KR20140026640A

KR20140026640A - 발광 소자

Info

Publication number: KR20140026640A
Application number: KR1020147002185A
Authority: KR
Inventors: 가즈유키 야마에; 겐이치로 다나카
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2014-03-05
Also published as: CN102362547B; US20120049170A1; EP2403315A1; JP2010198881A; EP2403315A4; US8772761B2; KR20110126713A; WO2010098279A1; JP5118659B2; CN102362547A; KR101532700B1

Abstract

발광 소자는 유기 전계 발광 소자(20) 및 회절 광학 소자(30)를 포함한다. 유기 전계 발광 소자(20)는, 애노드층(21), 캐소드층(22), 및 애노드층(21)과 캐소드층(22) 사이에 개재되고, 파장이 상이한 광을 방사하는 복수의 발광층(231, 232)을 포함한다. 회절 광학 소자(30)는 유기 전계 발광 소자(20)로부터 방사된 광의 경로에 배치된다. 회절 광학 소자(30)는, 색수차를 감소시키기 위해, 발광층(231, 232)의 각각으로부터 방사되는 광을 회절시키는 상이한 격자 패턴(311, 312)을 갖도록 설계된다.

Description

발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE}

본 발명은 전반적으로 발광 소자에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 유기 전계 발광 소자를 사용한 발광 소자에 관한 것이다.

문헌 1(일본공개특허 제2004―119286)은 발광 소자를 개시한다. 이 발광 소자는, 유리 기판, ITO 투명 전극(애노드 전극), EL에 의해 발광 가능한 발광층, 배면 전극(캐소드 전극), 및 회절 광학 소자를 구비한다. 회절 광학 소자의 표면에는, 발광층으로부터 방사된 광의 전반사를 방지하여 광의 인출 효율을 높이기 위해 돌출부 또는 홈이 형성되어 있다. 발광층은, 회절 광학 소자에 의해 간섭 무늬가 발생하는 것을 억제하기 위해, 연속 스펙트럼을 가지고 있지 않은 백색광을 방사하도록 구성되어 있다.

상기 문헌 1에서, 발광층으로부터 방사된 백색광은, ITO 투명 전극, 유리 기판, 및 회절 광학 소자 각각에 입사될 때에, ITO 투명 전극, 유리 기판, 및 회절 광학 소자에 의해 굴절된다. 그러므로, 상기 문헌 1의 발광 소자를 사용한 경우에는 색수차가 발생한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 광출력을 향상시키고 색수차를 감소시킬 수 있는 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 발광 소자는, 파장이 상이한 광을 방사하도록 구성된 유기 전계 발광 소자와, 상기 유기 전계 발광 소자로부터 방사되는 광의 경로에 배치된 회절 광학 소자를 구비한다. 상기 회절 광학 소자는 색수차를 감소시키기 위해 상기 유기 전계 발광 소자로부터 방사되는 광을 회절시키는 상이한 격자 패턴을 갖도록 설계된다.

바람직한 실시예에서, 상기 유기 전계 발광 소자는, 애노드층, 캐소드층, 상기 애노드층과 상기 캐소드층 사이에 개재되고, 파장이 상이한 광을 방사하는 발광층, 및 제1 면과 제2 면을 갖고, 상기 발광층의 각각으로부터 방사된 광에 대해 투광성을 가지며, 상기 복수의 발광층의 각각으로부터 방사된 광의 경로에 배치되는 기판을 구비한다. 상기 기판의 제1 면에는, 상기 애노드층 상기 캐소드층 및 상기 복수의 발광층이 적층된다. 상기 격자 패턴 중 적어도 하나는, 홈이 그 위에 주기적으로 배열되어 있는 상기 제2 면에 의해 형성된다.

또는, 바람직하게는, 상기 유기 전계 발광 소자는, 애노드층, 캐소드층, 상기 애노드층과 상기 캐소드층 사이에 개재되고, 파장이 상이한 광을 방사하는 발광층, 및 상기 발광층의 각각으로부터 방사된 광에 대해 투광성을 갖고, 상기 발광층의 각각으로부터 방사된 광의 경로 상에 배치되는 기판을 구비한다. 상기 격자 패턴 중 적어도 하나는, 상기 기판의 재료와는 상이한 굴절률을 갖고, 상기 기판의 내부에 소정 간격으로 형성된 복수의 영역에 의해 구성된다.

도 1은 제1 실시예의 발광 소자를 나타낸 개략 단면도이다.
도 2는 회절 광학 소자의 설계 방법의 설명도이다.
도 3은 제1 실시예의 제1 변형예의 발광 소자의 주요부에 대한 개략 단면도이다.
도 4는 제1 변형예의 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제1 실시예의 제2 변형예의 발광 소자의 주요부에 대한 개략 단면도이다.
도 6은 제2 실시예의 발광 소자를 나타낸 개략 단면도이다.
도 7은 상기한 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 제2 실시예의 변형예의 발광 소자를 나타낸 개략 단면도이다.

(제1 실시예)

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 발광 소자(10)는 유기 전계 발광 소자(이하, "유기 EL 소자"라고 함)(20) 및 회절 광학 소자(30)를 구비한다.

유기 EL 소자(20)는, 애노드층(21), 캐소드층(22), 및 애노드층(21)과 캐소드층(22) 사이에 개재되는 유기 발광층(23)을 포함한다. 유기 EL 소자(20)는 또한 정공 주입층(24), 정공 수송층(25) 및 전자 수송층(26)을 포함한다.

유기 EL 소자(20)는 또한 기판(27)을 포함한다. 기판(27)은 예컨대 애노드층(21), 캐소드층(22), 및 발광층(23)을 형성하기 위해 사용된다. 본 실시예에서는, 기판(27)의 제1 면(도 1에서의 하면)에, 애노드층(21), 캐소드층(22), 유기 발광층(23), 정공 주입층(24), 정공 수송층(25), 및 전자 수송층(26)이 적층된다.

회절 광학 소자(30)는 유기 EL 소자(20)로부터 방사된 광의 경로에 배치된다. 즉, 회절 광학 소자(30)는 유기 EL 소자(20)로부터 광이 방출되는 면인 광출사면측(도 1에서의 상면측)에 설치된다. 회절 광학 소자(30)는 색수차가 없는 집광 렌즈(무색수차 렌즈, achromatizing lens)로서 기능한다.

유기 발광층(23)은 2개의 발광층(230)을 갖는다. 기판(27)에 근접한(도 1에서의 위쪽의) 발광층 230(231)은 황색광을 방사하도록 형성된다. 기판(27)에서 먼 쪽의(도 1에서의 아래쪽의) 발광층 230(232)은 청색광을 방사하도록 형성된다. 2개의 발광층(231, 232)은 파장(주발광 파장)이 상이한 광을 방사하도록 구성된다. 이하, 필요에 따라 발광층 231을 황색 발광층이라 하고, 발광층 232를 청색 발광층이라 한다.

회절 광학 소자(30)는 기판(27)의 제2 면(도 1에서의 상면)에 형성된 투광 부재(32)를 포함한다. 본 실시예에서, 회절 광학 소자(30)는 기판(27) 및 투광 부재(32)로 구성되어 있다. 회절 광학 소자(30)는 색수차를 감소시키기 위해 복수의 발광층(230)의 각각으로부터 방사되는 광을 회절시키는 복수의 상이한 격자 패턴(회절 광학부) 31(311, 312)을 가진다. 본 발명에서, "상이한 격자 패턴"은 "파장이 동일한 입사광에 대한 회절 각도가 상이한 격자 패턴"을 의미한다.

본 실시예에서, 격자 패턴 311은 기판(27)의 제2 면에 형성된 단면 톱니 형상의 면(serrate surface)에 의해 형성된다. 격자 패턴 312는 투광 부재(32)의 기판(27)과는 반대측의 면(도 1에서의 상면)에 형성된 파형 형상의 면(waved surface)에 의해 형성된다.

즉, 회절 광학 소자(30)는, 색수차(특히, 축 상의 색수차)가 감소되도록, 즉 복수의 발광층(230)으로부터 각각 방사된 광의 초점 거리가 서로 일치하도록, 각각의 발광층(230)으로부터 방사된 광(황색광과 청색광)을 각각 회절시키는 복수의 격자 패턴(31)을 갖도록 구성된다. 즉, 격자 패턴 311은, 발광층(230)으로부터 각각 방사되는 광(황색광과 청색광)에 대한 회절 각도가 다른 격자 패턴(312)과는 상이하다. 이로써, 각각의 발광층(230)으로부터 방사되는 광(황색광과 청색광)은, 광의 초점 거리가 서로 일치하도록, 각각의 격자 패턴(311, 312)에 의해 상이한 회절 각도로 회절된다.

기판(27)은 각각의 층(21∼26)을 지지하기에 충분한 강도를 가진다. 또한, 기판(27)은 각각의 층(21∼26)의 제조 방법(침적 방법)에 따라서는 내열성이 요구된다. 본 실시예에서는, 기판(27)이 유기 발광층(23)의 광출사면(도 1에서의 상면) 위에 배치되어 있다. 즉, 기판(27)은 발광층(230)으로부터 각각 방사되는 광의 경로에 배치되어 있다. 따라서, 유기 발광층(23)으로부터 방사된 광이 기판(27)을 통과할 수 있도록, 기판(27)에는, 투광성을 갖는 재료, 특히 유기 발광층(23)으로부터 방사된 광에 대해서 광투과율이 높은 재료가 사용된다. 기판(27)의 재료로는 유리 재료(예컨대, 보로실리케이트 크라운 광학 유리) 또는 투광성 플라스틱 재료가 사용된다.

애노드층(21)은 유기 발광층(23)에 정공을 효율적으로 주입하도록 구성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 애노드층(21)이 유기 발광층(23)의 광출사면(도 1에서의 상면) 위에 배치되어 있다. 즉, 애노드층(21)은 발광층(230)으로부터 각각 방사되는 광의 경로에 배치되어 있다. 따라서, 유기 발광층(23)으로부터 방사된 광이 애노드층(21)을 통과 가능하도록, 애노드층(21)은 유기 발광층(23)으로부터 방사되는 광에 대해서 광투과율이 높은 재료로 구성된다. 본 실시예에서는, 유기 EL 소자(20)는 백색광원으로서 사용된다. 그러므로, 애노드층(21)의 재료는 인듐 주석 산화물(ITO)이 바람직하다. 애노드층(21)의 재료로는, 예컨대, 니켈, 금, 은, 백금, 팔라듐, 이들의 합금 또는 투광성 도전막(예컨대, 인듐 아연 산화물(IZO) 및 안티몬 주석 산화물)을 사용할 수 있다.

캐소드층(22)은 유기 발광층(23)에 정공과 재결합하기 위한 전자를 효율적으로 주입 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 유기 발광층(23)의 일면(도 1에서의 상면)만으로부터 광이 방사되도록, 캐소드층(22)은 유기 발광층(23)으로부터 방사된 광을 반사하는 재료에 의해 형성되어 있다. 본 실시예에서는, 유기 EL 소자(20)는 백색 광원으로서 사용된다. 그러므로, 캐소드층(22)의 재료는 가시광에 대해서 반사율이 높은 알루미늄 또는 마그네슘-은 합금 등이 바람직하다. 캐소드층(22)의 재료로는, 예컨대, 마그네슘, 마그네슘-인듐 합금, 마그네슘-알루미늄 합금, 및 알루미늄-리튬 합금 등을 사용할 수 있다.

유기 발광층(23)은 주발광 파장(dominant emission wavelength)이 상이한 복수의 발광층(230)을 포함하는 적층체로서 구성된다. 도 1에 나타낸 예에서는, 유기 발광층(23)은 2개의 발광층(231, 232)을 포함한다. 2개의 발광층(231, 232)의 각각으로부터 방사되는 광의 색은 서로 보색(complementary color)이다. 즉, 유기 EL 소자(23)는 백색광을 방사하도록 구성된다. 본 실시예에서, 발광층(231)은 황색광을 방사하도록 구성되어 있다. 발광층(231)은, 예컨대, 트리페닐 디아민 유도체에 테트라센 유도체를 도핑한(doped) 층이다. 발광층(232)은 청색광을 방사하도록 구성되어 있다. 발광층(232)은 예컨대 비스(2-메틸-8-퀴노리노라토, 파라-페닐르페노라트)알루미늄(BAlq₃)에 페닐렌을 도핑한 층이다.

도 5는 본 실시예의 변형예의 발광 소자(10)를 나타낸다. 발광 소자(10)에서는, 유기 발광층(23)은 3개의 발광층 230(232, 233, 234)을 포함하여도 된다. 발광층(233)은 적색광을 방사하도록 구성되어 있다. 발광층(233)은 예컨대 트리스(8-하이드록시퀴놀리나토)알루미늄(이하, Alq₃로 지칭함)에 [2-2[4-(디메틸아미노)페닐]에틸]-6-메틸]-4H-일리덴]-프로판프로판디니트릴(DCM 색소)을 도핑한 층이다. 발광층(234)은 녹색광을 방사하도록 구성되어 있다. 발광층(녹색 발광층)(234)은 예컨대 Alq₃으로 이루어지는 층이다.

주발광 파장이 상이한 2개 이상의 발광층(230)을 적층하는 경우, 파장이 긴 광을 방사하는 발광층(230)을 파장이 짧은 광을 방사하는 발광층(230)보다 광출사면에 더 근접하게 되도록 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 광의 인출 효율을 향상시킬 수 있다. 도 1에 나타낸 예에서는, 황색 발광층(231)이 청색 발광층(232)보다 광 출사면에 근접하게 배치되어 있다. 도 5에 나타낸 예에서는, 적색 발광층(233)이 녹색 발광층(234)보다 광출사면에 더 근접하게 배치되고, 녹색 발광층(234)이 청색 발광층(233)보다 광출사면에 더 근접하게 배치되어 있다.

정공 주입층(24)은 정공 주입의 에너지 장벽을 감소시키도록 구성된다. 정공 주입 층(24)의 재료로는, 예컨대, 폴리티오펜 유도체 등을 사용할 수 있다.

정공 수송층(25)은 정공을 효율적으로 유기 발광층(23)에 수송하여 유기 EL 소자(20)의 구동 전압을 효율적으로 저감시킴으로써 적절한 이온화 포텐셜을 갖고, 정공 이동도가 커지도록 구성된다. 또한, 정공 수송층(25)은 유기 발광층(23)으로부터의 과잉의 전자 누설을 방지하기 위해 전자 친화력이 작아지도록 구성되는 것이 바람직하다. 정공 수송층(25)의 재료로는, 예컨대, 비스[N-(1-나프틸)-N-페닐벤지딘(α-NDP) 또는 N,N-디페닐-N,N-비스(3-메틸페닐)1,1'-비페닐-4,4-디아민(TPD) 등을 사용할 수 있다.

전자 수송층(26)은 전자를 효율적으로 유기 발광층(23)에 수송할 수 있어 유기 발광층(23)으로부터 전자 수송층(26)으로 정공이 흘러드는 것을 억제할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 전자 수송층(26)의 재료로는, 예컨대, 불화 리튬(LiF) 등을 사용할 수 있다.

애노드층(21), 유기 발광층(23) 및 캐소드층(22)은 예컨대 진공 증착법 등을 사용하여 형성된다. 그리고, 정공 주입층(24), 정공 수송층(25) 및 전자 수송층(26)은 반드시 설치할 필요는 없다.

회절 광학 소자(DOE)(30)는 유기 EL 소자(20)의 광출사면에 배치된 2개의 격자 패턴(회절 광학부) 31(311, 312)을 구비한다. 각각의 격자 패턴(311, 312)은 유기 발광층(23)으로부터의 주발광 파장이 상이한 광 간의 색수차를 저감시키도록 한 형상을 가지고 있다. 그러므로, 회절 광학 소자(30)는 광의 파동성에 기초하여 색수차(광의 파장 의존성)를 감소시킨다.

회절 광학 소자(30)는 유리 재료로 구성되며, 대표적인 것으로서 합성 석영 유리(파장이 550 nm 부근인 광에 대해 n=1.46의 굴절률을 가짐) 또는 보로실리케이트 크라운 광학 유리(파장이 550 nm 부근인 광에 대해 n=1.52의 굴절률을 가짐)가 사용된다. 회절 광학 소자(30)의 재료는 격자 패턴(31)의 구성에 따라 여러 가지가 선택된다. 도 1에 나타낸 발광 소자(10)에서는, 회절 광학 소자(30)는 기판(27)과 투광 부재(32)로 구성되어 있다. 투광 부재(32)는 예컨대 합성 석영 유리 또는 보로실리케이트 크라운 광학 유리 등에 의해 형성된 유리막이다.

격자 패턴(311)은 각각의 발광층(231, 232)으로부터 방사된 광을 격자 패턴(312)과는 상이한 회절 각도로 회절시킨다. 그 결과, 각각의 발광층(231, 232)으로부터 방사된 광의 공간적 위상 분포가 균일하게 된다(각각의 발광층(231, 232)으로부터 방사된 광의 초점 거리가 서로 일치하게 된다). 그에 따라, 색수차가 감소될 수 있다.

도 5에 나타낸 발광 소자(10)는 파장이 상이한 3개의 광을 갖는다. 이 경우, 회절 광학 소자(30)에 3개의 격자 패턴 31(제1 격자 패턴(311), 제2 격자 패턴(312), 및 제3 격자 패턴(313))을 설치하면 된다. 도 5에 나타낸 발광 소자(10)에서는, 회절 광학 소자(30)는 기판(27)과 투광 부재(32, 33)로 구성되어 있다. 각각의 투광 부재(32, 33)는 예컨대 합성 석영 유리 또는 보로실리케이트 크라운 광학 유리 등에 의해 형성된 유리막이다.

회절 광학 소자(30)가 파장이 상이한 3개의 광에 따라 3개의 격자 패턴(31)을 구비하고 있으므로, 색수차를 작게 할 수 있다. 이론적으로, 각각의 발광층(232, 233, 234)으로부터 광이 동일 방향을 향해 방사될 때에는, 색 불균일이 발생하지 않는다. 이와 같은 회절 광학 소자(30)의 형상은 참고 문헌 1(Yoel Arieli 등의 "Design of diffractive optical elements for multiple wavelengths", APPLIED OPTICS/Vol.37, No.26/ 10 September 1998, p.6174-6177)에 기재되어 있다.

상기 참고 문헌 1에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 2개의 회절 광학 소자(제1 회절 광학 소자(41)와 제2 회절 광학 소자(42))를 가지는 예가 개시되어 있다. 도 2에서는, 회절 광학 소자(41, 42) 각각을 1 픽셀 분만큼 도시하고 있다. 제1 회절 광학 소자(41)는 제2 회절 광학 소자(42)와 대향하는 면에 오목부(43)를 가진다. 제2 회절 광학 소자(42)는 제1 회절 광학 소자(41)와 대향하는 면에 오목부(44)를 가진다.

여기서, 제1 회절 광학 소자(41)는 주발광 파장이 λ₁인 광에 대해서 n₁(λ₁)의 굴절률을 갖고, 주발광 파장이 λ₂인 광에 대해서 n₁(λ₂)의 굴절률을 갖는다. 제2 회절 광학 소자(42)는 주발광 파장이 λ₁인 광에 대해서 n₂(λ₁)의 굴절률을 갖고, 주발광 파장이 λ₂인 광에 대해서 n₂(λ₂)의 굴절률을 갖는다. 제1 회절 광학 소자(41)와 제2 회절 광학 소자(42) 사이에 개재하는 매질(45)은 주발광 파장이 λ₁인 광에 대해서 n_g(λ₁)의 굴절률을 갖고, 주발광 파장이λ₂인 광에 대해서 n_g(λ₂)의 굴절률을 갖는다. 주발광 파장이 λ₁인 광이 제1 회절 광학 소자(41), 매질(45) 및 제2 회절 광학 소자(42)를 전파(propagation)함으로써 생기는 위상 지연을 φ₁으로 한다. 주발광 파장이 λ₂인 광이 제1 회절 광학 소자(41), 매질(45) 및 제2 회절 광학 소자(42)를 전파함으로써 생기는 위상 지연을 φ₂로 한다. 임의의 정수를 m1 및 m2로 한다. 오목부 43의 깊이를 d₁으로 하고, 오목부 44의 깊이를 d₂로 한다.

색수차를 감소시키기 위해서는, 오목부 43의 깊이 d₁을 다음의 식 1로 구해지는 값으로 하고, 오목부 44의 깊이 d₂를 다음의 식 2로 구해지는 값으로 하면 된다.

(식 1)

(식 2)

상기 참고 문헌 1에는, 회절 광학 소자(예컨대, 3개 이상의 회절 광학부를 갖는 회절 광학 소자, 및 파장이 상이한 3개 이상의 광을 위한 회절 광학 소자)의 설계 방법 도 기재되어 있다. 그러므로, 상기 참고 문헌 1에 개시된 수식 및 시판중인 광학 시뮬레이션 소프트웨어, 예컨대 반복 퓨리에 변환 알고리즘(Iterative Fourier Transform Algorithm : IFTA)법을 이용한 전자 광학 해석 소프트웨어를 이용하여 수치 계산을 행함으로써, 각각의 회절 광학 소자(41, 42)의 오목부(43, 44)의 깊이 d₁ 및 d₂를 결정할 수 있다. 1 픽셀 당의 가로 방향의 길이에 관하여는, 오목부(43, 44)의 가로 방향의 치수가 고려될 수 있다. 1 픽셀 당의 주기를 Λ, 레벨(스텝의 계조수)을 N, 광의 주발광 파장을 λ, 1차 회절광의 회절 각도를 θ₁으로 하면, Λ/N=λsinθ₁이 충족된다. 그러므로, 각각의 오목부(43, 44)의 가로 방향의 치수는 발광층(231, 232)으로부터 각각 방사되는 광의 주발광 파장에 따라 결정된다. 그리고, IFTA법을 이용한 소프트웨어로 회절 광학 소자를 설계하는 경우에는, 계조수 N, 1차 회절광의 회절 각도 θ₁, 광의 주발광 파장 λ를 입력함으로써 계산할 수 있다. 구체적으로 설명하면, (1) 필드 설정 및 (2) 입력 광원 및 이상적인 출력 등의 파라미터의 결정을 행한 후에, 상기 광학 시뮬레이터 소프트웨어에 의한 계산을 행한다.

본 실시예에서는, 복수의 회절 광학 소자(41, 42) 대신에, 복수의 격자 패턴(311, 312)을 가지는 회절 광학 소자(30)를 사용하고 있다. 그러나, 회절 광학 소자(30)의 설계는 상기 참고 문헌 1에 기재된 방법과 유사한 방법으로 설계할 수 있다. 즉, (1) 필드 설정에서는, 광원으로서 사용되는 유기 EL 소자(20)의 각각의 발광층(230)으로부터 격자 패턴(제1 격자 패턴)(311)까지의 거리, 각각의 발광층(230)으로부터 격자 패턴(제2 격자 패턴)(312)까지의 거리, 및 샘플링 주기(Λ에 따라 변함)가 결정된다. (2) 입력 광원 및 이상적인 출력 등의 파라미터의 결정에서는, 각각의 발광층(230)으로부터 방출되는 광의 주발광 파장, 각각의 발광층(230)의 광강도(위상) 분포, 각각의 격자 패턴(31)의 치수(다수의 오목부가 형성되어 있는 영역의 치수), 계조수 N, 재료(굴절률), 출력 영역(조사 영역)의 크기, 출력 영역(조사 영역)의 위치, 및 색수차를 감소시키기 위한 출력 강도(위상) 분포 등이 적절하게 결정된다. 상기한 파라미터를 입력한 후에, 상기 광학 시뮬레이션 소프트웨어를 실행하면, ITFA법에 기초한 최적화가 행해진다. 이로써, 각각의 격자 패턴(31)의 오목부에 대한 깊이 프로파일, 회절 효율, 조사 영역의 색 분포를 얻을 수 있다. 이와 같이 설계한 회절 광학 소자(30)에 의하면, 회절 광학 소자(30)와 공기층 간의 계면에서의 전반사에 의한 광인출 손실을 저감할 수 있다. 이로써, 광인출 효율을 향상시킬 수 있다.

격자 패턴(31)은 도 3에 나타낸 바와 같은 회절 광학 소자(41)와 유사한 구성을 가지고 있어도 된다. 도 3에 나타낸 회절 광학 소자(41)는 단면 톱니 형상으로 형성되어 있다. 도 3에 나타낸 회절 광학 소자(41)의 단면 형상은 16 레벨의 계단형이다. 이와 같이 하면, 1차 회절 효율이 높아질 수 있다. 여기서, 1 픽셀의 피치를 Λ, 깊이를 L, 광의 주발광 파장을 λ, 회절 광학 소자(41)의 재료의 굴절률을 n₁으로 하면, 깊이 L은 다음의 식 3에 의해 결정된다.

(식 3)

레벨(스텝의 계조수: 통상은 2ⁿ으로 표시됨)을 N, 회절 각도를 θ₁로 하면, 피치Λ는 다음 식 4로 표시된다.

(식 4)

회절의 효과를 얻기 위해서는 Λ>>λ인 것이 바람직하다. 따라서, N×sinθ₁>>1이 충족되는 것이 필요하다. 단, 회절 광학 소자(41)가 N=∞로 간주할 수 있는 것 같은 연속 형상인 경우에는, 도 3에 나타낸 회절 광학 소자(41)의 형상에 따라 얻어지는 현상과는 상이한 현상이 생기므로, 반드시 상기한 수식이 사용할 수 있다라고는 할 수 없다. 또한, 포토리소그래피 기술과 에칭 기술을 이용하여 회절 광학 소자(41)를 형성하는 경우에는, N의 값(즉, 계조수)이 커짐에 따라 프로세스의 수가 증대한다. 그러므로, N의 값은 4, 8 및 16 정도인 것이 바람직하다. 그리고, IFTA법을 이용한 상기 광학 시뮬레이터 소프트웨어로 회절 광학 소자(41)를 설계하는 경우에는, "N", θ₁ 및 λ로부터 피치Λ를 구할 수 있다.

도 3에 나타낸 회절 광학 소자(41)는 회절 효율이 비교적 높다. 이와 같은 회절 광학 소자(41)와 동일한 형상의 격자 패턴(31)은 포토리소그래피 공정 및 에칭 공정을 반복함으로써 형성할 수 있다. 그러나, N의 값이 커지면, 노광, 현상 및 칭을 반복하는 횟수가 많아진다. 이 경우에는, 격자 패턴(31)의 패턴 형성 비용이 높아진다. 또한, 격자 패턴(31)의 고정밀도화도 어렵다. 나노임프린트 리소그래피를 이용하면, 이와 같은 격자 패턴(31)을 고정밀도 및 염가로 형성할 수 있다.

이하, 격자 패턴(41)을 나노임프린트 리소그래피에 의해 형성하는 방법에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.

이 방법은 전사층 형성 공정 및 전사 공정을 포함한다.

전사층 형성 공정에서는, 유기 EL 소자(20)의 기판(27)의 제2 면에 전사층(60)을 형성한다. 전사층 형성 공정에서는, 기판(27)의 제2 면에 예컨대 스핀 코팅법을 이용하여 열가소성 수지(예컨대, PMMA 등)를 도포하여, 전사층(60)을 형성한다.

전사 공정에서는, 전사층 형성 공정 후에, 몰드(70)를 전사층(60)에 대향하도록 위치시킨다(도 4의 (a)를 참조). 몰드(70)에는, 회절 광학 소자(41)의 형상에 따라 설계된 요철 패턴(71)이 형성되어 있다. 다음에, 몰드(70)를 특정 압력 하에서 전사층(60)에 가압한다(도 4의 (b)를 참조). 그 후, 몰드(70)를 전사층(60)으로부터 분리시킨다. 이로써, 몰드(70)의 요철 패턴(71)이 전사층(60)에 전사된다(도 4의 (c)를 참조). 즉, 전사 공정에서는 몰드(70)를 전사층(60)에 대향하도록 위치시킨다. 다음에, 전사층(60)을 가열하여 연성화시킨 상태로 몰드(70)를 전사층(60)에 접촉시킨다. 그 후, 몰드(70)를 소정의 압력 하에서 누름으로써 전사층(60)을 변형시킨다. 그 후, 전사층(60)을 냉각하고 나서, 몰드(70)를 전사층(60)으로부터 분리시킨다. 이로써, 유기 EL 소자(20)의 기판(27)에, 회절 패턴(격자 패턴)을 형성하는 요철 패턴을 설치할 수 있다.

전사층 형성 공정에서는, 전사층(60)의 가열 또는 냉각을 행하고 있다. 그러나, 전사층(60) 대신에 몰드(70)의 가열 또는 냉각을 행해도 된다. 또한, 나노임프린트 리소그래피는 전술한 바와 같이 열가소성 수지를 전사층(60)의 재료로서 사용하는 열 나노임프린트 리소그래피에 한정되지 않는다. 나노임프린트 리소그래피는 전사층(60)의 재료로서 광경화성 수지를 사용하는 광 나노임프린트 리소그래피이어도 된다. 광 나노임프린트 리소그래피의 경우, 점도가 낮은 광경화성 수지층으로 이루어지는 전사층(60)을 몰드(70)에 의해 변형시킨다. 그 후에, 유기 EL 소자(20)에 악영향을 주지 않은 정도로 자외선을 조사하여 전사층(60)(광경화성 수지)을 경화시킨다. 그 후에, 몰드(70)를 전사층(60)으로부터 분리시키면 된다.

그리고, 전사 공정 후에, 전사층(60) 및 기판(27)을 에칭함으로써, 제1 격자 패턴(311)을 형성하는 회절 광학 소자(41)를 형성할 수 있다. 그리고, 제1 격자 패턴(311)을 형성한 후에, 전술한 나노임프린트 리소그래피를 이용하여 제2 격자 패턴(312)을 형성할 수 있다.

그러므로, 한 번 몰드용 금형을 제작한 후에는, 회절 패턴의 형상이 복잡하여도 같은 형상(회절 패턴)을 성공적으로 재현할 수 있어, 저비용으로 회절 광학 소자(30)를 갖는 발광 소자(10)를 제조할 수 있다.

일반적으로, 유기 EL 소자(20)의 기판(27)의 재료에는 유리 재료가 사용된다. 그러므로, 회절 광학 소자(30)의 제조를 위해 유기 EL 소자(20)의 기판(27)을 이용할 수 있다. 기판(27)을 이용하여 회절 광학 소자(30)를 제조하면, 발광 소자(10)를 얇게 할 수 있다. 기판(27)을 이용하지 않고 회절 광학 소자(30)를 제조하는 경우에는, 회절 광학 소자(30)를 제조하기 위한 투광 부재를 필요에 따라 기판(27)에 접착할 필요가 있다. 그러나, 기판(27)을 이용하여 회절 광학 소자(30)를 제조하면, 투광 부재의 수를 감소시키는 것이 가능하다.

그리고, 유기 EL 소자(20)를 형성할 때에는, 기판(27)의 양면에 미리 격자 패턴(31)을 형성하여 두어도 된다.

다음에, 도 1에 나타낸 발광 소자(10)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 유리 재료에 의해 형성된 기판(27)의 제1 면 상에, 애노드층(21), 정공 주입층(24), 정공 수송층(25), 황색 발광층(231), 청색 발광층(232), 전자 수송층(24), 및 캐소드층(22)을 순차적으로 형성한다. 다음에, 기판(27)의 제2 면에 제1 격자 패턴(311)을 형성한다. 다음에, 기판(27)의 제2 면에, 기판(27)과는 반대측의 면이 평탄하게 되도록 유리막으로 이루어지는 투광 부재(32)를 형성한다. 그 후에, 투광 부재(32)의 기판(27)과는 반대측의 면에 제2 격자 패턴(312)을 형성한다.

*도 1에 나타낸 발광 소자(10)에서는, 기판(27) 및 투광 부재(32)에 의해 회절 광학 소자(30)가 구성된다.

본 실시예의 발광 소자(10)는 유기 EL 소자(20)와 회절 광학 소자(30)를 포함한다. 유기 EL 소자(20)는, 애노드층(21), 캐소드층(22), 및 애노드층(21)과 캐소드층(22) 사이에 개재되고, 파장이 상이한 광을 방사하는 복수의 발광층(230)을 가진다. 회절 광학 소자(30)는 유기 EL 소자(20)로부터 방사된 광의 경로 상에 배치되고, 집광 렌즈로서 기능한다. 회절 광학 소자(30)는 색수차를 감소시키기 위해 복수의 발광층(230)의 각각으로부터 방사되는 광을 회절시키는 복수의 격자 패턴(31)을 포함한다.

본 실시예의 발광 소자(10)에 의하면, 회절 광학 소자(30)에 의해 광 분배를 제어하여 광출력을 높일 수 있고, 또한 색수차를 작게 할 수 있다.

본 실시예의 발광 소자(10)에서는, 유기 EL 소자(20)는 투광성을 갖는 기판(27)을 포함한다. 기판(27)은 복수의 발광층(230)의 각각으로부터 방사된 광의 경로에 배치된다. 기판(27)의 제1 면에는 애노드층(21), 캐소드층(22) 및 복수의 발광층(230)이 적층된다. 복수의 격자 패턴(31) 중 적어도 하나는, 홈이 그 위에 주기적으로 배치된 기판(27)의 제2 면에 의해 형성된다.

본 실시예의 발광 소자(10)에 의하면, 유기 EL 소자(20)의 기판(27)을 이용하여 회절 광학 소자(30)가 제조된다. 따라서, 별도로 회절 광학 소자(30)를 유기 EL 소자(20)에 부착할 필요가 없다. 또한, 고정밀도의 회절 광학 소자(30)를 비교적 간단하게 제조할 수 있다.

다음에, 도 5에 나타낸 발광 소자(10)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 유리 재료에 의해 형성된 기판(27)의 제1 면 상에, 애노드층(21), 정공 주입층(24), 정공 수입층(25), 적색 발광층(233), 녹색 발광층(234), 청색 발광층(232), 및 캐소드층(22)을 순차적으로 형성한다. 다음에, 기판(27)의 제2 면에 제1 격자 패턴(311)을 형성한다. 다음에, 기판(27)의 제2 면에, 기판(27)과는 반대측의 면이 평탄하게 되도록 유리막으로 이루어지는 투광 부재(32)를 형성한다. 그 후에, 투광 부재(32)의 기판(27)과는 반대측의 면에 제2 격자 패턴(312)을 형성한다. 또한, 투광 부재(32)의 기판(27)과는 반대측의 면에, 투광 부재(32)와는 반대측의 면이 평탄하게 되도록 유리막으로 이루어지는 투광 부재(33)를 형성한다. 그 후에, 투광 부재(33)의 투광 부재(32)와는 반대측의 면에 제3 격자 패턴(313)을 형성한다.

도 5에 나타낸 발광 소자(10)에서, 제1 격자 패턴(311)에 의한 회절 효과는 기판(27)과 투광 부재(32) 간의 굴절률 차이가 클수록 높아진다. 제2 격자 패턴(312)에 의한 회절 효과는 투광 부재(32)와 투광 부재(33)의 굴절률 차이가 클수록 높아진다. 제3 격자 패턴(313)에 의한 회절 효과는 투광 부재(32)와 투광 부재(33)의 굴절률 차이가 클수록 높아진다. 따라서, 기판(27) 및 투광 부재(33)의 굴절률을 투광 부재(32)보다 높게 하는 것이 바람직하다. 예컨대, 기판(27) 및 투광 부재(33)를 굴절률이 비교적 높은 재료(예컨대, 보로실리케이트 글래스)에 의해 형성하고, 투광 부재(32)로서 공기층을 채용하는 것을 생각할 수 있다. 이 경우, 예컨대 보로실리케이트 글래스에 의해 투광 부재(33)를 형성한다. 투광 부재(33)의 기판(27)에 인접한 면에 제2 격자 패턴(312)을 형성하고, 투광 부재(33)의 기판(27)과는 반대측의 면에 제3 격자 패턴(313)을 형성한다. 그리고, 투광 부재(33)를, 기판(27)의 제2 면에, 기판(27)과 투광 부재(33) 사이에 공간이 발생하도록 배치한다. 반대로, 기판(27) 및 투광 부재(33)의 굴절률을 투광 부재(32)보다 낮게 해도 된다.

본 실시예에서, 격자 패턴(31)은 규칙적으로 배치된 복수의 돌출부 또는 홈에 의해 형성된다. 격자 패턴(31)을 구성하는 돌출부 또는 홈은, 유기 EL 소자(20)의 기판(27)의 제2 면에 동심원형으로 형성되어 있어도 된다. 이 경우, 돌출부 또는 홈의 간격이 제2 면의 중심으로부터 둘레를 향함에 따라 서서히 짧아지도록 요철을 형성하는 것이 바람직하다.

(제2 실시예)

본 실시예의 발광 소자(10A)는 도 6에 나타낸 바와 같이 유기 EL 소자(20A) 및 회절 광학 소자(30A)를 구비한다. 그리고, 본 실시예의 발광 소자(10A)와 제1 실시예의 발광 소자(10)의 공통되는 구성에는 동일한 도면부호를 부여하여 설명을 생략한다.

유기 EL 소자(20A)는 애노드층(21), 캐소드층(22), 유기 발광층(23), 정공 주입 층(24), 정공 수송층(25), 전자 수송층(26) 및 기판(27A)을 포함한다.

기판(27A)의 내부에는, 각각 기판(27A)의 재료와는 굴절률이 상이한 영역(28)(제1 영역(281)과 제2 영역(282))이 형성되어 있다. 각각의 제1 영역(281)은, 도 6에 나타낸 바와 같이, 기판(27A)의 제2 면보다 제1 면에 더 근접하게 기판(27A)의 내부에 형성된 직사각 형상의 캐비티이다. 각각의 제2 영역(282)은 기판(27A)의 제1 면보다 제2 면에 더 근접하게 기판(27A)의 내부에 형성된 역사다리꼴 형상의 캐비티이다. 복수의 영역(28)은 기판(27A)의 제2 면과 대략 평행한 평면으로 설치되어 있다.

회절 광학 소자(30A)는 복수의 격자 패턴(31A)(제1 격자 패턴(314A)과 제2 격자 패턴(315A))을 가진다. 각각의 격자 패턴(31A)은, 기판(27A)의 재료와는 상이한 굴절률을 가지고 기판(27A)의 내부에 소정 간격으로 형성된 복수의 영역(28)에 의해 구성되어 있다. 본 실시예에서, 영역(28)은 캐비티로서 형성된다. 즉, 회절 광학 소자(30A)는, 유기 EL 소자(20A)의 기판(27A)의 내부에 3차원적으로 설치된 캐비티에 형성된 매질과 기판(27A)에 의해 형성된 매질의 굴절률 차이에 의해 광을 회절시킨다. 따라서, 회절 광학 소자(30A)는 기판(27A)을 이용하여 형성되어 있다. 특히, 도 6에 나타낸 발광 소자(10A)에서는 기판(27A)이 회절 광학 소자(30A)를 겸하고 있다.

도 8에 나타낸 발광 소자(10A)에서는, 기판(27A)의 제2 면에, 투광 부재(34)가 형성되어 있다. 투광 부재(34)는 합성 석영 유리 또는 보로실리케이트 크라운 광학 유리 등에 의해 형성된다. 도 8에 나타낸 발광 소자(10A)에서는, 기판(27A)의 내부에는, 제1 영역(281)만이 형성되어 있다. 투광 부재(34)의 내부에는, 투광 부재(34)의 재료와는 굴절률이 상이한 영역(35)이 형성되어 있다. 각각의 영역(35)은 투광 부재(34)의 내부에 형성된 역사다리꼴 형상의 캐비티에 의해 구성된다. 이와 같이, 영역(28, 35)은 각각 상이한 굴절률을 가지는 부재(기판(27A) 및 투광 부재(34))에 형성되어 있어도 된다.

본 실시예에서는, 격자 패턴(31A)은, 기판(27A)의 재료와는 상이한 굴절률을 가지고 기판(27A)의 내부에 소정 간격으로 형성된 영역(28)을 포함한다. 도 6에 나타낸 예에서는, 영역(28)은 캐비티(공기층)이다. 영역(28)은 캐비티로 한정되지 않고, 기판(27A)의 굴절률과는 상이한 굴절률을 갖도록 개질된 부분이어도 된다.

이와 같은 영역(28)은 예컨대 회절 광학 소자(30A)를 구성하는 투광성 부재(예컨대, 유리 재료로 이루어지는 기판(27A))에 펨투세컨드(femtosecond) 펄스 레이저광(80)(펄스폭이 10^-12 sec 이하)을 조사함으로써 형성할 수 있다. 이와 같은 펄스 레이저광(80)을 유리에 조사하면, 순간 값이 1011 W 이상으로 되는 매우 높은 에너지에 의해 "다광자 흡수(multiphoton absorption)"로 지칭되는 현상이 발생한다. 이로써, 펄스 레이저광(80)의 초점 및 그 근접 부근(예컨대, 수백 nm로부터 수 ㎛의 범위)에 영역(28)이 형성된다. 전술한 바와 같이 레이저를 이용하면, 영역(28)의 형성시에 열이 거의 발생하지 않는다. 또한, 영역(28)을 형성하는 부분 이외의 투광성 부재에는 실질적으로 손상이 발생하지 않는다.

다음에, 도 6에 나타낸 발광 소자(10A)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 실리카로 구성된 기판(27A)을 사용하여 유기 EL 소자(20A)를 형성한다. 다음에, 유기 EL 소자(20)의 기판(27A)의 제2 면으로부터 제1 영역(281)의 형상에 따라 펄스 레이저광(80)을 기판(27A)의 내부에 조사한다. 이로써, 기판(27A)의 내부에 제1 영역(281)을 형성한다. 그 후에, 기판(27A)의 제2 면으로부터 제2 영역(282)의 형상에 따라 동일한 펄스 레이저광(80)을 조사한다. 이로써, 기판(27A)의 내부에 제2 영역(282)을 형성한다. 그 결과, 회절 광학 소자(30A)를 가지는 발광 소자(10A)를 얻을 수 있다.

그리고, 기판(27)은 실리카로 구성된다. 실리카는, 550 nm 부근의 파장을 갖는 광에 대한 굴절률이 1.5이다. 이 경우, 파장 800 nm, 출력 0.3W, 펄스 주파수 1kHz, 펄스폭 150fs의 펄스 레이저광(80)을 조사함으로써, 영역(28)으로서 직경이 약 400 nm인 미소한 캐비티를 형성할 수 있다.

격자 패턴(31A)에서의 굴절률 차이를 증가시키기 위해, 기판(27A)에 굴절률이 비교적 큰 보로실리케이트 글래스를 사용하고, 영역(28)으로서 공기가 충전된 캐비티를 형성하는 것이 바람직하다.

펄스 레이저광(80)의 펄스폭, 펄스 강도, 초점을 조정하여 주사함으로써, 영역(28)을 3차원적으로 형성할 수 있다.

이상 설명한 본 실시예의 발광 소자(10A)에서, 유기 EL 소자(20A)는 투광성을 갖는 기판(27A)을 포함한다. 기판(27A)은 복수의 발광층(230)의 각각으로부터 방사된 광의 경로에 배치된다. 기판(27A)에는, 애노드층(21), 캐소드층(22) 및 복수의 발광층(230)이 적층된다. 복수의 격자 패턴(31A) 중 적어도 하나는, 기판(27A)의 재료와는 상이한 굴절률을 가지고, 기판(27A)의 내부에 소정 간격으로 형성된 복수의 영역(28)에 의해 구성된다.

본 실시예의 발광 소자(10A)에 의하면, 유기 EL 소자(20A)의 기판(27A)을 이용하여 회절 광학 소자(30A)가 형성되어 있다. 따라서, 별도로 회절 광학 소자(30A)를 유기 EL 소자(20A)에 부착할 필요가 없다. 또한, 기판(27A)에 고정밀도의 회절 광학 소자(격자 패턴(31A))를 비교적 간단하게 형성할 수 있다.

Claims

기판과 상기 기판의 제1 면 위에 배치되는 유기 발광층을 구비하는 유기 전계 발광 소자; 및
상기 제1 면과는 반대 측의 상기 기판의 제2 면에 배치되는, 투과성을 가지는 투광 부재
를 포함하고,
상기 기판의 상기 제2 면에는 제1 격자 패턴이 형성되어 있고,
상기 투광 부재에서, 상기 기판과는 반대 측의 면에 제2 격자 패턴이 형성되어 있는, 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 투광 부재는, 상이한 굴절률을 가지는, 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 격자 패턴 및 상기 제2 격자 패턴 각각은, 상기 유기 전계 발광 소자의 두께 방향의 단면에서, 계단 형상인, 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 격자 패턴 및 상기 제2 격자 패턴 각각은, 동심원 형상으로 형성되는, 발광 소자.