KR20200021275A - 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

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Abstract

위상 변환 미러를 갖는 발광 소자 및 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 발광 소자는, 제 1 전극, 발광 구조체, 제 2 전극, 및 위상 변환 미러를 포함한다. 위상 변환 미러는 다수의 주기적인 패턴을 갖는다. 각각의 패턴은 바닥면, 상기 바닥면과 대향하는 상부면, 및 상기 바닥면과 상부면 사이의 측면을 포함하고, 상기 바닥면의 폭이 상기 상부면의 폭보다 더 크며, 상기 상기 바닥면의 폭과 상기 상부면의 폭이 상기 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장보다 작다.

Description

발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 {Light emitting device and display apparatus including the light emitting device}
개시된 실시예들은 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위상 변환 미러를 갖는 유기 전계 발광 소자 및 유기 전계 발광 디스플레이 장치에 관한 것이다.
유기 전계 발광 소자(organic light emitting device; OLED)는, 양극(anode)으로부터 공급되는 정공(hole)과 음극(cathode)으로부터 공급되는 전자(electron)가 유기 발광층 내에서 결합하여 빛을 방출함으로서 화상을 형성하는 디스플레이 소자이다. 이러한 유기 전계 발광소자는 넓은 시야각, 빠른 응답속도, 얇은 두께, 낮은 제조 비용 및 높은 콘트라스트(contrast) 등과 같은 우수한 디스플레이 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 유기 전계 발광 소자에서 유기 발광층의 재료로서 적절한 물질을 선택함으로써 원하는 색을 방출하게 할 수 있다. 이 원리에 따라, 유기 전계 발광 소자를 이용하여 컬러 디스플레이 장치를 구현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 청색 화소의 유기 발광층은 청색광을 발생시키는 유기 재료로 이루어지고, 녹색 화소의 유기 발광층은 녹색광을 발생시키는 유기 재료로 이루어지고, 적색 화소의 유기 발광층은 적색광을 발생시키는 유기 재료로 이루어질 수 있다. 또는, 하나의 유기 발광층 내에 청색광, 녹색광 및 적색광을 각각 발생시키는 복수의 유기 재료를 모두 배치하거나, 또는 서로 보색 관계에 있는 두 종류 이상의 유기 재료들의 쌍을 배치함으로써 백색 유기 전계 발광 소자를 구현할 수도 있다.
위상 변환 미러를 포함하는 발광 소자를 제공한다.
또한, 위상 변환 미러를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
개시된 발광 소자는, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 배치된 발광 구조체; 상기 발광 구조체 상에 배치된 제 2 전극; 및 상기 제 2 전극과 대향하는 제 1 전극의 표면 상에 배치된 것으로, 다수의 주기적인 패턴을 갖는 위상 변환 미러;를 포함하며, 각각의 패턴은 바닥면, 상기 바닥면과 대향하는 상부면, 및 상기 바닥면과 상부면 사이의 측면을 포함하고, 상기 바닥면의 폭이 상기 상부면의 폭보다 더 크며, 상기 상기 바닥면의 폭과 상기 상부면의 폭이 상기 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장보다 작을 수 있다.
상기 위상 변환 미러와 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 공진기를 구성하며, 상기 공진기의 공진 파장은 상기 패턴의 바닥면의 폭, 상기 패턴의 상부면의 폭, 상기 패턴의 깊이, 및 상기 패턴들의 배열 주기 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
예를 들어, 상기 공진기의 공진 파장을 λ라고 할 때, 상기 공진기의 광학적 길이가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 상기 패턴의 바닥면의 폭, 상기 패턴의 상부면의 폭, 상기 패턴의 깊이, 및 상기 패턴들의 배열 주기 중 적어도 하나가 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 전극은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 반투과 전극일 수 있다.
상기 패턴의 측면은 경사면일 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 패턴은 제 1 방향으로 연장된 막대 형태를 가지며, 다수의 패턴은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 배열될 수 있다.
다른 실시예에서, 각각의 패턴은 상부가 절단된 원뿔 형태 또는 상부가 절단된 다각뿔 형태를 가지며, 다수의 패턴은 2차원 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 전극은 반사성 금속으로 이루어지며, 상기 위상 변환 미러는 상기 제 1 전극과 동일한 반사성 금속으로 이루어질 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 1 전극은 반사성 금속으로 이루어지며, 상기 위상 변환 미러는 상기 제 1 전극과 상이한 반사성 금속으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 상기 바닥면의 폭과 상기 상부면의 폭의 합이 상기 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장보다 작을 수 있다.
또한, 상기 상기 바닥면의 폭과 상기 상부면의 폭의 합이 상기 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장의 1/3보다 작을 수 있다.
상기 발광 구조체는, 상기 제 1 전극 상에 배치된 정공 주입층; 상기 정공 주입층 상에 배치된 정공 수송층; 상기 정공 수송층 상에 배치된 유기 발광층; 상기 유기 발광층 상에 배치된 전자 수송층; 및 상기 전자 수송층 상에 배치된 전자 주입층;을 포함할 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 위상 변환 미러의 다수의 패턴 사이에 채워진 유전체를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전체는 상기 다수의 패턴의 상부면을 완전히 덮도록 구성되며, 상기 발광 소자는 상기 유전체와 상기 발광 구조체 사이에 배치되는 투명 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 발광 소자는 상기 제 1 전극과 상기 투명 전극을 전기적으로 연결하는 배선을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 발광 소자는 상기 위상 변환 미러와 상기 발광 구조체 사이에 배치되는 투명 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 개시된 디스플레이 장치는, 제 1 파장의 빛을 방출하는 제 1 화소; 및 제 1 파장과 상이한 제 2 파장의 빛을 방출하는 제 2 화소;를 포함하며,
상기 제 1 화소는, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 배치된 제 1 발광 구조체; 상기 발광 구조체 상에 배치된 제 2 전극; 및 상기 제 2 전극과 대향하는 제 1 전극의 표면 상에 배치된 것으로, 다수의 주기적인 패턴을 갖는 위상 변환 미러;를 포함하고, 각각의 패턴은 바닥면, 상기 바닥면과 대향하는 상부면, 및 상기 바닥면과 상부면 사이의 측면을 포함하고, 상기 바닥면의 폭이 상기 상부면의 폭보다 더 크며, 상기 바닥면의 폭과 상기 상부면의 폭이 상기 제 1 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장보다 작을 수 있다.
상기 위상 변환 미러와 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 제 1 공진기를 구성하며, 상기 제 1 공진기의 공진 파장이 상기 제 1 파장과 일치하도록 상기 제 2 전극과 상기 패턴의 상부면 사이의 거리, 상기 패턴의 바닥면의 폭, 상기 패턴의 상부면의 폭, 및 상기 패턴의 깊이가 선택될 수 있다.
또한, 상기 제 2 화소는, 제 3 전극; 상기 제 3 전극 상에 배치된 제 2 발광 구조체; 및 상기 제 2 발광 구조체 상에 배치된 제 4 전극;을 포함할 수 있다.
상기 제 3 전극과 상기 제 4 전극은 공진 파장을 갖는 제 2 공진기를 구성하며, 상기 제 2 공진기의 공진 파장이 상기 제 2 파장과 일치하도록 상기 제 3 전극과 상기 제 4 전극 사이의 거리가 선택될 수 있다.
상기 제 2 전극과 상기 패턴의 상부면 사이의 거리와 상기 제 3 전극과 상기 제 4 전극 사이의 거리가 동일할 수 있다.
상기 제 1 발광 구조체와 상기 제 2 발광 구조체가 모두 백색 가시광을 방출하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 디스플레이 장치는 상기 제 1 파장 및 제 2 파장과 상이한 제 3 파장의 빛을 방출하는 제 3 화소;를 더 포함하며, 상기 제 3 화소는, 제 5 전극; 상기 제 5 전극 상에 배치된 제 3 발광 구조체; 상기 발광 구조체 상에 배치된 제 6 전극; 및 상기 제 5 전극의 표면 상에 배치된 것으로, 다수의 패턴을 갖는 위상 변환 미러;를 포함하고, 상기 제 3 화소의 각각의 패턴은 바닥면, 상기 바닥면과 대향하는 상부면, 및 상기 바닥면과 상부면 사이의 측면을 포함하고, 상기 제 3 화소의 패턴의 바닥면의 폭이 상기 제 3 화소의 패턴의 상부면의 폭보다 더 크며, 상기 제 3 화소의 패턴의 바닥면의 폭과 상기 제 3 화소의 패턴의 상부면의 폭이 상기 제 3 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장보다 작을 수 있다.
상기 제 3 화소의 위상 변환 미러와 상기 제 6 전극은 공진 파장을 갖는 제 3 공진기를 구성하며, 상기 제 3 공진기의 공진 파장이 상기 제 3 파장과 일치하도록 상기 제 6 전극과 상기 제 3 화소의 패턴의 상부면 사이의 거리, 상기 제 3 화소의 패턴의 바닥면의 폭, 상기 제 3 화소의 패턴의 상부면의 폭, 및 상기 제 3 화소의 패턴의 깊이가 선택될 수 있다.
상기 제 6 전극과 상기 제 3 화소의 패턴의 상부면 사이의 거리는 상기 제 2 전극과 상기 제 1 화소의 패턴의 상부면 사이의 거리와 동일하며, 상기 제 3 화소의 패턴의 깊이는 상기 제 1 화소의 패턴의 깊이와 상이할 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 위상 변환 미러의 각각의 패턴의 다양한 치수, 예컨대, 패턴들의 주기, 패턴의 깊이, 패턴의 폭 등에 따라 발광 소자 내의의 공진기의 공진 파장이 결정될 수 있다. 따라서, 위상 변환 미러를 적절하게 구성함으로써 발광 소자 내의 공진기의 공진 파장을 발광 소자의 발광 파장에 용이하게 매칭시킬 수 있다.
또한, 위상 변환 미러의 각각의 패턴의 다양한 치수에 따라 공진기의 광학적 길이가 조절될 수 있기 때문에, 공진기의 광학적 길이를 조절하기 위하여 발광 소자의 물리적인 두께를 조절할 필요가 없다. 따라서, 다수의 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치에서 다수의 화소들의 두께를 동일하게 구성하는 것이 가능하며, 디스플레이 장치의 색순도도 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자의 위상 변환 미러를 확대하여 보이는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 위상 변환 미러의 다수의 패턴들의 다양한 형태를 보이는 사시도이다.
도 4는 녹색 파장 대역의 빛을 반사하도록 구성된 위상 변환 미러에서 패턴의 형태에 따른 반사광의 스펙트럼을 비교하는 그래프이다.
도 5는 적색 파장 대역의 빛을 반사하도록 구성된 위상 변환 미러에서 패턴의 형태에 따른 반사광의 스펙트럼을 비교하는 그래프이다.
도 6은 패턴의 깊이와 발광 소자에서 방출되는 빛의 파장 사이의 관계를 보이는 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 패턴의 깊이와 발광 소자에서 방출되는 빛의 스펙트럼 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 발광 소자(100)는, 제 1 전극(10), 제 1 전극(10) 상에 배치된 발광 구조체(20), 및 발광 구조체(20) 상에 배치된 제 2 전극(18)을 포함할 수 있다. 또한, 발광 소자(100)는 제 2 전극(18)에 대향하는 제 1 전극(10)의 표면 상에는 다수의 주기적인 패턴을 갖는 위상 변환 미러(11)를 더 포함할 수 있다.
발광 소자(100)는 유기 전계 발광 다이오드(OLED; organic light emitting diode)일 수 있다. 예컨대, 발광 구조체(20)는 정공 주입층(hole jnjection layer, 13), 정공 주입층(13) 상에 배치된 정공 수송층(hole tranfer layer, 14), 정공 수송층(14) 상에 배치된 유기 발광층(organic emission layer, 15), 유기 발광층(15) 상에 배치된 전자 수송층(electron transfer layer, 16), 및 전자 수송층(16) 상에 배치된 전자 주입층(electron injection layer, 17)을 포함할 수 있다. 또한, 도 1에는 도시되지 않았지만, 발광 구조체(20)는 필요에 따라 다양한 추가적인 층들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 발광 구조체(20)는 정공 수송층(14)과 유기 발광층(15) 사이에 전자 저지층(electron block layer)을 더 포함할 수 있고, 또한 유기 발광층(15) 전자 수송층(16) 사이에 정공 저지층(hole block layer)을 더 포함할 수도 있다. 이러한 구조에서, 정공 주입층(13) 및 정공 수송층(14)을 통해 제공된 정공과 전자 주입층(17) 및 전자 수송층(16)을 통해 제공된 전자가 유기 발광층(15)에서 결합하여 빛이 발생하게 된다. 발생하는 빛의 파장은 유기 발광층(15)의 발광 재료의 에너지 밴드갭에 의해 결정될 수 있다.
그러나 상술한 유기 전계 발광 다이오드의 구조는 발광 소자(100)의 일 예일 뿐이며, 발광 소자(100)는 유기 전계 발광 다이오드로만 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 발광 소자(100)의 구조 및 원리는 무기 전계 발광 다이오드에도 적용될 수 있다. 이하에서는 편의상, 발광 소자(100)가 유기 전계 발광 다이오드인 것으로 설명한다.
발광 구조체(20)의 하부에 배치된 제 1 전극(10)은 빛(예컨대, 가시광)을 반사하는 반사 전극이며, 정공을 제공하는 양극의 역할을 할 수 있다. 그리고, 발광 구조체(20)의 상부에 배치된 제 2 전극(18)은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 반투과 전극이며, 전자를 제공하는 음극의 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 제 1 전극(10)은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)과 같이 반사도와 전기 전도도가 우수한 금속성 재료로 이루어질 수 있다. 제 2 전극(18)은 매우 얇은 두께의 반사성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극(18)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 은(Ag)과 마그네슘(Mg)의 혼합층, 또는 알루미늄(Al)과 리튬(Li)의 혼합층일 수 있으며, 제 2 전극(18)의 전체 두께는 약 5 nm 내지 20 nm일 수 있다. 제 2 전극(18)의 재료가 비록 금속이지만, 제 2 전극(18)의 두께가 매우 얇기 때문에 빛의 일부가 제 2 전극(18)을 통과하고 일부는 반사될 수 있다.
위상 변환 미러(11)는 제 1 전극(10)과 동일한 도전성 재료로 이루어지며 제 1 전극(10)의 일부로 볼 수 있다. 다시 말해, 위상 변환 미러(11)는 제 1 전극(10)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(10)의 평평한 상부면을 식각하여 위상 변환 미러(11)를 형성할 수 있다. 위상 변환 미러(11)는 다수의 나노 규모의패턴을 갖기 때문에 위상 변환 미러(11)에서 반사되는 반사광의 위상을 변화시킬 수 있다.
한편, 발광 소자(100)는 위상 변환 미러(11)의 다수의 패턴(11a) 사이에 채워진 유전체(12)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체(12)는 SiO2, SiNx, Al2O3, HfO2 등과 같이 가시광에 대해 투명한 절연성 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 유전체(12)의 굴절률에 따라 반사광의 위상을 미세하게 조절하는 것도 가능하다. 또한, 유전체(12)는 발광 구조체(20)를 제 1 전극(10) 위에 형성하기 위한 평탄화층의 역할을 할 수도 있다. 이를 위해, 유전체(12)는 패턴(11a)의 상부면을 완전히 덮도록 형성될 수 있으며, 유전체(12)의 상부 표면은 평평할 수 있다.
또한, 발광 소자(100)는 유전체(12)와 발광 구조체(20) 사이에 배치된 투명 전극(10a) 및 투명 전극(10a)과 제 1 전극(10)을 전기적으로 연결하는 배선(10b)을 더 포함할 수 있다. 유전체(12)가 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)의 상부면을 완전히 덮으면, 제 1 전극(10)으로부터 발광 구조체(20)로 전류가 흐르지 않게 된다. 투명 전극(10a)과 배선(10b)은 발광 구조체(20)를 제 1 전극(10)에 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 투명 전극(10a)은, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indume zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자(100)의 위상 변환 미러(11)를 확대하여 보이는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 위상 변환 미러(11)는 일정한 주기로 배열된 다수의 나노 규모의 패턴(11a)을 포함할 수 있다. 도 2에는 편의상 단지 4개의 패턴(11a)만이 도시되었지만, 실제로는 매우 많은 수의 패턴(11a)들이 배열될 수 있다. 위상 변환 미러(11)의 각각의 패턴(11a)은 바닥면(11b), 바닥면(11b)과 대향하는 상부면(11t), 및 바닥면(11b)과 상부면(11t) 사이의 측면(11s)을 포함한다. 패턴(11a)들의 배열 주기는 인접한 2개의 패턴(11a) 사이의 간격(11g)의 폭(g)과 각각의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba)과의 합으로 볼 수 있다.
본 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 바닥면(11b)의 폭(ba)이 상부면(11t)의 폭(ta)보다 더 크고, 측면(11s)은 경사면이다. 따라서, 각각의 패턴(11a)의 단면은 사다리꼴의 형태를 갖는다. 그러면 빛이 패턴(11a)들 사이의 간격(11g) 내부까지 용이하게 침투한 후에 반사되어 나갈 수 있다.
예를 들어, 위상 변환 미러(11)에 입사하는 입사광의 일부(L1)는 패턴(11a)의 상부면(11t)에서 반사되고 다른 일부(L2)는 패턴(11a)들 사이의 간격(11g) 내부에서 반사된다. 따라서, 패턴(11a)의 상부면(11t)에서 반사된 빛(L1)과 패턴(11a)들 사이의 간격(11g) 내부에서 반사된 빛(L2) 사이에 위상차가 발생하게 된다. 이러한 방식으로 위상 변환 미러(11)는 반사광의 위상을 변화시킬 수 있다. 만약 상부면(11t)의 폭(ta)이 바닥면(11b)의 폭(ba)과 같거나 또는 그보다 더 크면, 빛이 패턴(11a)들 사이의 간격(11g) 내부까지 충분히 들어오지 못하기 때문에 반사광의 위상을 원하는 만큼 정확하게 변화시키기 어려울 수 있다.
위상 변환 미러(11)에 의한 반사광의 위상 변화는 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d) 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다. 균일하고 정확한 위상 변화를 위해 패턴(11a)들의 크기는 입사광, 예를 들어 발광 구조체(20)에서 발생하는 빛의 파장보다 작을 수 있다. 발광 구조체(20)가 가시광의 영역의 빛을 방출하는 경우, 패턴(11a)들의 크기는 가시광보다 작을 수 있다. 예를 들어, 바닥면(11b)의 폭(ba)과 상부면(11t)의 폭(ta)의 합이 발광 구조체(20)에서 발생하는 빛의 파장보다 작을 수 있다. 또는, 바닥면(11b)의 폭(ba)과 상부면(11t)의 폭(ta)의 합이 발광 구조체(20)에서 발생하는 빛의 파장의 1/3보다도 작을 수 있다.
상술한 위상 변환 미러(11)의 다수의 패턴(11a)은 1차원 배열 구조 또는 2차원 배열 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3c는 위상 변환 미러(11)의 다수의 패턴(11a)들의 다양한 형태를 보이는 사시도이다.
먼저, 도 3a는 1차원 배열된 위상 변환 미러(11)의 다수의 패턴(11a)을 보인다. 도 3a를 참조하면, 각각의 패턴(11a)은 제 1 방향으로 길게 연장된 막대 형태를 가지며, 다수의 패턴(11a)은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 배열될 수 있다. 이 경우, 각각의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba)은, 예를 들어, 30 nm 내지 300 nm일 수 있다. 또한, 상부면(11t)의 폭(ta)을 바닥면(11b)의 폭(ba)으로 나눈 비(r)는, 예를 들어, 0보다 크기 1보다 작고(0 < r < 1), 패턴(11a)들의 주기(p)는 (바닥면(11b)의 폭(ba) + 10 nm) ≤ p ≤ (발광 구조체(20)에서 발생하는 빛의 파장)의 관계를 만족할 수 있다.
또한, 도 3b 및 도 3c는 2차원 배열된 위상 변환 미러(11)의 다수의 패턴(11a)을 보인다. 도 3b를 참조하면, 각각의 패턴(11a)은 예를 들어 상부가 절단된(truncated) 원뿔 형태를 가지며, 다수의 패턴(11a)은 2차원 배열될 수 있다. 또한, 도 3c를 참조하면, 각각의 패턴(11a)은 상부가 절단된 사각뿔 형태를 가질 수도 있다. 사각뿔 형태 외에도, 각각의 패턴(11a)은 상부가 절단된 다양한 다각뿔 형태를 가질 수도 있다. 또한, 도 3b 및 도 3c에는 다수의 패턴(11a)이 제 1 방향 및 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 사각형 모양으로 2차원 배열된 것으로 도시되었지만, 다수의 패턴(11a)이 삼각형 또는 육각형 모양으로 2차원 배열될 수도 있다. 다수의 패턴(11a)이 2차원 배열된 경우, 각각의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba)은, 예를 들어, 30 nm 내지 300 nm일 수 있다. 또한, 상부면(11t)의 폭(ta)을 바닥면(11b)의 폭(ba)으로 나눈 비(r)는, 예를 들어, 0보다 크기 1보다 작고(0 < r < 1), 패턴(11a)들의 주기(p)는 (바닥면(11b)의 폭(ba) + 10 nm) ≤ p ≤ (발광 구조체(20)에서 발생하는 빛의 파장)의 관계를 만족할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 위상 변환 미러(11)는 제 2 전극(18)과 함께 공진기(L)를 구성하는 역할을 한다. 다시 말해, 발광 소자(100)의 위상 변환 미러(11)와 제 2 전극(18) 사이에 공진기(L)가 형성된다. 따라서, 발광 구조체(20)에서 발생한 빛은 위상 변환 미러(11)와 제 2 전극(18) 사이를 왕복하며 공진한 후에 공진기(L)의 공진 파장에 해당하는 빛이 제 2 전극(18)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
공진기(L)의 공진 파장은 공진기(L)의 광학적 길이(optical length)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 공진기(L)의 공진 파장을 λ라고 할 때, 공진기(L)의 광학적 길이는 nλ/2 (n은 자연수)일 수 있다. 이러한 공진기(L)의 광학적 길이는 발광 구조체(20)의 광학적 두께, 투명 전극(10a)의 광학적 두께, 유전체(12)의 상부 표면과 패턴(11a)의 상부면(11t) 사이의 광학적 두께, 제 2 전극(18)에 의한 위상 변화, 및 위상 변환 미러(11)에 의한 위상 변화의 합으로 결정될 수 있다. 여기서, 발광 구조체(20)의 광학적 두께, 투명 전극(10a)의 광학적 두께, 및 유전체(12)의 상부 표면과 패턴(11a)의 상부면(11t) 사이의 광학적 두께는 단순한 물리적인 두께가 아니라 제 2 전극(18)과 위상 변환 미러(11)의 각각의 패턴(11a)의 상부면(11t) 사이의 모든 재료들의 굴절률을 고려한 두께이다. 본 실시예에 따르면, 발광 구조체(20)의 광학적 두께, 투명 전극(10a)의 광학적 두께, 유전체(12)의 상부 표면과 패턴(11a)의 상부면(11t) 사이의 광학적 두께, 및 제 2 전극(18)에 의한 위상 변화를 고정하여 두고, 위상 변환 미러(11)에 의한 위상 변화만을 조절함으로써 공진기(L)의 광학적 길이 또는 공진기의 공진 파장을 조절할 수 있다.
위에서 이미 설명한 바와 같이, 위상 변환 미러(11)에 의한 위상 변화는 각각의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d) 중 적어도 하나에 의해 결정된다. 따라서, 위상 변환 미러(11)와 제 2 전극(18) 사이에 형성되는 공진기(L)의 공진 파장은 위상 변환 미러(11)의 각각의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d) 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다. 다시 말해, 공진기(L)의 공진 파장이 λ이고 발광 구조체(20)의 광학적 두께, 투명 전극(10a)의 광학적 두께, 유전체(12)의 상부 표면과 패턴(11a)의 상부면(11t) 사이의 광학적 두께, 및 제 2 전극(18)에 의한 위상 변화가 고정되었을 때, 공진기(L)의 광학적 길이가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 위상 변환 미러(11)의 각각의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d) 중 적어도 하나가 선택될 수 있다. 따라서, 위상 변환 미러(11)를 적절하게 구성함으로써 발광 소자(100) 내의 공진기(L)의 공진 파장을 발광 소자(100)의 발광 파장에 용이하게 매칭시킬 수 있다.
도 4는 녹색 파장 대역의 빛을 반사하도록 구성된 위상 변환 미러(11)에서 패턴의 형태에 따른 반사광의 스펙트럼을 비교하는 그래프이다. 도 4에서 실선으로 표시된 그래프는 개시된 실시예와 같이 각각의 패턴(11a)이 사다리꼴인 경우에 반사광의 스펙트럼을 나타내고, 점선으로 표시된 그래프는 비교예로서 각각의 패턴이 직사각형인 경우에 반사광의 스펙트럼을 나타낸다. 각각의 패턴(11a)이 사다리꼴인 경우에서, 각각의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba)은 100 nm, 상부면(11t)의 폭(ta)은 50 nm, 2개의 패턴(11a) 사이의 간격(11g)의 폭(g)은 250 nm, 패턴(11a)의 깊이(d)는 36 nm이었다. 비교예의 경우, 상부면의 폭이 바닥면의 폭과 동일하고, 패턴의 깊이는 21 nm이었다. 도 4를 참조하면, 녹색 파장 영역에서 실선의 피크가 점선의 피크보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 청색 파장 영역에서 점선의 피크는 녹색 파장 영역에서 점선의 피크보다 단지 약간 작은 정도이지만, 청색 파장 영역에서 실선의 피크는 크게 억제되었음을 알 수 있다. 따라서, 발광 소자(100)에서 방출되는 빛의 색순도가 향상될 수 있다.
또한, 도 5는 적색 파장 대역의 빛을 반사하도록 구성된 위상 변환 미러에서 패턴의 형태에 따른 반사광의 스펙트럼을 비교하는 그래프이다. 도 5에서 실선으로 표시된 그래프는 개시된 실시예와 같이 각각의 패턴(11a)이 사다리꼴인 경우에 반사광의 스펙트럼을 나타내고, 점선으로 표시된 그래프는 비교예로서 각각의 패턴이 직사각형인 경우에 반사광의 스펙트럼을 나타낸다. 각각의 패턴(11a)이 사다리꼴인 경우에서, 각각의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba)은 100 nm, 상부면(11t)의 폭(ta)은 50 nm, 2개의 패턴(11a) 사이의 간격(11g)의 폭(g)은 250 nm, 패턴(11a)의 깊이(d)는 96 nm이었다.이었다. 비교예의 경우, 상부면의 폭이 바닥면의 폭과 동일하고, 패턴의 깊이는 71 nm이었다. 도 5를 참조하면, 적색 파장 영역에서 실선의 피크는 점선의 피크보다 크다. 또한, 점선 그래프의 경우 청색 파장 영역에서 작은 피크가 나타났지만, 실선 그래프의 경우 작은 피크가 자외선 영역에 보다 가깝게 밀려났다.
도 6은 패턴(11a)의 깊이(d)와 발광 소자(100)에서 방출되는 빛의 파장 사이의 관계를 보이는 시뮬레이션 결과이다. 예를 들어, 발광 구조체(20)의 광학적 두께를 청색 파장의 1/2의 정수배로 고정하고, 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba)은 100 nm, 상부면(11t)의 폭(ta)은 50 nm, 2개의 패턴(11a) 사이의 간격(11g)의 폭(g)은 200 nm로 고정하고, 패턴(11a)의 깊이(d)를 0 nm부터 100 nm까지 변화시키면서 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고, 발광 구조체(20)에서 백색광이 방출되는 것으로 가정하였다. 도 6을 참조하면, 패턴(11a)의 깊이(d)가 작으면 위상 변환 미러(11)에 의한 영향이 작아지면서 발광 소자(100)로부터 청색 파장의 빛이 방출된다. 그리고, 패턴(11a)의 깊이(d)가 깊어질수록 발광 소자(100)로부터 방출되는 빛의 파장이 장파장 방향으로 이동한다. 패턴(11a)의 깊이(d)가 약 90 nm에 이르면 발광 소자(100)가 적색 파장의 빛을 방출하게 된다.
도 7은 패턴(11a)의 깊이(d)와 발광 소자(100)에서 방출되는 빛의 스펙트럼 사이의 관계를 보이는 그래프로서, 도 6의 경우와 동일한 조건에서 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 도 7을 참조하면, 패턴(11a)의 깊이(d)가 1 nm일 때 청색 파장을 중심으로 하는 스펙트럼을 얻었으며, 패턴(11a)의 깊이(d)가 31 nm이 때 녹색 파장을 중심으로 하는 스펙트럼을 얻었고, 패턴(11a)의 깊이(d)가 91 nm일 때 적색 파장을 중심으로 하는 스펙트럼을 얻었다.
따라서, 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)의 깊이(d)만을 조절하는 것으로도 발광 소자(100)의 공진기(L)의 공진 파장을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다. 다시 말해, 발광 구조체(20)의 광학적 두께, 투명 전극(10a)의 광학적 두께, 유전체(12)의 상부 표면과 패턴(11a)의 상부면(11t) 사이의 광학적 두께, 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기를 적절한 값으로 고정하여 두고, 단지 패턴(11a)들의 깊이(d)만을 변경함으로써, 발광 소자(100)에서 공진기(L)의 공진 파장을 발광 소자(100)의 발광 파장 또는 발광색에 용이하게 매칭시킬 수 있다. 따라서, 발광 소자(100)에서 방출되는 빛의 색순도를 용이하게 향상시킬 수 있다. 패턴(11a)의 깊이(d)는, 발광 구조체(20)의 광학적 두께, 투명 전극(10a)의 광학적 두께, 유전체(12)의 상부 표면과 패턴(11a)의 상부면(11t) 사이의 광학적 두께, 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기에 따라 달라질 수 있지만, 대략적으로 0 nm 내지 250 nm 사이에서 선택될 수 있다.
예를 들어, 발광 소자(100)가 적색 발광 소자인 경우, 공진기(L)의 공진 파장이 적색 파장 대역에 대응하도록 위상 변환 미러(11)의 각각의 패턴(11a)의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d)를 선택할 수 있다. 그리고, 유기 발광층(15)은 적색 발광 재료만을 포함할 수 있다. 대신에, 유기 발광층(15)은 청색 발광 재료, 녹색 발광 재료, 및 적색 발광 재료를 모두 포함하고, 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)들의 수치만으로 발광 소자(100)의 발광 파장을 결정하는 것도 가능하다.
도 8은 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 발광 소자(110)는 위상 변환 미러(11)의 다수의 패턴(11a) 사이에만 채워진 유전체(12)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체(12)의 상부 표면은 패턴(11a)들의 상부면과 동일 평면 상에 위치할 수 있다. 이 경우, 투명 전극(10a)은 별도의 배선 없이 제 1 전극(10)과 전기적으로 연결될 수 있다. 도 8에 도시된 발광 소자(110)의 나머지 구성은 도 1에 도시된 발광 소자(100)의 구성과 동일할 수 있다.
지금까지 위상 변환 미러(11)가 제 1 전극(10)과 일체로 형성된 것으로 설명하였으나, 위상 변환 미러(11)와 제 1 전극(10)이 별도로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도 9는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 9를 참조하면, 발광소자(120)는 평평한 상부 표면을 갖는 제 1 전극(10), 및 제 1 전극(10)의 상부 표면 위에 적층된 위상 변환 미러(11)를 포함할 수 있다. 위상 변환 미러(11)는, 먼저 형성된 평평한 제 1 전극(10) 위에 추가적으로 형성될 수 있다. 이 경우, 위상 변환 미러(11)는 제 1 전극(10)과 동일한 반사성 금속으로 이루어질 수도 있고, 또는 제 1 전극(10)과 상이한 반사성 금속으로 이루어질 수도 있다.
또한, 도 10은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 10에 도시된 발광 소자(130)는 유전체를 별도로 포함하지 않으며, 위상 변환 미러(11) 위에 투명 전극(10a)이 직접적으로 배치될 수 있다. 투명 전극(10a)은 위상 변환 미러(11)와 발광 구조체(20) 사이에 배치되어, 발광 구조체(20)의 형성을 위한 평탄화층의 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 투명 전극(10a)은 위상 변환 미러(11)의 다수의 패턴(11a) 사이를 채우고 패턴(11a)들의 상부면을 완전히 덮도록 구성된다. 또한, 투명 전극(10a)의 상부 표면이 평평하도록 구성된다. 이 경우, 투명 전극(10a)은 별도의 배선 없이 제 1 전극(10)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상술한 발광 소자(100, 110, 120, 130)들은 위상 변환 미러(11)의 구조에 따라 가시광의 파장 대역 내에서 공진기의 공진 파장을 조절할 수 있기 때문에 디스플레이 장치에 적용할 수 있다. 예를 들어, 도 11은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 11을 참조하면, 일 실시예에 다른 디스플레이 장치(200)는 기판(201) 및 기판(201) 상에 일렬로 배치된 제 1 화소(100B), 제 2 화소(100G) 및 제 3 화소(100R)를 포함할 수 있다. 도 11에서는 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)가 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 동일한 구조를 갖는 것으로 도시되었으나, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)는 도 8 내지 도 10에 도시된 발광 소자(110, 120, 130)의 구조를 가질 수도 있다. 또한, 도 11에서는 편의상 단지 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)를 각각 하나씩만 도시하였지만, 실제로는 대단히 많은 수의 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)들이 반복적으로 배열될 수 있다.
예를 들어, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)의 각각은, 기판(201) 상에 배치되며 위상 변환 미러(11)을 구비하는 제 1 전극(10), 위상 변환 미러(11) 상에 배치된 유전체(12), 유전체(12) 상에 배치된 투명 전극(10a), 투명 전극(10a) 상에 배치된 발광 구조체(20), 및 발광 구조체(20) 상에 배치된 제 2 전극(18)을 포함할 수 있다. 디스플레이 장치(200)가 유기 전계 발광 디스플레이 장치인 경우, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)들의 각각의 발광 구조체(20)는, 투명 전극(10a) 상에 배치된 정공 주입층(13), 정공 주입층(13) 상에 배치된 정공 수송층(14), 정공 수송층(14) 상에 배치된 유기 발광층(15), 유기 발광층(15) 상에 배치된 전자 수송층(16), 및 전자 수송층(16) 상에 배치된 전자 주입층(17)을 포함할 수 있다.
제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)는 서로 다른 파장의 빛을 방출하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 제 1 화소(100B)는 청색 계열인 제 1 파장 대역(λ1)의 빛(B)을 방출하도록 구성되고, 제 2 화소(100G)는 녹색 계열인 제 2 파장 대역(λ2)의 빛(G)을 방출하도록 구성되고, 제 3 화소(100R)는 적색 계열인 제 3 파장 대역(λ3)의 빛(R)을 방출하도록 구성될 수 있다. 이를 위하여, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)들의 공진기의 광학적 길이가 서로 다르도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 공진기의 광학적 길이는 발광 구조체(20)의 광학적 두께, 투명 전극(10a)의 광학적 두께, 유전체(12)의 광학적 두께, 제 2 전극(18)에 의한 위상 변화, 및 위상 변환 미러(11)에 의한 위상 변화의 합으로 결정될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 발광 구조체(20)의 광학적 두께, 투명 전극(10a)의 광학적 두께, 유전체(12)의 광학적 두께, 및 제 2 전극(18)에 의한 위상 변화를 고정하여 두고, 위상 변환 미러(11)에 의한 위상 변화만을 조절함으로써 공진기의 광학적 길이 또는 공진기의 공진 파장을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제 1 화소(100B)의 위상 변환 미러(11)에 의한 위상 변화(φ1), 제 2 화소(100G)의 위상 변환 미러(11)에 의한 위상 변화(φ2), 제 3 화소(100R)의 위상 변환 미러(11)에 의한 위상 변화(φ3)가 서로 다르도록 구성될 수 있다.
다시 말해, 제 1 화소(100B)의 공진기의 공진 파장이 제 1 파장 대역(λ1)에 대응하도록 제 1 화소(100B)의 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)들의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d)가 선택되며, 제 2 화소(100G)의 공진기의 공진 파장이 제 2 파장 대역(λ2)에 대응하도록 제 2 화소(100G)의 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)들의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d)가 선택되고, 제 3 화소(100R)의 공진기의 공진 파장이 제 3 파장 대역(λ3)에 대응하도록 제 3 화소(100R)의 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)들의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d)가 선택될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하자면, 제 1 화소(100B)의 공진기의 광학적 길이가 nλ1/2가 되도록 제 1 화소(100B)의 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)들의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d)가 선택되고, 제 2 화소(100G)의 공진기의 광학적 길이가 nλ2/2가 되도록 제 2 화소(100G)의 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)들의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d)가 선택되며, 제 3 화소(100R)의 공진기의 광학적 길이가 nλ3/2가 되도록 제 3 화소(100R)의 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)들의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d)가 선택될 수 있다. 여기서, n은 자연수이다.
상술한 바와 같이, 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)들의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 패턴(11a)들의 배열 주기, 및 패턴(11a)들의 깊이(d)에 따라 공진기의 광학적 길이가 조절될 수 있다. 또한, 도 6 및 도 7에서 설명한 바와 같이, 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)들의 바닥면(11b)의 폭(ba), 상부면(11t)의 폭(ta), 및 패턴(11a)들의 배열 주기를 특정한 값으로 고정하여 두고, 패턴(11a)들의 깊이(d)만을 조절하는 것으로도 가시광 영역 내에서 공진기의 공진 파장을 충분히 조절할 수 있다.
결과적으로, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)의 각각의 공진기의 광학적 길이를 조절하기 위하여 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)의 각각의 두께를 조절할 필요가 없으므로, 디스플레이 장치(200)에서 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)의 두께를 동일하게 구성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)에서 제 2 전극(18)과 제 1 전극(10) 사이의 광학적 길이가 모두 동일할 수 있다. 따라서, 디스플레이 장치(200)의 제조 공정이 단순하게 되어 디스플레이 장치(200)의 대면적화가 용이하게 될 수 있다. 또한, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)의 공진기의 공진 파장을 정확하게 조절할 수 있기 때문에 디스플레이 장치(200)의 색순도도 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 도 11에 도시된 디스플레이 장치(200)의 경우, 제 1 화소(100B)에서 위상 변환 미러(11)의 패턴(11a)들의 깊이(d)는 0 nm일 수 있다. 다시 말해, 제 1 전극(10)이 평평한 상부 표면을 가질 수 있다. 이 경우, 제 1 화소(100B)에는 위상 변환 미러(11)가 형성되지 않은 것으로 볼 수 있다. 그리고, 제 2 화소(100G)와 제 3 화소(100R)는 패턴(11a)들의 깊이(d)가 상이한 제 2 위상 변환 미러(11G)와 제 3 위상 변환 미러(11R)를 각각 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 위상 변환 미러(11G)의 패턴(11a)들의 깊이(d)는 약 30 nm이고, 제 3 위상 변환 미러(11R)의 패턴(11a)들의 깊이(d)는 약 90 nm일 수 있다. 이러한 패턴(11a)들의 깊이(d) 외에는 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)의 구성이 완전히 동일할 수 있다.
한편, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)의 유기 발광층(15)들은 각각 다르게 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 화소(100B)의 유기 발광층(15)은 청색 계열의 빛을 발생시키는 발광 재료를 포함하고, 제 2 화소(100G)의 유기 발광층(15)은 녹색 계열의 빛을 발생시키는 발광 재료를 포함하고, 제 3 화소(100R)의 유기 발광층(15)은 적색 계열의 빛을 발생시키는 발광 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)들의 발광 특성이 위상 변환 미러(11)의 구조만으로 결정될 수 있기 때문에, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)의 유기 발광층(15)들은 서로 동일하게 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)의 유기 발광층(15)들은 모두 백색 가시광을 방출하도록 구성될 수 있다. 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)의 유기 발광층(15)들이 동일한 경우, 디스플레이 장치(200)의 제조 공정이 더욱 단순하게 될 수 있다.
도 11에 도시된 디스플레이 장치(200)에서 제 1 화소(100B)에는 위상 변환 미러(11)가 형성되지 않은 것으로 도시되었으나, 패턴(11a)들의 치수에 따라서는 제 1 화소(100B)에도 위상 변환 미러(11)가 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도 12는 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 12에 도시된 디스플레이 장치(210)의 제 1 화소(100B)는 제 1 위상 변환 미러(11B)를 포함하고, 제 2 화소(100G)는 제 2 위상 변환 미러(11G)를 포함하고, 제 2 화소(100R)는 제 3 위상 변환 미러(11R)를 포함한다. 이 경우, 제 2 위상 변환 미러(11G)의 패턴(11a)들의 깊이(d)는 제 1 위상 변환 미러(11B)의 패턴(11a)들의 깊이(d)보다 크고, 제 3 위상 변환 미러(11R)의 패턴(11a)들의 깊이(d)는 제 2 위상 변환 미러(11G)의 패턴(11a)들의 깊이(d)보다 클 수 있다.
또한, 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)들의 발광 특성이 위상 변환 미러(11)들의 구조만으로 결정될 수 있기 때문에, 디스플레이 장치(200, 210)는 별도의 컬러 필터를 포함하지 않을 수 있다. 그러나, 디스플레이 장치(200, 210)의 색순도를 더욱 향상시키기 위하여, 필요에 따라서는 컬러 필터가 더 배치될 수도 있다. 예를 들어, 도 13은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 13을 참조하면, 디스플레이 장치(220)는 제 1 화소(100B) 위에 배치된 제 1 컬러 필터(30B), 제 2 화소(100G) 위에 배치된 제 2 컬러 필터(30G), 및 제 3 화소(100R) 위에 배치된 제 3 컬러 필터(30R)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 컬러 필터(30B)는 청색 계열인 제 1 파장 대역(λ1)의 빛(B)만을 투과하도록 구성되고, 제 2 컬러 필터(30G)는 녹색 계열인 제 2 파장 대역(λ2)의 빛(G)만을 투과하도록 구성되고, 제 3 컬러 필터(30R)는 적색 계열인 제 3 파장 대역(λ3)의 빛(R)만을 투과하도록 구성될 수 있다. 디스플레이 장치(220)의 나머지 구조는 도 11에 도시된 디스플레이 장치(200) 또는 도 12에 도시된 디스플레이 장치(210)와 동일할 수 있다.
상술한 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10.....제 1 전극 10a....투명 전극
10b....배선 11.....위상 변환 미러
12.....유전체 13.....정공 주입층
14.....정공 수송층 15.....유기 발광층
16.....전자 수송층 17.....전자 주입층
18.....제 2 전극 20.....발광 구조체
30B, 30G, 30R.....컬러 필터
100, 110, 120, 130, 140.....발광 소자
100B, 100G, 100R.....화소
200, 210, 220.....디스플레이 장치
201.....기판

Claims (28)

  1. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에 배치된 발광 구조체;
    상기 발광 구조체 상에 배치된 제 2 전극; 및
    상기 제 2 전극과 대향하는 제 1 전극의 표면 상에 배치된 것으로, 다수의 주기적인 패턴을 갖는 위상 변환 미러;를 포함하며,
    각각의 패턴은 바닥면, 상기 바닥면과 대향하는 상부면, 및 상기 바닥면과 상부면 사이의 측면을 포함하고,
    상기 바닥면의 폭이 상기 상부면의 폭보다 더 크며,
    상기 상기 바닥면의 폭과 상기 상부면의 폭이 상기 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장보다 작은 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변환 미러와 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 공진기를 구성하며,
    상기 공진기의 공진 파장은 상기 패턴의 바닥면의 폭, 상기 패턴의 상부면의 폭, 상기 패턴의 깊이, 및 상기 패턴들의 배열 주기 중 적어도 하나에 의해 결정되는 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공진기의 공진 파장을 λ라고 할 때, 상기 공진기의 광학적 길이가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 상기 패턴의 바닥면의 폭, 상기 패턴의 상부면의 폭, 상기 패턴의 깊이, 및 상기 패턴들의 배열 주기 중 적어도 하나가 선택되는 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 반투과 전극인 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴의 측면은 경사면인 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각각의 패턴은 제 1 방향으로 연장된 막대 형태를 가지며, 다수의 패턴은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 배열되어 있는 발광 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    각각의 패턴은 상부가 절단된 원뿔 형태 또는 상부가 절단된 다각뿔 형태를 가지며, 다수의 패턴은 2차원 배열되어 있는 발광 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 반사성 금속으로 이루어지며, 상기 위상 변환 미러는 상기 제 1 전극과 동일한 반사성 금속으로 이루어진 발광 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 반사성 금속으로 이루어지며, 상기 위상 변환 미러는 상기 제 1 전극과 상이한 반사성 금속으로 이루어진 발광 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 상기 바닥면의 폭과 상기 상부면의 폭의 합이 상기 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장보다 작은 발광 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 상기 바닥면의 폭과 상기 상부면의 폭의 합이 상기 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장의 1/3보다 작은 발광 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 구조체는:
    상기 제 1 전극 상에 배치된 정공 주입층;
    상기 정공 주입층 상에 배치된 정공 수송층;
    상기 정공 수송층 상에 배치된 유기 발광층;
    상기 유기 발광층 상에 배치된 전자 수송층; 및
    상기 전자 수송층 상에 배치된 전자 주입층;을 포함하는 발광 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변환 미러의 다수의 패턴 사이에 채워진 유전체를 더 포함하는 발광 소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 다수의 패턴의 상부면을 완전히 덮도록 구성되며,
    상기 발광 소자는 상기 유전체와 상기 발광 구조체 사이에 배치되는 투명 전극을 더 포함하는 발광 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 투명 전극을 전기적으로 연결하는 배선을 더 포함하는 발광 소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변환 미러와 상기 발광 구조체 사이에 배치되는 투명 전극을 더 포함하는 발광 소자.
  17. 제 1 파장의 빛을 방출하는 제 1 화소; 및
    제 1 파장과 상이한 제 2 파장의 빛을 방출하는 제 2 화소;를 포함하며,
    상기 제 1 화소는:
    제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에 배치된 제 1 발광 구조체;
    상기 발광 구조체 상에 배치된 제 2 전극; 및
    상기 제 2 전극과 대향하는 제 1 전극의 표면 상에 배치된 것으로, 다수의 주기적인 패턴을 갖는 위상 변환 미러;를 포함하고,
    각각의 패턴은 바닥면, 상기 바닥면과 대향하는 상부면, 및 상기 바닥면과 상부면 사이의 측면을 포함하고,
    상기 바닥면의 폭이 상기 상부면의 폭보다 더 크며,
    상기 바닥면의 폭과 상기 상부면의 폭이 상기 제 1 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장보다 작은 디스플레이 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 위상 변환 미러와 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 제 1 공진기를 구성하며,
    상기 제 1 공진기의 공진 파장이 상기 제 1 파장과 일치하도록 상기 제 2 전극과 상기 패턴의 상부면 사이의 거리, 상기 패턴의 바닥면의 폭, 상기 패턴의 상부면의 폭, 및 상기 패턴의 깊이가 선택되는 디스플레이 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 화소는:
    제 3 전극;
    상기 제 3 전극 상에 배치된 제 2 발광 구조체; 및
    상기 제 2 발광 구조체 상에 배치된 제 4 전극;을 포함하는 디스플레이 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 3 전극과 상기 제 4 전극은 공진 파장을 갖는 제 2 공진기를 구성하며,
    상기 제 2 공진기의 공진 파장이 상기 제 2 파장과 일치하도록 상기 제 3 전극과 상기 제 4 전극 사이의 거리가 선택되는 디스플레이 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 2 전극과 상기 패턴의 상부면 사이의 거리와 상기 제 3 전극과 상기 제 4 전극 사이의 거리가 동일한 디스플레이 장치.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 발광 구조체와 상기 제 2 발광 구조체가 모두 백색 가시광을 방출하도록 구성된 디스플레이 장치.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치는 상기 제 1 파장 및 제 2 파장과 상이한 제 3 파장의 빛을 방출하는 제 3 화소;를 더 포함하며,
    상기 제 3 화소는:
    제 5 전극;
    상기 제 5 전극 상에 배치된 제 3 발광 구조체;
    상기 발광 구조체 상에 배치된 제 6 전극; 및
    상기 제 5 전극의 표면 상에 배치된 것으로, 다수의 패턴을 갖는 위상 변환 미러;를 포함하고,
    상기 제 3 화소의 각각의 패턴은 바닥면, 상기 바닥면과 대향하는 상부면, 및 상기 바닥면과 상부면 사이의 측면을 포함하고,
    상기 제 3 화소의 패턴의 바닥면의 폭이 상기 제 3 화소의 패턴의 상부면의 폭보다 더 크며,
    상기 제 3 화소의 패턴의 바닥면의 폭과 상기 제 3 화소의 패턴의 상부면의 폭이 상기 제 3 발광 구조체에서 발생하는 빛의 파장보다 작은 디스플레이 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 3 화소의 위상 변환 미러와 상기 제 6 전극은 공진 파장을 갖는 제 3 공진기를 구성하며,
    상기 제 3 공진기의 공진 파장이 상기 제 3 파장과 일치하도록 상기 제 6 전극과 상기 제 3 화소의 패턴의 상부면 사이의 거리, 상기 제 3 화소의 패턴의 바닥면의 폭, 상기 제 3 화소의 패턴의 상부면의 폭, 및 상기 제 3 화소의 패턴의 깊이가 선택되는 디스플레이 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 6 전극과 상기 제 3 화소의 패턴의 상부면 사이의 거리는 상기 제 2 전극과 상기 제 1 화소의 패턴의 상부면 사이의 거리와 동일하며,
    상기 제 3 화소의 패턴의 깊이는 상기 제 1 화소의 패턴의 깊이와 상이한 디스플레이 장치.
  26. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 반투과 전극인 디스플레이 장치.
  27. 제 17 항에 있어서,
    각각의 패턴은 제 1 방향으로 연장된 막대 형태를 가지며, 다수의 패턴은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 배열되어 있는 디스플레이 장치.
  28. 제 17 항에 있어서,
    각각의 패턴은 상부가 절단된 원뿔 형태 또는 상부가 절단된 다각뿔 형태를 가지며, 다수의 패턴은 2차원 배열되어 있는 디스플레이 장치.
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