KR20170136667A - 교류 기반 발광 소자 및 이를 이용한 지문 인식 센서 플랫폼 - Google Patents

교류 기반 발광 소자 및 이를 이용한 지문 인식 센서 플랫폼 Download PDF

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KR20170136667A
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Abstract

본 발명은 교류 기반 발광 소자 및 이를 이용한 지문 인식 센서 플랫폼에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 기반 발광 소자는 서로 이격된 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 교류 전원이 인가되는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 배치되는 전자 주입층; 상기 전자 주입층 상에 배치되는 발광층; 상기 발광층 상에 배치되는 유전체층; 상기 유전체층 상에 배치되고, 상기 제 1 전극과 대향하는 제 1 부분 및 상기 제 2 전극과 대향하는 제 2 부분을 포함하는 상부 전극; 상기 상부 전극의 상기 제 1 부분과 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극 사이의 상기 발광층의 제 1 중첩 영역에 의해 정의되는 제 1 발광 영역; 및 상기 상부 전극의 상기 제 2 부분과 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극 사이의 상기 발광층의 제 2 중첩 영역에 의해 정의되는 제 2 발광 영역을 포함한다.

Description

교류 기반 발광 소자 및 이를 이용한 지문 인식 센서 플랫폼{AC electroluminescence device and finger scan sensor platform using the same}
본 발명은 교류 기반 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 역구조(inverted)의 교류 기반 발광 소자 및 이를 이용하는 지문 인식 센서 플랫폼에 관한 것이다.
미래 인간 중심형 휴먼 정보 시스템은 건강, 보안 등을 포함하는 개개인의 사회 활동을 위한 안전과 보다 편리한 생활을 위한 다양한 정보 장치 및 시스템을 포함하고 있다. 특히 인간의 생체 정보 및 동작을 효율적으로 감지하는 센싱 기술은 휴먼-기기 인터페이스를 위해 필수적인 기술이다. 유기물 특히 고분자를 기반으로 한 유기 전자 소자의 경우 뛰어난 기계적 유연성으로 인해 인체에 적용하는 것이 용이한 것으로 알려져 있다. 또한 휴면-기기 인터페이스 기술 구현을 위한 고감도 유기 전자 소자 기반 센서는 유기 트랜지스터(Organic Thin Film Transistors: OTFTs)를 기반으로 한 소자들, 그리고 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diodes: OLEDs)를 기반으로 한 소자로 개발이 진행되고 있다.
하지만, 기존의 OLED 센서들은 대부분 자체 센싱 소자가 아니라 실제 센싱에 관여하는 센서 필름이 필요하며 OLED에서 방출되는 전계 발광(Electro-luminescence: EL)은 센서 필름에서 광발광(Photoluminescence: PL)를 유도시키기 위한 광원으로 이용되고 있다. 이 경우 소자 구조가 복잡해지며 고가의 센싱 필름 활용으로 인해 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다.
따라서, 낮은 제조원가 및 간단한 구조를 가지는 고집적화된 소자 개발을 위해서는 새로운 원리와 형태의 기능성 센서 개발이 필요할 수 있다. 이 문제를 극복하기 위해 새로운 구동 원리와 동작 메커니즘을 갖는 교류 기반 발광 소자 개발이 요구될 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 낮은 제조원가 및 간단한 구조를 가지는 고집적화된 소자 개발을 위해서는 새로운 원리와 형태의 교류 기반 발광 소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 지문 인식 센서 플랫폼을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른, 교류 기반 발광 소자는, 서로 이격된 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 교류 전원이 인가되는 하부 전극, 상기 하부 전극 상부에 배치되는 전자 주입층, 상기 전자 주입층 상부에 배치되는 발광층, 상기 발광층 상부에 배치되는 유전체층, 상기 유전체층 상부에 배치되고, 상기 제 1 전극과 대향하는 제 1 부분 및 상기 제 2 전극과 대향하는 제 2 부분을 포함하는 상부 전극, 상기 상부 전극의 상기 제 1 부분과 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극 사이의 상기 발광층의 제 1 중첩 영역에 의해 정의되는 제 1 발광 영역 및 상기 상부 전극의 상기 제 2 부분과 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극 사이의 상기 발광층의 제 2 중첩 영역에 의해 정의되는 제 2 발광 영역을 포함한다.
일 실시예에서 상기 상부 전극은 상기 하부 전극, 상기 전자 주입층, 상기 발광층 및 유전체가 적층된 구조에 대해서, 상기 제 1 전극의 제 1 중첩 영역과 상기 제 2 전극의 제 2 중첩 영역 사이를 전기적으로 결합시킬 수 있다. 제 1 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극의 방향으로 전계가 형성되고, 제 2 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극의 방향으로 전계가 형성될 수 있다.
일 실시예에서 상기 제 1 발광 영역의 발광과 상기 제 2 발광 영역의 발광은 교대로 발생할 수 있다. 상기 제 1 전극은 산화 인듐 주석(ITO: Indium Tin Oxide), 탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nano Tube), 그래핀(Graphene), 은 나노 와이어(Ag Nano Wire), 메탈 매시, 하이브리드 메탈 임베디드 중 어느 하나를 사용해 형성된 투명 전극일 수 있다. 또한, 상기 상부 전극은 도전성 외부 객체일 수 있다.
일 실시예에서 상기 전자 주입층은, 폴리에틸렌이민(PEI: polyethylenimine)과 산화 아연(ZnO: zinc oxide)이 복합된 재료(ZnO-PEI), Alq3(tris(8- hydroxyquinoline) aluminum), Balq(Bis(2- methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminium : Balq), Bebq2(bis(10-hydroxybenzo [h] quinolinato)-beryllium : Bebq2), BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), Bphen(4,7-diphenyl-1,10- phenanthroline), TPBI((2,2',2"- (benzene-1,3,5-triyl)- tris(1-phenyl-1H-benzimidazole), TAZ (3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole),NTAZ(4-(naphthalen-1-yl)-3,5-diphenyl-4H-1,2,4-triazole), NBphen(2,9-bis(naphthalen-2-yl)-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline),3TPYMB(Tris(2,4,6-trimethyl-3-(pyridin-3- yl)phenyl)borane : 3TPYMB), POPy2(Phenyl-dipyrenylphosphine oxide), BP4mPy(3,3',5,5'-tetra[(m-pyridyl)-phen-3-yl]biphenyl), TmPyPB(1,3,5-tri[(3-pyridyl)-phen-3-yl]benzene), BmPyPhB(1,3-bis[3,5-di(pyridin-3-yl)phenyl]benzene),Bepq2(Bis(10-hydroxybenzo[h]quinolinato) beryllium), DPPS(Diphenylbis(4-(pyridin-3-yl)phenyl)silane), TpPyPB(1,3,5-tri(p-pyrid-3-yl-phenyl)benzene), Bpy-OXD(1,3-bis[2-(2,2'-bipyridine-6-yl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene), BP-OXD-Bpy(6,6'- bis[5-(biphenyl-4-yl)-1,3,4-oxadiazo-2-yl]-2,2'-bipyridyl), tBu-PBD(2-(4-Biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole) 및 ADN(9,10-di(naphthalene-2-yl) anthrascene) 중 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른, 교류 기반 발광 소자는 상기 발광층과 상기 유전체층 사이에 배치되는 정공 주입층을 더 포함할 수 있다. 상기 정공 주입층은, PEDOT/PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/Poly(4- styrenesulfonate)), 프탈로시아닌 화합물, DNTPD(N,N′-diphenyl-N,N′-bis-[4-(phenyl-m-tolyl-amino)-phenyl]-biphenyl-4,4′-diamine), m-MTDATA(4,4',4''-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine), TDATA(4,4'4"-Tris(N,N-diphenylamino)triphenylamine), 2T-NATA(4,4', 4"-tris{N,-(2-naphthyl)-N-phenylamino}-triphenylamine), α-NPD(N,N'-bis(naphthalen-1-yl)-N,N'-bis(phenyl)-2,2'- dimethylbenzidine), PANI/DBSA (Polyaniline/Dodecylbenzenesulfonic acid), PANI/CSA(Polyaniline/Camphor sulfonicacid), PANI/PSS(Polyaniline)/Poly(4-styrenesulfonate), N,N′-di(naphthalene-1-yl)-N,N′-diphenyl-benzidine(NPB), poly(N-vinylcarbazole)(PVK), poly(4-vinyltriphenylamine) (PVTTA), poly[N-(4-{N′-[4-(4-diphenylamino)phenyl]phenyl-N′-phenylamino}phenyl)methacrylamide](PTPDMA) 및 poly[N,N′-bis(4-butylphenyl)-N,N′-bis(phenyl)benzidine (Poly-TPD) 중 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 교류 기반 발광 소자는 하부 전극, 상기 하부 전극 상부에 배치되는 전자 주입층, 상기 전자 주입층 상부에 배치되는 발광층 및 상기 발광층 상부에 배치되는 유전체층을 포함하는 적층 구조를 포함하고, 상기 유전체층에 근접 접촉하는 도전성 외부 객체가 상기 유전체층을 통해 상기 발광층에 전기적으로 결합되어 상부 전극으로서 기능하다.
일 실시예에서 상기 하부 전극은 서로 이격된 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 교류 전원이 인가될 수 있다. 또는 상기 적층 구조에서 상기 하부 전극과 상기 유전체층 사이에 교류 전원이 인가될 수 있다. 상기 도전성 외부 객체는 사용자의 손가락 및 스타일러 펜 중 하나일 수 있다. 상기 발광층은 상기 유전체층 상부에 입력된 터치 입력 패턴에 따라 발광할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른, 지문 인식 센서 플랫폼은 교류 역구조의 교류 기반 발광 소자, 상기 역구조의 교류 기반 발광 소자를 통해 광을 검출하는 수광 센서 및 상기 수광 센서로부터 검출된 광에 기반하여, 지문 인식을 수행하는 프로세서를 포함한다. 상기 역구조의 교류 기반 발광 소자는, 서로 이격된 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 교류 전원이 인가되는 투명 전극인 하부 전극, 상기 하부 전극층 상에 배치되는 전자 주입층, 상기 전자 주입층 상에 배치되는 발광층, 상기 발광층 상에 배치되는 유전체층, 상기 유전체층 상에 배치되고, 상기 제 1 전극과 대향하는 제 1 부분 및 상기 제 2 전극과 대향하는 제 2 부분을 포함하는 상부 전극, 상기 상부 전극의 상기 제 1 부분과 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극 사이의 상기 발광층의 제 1 중첩 영역에 의해 정의되는 제 1 발광 영역 및 상기 상부 전극의 상기 제 2 부분과 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극 사이의 상기 발광층의 제 2 중첩 영역에 의해 정의되는 제 2 발광 영역을 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 상부 전극은 상기 하부 전극, 상기 전자 주입층, 상기 발광층 및 유전체가 적층된 구조에 대해서, 상기 제 1 전극의 제 1 중첩 영역과 상기 제 2 전극의 제 2 중첩 영역 사이를 전기적으로 결합시킬 수 있다. 제 1 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극의 방향으로 전계가 형성되고, 제 2 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극의 방향으로 전계가 형성될 수 있다. 상기 제 1 발광 영역의 발광과 상기 제 2 발광 영역의 발광은 교대로 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상부 전극과 발광층 사이에 유전체층이 배치되고, 하부 전극과 상기 발광층 사이에 전자 주입층이 배치되는 역구조의 교류 기반의 발광 소자를 제안함으로써, 낮은 제조원가 및 간단한 구조를 가지는 고집적화된 교류 기반의 발광 소자가 제공될 수 있으며, 하부 전극과 발광층 사이에 최적화된 발광 메커니즘을 제공함으로써, 상부 전극을 다양한 도전성의 재질로 사용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 근접 터치 수단으로 사용 가능하고 도전성을 갖는 객체(예: 손가락, 스타일러 펜)가 교류 기반의 발광 소자의 상부 전극으로 기능함으로써, 새로운 구동 원리와 동작 메커니즘을 갖는 교류 기반의 발광 소자가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 갖는 지문 인식 센서 플랫폼이 제공될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 기반의 발광 소자의 단면도 및 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 교류 기반의 발광 소자의 단면도 및 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 기반의 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 기반의 발광 소자의 전계 흐름을 나타내는 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 인가에 따른 교류 기반의 발광 소자의 발광 세기를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 기반의 발광 소자의 하부 단자의 구성 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다양한 종류의 금속 재료를 상부 전극으로 사용하는 교류 기반의 발광 소자의 사시도이다.
도 8a은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변화에 따른 다양한 금속 재료를 상부 전극으로 사용하는 교류 기반의 발광 소자의 휘도를 나타내는 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변화에 따른 다양한 금속 재료에 따른 교류 기반의 발광 소자의 휘도 및 전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 입력을 이용한 교류 기반의 발광 소자의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하부 전극 위에서 바라본 교류 기반의 발광 소자의 평면도이다.
도 11는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 입력을 이용한 교류 기반의 발광 소자의 단면도이다.
도 12은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 입력을 이용한 교류 기반의 발광 소자의 사시도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 지문 인식 센서 플랫폼을 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.
본 명세서에서, “터치 입력 패턴”이란 용어는, 터치된 사용자의 손가락의 지문이나 펜을 이용하여 입력된 문자를 정의한다. 본 명세서에서, “역구조”란 용어는 교류 기반 발광 소자의 적층 구조에서, 유전체층이 하부 전극의 상부가 아닌 상부 전극의 하부에 배치되고, 전자를 주입하기 위한 전자 주입층이 상기 하부 전극의 상부에 배치되고, 발광 효율을 높이기 위해 발광층과 유전체층 사이에 정공 주입층이 배치되는 구조를‘역구조’라 정의한다. 또한, 본 명세서에서, "투명한"이란 용어는, 가시광선, 적외선, 또는 자외선 영역 모두의 대역에 있어 투광도를 갖는 것에 한정되지 아니하며, 이들 영역의 일부 파장 대역에 있어 투광도를 갖는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 기반의 발광 소자(100A)의 단면도 및 사시도이다.
도 1a를 참조하면, 교류 기반의 발광 소자(100)는 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12)을 포함하는 하부 전극(10), 전자 주입층(20), 발광층(30), 유전체층(50) 및 상부 전극(60)를 포함할 수 있다. 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12)은 간격(S1)만큼 서로 이격될 수 있다.
하부 전극(10)의 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12)은 투과도 및 전도도가 높은 투명 전극일 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12) 중 적어도 어느 하나는 산화 인듐 주석(ITO: Indium Tin Oxide), 인듐 아연 산화물(IZO: indium zinc oxide), 탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nano Tube), 그래핀(Graphene), 은 나노 와이어(Ag Nano Wire), 메탈 매시, 하이브리드 메탈 임베디드 중 어느 하나를 포함하는 투명 전극일 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 하부 전극(10)은 유리 기판(미도시됨) 상에 스퍼터 증착 또는 화학기상 증착 같은 박막 증착 공정에 의해 형성될 수 있다.
하부 전극(10)의 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12) 사이에 교류 전원이 인가될 수 있다. 상기 교류 전원이 인가되는 동안, 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)은 제 1 전극(11)에 음의 바이어스가 인가되는 제 1 반주기 동안에 전자를 전자 주입층(20)으로 제공하고 제 1 전극(11)에 양의 바이어스가 인가되는 제 2 반주기 동안에 정공을 전자 주입층(20)으로 제공할 수 있다. 또한, 하부 전극(10)의 제 2 전극(12)은 상기 제 1 반주기 동안에 정공을 전자 주입층(20)으로 제공하고 상기 제 2 반주기 동안에 전자를 전자 주입층(20)으로 제공할 수 있다. 상기 교류 전원은 사인파(sine wave) 또는 구형파(사각파, square wave)일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12)을 포함하는 하부 전극(10) 상에는 전자 주입층(20)이 배치될 수 있다. 전자 주입층(20)은 하부 전극(10)로부터 공급되는 캐리어(전자 및/또는 정공)의 이동을 제어하여 발광층(30)으로 전자를 전달할 수 있다. 예컨대, 전자 주입층(20)은 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)으로부터 상기 제 1 반주기 동안에 공급되는 전자를 발광층(30)으로 전달하고, 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)으로부터 상기 제 2 반주기 동안에 공급되는 정공을 발광층(30)으로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 마찬가지로, 전자 주입층(20)은 하부 전극(10)의 제 2 전극(12)으로부터 상기 제 1 반주기 동안에 공급되는 정공을 발광층(30)으로 전달되는 것을 차단하고, 전극(10)의 제 2 전극(12)으로부터 제 2 반주기 동안에 공급되는 전자를 발광층(30)으로 전달할 수 있다. 이를 위해, 전자 주입층(20)의 에너지 밴드의 전도 대역과 기저 대역의 크기는 낮게 설계될 수 있다. 이 경우, 제 1 또는 제 2 전극(11, 12)으로부터 전자 주입층(20)으로의 전자의 주입을 위한 에너지 장벽의 크기는 감소되고, 제 1 또는 제 2 전극(11, 120)으로부터 전자 주입층(20)으로의 정공의 주입이 차단되도록 에너지 장벽의 크기는 증가될 수 있다. 이에 관하여는, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 상세히 후술하도록 한다.
일 실시예에서, 전자 주입층(20)은 폴리에틸렌이민(PEI: polyethylenimine)과 산화 아연(ZnO: zinc oxide)의 복합물(ZnO:PEI), Alq3(tris(8- hydroxyquinoline) aluminum), Balq(Bis(2- methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminium : Balq), Bebq2(bis(10-hydroxybenzo [h] quinolinato)-beryllium : Bebq2), BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), Bphen(4,7-diphenyl-1,10- phenanthroline), TPBI((2,2',2"- (benzene-1,3,5-triyl)- tris(1-phenyl-1H-benzimidazole), TAZ (3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole), NTAZ(4-(naphthalen-1-yl)-3,5-diphenyl-4H-1,2,4-triazole), NBphen(2,9-bis(naphthalen-2-yl)-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), 3TPYMB(Tris(2,4,6-trimethyl-3-(pyridin-3- yl)phenyl)borane : 3TPYMB), POPy2(Phenyl-dipyrenylphosphine oxide), BP4mPy(3,3',5,5'-tetra[(m-pyridyl)-phen-3-yl]biphenyl : BP4mPy), TmPyPB(1,3,5-tri[(3-pyridyl)-phen-3-yl]benzene), BmPyPhB(1,3-bis[3,5-di(pyridin-3-yl)phenyl]benzene), Bepq2(Bis(10-hydroxybenzo[h]quinolinato)beryllium), DPPS(Diphenylbis(4-(pyridin-3-yl)phenyl)silane : DPPS) 및 TpPyPB(1,3,5-tri(p-pyrid-3-yl-phenyl)benzene : TpPyPB), Bpy-OXD(1,3-bis[2-(2,2'-bipyridine-6-yl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene), BP-OXD-Bpy(6,6'- bis[5-(biphenyl-4-yl)-1,3,4-oxadiazo-2-yl]-2,2'-bipyridyl : BP-OXD-Bpy), tBu-PBD(2-(4-Biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole) 및 ADN(9,10-di(naphthalene-2-yl)anthrascene) 중 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다. 이들 재료는 예시적일 뿐, 본 발명의 실시예가 이들에 한정되는 것은 아니다.
전자 주입층(20) 상부에 발광층(30)이 배치될 수 있다. 발광층(30)은 전자 주입층(20)으로부터 주입된 전자에 의해 발광할 수 있다. 예컨대, 전자 주입층(20)으로부터 주입된 전자는 발광층(30) 내의 전계에 의해 가속될 수 있고, 가속에 의해 발광층(30) 내의 발광 원자와 충돌하게 되고, 충돌에 의해 발광 원자의 전자들이 기저 상태에서 여기 상태로 천이되고, 상기 발광 원자의 전자들이 여기 상태에서 기저 상태로 되돌아감으로써 발광이 발광층(30) 내에서 발생될 수 있다. 다른 실시예에서, 전자 주입층(20)으로부터 주입된 전자가 발광층(30)의 기저 대역의 정공과 재결합함으로써 발광이 일어날 수 있다. 또한, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 후술하는 것과 같이, 발광층(30)과 유전체층(50) 사이에 정공 주입층(40)이 배치된 경우, 발광층(30) 내부에서 전자 주입층(20)으로부터 주입된 일부 전자와 정공 주입층(40)으로부터 주입된 정공의 재결합에 의해 발광이 일어날 수 있다.
일 실시예에서, 발광층(30)은 염료 물질을 포함하는 고분자 매트릭스 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 탄소 나노튜브(carbon nanotube)와 염료 물질(예: Merck 사 제품인 PDY 132(SY: super yellow))이 결합될 수 있고, 상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT: single-walled nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소 나노튜브 (MWNT: multi-walled nanotubes) 중 하나일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 발광층(30)은 유기물 재료로서 호스트 재료 및 상기 호스트 재료에 주입되는 도펀트 재료(혹은 게스트 재료) 중 어느 하나일 수 있다. 상기 호스트 재료는 Alq3, CBP(4,4′-N,N′-dicarbazole-biphenyl), PVK(poly(n-vinylcarbazole)), AND(9,10-di(naphthalene-2-yl)anthracene), TCTA(4,4',4″-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine), TPBI(1,3,5-tris(N-phenylbenzimidazole-2-yl)benzene), TBADN(3-tert-butyl-9,10-di-2-naphthylanthracene)), E3, DSA(distyrylarylene), BCzVB(1, 4-bis[2-(3-Nethylcarbazoryl)vinyl]benzene), DPAVB(4-(di-p-tolylamino)-4'-[(di-p-tolylamino)styryl]stilbene) 및 NBDAVBi(N-(4-((E)-2-(6-((E)-4-(diphenylamino)styryl)naphthalene-2-yl)vinyl)phenyl-N-phenylbenzenamine)) 중 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 도펀트 재료는 DCM(4-dicyanomethylene-2-methyl-6-pdimethylaminostyryl-4H-pyran), PtOEP, Ir(piq)3, Btp2Ir(acac), Ir(ppy)3 (ppy=phenylpyridine), Ir(ppy)2(acac), Ir(mpyp)3, F2Irpic, (F2 ppy)2Ir(tmd), Ir(dfppz)3, ter-fluorene, 4,4′-bis 4-diphenylaminostyryl)biphenyl (DPAVBi), and 2,5,8,11-tetra-t-butyl pherylene (TBPe) 중 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 실시예에서, 발광층(30)은 무기물 재료로서, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CaS, SrS, CaSe, SrSe, ZnMgS, CaSSe, CaSrS, CaGa2S4, SrGa2S4, BaGa2S4, CaAl2S4, SrAl2, BaAl2S4, Ga2O3, Y2O3, CaO, GeO2, SnO2, Zn2SiO4, Zn2GeO4, ZnGa2O4, CaGa2O4, CaGeO3, MgGeO3, Y4GeO8, Y2GeO5, Y2Ge2O7, Y2SiO5, BeGa2O4, Sr3Ga2O6, Zn2SiO4-Zn2GeO4, Ga2O3-Al2O3, CaO-Ga2O3, 및 Y2O3-GeO2 중 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
다른 실시 예에서, 발광층(30)은 유기물 재료로서 호스트 재료 및 상기 호스트 재료에 주입되는 도펀트 재료를 포함할 수 있다. 상기 호스트 재료 또는 상기 도펀트 재료만으로 광을 방출할 수 있으나, 광의 효율 및 휘도를 개선시키기 위해서, 상기 호스트 재료에 도펀트 재료를 도핑하여 발광층(30)이 구성될 수 있다. 예컨대, 녹색 발광을 갖는 호스트 재료인 Alq3에 발광 효율을 높이기 위해서 퀴나크리돈(Quinacridone) 류와 같은 양자 효율이 높은 물질이 도핑될 수 있다.
발광층(30) 상에는 유전체층(50)이 배치될 수 있다. 유전체층(50)은 상부 전극(60)과 하부 전극(10) 사이 캐리어(즉, 전자 또는/및 정공)들이 이동하는 것을 차단할 수 있다. 일 실시예에서, 유전체층(50)은 실리콘 산화물(SiO2: silicon dioxide), 티타늄 산화물(TiO2: titanium monoxide), 이산화 텅스텐(WO2: tungsten dioxide), 하프늄 산화물(HfO2: hafnium dioxide), 알루미늄 산화물(Al2O3), 이트륨 산화물(Y2O3: yttrium oxide 혹은 yttriumoxyd), 세륨 산화물(CeO2), Ta2O, 지르코니아 산화물(ZrO2: zirconium dioxide), 티탄산 바륨(BaTiO3), SrTiO3(STO), PVDF, P(VDF/TrFE), P(VDF/TrFE/HFP), P(VDF/TeFE), PVF, P(VF/TrFE), PAN, 및 P(VDCN/VAc) 중 적어도 하나의 절연체를 포함 할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
유전체층(50) 상에는 상부 전극(60)이 배치될 수 있다. 상부 전극(60)은 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)과 대향하는 제 1 부분(61) 및 하부 전극(10)의 제 2 전극(12)과 대향하는 제 2 부분(62)을 포함할 수 있다.
상부 전극(60)으로부터 주입되는 캐리어(즉, 전자 또는/및 정공)들은 유전체층(50)에 의해 차단되므로, 발광층(30) 내의 발광 메커니즘은 실질적으로 상부 전극(60)에 의해 영향을 받지 않을 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 실시예에 따르면, 상부 전극(60)과 이의 하지의 층들 사이의 에너지 밴드 구조가 발광 메커니즘에 영향을 주지 않게 되며, 이로써, 도전성을 갖는 다양한 재료(예: Al, Au, Ag, Cu) 혹은 객체(예: 손가락, 스타일러 펜)을 상부 전극(60)으로 사용할 수 있게 된다.
도 1a와 함께 도 1b를 참조하면, 교류 기반의 발광 소자(100A)는, 상부 전극(60)의 제 1 부분(61)과 하부 전극(10)의 제 1 전극(11) 사이의 발광층(30)의 제 1 중첩 영역에 의해 정의되는 제 1 발광 영역(O1) 및 상부 전극(60)의 제 2 부분(62)과 하부 전극(10)의 제 2 전극(12) 사이의 발광층(30)의 제 2 중첩 영역에 의해 정의되는 제 2 발광 영역(O2)을 포함할 수 있다. 라인(L1)은 상부 전극(60)의 제 1 부분(61)과 하부 전극(10)의 제 1 전극(11) 사이의 발광층(30)의 제 1 중첩 영역을 나타내기 위한 가상의 선이고, 라인(L2)는 상부 전극(60)의 제 2 부분(62)과 하부 전극(10)의 제 2 전극(12) 사이의 발광층(30)의 제 2 중첩 영역을 나타내기 위한 가상의 선이다.
비록 도 1a는 두 개의 발광 영역(제 1 발광 영역 및 제 2 발광 영역)을 나타냈지만, 하부 전극(10)의 구조에 따라 발광 영역은 다양하게 나타날 수 있다. 예컨대, 하부 전극(10)이 배열된 다수의 서브 전극들로 구성된다면 하부 전극(10)의 다수의 서브 전극들에 대응하여 배열된 다수의 서브 발광 영역들이 정의될 수 있다.
간격 (S1)만큼 이격된 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12)은 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12) 사이에 교류 전원(70)이 인가될 수 있다. 상부 전극(60)은 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)의 제 1 중첩 영역과 하부 전극(10)의 제 2 전극(12)의 제 2 중첩 영역 사이를 전기적으로 결합시킬 수 있다. 즉, 서로 이격된 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12)은 상부 전극(60)에 의해 전기적으로 결합될 수 있다.
상부 전극(60)에 의해 전기적으로 결합된 발광층(30)의 제 1 중첩 영역(O1)과 제 2 중첩 영역(O2)에서 제 1 반주기 동안에 제 1 발광 영역(O1)에서 발광이 발생하고 제 2 반주기 동안에 제 2 중첩 영역(O2)에서 발광이 발생할 수 있다. 제 1 중첩 영역과 제 2 중첩 영역에서 교대로 발광이 발생하지만, 교류 전원의 주파수가 높을수록 교대되는 발광 시간이 짧아져 제 1 중첩 영역과 제 2 중첩 영역에서 발광이 동시에 발생하는 것처럼 보여질 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 기반의 발광 소자(100B)의 단면도 및 사시도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 교류 기반의 발광 소자(100B)는 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12)을 포함하는 하부 전극(10), 전자 주입층(20), 발광층(30), 정공 주입층(40), 유전체층(50) 및 상부 전극(60)를 포함할 수 있다. 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12)을 포함하는 하부 전극(10), 전자 주입층(20), 발광층(30), 유전체층(50) 및 상부 전극(60)에 관하여는 모순되지 않는 한 도 1a 및 도 1b를 참조하여 개시된 사항을 참조할 수 있다.
발광층(30)과 유전체층(50) 사이에 배치되는 정공 주입층(40)은 발광층(30)으로 정공을 전달할 수 있다. 예컨대, 정공 주입층(40)은 유전체층(50)에 의해 전자 또는/및 정공들이 상부 전극(60)에서 발광층(30)으로 전달되지 못하기 때문에, 발광의 효율을 높이기 위해 정공을 발광층(30)으로 주입시킬 수 있다.
일 실시예는, 정공 주입층(40)은 PEDOT/PSS(Poly(3,4- ethylenedioxythiophene)/Poly(4-styrenesulfonate)), 프탈로시아닌 화합물, DNTPD(N,N′-diphenyl-N,N′-bis-[4-(phenyl-m-tolyl-amino)- phenyl]-biphenyl-4,4′-diamine), m-MTDATA(4,4',4''-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine), TDATA(4,4'4"-Tris(N,N-diphenylamino)triphenylamine), 2T-NATA(4,4', 4"-tris{N,-(2-naphthyl)-N-phenylamino}-triphenylamine), α-NPD(N,N'-bis(naphthalen-1-yl)-N,N'-bis(phenyl)-2,2'- dimethylbenzidine), PANI/DBSA (Polyaniline/Dodecylbenzenesulfonic acid), PANI/CSA(Polyaniline/Camphor sulfonicacid), PANI/PSS(Polyaniline)/Poly(4-styrenesulfonate), N,N′-di(naphthalene-1-yl)-N,N′-diphenyl-benzidine (NPB), poly(N-vinylcarbazole)(PVK), poly(4-vinyltriphenylamine) (PVTTA), poly[N-(4-{N′-[4-(4-diphenylamino)phenyl]phenyl-N′-phenylamino}phenyl)methacrylamide](PTPDMA) 및 poly[N,N′-bis(4-butylphenyl)-N,N′-bis(phenyl)benzidine (Poly-TPD) 중 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발광층(30)과 유전체층(50) 사이에 정공 주입층(40)이 배치된 경우, 발광층(30) 내부에서 전자 주입층(20)으로부터 주입된 일부 전자와 정공 주입층(40)으로부터 주입된 정공의 재결합 확률이 높아질 수 있다. 이에 따라 전자 충돌 이외에 전자-정공의 재결합에 의해 기저 상태에서 여기 상태로 천이되는 전자들이 존재할 확률이 커지므로, 교류 발광 효율이 향상될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 기반의 발광 소자의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3a를 참조하면, 도 2a를 참조하면, 하부 전극(10)이 ITO이고, 전자 주입층(20)이 ZnO/PEI이고, 발광층(30)이 SY/MWNT이다. 정공 주입층(40)이 PEDOT:PSS, 유전체층(50)이 SiO2 그리고 상부 전극(60)이 Al(알루미늄)인 재료를 사용할 때의 예시적인 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
ITO의 일함수는 약 -4.9eV(201)이고 Al의 일함수는 -4.3eV 정도(202)이고, PEDOT:PSS의 일함수는 약 -5.2eV(203)이고, 전자 주입층(20)에서 ZnO/PEI의 재료를 사용할 경우 전자 주입층(20)의 에너지 밴드는 -3.4eV 내지 -7.1eV 정도(204)에서 -4.1eV 내지 -7.6eV 정도(205)로 낮아질 수 있다. 발광층(30)에서 SY/MWNT의 재료를 사용할 경우 에너지 밴드는 -3.0eV 내지 -4.95eV 정도(206)일 수 있다.
일반적으로 ITO는 정공을 주입하지만, 본 발명의 실시예에서는 ZnO/PEI 재료를 포함하는 전자 주입층(20)을 도입하여 ITO에서 전자를 주입하는 역구조(inverted)가 제공될 수 있다. 이는 ZnO/PEI의 낮은 에너지 밴드 구조로 인하여, ITO에서 주입된 전자들이 전자 주입층(20)을 통해 발광층(30)으로 이동이 용이하고 반면 ITO에서 주입된 정공들이 전자 주입층(20)을 통해 발광층(30)으로 이동이 차단될 수 있다.
도 3a와 같이, 제 1 반주기 동안에 상부 전극(60)에서 하부 전극(10)으로 즉, Al에서 ITO 방향으로 전계가 형성될 때(210), ITO에서 전자가 주입되고(220) 전자 주입층(20)에 의해 ITO로부터의 전자는 용이하게 발광층(30)(예: SY/MWNT)으로 이동하여 발광층(30) 내부의 원자들과 충돌할 수 있다(230). Al으로부터 정공은 유전체층(50)의 높은 에너지 장벽에 의해 차단되지만, 정공 주입층(40)에 의해 정공이 발광층(30)으로 주입될 수 있다(240). 따라서, 발광층(30)은 전자들간 충돌 또는/및 전자와 정공의 재결합에 의해 전자가 기저 상태에서 여기 상태로 천이함으로써, 발광이 이루어질 수 있다(230).
도 3b와 같이, 제 2 반주기 동안에 하부 전극(10)에서 상부 전극(60)으로 즉, ITO에서 Al으로 방향으로 전계가 형성될 때(250), ITO에서 정공이 주입되지만(201), 전자 주입층(20)의 에너지 장벽 때문에 ITO로부터의 정공은 발광층(30)(예: SY/MWNT)으로 전달되지 못할 수 있다(260). 또한 Al으로부터 전자는 유전체층(50)의 높은 에너지 밴드에 의해 차단될 수 있다. 정공 주입층(40)에 의해 전자가 발광층(30)으로 주입되기 위해서는 정공 주입층(40)의 일함수가 -3.0eV보다 작거나 커야 하지만 -5.2eV 이므로 정공 주입층(40)에서 발광층(30)(예: SY/MWNT)으로 전자가 전달되지 못할 수 있다(270). 따라서, 발광층(30) 내부에서 전자들간 충돌 또는/및 전자와 정공의 재결합 등이 발생되지 않기 때문에, 발광이 이루어지지 않을 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 기반의 발광 소자의 전계 흐름을 나타내는 단면도이다.
도 4a을 참조하면, 한 주기 동안(t1) 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)에 (?)전원이 공급되고 제 2 전극(12)에 (+)전원이 공급될 수 있다. 서로 이격된 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12)은 하부 전극(10), 전자 주입층(20), 발광층(30), 정공 주입층(40), 유전체층(50) 및 상부 전극(60)들이 적층된 구조에 관해서, 상부 전극(60)에 의해 전기적으로 결합될 수 있다.
여기서, 전계는 하부 전극(10)의 제 2 전극(12)에서 상부 전극(60)으로(301), 발광층(30)의 제 2 발광 영역(O2)에서 발광층(30)의 제 1 발광 영역(O1)으로(302), 그리고 상부 전극(60)에서 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)으로(303)의 반시계 방향으로 형성될 수 있다. 따라서, 도 3a 및 도 3b이 에너지 밴드 다이어그램에 의해 발광층(30)의 제 1 발광 영역(O1)에서만 발광이 이루어진다.
도 4b을 참조하면, 한 주기 동안(t2) 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)에 (+)전원이 공급되고 제 2 전극(12)에 (-)전원이 공급될 수 있다. 서로 이격된 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12)은 상부 전극(60)에 의해 전기적으로 결합될 수 있다.
여기서, 전계는 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)에서 상부 전극(60)으로(313), 발광층(30)의 제 1 발광 영역(O1)에서 발광층(30)의 제 2 발광 영역(O2)으로(312), 그리고 상부 전극(60)에서 하부 전극(10)의 제 2 전극(12)으로(311)의 시계 방향으로 형성될 수 있다. 따라서, 도 3a 및 도 3b의 에너지 밴드 다이어그램에 의해 발광층(30)의 제 2 발광 영역(O2)에서만 발광이 이루어진다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 인가에 따른 교류 기반의 발광 소자의 발광 세기를 나타내는 그래프이다.
도 5a을 참조하면, 사인파형의 교류 전압 신호에 따른 발광 세기를 나타내는 그래프이다. 도 1a 및 도 1b에서 하부 전극(10)의 제 1 전극(11) 및 하부 전극(10)의 제 2 전극(12) 사이에 1kHz의 사인파형의 교류 전압 신호가 인가되면, 제 1 반주기 동안에는 제 1 발광 영역에서 발광이 발생하고 제 2 반주기 동안에는 제 2 발광 영역에서 발광이 발생할 수 있다.
도 5b을 참조하면, 구형파의 전압 신호에 따른 발광 세기를 나타내는 그래프이다. 도 1a 및 도 1b에서 하부 전극(10)의 제 1 전극(11) 및 하부 전극(10)의 제 2 전극(12) 사이에 1kHz의 구형파의 전압 신호가 인가되면, 제 1 반주기 동안에는 제 1 발광 영역에서 발광이 발생하고 제 2 반주기 동안에는 제 2 발광 영역에서 발광이 발생할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 기반의 발광 소자의 하부 단자의 구성 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 하부 단자는 다수의 서브 전극들이 배열된 구조를 구성하고, 다수의 서브 전극들 중 일부 서브 전극(11)들은 교류 전원(70)의 (+)극과 연결되고, 다수의 서브 전극들 중 나머지 일부 서브 전극(12)들은 교류 전원의 (-)극과 연결될 수 있다. 서브 전극(11)과 서브 전극(12)은 각각 서로 이격될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 하부 단자(10)는 4개의 서브 전극들이 배열된 구조를 구성할 수 있다. 제 1 서브 전극(11)과 제 2 서브 전극(12) 사이 제 1 교류 전원(70)이 인가되고 제 3 서브 전극(13)과 제 4 서브 전극(14) 사이 제 2 교류 전원(70’)이 인가될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 종류의 금속 재료를 상부 전극으로 사용하는 교류 기반의 발광 소자의 3차원 단면도이다.
도 7를 참조하면, 도 2a의 상부 전극(60)이 4개의 서브 전극들(60a, 60b, 60c, 60d)를 포함하여 구성될 때의 교류 기반 발광 소자이다. 여기서, 제 1 서브 전극(60a)의 재료는 Cu이고, 제 2 서브 전극(60b)의 재료는 Ag이고, 제 3 서브 전극(60c)의 재료는 Au이고 그리고 제 4 서브 전극(60d)의 재료는 Al일 수 있다.
서로 이격된 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12)을 포함하는 하부 전극(10), 전자 주입층(20), 발광층(30), 정공 주입층(40), 유전체층(50) 및 상부 전극(60)의 기능에 관하여는 모순되지 않는 한 도 1a의 하부 전극(10), 전자 주입층(20), 발광층(30), 정공 주입층(40), 유전체층(50) 및 상부 전극(60)에 개시된 사항을 참조할 수 있다.
도 8a은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변화에 따른 다양한 금속 재료를 상부 전극으로 사용하는 교류 기반의 발광 소자의 휘도(luminance)를 나타내는 그래프이다.
도 8a를 참조하면, SiO2/Cu는 도 7의 교류 기반의 발광 소자에서 유전체층(50)이 SiO2이고 상부 전극(60)의 제 1 서브 전극(60a)이 Cu일 때, 상부 전극(60)의 제 1 서브 전극(60a)과 하부 전극(10) 사이의 발광층(30)의 중첩 영역에 의한 휘도이고, SiO2/Au는 도 7의 교류 기반의 발광 소자에서 유전체층(50)이 SiO2이고 상부 전극(60)의 제 2 서브 전극(60b)이 Ag일 때, 상부 전극(60)의 제 2 서브 전극(60b)과 하부 전극(10) 사이의 발광층(30)의 중첩 영역에 의한 휘도이고, SiO2/Au는 도 7의 교류 기반의 발광 소자에서 유전체층(50)이 SiO2이고 상부 전극(60)의 제 3 서브 전극(60c)이 Au일 때, 상부 전극(60)의 제 3 서브 전극(60c)과 하부 전극(10) 사이의 발광층(30)의 중첩 영역에 의한 휘도이고, 그리고 SiO2/Al는 도 7의 교류 기반의 발광 소자에서 유전체층(50)이 SiO2이고 상부 전극(60)의 제 4 서브 전극(60d)이 Al일 때, 상부 전극(60)의 제 4 서브 전극(60d)과 하부 전극(10) 사이의 발광층(30)의 중첩 영역에 의한 발광하는 휘도이다.
SiO2/Al, SiO2/Au, SiO2/Ag 그리고 SiO2/Al의 휘도를 보면, 교류 전압이 증가할수록 휘도는 증가하고, 일부 구간(예: 65V~100V)에서 각 금속간의 휘도에 대해서는 약간의 차이는 존재한다. 하지만, 금속간 휘도는 약간의 차이는 있지만 상부 전극(60)의 재료에 상관없이 발광이 일어남을 알 수 있다. 이는 상부 전극(60) 아래에 적층된 하부 전극(10), 전자 주입층(20), 발광층(30) 및 정공 주입층(40)의 각각의 에너지 밴드(도 3a 및 도3b 참조)가 최적화되고, 상부 전극(60) 아래에 배치된 유전체층(50)의 에너지 장벽으로 인해 캐리어의 이동이 차단되기 때문에, 상부 전극(60)의 재료에 따른 휘도의 변화는 작다. 따라서, 상부 전극(60)은 휘도에 영향을 주지 않기 때문에, 상부 전극(60)의 재료는 전도성을 가지는 어떠한 것도 사용 가능할 것이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변화에 따른 다양한 금속 재료에 따른 교류 기반의 발광 소자의 휘도 및 전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 8b를 참조하면, 도 6의 교류 기반 발광 소자에서 일정 교류 전압이 인가될 때의 휘도 및 전류 밀도를 비교한 것이다. 결과를 보면, SiO2/Al, SiO2/Au, SiO2/Ag 그리고 SiO2/Al의 휘도를 보면 약간의 차이가 존재하지만 그에 따른 각 금속의 전류 밀도는 차이가 거의 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 상부 전극(60)은 전도성을 가지는 어떠한 재질도 사용 가능함으로 상기 도 8a과 같이 상부 전극(60)은 사용자의 손가락 같은 객체의 터치 입력으로 대체 가능할 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터치 입력 패턴을 이용한 교류 기반의 발광 소자의 사시도이다.
도 9를 참조하면, 도 1a의 교류 기반 발광 소자의 구성요소 중 상부 전극(60)을 제외한 나머지 구성요소들이 적층된 구조에서, 유전체층(50) 상부에 사용자의 엄지손 가락(60e)이 터치 입력될 수 있다. 이때 상기 터치 입력된 엄지 손가락(60e)의 지문(801)이 상부 전극(60)으로 기능하여 발광이 이루질 수 있다.
이때, 터치 입력된 엄지 손가락(60e)의 지문이 실질적으로 유전체층(50) 상부에 접촉되기 때문에, 상기 엄지 손가락(60e)의 지문(801)에 대응하는 터치 입력 패턴이 따라 발광층(30)의 중첩 영역에서 발광이 발생할 수 있다. 따라서, 발광은 상기 엄지 손가락(60e)의 지문 형태로 나타날 수 있다. 또한, 하부 전극(10)은 투명 전극이므로, 도 10과 같이, 하부 전극(10)을 통해 상기 엄지 손가락(60e)의 지문 형태의 광(803)이 투과될 수 있다. 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하부 전극(10) 위에서 바라본 교류 기반의 발광 소자의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 입력을 이용한 교류 기반의 발광 소자의 단면도이다.
도 11를 참조하면, 도 2a의 교류 기반 발광 소자의 구성요소 중 상부 전극(60)을 제외한 나머지 구성요소들이 적층된 구조에서, 유전체층(50) 상에 사용자의 엄지 손가락(60e)이 터치 입력될 때, 상기 터치 입력된 엄지 손가락(60e)이 상부 전극(60)으로 기능하여 발광이 이루질 수 있다.
다만, 도 9의 교류 기반의 발광 소자와 교류 전원을 인가하는 연결에 있어서 차이점이 있다. 도 9에서는 하부 전극(10)의 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12) 사이에 교류 전원(70)이 인가되었지만, 도 11에서는 유전체층(50)과 하부 전극(10) 사이에 교류 전원(70)이 인가될 수 있다. 또한, 도 11서는 하부 전극(10)에서 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12)으로 서로 이격시킬 필요 없이 하나의 전극으로 구성될 수도 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 터치 입력을 이용한 교류 기반의 발광 소자의 사시도이다.
도 12를 참조하면, 스타일러 펜 같은 전도성을 갖는 펜(60f)을 이용하여 터치 입력 패턴에 대응하는 문자를 표시할 수 있다. 예컨대, 도 8a에서 손가락 대신 스타일러 펜(60f)에 의해 유전체층(50) 위에 ‘NPL’문자에 대응하는 터치 입력 패턴이 제공되면, 교류 기반의 발광 소자 내에서 ‘NPL’ 문자에 대응하는 발광이 발생할 수 있다.
전술한 실시예들은 주로 교류 기반 발광 소자에 관하여 개시하고 있지만, 이는 예시적이며, 당업자라면, 본 발명의 실시예에 따른 하기 도 11과 같이 지문 인식 센서 플랫폼(sensor platform)에 이용되는 소자로도 응용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
센서 플랫폼이란 교류 기반 발광 소자 및 포토다이오드로 구성된 독립적 장치를 의미한다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 지문 인식 센서 플랫폼(200)을 도시한다.
도 13을 참조하면, 지문 인식 센서 플랫폼(200)은 교류 기반 발광 소자(100), 수광 센서층(210) 및 프로세서(220)를 포함할 수 있다. 교류 기반 발광 소자(100)에 관하여는 모순되지 않는 한 도 1a 또는/및 도 2a에 개시된 사항을 참조할 수 있다.
수광 센서층(210)은 교류 기반 발광 소자(100)의 전자 주입층(20)이 형성된 하부 전극(10)의 일 주면과 반대되는 제 2 주면(P1) 상에 배치되고 교류 기반 발광 소자(100)의 발광층(30)의 제 1 발광 영역(O1) 또는 제 2 발광 영역(02)으로부터의 발광을 검출할 수 있다. 수광 센서로서 포토다이오드를 사용할 수 있지만, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 포토다이오드는, 포토트랜지스터, 포트트랜지스터, 포토 사이리스터, 광전자 증배관, 황화 카드뮴(CdS, cadmiumsulfide)의 광전도성을 이용한 수광 소자, CCD(charge coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서로 대체되거나 이들 중 어느 하나와 조합되어 수광 센서를 구성할 수 있다. 상기 수광 센서의 어레이는 CCD 형, MOS 형, CID(charge injection device) 형, PDC(plasma coupled device) 형, CPD(charge priming device) 형, BBD(bucket brigade device) 형 중 어느 하나이거나 조합될 수 있다.
프로세서(220)은 수광 센서층(210)에 의해 검출된 발광을 분석하여 지문 인식을 수행할 수 있다. 예컨대, 프로세서(220)은 수광 센서층(210)으로부터 검출된 신호를 기반으로 교류 기반 발광 소자(100)의 유전체층(50)에 접촉된 혹은 근접 접촉된 입력 패턴을 이미지로 생성하거나 생성된 이미지를 디스플레이(미도시함)에 표시할 수 있다. 상기 접촉된 혹은 근접 접촉된 모양은 터치 입력된 손가락의 지문 혹은/또는 전도성을 갖는 펜을 통해 입력된 적어도 하나의 문자일 수 있지만 이들에 한정되지 않는다.
다양한 실시예에서, 지문 인식 센서 플랫폼(200)에서 수광 센서층(210) 또는/및 프로세서(220)는 별도의 전자 장치로 대체될 수 있다. 예컨대, 교류 기반 발광 소자(100A, 100B)의 하부 전극(10)를 통해 투과되는 광을 스마트폰의 이미지 센서를 통해 촬영할 수 있고 스마트폰에 설치된 지문 인식 앱 혹은 애플리케이션을 이용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 교류 기반의 발광 소자
10: 하부 전극
20: 전자 주입층
30: 발광층
40: 정공 주입층
50: 유전체층
60, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e, 60f: 상부 전극
210: 수광 센서층

Claims (19)

  1. 서로 이격된 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 교류 전원이 인가되는 하부 전극;
    상기 하부 전극 상부에 배치되는 전자 주입층;
    상기 전자 주입층 상부에 배치되는 발광층;
    상기 발광층 상부에 배치되는 유전체층;
    상기 유전체층 상부에 배치되고, 상기 제 1 전극과 대향하는 제 1 부분 및 상기 제 2 전극과 대향하는 제 2 부분을 포함하는 상부 전극;
    상기 상부 전극의 상기 제 1 부분과 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극 사이의 상기 발광층의 제 1 중첩 영역에 의해 정의되는 제 1 발광 영역; 및
    상기 상부 전극의 상기 제 2 부분과 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극 사이의 상기 발광층의 제 2 중첩 영역에 의해 정의되는 제 2 발광 영역을 포함하는 교류 기반 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 전극은 상기 하부 전극, 상기 전자 주입층, 상기 발광층 및 유전체가 적층된 구조에 대해서, 상기 제 1 전극의 제 1 중첩 영역과 상기 제 2 전극의 제 2 중첩 영역 사이를 전기적으로 결합시키는 것을 특징으로 하는 교류 기반 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극의 방향으로 전계가 형성되고,
    제 2 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극의 방향으로 전계가 형성되는 것을 특징으로 하는 교류 기반 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 발광 영역의 발광과 상기 제 2 발광 영역의 발광은 교대로 발생하는 것을 특징으로 하는 교류 기반 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 산화 인듐 주석(ITO: Indium Tin Oxide), 탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nano Tube), 그래핀(Graphene), 은 나노 와이어(Ag Nano Wire), 메탈 매시, 하이브리드 메탈 임베디드 중 어느 하나를 사용해 형성된 투명 전극인 교류 기반 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 주입층은, 폴리에틸렌이민(PEI: polyethylenimine)과 산화 아연(ZnO: zinc oxide)이 복합된 재료(ZnO-PEI), Alq3(tris(8- hydroxyquinoline) aluminum), Balq(Bis(2- methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminium : Balq), Bebq2(bis(10-hydroxybenzo [h] quinolinato)-beryllium : Bebq2), BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), Bphen(4,7-diphenyl-1,10- phenanthroline), TPBI((2,2',2"- (benzene-1,3,5-triyl)- tris(1-phenyl-1H-benzimidazole), TAZ (3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole),NTAZ(4-(naphthalen-1-yl)-3,5-diphenyl-4H-1,2,4-triazole), NBphen(2,9-bis(naphthalen-2-yl)-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline),3TPYMB(Tris(2,4,6-trimethyl-3-(pyridin-3- yl)phenyl)borane : 3TPYMB), POPy2(Phenyl-dipyrenylphosphine oxide), BP4mPy(3,3',5,5'-tetra[(m-pyridyl)-phen-3-yl]biphenyl), TmPyPB(1,3,5-tri[(3-pyridyl)-phen-3-yl]benzene), BmPyPhB(1,3-bis[3,5-di(pyridin-3-yl)phenyl]benzene),Bepq2(Bis(10-hydroxybenzo[h]quinolinato) beryllium), DPPS(Diphenylbis(4-(pyridin-3-yl)phenyl)silane), TpPyPB(1,3,5-tri(p-pyrid-3-yl-phenyl)benzene), Bpy-OXD(1,3-bis[2-(2,2'-bipyridine-6-yl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene), BP-OXD-Bpy(6,6'- bis[5-(biphenyl-4-yl)-1,3,4-oxadiazo-2-yl]-2,2'-bipyridyl), tBu-PBD(2-(4-Biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole) 및 ADN(9,10-di(naphthalene-2-yl) anthrascene) 중 적어도 하나의 재료를 포함하는 교류 기반 발광 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광층과 상기 유전체층 사이에 배치되는 정공 주입층을 더 포함하는 교류 기반 발광 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 정공 주입층은, PEDOT/PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/Poly(4- styrenesulfonate)), 프탈로시아닌 화합물, DNTPD(N,N′-diphenyl-N,N′-bis-[4-(phenyl-m-tolyl-amino)-phenyl]-biphenyl-4,4′-diamine), m-MTDATA(4,4',4''-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine), TDATA(4,4'4"-Tris(N,N-diphenylamino)triphenylamine), 2T-NATA(4,4', 4"-tris{N,-(2-naphthyl)-N-phenylamino}-triphenylamine), α-NPD(N,N'-bis(naphthalen-1-yl)-N,N'-bis(phenyl)-2,2'- dimethylbenzidine), PANI/DBSA (Polyaniline/Dodecylbenzenesulfonic acid), PANI/CSA(Polyaniline/Camphor sulfonicacid), PANI/PSS(Polyaniline)/Poly(4-styrenesulfonate), N,N′-di(naphthalene-1-yl)-N,N′-diphenyl-benzidine(NPB), poly(N-vinylcarbazole)(PVK), poly(4-vinyltriphenylamine) (PVTTA), poly[N-(4-{N′-[4-(4-diphenylamino)phenyl]phenyl-N′-phenylamino}phenyl)methacrylamide](PTPDMA) 및 poly[N,N′-bis(4-butylphenyl)-N,N′-bis(phenyl)benzidine (Poly-TPD) 중 적어도 하나의 재료를 포함하는 교류 기반 발광 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 전극은 도전성 외부 객체인 교류 기반 발광 소자.
  10. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상부에 배치되는 전자 주입층;
    상기 전자 주입층 상부에 배치되는 발광층; 및
    상기 발광층 상부에 배치되는 유전체층을 포함하는 적층 구조를 포함하고,
    상기 유전체층에 근접 접촉하는 도전성 외부 객체가 상기 유전체층을 통해 상기 발광층에 전기적으로 결합되어 상부 전극으로서 기능하는 교류 기반 발광 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 하부 전극은 서로 이격된 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 교류 전원이 인가되는 교류 기반 발광 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 적층 구조에서 상기 하부 전극과 상기 유전체층 사이에 교류 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 교류 기반 발광 소자.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 도전성 외부 객체는 사용자의 손가락 및 스타일러 펜 중 하나인 것을 특징으로 하는 교류 기반 발광 소자.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 발광층은 상기 유전체층 상부에 입력된 터치 입력 패턴에 따라 발광하는 것을 특징으로 하는 교류 기반 발광 소자.
  15. 역구조의 교류 기반 발광 소자;
    상기 역구조의 교류 기반 발광 소자를 통해 광을 검출하는 수광 센서; 및
    상기 수광 센서로부터 검출된 광에 기반하여, 지문 인식을 수행하는 프로세서를 포함하는 지문 인식 센서 플랫폼.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 역구조의 교류 기반 발광 소자는,
    서로 이격된 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 교류 전원이 인가되는 하부 전극;
    상기 하부 전극층 상에 배치되는 전자 주입층;
    상기 전자 주입층 상에 배치되는 발광층;
    상기 발광층 상에 배치되는 유전체층;
    상기 유전체층 상에 배치되고, 상기 제 1 전극과 대향하는 제 1 부분 및 상기 제 2 전극과 대향하는 제 2 부분을 포함하는 상부 전극;
    상기 상부 전극의 상기 제 1 부분과 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극 사이의 상기 발광층의 제 1 중첩 영역에 의해 정의되는 제 1 발광 영역; 및
    상기 상부 전극의 상기 제 2 부분과 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극 사이의 상기 발광층의 제 2 중첩 영역에 의해 정의되는 제 2 발광 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서 플랫폼.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 상부 전극은 상기 하부 전극, 상기 전자 주입층, 상기 발광층 및 유전체가 적층된 구조에 대해서, 상기 제 1 전극의 제 1 중첩 영역과 상기 제 2 전극의 제 2 중첩 영역 사이를 전기적으로 결합시키는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서 플랫폼.
  18. 제 16 항에 있어서,
    제 1 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극의 방향으로 전계가 형성되고,
    제 2 반주기 동안, 상기 하부 전극의 상기 제 1 전극, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 상기 제 2 전극의 방향으로 전계가 형성되는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서 플랫폼.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 발광 영역의 발광과 상기 제 2 발광 영역의 발광은 교대로 발생하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 센서 플랫폼.
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