KR20040074963A - 선형성이 개선된 유기 레이저 - Google Patents

선형성이 개선된 유기 레이저 Download PDF

Info

Publication number
KR20040074963A
KR20040074963A KR1020040010442A KR20040010442A KR20040074963A KR 20040074963 A KR20040074963 A KR 20040074963A KR 1020040010442 A KR1020040010442 A KR 1020040010442A KR 20040010442 A KR20040010442 A KR 20040010442A KR 20040074963 A KR20040074963 A KR 20040074963A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dielectric stack
laser
organic
active region
thermally conductive
Prior art date
Application number
KR1020040010442A
Other languages
English (en)
Inventor
카헨케이쓰비
레벤스존에이
Original Assignee
이스트맨 코닥 캄파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 이스트맨 코닥 캄파니 filed Critical 이스트맨 코닥 캄파니
Publication of KR20040074963A publication Critical patent/KR20040074963A/ko

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C3/00—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places
    • A62C3/16—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places in electrical installations, e.g. cableways
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/36—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising organic materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C13/00—Portable extinguishers which are permanently pressurised or pressurised immediately before use
    • A62C13/76—Details or accessories
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C31/00—Delivery of fire-extinguishing material
    • A62C31/02—Nozzles specially adapted for fire-extinguishing
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C31/00—Delivery of fire-extinguishing material
    • A62C31/28—Accessories for delivery devices, e.g. supports
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C37/00—Control of fire-fighting equipment
    • A62C37/08—Control of fire-fighting equipment comprising an outlet device containing a sensor, or itself being the sensor, i.e. self-contained sprinklers
    • A62C37/10—Releasing means, e.g. electrically released
    • A62C37/11—Releasing means, e.g. electrically released heat-sensitive
    • A62C37/14—Releasing means, e.g. electrically released heat-sensitive with frangible vessels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
    • H01S2301/173—The laser chip comprising special buffer layers, e.g. dislocation prevention or reduction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/041—Optical pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18383—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] with periodic active regions at nodes or maxima of light intensity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Abstract

본 발명은 기판; 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성이고 상기 기판 상에 배치된 하부 유전성 스택; 및 레이저 광을 생성시키는 유기 활성 영역을 포함하는 유기 수직 공동 디바이스에 관한 것이다. 또한, 상기 디바이스는 상기 하부 유전성 스택으로부터 이격되어 있으며 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성인 상부 유전성 스택; 및 상기 하부 유전성 스택과 유기 활성 영역 사이에, 상부 유전성 스택과 유기 활성 영역 사이에 또는 둘 모두에 배치된 열전도성 투명 층을 포함한다.

Description

선형성이 개선된 유기 레이저{ORGANIC LASER HAVING IMPORVED LINERITY}
본 발명은 입력의 함수로서 선형성이 개선된 유기 레이저에 관한 것이다.
무기 반도체(예: AlGaAs)-계 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)는 80년대 중반 이래 개발되어 오고 있다(. Kinoshita 등의 문헌 "IEEE J. Quant. Electron. QE-23, 882[1987]"). 이들은 850㎚에서 방출하는 AlGaAs-계 VCSEL이 다수의 회사에 의해 제조되고 100년이 넘는 수명을 갖는 지점에 도달하였다. 이들 근적외선 레이저의 성공으로, 최근에는 가시 파장 범위에서 방출하는 VCSEL을 생산하는 다른 무기 물질 시스템으로 관심이 전환되었다(C. Wilmsen 등의 문헌 "Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Cambridge University Press, Cambridge, 2001"). 가시광 레이저에 관한 다수의 유력한 적용분야, 예컨대 디스플레이, 광학 저장 판독기/기록기, 레이저 프린팅, 및 플라스틱 광학 섬유를 사용하는 쇼트-호울 전기통신(Short-haul telecommunication)이 존재한다(T. Ishigure 등의 문헌 "Electron. Lett. 31, 467[1995]"). 수많은 산업체 및 대학 연구실에서의 전세계적인 여러 노력에도 불구하고, 가시 스펙트럼에 걸친 광 출력을 생성하는 가시광 레이저 다이오드(에지 이미터 또는 VCSEL)를 창출하기 위해 해야될 많은 일들이 남아 있다.
가시 파장 VCSEL을 제조하기 위한 노력으로, 무기-계 시스템을 버리고 유기-계 레이저 시스템에 초점을 맞추는 것이 이로울 것인데, 이는 유기-계 게인 물질이가시 스펙트럼에서의 무기-계 게인 물질 보다 다수의 이점을 갖고 있을 수 있기 때문이다. 예를 들어, 전형적인 유기-계 게인 물질은 낮은 미펌핑(unpumped) 스캐터링/흡수 손실 및 높은 양자 효율의 특성을 갖는다. 무기 레이저 시스템에 비하여, 유기 레이저는 비교적 제조비가 저렴하고, 가시 범위 전체에 걸쳐 방출하도록 제조될 수 있고, 임의의 크기로 비례화할 수 있으며, 가장 중요하게는 단일 칩으로부터 다중 파장(예컨대, 적색, 녹색 및 청색)을 방출하는 것이 가능하다. 과거 수년 동안, 유기-계 고체-상태 레이저를 제조하고자 하는 관심이 증가하고 있다. 레이저 게인 물질은 중합체이거나 저분자중 하나이었으며, 다수의 상이한 공명 공동 구조, 예컨대 미세공동(Kozlov 등의 미국 특허 제 6,160,828 호), 도파관, 고리 마이크로레이저, 및 분포형 피드백이 사용되었다(또한, 예컨대 G. Kranzelbinder 등의 문헌 "Rep. Prog. Phys. 63, 729[2000]" 및 M. Diaz-Garcia 등의 미국 특허 제 5,881,083 호 참조). 이러한 모든 구조와 관련된 문제점으로는, 레이저 방출을 달성하기 위해서는 또다른 레이저원을 이용한 광학적 펌핑에 의해 공동을 흥분시킬 필요가 있다는 점이다. 더욱 조밀하며 구조물을 조정하기 용이하게 하므로 전기적으로 레이저 공동을 펌핑시키는 것이 훨씬 바람직하다.
전기적으로-펌핑된 유기 레이저를 달성하는데 주된 장벽은 유기 물질의 작은 캐리어(carrier) 이동성으로, 이러한 이동성은 전형적으로 10-5㎠/(V-s) 정도이다. 이러한 낮은 캐리어 이동성은 많은 문제를 유발한다. 이는 낮은 캐리어 이동성을 갖는 디바이스는 전형적으로 큰 전압 강하 및 옴 가열을 회피하기 위해 얇은 층을사용해야 하는 제한이 있다. 이러한 얇은 층으로 인해 손실이 많은 캐쏘드 및 애노드내로 투과하는 레이저방출 모드가 존재하며, 이는 레이저방출 역치를 크게 증가시킨다(V.G. Kozlov 등의 문헌 "J. Appl. Phys. 84, 4096[1998]"). 유기 물질에서의 전자-정공 재결합이 랑제방(Langevin) 재결합(이의 비율은 운반체 이동성에 따라 비례화한다)에 의해 지배되기 때문에, 낮은 캐리어 이동성은 일중항(singlet) 여기자보다 전하 캐리어를 더욱 중대하게 하였으며, 그 결과 중 하나는 전하-유도된(폴라론) 흡수가 상당한 손실 메카니즘이 될 수 있다는 것이다(N. Tessler 등의 문헌 "Appl. Phys. Lett. 74, 2764[1999]). 레이저 장치가 5% 내부 양자 효율을 갖는 것으로 가정하고, 약 100W/㎠의 현재까지 보고된 최소 레이저 방출 역치를 사용하고(M. Berggren 등의 문헌 "Nature 389, 466[1997]"), 전술한 손실 메카니즘을 무시하면, 하한치는 1000A/㎠의 전기적-펌핑 레이저방출 역치가 될 것이다. 이들 손실 메카니즘을 포함하는 것은 레이저방출 역치가 1000A/㎠ 이상에 위치할 것이며, 이는 현재까지 보고된 가장 높은 전류 밀도이고, 유기 디바이스에 의해 지지될 수 있다(N. Tessler, Adv. Mater. 19, 64[1998]).
유기 레이저에 대한 전기적 펌핑의 다른 방법은 무기(M.D. McGehee 등의 문헌 "Appl. Phys. Lett. 72, 1536[1998]") 또는 유기(Berggren 등의 미국 특허 제 5,881,089 호) 어느 것이든 발광 다이오드(LED)와 같은 인코히런드(incoherent) 광원에 의한 광학적 펌핑이다. 이러한 가능성은 레이저방출 파장에서 재결합 스캐터링 및 흡수 손실(약 0.5㎝-1)이 크게 감소된 미펌핑 유기 레이저 시스템의 결과이며, 특히 활성 매질로서 호스트-도판트 재조합을 사용하는 경우 그러하다. 이들 작은 손실을 이용하지만, 지금까지 보고된 유기 레이저에 관한 광학적-펌핑 최소 역치는 도파광 레이저 디자인에 기초하여 100W/㎠이다(M. Berggren 등의 문헌 "Nature 389, 466[1997]"). 언제나 구입가능한(off-the-shelf) 무기 LED는 약 20W/㎠ 이하의 전력 밀도를 제공할 수 있을 뿐이므로, 상이한 방법을 취하여 인코히런트 공급원에 의한 광학적 펌핑을 제공해야 한다. 레이저방출 역치를 낮추기 위해, 추가적으로 게인 체적을 최소화하는 레이저 구조물을 선택할 필요가 있으며, VCSEL-계 미세공동 레이저가 이러한 기준을 만족시킨다. VCSEL-계 유기 레이저 공동을 사용한다면 광학적-펌핑 전력 밀도 역치는 5W/㎠ 미만이 되어야 한다. 그 결과, 실용적인 유기 레이저 디바이스는 다수의 쉽게 입수가능한 인코히런트 광원(예: LED)에 의해 광학적으로 펌핑시킴으로써 구동될 수 있다.
증가된 전력 밀도의 함수로서 선형 레이저 광 출력을 생성하는 유기 레이저를 갖는 것이 매우 바람직할 것이다. 불행하게도, 실용적인 유기-계 VCSEL 디바이스의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 광 출력은 펌프-빔 전력 밀도와 함께 비선형적으로 변한다. 데이터를 만드는데 이용된 VCSEL 레이저 공동은 23개 층의 TiO2및 SiO2의 하부 유전성 스택(560㎚에서의 피크 반사율 99.3%), 주기적 게인(Corzine 등의 문헌 "IEEE J. Quant. Electr. 25, 1513[1989]") 활성 영역, 및 29개 층의 TiO2및 SiO2의 상부 유전성 스택(560㎚에서의 피크 반사율 99.98%)으로 이루어졌다. 주기적 게인 활성 영역은 1,1-비스-(4-비스(4-메틸-페닐)-아미노-페닐)-사이클로헥산(TAPC) 층과 분리되는, 0.5%의 [10-(2-벤조티아졸릴)-2,3,6,7-테트라하이드로-1,1,7,7-테트라메틸-1H,5H,11H-[1]벤조피라노[6,7,8-ij]퀴놀리진-11-온](C545T)로 도핑된 2개의 0.025㎛ 두께의 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)[Alq] 층을 함유하였다. 펌프-빔은 5KHz의 반복율 및 50nsec의 펄스 폭을 갖는 403㎚ 5mW 니치아(Nichia) 레이저 다이오드로부터 초점화된 출력(1000㎜ 렌즈)이었으며, 상기 전력 밀도는 2개의 광학 필터 휠(wheel)의 사용에 의해 변하였다. 레이저 출력의 포화에 덧붙여, 유기 VCSEL 레이저 디바이스는 또한 선폭이 펌프-빔 전력 밀도에 대해 비교적 변하지 않은 상태로 남아 있는 이상적 상황과 대조적으로 레이저 방출의 스펙트럼 폭이 펌프-빔 전력 밀도에 극적으로 증가한다는 원치않는 특성을 나타낸다. 이 결과는 도 2에 도시되어 있으며, 이는 레이저 방출의 스펙트럼 폭에서의 상대적 증가를 전술한 디바이스에 대해 플로팅한 것이다. 도 2에서의 데이터는 레이저 출력(50㎜ 집합 렌즈(collecting lens) 및 100㎜ 초점 렌즈를 사용)을 JY 호리바(Horiba) TE-냉각된 이중 단색화장치(0.55m 길이)의 입구 슬릿 상으로 재영상화함으로써 얻어졌다.
본 발명의 목적은 더욱 선형의 레이저 출력 응답을 생성시키고 스펙트럼 선폭 확장 문제를 감소시키는 유기 수직 공동 레이저를 제공하는 것이다.
전술한 문제점은 주기적 게인 영역과 인접하게 열전도성 층을 포함시킴으로써 현저히 감소할 수 있음이 밝혀졌다.
이러한 목적은,
a) 기판;
b) 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성이고 상기 기판 상에 배치된 하부 유전성 스택;
c) 레이저 광을 생성시키는 유기 활성 영역;
d) 상기 하부 유전성 스택으로부터 이격되어 있으며 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성인 상부 유전성 스택; 및
e) 상기 하부 유전성 스택과 유기 활성 영역 사이에, 상부 유전성 스택과 유기 활성 영역 사이에 또는 둘 모두에 배치된 열전도성 투명 층을 포함하는, 유기 수직 공동 레이저 디바이스에 의해 달성된다.
본 발명의 특징은, 유기 수직 공동 레이저에 열전도성 투명 층을 적절히 위치시킴으로써, 선형 레이저 출력 응답이 현저히 개선되고 스펙트럼 선폭 확장이 현저히 감소될 수 있다는 점이다.
도 1은 종래 기술의 유기 수직 공동 레이저 디바이스에 대한 레이저 광학 출력 대 입력을 도시한 그래프이다.
도 2는 종래 기술의 유기 수직 공동 레이저 디바이스에 대한 입력의 함수로서 레이저 방출의 상대적 스펙트럼 선폭을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 광학적으로 펌핑된 유기-계 수직 공동 레이저의 개략적인 측면도이다.
도 4는 본 발명에 활성 영역내의 게인(gain) 영역 위치를 보여주는 광학적으로 펌핑된 유기-계 수직 공동 레이저의 개략적인 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 광학적으로 펌핑된 2차원 위상-고정(phase-locked) 유기 수직 공동 레이저 어레이(array)의 개략적인 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 광학적으로 펌핑된 2차원 위상-고정된 유기 수직 공동 레이저 어레이의 개략적인 상면도이다.
도 7은 종래 기술의 유기 수직 공동 레이저 디바이스 및 본 발명에 따라 제조된 디바이스에 대한 레이저 광학적 출력 대 입력을 도시한 그래프이다.
도 8은 종래 기술의 유기 수직 공동 레이저 디바이스 및 본 발명에 따라 제조된 다비이스에 대한 입력의 함수로서 레이저 방출의 상대적 스펙트럼 선폭을 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 수직 공동 유기 레이저 디바이스
20 기판
30 하부 유전성 스택
35 열전도성 투명 층
40 유기 활성 영역
50 상부 유전성 스택
60 펌프-빔
70 레이저 방출
100 주기적 게인 영역
110 스페이서(spacer) 층
120 전자기장 패턴
150 에칭된 영역
200 레이저 어레이 디바이스
210 화소간 영역
220 레이저방출 화소
개략적인 수직 공동 유기 레이저 디바이스(10)가 도 3에 도시되어 있다. 기판(20)은 의도된 방향의 광학적 펌핑 및 레이저 방출에 따라 광투과성이거나 또는 불투과성일 수 있다. 광투과성 기판(20)은 투명 유리 또는 플라스틱일 수 있다. 다르게는, 반도체 물질(예: 규소) 또는 세라믹 물질을 포함하지만 이에 한정되지 않는 불투과성 기판이 광학적 펌핑 및 방출 모두가 기판을 통해 일어나는 경우 사용될 수 있다. 기판 상에 하부 유전성 스택(30)이 침착되고, 이어 열전도성 투명 층(35)이 침착된다. 그 다음, 유기 활성 영역(40)이 침착되고, 이어 상부 유전성 스택(50)이 침착된다. 펌프-빔(60)은 기판(20) 및 하부 유전성 스택(30)을 통해 수직 공동 유기 레이저 디바이스(10)를 광학적으로 구동시키고, 유기 활성 영역(40)에 의해 주로 흡수된다. 펌프-빔의 공급원은 인코히런트일 수 있으며, 예컨대 발광 다이오드(LED)로부터의 방출이다. 다르게는, 펌프-빔은 코히런트(coherent) 레이저원으로부터 유래될 수 있다. 도 3은 상부 유전성 스택(50)으로부터의 레이저 방출(70)을 도시하고 있다. 다르게는, 레이저 구조물은 유전성 스택 반사체의 적절한 디자인에 의한 기판(20)을 통한 레이저 방출을 갖는 상부 유전성 스택(50)을 통해 광학적으로 펌핑될 수 있다. 불투과성 기판의 경우, 예컨대 규소의 경우, 광학적 펌핑 및 레이저 방출 모두는 상부 유전성 스택(50)을 통해 일어난다.
하부 및 상부 유전성 스택(30 및 50)은 바람직하게는 통상적인 전자-빔 침착에 의해 침착되며, 번갈아가면서 각각 고굴절율 및 저굴절율 이방성 물질, 예컨대 TiO2및 SiO2로 이루어진다. 다른 물질, 예컨대 고굴절율 층의 경우 Ta2O5가 사용될 수 있다. 하부 유전성 스택(30)은 약 240℃의 온도에서 침착된다. 상부 유전성 스택(50)이 침착되는 동안, 온도는 대략 70℃로 유지되어 유기 활성 물질이 용융되는 것을 방지한다. 본 발명의 다른 양태에서, 상부 유전성 스택은 반사성 금속 거울 층의 침착으로 대체된다. 전형적인 금속으로는 은 또는 알루미늄이 있으며, 이들은 가시 파장 범위에서 90%를 초과하는 반사율을 가진다. 이 다른 실시양태에서, 펌프-빔(60) 및 레이저 방출(70) 둘 모두는 기판(20)을 통해 나아갈 것이다. 하부 유전성 스택(30) 및 상부 유전성 스택(50) 모두는 소정 범위의 파장의 레이저 광에 반사성이다. 반치전폭(Full Widths at Half-Maximum, FWHM)이 1㎚ 미만인 레이저방출 피크를 수득하기 위해 상부 및 하부 유전성 스택의 반사율이 레이저 방출 파장에서 약 99% 초과가 되도록 하는 것이 바람직한 것으로 실험에 의해 밝혀졌다.
제 1 실시양태에서, 열전도성 투명 층(35)은 유기 활성 영역(40)(및 하부 유전성 스택(30))에 인접하게 디바이스(10)에 위치하여 레이저 구조물을 광학적으로 펌핑시킴으로써 생성된 원치 않는 열의 제거를 보조한다. 효율적인 열 제거를 가능하게 하기 위해, 열전도성 투명 층(35)의 열전도성은 TiO2및 SiO2하부 및 상부 유전성 스택(30 및 50)의 열전도성(1 내지 2 W/m-°K)보다 훨씬 크며, 더욱 바람직하게는 100 W/m-°K인 것이 바람직하다. 층의 정확한 두께는 물질의 굴절율에 따라 다르며, 대략적으로 0.2㎛이다. 0.2㎛보다 훨씬 큰 층 두께를 갖는 것은 레이저 출력 스펙트럼에서 추가의 종방향 모드의 출현을 초래하므로 바람직하지 않으며, 반면 더욱 얇은 층은 열 방산에 대해 더욱 높은 열 저항성을 야기할 것이다.
열전도성 투명 층(35)이 레이저 공동의 내부에 위치하므로, 레이저방출 역치의 불필요한 증가를 피하기 위해서는 레이저가 레이저 방출(70) 및 펌프-빔(60)의 파장에서 광학적으로 투명한 것이 바람직하다. 그 결과, 레이저방출 파장 및 펌프-빔(60) 파장에서의 열전도성 투명 층(35)의 흡수 계수는 10㎝-1이하 정도일수 있다.
열전도성 투명 층(35)를 포함하는 2종의 바람직한 물질은 탄화규소(SiC) 및 다이아몬드-유사 탄소(DLC)가 있으며, 이들 둘 다는 매우 우수한 열전도성과 가시 범위 스펙트럼에서의 우수한 광학 투명성을 겸비한다. SiC 및 DLC 모두는 플라즈마-증강된 화학적 증착 또는 이온 빔-보조 스퍼터링에 의해 침착될 수 있다. 350 내지 400℃의 기판 온도에서 플라즈마-증강된 화학적 증착에 의해 침착된 탄화규소는 160W/m-°K의 열전도성을 가진다(Irace 등의 문헌 "Eurosensors XIII p.809[1999]). DLC 필름은 100℃ 미만에서 500℃ 이상 범위의 기판 온도로 플라즈마-증강된 화학적 증착에 의해 침착될 수 있다. 필름의 열전도성은 증착 온도에 따라 증가하고, 전형적으로는 100℃의 기판 증착 온도에서 150W/m-°K이다. 이 기판 온도에서 침착된 필름은 비결정질이다. 더욱 높은 온도에서 침착된 필름은 더욱 높은 열전도성을 갖는 반면 구조상 다결정질이므로 필름의 광학 투명성을 저해한다.
또한, 열전도성 투명 층(35)은 유기 활성 영역(40) 및 상부 유전성 스택(50) 사이에 위치할 수도 있다. 유기 활성 영역(40)의 상부에 층을 침착시키는 것은 유기 활성 영역(40)에 어떠한 손상도 야기시키지 않는 낮은 침착 온도, 전형적으로는 100℃ 미만을 요구한다. 높은 열전도성 층을 수득하는 것이 높은 침착 온도(이는 유기 활성 영역(40)을 손상시키지 않을 것이다)를 전형적으로 필요로 하더라도, 더욱 낮은 침착 온도가 가능함에 따라 유기 활성 영역(40)은 손상되지 않고 그 기능을 보유하면서 열전도성 투명 층(35)에 대해 적당한 열전도성을 부여해준다. DLC는 30℃ 정도로 낮은 온도에서 플라즈마-증강된 화학적 증착에 의해 침착되었다.
도 4는 유기 활성 영역(40)의 더욱 상세한 모습을 보여주는 수직 공동 유기 레이저 디바이스(10)의 개략적인 측면도이다. 유기 활성 영역(40)은 하나 이상의 주기적 게인 영역(100) 및 상기 주기적 게인 영역의 양면에 배치되고 주기적 게인 영역이 디바이스의 정재파(standing wave) 전자기장의 파복(antinode)과 정렬되도록 배열된 스페이서 층을 포함한다. 이는 도 4에 예시되어 있으며, 여기에는 활성 영역(40)에서의 레이저의 정재파 전자기장 패턴(120)이 개략적으로 도시되어 있다. 게인 영역(들)의 배치는 표준 광학 매트릭스 방법을 이용하여 결정된다(Corzine 등의 문헌 "IEEE J. Quant. Electr. 25, 1513[1989]"). 자극된 방출이 파복에서 가장 높고 전자기장의 파절(node)에서 무시될 수 있으므로, 도 4에 도시된 바와 같은 활성 영역(40)을 형성하는데 본래 유익하다. 스페이서 층(110)은 자극된 방출 또는 자발적 방출이 지나가지 않으며 레이저 방출(70) 또는 펌프-빔(60) 파장을 대부분 흡수하지 않는다. 스페이서 층(110)의 예는 유기 물질 TAPC가 있다. TAPC는 레이저 출력 또는 펌프-빔중 하나를 대부분 흡수하지 않고 또한 이의 굴절율은 대부분의 유기 호스트 물질보다 다소 낮기 때문에 스페이서 물질로서 잘 작용한다. 이러한 굴절율 차이는 전자기장 파복과 주기적 게인 영역(들)(100) 사이에서 겹치는 것을 최대화하도록 돕기 때문에 유용하다.
제 2 실시양태에서, 스페이서 층의 유기 물질은 SiC 또는 DLC와 같은 열전도성 물질로 대체된다. 전술한 바와 같이, 이러한 층들은 레이저 방출(70) 및 펌프-빔(60) 파장 둘 모두에 실질적으로 투명하다. 또한, 이들의 높은 열전도성은 주기적 게인 영역(100)으로부터 과량의 열을 추출하는 것을 돕는다. 사실상, 열전도성 투명 매질로 이루어진 스페이서 층을 갖는 것이 매우 바람직한데, 이는 그렇지 않은 경우 도 3에 도시된 바와 같은 제 1 실시양태에서와 같이 활성 영역에 인접한 열전도성 투명 층(35)에 도달하기 전에 열이 불량한 열전도체(예: TAPC)를 먼저 통과해야하기 때문이다. 스페이서 층 물질로서 SiC, DLC 또는 일부 다른 열전도성 투명 매질을 사용하는 결과로서, 주기적 게인 영역(100)에서 생성된 열은 더욱 빠르게 방산되며, 이는 더욱 선형인 레이저 광 출력 응답을 생성하고 레이저 선폭의 스펙트럼 확장 정도를 최소화하는 것을 도와야 한다.
특별히 달리 언급하지 않는 한, "치환된" 또는 "치환기"라는 용어의 사용은 수소 이외 다른 모든 그룹 또는 원자를 의미한다. 또한, "그룹"이라는 용어가 사용될 때, 치환기가 치환가능한 수소를 함유하는 경우 이는 또한 치환기가 디바이스 효용에 필요한 특성을 훼손하지 않는 한 치환기의 비치환된 형태뿐 아니라 본원에 언급된 바와 같은 임의의 치환기(들)로 추가로 치환되는 형태를 포함하는 것으로 의도된다. 적합하게는, 치환기는 할로겐일 수 있거나 탄소, 규소, 산소, 질소, 인, 황, 셀레늄 또는 붕소 원자에 의해 분자의 나머지 부분과 결합될 수 있다. 치환기는 예컨대 할로겐, 예컨대 클로로, 브로모 또는 플루오로; 니트로; 하이드록실; 시아노; 카복실; 또는 예컨대 직쇄 또는 분지쇄 또는 사이클릭 알킬(예: 메틸, 트리플루오로메틸, 에틸 t-부틸, 3-(2,4-디-t-펜티페녹시)프로필 및 테트라데실을 비롯한 알킬로 추가로 치환될 수 있는 그룹; 알케닐, 예컨대, 에틸렌, 2-부텐; 알콕시, 예컨대 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 부톡시, 2-메톡시에톡시, sec-부톡시, 헥실옥시, 2-에틸헥실옥시, 테트라데실옥시, 2-(2,4-디-t-펜틸페녹시)에톡시 및 2-도데실옥시에톡시; 아릴, 예컨대 페닐, 4-t-부틸페닐, 2,4,6-트리메틸페닐, 나프틸; 아릴옥시, 예컨대 페녹시, 2-메틸페녹시, 알파- 또는 베타-나프틸옥시 및 4-톨릴옥시; 카본아미도, 예컨대 아세트아미도, 벤즈아미도, 부티르아미도, 테트라데칸아미도, 알파-(2,4-디-t-펜틸-페녹시)아세트아미도, 알파-(2,4-디-t-펜틸페녹시)부티르아미도, 알파-(3-펜타데실페녹시)-헥산아미도, 알파-(4-하이드록시-3-t-부틸페녹시)-테트라데칸아미도, 2-옥소-피롤리딘-1-일, 2-옥소-5-테트라데실피롤린-1-일, N-메틸테트라데칸아미도, N-숙신이미도, N-프탈이미도, 2,5-디옥소-1-옥사졸리디닐, 3-도데실-2,5-디옥소-1-이미다졸릴 및 N-아세틸-N-도데실아미노, 에톡시카보닐아미노, 페녹시카보닐아미노, 벤질옥시카보닐아미노, 헥사데실옥시카보닐아미노, 2,4-디-t-부틸페녹시카보닐아미노, 페닐카보닐아미노, 2,5-(디-t-펜틸페닐)카보닐아미노, p-도데실-페닐카보닐아미노, p-톨릴카보닐아미노, N-메틸우레이도, N,N-디메틸우레이도, N-메틸-N-도데실우레이도, N-헥사데실우레이도, N,N-디옥타데실우레이도, N,N-디옥틸-N'-에틸우레이도, N-페닐우레이도, N,N-디페닐우레이도, N-페닐-N-p-톨릴우레이도, N-(m-헥사데실페닐)우레이도, N,N-(2,5-디-t-펜틸페닐)-N'-에틸우레이도 및 t-부틸카본아미도; 설폰아미도, 예컨대 메틸설폰아미도, 벤젠설폰아미도, p-톨릴설폰아미도, p-도데실벤젠설폰아미도, N-메틸테트라데실설폰아미도, N,N-디프로필-설파모일아미노 및 헥사데실설폰아미도; 설파모일, 예컨대 N-메틸설파모일, N-에틸설파모일, N,N-디프로필설파모일, N-헥사데실설파모일, N,N-디메틸설파모일, N-[3-(도데실옥시)프로필]-설파모일, N-[4-(2,4-디-t-펜틸페녹시)부틸]설파모일, N-메틸-N-테트라데실설파모일 및 N-도데실설파모일; 카바모일, 예컨대 N-메틸카바모일, N,N-디부틸카바모일, N-옥타데실카바모일, N-[4-(2,4-디-t-펜틸페녹시)부틸]카바모일, N-메틸-N-테트라데실카바모일 및 N,N-디옥틸카바모일; 아실, 예컨대 아세틸, (2,4-디-t-아밀페녹시)아세틸, 페녹시카보닐, p-도데실옥시페녹시카보닐 메톡시카보닐, 부톡시카보닐, 테트라데실옥시카보닐, 에톡시카보닐, 벤질옥시카보닐, 3-펜타데실옥시카보닐 및 도데실옥시카보닐; 설포닐, 예컨대 메톡시설포닐, 옥틸옥시설포닐, 테트라데실옥시설포닐, 2-에틸헥실옥시-설포닐, 페녹시설포닐, 2,4-디-t-펜틸페녹시설포닐, 메틸설포닐, 옥틸설포닐, 2-에틸헥실설포닐, 도데실설포닐, 헥사데실설포닐, 페닐설포닐, 4-노닐페닐설포닐 및 p-톨릴설포닐; 설포닐옥시, 예컨대 도데실설포닐옥시 및 헥사데실설포닐옥시; 설피닐, 예컨대 메틸설피닐, 옥틸설피닐, 2-에틸헥실설피닐, 도데실설피닐, 헥사데실설피닐, 페닐설피닐, 4-노닐페닐설피닐 및 p-톨릴설피닐; 티오, 예컨대 에틸티오, 옥틸티오, 벤질티오, 테트라데실티오, 2-(2,4-디-t-펜틸페녹시)에틸티오, 페닐티오, 2-부톡시-5-t-옥틸페닐티오 및 p-톨릴티오; 아실옥시, 예컨대 아세틸옥시, 벤조일옥시, 옥타데카노일옥시, p-도데실아미도벤조일옥시, N-페놀카바모일옥시, N-에틸카바모일옥시 및 사이클로헥실카보닐옥시; 아민, 예컨대 페닐아닐리노, 2-클로로아닐리노, 디에틸아민, 도데실아민; 이미노, 예컨대 1-(N-페닐이미도)에틸, N-숙신이미도 또는 3-벤질하이단토이닐; 포스페이트, 예컨대 디메틸포스페이트 및 에틸부틸포스페이트; 포스파이트, 예컨대 디에틸 및 디헥실포스파이트; 헤테로사이클릭 그룹, 헤테로사이클릭 옥시 그룹 또는 헤테로사이클릭 티오 그룹(이들 각각은 치환될 수 있으며, 산소, 질소, 황, 인 또는 붕소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 헤테로원자 및 탄소로 이루어진 3원 내지 7원 헤테로사이클릭 고리를 함유할 수 있다), 예컨대 2-푸릴, 2-티에닐, 2-벤즈이미다졸릴옥시 또는 2-벤조티아졸릴; 4급 암모늄, 예컨대 디에틸암모늄; 4급 포스포늄, 예컨대 트리페닐포스포늄; 및 실릴옥시, 예컨대 트리메틸실릴옥시일 수 있다.
요구된다면, 치환기는 그 자체가 기재된 치환기로 1회 이상 추가로 치환될 수 있다. 사용된 특정 치환기는 특정 적용을 위한 요구 특성을 얻기 위해 당해 분야의 숙련자에 의해 선택될 수 있으며, 예컨대 전자-끌기 그룹, 전자-주기 그룹 및 입체기를 포함한다. 분자가 2개 이상의 치환기를 가질 수 있는 경우, 치환기는 달리 제공되지 않는 한 함께 결합하여 융합 고리와 같은 고리를 형성할 수 있다. 일반적으로, 상기 그룹 및 그의 치환기는 48개 이하의 탄소원자, 전형적으로는 1 내지 36개의 탄소원자, 통상적으로는 24개 미만의 탄소원자를 갖는 것을 포함할 수 있지만, 선택된 특정 치환기에 따라 더욱 많은 탄소원자를 가질 수 있다. 치환은 벤조-, 디벤조-, 나프타- 또는 디나프토-융합된 유도체를 예로 들지만 이에 한정되지는 않는 융합 고리 유도체를 포함할 수 있다. 이러한 융합 고리 유도체는 또한 추가로 치환될 수 있다.
방출 물질, 또는 주기적 게인 영역(들)(100)은 단일 호스트 물질로 이루어질 수 있지만, 더욱 통상적으로는 도판트로부터 1차적으로 발광이 나와 임의의 색을 이룰 수 있는 게스트 화합물(도판트)로 도핑된 호스트 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 호스트-도판트 조합은 이들이 게인 매질에 대한 미펌핑 스캐터링/흡수손실(이는 1㎝-1일 수 있다)을 발생시키므로 유익하다. 통상적으로, 도판트는 인광 화합물, 예컨대 WO 98/55561 호, WO 00/18851 호, WO 00/57676 호 및 WO 00/70655 호의 OLED 제품에 대해 기재된 바와 같은 전이 금속 착체를 제외한, 고도 형광 염료로부터 선택된다. 도판트는 전형적으로 0.01 내지 10중량%로 호스트 물질내로 코팅되며, 이때 이들은 적색, 녹색 또는 청색중 하나의 색상을 갖는 발광을 제공하도록 선택될 수 있다. 적색 방출 층에 유용한 호스트-도판트 조합의 예는 호스트 물질로서는 Alq이고, 도판트 물질로서는 1% L39 [4-(디시아노메틸렌)-2-t-부틸-6(1,1,7,7-테트라메틸줄롤리딜-9-에닐)-4H-피란]이다.
도판트로서 염료를 선택하는 중요한 관련성은 도판트 물질의 흡수와 호스트 물질의 방출을 비교하는 것이다. 호스트로부터 도판트 분자로의 효율적인 에너지 전달을 위해(포스터(Forster) 에너지 전달 경유), 필수 조건은 도판트의 흡수가 호스트 물질의 방출과 겹쳐지는 것이다. 당해 분야의 숙련자는 호스트 및 도판트 분자 사이의 에너지의 비복사 전달을 포함하는, 포스터 에너지 전달의 개념에 친숙하다. 호스트 물질을 선택하는 중요한 관련성은 호스트 물질의 흡수가 펌프-빔(60) 광의 방출 스펙트럼과 상당히 겹치는 것이다. 또한, 디바이스(10)의 레이저 방출 파장에서 호스트 물질 또는 호스트 물질과 도판트의 흡수가 작은 것이 바람직하다. 허용가능한 수준의 흡수는 호스트와 도판트 조합의 흡수 계수가 레이저 방출의 파장에서 10㎝-1미만인 것이다.
유용한 형광 방출 물질은 버만(I.B. Berlman)의 문헌 ["Handbook ofFluorescene Spectra of Aromatic Molecules", Academic Press, New York, 1971] 및 EP 1 009 041 호에 기재된 바와 같은 폴리사이클릭 방향족 화합물을 포함한다. 2개 이상의 아민 그룹을 갖는 3급 방향족 아민이 올리고머 물질을 비롯하여 사용될 수 있다.
또다른 종류의 유용한 방출 물질(호스트 또는 도판트용)은 방향족 3급 아민을 포함하는데 상기 방향족 3급 아민은 오직 탄소원자(이들중 1개 이상은 방향족 고리의 구성원이다)에만 결합하는 3가 질소원자를 하나 이상 함유하는 화합물인 것으로 이해된다. 한 형태에서, 방향족 3급 아민은 아릴아민 예컨대 모노아릴아민, 디아릴아민, 트리아릴아민, 또는 올리고머성 아릴아민일 수 있다. 단량체성 트리아릴아민의 예는 클룹펠(Klupfel) 등의 미국 특허 제 3,180,730 호에 예시되어 있다. 1개 이상의 비닐 라디칼로 치환되고/치환되거나 1개 이상의 활성 수소-함유 그룹을 포함하는 다른 적합한 트리아릴아민은, 브랜틀레이(Brantley) 등에 의해 미국 특허 제 3,567,450 호와 미국 특허 제 3,658,520 호에 개시되어 있다.
더욱 바람직한 종류의 방향족 3급 아민은 미국 특허 제 4,720,432 호 및 미국 특허 제 5,061,569 호에 기재된 바와 같은 방향족 3급 아민 잔기를 2개 이상 포함하는 화합물이다. 이러한 화합물로는 하기 화학식 1의 화합물을 포함한다.
상기 식에서,
Q1및 Q2는 독립적으로 선택된 방향족 3급 아민 잔기이고,
G는 연결 그룹, 예컨대 탄소-탄소 결합의 아릴렌, 사이클로알킬렌 또는 알킬렌 그룹이다.
한 실시양태에서, Q1또는 Q2중 하나 이상은 다환식 융합 고리 그룹, 예컨대 나프탈렌을 함유한다. G가 아릴 그룹일 경우, 이는 편의상 페닐렌, 비페닐렌 또는 나프탈렌 잔기이다.
화학식 1을 충족시키고 2개의 트리아릴아민 잔기를 함유하는 유용한 종류의 트리아릴아민은 하기 화학식 2의 화합물이다:
상기 식에서,
R1및 R2는 각각 독립적으로 수소원자, 아릴 그룹 또는 알킬 그룹이거나, 함께 사이클로알킬 그룹을 완성시키는 원자들이고,
R3및 R4는 각각 독립적으로 아릴 그룹이며, 이는 이후에 하기 화학식 3으로 지시된 바와 같이 디아릴-치환된 아미노 그룹으로 치환된다.
상기 식에서,
R5및 R6은 독립적으로 선택된 아릴 그룹이다. 한 실시양태에서, R5또는 R6중 하나 이상은 폴리사이클릭 융합 고리 그룹, 예컨대 나프탈렌을 함유한다.
호스트 물질은 치환되거나 비치환된 트리아릴아민 화합물을 포함할 수 있다. 또다른 종류의 방향족 3급 아민 그룹으로는 테트라아릴디아민이 있다. 바람직한 테트라아릴디아민은 화학식 3으로 지시된 바와 같이 아릴렌 그룹을 통해 연결된 2개의 디아릴아미노 그룹을 포함한다. 유용한 테트라아릴디아민은 하기 화학식 4의 화합물을 포함한다.
상기 식에서,
각각의 Are는 독립적으로 선택된 아릴렌 그룹, 예컨대 페닐렌 또는 안트라센 잔기이고,
n은 1 내지 4의 정수이고,
Ar, R7, R8및 R9는 독립적으로 선택된 아릴 그룹이다. 전형적인 실시양태에서,Ar, R7, R8및 R9중 하나 이상은 폴리사이클릭 융합 고리 그룹, 예컨대 나프탈렌이다.
상기 화학식 1, 2, 3, 4의 다양한 알킬, 알킬렌, 아릴 및 아릴렌 잔기는 각각 차례대로 치환될 수 있다. 전형적인 치환기는 알킬 그룹, 알콕시 그룹, 아릴 그룹, 아릴옥시 그룹 및 할로겐, 예컨대 불화물, 염화물 및 브롬화물을 포함한다. 다양한 알킬 및 알킬렌 그룹은 전형적으로 1 내지 약 6개의 탄소원자를 함유한다. 사이클로알킬 잔기는 3 내지 약 10개의 탄소원자를 함유할 수 있으나, 전형적으로 5, 6 또는 7개의 탄소원자를 함유하며, 그 예로는 사이클로펜틸, 사이클로헥실 및 사이클로헵틸 고리 구조가 있다. 아릴 및 아릴렌 잔기로는 통상적으로 페닐 및 페닐렌 잔기가 있다.
방출 물질은 방향족 3급 아민 화합물 단독으로 또는 그의 혼합물로 형성될 수 있다. 특히, 트리아릴아민, 예컨대 화학식 2를 충족시키는 트리아릴아민이 화학식 4로 지시된 테트라아릴디아민과 함께 사용될 수 있다. 호스트 물질은 치환되거나 비치환된 디카바졸-비페닐 화합물을 포함할 수 있다. 유용한 방향족 3급 아민의 예는 하기와 같다:
4,4'-N,N'-디카바졸-1,1'-비페닐(CBP)(D1),
4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]비페닐(D2),
4,4'-비스[N-(1-나프닐)-N-(2-나프틸)아미노]비페닐(D3),
4,4'-비스[N-(2-나프틸)-N-p-톨릴아미노]비페닐(D4),
1,1-비스(4-디-p-톨릴아미노페닐)사이클로헥산,
1,1-비스(4-디-p-톨릴아미노페닐)-4-페닐사이클로헥산,
4,4'-비스(디페닐아미노)쿼드리페닐,
비스(4-디메틸아미노-2-메틸페닐)-페닐메탄,
N,N,N-트리(p-톨릴)아민,
4-(디-p-톨릴아미노)-4'-[4(디-p-톨릴아미노)-스티릴]스틸벤,
N,N,N',N'-테트라-p-톨릴-4-4'-디아미노비페닐,
N,N,N',N'-테트라페닐-4-4'-디아미노비페닐,
N,N,N',N'-테트라-1-나프틸-4,4'-디아미노비페닐,
N,N,N',N'-테트라-2-나프틸-4-4'-디아미노비페닐,
N-페닐카바졸,
4,4"-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]p-터페닐,
4,4'-비스[N-(2-나프틸)-N-페닐아미노]비페닐,
4,4'-비스[N-(3-아세나프테닐)-N-페닐아미노]비페닐,
1,5-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]나프탈렌,
4,4'-비스[N-(9-안트릴)-N-페닐아미노]비페닐,
4,4"-비스[N-(1-안트릴)-N-페닐아미노]-p-터페닐,
4,4'-비스[N-(2-페난트릴)-N-페닐아미노]비페닐,
4,4'-비스[N-(8-플루오란테닐)-N-페닐아미노]비페닐,
4,4'-비스[N-(2-피레닐)-N-페닐아미노]비페닐,
4,4'-비스[N-(2-나프타세닐)-N-페닐아미노]비페닐,
4,4'-비스[N-(2-퍼릴레닐)-N-페닐아미노]비페닐,
4,4'-비스[N-(1-코로네닐)-N-페닐아미노]비페닐,
2,6-비스(디-p-톨릴아미노)나프탈렌,
2,6-비스[디-(1-나프틸)아미노]나프탈렌,
2,6-비스[N-(1-나프틸)-N-(2-나프틸)아미노]나프탈렌,
N,N,N',N'-테트라(2-나프틸)-4,4"-디아미노-p-터페닐,
4,4'-비스{N-페닐-N-[4-(1-나프틸)-페닐]아미노}비페닐,
4,4'-비스[N-페닐-N-(2-피레닐)아미노]비페닐,
2,6-비스[N,N-디(2-나프틸)아민]플루오렌,
1,5-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]나프탈렌,
4,4',4"-트리스[(3-메틸페닐)페닐아미노]트리페닐아민.
호스트 물질은 치환되거나 비치환된 아자-방향족 화합물을 포함할 수 있다. 예컨대, 호스트 물질은 치환되거나 비치환된 아크리딘, 퀴놀린, 푸린, 페나진, 페녹사진 또는 페난트롤린 화합물을 포함할 수 있다. 카바졸 유도체는 유용한 호스트이다. 유용한 페난트롤린 물질의 예로는 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 및 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린을 포함한다.
호스트 및 도판트 분자는 미국 특허 제 4,768,292 호, 5,141,671 호, 5,150,006 호, 제 5,151,629 호, 제 5,405,709 호, 제 5,484,922 호, 제 5,593,788 호, 제 5,645,948 호, 제 5,683,823 호, 제 5,755,999 호, 제 5,928,802 호,5,935,720 호, 제 5,935,721 호 및 제 6,020,078 호에 개시된 것들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
8-하이드록시퀴놀린 및 유사한 유도체의 금속 착체(화학식 5)는 전기발광을 지지할 수 있는 유용한 호스트 물질의 한 종류이며, 500 ㎚보다 긴 파장, 예컨대 녹색, 황색, 주황색 및 적색 발광에 특히 적합하다.
상기 식에서,
M은 금속이고,
n은 1 내지 3의 정수이고,
Z는 각각의 경우 독립적으로 2개 이상의 융합 방향족 고리를 갖는 핵을 완성시키는 원자이다.
앞서 언급한 것으로부터, 금속은 1가, 2가, 3가 또는 4가 금속일 수 있다는 것이 명백하다. 상기 금속은 예컨대 알칼리 금속(예: 리튬, 나트륨 또는 칼륨), 알칼리 토금속(예: 마그네슘 또는 칼슘), 토금속(예: 알루미늄 또는 갈륨), 또는 전이금속(예: 아연 또는 지르코늄)일 수 있다. 일반적으로, 유용한 킬레이트 금속으로 공지된 임의의 1가, 2가, 3가 또는 4가 금속이 사용될 수 있다.
Z는, 적어도 1개가 아졸 또는 아진 고리인, 2개 이상의 융합 방향족 고리를 함유하는 헤테로사이클릭 핵을 완성시킨다. 지방족 및 방향족 고리 모두를 비롯한 추가의 고리들은, 필요하다면, 2개의 필수 고리와 융합될 수 있다. 기능상의 개선없이 분자량만 커지는 것을 피하기 위해, 고리 원자의 수를 18 이하로 유지하는 것이 통상적이다.
호스트 물질은 치환되거나 비치환된 킬레이트 옥시노이드 화합물을 포함할 수 있다.
유용한 킬레이트 옥시노이드 화합물의 예는 아래와 같다.
CO-1: 알루미늄 트리스옥신[별칭, 트리스(8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)]
CO-2: 마그네슘 비스옥신[별칭, 비스(8-퀴놀리놀라토)마그네슘(II)]
CO-3: 비스[벤조{f}-8-퀴놀리놀라토]징크(II)
CO-4: 비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)-μ-옥소-비스(2-메틸-8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)
CO-5: 인듐 트리스옥신[별칭, 트리스(8-퀴놀리놀라토)인듐]
CO-6: 알루미늄 트리스(5-메틸옥신)[별칭, 트리스(5-메틸-8-퀴놀리놀라토)알루미늄(III)]
CO-7: 리튬 옥신[별칭, (8-퀴놀리놀라토)리튬(I)]
CO-8: 갈륨 옥신[별칭, 트리스(8-퀴놀리놀라토)갈륨(III)]
CO-9: 지르코늄 옥신[별칭, 테트라(8-퀴놀리놀라토)지르코늄(IV)]
호스트 물질은 치환되거나 비치환된 안트라센 화합물을 포함할 수 있다.
9,10-디-(2-나프틸)안트라센의 유도체(화학식 6)는 광전기발광을 지지할 수 있는 유용한 호스트의 한 종류이며, 400 ㎚보다 긴 파장, 예컨대 청색, 녹색, 황색, 주황색 또는 적색 발광에 특히 적합하다.
상기 식에서,
R1, R2, R3, R4, R5및 R6은 하기 군으로부터 선택된 각각의 고리상의 하나 이상의 치환기이다:
1 군: 수소, 또는 탄소수 1 내지 24의 알킬;
2 군: 탄소수 5 내지 20의 아릴 또는 치환된 아릴;
3 군: 안트라세닐, 피레닐 또는 퍼릴레닐의 융합된 방향족 고리를 완성시키는데 필요한 4 내지 24개의 탄소원자;
4 군: 푸릴, 티에닐, 피리딜 및 퀴놀리닐, 또는 다른 헤테로사이클릭 시스템의 융합된 헤테로방향족 고리를 환성시키는데 필요한 탄소수 5 내지 24의 헤테로아릴 또는 치환된 헤테로아릴;
5 군: 탄소수 1 내지 24의 알콕시아미노, 알킬아미노 또는 아릴아미노; 및
6 군: 불소, 염소, 브롬 또는 시아노.
상기 예로는 9,10-디-(2-나프틸)안트라센(F1) 및 2-t-부틸-9,10-디-(2-나프틸)안트라센(F2)이 포함된다. 다른 안트라센 유도체가 호스트로서 유용할 수 있으며, 이로는 9,10-비스[4-(2,2-디페닐에테닐)페닐]안트라센을 포함한다.
벤즈아졸 유도체(화학식 7)는 광전기발광을 지지할 수 있는 또다른 종류의 유용한 호스트를 구성하며, 400 ㎚보다 긴 파장, 예컨대 청색, 녹색, 황색, 주황색 또는 적색 발광에 특히 적합하다.
상기 식에서,
n은 3 내지 8의 정수이고,
Z는 O, NR 또는 S이고,
R 및 R'는 개별적으로 수소; 탄소수 1 내지 24의 알킬, 예컨대 프로필, t-부틸, 헵틸 등; 아릴 또는 탄소수 5 내지 20의 헤테로원자 치환된 아릴, 예컨대 페닐, 나프틸, 푸릴, 티에닐, 피리딜, 퀴놀리닐 및 기타 헤테로사이클릭 시스템; 또는 할로, 예컨대 클로로 및 플루오로; 또는 융합된 방향족 고리를 완성시키는데 필요한 원자이고,
L은 다중 벤즈아졸과 함께 공액상태로 또는 비공액상태로 연결된 알킬, 아릴, 치환된 알킬 또는 치환된 아릴을 구성하는 연결 단위이다.
유용한 벤즈아졸의 예로는 2,2',2"-(1,3,5-페닐렌)트리스[1-페닐-1H-벤즈이미다졸]이 있다.
호스트 물질은 치환되거나 비치환된 벤족사졸 화합물, 치환되거나 비치환된 벤즈티아졸 화합물, 또는 치환되거나 비치환된 벤즈이미다졸 화합물을 포함할 수 있다. 호스트 물질은 치환되거나 비치환된 옥사졸 화합물, 치환되거나 비치환된 트리아졸 화합물, 또는 치환되거나 비치환된 옥사디아졸 화합물을 포함할 수 있다. 유용한 옥사졸 화합물의 예는 1,4-비스(5-페닐옥사졸-2-일)벤젠, 1,4-비스(4-메틸-5-페닐옥사졸-2-일)벤젠 및 1,4-비스(5-(p-비페닐)옥사졸-2-일)벤젠을 포함한다. 유용한 옥사디아졸 화합물의 예는 2-(4-비페닐일)-5-페닐-1,3,4-옥사디아졸 및 2-(4-비페닐일)-5-(4-t-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸을 포함한다. 유용한 트리아졸 화합물의 예는 3-(4-비페닐일)-4-페닐-5-t-부틸페닐-1,2,4-트리아졸을 포함한다.
디스티릴아릴렌 유도체가 또한 호스트 물질 또는 도판트 물질로서 유용하며 여러 예가 미국 특허 제 5,121,029 호에 기재되어 있다. 유용한 방출 물질(호스트 및 도판트)은 화학식 8 또는 화학식 9의 화합물이다.
X-CH=CH-Y-CH=CH-Z
X-(CH=CH)n-Z
상기 식들에서,
X 및 Z는 독립적으로 하나의 질소원자를 갖는 치환되거나 비치환된 방향족 그룹 또는 치환되거나 비치환된 방향족 착체 고리 그룹이고,
n은 1, 2 또는 3이고,
Y는 하나의 질소원자를 갖는 2가 방향족 그룹 또는 2가 방향족 착체 고리 그룹이다.
유용한 예로는 1,4-비스(2-메틸스티릴)-벤젠, 4,4'-(9,10-안트라센디일디-2,1-에텐디일)비스(N,N-비스(4-메틸페닐)-벤젠아민, 4,4'-(1,4-나프탈렌디일디-2,1-에텐디일)비스(N,N-비스(4-메틸페닐)벤젠아민 및 4,4'-(1,4-페닐렌디-2,1-에텐디일)비스(N,N-(4-톨릴))벤젠아민을 포함한다.
도판트는 300 내지 1700㎚ 사이의 방출을 제공하도록 선택된다. 도판트는 형광 또는 인광 염료로부터 선택될 수 있다. 유용한 형광 도판트는 상기 호스트 물질로 기재된 바와 같은 물질을 포함한다. 다른 유용한 형광 도판트는 치환되거나 비치환된 안트라센, 테트라센, 크산텐, 페릴렌, 루브렌, 쿠마린, 로다민 및 퀴나크리돈, 디시아노메틸렌피란 화합물, 티오피란 화합물, 폴리메틴 화합물, 피릴륨 및 티아피릴륨 화합물, 플루오렌 유도체, 페리플란텐 유도체, 인데노페릴렌 유도체, 비스(아지닐)아민 붕소 화합물, 비스(아지닐)메탄 화합물, 나프티리딘, 플루오란텐, 푸란, 인돌, 티아펜, 벤조크산텐, 피렌, 페로피렌, 터페닐, 쿼터페닐, 퀸퀘페닐, 세시페닐, 안탄트렌, 비스안트렌 화합물, N,N,N'N'-4치환된 벤지덴 유도체, N,N,N',N'-테트라릴벤지덴 유도체 및 카보스티릴 화합물 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 이들 종류의 물질의 유도체는 또한 유용한 호스트 물질 또는 그의 조합으로서 작용할 수 있다. 호스트 물질은 종종 3개 이상의 페닐렌 잔기를 함유하는 화합물일 것이다.
유용한 도판트의 예로는 다음을 포함하지만 그에 한정되지는 않는다.
다른 방출 물질은 미국 특허 제 4,539,507 호에 기재된 바와 같은 여러 헤테로사이클릭 광학적 광택제를 포함한다.
방출 물질은 또한 중합체성 물질, 2개 이상의 중합체 물질의 블렌드 또는 도핑된 중합체 또는 중합체 블렌드일 수 있다. 방출 물질은 또한 도판트를 갖거나 갖지 않는 하나 이상의 비중합체 및 중합체 물질의 조합일 수 있다. 전형적인 도판트는 비중합체 분자에 대해 이전에 열거되어 있다. 비중합체 도판트는 중합체 호스트내로 분자상태로 분산될 수 있거나, 도판트는 호스트 중합체내로 중요하지 않은 성분을 공중합시킴으로써 첨가될 수 있다. 전형적인 중합체 물질로는 치환 및 비치환 폴리(p-페닐렌비닐렌)(PPV) 유도체, 치환 및 비치환 폴리(p-페닐렌)(PPP) 유도체, 치환 및 비치환된 폴리플루오렌(PF) 유도체, 치환 및 비치환된 폴리(p-피리딘), 치환 및 비치환된 폴리(p-피리달비닐렌) 유도체, 및 치환 및 비치환된 폴리(p-페닐렌) 사다리 및 계단-사다리 중합체, 및 이들의 공중합체(이는 Diaz-Garcia 등의 미국 특허 제 5,881,083 호 및 그의 참조문헌에 교지됨)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 치환기는 알킬, 사이클로알킬, 알케닐, 아릴, 헤테로아릴, 알콕시, 아릴옥시, 아미노, 니트로, 티오, 할로, 하이드록시 및시아노를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 전형적인 중합체는 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 디알킬-, 디아릴-, 디아미노- 또는 디알콕시-치환된 PPV, 모노 알킬-모노 알콕시-치환된 PPV, 모노 아릴-치환된 PPV, 9,9'-디알킬 도는 디아릴-치환된 PF, 9,9'-모노 알킬-모노 아릴 치환된 PF, 9-모노 알킬 또는 아릴 치환된 PF, PPP, 디알킬-, 디아미노-, 디아릴-, 또는 디알콕시-치환된 PPP, 모노 알킬-, 아릴-, 알콕시-, 또는 아미노-치환된 PPP이다. 또한, 중합체 물질은 예컨대 폴리(N-비닐카바졸)(PVK), 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린 및 PEDOT/PSS로도 일컬어지는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌설포네이트)와 같은 공중합체가 사용될 수 있다.
유용한 스페이서 물질로는 펌프-빔(60) 광의 방출에서 또는 그 이상에서 미미한 흡수를 갖는 것이다. 이전에 언급한 TAPC 이외에, 다른 유용한 물질로는 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌, 모노-1,3-디-, 1,3,5-트리, 및 1,3,5,7-테트라아릴아다만탄, 테트라아릴메탄 및 트립티센 또는 그의 조합을 포함한다.
스페이서 물질은 또한 치환되거나 비치환된 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌, 1,3,5-트리(3,5-디메틸페닐)아다만탄, 1,3,5,7-테트라(4-비페닐)아다만탄, 1,1-비스-(4-비스(4-메틸-페닐)-아미노-페닐)-사이클로헥산, 테트라(4-비페닐)메탄, 또는 2-t-부틸-9,10-o-벤제노-9,10-디하이드로안트라센 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전술한 유기 물질은 승화를 통해 적합하게 침착되나, 선택적 결합제를 사용하여 용매로부터 침착시켜 막 형성을 개선시킬 수 있다. 상기 물질이 중합체이면, 용매 침착이 통상적으로 바람직하다. 승화에 의해 침착되는 물질은, 예컨대 미국특허 제 6,237,529 호에 기재된 바와 같이 탄탈룸 물질로 종종 이루어지는 승화기 "보우트(boat)"로부터 증발될 수 있거나, 또는 도너(donor) 시이트 상에 먼저 도포된 후 기판과 아주 근접한 위치에서 승화될 수 있다. 물질들의 혼합물을 갖는 층은 별도의 승화기 보우트를 사용할 수 있거나, 상기 물질들은 예비 혼합되고 단일 보우트 또는 도너 시이트로부터 도포될 수 있다. 패턴화 침착은 섀도우 마스크, 통합 새도우 마스크(미국 특허 제 5,294,870 호), 도너 시이트로부터 공간-한정 열적 염료 전사(미국 특허 제 5,851,709 호 및 미국 특허 제 6,066,357 호) 및 잉크젯법(inkjet method)(미국 특허 제 6,066,357 호)을 사용하여 달성할 수 있다.
대부분의 유기 레이저 디바이스는 수분 또는 산소 또는 둘 모두에 민감하므로 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 분위기에서 통상 봉합된다. 데시칸드(desiccant), 예컨대 알루미나, 보크사이트, 황산칼슘, 점토, 실리카 겔, 제올라이트, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 황산염, 또는 금속 할로겐화물 및 과염소산염이 상기 봉합된 디바이스에 혼입될 수 있다. 캡슐화 및 데시케이션(desiccation) 방법은 미국 특허 제 6,226,890 호에 기재된 방법을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 또한, 장벽층 예컨대 SiOx, 테프론, 교대하는 무기/중합체 층이 캡슐화를 위해 당해 분야에 공지되어 있다.
본 발명의 추가의 실시양태는 2차원 위상-고정 레이저 어레이 디바이스(200)를 도시한 도 5에 제시되어 있다. 이 디바이스는 넓은 면적의 레이저 구조물을 위해 단일 모드 레이저방출 작동을 가능하게 한다. 기판(20) 상에 하부 유전성스택(30)이 침착되고, 이어 열전도성 투명 층(35)이 침착된다. 그 다음, 유기 활성 영역(40)이 침착되고, 이어 상부 유전성 스택(50)이 침착된다. 레이저 디바이스(10)에 관한 디자인과 유사하게, 유기 활성 영역(40)은 하나 이상의 주기적 게인 영역(100) 및 상기 주기적 게인 영역의 양면에 배치되고 주기적 게인 영역이 디바이스의 정재파 전자기장의 파복과 정렬되도록 배열된 유기 스페이서 층을 포함한다. 하부(30) 및 상부(50) 유전성 스택의 조성 및 스펙트럼 반사율도 또한 레이저 디바이스(10)에 사용된 것과 유사하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 2차원 위상-고정 레이저 어레이(200)를 형성하기 위해, VCSEL의 표면 상에 화소간 영역(210)에 의해 분리된 레이저방출 화소(220)가 한정될 필요가 있다. 위상 고정을 얻기 위해서는, 세기 및 위상 정보가 화소간에 교환되어야 한다. 위상-고정은, 금속을 첨가시키거나(E. Kapon 및 M. Orenstein의 미국 특허 제 5,086,430 호) 또는 상부 유전성 스택내로 딥 에칭(deep etching)시킴으로써(P.L. Gourley 등의 문헌 "Appl. Phys. Lett. 58, 890[1991]) 상부 유전성 스택의 반사율을 조정함으로써 무기 레이저에 적합하다. 상기 두 무기 레이저 어레이의 경우 모두, 레이저 화소는 3 내지 5㎛ 너비(단일 모드 작동이 가능하도록)이었고 화소간 간격이 1 내지 2㎛이었다. 이러한 결과를 유기 레이저 시스템에 적용시키는 것은 일단 유기 층이 침착되면 레이저 구조물 상에 마이크론-규모 패턴화를 수행하기 매우 어려우므로 어느 정도 조심성이 요구된다. 그 결과, 바람직한 실시양태에서 하부 유전성 스택(30)에서 에칭된 영역(150)을 패턴화시켜 형성하고, 표준 사진석판 기법 및 에칭 기법을 사용하여 하부 유전성 스택(30)의 표면 상에 2차원 어레이의 원형 필라(pillar)를 형성함으로써 반사율이 조정된다. 바람직한 실시양태에서, 레이저 화소의 형상은 원형이지만, 다른 화소 형상, 예를 들면 직사각형도 가능하다. 화소간 거리는 0.25 내지 4㎛ 범위이다. 위상-고정 어레이 작동으로 화소간 거리는 더욱 커지나, 광학적-펌핑 에너지의 비효율적인 사용이 유도된다. 화소간 반사율을 현저히 저감시키기 위해 무기납을 사용하고 하부 유전성 스택(30)으로 딥 에칭시키는 것은 활성 영역 위치의 상당한 조절을 유도하므로 바람직한 방법이 아니다. 바람직한 방법은 50 내지 550㎚ 깊이로 얕은 에치를 만들어 에칭 영역(150)을 형성하고, 단지 왕복 상이 2π의 정수배 파장의 경우에만 레이저 방출이 일어나는 조건을 사용하는 것이다. 적색 레이저 어레이에 관한 예로서, 레이저방출 파장은 660㎚가 되게 선택되었다. 하부 유전성 스택(30)으로부터의 홀수개의 여러 층(예: 하나의 SiO2층 또는 2개의 SiO2층과 하나의 TiO2층)을 제거함으로써, 화소간 영역(210)에서의 레이저방출 파장이 가능한 한 660㎚(약 610 및 710㎚)로 확장되는 것으로 산출되었다(S.W. Corzine 등의 문헌 "IEEE J. Quant. Electron. 25, 1513[1989]"). 이 과정에서, 710㎚ 영역에서 레이저방출 및 자발적 방출 신호가 매우 작은 것으로 밝혀졌다. 또한, 인접한 TiO2층으로 수십배 나노미터 깊이로 에칭함으로써 단파장 공명 조건이 590㎚ 파장 영역으로 확장될 것으로 결정되었다. 이 파장 영역에서, 유전성 스택 반사율은 현저히 감소되고(이는 원치 않는 레이저방출을 저해할 것이다) 게인 매질의 형광 세기가 더욱 감소된다(이는 원치 않는 자발적 방출을 저해할 것이다). 따라서, 하부 유전성 스택(30)내로 홀수개의 여러 층의 쌍을 지나쳐 에칭함으로써 화소간 영역(210)에서 레이저방출 작동은 방지되고 자발적 방출은 현저히 감소한다. 에칭된 영역(150) 형성의 최종 결과는 레이저 방출이 레이저 화소(220)에 약하게 구속되고, 화소간 영역(21)으로부터 어떠한 레이저방출도 유래하지 않고, 코히런트 위상-고정 레이저 광이 어레이(200)에 의해 방출되는 것이다.
도 6에서의 레이저 화소(220)는 사각형의 2차원 어레이로 배열되며, 이로 인해 위상-고정된 작동하에 각 소자가 가장 인접한 4개의 근접점과 180도 위상이 벗어난다(E. Kapon 및 M. Orenstein의 미국 특허 제 5,086,430 호). 다른 배열의 레이저 화소(220)가 가능하며, 예를 들면 선형 어레이 또는 다른 2차원 주기적 배열의 화소가 있다. 그러나, 카폰 등에 의해 제시된 바와 같이(미국 특허 제 5,086,430 호) 밀접하게 채워진 2차원 배열(예컨대 6각형 격자 어레이)로 인해 인접 화소간에 더욱 복잡한 위상 관계를 유발한다.
제 1 실시양태와 유사하게, 열전도성 투명 층(35)이 유기 활성 영역(40) (및 하부 유전성 스택(30))과 인접하게 2차원 위상-고정 레이저 어레이(200)에 배치되어 레이저 구조물을 광학적으로 펌핑시킴으로써 생성된 원치 않는 열의 제거를 보조한다. 효율적인 열 제거를 가능하게 하기 위해, 열전도성 투명 층(35)의 열전도성은 TiO2및 SiO2하부 및 상부 유전성 스택(30 및 50)(1 내지 2W/m-°K)의 열전도성 보다 훨씬 크며, 바람직하게는 100W/m-°K 초과인 것이 바람직하다. 층의 정확한 두께는 물질의 굴절율에 따라 다르며 대략적으로 0.2㎛이다. 0.2㎛ 보다 훨씬큰 층 두께를 갖는 것은 레이저의 출력 스펙트럼에서 추가의 종방향 모드의 출현을 초래하므로 바람직하지 않으며, 반면 더욱 얇은 층은 열 방산에 대해 더욱 높은 열저항성을 야기할 것이다.
열전도성 투명 층(35)이 레이저 공동의 내부에 위치하므로, 레이저방출 역치의 불필요한 증가를 회피하기 위해 층은 레이저 방출(70) 및 펌프-빔(60)의 파장에서 광학적으로 투명한 것이 바람직하다. 그 결과, 레이저방출 파장 및 펌프-빔(60) 파장에서의 열전도성 투명 층(35)의 흡수 계수는 10㎝-1이하 정도이어야 한다.
열전도성 투명 층(35)을 포함하는 2종의 바람직한 물질로는 SiC 및 DLC이 있으며, 이들 모두는 가시 스펙트럼에서 우수한 광학 투명성과 매우 우수한 열전도성을 겸비한다. SiC 및 DLC 모두는 플라즈마-증강된 화학적 증착 또는 이온 빔-보조된 스퍼터링에 의해 침착될 수 있다. 350 내지 400℃ 기판 온도에서 플라즈마-증강된 화학적 증착에 의해 침착된 탄화규소는 160W/m-°K의 열전도성을 가진다(Irace 등의 문헌 "Eurosensors XIII p809[1999]"). DLC 필름은 100℃ 미만 내지 500℃ 이상의 범위의 기판 온도로 플라즈마-증강된 화학적 증착에 의해 참착될 수 있다. 필름의 열전도성은 전형적으로 100℃의 기판 침착 온도에서 150W/m-°K이다. 이 기판 온도 범위에서 침착된 필름은 비결정질이다. 더욱 높은 온도에서 침착된 필름은 더욱 높은 열전도성을 갖는 반면 구조상 다결정질이므로 필름의 광학 투명성을 저해한다.
또한, 열전도성 투명 층(35)은 유기 활성 영역(40) 및 상부 유전성 스택(50) 사이에 위치할 수도 있다. 유기 활성 영역(40)의 상부에 층을 침착시키는 것은 유기 활성 영역(40)에 어떠한 손상도 야기시키지 않는 낮은 침착 온도, 전형적으로는 100℃ 미만을 요구한다. 높은 열전도성 층을 수득하는 것이 높은 침착 온도(이는 유기 활성 영역(40)을 손상시키지 않을 것이다)를 전형적으로 필요로 하더라도, 더욱 낮은 침착 온도가 가능함에 따라 유기 활성 영역(40)은 손상되지 않고 그 기능을 보유하면서 열전도성 투명 층(35)에 대해 적당한 열전도성을 부여해준다. DLC는 30℃ 정도로 낮은 온도에서 플라즈마-증강된 화학적 증착에 의해 침착되었다.
상기 제 2 실시양태에서와 같이, 스페이서 층의 유기 물질은 SiC 또는 DLC와 같은 열전도성 물질로 대체된다. 전술한 바와 같이, 이러한 층들은 레이저 방출(70) 및 펌프-빔(60) 파장 둘 모두에 실질적으로 투명하다. 또한, 이들의 높은 열전도성은 주기적 게인 영역(100)으로부터 과량의 열을 추출하는 것을 돕는다. 사실상, 열전도성 투명 매질로 이루어진 스페이서 층을 갖는 것이 매우 바람직한데, 이는 그렇지 않은 경우 도 3에 도시된 바와 같은 제 1 실시양태에서와 같이 활성 영역에 인접한 열전도성 투명 층(35)에 도달하기 전에 열이 불량한 열전도체(예: TAPC)을 먼저 통과해야하기 때문이다. 스페이서 층 물질로서 SiC, DLC 또는 일부 다른 열전도성 투명 매질을 사용하는 결과로서, 주기적 게인 영역(100)에서 생성된 열은 더욱 빠르게 방산되며, 이는 더욱 선형인 레이저 광 출력 응답을 생성하고 레이저 선폭의 스펙트럼 확장 정도를 최소화하는 것을 도와야 한다.
2차원 위상-고정 레이저 어레이 디바이스(200)는 입사하는 펌프-빔공급원(60)에 의해 광학적으로 구동되고 위상-고정 레이저 방출(70)을 내보낸다. 유기 레이저 공동의 레이저방출 전력 밀도 역치에 따라, 펌프-빔은 초점화된 레이저 광 또는 인코히런트 LED 광중 하나일 수 있다. 도 5는 상부 유전성 스택(50)을 통한 레이저 방출(70)을 보여준다. 다르게는, 레이저 구조물은 유전성 스택 반사 특성의 적절한 디자인에 의한 기판(20)을 통해 레이저가 방출되는 상부 유전성 스택(50)을 통해 광학적으로 펌핑된다. 불투과성(예: 규소) 기판인 경우, 광학적 펌핑 및 레이저 방출 모두는 상부 유전성 스택(50)을 통해 일어난다. 광학적으로-펌핑된 유기 레이저 어레이 디바이스의 작동은 다음 수단에 의해 일어난다. 펌프-빔(60)은 기판(20) 및 하부 유전성 스택(30)을 통해 투과하고, 주기적 게인 영역(들)(100)에 의해 흡수되며, 이때 펌프-빔 에너지의 일부가 더욱 긴 파장의 레이저 광으로서 재방출된다. 펌프-빔(60)이 기판(20)을 통해 들어오는 경우, 레이저 출력(70)이 상부 유전성 스택(50)을 통해 주로 나오는 것을 확인하기 위해, 상부 유전성 스택(30) 피크 반사율이 하부 유전성 스택(50) 피크 반사율보다 크도록 선택하는 것이 필요하다. 디바이스의 전력 전환 효율을 개선시키기 위해, 유전성 스택 둘 모두에 대해 추가의 유전성 층을 추가하는 것이 통상 행해지므로 하부 유전성 스택(30)은 펌프-빔(60)에 매우 투과성이며 상부 유전성 스택(50)은 펌프-빔(60)에 매우 반사적이다. 레이저 광(70)은 레이저 화소(220)에 의해 방출되며, 약한 감금(confinement)의 결과로서 위상 및 세기 정보 모두가 화소간에 교환된다. 따라서, 코히런트 위상-고정 레이저 방출이 상부 유전성 스택(50)을 통해 일어난다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 상부 유전성 스택(50)은 반사성 금속 거울 층의 침착으로 대체된다. 전형적인 금속은 은 또는 알루미늄이며, 이들은 90% 초과의 반사율을 가진다. 아래 위치하는 유기 층에 손상을 야기시키는 것을 방지하기 위해 금속은 진공 열 증발에 의해 침착되는 것이 바람직하다. 이 다른 실시양태에서, 펌프-빔(60) 및 레이저 방출(70) 모두는 기판(20)을 통해 나아갈 것이다.
하기 실시예는 본 발명의 추가적인 이해를 위해 제시되며 이에 한정되는 것으로 간주되지 않는다.
실시예 1
유기 활성 영역(40)과 인접한 열전도성 층을 위치시키는 레이저 방출 특성에 대한 충격을 측정하기 위해, 상부 유전성 스택(50)을 Ag 거울로 대체하여 레이저 디바이스(10)를 제조하였다. 레이저 구조물을 미리-세척된 6인치 석영 기판(20) 상에 침착시켰다. 기판(20) 상에, 번갈아가면서 각각 고굴절율 및 저굴절율의 TiO2및 SiO2층으로 이루어진 하부 유전성 스택(30)을 240℃에서 통상적인 전자-빔 침착에 의해 침착시켰다. 생성된 유전성 거울은 560㎚에서 약 99.3%의 피크 반사율 측정치를 가졌다. 하부 및 상부 유전성 스택(30)에 고진공 열 증발에 의해 유기 활성 영역(40)을 침착시켰으며, 순서대로 149㎚의 TAPC, 0.5% C545T를 갖는 30㎚의 Alq 및 207㎚의 TAPC을 성장시켰다. 마지막으로, 200㎚ 두께의 Ag 금속 거울을 고진공 열 증발에 의해 침착시켰다.
상부 유전성 스택(50)이 Ag 거울로 대체되므로, 펌프-빔(60) 및 레이저방출(70) 모두는 석영 기판(20)을 통해 나아갔다. 디바이스의 스펙트럼 및 전력 특성 모두에 대해 시험하기 위해, 레이저 공동을 5mW 니치아 레이저 다이오드로부터의 403㎚ 출력을 사용하여 정상으로부터 약 30°로 기판 측으로부터 광학적으로 펌핑시켰다. 펌프 레이저는 5 KHz의 반복율로 50nsec 레이저 펄스를 생성시켰다. 펌프-빔 강도를 2개의 중성 밀도 휠을 조합하여 조정하였으며, 이를 1000㎜ 렌즈를 사용하여 레이저 공동 표면 상으로 초점화하였다. 디바이스 표면에 생성된 펌프-빔 스팟 측정 크기는 177×243㎛의 타원형이었다. 공동으로부터의 레이저 출력(70)을 슬릿과 가장 근접한 50㎜ f2 렌즈 및 100㎜ f4 렌즈의 조합(레이저의 근접장 이미지를 2배 확대시킴)에 의해 JY-호리바 이중 단색화장치(0.55m)의 입구 슬릿에 초점화시켰다. 단색화장치의 분해능은 약 0.08㎚이고, 그의 출력은 냉각시킨 하마마츠(Hamamatsu) 광전자증배관 튜브로 검출하였다.
도 7은 펌프-빔 출력 밀도의 함수로서 상부 Ag 거울을 갖는 레이저 디바이스의 출력 레이저 전력을 도시한 것이다. 또한, 상기 도면은 어떠한 열전도성 층도 유기 활성 영역(40)과 인접하지 않은 종래 기술의 디바이스의 전력 특성도 포함한다. 도면에서 제시한 바와 같이, 유기 활성 영역(40)에 인접하여 위치한 열전도성 층(Ag 거울)을 갖는 디바이스에 의해 선형 출력 응답이 약 2 W/㎠ 이하의 펌프-빔 전력 밀도가 된다. 한편, 종래 기술의 디바이스의 출력 응답은 모든 펌프-빔 전력 밀도에 대해 비선형이다.
도 8은 종래 기술의 디바이스(도 2에 도시됨) 및 유기 활성 영역(40)에 인접하여 위치한 열전도성 층(Ag 거울)을 갖는 디바이스에 대한 레이저 방출의 상대적스펙트럼 폭을 비교한 것이다. 상기 도면은 유기 활성 영역(40)에 인접하여 위치한 열전도성 층(Ag 거울)을 갖는 디바이스의 스펙트럼 선폭이 약 1W/㎠의 펌프-빔 전력 밀도일 때까지는 크게 확장하기 시작하지 않는 반면, 종래 기술의 디바이스는 35 미만의 인수로 펌프-빔 전력 밀도를 현저히 확장하는 것을 나타낸다. 도 7 및 8로부터의 결과는, 유기 활성 영역(40)과 인접한 열전도성 층을 위치시키는 것은 레이저 디바이스의 선형 출력 응답을 현저히 개선시키고, 또한 스펙트럼 선폭 확장이 문제가 되는 펌프-빔 전력 밀도를 두드러지게 증가시킴을 나타낸다.
본 발명의 유기 수직 공동 레이저 디바이스는, 유기 활성 영역과 인접하게 열전도성 층을 포함함으로써, 선형성이 개선된 레이저 출력 응답을 생성시키고 스펙트럼 선폭 확장 문제를 감소시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. a) 기판;
    b) 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성이고 상기 기판 상에 배치된 하부 유전성 스택;
    c) 레이저 광을 생성시키는 유기 활성 영역;
    d) 상기 하부 유전성 스택으로부터 이격되어 있으며 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성인 상부 유전성 스택; 및
    e) 상기 하부 유전성 스택과 유기 활성 영역 사이에, 상부 유전성 스택과 유기 활성 영역 사이에 또는 둘 모두에 배치된 열전도성 투명 층을 포함하는,
    유기 수직 공동 레이저 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 활성 영역이 하나 이상의 주기적 게인(gain) 영역(들) 및 상기 주기적 게인 영역의 양면에 배치되고 주기적 게인 영역(들)이 디바이스의 정재파(standing wave) 전자기장의 파복과 정렬되도록 배열된 스페이서(spacer) 층을 포함하는, 유기 수직 공동 레이저 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전성 스택 중 하나 이상을 통해 상기 유기 활성 영역내로 펌프-빔 광이 투과하고 도입되는, 유기 수직 공동 레이저 디바이스.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 주기적 게인 영역(들)이 호스트 물질과 도판트의 조합이고, 상기 스페이서 층이 펌프-빔 광 및 레이저 광에 대해 실질적으로 투명하고 열전도성이거나 비-열전도성인, 유기 수직 공동 레이저 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도성 투명 층이 다이아몬드-유사 탄소 또는 탄화규소를 포함하는, 유기 수직 공동 레이저 디바이스.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 스페이서 층의 각각이 다이아몬드-유사 탄소 또는 탄화규소를 포함하는, 유기 수직 공동 레이저 디바이스.
  7. a) 기판;
    b) 소정 범위의 파장의 광에 대해 반사성이고 상기 기판 상에 배치된 하부 유전성 스택;
    c) 레이저 광을 생성시키는 유기 활성 영역;
    d) 상기 하부 유전성 스택으로부터 이격되어 있으며 소정 범위의 파장의 광에 대해반사성인 상부 유전성 스택;
    e) 상기 하부 유전성 스택과 유기 활성 영역 사이에, 상부 유전성 스택과 유기 활성 영역 사이에 또는 둘 모두에 배치된 열전도성 투명 층; 및
    f) 상기 하부 유전성 스택의 표면에 형성되어, 어레이가 코히런트(coherent) 위상-고정 레이저 광을 방출하도록 화소간 영역보다 높은 반사율을 갖는 이격된 레이저 화소의 어레이를 한정하는 에칭 영역을 포함하는,
    유기 수직 공동 레이저 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 활성 영역이 하나 이상의 주기적 게인 영역(들) 및 상기 주기적 게인 영역의 양면에 배치되고 주기적 게인 영역이 디바이스의 정재파 전자기장의 파복과 정렬되도록 배열된 스페이서 층을 포함하는, 유기 수직 공동 레이저 디바이스.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 유전성 스택 중 하나 이상을 통해 상기 유기 활성 영역내로 펌프-빔 광이 투과하고 도입되는, 유기 수직 공동 레이저 디바이스.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 주기적 게인 영역(들)이 호스트 물질과 도판트의 조합이고, 상기 스페이서 층이 펌프-빔 광 및 레이저 광에 대해 실질적으로 투명하고 열전도성이거나 비-열전도성인, 유기 수직 공동 레이저 디바이스.
KR1020040010442A 2003-02-18 2004-02-17 선형성이 개선된 유기 레이저 KR20040074963A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/368,164 US6870868B2 (en) 2003-02-18 2003-02-18 Organic laser having improved linearity
US10/368,164 2003-02-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20040074963A true KR20040074963A (ko) 2004-08-26

Family

ID=32736400

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040010442A KR20040074963A (ko) 2003-02-18 2004-02-17 선형성이 개선된 유기 레이저

Country Status (6)

Country Link
US (1) US6870868B2 (ko)
EP (1) EP1450456A3 (ko)
JP (1) JP2004253803A (ko)
KR (1) KR20040074963A (ko)
CN (2) CN100350687C (ko)
TW (1) TWI314799B (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2399942A (en) * 2003-03-24 2004-09-29 Univ Strathclyde Vertical cavity semiconductor optical devices
US6836495B2 (en) * 2003-05-07 2004-12-28 Eastman Kodak Company Vertical cavity laser including inorganic spacer layers
US7248367B2 (en) * 2003-06-10 2007-07-24 Therma-Wave, Inc. Characterization of ultra shallow junctions in semiconductor wafers
US6928095B2 (en) * 2003-07-18 2005-08-09 Eastman Kodak Company Organic vertical cavity laser array device with varying pixel sizes
US7372886B2 (en) * 2004-06-07 2008-05-13 Avago Technologies Fiber Ip Pte Ltd High thermal conductivity vertical cavity surface emitting laser (VCSEL)
US7242703B2 (en) * 2004-12-21 2007-07-10 The Trustees Of Princeton University Organic injection laser
US20070034831A1 (en) * 2005-08-09 2007-02-15 Attieh Al-Ghamdi Synthesis of solid state dye laser by y-irradiation polymerization method
CN100433474C (zh) * 2007-03-30 2008-11-12 东南大学 棱镜式垂直腔面发射激光器
KR20120030547A (ko) * 2009-06-17 2012-03-28 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. 미니 분광계를 위한 고투과 및 큰 저지 범위를 갖는 간섭 필터
EP2514382A1 (en) 2011-04-21 2012-10-24 Koninklijke Philips Electronics N.V. MR imaging guided therapy system
EP2786433B1 (en) 2011-11-30 2018-08-01 Novaled GmbH Organic electronic device

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5446754A (en) * 1993-11-05 1995-08-29 Photonics Research Incorporated Phased array semiconductor laser
US5596595A (en) * 1995-06-08 1997-01-21 Hewlett-Packard Company Current and heat spreading transparent layers for surface-emitting lasers
US6160828A (en) 1997-07-18 2000-12-12 The Trustees Of Princeton University Organic vertical-cavity surface-emitting laser
US5881089A (en) 1997-05-13 1999-03-09 Lucent Technologies Inc. Article comprising an organic laser
US5881083A (en) 1997-07-03 1999-03-09 The Regents Of The University Of California Conjugated polymers as materials for solid state laser
JPH11288786A (ja) * 1998-02-04 1999-10-19 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 光共振型有機エレクトロルミネッセンス素子
US6114088A (en) * 1999-01-15 2000-09-05 3M Innovative Properties Company Thermal transfer element for forming multilayer devices
US6392250B1 (en) * 2000-06-30 2002-05-21 Xerox Corporation Organic light emitting devices having improved performance
DE10107349A1 (de) * 2001-02-15 2002-08-29 Markus-Christian Amann Oberflächenemittierender Halbleiterlaser
US6822391B2 (en) * 2001-02-21 2004-11-23 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Light emitting device, electronic equipment, and method of manufacturing thereof
US6658037B2 (en) * 2001-04-11 2003-12-02 Eastman Kodak Company Incoherent light-emitting device apparatus for driving vertical laser cavity
US6687274B2 (en) * 2002-02-04 2004-02-03 Eastman Kodak Company Organic vertical cavity phase-locked laser array device
US6728278B2 (en) * 2002-05-23 2004-04-27 Eastman Kodak Company Organic vertical cavity laser array device
US6970488B2 (en) * 2002-10-16 2005-11-29 Eastman Kodak Company Tunable organic VCSEL system
US6790696B1 (en) * 2003-06-30 2004-09-14 Eastman Kodak Company Providing an organic vertical cavity laser array device with etched region in dielectric stack

Also Published As

Publication number Publication date
EP1450456A3 (en) 2005-04-06
CN1523719A (zh) 2004-08-25
CN100350687C (zh) 2007-11-21
EP1450456A2 (en) 2004-08-25
JP2004253803A (ja) 2004-09-09
US6870868B2 (en) 2005-03-22
TWI314799B (en) 2009-09-11
CN101017958A (zh) 2007-08-15
US20040161004A1 (en) 2004-08-19
TW200425604A (en) 2004-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6996146B1 (en) Providing an improved organic vertical cavity laser array device
WO2006012056A2 (en) Selective light absorption shifting layer and process
KR20040074963A (ko) 선형성이 개선된 유기 레이저
US6876684B2 (en) Organic vertical cavity lasing device having organic active region
KR101012942B1 (ko) 무기 스페이서 층을 포함하는 수직 공동 레이저
EP1408591B1 (en) Organic vertical cavity lasing devices having organic active region
KR101045726B1 (ko) 유전체 스택내 에칭된 영역을 갖는 유기 수직 공동 레이저어레이 장치의 제조방법
US7012942B2 (en) Modulating the properties of the gain region at spaced locations in an organic vertical cavity laser array device
EP1647077B1 (en) Organic vertical cavity laser array device
KR20070031329A (ko) 수직공동 레이저 어레이를 사용하는 직시형 디스플레이디바이스

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application