KR20160077947A - 유기발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기발광소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 내부 광추출층으로부터 전사되어 형성되는 주름구조의 최적화를 통해, 광추출 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있고, 이를 통해, 우수한 발광 효율 구현이 가능한 유기발광소자에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 형성되는 내부 광추출층; 상기 내부 광추출층 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 유기 발광층; 및 상기 유기 발광층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고, 상기 내부 광추출층의 표면에는 주름이 형성되며, 상기 주름은 상기 제1 전극, 상기 유기 발광층 및 상기 제2 전극에 차례로 전사되어, 상기 제2 전극의 표면은 주름 구조를 이루되, 상기 주름 구조는 다수의 볼록부 및 서로 이웃하는 상기 볼록부 사이에 형성되는 다수의 오목부로 이루어지며, 서로 이웃하는 상기 볼록부 간의 피치(pitch)와 상기 오목부의 깊이(depth)에 대한 종횡비(depth/pitch)는 0.1~7인 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다.

Description

유기발광소자{ORGANIC LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 유기발광소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 내부 광추출층으로부터 전사되어 형성되는 주름구조의 최적화를 통해, 광추출 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있고, 이를 통해, 우수한 발광 효율 구현이 가능한 유기발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 발광장치는 크게 유기물을 이용하여 발광층을 형성하는 유기 발광장치와 무기물을 이용하여 발광층을 형성하는 무기 발광장치로 구분할 수 있다. 이중, 유기 발광장치를 이루는 유기발광소자는 전자주입전극(cathode)으로부터 주입된 전자와 정공주입전극(anode)으로부터 주입된 정공이 유기 발광층에서 결합하여 엑시톤(exciton)을 형성하고, 이 엑시톤이 에너지를 방출하면서 발광하는 자체 발광형 소자로서, 저전력 구동, 자체발광, 넓은 시야각, 높은 해상도와 천연색 실현, 빠른 응답 속도 등의 장점을 가지고 있다.
최근에는 이러한 유기발광소자를 휴대용 정보기기, 카메라, 시계, 사무용기기, 자동차 등의 정보 표시 창, 텔레비전, 디스플레이 또는 조명용 등에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상술한 바와 같은 유기발광소자의 발광 효율을 향상시키기 위해서는 발광층을 구성하는 재료의 발광 효율을 높이거나 발광층에서 발광된 광의 광추출 효율을 향상시키는 방법이 있다.
이때, 광추출 효율은 유기발광소자를 구성하는 각 층들의 굴절률에 의해 좌우된다. 일반적인 유기발광소자의 경우, 발광층으로부터 방출되는 광이 임계각 이상으로 출사될 때, 애노드인 투명전극층과 같이 굴절률이 높은 층과 기판유리와 같이 굴절률이 낮은 층 사이의 계면에서 전반사를 일으키게 되어, 광추출 효율이 낮아지게 되고, 이로 인해, 유기발광소자의 전체적인 발광 효율이 감소되는 문제점이 있었다.
이를 구체적으로 설명하면, 유기발광소자는 발광량의 20%만 외부로 방출되고, 80% 정도의 빛은 기판유리와 애노드 및 정공 주입층, 전공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층 등을 포함하는 유기 발광층의 굴절률 차이에 의한 도파관(wave guiding) 효과와 기판유리와 공기의 굴절률 차이에 의한 전반사 효과로 손실된다. 즉, 내부 유기 발광층의 굴절률은 1.7~1.8이고, 애노드로 일반적으로 사용되는 ITO의 굴절률은 약 1.9이다. 이때, 두 층의 두께는 대략 200~400㎚로 매우 얇고, 기판유리의 굴절률은 1.5이므로, 유기발광소자 내에는 평면 도파로가 자연스럽게 형성된다. 계산에 의하면, 상기 원인에 의한 내부 도파모드로 손실되는 빛의 비율이 약 45%에 이른다. 그리고 기판유리의 굴절률은 약 1.5이고, 외부 공기의 굴절률은 1.0이므로, 기판유리에서 외부로 빛이 빠져 나갈 때, 임계각 이상으로 입사되는 빛은 전반사를 일으켜 기판유리 내부에 고립되는데, 이렇게 고립된 빛의 비율은 약 35%에 이르기 때문에, 불과 발광량의 20% 정도만 외부로 방출된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 광도파모드에 의해 소실되는 80%의 빛을 외부로 끌어내는 광추출층에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여기서, 광추출층은 크게 내부 광추출층과 외부 광추출층으로 나뉜다. 이때, 외부 광추출층의 경우에는 다양한 형태의 마이크로 렌즈를 포함하는 필름을 기판 외부에 설치함으로써, 광추출 효과를 얻을 수 있는데, 마이크로 렌즈의 형태에 크게 구애 받지 않은 특성이 있다. 또한, 내부 광추출층은 광도파모드로 소실되는 빛을 직접적으로 추출함으로써, 외부 광추출층에 비해 효율증대 가능성이 훨씬 높은 장점이 있다.
하지만, 내부 광추출층을 통해 광추출 효율이 증대되더라도 외부로 방출되는 발광량을 기준으로 보면, 그 효과가 여전히 미진하므로, 광추출 효율을 보다 향상시킬 수 있는 방법 혹은 기술에 대한 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제1093259호(2011.12.06.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 내부 광추출층으로부터 전사되어 형성되는 주름구조의 최적화를 통해, 광추출 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있고, 이를 통해, 우수한 발광 효율 구현이 가능한 유기발광소자를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 형성되는 내부 광추출층; 상기 내부 광추출층 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 유기 발광층; 및 상기 유기 발광층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고, 상기 내부 광추출층의 표면에는 주름이 형성되며, 상기 주름은 상기 제1 전극, 상기 유기 발광층 및 상기 제2 전극에 차례로 전사되어, 상기 제2 전극의 표면은 주름 구조를 이루되, 상기 주름 구조는 다수의 볼록부 및 서로 이웃하는 상기 볼록부 사이에 형성되는 다수의 오목부로 이루어지며, 서로 이웃하는 상기 볼록부 간의 피치(pitch)와 상기 오목부의 깊이(depth)에 대한 종횡비(depth/pitch)는 0.1~7인 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다.
여기서, 상기 내부 광추출층은, 상기 제1 기판 상에 형성되고, 제1 금속산화물로 이루어진 매트릭스 층, 상기 매트릭스 층 내부에 분산되어 있고, 상기 제1 금속산화물과 굴절률이 다른 제2 금속산화물로 이루어진 다수의 산란입자, 및 상기 매트릭스 층의 표면에 충진되는 충진층을 포함하되, 상기 충진층의 표면에는 상기 산란입자 및 상기 산란입자들의 응집체의 형상이 전사된 형태의 상기 주름이 형성되어 있을 수 있다.
이때, 상기 매트릭스 층에는 균열이 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 균열은 상기 다수의 산란입자 사이 및 상기 응집체들 사이를 따라 형성될 수 있다.
그리고 상기 충진층의 표면조도는 상기 매트릭스 층의 표면조도보다 상대적으로 낮을 수 있다.
아울러, 상기 매트릭스 층은 SiO2, TiO2, ZrO2, ZnO2 및 SnO2를 포함하는 금속산화물 후보군 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 산란입자는 SiO2, TiO2, ZnO2 및 SnO2를 포함하는 금속산화물 후보군 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합으로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 다수의 산란입자 중 일부 또는 전부는, 중공으로 이루어져 있는 코어, 및 상기 코어를 감싸는 쉘 구조로 이루어질 수 있다.
게다가, 상기 내부 광추출층은, 상기 매트릭스 층의 내부에 형성되어 있는 부정형의 다수의 기공을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 기공의 크기는 50~900㎚일 수 있다.
이때, 상기 매트릭스 층에서 상기 다수의 기공이 차지하는 면적은 상기 매트릭스 층의 면적 대비 2.5~10.8%일 수 있다.
아울러, 상기 유기발광소자는 상기 제1 기판과의 인캡슐레이션을 위해 상기 제2 전극 상부에 상기 제1 기판과 대향되게 배치되는 제2 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 내부 광추출층(Internal Light Extraction Layer; ILEL)으로부터 전사되어 형성되는 표면 주름 구조(corrugation structure) 및 이 주름 구조를 이루는 다수의 볼록부 간의 피치(pitch) 및 볼록부와 볼록부 사이를 이루는 오목부의 깊이(depth)의 비율인 종횡비(aspect ratio; depth/pitch)를 소정 범위로 제어하는 주름구조의 최적화를 통해, 유기발광소자의 발광 효율에 가장 큰 손실을 초래하는 도파관 모드(waveguide mode) 및 표면 플라즈몬 모드(surface plasmon mode)의 감소를 극대화시킬 수 있고, 이를 통해, 광추출 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있어, 결국, 우수한 발광 효율을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자를 개략적으로 나타낸 단면 모식도.
도 2는 다양한 종횡비를 나타내는 유기발광소자의 표면 주름 구조를 촬영한 주사전자현미경 사진들.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자의 발광 효율을 시뮬레이션 하기 위한 참고도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자의 발광 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 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 실시 예에 따른 유기발광소자(100)는 배면 발광(bottom emission) 구조를 이룬다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자(100)는 조명의 광원으로 적용될 수 있다. 이러한 유기발광소자(100)는 제1 기판(110), 내부 광추출층(120), 제1 전극(130), 유기 발광층(140) 및 제2 전극(150)을 포함하여 형성된다.
제1 기판(110)은 유기 발광층(140)의 전방, 즉, 유기 발광층(140)으로부터 발광된 빛이 외기와 접하는 부분에 배치되어, 발광된 빛을 외부로 투과시킴과 아울러, 내부 광추출층(120), 제1 전극(130), 유기 발광층(140) 및 제2 전극(150)을 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 이를 위해, 즉, 내부 광추출층(120), 제1 전극(130), 유기 발광층(140) 및 제2 전극(150)을 인캡슐레이션(incapsulation)시키기 위해, 제1 기판(110)은 테두리를 따라 형성되는 예컨대, 에폭시와 같은 씰링재를 매개로, 제2 전극(150) 상부에 이와 대향되게 배치되는 후면 기판인 제2 기판(미도시)과 접합된다. 이때, 서로 대향되는 제1 기판(110)과 제2 기판(미도시) 그리고 이들 테두리에 형성되는 씰링재에 의해 구획되는 내부 공간 중 내부 광추출층(120), 제1 전극(130), 유기 발광층(140) 및 제2 전극(150)이 차지하고 있는 공간 이외의 내부 공간은 불활성 기체로 채워지거나 진공 분위기로 조성될 수 있다.
이러한 제1 기판(110)은 투명 기판으로, 광 투과율이 우수하고 기계적인 물성이 우수한 것이면 어느 것이든 제한되지 않는다. 예를 들어, 제1 기판(110)으로는 열경화 또는 UV 경화가 가능한 유기필름인 고분자 계열의 물질이 사용될 수 있다. 또한, 제1 기판(110)으로는 화학강화유리인 소다라임 유리(SiO2-CaO-Na2O) 또는 알루미노실리케이트계 유리(SiO2-Al2O3-Na2O)가 사용될 수 있다. 여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자(100)가 조명용인 경우, 제1 기판(110)으로는 소다라임 유리가 사용될 수 있다. 이외에도 제1 기판(110)으로는 금속산화물이나 금속질화물로 이루어진 기판이 사용될 수도 있다. 그리고 본 발명의 실시 예에서는 제1 기판(110)으로 두께 1.5㎜ 이하의 박판 유리가 사용될 수 있는데, 이러한 박판 유리는 퓨전(fusion) 공법 또는 플로팅(floating) 공법을 통해 제조될 수 있다.
한편, 제1 기판(110)과 인캡슐레이션을 이루는 후면 기판인 제2 기판(미도시)은 제1 기판(110)과 동일 또는 다른 물질로 이루어질 수 있다.
내부 광추출층(120)은 유기 발광층(140)으로부터 발광된 빛이 외부로 방출되는 전방에 배치되어, 유기발광소자(100)의 광추출 효율을 향상시키는 역할을 하는 광 기능성 층이다. 본 발명의 실시 예에서, 내부 광추출층(120)은 제1 기판(110) 상에 형성된다. 도면기준으로, 내부 광추출층(120)의 아래에는 제1 기판(110)이 배치되고, 내부 광추출층(120)의 위에는 제1 전극(130)이 배치된다.
본 발명의 실시 예에서, 이러한 내부 광추출층(120)은 매트릭스 층(121), 다수의 산란입자(123) 및 충진층(126)을 포함하여 형성될 수 있다. 이때, 매트릭스 층(121) 및 다수의 산란입자(123는 광추출 효율 향상을 위해, 서로 굴절률이 다른 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 이들의 굴절률 차이가 클수록 광추출 효율 향상에 더욱 기여하게 된다. 한편, 매트릭스 층(121)은 충진층(126)보다 굴절률이 큰 물질로 이루어지거나, 충진층(126)보다 굴절률이 작은 물질로 이루어질 수 있고, 충진층(126)과 동일한 굴절률을 갖는 물질로도 이루어질 수 있다.
매트릭스 층(121)은 산란입자(123)보다 굴절률이 큰 고굴절(high refractive index; HRI) 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 매트릭스 층(121)은 SiO2, TiO2, ZrO2, ZnO2 및 SnO2를 포함하는 금속산화물 후보군 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합한 금속산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 매트릭스 층(121)에는 균열(crack)(122)이 형성될 수 있다. 균열(122)은 내부에 다수의 산란입자(123)가 분산되어 있는 매트릭스 층(121) 형성을 위한 소성 과정에서 발생되는 것으로, 다수의 산란입자(123) 및 이들 산란입자(123)로 이루어진 응집체들 사이를 따라 형성될 수 있다. 이때, 균열(122)은 매트릭스 층(121)의 표면으로부터 제1 기판(110) 방향으로 형성될 수 있고, 균열(122)의 일부 또는 전부는 매트릭스 층(121)의 표면으로 제1 기판(110)을 노출시킬 정도로 형성될 수도 있다. 이러한 균열(122)은 산란입자(123)와 마찬가지로, 유기 발광층(140)으로부터 방출되는 빛의 경로를 더욱 복잡화 혹은 다변화시켜, 전방으로의 빛의 추출 효율을 향상시키는 역할을 하게 된다. 이와 같이, 균열(122)이 산란입자(123)과 동일한 산란특성을 가지므로, 균열(122)이 많이 발생되면, 그 만큼, 산란입자(123)의 개수를 줄일 수 있게 된다.
한편, 매트릭스 층(121)의 내부에는 부정형의 다수의 기공(미도시)이 예컨대, 50~900㎚ 크기로 형성될 수 있다. 이 기공(미도시) 또한 매트릭스 층(121) 형성을 위한 소성 과정에서 발생되는 것으로, 그 역할은 균열(122) 및 산란입자(123)와 마찬가지로, 유기 발광층(140)으로부터 방출된 빛을 다양한 경로로 산란시키는 역할을 하게 된다. 이때, 매트릭스 층(121) 내부에 형성되는 다수의 기공(미도시)이 차지하는 면적은 매트릭스 층(121)의 면적 대비 2.5~10.8%일 수 있는데, 다수의 기공(미도시)이 차지하는 면적이 넓을수록 광추출 효율은 더욱 증가될 수 있다.
매트릭스 층(121) 내부에 분산되어 있는 다수의 산란입자(123)는 매트릭스 층(121)보다 굴절률이 작은 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 산란입자(123)는 SiO2, TiO2, ZnO2 및 SnO2를 포함하는 금속산화물 후보군 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합한 금속산화물로 이루어질 수 있다. 이러한 산란입자(123)는 매트릭스 층(121)과 굴절률 차이를 이룸과 아울러, 유기 발광층(140)으로부터 발광된 빛의 경로를 복잡화 혹은 다변화시켜, 전방으로의 광의 추출 효율을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명의 실시 예에서, 산란입자(123)는 나노 스케일의 스피어(sphere) 형태로 이루어진다. 하지만, 산란입자(123)는 로드(rod) 형태로도 형성될 수 있고, 다수의 산란입자(123)는 동일 또는 다양한 모양이나 크기로 형성될 수도 있다. 즉, 다수의 산란입자(123)는 랜덤한 크기와 간격, 형태나 모양을 이루게 되는데, 이와 같이, 다수의 산란입자(123)가 랜덤하게 형성되면, 특정 파장대가 아닌 넓은 파장대에서 고르게 광추출을 유도할 수 있어, 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자(100)가 조명용인 경우, 보다 유용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 이러한 산란입자(123)는 중공으로 이루어져 있는 코어(124) 및 이를 감싸는 쉘(125)로 이루어질 수 있다. 이때, 매트릭스 층(121) 내부에 분산되어 있는 다수의 산란입자(123)에는 코어-쉘 구조의 산란입자가 일부 포함되거나 다수의 산란입자(123) 전부가 코어-쉘 구조의 산란입자로 이루어질 수도 있다. 이와 같은 코어-쉘 구조의 산란입자(123)는 코어(123)와 쉘(124) 간의 굴절률의 급격한 변화와 복잡한 광 산란 경로를 만들게 되어, 유기발광소자(100)의 광추출 효율을 더욱 향상시키게 된다.
여기서, 매트릭스 층(121)은 내부에 분산되어 있는 다수의 산란입자(123)와 발생된 균열(122) 및 기공(미도시)들로 인해, 매우 높은 표면조도를 나타내게 되는데, 이 상태로 제1 전극(130)과 접하게 되면, 제1 전극(130)에 매트릭스 층(121)의 거친 표면 형상이 그대로 전사되는데, 이렇게 되면, 제1 전극(130)의 뾰족하게 돌출된 부분에 전류가 집중되어, 결국, 유기발광소자(100)의 전기적 특성이 악화된다. 이를 방지하기 위해, 본 발명의 실시 예에서는 매트릭스 층(121)의 표면에 이의 표면조도를 완화시키는 충진층(126)이 충진된다. 이러한 충진층(126)은 매트릭스 층(121)과 동일 또는 다른 굴절률을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 충진층(126)은 고굴절 무기물 또는 고굴절 하이브리머(hybrimer)로 이루어질 수 있다.
이러한 충진층(126)은 매트릭스 층(121)에 형성되어 있는 균열(122)을 메워, 다수의 균열(122)이 형성되어 있는 매트릭스 층(121)의 급격한 표면조도의 변화로 인한 유기발광소자(100)의 불량을 효과적으로 방지하게 된다. 이때, 충진층(126)의 표면에는 다수의 산란입자(123) 및 균열(122)의 형상이 전사되어 주름이 형성되는데, 매트릭스 층(121)의 표면에 형성된 주름 구조보다 완만한 주름, 예컨대, 라운드 형상의 주름이 형성된다. 즉, 충진층(126)은 매트릭스 층(121)의 표면조도를 완화시키는 역할을 하는 층으로, 이에 따라, 충진층(126)은 매트릭스 층(121)보다 상대적으로 낮은 표면조도를 갖게 된다. 이러한 충진층(126)의 표면 주름은 굴절률의 급격한 변화를 유도하고, 유기 발광층(140)로부터 방출된 빛이 우수한 산란특성을 갖게 한다.
한편, 충진층(126)의 표면 주름은 제2 전극(150)의 표면에 까지 전사된다. 이와 같이, 충진층(126)의 표면 주름으로 인해, 이의 상부에 차례로 적층되는 제1 전극(130), 유기 발광층(140) 및 제2 전극(150)에 주름이 형성되면, 표면 플라즈몬(surface plasmon) 모드를 감소시킬 수 있게 된다. 즉, 충진층(126)의 표면 주름을 통한 굴절률 변화와 광 산란을 통한 도파관 모드 감소와 함께, 소자층을 이루는 제1 전극(130), 유기 발광층(140) 및 제2 전극(150)의 주름 구조를 통해 표면 플라즈몬 모드가 감소되면, 유기발광소자(100)의 광추출 효율은 획기적으로 증가하게 된다.
제1 전극(130)은 유기발광소자(100)의 애노드(anode)로 작용하는 투명전극으로, 내부 광추출층(120) 상에 형성, 보다 상세하게는 내부 광추출층(120)의 충진층(126) 상에 형성된다. 이때, 제1 전극(130)의 상, 하면(도면 기준)은 충진층(126)의 주름이 전사되어, 충진층(126)의 표면 주름과 대응되는 형태의 주름 구조로 형성된다. 이러한 제1 전극(130)은 유기 발광층(140)으로의 정공 주입이 잘 일어나도록 예컨대, 일함수(work function)가 큰 ITO로 이루어질 수 있다.
유기 발광층(140)은 제1 전극(130) 상에 형성된다. 이때, 제1 전극(130)이 충진층(126)에 의해 주름 구조를 이룸에 따라, 유기 발광층(140)은 제1 전극(130)의 주름 구조가 전사되어, 이들의 주름 구조와 대응되는 형태의 주름 구조로 형성된다. 구체적으로 도시하진 않았지만, 이러한 유기 발광층(140)은 제1 전극(130)과 제2 전극(150) 사이에 차례로 적층되는 정공층, 발광층 및 전자층을 포함하여 형성될 수 있다. 여기서, 정공층은 제1 전극(130) 상에 차례로 적층 형성되는 정공 주입층(hole injection layer; HIL) 및 정공 수송층(hole transfer layer; HTL)으로 이루어질 수 있고, 전자층은 발광층 상에 차례로 적층 형성되는 전자 수송층(electron transfer layer; ETL) 및 전자 주입층(electron injection layer; EIL)으로 이루어질 수 있다. 그리고 발광층은 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자(100)가 조명용 백색 유기발광소자인 경우, 청색 영역의 광을 방출하는 고분자 발광층과 오렌지-적색 영역의 광을 방출하는 저분자 발광층의 적층 구조로 형성될 수 있고, 이외에도 다양한 구조로 형성되어 백색 발광을 구현할 수 있다.
이러한 구조에 따라, 애노드인 제1 전극(130)과 캐소드인 제2 전극(150) 사이에 순방향 전압이 인가되면, 제2 전극(150)으로부터 전자가 전자층의 전자 주입층 및 전자 수송층을 통해 발광층으로 이동하게 되고, 제1 전극(130)으로부터 정공이 정공층의 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 애노드로 작용하는 제1 전극(130)과 캐소드로 작용하는 제2 전극(150) 사이에 흐르는 전류량에 비례하게 된다.
한편, 본 발명의 실시 예에서, 유기 발광층(140)은 텐덤(tandem) 구조를 이룰 수 있다. 즉, 유기 발광층(140)은 복수 개로 구비될 수 있고, 각각의 유기 발광층(140)은 연결층(interconnecting layer)(미도시)을 매개로 교번 배치될 수 있다.
제2 전극(150)은 유기발광소자(100)의 캐소드(cathode)로 작용하는 금속전극으로, 유기 발광층(140) 상에 형성된다. 이러한 제2 전극(150)은 유기 발광층(140)으로의 전자 주입이 잘 일어나도록 일함수가 작은 Al, Al:Li 또는 Mg;Ag의 금속 박막으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 충진층(126)의 주름으로부터 전사된 주름 구조를 갖는 제1 전극(130)에 의해 유기 발광층(140)이 주름 구조를 이룸에 따라, 제2 전극(150)의 표면에는 이들의 주름 구조와 대응되는 형상의 주름 구조가 형성된다. 이와 같이, 제2 전극(150)의 표면에 형성되는 주름 구조는 다수의 볼록부(151) 및 서로 이웃하는 볼록부(151) 사이에 형성되는 다수의 오목부(152)로 정의된다. 이때, 본 발명의 실시 예에서, 서로 이웃하는 볼록부(151) 간의 피치(pitch)와 오목부(152)의 깊이(depth)에 대한 종횡비(depth/pitch)는 0.1~7로 제어된다. 도 2의 다양한 종횡비를 나타내는 주름 구조를 촬영한 주사전자현미경 사진들에서 보여지는 바와 같이, 서로 이웃하는 볼록부(151) 간의 피치와 오목부(152)의 깊이에 대한 종횡비가 0.1보다 작을 경우에는 주름이 거의 나타나지 않게 되어, 표면 플라즈몬 모드의 감소 효과가 저하된다. 또한, 서로 이웃하는 볼록부(151) 간의 피치와 오목부(152)의 깊이에 대한 종횡비가 7보다 클 경우에는 주름 구조의 볼록부(151)가 지나치게 돌출되는 구조가 되는데, 이는, 유기발광소자(100)의 수명에 악영향을 끼치게 된다. 이때, 볼록부(151) 간의 피치는 다수의 볼록부(151) 간의 피치의 평균값으로 정의될 수 있고, 오목부(152)의 평균적인 깊이는 AFM(atomic force microscopy)나 공초점 현미경(confocal microscopy)로 측정 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 광추출 효율을 더욱 향상시키기 위해, 제2 전극(150)에 형성되는 주름 구조의 볼록부(151) 및 오목부(152)의 종횡비를 상기와 같은 범위로 제어함으로써, 광추출 효율 향상에 최적화된 주름 구조를 구현하게 된다. 이와 같이, 제2 전극(150)에 형성되는 주름 구조가 최적화되면, 유기발광소자(100)의 효율에 가장 큰 손실을 초래하는 도파관 모드(waveguide mode) 및 표면 플라즈몬 모드(surface plasmon mode)의 감소를 극대화시킬 수 있고, 이를 통해, 광추출 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있어, 결국, 유기발광소자(100)의 우수한 발광 효율을 구현할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 실시 예에서는 필요에 따라, 산란입자(123)의 실장 밀도(packing density)나 충진층(126)의 두께 제어를 통해, 헤이즈(haze)를 5~85%로 변화시킬 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자의 발광 효율을 시뮬레이션 하기 위한 참고 도면이다. 여기에서는 직경 600㎚의 SiO2 입자를 기판 상에 코팅한 후 그 위에 고굴절 하이브리머를 충진하여 충진층을 형성한 다음, 충진층 상에 차례로, ITO 전극, 유기 발광층 및 Al 전극을 형성한 유기발광소자 구조를 상정한 것으로, 유기 발광층의 각 지역에서 발광하는 다이폴(dipole; D1, D2, D3)을 가정하고, 이를 도 4 및 하기의 수학식과 같이 면적에 따른 발광량을 고려하여 발광 효율을 시뮬레이션 하면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 내부 광추출층 및 주름구조를 구비하지 않은 유기발광소자(reference)이 비해, 더 높은 광추출 효율을 나타내는 것으로 확인되었다.
[수학식]
Figure pat00001

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: 유기발광소자 110: 제1 기판
120: 내부 광추출층 121: 매트릭스 층
122: 균열 123: 산란입자
124: 코어 125: 쉘
126: 충진층 130: 제1 전극
140: 유기 발광층 150: 제2 전극
151: 볼록부 152: 오목부

Claims (12)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 형성되는 내부 광추출층;
    상기 내부 광추출층 상에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되는 유기 발광층; 및
    상기 유기 발광층 상에 형성되는 제2 전극;
    을 포함하고,
    상기 내부 광추출층의 표면에는 주름이 형성되며,
    상기 주름은 상기 제1 전극, 상기 유기 발광층 및 상기 제2 전극에 차례로 전사되어, 상기 제2 전극의 표면은 주름 구조를 이루되,
    상기 주름 구조는 다수의 볼록부 및 서로 이웃하는 상기 볼록부 사이에 형성되는 다수의 오목부로 이루어지며,
    서로 이웃하는 상기 볼록부 간의 피치(pitch)와 상기 오목부의 깊이(depth)에 대한 종횡비(depth/pitch)는 0.1~7인 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 광추출층은,
    상기 제1 기판 상에 형성되고, 금속산화물로 이루어진 매트릭스 층,
    상기 매트릭스 층 내부에 분산되어 있고, 상기 금속산화물과 굴절률이 다른 금속산화물로 이루어진 다수의 산란입자, 및
    상기 매트릭스 층의 표면에 충진되는 충진층을 포함하되,
    상기 충진층의 표면에는 상기 산란입자 및 상기 산란입자들의 응집체의 형상이 전사된 형태의 상기 주름이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 매트릭스 층에는 균열이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 균열은 상기 다수의 산란입자 사이 및 상기 응집체들 사이를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충진층의 표면조도는 상기 매트릭스 층의 표면조도보다 상대적으로 낮은 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 매트릭스 층은 SiO2, TiO2, ZrO2, ZnO2 및 SnO2를 포함하는 금속산화물 후보군 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 산란입자는 SiO2, TiO2, ZnO2 및 SnO2를 포함하는 금속산화물 후보군 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 산란입자 중 일부 또는 전부는,
    중공으로 이루어져 있는 코어, 및
    상기 코어를 감싸는 쉘 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 내부 광추출층은,
    상기 매트릭스 층의 내부에 형성되어 있는 부정형의 다수의 기공을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기공의 크기는 50~900㎚인 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 매트릭스 층에서 상기 다수의 기공이 차지하는 면적은 상기 매트릭스 층의 면적 대비 2.5~10.8%인 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판과의 인캡슐레이션을 위해 상기 제2 전극 상부에 상기 제1 기판과 대향되게 배치되는 제2 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
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