KR20170001634A - 개선된 효율을 갖는 ｏｌｅｄ 디바이스 - Google Patents

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Abstract

OLED 디스플레이의 효율을 개선하기 위한 디바이스, 구성요소 및 제조 방법이 제공된다. 아웃커플링 구성요소 예컨대 마이크로렌즈 어레이(MLA)는 MLA와 OLED 사이의 상대적으로 적은 거리를 가진 채로 OLED에 부착된다. 크로스-토크 및 후방 산란은 착색된 렌즈, 포커싱 층, 및 다른 방법의 사용에 의해 감소된다.

Description

개선된 효율을 갖는 ＯＬＥＤ 디바이스{OLED DEVICES HAVING IMPROVED EFFICIENCY}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2015년 6월 26일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제62/185,263호의 정규 출원이고, 이의 우선권의 이익을 주장하며, 이의 전문은 본원에 참조로 포함된다.
공동 연구 협약에 대한 당사자
청구된 본 발명은 공동 산학 연구 협약에 따라 하기 당사자 중 하나 이상에 의해, 하기 당사자 중 하나 이상을 위해, 및/또는 하기 당사자 중 하나 이상과 연계에 의해 이루어졌다: 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시간, 프린스턴 유니버시티, 유니버시티 오브 서던 캘리포니아 및 유니버셜 디스플레이 코포레이션. 이 협약은 청구한 발명이 만들어진 당일 및 그 전일부터 유효하고, 청구된 발명은 상기 협약의 범주에서 수행된 활동 결과로서 이루어진 것이다.
본 발명의 분야
본 발명은 OLED에 근접하게 배치되는 아웃커플링 구성요소를 사용하는 OLED-기반 디스플레이, 및 디바이스 예컨대 유기 발광 다이오드 및 이를 포함하는 다른 디바이스의 효율을 개선하기 위한 배치 및 기술에 관한 것이다.
유기 재료를 사용하는 광전자 디바이스는 여러 이유로 인하여 점차로 중요해지고 있다. 이와 같은 디바이스를 제조하는데 사용되는 다수의 재료는 비교적 저렴하여 유기 광전자 디바이스는 무기 디바이스에 비하여 비용 잇점면에서 잠재성을 갖는다. 또한, 유기 재료의 고유한 성질, 예컨대 이의 가요성은 가요성 기판상에서의 제조와 같은 특정 적용예에 매우 적합하게 될 수 있다. 유기 광전자 디바이스의 예로는 유기 발광 다이오드/디바이스(OLED), 유기 광트랜지스터, 유기 광전지 및 유기 광검출기를 들 수 있다. OLED의 경우, 유기 재료는 통상의 재료에 비하여 성능면에서의 잇점을 가질 수 있다. 예를 들면, 유기 발광층이 광을 방출하는 파장이 일반적으로 적절한 도펀트로 용이하게 조절될 수 있다.
OLED는 디바이스에 전압을 인가시 광을 방출하는 유기 박막을 사용한다. OLED는 평판 패널 디스플레이, 조명 및 역광 조명과 같은 적용예에 사용하기 위한 점차로 중요해지는 기술이다. 여러가지의 OLED 재료 및 구조가 미국 특허 제5,844,363호, 제6,303,238호 및 제5,707,745호에 기재되어 있으며, 이들 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
인광 방출 분자에 대한 하나의 적용예는 풀 컬러 디스플레이이다. 이러한 디스플레이에 대한 산업적 기준은 "포화(saturated)" 색상(컬러)으로서 지칭하는 특정 색상을 방출하도록 조정된 화소를 필요로 한다. 특히, 이러한 기준은 포화 적색, 녹색 및 청색 화소를 필요로 한다. 색상은 당업계에 공지된 CIE 좌표를 사용하여 측정될 수 있다.
녹색 발광 분자의 일례로는 하기 화학식을 갖는 Ir(ppy)3으로 나타낸 트리스(2-페닐피리딘) 이리듐이다:
Figure pat00001
본원에서의 이와 같은 화학식 및 이후의 그림에서, 본 출원인은 질소로부터 금속(여기에서는 Ir)으로의 배위 결합을 직선으로 도시한다.
본원에서, 용어 "유기"라는 것은 유기 광전자 디바이스를 제조하는데 사용될 수 있는 중합체 재료뿐 아니라, 소분자 유기 재료를 포함한다. "소분자"는 중합체가 아닌 임의의 유기 재료를 지칭하며, "소분자"는 실제로 꽤 클 수도 있다. 소분자는 일부의 상황에서는 반복 단위를 포함할 수 있다. 예를 들면, 치환기로서 장쇄 알킬 기를 사용하는 것은 "소분자" 부류로부터 분자를 배제하지 않는다. 소분자는 또한 예를 들면 중합체 백본상에서의 측쇄기로서 또는 백본의 일부로서 중합체에 도입될 수 있다. 소분자는 또한 코어 부분상에 생성된 일련의 화학적 셸(shells)로 이루어진 덴드리머의 코어 부분으로서 작용할 수 있다. 덴드리머의 코어 부분은 형광 또는 인광 소분자 이미터일 수 있다. 덴드리머는 "소분자"일 수 있으며, OLED 분야에서 통상적으로 사용되는 모든 덴드리머는 소분자인 것으로 여겨진다.
본원에서 사용한 바와 같이, "상부(top)"는 기판으로부터 가장 멀리 떨어졌다는 것을 의미하며, "하부(bottom)"는 기판에 가장 근접하다는 것을 의미한다. 제1층이 제2층"의 상부에 배치되는" 것으로 기재될 경우, 제1층은 기판으로부터 멀리 떨어져 배치된다. 제1층이 제2층과 "접촉되어 있는" 것으로 명시되지 않는다면 제1층과 제2층 사이에는 다른 층이 존재할 수 있다. 예를 들면, 캐소드와 애노드의 사이에 다양한 유기층이 존재할 수 있을지라도, 캐소드는 애노드"의 상부에 배치되는" 것으로 기재될 수 있다.
본원에서 사용한 바와 같이, "용액 가공성(solution processible)"은 용액 또는 현탁액 형태로 액체 매체에 용해, 분산 또는 수송될 수 있고/거나 액체 매체로부터 침착될 수 있다는 것을 의미한다.
리간드가 발광 재료의 광활성 성질에 직접적으로 기여하는 것으로 여겨지는 경우, 리간드는 "광활성"으로서 지칭될 수 있다. 보조적 리간드가 광활성 리간드의 성질을 변경시킬 수 있을지라도, 리간드가 발광 재료의 광활성 성질에 기여하지 않는 것으로 여겨지는 경우, 리간드는 "보조적"인 것으로 지칭될 수 있다.
본원에서 사용한 바와 같이 그리고 일반적으로 당업자가 이해하고 있는 바와 같이, 제1의 "최고 점유 분자 궤도"(HOMO) 또는 "최저 비점유 분자 궤도"(LUMO) 에너지 준위가 진공 에너지 준위에 근접할 경우, 제1의 에너지 준위는 제2의 HOMO 또는 LUMO 에너지 준위보다 "더 크거나" 또는 "더 높다". 이온화 전위(IP)가 진공 준위에 대하여 음의 에너지로서 측정되므로, 더 높은 HOMO 에너지 준위는 더 작은 절대값을 갖는 IP(음의 값이 더 작은 IP)에 해당한다. 유사하게, 더 높은 LUMO 에너지 준위는 절대값이 더 작은 전자 친화도(EA)(음의 값이 더 작은 EA)에 해당한다. 상부에서의 진공 준위를 갖는 통상의 에너지 준위 다이아그램에서, 재료의 LUMO 에너지 준위는 동일한 재료의 HOMO 에너지 준위보다 더 높다. "더 높은" HOMO 또는 LUMO 에너지 준위는 "더 낮은" HOMO 또는 LUMO 에너지 준위보다 상기 다이아그램의 상부에 더 근접한다는 것을 나타낸다.
본원에서 사용한 바와 같이 그리고 일반적으로 당업자가 이해하는 바와 같이, 제1의 일 함수가 보다 큰 절대값을 갖는 경우, 제1의 일 함수는 제2의 일 함수보다 "더 크거나" 또는 "더 높다". 일 함수는 일반적으로 진공 준위에 대하여 음의 수로서 측정되므로, 이는 "더 높은" 일 함수는 음의 값이 더 크다는 것을 의미한다. 상부에서 진공 준위를 갖는 통상의 에너지 준위 다이아그램에서, "더 높은" 일 함수는 진공 준위로부터 아래 방향으로 더 먼 것으로서 도시된다. 그래서, HOMO 및 LUMO 에너지 준위의 정의는 일 함수와는 상이한 규칙(convention)을 따른다.
OLED에 대한 세부사항 및 전술한 정의는 미국 특허 제7,279,704호에서 확인할 수 있으며, 이 특허 문헌의 개시내용은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
일 구현예에 따라, 2r의 기판에 걸친 폭을 갖는 제1 발광 영역 및 상기 발광 영역 상에 배치되고 수평 기저 표면을 갖는 아웃커플링 구성요소를 포함하는 유기 발광 디바이스가 제공되고, 여기서 기저 표면은 제1 발광 영역으로부터의 수직 거리 t에 배치되고, 제1 발광 영역에 광학적으로 커플링되고, 아웃커플링 구성요소는 굴절률 n lens 및 2R의 기저 표면에 걸친 폭을 갖고,
Figure pat00002
이다. 제1 발광 영역의 가장자리로부터 기판 상의 아웃커플링 구성요소의 가장자리의 돌출부까지의 거리 d는 (n lens - 1)r 이상일 수 있다. 폭 2r에 대해, r은 20 μm 미만일 수 있다. 간격층은 제1 발광 영역과 아웃커플링 구성요소 사이에 배치될 수 있고, 상기 층은 n lens 의 0.02 이내의 굴절률을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 거리 t는 상대적으로 작으며, 예컨대 80 μm 이하, 27 μm 이하, 또는 15 μm 이하일 수 있다. 폭 2R은 폭 2r보다 클 수 있다. 아웃커플링 구성요소는 전체 반경 R을 갖는 아웃커플링 구성요소의 어레이를 포함할 수 있고, 이의 각각은 적어도 부분적으로 발광 영역 상에 배치되고, 이 경우 d는 발광 영역의 가장자리로부터 아웃커플링 구성요소 어레이의 최외부 아웃커플링 구성요소의 가장자리의 돌출부까지의 거리이다. 광흡수 물질이 발광 영역에 가장 근접하게 배치된 아웃커플링 구성요소의 가장자리 상에 배치될 수 있다. 디포커싱 층은 아웃커플링 구성요소와 방출 영역 사이에 배치될 수 있다. 디포커싱 층은 n lens 보다 작은 굴절률 n def 를 가질 수 있다. 굴절률 n def 은
Figure pat00003
보다 작을 수 있다. 아웃커플링 구성요소는 다른 구성요소 또는 특징 예컨대 착색제를 포함할 수 있다. 이러한 착색제는 발광 영역에 의해 방출되는 광의 피크 파장과 동일한 색상을 가지도록 선택될 수 있다. 원형 편광자는 아웃커플링 구성요소와 발광 영역 사이에 배치될 수 있다. 아웃커플링 구성요소는 대략 원형인 기저, 또는 임의의 다른 적합한 형상을 가질 수 있다. 이는 r보다 10% 이상 큰 최대 두께를 가질 수 있다. 이는 예컨대 발광 영역에 대해 법선방향의 선을 따라 발광 영역으로부터 멀어지는 방향으로 감소되는 단면적을 가지는 다양한 구조적 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 아웃커플링 구성요소는 마이크로렌즈 또는 피라미드, 평면 상단 마이크로렌즈 또는 피라미드 등일 수 있다.
디스플레이의 전체 활성 면적은 디스플레이의 전체 면적의 50% 이하일 수 있다. 디스플레이는 임의의 개수의 픽셀을 포함할 수 있고, 이들 각각은 다중 서브픽셀을 포함할 수 있다. 발광 영역은 복수개의 서브픽셀 중 하나에 의해 방출되는 광을 방출할 수 있다. 디스플레이는 복수개의 서브픽셀 각각에 대한 하나 이상의 아웃커플링 구성요소를 포함할 수 있다. 디스플레이는 다중 색상의 서브픽셀을 포함할 수 있으나, 복수개의 색상 중 단지 특정 색상만의 서브픽셀에 대한 아웃커플링 구성요소를 포함할 수 있다. 아웃커플링 구성요소는 특정 색상과 일치되는 염료를 포함할 수 있다. 디스플레이의 각각의 발광 영역은 개별적으로 지정될 수 있다.
일 구현예에서, 2r의 기판에 걸친 폭을 갖는 제1 발광 영역, 2R의 폭을 가진 발광 영역 상에 배치되는 산란층, 및 제1 발광 영역 및 산란층 사이에 배치되고 이와 광학적으로 커플링되는, 하기 식에 따른 두께 t 및 nsp의 평균 굴절률을 갖는 간격층을 포함하는 유기 발광 디스플레이가 제공되고,
Figure pat00004
이다. 산란층은 기판 상에의 고리 또는 임의의 다른 적합한 형태일 수 있다. 디스플레이의 일반적 구조, 조성물, 및 배열은 본원에 개시된 다른 디스플레이 배열과 유사하거나 동일할 수 있다.
일 구현예에서, 복수개의 OLED를 수득하는 단계, 아웃커플링 구성요소 어레이를 제조하는 단계, 및 복수개의 OLED에 아웃커플링 구성요소를 광학적으로 커플링시키는 단계를 포함하는 유기 발광 디스플레이의 제조 방법을 제공하고, 여기서 각각의 OLED 및 상기 OLED와 적층 배치되고 이와 광학적으로 커플링되는 하나 이상의 아웃커플링 구성요소에 대해,
Figure pat00005
이고, 여기서 2r은 각각의 OLED의 폭이고, t는 OLED의 발광층으로부터 하나 이상의 아웃커플링 구성요소까지의 수직 거리이고, n lens 은 하나 이상의 아웃커플링 구성요소의 굴절률이고, R은 하나 이상의 아웃커플링 구성요소의 전체 반경이다. 또한, 본 방법은 복수개의 OLED에 대해 아웃커플링 구성요소를 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 아웃커플링 구성요소 어레이를 제조하는 단계는 복수개의 OLED 상에 아웃커플링 구성요소를 제조하는 단계 및/또는 잉크-젯 기술을 통해 아웃커플링 구성요소를 침착하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제공되는 방법으로부터 생성되는 디스플레이는 본원에 개시된 디스플레이 구조, 조성물, 및 배열 중 임의의 것을 가질 수 있다.
도 1은 유기 발광 디바이스를 나타낸다.
도 2는 별도의 전자 수송층을 갖지 않는 인버티드 유기 발광 디바이스를 나타낸다.
도 3은 각각의 서브-픽셀이 상응하는 렌즈를 갖는 본 발명의 일 구현예에 따른 예시적 픽셀 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 구현예를 사용하기에 적합한 예시적인 픽셀 레이아웃을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 구현예에 따른 반구형 렌즈에 대한 개선도의 거리 (t) 종속성을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 구현예에 따른 상이한 t 값에 대한 도 5에 나타난 구조의 각 방출 프로파일(angular emission profile)을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 구현예를 사용하기에 적합한 원뿔형 형상 렌즈의 예를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 구현예에 따른 원뿔형 렌즈에 대한 개선도의 거리 (t) 종속성을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 구현예에 따른 원뿔형 렌즈의 각 방출 프로파일을 나타낸다.
도 10은 다중 렌즈가 본 발명의 구현예에 따른 하나의 픽셀에 대응되는 구조를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 구현예에 따른 교정 블랙 매트릭스 및 크로스 토크(cross talk)를 야기하는 도식적 예시를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 구현예에 따른 디포커싱 층(defocusing layer)의 작동 원리의 예시를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 구현예에 따른 착색된 렌즈를 제작하기 위한 예시적인 공정을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 구현예에 따른 주형 상의 각각의 벽면의 일부만을 충전하는 착색된 렌즈 코팅의 도식적 묘사를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 구현예에 따라 이형되기 이전의 마이크로렌즈 어레이(MLA)의 상부 상에 제작된 OLED를 나타낸다.
도 16은 본 발명의 구현예에 따른 MLA의 굴절률의 영향의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 구현예에 따른 상부 열 상에 마이크로렌즈가 없는, 픽셀 상에 잉크-분사된 마이크로렌즈를 가진 원형 벽면 구조로 정의되는 픽셀의 현미경 사진이다.
도 18은 본 발명의 구현예에 따른 아웃커플링을 위한 디스플레이 픽셀에 근접된 산란층을 사용하는 구조를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 구현예에 따른 고리 패턴을 갖는 산란층을 나타낸다.
도 20은 본 발명의 구현예에 따른 평면 상단 표면을 갖는 반구형 렌즈를 사용하는 아웃커필링 구조를 나타낸다.
일반적으로, OLED는 애노드 및 캐소드 사이에 배치되어 이에 전기 접속되는 하나 이상의 유기층을 포함한다. 전류가 인가되면, 애노드는 정공을 유기층(들)에 주입하고, 캐소드는 전자를 주입한다. 주입된 정공 및 전자는 각각 반대로 하전된 전극을 향하여 이동한다. 전자 및 정공이 동일한 분자상에 편재화될 경우, 여기된 에너지 상태를 갖는 편재화된 전자-정공쌍인 "엑시톤"이 형성된다. 엑시톤이 광방출 메카니즘에 의하여 이완될 경우 광이 방출된다. 일부의 경우에서, 엑시톤은 엑시머 또는 엑시플렉스 상에 편재화될 수 있다. 비-방사 메카니즘, 예컨대 열 이완(thermal relaxation)도 또한 발생할 수 있으나, 일반적으로 바람직하지 않은 것으로 간주된다.
초기 OLED는 예를 들면 미국 특허 제4,769,292호에 개시된 바와 같은 일중항 상태로부터 광("형광")을 방출하는 발광 분자를 사용하였으며, 상기 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 형광 방출은 일반적으로 10 나노초 미만의 타임 프레임으로 발생한다.
보다 최근에는, 삼중항 상태로부터의 광("인광")을 방출하는 발광 재료를 갖는 OLED가 예시되어 있다. 문헌[Baldo et al., "Highly Efficient Phosphorescent Emission from Organic Electroluminescent Devices," Nature, vol. 395, 151-154, 1998 ("Baldo-I")] 및 [Baldo et al., "Very high-efficiency green organic light-emitting devices based on electrophosphorescence," Appl . Phys. Lett ., vol. 75, No. 3, 4-6 (1999) ("Baldo-II")]을 참조하며, 이들 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 인광은 참고로 포함되는 미국 특허 제7,279,704호의 컬럼 5-6에 보다 구체적으로 기재되어 있다.
도 1은 유기 발광 디바이스(100)를 도시한다. 도면은 반드시 축척에 의하여 도시하지는 않았다. 디바이스(100)는 기판(110), 애노드(115), 정공 주입층(120), 정공 수송층(125), 전자 차단층(130), 발광층(135), 정공 차단층(140), 전자 수송층(145), 전자 주입층(150), 보호층(155), 캐소드(160) 및 장벽층(170)을 포함할 수 있다. 캐소드(160)는 제1의 전도층(162) 및 제2의 전도층(164)을 갖는 화합물 캐소드이다. 디바이스(100)는 기재된 순서로 층을 침착시켜 제조될 수 있다. 이들 다양한 층뿐 아니라, 예시의 재료의 성질 및 기능은 참고로 포함되는 미국 특허 제7,279,704호의 컬럼 6-10에 보다 구체적으로 기재되어 있다.
이들 각각의 층에 대한 더 많은 예도 이용 가능하다. 예를 들면 가요성 및 투명한 기판-애노드 조합이 미국 특허 제5,844,363호에 개시되어 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. p-도핑된 정공 수송층의 예는 미국 특허 출원 공개 공보 제2003/0230980호에 개시된 바와 같이, m-MTDATA가 F4-TCNQ로 도핑된(50:1의 몰비) 것이며, 이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 발광 및 호스트 재료의 예는 미국 특허 제6,303,238호(Thompson 등)에 개시되어 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. n-도핑된 전자 수송층의 예는 미국 특허 출원 공개 공보 제2003/0230980호에 개시된 바와 같이, 1:1의 몰비로 Li로 도핑된 BPhen이고, 이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 그 전문이 본원에 참고로 포함되는 미국 특허 제5,703,436호 및 제5,707,745호에는 투명, 전기전도성 스퍼터-침착된 ITO 층이 오버레이된 Mg:Ag와 같은 금속의 박층을 갖는 화합물 캐소드를 비롯한 캐소드의 예가 개시되어 있다. 차단층의 이론 및 용도는 미국 특허 제6,097,147호 및 미국 특허 출원 공개 공보 제2003/0230980호에 보다 구체적으로 기재되어 있으며, 이들 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 주입층의 예는 미국 특허 출원 공개 공보 제2004/0174116호에 제공되어 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 보호층의 설명은 미국 특허 출원 공개 공보 제2004/0174116호에서 확인할 수 있으며, 이들 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
도 2는 인버티드 OLED(200)를 도시한다. 디바이스는 기판(210), 캐소드(215), 발광층(220), 정공 수송층(225) 및 애노드(230)를 포함한다. 디바이스(200)는 기재된 순서로 층을 침착시켜 제조될 수 있다. 가장 흔한 OLED 구조는 애노드의 위에 캐소드가 배치되어 있는데, 디바이스(200)는 애노드(230)의 아래에 캐소드(215)가 배치되어 있으므로, 디바이스(200)는 "인버티드" OLED로 지칭될 수 있다. 디바이스(100)에 관하여 기재된 것과 유사한 재료가 디바이스(200)의 해당 층에 사용될 수 있다. 도 2는 디바이스(100)의 구조로부터 일부 층이 얼마나 생략될 수 있는지의 일례를 제공한다.
도 1 및 도 2에 도시된 단순 적층된 구조는 비제한적인 예로서 제공하며, 본 발명의 실시양태는 광범위한 다양한 다른 구조와 관련하여 사용될 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 기재된 특정한 재료 및 구조는 사실상 예시를 위한 것이며, 다른 재료 및 구조도 사용될 수 있다. 기능성 OLED는 기재된 다양한 층을 상이한 방식으로 조합하여 달성될 수 있거나 또는 디자인, 성능 및 비용 요인에 기초하여 층을 전적으로 생략할 수 있다. 구체적으로 기재되지 않은 기타의 층도 또한 포함될 수 있다. 구체적으로 기재된 재료 이외의 재료들이 사용될 수 있다. 본원에 제공된 다수의 예가 단일 재료를 포함하는 것으로서 다양한 층을 기재하기는 하나, 재료의 조합, 예컨대 호스트 및 도펀트의 혼합물 또는 보다 일반적으로 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 층은 다양한 하부층을 가질 수 있다. 본원에서 다양한 층에 제시된 명칭은 엄격하게 제한하고자 하는 것은 아니다. 예를 들면, 디바이스(200)에서 정공 수송층(225)은 정공을 수송하고, 정공을 발광층(220)에 주입하며, 정공 수송층 또는 정공 주입층으로서 기재될 수 있다. 하나의 실시양태에서, OLED는 캐소드와 애노드 사이에 배치된 "유기층"을 갖는 것으로 기재될 수 있다. 이러한 유기층은 단일층을 포함할 수 있거나 또는 예를 들면 도 1 및 도 2와 관련하여 기재된 바와 같은 상이한 유기 재료들의 복수의 층을 더 포함할 수 있다.
구체적으로 기재하지 않은 구조 및 재료, 예컨대 미국 특허 제5,247,190호(Friend 등)에 기재된 바와 같은 중합체 재료(PLED)를 포함하는 OLED도 사용할 수 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 추가의 예로서, 단일 유기층을 갖는 OLED를 사용할 수 있다. OLED는 예를 들면 미국 특허 제5,707,745호(Forrest 등)에 기재된 바와 같이 적층될 수 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. OLED 구조는 도 1 및 도 2에 도시된 단순 적층된 구조로부터 벗어날 수 있다. 예를 들면, 기판은 미국 특허 제6,091,195호(Forrest 등)에 기재된 바와 같은 메사형(mesa) 구조 및/또는 미국 특허 제5,834,893호(Bulovic 등)에 기재된 피트형(pit) 구조와 같은 아웃-커플링(out-coupling)을 개선시키기 위한 각진 반사면을 포함할 수 있으며, 이들 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
달리 명시하지 않는 한, 다양한 실시양태의 임의의 층이 임의의 적절한 방법에 의하여 적층될 수 있다. 유기층의 경우, 바람직한 방법으로는 미국 특허 제6,013,982호 및 제6,087,196호(이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 열 증착, 잉크-제트, 미국 특허 제6,337,102호(Forrest 등)(이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 유기 증기상 침착(OVPD), 및 미국 특허 제7,431,968호(이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 유기 증기 제트 프린팅(OVJP)에 의한 침착을 들 수 있다. 기타의 적절한 침착 방법은 스핀 코팅 및 기타의 용액 기반 공정을 포함한다. 용액 기반 공정은 질소 또는 불활성 분위기 중에서 실시되는 것이 바람직하다. 기타의 층의 경우, 바람직한 방법은 열 증착을 포함한다. 바람직한 패턴 형성 방법은 마스크를 통한 침착, 미국 특허 제6,294,398호 및 제6,468,819호(이 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 냉간 용접 및, 잉크-제트 및 OVJD와 같은 일부 침착 방법과 관련된 패턴 형성을 포함한다. 다른 방법이 또한 사용될 수 있다. 침착시키고자 하는 재료는 특정한 침착 방법과 상용성을 갖도록 변형될 수 있다. 예를 들면, 분지형 또는 비분지형, 바람직하게는 3개 이상의 탄소를 포함하는 알킬 및 아릴 기와 같은 치환기가 용액 가공 처리 능력을 향상시키기 위하여 소분자에 사용될 수 있다. 20개 이상의 탄소를 갖는 치환기를 사용할 수 있으며, 3 내지 20개의 탄소가 바람직한 범위이다. 비대칭 구조를 갖는 재료는 대칭 구조를 갖는 것보다 더 우수한 용액 가공성을 가질 수 있는데, 비대칭 재료는 재결정화되는 경향이 더 낮을 수 있기 때문이다. 덴드리머 치환기가 용액 가공 처리되는 소분자의 능력을 향상시키기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따라 제조되는 디바이스는 장벽층을 추가로 임의로 포함할 수 있다. 장벽층의 하나의 목적은 전극 및 유기층이 수분, 증기 및/또는 가스 등을 포함하는 환경에서 유해한 종에 대한 노출로 인하여 손상되지 않도록 하는 것이다. 장벽층은 전극, 기판의 위에, 아래에 또는 옆에, 또는 가장자리를 포함하는 디바이스의 임의의 기타 부분의 위에 침착될 수 있다. 장벽층은 단일층 또는 복수층을 포함할 수 있다. 장벽층은 각종 공지의 화학적 증착 기법에 의하여 형성될 수 있으며 복수의 상을 갖는 조성뿐 아니라 단일 상을 갖는 조성을 포함할 수 있다. 임의의 적절한 재료 또는 재료의 조합을 장벽층에 사용할 수 있다. 장벽층은 무기 또는 유기 화합물 또는 둘다를 혼입할 수 있다. 바람직한 장벽층은 미국 특허 제7,968,146호, PCT 특허 출원 번호 PCT/US2007/023098 및 PCT/US2009/042829에 기재된 바와 같은 중합체 재료 및 비-중합체 재료의 혼합물을 포함하며, 이들 문헌의 개시내용은 본원에 그 전문이 참고로 포함된다. "혼합물"을 고려하면, 장벽층을 구성하는 전술한 중합체 및 비-중합체 재료는 동일한 반응 조건하에서 및/또는 동일한 시간에서 침착되어야만 한다. 중합체 대 비-중합체 재료의 중량비는 95:5 내지 5:95 범위내일 수 있다.　중합체 재료 및 비-중합체 재료는 동일한 전구체 재료로부터 생성될 수 있다. 한 예에서, 중합체 재료와 비-중합체 재료의 혼합물은 실질적으로 중합체 실리콘 및 무기 실리콘으로 이루어진다.
본 발명의 실시양태에 따라 제조되는 디바이스는 다양한 전자 제품 또는 중간 컴포넌트에 도입될 수 있는 광범위의 다양한 전자 컴포넌트 모듈 (또는 유닛)에 도입될 수 있다. 이러한 전자 제품 또는 중간 컴포넌트의 예는 최종 유저 제품 제조자에 의해 이용될 수 있는 디스플레이 스크린, 조명 디바이스 예컨대 개별 광원 디바이스 또는 조명 패널, 등을 포함한다. 이러한 전자 컴포넌트 모듈은 경우에 따라 구동 전자기기 및/또는 전원(들)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시양태에 따라 제조되는 디바이스는 그 속에 도입되는 전자 컴포넌트 모듈 (또는 유닛) 중 1 이상을 갖는 광범위의 다양한 소비재에 도입될 수 있다. 이러한 소비재는 1 이상의 광원(들) 및/또는 몇몇 타입의 영상 디스플레이 중 1 이상을 포함하는 임의 종류의 제품을 포함한다. 이러한 소비재의 일부 예는 평판 패널 디스플레이, 컴퓨터 모니터, 의료용 모니터, 텔레비젼, 광고판, 실내 또는 옥외 조명 및/또는 시그날링을 위한 라이트, 헤드업 디스플레이, 완전 또는 부분 투명 디스플레이, 플렉시블 디스플레이, 레이저 프린터, 전화기, 휴대폰, 태블릿, 패블릿, 개인용 정보 단말기(PDA), 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더, 뷰파인더, 마이크로디스플레이, 3-D 디스플레이, 비히클, 대형벽, 극장 또는 스타디움 스크린, 또는 간판을 포함한다. 패시브 매트릭스 및 액티브 매트릭스를 비롯한 다양한 제어 메카니즘을 사용하여 본 발명에 따라 제조되는 디바이스를 제어할 수 있다. 다수의 디바이스는 사람에게 안락감을 주는 온도 범위, 예컨대 18℃ 내지 30℃, 더욱 바람직하게는 실온(20℃ 내지 25℃)에서 사용하도록 의도되지만, 이러한 온도 범위를 벗어나서, 예를 들면 -40℃ 내지 +80℃에서 사용될 수 있다.
OLED에서 발생된 모든 광이 대기 중으로 빠져나갈 수 있는 것은 아니라는 것은 익히 공지되어 있다. 이는 주로 총 내부 반사 효과(total internal reflection effect)에 기인한다: 광이 고지수 매체(n h )로부터 저지수 매체(n l )로의 계면에 광이 도달되는 경우, 상기 광은 입사각이 하기 식(1)에 의해 정의되는 바와 같은 임계각보다 큰 경우 완전하게 반사될 것이다:
Figure pat00006
예를 들면, ~1.8의 지수를 가진 EML 층에서 발생된 모든 광 중에서, 단지 약 20~25%만이 대기에 도달될 수 있다. 수년에 걸쳐, 2개의 주요 기술이 대기로 포집된 광을 추출하기 위해 개발되었다: 하나는 산란 효과를 사용하고, 다른 하나는 마이크로렌즈 어레이(MLA)를 사용한다. 두 방법은 전형적으로 디스플레이 예컨대 풀-칼라 디스플레이가 아닌, OLED 조명 디바이스에서만 사용된다. 상기 기술은 일반적으로 온-상태(on-state) 동안 광학적 크로스 토크(optical cross talk) 및/또는 후방 산란으로 인해 디스플레이에 적합하지 않고, 이는 콘트라스트를 감소시킨다.
디스플레이에서의 광학적 크로스 토크는 하나의 픽셀 또는 서브-픽셀에 의해 방출되도록 의도된 광이 또한 하나 이상의 인접한 픽셀 또는 서브-픽셀로부터 방출되는 현상과 관련된다. 이는 픽셀 정의를 해할 수 있고, 디스플레이 해상도의 손실을 야기할 수 있다. 산란 필름의 사용은 일반적으로 하나의 픽셀로부터 방출된 광이 산란 매체와 접하게 되는 경우 이와 관련하여 특히 문제가 되고, 이는 무작위적으로 전파되어 이에 의해 본래 픽셀 크기보다 더 큰 프로파일을 초래할 수 있다.
후방 산란은 산란 필름 및 MLA 필름 모두 광을 후방향으로 다시 향하게 한다는 사실에 기인한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "후방 산란"은 후방으로 다시 향하게 되는 임의의 광과 관련되는 일반적인 의미로 사용된다. 평활면으로부터의 정반사(specular reflection)와는 달리, MLA 또는 산란 필름으로부터 후방 산란된 광은 일반적으로 무작위 분포도(random distribution)를 가지고, 제거되지 어렵다. 그 결과, 디스플레이에 광 추출 기술을 적용하기 위해, 후방 산란으로 인한 낮은 콘트라스트 및 광학적 크로스 토크를 극복하는 것이 바람직하다.
MLA가 전형적으로 크로스 토크 및 후방-산란을 조절하기 위한 더 바람직한 방법을 나타내고, 이는 발광 프로파일이 더 잘 조절되기 때문이다. 예를 들면, 이의 개시내용이 참조로 그 전문에 포함되어 있는 미국특허 제6,984,934호는 마이크로렌즈의 최대 평면 치수가 임의의 OLED의 가장 작은 최소 평면 치수보다 작은 발광 다이오드를 위한 마이크로렌즈 배열을 개시하고 있다. 또 하나의 예로서, 미국특허 제8,125,138호는 평행 광(collimated light)을 발생시키는 마이크로렌즈의 허용 각도 이하로 배치된 이격된 OLED를 개시하고 있다. 그러나, 어느 방법도 후방 산란으로 인한 낮은 콘트라스트 및 광학적 크로스 토크의 문제를 완전하게 극복하지 못하고 있다. Jung-Bum Kim 외 다수는 열 진공 증착 (VTE) 방법 (Organic Electronics 17 (2015) 115-120))을 사용하여 상부-방출 OLED 디바이스의 상부에 마이크로렌즈 어레이를 구축하는 것을 기술하고 있다. 그러나, 이와 같은 기술은 상부-방출 OLDE에 제한되고, MLA를 제조하기 위한 관련 방법은 규모화될 수 없고, VTE 방법에 의한 MLA의 품질은 매우 제한적이다.
그에 반해서, OLED 디스플레이의 효율을 개선하기 위한 다바이스, 구성요소, 및 제작 방법은 본원에 개시되어 있고, 이에서 마이크로렌즈 어레이는 MLA와 OLED(들) 간에 상대적으로 작은 거리를 갖도록 OLED 디스플레이에 부착될 수 있다. 크로스-토크 및 후방 산란 문제는 또한 착색된 렌즈, 포커싱 층(focusing layer), 및 본원에 개시된 바와 같은 다른 방법에 의해 해결될 수 있다.
상세하게는, 본원에 개시된 구현예는 제1 유기 발광 영역, 예컨대 2r의 기판에 걸친 폭을 가지는 디스플레이의 픽셀의 서브-픽셀 내의 발광 영역을 포함하는 유기 발광 디스플레이를 제공한다. 일반적으로 r은 임의의 적절한 크기일 수 있다. 그러나, 상기 발광 영역이 개개의 서브픽셀에 대응되는 것과 같은 일부 구현예에서, r은 약 20 μm 이하일 수 있다. 아웃커플링 구성요소, 예컨대 마이크로렌즈 어레이의 렌즈들은 발광 영역 상에 배치될 수 있고, 이에서 아웃커플링 구성요소는 제1 발광 영역으로부터의 수직 거리 t에 배치되고, 광학적으로 발광 영역과 커플링되는 수평 기저 표면을 가진다. 상기 배열은
Figure pat00007
인 조건을 충족하며, 이에서 커플링 구성요소는 굴절률 nlens 및 2R의 기저 표면에 걸친 폭을 가진다. 일부 구현예에서, 예를 들면 OLED의 폭 2r보다 더 큰 아웃커플링 구성요소의 폭 2R을 위해, 발광 영역은 아웃커플링 구성요소와 비교하여 상대적으로 더 작은 것이 바람직할 수 있다. 마찬가지로, 일부 구현예에서, 디스플레이의 활성 면적, 즉, 상기 면적 내의 발광 영역을 포함하는 디스플레이의 면적은 디스플레이의 총 면적의 50% 이하일 수 있다. 일부 구현예에서, 아웃커플링 구성요소는 발광 영역에 대해 수직하게 뻗은 동일선 상에 위치한 기저 치수의 중심을 갖는 발광 영역의 상부 상에 직접적으로 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
개개의 OLED와 관련하여 본원에 개시된 배열 및 기술은 풀컬러 디스플레이 내의 서브픽셀에 적용될 수 있다. 예를 들면, 전형적인 디스플레이 배열은 이의 각각이 하나 이상의 서브픽셀을 포함하는 다중 픽셀을 포함한다. 특정 예로서, 디스플레이의 풀-컬러 픽셀은 대개 적어도 적색, 녹색 및 청색 서브픽셀을 포함할 것이다. 따라서, 일부 구현예에서, 본원에 개시된 바와 같은 발광 영역 및 OLED는 각각의 서브픽셀에 대해 광을 발생시키는 풀-컬러 디스플레이에서의 서브픽셀의 구성요소일 수 있다. 의미상, 전형적인 디스플레이 배열에서, 각각의 서브픽셀은 디스플레이의 각각의 픽셀이 원하는 임의의 색상의 광을 방출하도록 개별적으로 지정되거나 그렇지 않으면 디스플레이에 의해 조정될 수 있다.
도 3은 각각의 픽셀이 마이크로렌즈 어레이에서의 대응되는 렌즈를 갖는 구조를 나타낸다. 광 추출 장점을 실현하기 위해 하기 조건을 충족시킨다:
Figure pat00008
상기 식에서, t는 발광층 및 MLA의 기저 사이의 거리이다. 단순화 이후, 식 (2)는 하기와 같다:
Figure pat00009
상기 식에서, 도 3에 나타난 바와 같이 r 및 R은 픽셀 크기의 절반 및 마이크로렌즈의 반경이고, R = r + d이다. 상기 식에서, n, r, 및 d는 디스플레이 해상도 및 기판 재료에 좌우된다. 디스플레이 구조에 기초하여, 최대 t 요건은 원하는 광 추출 이점에 대해 계산될 수 있다. 적색/녹색/청색 (RGB) 스트립 구조를 갖는 디스플레이에 대해, 이는 하기 식으로 추가로 단순화될 수 있다:
Figure pat00010
식 중, Re는 인치당 픽셀의 단위를 갖는 디스플레이의 해상도이다.
도 4는 인터넷(laptopmedia.com/reviews/samsung-갤럭시-s6-review-a-bunch-of-innovations-in-a-beautiful-body) 상에서 제공되는 삼성 갤럭시 S6 전화기(Samsung Galaxy S6 phone)의 픽셀 레이아웃을 나타낸다. 도면에 기초하여, 이는 픽셀 치수는 대략 적색 서브픽셀에 대해 대략 13.5 μm, 녹색 서브픽셀에 대해 11.3-13.5 μm, 및 청색 서브픽셀에 대해 15.8 μm인 것으로 추정된다. 2d와 등가인 청색 및 인접한 녹색 픽셀 가장자리 사이의 공간은 약 18 μm이다. 이는 대략 r = 7.9 μm, 및 d = 9 μm의 값을 초래한다. 식 (3)을 사용하여, 각 픽셀을 덮는 마이크로렌즈(n=1.5)로 인한 광 추출 효과를 가지기 위해, t는 27.7 μm 미만이어야 한다. 또 하나의 예로서, 50" 4k TV는 약 100ppi의 해상도를 갖고, ~80 μm의 (2r+d) 값에 거의 대응된다. 유리 기판을 사용하는 경우, 이는 t < 89 μm의 조건을 가진다.
식 (3)에 나타난 바와 같이, 파라미터 t, r, 및 d는 모두 연관된다. 일반적으로 말자하면, r은 예정되어 있다. t는 예를 들면 제작 공정이 가능하도록 상대적으로 얇고, d는 가능한 최대 크기이고, 이웃하는 픽셀들 사이의 이용가능한 모든 공간을 사용하는 것이 바람직하다. 그 개시내용이 전문에 참조로 포함되어 있는 미국특허공개 제2015/0171374호는 하기 식과 같이 d를 나타내는 지침을 제공한다:
Figure pat00011
상기 식에서, n은 렌즈의 굴절률이다. 이러한 식은 t=0인 것을 가정하여 유도된다. 따라서, 굴절률 nlens를 갖는 아웃커플링 구성요소를 갖는 일부 구현예에서, 발광 영역의 측면으로부터 기판 상의 아웃커플링 구성요소의 가장자리의 돌출부까지의 거리 d가 적어도 (nlens - 1)* r인 것이 바람직하다. 이는 발광 영역 또는 서브픽셀 마다 단일 아웃커플링 구성요소를 사용하지 않는 본원에 개시된 구조에 적용될 수 있고, 이에서 d는 도 3, 10, 11, 12, 및 18에 나타난 바와 같이 발광 영역의 가장자리 및 아웃커플링 구성요소, 아웃커플링 구성요소 어레이, 산란층, 또는 다는 유사 기능 구조체의 최외부 가장자리의 돌출부 사이의 대응되는 측정값과 관련된다.
이들 특성을 실증하기 위해서, 각각의 서브픽셀과 관련된 아웃커플링 구성요소로서 하나의 마이크로렌즈를 갖는 반구형 마이크로렌즈를 사용하는, 도 4에 나타난 바와 같이 r=6.75 μm 및 d=8.75 μm를 사용하는 삼성 갤럭시 S6에서의 적색 서브픽셀의 근사 치수에 기초하여 시뮬레이션을 수행하였다. 반경 (R=r+d)은 15.5 μm이다. 렌즈는 조밀하고, 렌즈의 물질은 n=1.52의 굴절률을 가지고 흡수도를 가지지 않는다. 램버시안 방출 형태(lambertian emission pattern)가 픽셀에 적용되었다. 픽셀과 마이크로렌즈 사이의 공간은 동일한 지수 물질(n=1.52)로 충전되고, 개선도는 공간 거리 (t)에 따라 시뮬레이션되었다. 폐쇄된 정사각형 기호를 갖는 도 5에서의 곡선은 개선도의 거리 (t) 종속성을 나타낸다. 단일 반구 렌즈에 대해, 광 추출 효율은 나타난 바와 같이 거리 t의 감소와 함께 증가된다. 상기 거리가 27 μm 초과인 경우 개선도는 존재하지 않는다. 이러한 역치는 식 (4)로부터의 계산과 일치된다. 상기 거리가 감소함에 따라, 더 많은 광이 추출될 수 있다. 예를 들면, 126% 개선도는 5 μm의 거리에 대해 달성된다. 도 6은 상이한 t 값을 갖는 상기 구조의 각 방출 프로파일(angular emission profile)을 나타낸다.
또한, 다른 유형의 아웃커플링 구성요소는 본원에 개시된 배열과 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 원뿔형 렌즈는 도 7에 나타난 바와 같이 서브펙셀에 대한 아웃커플링 구성요소로서 사용될 수 있다. 원뿔형 렌즈의 결과는 프리즘과 같은 다른 유사 형상에 용이하게 적용될 수 있다. 도 8에서의 폐쇄된 정사각형 기호가 있는 곡선은 개선도의 거리 종속성을 나타낸다. 단일 원뿔형에 대해, 광 추출 효율은 거리의 감소와 함께 증가된다. 원뿔의 역치는 34 μm이고, 이는 반구형 렌즈보다 더 크다. 거리가 감소함에 따라, 더 많은 광이 추출될 수 있다. 예를 들면, 120%의 개선도는 5 μm의 거리에서 달성될 수 있다. 상기 거리가 역치보다 큰 경우, 방출되는 광은 강한 정면 방출을 가지고, 이는 도 8에 나타난 바와 같이 추출 개선도에 있어서 유의미한 조금의 차이점을 초래하거나 초래하지 않는다. 보다 일반적으로, 일부 구현예에서, 반구형에 유사하나 형상에 있어서 완전하게 반구형은 아닌 아웃커플링 구성요소 예컨대 마이크로렌즈를 사용하여 발광 영역으로부터 아웃커플링을 추가로 개선하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 도 7에 나타난 바와 같이 상단 평면 원뿔 또는 도 20에 나타난 바와 같이 "평면화된" 반구형 아웃커플링 구성요소를 사용할 수 있다. 일부 구현예에서, 아웃커플링 구성요소가 발광 영역에 대해 법선방향의 선을 따라 발광 영역으로부터 멀어지는 방향으로 감소되는 단면적을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 도 7에서의 상단 평면 원뿔 및 도 20에서의 평면화된 반구는 이러한 기하학 구조의 특정 예이나, 다른 형태가 사용될 수 있다.
일부 구현예에서, 간격층(spacing layer)은 발광 영역 및 아웃커플링 구성요소 사이에 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 3과 관련하여, 거리 t는 OLED 발광 영역 및 발광 영역과 관련된 마이크로렌즈의 기저 상에 배치된 간격층을 포함할 수 있다. 일부 경우에 있어서, 간격층은 아웃커플링 구성요소의 물리적으로 일체인 부분일 수 있고, 예컨대 마이크로렌즈 시트는 다중 서브픽셀에 대해 다중 아웃커플링 구성요소를 제공하기 위해 사용되고, 마이크로렌즈 시트의 렌즈부는 동일한 재료의 층 상에 배치된다. 다른 경우에 있어서, 간격층은 아웃커플링 구성요소의 동일하거나 상이한 물질을 포함할 수 있다. 간격층은 아웃커플링 구성요소와 광학적으로 유사한 것이 바람직할 수 있다. 상세하게는, 간격층이 예컨대 아웃커플링 구성요소의 0.02의 지수 이내로 아웃커플링 구성요소에 대해 동일하거나 상이한 굴절률을 가지는 것이 바람직하다.
마이크로 형상 예컨대 마이크로렌즈 어레이 또는 유사한 구성요소를 사용하는 장점은 도 5 및 9에 나타난 바와 같이 방출 광의 각도 종속성의 조정가능성이다. 각도 종속성은 아웃커플링 구성요소에서 상이한 크기 및 유형의 형상을 사용하여 조정될 수 있다. 예를 들면, 광각 방출(large angle emission)은, 반구형 마이크로렌즈를 사용하는 경우 더 작은 t 값에 대해 더 크다. 원뿔형 렌즈가 사용되는 경우, 큰 오프-램버시안 방출 형태(off-Lambertian emission pattern)가 도 9에서의 점선에 의해 도시되는 바와 같이 생성된다. 다른 예로서, 평면 상단 원뿔이 사용되는 경우, 도 9에서의 단파선으로 나타내는 바와 같이, 폐쇄 램버시안 방출 프로파일이 달성된다. 상기 예는 15.5 μm의 반경의 기저, 10 μm의 반경의 상단, 15.5 μm의 높이를 갖는 원뿔을 취한다. 거리는 이러한 예에서 모든 원뿔에 대해 10 μm이다.
현저하게는, 거리 t는 EML와 아웃커플링 구성요소의 수평 기저, 예컨대 마이크로렌즈 어레이의 기저 사이의 임의의 그리고 모든 층들을 포괄한다. 전형적으로 층 예컨대 투명 전극, 유기 발광층 등의 두께는 상대적으로 매우 얇고, t는 OLED 전극의 표면과 아웃커플링 구성요소의 기저 사이의 거리로서 매우 정확하게 근사치로 계산될 수 있다. 따라서, t와 관련하거나 그렇지 않으면 OLED 또는 OLED의 방출층 또는 영역에 대해 측정된 거리와 관련하여 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "OLED" 및 "발광 영역"은 상호교환적으로 사용될 수 있다. 마찬가지로, 명확성을 위해, 본원에 제공되는 도면은 OLED를 나타낼 수 있고, 이는 당업자가 도 1 및 2에 나타난 바와 같이 OLED의 일체 구조를 나타내지 않고도 하나 이상의 발광 영역을 포함하는 것으로 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
마이크로렌즈 어레이가 유리 상의 구비된 OLED에 적층된 구조에 있어서, t는 적어도 유리 기판, MLA 기저 필름, 적층 글루(lamination glue)의 두께를 포함한다. OLED가 MLA 필름의 후면 상에 직접적으로 배치되는 구조에 있어서, t는 MLA 기저 필름, 평탄화 층 (존재하는 경우), 장벽층 (존재하면), 및 OLED 및 MLA 필름 사이의 임의의 다른 기능성층을 포함한다. 두 예시적인 구조에 있어서, 본원에 개시된 기술 없이는 89 μm 미만의 t를 달성하기 어려울 수 있고, 27.7 μm 미만의 t를 달성하는 것은 어렵거나 불가능할 수 있다. 그러나, 다수의 구조에 있어서, 이러한 예시적인 값보다 크거나 작은 t가 충분한 광 추출 이점을 얻기 위해 바람직할 수 있다. 본원에 개시된 구현예는 예컨대 80 μm, 27 μm, 15 μm 이하의 상대적으로 매우 작은 t 값이 가능하다.
상기 기재된 예시적인 구조는 각각의 서브픽셀에 대응되는 하나의 마이크로렌즈를 포함한다. 일부 구현예에서, 다중 아웃커플링 구성요소 예컨대 마이크로렌즈 어레이로부터의 다중 마이크로렌즈는 도 10에 나타난 바와 같은 하나의 서브픽셀에 대응될 수 있다. 또한, 일방향으로의 하나의 렌즈 및 다른 치수에 대한 다중 렌즈를 가지는 것이 가능하다. 예를 들면, 아웃커플링 구성요소는 도 10에 나타낸 바와 같이 총 반경 R을 갖는 다중 특징을 포함하는 아웃커플링 구성요소 어레이일 수 있다. 예를 들면, 아웃커플링 구성요소 어레이는 앞서 기재된 바와 같은 모든 또는 일부의 마이크로렌즈 어레이, 다중 피라미드, 직사각형, 반구형 렌즈, 또는 아웃커플링 구성요소 형상의 임의의 다른 조합일 수 있다. 아웃커플링 구성요소는 발광 영역 상에 적어도 부분적으로 배치될 수 있고/있거나 특정 발광 영역과 관련된 어레이에서의 각각의 구성요소가 발광 영역 상에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다. 이러한 구조에 있어서, d는 발광 영역의 가장자리로부터 아웃커플링 구성요소 어레이의 최외부 아웃커플링 구성요소의 가장자리의 돌출부까지의 거리와 관련된다.
t는 전형적으로 0이 아닐 수 있기 때문에, 발광 영역에 의해 방출된 모든 광은 마이크로렌즈에 의해 수집되지 않을 수 있다. 이는 도 11에 예시되어 있다. 광선(1)은 렌즈를 통해 대기 중으로 방출된다. 그러나, 광선(3)은 이웃하는 렌즈로 입사되고, 이웃하는 렌즈로부터 방출되어 이에 의해 바람직하지 않은 크로스 토크를 야기할 것이다.
이러한 잠재적인 크로스 토크를 극복하기 위해, 아웃커플링 구성요소의 기저 (즉, 발광 영역에 가장 근접하게 배치된 아웃커플링 구성요소의 표면)은 광 흡수 물질 예컨대 미광선(stray light ray)을 흡수하기 위한 검정 염료로 코팅될 수 있다. 염료는 다른 아웃커플링된 광에 최소 영향으로 미광으로 인한 크로스 토크를 방지할 수 있다. 광선(3)은 광선이 렌즈 기저 평면으로부터 최대로 먼 위치(b로서 정의됨)에 도달되는 가장 나쁜 경우를 나타낸다. 하기의 작은 각도 근사치를 사용한다:
Figure pat00012
예를 들면, b가 0.2R 초과로 되는 것을 방지하기 위하여, t가 0.1d 미만이 되어야 한다. d=9 μm인 예시적인 갤럭시 S6 디바이스에 있어서, t는 따라서 0.9 μm 미만일 것이다. 검정 염료는 인접하는 아웃커플링 구성요소로 입사하는 광만을 흡수하기 위해 적용될 수 있다. 이러한 방법에 대한 하나의 잠재적인 단점은 개선도가 염로에 의한 광의 흡수에 의해 저해될 수 있다는 점이다.
이러한 구조는 아웃커플링 구성요소 예컨대 렌즈 측면 상의 마이크로렌즈 어레이에 검정 염료 용액을 분산시킴으로써 제작될 수 있다. 경화 이후, 검정 염료는 렌즈의 바닥 부분에 잔류될 것이다. 수득한 검정 매트릭스의 높이는 분배되는 용액의 양에 의해 결정된다.
본원에 개시된 구현예에 따른 광학적 크로스토크를 감소시키거나 방지할 수 있는 다른 기술은 아웃커플링 구성요소의 기저 및 EML 사이에 삽입되는 디포커싱 층의 사용이고, 이에서 디포커싱 층의 굴절률은 아웃커플링 구성요소 기저 물질의 것보다 작다. 이러한 층이 작은 지수를 가지기 때문에, 렌즈 물질로 입사되는 광은 스넬의 법칙에 기초하여 매우 좁은 프로파일을 가질 것이다. 순수 효과는 광이 도 12에 나타난 바와 같이 보다 포커싱되어 렌즈 기저로 입사되는 것이다. 이러한 구조에 있어서, 광선은 디포커싱 층과 EML 층 사이로 국한된다. 바람직하게는 아웃커플링 구성요소 기저에서의 광은 아웃커플링 구성요소에 의해 완전하게, 또는 실질적으로 전체적으로 수집되기에 충분하도록 포커싱된다. 도 12에서 정의되는 바와 같이 디포커싱 층이 EML 층 및 렌즈 구조체에 매우 근접되는 것으로 가정되는 경우, 디포커싱 층의 지수(ndef)는 하기 조건을 충족시켜야 한다:
Figure pat00013
d=8.75 μm를 갖고, t=5 μm 및 nlens=1.7인 것으로 가정되는 예시적인 삼성 갤럭시 S6 디바이스를 다시 사용하는 경우, ndef는 1.47 미만이다. 따라서, SiO2 층을 디포커싱 층으로서 사용하고, 아웃커플링 구성요소가 1.7의 굴절률을 갖는 물질인 경우, 디스플레이 픽셀 및 서브픽셀에서의 크로스 토크는 감소되거나 방지된다. 디포커싱 층의 두께는 관련된 발광 영역에 의해 방출되는 광의 파장과 적어도 비슷하나, 식 (3) & (4)에 의해 정의되는 수치 t보다 작은 것이 바람직하다.
본원에 개시된 구현예에 따른 크로스 토크를 제거하거나/감소시키는 다른 신규한 방식은 아웃커플링 구성요소에 착색제를 통합시키는 것이다. 일반적으로, 각각의 아웃커플링 구성요소, 예컨대 마이크로렌즈 어레이에서의 각각의 렌즈는 하나 이상의 착색제를 포함할 수 있다. 착색제는 원하는 색상, 예컨대 본원에 개시된 바와 같은 원하는 파장 범위를 갖는 광을 선택적으로 투과시키거나 방출하는 특성을 가지는 임의의 물질일 수 있다. 착색제의 일부의 예는 염료, 색상 전환 물질, 양자점 등이다. 예를 들면, LCD에서의 컬러 필터 및 LED 백라이트에서의 색상 전환 물질로서 현재 사용되는 물질이 사용될 수 있다. 전형적으로 착색제는 적색, 녹색, 및 청색일 수 있으나, 본원에 기재된 구현예는 이러한 색상에 제한되지 않는다.
개개의 적색, 녹색 및 청색 서브픽셀이 사용되는 디스플레이 구조에 있어서, 착색된 렌즈 (착색제를 가짐)는 예를 들면 적색 픽셀에 대한 적색 렌즈와 같이 각각의 렌즈의 색상이 OLED 픽셀의 색상과 동일하도록 배열될 수 있다. 이처럼 적색 광이 이웃하는 픽셀 렌즈로 입사되는 경우, 이는 이웃하는 픽셀에서의 녹색 또는 청색 염료에 흡수될 것이다. 이는 동일한 색상을 가진 렌즈를 통해 관통되어 손실이 조금이거나 없다. 이는 또한 콘트라스트를 개선하기 위한 효과적인 방식이다.
컬러 필터가 백색 OLED 서브픽셀의 상면에 배치되는 디스플레이 구조에 있어서, 착색된 아웃커플링 구성요소는 직접적으로 동일한 색상 및/또는 위치를 갖는 컬러 필터를 직접적으로 대체할 수 있다. 예를 들면, 적색 렌즈는 적색 컬러 필러를, 황색 렌즈는 황색 컬러 필러 등과 같이 대체할 수 있고, 단, 어떠한 컬러 렌즈 또는 투명 렌즈도 백색 광을 방출하도록 의도되는 백색 디바이스의 상단에 배치되지 않는다.
착색된 렌즈 방법의 광 추출 효과를 산정하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 2개의 계획이 고려되었다. 우선, 광선을 후속 렌즈에 도파관(waveguide)에 의해 커플링시킨다 (예를 들면 도 11에서의 광선(3)). 이들 광선의 특성은 거리에 좌우될 것이고- OLED와 아웃커플링 구성요소 사이의 거리가 짧을수록 커플링의 기회가 적어진다. 또한, 광선이 인접한 구성요소의 표면과 충돌되는 경우(예를 들면, 도 11에서의 광선(2)), 크로스 토크가 하나의 아웃커플링 구성요소 외부로 광선을 방출하는 큰 각도를 일으킬 수 있다. 따라서, 두 유형의 크로스 토크를 고려하고, 이웃하는 착색된 렌즈로부터의 100% 흡수를 가정하는 경우, 신규한 개선도 그래프가 도 5에 생성된다. 이러한 경우, 광 추출 효율이 더 낮다. 거리가 역치보다 더 큰 경우, 방출되는 빛은 강한 정면 방출을 가진다. 따라서, 추출 개선도에 있어서의 유의미한 차이는 없다. 역치 이후, 광각 방출이 차후 픽셀 렌즈에 의해 흡수될 것이고, 이는 더 낮은 개선도를 초래한다. 그러나, 거리를 5 μm로 감소시키는 경우 82% 개선도가 달성될 수 있다. 도 8에서의 개방 원형을 가진 곡선으로서 나타나는 바와 같이 동일한 그래프가 또한 원뿔 렌즈의 경우에 대해 생성된다.
다른 유형의 디스플레이와 비교되는 OLED 디스플레이의 하나의 장점은 이용가능한 극히 높은 콘트라스트 비율이다. 일부 구현예에서, 이는 디스플레이의 정면에 원형 편광자를 배치시킴으로써 달성될 수 있다. 모든 계면이 평면인 경우 이러한 방법이 특히 효과적이다. 아웃커플링 구성요소 예컨대 마이크로렌즈가 사용되는 경우, 이러한 방법은 더 이상 유효하지 않을 수 있고, 이는 광선이 입사 이후 그리고 마이크로렌즈에 존재하는 경우 방향을 변화시킬 수 있기 때문이다. 다른 문제점은 아웃커플링 구성요소 예컨대 MLA가 양호한 주변광 집광체일 수 있고, 이에 따라 더 낮은 콘트라스트를 야기하는 강한 후방 산란을 야기할 수 있다는 것이다.
이러한 문제점에 대한 해결책이 다수의 방법들 중 하나 이상에 의해 다뤄질 수 있다. 우선, 크로스 토크를 감소시키기 위한 착색된 렌즈에 대한 동일한 원리는 후방 산란을 감소시키는 작용을 한다. 이러한 후방 산란된 광선은 다중 렌즈를 통해 이동하는 경향이 있고, 착색된 렌즈는 이러한 과정을 통해 효과적으로 광을 흡수할 수 있다. 현저하게는, 착색된 렌즈 그 자체는 어떠한 원형 편광자도 필요하지 않도록 콘트라스트비 성능에 대해 충분히 양호할 수 있다. 이는 MLA 또는 유사한 아웃커플링 구성요소 단독의 아웃커플링 성능을 배가시킬 수 있고 - 예를 들면, 도 5에서의 82% 개선도가 164%가 된다.
다른 방법으로서, 또한 앞서 개시된 검정 염료의 사용은 아웃커플링 구성요소 예컨대 MLA의 산란을 감소시킬 수 있다. 검정 염료는 비방출 면적에서의 OLED 내부 또는 렌즈 기저에 적용될 수 있다.
일부 구현예에서, 원형 편광자가 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 이는 아웃커플링 구성요소 및 OLED 사이에 배치될 수 있다. 앞서 개시된 바와 같이, 이러한 구조의 두께는 바람직하게는 식 (3) 및 (4)를 따른다. 일부 구현예에서, 원형 편광자는 아웃커플링 구성요소의 상단에 배치될 수 있다. 이 경우, 원형 편광자의 두께는 식 (3) 및 (4)에 의해 제한되지 않는다.
아웃커플링 구성요소의 상단 표면이 평면인 경우, 원형 편광자는 구성요소의 임의의 마이크로-형태를 포함하는 아웃커플링 구성요소의 상단에 배치될 수 있다. 상단 표면적의 크기는 발광 영역의 활성 면적의 크기보다 큰 것이 바람직할 수 있다. 이는 빛의 편광에 최소의 방해를 야기하여, 관측자는 투명한 이미지를 볼 수 있다. 예를 들면, 도 20은 평면 상단을 가진 반구형 렌즈의 예를 도시한다. 상단에서의 원형 편광자와 함께, 이러한 구조체는 양호한 아웃커플링 및 콘트라스트를 제공할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 반사-방지 (AR) 코팅이 계면 반사를 감소시키기 위해 아웃커플링 구성요소 표면의 상단 상에 배치될 수 있다.
또한, 이의 기저를 포함하는 아웃커플링 구성요소의 지수는 본원에 개시된 구현예의 광학적 특성에 영향을 줄 수 있다. 1.52 및 1.7의 상이한 굴절률을 갖는 MLA의 아웃커플링 효율과 비교하기 위해 반구형 렌즈를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 상이한 색상의 100% 흡수를 갖는 착색된 렌즈의 구조체가 사용되었다. 그 결과는 도 16에 나타난다. 물질의 지수가 높을수록, 더 많은 광이 추출될 수 있다. 5 μm 거리에서, 137% 개선도가 1.7 지수에 대해 달성되었다. 비교를 위해, 82% 개선도가 더 낮은 1.52 지수에 대해 달성되었다.
다양한 기술이 본원에 개시된 바와 같이 디바이스를 제작하기 위해 사용될 수 있다. 2개의 예가 이하에서 RGB 착색된 픽셀 및 하나의 마이크로렌즈에 대응되는 각각의 디스플레이 서브픽셀에 대해 기술될 것이다. 발광 영역, 서브픽셀, 및/또는 아웃커플링 구성요소의 상이한 유형 및 배열을 포함하는 다른 구조체가 유사한 공정을 사용하여 제작될 것이다.
도 13은 착색된 렌즈를 갖는 MLA를 제작하기 위한 예시적인 기술을 나타낸다. 1310에서, 예를 들면, 앞서 개시된 서브픽셀의 발광 영역에 대응되는 하나 이상의 마이크로렌즈를 갖는, 디스플레이 픽셀 레이아웃에 대응되는 마이크로렌즈 배치에 대한 원하는 레이아웃을 가지는 주형이 제작되거나 구해진다. 벽면의 형태는 반구, 원뿔, 프리즘 또는 다른 형태일 수 있다.
1320에서, 착색된 염료와 혼합된 렌즈 물질은 잉크 분사되거나 예정된 주형 위치에 침착될 수 있다. 상이한 색상의 픽셀의 크기가 상이한 경우, 대응되는 벽면은 또한 상이한 크기를 가진다. 예를 들면, 적색 염료와 혼합되는 물질은 나타난 바와 같이 적색 디스플레이 픽셀에 대해 사전-표시된 주형 상의 렌즈 위치에 배치될 수 있다. 이는 모든 착색된 렌즈가 만들어질 때까지 1330, 1340에서 나타난 바와 같이 반복될 수 있다. 총 3개의 색상에 대해 나타내었지만, 더 많거나 적은 착색된 염료 및 렌즈가 사용될 수 있다. 렌즈는 경화되거나 부분 경화되어 상이한 색상 간에 혼합을 방지할 수 있다. 1350에 나타난 바와 같이 모든 렌즈를 통합하기 위해, 투명한 기저 물질이 착색된 렌즈의 상면에 코팅되거나 그렇지 않으면 침착될 수 있다. 이들이 잘 혼합되도록 아웃커필링 구성요소 예컨대 렌즈에 대한 동일한 기저 물질 및 기저 필름을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 하나의 예는 용매에 용해된 PMMA이다. 착색된 렌즈가 재용해되거나 다른 색상과 혼합되는 것을 방지하기 위해, 착색된 렌즈 코팅물은 도 14에 나타난 바와 같이 주형 상의 각 벽면을 완전하게 충전할 것을 요구하지 않을 수 있고, 즉, 도 14의 도면에서의 구조체는 1340에서 나타난 구조체로 대체될 수 있다. 기저 필름이 경화된 이후, 상기 필름은 1360에서 주형으로부터 이형될 수 있다. 대안적으로, 상기 필름은 디바이스 및 다른 층이 도 15에 나타나고 본원의 추가의 상세설명에 기재된 바와 같이 필름의 상면에 침착된 이후 이형될 수 있다. 바람직하게는 기저의 두께는 식 (3) 및 (4)에 기재된 요건을 따라야 한다.
또 하나의 예로서, MLA는 각각의 서브픽셀의 상면 상의 렌즈에 직접적으로 잉크-분사시킴으로써 제작될 수 있다. 이는 디스플레이가 제작된 이후 실시될 수 있고, 이는 하부 방출 및 상부 방출 OLED 모두에 적용될 수 있다.
도 15는 MLA가 주형으로부터 이형되기 이전에 MLA 상에 제작된 OLED의 예를 나타낸다. 1510은 1350에 대해 앞서 기재된 바와 같은 배열을 나타낸다. 일 구현예에서, OLED 디바이스는 도 15에서의 1520에서 나타난 바와 같이 MLA 기저의 상면 상에 형성될 수 있다. 디스플레이 서브픽셀은 동일한 색상을 갖는 마이크로렌즈의 상면 상에 직접적으로 형성되는 각 색상의 OLED 서브픽셀을 갖는 마이크로렌즈 어레이의 상면 상에 형성될 수 있다. 이러한 공정은 표준 OLED 디스플레이 제작 공정과 유사하다. 정렬 표식(alignment mark)이 주형 상에 제작되어 디스플레이 서브픽셀과 착색된 렌즈 사이의 올바른 정렬을 확실하게 할 수 있다. 장벽층은 MLA 기저의 상면에 침작되어 임의의 아웃가스발생을 방지할 수 있다. 장벽의 상면 상에는, TFT 백플레인이 제작될 수 있고, 그 다음 OLED 디바이스 제작이 후속된다. OLED 디바이스는 도 1 및 2에 대해 앞서 기재된 바와 같이 2개의 전극 및 상기 전극 사이에 배치되는 하나 이상의 유기층을 포함할 수 있다. RGB 픽셀의 패턴을 섀도우 마스크(shadow mask)를 사용하여 달성될 수 있다. 또 하나의 박막 부동태화 또는 장벽층이 OLED 디바이스의 상에 적용되는 것이 바람직할 수 있다. 유리 캡슐화가 또한 사용될 수 있다. 후속 공정 단계를 용이하게 하기 위해, 보호 및 용이한 취급을 위해 필름을 디바이스 상에 적층할 수 있다. 1530에서, 그 위에 배치된 OLED 디스플레이 서브픽셀을 가지는 MLA는 주형으로부터 분리될 수 있다. 추가의 층이 이형된 디바이스에 추가될 수 있다. 이러한 층의 예는 AR 코팅, 내스크래치성 코팅, 하드 코팅 등을 포함한다. 하드 코팅은 하나 이상의 플라스틱 필름, 플라스틱 필름 또는 박막 유리로 코팅된 장벽을 포함할 수 있다.
본원에서 개시된 바와 같은 다양한 구현예에서, 아웃커플링 구성요소는 방출 디바이스 상부 또는 하부에 부착될 수 있다. MLA를 상부 방출 OLED에 부착하기 위한 예가 하기에 기술될 것이고; 유사한 공정이 아웃커플링 구성요소를 하부 방출 OLED에 부착하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, MLA 기저는 하부 방출 OLED의 하부 기판에 부착될 수 있다.
상부 방출 OLED 디스플레이는 제작되거나 별도로 얻을 수 있다. 박막 부동태화 또는 장벽층은 OLED 디스플레이의 상부에 침작될 수 있다. 박막층이 OLED와 MLA 표면 사이의 거리 t를 최소화하기 위해 바람직할 수 있다. 앞서 기술된 바와 같이, 상기 거리는 가능한 작은 것이 바람직할 수 있다.
도 13에서의 1350에 보여지는 바와 같은 구조체는 OLED와 이격되어 대면하는 MLA와 함께 상부 방출 OLED 디바이스의 상면에 배치될 수 있다. MLA 및 OLED 디바이스 사이의 정렬은 예를 들면 우측 서브픽셀이 우측 렌즈와 정렬되는 것, 즉 동일한 색상 및 위치를 보장하기 위해 디스플레이 및 MLA/주형 상에 정렬 표식을 배치시킴으로써 달성될 수 있다.
MLA 기저는 예컨대 얇은 접착제층 또는 용매 코팅을 통해 OLED 디바이스에 부착될 수 있다. 예를 들면, MLA 기저 물질이 특정 용매에 용해되는 경우, 이러한 용매의 얇은 코팅은 OLED 상부 부동화층에 적용될 수 있고, 이후 MLA의 부착이 후속될 수 있다. 용매가 시스템으로부터 제거된 이후, MLA는 디스플레이에 자동적으로 부착될 수 있다.
다른 실시예에 대해 앞서 기재된 바와 같이, OLED에 MLA가 부착된 이후 OLED 디스플레이에 부착된 MLA가 이탈되는 시점에 주형은 제거될 수 있다. 앞서 개시된 바와 같이 추가의 기능성층이 이후 추가될 수 있다. MLA 기저 상에 OLED를 배치하고 OLED에 MLA 기저를 부착시키는 단계는 도 13에서의 1360에 나타난 바와 같이 주형으로부터 이미 이형된 MLA로 수행될 수 있다.
일 구현예에서, 또한, 착색된 아웃커플링 구성요소 예컨대 착색된 MLA는 OLED 디스플레이의 방출 표면 상에의 직접적인 잉크젯 프린팅에 의해 디스플레이 상에 제작될 수 있다. 렌즈-대-픽셀 정렬은 잉크-젯 프린팅 공정 과정에서 디스플레이에 대한 정렬 특징을 사용하여 달성될 수 있다. 일반적인 공정은 렌즈 물질과 함께 염료를 혼합하는 단계 및 잉크젯을 통해 용액을 침착하는 단계를 포함한다. 분산 이후, 용액을 경화시켜 렌즈를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 경화 공정은 용매를 제거하거나 전구체를 가교-결합시키는 것 등을 위해 소결 단계, UV 조사를 포함할 수 있다. 다른 착색제 예컨대 양자점이 사용될 수 있다. 인쇄된 MLA의 크기, 형태 및 종횡비는 잉크의 용적, 잉크 물질, 표면 처리 및 인쇄 표면의 형태 특징에 의해 조정될 수 있다. 마이크로렌즈의 크기는 잉크의 용적에 비례할 수 있다. 잉크 물질을 바꾸거나 상이한 표면 처리를 사용함으로써, 접촉각 및 표면 장력, 및 이에 따른 마이크로렌즈의 형상 및 종횡비가 조정될 수 있다. 또한, 인쇄 표면의 표면 형상은 인쇄 공정 및 마이크로렌즈의 특성에 또한 영향을 준다. 하부 방출 디바이스에서, 인쇄 표면은 평면이다. 따라서, 마이크로렌즈 특성은 접촉각 및 표면 장력에 좌우된다. 상부 방출 디바이스에 있어서, 백플레인 공정으로 인해, 평탄화층이 없는 방출 표면은 불균일하다. 보통, 절연 그리드가 OLED 성장 이전에 별개의 각 서브픽셀에 적용된다. 이러한 경우, 서브픽셀 활성면은 절연 그리드보다 더 낮고, 이는 벽면 구조를 형성한다. 잉크 물질을 분배하는 경우, 이러한 벽면 구조는 마이크로렌즈의 최종 형태에 영향을 줄 수 있다. 잘-조절되는 공정 및 신중히-선택된 잉크 물질은 도 17에 나타난 바와 같이 각각의 벽면 상에 명확한 마이크로렌즈를 형성할 수 있다. 제1 상부 열은 비어있는 픽셀이고; 나머지 열은 IJP MLA이다.
상술된 예는 예시적인 아웃커플링 구성요소로서 마이크로렌즈 어레이를 사용하여 디스플레이 효율을 개선한다. 일부 구현예에서, 마이크로렌즈 어레이 대신의 산란층이 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 18은 디스플레이 서브픽셀의 상에 직접 적용되는, 즉 서브픽셀의 발광 영역 또는 영역들을 가진 적층체에 있는 산란층을 나타낸다. 공간 t가 작고, 산란층 면적이 상대적으로 넓은 경우, 산란층은 도파관 효과로 인해 기판 및 유기층 내에 포집될 수 있는 광을 추출할 수 있다. 본원에 앞서 개시된 동일한 계산이 산란층 치수를 설계하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 더 얇은 t가 더 우수한 추출 효율을 제공한다. 일부 구현예에서, 간격층은 도 18에 나타난 바와 같이 발광 영역과 산란층 사이에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 간격층이 아웃커플링 구성요소의 사용과 관련하여 앞서 개시한 바와 같은 하기 유사한 법칙에 따라 두께 t를 가지는 것이 바람직할 수 있다:
Figure pat00014
상기 식에서, nsp는 간격층의 평균 굴절률이고, r 및 R은 아웃커플링 구성요소 대신에 산란층에 대해서 도 18에 나타나고 앞서 정의된 바와 같다.
또 하나의 구현예에서, 산란 고리(scattering ring)가 도 19에 나타난 바와 같이 원형 OLED 픽셀에 대한 원형의 것을 대신하여 사용될 수 있다. 이러한 구조에서, 비슷하거나 더 큰 면적을 가진 OLED 픽셀에 대응되는 중심 영역은 평활하게 유지된다. OLED로부터 상기 중심 영역에 도달하는 대부분의 광은 이것이 산란층의 도움 없이도 빠져 나갈 수 있도록 작은 입사각을 가진다. 사실상, 일부 구현예에서, 상기 영역에 산란이 존재하지 않는 것이 바람직할 수 있다. OLED로부터 산란 고리에 도달되는 광은 전형적으로 더 큰 입사각을 가지고, 산란층 없이 완전하게 내부 반사될 것이다. 산란층이 사용되는 경우, 이러한 광은 기판의 외부로 다시 향하게 될 수 있고, 이에 따라 디바이스의 효율을 개선할 수 있다. 콘트라스트 개선을 위한 종래의 원형 편광자가 여전히 사용될 수 있고, 이는 OLED 픽셀의 활성 면적에서의 산란층에 의한 방해가 없기 때문이다. 크로스토크 및 콘트라스트 성능에 대한 영향을 개선하기 위해, 착색된 산란 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, 적색 산란 물질이 적색 서브픽셀의 상면에 사용될 수 있고, 청색 서브픽셀을 가진 청색 산란 물질 등도 사용될 수 있다.
착색된 산란 물질은 예를 들면 산란제 예컨대 나노입자를 착색된 물질 중에서 혼합함으로써 제조될 수 있다. 인쇄 또는 코팅 공정은 디바이스의 상에의 이러한 코팅에 적용될 수 있다. 또한, 표면 처리는 산란층을 정확하게 패턴화하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 고리 패턴은 리소그래피 공정을 사용하여 높은 표면 에너지로 처리될 수 있다. 산란 착색 용액이 적용되는 경우, 이는 고리 내에 함유된다. 상기 물질을 경화시키는 단계는 상기 물질을 고화시켜 영구적으로 동일한 위치에 상기 물질을 유지시킬 것이다. 또한, 다른 방법이 산란층을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 산란층은 추가의 층 또는 물질을 침착시키는 것 대신, 디스플레이 서브픽셀의 상면 상에의 원하는 면적에서 상기 표면을 조도화(roughening)시킴으로써 형성될 수 있다.
본원에 개시된 구현예는 또한 다른 아웃커플링 방법과 조합될 수 있다. 예를 들면, 서브-마이크론 피치를 가진 파형이 새겨진 구조는 OLED에서의 플라즈몬 모드 광을 추출할 수 있다. 이와 같은 디바이스는 본원에 개시된 다른 구조와 결합하여 사용되어 효율을 추가로 개선할 수 있다.
본원에서 개시된 바와 같은 아웃커플링 구성요소는 임의의 또는 모든 디스플레이 서브픽셀에 적용될 수 있다. 또한, 이는 각 색상 구성요소의 픽셀 레이아웃, 효율 및 수명, 및 인간 눈, 또는 단지 하나의 색상의 렌즈의 민감성과 같은 인자에 따라 선택적인 디스플레이에만 적용될 수 있다. 앞서 기술된 바와 같이, 얼마나 많은 서브픽셀이 짧은 거리 t에서 아웃커플링 구성요소를 사용하는지와 무관하게, 일반적으로 효율 및 콘트라스트/해상도 사이에 상쇄효과(tradeoff)가 존재할 것이다. 아웃커플링 구조에 의해 제공되는 개선된 효율과 함께, 콘트라스트 및 픽셀 선명도에 있어서의 감소(크로스 토크에 기인함)가 존재할 수 있다. 일부 구조에 있어서, 선택된 픽셀, 색상, 또는 서브픽셀에만 아웃커플링 형상을 적용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 아웃커플링 구조는 디스플레이에서의 청색 서브픽셀에만 적용될 수 있다. 인간 눈이 일반적으로 적색, 녹색, 및 특히 황색 광에 비해 청색 광의 해상도에 덜 민감하기 때문에, 광학적 크로스-토크로 인한 해상도에서의 감소는 현저하게 적거나 문제가 되지 않는다. 동일한 시점에서, 청색 발광 디바이스는 대개 광 출력 및 수명에 있어서의 개선점에 있어서 최대 장점을 가진다. 본원에 개시된 바와 같은 아웃커플링 형상의 사용은 전형적으로 이들이 적용되는 각각의 서브픽셀의 수명 및/또는 광 출력을 증가시킬 것이고, 이는 본 기술이 청색 서브픽셀에 사용하기에 특히 적합하게 할 수 있다.
일 구현예에서, 청색 착색된 아웃커플링 구성요소 예컨대 마이크로렌즈는 디스플레이 전반에 걸쳐, 즉 디스플레이에서의 일부 또는 모든 서브픽셀을 사용할 수 있다. 이러한 구조에 있어서, 청색 착색된 렌즈는 연속적으로 디스플레이에 걸쳐 적용되나, 단지 청색 서브-픽셀로부터의 출력을 개선할 것이다. 이는 상이한 착색된 렌즈를 패턴화시키기 위한 필요성 없이 디스플레이에 걸쳐 하나의 유형의 마이크로렌즈 또는 다른 아웃커플링 구성요소의 침착만을 요구하는 장점을 가질 것이다. 상기 청색 착색된 렌즈는 물리적으로 다른 착색된 서브픽셀 상에 배치되거나 배치되지 않을 수 있고, 그러나, 이는 이들이 비-청색 서브픽셀의 출력을 감소시킬지라도 크로스-토크에 영향을 주지 않을 것이다. 일부 구현예에서, 청색 착색된 아웃커플링 구성요소가 청색 방출 서브픽셀 상에 배치되거나 패턴화되는 것이 바람직할 수 있다. 아웃커플링 구성요소를 단지 선택적 픽셀에만 적용하는 다른 예는 서브픽셀 배열 및/또는 치수가 모든 개개의 서브픽셀에 대해 아웃커플링 구성요소를 적용하는 것, 예를 들면, 특정 서브픽셀이 너무 작거나 아웃커플링 구성요소에 너무 근접하여 적용되는 것을 방지하는 구조이다.
일부 경우에서, 다중 픽셀 또는 서브픽셀이 앞서 기재된 바와 같은 동일한 아웃커플링 형상을 공유하는 것이 바람직할 수 있다. 하나의 예는 서브픽셀이 아웃커플링 형상의 정확한 배치를 위해서는 너무 작은 경우이다. 다중 서브픽셀은 이후 동일한 아웃커플링 형상을 공유할 수 있다. 예를 들면, 마이크로렌즈를 덮거나 또는 산란층을 둘러싼 다중 서브픽셀.
본원에 사용되는 바와 같이, "아웃커플링 구성요소"는 OLED로부터의 광을 아웃커플링시키는 구성요소를 지칭한다. 아웃커플링을 수행하기 위해서, 직접적 간접적으로 OLED의 발광 영역에 광학적으로 커플링되는 경우, 구성요소는 아웃커플링 구성요소의 부재시 OLED를 빠져나가는 것보다 더 많은 OLED를 빠져나가는 광을 초래하여야 한다. 아웃커플링 구성요소의 예는 임의의 크기, 형태, 및 배치의 마이크로렌즈 어레이를 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같은 "적색" 층, 물질, 영역, 또는 디바이스는 약 580-700 nm의 범위에서 광을 방출하는 것과 관련되고; "녹색" 층, 물질, 영역, 또는 디바이스는 약 500-600 nm의 범위에서 피크 파장을 갖는 방출 스펙트럼을 가지는 것과 관련되고; "청색" 층, 물질, 또는 디바이스는 약 400-500 nm의 범위에서 피크 파장을 갖는 방출 스펙트럼을 가지는 것과 관련되고; "황색" 층, 물질, 영역, 또는 디바이스는 약 540-600 nm의 범위에서 피크 파장을 갖는 방출 스펙트럼을 가지는 것과 간련된다. 일부 배열에 있어서, 별도의 영역, 층, 물질, 영역, 또는 디바이스는 별개의 "짙은 청색" 및 "옅은 청색" 광을 제공할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 별개의 "옅은 청색" 및 "짙은 청색"을 제공하는 배열에서, "짙은 청색" 구성요소는 "옅은 청색" 구성요소의 피크 방출 파장보다 약 4 nm 이상 작은 피크 방출 파장을 가지는 것과 관련된다. 전형적으로, "옅은 청색" 구성요소는 약 465-500 nm의 범위의 피크 방출 파장을 가지고, "짙은 청색" 구성요소는 약 400-470 nm의 범위의 피크 방출 파장을 가지고, 한편 이러한 범위는 일부 구조에 대해 변화될 수 있다. 유사하게는, 색상 변경층(color altering layer)은 그 색상에 특정되는 파장을 갖는 다른 색상의 광으로 전환시키거나 바꾸는 층과 관련된다. 예를 들면, "적색" 컬러 필터는 약 580-700 nm의 범위의 파장을 갖는 광을 초래하는 필터와 관련된다. 일반적으로, 2개의 부류의 색상 변경층이 존재한다: 광의 원하지 않는 파장을 제거함으로써 스펙트럼을 바꾸는 컬러 필터, 및 광자를 높은 에너지에서 낮은 에너지로 전환시키는 색상 변경층. 2개의 구성요소, 예컨대 2개의 발광 영역, 층, 물질, 또는 디바이스는, 이들이 본원에 개시된 바와 같은 동일한 범위 내에서의 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 경우 "동일한 색상"을 가지는 것으로 고려된다. 예를 들면, 2개의 발광 영역은, 두 영역이 약 580-700 nm의 범위의 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 경우 모두 "적색"으로서 기재되고 이에 따라 "동일한 색상"을 가지는 것으로 기재될 수 있다.
본원에 기술된 다양한 실시양태는 단지 예시에 의한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아님을 이해하여야 한다. 예를 들면, 본원에 기술된 재료 및 구조의 대다수는 본 발명의 취지로부터 벗어나는 일 없이 다른 재료 및 구조로 대체될 수 있다. 따라서 청구된 본 발명은 본원에 기술된 특정 예시 및 바람직한 실시양태로부터 변형예를 포함할 수 있으며 이는 당업자에게 자명할 것이다. 당업자라면 본 발명에 적용된 다양한 이론이 제한적인 의도가 아님을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 2r의 기판에 걸친 폭을 갖는 제1 발광 영역; 및
    발광 영역 상에 배치되고, 수평 기저 표면을 갖는 아웃커플링 구성요소로서, 상기 기저 표면은 제1 발광 영역으로부터의 수직 거리 t에 배치되고, 제1 발광 영역에 광학적으로 커플링되고, 아웃커플링 구성요소는 굴절률 n lens 및 2R의 기저 표면에 걸친 폭을 갖는 아웃커플링 구성요소
    를 포함하고,
    여기서,
    Figure pat00015
    인 유기 발광 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서,
    Figure pat00016
    이고, 상기 식에서, d가 제1 발광 영역의 측면 가장자리로부터 기판 상의 아웃커플링 구성요소의 가장자리의 돌출부까지의 거리인 유기 발광 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 제1 발광 영역과 아웃커플링 구성요소 사이에 배치되는 간격층을 더 포함하고, 상기 간격층은 n lens 의 0.02 이내의 굴절률을 갖는 물질을 포함하는 것인 유기 발광 디스플레이.
  4. 제1항에 있어서, t가 80 μm 이하, 27 μm 이하, 또는 15 μm 이하인 유기 발광 디스플레이.
  5. 제1항에 있어서, 아웃커플링 구성요소는 전체 폭 2R을 갖는 아웃커플링 구성요소 어레이를 포함하고, 여기서 아웃커플링 구성요소 어레이 중의 각각의 아웃커플링 구성요소는 적어도 부분적으로 발광 영역 상에 배치되고, d가 발광 영역의 가장자리로부터 아웃커플링 구성요소 어레이 중 최외부 아웃커플링 구성요소의 가장자리의 돌출부까지의 거리인 것인 유기 발광 디스플레이.
  6. 제1항에 있어서, 발광 영역에 가장 근접하여 배치된 아웃커플링 구성요소의 가장자리 상에 배치되는 광흡수 물질을 더 포함하는 유기 발광 디스플레이.
  7. 제1항에 있어서, 아웃커플링 구성요소와 발광 영역 사이에 배치되는 디포커싱 층(defocusing layer)을 더 포함하고, 상기 디포커싱 층은 n lens 보다 작은 굴절률 n def 을 갖는 유기 발광 디스플레이.
  8. 제7항에 있어서,
    Figure pat00017
    인 유기 발광 디스플레이.
  9. 제1항에 있어서, 아웃커플링 구성요소가 착색제를 포함하는 유기 발광 디스플레이.
  10. 제9항에 있어서, 착색제의 색상이 발광 영역에 의해 방출되는 광의 피크 파장의 색상과 동일한 것인 유기 발광 디스플레이.
  11. 제1항에 있어서, 아웃커플링 구성요소와 발광 영역 사이에 배치되는 원형 편광자를 더 포함하는 유기 발광 디스플레이.
  12. 제1항에 있어서, 디스플레이는 복수개의 픽셀을 포함하고, 상기 각각의 픽셀은 복수개의 서브픽셀을 포함하고, 발광 영역은 복수개의 서브픽셀 중 하나에 의해 방출되는 광을 방출하는 유기 발광 디스플레이.
  13. 제12항에 있어서, 디스플레이는 복수개의 서브픽셀 각각에 대해 하나 이상의 아웃커플링 구성요소를 포함하는 유기 발광 디스플레이.
  14. 제12항에 있어서, 디스플레이는 복수개의 색상의 서브픽셀을 포함하고, 디스플레이는 복수개의 색상 중 단지 하나의 색상의 서브픽셀에 대해 아웃커플링 구성요소를 포함하는 유기 발광 디스플레이.
  15. 제12항에 있어서, 각각의 발광 영역은 개별적으로 지정가능한 것인 유기 발광 디스플레이.
  16. 제1항에 있어서, 아웃커플링 구성요소의 최대 두께가 r보다 10% 이상 큰 것인 유기 발광 디스플레이.
  17. 제1항에 있어서, 아웃커플링 구성요소가 발광 영역에 대해 법선방향의 선을 따라 발광 영역으로부터 멀어지는 방향으로 감소되는 단면적을 가지는 유기 발광 디스플레이.
  18. 제17항에 있어서, 아웃커플링 구성요소가 하나 이상의 상단 평면 마이크로렌즈(flat-topped microlens)를 포함하는 유기 발광 디스플레이.
  19. 2r의 기판에 걸친 폭을 갖는 제1 발광 영역; 및
    2R의 폭을 갖고 발광 영역 상에 배치된 산란층; 및
    t의 두께를 갖고, nsp의 평균 굴절률을 갖는 간격층으로서, 제1 발광 영역과 산란층 사이에 배치되고 이들에 광학적으로 커플링되는 간격층
    을 포함하고,
    여기서
    Figure pat00018
    인 유기 발광 디스플레이.
  20. 유기 발광 디스플레이의 제조 방법으로서,
    복수개의 OLED를 얻는 단계;
    아웃커플링 구성요소 어레이를 제조하는 단계; 및
    아웃커플링 구성요소 어레이를 복수개의 OLED에 광학적으로 커플링시키는 단계
    를 포함하고,
    여기서, 복수개의 OLED 중의 각각의 OLED 및 상기 각각의 OLED와 적층 배치되고 광학적으로 커플링되는 아웃커플링 구성요소 어레이 중의 하나 이상의 아웃커플링 구성요소에 대해,
    Figure pat00019
    이고;
    2r은 각각의 OLED의 폭이고, t는 OLED의 발광층으로부터 하나 이상의 아웃커플링 구성요소까지의 수직 거리이고, n lens 는 하나 이상의 아웃커플링 구성요소의 굴절률이고, R은 하나 이상의 아웃커플링 구성요소의 전체 반경인 유기 발광 디스플레이의 제조 방법.
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