KR20140074466A - 전면 발광형 유기발광소자 - Google Patents

전면 발광형 유기발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전면 발광형 유기발광소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 광추출 효율 개선을 통해 고 휘도를 나타내는 전면 발광형 유기발광소자에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 제1 유리기판; 상기 제1 유리기판 상에 차례로 적층되는 애노드, 유기 발광층 및 캐소드를 포함하는 소자층; 상기 제1 유리기판과 대향되게 상기 소자층 상에 배치되고, 상기 소자층으로부터 발광된 빛이 외부로 방출되는 통로가 되는 제2 유리기판; 상기 제2 유리기판의 일면 중 적어도 한 부분에 상기 제2 유리기판의 내측 방향으로 형성되고, 상기 제2 유리기판보다 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 다공성층; 및 상기 소자층과 상기 제2 유리기판 사이에 배치되어 상기 소자층과 상기 제2 유리기판을 접착시키는 접착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기발광소자를 제공한다.

Description

전면 발광형 유기발광소자{TOP EMISSION TYPE OLED}
본 발명은 전면 발광형 유기발광소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 광추출 효율 개선을 통해 고 휘도를 나타내는 전면 발광형 유기발광소자에 관한 것이다.
전면 발광형(top emission type) 유기발광소자는 배면 발광형(bottom emission) 유기발광소자와 달리 일함수가 낮은 투명 물질로 이루어진 캐소드로 빛을 방출하는 구조이다. 이때, 이러한 유기발광소자를 구동하기 위한 박막트랜지스터가 유기발광소자 하부에 형성됨에 따라, 전면 발광형 유기발광소자의 경우 배면 발광형 유기발광소자보다 상대적으로 높은 개구율을 가질 수 있다.
하지만, 전면 발광형 유기발광소자도 배면 발광형 유기발광소자와 마찬가지로, 발광량의 20%만 외부로 방출되고, 80% 정도의 빛은 전면 발광형 유기발광소자의 캐소드 상에 형성되는 봉지 유리와 캐소드 및 정공 주입층, 전공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층 등을 포함하는 유기 발광층의 굴절률 차이에 의한 도파관(wave guiding) 효과와 봉지 유리와 공기의 굴절률 차이에 의한 전반사 효과로 손실된다. 즉, 내부 유기 발광층의 굴절률은 1.7~1.8이고, 캐소드로 사용되는 물질의 굴절률은 약 1.9이다. 이때, 두 층의 두께는 대략 200~400㎚로 매우 얇고, 봉지 유리의 굴절률은 1.5이므로, 유기발광소자 내에는 평면 도파로가 자연스럽게 형성된다. 계산에 의하면, 상기 원인에 의한 내부 도파모드로 손실되는 빛의 비율이 약 45%에 이른다. 그리고 봉지 유리의 굴절률은 약 1.5이고, 외부 공기의 굴절률은 1.0이므로, 봉지 유리에서 외부로 빛이 빠져 나갈 때, 임계각 이상으로 입사되는 빛은 전반사를 일으켜 봉지 유리 내부에 고립되는데, 이렇게 고립된 빛의 비율은 약 35%에 이르기 때문에, 불과 발광량의 20% 정도만 외부로 방출된다.
대한민국 등록특허공보 제10-0859092호(2008.09.10.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광추출 효율 개선을 통해 고 휘도를 나타내는 전면 발광형 유기발광소자를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 제1 유리기판; 상기 제1 유리기판 상에 차례로 적층되는 애노드, 유기 발광층 및 캐소드를 포함하는 소자층; 상기 제1 유리기판과 대향되게 상기 소자층 상에 배치되고, 상기 소자층으로부터 발광된 빛이 외부로 방출되는 통로가 되는 제2 유리기판; 상기 제2 유리기판의 일면 중 적어도 한 부분에 상기 제2 유리기판의 내측 방향으로 형성되고, 상기 제2 유리기판보다 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 다공성층; 및 상기 소자층과 상기 제2 유리기판 사이에 배치되어 상기 소자층과 상기 제2 유리기판을 접착시키는 접착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기발광소자를 제공한다.
여기서, 상기 다공성층이 형성되는 상기 제2 유리기판의 일면은 상기 소자층과 마주하는 면일 수 있다.
또한, 상기 다공성층은 상기 제2 유리기판을 이루는 성분들 중 SiO2를 제외한 나머지 성분이 용출되어 상기 제2 유리기판에 형성된 복수개의 기공일 수 있다.
이때, 상기 복수개의 기공은 상기 제2 유리기판의 일면 전체 영역에 분포되어 층을 이룰 수 있다.
또한, 상기 복수개의 기공은 상기 제2 유리기판의 일면 전체 영역에 부분적으로 분포되어 있을 수 있다.
이때, 부분적으로 분포되어 있는 상기 복수개의 기공은 복수개의 세미 오벌(semi-oval) 형상을 이룰 수 있다.
게다가, 상기 제2 유리기판과 상기 접착층 사이에 배치되는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 버퍼층은 SiO2, SixNy, Nb2O5, MgO 및 ZrO2 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 소자층으로부터 발광된 빛이 방출되는 봉지 유리에 이보다 굴절률이 낮은 다공성층이 형성됨으로써, 전면 발광형 유기발광소자의 광추출 효율 개선을 통해 휘도를 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 유기발광소자의 소비 전력을 감소시킬 수 있으며, 이는 발열의 최소화로 이어져, 결국, 유기발광소자의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다공성층을 이루는 기공들이 부분적으로 분포되어 세미 오벌 형상을 이룸으로써, 색 혼합을 유도하여 미소공진 구조를 갖는 유기발광소자에서 발생하는 시야각에 따른 색변화(컬러 시프트)를 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 봉지 유리 자체가 종래 별도로 형성되던 광추출층 역할을 하게 되므로, 종래의 유기발광소자보다 구조를 단순화시킬 수 있고, 이를 통해, 구조적인 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전면 발광형 유기발광소자를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전면 발광형 유기발광소자를 나타낸 단면도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 전면 발광형 유기발광소자에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기발광소자(100)는 캐소드(123) 측으로 빛을 방출하는 전면 발광(top emission) 구조로 이루어진다. 이때, 유기발광소자(100)는 구동을 위해 박막트랜지스터(미도시)와 연결된다. 이러한 유기발광소자(100)는 제1 유리기판(110), 소자층(120), 제2 유리기판(130), 다공성층(140) 및 접착층(150)을 포함하여 형성된다.
제1 유리기판(110)은 소자층(120)이 증착되는 베이스 기판이다. 또한, 제1 유리기판(110)은 소자층(120)을 외부 환경으로부터 보호하는 기판이다. 이러한 제1 유리기판(110)은 소다 라임 유리(soda lime glass) 또는 알루미노 실리케이트계 유리(alumino-silicate glass) 등으로 이루어질 수 있다.
소자층(120)은 제1 유리기판(110)을 베이스 기판으로 하여 제1 유리기판(110) 상에 형성된다. 이러한 소자층(120)은 애노드(121), 유기 발광층(122) 및 캐소드(123)를 포함한다. 이때, 애노드(121), 유기 발광층(122) 및 캐소드(123)는 제1 유리기판(110) 상에 차례로 적층된다.
여기서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기발광소자(100)는 전면 발광 구조이므로, 제1 유리기판(110) 상에 증착되는 애노드(121)는 유기 발광층(122)으로부터 발광된 빛을 전면 즉, 캐소드(123) 측으로 반사시키는 물질로 형성되어야 한다. 또한, 애노드(121)는 유기 발광층(122)으로의 정공 주입이 잘 일어나도록 일함수(work function)이 큰 물질로 형성되어야 한다. 예를 들어, 애노드(121)는 Au, In, Sn과 같은 금속 물질로 형성될 수 있고, 금속층과 인듐 주석산화물(indium tin oxide; ITO)와 같은 산화물 투명 전극(transparent electrode) 박막의 다층구조로도 형성될 수 있다.
또한, 캐소드(123)는 유기 발광층(122)으로의 전자 주입이 잘 일어나도록 일함수가 작은 물질로 형성되는데, 특히, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기발광소자(100)가 전면 발광 구조이므로, 유기 발광층(122)에서 발광된 빛이 잘 투과될 수 있도록 Al, Al:Li 또는 Mg:Ag의 금속 박막의 반투명 전극(semitransparent electrode)과 ITO와 같은 산화물 투명 전극 박막의 다층구조로 이루어질 수 있다.
그리고 유기 발광층(122)은 애노드(121) 상에 차례로 적층되는 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 전자 주입층을 포함하여 형성된다. 이러한 구조에 따라, 애노드(121)와 캐소드(123) 사이에 순방향 전압이 인가되면, 캐소드(123)로부터 전자가 전자 주입층 및 전자 수송층을 통해 발광층으로 이동하게 되고, 애노드(121)로부터 정공이 정공 주입층 및 정공 수송층을 통해 발광층으로 이동하게 된다. 그리고 발광층 내로 주입된 전자와 정공은 발광층에서 재결합하여 엑시톤(exciton)을 생성하고, 이러한 엑시톤이 여기상태(excited state)에서 기저상태(ground state)로 전이하면서 빛을 방출하게 되는데, 이때, 방출되는 빛의 밝기는 애노드(121)와 캐소드(123) 사이에 흐르는 전류량에 비례하게 된다.
제2 유리기판(130)은 제1 유리기판(110)과 대향되게 소자층(120) 상에 배치되어, 내부의 소자층(120)을 외부 환경으로부터 보호 및 차단시키는 봉지 유리(encapsulation glass)이다. 그리고 본 발명의 일 실시 예에서는 제2 유리기판(130)이 소자층(120)으로부터 발광된 빛이 외부로 방출되는 통로가 된다. 이러한 제2 유리기판(130)은 제1 유리기판(110)과 동일한 조성의 유리로 이루어질 수 있다.
이때, 제2 유리기판(130)은 접착층(150)을 매개로 소자층(120)과 접합될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서, 소자층(120)으로부터 발광된 빛은 제2 유리기판(130)으로 잘 투과되어야 하므로, 접착층(150)은 예컨대, OCA(optical clear adhesive) 필름으로 형성될 수 있다.
다공성층(140)은 제2 유리기판(130)의 일면으로부터 내측 방향으로 형성된다. 이때, 도시한 바와 같이, 다공성층(140)은 소자층(120)과 마주하는 제2 유리기판(130)의 일면으로부터 내측 방향으로 형성된다.
이러한 다공성층(140)은 제2 유리기판(130) 내부에 형성된 복수개의 기공(pore)(141)으로 이루어진다. 이때, 본 발명의 일 실시 예에서는 복수개의 기공(141)이 제2 유리기판(130)의 일면 전체 영역에 분포된다. 이에 따라, 이러한 복수개의 기공(141)으로 이루어지는 다공성층(140)은 기공(141)이 형성되어 있지 않은 제2 유리기판(130)과 접착층(150) 사이에서 층을 이루게 된다.
이러한 다공성층(140)은 소자층(120)에 형성되는 도파모드를 교란시켜 외부로 추출되는 광량을 증가시키는 역할을 하게 된다. 또한, 다공성층(140)은 기공(141)으로 이루어지므로, 제2 유리기판(130)보다 상대적으로 낮은 굴절률을 형성하게 된다. 이에 따라, 다공성층(140)은 제2 유리기판(130)과 외부 공기의 계면에서 전반사가 일어나는 임계각도로 방출되는 빛의 방향을 임계각도보다 작게 바꾸어 외부로 추출되는 광량을 증가시키게 된다. 그리고 이와 같은 다공성층(140)을 구비함으로써, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전면 발광형 유기발광소자(100)의 광추출 효율은 개선되고, 휘도는 향상될 수 있으며, 이에 따라, 소비 전력이 감소되고, 이는 발열 최소화로 이루어져, 결국, 그 수명이 연장될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에서는 봉지 유리인 제2 유리기판(130) 자체에 종래에 별도로 형성되던 광추출층 역할을 하는 다공성층(140)이 형성됨에 따라, 종래의 유기발광소자보다 구조를 단순화시킬 수 있고, 이를 통해, 구조적인 안정성을 확보할 수 있으며, 이러한 유기발광소자(100)를 채용한 디스플레이 장치의 슬림화 및 콤팩트화를 구현할 수 있게 된다.
이러한 다공성층(140)은 제2 유리기판(130)을 용출액에 침지시키는 방법으로 형성될 수 있다. 이때, 용출 공정에 사용되는 용출액으로는 산화규소(SiO2)를 첨가하여 포화시킨 불화규산(H2SiF6)이 사용되며, 붕산(boric acid) 수용액이 첨가될 수 있다. 불화규산(H2SiF6) 용액에 산화규소(SiO2)를 과포화시키면, H2SiF6ㆍSiF4가 생성되며, 이에 의해, 제2 유리기판(130) 구조 중 결합력이 강한 ≡Si-O-Si≡를 제외한 나머지 성분이 용출되어 skeleton 구조의 다공성 실리카(porous silica) 즉, 다공성층(140)이 제2 유리기판(130)의 표면으로부터 내측 방향으로 형성된다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에서는 제2 유리기판(130)과 접착층(150) 사이, 보다 상세하게는 제2 유리기판(130)의 하측(도면기준)에 층을 이루는 다공성층(140)과 접착층(150) 사이에 버퍼층(buffer layer)(160)이 형성될 수 있다. 버퍼층(160)은 다공성층(140)이 형성되어 있는 제2 유리기판(130)에서 확산되어, 소자층(120) 및 소자층(120)을 구동시키기 위해 유기발광소자(100) 하부(미도시)에 형성되는 박막트랜지스터 등의 소자에 영향을 줄 수 있는 알칼리 등과 같은 원소를 차단하는 역할과 접착층(150)을 구성하는 물질이 다공성층(140)에 침투하는 것을 방지하는 역할을 하는 층이다. 이러한 버퍼층(160)은 SiO2, SixNy, Nb2O5, MgO 및 ZrO2 등과 같은 투명 산화막 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전면 발광형 유기발광소자에 대해 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전면 발광형 유기발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전면 발광형 유기발광소자(200)는 제1 유리기판(110), 소자층(120), 제2 유리기판(130), 다공성층(240) 및 접착층(150)을 포함하여 형성된다.
본 발명의 다른 실시 예는 본 발명의 일 실시 예와 비교하여, 다공성층(240)의 형성 구조에만 차이가 있을 뿐 나머지 구성요소들은 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고, 이들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 다공성층(240)은 제2 유리기판(130)에 형성된 복수개의 기공(241)으로 이루어진다. 이때, 다공성층(240)을 이루는 복수개의 기공(241)은 제2 유리기판(130)의 일면 전체 영역에 분포되어 층을 이루는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수개의 기공(141)과 달리, 제2 유리기판(130)의 일면 전체 영역에 부분적으로 분포되어 있다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에서는, 이러한 복수개의 기공(141)으로 이루어진 다공성층(240)이 복수개의 세미 오벌(semi-oval) 형상을 이룬다.
이러한 다공성층(240)은 제2 유리기판(130)의 일면으로부터 내측으로 형성될 수 있고, 세미 모벌 형상의 다공성층(240) 경계면에서, 캐소드(123)와 유기 발광층(122)에 의해 형성된 도파모드를 교란시키고, 제2 유리기판(130)과 공기의 계면에서 전반사가 일어나는 임계각도로 방출되는 빛의 방향을 임계각도보다 작게 바꾸어 외부로 추출되는 광량을 더욱 증가시킬 수 있다.
이때, 다공성층(240)을 이루는 복수개의 세미 오벌 패턴의 피치는 소자층(120)에서 방출된 빛의 파장보다 큰 대략 1㎛ 수준 이상이거나 방출된 빛의 파장보다 작은 대략 200㎚이하 이어야 하고, 방출된 빛의 파장 수준의 패턴이 형성되는 경우는 상기 범위 내에서 패턴 피치가 랜덤한 것이 바람직하다.
그 이유는 소자층(120)에서 방출된 빛의 파장과 유사한 주기적인 패턴이 형성되는 경우, Bragg grating 및 photonic crystal 현상에 의해 방출된 빛의 스펙트럼이 변화하며 시야각이 변화함에 따라 색변화가 발생하기 때문이다.
이와 아울러, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다공성층(240)은 소자층(120)으로부터 입사되는 광을 굴절, 산란시킬 수 있다. 즉, 세미 오벌 형상의 다공성층 (240)은 소자층(120) 상에 형성되어 있는 접착층(150)과 제2 유리기판(130)의 경계면에 법선 방향으로 발광되는 빛의 방향을 법선 방향에서 벗어나는 방향으로 변경시킴과 아울러, 경계면의 법선 방향에서 벗어나는 방향으로 나오는 빛의 일부를 법선 방향으로 변경시킨다. 즉, 세미 오벌 형상의 다공성층(140)은 시야각에 따라 발광되는 빛의 방향을 변화시킴으로써, 색 혼합(color mixing)을 유도하여 발광효율을 증가시키기 위해 미세 공동(micro-cavity) 구조를 적용한 유기발광소자(100)에서 발생되는 시야각 변화에 따른 색변화, 즉, 컬러 시프트(color shift)를 개선할 수 있다.
이러한 다공성층(240)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공성층(140)과 마찬가지로, 용출을 통해 형성된다. 이때, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다공성층(240)은 본 발명의 일 실시 예와 달리, 복수개의 세미 오벌 형상으로 이루어지는데, 이러한 형상의 패턴은 포토리소그래피(photolithography), 인터피어런스 리소그래피(interference lithography), E-빔 리소그래피(E-beam lithography), 디웨팅 마스크(dewetting mask) 등의 방법을 통해 형성될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 전면 발광형 유기발광소자 110: 제1 유리기판
120: 소자층 121: 애노드
122: 유기 발광층 123: 캐소드
130: 제2 유리기판 140, 240: 다공성층
141, 241: 기공 150: 접착층
160: 버퍼층

Claims (8)

  1. 제1 유리기판;
    상기 제1 유리기판 상에 차례로 적층되는 애노드, 유기 발광층 및 캐소드를 포함하는 소자층;
    상기 제1 유리기판과 대향되게 상기 소자층 상에 배치되고, 상기 소자층으로부터 발광된 빛이 외부로 방출되는 통로가 되는 제2 유리기판;
    상기 제2 유리기판의 일면 중 적어도 한 부분에 상기 제2 유리기판의 내측 방향으로 형성되고, 상기 제2 유리기판보다 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 다공성층; 및
    상기 소자층과 상기 제2 유리기판 사이에 배치되어 상기 소자층과 상기 제2 유리기판을 접착시키는 접착층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성층이 형성되는 상기 제2 유리기판의 일면은 상기 소자층과 마주하는 면인 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성층은 상기 제2 유리기판을 이루는 성분들 중 SiO2를 제외한 나머지 성분이 용출되어 상기 제2 유리기판에 형성된 복수개의 기공인 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수개의 기공은 상기 제2 유리기판의 일면 전체 영역에 분포되어 층을 이루는 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기발광소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수개의 기공은 상기 제2 유리기판의 일면 전체 영역에 부분적으로 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기발광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    부분적으로 분포되어 있는 상기 복수개의 기공은 복수개의 세미 오벌(semi-oval) 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유리기판과 상기 접착층 사이에 배치되는 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층은 SiO2, SixNy, Nb2O5, MgO 및 ZrO2 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전면 발광형 유기발광소자.
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