KR20100073228A - 외광 효율이 향상된 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 외광 효율이 향상된 발광소자를 개시한다. 상기 발광소자는 내부 전반사를 최소화하면서 추출광과 집속화를 극대화시킨 것으로, 이를 통해 외광 추출 효율을 위한 프로세스 공정의 간소화가 가능함은 물론, 본 발명의 발광소자를 적용하는 OLED, LED 또는 조명에 적용되어 외부발광추출효율 증가를 실현한다.
외광효율, OLED, 발광소자, 실리카 에어로겔, 저굴절율층
Description
본 발명은 발광소자(Luminous Diode), 상세하게는 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode) 또는 유기 발광 다이오드(OLED; Organic Light Emitting Diode)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저굴절율 마이크로렌즈필름을 구비하여 높은 외광추출효율(또는 외광효율)을 구현할 수 있도록 하는 발광소자에 관한 것이다.
발광소자 중 OLED는 유기 박막으로 이루어지는 발광층에 전압을 걸어서 전하를 주입함에 의해 전기에너지를 광 에너지로 변환하여 발광하는 소자이다.
상기 발광소자로서의 유기 발광 다이오드 소자를 구비하는 발광형 표시장치(이하 "OLED 디스플레이"라고 칭함)는 액정표시장치로 대표되는 비발광형의 표시장치와는 달리 자발광형이기 때문에 백라이트 등의 보조 광원이 불필요하므로 박형, 경량이다.
또한, OLED 디스플레이는 시야각이 넓고, 표시의 응답 속도가 빠르다고 하는 특징을 가지며, 첨부된 도 1에서와 같이 기판(glass)(1)에 투명전극(ITO, 양극)(2), 홀 수송층과 발광층 및 전자 수송층을 포함하는 유기발광층(organic)(3), 그 리고 음극(cathode)(4)을 순차적으로 적층한 구조로 되어 있다.
상기 투명전극(2)과 음극(4)과의 사이에 직류 전압을 인가하면, 유기발광층(3)으로부터 소정의 파장의 발광이 발생하고, 유기발광층(3)으로부터 출사하는 광의 일부는 투명전극(2)을 통과하여 관찰자에 의해 관찰된다.
그러나, 적층면에 대략 평행한 방향으로 출사하는 광이나, 각층의 계면에 있어서 광의 입사각도가 임계각보다 큰 광은 적층면에 평행한 방향으로 도파하고, 관찰자측에게는 출사하지 않기 때문에 표시광으로서 유효하게 이용되지 않는다고 하는 문제점이 있다.
일반적으로, 광 추출 효율(발광층으로부터 출사하는 발광량에 대하여, 소자로부터 관찰자측에 추출되는 광량의 비율)은 첨부된 도 1에서와 같이 고전 광학적인 견해에 의하면 20% 정도라고 하여, 유기발광층(3)으로부터 출사한 광의 대부분은 적층면에 평행한 방향으로 도파하여, 손실로 되고 있다.
이 때문에, 저소비 전력으로 밝은 OLED 디스플레이를 실현하기 위해서는, 도파 손실을 저감하여, 광 추출 효율을 향상시키는 것이 중요하다.
즉, 종래 많은 연구자들이 발광소재 자체의 효율향상 뿐만 아니라, 외광 효율을 향상시키는 방법에 대한 연구를 활발히 진행하고 있으며, 이러한 연구의 일환으로서 외광추출 효율을 향상시키기 위하여, 도 2에서와 같이 쉐이프드 글래스(shaped glass)방법(Ref: Gu, Garbuzov, Burrows, Vankatesh, Forrest and Thompson, Opt. Lett. 22, 396 (1997)) 등이 시도되어 왔으며, 도 2의 쉐이프드 글래스 방법은 자동차의 전조등의 원리와 같이 유리기판에 패턴을 파서 OLED의 발광 층에서 나오는 빛을 반사시켜 전면부로 나오게 하는 방법이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 외광추출효율(또는 외광효율)을 향상시키고, 이를 통해 OLED, LED 발광소자에 적용되어 외부발광추출효율향상을 실현하는 외광 효율이 향상된 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명의 외광효율이 향상된 발광소자는, 기판에 투명전극(ITO), 그리고 유기발광층과 음극을 순차적으로 적층한 구조에 있어서, 상기 기판과 유기발광층의 사이에 내부 전반사를 최소화하면서 추출광과 집속화를 극대화시키는 저굴절율층을 배치 구성한 것이다.
또한, 상기 저굴절율층은 굴절률 불일치(mis-matching)에 따른 빛의 산란을 줄여 외광추출효율을 향상시키도록 광이 투과 가능한 실리카 에어로겔(silica aerogel)로 구성된다.
또한, 상기 저굴절율층은 한면은 평면 구조이고, 다른 한면에는 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array)가 형성된다.
또한, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 광의 회절현상을 최소화하도록 마이크로 단위의 둥근 렌즈들이 불규칙(Random)한 배열 구조로 형성된 것이다. 마이크로 렌즈어레이는 Si 웨이퍼 등에 기존의 반도체공정(박막, 에칭)을 적용하고 프레스몰딩 방식을 적용하여 만들 수 있다. 또한 아래와 같은 효과를 증대시키기 위하여 상기 마이크로 렌즈 어레이는 광의 회절현상을 최소화하도록 마이크로단위의 둥근 렌즈들이 불규칙(Random) 배열구조를 가질 수 있다.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명의 발광소자는 내부 전반사를 최소화하면서 추출광과 집속화를 극대화시킨 것으로, 이를 통해 외광 추출 효율을 위한 프로세스 공정의 간소화가 가능함은 물론, 본 발명의 발광소자를 적용하는 표시장치들이 높은 시인성을 실현하는 효과를 얻을 수 있는 것이다.
이하, 첨부된 도면에 이하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예로 저굴절율층이 적용된 발광소자의 구조도이고, 도 4는 본 발명의 실시예로 저굴절율층의 구조도이며, 도 5는 본 발명의 실시예로 저굴절율층이 적용되는 발광소자의 외광추출상태를 보인 개략도를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광소자는, 기판(10), 투명전극(20), 유기발광층(30), 음극(40)에 더하여 저굴절율층(50)을 더 포함한다.
즉, 통상적인 발광소자는 기판(10)에 투명전극(ITO)(20), 그리고 유기발광층(30)과 광 반사성의 금속으로 이루어지는 음극(40)을 순차적으로 적층한 것이고, 상기 저굴절율층(50)은 상기 기판(10)과 유기발광층(30)의 사이에 배치 구성한 것이다.
상기 기판(10)의 형성 재료로는 광을 투과 가능한 투명 혹은 반투명 재료, 예를 들어, 투명한 유리, 석영, 사파이어, 혹은 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르케톤 등의 투명한 합성 수지 등을 들 수 있다. 특히, 기판(10)의 형성 재료로는 염가의 소다 유리가 적합하게 사용된다.
상기 투명전극(20)은 인듐주석 산화물(ITO: Indium Tin 0xide) 등으로 되는 투명 전극으로 광을 투과할 수 있는 것이다.
상기 유기발광층(30)은 정공수송층 또는 정공주입층과 발광층을 포함하거나, 또는 정공수송층과 정공주입층 및 발광층을 포함하는 것으로, 상기 정공수송층은 트리페닐아민 유도체(TPD), 피라졸린 유도체, 아릴아민 유도체, 스틸벤 유도체, 트리페닐디아민 유도체 등으로 형성한 것이다.
상기 정공주입층은 동프탈로시아닌(CuPc)이나, 폴리테트라하이드로티오페닐페닐렌인 폴리페닐렌비닐렌, 1,1-비스-(4-N,N-디톨릴아미노페닐)시클로헥산, 트리스(8-하이드록시퀴노리놀)알루미늄 등을 사용한 것이고, 상기 발광층은 저분자의 유기 발광 색소나 고분자 발광체, 즉 각종의 형광 물질이나 인광 물질 등의 발광 물질, Alq3(알루미늄 킬레이트 착체) 등의 유기 전계 발광 재료를 사용한 것이다.
상기 음극(40)은 알루미늄(Al)이나 마그네슘(Mg), 금(Au), 은(Ag)등으로 되는 금속전극을 나타낸다.
상기 저굴절율층(50)은 내부 전반사를 최소화하면서 추출광과 집속화를 극대화시킬 수 있도록 한 것인 바, 굴절률 불일치에 따른 빛의 산란을 줄여 외광추출효율을 향상시키도록 광이 투과 가능한 실리카 에어로겔(silica aerogel)로 구성하는 한편, 상기 실리카 에어로겔로 구성되는 저굴절율층(50)은 첨부된 도 4에서와 같이 한면은 평면 구조이고, 다른 한면에는 광의 회절현상을 최소화하도록 마이크로 둥근 렌즈들이 불규칙하게 배열되는 마이크로 렌즈 어레이(60)를 형성한 것이다.
여기서, 상기 저굴절율층(50)은 틈새간격으로 인한 빛의 굴절을 방지하기 위해 인덱스 매칭 오일을 써서 상기 기판(10)과 유기발광층(30)의 사이에 가볍게 올려 놓거나, 또는 접착제로 붙일 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광소자는, 우선 첨부된 도 4에서와 같이 한 면은 평면 구조를 이루고 다른 한면에는 불규칙한 배열 구조인 마이크 렌즈 어레이(60)를 형성한 실리카 에어로겔로 구성되는 저굴절율층(50)을 기판(10) 위에 부착시킨다.
다음으로, 상기 저굴절율층(50)의 위에 스퍼터링이나 이온 플레이팅, 진공 증착법 등을 사용하여 투명전극(20)을 형성하고, 상기 투명전극(20)의 위로 차례로 유기발광층(30)과 음극(40)을 증착하여 적층한다.
그러면, 상기 유기발광층(30)으로부터 사출한 광은 투명전극(20)을 투과한 후 저굴절율층(50)을 거쳐 기판(10)에 입사한다.
이때, 상기 실리카 에어로겔로 되는 저굴절율층(50)이 유리나 석영으로 되는 기판(10)보다도 굴절율이 낮기 때문에, 첨부된 도 5에서와 같이 광은 저굴절율 재료로부터 고굴절율 재료로 입사하게 되어, 임계각 이상의 각도로 상기 저굴절율층(50)에 입사한 광이 기판(10)과의 계면에서 임계각 이하로 되는 방향으로 굴절하여, 상기 기판(10)내에서의 전반사 조건으로부터 벗어나기 때문에, 광의 취출(추출) 효율이 향상될 수 있는 것이다.
즉, 유기발광층(30)으로부터 사출한 광은, 기판(10)보다 저굴절율인 저굴절율층(50)을 통과한 후에 기판(10)에 입사하므로, 임계각 이상의 각도로 상기 저굴절율층(50)에 입사한 광은 상기 저굴절율층(50)은 물론, 상기 저굴절율층(50)의 한면에 불규칙한 배열구조로 형성되는 마이크로 렌즈 어레이(60)로부터 기판(10)과의 계면에서 임계각 이하로 되는 방향으로 굴절이 이루어지고, 이에따라 기판(10)내에서의 전반사 조건으로부터 벗어나 외부로의 광 추출효율이 최대화 될 수 있는 것이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 종래 발광소자(OLED)의 구조도.
도 2는 종래 쉐이프드 글래스(shaped glass) 방법으로 외광추출 효율을 개선한 상태의 구조도.
도 3은 본 발명의 실시예로 저굴절율층이 적용된 발광소자의 구조도.
도 4는 본 발명의 실시예로 저굴절율층의 구조도.
도 5는 본 발명의 실시예로 저굴절율층이 적용되는 발광소자의 외광추출상태를 보인 개략도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10; 기판 20; 투명전극
30; 유기발광층 40; 음극
50; 저굴절율층 60; 마이크로 렌즈 어레이
Claims (8)
- 기판과 발광층을 포함하여 순차적층된 구조에 있어서,기판과 발광층의 사이에 내부 전반사를 최소화하면서 추출광과 집속화를 극대화시키는 저굴절율층을 배치 구성하는 것을 특징으로 하는 외광 효율이 향상된 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 순차적층된 구조가 투명전극(ITO), 유기발광층, 음극을 포함하는 OLED인 것을 특징으로 하는 외광효율이 향상된 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 순차적층된 구조가 N전극, 발광층, P전극을 포함하는 LED인 것을 특징으로 하는 외광효율이 향상된 발광소자.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 저굴절율층은 외광추출효율을 향상시키도록 광이 투과 가능한 실리카 에어로겔로 구성하는 것을 특징으로 하는 외광 효율이 향상된 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 저굴절율층은 한면은 평면 구조이고, 다른 한면에는 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array)가 형성되는 것을 특징으로 하는 외광 효율이 향상된 발광소자.
- 제4항에 있어서,상기 저굴절율층은 한면은 평면 구조이고, 다른 한면에는 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array)가 형성되는 것을 특징으로 하는 외광 효율이 향상된 발광소자.
- 제5항에 있어서,상기 마이크로 렌즈 어레이는 광의 회절현상을 최소화하도록 마이크로 미터 크기의 둥근 렌즈들이 불규칙(Random)한 배열 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 외광 효율이 향상된 발광소자.
- 제6항에 있어서,상기 마이크로 렌즈 어레이는 광의 회절현상을 최소화하도록 마이크로 미터 크기의 둥근 렌즈들이 불규칙(Random)한 배열 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 외광 효율이 향상된 발광소자.
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