KR20140015270A - 유기 발광 소자(ｏｌｅｄｓ)를 위한 광 추출 필름 - Google Patents
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Abstract
배면-발광 또는 전면-발광 OLED와 같은 자기-발광형 광원으로부터의 광 추출을 향상시키기 위한 광학 필름이 개시된다. 추출 필름은 전형적으로 가요성 캐리어 필름, 및 캐리어 필름에 의해 지지되는 제1 및 제2 층을 포함한다. 제1 또는 제2 층은 나노공극형 모폴로지를 갖고 중합체 결합제를 포함하며, 또한 1.35 또는 1.3 미만의 굴절률을 가질 수 있다. 광 추출 요소들의 매립된 구조화된 표면이 제1 층과 제2 층 사이에 형성된다. 광 추출 요소들은 주로 OLED의 에바네센트 구역 내에 배치되도록 구성되는 회절 요소들일 수 있거나, 이들은 주로 에바네센트 구역 외측에 배치되도록 구성되는 굴절 요소들일 수 있다. 추출 필름은 또한 제3 층을 포함할 수 있으며, 제2 매립된 구조화된 표면이 제3 층과 제1 층 사이에 형성될 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 고체 자기-발광형 소자(solid state self-emissive lighting device) 외부로 광을 커플링시켜서 그 휘도를 증가시키도록 맞춰진 구조화된 표면을 갖는 광학 필름에 관한 것이며, 특히 유기 발광 소자(organic light emitting device, OLED)(때로는 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode)로도 지칭됨)로서 알려진 자기-발광형 소자에 대한 적용에 관한 것이다. 본 발명은 또한 관련 물품, 시스템, 및 방법에 관한 것이다.
매우 다양한 OLED가 알려져 있다. "배면 발광(bottom emitting)" OLED로 지칭되는 일부 OLED는 OLED가 그 상에 제조되는 투명 기재를 통해 광을 방출한다. "전면 발광(top emitting)" OLED로 지칭되는 다른 것은 반대 방향으로, 즉 OLED가 그 상에 제조되는 기재로부터 멀어지게 광을 방출한다. 일부 OLED는, 픽셀(pixel)(화소(picture element)) 또는 서브픽셀(subpixel)(픽셀로서 함께 그룹화되지만 개별적으로 어드레싱가능한 상이한 색상의 수개의 이웃하는 이미터(emitter)들 중 하나)로서 개별적으로 지칭되는, 개별적으로 어드레싱가능한 OLED 이미터들의 어레이를 형성하도록 패턴화된다. 그러한 픽셀화된 OLED는 휴대폰 및 유사한 최종 용도를 위한 것과 같은 디지털 디스플레이 장치에서의 사용에 대해 점점 인기를 얻고 있다. 픽셀화된 OLED와 대조적으로, 다른 OLED는 단지 하나의 발광 영역을 갖도록 설계되는데, 이는 의도된 응용에 따라 작고 좁거나 클 수 있고 확장될 수 있다.
일부 OLED 제조자 및 설계자에게 중요한 한 가지 문제는 그들의 설계의 특이성으로 인해 OLED가 나타내는 이상적이 아닌 효율이다. OLED의 또는 임의의 다른 자기-발광형 광원의 외부 효율은 소자에 의해 방출되는 광학 방사선 전체의 출력을 소자에 의해 소비되는 총 전력으로 나눈 것으로서 계산될 수 있다. OLED 외부 효율은 예를 들어 고-해상도 디스플레이에 사용되는 픽셀화된 OLED로부터 조명 시스템에 사용되는 비-픽셀화된 OLED에 이르는 많은 상이한 OLED 응용에 대해 중요한 설계 파라미터인데, 그 이유는 외부 효율이 전력 소비, 휘도, 및 수명과 같은 소자 특성에 영향을 주기 때문이다. OLED 외부 효율이 OLED 스택(stack) 자체의 활성 발광 층 내의 광학 손실(산화인듐주석 및 고 굴절률 유기 층 내에서의 도파 모드(waveguiding mode)로 인함), 중간-굴절률 기재 내의 광학 손실, 그리고 최종적으로 캐소드(cathode)(애노드(anode)) 금속의 표면 플라스몬 폴라리톤(plasmon polariton)에서의 액시톤 급랭(exciton quenching)으로 인한 광학 손실에 의해 상당하게 제한된다는 것을 많은 그룹이 입증하였다. 최대 가능 내부 효율(즉, 100% 내부 효율)을 나타내는 OLED 소자에서, 발생된 광학 방사선의 약 75 내지 80%가 상기 언급된 손실로 인해 내부에서 소멸되어, 상응하는 외부 효율의 감소를 야기한다. 색상 필터 또는 원형 편광기와 같은 추가의 광학 구성요소가 OLED 소자의 요소로서 포함되는 경우, 그러한 구성요소는 추가의 광학 손실 및 훨씬 더 낮은 외부 효율을 생성할 수 있다.
OLED 소자로부터의 광 추출을 향상시키기 위한 일부 광학 필름이 이미 제안되었다. 이에 관해서는 미국 특허 출원 공개 제2009/0015142호(포츠(Potts) 등), 제2009/0015757호(포츠 등), 및 제2010/0110551호(라만스키(Lamansky) 등)를 참조한다.
OLED 및 다른 자기-발광형 광원과 조합되어, 방출되는 광을 증가시키고 손실을 감소시키도록 그러한 소자로부터 광을 추출하기 위해 사용될 수 있는 새로운 계열의 광학 필름을 개발하였다. 개시된 광학 추출 필름(optical extraction film)은 다양한 유형의 OLED와의 조합에 특히 효과적이다. 개시된 추출 필름들 중 일부는 도파 모드로 손실되는 광의 양을 감소시킴으로써 광 추출을 향상시키도록 설계된다. 추출 필름들 중 일부는 OLED의 최외측 표면 또는 경계에서 내부 전반사되는 광의 양을 감소시킴으로써 광 추출을 향상시키도록 설계된다. 추출 필름들 중 일부는 손실 메커니즘의 이들 유형 둘 모두를 감소시킴으로써 광 추출을 향상시키도록 설계된다.
개시된 광학 필름은 배면-발광 또는 전면-발광 OLED와 같은 자기-발광형 광원으로부터의 광 추출을 향상시키는 데 유용하다. 추출 필름은 전형적으로 가요성 캐리어 필름(flexible carrier film), 및 캐리어 필름에 의해 지지되는 제1 및 제2 층을 포함한다. 제1 또는 제2 층은 나노공극형 모폴로지(nanovoided morphology)를 가질 수 있고 중합체 결합제를 포함할 수 있으며, 또한 1.35 또는 1.3 미만의 굴절률을 가질 수 있다. 광 추출 요소들의 매립된 구조화된 표면이 제1 층과 제2 층 사이에 형성된다. 광 추출 요소들은 주로 OLED의 에바네센트 구역(evanescent zone) 내에 배치되도록 구성되는 회절 요소(diffractive element)들일 수 있거나, 이들은 주로 에바네센트 구역 외측에 배치될 수 있는 굴절 요소(refractive element)들일 수 있다. 추출 필름은 또한 제3 층을 포함할 수 있으며, 제2 매립된 구조화된 표면이 제3 층과 제1 층 사이에 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 그 중에서도, 가요성 캐리어 필름, 및 캐리어 필름에 의해 지지되는 제1 및 제2 층을 포함하는 광학 추출 필름을 개시한다. 제1 및 제2 층은 제1 광 추출 요소들의 제1 구조화된 표면을 형성하는 제1 매립된 계면을 제1 층과 제2 층 사이에 한정한다. 제1 층은 나노공극형 모폴로지를 갖고 중합체 결합제를 포함하며, 제1 층은 또한 바람직하게는 1.35 미만의 굴절률을 갖는다. 제2 층은 제1 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는다.
일부 경우에, 제1 층은 1.3 미만의 굴절률을 가질 수 있다. 일부 경우에, 제2 층은 1.4 초과의 굴절률을 가질 수 있다. 일부 경우에, 제1 층과 제2 층 사이의 굴절률 차이는 0.3 이상, 또는 0.4 이상, 또는 0.5 이상이다. 일부 경우에, 제1 층은 캐리어 필름과 제2 층 사이에 배치될 수 있다. 일부 경우에, 추출 필름이 자기-발광형 광원과 조합된 때, 추출 요소들의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역 내에 배치되도록, 제1 광 추출 요소들이 충분하게 작고 제2 층이 충분하게 얇다. 일부 경우에, 제1 광 추출 요소들은 회절 요소들을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 추출 요소들은 1 마이크로미터 미만의 피치(pitch)를 가질 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 추출 요소들은 1 마이크로미터 초과의 피치를 가질 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 추출 요소들은 굴절 요소들을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 추출 요소들은 그들과 연관된 랜드(land)를 가질 수 있으며, 랜드는 50 마이크로미터 미만의 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 랜드 두께는 25 마이크로미터 미만일 수 있다. 다른 경우에, 제1 광 추출 요소들은 랜드를 갖지 않을 수 있다. 일부 경우에, 제2 층은 광 투과성 점탄성 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 필름은 제1 구조화된 표면 반대편의 제2 층의 주 표면을 덮는 이형 라이너(release liner)를 추가로 포함할 수 있다.
일부 경우에, 추출 필름은 추출 필름과 별개로 제조되는 자기-발광형 광원에 적용되도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 추출 필름은 자기-발광형 광원이 그 상에 제조될 수 있는 기재로서 구성될 수 있다. 일부 경우에, 캐리어 필름은 이를 롤-투-롤(roll-to-roll) 처리에서 독립형(free-standing) 지지 필름으로서 적합하게 하는 물리적 특성을 가질 수 있다. 일부 경우에, 제1 층 또는 제2 층 중 어느 것도 이를 롤-투-롤 처리에서 독립형 지지 필름으로서 적합하게 하는 물리적 특성을 갖지 않을 수 있다.
일부 경우에, 추출 필름은 캐리어 필름에 의해 지지되는 제3 층을 추가로 포함할 수 있으며, 제1 및 제3 층은 제2 매립된 계면을 제1 층과 제3 층 사이에 한정하고, 제2 매립된 계면은 제2 광 추출 요소들의 제2 구조화된 표면을 형성할 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 추출 요소들은 1 마이크로미터 미만의 피치를 가질 수 있고, 제2 광 추출 요소들은 1 마이크로미터 초과의 피치를 가질 수 있다. 일부 경우에, 추출 필름이 자기-발광형 광원과 조합된 때, 제1 광 추출 요소들의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역 내에 배치되도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 제2 광 추출 요소들은 그들과 연관된 랜드를 가질 수 있으며, 랜드는 50 마이크로미터 미만의 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 랜드 두께는 25 마이크로미터 미만일 수 있다. 일부 경우에, 자기-발광형 광원은 OLED를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 추출 필름은 자기-발광형 광원과 조합될 수 있으며, 제1 및 제2 층이 가요성 캐리어 필름과 자기-발광형 광원 사이에 배치될 수 있다.
또한, OLED, 및 OLED에 부착되는 광학 추출 필름을 포함하는 소자를 개시한다. 광학 추출 필름은 가요성 캐리어 필름, 및 캐리어 필름에 의해 지지되는 제1 및 제2 층을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 층은 제1 광 추출 요소들의 제1 구조화된 표면을 형성하는 제1 매립된 계면을 제1 층과 제2 층 사이에 한정한다. 제1 층은 나노공극형 모폴로지를 가질 수 있고 중합체 결합제를 포함할 수 있으며, 또한 1.35 미만의 굴절률을 가질 수 있다. 제2 층은 또한 제1 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가질 수 있으며, 제1 층과 OLED 사이에 배치될 수 있다. 일부 경우에, 고 굴절률 영역이 OLED와 연관되며, 고 굴절률 영역은 적어도 하나의 유기 광 발생 층(organic light generating layer) 및 적어도 하나의 투명 전극 층(transparent electrode layer)을 포함하고, 제1 광 추출 요소들의 상당한 부분이 고 굴절률 영역의 에바네센트 구역 내에 배치될 수 있다. 일부 경우에, 적어도 하나의 투명 전극 층은 광학 추출 필름의 일부일 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 추출 요소들은 굴절 요소들을 포함할 수 있고, 1 마이크로미터 초과의 피치를 가질 수 있다. 일부 경우에, 제1 광 추출 요소들은 그들과 연관된 랜드를 가질 수 있으며, 랜드는 50 마이크로미터 미만의 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 랜드는 25 마이크로미터 미만의 두께를 가질 수 있다.
관련 방법, 시스템, 및 물품이 또한 논의된다.
본 출원의 이들 및 다른 태양이 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도 상기 개요는 청구된 요지에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 되며, 그 요지는 절차의 수행 동안 보정될 수 있는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
도 1은 일반화된 OLED 광원의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 2는 백필링된(backfilled) 나노공극형 미세구조화된 물품을 형성하는 예시적인 공정의 개략도.
도 3은 나노공극형 미세구조화된 층의 일부분의 개략적인 측면도.
도 3a는 제1 층과의 제2 층의 상호침투를 보여주는, 제1 나노공극형 층과 제2 층 사이의 계면의 일부분의 개략적인 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 전면-발광 OLED와 함께 사용될 수 있는 광학 추출 필름의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 5a는 3개의 상이한 광학 추출 필름 중 임의의 것이 전면-발광 OLED에 적용될 수 있는 방법을 도시하는 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 5b는 특정 광학 추출 필름이 전면-발광 OLED에 적용될 수 있는 방법을 도시하는 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 5c는 전면-발광 OLED가 특정 광학 추출 필름과 조합된 광학 소자의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 6a 내지 도 6c는 배면-발광 OLED와 함께 사용될 수 있는 광학 추출 필름의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 7a는 3개의 상이한 광학 추출 필름 중 임의의 것이 배면-발광 OLED가 그 상에 형성될 수 있는 기재로서 사용될 수 있는 방법을 도시하는 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 7b는 배면-발광 OLED가 특정 광학 추출 필름 상에 형성된 광학 소자의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 8은 대표적인 픽셀화된 OLED 소자의 개략적인 평면도.
도 9a는 보통의 광학 추출 필름이 픽셀화된 전면-발광 OLED에 적용되어 형성되는 소자의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 9b는 본 명세서에 개시된 바와 같은 광학 추출 필름이 픽셀화된 전면-발광 OLED에 적용되어 형성되는 소자의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 10a는 원의 호가 한정될 수 있는 방법을 도시하는 도면이고, 도 10b는 그 한정된 호가 추출 요소로서 사용가능한 3-차원 탄환형 형상을 한정하도록 사용될 수 있는 방법을 도시하는 도면이며, 도 10c는 그러한 추출 요소들의 어레이를 포함하는 구조화된 표면을 갖는 제조된 재료의 평면도를 도시하는 현미경 사진.
도 11a는 특정 전면-발광 OLED의 실제 측정된 색상 변동을, 광학 추출 필름이 그 동일한 OLED에 적용되는 모델링된 소자의 계산된 색상 변동과 비교하는 그래프.
도 11b 및 도 11c는 도 11a의 그래프와 유사하지만, 상이한 광학 추출 필름이 OLED에 적용되는 모델링된 소자에 대한 것인 그래프.
도 12는 구리 기재 내로 절삭된 구조화된 표면의 사시도를 도시하는 SEM 사진.
도 13a는 본 명세서에 개시된 바와 같은 광학 추출 필름을 갖고서 제조된 OLED 소자의 총 이득(gain)을 2개의 다른 OLED 소자의 총 이득과 비교하는 그래프.
도 13b는 본 명세서에 개시된 바와 같은 광학 추출 필름을 갖고서 제조된 그 OLED 소자(도 9a 참조)의 축상(on-axis) 이득을 2개의 다른 OLED 소자의 축상 이득과 비교하는 그래프.
도면에서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
도 2는 백필링된(backfilled) 나노공극형 미세구조화된 물품을 형성하는 예시적인 공정의 개략도.
도 3은 나노공극형 미세구조화된 층의 일부분의 개략적인 측면도.
도 3a는 제1 층과의 제2 층의 상호침투를 보여주는, 제1 나노공극형 층과 제2 층 사이의 계면의 일부분의 개략적인 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 전면-발광 OLED와 함께 사용될 수 있는 광학 추출 필름의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 5a는 3개의 상이한 광학 추출 필름 중 임의의 것이 전면-발광 OLED에 적용될 수 있는 방법을 도시하는 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 5b는 특정 광학 추출 필름이 전면-발광 OLED에 적용될 수 있는 방법을 도시하는 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 5c는 전면-발광 OLED가 특정 광학 추출 필름과 조합된 광학 소자의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 6a 내지 도 6c는 배면-발광 OLED와 함께 사용될 수 있는 광학 추출 필름의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 7a는 3개의 상이한 광학 추출 필름 중 임의의 것이 배면-발광 OLED가 그 상에 형성될 수 있는 기재로서 사용될 수 있는 방법을 도시하는 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 7b는 배면-발광 OLED가 특정 광학 추출 필름 상에 형성된 광학 소자의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 8은 대표적인 픽셀화된 OLED 소자의 개략적인 평면도.
도 9a는 보통의 광학 추출 필름이 픽셀화된 전면-발광 OLED에 적용되어 형성되는 소자의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 9b는 본 명세서에 개시된 바와 같은 광학 추출 필름이 픽셀화된 전면-발광 OLED에 적용되어 형성되는 소자의 개략적인 측면도 또는 단면도.
도 10a는 원의 호가 한정될 수 있는 방법을 도시하는 도면이고, 도 10b는 그 한정된 호가 추출 요소로서 사용가능한 3-차원 탄환형 형상을 한정하도록 사용될 수 있는 방법을 도시하는 도면이며, 도 10c는 그러한 추출 요소들의 어레이를 포함하는 구조화된 표면을 갖는 제조된 재료의 평면도를 도시하는 현미경 사진.
도 11a는 특정 전면-발광 OLED의 실제 측정된 색상 변동을, 광학 추출 필름이 그 동일한 OLED에 적용되는 모델링된 소자의 계산된 색상 변동과 비교하는 그래프.
도 11b 및 도 11c는 도 11a의 그래프와 유사하지만, 상이한 광학 추출 필름이 OLED에 적용되는 모델링된 소자에 대한 것인 그래프.
도 12는 구리 기재 내로 절삭된 구조화된 표면의 사시도를 도시하는 SEM 사진.
도 13a는 본 명세서에 개시된 바와 같은 광학 추출 필름을 갖고서 제조된 OLED 소자의 총 이득(gain)을 2개의 다른 OLED 소자의 총 이득과 비교하는 그래프.
도 13b는 본 명세서에 개시된 바와 같은 광학 추출 필름을 갖고서 제조된 그 OLED 소자(도 9a 참조)의 축상(on-axis) 이득을 2개의 다른 OLED 소자의 축상 이득과 비교하는 그래프.
도면에서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
도 1은 OLED(100)의 일 실시예의 일부분을 매우 단순화한 개략적인 방식으로 도시한다. 배면-발광 또는 전면-발광 OLED 중 어느 하나일 수 있는 OLED(100)는 2개의 광학적으로 두꺼운 층(112, 114) 사이에 개재된 얇은 발광 영역(110)을 포함한다. 층(112, 114)은 수증기 및 산소가 발광 영역(110)에 접근하는 것을 방지하는 장벽 층으로서 역할할 수 있으며, 층(112, 114) 중 하나는 OLED(100)의 다른 구성요소가 그 상에 성장, 침착, 또는 라미네이팅되는 기재로서 역할할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 두꺼운 층(112, 114) 중 하나는 생략되거나 불활성 기체 또는 진공으로 대체될 수 있다. 발광 영역(110)은 인가된 전류 또는 전기장에 응답하여 원하는 파장의 광을 방출하도록 맞춰진 하나 이상의 통상적인 유기 층을 포함할 수 있다. 인가된 전류는, 그 주 표면이 발광 영역의 외부 표면(110a, 110b)과 일치할 수 있는 전극에 의해 공급될 수 있다. 적어도 하나의 전극, 예를 들어 표면(110a)에 배치된 전극은 투명하다. 전극 및 유기 발광 층(들)은 전형적으로, 그 굴절률이 약 1.5보다 상당하게 큰 재료로 제조된다. 예를 들어, 산화인듐주석(indium tin oxide, ITO)으로 제조된 투명 전극은 약 1.8의 굴절률을 갖고, 전형적인 발광형 유기 재료는 1.6 내지 1.8 범위의 굴절률을 가질 수 있다. 비교적 높은 굴절률을 갖는 것 외에도, 발광 영역은 또한 전형적으로 매우 얇은데, 예를 들어 가시광의 파장 또는 그 미만 정도이다. 예를 들어, ITO 전극 층은 약 150 ㎚ 정도의 두께를 가질 수 있고, 발광형 유기 층은 약 100 ㎚ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 물론 다른 두께가 사용될 수도 있다.
발광 영역과 대조적으로, 층(112, 114)은 광학적으로 두꺼운데, 즉 가시광의 파장보다 상당하게 큰 두께를 가질 뿐만 아니라, 이들은 발광 영역(110)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는다. 예를 들어, 층(112, 114)은, 그 굴절률이 1.5 정도인 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 결과적으로, 얇은 발광 영역(110)은 도파 전자기장(116)으로서 도 1에 개괄적으로 도시된 하나 이상의 도파 모드로 유기 재료에 의해 방출된 광 중 일부를 가둘 수 있다. 전류가 발광 영역(110) 내의 유기 재료를 여기시키도록 인가될 때, 광은 모든 방향으로 방출된다. 광선(115)에 의해 나타낸 이러한 광 중 일부는 광이 층(112 또는 114) 내로 굴절되어 발광 영역(110)을 빠져나가게 하는 방향으로 전파된다. 방출된 광 중 다른 부분은 고 굴절률 영역(110) 내에 갇히게 되어, 장(116)에 의해 나타낸 하나 이상의 도파 모드로서 그 영역을 따라 전파된다. 장(116)은 전형적으로 경계 또는 표면(110a, 110b)으로부터의 거리의 함수로서 지수적으로 감쇠하는 장 강도를 갖고, 감쇠의 상세 사항은 영역(110)과 인접한 광학적으로 두꺼운 층(112 또는 114) 사이의 굴절률 차이 및 하나 초과의 모드가 지원되는 경우 특정 도파 모드와 같은 인자들에 좌우된다. 영역(110)의 외측에서 장(116)의 지수적으로 감쇠하는 부분은 에바네센트 파(evanescent wave)로 지칭된다. 대부분의 실제 경우에, 에바네센트 파는, 예를 들어 영역(110)의 대응하는 외부 표면에 인접하고 그 두께가 가시광의 파장 정도, 예를 들어 1 마이크로미터 이하 정도일 수 있거나 광학적으로 두꺼운 층이 고 굴절률 영역의 굴절률에 더 근접한 굴절률을 갖는 경우 다소 클 수 있는 층(112 또는 114)의 경계 영역 내에서 발광 영역(110)의 매우 짧은 거리 내에만 존재하는 것으로 고려될 수 있다.
발광 영역(110)을 빠져나가는 광(115)에서, 그 광 중 일부는 OLED(110)의 두께 축 또는 광학 축으로부터, 광이 층(112) 외부로 굴절되도록 하기에 충분하게 작은 각도만큼 벗어나는 방향을 따라 이동한다. 따라서, 그러한 광은 주위 공기 매질(도 1의 "공기" 매질은 표준 대기, 또는 진공, 또는 적합한 불활성 기체 중 임의의 것을 지칭할 수 있다는 것에 유의함) 내로 OLED(100)를 빠져나가서 궁극적으로 관찰자(120) 또는 다른 광학 구성요소에 도달할 수 있다. 광선(115a, 115b)은 이러한 빠져나가는 광의 예시이다. 광선(115a)은 각도 θ1에서 외부 표면(112a)에서의 공기 계면에 충돌하며, 이 각도는 광이 OLED 소자 외부로 그리고 주위 공기 매질 내로 굴절되도록 하기에 충분하게 작다. 광선(115b)은 각도 θ2에서 공기 계면에 충돌하며, 이 각도는 θ1보다 크고 층(112)에 대한 임계각에 근접하지만 여전히 임계각보다 약간 작아서, 굴절된 광은 거의 스침각(near-glancing angle)에서 주위 공기 매질 내로 출사된다. 광선(115c)에 대한 이러한 진행을 따라가면, 발광 영역(110)을 빠져나가는 광(115) 중 일부가 OLED(100)의 두께 또는 광학 축으로부터, 층(112) 외부로 굴절되기에는 너무 큰 각도만큼 벗어나는 방향을 따라 이동하는 것을 알 수 있다. 따라서, 광선(115c)은 층(112)에 대한 임계각보다 큰 각도 θ3에서 공기 계면에 충돌하고, 따라서 광선(115c)은 표면(112)에서 내부 전반사되어 OLED(100) 내에 갇히게 된다.
따라서, 광은 2가지 방식 중 하나로 OLED 소자(100) 내에 갇힐 수 있다는 것을 알 수 있다: 발광 영역(110)과 연관된 도파 모드로, 그리고 소자의 공기 계면(112a)에서 내부 전반사(total internal reflection, TIR)에 의함. 두 경우 모두에서, 갇힌 광은 전형적으로 궁극적으로는 흡수되고, OLED(100)에 대한 감소된 휘도, 감소된 효율, 및 증가된 손실을 야기한다. 발광 영역 내에 갇힌 광과 연관된 손실을 도파 손실로 지칭하며, OLED의 외부 표면에서 TIR에 의해 갇힌 광과 연관된 손실을 기재 손실로 지칭한다. OLED에서의 손실 메커니즘의 추가의 논의는 문헌[Lu et al., "Optimization of external coupling and light emission in organic light-emitting devices: modeling and experiment", 91 J. Appl. Phys. (Jan. 15, 2002), pp. 595-604]에서 확인될 수 있다.
나노공극형 층(Nanovoided Layer)
본 명세서에 개시된 예시적인 광학 추출 필름은 적어도 하나의 나노공극형 층을 통합한다. 나노공극형 층은 결합제 내에 분산된 복수의 상호연결된 공극 또는 공극의 네트워크를 포함할 수 있다. 복수의 공극 또는 공극의 네트워크 내의 공극들 중 적어도 일부는 중공 터널 또는 중공 터널형 통로를 통해 서로 연결된다. 공극은 바람직하게는 층의 체적의 충분하게 큰 분율을 점유하지만, 개별적으로는 크기가 충분하게 작아서, 나노공극형 층이 매우 낮은 굴절률, 예를 들어 1.35 미만 또는 1.3 미만의 재료와 광학적으로 유사하게 거동하게 된다. 그러한 층은 이하에서 더욱 완전하게 입증되는 바와 같이 광학 추출 필름에 사용하기에 특히 유리하다. 일부 경우에, 나노공극형 층은, 예를 들어 1.15 내지 1.35, 또는 1.15 내지 1.3 범위 내의 굴절률을 나타낼 수 있다. 나노공극형 층은 바람직하게는 미세구조화된, 즉 1 밀리미터 미만인 적어도 하나의 치수를 갖는 양각(relief) 특징부를 가진 매끄럽지 않거나 평평하지 않은 표면을 갖도록 의도적으로 맞춰진 적어도 하나의 주 표면을 가지며, 일부 경우에 적어도 하나의 치수는 50 나노미터 내지 500 마이크로미터, 또는 50 나노미터 내지 100 마이크로미터, 또는 50 나노미터 내지 1 마이크로미터 범위 내에 있을 수 있다.
도 2 및 도 3과 관련하여, 나노공극형 층을 제조하는 예시적인 방법, 및 그러한 층이 나타낼 수 있는 특징 및 특성을 기술한다. 적합한 나노공극형 층 및 그 제조에 관한 추가의 상세 사항은 본 출원과 동일자로 출원되고 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된, 발명의 명칭이 "미세구조화된 저 굴절률 나노공극형 층을 갖는 광학 필름 및 이를 위한 방법(Optical Films With Microstructured Low Refractive Index Nanovoided Layers and Methods Therefor)"인 공히 양도된 미국 특허 출원 XXX(대리인 문서 번호 66015US005)에서 확인될 수 있다.
먼저 도 2를 참조하면, 백필링된(backfilled) 나노공극형 미세구조화된 물품(250)을 형성하는 예시적인 공정(220), 및 그러한 물품을 제조하기 위한 대응하는 시스템을 도면에서 볼 수 있다. 공정(220)은 코팅 용액(215)을 기재(216) 상에 배치하는 것을 포함한다. 기재(216)는 바람직하게는 중합체 및/또는 다른 적합한 재료로 제조된 가요성 필름이며, 필름은 이를 도 2에 도시된 것과 같은 롤-투-롤 처리 시스템에서 독립형 지지 필름 또는 캐리어 필름으로서 사용하기에 적합하게 하는 두께, 조성, 및 다른 물리적 특성을 갖는다. 전형적으로, 그러한 기재 또는 캐리어 필름은, 통상적인 광-투과성 중합체 재료로 제조된 경우, 과도한 의도하지 않은 신장, 말림, 또는 휨 없이 권취해제되고, 롤-투-롤 처리 시스템에서 처리되며, 다시 권취되거나 하나 이상의 변환 작업(예컨대, 개별 시트들 또는 단편들로의 슬리팅(slitting) 또는 싱귤레이팅(singulating))을 받기에 충분한 강도를 갖기 위해, 약 50 마이크로미터(0.002 인치) 이상의 물리적 두께를 갖는다.
일부 경우에, 코팅 용액(215)은, 예를 들어 슬롯 코터 다이(slot coater die)와 같은 다이(214)를 사용하여 적용될 수 있다. 코팅 용액 (215)은 중합성 재료 및 용매를 포함한다. 이어서, 공정(220)은 코팅 용액(215)이 미세구조화된 층(230)을 형성하도록 미세복제 공구(212)와 접촉하는 상태에서 중합성 재료를 중합시키는 것을 포함한다. 이어서, 나노공극형 미세구조화된 물품(240)을 형성하도록 용매가, 예를 들어 오븐(235)에 의해 미세구조화된 층(230)으로부터 제거된다. 이어서, 공정(220)은 백필링된 나노공극형 미세구조화된 물품(250)을 형성하도록 중합체 재료(245)를 나노공극형 미세구조화된 물품(240) 상에 배치하는 것을 포함한다. 중합체 재료(245)는 예를 들어 슬롯 코터 다이와 같은 다이(244)를 사용하여, 또는 다른 적합한 수단에 의해 적용될 수 있다. 중합체 재료(245)는 대안적으로 나노공극형 미세구조화된 물품(250)을 형성하도록 나노공극형 미세구조화된 물품(240) 상에 라미네이팅될 수 있다.
미세복제 공구(212)는 임의의 유용한 미세복제 공구일 수 있다. 미세복제 공구(212)는 미세복제 표면이 롤의 외부 상에 있는 롤로서 예시되어 있다. 또한, 미세복제 장치는, 미세복제 공구가 코팅 용액(215)과 접촉하는 기재(216)의 구조화된 표면인 매끄러운 롤을 포함할 수 있음이 고려된다. 예시된 미세복제 공구(212)는 닙 롤(nip roll)(221) 및 테이크-어웨이 롤(take-away roll)(222)을 포함한다. UV 조명들의 뱅크(bank)와 같은 경화 공급원(225)이, 코팅 용액(215)이 미세구조화된 층(230)을 형성하도록 미세복제 공구(212)와 접촉하는 상태에서 기재(216) 및 코팅 용액(215)을 향해 지향되는 것으로 예시되어 있다. 일부 실시예에서, 기재(216)는 코팅 용액(215)을 경화시키고 미세구조화된 층(230)을 형성하도록 경화 광을 코팅 용액(215)으로 투과시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 경화 공급원(225)은 열 공급원이며, 코팅 용액(215)은 열 경화 재료를 포함한다. 경화 공급원(225)은 예시된 바와 같이 또는 미세복제 공구(212) 내에 배치될 수 있다. 경화 공급원(225)이 미세복제 공구(212) 내에 배치될 때, 미세복제 공구(212)는 코팅 용액(215)을 경화시키고 미세구조화된 층(230)을 형성하도록 광을 코팅 용액(215)으로 투과시킬 수 있다.
나노공극형 미세구조화된 물품을 형성하기 위한 공정은 예를 들어 후-경화 또는 추가 중합 단계와 같은 추가의 처리 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 후-경화 단계는 용매 제거 단계 후에 나노공극형 미세구조화된 물품에 적용된다. 일부 실시예에서, 이들 공정은 예를 들어 아이들러 롤(idler roll), 인장 롤(tensioning roll), 조종 메커니즘(steering mechanism), 코로나(corona) 또는 화염 처리기와 같은 표면 처리기, 라미네이션 롤 등을 비롯한, 웨브-기반 재료의 제조에 통상적인 추가의 처리 장비를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 이들 공정은 상이한 웨브 경로, 코팅 기술, 중합 장치, 중합 장치의 위치설정, 건조 오븐, 컨디셔닝 섹션 등을 이용할 수 있고, 기술된 섹션들 중 일부는 선택적일 수 있다. 일부 경우에, 공정의 하나, 일부, 또는 전부의 단계는 기재의 적어도 하나의 롤이 실질적으로 연속적인 공정을 통과하여 다른 롤로 되거나 시팅(sheeting), 라미네이팅, 슬리팅 등에 의해 변환되는 "롤-투-롤" 공정으로서 수행될 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 나노공극형 미세구조화된 층(300)의 일부분의 개략적인 정면도를 도면에서 볼 수 있다. 나노공극형 미세구조화된 층(300)이 2개의 평면형 외부 표면(330, 332)을 갖는 것으로 예시되어 있지만, 외부 표면(330, 332) 중 적어도 하나는 본 명세서에 추가로 논의되는 바와 같이 양각 또는 추출 특징부를 형성하도록 미세구조화된다는 것을 이해하여야 한다.
예시적인 나노공극형 미세구조화된 층(300)은 결합제(310) 내에 분산된 복수의 상호연결된 공극 또는 공극(320)의 네트워크를 포함한다. 복수의 공극 또는 공극의 네트워크 내의 공극들 중 적어도 일부는 중공 터널 또는 중공 터널형 통로를 통해 서로 연결된다. 상호연결된 공극은, 본래 코팅된 필름의 일부를 형성하였고 중합성 재료의 경화 후에 오븐 또는 다른 수단에 의해 필름 외부로 방출되었던 용매의 상호연결된 매스(mass)의 잔부일 수 있다. 공극(320)의 네트워크는 도 3에 도시된 바와 같은 상호연결된 공극 또는 미공(pore)(320A 내지 320C)을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 공극에 반드시 모든 물질 및/또는 미립자가 없어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 일부 경우에, 공극은 예를 들어 결합제 및/또는 나노입자를 포함하는 하나 이상의 작은 섬유형 또는 스트링형(string-like) 물체를 포함할 수 있다. 일부 개시된 나노공극형 미세구조화된 층은 상호연결된 공극의 다수의 세트 또는 공극의 다수의 네트워크를 포함하며, 이 경우 각각의 세트 또는 네트워크 내의 공극은 상호연결되어 있다. 일부 경우에, 상호연결된 공극의 다수의 복수체 또는 세트에 더하여, 나노공극형 미세구조화된 층은 또한 복수의 폐쇄되거나 연결되지 않은 공극을 포함할 수 있는데, 이는 공극이 터널을 통해 다른 공극에 연결되어 있지 않다는 것을 의미한다. 공극(320)의 네트워크가 나노공극형 층(300)의 제1 주 표면(330)으로부터 반대편 제2 주 표면(332)으로 연장하는 하나 이상의 통로를 형성하는 경우, 층(300)은 다공성 층인 것으로 기술될 수 있다.
공극들 중 일부는 나노공극형 미세구조화된 층의 표면에 있거나 표면을 중단시킬 수 있으며, 표면 공극인 것으로 고려될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 나노공극형 미세구조화된 층(300)에서, 공극(320D, 320E)은 나노공극형 미세구조화된 층의 제2 주 표면(332)에 있으며 표면 공극(320D, 320E)으로 간주될 수 있고, 공극(320F, 320G)은 나노공극형 미세구조화된 층의 제1 주 표면(330)에 있으며 표면 공극(320F, 320G)으로 간주될 수 있다. 공극(320B, 320C)과 같은 공극들 중 일부는 광학 필름의 내부 내에 그리고 광학 필름의 외부 표면으로부터 멀리 배치되며, 따라서 내부 공극이 하나 이상의 다른 공극을 통해 주 표면에 연결될 수 있더라도 내부 공극(320B, 320C)으로 간주될 수 있다.
공극(320)은, 일반적으로 코팅, 건조, 및 경화 조건과 같은 적합한 조성 및 제조법을 선택함으로써 제어될 수 있는 크기 d1을 갖는다. 일반적으로, d1은 값들의 임의의 원하는 범위 내의 임의의 원하는 값일 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 공극의 60% 또는 70% 또는 80% 또는 90% 또는 95% 이상과 같은 적어도 대부분의 공극이 원하는 범위 내에 있는 크기를 갖는다. 예를 들어, 일부 경우에, 공극의 60% 또는 70% 또는 80% 또는 90% 또는 95% 이상과 같은 적어도 대부분의 공극이 약 10 마이크로미터 이하, 또는 약 7, 또는 5, 또는 4, 또는 3, 또는 2, 또는 1, 또는 0.7, 또는 0.5 마이크로미터 이하인 크기를 갖는다.
일부 경우에, 복수의 상호연결된 공극(320)은 약 5 마이크로미터 이하, 또는 약 4 마이크로미터 이하, 또는 약 3 마이크로미터 이하, 또는 약 2 마이크로미터 이하, 또는 약 1 마이크로미터 이하, 또는 약 0.7 마이크로미터 이하, 또는 약 0.5 마이크로미터 이하인 평균 공극 또는 미공 크기를 갖는다.
일부 경우에, 공극들 중 일부는 그들의 주요 광학 효과가 유효 굴절률을 감소시키는 것이도록 충분하게 작을 수 있고, 한편 일부 다른 공극은 유효 굴절률을 감소시키고 광을 산란시킬 수 있으며, 한편 일부 또 다른 공극은 그들의 주요 광학 효과가 광을 산란시키는 것이도록 충분하게 클 수 있다. 일부 경우에, 공극은 광을 뚜렷하게 산란시키지 않고서 유효 굴절률을 감소시킬 만큼 충분하게 작다.
나노공극형 미세구조화된 층(300)은 임의의 유용한 두께 t1(제1 주 표면(330)과 제2 주 표면(332) 사이의 선형 거리)을 가질 수 있다. 많은 실시예에서, 나노공극형 미세구조화된 층은 약 100 ㎚ 이상, 또는 약 500 ㎚ 이상, 또는 약 1,000 ㎚ 이상이거나, 0.1 내지 10 마이크로미터 범위, 또는 1 내지 100 마이크로미터 범위 내에 있는 두께 t1을 가질 수 있다.
일부 경우에, 나노공극형 미세구조화된 층은 나노공극형 미세구조화된 층이 공극 및 결합제의 굴절률, 및 공극 또는 미공 체적 분율 또는 다공도의 항으로 표현될 수 있는 유효 굴절률을 적정하게 가질 수 있도록 하기에 충분하게 두꺼울 수 있다. 그러한 경우에, 나노공극형 미세구조화된 층의 두께는 예를 들어 약 500 ㎚ 이상, 또는 약 1,000 ㎚ 이상이거나, 1 내지 10 마이크로미터 범위, 또는 500 ㎚ 내지 100 마이크로미터 범위 내에 있다.
개시된 나노공극형 미세구조화된 층 내의 공극이 충분하게 작고 나노공극형 미세구조화된 층이 충분하게 두꺼울 때, 나노공극형 미세구조화된 층은 하기와 같이 표현될 수 있는 유효 유전율 εeff를 갖는다:
여기서, εv 및 εb는 각각 공극 및 결합제의 유전율이고, f는 나노공극형 미세구조화된 층 내의 공극의 체적 분율이다. 그러한 경우에, 나노공극형 미세구조화된 층의 유효 굴절률 neff는 하기와 같이 표현될 수 있다:
여기서, nv 및 nb는 각각 공극 및 결합제의 굴절률이다. 공극과 결합제의 굴절률들 사이의 차이가 충분하게 작을 때와 같은 일부 경우에, 나노공극형 미세구조화된 층의 유효 굴절률은 하기 표현에 의해 근사화될 수 있다:
그러한 경우에, 나노공극형 미세구조화된 층의 유효 굴절률은 공극 및 결합제의 굴절률의 체적 가중 평균이다. 예를 들어, 50%의 공극 체적 분율 및 1.5의 굴절률을 가진 결합제를 갖는 나노공극형 미세구조화된 층은 수학식 3에 의해 계산되는 바와 같은 약 1.25의 유효 굴절률, 및 더 정확한 수학식 2에 의해 계산되는 바와 같은 약 1.27의 유효 굴절률을 갖는다. 일부 예시적인 실시예에서, 나노공극형 미세구조화된 층은 1.15 내지 1.35, 또는 1.15 내지 1.3 범위 내의 유효 굴절률을 가질 수 있지만, 이들 범위 밖의 값이 또한 고려된다.
도 3의 나노공극형 층(300)은 또한, 결합제(310) 내에 분산된 복수의 상호연결된 공극 또는 공극(320)의 네트워크에 더하여, 결합제(310) 내에 실질적으로 균일하게 분산된 선택적인 복수의 나노입자(340)를 포함하는 것으로 도시되어 있다.
나노입자(340)는 값들의 임의의 원하는 범위 내의 임의의 원하는 값일 수 있는 크기 d2를 갖는다. 예를 들어, 일부 경우에, 입자의 60% 또는 70% 또는 80% 또는 90% 또는 95% 이상과 같은 적어도 대부분의 입자가 원하는 범위 내에 있는 크기를 갖는다. 예를 들어, 일부 경우에, 입자의 60% 또는 70% 또는 80% 또는 90% 또는 95% 이상과 같은 적어도 대부분의 입자가 약 1 마이크로미터 이하, 또는 약 700, 또는 500, 또는 200, 또는 100, 또는 50 나노미터 이하인 크기를 갖는다. 일부 경우에, 복수의 나노입자(340)는 약 1 마이크로미터 이하, 또는 약 700, 또는 500, 또는 200, 또는 100, 또는 50 나노미터 이하인 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
일부 경우에, 나노입자들 중 일부는 이들이 주로 유효 굴절률에 영향을 주도록 충분하게 작을 수 있고, 한편 일부 다른 나노입자는 유효 굴절률에 영향을 주고 광을 산란시킬 수 있으며, 한편 일부 또 다른 입자는 그들의 주요 광학 효과가 광을 산란시키는 것이도록 충분하게 클 수 있다.
나노입자(340)는 작용화되거나 작용화되지 않을 수 있다. 일부 경우에, 나노입자(340B)와 같은 나노입자(340)의 일부, 대부분, 또는 실질적으로 전부는 작용화되지 않는다. 일부 경우에, 나노입자(340)의 일부, 대부분, 또는 실질적으로 전부는 이들이 전혀 응집되지 않거나 아주 적게 응집되는 상태로 원하는 용매 또는 결합제(310) 내에 분산될 수 있도록 작용화되거나 표면 처리된다. 일부 실시예에서, 나노입자(340)는 결합제(310)에 화학적으로 결합되도록 추가로 작용화될 수 있다. 예를 들어, 나노입자(340A)와 같은 나노입자는 결합제(310)에 화학적으로 결합되기 위한 반응성 작용기 또는 기(360)를 갖도록 표면 개질되거나 표면 처리될 수 있다. 나노입자는 원하는 대로 다수의 화학 물질에 의해 작용화될 수 있다. 그러한 경우에, 적어도 상당한 분율의 나노입자(340A)가 결합제에 화학적으로 결합된다. 일부 경우에, 나노입자(340)는 결합제(310)에 화학적으로 결합되기 위한 반응성 작용기를 갖지 않는다. 그러한 경우에, 나노입자(340)는 결합제(310)에 물리적으로 결합될 수 있다.
일부 경우에, 나노입자들 중 일부는 반응성 기를 갖고, 다른 것은 반응성 기를 갖지 않는다. 전체 나노입자는 크기들, 반응성 및 비반응성 입자들, 및 상이한 유형의 입자들(예를 들어, 실리카 및 지르코늄 산화물)의 혼합을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 나노입자는 표면 처리된 실리카 나노입자를 포함할 수 있다.
나노입자는 무기 나노입자, 유기(예를 들어, 중합체) 나노입자, 또는 유기 및 무기 나노입자의 조합일 수 있다. 게다가, 나노입자는 다공성 입자, 중공 입자, 중실 입자, 또는 이들의 조합일 수 있다. 적합한 무기 나노입자의 예는 지르코니아, 티타니아, 세리아, 알루미나, 산화철, 바나디아, 산화안티몬, 산화주석, 알루미나/실리카, 및 이들의 조합을 비롯한 실리카 및 금속 산화물 나노입자를 포함한다. 나노입자는 약 1000 ㎚ 미만, 또는 약 100 또는 50 ㎚ 미만의 평균 입자 직경을 가질 수 있거나, 평균은 약 3 내지 50 ㎚, 또는 약 3 내지 35 ㎚, 또는 약 5 내지 25 ㎚ 범위 내에 있을 수 있다. 나노입자가 응집되는 경우, 응집된 입자의 최대 단면 치수는 이들 범위 중 임의의 범위 내에 있을 수 있고, 또한 약 100 ㎚ 초과일 수 있다. 일부 실시예에서, 약 50 ㎚ 미만의 주요 크기를 가진, 실리카 및 알루미나와 같은 "건식(fumed)" 나노입자, 예컨대 미국 매사추세츠주 보스턴 소재의 캐보트 컴퍼니(Cabot Co.)로부터 입수가능한, 캡-오-스퍼스(CAB-O-SPERSE)(등록상표) PG 002 건식 실리카, 캡-오-스퍼스(등록상표) 2017A 건식 실리카, 및 캡-오-스퍼스(등록상표) PG 003 건식 알루미나가 또한 포함된다.
나노입자는 소수성 기, 친수성 기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 표면 기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 나노입자는 실란, 유기 산, 유기 염기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 제제로부터 유도되는 표면 기를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 나노입자는 알킬실란, 아릴실란, 알콕시실란, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 제제로부터 유도되는 오가노실릴 표면 기를 포함한다.
"표면-개질된 나노입자"라는 용어는 입자의 표면에 부착된 표면 기를 포함하는 입자를 지칭한다. 표면 기는 입자의 특성을 개질시킨다. "입자 직경" 및 "입자 크기"라는 용어는 입자의 최대 단면 치수를 지칭한다. 입자가 응집체의 형태로 존재하는 경우, "입자 직경" 및 "입자 크기"라는 용어는 응집체의 최대 단면 치수를 지칭한다. 일부 경우에, 입자는 건식 실리카 입자와 같은 나노입자의 큰 종횡비의 응집체일 수 있다.
표면-개질된 나노입자는 나노입자의 용해도 특성을 개질시키는 표면 기를 갖는다. 표면 기는 일반적으로 입자를 코팅 용액과 상용성으로 되게 하도록 선택된다. 일 실시예에서, 표면 기는 코팅 용액의 적어도 하나의 성분과 회합하거나 반응하여 중합된 네트워크의 화학적으로 결합된 부분이 되도록 선택될 수 있다.
예를 들어, 표면 개질제를 나노입자에 부가하는 것(예를 들어, 분말 또는 콜로이드성 분산물의 형태) 및 표면 개질제가 나노입자와 반응하게 하는 것을 비롯한 다양한 방법이 나노입자의 표면을 개질시키기 위해 이용가능하다. 다른 유용한 표면 개질 공정은 예를 들어 미국 특허 제2,801,185호(일러(Iler)) 및 제4,522,958호(다스(Das) 등)에 기술되어 있다.
나노입자는 콜로이드성 분산물의 형태로 제공될 수 있다. 유용한 구매가능한 비개질된 실리카 출발 재료의 예는 미국 일리노이주 네이퍼빌 소재의 날코 케미칼 컴퍼니(Nalco Chemical Co.)로부터 날코(NALCO) 1040, 1050, 1060, 2326, 2327, 및 2329 콜로이드성 실리카라는 제품명으로 입수가능한 나노-크기의 콜로이드성 실리카; 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 닛산 케미칼 아메리카 컴퍼니(Nissan Chemical America Co.)로부터의 IPA-ST-MS, IPA-ST-L, IPA-ST, IPA-ST-UP, MA-ST-M, 및 MA-ST 졸 및 역시 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 닛산 케미칼 아메리카 컴퍼니로부터의 스노우텍스(SnowTex)(등록상표) ST-40, ST-50, ST-20L, ST-C, ST-N, ST-O, ST-OL, ST-ZL, ST-UP, 및 ST-OUP라는 제품명의 오가노실리카를 포함한다. 중합성 재료 대 나노입자의 중량비는 약 30:70, 40:60, 50:50, 55:45, 60:40, 70:30, 80:20 또는 90:10 또는 그 초과의 범위일 수 있다. 나노입자의 중량%의 바람직한 범위는 약 10 중량% 내지 약 60 중량% 범위이고, 사용되는 나노입자의 밀도 및 크기에 좌우될 수 있다.
일부 경우에, 나노공극형 미세구조화된 층(300)은 낮은 광학 탁도(optical haze) 값을 가질 수 있다. 그러한 경우에, 나노공극형 미세구조화된 층의 광학 탁도는 약 5% 이하, 또는 약 4, 3.5, 3, 2.5, 2, 1.5, 또는 1% 이하일 수 있다. 나노공극형 미세구조화된 층(300)에 수직으로 입사하는 광의 경우, "광학 탁도"는 (달리 지시되지 않는 한) 수직 방향으로부터 4도 초과만큼 벗어나는 투과된 광 대 총 투과된 광의 비를 지칭할 수 있다. 개시된 필름 및 층의 굴절률 값은 임의의 적합한 수단에 의해, 예를 들어 미국 뉴저지주 페닝턴 소재의 메트리콘 코포레이션(Metricon Corp.)으로부터 입수가능한 메트리콘 모델(Metricon Model) 2010 프리즘 커플러(Prism Coupler)를 사용하여 측정될 수 있다. 개시된 필름 및 층의 광학 투과율, 투명도, 및 탁도 값은 또한 임의의 적합한 수단에 의해, 예를 들어 미국 메릴랜드주 실버 스프링스 소재의 비와이케이가디너(BYKGardiner)로부터 입수가능한 헤이즈-가드 플러스(Haze-Gard Plus) 탁도계(haze meter)를 사용하여 측정될 수 있다.
일부 경우에, 나노공극형 미세구조화된 층(300)은 높은 광학 탁도를 가질 수 있다. 그러한 경우에, 나노공극형 미세구조화된 층(300)의 탁도는 약 40% 이상, 또는 약 50, 60, 70, 80, 90, 또는 95% 이상이다.
일반적으로, 나노공극형 미세구조화된 층(300)은 응용에 바람직할 수 있는 임의의 다공도 또는 공극 체적 분율을 가질 수 있다. 일부 경우에, 나노공극형 미세구조화된 층(300) 내의 복수의 공극(320)의 체적 분율은 약 10% 이상, 또는 약 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 이상이다.
결합제(310)는 응용에 바람직할 수 있는 임의의 재료이거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합제(310)는 가교결합된 중합체와 같은 중합체를 형성하는 광 경화성 재료일 수 있다. 일반적으로, 결합제(310)는 방사선-경화성인 중합성 재료와 같은 임의의 중합성 재료일 수 있다. 일부 실시예에서, 결합제(310)는 열-경화성인 중합성 재료와 같은 임의의 중합성 재료일 수 있다.
중합성 재료(310)는 화학적으로, 열적으로, 또는 화학 방사선에 의해 개시될 수 있는 다양한 통상적인 음이온, 양이온, 자유 라디칼, 또는 다른 중합 기술에 의해 중합될 수 있는 임의의 중합성 재료일 수 있다. 화학 방사선을 사용하는 공정은 예를 들어 다른 수단들 중에서도 가시광 및 자외선광, 전자 빔 방사선 및 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어 용매 중합, 유화 중합, 현탁 중합, 벌크 중합 등과 같은 중합이 내부에서 수행될 수 있는 매질이 포함된다.
화학 방사선 경화성 재료는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 우레탄, 에폭시 등의 단량체, 반응성 올리고머 및 중합체를 포함한다. 본 발명의 실시에 적합한 화학 방사선 경화성 기의 대표적인 예는 에폭시기, 에틸렌계 불포화기, 예컨대 (메트)아크릴레이트기, 올레핀계 탄소-탄소 이중 결합, 알릴옥시기, 알파-메틸 스티렌기, (메트)아크릴아미드기, 시아노에스테르기, 비닐 에테르기, 이들의 조합 등을 포함한다. 자유 라디칼 중합성 기가 바람직하다. 일부 실시예에서, 예시적인 재료는 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 작용성 단량체, 올리고머, 및 중합체를 포함하며, 특히 당업계에 공지된 바와 같이, 중합 시에 가교결합된 네트워크를 형성할 수 있는 다작용성 단량체가 사용될 수 있다. 중합성 재료는 단량체, 올리고머, 및 중합체의 임의의 혼합물을 포함할 수 있지만; 재료는 적어도 하나의 용매 중에서 적어도 부분적으로 가용성이어야 한다. 일부 실시예에서, 재료는 용매 단량체 혼합물 중에서 가용성이어야 한다.
용매는 원하는 중합성 재료와 용액을 형성하는 임의의 용매일 수 있다. 용매는 극성 또는 비-극성 용매, 고 비등점 용매 또는 저 비등점 용매일 수 있고, 일부 실시예에서 용매는 몇 가지 용매의 혼합물을 포함한다. 용매 또는 용매 혼합물은 형성된 미세구조화된 층(230)이 용매(또는 용매 혼합물 내의 용매들 중 적어도 하나) 중에서 적어도 부분적으로 불용성이도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 용매 혼합물은 중합성 재료를 위한 용매 및 비-용매의 혼합물일 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 불용성 중합체 매트릭스는 3차원 골격을 제공하는 중합체 사슬 결합을 갖는 3-차원 중합체 매트릭스일 수 있다. 중합체 사슬 결합은 용매의 제거 후에 미세구조화된 층(230)의 변형을 방지할 수 있다.
일부 경우에, 용매는 예를 들어 불용성 중합체 매트릭스 또는 기재(216) 중 어느 하나의 분해 온도를 초과하지 않는 온도에서 건조시킴으로써 용매-함유(solvent-laden) 미세구조화된 층(130, 230)으로부터 용이하게 제거될 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 건조 동안의 온도는 기재가 변형되기 쉬운 온도, 예를 들어 기재의 휨 온도 또는 유리-전이 온도 미만으로 유지된다. 예시적인 용매는 선형, 분지형, 및 환형 탄화수소, 알코올, 케톤, 및 에테르 - 예를 들어, 도와놀(DOWANOL)™ PM 프로필렌 글리콜 메틸 에테르와 같은 프로필렌 글리콜 에테르를 포함함 - , 아이소프로필 알코올, 에탄올, 톨루엔, 에틸 아세테이트, 2-부타논, 부틸 아세테이트, 메틸 아이소부틸 케톤, 메틸 에틸 케톤, 사이클로헥사논, 아세톤, 방향족 탄화수소, 아이소포론, 부티로락톤, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로푸란, 에스테르, 예컨대 락테이트, 아세테이트, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(PM 아세테이트), 다이에틸렌 글리콜 에틸 에테르 아세테이트(DE 아세테이트), 에틸렌 글리콜 부틸 에테르 아세테이트(EB 아세테이트), 다이프로필렌 글리콜 모노메틸 아세테이트(DPM 아세테이트), 아이소-알킬 에스테르, 아이소헥실 아세테이트, 아이소헵틸 아세테이트, 아이소옥틸 아세테이트, 아이소노닐 아세테이트, 아이소데실 아세테이트, 아이소도데실 아세테이트, 아이소트라이데실 아세테이트 또는 다른 아이소-알킬 에스테르, 물; 이들의 조합 등을 포함한다.
코팅 용액(215)은 또한 예를 들어 개시제, 경화제, 경화 촉진제, 촉매, 가교결합제, 점착성 부여제(tackifier), 가소제, 염료, 계면활성제, 난연제, 커플링제, 안료, 열가소성 또는 열경화성 중합체를 포함하는 충격 보강제(impact modifier), 유동 조절제, 발포제, 충전제, 유리 및 중합체 미소구체 및 미세입자, 전기 전도성 입자, 열 전도성 입자를 포함하는 다른 입자, 섬유, 정전기방지제, 산화방지제, 광학적 다운 컨버터(down converter), 예컨대 인광체, UV 흡수제 등을 포함하는 다른 성분을 포함할 수 있다.
광개시제와 같은 개시제가 코팅 용액 내에 존재하는 단량체의 중합을 촉진시키기에 효과적인 양으로 사용될 수 있다. 광개시제의 양은 예를 들어 개시제의 유형, 개시제의 분자량, 생성되는 미세구조화된 층의 의도된 응용, 및 예를 들어 공정의 온도 및 사용되는 화학 방사선의 파장을 비롯한 중합 공정에 따라 달라질 수 있다. 유용한 광개시제는 예를 들어 시바 스페셜티 케미칼즈(Ciba Specialty Chemicals)로부터 이르가큐어(IRGACURE)™ 184 및 이르가큐어™ 819을 비롯한 이르가큐어™ 및 다로큐어(DAROCURE)™라는 상표명으로 입수가능한 것을 포함한다.
미세구조화된 층(230)은 더 강성의 중합체 네트워크를 제공하도록 가교결합될 수 있다. 가교결합은 가교결합제와 함께 또는 가교결합제 없이 감마 또는 전자 빔 방사선과 같은 고 에너지 방사선을 사용함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 가교결합제 또는 가교결합제들의 조합이 중합성 단량체, 올리고머 또는 중합체의 혼합물에 첨가될 수 있다. 가교결합은 다른 부분에 기술된 화학 방사선 공급원들 중 임의의 것을 사용하여 중합체 네트워크의 중합 동안에 일어날 수 있다.
유용한 방사선 경화 가교결합제는 1,6-헥산다이올 다이(메트)아크릴레이트, 트라이메틸올프로판 트라이(메트)아크릴레이트, 1,2-에틸렌 글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트라이/테트라(메트)아크릴레이트, 트라이에틸렌 글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 에톡실화 트라이메틸올프로판 트라이(메트)아크릴레이트, 글리세롤 트라이(메트)아크릴레이트, 네오펜틸 글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 1,12-도데칸올 다이(메트)아크릴레이트를 포함하는, 미국 특허 제4,379,201호(헤일만(Heilmann) 등)에 개시된 것과 같은 다작용성 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 미국 특허 제4,737,559호(켈렌(Kellen) 등)에 개시된 것과 같은 공중합성 방향족 케톤 공단량체 등, 및 이들의 조합을 포함한다.
코팅 용액(215)은 또한 사슬 전달제를 포함할 수 있다. 사슬 전달제는 바람직하게는 중합 전에 단량체 혼합물 중에서 가용성이다. 적합한 사슬 전달제의 예는 트라이에틸 실란 및 메르캅탄을 포함한다. 일부 실시예에서, 사슬 전달은 또한 용매에 대해 일어날 수 있지만; 이는 바람직한 메커니즘은 아닐 수 있다.
중합 단계는 바람직하게는 낮은 산소 농도를 갖는 분위기에서 방사선 공급원을 사용하는 것을 포함한다. 산소는 자유 라디칼 중합을 켄칭하는 것으로 알려져 있으며, 그 결과 경화의 정도가 감소된다. 중합 및/또는 가교결합을 달성하기 위해 사용되는 방사선 공급원은 화학선(예를 들어, 스펙트럼의 자외선 또는 가시 영역 내의 파장을 갖는 방사선), 가속된 입자(예를 들어, 전자 빔 방사선), 열(예를 들어, 열 또는 적외 방사선) 등일 수 있다. 일부 실시예에서, 에너지는 화학 방사선 또는 가속된 입자인데, 이는 그러한 에너지가 중합 및/또는 가교결합의 개시 및 속도에 대한 우수한 제어를 제공하기 때문이다. 또한, 화학 방사선 및 가속된 입자는 비교적 낮은 온도에서 경화를 위해 사용될 수 있다. 이는 열 경화 기술을 사용할 때 에너지 경화성 기의 중합 및/또는 가교결합을 개시하는 데 요구될 수도 있는 비교적 높은 온도에 민감할 수도 있는 성분을 열화시키거나 증발시키는 것을 방지한다. 경화 에너지의 적합한 공급원은 UV LED, 가시 LED, 레이저, 전자 빔, 수은 램프, 크세논 램프, 탄소 아크 램프, 텅스텐 필라멘트 램프, 섬광 램프, 햇빛, 저 세기 자외선광(흑광(black light)) 등을 포함한다.
일부 실시예에서, 결합제(310)는 다작용성 아크릴레이트 및 폴리우레탄을 포함한다. 이러한 결합제(310)는 광개시제, 다작용성 아크릴레이트, 및 폴리우레탄 올리고머의 중합 생성물일 수 있다. 다작용성 아크릴레이트 및 폴리우레탄 올리고머의 조합은 더욱 내구성 있는 나노공극형 미세구조화된 층(300)을 생성할 수 있다. 폴리우레탄 올리고머는 에티렌계 불포화성이다. 일부 실시예에서, 폴리우레탄 또는 폴리우레탄 올리고머는 아크릴레이트와 반응할 수 있거나, 아크릴레이트로 "캡핑되어(capped)" 본 명세서에 기술된 중합 반응에서 다른 아크릴레이트와 반응할 수 있게 된다.
도 2에서 전술된 하나의 예시적인 공정에서, 복수의 나노입자(선택적임), 및 용매 중에 용해된 중합성 재료를 포함하는 용액이 제조되며, 여기서 중합성 재료는 예를 들어 하나 이상의 유형의 단량체를 포함할 수 있다. 중합성 재료는 기재 상에 코팅되고, 중합성 재료가 용매 중에서 불용성 중합체 매트릭스를 형성하도록 예를 들어 열 또는 광을 가함으로써 중합되는 동안 공구가 코팅에 적용된다. 일부 경우에, 중합 단계 후에, 용매는 중합성 재료 중 일부를, 비록 더 낮은 농도이지만, 여전히 포함할 수 있다. 그 다음, 용매는 용액을 건조시키거나 증발시킴으로써 제거되어, 중합체 결합제(310) 내에 분산된 복수의 공극(320) 또는 공극의 네트워크를 포함하는 나노공극형 미세구조화된 층(300)을 형성한다. 나노공극형 미세구조화된 층(300)은 중합체 결합제 내에 분산된 복수의 나노입자(340)를 포함한다. 나노입자는 결합제에 결합되며, 여기서 결합은 물리적이거나 화학적일 수 있다.
본 명세서에 기술된 공정을 사용하는, 본 명세서에 기술된 나노공극형 미세구조화된 층(300) 및 미세구조화된 물품의 제조는 유기 물질, 수지, 필름, 및 지지체의 사용과 양립가능한 온도 범위 내에서 수행될 수 있다. 많은 실시예에서, 피크 공정 온도(나노공극형 미세구조화된 층(300) 및 미세구조화된 물품 표면을 조준한 광학 온도계로 측정됨)는 섭씨 200도 이하, 또는 섭씨 150도 이하 또는 섭씨 100도 이하이다.
일반적으로, 나노공극형 미세구조화된 층(300)은 결합제(310) 대 복수의 나노입자(340)의 임의의 중량비에 대한 원하는 다공도를 가질 수 있다. 따라서, 일반적으로, 중량비는 응용에 바람직할 수 있는 임의의 값일 수 있다. 일부 경우에, 결합제(310) 대 복수의 나노입자(340)의 중량비는 적어도 약 1:2.5, 또는 적어도 약 1:2.3, 또는 1:2, 또는 1:1, 또는 1.5:1, 또는 2:1, 또는 2.5:1, 또는 3:1, 또는 3.5:1, 또는 4:1, 또는 5:1이다. 일부 경우에, 중량비는 약 1:2.3 내지 약 4:1 범위 내에 있다.
이제 도 3a와 관련하여, (a) 미세구조화된 표면을 갖는 나노공극형 층을 먼저 형성하고, 이어서 그 미세구조화된 표면을 통상적인 (비-나노공극형) 재료, 예를 들어 통상적인 중합체 재료로 백필링함으로써 제조된 물품과, (b) 통상적인 재료의 층 내에 미세구조화된 표면을 먼저 형성하고, 이어서 그 미세구조화된 표면을 나노공극형 재료 층으로 백필링함으로써 제조된 물품 사이에 임의의 구조적 차이가 있는지의 여부를 잠시 살펴본다. 두 경우 모두에서, 생성된 물품은 매립된 계면, 즉 미세구조화된 표면을 가지며, 이 계면의 일 면 상에 나노공극형 재료 층이 있고 이 계면의 다른 면 상에는 통상적인 재료 층이 있다.
적어도 하나의 구조적 차이가 2개의 물품 사이에 일어날 수 있으며, 구조적 차이는 상호침투의 메커니즘과 관련된다는 것을 밝혀냈다. 통상적인 재료의 층이 미세구조화된 표면을 나노공극형 재료로 백필링하기 전에 미세구조화되는 경우 (b)의 물품에서, 나노공극형 재료는 전형적으로 통상적인 재료의 층 내로 이동하지 않을 것인데, 이는 그 층이 전형적으로 미세구조화된 표면의 각각의 소면(facet) 또는 부분에서 실질적으로 고형 비-다공성 장벽을 제공하여 이를 지나 나노공극형 재료가 침투할 수 없기 때문이다. 대조적으로, 경우 (a)의 물품은, 통상적인 재료(또는 그러한 재료에 대한 전구체, 예를 들어 비경화된 액체 중합체 수지)가 나노공극형 층의 미세구조화된 표면에 적용되는 시점에서, 미세구조화된 표면의 소면 또는 부분이 예를 들어 피트(pit), 포켓, 또는 터널 형태의 표면 공극을 포함할 수 있고, 그 내로 통상적인 재료가 표면 공극의 특성, 통상적인 재료의 특성, 및 비경화된 상태에서의 통상적인 재료의 체류 시간과 같은 공정 조건에 따라 이동할 수 있는 방식으로 제조된다. 적합한 재료 특성 및 공정 조건을 이용하여, 도 3a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 통상적인 재료 층이 나노공극형 층으로 상호침투할 수 있다.
도 3a는 제1 나노공극형 층(372)과 통상적인 재료의 제2 층(370) 사이의 계면의 일부분을 개략적인 단면도로 도시한다. 계면 부분은 예를 들어 2개의 층 사이에 한정된 구조화된 표면의 미시적 부분일 수 있다. 나노공극형 층(372)은 얕은 표면 공극 또는 함몰부(374A) 및 더 깊은 표면 공극(374B)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 표면 공극(374B)은 제2 횡방향 치수 S2보다 계면에 더 근접한 제1 횡방향 치수 S1에 의해 특징지어지며, 더 깊은 치수 S2는 더 얕은 치수 S1보다 크다. 층(370)이 층(372)(예를 들어, 함몰부(374A))의 전반적인 형상에 순응하는 경우뿐만 아니라, 층(370)으로부터의 재료가 공극(374a)과 같은 적어도 일부의 깊은 표면 공극 내로 이동하거나 이를 실질적으로 채우는 경우, 층(370)을 층(372)으로 상호침투하는 것으로 특징지을 수 있고, 여기서 계면에 더 가까운 공극의 횡방향 치수는 계면으로부터 더 먼 횡방향 치수보다 작다. 그러한 상호침투는 본 명세서에 기술된 나노공극형 재료로 달성될 수 있다.
나노공극형 층과의 통상적인 층의 상호침투 깊이를 특징짓기 위한 제1 접근법에서, 통상적인 층의 재료가 계면 평균 표면을 지나 전진된 양을 결정할 수 있고(평균 표면에 수직한 방향 또는 측정 축을 따름), 이러한 양을 평균-크기의 공극의 직경의 항으로 특징지을 수 있다.
상호침투 깊이를 특징짓기 위한 제2 접근법에서, 역시 통상적인 층의 재료가 평균 표면을 지나 전진된 양을 측정할 수 있고, 이어서 이러한 양을 거리의 표준 단위, 예를 들어 마이크로미터 또는 나노미터의 항으로 간단히 보고할 수 있다.
상호침투 깊이를 특징짓기 위한 제3 접근법에서, 역시 통상적인 층의 재료가 평균 표면을 지나 전진된 양을 측정할 수 있지만, 이어서 이러한 양을 당해 구조화된 표면의 특징부 높이의 항으로 특징지을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상호침투 깊이는 예를 들어 제1 접근법과 관련하여 1 내지 10 평균 공극 직경 범위; 제2 접근법과 관련하여 1, 10, 100, 또는 500 마이크로미터 이하; 제3 접근법과 관련하여 특징부 높이의 5% 이상, 또는 특징부 높이의 10% 이상, 또는 50% 이상, 또는 95% 이상, 또는 100% 이상, 또는 5% 이하, 또는 10% 이하, 또는 25% 이하, 또는 5 내지 25% 범위일 수 있다. 그러나, 이들 예시적인 범위는 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 상호침투 깊이를 특징짓는 제3 접근법은 예를 들어 특징부-대-특징부 피치(feature-to-feature pitch)가 1 마이크로미터 미만인 특히 작은 특징부 크기를 갖는 미세구조화된 표면을 취급할 때 특히 적합할 수 있다.
상호침투에 관한 추가 논의는 본 출원과 동일자로 출원된, 발명의 명칭이 "미세구조화된 저 굴절률 나노공극형 층을 갖는 광학 필름 및 이를 위한 방법(Optical Films With Microstructured Low Refractive Index Nanovoided Layers and Methods Therefor)"인 공히 양도된 미국 특허 출원 XXX(대리인 문서 번호 66015US005)에서 확인될 수 있다.
이 미국 출원은 또한 나노공극형 중합체 재료를 미세복제할 때 관찰된 수축 문제, 및 수축에 관한 문제가 구조화된 표면의 특징부 높이(예를 들어, 구조화된 표면 상의 최고 지점과 최저 지점 사이의 축방향 거리), 구조화된 표면의 특징부의 종횡비(예를 들어, 특징부 피치로 나눈 특징부 높이, 여기서 특징부 피치는 구조화된 표면 내의 가장 가까운 이웃 특징부들 사이의 중심-대-중심 간격일 수 있음), 나노공극형 재료의 공극 체적 분율(공극에 의해 점유된 나노공극형 재료의 분율 체적), 나노공극형 재료의 굴절률, 및 나노공극형 층에 대한 코팅 용액 전구체의 제형(예를 들어, 중량% 고형물)에 어떻게 관련되는지를 논의한다. 예를 들어, 30 내지 45% 고형물 범위 내의 저 농도 제형을 사용하여 보다 큰 미세구조물을 복제하기 위해, 공구 상의 미세구조물 기하학적 형상의 보상이 재료 수축을 고려하도록 사용될 수 있어서, 원하는 특징부 형상이 성공적으로 제조될 수 있다. 이 출원은 미세구조화된 표면의 수축의 또는 다른 왜곡의 감소된 양과 연관된 소정의 바람직한 관계를 논의한다. 하나의 그러한 관계에서, 미세구조화된 표면은 15 마이크로미터 이상의 구조물 높이(예를 들어, 도 4a의 치수들(419b, 419a) 사이의 차이) 및 0.3 초과의 종횡비(구조물 피치로 나눈 구조물 높이, 예를 들어 도 4a의 피치 P1 또는 도 4b의 P2 참조)에 의해 특징지어지며; 나노공극형 층은 30% 내지 55% 범위의 공극 체적 분율을 갖고; 그리고/또는 나노공극형 층은 1.21 내지 1.35, 또는 1.21 내지 1.32 범위의 굴절률을 가지며; 그리고/또는 나노공극형 층에 대한 코팅 용액 전구체는 45% 내지 70%, 또는 50% 내지 70% 범위의 중량% 고형물을 갖는다. 이들과 같은 관계는 본 발명에 또한 유리하게 적용될 수 있다.
광학 추출 필름 및 필름/광원 조합
개시된 나노공극형 층은 OLED 또는 다른 자기-발광형 광원과, 그러한 광원에서 광 추출을 향상시키고 손실을 감소시키도록 몇몇 방식으로 조합될 수 있는 광학 필름 내에 유리하게 통합될 수 있다. 일부 경우에, 필름은 광학 필름과 별개로 제조되는 광원의 외부 발광 표면에 적용되도록 설계될 수 있다. 일부 그러한 필름은 도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c와 관련하여 기술된다. 다른 경우에, 필름은, 광원이 그 상에 이어서 제조될 수 있는 기재로서 기능하도록 설계될 수 있다. 일부 그러한 필름은 도 6a 내지 도 6c, 도 7a, 및 도 7b와 관련하여 기술된다.
개시된 필름의 다른 태양은 광학 필름이 주로 감소시키도록 설계되는 광원의 손실 메커니즘에 관련된다. 일부 경우에, 필름은 주로 도파 손실을 감소시키도록 설계될 수 있다. 일부 그러한 필름은 도 4b, 도 4c, 도 5a, 도 5c, 도 6b, 도 6c, 도 7a, 및 도 7b와 관련하여 기술된다. 일부 경우에, 필름은 주로 TIR과 연관된 기재 손실을 감소시키도록 설계될 수 있다. 일부 그러한 필름은 도 4a, 도 5a, 도 5b, 도 6a, 및 도 7a와 관련하여 기술된다. 광학 추출 필름들 중 일부는 도파 손실 및 기재 손실 둘 모두를 감소시키도록 설계될 수 있다는 것에 유의한다.
도 4a 내지 도 4c는 전면-발광 OLED와 함께 사용될 수 있는 광학 추출 필름의 개략적인 측면도 또는 단면도이다. 도 4a에서, 광학 추출 필름(410)은 가요성 캐리어 필름(412) 및 필름(412)에 의해 지지되는(예를 들어, 그에 부착되는) 다양한 층을 포함한다. 이들 층 중에, 나노공극형 층(414) 및 다른 층(416)이 있으며, 이들 사이에 구조화된 표면(414a)을 형성하는 매립된 계면이 형성된다. 나노공극형 층은 바람직하게는 예를 들어 1.35 또는 1.3 미만, 또는 1.15 내지 1.3 또는 1.15 내지 1.35 범위인, 통상적인 중합체 재료의 굴절률보다 훨씬 낮은 가시광에 대한 굴절률을 갖는다. 다른 층(416)은 바람직하게는, 나노공극형이 아니고 나노공극형 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 중합체 재료 또는 다른 적합한 재료로 구성된다. 층들(414, 416) 사이의 굴절률의 차이는 바람직하게는 예를 들어 적어도 0.2, 또는 0.3, 또는 0.4, 또는 0.5 이상으로 비교적 크다. 굴절률의 차이는 구조화된 표면(414a)이, 본 명세서의 다른 부분에 기술된 바와 같이, OLED 또는 다른 자기-발광형 광원으로부터 광을 추출할 수 있는 광학 계면으로서 기능하게 한다.
구조화된 표면(414a)은 광원으로부터 광을 추출하는 데, 즉 광원 외부로의 "낭비되는" 광을 커플링하여 그것이 의도된 응용에 사용될 수 있도록 하는 데 효과적인 임의의 외형 또는 형상을 갖도록 맞춰질 수 있다. 이와 관련하여 낭비되는 광은 광원 내에 갇히거나 달리 손실될, 예를 들어 디스플레이 또는 다른 의도된 조명 응용에서 유효 조도에 기여하지 않는 방향으로 광원의 에지로부터 방출될 광을 지칭한다. 예시적인 실시예에서, 구조화된 표면은 개별 광 추출 요소(415)를 한정하도록 형상화된다. 요소(415)는 2개의 직교 방향(예를 들어, 구조화된 표면이 전반적으로 그를 따라 연장하는 평면을 한정하는 방향)으로 배열된 만곡된 선형 프리즘 또는 렌즈형 요소의 어레이를 나타낼 수 있는 만곡된 표면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 추출 요소는 일반적으로 예를 들어 렌즈형, 프리즘형, 1-차원(선형으로 연장함) 또는 2-차원인, 예를 들어 제한 없이 임의의 적합한 형상을 가질 수 있으며, 주어진 구조화된 표면의 추출 요소는, 비록 이들이 필요할 경우 동일한 크기 및/또는 형상을 가질 수도 있지만, 모두가 동일한 크기 및/또는 형상을 가질 필요는 없다. 예시적인 실시예에서, 추출 요소(415)는 가장 가까운 이웃들 사이의 중심-대-중심 간격 또는 피치 P1에 의해 특징지어진다. 추출 요소가 균일하게 분포되지 않거나 서로로부터 균일하게 이격되지 않는 경우, 피치 P1은 추출 요소의 평균 중심-대-중심 간격을 나타낼 수 있다.
구조화된 표면(414a) 및/또는 추출 요소(415)는 또한 자기-발광형 광원에 커플링하도록 구성된 추출 필름의 표면으로부터의 거리 또는 두께에 의해 특징지어질 수 있다. 추출 필름(410)의 경우에, 이러한 커플링 표면은 층(416)의 외부 주 표면(416a)이다. 층(416)을 덮는 것으로 도시되어 있는 이형 라이너(release liner)(418)가 바람직하게는 추출 필름이 광원에 적용될 준비가 될 때까지 커플링 표면(416a)을 손상으로부터 보호하도록 제품에 통합된다. 2개의 특성 거리가 도면에 표시되어 있다. 거리(419a)는 커플링 표면(416a)과 구조화된 표면(414a) 사이의 층(416)의 연속적인 랜드 부분의 두께이다. 따라서, 랜드는 하나의 면 상에서 커플링 표면과 경계를 접하고, 반대편 면 상에서, 커플링 표면에 평행하며 커플링 표면에 가장 근접한 구조화된 표면의 지점(들)에서 구조화된 표면과 교차하는 평면과 경계를 접한다. 다른 특성 거리(419b)는 커플링 표면(416a)과, 커플링 표면에 평행하며 커플링 표면으로부터 가장 먼 구조화된 표면의 지점(들)에서 구조화된 표면과 교차하는 평면 사이의 거리이다. 달리 말하면, 랜드 두께 또는 거리(419a)는 커플링 표면(416a)과 구조화된 표면(414a) 사이의 가장 작은 축방향 거리인 것으로 고려될 수 있고, 거리(419b)는 커플링 표면(416a)과 구조화된 표면(414a) 사이의 가장 큰 축방향 거리인 것으로 고려될 수 있다.
추출 필름(410)이 자기-발광형 광원의 최외측 표면 또는 경계에서 내부 전반사되는 광의 양을 감소시킴으로써 광 추출을 향상시키도록 의도된 경우, 랜드 두께(419a)가 비교적 작도록 추출 필름(410)을 설계하는 것이 유리하다는 것을 밝혀냈다. 예를 들어, 랜드 두께(419a)는 50 마이크로미터 미만, 또는 25 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만일 수 있지만, 이들 값이 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 일부 경우에, 랜드가 없을 수 있다. 또 다른 경우에, 구조화된 나노공극형 특징부는 비-연속적일 수 있다. 랜드 두께(419a)는 또한 가요성 기재(412)의 두께보다 작을 수 있다. 랜드 두께(419a)는 또한 매우 얇아서 층(416)이 도 2에 도시된 바와 같은 롤-투-롤 처리 시스템에서 독립형 지지 필름으로서 적합하지 않을 수 있다. 달리 말하면, 층(416)이 추출 필름(410)의 모든 다른 부분으로부터 분리될 수 있는 경우, 이는 예를 들어 과도한 인열, 휨, 또는 말림 없이 산업용 롤-투-롤 처리 시스템에서 보통 직면하는 힘을 받기에 충분한 물리적 강도 또는 완전성을 갖지 않을 수도 있다. 랜드 두께(419a)는 또한 필요할 경우 광 추출 요소(415)의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역 내에 배치되지 않게 하기에 충분하게 크도록 선택될 수 있다.
역시 필름(410)이 TIR을 감소시킴으로써 광 추출을 향상시키도록 의도된 경우에, 추출 특징부(415)를, 그들의 피치 P1이 예를 들어 1 마이크로미터 초과로 비교적 크도록 맞추는 것이 유리하다는 것을 또한 밝혀냈다. 특징부 높이, 즉 거리(419b)와 거리(419a) 사이의 차이가 또한 필요할 경우 1 마이크로미터 초과일 수 있다. 특징부 높이 및 횡방향 치수는 추출 특징부의 기능성이 예를 들어 광학적 회절보다는 광학적 굴절의 원리에 의해 주로 지배되도록 예를 들어 1, 5, 10, 또는 20 마이크로미터 초과로 충분하게 클 수 있다.
광학 추출 필름(410)은 제한 없이 연속 기술 및 배치(batch) 기술을 비롯한 매우 다양한 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 특히 유리한 제조 기술은 도 2에 개략적으로 도시된 것과 같은 연속 주조 및 경화(continuous cast and cure, 3C) 롤-투-롤 공정이다. 그러한 기술은 필름이 잠재적으로 대량으로 연속적으로 제조되고 이어서 그 크기가 의도된 최종-용도 응용(들)을 위해 맞춰진 많은 수의 단편 부분 또는 시트로 변환(예를 들어, 절단 또는 슬리팅)되는 것을 허용한다. 그러한 경우에, 가요성 캐리어 필름(412)은 이를 도 2의 기재(216)와 유사한 독립형 지지 필름으로서 적합하게 하는 조성 및 두께와 같은 물리적 특성을 가질 수 있다. 많은 경우에, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 또는 이들의 공중합체와 같은 통상적인 광-투과성 중합체로 구성된 필름은 이것이 그러한 목적을 위해 사용되는 것을 가능하게 하는 데 필요한 필름 강도를 갖도록 하기 위해 약 50 마이크로미터(약 2 밀(mil)) 초과의 필름 두께를 가져야 할 것이다.
일부 경우에, 구조화된 표면(414a)은 주조-및-경화 기술에 의해서가 아니라, 원하는 층 내에 원하는 추출 특징부를 생성할 수 있는 임의의 다른 적합한 기술에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 임프린팅(imprinting), 엠보싱(embossing), 및 사출 성형(injection molding)이 또한 일부 경우에 구조화된 표면(414a)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 추출 필름(410)이 도 2의 공정과 유사한 공정을 사용하여 제조되는 경우, 층(416)은 나노공극형 층(414) 및 구조화된 표면(414a)의 형성 후에 생성된 백필 층을 구성할 수 있다. 그 결과, 재료 선택 및 공정 조건에 따라, 층(416)은 도 3a와 관련하여 논의된 바와 같이 나노공극형 층(414)으로 상호침투할 수 있다.
캐리어 필름(412), 나노공극형 층(414), 및 다른 층(416)은 바람직하게는 광원으로부터의 광에 대해 모두 고도로 투과성이지만, 이들 층 중 하나, 일부, 또는 전부에서의 작은 내지 중간 크기의 탁도가 특정 응용에서 허용될 수 있고 그리고/또는 바람직할 수 있다. 층들은 바람직하게는 추출 필름이 광원에 부착된 후에, 커플링 표면(416a)을 횡단하는 광원으로부터의 광의 큰 분율이 반대편 외부 표면(412b)에서 추출 필름으로부터 출사되어 시스템 조도에 기여하도록 낮은 손실로 광원에 의해 방출된 광을 투과시킨다. 캐리어 필름(412)은 PET, PEN, 이들의 공중합체, 유리(가요성 유리 포함), 또는 다른 적합한 투명 또는 반투명 재료를 포함할 수 있다. 캐리어 필름(412)은 또한 PET, PEN, 및 이들의 공중합체의 대안적인 층의 다층 필름을 포함할 수 있다. 캐리어 필름은 편광 및 파장 선택/변환과 같은 진보된 광학적 기능을 가능하게 하도록 복굴절, 형광, 및 흡수 층(들)을 추가로 포함할 수 있다. 캐리어 필름(412)은 또한 추출 필름이 광원에 부착된 후에 수증기 및 산소가 광원에 도달하는 것을 방지하는 장벽 층으로서 기능할 수 있다. 예시적인 초장벽 필름(ultrabarrier film)은 미국 특허 제5,440,446호(쇼(Shaw) 등), 제5,877,895호(쇼 등), 및 제6,010,751호(쇼 등)에 기술된 바와 같이, 예를 들어 유리 또는 다른 적합한 기재 상에 2개의 무기 유전체 재료를 다수의 층으로 순차적으로, 또는 무기 재료 및 유기 중합체의 교번하는 층을 진공 증착함으로써 제조된 다층 필름을 포함한다. 나노공극형 층(414)은 본 명세서에 개시된 광-투과성 나노공극형 재료 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 다른 층(416)은 임의의 적합한 광-투과성 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 층(416)은 광-투과성 감압 접착제 또는 다른 점탄성 재료이거나 이를 포함할 수 있다. 대표적인 점탄성 재료는 본 명세서의 다른 부분에서 참조된, 공히 양도된 미국 특허 출원(대리인 문서 번호 66015US005)에 논의되어 있다. 층(416)을 위한 투명 접착제의 사용은 추출 필름이 개재된 재료 층 없이 자기-발광형 광원의 외부 표면에 직접 부착되는 것을 허용한다. 층(416)을 위한 점탄성 재료의 사용은 추출 필름(및 특히 추출 필름의 커플링 표면(416a))이 OLED의 비-평면형 발광 표면에 순응하도록 일정 정도로 유동하는 것을 허용한다.
광 추출 필름(410)은 물론 도 4a에 도시된 것들에 더하여 다른 층, 및 앞서 논의된 것들에 더하여 다른 특징 또는 특성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산란을 통해 광 추출을 향상시키기 위한 또는 광을 필터링, 색상 변화, 또는 편광시키기 위한 재료가 필름 내에 통합될 수 있다. 광 추출 필름의 기능성 및 가능하게는 유용성을 추가로 증가시키기 위해 표면 코팅 또는 구조물, 예를 들어 기능성 층이 광 추출 필름의 공기 표면에 적용될 수 있다. 그러한 표면 코팅은 예를 들어 광학적, 기계적, 화학적, 또는 전기적 기능을 가질 수 있다. 그러한 코팅 또는 구조물의 예는 하기 기능 또는 특성을 갖는 것들을 포함한다: 흐림방지(antifog); 정전기방지; 눈부심방지(antiglare); 반사방지; 마모방지(내스크래치성); 얼룩방지(antismudge); 소수성; 친수성; 접착성 증대; 굴절 요소; 색상 필터링; 자외선(UV) 필터링; 스펙트럼 필터링; 색상 변화; 색상 변경; 편광 변경(선형 또는 원형); 광 방향전환; 확산; 또는 광학적 회전. 공기 표면에 적용될 다른 가능한 층은 장벽 층 또는 투명 전기 전도성 재료를 포함한다. 이형 라이너(418)는 생략될 수 있고, 그리고/또는 다른 이형 라이너가 출력 표면(412b)을 보호하도록 추출 필름의 다른 면 상에 제공될 수 있다.
도 4b는 전면-발광 OLED와 함께 사용될 수 있는 다른 광학 추출 필름의 개략적인 측면도 또는 단면도이다. 도 4b에서, 광학 추출 필름(440)은 가요성 캐리어 필름(442) 및 필름(442)에 의해 지지되는(예를 들어, 그에 부착되는) 다양한 층을 포함한다. 이들 층 중에, 나노공극형 층(444) 및 다른 층(446)이 있으며, 이들 사이에 구조화된 표면(444a)을 형성하는 매립된 계면이 형성된다(삽입 도면 참조). 나노공극형 층은 바람직하게는 예를 들어 1.35 또는 1.3 미만, 또는 1.15 내지 1.3 또는 1.15 내지 1.35 범위인, 통상적인 중합체 재료의 굴절률보다 훨씬 낮은 가시광에 대한 굴절률을 갖는다. 다른 층(446)은 바람직하게는, 나노공극형이 아니고 나노공극형 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 중합체 재료 또는 다른 적합한 재료로 구성된다. 층들(444, 446) 사이의 굴절률의 차이는 바람직하게는 예를 들어 적어도 0.2, 또는 0.3, 또는 0.4, 또는 0.5 이상으로 비교적 크다. 굴절률의 차이는 구조화된 표면(444a)이, 본 명세서의 다른 부분에 기술된 바와 같이, OLED 또는 다른 자기-발광형 광원으로부터 광을 추출할 수 있는 광학 계면으로서 기능하게 한다.
구조화된 표면(444a)은 광원으로부터 광을 추출하는 데, 즉 광원 외부로의 낭비되는 광을 커플링하여 그것이 상기 논의된 바와 같이 의도된 응용에 사용될 수 있도록 하는 데 효과적인 임의의 외형 또는 형상을 갖도록 맞춰질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구조화된 표면은 개별 광 추출 요소(445)를 한정하도록 형상화된다. 요소(445)는 2개의 직교 방향(예를 들어, 구조화된 표면이 전반적으로 그를 따라 연장하는 평면을 한정하는 방향)으로 배열된 평평한 선형 리지(ridge) 또는 상자-형상의 돌출부의 어레이를 나타낼 수 있는 직사각형 프로파일을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 추출 요소는 일반적으로 예를 들어 렌즈형, 프리즘형, 1-차원(선형으로 연장함) 또는 2-차원인, 예를 들어 제한 없이 임의의 적합한 형상을 가질 수 있으며, 주어진 구조화된 표면의 추출 요소는, 비록 이들이 필요할 경우 동일한 크기 및/또는 형상을 가질 수도 있지만, 모두가 동일한 크기 및/또는 형상을 가질 필요는 없다. 예시적인 실시예에서, 추출 요소(445)는 가장 가까운 이웃들 사이의 중심-대-중심 간격 또는 피치 P2에 의해 특징지어진다. 추출 요소가 균일하게 분포되지 않거나 서로로부터 균일하게 이격되지 않는 경우, 피치 P2는 추출 요소의 평균 중심-대-중심 간격을 나타낼 수 있다.
구조화된 표면(444a) 및/또는 추출 요소(445)는 또한 자기-발광형 광원에 커플링하도록 구성된 추출 필름의 표면으로부터의 거리 또는 두께에 의해 특징지어질 수 있다. 추출 필름(440)의 경우에, 이러한 커플링 표면은 층(446)의 외부 주 표면(446a)이다. 층(446)을 덮는 것으로 도시되어 있는 라이너(448)가 바람직하게는 추출 필름이 광원에 적용될 준비가 될 때까지 커플링 표면(446a)을 손상으로부터 보호하도록 제품에 통합된다. 층(446)이 접착제를 포함할 때, 라이너(448)는 바람직하게는 이형 라이너이다. 층(446)이 접착제가 아닐 때, 라이너(448)는 사용 전에 표면을 보호하도록 설계된 프리마스크(premask)일 수 있다. 2개의 특성 거리가 도면에 표시되어 있다. 거리(449a)는 커플링 표면(446a)과 구조화된 표면(444a) 사이의 층(446)의 연속적인 랜드 부분의 두께이다. 따라서, 랜드는 하나의 면 상에서 커플링 표면과 경계를 접하고, 반대편 면 상에서, 커플링 표면에 평행하며 커플링 표면에 가장 근접한 구조화된 표면의 지점(들)에서 구조화된 표면과 교차하는 평면과 경계를 접한다. 다른 특성 거리(449b)는 커플링 표면(446a)과, 커플링 표면에 평행하며 커플링 표면으로부터 가장 먼 구조화된 표면의 지점(들)에서 구조화된 표면과 교차하는 평면 사이의 거리이다. 달리 말하면, 랜드 두께 또는 거리(449a)는 커플링 표면(446a)과 구조화된 표면(444a) 사이의 가장 작은 축방향 거리인 것으로 고려될 수 있고, 거리(449b)는 커플링 표면(446a)과 구조화된 표면(444a) 사이의 가장 큰 축방향 거리인 것으로 고려될 수 있다.
추출 필름(440)이 자기-발광형 광원의 고 굴절률 발광 영역 내에서 도파 모드로서 갇히는 광의 양을 감소시킴으로써 광 추출을 향상시키도록 의도된 경우, 랜드 두께(449a)가 매우 작도록, 예를 들어 커플링 표면(446a)이 광원의 발광 표면에 대항하여 배치된 때 광 추출 요소(445)의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역 내에 배치되게 하기에 충분하게 작도록 추출 필름(440)을 설계하는 것이 유리하다는 것을 밝혀냈다. 에바네센트 구역이 커플링 표면(446a)을 지나 층(446) 내로 연장하는 정도는 층(446)의 굴절률 및 커플링 표면(446a)이 그에 대항하여 배치되는 광원의 부분의 굴절률을 비롯한 다수의 인자에 좌우된다. 그러나, 많은 경우에, 랜드 두께(449a)는 20 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만, 또는 5 마이크로미터 미만일 수 있지만, 이들 값은 에바네센트 구역의 크기에 영향을 줄 수 있는 많은 인자를 고려하여 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 랜드 두께(449a)는 또한 가요성 기재(442)의 두께보다 작을 수 있으며, 매우 얇아서 층(446)이 도 2에 도시된 바와 같은 롤-투-롤 처리 시스템에서 독립형 지지 필름으로서 적합하지 않을 수 있다.
에바네센트 구역에 관한 논의와 관련하여, 독자는 광원의 고 굴절률 발광 영역과 연관된 임의의 단일 도파 모드의 에바네센트 장(evanescent field)이 전형적으로 고 굴절률 영역의 경계로부터의 거리의 함수로서 지수적으로 감쇠한다는 것을 이해할 것이다. 또한, 하나 초과의 도파 모드(예를 들어, 수십 또는 수백의 모드)가 고 굴절률 영역에 의해 지원되는 경우, 각각의 도파 모드는 상이한 지수적으로 감쇠하는 함수를 가질 수 있고, 감쇠 함수는 또한 층(446)의 굴절률에 종속된다. 이들 문제와 관련하여, 적합하게 설계된 구조화된 표면이 그를 지나서는 고 굴절률 영역 외부로의 광의 상당한 양을 커플링할 수 없는 위치로서 에바네센트 구역의 실제적인 한계 또는 경계를 선택할 수 있다(예를 들어, 층(446)의 중간에서 측정됨).
역시 필름(440)이 도파 모드로서 갇힌 광을 감소시킴으로써 광 추출을 향상시키도록 의도된 경우, 추출 특징부(445)를, 그들의 피치 P2가 도파 모드 외부로의 광을 커플링하기 위해, 예를 들어 1 마이크로미터 미만으로 비교적 작도록 맞추는 것이 유리하다는 것을 또한 밝혀냈다. 특징부 높이, 즉 거리(449b)와 거리(449a) 사이의 차이가 또한 필요할 경우 1 마이크로미터 미만일 수 있다. 특징부 높이 및 횡방향 치수는 추출 특징부의 기능성이 예를 들어 광학적 굴절보다는 광학적 회절의 원리에 의해 주로 지배되도록 충분하게 작을 수 있다. 구조화된 표면(444a)은 주기적, 준-주기적, 또는 무작위적 분포의 추출 특징부를 가질 수 있으며, 추출 특징부는 일부 경우에 광자 결정 구조를 형성하도록 배열될 수 있다. 일부 경우에, 구조화된 표면(444a)은 예를 들어 OLED 디스플레이의 적색, 녹색, 및 청색 서브픽셀의 추출을 조정하도록 다수의 피치를 포함할 수 있다. 광대역 이미터로부터 광대역 추출을 제공하기 위해 "처핑된(chirped)" 또는 주기적 구조를 갖는 것이 또한 유용할 수 있다.
광학 추출 필름(440)은 도 4a와 관련하여 논의된 바와 같은 많은 상이한 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 가요성 캐리어 필름(442)은 이를 도 2의 기재(216)와 유사한 독립형 지지 필름으로서 적합하게 하는 물리적 특성을 가질 수 있다.
일부 경우에, 구조화된 표면(444a)은 주조-및-경화 기술에 의해서가 아니라, 원하는 층 내에 원하는 추출 특징부를 생성할 수 있는 다른 적합한 기술에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 임프린팅, 엠보싱, 및 사출 성형이 또한 일부 경우에 구조화된 표면(444a)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 추출 필름(440)이 도 2의 공정과 유사한 공정을 사용하여 제조되는 경우, 층(446)은 나노공극형 층(444) 및 구조화된 표면(444a)의 형성 후에 생성된 백필 층을 구성할 수 있다. 그 결과, 재료 선택 및 공정 조건에 따라, 층(446)은 도 3a와 관련하여 논의된 바와 같이 나노공극형 층(444)으로 상호침투할 수 있다.
캐리어 필름(442), 나노공극형 층(444), 및 다른 층(446)은 바람직하게는 광원으로부터의 광에 대해 모두 고도로 투과성이지만, 이들 층 중 하나, 일부, 또는 전부에서의 작은 내지 중간 크기의 탁도가 특정 응용에서 허용될 수 있고 그리고/또는 바람직할 수 있다. 층들은 바람직하게는 추출 필름이 광원에 부착된 후에, 커플링 표면(446a)을 횡단하는 광원으로부터의 광의 큰 분율이 반대편 외부 표면(442b)에서 추출 필름으로부터 출사되어 시스템 조도에 기여하도록 낮은 손실로 광원에 의해 방출된 광을 투과시킨다. 캐리어 필름(442), 나노공극형 층(444), 및 다른 층(446)은 모두 도 4a의 캐리어 필름의 대응하는 요소와 유사한 조성 및 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 캐리어 필름(442)은 PET, PEN, 이들의 공중합체, 유리(가요성 유리 포함), 또는 다른 적합한 투명 또는 반투명 재료를 포함할 수 있고, 이는 또한 수증기 및 산소가 광원에 도달하는 것을 방지하는 장벽 층으로서 기능할 수 있다.
도 4a의 추출 필름과 유사하게, 추출 필름(440)은 또한 도 4b에 도시된 것들에 더하여 다른 층, 및 앞서 논의된 것들에 더하여 다른 특징 또는 특성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4a의 필름에 관한 상기 논의를 참조한다. 이형 라이너(448)는 생략될 수 있고, 그리고/또는 다른 이형 라이너 또는 프리마스크가 출력 표면(442b)을 보호하도록 추출 필름의 다른 면 상에 제공될 수 있다.
도 4c는 전면-발광 OLED와 함께 사용될 수 있는 또 다른 광학 추출 필름의 개략적인 측면도 또는 단면도이다. 도 4c에서, 광학 추출 필름(470)은 가요성 캐리어 필름(472) 및 필름(472)에 의해 지지되는(예를 들어, 그에 부착되는) 다양한 층을 포함한다. 이들 층 중에, 나노공극형 층(476) 및 다른 층(474)이 있으며, 이들 사이에 구조화된 표면(474a)을 형성하는 매립된 계면이 형성된다. 제2 구조화된 표면(476a)(삽입 도면 참조)을 형성하는 제2 매립된 계면이 나노공극형 층(476)과 다른 층(480) 사이에 형성된다. 나노공극형 층은 바람직하게는 예를 들어 1.35 또는 1.3 미만, 또는 1.15 내지 1.3 또는 1.15 내지 1.35 범위인, 통상적인 중합체 재료의 굴절률보다 훨씬 낮은 가시광에 대한 굴절률을 갖는다. 다른 층(474, 480)은 바람직하게는, 나노공극형이 아니고 나노공극형 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 중합체 재료 또는 다른 적합한 재료로 구성된다. 층들(474, 476) 사이 및 층들(476, 480) 사이의 굴절률의 차이는 바람직하게는 예를 들어 적어도 0.2, 또는 0.3, 또는 0.4, 또는 0.5 이상으로 비교적 크다. 굴절률의 차이는 구조화된 표면(474a, 476a) 각각이, 본 명세서의 다른 부분에 기술된 바와 같이, OLED 또는 다른 자기-발광형 광원으로부터 광을 추출할 수 있는 광학 계면으로서 기능하게 한다.
구조화된 표면(474a, 476a)은 각각 광원으로부터 광을 추출하는 데, 즉 광원 외부로의 낭비되는 광을 커플링하여 그것이 상기 논의된 바와 같이 의도된 응용에 사용될 수 있도록 하는 데 효과적인 임의의 외형 또는 형상을 갖도록 맞춰질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구조화된 표면(474a, 476a)은 각각 개별 광 추출 요소(475, 482)를 각각 한정하도록 형상화된다. 요소(475)는 2개의 직교 방향으로 배열된 만곡된 선형 프리즘 또는 렌즈형 요소의 어레이를 나타낼 수 있는 만곡된 표면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 추출 요소(475)는 일반적으로 제한 없이 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 요소(482)는 2개의 직교 방향으로 배열된 평평한 선형 리지 또는 상자-형상의 돌출부의 어레이를 나타낼 수 있는 직사각형 프로파일을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 추출 요소(482)는 일반적으로 제한 없이 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 주어진 구조화된 표면(474a, 476a)의 추출 요소는, 비록 이들이 필요할 경우 동일한 크기 및/또는 형상을 가질 수도 있지만, 모두가 동일한 크기 및/또는 형상을 가질 필요는 없다. 예시적인 실시예에서, 추출 요소(475)는 가장 가까운 이웃들 사이의 중심-대-중심 간격 또는 피치 P1에 의해 특징지어지며, 추출 요소(482)는 가장 가까운 이웃들 사이의 중심-대-중심 간격 또는 피치 P2에 의해 특징지어진다. 추출 요소가 균일하게 분포되지 않거나 서로로부터 균일하게 이격되지 않는 경우, 피치 P1 및/또는 P2는 각각의 추출 요소의 평균 중심-대-중심 간격을 나타낼 수 있다.
구조화된 표면(474a, 476a) 각각(및/또는 그들 각각의 추출 요소(475, 482))는 또한 자기-발광형 광원에 커플링하도록 구성된 추출 필름의 표면으로부터의 거리 또는 두께에 의해 특징지어질 수 있다. 추출 필름(470)의 경우에, 이러한 커플링 표면은 층(480)의 외부 주 표면(480a)이다. 층(480)을 덮는 것으로 도시되어 있는 이형 라이너 또는 프리마스크(478)가 바람직하게는 추출 필름이 광원에 적용될 준비가 될 때까지 커플링 표면(480a)을 손상으로부터 보호하도록 제품에 통합된다. 매립된 구조화된 표면 각각에 대해 2개씩, 4개의 특성 거리가 도면에 표시되어 있다. 구조화된 표면(474a)과 관련하여, 거리(479a)는 커플링 표면(480a)으로부터 구조화된 표면(474a)의 가장 가까운 부분까지의 축방향 거리이다. 이러한 거리가 (층(480) 및 구조화된 표면(476a)의 존재로 인해) 층(476)의 연속적인 랜드의 두께에 정확하게 대응하지 않는다는 사실에도 불구하고, 이는 그럼에도 불구하고 층(480)이 층(476)보다 훨씬 더 얇은 경우 층(476)의 연속적인 랜드 부분에 실질적으로 대응하는 것으로 고려될 수 있다. 거리(479b)는 커플링 표면(480a)으로부터 구조화된 표면(474a)의 가장 먼 부분까지의 축방향 거리이다. 구조화된 표면(476a)과 관련하여, 거리(489a)는 커플링 표면(480a)과 구조화된 표면(476a) 사이의 층(480)의 연속적인 랜드 부분의 두께이다. 따라서, 층(480)의 랜드는 하나의 면 상에서 커플링 표면과 경계를 접하고, 반대편 면 상에서, 커플링 표면에 평행하며 커플링 표면에 가장 근접한 구조화된 표면의 부분(들)과 교차하는 평면과 경계를 접한다. 거리(489b)는 커플링 표면(480a)으로부터 구조화된 표면(476a)의 가장 먼 부분까지의 축방향 거리이다.
바람직하게는, 추출 필름(470)은 추출 필름들(410, 440)의 양태를 조합한다. 예를 들어, 추출 필름(470)은 (구조화된 표면(474a)을 통해) 자기-발광형 광원의 최외측 표면 또는 경계에서 내부 전반사되는 광의 양을 감소시키는 것, 및 (구조화된 표면(476a)을 통해) 자기-발광형 광원의 고 굴절률 발광 영역 내에서 도파 모드로서 갇히는 광의 양을 감소시키는 것 둘 모두에 의해 OLED 또는 다른 자기-발광형 광원으로부터의 광 추출을 향상시키도록 맞춰질 수 있다. 이와 관련하여, 실질적인 랜드 두께(479a)가 예를 들어 50 마이크로미터 미만, 또는 25 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만으로 비교적 작도록 추출 필름(470)을 설계하는 것이, 그리고 랜드 두께(489a)가 더욱 작도록, 예를 들어 커플링 표면(480a)이 광원의 발광 표면에 대항하여 배치된 때 광 추출 요소(482)의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역 내에 배치되게 하기에 충분하게 작도록 필름(470)을 추가로 설계하는 것이 유리하다는 것을 밝혀냈다. 랜드 두께(489a)는 예를 들어 20 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만, 또는 5 마이크로미터 미만일 수 있으며, 이는 더 큰 구조화된 표면(474a)과 연관된 실질적인 랜드 두께(479a)의 작은 분율일 수 있다. 두께(479a, 489a)는 각각 가요성 기재(472)의 두께보다 작을 수 있으며, 각각 매우 작아서 층들(476, 480) 중 어느 것도 도 2에 도시된 바와 같은 롤-투-롤 처리 시스템에서 독립형 지지 필름으로서는 적합하지 않을 수 있다. 두께(479a)는 또한 필요할 경우 광 추출 요소(475)의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역 내에 배치되지 않게 하기에 충분하게 크도록 선택될 수 있다.
추출 특징부(475)를, 그들의 피치 P1이 예를 들어 1 마이크로미터 초과로 비교적 크도록 맞추고, 동시에 또한 추출 특징부(482)를, 그들의 피치 P2가 예를 들어 1 마이크로미터 미만으로 비교적 작도록 맞추는 것이 유리하다는 것을 또한 밝혀냈다. 대응하는 특징부 높이는 필요할 경우 유사하게 크기설정될 수 있는데, 예를 들어 구조화된 표면(474a)의 특징부 높이는 1 마이크로미터 초과일 수 있고, 구조화된 표면(476a)의 특징부 높이는 1 마이크로미터 미만일 수 있다. 추출 특징부(475)의 특징부 높이 및 횡방향 치수는 그들의 기능성이 광학적 회절보다는 광학적 굴절의 원리에 의해 주로 지배되도록 충분하게 클 수 있으며(예를 들어 5 마이크로미터 초과, 또는 10 마이크로미터 초과, 또는 20 마이크로미터 초과), 한편 추출 특징부(482)의 특징부 높이 및 횡방향 치수는 추출 특징부의 기능성이 광학적 굴절보다는 광학적 회절의 원리에 의해 주로 지배되도록 충분하게 작을 수 있다.
광학 추출 필름(470)은 도 4a 및 도 4b와 관련하여 논의된 바와 같은 많은 상이한 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 가요성 캐리어 필름(472)은 이를 도 2의 기재(216)와 유사한 독립형 지지 필름으로서 적합하게 하는 물리적 특성을 가질 수 있다.
일부 경우에, 구조화된 표면(474a) 및/또는 구조화된 표면(476a)은 주조-및-경화 기술에 의해서가 아니라, 원하는 층 내에 원하는 추출 특징부를 생성할 수 있는 다른 적합한 기술에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 임프린팅, 엠보싱, 및 사출 성형이 또한 일부 경우에 구조화된 표면(474a) 및/또는 구조화된 표면(476a)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 추출 필름(470)이 도 2의 공정과 유사한 공정을 사용하여 제조되는 경우, 나노공극형 층(476)은 층(474) 및 구조화된 표면(474a)의 형성 후에 생성된 백필 층을 구성할 수 있으며, 층(480)은 마찬가지로 나노공극형 층(476) 및 구조화된 표면(476a)의 형성 후에 생성된 다른 백필 층을 구성할 수 있다. 그 결과, 재료 선택 및 공정 조건에 따라, 층(480)은 도 3a와 관련하여 논의된 바와 같이 나노공극형 층(476)으로 상호침투할 수 있으며, 반면 나노공극형 층(476)은 층(474)으로 상호침투하지 않을 수 있다.
캐리어 필름(472), 나노공극형 층(476), 및 다른 층(474, 480)은 바람직하게는 광원으로부터의 광에 대해 모두 고도로 투과성이지만, 이들 층 중 하나, 일부, 또는 전부에서의 작은 내지 중간 크기의 탁도가 특정 응용에서 허용될 수 있고 그리고/또는 바람직할 수 있다. 층들은 바람직하게는 추출 필름이 광원에 부착된 후에, 커플링 표면(480a)을 횡단하는 광원으로부터의 광의 큰 분율이 반대편 외부 표면(472b)에서 추출 필름으로부터 출사되어 시스템 조도에 기여하도록 낮은 손실로 광원에 의해 방출된 광을 투과시킨다. 캐리어 필름(472), 나노공극형 층(476), 및 다른 층(474, 480)은 모두 도 4a 및 도 4b의 캐리어 필름의 대응하는 요소와 유사한 조성 및 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 캐리어 필름(472)은 PET, PEN, 이들의 공중합체, 유리(가요성 유리 포함), 또는 다른 적합한 투명 또는 반투명 재료를 포함할 수 있고, 이는 또한 수증기 및 산소가 광원에 도달하는 것을 방지하는 장벽 층으로서 기능할 수 있다.
도 4a 및 도 4b의 추출 필름과 유사하게, 추출 필름(470)은 또한 도 4c에 도시된 것들에 더하여 다른 층, 및 앞서 논의된 것들에 더하여 다른 특징 또는 특성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b의 필름에 관한 상기 논의를 참조한다. 이형 라이너(478)는 생략될 수 있고, 그리고/또는 다른 이형 라이너 또는 프리마스크가 출력 표면(472b)을 보호하도록 추출 필름의 다른 면 상에 제공될 수 있다.
도 5a는 도 4a 내지 도 4c의 광학 추출 필름들 중 임의의 것이 향상된 발광 광학 소자를 생성하도록, 추출 필름과 별개로 제조되는 전면-발광 OLED 또는 다른 적합한 자기-발광형 광원에 적용될 수 있는 방법을 도시한다. 전면-발광 OLED(510)는 논의의 용이함을 위해 단지 개략적으로만 도시되어 있다. OLED는 적어도 기재(512) 및 얇은 고 굴절률 발광 코어(core) 또는 영역(514)을 포함한다. 기재는 일 면으로부터 수증기 및 산소가 영역(514)에 도달하는 것을 방지하는 장벽 층으로서 기능할 수 있으며, 기재는 또한 열을 영역(514)으로부터 멀리 인출하는 히트 싱크(heat sink)와 같은 기계적 및 열적 기능성을 가질 수 있다. 기재(512)는 또한 백플레인(backplane)을 포함할 수 있다. 영역(514)을 구성하는 개별 층들은 기재(510) 위에 적합한 순서로 침착, 형상, 또는 적용될 수 있다. 고 굴절률 영역(514)은 전형적으로 인가된 전류 또는 전기장에 응답하여 원하는 파장의 광을 방출하도록 맞춰진 적어도 하나의 유기 층, 및 적어도 하나의 투명 전극을 포함한다. 다른 고 굴절률 층이 또한 얇은 고 굴절률 영역(514) 내에 포함될 수 있다. 영역(514)의 외부 표면(514a)은 OLED(510)의 발광 표면인 것으로 고려될 수 있다.
OLED의 향상된 광학적 성능을 제공하기 위해, 원하는 광학 추출 필름들(410, 440, 470) 중 하나가 OLED의 발광 표면(514a)에 적용된다. 적용 전에, 적절한 이형 라이너 또는 프리마스크(도 4a 내지 도 4c의 항목(418, 448, 478) 참조)가 새로운 광학 커플링 표면(항목(416a, 446a, 480a) 참조)을 노출시키도록 필름으로부터 제거된다. 일부 경우에, 광학 추출 필름의 광학 커플링 표면은 OLED의 발광 표면(514a)에 대항하여 직접 배치될 수 있다. 추출 필름의 최외측 층이 감압 접착제 또는 다른 적합한 광 투과성 접착제인 경우, 광학 추출 필름의 광학 커플링 표면과 OLED의 발광 표면 사이의 직접 접촉은 2개의 구성요소 사이의 견고한 접합을, 이들 사이에 상당한 공기 간극이 없는 상태로 생성하기에 충분할 수 있다.
다른 경우에, 얇은 광학 커플링 층이 광학 추출 필름의 광학 커플링 표면과 OLED의 발광 표면(514a) 사이에 제공될 수 있다. 광학 커플링 층은 몇몇 기능을 제공할 수 있다. 하나의 기능은 OLED의 발광 표면을 평면화하는 것일 수 있다. 많은 픽셀화된 전면-발광 OLED에서, 예를 들어 기재는 픽셀 및 서브픽셀 웰(well)과 연관된 표면 특징부를 가질 수 있다. 광학 커플링 층은 광학 추출 필름의 커플링 표면(예를 들어 416a, 446a, 480a 참조)이 공기 간극 또는 포켓이 없는 상태로 그에 부착되는 평면형 표면을 제공하도록 웰 또는 다른 표면 특징부를 채우는 데 사용될 수 있다. 광학 커플링 층의 다른 기능은 예를 들어 추출 필름의 최외측 층이 감압 접착제 또는 다른 적합한 접착제가 아닌 경우 광학 추출 필름을 OLED에 부착하는 것일 수 있다. 일부 경우에, 광학 커플링 층은, 구성물에 포함된 경우, OLED의 고 굴절률 영역(514)의 굴절률에 가능한 한 근접한 굴절률을 가질 수 있어서, 고 굴절률 영역 내의 도파 모드 또는 그들의 연관된 에바네센트 구역이 추출 필름의 커플링 표면에 더 근접하게 연장될 수 있게 한다. 광학 커플링 층은 예를 들어 그 외부 표면이 광학 추출 필름의 커플링 표면에 대응하는 층과 고 굴절률 영역(514)의 굴절률 사이의 굴절률을 가질 수 있다. 적합한 광학 커플링 층은 고-굴절률 접착제 및 나노입자-충전된 중합체와 같은 광-투과성 재료를 포함한다. 적합한 광학 커플링 층은 또한 전형적으로 추출 필름의 커플링 표면과 OLED의 발광 표면 사이의 거리를 최소화하도록 그들의 필요한 기능(들)을 수행하는 상태에서 가능한 한 얇다. 전형적인 광학 커플링 층은 예를 들어 0.5 내지 5 마이크로미터, 또는 0.5 내지 20 마이크로미터 범위 내에 있는 두께를 가질 수 있지만, 다른 두께가 또한 사용될 수도 있다.
광학 커플링 층이 사용되든 사용되지 않든 간에, OLED에 대한 광학 추출 필름의 부착은 생성되는 OLED 소자의 향상된 작동을 형성한다. 광학 추출 필름은, 도파 모드를 감소시킴으로써, 광의 내부 전반사를 감소시킴으로써, 또는 다른 메커니즘에 의해서든지 간에, 주어진 광학 시스템에 사용될 때 OLED의, 때때로 증가된 이득으로도 지칭되는 증가된 유효 조도를 제공할 수 있다. 증가된 조도 또는 이득은 OLED 소자의 출력 표면으로부터 가능한 출력 방향들의 반구에 걸쳐 적분된 총 휘도의 항으로 특징지어지거나 측정될 수 있으며, 또는 관심 대상의 특정 방향을 따른 증가된 조도, 예를 들어 OLED 출력 표면에 수직한 방향을 따른 증가된 축상 조도 또는 이득과 같이 다른 방식으로 측정될 수 있다.
OLED 소자의 유효 조도 또는 이득을 증가시키는 것 외에, 예시적인 광학 추출 필름 또한 이들이 OLED/필름 조합의 출력 표면으로서 역할하는 평평한 또는 평면형 외부 표면을 제공할 수 있다는 이점을 갖는다. 추출 필름들(410, 440, 470) 각각은 평평한 표면(도 4a 내지 도 4c에서 각각 표면(412b, 442b, 472b)으로 표시됨)을 갖는 것으로 도시되어 있으며, 이러한 표면은 필름이 적용된 후에 OLED 소자의 출력 표면으로 될 수 있다. 유리하게는, OLED의 증가된 출력을 책임지는 정교한 구조화된 표면(들), 예를 들어 구조화된 표면(414a, 444a, 474a, 476a)은 각각의 경우에 필름 내에 그리고 소자 내에 매립되어, 가요성 캐리어 필름(도 4a 내지 도 4c에서 412, 442, 472로 표시됨)에 의해 마모, 오물, 먼지, 오일, 및 다른 해로운 제제로부터 안전하게 보호된다. 따라서, 평평한 출력 표면이 많은 응용에서 유리하다는 것을 알 수 있지만, 일부 경우에 소자에 의해 방출된 광 분포를 추가로 변경시키는 노출된 구조화된 표면을 제공하도록 OLED/필름 조합의 출력 표면(예를 들어, 표면(412b, 442b, 472b))을 엠보싱하거나 달리 패턴화하는 것이 바람직할 수도 있다.
도 5b는 전면-발광 OLED에 대한 하나의 특정한 광학 추출 필름의 적용을 보여준다. 처음에, 본 명세서의 다른 부분에 상세하게 기술된 광학 추출 필름(410), 및 역시 본 명세서의 다른 부분에 기술된 전면-발광 OLED(510)가 별개로 제조되어 시작 요소로서 제공된다. 이형 라이너(418)가 광학 커플링 표면(416a)을 노출시키도록 추출 필름으로부터 제거된다. 이어서, 추출 필름(410) 및 OLED(510)가 향상된 출력을 갖는 조합된 OLED 소자(520)를 형성하도록 함께 가압된다. 추출 필름은 바람직하게는 예를 들어 층(416)을 형상하기 위한 감압 접착제 또는 다른 적합한 접착제의 사용에 의해, 또는 광학 커플링 층으로서 적합한 광-투과성 접착제의 사용에 의해 OLED에 견고하게 접합된다.
소자(520)에서, 추출 필름의 광학 커플링 표면(416a) 및 OLED의 발광 표면(514a)은 서로 접촉하거나 일치한다. 결과적으로, 거리(419a, 419b)는 구조화된 표면(414a)으로부터 광학 커플링 표면(416a)까지의 최소 및 최대 축방향 거리뿐만 아니라, 구조화된 표면(414a)으로부터 OLED의 발광 표면(514a)까지의 최소 및 최대 축방향 거리(각각)를 나타낸다. 대안적인 실시예에서, 전술된 바와 같은 얇은 광학 커플링 층이 표면(416a)과 표면(514a) 사이에 포함될 수 있다는 것에 유의한다. 임의의 경우에, 고 굴절률 영역(514) 내에서 발생된 광은 매립된 구조화된 표면의 추출 요소에 의해 OLED 소자 외부로 굴절식으로 커플링되며, 궁극적으로 이제 소자(520)의 출력 표면으로 고려될 수 있는 표면(412b)을 통해 소자(520)로부터 출사된다.
도 5c는 도 5a에 관련하여 기술된 OLED(510)와 같은 전면-발광 OLED가, 이러한 경우에 도 4c의 추출 필름(470)인 다른 광학 추출 필름과 조합된, OLED 소자(530)의 개략적인 측면도 또는 단면도이다. 이러한 조합을 생성함에 있어서, 이형 라이너(478)는 광학 커플링 표면(480a)을 노출시키도록 추출 필름으로부터 제거되었으며, 이 표면은 이어서 OLED(510)의 발광 표면(514a)에 대항하여 가압된다. 이러한 확대된 도면에서, 구조화된 표면(476a)으로부터의 광 추출 요소(482) 및 구조화된 표면(474a)으로부터의 광 추출 요소들(475) 중 하나의 광 추출 요소 둘 모두가 일부 실시예에서 굴절 요소와 회절 요소 간에 실현될 수 있는 크기 및 두께 차이의 어느 정도의 감각을 독자에게 제공하도록 보여질 수 있다. 도 5c의 확대된 도면은 또한 고 굴절률 영역(514)에 관한 일부 추가적인 상세 사항을 도시한다. 영역(514)은 적어도 3개의 별개의 층(515, 516, 517)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 층(516)은 유기 광 발생 층일 수 있고, 층들(515, 517) 중 하나 또는 둘 모두는 예를 들어 산화인듐주석(ITO)과 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)로 구성되는 투명 전극 층일 수 있다. 임의의 경우에, 층들(515, 516, 517) 모두가 예를 들어 1.6 내지 1.8 범위 내에 있는 고 굴절률 재료로 구성된다.
소자(530)에서, 추출 필름의 광학 커플링 표면(480a) 및 OLED의 발광 표면(514a)은 서로 접촉하거나 일치한다. 결과적으로, 거리(489a, 489b)는 구조화된 표면(476a)으로부터 광학 커플링 표면(480a)까지의 최소 및 최대 축방향 거리뿐만 아니라, 구조화된 표면(476a)으로부터 OLED의 발광 표면(514a)까지의 최소 및 최대 축방향 거리(각각)를 나타낸다. 대안적인 실시예에서, 전술된 바와 같은 얇은 광학 커플링 층이 표면(416a)과 표면(514a) 사이에 포함될 수 있다는 것에 유의한다. 임의의 경우에, 고 굴절률 영역(514) 내에서 발생된 광은 매립된 구조화된 표면의 추출 요소에 의해 OLED 소자 외부로 굴절식으로 커플링되며, 궁극적으로 이제 소자(520)의 출력 표면으로 고려될 수 있는 표면(412b)을 통해 소자(520)로부터 출사된다.
도 6a 내지 도 6c는 배면-발광 OLED와 함께 사용될 수 있는 광학 추출 필름의 개략적인 측면도 또는 단면도이다. 이들 필름의 많은 요소 및 특징부는 도 4a 내지 도 4c와 관련하여 기술된 추출 필름의 대응하는 요소 및 특징부와 직접적인 대응 관계에 있는 것이다. 예를 들어, 도 6a 내지 도 6c의 가요성 캐리어 필름은 도 4a 내지 도 4c와 관련하여 논의된 가요성 캐리어 필름에 실질적으로 대응할 수 있다. TIR 광의 굴절 커플링을 위해 구성된 더 큰 구조화된 표면, 및 도파 모드의 회절 커플링을 위해 구성된 더 작은 구조화된 표면과, 그들의 구성성분 광 추출 요소가 도 6a 내지 도 6c에 도시되어 있으며, 도 4a 내지 도 4c와 관련하여 기술된 유사한 구조화된 표면에 실질적으로 대응할 수 있다. 나노공극형 층, 및 구조화된 표면에서 나노공극형 층과 계면을 이루는 다른 층이 도 6a 내지 도 6c에 도시되어 있으며, 도 4a 내지 도 4c와 관련하여 기술된 나노공극형 층 및 다른 층에 실질적으로 대응할 수 있다. 불필요한 반복을 피하기 위해, 그러한 공통적인 요소 및 특징부의 상세 사항은 여기서 반복되지 않을 것이지만, 이들 실시예에 동일하게 적용되는 것으로 이해될 것이다.
추출 필름과 별개로 제조되는 자기-발광형 광원에 적용되도록 구성되는 도 4a 내지 도 4c의 추출 필름과 대조적으로, 도 6a 내지 도 6c의 추출 필름은 자기-발광형 광원이 그 상에 제조될 수 있는 기재로서 사용되도록 구성된다. 전자의 경우에, OLED로부터의 광은 구조물의 "전면" 외부로, 즉 광학 추출 필름을 통해 그리고 그 외부로 방출되며("커버"로서 작용함), 반면에 후자의 경우에, OLED로부터의 광은 구조물의 "배면" 외부로, 즉 역시 광학 추출 필름을 통해 그리고 그 외부로 방출된다(하지만, 이제 "기재"로서 작용함). 독자는 "전면", "배면", "커버", "기재", "지지한다" 및 "위에"가, 달리 명확하게 반대로 지시되지 않는 한, 본 출원의 목적을 위해 중력에 관한 임의의 특정 배향을 필요로 하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 6a에서, 광학 추출 필름(610)은 가요성 캐리어 필름(612) 및 필름(612)에 의해 지지되는(예를 들어, 그에 부착되는) 다양한 층을 포함한다. 이들 층 중에, 나노공극형 층(614) 및 다른 층(616)이 있으며, 이들 사이에 구조화된 표면(614a)을 형성하는 매립된 계면이 형성된다. 나노공극형 층은 바람직하게는 예를 들어 1.35 또는 1.3 미만, 또는 1.15 내지 1.3 또는 1.15 내지 1.35 범위인, 통상적인 중합체 재료의 굴절률보다 훨씬 낮은 가시광에 대한 굴절률을 갖는다. 다른 층(616)은 바람직하게는, 나노공극형이 아니고 나노공극형 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 중합체 재료 또는 다른 적합한 재료로 구성된다. 층들(614, 616) 사이의 굴절률의 차이는 바람직하게는 예를 들어 적어도 0.2, 또는 0.3, 또는 0.4, 또는 0.5 이상으로 비교적 크다. 굴절률의 차이는 구조화된 표면(614a)이 OLED 또는 다른 자기-발광형 광원으로부터 광을 추출할 수 있는 광학 계면으로서 기능하게 한다.
구조화된 표면(614a)은 광원으로부터 광을 추출하는 데, 즉 광원 외부로의 낭비되는 광을 커플링하여 그것이 의도된 응용에 사용될 수 있도록 하는 데 효과적인 임의의 외형 또는 형상을 갖도록 맞춰질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구조화된 표면은 개별 광 추출 요소(615)를 한정하도록 형상화된다. 요소(615)는 만곡된 선형 프리즘 또는 렌즈형 요소의 어레이를 나타낼 수 있는 만곡된 표면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 추출 요소는 일반적으로 제한 없이 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 추출 요소(615)는 가장 가까운 이웃들 사이의 중심-대-중심 간격 또는 피치 P1에 의해 특징지어진다. 추출 요소가 균일하게 분포되지 않거나 서로로부터 균일하게 이격되지 않는 경우, 피치 P1은 추출 요소의 평균 중심-대-중심 간격을 나타낼 수 있다.
도 4a 내지 도 4c의 추출 필름과 달리, 도 6a 내지 도 6c의 추출 필름은 모두 필름의 일 면 상의 최외측 층으로서 투명 전극 층을 갖는 것으로 도시되어 있다. 투명 전극은 ITO 또는 다른 적합한 광 투과성 전기 전도성 재료로 구성될 수 있다. 도 6a의 추출 필름(610)의 경우, 이러한 층은 층(616) 위에 배치된 투명 전극 층(618)이다. 도 6a 내지 도 6c의 실시예에서 그러한 투명 전극 층은 바람직하게는 하나 이상의 유기 광 발생 층이 OLED의 고 굴절률 광 발생 영역 또는 코어를 제공하도록 그 상에 형성될 수 있는 전극으로서 기능하도록 구성된다. 따라서, 투명 전극 층은 처음에 광학 추출 필름의 일부인 것으로 고려될 수 있고, 이후에 추출 필름 위에의 OLED의 형성 후에는 생성되는 OLED 소자의 고 굴절률 영역 또는 코어의 일부인 것으로 고려될 수 있다.
구조화된 표면(614a) 및/또는 추출 요소(615)는 또한 자기-발광형 광원에 커플링하도록 구성된 추출 필름의 표면으로부터의 거리 또는 두께에 의해 특징지어질 수 있다. 추출 필름(610)의 경우, 이러한 커플링 표면은 층(616)의 주 표면(616a)인 것으로 고려될 수 있는데, 이는 그것이 이후에 OLED의 고 굴절률 광 발생 영역으로 될 외부 표면과 결합하기 때문이다. 전극 층(618)의 표면(618a)과 달리, 표면(616a)은 외부 표면이 아니다. 2개의 특성 거리가 도면에 표시되어 있다. 거리(619a)는 커플링 표면(616a)과 구조화된 표면(614a) 사이의 층(616)의 연속적인 랜드 부분의 두께이다. 다른 특성 거리(619b)는 커플링 표면(616a)과, 커플링 표면에 평행하며 커플링 표면으로부터 가장 먼 구조화된 표면의 지점(들)에서 구조화된 표면과 교차하는 평면 사이의 거리이다.
추출 필름(610)이 자기-발광형 광원의 최외측 표면 또는 경계에서 내부 전반사되는 광의 양을 감소시킴으로써 광 추출을 향상시키도록 의도된 경우, 랜드 두께(619a)가 비교적 작도록 추출 필름(610)을 설계하는 것이 유리하다는 것을 밝혀냈다. 예를 들어, 랜드 두께(619a)는 50 마이크로미터 미만, 또는 25 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만일 수 있지만, 이들 값이 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 랜드 두께(619a)는 또한 가요성 기재(612)의 두께보다 작을 수 있다. 랜드 두께(619a)는 또한 매우 얇아서 층(616)이 도 2에 도시된 바와 같은 롤-투-롤 처리 시스템에서 독립형 지지 필름으로서 적합하지 않을 수 있다. 랜드 두께(619a)는 또한 필요할 경우 광 추출 요소(615)의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역 내에 배치되지 않게 하기에 충분하게 크도록 선택될 수 있다.
역시 필름(610)이 TIR을 감소시킴으로써 광 추출을 향상시키도록 의도된 경우에, 추출 특징부(615)를, 그들의 피치 P1이 예를 들어 1 마이크로미터 초과로 비교적 크도록 맞추는 것이 유리하다는 것을 또한 밝혀냈다. 특징부 높이, 즉 거리(619b)와 거리(619a) 사이의 차이가 또한 필요할 경우 1 마이크로미터 초과일 수 있다. 특징부 높이 및 횡방향 치수는 추출 특징부의 기능성이 예를 들어 광학적 회절보다는 광학적 굴절의 원리에 의해 주로 지배되도록 예를 들어 1, 5, 10, 또는 20 마이크로미터 초과로 충분하게 클 수 있다.
광학 추출 필름(610)은 제한 없이 연속 기술 및 배치 기술을 비롯한 매우 다양한 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 특히 유리한 제조 기술은 도 2에 개략적으로 도시된 것과 같은 연속 주조 및 경화(3C) 롤-투-롤 공정이다. 다른 적합한 제조 기술이 또한 고려된다. 그러나, 추출 필름(610)이 도 2의 공정과 유사한 공정을 사용하여 제조되는 경우, 층(616)은 나노공극형 층(614) 및 구조화된 표면(614a)의 형성 후에 생성된 백필 층을 구성할 수 있다. 그 결과, 재료 선택 및 공정 조건에 따라, 층(616)은 도 3a와 관련하여 논의된 바와 같이 나노공극형 층(614)으로 상호침투할 수 있다.
캐리어 필름(612), 나노공극형 층(614), 층(616), 및 전극 층(618)은 바람직하게는 광원으로부터의 광에 대해 모두 고도로 투과성이지만, 이들 층 중 하나, 일부, 또는 전부에서의 작은 내지 중간 크기의 탁도가 특정 응용에서 허용될 수 있고 그리고/또는 바람직할 수 있다. 층들은 바람직하게는 광원이 추출 필름 위에 제조된 후에, 커플링 표면(616a)을 횡단하는 광원으로부터의 광의 큰 분율이 반대편 외부 표면(612b)에서 추출 필름으로부터 출사되어 시스템 조도에 기여하도록 낮은 손실로 광원에 의해 방출된 광을 투과시킨다.
광 추출 필름(610)은 물론 도 6a에 도시된 것들에 더하여 다른 층, 및 앞서 논의된 것들에 더하여 다른 특징 또는 특성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산란을 통해 광 추출을 향상시키기 위한 또는 광을 필터링, 색상 변화, 또는 편광시키기 위한 재료가 필름 내에 통합될 수 있다. 광 추출 필름의 기능성 및 가능하게는 유용성을 추가로 증가시키기 위해 표면 코팅 또는 구조물, 예를 들어 기능성 층이 광 추출 필름의 공기 표면에 적용될 수 있다. 그러한 표면 코팅은 예를 들어 광학적, 기계적, 화학적, 또는 전기적 기능을 가질 수 있다. 그러한 코팅 또는 구조물의 예는 하기 기능 또는 특성을 갖는 것들을 포함한다: 흐림방지; 정전기방지; 눈부심방지; 반사방지; 마모방지(내스크래치성); 얼룩방지; 소수성; 친수성; 접착성 증대; 굴절 요소; 색상 필터링; 자외선(UV) 필터링; 스펙트럼 필터링; 색상 변화; 색상 변경; 편광 변경(선형 또는 원형); 광 방향전환; 확산; 또는 광학적 회전. 공기 표면에 적용될 다른 가능한 층은 장벽 층 또는 투명 전기 전도성 재료를 포함한다. 필요할 경우, 이형 라이너가 출력 표면(612b)을 보호하도록 추출 필름의 일 면 상에 제공될 수 있으며, 다른 이형 라이너가 추출 필름(610)의 반대편 면 상에, 그 표면에 대한 접근이 필요할 때까지 전극 층(618)을 손상으로부터 보호하도록 제공될 수 있다.
도 6b는 배면-발광 OLED와 함께 사용될 수 있는 다른 광학 추출 필름의 개략적인 측면도 또는 단면도이다. 도 6b에서, 광학 추출 필름(640)은 가요성 캐리어 필름(642) 및 필름(642)에 의해 지지되는(예를 들어, 그에 부착되는) 다양한 층을 포함한다. 이들 층 중에, 나노공극형 층(644) 및 다른 층(646)이 있으며, 이들 사이에 구조화된 표면(644a)을 형성하는 매립된 계면이 형성된다(삽입 도면 참조). 투명 전극 층(648)이 또한 층(646) 위에 제공된다. 나노공극형 층은 바람직하게는 예를 들어 1.35 또는 1.3 미만, 또는 1.15 내지 1.3 또는 1.15 내지 1.35 범위인, 통상적인 중합체 재료의 굴절률보다 훨씬 낮은 가시광에 대한 굴절률을 갖는다. 다른 층(646)은 바람직하게는, 나노공극형이 아니고 나노공극형 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 중합체 재료 또는 다른 적합한 재료로 구성된다. 층들(644, 646) 사이의 굴절률의 차이는 바람직하게는 예를 들어 적어도 0.2, 또는 0.3, 또는 0.4, 또는 0.5 이상으로 비교적 크다. 굴절률의 차이는 구조화된 표면(644a)이, 본 명세서의 다른 부분에 기술된 바와 같이, OLED 또는 다른 자기-발광형 광원으로부터 광을 추출할 수 있는 광학 계면으로서 기능하게 한다.
구조화된 표면(644a)은 광원으로부터 광을 추출하는 데, 즉 광원 외부로의 낭비되는 광을 커플링하여 그것이 상기 논의된 바와 같이 의도된 응용에 사용될 수 있도록 하는 데 효과적인 임의의 외형 또는 형상을 갖도록 맞춰질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 구조화된 표면은 개별 광 추출 요소(645)를 한정하도록 형상화된다. 요소(645)는 2개의 직교 방향으로 배열된 평평한 선형 리지 또는 상자-형상의 돌출부의 어레이를 나타낼 수 있는 직사각형 프로파일을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 추출 요소는 일반적으로 제한 없이 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 추출 요소(645)는 가장 가까운 이웃들 사이의 중심-대-중심 간격 또는 피치 P2에 의해 특징지어진다. 추출 요소가 균일하게 분포되지 않거나 서로로부터 균일하게 이격되지 않는 경우, 피치 P2는 추출 요소의 평균 중심-대-중심 간격을 나타낼 수 있다.
구조화된 표면(644a) 및/또는 추출 요소(645)는 또한 자기-발광형 광원에 커플링하도록 구성된 추출 필름의 표면으로부터의 거리 또는 두께에 의해 특징지어질 수 있다. 추출 필름(640)의 경우, 이러한 커플링 표면은 층(646)의 주 표면(646a)인데, 이는 그것이 이후에 OLED의 고 굴절률 광 발생 영역으로 될 외부 표면과 결합하기 때문이다. 전극 층(648)의 표면(648a)과 달리, 표면(646a)은 외부 표면이 아니다. 2개의 특성 거리가 도면에 표시되어 있다. 거리(649a)는 커플링 표면(646a)과 구조화된 표면(644a) 사이의 층(646)의 연속적인 랜드 부분의 두께이다. 다른 특성 거리(649b)는 커플링 표면(646a)과, 커플링 표면에 평행하며 커플링 표면으로부터 가장 먼 구조화된 표면의 지점(들)에서 구조화된 표면과 교차하는 평면 사이의 거리이다.
추출 필름(640)이 자기-발광형 광원의 고 굴절률 발광 영역 내에서 도파 모드로서 갇히는 광의 양을 감소시킴으로써 광 추출을 향상시키도록 의도된 경우, 랜드 두께(649a)가 매우 작도록, 예를 들어 커플링 표면(646a)이 광원의 발광 표면에 대항하여(예를 들어, OLED의 잔여 부분이 전극 층(618) 위에 제조된 후에 그러한 전극 층(618)의 표면에 대항하여) 배치된 때 광 추출 요소(645)의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역 내에 배치되게 하기에 충분하게 작도록 추출 필름(640)을 설계하는 것이 유리하다는 것을 밝혀냈다. 많은 경우에, 랜드 두께(649a)는 20 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만, 또는 5 마이크로미터 미만일 수 있지만, 이들 값이 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 랜드 두께(649a)는 또한 가요성 기재(642)의 두께보다 작을 수 있으며, 매우 얇아서 층(646)이 도 2에 도시된 바와 같은 롤-투-롤 처리 시스템에서 독립형 지지 필름으로서 적합하지 않을 수 있다.
추출 특징부(645)를, 그들의 피치 P2가 도파 모드 외부로의 광을 커플링하기 위해 예를 들어 1 마이크로미터 미만으로 비교적 작도록 맞추는 것이 유리하다는 것을 또한 밝혀냈다. 특징부 높이는 또한 필요할 경우 1 마이크로미터 미만일 수 있다. 특징부 높이 및 횡방향 치수는 추출 특징부의 기능성이 예를 들어 광학적 굴절보다는 광학적 회절의 원리에 의해 주로 지배되도록 충분하게 작을 수 있다. 구조화된 표면(644a)은 주기적, 준-주기적, 또는 무작위적 분포의 추출 특징부를 가질 수 있으며, 추출 특징부는 일부 경우에 광자 결정 구조를 형성하도록 배열될 수 있다.
광학 추출 필름(640)은 많은 상이한 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 필름(640)이 도 2의 공정과 유사한 공정을 사용하여 제조되는 경우, 층(646)은 나노공극형 층(644) 및 구조화된 표면(644a)의 형성 후에 생성된 백필 층을 구성할 수 있다. 그 결과, 재료 선택 및 공정 조건에 따라, 층(646)은 도 3a와 관련하여 논의된 바와 같이 나노공극형 층(644)으로 상호침투할 수 있다.
캐리어 필름(642), 나노공극형 층(644), 층(646), 및 전극 층(648)은 바람직하게는 광원으로부터의 광에 대해 모두 고도로 투과성이지만, 이들 층 중 하나, 일부, 또는 전부에서의 작은 내지 중간 크기의 탁도가 특정 응용에서 허용될 수 있고 그리고/또는 바람직할 수 있다. 추출 필름(640)은 또한 도 6b에 도시된 것들에 더하여 다른 층, 및 앞서 논의된 것들에 더하여 다른 특징 또는 특성을 포함할 수 있다. 이형 라이너가 필름(640)의 하나 또는 둘 모두의 면 상에 제공될 수 있다.
도 6c는 배면-발광 OLED와 함께 사용될 수 있는 또 다른 광학 추출 필름의 개략적인 측면도 또는 단면도이다. 도 6c에서, 광학 추출 필름(670)은 가요성 캐리어 필름(672) 및 필름(672)에 의해 지지되는(예를 들어, 그에 부착되는) 다양한 층을 포함한다. 이들 층 중에, 나노공극형 층(676) 및 다른 층(674)이 있으며, 이들 사이에 구조화된 표면(674a)을 형성하는 매립된 계면이 형성된다. 제2 구조화된 표면(676a)(삽입 도면 참조)을 형성하는 제2 매립된 계면이 나노공극형 층(676)과 다른 층(680) 사이에 형성된다. 투명 전극 층(678)이 또한 층(680) 위에 제공된다. 나노공극형 층은 바람직하게는 예를 들어 1.35 또는 1.3 미만, 또는 1.15 내지 1.3 또는 1.15 내지 1.35 범위인, 통상적인 중합체 재료의 굴절률보다 훨씬 낮은 가시광에 대한 굴절률을 갖는다. 다른 층(674, 680)은 바람직하게는, 나노공극형이 아니고 나노공극형 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 중합체 재료 또는 다른 적합한 재료로 구성된다. 층들(674, 676) 사이 및 층들(676, 680) 사이의 굴절률의 차이는 바람직하게는 예를 들어 적어도 0.2, 또는 0.3, 또는 0.4, 또는 0.5 이상으로 비교적 크다. 굴절률의 차이는 구조화된 표면(674a, 676a) 각각이, 본 명세서의 다른 부분에 기술된 바와 같이, OLED 또는 다른 자기-발광형 광원으로부터 광을 추출할 수 있는 광학 계면으로서 기능하게 한다.
구조화된 표면(674a, 676a)은 각각 광원으로부터 광을 추출하는 데, 즉 광원 외부로의 낭비되는 광을 커플링하여 그것이 상기 논의된 바와 같이 의도된 응용에 사용될 수 있도록 하는 데 효과적인 임의의 외형 또는 형상을 갖도록 맞춰질 수 있다. 구조화된 표면(674a, 676a)은 각각 개별 광 추출 요소(675, 682)를 각각 한정하도록 형상화될 수 있다. 요소(675)는 만곡된 선형 프리즘 또는 렌즈형 요소의 어레이를 나타낼 수 있는 만곡된 표면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 추출 요소(675)는 일반적으로 제한 없이 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 요소(682)는 평평한 선형 리지 또는 상자-형상의 돌출부의 어레이를 나타낼 수 있는 직사각형 프로파일을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 추출 요소(682)는 일반적으로 제한 없이 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 추출 요소(675)는 가장 가까운 이웃들 사이의 중심-대-중심 간격 또는 피치 P1에 의해 특징지어질 수 있으며, 추출 요소(682)는 가장 가까운 이웃들 사이의 중심-대-중심 간격 또는 피치 P2에 의해 특징지어질 수 있다. 추출 요소가 균일하게 분포되지 않거나 서로로부터 균일하게 이격되지 않는 경우, 피치 P1 및/또는 P2는 각각의 추출 요소의 평균 중심-대-중심 간격을 나타낼 수 있다.
구조화된 표면(674a, 676a) 및/또는 그들 각각의 추출 요소(675, 682)는 또한 자기-발광형 광원에 커플링하도록 구성된 추출 필름의 표면으로부터의 거리 또는 두께에 의해 특징지어질 수 있다. 추출 필름(670)의 경우, 이러한 커플링 표면은 층(680)의 주 표면(680a)인데, 이는 그것이 이후에 OLED의 고 굴절률 광 발생 영역으로 될 외부 표면과 결합하기 때문이다. 전극 층(678)의 표면(678a)과 달리, 표면(680a)은 외부 표면이 아니다. 매립된 구조화된 표면 각각에 대해 2개씩, 4개의 특성 거리가 도면에 표시되어 있다. 구조화된 표면(674a)과 관련하여, 거리(679a)는 커플링 표면(680a)으로부터 구조화된 표면(674a)의 가장 가까운 부분까지의 축방향 거리이다. 이러한 거리가 (층(680) 및 구조화된 표면(676a)의 존재로 인해) 층(676)의 연속적인 랜드의 두께에 정확하게 대응하지 않는다는 사실에도 불구하고, 이는 그럼에도 불구하고 층(680)이 층(676)보다 훨씬 더 얇은 경우 층(676)의 연속적인 랜드 부분에 실질적으로 대응하는 것으로 고려될 수 있다. 거리(679b)는 커플링 표면(680a)으로부터 구조화된 표면(674a)의 가장 먼 부분까지의 축방향 거리이다. 구조화된 표면(676a)과 관련하여, 거리(689a)는 커플링 표면(680a)과 구조화된 표면(676a) 사이의 층(680)의 연속적인 랜드 부분의 두께이다. 거리(689b)는 커플링 표면(680a)으로부터 구조화된 표면(676a)의 가장 먼 부분까지의 축방향 거리이다.
바람직하게는, 추출 필름(670)은 추출 필름들(610, 640)의 양태를 조합한다. 예를 들어, 추출 필름(670)은 (구조화된 표면(674a)을 통해) 자기-발광형 광원의 최외측 표면 또는 경계에서 내부 전반사되는 광의 양을 감소시키는 것, 및 (구조화된 표면(676a)을 통해) 자기-발광형 광원의 고 굴절률 발광 영역 내에서 도파 모드로서 갇히는 광의 양을 감소시키는 것 둘 모두에 의해 OLED 또는 다른 자기-발광형 광원으로부터의 광 추출을 향상시키도록 맞춰질 수 있다. 이와 관련하여, 실질적인 랜드 두께(679a)가 예를 들어 50 마이크로미터 미만, 또는 25 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만으로 비교적 작도록 추출 필름(670)을 설계하는 것이, 그리고 랜드 두께(689a)가 더욱 작도록, 예를 들어 커플링 표면(680a)이 광원의 발광 표면에 대항하여 배치된 때 광 추출 요소(682)의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역 내에 배치되게 하기에 충분하게 작도록 필름(670)을 추가로 설계하는 것이 유리하다는 것을 밝혀냈다. 랜드 두께(689a)는 예를 들어 20 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만, 또는 5 마이크로미터 미만일 수 있으며, 이는 더 큰 구조화된 표면(674a)과 연관된 실질적인 랜드 두께(679a)의 작은 분율일 수 있다.
추출 특징부(675)를, 그들의 피치 P1이 예를 들어 1 마이크로미터 초과로 비교적 크도록 맞추고, 동시에 또한 추출 특징부(682)를, 그들의 피치 P2가 예를 들어 1 마이크로미터 미만으로 비교적 작도록 맞추는 것이 유리하다는 것을 또한 밝혀냈다. 추출 특징부(675)의 특징부 높이 및 횡방향 치수는 그들의 기능성이 광학적 굴절의 원리에 의해 주로 지배되도록 충분하게 클 수 있으며, 한편 추출 특징부(682)의 특징부 높이 및 횡방향 치수는 추출 특징부의 기능성이 광학적 회절의 원리에 의해 주로 지배되도록 충분하게 작을 수 있다.
광학 추출 필름(670)은 많은 상이한 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 가요성 캐리어 필름(672)은 이를 도 2의 기재(216)와 유사한 독립형 지지 필름으로서 적합하게 하는 물리적 특성을 가질 수 있다.
일부 경우에, 구조화된 표면(674a) 및/또는 구조화된 표면(676a)은 주조-및-경화 기술에 의해서가 아니라, 원하는 층 내에 원하는 추출 특징부를 생성할 수 있는 다른 적합한 기술에 의해 제조될 수 있다. 그러나, 추출 필름(670)이 도 2의 공정과 유사한 공정을 사용하여 제조되는 경우, 나노공극형 층(676)은 층(674) 및 구조화된 표면(674a)의 형성 후에 생성된 백필 층을 구성할 수 있으며, 층(680)은 나노공극형 층(676) 및 구조화된 표면(676a)의 형성 후에 생성된 다른 백필 층을 구성할 수 있다. 그 결과, 재료 선택 및 공정 조건에 따라, 층(680)은 도 3a와 관련하여 논의된 바와 같이 나노공극형 층(676)으로 상호침투할 수 있으며, 반면 나노공극형 층(676)은 층(674)으로 상호침투하지 않을 수 있다.
캐리어 필름(672), 나노공극형 층(676), 층(474, 480), 및 투명 전극 층(678)은 바람직하게는 광원으로부터의 광에 대해 모두 고도로 투과성이지만, 이들 층 중 하나, 일부, 또는 전부에서의 작은 내지 중간 크기의 탁도가 특정 응용에서 허용될 수 있고 그리고/또는 바람직할 수 있다. 추출 필름(470)은 또한 도 6c에 도시된 것들에 더하여 다른 층, 및 앞서 논의된 것들에 더하여 다른 특징 또는 특성을 포함할 수 있다. 이형 라이너가 추출 필름(670)의 하나 또는 둘 모두의 면 상에 제공될 수 있다.
도 7a는 도 6a 내지 도 6c의 광학 추출 필름들 중 임의의 것이 향상된 발광 광학 소자(720)를 생성하도록 추출 필름 상에 제조되는 배면-발광 OLED 또는 다른 적합한 자기-발광형 광원과 조합될 수 있는 방법을 도시한다.
그러한 조합을 생성하는 제1 단계는 전술된 추출 필름들(610, 640, 670) 또는 이들의 변형 중 임의의 것일 수 있는 광 추출 필름(600)을 제공하는 것일 수 있다. 이들 필름은 각각 그의 일 면 상에 투명 전극 층을 포함한다. 이러한 층 위에, 적어도 하나의 유기 광 발생 층 및 선택적인 제2 전극 층 - 투명하거나 투명하지 않을 수 있음 - 을 포함하는 다른 고 굴절률 층이 제공될 수 있다. 이들 추가의 고 굴절률 층은 개략적인 층(714a)에 의해 도면에 나타내어진다. 이들 층은, 광학 추출 필름으로부터의 투명 전극 층과 조합되어, 인가된 전류 또는 전기장에 응답하여 원하는 파장의 광을 발생시키는 고 굴절률 발광 영역(714)을 형성할 수 있다. 이 영역은 전형적으로 예를 들어 광의 파장 정도, 또는 예를 들어 1 또는 2 마이크로미터 미만으로 매우 얇지만, 다른 두께가 사용될 수도 있다.
층(712)에 의해 도면에 개략적으로 나타낸 하나 이상의 다른 층이 고 굴절률 영역(714) 위에 형성되거나 적용될 수 있다. 층(712)은 예를 들어 지지 필름 및/또는 장벽 필름을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 층(712)은 미국 특허 제5,440,446호(쇼 등), 제5,877,895호(쇼 등), 및 제6,010,751호(쇼 등)에 기술된 것들, 또는 다이아몬드-유사 유리(diamond-like glass)의 스퍼터링된(sputtered) 층과 같은 초장벽 필름을 포함할 수 있다. 대안적으로, 층(712)은 생략되고 불활성 기체 또는 진공으로 대체될 수 있으며, 이는 OLED와 적합한 커버 유리 부재 사이의 밀봉된 챔버 내에서 유지될 수 있다.
소자(720)가 배면-발광 OLED이기 때문에, 고 굴절률 영역(714) 내에서 발생된 광은 추출 필름(600)을 통해 이동하고 도 7a의 관점으로부터 알 수 있는 바와 같은 "배면" 표면을 통해, 예를 들어 표면(612b), 또는 표면(642b), 또는 표면(672b)으로부터 소자에서 출사된다. 일부 경우에, 소자(720)는 소자의 반대편 면으로부터 방출되는 광이 거의 또는 전혀 없이 방출하도록 설계될 수 있다. 이들 경우에, 층(712)의 구성성분 구성요소들 중 하나, 일부, 또는 전부가 실질적으로 불투명할 수 있다. 다른 경우에, 소자(720)는 두 면 모두로부터 광을 방출할 수 있으며, 그로써 층(712)의 구성요소들은 모두 광-투과성일 수 있다. 소자가 두 면 모두로부터 방출하는 그러한 경우, 추출 특징부를 소자의 두 면 모두의 상에 적용하는 것이 유용할 것이다.
이제 도 7b를 참조하면, 배면-발광 OLED가 특정 광학 추출 필름, 즉 도 6c의 추출 필름(670) 상에 형성된 광학 소자(730)의 개략적인 측면도 또는 단면도를 볼 수 있다. 추출 필름의 최외측 층(투명 전극 층(678)) 위에, 얇은 고 굴절률 층(716, 717), 및 층(712)에 의해 (역시) 개략적으로 도시된 하나 이상의 다른 층이 형성되거나 달리 부가되었다. 층들(716, 717) 중 적어도 하나는 본 명세서의 다른 부분에 기술된 바와 같은 유기 광 발생 층을 포함하며, 층들(716, 717) 중 하나는 또한 투명하거나 투명하지 않을 수 있는 전극을 포함할 수 있다. 층(717, 718)은, 추출 필름의 투명 전극 층(678)과 조합되어, 인가된 전류 또는 전기장에 응답하여 원하는 파장의 광을 발생시키는 고 굴절률 발광 영역(714)을 형성한다. 영역(714)의 구성성분 층의 굴절률은 예를 들어 모두 1.6 내지 1.8 범위 내에 속할 수 있다. 영역(714)은 또한 전형적으로 예를 들어 광의 파장 정도, 또는 예를 들어 1 또는 2 마이크로미터 미만으로 매우 얇지만, 다른 두께가 사용될 수도 있다. 층(712)을 포함하는 층(들)은, 존재할 경우, 전형적으로 고 굴절률 영역(714)의 굴절률보다 실질적으로 낮은 굴절률을 가지며, 이들은 전형적으로 훨씬 더 두껍다.
도 7b의 확대된 도면에서, 구조화된 표면(676a)으로부터의 광 추출 요소(682) 및 구조화된 표면(674a)으로부터의 광 추출 요소들(675) 중 하나의 광 추출 요소 둘 모두가 일부 실시예에서 굴절 요소와 회절 요소 간에 실현될 수 있는 크기 및 두께 차이의 어느 정도의 감각을 독자에게 제공하도록 보여질 수 있다.
소자(730)에서, 추출 필름의 광학 커플링 표면(680a)은 OLED의 발광 표면과 일치하는데, 이는 고 굴절률 발광 영역(714)의 외부 경계가 투명 전극 층(678)의 주 표면에 대응하기 때문이다. 결과적으로, 거리(689a, 689b)는 구조화된 표면(676a)으로부터 광학 커플링 표면(680a)까지의 최소 및 최대 축방향 거리뿐만 아니라, 구조화된 표면(676a)으로부터 OLED의 발광 표면(680a)까지의 최소 및 최대 축방향 거리(각각)를 나타낸다. 고 굴절률 영역(714) 내에서 발생된 광 중 일부가 그 영역에 대한 도파 모드로 갇히며, 광 추출 요소(682)에 의해 영역(714) 외부로 회절식으로 커플링될 수 있고, 그 후 광 추출 요소(675)에 의해 OLED 소자 외부로 굴절식으로 커플링될 수 있어서, 광은 궁극적으로 이제 소자(730)의 출력 표면으로 고려될 수 있는 표면(672b)을 통해 소자(730)로부터 출사된다.
소자(730)가 배면-발광 OLED이기 때문에, 고 굴절률 영역(714) 내에서 발생된 광은 추출 필름(670)을 통해 이동하고 도 7b의 관점으로부터 알 수 있는 바와 같은 "배면" 표면을 통해, 즉 표면(672b)으로부터 소자에서 출사된다. 일부 경우에, 소자(720)는 소자의 반대편 면으로부터 방출되는 광이 거의 또는 전혀 없이 방출하도록 설계될 수 있다. 이들 경우에, 층(712)의 구성성분 구성요소들 중 하나, 일부, 또는 전부가 실질적으로 불투명할 수 있다. 다른 경우에, 소자(720)는 두 면 모두로부터 광을 방출할 수 있으며, 그로써 층(712)의 구성요소들은 모두 광-투과성일 수 있다. 소자가 두 면 모두로부터 방출하는 그러한 경우, 추출 특징부를 소자의 두 면 모두의 상에 적용하는 것이 유용할 것이다.
픽셀화된 OLED 소자
개시된 광학 추출 필름 및 필름/OLED 조합은, 전형적으로 조명 응용에 사용될 수 있는 비-픽셀화된 OLED, 및 전형적으로 전자 디스플레이에서 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있는 픽셀화된 OLED를 포함하는, 매우 다양한 상이한 유형의 공지된 OLED로 실시될 수 있다. 도 8은 전형적인 픽셀화된 OLED(810)의 개략적인 평면도이다. OLED(810)는 별개의 발광 영역(812a, 812b, 812c), 및 발광 영역들 사이의 비-발광 영역을 형성하도록 패턴화된다. 발광 영역들 각각은 바람직하게는 개별적으로 전자적으로 어드레싱가능하다. 발광 영역들은 큰 어레이를 형성하도록 반복 패턴으로 배열되어, 어레이 내의 임의의 주어진 발광 영역 또는 영역의 세트가 정지 또는 비디오 이미지를 제공하도록 임의의 주어진 시간에 조명될 수 있다.
단색 디스플레이(monochrome display)에서, 영역(812a 내지 812c)은 동일한 스펙트럼의 콘택트(content) 또는 색상의 광을 방출할 수 있다. 이러한 경우에, 각각의 개별 영역(812a, 812b, 812c)은 단일 픽셀을 나타낼 수 있다. 컬러 디스플레이에서, 영역(812a 내지 812c)은 상이한 색상의 광을 방출할 수 있는데, 예를 들어 영역(812a)은 적색 광을 방출할 수 있고, 영역(812b)은 녹색 광을 방출할 수 있으며, 영역(812c)은 청색 광을 방출할 수 있다. 다른 색상 및 색상 조합이 또한 가능하며, OLED는 픽섹화된 디스플레이 기술에서 알려져 있는 바와 같이, 3개보다 많거나 적은 상이한 색상의 영역을 포함할 수 있다. 컬러 디스플레이에서, 상이한 색상의 영역은 전형적으로 픽셀을 형성하도록 함께 그룹화되며, 이 경우 주어진 픽셀 내의 각각의 개별 발광 영역은 서브픽셀로 지칭될 수 있다. OLED(810)가 컬러 디스플레이를 위해 구성되는 경우, 그리고 영역(812a)이 적색 광을 방출하고, 영역(812b)이 녹색 광을 방출하며, 영역(812c)이 청색 광을 방출하는 경우, 영역(814)은 일 실시예에서 단일 픽셀로 고려될 수 있다. 그 픽셀의 크기는 다양한 횡방향 치수, 즉 도면의 평면 내에서 측정되는 치수에 의해 특징지어질 수 있다. 픽셀이 공칭적으로 직사각형 형상을 갖는 경우, 2개의 관련 치수는 직사각형의 길이(더 긴 변의 스팬(span)) 및 폭(더 짧은 변의 스팬)일 수 있다. 치수(820)가 픽셀(814)의 폭을 나타낸다. 다른 관련 치수는 직사각형 픽셀의 대각선의 길이와 같은 최대 횡방향 치수일 수 있다. OLED(810)가 단색 광을 방출하여 각각의 개별 영역(812a 등)이 픽셀인 경우, 그 보다 작은 픽셀은 픽셀(814)과 동일한 길이를 가질 것이지만, 픽셀(814)의 폭의 1/3일 것이다. 대안적으로, OLED(810)가 픽셀을 구성하기 위해 (3개보다는) 4개의 이웃하는 발광 영역을 필요로 하는 경우, 그 픽셀은 픽셀(814)과 동일한 길이를 가질 것이지만, 픽셀(814)의 폭의 4/3배인 폭을 가질 것이다.
도 9a 및 도 9b는, 그 구조화된 표면이 공기에 노출되는(매립되지 않음) 보통의 구조화된 표면 필름을 가진 픽셀화된 전면-발광 OLED로부터의 광의 추출과, 개시된 나노공극형 층 및 매립된 구조화된 표면을 포함하는 추출 필름을 가진 동일한 픽셀화된 전면-발광 OLED로부터의 광의 추출 사이의 차이를 보여준다. 간단히 언급하면, 나노공극형 층 및 매립된 구조화된 표면의 사용은 구조화된 표면이 다른 필름의 구조화된 표면보다 OLED에 훨씬 더 근접하게 배치되는 것을 가능하게 한다. 이는 나노공극형 층이 도 9b의 추출 필름을 도 9a의 추출 필름에 비해 뒤집히는 것을 가능하게 하여, 캐리어 필름이 OLED와 구조화된 표면 사이에 개재될 필요가 없게 되기 때문이다. 대신에, (매립된) 구조화된 표면은 캐리어 필름과 OLED 사이에 배치될 수 있으며, (매립된) 구조화된 표면과 OLED 사이의 추출 필름의 랜드 부분은 전형적인 캐리어 필름의 두께보다 실질적으로 작은 두께(예를 들어, 50, 25, 또는 10 마이크로미터 미만)를 갖도록 제조될 수 있다. 구조화된 표면을 픽셀화된 OLED에 더 근접하게 위치시키는 것은 특히 작은 픽셀 크기를 가진 OLED에 대해 픽셀의 블러링(blurring)을 감소시키는 중요한 이점을 가질 수 있다. 픽셀의 블러링은 추출 필름의 구조화된 표면이 상이한 방향들로 광을 산란시키는 굴절 구조물을 포함할 때 일어날 수 있다.
그러한 산란과 보통의 왁스지 시트에 의해 생성되는 산란 사이의 유사점을 이끌어 낼 수 있다. 왁스지 시트가 인쇄된 텍스트 페이지 위에 직접 배치되는 경우, 관찰자는 왁스지를 통해 텍스트를 여전히 식별할 수 있다. 그러나, 텍스트와 산란시키는 왁스지 사이의 거리가 증가하도록 왁스지가 천천히 들어올려지는 경우, 텍스트의 문자의 경계가 왁스지의 산란 작용에 의해 너무 흐릿해지기 때문에 텍스트는 빠르게 판독할 수 없게 된다. 이와 유사하게, 도 9b의 매립된 구조화된 표면은 도 9a의 구조화된 표면과 비교할 때 픽셀화된 OLED의 블러링을 거의 내지 전혀 생성시키지 않는데, 이는 전자의 구조화된 표면이 후자의 구조화된 표면이 근접하는 것보다 훨씬 더 OLED에 근접한 것의 결과이다.
따라서, 도 9a는 픽셀화된 전면-발광 OLED(920)에 적용되는 보통의 광학 추출 필름(930)으로부터 생성된 소자(910)의 일부분을 도시하며, 도 9b는 동일한 픽셀화된 전면-발광 OLED(920)에 적용되는, 나노공극형 층 및 매립된 구조화된 표면을 통합하는 광학 추출 필름(960)으로부터 생성된 소자(950)의 일부분을 도시한다. 도면에서, OLED(920)의 표시된 구성요소들은 구동기/제어기(922); (픽셀과 같은) 발광 영역(924); 유기 광 발생 층(926); 투명 전도체(928); 및 평평한 발광 표면(929a)을 제공하도록 OLED를 평면화하는 광학 커플링 층(929)을 포함한다. 도 9a에서, 노출된 구조화된 표면(934a)을 갖는 추출 필름(930)이 OLED에 적용된다. 추출 필름(930)은 캐리어 필름(932); 캐리어 필름을 OLED에 부착시키는 접착제 층(931); 및 굴절의 원리에 기초하여 기능하기에 충분하게 큰 렌즈형 프리즘 또는 렌즈와 같은 광 추출 요소를 한정하도록 형상화될 수 있는 구조화된 표면(934a)을 제공하기 위해 엠보싱되거나 달리 형성된 코팅 층(934)을 포함한다. 추출 필름(930)의 개별 층들 중 어느 것도 나노공극형 층이 아니다. 대조적으로, 추출 필름(960)은 예를 들어 도 4a와 관련하여 기술된 것과 유사한 구성을 가질 수 있다. 따라서, 필름(960)은 캐리어 필름(912); 1.15 내지 1.35, 또는 1.15 내지 1.3 범위의 굴절률을 가질 수 있는 나노공극형 층(914); 나노공극형 층(914)보다 큰 굴절률의 층(916) - 층(916)은 바람직하게는 백필이며 추출 요소(915)를 가진 구조화된 표면(914a)을 한정하는 나노공극형 층과의 계면을 갖고, 요소(915)는 굴절의 원리에 기초하여 기능하기에 충분하게 큰 렌즈형 프리즘 또는 렌즈일 수 있음 - 을 포함한다. 구조화된 표면(914a)과 표면(916a) 사이의 층(916)의 랜드 부분은 예를 들어 50 마이크로미터 미만, 또는 25 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만일 수 있다. 픽셀화된 OLED로부터의 광은 각각의 경우에 추출 필름의 (도 9a 및 도 9b의 관점으로부터) 최외측 표면으로부터, 즉 도 9a의 구조화된 표면(934a)로부터, 그리고 도 9b의 평면형 표면(912b)으로부터 방출된다.
픽셀화된 OLED와 함께 사용하기에 적합한 광학 추출 필름에 대한 추가의 정보는 본 출원과 동일자로 출원되고 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된, 발명의 명칭이 "감소된 블러로 픽셀화된 OLED 출력을 증가시키기 위한 광 추출 필름(Light Extraction Films for Increasing Pixelated OLED Output With Reduced Blur)"인 공히 양도된 미국 출원 XXX(대리인 문서 번호 67021US002)에서 확인될 수 있다.
전술된 바와 같이, 추출 필름(930)보다 픽셀화된 OLED에 더 근접하게 구조화된 표면을 위치시키는 추출 필름(960)의 능력은 추출 필름(960)에 대한 감소된 블러링의 이점을 가져온다. 또한, 필름(960)의 구조화된 표면의 매립된 특성은 필름(930)의 구조화된 표면의 노출된 특성에 비해 마모 또는 다른 해로운 제제로부터의 손상에 대한 강건성 또는 저항성의 이점을 제공한다.
예
하기 예에서, 모든 부, 백분율, 비 등은 달리 언급되지 않는 한 중량 기준이다. 사용된 용매 및 다른 시약은 별도로 명시되지 않는 한 미국 위스콘신주 밀워키 소재의 시그마-알드리치 케미칼 컴퍼니(Sigma-Aldrich Chemical Company)로부터 입수하였다.
예 1: 50/60 탄환-형상의 추출기, 접착제 백필, ULI 내의 탁도 없음
광선 추적 방법 및 모델링 패키지(modeling package) 라이트툴즈(LIGHTTOOLS)(미국 캘리포니아주 패서디나 소재의 옵티컬 리서치 어소시에이츠(Optical Research Associates)로부터 구매가능함)를 사용하여 매립된 추출 층을 가진 OLED의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션된 구성은 전반적으로 도 5b의 OLED 소자(520)로서 도시되어 있다. 초저 굴절률(Ultra Low Index, ULI)의 미세복제된 나노공극형 재료(예를 들어, 도 5b의 층(414) 참조)를 1.2의 굴절률 및 0의 탁도를 갖는 것으로 모델링하였다. 캐리어 필름 또는 기재(예를 들어, 도 5b의 층(412) 참조)의 굴절률을 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재를 모델링하도록 1.65로 선택하였다. 백필 층(예를 들어, 도 5b의 층(416) 참조)의 굴절률을 소켄(Soken) 2032 감압 접착제(일본 소재의 소켄 케미칼 앤드 엔지니어링 컴퍼니 리미티드(Soken Chemical & Engineering Co., Ltd)로부터 입수가능함)를 모델링하도록 1.48로 선택하였다. 기재는 100 ㎛의 두께를 갖는 것으로 가정하였다.
추출 구조물(예를 들어, 도 5b의 구조화된 표면 참조)은 50 ㎛ 피치를 가진 탄환-형상의 추출 요소의 어레이였고, 어레이는 평면도에서 추출 요소의 6각형 배열을 가졌다. 각각의 추출 요소의 형상은 도 10a 및 도 10b를 참조함으로써 더욱 완전하게 설명되는, 원의 세그먼트를 축을 중심으로 회전시킴으로써 생성된 회전 표면에 의해 주어진다. 예 1의 탄환-형상을 한정하는 데 사용되는 곡선형 세그먼트(1012)는 원의 중심을 통과하는 원의 평면 내의 축(1005)으로부터 측정된 각도 θ1과 각도 θ2 사이에 놓인 원(1010)의 세그먼트였다. 예 1의 탄환 형상에서, θ1은 50도였고, θ2는 60도였다. 이어서, 세그먼트(1012)를 탄환-형상의 회전 표면(1020)을 생성하도록 축(1015)을 중심으로 회전시켰으며, 축(1015)은 축(1005)에 평행하지만 곡선형 세그먼트의 종점과 교차한다.
OLED의 기재 면 상에 접합된 이러한 광학 추출 필름의 광학적 성능을 시뮬레이션하였고, 색상 균일도를 CIE 1976 L*u*v* 색상 공간(CIE 표준 S 014-5/E:2009)의 최대 각도 색상 편차로서 결정하였다. (u', v') 색도 좌표의 항으로, 색상 편차는 하기에 의해 주어진다.
여기서, (u' 0 , v' 0 )는 각도 색상 균일도를 평가하기 위한 기준 광원 - 이러한 경우, OLED의 축방향 휘도 - 의 색도 좌표이다. 추출 필름을 가진 OLED와 추출 필름이 없는 OLED의 적분된 출력비로서 적분 이득을 결정하였다. 시뮬레이션에 사용된 OLED의 파라미터는 필립스 루미블레이드(Philips Lumiblade) OLED(미국 뉴저지주 서머셋 소재의 필립스 라이팅 유.에스.(Philips Lighting U.S.)로부터 입수가능함)의 실험 측정치에 기초하였다. 모델 및 최적화에 실험적으로 측정된 OLED 특성을 사용하였다. OLED를 먼저 1 ㎝ × 1 ㎝ 표면적으로 구경 감소시켰고(apertured down), 이어서 그 구면 표면이 반사방지-코팅된 6.4-㎝(2.5-인치)-직경 BK7 하프 볼 렌즈(half ball lens)에 굴절률-정합 오일(index-matching oil)로 기재 면에서 광학적으로 커플링시켰다. OLED 기재의 굴절률이 BK7 하프-볼 렌즈와 밀접하게 정합하기 때문에, 외부 기재 표면에서의 반사 및 굴절이 제거되어, 기재 내로의 OLED 방출 및 OLED/기재 계면에서의 OLED 반사의 정확한 측정을 가능하게 한다. 구체적으로, OLED의 각도-스펙트럼 휘도 및 반사율을 특징지었고 시뮬레이션에 사용하였다. 컴퓨터-설계된 추출 층 프로파일과 조합된 때, OLED 소자가 정확하게 모델링될 수 있다. 각도의 함수로서 계산된 색상 편차가 이하 표 1에 주어져 있으며, 여기서 각도는 모델링된 소자의 광학 축 또는 표면 법선에 대한 공기 중에서의 관찰각이다. 매립된 추출 필름을 가진 그리고 매립된 추출 필름이 없는 상태의 최대 각도 색상 비-균일도는 각각 0.0115 및 0.0242였다. 모델링된 추출 필름을 가진 상태의 적분 이득은 1.48이었다.
이들 결과가 도 11a에 플로팅되어 있으며, 여기서 곡선(1110)은 모델링된 OLED/추출 필름 조합의 색상 편차이고, 곡선(1112)은 추출 필름이 없는 OLED의 색상 편차이다.
예 2: 50/60 탄환-형상의 추출기, 접착제 백필, ULI 내의 탁도
나노공극형 초저 굴절률(ULI) 층 내에 소정의 탁도를 포함시킨 것을 제외하고는, 예 1과 동일한 방식으로 광학 추출 필름을 가진 OLED를 시뮬레이션하였다. 이는 시뮬레이션되는 나노공극형 층에 산란 중심을 부가함으로써 시뮬레이션하였으며, 여기서 산란 중심은 주로 전방 45° 원추각(cone angle)으로 광을 산란시켰고, 이때 산란 확률을 20%로 설정하였다(즉, 광선이 층을 통해 이동할 때 적어도 한 번 산란될 확률을 20%로 설정하였음). 시뮬레이션되는 추출 필름의 나노공극형 층 내의 이러한 내장 탁도에 의해, 각도 색상 비-균일도가 0.010로 감소되었고, 적분 이득이 1.51로 개선되었다.
예 3: 50/60 탄환-형상의 추출기, HRI 백필, ULI 내의 탁도 없음
나노공극형 ULI 재료의 굴절률을 (1.2보다는) 1.26으로 설정하였고, 백필 재료(예를 들어, 도 5b의 층(416) 참조)의 굴절률을 미국 특허 제7,547,476호(존스(Jones) 등)에 기술된 것들과 같이 나노지르코니아-충전된 UV 경화성 아크릴레이트 수지와 같은 고 굴절률 경화성 수지에서 대표적인 (1.48보다는) 1.65로 선택한 것을 제외하고는, 예 1과 동일한 방식으로 광학 추출 필름을 가진 OLED를 시뮬레이션하였다.
색상 비-균일도 및 적분 이득을 예 1에서와 같이 결정하였다. 계산된 색상 편차가 표 2에 주어져 있다. 광학 추출 필름을 가진 그리고 광학 추출 필름이 없는 상태의 최대 각도 색상 비-균일도는 각각 0.0083 및 0.0242였다. 추출 필름을 가진 상태의 적분 이득은 1.55였다.
이들 결과가 도 11b에 플로팅되어 있으며, 여기서 곡선(1120)은 모델링된 OLED/추출 필름 조합의 색상 편차이고, 곡선(1122)은 추출 필름이 없는 OLED의 색상 편차이다.
예 4: 50/60 탄환-형상의 추출기, HRI 백필, ULI 내의 탁도
나노공극형 초저 굴절률(ULI) 층 내에 예 2에 기술된 것과 동일한 탁도인 소정의 탁도를 포함시킨 것을 제외하고는, 예 3과 동일한 방식으로 광학 추출 필름을 가진 OLED를 시뮬레이션하였다. 색상 비-균일도 및 적분 이득을 예 1에서와 같이 결정하였다. 각도 색상 비-균일도가 0.007로 감소되었고, 적분 이득이 1.57로 개선되었다.
예 5: 1-D 프리즘 어레이가 더해진 탄환-형상의 추출기
1-차원(즉, 선형으로 연장함) 프리즘 필름을 OLED 층 반대편의 면(예를 들어, 도 5b의 표면(412b) 참조) 상에서 기재에 부가하였고, 이때 프리즘의 피크가 OLED 층으로부터 멀리 향하게 한 것을 제외하고는, 예 1과 동일한 방식으로 추출 필름을 가진 OLED를 시뮬레이션하였다. 프리즘 어레이의 피치는 50 ㎛였다. 프리즘 재료의 굴절률을 기재와 동일하게 선택하였고(n=1.65), 모든 다른 소자 파라미터는 예 1의 파라미터와 동일하였다.
계산된 색상 편차가 표 3에 주어져 있다. 최대 색상 비-균일도는 0.0126이었고, 적분 이득은 1.34였다. 적분 이득이 예 1 및 예2의 적분 이득보다 낮지만, 이러한 예에서 방출된 광은 실질적으로 시준되었다.
이들 결과가 도 11c에 플로팅되어 있으며, 여기서 곡선(1130)은 모델링된 OLED/추출 필름 조합의 색상 편차이고, 곡선(1132)은 추출 필름이 없는 OLED의 색상 편차이다.
예 6: 저 탁도 ULI, 소켄 PSA 백필
광 추출 필름을 후술되는 바와 같이 미세복제된 나노공극형 재료(초저 굴절률 또는 ULI 재료로도 지칭됨)로 제조하였다. 미세복제된 ULI 및 미세복제된 ULI 구조물을 제조하기 위한 공정에 관한 상세한 정보는 본 명세서의 다른 부분에서 참조된 공히 양도된 미국 특허 출원(대리인 문서 번호 66015US005)에서 확인될 수 있다.
탄환-형상의 미세복제 공구
탄환-형상의 미세복제 공구를 미국 특허 제6,285,001호(플레밍(Fleming) 등)에 기술된 바와 같이 엑시머 레이저(excimer laser) 기계가공 공정을 사용하여 이러한 예 6를 위해 제조하였다. 생성된 패턴을 역전된 탄환 형상을 갖는 구리 롤로 전사시켰고, 여기서 탄환 특징부는 50 ㎛ 피치를 가진 밀접하게 패킹된 6각형 패턴으로 배열시켰으며, 탄환의 형상은, 회전 표면을 한정하는 곡선형 호가 각도 θ1 = 25도 및 θ2 = 65도에 의해 경계지어진 것을 제외하고는, 실질적으로 예 1에 기술된 바와 같았다. 이어서, 구리 롤을 액센트림(Accentrim) 수지(코그니스(Cognis)로부터 입수가능한 75 중량% 포토머(PHOTOMER) 6210 및 알드리치 케미칼 컴퍼니(Aldrich Chemical Co.)로부터 입수가능한 25% 1,6-헥산다이올다이아크릴레이트, 및 광개시제인 시바 스페셜티 케미칼즈(Ciba Specialty Chemicals)로부터의 1 중량% 다로큐어(Darocur) 1173의 조성을 가진 UV 경화성 아크릴레이트 수지를 함유하는 우레탄)를 사용하여 연속 주조 및 경화 공정을 위한 복제 마스터(replication master)로서 사용하였다. 액센트림 수지를 PET 지지 필름(듀폰(DuPont) 618 PET 필름, 127 마이크로미터(5 밀) 두께) 상으로 주조하였고, 이어서 자외선광을 사용하여 정밀 원통형 공구에 대항하여 경화시켰다.
A-174 처리된 실리카 나노입자
냉각기 및 온도계가 장착된 2 리터 3구 플라스크 내에서, 960 그램의 IPA-ST-UP 오가노실리카 긴 입자(미국 텍사스주 휴스턴 소재의 닛산 케미칼 인크.(Nissan Chemical Inc.)로부터 입수가능함), 19.2 그램의 탈이온수, 및 350 그램의 1-메톡시-2-프로판올을 급속 교반 하에 혼합하였다. 긴 입자는 약 9 ㎚ 내지 약 15 ㎚ 범위의 직경 및 약 40 ㎚ 내지 약 100 ㎚ 범위의 길이를 가졌다. 입자를 15.2 중량% IPA 내에 분산시켰다. 그 다음, 22.8 그램의 실퀘스트(Silquest) A-174 실란(미국 코네티컷주 윌턴 소재의 지이 어드밴스드 머티리얼즈(GE Advanced Materials)로부터 입수가능함)을 플라스크에 첨가하였다. 생성된 혼합물을 30분 동안 교반하였다.
혼합물을 81℃에서 16시간 동안 유지하였다. 그 다음, 용액을 실온으로 냉각시켰다. 그 다음, 40℃ 수조에서 회전식 증발기를 사용하여, 용액에서 약 950 그램의 용매를 제거하여, 1-메톡시-2-프로판올 중의 41.7 중량% A-174-개질된 긴 실리카 투명 분산물을 생성하였다.
저 탁도, 저 굴절률 제형(ULI 수지)
호박색 유리병에, 1-메톡시-2-프로판올 중의 A-174 처리된 실리카 나노입자 IPA-ST-UP의 41.78 중량% 용액 194.1 g을 첨가하였다. 유리병에 또한, 64.87 g의 사토머(Sartomer) SR 444 및 40.5 g의 사토머 CN 9893(둘 모두 미국 펜실베이니아주 엑스톤 소재의 사토머 컴퍼니(Sartomer Company)로부터 입수가능함)을 에틸 아세테이트 중의 40% 용액으로서, 1.458 g의 이르가큐어(Irgacure) 184, 0.48 g의 이르가큐어 819(둘 모두 미국 노스캐롤라이나주 하이 포인트 소재의 시바 스페셜티 케미칼즈 컴퍼니로부터 입수가능함), 및 1.5 g의 테고(TEGO)(등록상표) 라드(Rad) 2250(독일 에센 소재의 에보닉 테고 케미 게엠베하(Evonik Tego Chemie GmbH)로부터 입수가능함)을 첨가하였다. 제형의 내용물을 완전하게 혼합하여, 50.5 중량% 고형물을 가진 UV 경화성 ULI 수지를 얻었다.
초저 굴절률(ULI) 구조물
상기 언급된 연속 주조 및 경화 공정으로부터의 탄환 필름을 취하여 이형을 위해 처리하였다. 이형 처리는 먼저 200 W에서 20초 동안 500 ccm O2에 의한 필름의 산소 플라즈마 처리와, 이어서 150 W에서 90초 동안 200 ccm 테트라메틸실란(TMS)에 의한 TMS 플라즈마 처리로 구성하였다. 이러한 필름을 이어서 초저 굴절률(ULI) 구조물을 미세복제하기 위해 연속 주조 및 경화 공정을 위한 복제 마스터로서 사용하였다. ULI 수지는 50.5 중량% 고형물이었고, 76.2 마이크로미터(3 밀) 두께의 프라이밍된(primed) PET 필름 상에 복제하였다. 수지를 35.3 V 및 5.85 암페어에서 작동하는 LED 경화 시스템을 사용하여 경화시켰다. 미세복제된 ULI 필름을 퓨전 램프(Fusion Lamp)(H-전구)를 사용하여 후경화시켰다. 미세복제된 ULI 층의 굴절률을 메트리콘 모델(Metricon Model) 2010 프리즘 커플러(Prism Coupler)(미국 뉴저지주 페닝턴 소재의 메트리콘 코포레이션(Metricon Corporation)으로부터 입수가능함)를 사용하여 측정하였고, 약 1.25인 것으로 확인되었다. 도 10c는 제조된 ULI 복제물의 구조화된 표면(1030)의 광학 현미경 사진을 도시하며, 여기서 개별 탄환-형상의 추출 요소(1032)를 명확하게 볼 수 있다.
추출 필름
ULI 필름을 소켄 2032 감압 접착제(일본 소재의 소켄 케미칼 앤드 엔지니어링 컴퍼니 리미티드로부터 구매가능함)로, 230℉에서 롤러를 구비한 가열 롤러 라미네이터(heated roller laminator)를 사용하는 압력 하의 라미네이션에 의해 백필링하였다. ULI 템플레이트(template) 내로의 PSA의 완전 충전을 광학 현미경에 의해 확인하였다. 필름을 또한 레이저 포인트(laser pointer)로 조사하였고, 본래 구리 공구로부터 복제된 탄환 필름 공구에 관한 유사한 굴절 패턴을 관찰하였다.
이러한 광 추출 필름의 광학적 성능을, 추출 필름의 백필링된 접착제 층을 필립스 루미블레이드 OLED 시험 비히클(미국 뉴저지주 서머셋 소재의 필립스 라이팅 유.에스.로부터 입수가능함)의 기재 면에 접합함으로써 평가하였다. 추출 필름을 가진 OLED와 추출 필름이 없는 OLED의 적분된 출력비로서 적분 이득을 측정하였다. 매립된 추출 필름을 가진 상태의 최대 각도 색상 비-균일도는 매립된 추출 필름이 없는 OLED에 비해 개선되는 것으로 나타났다. 매립된 추출 필름을 가진 상태의 적분 이득은 1.28이었다.
예 7: ULI-기반의 내부 추출 필름을 가진 OLED
400 ㎚ 1D 구조물
이러한 실험적인 예 7을 위해 사용된 미세복제 공구는 금속 원통형 공구 패턴으로부터 주조 및 경화 공정에 의해 제조된 필름 복제물이었다. "톱니(sawtooth)" 1-차원 구조화된 필름 공구(400 ㎚ 피치를 갖고서 선형으로 연장하는 프리즘)를 제공하기 위해 사용된 공구는 정밀 다이아몬드 선삭 기계를 사용하여 공구의 구리 표면 내로 절삭된 변형된 다이아몬드-선삭된 금속 원통형 공구 패턴이었다. 정밀 톱니 절삭 특징부(도 12에 도시된 SEM 이미지)를 가진 생성된 구리 실린더를 니켈 도금하였고 PA11-4로 코팅하였다. 구리 마스터 실린더의 도금 및 코팅 공정은 미세복제 공정 동안 경화된 수지의 이형을 촉진시키는 데 사용되는 통상적인 절차이다. 필름 복제물을, PET 지지 필름(127 마이크로미터(5 밀) 두께) 상으로 주조하였고 이어서 자외선광을 사용하여 정밀 원통형 공구에 대항하여 경화시킨, 아크릴레이트 단량체(코그니스로부터 입수가능한 75 중량% 포토머 6210 및 알드리치 케미칼 컴퍼니로부터 입수가능한 25 중량% 1,6-헥산다이올다이아크릴레이트) 및 광개시제(1 중량% 다로큐어 1173, 시바 스페셜티 케미칼즈)를 포함하는 아크릴레이트 수지 조성물을 사용하여 제조하였다.
생성된 구조화된 필름의 표면을 플라즈마-강화 화학 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 공정을 사용하여 실란 이형제(테트라메틸실란)로 코팅하였다. 이형 처리는 200 W에서 20초 동안 500 ccm O2에 의한 필름의 산소 플라즈마 처리와, 이어서 150 W에서 90초 동안 200 ccm 테트라메틸실란(TMS)에 의한 TMS 플라즈마 처리로 구성하였다. 이어서, 표면-처리된 구조화된 필름을, 일 편의 필름을 구조화된 면이 외부로 향한 채로 주조 롤의 표면에 감싸서 고정함으로써 공구로서 사용하였다.
저 탁도, 저 굴절률 제형
A-174 처리된 IPA-ST-UP 실리카 나노입자를 예 6에서와 같이 제조하였다. 호박색 유리병에, 1-메톡시-2-프로판올 중의 A-174 처리된 실리카 나노입자 IPA-ST-UP의 40 중량% 용액 131.25 g을 첨가하였다. 유리병에 또한, 42 g의 사토머 SR 444 및 10.5 g의 사토머 CN 9893(둘 모두 미국 펜실베이니아주 엑스톤 소재의 사토머 컴퍼니로부터 입수가능함), 0.2875 g의 이르가큐어 184, 0.8 g의 이르가큐어 819(둘 모두 미국 노스캐롤라이나주 하이 포인트 소재의 시바 스페셜티 케미칼즈 컴퍼니로부터 입수가능함), 1 g의 테고(등록상표) 라드 2250(독일 에센 소재의 에보닉 테고 케미 게엠베하로부터 입수가능함) 및 25.5 그램의 에틸 아세테이트를 첨가하였다. 제형의 내용물을 완전하게 혼합하여, 50.5 중량% 고형물을 가진 UV 경화성 ULI 수지를 얻었다.
1D-ULI(초저 굴절률) 구조물
"400 ㎚ 1D 구조물"에서 전술된 400 ㎚ 피치 톱니 필름을 취하여 이형을 위해 처리하였다. 이형 처리는 먼저 200 W에서 20초 동안 500 ccm O2에 의한 필름의 산소 플라즈마 처리와, 이어서 150 W에서 90초 동안 200 ccm 테트라메틸실란(TMS)에 의한 TMS 플라즈마 처리로 구성하였다. 이어서, 표면-처리된 구조화된 필름을, 일 편의 필름을 구조화된 면이 외부로 향한 채로 주조 롤의 표면에 감싸서 고정함으로써 공구로서 사용하였다.
연속적인 필름 기재 상에 미세구조화된 나노공극형 구조물을 생성하기 위해 필름 미세복제 장치를 이용하였다. 장치는 코팅 용역을 적용하기 위한 니들 다이(needle die) 및 시린지 펌프(syringe pump); 원통형 미세복제 공구; 공구에 대항하는 고무 닙 롤; 미세복제 공구의 표면 둘레에 배열된 일련의 UV-LED 어레이; 및 연속적인 필름을 공급, 인장, 및 권취시키기 위한 웨브 취급 시스템을 포함하였다. 공구 온도, 공구 회전, 웨브 속도, 고무 닙 롤/공구 압력, 코팅 용액 유량, 및 UV-LED 방사도를 비롯한 다수의 코팅 파라미터를 수동으로 제어하도록 장치를 구성하였다. 예시의 공정이 도 2에 예시되어 있다.
코팅 용액(상기 참조)을 공구와 필름 사이에 형성된 닙에 인접한 76.2 마이크로미터(3 밀) PET 필름(양 면 상에 프라이밍된 듀폰 멜리넥스(DuPont Melinex) 필름)에 적용하였다. 용액의 유량을 약 0.25 ㎖/분으로 조정하였고, 웨브 속도를 30.48 ㎝/분(1 ft/분)으로 설정하였으며, 이로써 용액의 연속적인 롤링 뱅크(rolling bank)를 닙에서 유지하였다.
UV-LED 뱅크는 열당 16개 LED(니치아(Nichia) NCCU001, 피크 파장 = 385 ㎚)를 갖고서 8 열을 사용하였다. 각각의 회로 기판의 면이 미세복제 공구 롤의 표면에 접하게 장착되고 LED의 거리가 1.3 내지 3.8 ㎝(0.5 내지 1.5 인치)의 거리로 조정될 수 있도록 위치된 4개의 회로 기판 상에 LED를 구성하였다. LED를 직렬의 8개 LED의 16개 평행 스트링으로 구동시켰다. 소자 전류를 조정함으로써 UV-LED 뱅크를 제어하였다. 본 명세서에 기술된 실험의 경우, 전류를 35.4 V에서 대략 5.6 암페어로 설정하였고, 이때 미세복제 공구에 대한 LED의 거리는 1.3 내지 2.54 ㎝(0.5 내지 1.0 인치)였다. 방사도는 교정하지 않았다. 필름 및 공구가 UV LED의 뱅크를 지나 회전됨에 따라 용매가 존재하는 상태에서 코팅 용액을 경화시켜서, 공구 구조물의 음화(negative) 또는 3-차원 역상(inverse) 또는 상보물(complement)에 대응하는 미세-복제된 나노-다공성 구조물 어레이를 형성하였다.
구조화된 필름을 공구로부터 분리하였고, 권취 롤 상에 수집하였다. 코팅의 기계적 특성을 개선하기 위해, 나노-구조화된 코팅을 UV 방사선에 의해 추가로 경화시켰다(후-공정 경화). H-전구가 장착된 퓨전 시스템즈 모델(Fusion Systems Model) I300P(미국 메릴랜드주 게이더스버그 소재)를 사용하여 후-공정 경화를 수행하였다. UV 챔버는 대략 50 ppm 산소로 질소-불활성으로 되었다.
ULI 기반의 내부 추출 필름을 가진 OLED
PET 상의 나노복제된 ULI 층을 플라즈마-강화 화학 기상 증착(PECVD, 영국 야턴 소재의 옥스퍼드 인스트루먼츠(Oxford Instruments)로부터 입수가능한 모델 플라스마랩(Model PlasmaLab)™ 시스템 100)에 의해 질화규소의 1000 ㎚ 두께 층으로 백필링하여 대략적으로 평면화하였다. PECVD 공정에 사용된 파라미터가 표 4에 기재되어 있다.
질화규소 층의 굴절률을 메트리콘 모델 2010 프리즘 커플러(미국 뉴저지주 페닝턴 소재의 메트리콘 코포레이션으로부터 입수가능함)를 사용하여 측정하였고, 1.78인 것으로 확인되었다. 나노구조화된 층 내의 ULI와 질화규소 백필 사이의 비굴절률 차(refractive index contrast)(굴절률의 차이)는 약 0.5였다.
평면화된 기재 상의 OLED 제조는 5 × 5 ㎜ 활성 면적을 가진 애노드 기하학적 형상을 한정하도록 섀도우 마스크(shadow mask)를 통해 질화규소 백필-코팅된 1D 구조물 상으로 침착된 대략 110 ㎚-두께 ITO로 시작하였다. 후속하여, 녹색 유기 발광 스택 및 캐소드를 침착시켜 OLED를 완성하였다. OLED를 ca. 10-6 Torr의 기저 압력에서 진공 시스템 내에서 일 세트의 섀도우 마스크를 통한 표준 열 침착에 의해 제조하였다.
하기 OLED 구성을 침착시켰다:
HIL(300 ㎚)/HTL(40 ㎚)/EML(30 ㎚, 6%)/ETL(20 ㎚)/LiF(1 ㎚)/Al(200 ㎚), 여기서 HIL은 정공-주입 층이고, HTL은 정공-수송 층이며, EML은 발광 층이고, ETL은 전자 수송 층이다.
완성 후에, OLED를, 봉지 필름과 OLED 캐소드 사이에 SAES 수분 및 산소 스캐빈징 게터(scavenging getter)(미국 콜로라도주 콜로라도 스프링스 소재의 에스에이이에스 게터스 유에스에이, 인크.(SAES Getters USA, Inc.)로부터 입수가능함)를 사용하여 불활성 분위기 하에서 미국 특허 제7,018,713호(파디야쓰(Padiyath) 등)에 기술된 바와 같이 장벽 봉지 필름을 라미네이팅함으로써 봉지시켰다.
샘플을 휘도 및 각도성을 측정하기 위해 오트로닉 코노스코프(Autronic conoscope)(독일 카를스루에 소재의 오트로닉-멜쳐스 게엠베하(Autronic-Melchers GmbH)로부터 입수가능함) 상에서 시험하였다. 표 5는 몇몇 샘플의 측정 결과를 나타낸다.
총 이득 및 축상 이득의 측정된 값이 "수지 B"로 표시된, 도 13a 및 도 13b 각각의 최우측 컬럼에 요약되어 있다. 도면의 다이아몬드-형상의 표시는 데이터 그룹의 통계적 측정치를 나타낸다.
비교예 1: 액센트림-기반의 내부 추출 필름을 가진 OLED
비-나노공극형 액센트림 수지(코그니스로부터 입수가능한 75 중량% 포토머 6210 및 알드리치 케미칼 컴퍼니로부터 입수가능한 25% 1,6-헥산다이올다이아크릴레이트, 및 광개시제인 시바 스페셜티 케미칼즈로부터의 1 중량% 다로큐어 1173의 조성을 가진 UV 경화성 아크릴레이트 수지를 함유하는 우레탄)를 나노공극형 ULI 재료 대신에 사용한 것을 제외하고는, 나노복제된 필름을 예 7에 기술된 바와 같이 제조하였다. 400 ㎚ 피치 톱니 구조화된 표면을 액센트림 수지 내에 형성하였고, 이를 이어서 플라즈마-강화 화학 기상 증착(PECVD, 영국 야턴 소재의 옥스퍼드 인스트루먼츠로부터 입수가능한 모델 플라스마랩™ 시스템 100)에 의해 질화규소의 1000 ㎚ 두께 층으로 백필링하여 대략적으로 평면화하였다. PECVD 공정에 사용된 파라미터는 예 7에 기술된 바와 같다.
질화규소 층의 굴절률을 메트리콘 모델 2010 프리즘 커플러(미국 뉴저지주 페닝턴 소재의 메트리콘 코포레이션으로부터 입수가능함)를 사용하여 측정하였고, 1.78인 것으로 확인되었다. 액센트림 수지의 굴절률은 약 1.48이었다. 나노구조화된 층 내의 액센트림-기반의 나노구조물과 질화규소 백필 사이의 비굴절률 차는 약 0.2였다.
OLED를 백필링된 기재 상에 제조하여 예 7에 기술된 바와 같이 장벽 필름으로 봉지시켰다. 샘플을 휘도 및 각도성을 측정하기 위해 오트로닉 코노스코프(독일 카를스루에 소재의 오트로닉-멜쳐스 게엠베하로부터 입수가능함) 상에서 시험하였다. 표 6은 몇몇 샘플의 측정 결과를 나타낸다.
이들 비교예의 총 이득 및 축상 이득의 측정된 값이 "수지 A"로 표시된, 도 13a 및 도 13b 각각의 중간 컬럼에 요약되어 있다.
비교예 2: 유리 상 OLED
대조 샘플 OLED를 1-D 나노구조 샘플과의 비교를 위해 유리 상에 제조하였다. 제조 및 봉지는, 광학 추출 필름이 사용되지 않은 것을 제외하고는, 예 7에 기술된 바와 같았다. 샘플을 휘도 및 각도성을 측정하기 위해 오트로닉 코노스코프(독일 카를스루에 소재의 오트로닉-멜쳐스 게엠베하로부터 입수가능함) 상에서 시험하였다. 표 7은 몇몇 샘플의 측정 결과를 나타낸다.
이들 비교예의 총 이득 및 축상 이득의 측정된 값이 "유리"로 표시된, 도 13a 및 도 13b 각각의 최좌측 컬럼에 요약되어 있다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 양, 특성의 측정치 등을 표현하는 모든 수는 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에 기재되는 수치 파라미터는 본 출원의 교시 내용을 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 특허청구범위의 범주에 대한 등가물의 원칙의 적용을 제한하려고 함이 없이, 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자의 수의 관점에서 그리고 보통의 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다. 본 발명의 넓은 범주를 기재하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 임의의 수치 값이 본 명세서에 기술된 특정 예에 기재되는 경우, 이들은 가능한 한 합리적으로 정확히 보고된다. 그러나, 임의의 수치 값은 시험 또는 측정 한계와 연관된 오차를 분명히 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 수정 및 변경이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에게는 명백할 것이며, 본 발명이 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 독자는 달리 지시되지 않는 한, 하나의 개시된 실시예의 특징이 또한 모든 다른 개시된 실시예에 적용될 수 있는 것으로 가정해야 한다. 또한, 본 명세서에 언급된 모든 미국 특허, 특허 출원 공개, 및 다른 특허 및 비-특허 문헌이 전술한 개시 내용과 모순되지 않는 정도로 본 명세서에 참고로 포함된다는 것을 이해하여야 한다.
Claims (31)
- 자기-발광형(self-emissive) 광원으로부터의 광 추출을 향상시키기 위한 광학 추출 필름(optical extraction film)으로서,
가요성 캐리어 필름(flexible carrier film); 및
캐리어 필름에 의해 지지되는 제1 및 제2 층을 포함하며, 제1 및 제2 층은 제1 매립된 계면을 제1 층과 제2 층 사이에 한정하고,
제1 매립된 계면은 제1 광 추출 요소들의 제1 구조화된 표면을 형성하며,
제1 층은 나노공극형 모폴로지(nanovoided morphology)를 갖고 중합체 결합제를 포함하며, 제1 층은 또한 1.35 미만의 굴절률을 갖고,
제2 층은 제1 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 추출 필름. - 제1항에 있어서, 제1 층은 1.3 미만의 굴절률을 갖는 추출 필름.
- 제1항에 있어서, 제2 층은 1.4 초과의 굴절률을 갖는 추출 필름.
- 제1항에 있어서, 제1 층과 제2 층 사이의 굴절률 차이는 0.3 이상, 또는 0.4 이상, 또는 0.5 이상인 추출 필름.
- 제1항에 있어서, 제1 층은 캐리어 필름과 제2 층 사이에 배치되는 추출 필름.
- 제5항에 있어서, 추출 필름이 자기-발광형 광원과 조합된 때, 추출 요소들의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역(evanescent zone) 내에 배치되도록, 제1 광 추출 요소들이 충분하게 작고 제2 층이 충분하게 얇은 추출 필름.
- 제5항에 있어서, 제1 광 추출 요소들은 회절 요소(diffractive element)들을 포함하는 추출 필름.
- 제5항에 있어서, 제1 광 추출 요소들은 1 마이크로미터 미만의 피치(pitch)를 갖는 추출 필름.
- 제5항에 있어서, 제1 광 추출 요소들은 1 마이크로미터 초과의 피치를 갖는 추출 필름.
- 제9항에 있어서, 제1 광 추출 요소들은 굴절 요소(refractive element)들을 포함하는 추출 필름.
- 제9항에 있어서, 제1 광 추출 요소들은 그들과 연관된 랜드(land)를 가지며, 랜드는 50 마이크로미터 미만의 두께를 갖는 추출 필름.
- 제11항에 있어서, 랜드 두께는 25 마이크로미터 미만인 추출 필름.
- 제5항에 있어서, 제2 층은 광 투과성 점탄성 재료를 포함하는 추출 필름.
- 제13항에 있어서, 제1 구조화된 표면 반대편의 제2 층의 주 표면을 덮는 이형 라이너(release liner)를 추가로 포함하는 추출 필름.
- 제1항에 있어서, 추출 필름과 별개로 제조되는 자기-발광형 광원에 적용되도록 구성되는 추출 필름.
- 제1항에 있어서, 자기-발광형 광원이 그 상에 제조될 수 있는 기재로서 구성되는 추출 필름.
- 제1항에 있어서, 캐리어 필름은 이를 롤-투-롤(roll-to-roll) 처리에서 독립형(free-standing) 지지 필름으로서 적합하게 하는 물리적 특성을 갖는 추출 필름.
- 제1항에 있어서, 제1 층 또는 제2 층 중 어느 것도 이를 롤-투-롤 처리에서 독립형 지지 필름으로서 적합하게 하는 물리적 특성을 갖지 않는 추출 필름.
- 제1항에 있어서,
캐리어 필름에 의해 지지되는 제3 층을 추가로 포함하며, 제1 및 제3 층은 제2 매립된 계면을 제1 층과 제3 층 사이에 한정하고,
제2 매립된 계면은 제2 광 추출 요소들의 제2 구조화된 표면을 형성하는 추출 필름. - 제19항에 있어서, 제1 광 추출 요소들은 1 마이크로미터 미만의 피치를 갖고, 제2 광 추출 요소들은 1 마이크로미터 초과의 피치를 갖는 추출 필름.
- 제19항에 있어서, 추출 필름이 자기-발광형 광원과 조합된 때, 제1 광 추출 요소들의 상당한 부분이 자기-발광형 광원의 에바네센트 구역 내에 배치되도록 구성되는 추출 필름.
- 제19항에 있어서, 제2 광 추출 요소들은 그들과 연관된 랜드를 가지며, 랜드는 50 마이크로미터 미만의 두께를 갖는 추출 필름.
- 제22항에 있어서, 랜드 두께는 25 마이크로미터 미만인 추출 필름.
- 제1항에 있어서, 자기-발광형 광원은 OLED를 포함하는 추출 필름.
- 제1항에 있어서, 자기-발광형 광원과 조합되어, 제1 및 제2 층이 가요성 캐리어 필름과 자기-발광형 광원 사이에 배치되는 추출 필름.
- OLED; 및
OLED에 부착되는 광학 추출 필름을 포함하며,
광학 추출 필름은 가요성 캐리어 필름, 및 캐리어 필름에 의해 지지되는 제1 및 제2 층을 포함하고, 제1 및 제2 층은 제1 광 추출 요소들의 제1 구조화된 표면을 형성하는 제1 매립된 계면을 제1 층과 제2 층 사이에 한정하며,
제1 층은 나노공극형 모폴로지를 갖고 중합체 결합제를 포함하며, 제1 층은 또한 1.35 미만의 굴절률을 갖고,
제2 층은 제1 층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며, 제1 층과 OLED 사이에 배치되는 소자. - 제26항에 있어서, 고 굴절률 영역이 OLED와 연관되며, 고 굴절률 영역은 적어도 하나의 유기 광 발생 층(organic light generating layer) 및 적어도 하나의 투명 전극 층(transparent electrode layer)을 포함하고, 제1 광 추출 요소들의 상당한 부분이 고 굴절률 영역의 에바네센트 구역 내에 배치되는 소자.
- 제27항에 있어서, 적어도 하나의 투명 전극 층은 광학 추출 필름의 일부인 소자.
- 제26항에 있어서, 제1 광 추출 요소들은 굴절 요소들을 포함하고, 1 마이크로미터 초과의 피치를 갖는 소자.
- 제29항에 있어서, 제1 광 추출 요소들은 그들과 연관된 랜드를 가지며, 랜드는 50 마이크로미터 미만의 두께를 갖는 소자.
- 제29항에 있어서, 랜드는 25 마이크로미터 미만의 두께를 갖는 소자.
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