 구비되어 있으나, 상술한 바와 같이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 광공진층(20)은 적색 유기 발광층(132)에 대응되는 제 1 광공진층(201)과, 녹색 유기 발광층(133)에 대응되는 제 2 광공진층(202)과, 청색 유기 발광층(134)에 대응되는 제 3 광공진층(203)으로 구비된다. 이들은 역시 TiO2로 구비되어 각각 그 두께가 다르게 형성되는 데, 각 광공진층의 패턴에 대응되는 마스크를 개재하여 각 광공진층별로 별도의 증착을 순차로 행하여 각 광공진층을 개별적으로 형성할 수 있으며, 단일의 막을 형성하여 포토 리소그래피법에 의해 패턴을 형성할 때에 노광 마스크의 각 패턴 별로 서로 노광량이 달리 되도록 하여 그 두께가 서로 다르게 패터닝될 수 있도록 형성할 수 있다.
상기와 같은 광공진층(20)을 형성한 후에는 상기 제 1 내지 제 3 광공진층(201)(202)(203)의 상부에 각각 제 1 전극층(11)을 형성한 후 그 사이를 내부 절연막(12)으로 메운다. 이러한 구조에서는 상기 각 제 1 전극층(11)별로 별도의 광공진층(20)이 형성되는 것이다.
따라서, 이 때에는 도 4 내지 도 6에서 볼 수 있듯이, 각 색광에 따른 최대 광취출효율을 얻을 수 있는 광공진층의 두께를 설정할 수 있다. 즉, 도 4 내지 도 6에서 볼 때, 최대 광취출효율은 각 색광의 피크 파장을 상기 광공진층의 굴절률로 나눈 유효 파장의 반파장의 주기로 진동한다. 하지만, 이 최대 광취출효율은 그 절대값이 광공진층의 두께가 증대됨에 따라 점점 줄어드는 경향을 보임을 알 수 있다. 각 색광에 대응되는 광공진층의 두께는 상기 광취출효율의 진동 중 첫 번째 피크에 해당되는 두께로 설정하는 것이 가장 바람직하다. 따라서, 적색 화소인 적색 유기 발광층(132)에 대응되는 제 1 광공진층(201)을 이루는 TiO2의 두께는 20nm 내지 40nm가 되도록 하는 것이 바람직하고, 녹색 화소인 녹색 유기 발광층(133)에 대응되는 제 2 광공진층(202)을 이루는 TiO2의 두께는 60nm 내지 100nm가 되도록 하는 것이 바람직하다. 그리고, 청색 화소인 청색 유기 발광층(133)에 대응되는 제 3 광공진층(203)을 이루는 TiO2의 두께는 30nm 내지 50nm가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 가진 유기 전계 발광 소자는 유기층(13)으로부터 발광된 빛이 투명 기판(10)의 방향으로 투사되어 화상을 구현하나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 유기층(13)으로부터 발광된 빛이 밀봉부(15)의 방향으로 투사되도록 할 경우에도 동일하게 적용된다. 다만, 이 때에는 상기 제 1 전극층이 알루미늄으로 형성되고, 제 2 전극층은 투명한 ITO로 형성된다. 그리고, 밀봉부(15)는 투명 기판이나 투명 소재의 수지재로 구비될 수 있다. 물론 이 때에는 상기 광공진층(20)이 밀봉부(15)와 제 2 전극층(14)의 사이에 개재된다.
한편, 상기와 같은 원리의 광공진층은 도 3 및 도 4에서 볼 수 있는 바와 같은 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따른 유기 전계 발광 소자인 AM(Active Matrix) 구동방식의 유기 전계 발광 소자에도 동일하게 적용될 수 있다.
먼저, 도 3을 참조하면, 상기 AM 구동방식의 유기 전계 발광 소자는 투명 기판(30)의 상부로 박막 트랜지스터가 적층 형성된다. 상기 투명 기판(30)의 표면에는 전술한 실시예와 동일하게 기판의 평탄화와 불순물 차단을 위하여 SiO2 등으로 구비된 버퍼층이 더 구비되어 있다.
상기 투명 기판(30)의 상부에 소정 패턴으로 배열된 p형 또는 n 형의 반도체층(32)이 게이트 절연층(33)에 의해 매립된다. 상기 게이트 절연층(33)의 상면에는 상기 반도체층(32)과 대응되는 게이트 전극층(34)이 형성되고, 이 게이트 전극층(34)은 제1절연막(35)에 의해 매립된다. 그리고, 상기 제1절연막(35)과 게이트 절연층(33)에 콘택홀(36a)(37a)이 형성되어 제1절연막(15)의 상부에 형성된 드레인 전극(36) 및 소스전극(37)이 상기 콘택홀(36a)(37a)을 통하여 상기 반도체층(22)의 양측에 각각 연결되어 박막 트랜지스터를 형성한다. 한편, 상기 박막 트랜지스터의 옆에는 상기 소스전극(37)과 연결되며 상기 제 1 절연막(35)의 상면에 형성된 제1보조전극(43b)과, 이 제1보조전극(43b)과 대향되며 제 1 절연막(35)에 매립되는 제2보조전극(43a)으로 이루어진 커패시터(43)가 형성되어 박막 트랜지스터와 함께 구동영역을 형성한다.
상기 제1 절연막(35)의 상면으로는 제2절연막(38)이 형성되고, 이 제 2 절연막(38)의 상면에는 상기 드레인 전극(36)과 전기적으로 연결된 제 1 전극층(39)이 형성된다. 상기 제 1 전극층(39)은 ITO로 형성되며, 이 제 1 전극층(39)의 상부로 개구부(40a)가 형성된 평탄화막(40)과, 상기 평탄화막(40)의 개구부 저면의 제1전극층(39)의 상부에는 유기층(41)이 적층되며, 상기 유기층과 평탄화막의 상부에는 제2전극층(42)이 형성되어 화소영역을 이룬다.
상기와 같은 배면 발광형 유기 전계 발광 소자에서는 상기 제1전극층(39)은 투명한 도전성 재질인 ITO로 이루어지고, 상기 게이트 절연층(33) 및 제1,2절연막(35)(38)도 투명한 SiO2등으로 형성된다. 상기 유기층(41) 및 제 2 전극층(42)도 전술한 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 상기 제 2 전극층(42)의 상부로는 밀봉부(44)가 구비되어 밀봉된다.
이러한 AM 타입의 유기 전계 발광 소자에 있어서, 유기층(41)으로부터 발광된 빛은 투명기판(30)을 통해 발광되는 데, 이 때 전술한 바와 같이 투명 기판(30)과 게이트 절연층(33)의 사이에 본 발명의 광 공진층(20)을 형성한다. 이 광 공진층(20)도 굴절율이 투명 기판(30) 및 게이트 절연층(33)보다 높은 TiO2등으로 형성하며, 그 두께는 전술한 바와 같이, 상기 유기층(41)의 유기 발광층으로부터 발광하는 적(R), 녹(G), 청(B) 각 색광의 피크 파장을 상기 광공진층의 굴절률로 나눈 유효 파장의 반파장에 대한 정수배 중 최소공배수로 설정될 수 있다. 이 때, 상기 광 공진층(20)의 두께는 전술한 실시예에서와 같이 실험에 의해 각 화소별로 최적치를 얻어내도록 할 수 있다. 이에 따라 비록 도면에 도시하지는 않았지만, 각 화소별로 그 높이가 다른 광 공진층(20)을 형성하도록 할 수 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 AM 타입의 유기 전계 발광 소자의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 빛이 밀봉부(44)의 방향으로 투사되어 화상을 구현한다. 이 때에는 전술한 바와 같이 밀봉부(44)가 투명한 수지재나 투명 기판으로 구비되어 있어야 하며, 제 2 전극층(42)이 ITO로 형성되고, 제 1 전극층(39)이 알루미늄으로 형성된다.
도 4에서 볼 수 있는 바와 같은 유기 전계 발광 소자의 경우에는 광 공진층(20)이 밀봉부(44)와 제 2 전극층(42)의 사이에 형성된다. 이 때, 상기 광 공진층(20)은 도 4에서 볼 수 있듯이, 각 화소에 대응되는 두께로 화소별로 형성될 수 있으며, 그림에 나타내지는 않았지만 제 2 전극층(42)의 상부로 전체적으로 형성할 수도 있다.
본 발명은 이렇게 상기 유기층의 발광 방향으로 최외곽 부분에 광 공진층을 형성하여 유기층으로부터 발광된 빛이 중간 층상 구조들을 통과하면서 손실된 광 손실을 최종단계에서 보상해주는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 광 공진층은 비록 도시되지는 않았지만, 투명 기판의 외측면에 편광판이나 반사방지막 등이 부착되어 있을 경우 그 내측면에 형성될 수도 있음은 물론이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 유기 전계 발광 소자에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 간단한 구조의 광공진층을 구성하여 발광되는 빛을 증폭시킬 수 있고, 이에 따라 광취출효율을 증대시킬 수 있다.
둘째, 유기 발광층으로부터 발광하는 빛을 미소공진시키는 광 공진층을 단일막 구조로 형성함으로써 소자 층상 설계 구조를 보다 간단하게 할 수 있고, 전체 제조 공정이 간단해 질 수 있다.
셋째, 발광되는 빛이 최종적으로 지나가야 할 부분에 광공진층을 배치시킴으로써 광손실을 마지막 단계에서 보상해주는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하드는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명은 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 기판 상에 서로 교차하도록 배설된 제 1 및 제 2 전극층과, 상기 제 1, 2전극층의 사이에 배치되어 발광하는 적어도 유기 발광층을 포함하는 유기층과, 상기 유기층을 밀봉하는 밀봉부를 구비한 유기 전계 발광 소자에 있어서,
    상기 유기층의 발광 방향으로 최외곽 부재의 내측면에는 단일막으로 형성되어 빛의 광학적 공진이 일어나는 광공진층이 더 구비되고, 상기 광공진층은 그 굴절률이 상기 광공진층을 둘러싼 서로 다른 층들의 각 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광공진층의 두께는 상기 유기 발광층으로부터 발광하는 각 색광의 피크 파장을 상기 광공진층의 굴절률로 나눈 유효 파장의 반파장에 대한 정수배 중 최소공배수로 설정되는 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광공진층은 TiO2로 구비된 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 유기 발광층 중 녹색 발광층에 대응되는 상기 광공진층의 두께는 60 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 유기 발광층 중 청색 발광층에 대응되는 상기 광공진층의 두께는 30 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 유기 발광층 중 적색 발광층에 대응되는 상기 광공진층의 두께는 20 내지 40nm인 것을 특징으로 하는 유기 전계 발광 소자.
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