KR20110057598A - 유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치 - Google Patents

유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 추출 효율을 높인 유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치에 관한 것으로, 기판; 상기 기판 상에 규칙적으로 패터닝된 제 1 전극층; 상기 제1 전극층 상에 배치되고, 유기층보다 굴절률이 작은 전도성 물질을 포함하는 저굴절 전도층; 상기 저굴절 전도층을 상에 배치된 유기층; 및 상기 유기층 상에 형성된 제 2 전극층;을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.

Description

유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치{Organic light emitting device, lighting equipment comprising the same, and organic light emitting display apparatus comprising the same}
본 발명은 유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 추출 효율을 높인 유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치에 관한 것이다.
유기 발광 소자는 서로 대향하는 전극 사이에 유기층을 위치시켜, 한쪽 전극에서 주입된 전자와 다른 쪽 전극에서 주입된 정공이 유기층에서 결합하고, 이때의 결합을 통해 발광층의 발광 분자가 여기 된 후 기저 상태로 돌아가면서 방출되는 에너지를 빛으로 발광시키는 발광 소자이다.
유기 발광 소자의 발광층에서 발광되는 빛은 일반적으로 특정한 방향성을 띄지 않고 방출되며, 통계적으로 균일한 각 분포를 이루는 임의의 방향으로 방출되는 특성을 갖는다. 이 때문에 유기 발광 소자 발광층 내에서 생성된 총 광자(photon) 수 대비 소모되지 않고 실제 관측자에게 도달하는 광자 수의 비율, 즉, 외부 광 추출 효율(Outcoupling Efficiency; ηout)은, 유기 발광 소자를 구성하는 각 층의 굴절률의 값에 따라 차이가 있을 수 있지만, 통상적으로 대략 15~20% 미만에 그치고 있는 실정이다.
유기 발광 소자의 외부 광 추출 효율은 전반적인 외부 양자 효율 및 전력 효율을 제한하고, 외부 양자 효율이나 전력 효율은 유기 발광 소자의 전체적인 전력 소모량을 결정하여 유기 발광 소자의 수명에 큰 영향을 주는 요인이므로, 이를 증대시키고자 여러 방면으로 노력이 있어 왔다
본 발명은 상기와 같은 문제점 및 그 밖의 문제점을 해결하기 위하여, 외부 광 추출 효율이 향상된 유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명 장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기판; 상기 기판 상에 규칙적으로 패터닝된 제 1 전극층; 상기 제1 전극층 상에 배치되고, 유기층보다 굴절률이 작은 전도성 물질을 포함하는 저굴절 전도층; 상기 저굴절 전도층을 상에 배치된 유기층; 및 상기 유기층 상에 형성된 제 2 전극층;을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중 적어도 하나의 전극은 투명전극일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제 1 전극층 패턴의 주기적 간격은 발광되는 빛의 파장보다 크게 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제 1 전극층의 패턴 단부와 상기 기판의 표면이 형성하는 테이퍼 각이 15도 내지 90도 사이로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제 1 전극층의 패턴 단부와 상기 기판의 표면이 형성하는 테이퍼 각은 20도 내지 70도 사이로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제 1 전극층의 패턴은, 상기 기판의 상면으로부터 제 1 두께(D1)를 갖도록 형성된 제 1 패턴부와, 상기 제 1 패턴부 의 상면으로부터 상기 기판 측으로 제 2 두께(D2)만큼 식각된 제 2 패턴부가 규칙적으로 배열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제 1 패턴부와 제 2 패턴부의 주기적 간격은 발광되는 빛의 파장보다 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제 2 패턴부의 단부가 상기 제 1 패턴부의 표면과 형성하는 테이퍼 각이 15도 내지 90도 사이로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제 2 패턴부의 단부가 상기 제 1 패턴부의 표면과 형성하는 테이퍼 각이 20도 내지 70도 사이로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제 1 두께(D1)에 대한 제 2 두께(D2)의 비가 증가할수록 상기 테이퍼 각의 범위가 증가할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 저굴절 전도층은 투명할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 저굴절 전도층은 일함수가 큰 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 저굴절 전도층은 PEDOT:PSS, 폴리아닐린, 카본나노튜브, 및 그래핀에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 기판의 외부 표면에 마이크로렌즈 어레이가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로렌즈 어레이는 반구형, 피라미드 모양, 역사다리꼴 모양 중에서 선택된 하나 이상의 모양으로 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로렌즈 어레이는 주기성을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로렌즈 어레이의 크기나 주기성은 발광되는 빛의 파장보다 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로렌즈 어레이는 가시광선에 투명한 산화물, 질화물, 실리콘 화합물, 및 고분자 유기물질 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 기판과 동일 굴절률의 재료로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로렌즈 어레이가 적용된 경우 상기 기판은 통상의 소다-라임계 기판보다 굴절률이 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로렌즈 어레이가 적용된 경우 상기 기판의 굴절률은 1.5~2.4일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 전술한 유기 발광 소자를 포함하는 조명 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은, 전술한 유기 발광 소자를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치를 제공한다
따라서, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자는, 소자 능동부에 사구간이 없어, 사구간 존재로 인한 소자의 수명 감소 요인이 없는 상태에서 광 추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 이에 비례하여 전력 효율향상을 그대로 구현할 수 있다. 이러한 광 추출효율 및 전력효율 향상은 전반적 수명 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자는, 파장 의존성이 없거나 매우 적은 광 추출 효율 향상을 가져올 수 있다.
이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 사상을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
상기 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)는 기판(110), 제 1 전극층(120), 저굴절 전도층(130), 유기층(140), 및 제 2 전극층(150)을 포함한다.
기판(110)은 SiO2를 주성분으로 하는 글라스재 기판, 플라스틱재 기판 등 다양한 재질의 기판을 사용할 수 있다. 본 발명의 유기 발광 소자(100)는 제 2 전극층(150) 측으로 빛이 방출되는 전면 발광, 기판(110) 측으로 빛이 방출되는 배면 발광, 또는 양면 발광 어느 경우에도 적용가능하지만, 본 실시예에서는 기판(110) 측으로 빛이 방출되는 배면 발광 소자를 기준으로 설명하기로 한다. 이 경우, 투명 한 기판(110)을 사용한다. 한편, 본 실시예에서는 유기 발광 소자(100)의 광 추출 효율을 향상하기 위한 투명한 기판(110)으로는 통상적으로 많이 이용되는 소다 라임 계열 유리 기판을 사용하였다.
기판(110) 상에 제 1 전극층(120)이 규칙적으로 패터닝되어 배치된다. 본 실시예에서 제 1 전극층(110)은 투명전극의 일종으로 굴절률이 약 1.8인 ITO(Indium Tim Oxide)를 사용하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않음은 물론이다.
도 2는 기판(110) 상에 제 1 전극층(120)이 패터닝된 패턴 구조의 평면도와 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 도면을 참조하면, 제 1 전극층(120)은 기판(110) 상에 복수개의 개구 패턴(A)이 규칙적으로 반복되고 소정 두께(D1)를 구비한 그리드(Grid) 타입의 패턴으로 형성되어 있다.
이러한 제 1 전극층(120)의 패턴의 주기적 간격은 빛의 파장보다 크게 수 마이크로미터(㎛)의 크기로 형성하여, 가시광 영역에서의 빛의 파장 의존성을 줄일 수 있도록 한다. 이와 같이 수 마이크로미터 크기의 제 1 전극층(110)의 패턴은 일반적인 포토리소그라피(photolithography) 공정을 이용하여 어렵지 않게 식각하여 형성할 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기 도면에는 제 1 전극층(120)의 패턴이 사각형 형상의 개구(A)가 규칙적으로 배열되어 있으나, 이는 일 예시일뿐 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 규칙적인 패턴의 개구(A)는 사각형 이외 임의의 형상이 가능함은 물론이며, 크기나 반복 주기도 패턴의 전체적인 균일도를 해치지 않는 범위에서 어느 정도의 변 형이 가능하다.
한편, 상기 도면에는 제 1 전극층(120)의 개구가 완전히 에칭되어 기판(110) 표면이 드러나도록 패터닝되어 있지만 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, 제 1 전극층(120)의 패턴 단부를 기판(110)의 표면에 소정 테이퍼진(tapered) 각(θ)으로 형성함으로써 광 추출효율을 향상시킬 수 있다. 이들에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
제 1 전극층(120)의 세척 및 플라즈마 클리닝을 거친 후, 제 1 전극층(120) 및 개구된 기판(110) 상에 유기층(140)보다 굴절률이 작고 전도성 있는 물질을 포함하는 저굴절 전도층(130)을 형성한다.
저굴절 전도층(130)은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)), 폴리아닐린(polyaniline), 카본나노튜브(carbon nano tubes), 및 그래핀(graphene)에서 선택된 하나 이상의 물질을, 스핀 코팅 등 다양한 방법으로 형성할 수 있다.
이와 같은 저굴절 전도층(130)은 전도도 및 투명도가 우수하고, 굴절률이 유기층(140)보다 작아야 하며, 인접하는 유기층(140)으로의 전하 주입이 용이한 것이 좋다.
본 실시예에서는 저굴절 전도층(130)으로 전도성 고분자인 PEDOT:PSS의 고전도 등급(high-conductivity grade)인 독일 HC Starck 사의 PH500 용액에, Dimethyl Sulfoxide (DMSO)를 부피비 5%를 섞어 스핀 코팅법으로 도포하였다. 이 경우, 저굴절 전도층(130)의 전도도는 약 200~500 S/cm 이고, 약 50nm 두께의 필름에서 약 수 백 Ω/sq 정도의 면저항이 구현될 수 있음이 알려져 있으며, 정공 수송형 유기층으로의 정공 주입도 잘되는 것으로 알려져 있다. 굴절률의 경우, 가시광 영역에서 1.3~1.5 정도로 유기층(140)의 굴절률인 1.7~1.8보다 작게 구현된다.
저굴절 전도층(130) 상에 유기층(140)이 형성된다. 상기 도면에는 유기층(140)이 하나의 단일층으로 도시되어 있으나, 실제로 유기층(140)은 여러 물질들이 사용된 다층구조로 형성될 수 있으며, 무기 물질층을 더 포함할 수도 있다. 이와 같은 유기층(140)은 저분자 또는 고분자 유기물로 구비될 수 있다.
저분자 유기물을 사용할 경우, 유기층(140)은 통상적으로 다층구조로 형성되면, 해당 다층구조는 홀 주입층(HIL: hole injection layer)(미도시), 홀 수송층(HTL: hole transport layer)(미도시), 발광층(EL: emitting layer), 전자 수송층(ETL: electron transport layer)(미도시), 전자 주입층(EIL: electron injection layer)(미도시) 중 발광층을 포함하여 하나 이상이 이용된 적층구조로 형성될 수 있으며, 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. 고분자 유기물의 경우, 유기층(140)으로부터 애노드 전극 측으로 통상 홀 수송층(HTL)(미도시)이 더 구비된 구조를 갖는데, 본 실시예에서는 애노드 층 상부에 도포된 저굴절율 전도체인 PEDOT:PSS 층 (130) 이 해당 역할을 겸할 수 있다. 즉, 홀 주입층으로 상기의 PEDOT:PSS를 사용하고, 발광층으로 PPV(Poly- Phenylenevinylene)계 및 폴리플루오렌(Polyfluorene)계 등 고분자 유기물질을 사용할 수 있다. 가질 수 있으며, 이때, 홀 수송층으로 PEDOT를 사용하고, 발광층으로 PPV(Poly-Phenylenevinylene)계 및 폴리플루오렌(Polyfluorene)계 등 고분자 유기물질을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 유기층(140)의 경우 표준 구조로 많이 사용되는 NPB(50nm)와 Alq3(50nm)로 구성되어 있다었으며, 이경우 NPB가 홀수송층으로, Alq3가 전자수송층 및 발광층으로 동작한다.
유기층(140) 상에 제 2 전극층(150)이 형성된다. 제 2 전극층(150)은 전면 발광형 소자의 경우 투명 전극으로, 배면 발광형 소자의 경우 반사 전극으로 구비될 수 있다. 제 2 전극층(150)이 반사형 전극으로 구비될 때에는 Li, Ca, LiF/Ca, LiF/Al, Al, Mg 및 이들의 화합물로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서 제 2 전극층(150)은 LiF(1nm)/Al(100nm)로 구성되었다.
도 3은 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 출광 상태를 광선 추적법으로 도시한 단면도이다. 본 실시예에서 유기층(140)은 NPB(50nm)와 Alq3(50nm)로 구성되어 있는데, 두 물질은 굴절율이 거의 동일하여, NPB와 Alq3가 이루는 계면에서의 굴절은 무시할 수 있으며, 따라서, 편의상 광학적으로는 하나의 물질로 이루어진 것으로 본다.
상기 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)의 유기층(발광물질:Alq3)(140)에서 나온 빛들 중, 일반적인 구조에서는 웨이브가이드된(waveguided) 모드가 될 만큼 충분히 수평한 각도로 출광되는 빛들(L1, L2, L3)이 어떻게 출광 모드로 변화될 수 있는지를 알 수 있다. 상기 도면에서 알 수 있듯 이, 유기층(140)의 굴절률이 저굴절 전도층(130)의 굴절률보다 크므로, 빛(L1, L2, L3)들이 유기층(140)을 따라 가이드 되다가 구조물을 만나 반사되면서 구조물의 표면에 수직한 방향으로 각도가 바뀌고, 그 결과 출광 모드로 전환된다.
도 4는 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 외부 양자 효율의 증가 양상을 도시한 그래프이고, 도 5는 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 전력 효율의 증가 양상을 도시한 그래프이다.
본 실시예에 적용된 유기 발광 소자는 제1 전극층(120)으로 IT0를 사용하였으며, ITO의 개구 패턴(A)은 3㎛×3㎛의 사각형 형상과 반복 주기 6㎛를 가지며, 저굴절율 전도층(130)으로는 DMSO가 5% (부피비 기준) 첨가된 PH500이 적용되었다. 이때, 도 4 및 5를 참조하면, ITO가 패턴을 갖지 않는 유기 발광 소자에 비하여, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자는 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency: EQE) 및 전력 효율(Power Efficiency)이 약 1.25배 향상되었다. 이 실험치는 ITO 패턴 구조의 테이퍼 각(θ)이 최적화되지 않은 구조에서 측정된 것으로, SEM 이미지에 따르면 본 실시예의 경우 테이퍼 각은 약 20~30도 정도로 측정되었다. 따라서, 테이퍼 각이 최적화될 경우 더 높은 성능 향상이 기대되며, 이에 대하여는 후술한다.
한편, 광 추출 향상을 위하여 ITO 전극 위에 저굴절률의 어레이(array)를 배치하여 사용하는 미국공개특허 2008/0238310A1의 경우, 절연 물질의 저굴절 어레이를 ITO 전극 위에 배치함으로써, 저굴절 어레이가 배치되는 영역은 전기적으로 동작하지 않는 전기적 사구간(inactive area)가 된다. 이 경우, 동일한 유효밝기를 구현하기 위한 실 전류 밀도가 높아지므로 전류가 단위 면적에 집중되어 소자의 수명 감소, 동작 전압 상승, 및 이에 따른 전력 효율의 감소 등의 문제점이 발생할 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)는, 저굴절률을 갖는 전도층(130)이 패터닝된 ITO(120)와 유기층(140) 사이에 배치됨으로써, 전기적 사구간(inactive area) 없이 저굴절 전도층(130)이 형성된 모든 영역에서 빛이 방출될 수 있는 장점이 있다.
한편, 제 1 전극층(120)인 ITO의 면저항을 R(ITO), 저굴절 전도층(130)인 PH500의 면저항을 R(PH500), ITO/PH500 전체 면저항을 R(TOTAL)이라 하면, 본 실시예에 따른 ITO의 개구 패턴 모양 및 주기를 고려할 때, 유기 발광 소자의 ITO/PH500 전체 면저항R(TOTAL)은 아래 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112009072221412-PAT00001
여기서, R(PH500)은 50nm 두께 기준으로 약 50Ω/sq이고, R(ITO)는 약 10Ω/sq, R(PEDOT)가 500Ω/sq라 할때, 전체 면저항R(TOTAL)은 약 14.8Ω/sq로 그 증가폭이 크지 않음을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)를 사용하는 조명 장치나 유기 발광 디스플레이 장치가 대면적화되는 경우에도, IR 전압강하에 따른 밝기의 감소가, 패턴 되지 않은 ITO를 구비한 유기 발광 소자와 비교하여크지 않을 것이므로, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)를 포함하는 조명장치나 유기 발광 디스플레이 장치의 경우, 광 추출 효율이 향상되면서도 IR 드 롭에 의한 밝기의 감소도 방지할 수 있다.
따라서, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)는 전기적 사구간을 줄여 전력 효율 및 소자의 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 패턴의 크기나 반복주기가 가시광 영역의 파장보다 충분히 크므로, 파장 의존성을 줄이고, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이하, 상기 도면을 참조하여 전술한 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)와의 차이점을 중심으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자(200)를 설명한다.
상기 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(200)는 기판(210), 제 1 전극층(220), 저굴절 전도층(230), 유기층(240), 및 제 2 전극층(250)을 포함한다.
본 실시예에 따른 유기 발광 소자(200)는 기판(210) 상에 제 1 전극층(220)이 규칙적인 형상을 갖도록 패터닝된다. 이와 같은 제 1 전극층(220)의 패턴은, 기판(210)의 상면으로부터 제 1 두께(D1)를 갖도록 형성된 제 1 패턴부(P1)와, 제 1 패턴부(P1)의 상면으로부터 기판(210) 측으로 제 2 두께(D2) 만큼 식각된 제 2 패턴부(P2)가 규칙적으로 배열된다. 즉, 전술한 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)에서는 기판(110)의 표면이 드러나도록 제 1 전극층(110)의 개구가 완전히 에칭되어 제 1 두께(D1)에 대한 제 2 두께(D2)의 비(D2/D1)가 1인 경우였지만, 본 실시예 에 따른 유기 발광 소자(200)에서는 제 1 두께(D1)에 대한 제 2 두께(D2)의 비(D2/D1)가 1보다 작은 경우이다.
또한, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(200)에서는, 제 1 전극층(220)의 제 2 패턴부(P2)의 단부가 상기 제 1 패턴부(P1)의 표면과 형성하는 테이퍼 각(θ)이 15도 내지 90도 사이로 형성될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20도 내지 70도 사이로 형성될 수 있다. 제 1 두께(D1)에 대한 제 2 두께(D2)의 비가 증가할수록, 즉, 에칭 정도가 클수록 광 추출 효율을 증가시키기 위하여 선택할 수 있는 테이퍼 각의 범위는 증가된다. 이를 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 제 1 전극층의 테이퍼 각 및 에칭 비율에 따른 유기 발광 소자의 광추출 효율의 관계를 나타낸 그래프이다.
상기 도면을 참조하면, 제 1 패턴부(P1)의 제 1 두께(D1)가 150nm일때, 제 2 패턴부(P2)의 제 1 전극층(220)을 에칭한 두께(D2)가 클수록, 즉, 그래프에서 G3< G2 < G1의 순서로 유기 발광 소자의 광 추출 효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 광 추출 효율의 측면에서는 제 1 전극층(220)의 제 2 패턴부(P2)를 완전히 에칭하는 것이 유리하다.
그러나, 본 실시예와 같이 제 2 패턴부(P2)의 제 1 전극층(220)이 완전히 에칭되지 않더라도(G2 및 G3), 테이퍼 각(θ)의 범위를 조절함으로써 유효한 광 추출 효율 범위를 유지할 수 있다. 예를 들어, 기준 소자(ITO 패턴이 없는 통상의 구조)의 광추출 효율인 16% 보다 약 31% 증가된 21% 이상의 우수한 광 추출 효율을 도출하기 위하여, 제 2 패턴부(P2)의 제 1 전극층(220)을 완전히 에칭한 G1의 경우 테 이퍼 각의 범위는 α1~α2이고, 제 2 패턴부(P2)의 제 1 전극층(220)을 제 1 패턴부(P1)에 대하여 2/3 에칭한 G2의 경우 테이퍼 각의 범위는 β1~β2이며, 제 2 패턴부(P2)의 제 1 전극층(220)을 제 1 패턴부(P1)에 대하여 1/3 에칭한 G3의 경우 테이퍼 각의 범위는 γ1~γ2이다. 즉, 에칭 정도가 클수록 광 추출 효율을 증가시키기 위하여 선택할 수 있는 테이퍼 각의 범위는 증가 된다.
따라서, 상기 그래프로부터 테이퍼 각의 최적 범위를 결정함으로써 광 추출 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, 제 2 패턴부(P2)의 제 1 전극층(120)을 완전히 에칭하지 않더라도, 테이퍼 각의 최적 범위를 선택함으로써 원하는 광 추출 효율을 함께 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이러한 제 1 패턴부(P1)와 제 2 패턴부(P2)는 그리드(Grid) 타입의 패턴 등 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. 그리고, 제 1 패턴부(P1)와 제 2 패턴부(P2)의 간격을 빛의 파장보다 크게 수 마이크로미터(㎛)의 크기로 형성하여, 가시광 영역에서의 빛의 파장 의존성을 줄일 수 있도록 한다.
제 1 전극층(220) 상에는 유기층(240)보다 굴절률이 작고 전도성 있는 물질을 포함하는 저굴절 전도층(130)과 제 2 전극층을 형성한다. 전술한 실시예와 동일하므로 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이하, 상기 도면을 참조하여 전술한 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)와의 차이점을 중심으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 발광 소 자(300)를 설명한다.
상기 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(300)는 기판(310), 제 1 전극층(320), 저굴절 전도층(330), 유기층(340), 제 2 전극층(350), 및 마이크로렌즈 어레이(360)를 포함한다.
본 실시예에서는 기판(310)의 외부 표면에 마이크로렌즈 어레이(MicroLens Array: MLA)(360)가 더 구비된다. 마이크로렌즈 어레이(360)는 반구형, 피라미드 모양, 역사다리꼴 모양 중에서 선택된 하나 이상의 모양으로 구성될 수 있다. 이와 같은 마이크로렌즈 어레이(360)는 가시광선에 투명한 산화물, 질화물, 실리콘 화합물, 및 고분자 유기물질 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 이와 같은 마이크로렌즈 어레이(360)는 기판(310)의 상부에 형성되거나 부착될 수 있으며, 경우에 따라서는 기판(310)을 기계적인 방법이나 식각 방법을 통해 깎아내어 형성될 수도 있다.
또한, 마이크로렌즈 어레이(360)는 일정한 주기성을 가지도록 형성될 수 있으며, 마이크로렌즈 어레이(360)의 크기나 주기성은 발광되는 빛의 파장보다 크게 형성함으로써, 가시광 영역에서의 빛의 파장 의존성을 줄일 수 있도록 한다.
도 9도 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 외부 양자 효율의 증가 양상을 도시한 도면이고, 도 10은 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 전력 효율의 증가 양상을 도시한 도면이다.
상기 도면들을 참조하면, ITO가 패턴되지 않은 유기 발광 소자에 비하여, 본 실시예와 같이 ITO(320)가 규칙적으로 패터닝 되고, ITO(320) 위에 PEDOT:PSS와 같 은 저굴절 전도층(330)이 형성되고, 기판310) 외부에 마이크로렌즈 어레이(360)가 구비된 유기 발광 소자(300)는 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency: EQE) 및 전력 효율(Power Efficiency)이 약 1.63배 정도 향상됨을 알 수 있다. 이 실험치는 ITO 패턴 구조의 테이퍼 각(θ)이 최적화되지 않은 구조에서 측정된 것으로, 전술하였다시피 테이퍼 각이 최적화될 경우 더 높은 성능 향상을 기대할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 유기 발광 소자(300)의 광 추출 효율을 향상하기 위하여 최적 범위의 굴절률을 갖는 기판(310)을 사용할 수 있으며, 이때 마이크로렌즈 어레이(360)는 상기 기판(310)과 동일 또는 유사한 굴절률의 재료로 형성할 수 있다.
도 11은 기판과 동일한 굴절률을 가진 마이크로렌즈 어레이를 구비한 유기 발광 소자에서, 제1 전극층의 패턴이 25도의 테이퍼 각을 가질 때 기판 굴절률과 광추출 효율의 관계를 도시한 그래프이다.
상기 도면을 참조하면, 기판(360)의 굴절률이 유기층 및 ITO층의 굴절율과 유사한 값인 1.7~1.9 부근(520nm 기준) 일 때 광 추출 효율 증대를 극대화 할 수 있음을 알 수 있다. 그러나, 높은 굴절율을 갖는 기판은 가격 면에서 일반 기판보다 비쌀 수 있으므로 기판의 선택은, 전반적인 소자의 제작 단가나 공정성 등을 종합적으로 고려하여 결정하여야 한다. 도 11에서 보듯이, 굴절율이 1.52 정도인 일반 유리 기판에서도 본 실시예의 유기발광소자 구조를 통해 100% 이상 (약 16% -> 약 36%) 의 효율 증대를 가져올 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명장치 및 유기 발광 디스플레이 장치는 마이크로렌즈 어레이를 더 구비함으로써 광 추출 효율을 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 도면들에 도시된 구성요소들은 설명의 편의상 확대 또는 축소되어 표시될 수 있으므로, 도면에 도시된 구성요소들의 크기나 형상에 본 발명이 구속되는 것은 아니며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 기판(110) 상에 제 1 전극층이 패터닝된 패턴 구조의 평면도와 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 출광 상태를 광선 추적법으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 외부 양자 효율의 증가 양상을 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 전력 효율의 증가 양상을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 제 1 전극층의 테이퍼 각 및 에칭 비율에 따른 유기 발광 소자의 광추출 효율의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9도 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 외부 양자 효율의 증가 양상을 도시한 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 전력 효율의 증가 양상을 도시 한 도면이다.
도 11은 기판과 동일한 굴절률을 가진 마이크로렌즈 어레이를 구비한 유기 발광 소자에서, 기판 굴절률과 광추출 효율의 관계를 도시한 그래프이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명 >
100, 200, 300: 유기 발광 소자 110, 210, 310: 기판
120, 220, 320: 제 1 전극층 130, 230, 330: 저굴절 전도층
140, 240, 340: 유기층 150, 250, 350: 제 2 전극층
360: 마이크로렌즈 어레이

Claims (23)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 규칙적으로 패터닝된 제 1 전극층;
    상기 제1 전극층 상에 배치되고, 유기층보다 굴절률이 작은 전도성 물질을 포함하는 저굴절 전도층;
    상기 저굴절 전도층을 상에 배치된 유기층; 및
    상기 유기층 상에 형성된 제 2 전극층;을 포함하는 유기 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층 중 적어도 하나의 전극은 투명전극인 유기 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층 패턴의 주기적 간격은 발광되는 빛의 파장보다 큰 유기 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층의 패턴 단부와 상기 기판의 표면이 형성하는 테이퍼 각이 15도 내지 90도 사이로 형성된 유기 발광 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층의 패턴 단부와 상기 기판의 표면이 형성하는 테이퍼 각이 20도 내지 70도 사이로 형성된 유기 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층의 패턴은, 상기 기판의 상면으로부터 제 1 두께(D1)를 갖도록 형성된 제 1 패턴부와, 상기 제 1 패턴부의 상면으로부터 상기 기판 측으로 제 2 두께(D2) 만큼 식각된 제 2 패턴부가 규칙적으로 배열된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴부와 제 2 패턴부의 주기적 간격은 발광되는 빛의 파장보다 큰 유기 발광 소자.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 패턴부의 단부가 상기 제 1 패턴부의 표면과 형성하는 테이퍼 각이 15도 내지 90도 사이로 형성된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 패턴부의 단부가 상기 제 1 패턴부의 표면과 형성하는 테이퍼 각이 20도 내지 70도 사이로 형성된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 두께(D1)에 대한 제 2 두께(D2)의 비가 증가할수록 상기 테이퍼 각의 범위가 증가하는 유기 발광 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 저굴절 전도층은 투명한 유기 발광 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 저굴절 전도층은 일함수가 큰 유기 발광 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 저굴절 전도층은 PEDOT:PSS, 폴리아닐린, 카본나노튜브, 및 그래핀에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 유기 발광 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 외부 표면에 마이크로렌즈 어레이가 더 구비된 유기 발광 소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 어레이는 반구형, 피라미드 모양, 역사다리꼴 모양 중에서 선택된 하나 이상의 모양으로 구성되는 유기 발광 소자.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 어레이는 주기성을 가지는 유기 발광 소자.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 어레이의 크기나 주기성은 발광되는 빛의 파장보다 큰 유기 발광 소자.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈 어레이는 가시광선에 투명한 산화물, 질화물, 실리콘 화합물, 및 고분자 유기물질 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 유기 발광 소자.
  19. 제 14 항에서,
    상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 기판과 동일 굴절률의 재료로 형성된 유기 발광 소자.
  20. 제 14 항에서,
    상기 기판은 통상의 소다-라임계 기판보다 굴절률이 큰 유기 발광 소자.
  21. 제 20 항에서,
    상기 기판의 굴절률은 1.5 ~2.4인 유기 발광 소자.
  22. 제 1 항의 유기 발광 소자를 포함하는 조명 장치.
  23. 제 1 항의 유기 발광 소자를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치.
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