KR20140115507A - 광추출층, 그를 구비한 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

광추출층, 그를 구비한 발광 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

광추출층과 그를 구비한 발광 소자 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 광추출층은 투명 기판 상에서, 비교적 굴절률이 낮은 저굴절률 입자가 분산된 금속 산화물 매트릭스를 포함한다.

Description

광추출층, 그를 구비한 발광 소자 및 그 제조방법{Light extraction layer, light emitting device having the same and method of fabricating the same}
개시된 실시예는 금속산화물 전구체에 저굴절입자를 분산시키고 유기용매를 섞은 뒤 투명기판 상에 도포하여 형성한 광추출층과 그를 이용한 유기 발광 소자(Organic Light Emitting Device; OLED) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
유기 발광 소자(OLED)는, 예를 들어 화합물 반도체 재료로 이루어지는 점광원 소자인 LED(Light Emitting Diode)와는 다르게, 면발광이 가능할 뿐만 아니라, 낮은 소비전력, 높은 야외 시인성, 가요성(flexible) 등과 같은 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 이유로 OLED는 디스플레이 장치뿐만 아니라 조명 분야에서도 많은 관심을 받고 있다. 그런데, OLED는 통상적으로 발광된 빛의 약 20% 정도만 외부로 방출될 정도로 광추출 효율이 낮은 편이다. 이러한 낮은 광추출 효율은 주로 유기 발광층과 외부의 공기 사이의 굴절률 차이에 기인한다. 즉, 유기 발광층에서 발생하는 빛 중에서 특정한 각도 영역의 빛만 외부로 방출되고, 나머지 각도 영역의 빛은 공기와의 계면에서 발생하는 전반사로 인해 OLED 내부에서 흡수되어 사라지게 된다.
OLED의 광추출 효율을 향상시키기 위해 다양한 구조의 광추출층이 사용되고 있다. 예를 들어, 기판의 외부 표면 상에 마이크로렌즈 어레이 형태의 광추출층을 부착할 수 있다. 그러나, 기판의 외부 표면에 형성된 외부 광추출층은 OLED 내부의 층들 사이에서 발생하는 광손실을 방지할 수 없어서 효율 향상에 한계가 있다.
이에 따라, OLED 내부에 광추출층을 구현하기 위한 다양한 구조들이 제안되고 있다. 예를 들어, 이러한 내부 광추출층은 기판과 투명 전극 사이에 배치되는 것이 일반적이다. 내부 광추출층은 빛의 경로를 외부로 바꾸기 위해 통상적으로 요철이나 산란체를 포함하고 있는데, 이로 인해 투명 전극의 표면 평탄도가 저하될 수 있다. 투명 전극의 표면 평탄도가 저하되면, 정공 및 전자와 같은 전하들이 특정 영역에 집중되어 OLED의 전기적 특성이 악화될 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 편평한 광추출층을 필요로 한다.
금속 산화물 전구체에 고르게 저굴절률 입자를 분산시킨 코팅 용액을 사용하여 형성한 광추출층을 제공한다.
상기 광추출층을 이용한 유기 발광소자를 제공한다.
상기 광추출층을 제조하는 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 광추출층은 투명 기판 상에서, 비교적 굴절률이 낮은 저굴절률 입자가 분산된 금속 산화물 매트릭스를 한다.
상기 금속 산화물층은 TiO2, Al2O3, ZnO, SnO2 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 저굴절률 입자는 SiO2, 폴리스티렌, 폴리에틸렌글리콜, 유리 중 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 저굴절률 입자는 50nm~600nm 크기를 가질 수 있다.
상기 저굴절률 입자는 상기 광추출층에서 10~74% 부피를 차지할 수 있다.
상기 광추출층은 대략 0.1 ~ 5 ㎛ 두께를 가질 수 있다.
다른 실시예에 따른 발광소자는:
투명 기판;
상기 투명 기판 상에서, 비교적 굴절률이 낮은 저굴절률 입자가 분산된 금속 산화물 매트릭스를 포함하는 광추출층;
상기 광추출층 상의 투명 전극;
상기 투명 전극 상에 배치된 발광층; 및
상기 발광층 상에 배치된 반사 전극;을 포함한다.
또 다른 실시예에 따른 광추출층의 제조 방법은:
투명 기판 상에서 금속 산화물 매트릭스에 비교적 굴절률이 낮은 저굴절률 입자를 분산하는 단계를 포함한다.
상기 분산 단계는:
금속 산화물을 형성하는 전구체에 상기 저굴절률 입자를 유기용매를 사용하여 분산하여 코팅액을 만드는 단계;
상기 코팅액을 상기 투명 기판 상에 도포하는 단계; 및
상기 코팅액을 열처리하는 단계;를 포함한다.
상기 코팅액을 형성하는 단계는 상기 코팅액에 염기성 용액을 더 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 열처리는 대략 400 ~ 600℃에서 열처리하는 단계일 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 투명 기판 위에, 금속 산화물 전구체에 고르게 저굴절률 입자를 분산시킨 코팅 용액을 도포한 후, 열처리를 하여 광추출층을 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 광추출층 내에 고르게 분포된 저굴절률 입자와 에어 라인에 의해 광산란 효과가 증가하여, 발광소자의 광추출 효율이 향상된다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 광추출층의 구조를 개략적으로 보여주는 모식도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하는 흐름도다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광추출층이 포함된 OLED의 광추출효율과 광추출층이 없는 OLED의 광추출 효율을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 투명 기판(110)의 상부 표면에 투명한 광추출층(120)이 배치되어 있다. 광추출층(120) 상에는 투명 전극(130), 발광층(140), 및 반사 전극(150)이 순차적으로 적층되어 있다.
투명기판(110)은 투명한 유리나 투명한 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 투명기판(110)으로 알루미노 실리케이트 유리를 사용하였다.
투명 전극(130)은 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명 전도성 산화물로 이루어질 수 있다. 또한, 투명 전도성 산화물 이외에도, 그래핀(graphene)을 사용하거나, 또는 금속을 빛이 투과할 수 있는 매우 얇은 두께로 형성하여 투명 전극(130)으로서 사용할 수도 있다.
반사 전극(150)은 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등과 같이 반사성이 우수한 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
발광층(140)은 예를 들어 유기 발광 재료로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되는 것은 아니며, 유기 발광 재료 이외에도 발광층(140)의 재료로서 예를 들어 양자점과 같은 무기 발광 재료나 다른 발광 재료를 사용할 수 있다. 도면에는 상세히 도시되지 않았지만, 투명 전극(130)이 양극이고 반사 전극(150)이 음극인 경우에, 투명 전극(130)과 발광층(140) 사이에는 정공 주입층과 정공 수송층이 더 개재될 수 있으며, 반사 전극(150)과 발광층(140) 사이에는 전자 주입층과 전자 수송층이 더 개재될 수도 있다. 또한, 투명 전극(130)이 음극이고 반사 전극(150)이 양극인 경우에는, 투명 전극(130)과 발광층(140) 사이에 전자 주입층과 전자 수송층이 더 개재될 수 있으며, 반사 전극(150)과 발광층(140) 사이에 정공 주입층과 정공 수송층이 더 개재될 수도 있다.
광추출층(120)은 금속 산화물로 이루어진 비교적 고 굴절률 매트릭스(121) 내에 비교적 굴절률이 낮은 저굴절률 입자(122)가 고르게 분산되어 있다. 고 굴절률 매트릭스(121)는 비교적 굴절률이 높은 물질, 예컨대 굴절률이 1.9 이상인 금속 산화물로 TiO2, Al2O3, ZnO, SnO2 등으로 형성될 수 있다.
저굴절률 입자(122)는 굴절률이 1.9 이하인 물질, 예컨대, SiO2, 폴리스티렌, 폴리에틸렌글리콜, 유리 등으로 이루어질 수 있다. 저굴절률 입자(122)는 대략 50~600nm 크기를 가질 수 있다.
광추출층(120)에서 저굴절률 입자(122)는 부피비로 대략 10~74%를 차지하도록 형성될 수 있다. 광추출층(120)의 두께는 대략 0.1 ~ 5㎛ 일 수 있다. 광추출층(120)의 두께가 가시광선의 파장, 예컨대 400nm 파장의 1/4 보다 작으면 가시광선이 광추출층(120)을 인지하지 않고 통과하게 된다. 광추출층(120)의 두께가 5㎛ 보다 크면 투과율이 저하된다.
도 2는 일 실시예에 따른 광추출층의 구조를 개략적으로 보여주는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 광추출층은 매트릭스 내에 복수의 저굴절률 입자를 포함한다. 매트릭스 내에는 흰색으로 보이는 에어 라인(또는 에어 웨이)이 형성되어서 광산란 효과를 가져온다.
광추출층(120)은 발광층(140)에서 발생하여 투명 전극(130)을 통과한 빛이 투명 기판(110)에서 전반사되는 것을 최소화하기 위해 빛의 진행 경로를 바꾸어주는 역할을 한다. 이를 위해, 광추출층(120)에는 저굴절률 입자(122)가 분산되어 있다. 저굴절률 입자(122)의 굴절률은 금속 산화물로 이루어진 매트릭스(121)의 굴절률 보다 작다. 따라서, 투명 전극(130)에 의해 전반사되는 각도 범위로 광추출층(120) 내부를 진행하는 빛은 저굴절률 입자(122) 또는 도 2에서 도시된 에어 라인(또는 에어 웨이)에 의해 진행 각도가 바뀔 수 있다. 예를 들어, 투명 기판(110)의 상부 표면의 법선을 기준으로 높은 각도로 진행하던 빛의 진행 각도가 저굴절률 입자(122)에 의해 투명 기판(110)의 상부 표면의 법선에 가까운 각도로 변경될 수 있다. 이러한 효과는 광추출층(120)과 저굴절률 입자(122) 사이의 굴절률 차이가 클수록 향상될 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하는 흐름도다. 이하에서는 다른 실시예에 따른 광추출층을 포함하는 발광소자의 제조방법을 도 1 및 도 3을 가지고 설명한다.
먼저, 투명 기판(110) 상에 금속 산화물을 형성하는 전구체에 저굴절률 입자(122)를 분산한 코팅액을 도포한다(제 301단계). 금속 산화물은 TiO2, Al2O3, ZnO, SnO2 등으로 형성될 수 있다. 저굴절률 입자(122)는 SiO2, 폴리스티렌, 폴리에틸렌글리콜, 유리 등으로 형성될 수 있다. 저굴절률 입자(122)는 50nm~600nm 크기를 가질 수 있다.
코팅액은 금속 산화물을 형성하는 전구체에 저굴절률 입자(122)를 유기 용매를 사용하여 혼합하여 형성한다. 유기용매로는 DI(deionized) 워터, 부틸 알콜, 에틸 알콜, 메틸 알콜, IPA, 아세톤 등을 사용할 수 있다.
한편, 염기성을 띠도록 수산기를 포함하는 용액, 예컨대, 암모니아수, 수산화나트륨 용액을 더 첨가할 수 있다. 이러한 염기성 용액은 저굴절률 입자들(122)의 고른 분산을 유도하므로, 코팅액이 투명 기판 상에 잘 퍼지도록 한다. 염기성 용액은 대략 코팅액이 pH 8-9 가 되도록 첨가할 수 있다.
코팅액에 첨가된 물질에 따라서 스핀코팅, 바코팅, 또는 슬릿 코팅 방법을 사용하여 코팅막을 형성한다.
이어서, 결과물을 대략 100℃에서 10분 건조시킨 후, 대략 400~600℃에서 수십 분 열처리하면 저굴절률 입자(122)가 분산된 광추출층(120)을 얻을 수 있다(제 302 단계). 저굴절률 입자(122)는 광추출층(120)에서 10~74% 부피를 차지하는 양으로 형성될 수 있다. 열처리 과정은 비정질 상태의 금속산화물을 결정질로 만든다.
이어서, 통상의 방법으로 광추출층(120) 상에 투명전극(130), 발광층(140) 및 반사 전극(150)을 순차적으로 형성한다(제303~305 단계).
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광추출층이 포함된 OLED의 광추출효율과 광추출층이 없는 OLED의 광추출 효율을 비교한 그래프이다. 광추출효율 측정을 위해서 유리기판 위에 광추출층을 형성한 후, 그 위에 형광체를 도포하였다. 형광체 위로 UV 램프를 조사한 후 유리기판을 통과한 광을 PL 스펙트럼 장비로 측정하였다.
SnO2를 매트릭스로 사용한 경우 대략 50% 광추출 효율이 상승하였으며, TiO2를 매트릭스로 사용한 경우, 대략 87% 광추출 효율이 증가하였다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 발광 소자 110: 투명 기판
120: 광추출층 121: 매트릭스
122: 저굴절률 입자 130: 투명 전극
140: 발광층 150: 반사 전극

Claims (16)

  1. 투명 기판 상에서, 비교적 굴절률이 낮은 저굴절률 입자가 분산된 금속 산화물 매트릭스를 포함하는 광추출층.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물층은 TiO2, Al2O3, ZnO, SnO2 중 적어도 하나로 이루어진 광추출층.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저굴절률 입자는 SiO2, 폴리스티렌, 폴리에틸렌글리콜, 유리 중 선택된 적어도 하나로 이루어진 광추출층.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저굴절률 입자는 50nm~600nm 크기를 가진 광추출층.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저굴절률 입자는 상기 광추출층에서 10~74% 부피를 차지하는 광추출층.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광추출층은 대략 0.1 ~ 5 ㎛ 두께를 가진 광추출층.
  7. 제 1 항의 광추출층;
    상기 광추출층 상의 투명 전극;
    상기 투명 전극 상에 배치된 발광층; 및
    상기 발광층 상에 배치된 반사 전극;을 포함하는 발광 소자.
  8. 투명 기판 상에서 금속 산화물 매트릭스에 비교적 굴절률이 낮은 저굴절률 입자를 분산하는 단계를 포함하는 광추출층의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 분산 단계는:
    금속 산화물을 형성하는 전구체에 상기 저굴절률 입자를 유기용매를 사용하여 분산하여 코팅액을 만드는 단계;
    상기 코팅액을 상기 투명 기판 상에 도포하는 단계; 및
    상기 코팅액을 열처리하는 단계;를 포함하는 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 TiO2, Al2O3, ZnO, SnO2 중 선택된 적어도 하나로 이루어진 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 저굴절률 입자는 SiO2, 폴리스티렌, 폴리에틸렌글리콜, 유리 중 선택된 적어도 하나로 이루어진 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 저굴절률 입자는 50nm~600nm 크기를 가진 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 저굴절률 입자는 상기 광추출층에서 10~74% 부피를 차지하는 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 코팅액을 형성하는 단계는 상기 코팅액에 염기성 용액을 더 첨가하는 단계를 포함하는 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 광추출층은 대략 0.1 ~ 5 ㎛ 두께로 형성되는 제조 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 열처리는 대략 400 ~ 600℃에서 수행되는 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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