KR20100087699A - 광출력이 향상된 ｌｅｄ 디바이스 - Google Patents

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Abstract

박막형 백색 발광 다이오드 디바이스는 반사 도전성 박막구조 및 반투명 도전성 박막구조를 포함한다. 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조를 형성하기 위해 상기 반사 및 반투명 도전성 박막구조 사이에 하나 이상의 박막층들이 형성된다. 상기 박막층들은 상기 도전성 박막구조에 의해 제공된 전류에 응답하여 백색광을 방출한다. 상기 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 각각은 하나 이상의 광학적 공동내에 다른 공명 주파수를 갖고 백색 발광 박막층(들)의 스펙트럼 범위보다 더 작은 스펙트럼 범위의 광을 방출한다. 상기 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조로부터 방출된 광의 조합은 백색이다.

Description

광출력이 향상된 ＬＥＤ 디바이스{LED Device Having Improved Light Output}
본 발명은 발광다이오드(LED) 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광출력, 제조능력, 및 각도 성능(angular performance)의 향상을 위한 LED 디바이스 구조에 관한 것이다.
방출성 평판 디스플레이 디바이스는 컴퓨팅 장치 및 특히 휴대용 장치와 결합해 폭넓게 사용되고 있다. 이들 디스플레이는 상당한 주변 조명이 있는 공공장소에서 종종 사용되고 큰 폭의 각도에서 시청된다. 이런 장치는 또한 지역조명장치 또는 램프로서 개발 중에 있다.
발광재료로 된 박막을 포함한 발광다이오드(LED)는 평판 디스플레이 디바이스에서 많은 이점이 있으며 광학 시스템에 유용하다. 이런 박막은 유기 및 무기재료 중 어느 하나 또는 모두를 구비할 수 있다. 탕 등(Tang et al.)의 2002년 5월 7일에 반포된 미국특허 제6,384,529호는 OLED 발광소자(픽셀) 어레이를 포함하는 OLED 컬러 디스플레이를 나타낸다. 전류가 유기재료 통과시 픽셀로부터 광이 방출되고, 광 주파수는 사용되는 유기재료의 성질에 따른다. 유기재료는 캡슐화 커버층 또는 커버판으로 전극들 사이의 기판 위에 배치되어 있다. 이런 디스플레이에서, 광은 기판(하단 이미터)을 통해 또는 캡슐화 커버(상단 이미터)를 통해, 또는 모두에서 방출될 수 있다. 방출광은 람베르시안(Lambertian)이다. 즉, 모든 방향으로 똑같이 방출된다. LED 디바이스는 높은 광학적 굴절지수를 갖는 방출 재료를 이용하기 때문에, 대부분의 (예컨대 50% 보다 큰) 방출광이 내부 전반사로 인해 디바이스에 갇히고 이에 따라 디바이스 효율을 저하시킨다. 예컨대, 무기재료는 인광 크리스탈(phosphorescent crystals) 또는 양자 도트(quantum dots)를 포함할 수 있다. 유기 또는 무기재료의 다른 박막은 또한 발광박막 재료에 전하 주입, 수송 또는 차단을 제어하기 위해 사용될 수 있고, 해당기술분야에 공지되어 있다.
LED 디바이스 구조물로부터 발광을 높이기 위한 광학적 공동 구조가 공지되어 있다. 이런 광학적 공동 구조는 또한 박막에 형성될 때 마이크로공동 또는 광학적 마이크로공동으로 알려져 있다. LED 디바이스에 형성될 때, 다른 컬러의 발광 유기재료가 반사 전극과 반투명 전극 사이의 기판 위에 패턴형으로 증착된다. 따라서, 다른 컬러를 갖는 광 이미터는 일반적으로 패턴화 발광재료에 의해 방출되는 광의 컬러에 해당하는 소정의 광 피크 파장으로 동조되는 광학적 공동내에 발광 유기재료 또는 무기재료를 증착함으로써 형성된다. 미국특허 제6,680,570호는 광학적 공동을 형성하기 위해 스페이서 층을 이용한 향상된 컬러 제어를 갖는 유기발광 디바이스를 기술하고 있다. 도 9는 능동 매트릭스 박막 구성요소(30), 편광구조(32 및 34), 반투명 전극(16)이 있는 기판(10)을 이용한 종래 기술의 능동 매트릭스형 하단 방출 광학적 공동 디바이스를 도시한 것이다. 적색, 녹색 및 청색 발광을 제공하는 패턴화 유기재료(14R,14G,14B)가 발광층(14)에 증착된다. 각각 적색광(80), 녹색광(82), 및 청색광(84)을 방출하기 위해 적색, 녹색 및 청색광의 소정 피크 파장으로 동조되는 광학적 공동(60,62,64)을 형성하도록 광학적 스페이서(26R,26G,26B)가 이용된다. 디바이스를 보호하고 캡슐화하기 위해 커버(20)가 이용될 수 있다. 이런 설계가 유용하지만, 상기 설계는 대형 기판으로 설계하기 어려운 패턴화 유기재료 증착기술(예컨대, 금속 새도우-마스크를 통한 진공증착)을 필요로 한다. 더욱이, 광학적 공동 디바이스는 일반적으로 수용할 수 없는 각도 컬러 의존성(angular color dependence)을 받게 된다. 또한, 미국특허 제7,189,238호에 개시된 바와 같이, 광학적 공동구조물에 컬러 필터를 이용하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 유용하지만, 이런 접근은 디바이스의 제조능력을 향상시키지 못하고 몇몇 조명 조건하에서는 불충분한 주변 콘트라스트비를 제공한다. 더욱이, 컬러 필터는 발광층으로부터 방출된 광을 흡수하며, 이로써 소자 효율을 저하시킨다.
발명의 명칭이 "발광소자"인 미국특허 제5,554,911호는 방출 파장을 결정하는 다른 광학적 길이를 각각 갖는 적어도 2개의 광학적 공동구조물을 갖는 멀티컬러 발광소자를 기술하고 있다. 각각의 광학적 공동 구조물은 소자에서 두께가 균일한 단일 박막일 수 있는 발광지역으로서 유기재료를 포함한다. 발명의 명칭이 "동조된 마이크로공동 컬러 OLED 디스플레이"인 미국특허 제6,861,800호는 적어도 2개의 다른 컬러 픽셀 세트로 양분되고, 각 컬러 픽셀 세트는 공통 기판 위로 다른 기설정된 컬러의 광을 방출하는 픽셀 어레이를 갖는 마이크로공동 OLED 디바이스를 기술하고 있고, 어레이에서 각 픽셀은 기판 위에 배치된 금속 하단전극층과 상기 금속 바닥전극층으로부터 이격된 별개의 반투명 금속전극층을 포함한다. 반투명 금속전극층의 재료는 은(Ag), 금(Au), 또는 그 합금을 포함한다. 디스플레이에서 각 픽셀이 마이크로공동이 없는 필적하는 OLED 디바이스의 방출출력효율 이상의 방출출력효율을 갖는 동조 마이크로공동 OLED 디바이스를 형성하도록 반투명 금속전극층의 두께, 유기층과 투명 도전 위상층의 결합된 두께 및 또한 발광층의 위치가 선택된다. 미국특허 제5,949,187호는 제 1 투명 스페이서와 광을 OLED로 다시 반사하고 제 1 마이크로공동의 광학적 길이를 정의하기 위해 상기 제 1 투명 스페이서상에 위치된 제 1 미러 스택을 포함한 제 1 마이크로공동을 갖는 OLED를 기술하고 있다. 상기 제 1 마이크로공동의 광학적 길이로 인해 상기 제 1 마이크로공동으로부터 방출된 광이 제 1 스펙트럼을 갖게 된다. 제 2 마이크로공동은 상기 제 1 마이크로공동에 인접 위치된 제 2 투명 스페이서를 포함하고, 상기 제 2 스페이서상에 위치된 제 2 미러 스택은 상기 제 2 마이크로공동을 향해 광을 반사하고 제 2 마이크로공동의 광학적 길이를 정의한다. 제 2 마이크로공동의 광학적 길이로 인해 상기 제 2 마이크로공동으로부터 방출된 광이 제 2 스펙트럼을 갖게 된다. 광 스펙트럼을 더 강화하고 바꾸기 위해 추가적인 마이크로공동들이 상기 구조에 위치될 수 있다. 그러나, 이런 설계는 제조비용을 높이고, 바라는 것보다 광출력이 낮으며, 바라는 것보다 반사율이 더 클 뿐만 아니라 법선에 비스듬히 진행하는 광에 대한 유효 광경로에서 변화로 인해 다른 시청각도에서 컬러가 상당히 변화하게 된다.
안토니아디스(Antoniadis)의 발명의 명칭이 "Reducing or eliminating color change for microcavity OLED devices"인 US 2006/0066228 A1은 다른 시청각도에서 컬러 변화를 최소화하거나 제거하는 마이크로공동 OLED 디바이스를 개시하고 있다. 상기 OLED 디바이스는, 예컨대, OLED 디스플레이 또는 지역조명을 위해 사용되는 OLED 디바이스 광원일 수 있다. 이 OLED 디바이스는 기판상에 다층 미러를 포함하고, 각 층은 비흡수 재료로 구성된다. 상기 OLED 디바이스는 또한 상기 다층 제 1 미러상에 제 1 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극은 실질적으로 투명하다. 방출층이 상기 제 1 전극위에 있다. 제 2 전극은 상기 방출층상에 있고, 상기 제 2 전극은 실질적으로 반사하며 미러로서 기능을 한다. 다층 미러와 제 2 전극은 마이크로공동을 이룬다. 기판의 전면에 광변조 박막이 있다. 광변조 박막은 컷오프 컬러 필터, 대역통과 컬러 필터, 휘도강화박막, 컬러변화가 인식되는 비스듬히 방출 스펙트럼을 감쇠시키는 마이크로구조 또는 출력된 방출 스펙트럼이 동일하게 인식되는 컬러이도록 파장을 재분배하는 마이크로구조 중 어느 하나일 수 있다. 다시 이런 설계는 패턴화 증착공정으로 인해 제조비용을 높일 수 있다. 또한, 상기 컬러 필터에 의해 상당한 광이 흡수될 수 있어 효율을 저하시킨다.
대형 기판상에 재료 증착 문제를 극복하기 위한 한가지 접근은 콕(Cok)에 의한 발명의 명칭이 "Stacked OLED Display having Improved Efficiency"인 미국특허 제6,987,355호에 개시된 바와 같이 풀-컬러 디스플레이를 형성하기 위해 컬러 필터와 함께 단일 방출층, 예컨대, 백색광 이미터를 이용하는 것이다. 그러나, 컬러 필터의 사용은 실질적으로 디바이스의 효율을 저하시킨다. 예컨대, 콕 등에 의한 발명의 명칭이 "Color OLED Display with Improved Power Efficiency" 인 미국특허 제6,919,681호에 개시된 바와 같이, 컬러 필터를 포함하지 않은 화이트 서브-픽셀을 이용하는 것이 또한 공지되어 있다. 그러나, 이 개시는 비스듬한 컬러 방출 또는 대량의 갇힌 광을 해결하지 못한다.
또한 마이크로공동 OLED 디바이스로부터 백색 발광을 재현하는 것이 공지되어 있다. 발명의 명칭이 "White-emitting microcavity OLED device" 인 US 20050073228 A1은 마이크로공동 OLED 디바이스와 광 집적소자를 포함하는 백색 발광 OLED 기기로서, 상기 마이크로공동 OLED 디바이스는 백색 발광 유기 EL소자를 가지며, 상기 마이크로공동 OLED 디바이스는 각도 의존적인 협대역 방출을 갖도록 구성되고, 상기 광 집적소자는 백색 발광을 형성하기 위해 상기 마이크로공동 OLED 디바이스와는 다른 각도로 상기 각도 의존적인 협대역 방출을 통합하는 것을 기술하고 있다. 그러나, 이런 설계의 컬러 또는 백색점은 강한 각 의존성을 갖는다.
윈터스 등(Winters et al.)에 의한 발명의 명칭이 "OLED device having microcavity gamut sub-pixels and a within gamut sub-pixel" 인 미국특허 제7,030,553호는 마이크로공동 디바이스의 일예를 개시하고 있다. 이 개시는 발광 픽셀 어레이를 포함한 OLED 디바이스를 기술하고 있으며, 각 픽셀은 광을 발생하는 적어도 하나의 방출층과 이격된 전극들을 포함하는 유기층을 갖는 서브-픽셀들을 포함한다. 색역(color gamut)과 색역 서브-픽셀들에 의해 발생된 상기 색역내에서 광을 발생하는 적어도 하나의 서브픽셀을 정의하는 적어도 3개의 색역 서브-픽셀들이 있다. 색역 서브픽셀들 중 적어도 하나는 마이크로공동을 형성하는 기능을 하는 반사체와 반투명 반사체를 포함한다. 그러나, 이 설계는 상단 방출 포맷으로 제조하기 어려울 수 있는 백색 서브픽셀을 형성하기 위해 패턴화 반투명 전극을 이용한다. 더욱이, 각의 컬러 변화가 상기 특허에서 해결되지 않았다.
따라서, 종래 기술의 단점을 극복하고 광출력, 각의 컬러 성능 및 LED 디바이스의 제조능력을 높이는 향상된 발광 구조에 대한 필요가 여전히 있다.
본 발명은 반사 도전성 박막구조와 반투명의 도전성 박막구조를 갖는 박막의 백색 발광 다이오드 디바이스를 제공함으로써 상술한 필요성을 해결한다. 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조를 형성하기 위해 반사 및 반투명 도전성 박막 구조들 간에 하나 이상의 박막층들이 형성된다. 상기 박막층은 도전성 박막구조에 의해 제공된 전류에 응답하여 백색광을 방출한다. 각각의 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조는 하나 이상의 광 공동내에 다른 공명 주파수를 갖고, 백색 발광 박막층(들)의 스펙트럼 범위보다 더 작은 스펙트럼 범위의 광을 방출한다. 상기 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조로부터 방출된 광의 조합은 백색이다.
본 발명의 또 다른 태양은 각각의 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조가 발광 박막층(들)의 스펙트럼 범위보다 더 작은 스펙트럼 범위를 갖는 광을 방출하고, 하나 이상의 각에 걸쳐 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조에 의해 방출된 조합된 광의 컬러 변화는 하나 이상의 각에 걸쳐 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 중 적어도 하나에 의해 방출된 광의 컬러 변화보다 적은 것을 제공한다.
본 발명은 광출력, LED 디바이스의 제조능력을 높이고 임의의 각 컬러 변화를 줄이는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LED 디바이스의 부분 횡단면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상단 이미터 LED 디바이스의 부분 횡단면을 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 스페이서들을 갖는 상단 이미터 LED 디바이스의 부분 횡단면을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 유용한 다수의 공명 주파수를 갖는 광학적 마이크로공동을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 LED 디바이스를 이용한 시스템이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예의 CIEx 및 CIEy 공간에서 발광 파장을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예를 이해하는데 유용한 다양한 황색 및 청색 주파수의 조합을 위한 일정한 D65 광출력을 도시한 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 다양한 실시예에 유용한 마이크로공동 구조없이 수직한 보기 각도에서 백색 이미터의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 다양한 실시예에 유용한 컬러 필터의 스펙트럼과 함께 수직 보기 각도와 다른 보기 각도에서 마이크로공동을 갖는 백색 이미터의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 8c는 컬러 필터를 포함한 본 발명의 실시예의 CIEx 및 CIEy 공간에서 발광 파장을 도시한 그래프이다.
도 9는 종래 기술의 바닥 이미터 LED 디바이스의 부분 횡단면을 도시한 것이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 공통으로 제어가능한 부분들의 다른 상대 크기들을 갖는 백색 서브픽셀에 대한 보기 각도에 따른 백색 지점 변화를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 LED 디바이스를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도면들은 개개의 층들이 너무 얇고 다양한 층들의 두께 차가 너무 커 비례적으로 묘사하기가 어렵기 때문에 비례하지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 박막의 백색 발광 다이오드 구조는 반사 도전성 박막구조(12)와 반투명의 도전성 박막구조(16)를 구비한다. 상기 반사 및 반투명 도전성 박막구조 사이에 하나 이상의 박막층(14)이 형성되어, 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동구조(28)를 이룬다. 상기 박막층(14)은 상기 도전성 박막구조(12,16)에 의해 제공된 전류에 응답하여 백색광을 방출한다. 2 이상의 마이크로공동구조(28) 각각은 백색 발광 박막층(14)의 스펙트럼 범위보다 더 작은 스펙트럼 범위를 갖는 광을 방출한다. 상기 마이크로공동구조(28)에 의해 방출된 광의 조합은 백색이다. 각 범위에 걸쳐 상기 마이크로공동구조(28)에 의해 방출된 조합된 광의 컬러 변화는 각 범위에 걸쳐 상기 마이크로공동구조(28) 중 적어도 하나에 의해 방출된 광의 컬러 변화보다 적다.
모든 박막층들이 기판(10)상에 형성될 수 있다. 상단 방출 LED 디바이스 또는 하단 방출 LED 디바이스를 형성하기 위해 상기 기판(10)과 커버(20)에 대해 반사 도전성 박막구조(12)와 반투명 도전성 박막구조(16)의 위치는 바뀔 수 있으며, 양자 모두 본 발명에 의해 고려된다. 박막층들은 함께 백색광을 방출하고 해당기술분야에 공지된 바와 같이 복수의 개개의 발광층들을 포함할 수 있다. 그러나, 마이크로공동내에 이용될 때, 마이크로공동 구조로부터의 방출은 상기 마이크로공동 구조에 의해 야기된 광학적 보강 및 상쇄 간섭으로 인해 색을 띄게 된다.
본 발명을 더 이해하기 위해, 사용되는 많은 용어들을 이해하는 것이 유용하다. 반사 박막구조는 일반적으로 적어도 하나의 소정의 파장에 대해 복사 에너지의 적어도 50%를 반사하거나 바람직하게는 적어도 하나의 소정의 파장에 대해 복사 에너지의 적어도 80%를 반사한다. 그러나, 이런 반사 박막구조는 심지어 복사 에너지의 90% 보다 크게 반사하는 것이 바람직한 것이 인식된다. 소정 파장범위내에 흡광도(absorbance)가 매우 낮은 본 발명의 반투명 도전성 박막이 바람직하다. 이런 층은 일반적으로 부딪히는 복사 에너지의 적어도 10%를 반사하며 바람직하게는 소정 파장범위에 걸쳐 부딪히는 상당히 많은 복사 에너지를 반사할 수 있다. 각도 범위를 논의할 때, 이런 각도는 일반적으로 기판에 수직으로 그린 벡터에 대해 측정되며, 이는 또한 종종 반사 도전성 박막구조의 활성영역에 수직이다.
더욱이, 이 개시에서, 백색이라는 용어는 인간 관찰자가 받아들여 백색으로 인식할 수 있는 임의의 컬러를 의미한다. 이런 컬러는 종종 1976 CIE 균일 색도도(uniform chromaticity diagram)와 같이 개념적으로 관련있는 컬러 공간내의 플랑키안 궤적(Planckian Locus)에 대하여 특정된다. 본 발명의 목적으로, 컬러는 일반적으로 1976 CIE 균일 색도도내에서 좌표 표시될 때 3000 내지 20,000 켈빈(Kelvin) 사이의 흑체온도에 대한 플랑키안 궤적의 0.05유닛 내에 있다면 흰색으로 명시된다.
패턴이 없는 백색 이미터가 본 발명에 이용될 수 있으나, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 발광층은 패턴화될 수 있다. 예컨대, 다른 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조내에 다른 발광재료들이 사용될 수 있다. 이 경우, 각각의 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조는 발광 박막층(들)의 스펙트럼 범위보다 더 작은 스펙트럼 범위를 갖는 광을 방출한다. 각도 범위에 걸쳐 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조에 의해 방출된 조합된 광의 컬러 변화는 각도 범위에 걸쳐 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 중 적어도 하나에 의해 방출된 광의 컬러 변화보다 적다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 마이크로공동 구조(28) 중 적어도 2개에 의해 방출된 광은 보색이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 보색 광이란 함께 백색광을 이루는 광의 2개의 주파수 또는 주파수 범위를 의미한다. 한 쌍의 마이크로공동 구조(28A 및 28B)는 마이크로공동 구조(27A)를 이룬다. 상기 마이크로공동 구조(27A)에서 상기 마이크로공동 구조 중 하나(28A)는 황색광을 방출하는 반면에, 상기 마이크로공동 구조(27A)에서 다른 마이크로공동 구조(28B)는 청색광을 방출한다. 대안으로, 예컨대, 상기 마이크로공동 구조(27B)에서 마이크로공동 구조(28C) 중 하나는 심홍색광을 방출하는 반면 상기 마이크로공동 구조(27B)에서 다른 마이크로공동 구조(28D)는 녹색광을 방출한다. 또 다른 대안으로, 예컨대, 상기 마이크로공동 구조(27C)에서 마이크로공동 구조(28D) 중 하나는 적색광을 방출하는 반면 상기 마이크로공동 구조(27C)에서 다른 마이크로공동 구조(28E)는 청록색광을 방출한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 보색 쌍들 중 하나가 사용될 수 있다(예컨대 27A). 또 다른 실시예에서, 보색 쌍들(예컨대, 27A, 27B)을 포함하는 2개의 마이크로구조가 사용될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예서 및 도 1에 도시된 바와 같이, 보색 쌍들(예컨대, 27A, 27B, 및 27C)을 갖는 3개의 마이크로공동 구조가 사용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 모든 보색 쌍들은 신호 콘트롤로 공통으로 제어될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 쌍들은 별도로 마이크로공동 구조(27A)와 관련된 보색 쌍에 대한 하나의 컨트롤과, 마이크로공동 구조(27B)와 관련된 보색 쌍에 대한 제 2 컨트롤과, 마이크로공동 구조(27C)와 관련된 보색 쌍에 대한 제 3 컨트롤로 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 컬러 필터가 있거나 컬러 필터 없이 다른 마이크로공동 구조 또는 비마이크로공동 구조가 이용될 수 있다. 예컨대, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드 디바이스의 예시적인 실시예는 기판(10), 도전성 박막구조(12) 및 반투명 도전성 박막구조(16)를 구비하고, 상기 도전성 박막구조(12)의 경우는 알루미늄 또는 은과 같은 반사 도전성 금속으로 형성되는 반사 전극이고, 상기 반투명 도전성 박막구조(16)의 경우는 은과 같은 매우 얇은 금속층으로 형성된 반투명 전극이다. 도전성 박막구조(12) 및 반투명 도전성 박막구조(16)는 기판(10) 위에 형성된다. 상기 반사 전극 또는 반투명 전극 중 적어도 하나는 별도로 제어될 수 있는 발광소자(50, 52, 54 및 56)를 형성하기 위해 패턴화된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예컨대, 반사 전극(12)은 패턴화된다. 별도로 제어될 수 있는 발광소자는 예컨대 기판(10)에 형성된 박막 전자 구성요소(30)에 의해 제어될 수 있다. 다른 전극(16)은 패턴화되지 않을 수 있고 모든 발광소자(50, 52, 54 및 56)에 전기적으로 공통일 수 있다. 패턴화되지 않은 백색 발광층(14)은 도전성 박막구조(12)와 반투명 도전성 박막구조(16) 사이에 형성되고, 여러 층들, 예컨대, 종래 기술에 공지된 전하제어층들을 포함할 수 있다. 도전성 박막구조(12), 반투명 도전성 박막구조(16), 및 비패턴화 백색 발광층(14)이 광학적 공동(60, 62, 64 및 66)을 형성한다. 광학적 공동(66)은 복수의 공통적으로 제어되는 광학적 마이크로공동, 예컨대, 후술되는 66Y 및 66B를 더 포함한다. 컬러 서브-픽셀들을 형성하기 위해 별도로 제어될 수 있는 발광소자(50, 52, 54 및 56)와 일치하게 비패턴화 백색 발광층(14) 맞은 편에 반투명 도전성 박막구조(16)의 일측 위에 여러 개의 컬러 필터들(40R, 40G, 및 40B)이 형성된다. 컬러 필터는 적어도 2개의 다른 컬러를 갖는다. 적어도 하나의 별도로 제어될 수 있는 발광 소자(56)는 백색 서브-픽셀을 형성하기 위해 실질적으로 백색광을 함께 방출하는 적어도 2개의 공통제어부(56Y,56B)를 갖는다. 하나 이상의 공통제어부(56Y,56B)의 광학적 공동(66)은 복수의 광학적 마이크로공동(66Y,66B)을 포함한다. 각각의 광학적 공동은 방출각도 범위에서 다른 보색 파장으로 광을 방출하도록 동조된다. 본 발명에 따르면, 각도 범위에서 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조에 의해 방출되는 조합된 광의 컬러 변화는 각도 범위에서 적어도 하나의 마이크로공동 구조에 의해 방출된 광의 컬러 변화보다 적다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반사 도전성 박막구조(12) 또는 반투명 도전성 박막구조(16)는 단일층, 예컨대, 알루미늄, 은, 마그네슘 또는 이들 금속의 합금과 같은 금속층을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 반사 도전성 박막구조(12)와 발광층(14) 또는 반투명 도전성 박막구조(16) 사이에 다른 두께를 갖는 투명한 스페이서층(26R,26G,26B,26W)을 사용할 수 있다. 이런 층들은 유기 또는 무기일 수 있으나 바람직하게는 LED에 양단에 걸리는 전압을 낮추기 위해 도전성이 크다. 대안으로, 저항성 투명층이 해당기술분야에 공지된 바와 같이 제공하기 위해 사용될 수 있다. 다른 광학적 공동(60,62,64)의 광학적 응답을 동조하기 위해 다른 두께들도 선택된다.
도 2의 일부분의 보다 상세한 도면으로 도 3a를 참조하면, 반사 도전성 박막구조(12)는 광학적 공동용 스페이서(26)와 함께 기판(미도시) 위에 형성된다. 각각의 광학적 공동(60,62,64,66Y,66B)은 광학적 마이크로공동을 형성하기 위해 스페이서(26R,26G,26B,26WY,26WB), 예컨대, 각각 적색, 녹색, 청색 및 황색과 동조된다. 이 예에서 64 및 66B와 같이 유사한 컬러들을 제공하는 광학적 공동내 스페이서층들의 두께는 공통 두께를 가지며 공통단계에서 형성되는 스페이서(26B 및 26WB)를 각각 가질 수 있다. 그러나, 이는 필요하지 않으며 종종 2개의 스페이서들이 컬러 채도(color saturation) 및 효율과 같은 파라미터들 간의 다른 상쇄를 제공하기 위해 다른 두께를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 도 3b에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 광학적 공동은 별개의 반사층(11), 투명 도전층(15) 및 또한 반사 도전 박막구조(12)를 구비한 투명 도전층(15) 사이에 투명한 스페이서층(13R,13G,13B,13Wy,13WB)을 이용해 동조될 수 있다. 상기 반사층(11)과 별개의 투명한 도전층(15), 예컨대, 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 또는 ITO, IZO, 또는 AlZO와 같은 도전성 산화물 사이에 도전성 또는 비도전성의 투명 스페이서 소자(13)가 사용될 수 있다. 대안으로, 투명 도전층(15)은 위에 직접 그리고 반사층(11)과 전기 접촉하게 형성될 수 있다. 상기 반사층(15)은 또한 도전성이다.
본 발명의 일시예에서, 마이크로공동 구조(26)는 (도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이) 기판위에 서로 인접해 형성되어 있다. 도 4에 도시된 다른 실시예에서, 제 1 및 제 2 마이크로공동 구조물이 2 이상의 다른 주파수(29A 및 29B)로 공명하는 공통 공동에 형성되어 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 각각 공명 주파수 중 하나에서 광을 방출하는 2개의 광학적 마이크로공동 구조를 형성하도록 2개의 주파수에서 공명하는 이런 광학적 공동이 고려된다. 특히, 이런 광학적 공동은 심홍색광으로 인식되는 광을 방출하도록 청색 및 적색 주파수 모두에서 공명될 수 있다. 본 발명은 디스플레이와 같이 정보표현장치에서 각각의 픽셀을 형성하도록 RGBW(적색, 녹색, 청색 및 백색) 서브-픽셀 구조물에 사용될 수 있다(도 2). 공통의 비패턴화 백색 발광 이미터(14)가 사용된다. (컬러 서브-픽셀에 대한) 컬러 필터(40R, 40G, 40B)와 함께 각 컬러에 대해 별도의 동조된 마이크로공동을 조합함으로써 컬러 광이 형성된다. 블랙 매트릭스(40K)는 발광소자(50,52,54,56)들 간에 주변광을 흡수하도록 사용될 수 있다. 편광 및 절연층(32 및 34)은 별도로 제어가능한 발광소자를 전기적으로 절연하도록 제공될 수 있다. 광학적 마이크로공동(66Y,66B)이 보색을 이루기 때문에, 컬러 필터는 공통으로 제어가능한 마이크로공동 구조(56Y,56B)에 대해 불필요할 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실실시예에서 그리고 후술된 바와 같이, 하나 이상의 별개의 컬러 필터(40WY,40WB)가 또한 함께 이용될 수 있거나 백색 서브픽셀(56)의 공통제어부(56Y,56B)와 별개로 이용될 수 있다.
대안으로, 본 발명은 지역조명장치 또는 램프를 형성하도록 사용될 수 있다. 이 경우, 폭넓은 다양한 주파수들에서의 방출은 높은 연색지수(color rendering index)를 제공하는 것이 필요하다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 광범위하게 분포된 주파수 세트를 갖는 보색 마이크로공동 구조를 이용함으로써 고품질의 백색광원이 제공될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 정보 또는 전력신호(320)에 응답하여 일반적으로 전류전달 전극인 반사 도전성 박막구조(12)와 반투명 도전성 박막구조(16)를 통해 통상적으로 박막의 백색 발광 다이오드 디바이스에 전력을 제어 및 제공하기 위한 LED 디바이스(300)를 포함한 발광 시스템에 이런 디스플레이, 영역조명 또는 램프가 사용될 수 있다. 박막 광학적 공동구조를 이용한 종래 기술의 발광 방안들은 열등한 백색 방출 및 특히 다양한 각도에서 볼 때 컬러를 변화시키는 강한 성향을 받게 된다. 그러나, 본 명세서에 개시된 바와 같이, 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조(28)는 백색 발광 박막층(들)(14)의 스펙트럼 범위보다 더 적은 스펙트럼 범위를 갖는 광을 방출한다. 실질적으로 백색인 마이크로공동 구조(28)에 의해 방출된 광과 각도 범위에서 상기 마이크로공동 구조(28)에 의해 방출된 조합된 광의 컬러 변화의 조합은 각도 범위에서 상기 마이크로공동 구조(28) 중 적어도 하나에 의해 방출된 광의 컬러 변화보다 적다. 따라서, 본 발명은 각도 에 대한 의존도가 줄어든 백색광을 산출하는 박막 광학적 공동 구조를 제공한다. 본 개시에서, 보색 광 파장은 함께 볼 때 플랑키안 궤적 상에 또는 부근에 광처럼 실질적으로 백색으로 나타나는 광을 형성하는 이러한 광 파장이다. 예컨대, 청색 및 황색은 청록색과 적색 및 녹색과 심홍색이 하듯이 보색 쌍을 이룬다. 때문에, 함께 볼 때 백색 서브-픽셀(56)(도 2)의 공통으로 제어가능한 마이크로공동 구조(56Y,56B)의 공통으로 제어가능한 광학적 마이크로공동(66Y,66B)은 백색광을 방출한다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 공통으로 제어되는 마이크로공동은 일반적인 시청거리, 예컨대, 백색 서브-픽셀(56)의 공통제어부(56Y,56B)에서 볼 때 사람의 눈에 각각 식별되지 않는다. 때문에, 상기 백색 서브-픽셀(56)로부터 방출된 광이 실제로 보색 컬러의 조합이더라도, 백색 서브-픽셀(56)로부터 방출된 광은 백색으로 보인다. 간략히 하기 위해, 도 2는 청색 및 황색 발광 광학적 마이크로공동(66Y,66B)을 도시한 것이나, 본 발명은 상기 실시예에만 국한되지 않는다. 동작시, 예컨대 박막 트랜지스터(30)를 통해 공급되는 전류가 광이 방출되게 하는 박막 도전성 구조(전극)(12 및 16)를 통해 발광층(14)을 지난다. 방출광의 일부는 장치 밖으로 또는 컬러 필터를 통해 장치 밖으로 직접 지나간다. 다른 광은 반사 전극(12)으로부터 반사되고 장치 밖으로 지나간다. 법선에 대해 더 큰 각도로 방출된 다른 광은 내부 전반사를 통해 갇힌다. 광학적 공동 구조는 방출된 광의 방출 각도를 줄여 갇힌 광의 양을 줄이고 전방으로 더 많은 소정의 광을 집속시키는 역할을 한다. 백색 서브-픽셀(56)의 공통으로 제어가능한 마이크로공동 구조(56Y 및 56B)는 동일한 전기 제어(예컨대, 트랜지스터(30))로 동시에 구동되어 별도로 자극될 수 없고 따라서 다른 광학적 구성부품을 갖기는 하지만 하나의 서브-픽셀을 나타낸다. 본 발명은 능동-매트릭스와 수동-매트릭스 제어회로 모두로 이용될 수 있다. 백색 서브-픽셀(56)의 각각의 마이크로공동 구조(56Y 및 56B)의 상대 크기는 적어도 몇몇 실시예에서 백색 발광의 컬러를 동조하기 위해 설계 및 제조동안 조절될 수 있는 것에 유의해야 한다. 대안으로, 2개의 마이크로공동 구조에 제공되는 상대 전류를 조절하고 이에 따라 상대 휘도를 조절하기 위해 백색 서브-픽셀(56)의 각각의 마이크로공동 구조(56Y 및 56B) 사이에 다른 저항들이 이용된다.
특히, 본 발명은 법선으로부터 다양한 각도에서 백색으로 보이는 실질적인 백색광을 형성하기 위한 수단을 제공한다. 각 광학적 마이크로공동(66Y,66B)으로부터 출력된 광은 광이 방출되는 각도가 기판에 대해 수직(90도)으로 증가함에 따라 주파수가 증가한다(파장은 감소한다). 종래 기술에 따르면, 사람의 시각계가 대부분 녹색에 민감하고 백색 서브-픽셀에 의해 방출된 백색광의 모든 주파수들이 법선에 대해 증가된 시청 각도에서 증가되기 때문에 단일요소 백색 이미터는 실질적으로 더 파랗고 특히 더 푸르게 되는 경향이 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 백색 서브-픽셀(56)의 다른 광학적 마이크로공동은 이 효과를 상호간에 보상할 수 있다. 보다 정확하게, 백색 서브-픽셀(56)의 각각의 공통제어부(56Y,56B)로부터 방출된 광 파장은 다른 보기 각도에서 변하는 반면 상기 공통제어부(56Y,56B)로부터 조합된 광 방출의 백색지점 변화는 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조(56Y,56B) 중 적어도 하나의 파장변화로 인한 백색지점 변화보다 더 작다.
도 6을 참조하면, 단색광원의 위치를 나타내는 스펙트럼 궤적(205)과 적색 및 청색광 모두를 포함한 보라색 경계(206)로 CIE 19131 x,y 색도도가 도시되어 있다. 스펙트럼 궤적(205)과 보라색 경계(206)에 의해 둘러싸인 영역은 모두 가시적 컬러를 포함한다. 기판 법선에 대해 여러 개의 증가 각도에서, 예컨대, 광학적 마이크로공동(66B)으로부터 x,y 좌표(0.160, 0.253)에서 수직하게 시작하고 x,y 좌표(0.186, 0.116)에서 60도에서 끝나는 청록색/청색발광 광학적 마이크로공동의 발광(210)이 도시되어 있다. 특히, 광학적 마이크로공동의 보기 각도가 증가함에 따라, 광의 인식된 컬러는 더 푸르게 되고 주파수는 더 높아지며 파장은 더 짧아지게 되는 것에 유의하라. 마찬가지로, 복수의 각도에서 예컨대 광학적 마이크로공동(66Y)로부터 황색/녹색 방출 광학적 마이크로공동의 발광(215)이 도시되어 있다. 다시, 광학적 마이크로공동의 보기 각도가 증가함에 따라, 광의 인식된 컬러는 x,y 좌표(0.469, 0.389)에서 시작하고 x,y 좌표(0.233, 0.598)에서 끝나 더 녹색으로 되고 주파수는 더 높아지며 파장은 더 짧아지게 된다. 개개의 공통제어부로부터 방출된 광이 색을 띠나, 컬러는 보색이기 때문에, 곡선(220)으로 도시된 0도 시청 각도에서 볼 때 CIE 1931 색도 좌표(0.267, 0.300)와 60도 시청 각도에서 볼 때 색도 좌표(0.1987, 0.246)를 갖는 조합된 광은 백색으로 나타난다. 시청 각도가 변함에 따라, 청색과 황색 이미터 모두가 크게 컬러를 바꾼다. 그러나, 조합된 컬러는 상대적으로 일정하게 실질적으로 백색을 유지한다. 점(225)는 기판에 대해 수직각도에서 백색점을 나타내고 점(230)은 기판 법선에 대해 60도 각도에서의 백색점을 나타낸다. 이들 곡선은 모델화된 다른 각도에서 컬러의 변화에 따라 본 출원인에 의해 구성된 실제, 백색광 OLED 디바이스로부터 취해진 것이다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이,백색의 색도 좌표들은 y 차원에서 거의 변화하지 않는 반면 x 차원에서 약간 더 큰 변화가 보인다. 그러나, 전반적인 변화는 청색 또는 황색 이미터 중 어느 하나의 변화보다 더 작고 컬러는 실질적으로 백색을 유지한다. 도 7을 참조하면, 백색점을 유지하기 위해 청색 파장에서 더 작은 변화를 상쇄하기 위해 황색 파장에서 더 큰 변화가 요구된다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 백색점을 유지하도록 청색 파장에서의 더 적은 변화를 상쇄시키기 위해 황색 파장에서의 더 큰 변화가 요구된다. 또한, 본 출원인에 의해 행해진 실험들은 관찰자들이 백색 또는 무색에서 황색방향으로 보다는 청색방향으로 색이동을 더 많이 용인해야 하는 것이 도시되어 있다. 도 6에 도시된 이미터는 청색방향으로 일부 편차를 허용하면서 황색 이동을 최소화기 위해 청색-황색 기여의 밸런스를 유지함으로써 이들 효과의 이점을 취한다. 이 변화는 기판에 대해 수직 각도로 방출된 광을 우선적으로 전달하고, 상기 수직과는 다른 각도에서 방출된 광을 우선적으로 흡수하는 공통제어부(56Y,56B) 중 적어도 하나 위에 형성된 컬러 필터를 이용함으로써 물리적으로 제어될 수 있다. 예컨대, 필터(도 1에서 40WY)는 황색광 방출 광학적 마이크로공동(66Y) 위에 이용될 수 있다. 컬러 필터는 예컨대, 570㎚, 560㎚ 또는 550㎚ 미만의 파장을 갖는 녹색을 띤 광을 흡수한다. 이는 더 짧은 파장들로 백색점의 이동을 제안하거나, 동등하게, 청색 이미터의 상대 충역을 늘리는 효과를 갖는다. 다른 실시예에서와 본 출원인에 의해 모델화된 것으로, 예컨대, 500㎚, 490㎚ 또는 480㎚ 미만의 파장을 갖는 푸른색을 띤 광을 흡수하는 필터(예컨대, 도 1에서 40WB)가 사용될 수 있다.
컬러 서브-픽셀(50,52,54) 및 백색 서브-픽셀(56)의 광학적 마이크로공동(66B,66Y)에 대해 모두, 광학적 공동 크기의 광범위한 선택과 함께 본 발명과 협력하여 매우 다양한 백색 발광재료들이 사용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 백색 서브-픽셀(56)의 공통제어부(56Y,56B) 중 하나는 기판에 대해 수직각도로 실질적으로 청색 또는 청록색광을 방출하고, 상기 공통제어부 중 또 다른 하나는 기판에 대해 수직각도로 실질적으로 황색, 오렌지색, 또는 적색광을 방출한다. 백색 서브-픽셀(56)의 공통제어부 중 하나는 기판에 대해 수직각도로 550㎚ 보다 큰 피크 파장 방출을 갖는 광을 방출하고 상기 백색 서브-픽셀의 적어도 2개의 공통제어부들 중 또 다른 하나는 기판에 대해 수직각도로 실질적으로 500㎚ 미만의 피크 파장 방출을 갖는 광을 방출한다. 다른 실시예에서, 백색 서브-픽셀의 광학적 마이크로공동들은 적색, 녹색 및 청색광을 방출하거나, 황색 및 청색광을 방출하거나, 적색 및 청록생광을 방출하거나, 오렌지색 및 청록색광을 방출하거나, 심홍색 및 녹색광을 방출하도록 동조된다. 특히, 백색 서브-픽셀의 공통제어부 중 하나는 수직각도로 550㎚ 보다 큰 피크 파장 방출을 갖는 광을 방출하도록 동조되고, 백색 서브-픽셀의 공통제어부 위에 형성된 컬러 필터를 포함할 수 있으며, 상기 컬러 필터는 550㎚ 미만의 파장을 갖는 상당한 양의 광을 흡수한다.
다양한 백색광 이미터들이 본 발명에 사용될 수 있고, 다양한 마이크로공동들이 이들 백색광 이미터로부터 백색 발광 디바이스를 만들기 위해 형성될 수 있다. 예컨대, 도 8a는 본 출원인이 만든 본 발명에 유용한 백색광 이미터의 스펙트럼(250)의 그래프이다. 도 8b를 참조하면, 스펙트럼(252)은 백색 서브-픽셀의 황색 공통제어부로서 유용한 하나의 마이크로공동에서 출력된 광이다. 시청 각도가 증가함에 따라, 이동 스펙트럼(255)에 도시된 방출 주파수도 증가한다. 공통제어부(예컨대, 56Y) 위에 형성된 고역 스펙트럼(high-pass spectrum)(260)을 갖는 컬러 필터를 이용함으로써, 광은 기판에 대해 수직각도로 상기 컬러 필터를 통해 우선적으로 전달되고, 수직과는 다른 각도로 상기 컬러 필터에 의해 흡수된다. 따라서, 수직 각도로 방출된 광량을 줄이지 않고도 시청 각도에 따른 컬러 변이가 줄어들 수 있다. 도 8c를 참조하면, 컬러 필터없이 황색 방출을 위해 동조된 마이크로공동에서 백색 이미터에 대한 점(264)에서 각도에 따른 컬러 변이는 컬러 필터를 이용해 황색 방출을 위해 동조된 마이크로공동에서 백색 이미터에 대한 점(262)에서 각도에 따른 컬러 변이보다 더 길다. 그러나, (컬러 서브-픽셀의 필터들을 포함한) 컬러 필터는 수직에서 먼 각도에서는 디바이스의 휘도를 저하시킨다. 그러나, 각 부부의 상대 휘도효율 뿐만 아니라 백색 서브-픽셀의 각각의 공통제어부의 색도 좌표는 시청 각도의 함수로서 변화하는 것에 유의해야 한다. 몇몇 이런 디바이스에서, 시청 각도의 함수로서 황색 공통제어부의 휘도를 줄이기 위해 황색 필터를 이용하는 것이 사람 눈의 휘도 효율은 황색으로 피크가 550㎚로 이동함에 따라 상대적으로 일정한 휘도를 유지하는데 있어 유용할 수 있다.
본 발명의 디바이스로부터 발광은 백색 서브-픽셀(56)의 각각의 공통제어부(56Y,56B)에 대해 다른 크기의 면적을 이용함으로써 또한 제어된다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 대상의 최소 및 최대 각도에서 청색 및 황색 이미터의 CIE x 및 y 좌표를 연결시키는 경계선(270 및 275)은 점(29)에서 공통 교차점을 갖는 영역(280 및 285)을 형성한다. 공통제어부(56Y,56B)의 영역의 상대 크기를 변경함으로써, 백색점의 상대 위치들은 교차점(290)에 더 가까이 또는 더 멀리 이동된다. 따라서, 백색점이 교차점(290)에 더 가까이 이동함에 따라 백색점에서의 변화량이 줄어들 수 있다. 마찬가지로, 백색점 변화량은 백색점이 교차점(290)에 더 멀리 이동함에 따라 백색점에서의 변화량이 증가할 수 있다. 일반적인 유기 발광다이오드 시스템에서 황색 이미터는 청색보다 더 효율적이기 때문에, 백색점들이 더 많이 변하더라도, 백색점 변화가 허용되는 한, 황색 방출점을 향해 이미터들을 이동시키는 것이 이점적일 수 있다. 도 10b를 참조하면, 백색광(도 8a 내지 도 8c에 도시된 백색광과 다른 백색광) 이미터에 대해 최소 시청 각도로부터 최대 시청각도로 백색점 변화를 나타내는 3개의 곡선들이 CIE x 및 y 그래프에 도시되어 있다. 황색(56Y) 대 청색(56B) 공통제어부의 면적에 대한 상대 크기는 곡선(296)과 같고, 곡선(295)에 대해서는 1.3 그리고 곡선(297)에 대해서는 0.7이다. D65 백색점은 점(298)에 도시되어 있다. 곡선(295)에 도시된 상대 발광 및 컬러 변이는 곡선(296 또는 297) 보다 상대적으로 더 크다.
본 발명의 광학적 공동으로부터 발광은 방출재료의 스펙트럼, 컬러 필터의 피크 전송 및 광학적 마이크로공동 응답을 매칭시킴으로써 증가된다. 즉, 컬러 서브-픽셀의 광학적 공동들은 공동의 광학적 경로길이를 변경함으로써 해당 컬러 피터의 피크 전송 파장에 일치하는 근사 피크 파장으로 동조된다. 마찬가지로, 백색 서브-픽셀의 광학적 마이크로공동은 백색 발광층의 피크 방출 파장에 근사적으로 일치하는 하나 이상의 피크 파장들로 동조된다. 마찬가지로, 상기 백색 발광층의 피크 방출 파장은 상기 해당 컬러 필터의 피크 전송 파장과 일치된다.
그러나, 시스템의 전반적인 최적화는 발광층 피크 방출, 피크 컬러 필터 전송 및 광학적 공동 피크가 모두 일치할 필요가 없다. 또한, 백색 서브-픽셀(56)의 공통제어부(56Y,56B) 중 적어도 하나가 컬러 서브-픽셀(50,52,54)의 피크 파장과는 다른 피크 파장에서 광을 방출하도록 동조될 수 있다. 제조 단계 수가 줄어드는 한편, 2 이상의 광학적 공동 (예컨대, 챙색 서브-픽셀의 공동(64)과 백색 서브-픽셀(56)의 청색방출부(56B)의 공동(66B)) 크기들이 동일하면, 광학적 공동들이 다른 길이를 갖는 경우, 예컨대, 백색 서브-픽셀이 청색 서브-픽셀의 공동보다 더 청록색 광을 방출하도록 동조된 공동부를 가질 수 있다면 전반적인 시스템이 최적화될 수 있는 것도 또한 가능하다.
또한, 백색 서브-픽셀의 수직 방출은 D65와 같이 특정 백색점에 있는 시스템을 설계할 수 있다.
그러나, 이런 설계의 소정 백색점으로부터 시청 각도 또는 평균 방출에 따른 컬러 변화는 방출이 소정 백색점에 더 가까이 머물거나 시청 각도 변화에 따라 백색점에서 변화가 줄어들지만, 상기 소정의 백색점에서 광을 실제로 결코 방출하지 않는 다른 설계보다 더 클 수 있다. 평균 성능이 우수한 이런 설계가 바람직할 수 있다. 적용시 중요도에 의해 가중화되거나 가중화되지 않은 대상의 시청각도들 모두에 대한 평균 백색점은 평균 방출을 의미한다. 따라서, 바람직한 설계는 단일 시청각도에서 소정의 백색점을 일치시키기 보다는 백색 서브-픽셀의 평균 방출과 하나 이상의 각도에서 바람직한 디바이스의 백색점 사이의 차를 최소화하기 위해 백색 서브-픽셀의 방출을 동조할 수 있다.
다양한 발광재료가 본 발명에 이용될 수 있다. 예컨대, 백색 발광층은 작은 분자 유기재료 또는 폴리머 재료와 같은 유기재료나 다결정 반도체 매트릭스에 형성된 무기 양자도트(quantom dots)를 포함할 수 있다. 종래 포토리소그래피 기술은 기판상에 제어구조(예컨대, 버스, 트랜지스터, 커패시터, 전극) 뿐만 아니라 광학적 공동을 정의하는데 적합한 투명층을 형성하는데 사용될 수 있다. 적절한 공동을 형성하는 투명재료로는 예컨대 실리콘 이산화물 또는 인듐주석 산화물을 포함할 수 있다. 유기재료는 종래 기술에 공지된 다양한 수단들, 예컨대, 진공 증착에 의해 증착된다. 그러나, 이런 수단은 광학적 공동의 일정한 제조를 가능하게 하기 위해 충분한 정밀도와 정확도를 제공해야 한다. 특히, 코닥 증기주입시스템(Kodak Vapor Injection SystemTM)은 주로 사용될 수 있는 1% 균일도와 정확도내에 유기층의 증착을 제공하는 선형의 유기 진공증착 소스이다. 예컨대, 은, 마그네슘, 알루미늄 또는 다른 금속 또는 다른 금속 합금의 해당기술분야에 공지된 증발 또는 스퍼터링 기술에 의해 적절한 반투명 음극들이 형성될 수 있다. 이들 반투명 전극들은 일반적으로 20% 보다 큰 반사율을 갖고 이상적으로는 10% 미만의 흡수도를 갖는다. 본 발명에 유용한 유기 또는 무기재료 모두에 대한 캡슐화 기술이 해당기술분야에 공지되어 있다. 본 발명은 디바이스의 주변 콘트라스트비를 제공하는데 적절한 원형 편광(도 1의 18)과 같은 다양한 요소들과 함께 사용될 수 있다. 일실시예에서, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 상단-이미터 디바이스이다. 다른 실시예에서, 소자(미도시)는 하단-이미터 디바이스이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 LED 디바이스 제조방법은 기판을 제공하는 단계(400); 반사 도전성 박막구조를 형성하는 단계(410); 스페이서를 형성하는 단계(415) 및 상기 반사 도전성 박막구조 위에 비패턴화 백색 발광층을 형성하는 단계(420)를 포함한다. 반투명 도전성 박막구조는 상기 반사 도전성 박막구조 위에 단계(430)로 형성될 수 있어 상기 비패턴화 백색 발광층이 상기 반사 도전성 박막구조와 상기 반투명 도전성 박막구조 사이에 형성된다. 상기 반사 도전성 박막구조, 반투명 도전성 박막구조, 및 비패턴화 백색 발광층은 광학적 공동을 형성한다. 상기 반사 또는 반투명 도전성 박막구조 중 어느 하나는 단계 440에서 복수의 별개로 제어가능한 발광 서브-픽셀 요소들을 형성하도록 패턴화된다; 이 때문에, 컬러 서브-픽셀을 형성하기 위해 상기 별개로 제어가능한 발광 서브-픽셀 요소에 대응하여 상기 비패턴화 백색 발광층의 맞은편에 상기 반투명 도전성 박막구조의 일측 위에 컬러 필터를 선택적으로 형성한다. 컬러 필터는 적어도 2개의 다른 컬러를 갖는다. 적어도 하나의 별개로 제어가능한 발광 요소는 백색 발광 요소를 형성하기 위해 실질적으로 백색광을 함께 방출하는 적어도 2개의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조를 갖는다. 각각의 광학적 마이크로공동은 한 방출각도 또는 다수의 방출각도에서 다른 보색 파장으로 광을 방출하도록 동조된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 반투명 도전성 박막구조 위에 비패턴화된 백색 발광층이 형성된다.
고객 연구 및 백색광 이미터에 대한 최적화를 통해 그리고 신중하게 선택된 광학적 공동 선택으로, 본 출원인은 본 발명의 광학적 마이크로공동을 이용한 백색광 이미터에서 컬러 변화가 소비자에게 받아들여질 수 있음을 검증하였다. 이런 마이크로공동 구조는 특히 상단 이미터 구성에서 이점을 갖는데, 이는 (예컨대, 은으로 된 박층을 포함하는) 반투명 전극은 (예컨대, 인듐 주석 산화물과 같은 투명 도전성 산화물을 포함한) 완전한 투명 전극보다 훨씬 더 전기 도전적이기 때문이다. 본 발명은 마이크로공동 구조로부터 향상된 광출력, 감소된 각도 컬러 변이, 및 유기 또는 무기의 비패턴화 발광층 이용시 비용절감을 제공한다.
패턴화 디바이스에서, 전류에 응답해 다른 컬러의 광을 방출하기 위해 다른 재료들이 사용된다. 대조적으로, 비패턴화 디바이스에서, 단일 컬러, 예컨대, 백색을 방출하기 위해 동일한 재료들이 사용되고, 상기 컬러 서브-픽셀에 의해 방출된 광은 상기 백색광 이미터와 결합해 컬러 필터를 이용함으로써 컬러화된다. 종종, 백색광 이미터는 인식되는 광이 백색이 되게 방출하도록 다른 컬러, 예컨대, 청색 및 황색 또는 적색 및 청록색을 방출하는 하나 이상의 비패턴화 층에서 재료들의 조합을 포함할 것이다. 그러나, 중요한 점은 많은 발광재료들이 단일층에 포함되거나, 많은 층들이 포함된다는 것이며, 상기 층들은 모든 픽셀들에서 모든 서브-픽셀들에 이용되는 비패턴화된 집합 방출이다.
LED 디바이스에서 광이 실제로 광을 방출하는 높은 광학적 굴절률 층, 또는 높은 광학적 굴절률 전하제어층 또는 높은 광학적 굴절률의 투명 전극에서 내부 전반사에 의해 갇힐 수 있음이 종래 기술에 공지되어 있다. 낮은 각도에서 방출된 광은 디바이스로부터 방출될 수 있는 반면, 법선에 대해 상대적으로 높은 각도에서 방출된 광은 높은 광학적 굴절률 층에 갇힐 수 있다. 광학적 공동 구조를 이용함으로써, 큰 각도에서 광의 방출이 줄어들어 더 많은 빛이 디바이스로부터 법선에 대해 상대적으로 낮은 각도에서 방출된다.
광학적 공동구조로부터 방출된 광의 컬러는 시청 각도에 따르는 것도 또한 사실이다. 이 각도 의존성은 특히 큰 시청각이 유요한 적용에서 시청자에게 매우 성가실 수 있다. 각도에 따른 이 컬러 변이는 특히 백색광 이미터를 사용하는 컬러 서브-픽셀에 현저할 수 있다. 그러나, 컬러 서브-픽셀들에 대해 본 발명에 사용된 컬러 필터들은 주변광을 흡수할 뿐만 아니라 또한 광학적 공동 디바이스와 함께 통상적으로 갖는 광 컬러의 각도에 대한 관찰된 의존성을 줄인다.
그러나, 본 발명에 의해 제공된 컬러 서브-픽셀에 대한 각도 증가에 따라 발견된 컬러 변이 저하는 이들 컬러 서브-픽셀의 휘도를 저하시킨다. 이런 휘도의 저하는 컬러의 이동보다 현저함이 덜하며 시청자에게 불유쾌함이 덜하다. 더욱이, 컬러 서브-픽셀들이 휘도에서 감소되는 정도까지, 시청각도 변화의 결과(백색점 이동이 발생할 수 있으나) 백색 서브-픽셀의 휘도가 일정한 반면, 순효과는 전체 컬러 채도에서 저하가 있을 수 있다. 이런 컬러 채도 저하는 몇몇 이미지에서 무시될 수 있고(즉 이들 이미지들은 거의 짙은 컬러가 없음) 강한 채도 컬러에 따른 이들 이미지에 대한 컬러에서의 변화보다 덜 현저한다. 따라서, 향상된 이미지 품질이 얻어진다. 게다가, 대부분의 이미지들은 상대적으로 짙지 않으므로(unsaturated), 순 휘도 효과가 종종 상대적으로 중요하지 않아진다.
본 출원인은 패턴화된 컬러 이미터들 및 백색 이미터들 모두와 함께 마이크로공동을 이용한 OLED 디바이스를 구성하였고, 원형 편광과 컬러 필터들의 성능과 함께 성능을 연구하였다. 더욱이, 다양한 상황하에서 본 발명의 성능을 이해하기 위해 광학적 모델링 툴들이 사용되었다. 일반적으로, 광학적 공동 및 컬러 필터를 이용한 백색 발광의 비패턴화 OLED 디바이스는 백색 발광에 비해 컬러 픽셀의 광출력을 대략 배가할 것으로 예상될 수 있다. 컬러 서브-픽셀은 대부분 출력된 광에 있어 증가되는 반면, 광학적 공동구조에서 협대역 광보다 광대역 광출력을 높이기가 더 어렵기 때문에, 백색 발광 서브-픽셀은 대략 0.6 내지 1.2의 곱셈 인수만큼 광출력에서만 변할 것이다. 그러나, 백색 발광 서브-픽셀은 컬러 서브-픽셀보다 (약 3 인수만큼) 더 효율적이기 때문에(어떠한 컬러 필터들도 백색 서브-픽셀에서 이용되지 않기 때문에), 백색 서브-픽셀의 이용은 대부분의 이미지들이 거의 채도 컬러를 갖지 않고 더 효율적인 백색 이미터가 불균일하게 사용됨으로써 OLED 디바이스의 전반적인 성능을 향상시킨다. 본 출원인은 컬러 필터 디자인에서 이런 백색 서브-픽셀의 사용이 몇몇 이미지 애플리케이션에 대해 약 2의 인수만큼 전체 디바이스 성능을 향상시킬 수 있음을 입증했다.
본 발명의 LED 디바이스는 필요하다면 속성들을 향상시키기 위해 다양한 잘 알려진 광학적 효과들을 이용할 수 있다. 이는 최대 광전달을 하기 위해 층 두께를 최적화하는 것과, 유전체 미러구조를 제공하는 것과, 디스플레이 위에 반사방지 또는 반짝임 방지 코팅을 제공하는 것과, 중립 밀도를 제공하는 것과, 디스플레이 위에 컬러 변환 필터를 제공하는 것을 포함한다. 필터, 편광기, 및 반짝임 방지 또는 반사방지 코팅은 특히 커버 또는 기판 위에 또는 일부로서 제공될 수 있다.
본 발명은 능동 또는 수동 매트릭스 OLED 디바이스로 실시될 수 있고, 특히 정보-디스플레이 디바이스에 유용하다. 일실시예에서, 본 발명은 본 명세서에 개시된 작은 분자 또는 폴리머 OLED로 구성된 평판 OLED 디바이스나 탕 등(Tang et al.)의 1988년 9월 6일자로 간행된 미국특허 제4,769,292호 및 반슬리케 등(VanSlyke et al.)의 1991년 10월 29일자로 간행된 미국특허 제5,061,569호에 국한되지 않는다. 예컨대, 다결정 반도체 매트릭스에 형성된 양자 도트를 이용(예컨대, 카헨(Kahen)의 미국 공보 제2007/0057263호)하고, 유기 또는 무기 전하제어층을 이용하는 무기 디바이스들 또는 하이브리드 유기/무기 디바이스들이 이용될 수 있다. 유기 또는 무기 발광 디스플레이의 여러 조합 및 변화들이 상단 또는 하단 이미터 구조 중 어느 하나를 갖는 능동 및 수동 매트릭스 디스플레이 모두를 포함한 이런 디바이스를 제조하는데 사용될 수 있다.
10 기판
11 반사층
12 반사 도전성 박막구조
13, 13R, 13G, 13B, 13WY, 13WB 스페이서
14 발광층(들)
14R, 14G, 14B 패턴화 발광층
15 투명 도전층
16 반투명 도전성 박막구조
18 원형 편광기
20 커버
26 스페이서
26R, 26G, 26B, 26WY, 26WB 스페이서
28 마이크로공동 구조
28A, 28B, 28C, 28D, 28E, 28F 마이크로공동 구조
29A, 29B 광 주파수
30 박막 회로
32 절연체
34 절연체
40R, 4OG, 40B, 40WY, 40WB 컬러 필터
40K 블랙 매트릭스
50, 52, 54, 56 발광 소자, 서브-픽셀
56Y, 56B 공통제어가능부
60, 62, 64, 66, 66B, 66Y 광학적 공동
80,82,84 광
200 D65 백색점
205 스펙트럼 궤적
206 보라색 경계
210 청색 방출곡선
215 황색 방출곡선
220 백색점 곡선
225 수직 시청각도에서의 백색점
230 최대 시청각도에서의 백색점
250 백색 방출 스펙트럼
252 스펙트럼
255 변이 백색 방출 스펙트럼
260 컬러 필터 전송 스펙트럼
262 각도에 따른 컬러 변이
264 각도에 따른 컬러 변이
270 경계선
275 경계선
280 영역
285 영역
290 교차
295 방출곡선
296 방출곡선
297 방출곡선
298 D65 백색점
300 디바이스
310 컨트롤러
320 신호
400 처리단계: 기판 제공
410 처리단계: 전극 형성
415 처리단계: 스페이서 형성
420 처리단계: 비패턴화 백색 발광층 형성
430 처리단계: 반투명 전극 형성
440 처리단계: 컬러 필터 형성

Claims (20)

  1. a) 반사 도전성 박막구조 및 반투명 도전성 박막구조와,
    b) 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조를 형성하며 상기 반사 및 반투명 도전성 박막구조 사이에 형성된 하나 이상의 박막층을 구비하고, 상기 박막층은 상기 도전성 박막구조에 의해 제공된 전류에 응답하여 백색광을 방출하며,
    c) 상기 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 각각은 하나 이상의 광학적 공동내에 다른 공명 주파수를 갖고 백색 발광 박막층(들)의 스펙트럼 범위보다 더 작은 스펙트럼 범위의 광을 방출하고, 상기 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조로부터 방출된 광의 조합이 백색인 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 중 적어도 2개에 의해 방출된 광은 보색인 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 중 적어도 하나에 의해 방출된 광은 청색이고 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 중 적어도 다른 하나에 의해 방출된 광은 황색이거나, 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 중 적어도 하나에 의해 방출된 광은 청록색이고 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 중 적어도 다른 하나에 의해 방출된 광은 적색이거나, 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 중 적어도 하나에 의해 방출된 광은 녹색이고 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 중 적어도 다른 하나에 의해 방출된 광은 심홍색인 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    광을 방출하는 하나 이상의 추가적인 별개로 제어가능한 구조들을 더 포함하는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 백색 발광 박막층에 의해 방출된 광을 거르는 컬러 필터들을 더 구비하는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 각도에 걸쳐 상기 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조에 의해 방출된 조합된 광의 컬러 변화는 하나 이상의 각도 걸쳐 상기 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조에 의해 방출된 조합된 광의 컬러 변화보다 적은 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 도전성 박막구조 또는 반투명 도전성 박막구조는 금속 단일층을 구비하는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 도전성 박막구조는 반사층과 별개의 투명한 도전층을 포함하는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반사층과 상기 별개의 투명한 도전층 사이에 투명 스페이서층이 위치되는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 도전성 박막구조와 상기 반투명 도전성 박막구조 사이에 투명 스페이서층이 위치되는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2쌍의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조를 더 구비하고, 상기 각 쌍의 마이크로공동 구조는 상기 백색 발광 박막층(들)의 스펙트럼 범위보다 더 적은 스펙트럼 범위를 갖는 광을 방출하며, 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조의 쌍에 의해 방출된 광의 조합은 백색인 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    한 쌍의 마이크로공동 구조 중 하나에 의해 방출된 광은 청색이고 상기 한 쌍의 마이크로공동 구조 중 다른 하나에 의해 방출된 광은 황색이며, 한 쌍의 마이크로공동 구조 중 하나에 의해 방출된 광은 청록색이고 상기 한 쌍의 마이크로공동 구조 중 다른 하나에 의해 방출된 광은 적색이며, 한 쌍의 마이크로공동 구조 중 하나에 의해 방출된 광은 녹색이고 상기 한 쌍의 마이크로공동 구조 중 다른 하나에 의해 방출된 광은 심홍색인 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    3 쌍의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조를 더 구비하고, 각 쌍은 광의 보색 컬러를 만드는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조는 기판 위에 서로 인접 위치되는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 광학적 공동을 형성하기 위해 이용된 투명 스페이스층들을 더 구비하는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스는 디스플레이 디바이스, 램프 디바이스 또는 영역조명 디바이스인 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스를 제어하고 전력을 제공하기 위한 컨트롤러를 더 구비하는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  18. 제 1 항의 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스를 형성하는 방법.
  19. a) 반사 도전성 박막구조 및 반투명 도전성 박막구조와,
    b) 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조를 형성하며 상기 반사 및 반투명 도전성 박막구조 사이에 형성된 하나 이상의 박막층을 구비하고, 상기 박막층은 상기 도전성 박막구조에 제공된 전류에 응답하여 광을 방출하며,
    c) 상기 2 이상의 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 각각은 백색 발광 박막층(들)의 스펙트럼 범위보다 더 적은 스펙트럼 범위의 광을 방출하고, 하나 이상의 각도에 걸쳐 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조에 의해 방출된 조합된 광의 컬러 변화는 하나 이상의 각도에 걸쳐 상기 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조 중 적어도 하나에 의해 방출된 조합된 광의 컬러 변화보다 더 적은 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 발광 박막층은 다른 공통으로 제어되는 마이크로공동 구조내에 다른 발광재료가 이용되도록 패턴화되는 박막형 백색 발광 다이오드 디바이스.
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