KR20220009216A - 발광 소자, 발광 소자의 제조 방법, 및 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

발광 소자, 발광 소자의 제조 방법, 및 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

발광 소자, 발광 소자의 제조 방법, 및 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 발광 소자는 주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 구비하는 반사층; 상기 반사층 상에 배치된 평탄화층; 상기 평탄화층 상에 배치된 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 배치된 유기 발광층; 및 상기 유기 발광층 상에 배치된 제 2 전극;을 포함하며, 상기 평탄화층은 상기 유기 발광층에서 발생한 빛에 대해 투명하고 도전성을 갖는 재료를 포함하고, 상기 평탄화층은 상기 복수의 나노 구조물 사이에 공기 갭이 존재하도록 상기 나노 구조물의 상부 표면 위에 배치될 수 있다.

Description

발광 소자, 발광 소자의 제조 방법, 및 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치 {Light emitting device, method of manufacturing the light emitting device, and display apparatus including the light emitting device}
개시된 실시예들은 발광 소자, 발광 소자의 제조 방법, 및 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 컬러 필터 없이도 높은 색순도를 달성할 수 있으며 제조가 용이한 유기 전계 발광 소자, 유기 전계 발광 소자의 제조 방법, 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.
컬러 필터 없이도 높은 색순도를 달성할 수 있으며 제조가 용이한 유기 전계 발광 소자 및 유기 전계 발광 디스플레이 장치를 제공한다.
또한 유기 전계 발광 소자를 제조하는 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 발광 소자는, 주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 구비하는 반사층; 상기 반사층 상에 배치된 평탄화층; 상기 평탄화층 상에 배치된 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 배치된 유기 발광층; 및 상기 유기 발광층 상에 배치된 제 2 전극;을 포함하며, 상기 평탄화층은 상기 유기 발광층에서 발생한 빛에 대해 투명하고 도전성을 갖는 재료를 포함하고, 상기 평탄화층은 상기 복수의 나노 구조물 사이에 공기 갭이 존재하도록 상기 나노 구조물의 상부 표면 위에 배치될 수 있다.
상기 평탄화층은 환원 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)이 분산되어 있는 유무기 하이브리드(organic-inorganic hybrid) 막을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 유무기 하이브리드 막은 유기 실리콘 화합물을 포함할 수 있다.
상기 평탄화층 내에 분산된 상기 환원 그래핀 산화물의 비중은, 예를 들어, 1.5 wt% 내지 15 wt%의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 평탄화층의 두께는, 예를 들어, 10 nm 내지 50 nm의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 평탄화층의 표면 거칠기는, 예를 들어, 1 nm RMS(root-mean-square)보다 작을 수 있다.
상기 평탄화층의 표면 거칠기는, 예를 들어, 0.3 nm RMS 내지 0.5 nm RMS의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 제 1 전극은 투명 전극이고 상기 제 2 전극은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 반투과 전극일 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 전극은 반사성 금속으로 이루어지며, 상기 제 2 전극의 두께는 10 nm 내지 50 nm일 수 있다.
상기 반사층과 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성할 수 있다.
상기 마이크로 캐비티의 공진 파장을 λ라고 할 때, 상기 마이크로 캐비티의 광학적 길이가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 상기 반사층의 각각의 나노 구조물의 직경, 각각의 나노 구조물의 높이 및 복수의 나노 구조물의 주기가 결정될 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물의 주기는 상기 마이크로 캐비티의 공진 파장보다 작을 수 있다.
상기 반사층은 베이스를 포함하며, 상기 상기 복수의 나노 구조물은 상기 베이스의 상부 표면으로부터 상기 평탄화층을 향해 돌출될 수 있다.
상기 반사층은 상기 베이스의 상부 표면으로부터 함몰된 복수의 2차원 배열된 오목부를 더 포함할 수 있다.
상기 유기 발광층은 제 1 파장의 광 및 제 2 파장의 광을 포함하는 가시광을 방출하며, 상기 제 1 파장을 λ라고 할 때 상기 마이크로 캐비티의 광학적 길이가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 상기 반사층의 각각의 나노 구조물의 직경, 각각의 나노 구조물의 높이 및 복수의 나노 구조물의 주기가 결정되며, 상기 복수의 오목부가 상기 제 2 파장의 광을 흡수하도록 각각의 오목부의 직경이 결정될 수 있다.
상기 반사층은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 니켈(Ni) 또는 이들의 합금을 포함하는 금속 재료로 이루어질 수 있다.
다른 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 화소; 및 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 화소;를 포함하며, 상기 제 1 화소는: 주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 구비하는 반사층; 상기 반사층 상에 배치된 평탄화층; 상기 평탄화층 상에 배치된 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 배치된 것으로, 제 1 파장의 광 및 제 2 파장의 광을 포함하는 가시광을 방출하는 유기 발광층; 및 상기 유기 발광층 상에 배치된 제 2 전극;을 포함하며, 상기 평탄화층은 상기 유기 발광층에서 발생한 빛에 대해 투명하고 도전성을 갖는 재료를 포함하고, 상기 평탄화층은 상기 복수의 나노 구조물 사이에 공기 갭이 존재하도록 상기 나노 구조물의 상부 표면 위에 배치될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법은, 그래핀 산화물과 TMOS(tetramethyl orthosilicate) 졸을 용매에 혼합한 혼합물을 기판 상에 코팅하는 단계; 기판 상에 코팅된 혼합물을 경화시키는 단계; 경화된 혼합물을 어닐링하여 그래핀 산화물을 환원 그래핀 산화물로 환원시켜 평탄화층을 형성하는 단계; 주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 구비하는 반사층 위에 상기 평탄화층을 전사하는 단계; 상기 평탄화층 상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상에 유기 발광층을 형성하는 단계; 및 상기 유기 발광층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 평탄화층은 상기 유기 발광층에서 발생한 빛에 대해 투명하고 도전성을 갖고, 상기 평탄화층은 상기 복수의 나노 구조물 사이에 공기 갭이 존재하도록 상기 나노 구조물의 상부 표면 위에 배치될 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 반사층의 각각의 나노 구조물의 직경, 각각의 나노 구조물의 높이 및 복수의 나노 구조물의 주기에 따라 마이크로 캐비티의 공진 파장이 결정될 수 있다. 따라서, 반사층의 각각의 나노 구조물을 적절하게 배열함으로써 마이크로 캐비티를 포함하는 발광 소자에서 마이크로 캐비티의 공진 파장을 발광 소자의 발광 파장에 용이하게 매칭시킬 수 있다.
또한, 반사층의 각각의 나노 구조물의 배열에 따라 방출 스펙트럼을 결정할 수 있기 때문에, 복수의 발광 소자를 포함하는 디스플레이 장치에서 복수의 화소들의 두께를 동일하게 구성하는 것이 가능하다.
또한, 개시된 실시예에 따르면, 반사층의 복수의 나노 구조물 사이에 공기 갭이 존재하도록 나노 구조물의 상부 표면 위에 평탄화층을 배치함으로써, 복수의 나노 구조물 사이의 공간의 굴절률을 낮게 유지할 수 있다. 그러면 복수의 나노 구조물의 주기가 커질 수 있어서 비교적 용이하게 반사층을 제작할 수 있으며, 발광 소자의 제조 비용을 저감할 수 있다.
또한, 평탄화층이 평탄한 상부 표면을 제공하기 때문에 평탄화층 위에 배치된 전극은 유기 발광층에 균일한 전계를 인가할 수 있다. 이에 따라 발광 소자의 수명이 증가할 수 있다.
또한, 평탄화층이 도전성을 갖기 때문에, 평탄화층 위에 배치된 전극을 발광 소자의 구동 회로에 연결하기 위하여 평탄화층에 비어 홀을 형성할 필요가 없다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 유기 발광층의 예시적인 구조를 보다 상세히 보이는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 유기 발광층의 다른 예시적인 구조를 보다 상세히 보이는 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 반사층의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 5는 그래핀 산화물을 예시적으로 보이는 구조식이다.
도 6은 평탄화층을 제작하기 위한 재료들의 다양한 조합을 예시적으로 보이는 표이다.
도 7a 내지 도 7e는 그래핀 산화물의 함량에 따른 평탄화층의 표면 거칠기의 측정 결과를 보인다.
도 8a 내지 도 8f는 반사층 위에 평탄화층을 전사한 상태를 보이는 주사 전자 현미경(SEM, scanning electron microscope) 영상이다.
도 9는 그래핀 산화물의 다양한 함량에 대해 입사광의 파장과 평탄화층의 투과율 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 10은 그래핀 산화물의 함량에 따른 평탄화층의 전기 전도도 및 투과율의 변화를 보이는 그래프이다.
도 11은 그래핀 산화물의 함량에 따른 평탄화층의 전류-전압 거동을 보이는 그래프이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 반사층의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 14는 도 12에 도시된 반사층의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 15a는 단파장의 광이 반사층에 형성된 오목부 내부로 유입되는 모습을 개략적으로 보인다.
도 15b는 장파장의 광이 오목부가 형성된 반사층에서 차단되는 모습을 개략적으로 보인다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 발광 소자에서 빛이 공진되는 모습을 개략적으로 보인다.
도 17은 도 12에 도시된 반사층의 다른 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 18은 도 12에 도시된 반사층의 또 다른 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 발광 소자, 발광 소자의 제조 방법, 및 발광 소자를 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.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 다수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이런 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 발광 소자(100)는, 주기적으로 2차원 배열되어 있는 복수의 나노 구조물(112)을 구비하는 반사층(110), 반사층(110) 상에 배치된 투명한 평탄화층(120), 평탄화층(120) 상에 배치된 제 1 전극(131), 제 1 전극(131) 상에 배치된 유기 발광층(140), 및 유기 발광층(140) 상에 배치된 제 2 전극(132)을 포함할 수 있다. 발광 소자(100)는 제 2 전극(132) 위에 배치되어 제 2 전극(132)을 보호하는 투명한 보호층(passivation layer)(150)을 더 포함할 수도 있다.
발광 소자(100)는 유기 전계 발광 다이오드(OLED; organic light emitting diode)일 수 있다. 예를 들어, 도 2는 도 1에 도시된 유기 발광층(140)의 예시적인 구조를 보다 상세히 보이는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 유기 발광층(140)은 평탄화층(120) 상에 배치된 정공 주입층(hole jnjection layer)(142), 정공 주입층(142) 상에 배치된 유기 발광 재료층(141), 및 유기 발광 재료층(141) 상에 배치된 전자 주입층(electron injection layer)(143)을 포함할 수 있다. 이러한 구조에서, 정공 주입층(142)을 통해 제공된 정공과 전자 주입층(143)을 통해 제공된 전자가 유기 발광 재료층(141)에서 결합하여 빛이 발생하게 된다. 발생하는 빛의 파장은 유기 발광 재료층(141)의 발광 재료의 에너지 밴드갭에 의해 결정될 수 있다.
또한, 유기 발광층(140)은 정공의 전달을 더욱 원활하게 하기 위하여 정공 주입층(142)과 유기 발광 재료층(141) 사이에 배치된 정공 수송층(hole tranfer layer)(144)을 더 포함할 수 있다. 또한, 유기 발광층(140)은 전자의 전달을 더욱 원활하게 하기 위하여 전자 주입층(143)과 유기 발광 재료층(141) 사이에 배치된 전자 수송층(electron transfer layer)(145)을 더 포함할 수 있다. 또한, 도 2에는 도시되지 않았지만, 유기 발광층(140)은 필요에 따라 다양한 추가적인 층들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 유기 발광층(140)은 정공 수송층(144)과 유기 발광 재료층(141)사이에 전자 저지층(electron block layer)을 더 포함할 수 있고, 또한 유기 발광 재료층(141)과 전자 수송층(145) 사이에 정공 저지층(hole block layer)을 더 포함할 수도 있다.
유기 발광 재료층(141)은 가시광을 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 유기 발광 재료층(141)은 적색광의 파장 대역, 녹색광의 파장 대역, 및 청색광의 파장 대역 중에서 어느 한 파장 대역의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 또는, 유기 발광 재료층(141)은 적색광, 녹색광, 및 청색광을 모두 포함하는 백색 가시광을 방출하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 3은 도 1에 도시된 유기 발광층(140)의 다른 예시적인 구조를 보다 상세히 보이는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 유기 발광 재료층(141)은 적색광을 방출하는 제 1 유기 발광 재료층(141a), 녹색광을 방출하는 제 2 유기 발광 재료층(141b), 및 청색광을 방출하는 제 3 유기 발광 재료층(141c)을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 유기 발광 재료층(141a)과 제 2 유기 발광 재료층(141b) 사이 및 제 2 유기 발광 재료층(141b)과 제 3 유기 발광 재료층(141c) 사이에는 엑시톤 저지층(excition blocking layer)(146)이 배치될 수 있다. 그러면, 유기 발광층(140)은 백색광을 방출할 수 있다. 그러나 백색광을 방출하는 유기 발광층(140)의 구조가 이에 한정되는 것은 아니다. 3개의 유기 발광 재료층(141a, 141b, 141c)을 포함하는 대신에, 유기 발광층(140)은 서로 보색 관계에 있는 2개의 유기 발광 재료층을 포함할 수도 있다.
유기 발광층(140)의 하부면에 배치된 제 1 전극(131)은 정공을 제공하는 양극의 역할을 할 수 있다. 유기 발광층(140)의 상부면에 배치된 제 2 전극(132)은 전자를 제공하는 음극의 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 제 1 전극(131)은 상대적으로 높은 일함수(work function)를 갖는 재료로 이루어지고 제 2 전극(132)은 상대적으로 낮은 일함수를 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 제 1 전극(131)은 빛(예컨대, 가시광)을 투과시키는 성질을 갖는 투명 전극이 될 수 있다. 예컨대, 제 1 전극(131)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indume zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)을 포함할 수 있다.
제 2 전극(132)은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 반투과 전극이 될 수 있다. 이를 위해, 제 2 전극(132)은 매우 얇은 두께의 반사성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극(132)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 니켈(Ni) 또는 이들의 합금으로 이루어지거나, 또는 은(Ag)과 마그네슘(Mg)의 복층 구조 또는 알루미늄(Al)과 리튬(Li)의 복층 구조로 이루어질 수 있다. 제 2 전극(132)의 전체 두께는 약 10 nm 내지 50 nm일 수 있다. 제 2 전극(132)의 두께가 매우 얇기 때문에 빛의 일부가 반사성 금속을 통과할 수 있다.
반사층(110)은 유기 발광층(140)에서 발생하여 제 1 전극(131)을 투과한 빛을 반사하도록 구성될 수 있다. 또한, 반사층(110)은 도전성을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 이를 위해, 반사층(110)은 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 또는 이들을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 반사층(110)은 높은 반사율과 도전성을 갖는다면 다른 반사성 재료를 포함할 수도 있다.
이러한 반사층(110)은 제 2 전극(132)과 함께 마이크로 캐비티를 구성하는 역할을 한다. 다시 말해, 발광 소자(100)의 반사층(110)과 제 2 전극(132) 사이에 마이크로 캐비티가 형성된다. 예를 들어, 유기 발광층(140)에서 발생한 빛은 반사층(110)과 제 2 전극(132) 사이를 왕복하며 공진한 후에 마이크로 캐비티의 공진 파장에 해당하는 빛이 제 2 전극(132)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
반사층(110)과 제 2 전극(132) 사이에 형성된 마이크로 캐비티의 공진 파장은 마이크로 캐비티의 광학적 길이(optical length)(L)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 캐비티의 공진 파장을 λ라고 할 때, 마이크로 캐비티의 광학적 길이(L)는 nλ/2 (n은 자연수)일 수 있다. 이러한 마이크로 캐비티의 광학적 길이(L)는 반사층(110)과 제 2 전극(132) 사이의 마이크로 캐비티를 형성하는 층들의 광학적 두께, 제 2 전극(132)에 의한 위상 지연, 및 반사층(110)에 의한 위상 변이(예컨대, 위상 지연)의 합으로 결정될 수 있다. 여기서, 반사층(110)과 제 2 전극(132) 사이의 마이크로 캐비티를 형성하는 층들의 광학적 두께는 단순한 물리적인 두께가 아니라, 마이크로 캐비티를 형성하는 층들의 재료들의 굴절률을 고려한 두께이다. 예를 들어, 마이크로 캐비티를 형성하는 층들의 광학적 두께는 평탄화층(120)의 광학적 두께, 제 1 전극(131)의 광학적 두께, 및 유기 발광층(140)의 광학적 두께의 합이 될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 마이크로 캐비티를 형성하는 층들의 광학적 두께 및 제 2 전극(132)에 의한 위상 지연을 고정하여 두고, 반사층(110)에 의한 위상 변이만을 조절함으로써 마이크로 캐비티의 광학적 길이(L) 또는 마이크로 캐비티의 공진 파장을 조절할 수 있다. 반사층(110)에 의한 위상 변이를 조절하기 위하여, 평탄화층(120)과 접하는 반사층(110)의 반사면에는 위상 변조 표면이 형성되어 있다. 위상 변조 표면은 나노 규모의 매우 작은 패턴들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사층(110)의 위상 변조 표면은 가시광의 파장보다 작은 크기의 나노 구조물들이 주기적으로 배치된 메타 구조(meta structure)를 가질 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 반사층(110)은 베이스(111) 및 베이스(111)의 상부 표면(114)에 형성되는 위상 변조 표면을 포함할 수 있다. 반사층(110)의 위상 변조 표면은 베이스(111)의 상부 표면(114) 위에 주기적으로 배열되어 있는 복수의 나노 구조물(112)을 포함할 수 있다. 복수의 나노 구조물(112)은 베이스(111)의 상부 표면(114)으로부터 평탄화층(120)을 향해 돌출된 기둥(post) 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노 구조물(112)은 원기둥 형태를 가질 수 있다. 이러한 복수의 나노 구조물(112)은 베이스(111)와 일체로 형성될 수 있다. 반사층(110)은 복수의 나노 구조물(112)의 상부 표면이 평탄화층(120)과 접촉하도록 배치될 수 있다.
각각의 나노 구조물(112)이 예를 들어 원기둥인 경우, 위상 변조 표면의 광학적 특성(예를 들어, 반사광의 위상 지연)은 각각의 나노 구조물(112)의 직경(W), 각각의 나노 구조물(112)의 높이(H), 및 복수의 나노 구조물(112)의 피치 또는 주기(P)에 의해 결정될 수 있다. 또는, 각각의 나노 구조물(112)이 다각형 기둥인 경우에는, 위상 변조 표면의 광학적 특성은 각각의 나노 구조물(112)의 최대폭(W), 각각의 나노 구조물(112)의 높이(H), 및 복수의 나노 구조물(112)의 피치 또는 주기(P)에 의해 결정될 수 있다.
위상 변조 표면의 전체 영역에 대해 나노 구조물(112)들의 직경(W), 높이(H), 및 주기(P)가 일정할 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(112)의 직경(W)은 약 30 nm 내지 약 250 nm이고, 나노 구조물(112)의 높이(H)는 약 0 nm 내지 약 150 nm이고, 복수의 나노 구조물(112)의 주기(P)는 약 100 nm 내지 약 300 nm일 수 있다.
위상 변조 표면의 각각의 나노 구조물(112)의 크기가 위와 같이 공진 파장보다 작으면, 입사광이 나노 구조물(112)들의 주변부에서 공진하면서 복수의 나노 광 공진 구조가 형성된다. 특히, 입사광 중에서 전기장 성분은 나노 구조물(112)들 사이의 공간(113)으로 침투하지 못하고 자기장 성분만이 나노 구조물(112)들의 주변부에서 공진하게 된다. 따라서, 나노 구조물(112)들 사이의 공간(113) 내에 형성되는 복수의 나노 광 공진 구조는 입사광의 자기장 성분이 나노 구조물(112)들의 주변부에서 공진되는 실린더 타입의 마그네틱 공진기이다. 그 결과, 나노 구조물(112)들의 높이(H)와 나노 구조물(112)들의 굴절률(n)의 곱으로 결정되는 유효 광학 거리(H × n)에 의한 단순 위상 변이보다 큰 위상 변이가 반사층(110)의 위상 변조 표면에서 발생할 수 있다.
따라서, 마이크로 캐비티의 공진 파장은 위상 변조 표면의 각각의 나노 구조물(112)의 직경(W), 각각의 나노 구조물(112)의 높이(H) 및 복수의 나노 구조물(112)의 주기(P)에 의해 결정될 수 있다. 다시 말해, 마이크로 캐비티의 공진 파장을 λ라고 할 때, 마이크로 캐비티의 광학적 길이(L)가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 위상 변조 표면의 각각의 나노 구조물(112)의 직경(W), 각각의 나노 구조물(112)의 높이(H) 및 복수의 나노 구조물(112)의 주기(P)가 선택될 수 있다.
그러면, 마이크로 캐비티의 공진 파장을 발광 소자(100)의 발광 파장 또는 발광색에 용이하게 매칭시킬 수 있다. 예를 들어, 발광 소자(100)가 적색 발광 소자인 경우, 마이크로 캐비티의 공진 파장이 적색 파장 대역에 대응하도록 위상 변조 표면의 각각의 나노 구조물(112)의 직경(W), 각각의 나노 구조물(112)의 높이(H), 및 복수의 나노 구조물(112)의 주기(P)를 선택할 수 있다. 이러한 방식으로, 반사층(110)의 위상 변조 표면의 구조만으로 발광 소자(100)의 발광 파장을 결정하는 것이 가능하다.
마이크로 캐비티가 편광 의존성을 갖는 것을 방지하기 위하여, 복수의 나노 구조물(112)은 4방 대칭(4-fold symmetry) 특성을 갖도록 규칙적이고 주기적으로 배열될 수 있다. 마이크로 캐비티가 편광 의존성을 가지면, 특정 편광 성분의 빛만이 공진하게 되어 발광 소자(100)의 발광 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 도 1에 도시된 반사층(110)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 4를 참조하면, 베이스(111)의 상부 표면(114) 위에 원기둥 형태를 갖는 복수의 나노 구조물(112)이 규칙적인 사각형 어레이(square array)의 형태로 2차원 배열될 수 있다. 도 4에는 나노 구조물(112)이 원기둥 형태인 것으로 도시되었지만, 나노 구조물(112)의 형태는 반드시 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 나노 구조물(112)는 원기둥, 타원 기둥, 오각형 이상의 다각형 기둥, 또는 십자가형 기둥 등의 형태를 가질 수도 있다.
또한, 도 4에는 복수의 나노 구조물(112)이 규칙적인 사각형 어레이 형태로 배열된 것으로 도시되었다. 이 경우, 위상 변조 표면의 전체 영역에서 인접한 두 나노 구조물(112)들 사이의 간격들이 일정할 수 있다. 그러나, 4방 대칭 특성을 갖는다면 복수의 나노 구조물(112)은 어떠한 다른 형태의 어레이로도 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노 구조물(112)은 육각형 어레이(hexagonal array)의 형태로 2차원 배열될 수 있으며, 또는 체심 사각형 어레이(body-centered square)의 형태로 2차원 배열될 수도 있다. 또는, 복수의 나노 구조물(112)이 불규칙적으로 배열될 수도 있다. 이 경우에도, 마이크로 캐비티가 편광 의존성을 갖지 않게 된다. 한편, 다른 실시예에서는, 발광 소자(100)가 의도적으로 특정한 편광 성분의 빛만을 방출하도록 복수의 나노 구조물(112)의 배열을 4방 대칭과 다르게 설계할 수도 있다. 예를 들어, 복수의 나노 구조물(112)가 1차원 어레이 패턴으로 배열될 수도 있다.
평탄화층(120)은 복수의 나노 구조물(112)을 구비하는 반사층(110) 위에 배치되어 평탄화층(120) 위에 있는 구조물들에 대해 편평한 표면을 제공하는 역할을 한다. 따라서, 평탄화층(120)의 상부 표면 위에 배치된 제 1 전극(131)은 편평한 하부 표면을 가질 수 있다. 그러면 제 1 전극(131)의 하부 표면과 상부 표면이 모두 편평한 표면을 가질 수 있으며, 그 위에 배치되는 유기 발광층(140)과 제 2 전극(132)도 역시 편평한 표면들을 가질 수 있다. 따라서, 제 1 전극(131)과 제 2 전극(132)은 유기 발광층(140)에 균일한 전계를 인가할 수 있다. 이로 인해 유기 발광층(140)과 발광 소자(100)의 수명이 증가할 수 있다.
또한, 평탄화층(120)은 반사층(110)의 복수의 나노 구조물(112) 사이에 공기 갭(air gap)이 존재하도록 나노 구조물(112)의 상부 표면 위에 배치될 수 있다. 다시 말해, 평탄화층(120)은 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)을 채우지 않도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 평탄화층(120)의 하부 표면도 역시 거의 편형하게 형성된다. 또한, 평탄화층(120)이 반사층(110) 위에 배치된 상태에서, 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)을 향해 평탄화층(120)의 표면이 오목하게 변형되지 않도도록 평탄화층(120)은 충분히 견고하게 제작될 수 있다.
복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)이 공기보다 높은 굴절률을 갖는 금속, 반도체 또는 유전체로 채워지는 경우, 복수의 나노 구조물(112) 사이의 광학적인 간격은 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)에 채워진 재료의 굴절률만큼 증가하게 된다. 그러면, 복수의 나노 구조물(112)의 주기를 설계된 주기에 맞추기 위하여 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)에 채워진 재료의 굴절률을 고려하여 복수의 나노 구조물(112) 사이의 물리적인 거리를 줄여야 한다. 예를 들어, 복수의 나노 구조물(112) 사이에 공기 갭이 존재하는 경우에 복수의 나노 구조물(112)의 물리적인 주기가 150 nm 정도라면, 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)에 높은 굴절률을 갖는 재료가 채워진 경우에는 나노 구조물(112)의 물리적인 주기가 100 nm 미만일 수도 있다.
이렇게 나노 구조물(112)의 물리적인 주기를 작게 제작하기 위해서는 제조 공정이 어려워지고 제조 비용도 증가할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 반사층(110)의 복수의 나노 구조물(112) 사이에 공기 갭이 존재하도록 나노 구조물(112)의 상부 표면 위에 평탄화층(120)을 배치함으로써, 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)의 굴절률을 의도적으로 낮게 유지할 수 있다. 그러면 복수의 나노 구조물(112)의 주기가 커질 수 있어서 비교적 용이하게 반사층(110)을 제작할 수 있으며, 이에 따라 발광 소자(100)의 제조 비용을 저감할 수 있다.
또한, 평탄화층(120)은 도전성을 갖도록 구성될 수 있다. 발광 소자(100)의 동작을 제어하는 구동 회로는 도전성을 갖는 반사층(110)을 통해 구동 신호를 제 1 전극(131)에 제공할 수 있다. 이를 위해, 구동 회로는 반사층(110)에 연결될 수 있다. 그런데 반사층(110)과 제 1 전극(131) 사이에 배치된 평탄화층(120)이 절연성을 갖는다면, 반사층(110)과 제 1 전극(131) 사이를 전기적으로 연결하기 위하여 평탄화층(120)의 일부 영역에 수직으로 비어 홀(via hole)을 뚫고 비어 홀 내에 전도성 재료를 채우는 공정이 추가된다. 이러한 추가 공정으로 인해 발광 소자(100)의 제조 비용이 증가하고 반사층(110)이나 평탄화층(120)의 성능이 저하될 수도 있다. 따라서 도전성을 갖도록 평탄화층(120)을 제작함으로써 발광 소자(100)의 제조 비용을 저감하고 반사층(110)이나 평탄화층(120)의 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한, 평탄화층(120)은 유기 발광층(140)에서 발생한 빛에 대해 투명한 성질을 가질 수 있다. 예를 들어, 평탄화층(120)은 가시광에 대해 투명한 재료로 이루어질 수 있다. 평탄화층(120)이 반사층(110)과 제 2 전극(132) 사이에 형성되는 마이크로 캐비티 내에 배치되어 있기 때문에, 평탄화층(120)에 의한 광 흡수가 적도록 평탄화층(120)이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 평탄화층(120)은, 도전성을 가지며 가시광에 대해 투명하고, 반사층(110) 위에 평탄화층(120)을 배치하는 과정에서 평탄화층(120)이 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)을 채우지 않으며, 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113) 위에서도 변형이 거의 일어나지 않고 편평한 표면 상태를 유지하도록 구성된다.
일반적으로, 단일한 재료로는 위와 같은 평탄화층(120)의 요건을 만족시키기 쉽지 않다. 예컨대, 금속 재료를 평탄화층(120)으로서 사용하는 경우, 반사층(110) 위에 평탄화층(120)을 형성하는 동안 금속 재료가 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)을 채우기 쉽다. 또한 금속 재료를 사용하면 광 손실이 크다. 한편, 얇은 두께를 갖는 그래핀은 도전성과 광투과성을 갖는다. 그러나, 그래핀을 반사층(110) 위에 얇은 두께로 배치하면, 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)을 향해 그래핀이 오목하게 함몰되기 쉽기 때문에, 그래핀 위에 배치된 제 1 전극(131), 유기 발광층(140), 및 제 2 전극(132)이 편평한 상태를 유지하기 어렵다.
실시예에 따른 평탄화층(120)은 그래핀, 특히 환원 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)이 분산되어 있는 유무기 하이브리드(organic-inorganic hybrid) 막을 포함할 수 있다. 예를 들어, 평탄화층(120)의 유무기 하이브리드 막은 유기 실리콘 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 유무기 하이브리드 막은 투명하고 편평하게 제작이 가능하고 충분히 높은 견고성을 제공할 수 있다. 또한, 유무기 하이브리드 막 내에 분산된 환원 그래핀 산화물은 도전성을 제공할 수 있다.
이하에서는 실시예에 따른 평탄화층(120)을 제작하는 과정에서 대해 설명한다.
먼저, 그래핀 산화물(graphene oxide; GO)을 초순수(DI water)에 분산시키고 투석(dialysis)을 통해 그래핀 산화물 용액 내에 포함된 이온을 제거한다. 그래핀 산화물을 사용하는 이유는 그래핀은 그 자체로는 물에서 쉽게 분산되지 않기 때문이다. 도 5는 그래핀 산화물을 예시적으로 보이는 구조식이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 그래핀 산화물은 탄소 원자에 산소 원자가 결합되거나 및/또는 탄소 원자에 카르복실기(-COOH) 또는 수산화기(-OH)가 더 결합된 구성을 갖는다. 이러한 그래핀 산화물의 탄소 원자에 결합된 산소 원자, 카르복실기, 또는 수산화기로 인해 그래핀 산화물은 물에서 쉽게 분산될 수 있다.
그런 후, 그래핀 산화물이 분산된 용액과 TMOS(tetramethyl orthosilicate) 졸(sol)을 용매와 함께 혼합하여 반응시킨다. 예를 들어, 용매는 에탄올(ethanol)을 사용할 수 있다. 또한, 반응 촉매로서 염산(HCl) 등과 같은 산성 용액을 더 혼합할 수 있다. 그래핀 산화물이 분산된 용액, 용매, 및 TMOS의 비율은, 예를 들어, 1:1:0.1일 수 있다.
TMOS는 하나의 실리콘 원자에 4개의 산소 원자가 결합되어 있고, 각각의 산소 원자에 메틸기(-CH3)가 결합된 구조를 갖는다. 이러한 TMOS는 용매 내에서 가수분해되어 각각의 실리콘 원자에 수산화기가 결합된 구조를 갖게 되며, 가수분해된 TMOS는 그래핀 산화물의 표면에 결합될 수 있다. 상온에서 1일 정도 반응시킨 후에, 그래핀 산화물과 TMOS 졸을 용매에 혼합한 혼합물을 친수성 기판 상에 코팅할 수 있다. 예를 들어, 스핀 코팅 방식을 이용하여 SiO2/Si 기판 위에 혼합물을 코팅할 수 있다.
그런 후, 챔버 내에서 베이킹(baking)을 통해 혼합물 내의 용매를 제거한다. 용매를 제거한 후에는, 예를 들어, 질소(N2) 분위기에서 약 400℃의 온도로 가열하여 기판 상에 코팅되어 있는 혼합물을 경화시킨다. 이 과정에서 축합 반응을 통해 고분자 실리카(silica) 하이브리드 막이 형성된다.
마지막으로, 경화된 혼합물을 어닐링하여 그래핀 산화물을 환원 그래핀 산화물로 환원시킴으로써 평탄화층(120)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 수소(H2) 및 질소(N2) 분위기에서 약 1000℃의 온도로 어닐링을 수행할 수 있다. 그러면, 도 5에 도시된 그래핀 산화물의 탄소 원자에 결합된 산소 원자, 카르복실기, 또는 수산화기가 제거될 수 있다. 이에 따라, 고분자 실리카 하이브리드 막 내에는 도전성을 갖는 환원 그래핀 산화물이 분산되어 분포하게 된다. 따라서 평탄화층(120)은 환원 그래핀 산화물이 분산되어 분포된 고분자 실리카 하이브리드 막일 수 있다. 이렇게 형성된 평탄화층(120)은 친수성 기판으로부터 떼어 낸 후 반사층(110)에 전사하는 방식으로 반사층(110) 위에 배치될 수 있다.
이렇게 형성된 평탄화층(120)을 다양한 특성을 확인하기 위하여, 그래핀 산화물의 농도를 달리하여 복수의 평탄화층(120)을 제작하였다. 예를 들어, 도 6은 평탄화층(120)을 제작하기 위한 재료들의 다양한 조합을 예시적으로 보이는 표이다. 도 6의 표에 표시된 바와 같이, TMOS 대비 그래핀 산화물의 비중을 약 2 wt%, 4 wt%, 6 wt%, 8 wt%, 및 10 wt%로 다양하게 선택하여 상술한 방식으로 실제 평탄화층(120)을 제작하였다.
평탄화층(120)은 전체적으로 약 40 nm 정도의 균일한 두께로 제작하였다. 실제 발광 소자(100)에서 평탄화층(120)의 두께는 50 nm를 초과하지 않는다. 평탄화층(120)의 두께가 지나치게 두꺼우면 유기 발광층(140)의 두께가 작아져야 해서 발광 소자(100)의 발광 효율 및 밝기가 저하될 수 있다. 예를 들어, 평탄화층(120)의 두께는 10 nm 내지 50 nm의 범위 내에 있을 수 있다.
도 7a 내지 도 7e는 그래핀 산화물의 함량에 따른 평탄화층(120)의 표면 거칠기(surface roughness)의 측정 결과를 보인다. 도 7a 내지 도 7e를 참조하면, TMOS 대비 그래핀 산화물의 비중이 각각 2 wt%, 4 wt%, 6 wt%, 8 wt%, 및 10 wt%인 경우에 평탄화층(120)의 제곱평균제곱근(RMS, root mean square) 표면 거칠기는 각각 약 0.434nm, 약 0.318nm, 약 0.407nm, 약 0.343nm, 약 0.419nm이므로, 제작된 평탄화층(120)의 표면 거칠기가 매우 우수함을 것을 알 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 평탄화층(120)은 그 위에 배치되는 제 1 전극(131), 유기 발광층(140), 및 제 2 전극(132)에 매우 평탄한 표면을 제공할 수 있다. 제작된 평탄화층(120)의 두께에 따라 달라질 수도 있지만 평탄화층(120)의 표면 거칠기는 1 nm RMS보다 작을 수 있다. 예를 들어, 표면 거칠기(120)는 0.3 nm RMS 내지 0.5 nm RMS의 범위 내에 있을 수 있다.
도 8a 내지 도 8f는 반사층(110) 위에 평탄화층(120)을 전사한 상태를 보이는 주사 전자 현미경(SEM, scanning electron microscope) 영상들으로서, 다양한 배율로 평탄화층(120)의 다양한 위치에 대해 얻은 SEM 영상들이다. 평탄화층(120)은 의도적으로 반사층(110)의 전체 영역을 덮지 않도록 반사층(110)의 일부 영역 위에만 전사되었다. 도 8a 내지 도 8f를 참조하면, 반사층(110) 위에 전사된 평탄화층(120)이 매우 평탄한 표면을 제공한다는 것을 알 수 있다. 또한, 전사된 평탄화층(120)의 가장자리 부분을 보면, 반사층(110)의 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113)이 평탄화층(112)에 의해 채워지지 않고 공기 갭을 갖는다는 것을 알 수 있다. 또한, 평탄화층(120)은 반사층(110)의 복수의 나노 구조물(112) 사이의 공간(113) 위에서 오목하게 함몰되지 않고 평탄한 표면 상태를 유지한다는 것을 알 수 있다.
도 9는 그래핀 산화물의 다양한 함량에 대해 입사광의 파장과 평탄화층(120)의 투과율 사이의 관계를 보이는 그래프이다. 도 9의 그래프에서 투과율은 유리 기판에 대비한 투과율이다. 예를 들어, 도 9의 그래프에서 투과율 100%는 유리 기판과 투과율이 동일하다는 것을 의미하며, 투과율 80%는 유리 기판의 투과율의 80%라는 것을 의미한다. 도 9를 참조하면, 평탄화층(120)은 그래핀 산화물의 함량과 관계 없이 자외선 영역의 빛에 대해서는 투과율이 급격하게 낮아지며 가시광선 영역의 빛에 대해서는 비교적 높은 투과율을 갖는다는 것을 알 수 있다. 특히, 그래핀 산화물의 함량이 낮을수록 평탄화층(120)의 투과율이 높아진다. 예를 들어, TMOS 대비 그래핀 산화물의 비중이 약 2 wt%인 경우에 평탄화층(120)의 투과율은 유리 기판의 투과율과 거의 비슷하다. 또한, TMOS 대비 그래핀 산화물의 비중이 약 10 wt%인 경우에도 평탄화층(120)의 투과율은 유리 기판의 투과율의 90% 이상을 유지할 수 있다.
도 10은 그래핀 산화물의 함량에 따른 평탄화층(120)의 전기 전도도 및 투과율의 변화를 보이는 그래프이다. 도 10을 참조하면, TMOS 대비 그래핀 산화물의 비중이 증가할수록 평탄화층(120)의 전기 전도도는 높아지지만 투과율은 낮아진다. 또한, TMOS 대비 그래핀 산화물의 비중이 감소할수록 평탄화층(120)의 전기 전도도는 낮아지지만 투과율은 높아진다.
도 11은 그래핀 산화물의 함량에 따른 평탄화층(120)의 전류-전압 거동을 보이는 그래프이다. 도 11의 그래프를 참조하면, 그래핀 산화물의 함량과 관계 없이 평탄화층(120)이 매우 선형적인 전류-전압 거동을 보인다는 것을 알 수 있다. 또한, 그래핀 산화물의 함량이 증가할수록 평탄화층(120)의 저항이 낮아지고 전기 전도도가 증가한다는 것을 확인할 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, TMOS 대비 그래핀 산화물의 비중이 2 wt%, 4 wt%, 6 wt%, 8 wt%, 및 10 wt%인 경우에 대해 모두 평탄화층(120)은 충분한 전기 전도도와 투과율을 가질 수 있다. 그러나, TMOS 대비 그래핀 산화물의 비중이 지나치게 낮아지면 평탄화층(120)의 전기 전도도가 기준치 미만으로 낮아질 수 있으며, TMOS 대비 그래핀 산화물의 비중이 지나치게 높아지면 평탄화층(120)의 투과율이 기준치 미만으로 낮아질 수 있다. 또한, 최종적으로 제작된 평탄화층(120) 내에 분산된 환원 그래핀 산화물의 비중은 TMOS 대비 그래핀 산화물의 비중에 의해 직접적으로 결정된다. 이러한 점을 고려하여, 평탄화층(120) 내에 분산된 환원 그래핀 산화물의 비중은 1.5 wt% 내지 15 wt%의 범위 내에서 선택될 수 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 12를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)는 위상 변조 표면을 포함하는 반사층(210), 반사층(210) 상에 배치된 평탄화층(220), 평탄화층(220) 상에 배치된 제 1 전극(231), 제 1 전극(231) 상에 배치된 유기 발광층(240), 및 유기 발광층(240) 상에 배치된 제 2 전극(232)을 포함할 수 있다. 또한, 발광 소자(200)는 제 2 전극(232) 위에 배치된 투명한 보호층(250)을 더 포함할 수도 있다. 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 비교할 때, 도 12에 도시된 발광 소자(200)의 반사층(210) 상에 형성된 위상 변조 표면의 구조는 도 1에 도시된 발광 소자(100)의 위상 변조 표면의 구조와 상이하다. 도 12에 도시된 발광 소자(200)의 나머지 구성은 도 1에 도시된 발광 소자(100)의 구성과 동일하므로 그에 대한 설명을 생략한다.
도 13은 도 12에 도시된 반사층(210)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 사시도이며, 도 14는 도 12에 도시된 반사층(210)의 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 12 내지 도 14를 참조하면, 위상 변조 표면은 제 1 전극(231)을 마주보는 베이스(211)의 상부 표면(214) 위에 돌출하여 주기적으로 배치된 복수의 나노 구조물(212) 및 베이스(211)의 상부 표면(214) 내에 오목하게 함몰된 복수의 오목부(213)를 포함한다. 복수의 나노 구조물(212)의 상부 표면은 평탄화층(220)과 접촉할 수 있으며, 복수의 나노 구조물(212) 사이의 공간(215)에는 공기 갭이 존재한다.
베이스(211)의 상부 표면(214)으로부터 돌출된 각각의 나노 구조물(212) 및 베이스(211)의 상부 표면(214)으로부터 함몰된 각각의 오목부(213)는 가시광의 파장 보다 작은 치수(dimension)를 가질 수 있다. 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 나노 구조물(212)과 오목부(213)는 이격되어 형성될 수 있으며, 복수의 나노 구조물(212) 또는 복수의 오목부(213)가 차지하는 면적보다 상부 표면(214)이 차지하는 면적이 더 클 수 있다. 또한, 각각의 나노 구조물(212)이 차지하는 면적은 각각의 오목부(213)가 차지하는 면적 보다 크거나 같을 수 있다.
복수의 나노 구조물(212)은 베이스(211)의 상부 표면(214)에 소정의 피치(P1)를 가지고 주기적으로 배열될 수 있다. 도 14에는 나노 구조물(212)들이 정사각형 어레이의 형태로 주기적으로 배열된 것으로 예시적으로 도시되어 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으며, 이외에도 복수의 나노 구조물(212)은 정삼각형, 정육각형 등과 같은 다른 다양한 형태의 어레이로 배열될 수 있다. 각각의 나노 구조물(212)은, 예를 들어, 대략 300nm 이하의 직경(W1)을 가질 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 각각의 나노 구조물(212)은 대략 30nm ~ 250nm의 직경(W1)을 가질 수 있다. 또한, 각각의 나노 구조물(212)은, 예를 들어, 대략 100nm 이하의 높이(H1)를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 수치는 단지 예시적인 것이다.
앞서 설명한 바와 같이, 복수의 나노 구조물(212)은 발광 소자(200)의 발광 파장에 해당하는 광을 공진시키기 위하여 마이크로 캐비티의 광학적 길이(L)를 조절하는 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 마이크로 캐비티의 공진 파장을 λ라고 할 때, 마이크로 캐비티의 광학적 길이(L)가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 위상 변조 표면의 각각의 나노 구조물(212)의 직경(W1) 및 높이(H1)와, 나노 구조물(212)들의 피치(P1)가 선택될 수 있다.
복수의 오목부(213)는 베이스(211)의 상부 표면(214)에서 소정의 깊이(H2)로 형성될 수 있다. 복수의 오목부(213)는 복수의 나노 구조물(212)들 사이에서 소정의 피치(P2)를 가지고 주기적으로 2차원 배열될 수 있다. 도 13 및 도 14에는 2개의 인접하는 나노 구조물(212) 사이에 오목부(213)가 각각 배치되는 것으로 예시적으로 도시되어 있다. 각각의 오목부(213)는 원통 형태로 형성될 수 있다. 각각의 오목부(213)는, 예를 들어, 대략 250nm 이하의 직경(W2)을 가질 수 있다. 더욱 구체적으로 예를 들면, 각각의 오목부(213)는 대략 80nm ~ 250nm의 직경(W2)을 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 각각의 오목부(213)는, 예컨대, 대략 100nm 이하의 깊이(H2)를 가질 수 있지만, 이는 단지 예시적인 것이다. 그리고, 각각의 나노 구조물(212)의 직경(W1)과 각각의 오목부(213)의 직경(W2)의 차이는, 예를 들어, 대략 100nm 이하가 될 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
이러한 복수의 오목부(213)는 마이크로 캐비티 내에서 공진을 원하지 않는 파장의 광을 흡수하는 역할을 할 수 있다. 도 15a는 단파장의 광이 반사층(210)에 형성된 오목부(213) 내부로 유입되는 모습을 개략적으로 보이며, 도 15b는 장파장의 광이 오목부(213)가 형성된 반사층(210)에서 차단되는 모습을 개략적으로 보인다. 도 15a에 도시된 바와 같이, 단파장의 광은 베이스(211)의 상부 표면(214)에 형성된 나노 크기의 오목부(213)의 내부로 유입되어 흡수되는 반면, 도 15b에 도시된 바와 같이, 장파장의 광은 오목부(213)의 내부로 유입되지 못하고 베이스(211)의 상부 표면(214)에서 반사되는 것을 알 수 있다.
반사층(210)에 형성된 오목부(213)의 내부로 흡수되는 광의 파장은 오목부(213)의 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(212)들을 고려하지 않을 경우, 은(Ag)으로 이루어진 평탄한 반사층(210)의 표면에 형성된 대략 190nm의 직경을 갖는 오목부(213)는 450nm 파장의 청색광을 흡수할 수 있으며, 대략 244nm의 직경을 갖는 오목부(213)는 550nm 파장의 녹색광을 흡수할 수 있다.
예를 들어, 적색광을 방출하도록 구성된 발광 소자(200)에서, 마이크로 캐비티의 광학적 길이(L)를 630 nm로 선택하는 경우, 420 nm 파장의 빛의 일부가 3차 공진을 일으켜 발광 소자(200)로부터 방출될 수 있다. 그러면, 적색광과 함께 청색광이 발광 소자(200)로부터 방출되므로 발광 소자(200)로부터 방출되는 광의 색순도가 저하될 수 있다. 본 실시예에서는 반사층(210)의 위상 변조 표면에 복수의 나노 구조물(212)과 함께 나노 크기의 복수의 오목부(213)를 형성함으로써, 공진을 원하지 않는 파장의 광이 오목부(213)에 의해 추가적으로 흡수될 수 있다. 따라서, 발광 소자(200)의 색순도가 향상될 수 있다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 발광 소자(200)에서 빛이 공진되는 모습을 개략적으로 보인다. 도 16에는 발광 소자(200)로서 적색 발광 소자가 예시적으로 도시되어 있으며, 편의상 마이크로 캐비티를 구성하는 반사층(210)과 제 2 전극(232)만이 도시되었다. 도 16을 참조하면, 마이크로 캐비티에서 적색광(R)은 반사층(210)의 표면에 형성된 오목부(213)의 내부로 유입되지 않고 반사층(210)의 표면에서 반사된다. 그러나, 적색광(R)보다 짧은 파장의 청색광(B)은 반사층(210)의 표면에 형성된 오목부(213)의 내부로 유입되어 흡수됨을 알 수 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 오목부(213)는, 예를 들어, 대략 250nm 이하의 직경을 가질 수 있다. 이에 따라, 마이크로 캐비티에서는 적색광(R)만이 공진되어 발광 소자(200)의 외부로 방출될 수 있다.
한편, 이상에서는 예시적인 실시예에 따른 발광 소자(200)가 적색 발광 소자인 경우를 예로 들었으나, 예시적인 실시예에 따른 발광 소자(200)는 녹색 발광 소자가 될 수도 있다. 일반적으로, 반사층의 표면이 평평한 구조를 갖는 경우, 마이크로 캐비티에서 녹색광의 2차 공진이 일어날 때 자외선 광의 3차 공진이 일어나게 되므로 가시광 영역의 디스플레이 장치에 영향을 미치지 않는다. 그러나, 위상 변조 표면이 형성된 반사층(210)을 사용하는 경우, 위상의 변조로 인하여 마이크로 캐비티 내에서 청색광의 3차 공진이 일어날 가능성도 있다. 이에 따라, 녹색 발광 소자에서도 원하는 않는 짧은 파장의 청색광이 방출될 수 있다. 따라서, 발광 소자(200)가 녹색 발광 소자인 경우에도, 반사층(210)의 표면에 복수의 오목부(213)를 형성함으로써 원하지 않는 청색 발광을 억제할 수 있다.
도 17은 도 12에 도시된 반사층(210)의 다른 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 13 및 도 14에 도시된 실시예에서는, 나노 구조물(212)들이 정사각형 형태의 어레이로 주기적으로 배열되고, 인접하는 2개의 나노 구조물(212)들 사이에 오목부(213)들이 각각 형성되었다. 도 17에 도시된 반사층(210)에서는 베이스(211)의 상부 표면(114)으로부터 돌출된 나노 구조물(212)들이 정사각형 형태의 어레이로 주기적으로 배열되고, 대각선 방향으로 인접하여 배치된 2개의 나노 구조물(212)들 사이에서 베이스(211)의 상부 표면(214)에 소정 깊이로 오목부(213)들이 배치되어 있다. 다시 말해, 4개의 인접한 나노 구조물(212)들로 구성된 정사각형 형태의 단위 어레이의 중심부에 각각 오목부(213)가 배치될 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로서, 나노 구조물(212) 및 오목부(213)은 이외에도 다른 다양한 형태로 배열될 수 있다.
또한, 도 18은 도 12에 도시된 반사층(210)의 또 다른 예시적인 구조를 개략적으로 보이는 사시도이다. 도 13 및 도 14에 도시된 실시예에서는, 나노 구조물(212)들이 원기둥 형태를 가지며 오목부(213)들은 원통 형상으로 형성된 경우가 설명되었다. 도 18에 도시된 금속 반사층(210)에서는 나노 구조물(212)들이 사각 기둥 형태를 가지고 있다. 이 경우, 나노 구조물(212)의 최대폭이 직경에 해당할 수 있다. 그리고, 오목부(213)들은 인접하는 2개의 나노 구조물(212)들 사이에 원통 형상으로 형성되어 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로, 각각의 나노 구조물(212)은 삼각 기둥, 오각 기둥 등과 같은 다른 다양한 다각 기둥(polyprism) 형태를 가질 수 있다. 또한, 각각의 오목부(213)도 다양한 다른 형태로 형성될 수 있다.
상술한 발광 소자(100, 200)는 디스플레이 장치의 복수의 화소에 적용될 수 있다. 도 19는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치(1000)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 19를 참조하면, 디스플레이 장치(1000)는 서로 다른 색상의 빛을 방출하는 복수의 화소를 포함한다. 여기서, 다수의 화소는 기판(미도시)의 동일 평면 상에서 서로 인접하여 배치되는 적색, 녹색 및 청색 화소(1100, 1200, 1300)를 포함할 수 있다. 도 19에는 편의상 적색, 녹색 및 청색 화소(1100, 1200, 1300)로 구성된 하나의 단위 화소만이 도시되어 있다.
적색 화소(1100)는 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 적색 화소(1100)는 제 1 반사층(1110), 제 1 반사층(1110) 위에 배치된 평탄화층(1120), 평탄화층(1120) 위에 배치된 제 1 전극(1131), 제 1 전극(1131) 위에 배치된 유기 발광층(1140) 및 유기 발광층(1140) 위에 배치된 제 2 전극(1132)을 포함할 수 있다. 적색 화소(1100)는 또한 제 2 전극(1132) 위에 배치된 투명한 보호층(1150)을 더 포함할 수 있다. 제 1 반사층(1110)은 베이스(1111)의 상부 표면(1114) 위에 돌출하여 형성된 복수의 제 1 나노 구조물(1112)을 포함할 수 있다. 제 1 반사층(1110)은 제 2 전극(1132)과 함께 적색광(R)을 공진시키는 제 1 마이크로 캐비티를 구성할 수 있다. 또한, 복수의 제 1 나노 구조물(1112)의 상부 표면은 평탄화층(1120)과 접촉할 수 있으며, 복수의 제 1 나노 구조물(1112) 사이의 공간(1115)에는 공기 갭이 존재한다.
녹색 화소(1200)도 도 1에 도시된 발광 소자(100)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 녹색 화소(1200)는 제 2 반사층(1210), 제 2 반사층(1210) 위에 배치된 평탄화층(1120), 평탄화층(1120) 위에 배치된 제 1 전극(1131), 제 1 전극(1131) 위에 배치된 유기 발광층(1140), 유기 발광층(1140) 위에 배치된 제 2 전극(1132), 및 제 2 전극(1132) 위에 배치된 보호층(1150)을 포함할 수 있다. 제 2 반사층(1210)은 베이스(1211)의 상부 표면(1214) 위에 돌출하여 형성된 복수의 제 2 나노 구조물(1212)을 포함할 수 있다. 제 2 반사층(1210)은 제 2 전극(1132)과 함께 녹색광(G)을 공진시키는 제 2 마이크로 캐비티를 구성할 수 있다. 또한, 복수의 제 2 나노 구조물(1212)의 상부 표면은 평탄화층(1120)과 접촉할 수 있으며, 복수의 제 2 나노 구조물(1212) 사이의 공간(1215)에는 공기 갭이 존재한다.
청색 화소(1300)는 제 3 반사층(1310), 제 3 반사층(1310) 위에 배치된 평탄화층(1120), 평탄화층(1120) 위에 배치된 제 1 전극(1131), 제 1 전극(1131)에 배치된 유기 발광층(1140), 유기 발광층(1140)에 배치된 제 2 전극(1132), 및 제 2 전극(1132) 위에 배치된 보호층(1150)을 포함할 수 있다. 청색 화소(1300)에서 제 3 반사층(1310)의 상부 표면은 평평한 반사면을 포함할 수 있다. 이러한 제 3 반사층(1310)은 제 2 전극(1132)과 함께 청색광을 공진시키는 제 3 마이크로 캐비티를 구성할 수 있다. 제 3 마이크로 캐비티는 제 3 반사층(1310)과 제 2 전극(1132) 사이에 배치된 층들의 구조적 및 광학적 특성을 조절함으로써 청색광(B)의 공진 파장을 가질 수 있다. 여기서, 제 3 반사층(1310)의 상부 표면은 제 1 및 제 2 나노 구조물(1112, 1212)들의 상부 표면과 동일한 높이로 형성될 수 있다.
도 20은 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 20을 참조하면, 디스플레이 장치(2000)의 적색 화소(1100)의 제 1 반사층(1110)은 청색광(B)을 흡수하기 위한 복수의 제 1 오목부(1113)를 더 포함할 수 있다. 녹색 화소(1200)의 제 2 반사층(1210)은 제 2 나노 구조물(1212)만을 포함하는 것으로 도시되었자만, 녹색 화소(1200)의 제 2 반사층(1210)도 청색광(B)을 흡수하기 위한 복수의 제 2 오목부를 더 포함할 수도 있다.
도 19 및 도 20에 도시된 디스플레이 장치(1000, 2000)에서 평탄화층(1120)이 복수의 제 1 나노 구조물(1112) 사이의 공간(1115) 및 복수의 제 2 나노 구조물(1212) 사이의 공간(1215)에 공기 갭을 만들기 때문에, 제 1 및 제 2 나노 구조물(1112, 1212)을 100 nm 이하의 주기로 작게 제작할 필요가 없다. 따라서, 디스플레이 장치(1000, 2000)의 제조가 용이하며 제조 비용이 저감될 수 있다.
상술한 발광 소자와 디스플레이 장치는 다양한 크기와 다양한 용도의 장치들에 제한 없이 적용될 수 있다. 예를 들어, 상술한 발광 소자와 디스플레이 장치는 모바일폰 또는 스마트폰의 디스플레이 패널에 적용될 수 있고, 태블릿 또는 스마트 태블릿의 디스플레이 패널에 적용될 수 있고, 또는 노트북 컴퓨터, 텔레비전, 스마트 텔레비전의 디스플레이 패널에 적용될 수도 있으며, 또는 헤드 장착형 디스플레이, 안경형 디스플레이, 고글형 디스플레이 등에서 사용되는 소형 디스플레이 패널에도 적용될 수 있다.
상술한 발광 소자, 발광 소자의 제조 방법, 및 발광 소자를 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.
100, 200.....발광 소자 110, 210.....반사층
111, 211.....베이스 112, 212.....나노 구조물
120, 220.....평탄화층 131, 132, 231, 232.....전극
140.....유기 발광층
141, 141a, 141b, 141c.....유기 발광 재료층
142.....정공 주입층 143.....전자 주입층
144.....전자 수송층 145.....전자 수송층
146.....엑시톤 저지층 150.....보호층
213.....오목부
1000, 2000.....디스플레이 장치 1100, 1200, 1300.....화소
1110, 1210.....반사층 1111, 1211.....베이스
1112, 1212.....나노 구조물 1120.....평탄화층
1131, 1132.....전극 1140.....유기 발광층
1150.....보호층

Claims (26)

  1. 주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 구비하는 반사층;
    상기 반사층 상에 배치된 평탄화층;
    상기 평탄화층 상에 배치된 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에 배치된 유기 발광층; 및
    상기 유기 발광층 상에 배치된 제 2 전극;을 포함하며,
    상기 평탄화층은 상기 유기 발광층에서 발생한 빛에 대해 투명하고 도전성을 갖는 재료를 포함하며,
    상기 평탄화층은 상기 복수의 나노 구조물 사이에 공기 갭이 존재하도록 상기 나노 구조물의 상부 표면 위에 배치되어 있는, 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평탄화층은 환원 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)이 분산되어 있는 유무기 하이브리드(organic-inorganic hybrid) 막을 포함하는, 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유무기 하이브리드 막은 유기 실리콘 화합물을 포함하는, 발광 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 평탄화층 내에 분산된 상기 환원 그래핀 산화물의 비중은 1.5 wt% 내지 15 wt%의 범위 내에 있는, 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 평탄화층의 두께는 10 nm 내지 50 nm의 범위 내에 있는, 발광 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 평탄화층의 표면 거칠기는 1 nm RMS(root-mean-square)보다 작은, 발광 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 평탄화층의 표면 거칠기는 0.3 nm RMS 내지 0.5 nm RMS의 범위 내에 있는, 발광 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 투명 전극이고 상기 제 2 전극은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 반투과 전극인, 발광 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 반사성 금속으로 이루어지며, 상기 제 2 전극의 두께는 10 nm 내지 50 nm인, 발광 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사층과 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성하는, 발광 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 마이크로 캐비티의 공진 파장을 λ라고 할 때, 상기 마이크로 캐비티의 광학적 길이가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 상기 반사층의 각각의 나노 구조물의 직경, 각각의 나노 구조물의 높이 및 복수의 나노 구조물의 주기가 결정되는, 발광 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조물의 주기는 상기 마이크로 캐비티의 공진 파장보다 작은, 발광 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사층은 베이스를 포함하며,
    상기 상기 복수의 나노 구조물은 상기 베이스의 상부 표면으로부터 상기 평탄화층을 향해 돌출되어 있는, 발광 소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 베이스의 상부 표면으로부터 함몰된 복수의 2차원 배열된 오목부를 더 포함하는, 발광 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 반사층과 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성하고,
    상기 유기 발광층은 제 1 파장의 광 및 제 2 파장의 광을 포함하는 가시광을 방출하며,
    상기 제 1 파장을 λ라고 할 때 상기 마이크로 캐비티의 광학적 길이가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 상기 반사층의 각각의 나노 구조물의 직경, 각각의 나노 구조물의 높이 및 복수의 나노 구조물의 주기가 결정되며,
    상기 복수의 오목부가 상기 제 2 파장의 광을 흡수하도록 각각의 오목부의 직경이 결정되는, 발광 소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사층은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 니켈(Ni) 또는 이들의 합금을 포함하는 금속 재료로 이루어진, 발광 소자.
  17. 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 화소; 및
    제 1 파장과 다른 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 화소;를 포함하며,
    상기 제 1 화소는:
    주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 구비하는 반사층;
    상기 반사층 상에 배치된 평탄화층;
    상기 평탄화층 상에 배치된 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에 배치된 것으로, 제 1 파장의 광 및 제 2 파장의 광을 포함하는 가시광을 방출하는 유기 발광층; 및
    상기 유기 발광층 상에 배치된 제 2 전극;을 포함하며,
    상기 평탄화층은 상기 유기 발광층에서 발생한 빛에 대해 투명하고 도전성을 갖는 재료를 포함하며,
    상기 평탄화층은 상기 복수의 나노 구조물 사이에 공기 갭이 존재하도록 상기 나노 구조물의 상부 표면 위에 배치되어 있는, 디스플레이 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 평탄화층은 환원 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)이 분산되어 있는 유무기 하이브리드(organic-inorganic hybrid) 막을 포함하는, 디스플레이 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 유무기 하이브리드 막은 유기 실리콘 화합물을 포함하는, 디스플레이 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 평탄화층 내에 분산된 상기 환원 그래핀 산화물의 비중은 1.5 wt% 내지 15 wt%의 범위 내에 있는, 디스플레이 장치.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 평탄화층의 두께는 10 nm 내지 50 nm의 범위 내에 있는, 디스플레이 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 평탄화층의 표면 거칠기는 1 nm RMS(root-mean-square)보다 작은, 디스플레이 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 평탄화층의 표면 거칠기는 0.3 nm RMS 내지 0.5 nm RMS의 범위 내에 있는, 디스플레이 장치.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 투명 전극이고 상기 제 2 전극은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 반투과 전극인, 디스플레이 장치.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 반사층과 상기 제 2 전극은 상기 제 1 파장에 대응하는 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성하며,
    상기 제 1 파장을 λ라고 할 때, 상기 마이크로 캐비티의 광학적 길이가 nλ/2 (n은 자연수)를 만족하도록 상기 반사층의 각각의 나노 구조물의 직경, 각각의 나노 구조물의 높이 및 복수의 나노 구조물의 주기가 결정되는, 디스플레이 장치.
  26. 그래핀 산화물과 TMOS(tetramethyl orthosilicate) 졸을 용매에 혼합한 혼합물을 기판 상에 코팅하는 단계;
    기판 상에 코팅된 혼합물을 경화시키는 단계;
    경화된 혼합물을 어닐링하여 그래핀 산화물을 환원 그래핀 산화물로 환원시켜 평탄화층을 형성하는 단계;
    주기적으로 2차원 배열된 복수의 나노 구조물을 구비하는 반사층 위에 상기 평탄화층을 전사하는 단계;
    상기 평탄화층 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 상에 유기 발광층을 형성하는 단계; 및
    상기 유기 발광층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 평탄화층은 상기 유기 발광층에서 발생한 빛에 대해 투명하고 도전성을 가지며,
    상기 평탄화층은 상기 복수의 나노 구조물 사이에 공기 갭이 존재하도록 상기 나노 구조물의 상부 표면 위에 배치되어 있는, 발광 소자의 제조 방법.
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