KR20220124548A - 향상된 발광 효율을 갖는 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents
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Abstract
향상된 발광 효율을 갖는 유기 전계 발광 소자 및 유기 전계 발광 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 발광 소자는, 반사층; 상기 반사층 위에 배치된 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하여 배치된 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 부분 투과 거울; 상기 제 1 전극과 상기 부분 투과 거울 사이에 배치된 제 1 발광층; 및 상기 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 제 2 발광층;을 포함하며, 상기 반사층과 상기 부분 투과 거울 사이에 1차 이상의 공진 모드가 형성되고 상기 반사층과 상기 제 2 전극 사이에 2차 이상의 공진 모드가 형성되도록 상기 부분 투과 거울이 배치될 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 향상된 발광 효율을 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.
향상된 발광 효율을 갖는 유기 전계 발광 소자 및 유기 전계 발광 디스플레이 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 발광 소자는, 반사층; 상기 반사층 위에 배치된 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하여 배치된 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 부분 투과 거울; 상기 제 1 전극과 상기 부분 투과 거울 사이에 배치된 제 1 발광층; 및 상기 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 제 2 발광층;을 포함하며, 상기 반사층과 상기 부분 투과 거울 사이에 1차 이상의 공진 모드가 형성되고 상기 반사층과 상기 제 2 전극 사이에 2차 이상의 공진 모드가 형성되도록 상기 부분 투과 거울이 배치될 수 있다.
상기 제 1 전극은 투명 전극이고 상기 제 2 전극은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 부분 투과 전극일 수 있다.
상기 반사층과 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성하고, 상기 부분 투과 거울은 상기 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 노드에 위치할 수 있다.
예를 들어, 상기 부분 투과 거울은 은(Ag), 알루미늄(Al), 은 합금, 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 부분 투과 거울의 두께는 5 nm 내지 30 nm일 수 있다.
상기 제 2 전극의 두께와 상기 부분 투과 거울의 두께가 상이할 수 있다.
상기 제 1 발광층은 상기 제 1 전극 위에 배치된 제 1 정공 수송층; 상기 제 1 정공 수송층 위에 배치된 제 1 유기 발광 재료층; 및 상기 제 1 유기 발광 재료층 위에 배치된 제 1 전자 수송층;을 포함하고, 상기 제 2 발광층은 상기 부분 투과 거울 위에 배치된 제 2 정공 수송층; 상기 제 2 정공 수송층 위에 배치된 제 2 유기 발광 재료층; 및 상기 제 2 유기 발광 재료층 위에 배치된 제 2 전자 수송층;을 포함할 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 부분 투과 거울 위에서 상기 제 2 전극과 마주하도록 배치되는 투명 도전체층을 더 포함할 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제 1 발광층과 상기 제 2 발광층 사이에 배치되는 전하 생성층을 더 포함할 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제 2 발광층과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 제 3 발광층을 더 포함하며, 상기 부분 투과 거울은 상기 제 1 발광층과 상기 제 2 발광층 사이에 배치된 제 1 부분 투과 거울 및 상기 제 2 발광층과 상기 제 3 발광층 사이에 배치된 제 2 부분 투과 거울을 포함할 수 있다.
상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이에 1차 공진 모드가 형성되고, 상기 반사층과 상기 제 2 부분 투과 거울 사이에 2차 공진 모드가 형성되고, 상기 반사층과 상기 제 2 전극 사이에 3차 공진 모드가 형성되도록 상기 제 1 및 제 2 부분 투과 거울이 배치될 수 있다.
상기 반사층과 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성하고, 상기 제 1 부분 투과 거울은 상기 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 제 1 노드에 위치하고, 상기 제 2 부분 투과 거울은 상기 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 제 2 노드에 위치할 수 있다.
다른 실시예에 따른 발광 소자는, 반사층; 상기 반사층 위에 배치된 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하여 배치된 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 위상 보정층; 상기 제 1 전극과 상기 위상 보정층 사이에 배치된 제 1 발광층; 상기 위상 보정층과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 제 2 발광층; 상기 위상 보정층과 상기 제 1 발광층 사이에 배치된 제 1 부분 투과 거울; 및 상기 위상 보정층과 상기 제 2 발광층 사이에 배치된 제 2 부분 투과 거울;을 포함하며, 상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이에 1차 이상의 공진 모드가 형성되고 상기 반사층과 상기 제 2 전극 사이에 2차 이상의 공진 모드가 형성되도록 상기 제 1 및 제 2 부분 투과 거울이 배치될 수 있다.
상기 반사층과 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성하고, 상기 위상 보정층은 상기 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 노드에 위치할 수 있다.
상기 반사층, 상기 제 2 전극, 상기 제 1 부분 투과 거울, 및 상기 제 2 부분 투과 거울은 반사광에 대해 180도보다 큰 위상 변조를 일으킬 수 있다.
예를 들어, 상기 위상 보정층은 투명 도전성 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 위상 보정층의 두께는 5 nm 내지 150 nm일 수 있다.
상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이에 1차 또는 2차 공진 모드가 형성되도록 상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이의 광학적 거리가 선택되고, 상기 제 2 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이에 1차 또는 2차 공진 모드가 형성되도록 상기 제 2 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이의 광학적 거리가 선택될 수 있다.
상기 제 1 발광층은 상기 제 1 전극 위에 배치된 제 1 정공 수송층; 상기 제 1 정공 수송층 위에 배치된 제 1 유기 발광 재료층; 및 상기 제 1 유기 발광 재료층 위에 배치된 제 1 전자 수송층;을 포함하고, 상기 제 2 발광층은 상기 제 2 부분 투과 거울 위에 배치된 제 2 정공 수송층; 상기 제 2 정공 수송층 위에 배치된 제 2 유기 발광 재료층; 및 상기 제 2 유기 발광 재료층 위에 배치된 제 2 전자 수송층;을 포함할 수 있다.
상기 제 1 유기 발광 재료층과 상기 제 2 유기 발광 재료층이 동일한 파장의 빛을 발생시킬 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 유기 발광 재료층에서 발생한 빛의 파장에 대해 공진 모드가 형성되도록 상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이의 광학적 거리 및 상기 제 2 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이의 광학적 거리가 선택될 수 있다.
상기 제 1 유기 발광 재료층은 제 1 파장의 빛을 발생시키고, 상기 제 2 유기 발광 재료층은 제 1 파장과 상이한 제 2 파장의 빛을 발생시킬 수 있다.
상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이의 광학적 거리는 제 1 파장에 대해 공진 모드가 형성되도록 선택되며, 상기 제 2 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이의 광학적 거리는 제 2 파장에 대해 공진 모드가 형성되도록 선택될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치는 복수의 화소를 포함하며, 각각의 화소는 반사층; 상기 반사층 위에 배치된 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 마주하여 배치된 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 부분 투과 거울; 및 상기 제 1 전극과 상기 부분 투과 거울 사이 및 상기 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 발광층;을 포함하고, 상기 반사층과 상기 부분 투과 거울 사이에 1차 이상의 공진 모드가 형성되고 상기 반사층과 상기 제 2 전극 사이에 2차 이상의 공진 모드가 형성되도록 상기 부분 투과 거울이 배치될 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 마이크로 캐비티 기반의 발광 소자가 두꺼운 발광층을 구비하여 2차 또는 3차 이상의 공진 모드가 형성되는 경우에도, 마이크로 캐비티 내부에 부분 투과 거울을 배치하여 1차 공진 조건을 만족시킴으로써, 고차 공진 모드에서 퍼셀 효과가 감소하는 물리적 현상을 억제하여 최종적으로 발광 소자의 발광 효율 및 구동 수명을 향상시킬 수 있다
또한, 반사층을 구성하는 금속에 의한 위상 지연을 고려하여 위상 보정층을 배치함으로써, 반사층에서 위상 지연이 180도보다 큰 경우에도 1차 이상의 공진 조건들을 모두 만족시켜 발광 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티 구조를 보이는 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티가 갖는 공진 모드들을 예시적으로 보인다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티 구조를 보이는 개념도이다.
도 7a 내지 도 7c는 도 5에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티가 갖는 공진 모드들을 예시적으로 보인다.
도 8은 도 5에 도시된 발광 소자에서 공진 차수에 따른 발광체의 발광 특성의 변화를 비교예들과 비교하여 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 9는 도 5에 도시된 발광 소자에서 공진 차수에 따른 발광 소자의 광 방출 특성의 변화를 비교예들과 비교하여 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 12a 내지 도 12c는 도 11에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티가 갖는 공진 모드들을 예시적으로 보인다.
도 13은 도 11에 도시된 발광 소자에서 위상 보정층의 두께 변화에 따른 2차 공진기의 공진 파장의 변화를 예시적으로 보인다.
도 14는 도 11에 도시된 발광 소자에서 공진 차수에 따른 발광체의 발광 특성의 변화를 비교예들과 비교하여 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 마이크로 캐비티 구조를 보이는 개념도이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티 구조를 보이는 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티가 갖는 공진 모드들을 예시적으로 보인다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티 구조를 보이는 개념도이다.
도 7a 내지 도 7c는 도 5에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티가 갖는 공진 모드들을 예시적으로 보인다.
도 8은 도 5에 도시된 발광 소자에서 공진 차수에 따른 발광체의 발광 특성의 변화를 비교예들과 비교하여 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 9는 도 5에 도시된 발광 소자에서 공진 차수에 따른 발광 소자의 광 방출 특성의 변화를 비교예들과 비교하여 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 12a 내지 도 12c는 도 11에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티가 갖는 공진 모드들을 예시적으로 보인다.
도 13은 도 11에 도시된 발광 소자에서 위상 보정층의 두께 변화에 따른 2차 공진기의 공진 파장의 변화를 예시적으로 보인다.
도 14는 도 11에 도시된 발광 소자에서 공진 차수에 따른 발광체의 발광 특성의 변화를 비교예들과 비교하여 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 마이크로 캐비티 구조를 보이는 개념도이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 향상된 발광 효율을 갖는 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.
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, 다수의 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(200)는, 반사층(110), 반사층(110) 위에 배치된 제 1 전극(120), 제 1 전극(120)과 마주하여 배치된 제 2 전극(150), 제 1 전극(120)과 제 2 전극(150) 사이에 배치된 부분 투과 거울(140), 제 1 전극(120)과 부분 투과 거울(140) 사이에 배치된 제 1 발광층(130a), 및 부분 투과 거울(140)과 제 2 전극(150) 사이에 배치된 제 2 발광층(130b)을 포함할 수 있다. 또한, 발광 소자(200)는 제 2 전극(150) 위에 배치되어 제 2 전극(150)을 보호하는 투명한 보호층(passivation layer)(160)을 더 포함할 수도 있다.
발광 소자(200)는 유기 전계 발광 다이오드(OLED; organic light emitting diode)일 수 있으며, 제 1 발광층(130a)과 제 2 발광층(130b)은 유기 발광 재료를 포함하는 유기 발광층일 수 있다. 예컨대, 제 1 발광층(130a)은 제 1 전극(120) 위에 배치된 제 1 정공 수송층(hole tranfer layer)(132a), 제 1 정공 수송층(132a) 위에 배치된 제 1 유기 발광 재료층(131a), 및 제 1 유기 발광 재료층(131a) 위에 배치된 제 1 전자 수송층(electron transfer layer)(133a)을 포함할 수 있다. 제 2 발광층(130b)은 부분 투과 거울(140) 위에 배치된 제 2 정공 수송층(132b), 제 2 정공 수송층(132b) 위에 배치된 제 2 유기 발광 재료층(131b), 및 제 2 유기 발광 재료층(131b) 위에 배치된 제 2 전자 수송층(133b)을 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 정공 수송층(132a, 132b)은 정공 주입층(hole jnjection layer)의 기능을 더 수행할 수 있으며, 제 1 및 제 2 전자 수송층(133a, 133b)은 전자 주입층(electron injection layer)의 기능을 더 수행할 수 있다. 또는, 제 1 전극(120)과 제 1 정공 수송층(132a) 사이 및 부분 투과 거울(140)과 제 2 정공 수송층(132b) 사이에 별도의 추가적인 정공 주입층이 각각 배치될 수도 있으며, 제 1 전자 수송층(133a)과 부분 투과 거울(140) 사이 및 제 2 전자 수송층(133b)과 제 2 전극(150) 사이에 별도의 추가적인 전자 주입층이 각각 배치될 수도 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 제 1 및 제 2 발광층(130a, 130b)은 필요에 따라 다양한 추가적인 층들을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 발광층(130a, 130b)은 전자 저지층(electron block layer), 정공 저지층(hole block layer) 등을 더 포함할 수도 있다.
이러한 구조에서, 제 1 및 제 2 정공 수송층(132a, 132b)을 통해 제공된 정공과 제 1 및 제 2 전자 수송층(133a, 133b)을 통해 제공된 전자가 제 1 및 제 2 유기 발광 재료층(131a, 131b)에서 결합하여 빛이 발생하게 된다. 제 1 및 제 2 유기 발광 재료층(131a, 131b)은 유기물 호스트(host)에 도펀트 물질을 도핑하여 형성될 수 있다. 제 1 및 제 2 유기 발광 재료층(131a, 131b)에서 발생하는 빛의 파장은 유기물 호스트와 도펀트 물질의 특성에 의해 결정될 수 있다.
제 1 전극(120)은 제 1 및 제 2 발광층(130a, 130b)에 정공을 제공하는 양극의 역할을 할 수 있으며, 제 2 전극(150)은 제 1 및 제 2 발광층(130a, 130b)에 전자를 제공하는 음극의 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 제 1 전극(120)은 상대적으로 높은 일함수(work function)를 갖는 재료로 이루어지고 제 2 전극(150)은 상대적으로 낮은 일함수를 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 제 1 전극(120)은 빛(예컨대, 가시광)을 투과시키는 성질을 갖는 투명 전극이 될 수 있다. 예컨대, 제 1 전극(120)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(150)은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 부분 투과 전극이 될 수 있다. 이를 위해, 제 2 전극(150)은 매우 얇은 두께의 반사성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극(150)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 은 합금, 또는 알루미늄 합금 등으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 은 합금으로는 은(Ag)과 마그네슘(Mg)의 혼합층, 알루미늄 합금으로는 알루미늄(Al)과 리튬(Li)의 혼합층이 있을 수 있다. 이러한 제 2 전극(150)의 전체 두께는 약 5 nm 내지 30 nm일 수 있다. 제 2 전극(150)의 두께가 매우 얇기 때문에 빛의 일부가 반사성 금속을 통과할 수 있다.
반사층(110)은 제 1 및 제 2 발광층(130a, 130b)에 의해 발생하여 제 1 전극(120)을 투과한 빛을 반사하도록 구성될 수 있다. 이를 위하여, 반사층(110)은 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 또는 이들을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 반사층(110)은 다른 반사성 재료를 포함할 수도 있다.
이러한 반사층(110)은 제 2 전극(150)과 함께 마이크로 캐비티를 구성하는 역할을 한다. 다시 말해, 발광 소자(200)의 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이에 마이크로 캐비티가 형성된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 발광층(130a, 130b)에서 발생한 빛은 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이를 왕복하며 공진한 후에 마이크로 캐비티의 공진 파장에 해당하는 빛이 제 2 전극(150)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
반사층(110)과 제 2 전극(150) 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(150) 사이의 마이크로 캐비티를 형성하는 층들의 광학적 두께, 제 2 전극(150)에 의한 위상 지연, 및 반사층(110)에 의한 위상 위상 지연의 합으로 결정될 수 있다. 여기서, 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이의 마이크로 캐비티를 형성하는 층들의 광학적 두께는 단순한 물리적인 두께가 아니라, 마이크로 캐비티를 형성하는 층들의 재료들의 굴절률을 고려한 두께이다. 예컨대, 마이크로 캐비티를 형성하는 층들의 광학적 두께는 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이에 있는 모든 층들의 광학적 두께들의 합이다.
발광 소자(200)의 발광 효율을 향상시키기 위하여, 마이크로 캐비티의 광학적 길이(L)는 마이크로 캐비티의 공진 파장을 제 1 및 제 2 발광층(130a, 130b)의 발광 파장에 매칭시키도록 결정될 수 있다. 다시 말해, 마이크로 캐비티의 공진 파장 λ는 제 1 및 제 2 발광층(130a, 130b)의 발광 파장과 같을 수 있다. 이를 위해, 제 1 및 제 2 발광층(130a, 130b)의 발광 파장을 고려하여 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이에 배치되는 층들의 광학적 두께들을 조절할 수 있다. 이러한 마이크로 캐비티를 이용함으로써, 발광 소자(200)로부터 방출되는 빛에 직진성을 부여할 수 있으며, 좁은 파장 대역 내에 있는 빛만이 선택적으로 추출되므로 발광 소자(200)로부터 방출되는 빛의 색순도가 높아질 수 있다.
한편, 마이크로 캐비티 구조에서는 마이크로 캐비티가 갖는 Q-인자와 모드 부피(mode volume)의 영향을 받아서 마이크로 캐비티 내에 있는 광원의 방사 붕괴 속도(radiative decay rate)가 변하게 되는데, 이를 퍼셀 효과(Purcell effect)라고 한다. 퍼셀 효과를 증진시키면 광원의 방사 붕괴 속도가 빨라지고 자발 발광률(spontaneous emission rate)이 향상될 수 있다. 유기 발광 소자의 경우, 광원은 발광 도펀트를 의미하는데, 도펀트의 PLQY(photoluminescence quantum yield)가 퍼셀 효과에 의해서 증가하여 소자의 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 만약 도펀트의 PLQY가 거의 1에 가까운 경우라도, 마이크로 캐비티에 의한 퍼셀 효과로 인해 방사 붕괴 속도가 빨라지면 발광 소자의 수명이 증가하는 효과를 기대할 수 있다.
이러한 퍼셀 효과는 일반적으로 n=1인, 다시 말해 마이크로 캐비티의 광학적 길이(L)가 λ/2인 1차 공진 모드에서 강하고, n이 증가하여 공진 차수가 증가함에 따라 급격하게 감소하게 된다. 공진기 길이가 길어질수록 자유 스펙트럼 범위(free spectral range)가 작아지고 마이크로 캐비티가 형성하는 광학적 상태 밀도(ODOS, optical density of state)를 감소시켜 마이크로 캐비티 내부에 있는 발광체의 효율이 감소하기 때문이다. 따라서, 1차 공진 모드의 마이크로 캐비티가 발광 소자에 적용되는 것이 가장 효율적이지만, 발광 소자의 구동 안정성을 위해서 정공 수송층이나 발광층의 두께를 높여야 하거나 다중 발광층을 적용하거나, 또는 복수의 발광 소자를 적층하는 탠덤(tandem) 구조를 적용하는 경우에는 고차 공진 모드를 적용할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 마이크로 캐비티 내부에 있는 부분 투과 거울(140)은 2차 또는 3차 이상의 공진 모드를 갖는 마이크로 캐비티에서도 1차 공진 모드를 갖는 것과 같이 퍼셀 효과를 증진시키는 역할을 한다. 예를 들어, 도 2는 도 1에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티 구조를 보이는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 반사층(110)과 제 2 전극(150)에 의해 2차 공진 모드를 갖는 마이크로 캐비티가 형성된다. 부분 투과 거울(140)은 마이크로 캐비티 내부에서 공진하는 광파의 전기장 세기가 가장 작은 영역, 다시 말해 마이크로 캐비티 내부에서 공진하는 광파의 노드(node)에 배치된다. 그러면, 부분 투과 거울(140)에 입사하는 빛의 일부가 부분 투과 거울(140)에 의해 반사되면서 새로운 작은 공진기가 형성된다. 따라서, 마이크로 캐비티 내에는 복수의 공진 모드들이 형성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 발광 소자의 마이크로 캐비티가 갖는 공진 모드들을 예시적으로 보인다. 먼저 도 3a를 참조하면, 반사층(110)과 부분 투과 거울(140)에 의해 1차 공진 모드를 갖는 공진기가 형성될 수 있다. 또한 도 3b에 도시된 바와 같이, 반사층(110)과 제 2 전극(150)에 의해 2차 공진 모드를 갖는 공진기가 형성될 수 있다. 이와 같이, 마이크로 캐비티 내에 부분 투과 거울(140)을 더 배치함으로써 마이크로 캐비티가 1차 공진 모드를 더 가질 수 있으며, 이에 따라 광학적 상태 밀도를 증가시킬 수 있다. 도시되지는 않았지만, 부분 투과 거울(140)과 제 2 전극(150)에 의해서도 1차 공진 모드를 갖는 1차 공진기가 형성될 수 있다. 따라서, 1차 공진 모드를 갖는 2개의 1차 공진기가 연결되어 2차 공진 모드를 갖는 하나의 2차 공진기가 형성될 수 있다.
부분 투과 거울(140)은 제 2 전극(150)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 다시 말해, 부분 투과 거울(140)은 반사성 및 도전성을 갖는 금속 재료, 예컨대, 은(Ag), 알루미늄(Al), 은 합금, 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다. 부분 투과 거울(140)이 빛의 일부를 투과시킬 수 있도록 부분 투과 거울(140)은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 부분 투과 거울(140)은 5 nm 내지 30 nm의 두께를 가질 수 있다. 필요에 따라, 부분 투과 거울(140)의 두께는 발광 소자(200)의 외부로 빛을 출광시키는 제 2 전극(150)의 두께와 다르게 선택될 수 있다. 다시 말해, 부분 투과 거울(140)의 반사도는 제 2 전극(150)의 반사도와 다르게 선택될 수도 있다.
또한, 반사층(110)과 부분 투과 거울(140) 사이에 배치된 제 1 발광층(130a)은 마이크로 캐비티 내부에서 공진하는 광파의 전기장 세기가 가장 큰 영역, 다시 말해 마이크로 캐비티 내부에서 공진하는 광파의 안티노드(antinode)에 위치할 수 있다. 전극들로부터 주입되는 전공 및 전자가 발광층에서 엑시톤(exciton)을 효율적으로 생성하도록 하기 위해서 전자 수송층 및 정공 수송층의 두께와 소재를 선정할 수 있으며, 발광층이 마이크로 캐비티의 안티노드에 위치하는 것이 광학적으로 가장 유리할 수 있다. 부분 투과 거울(140)과 제 2 전극(150) 사이에 배치된 제 2 발광층(130b)도 역시 마이크로 캐비티 내부에서 공진하는 광파의 안티노드에 위치할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 발광 소자(210)는 부분 투과 거울(140)의 상부 표면 위에서 제 2 전극(150)과 마주하도록 배치되는 투명 도전체층(141)을 더 포함할 수 있다. 투명 도전체층(141)은 제 1 전극(120)과 유사한 역할을 할 수 있다. 부분 투과 거울(140)과 제 2 발광층(130b) 사이에 위치하는 투명 도전체층(141)은 제 2 발광층(130b)에 정공을 제공하기 위하여 높은 일함수를 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 투명 도전체층(141)은 ITO, IZO, AZO 등으로 이루어질 수 있다.
또한 발광 소자(210)는 제 1 발광층(130a)과 제 2 발광층(130b) 사이에 배치되는 전하 생성층(charge generation layer)(142)을 더 포함할 수 있다. 전하 생성층(142)은 제 1 유기 발광 재료층(131a)과 제 2 유기 발광 재료층(131b) 사이의 전하 이동을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 도 4에는 전하 생성층(142)이 부분 투과 거울(140)의 하부 표면과 제 1 발광층(130a)의 상부 표면 사이에 배치된 것으로 도시되었지만, 이에 한정되는 것은 아니며 전하 생성층(142)은 제 1 발광층(130a)과 제 2 발광층(130b) 사이의 어디에도 위치할 수 있다.
발광 소자(210)의 나머지 구성들은 도 1에 도시된 발광 소자(200)의 구성들과 동일할 수 있다. 따라서, 도 4에 도시된 발광 소자(210)에 관한 상세한 설명을 생략한다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 발광 소자(220)는 반사층(110), 반사층(110) 위에 배치된 투명한 제 1 전극(120), 제 1 전극(120) 위에 배치된 제 1 발광층(130a), 제 1 발광층(130a) 위에 배치된 제 1 부분 투과 거울(140a), 제 1 부분 투과 거울(140a) 위에 배치된 제 2 발광층(130b), 제 2 발광층(130b) 위에 배치된 제 2 부분 투과 거울(140b), 제 2 부분 투과 거울(140b) 위에 배치된 제 3 발광층(130c), 제 3 발광층(130c) 위에 배치된 제 2 전극(150)을 포함할 수 있다. 또한 발광 소자(220)는 제 2 전극(150) 위에 배치된 보호층(160)을 더 포함할 수 있다.
도 1 및 도 4에 도시된 발광 소자(200, 210)와 비교할 때, 발광 소자(220)는 제 2 발광층(130b)과 제 2 전극(150) 사이에 배치된 제 3 발광층(130c), 및 제 2 발광층(130b)과 제 3 발광층(130c) 사이에 배치된 제 2 부분 투과 거울(140b)을 더 포함한다. 도 1 및 도 4에 도시된 발광 소자(200, 210)는 마이크로 캐비티가 2차 공진 모드를 갖도록 구성되었지만, 도 5에 도시된 발광 소자(220)의 마이크로 캐비티는 3차 공진 모드를 갖는다. 또한 마이크로 캐비티의 공진 차수는 이에 한정되지 않으며, 4차 이상의 고차 공진 모드를 갖도록 마이크로 캐비티를 형성할 수도 있다.
도 6은 도 5에 도시된 발광 소자(220)의 마이크로 캐비티 구조를 보이는 개념도이다. 도 6을 참조하면, 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이에 3차 공진 모드를 갖는 마이크로 캐비티가 형성된다. 제 1 발광층(130a)과 제 2 발광층(130b) 사이에 배치된 제 1 부분 투과 거울(140a)은 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 제 1 노드 영역에 위치하고, 제 2 발광층(130b)과 제 3 발광층(130c) 사이에 배치된제 2 부분 투과 거울(140b)은 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 제 2 노드 영역에 위치할 수 있다. 이 경우, 제 1 발광층(130a)은 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 제 1 안티노드 영역에, 제 2 발광층(130b)은 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 제 2 안티노드 영역에, 제 3 발광층(130c)은 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 제 3 안티노드 영역에 위치할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 도 5에 도시된 발광 소자(220)의 마이크로 캐비티가 갖는 공진 모드들을 예시적으로 보인다. 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 반사층(110)과 제 1 부분 투과 거울(140a) 사이에 1차 공진 모드가 형성되고, 반사층(110)과 제 2 부분 투과 거울(140b) 사이에 2차 공진 모드가 형성되고, 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이에 3차 공진 모드가 형성될 수 있다. 이러한 다중 공진 모드는 도 6과 같이 제 1 및 제 2 부분 투과 거울(140a, 140b)을 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 서로 다른 노드 영역들에 위치시킴으로써 형성된다.
이와 같이 하나의 큰 마이크로 캐비티 내에 복수의 작은 공진기들이 추가적으로 형성될 수 있고, 이러한 복수의 작은 공진기들이 광학적으로 연결될 수 있다. 그러면 1차 공진, 2차 공진, 및 3차 공진의 상호 작용을 통한 광학적 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 8은 도 5에 도시된 발광 소자(220)에서 공진 차수에 따른 발광체의 발광 특성의 변화를 비교예들과 비교하여 예시적으로 보이는 그래프이고, 도 9는 도 5에 도시된 발광 소자(220)에서 공진 차수에 따른 발광 소자(220)의 광 방출 특성의 변화를 비교예들과 비교하여 예시적으로 보이는 그래프이다. 다시 말해, 도 8의 그래프는 마이크로 캐비티 내에 위치하는 발광체가 발생시키는 빛의 세기를 비교예들과 비교하여 나타내는 것이고, 도 9의 그래프는 마이크로 캐비티 내에서 공진한 빛이 제 2 전극(150)을 통해 발광 소자(220)의 외부로 출력되는 빛의 세기를 비교예들과 비교하여 나타내는 것이다.
도 8을 참조하면, 1차 공진 모드에서 2차 공진 모드, 3차 공진 모드로 갈수록 공진 차수가 증가함에 따라 발광체가 발생시키는 빛의 세기가 감소한다는 것을 알 수 있다. 이는 앞서 설명한 퍼셀 효과에 의한 결과로 해석할 수 있다. 반면, 본 실시예에서와 같이 제 1 및 제 2 부분 투과 거울(140a, 140b)을 이용하여 마이크로 캐비티 내에 1차 공진 모드와 2차 공진 모드를 추가적으로 발생시키면 1차 공진 모드만을 갖는 경우보다도 발광체의 발광 특성이 더 향상된다는 것을 확인할 수 있다. 이는 다양한 공진 모드들의 상호 보강 간섭에 의해 보강 특성이 강화되어 나타난 결과라고 볼 수 있다. 또한, 도 9를 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자(220)의 외부로 출력되는 빛의 세기가 1차 공진 모드만을 갖는 경우보다 2배 정도 향상되므로 광추출 효율도 역시 향상된다는 것을 예측할 수 있다.
상술한 바와 같이, 반사층(110)과 부분 투과 거울(140, 140a, 140b) 사이에 1차 이상의 공진 모드가 형성되고 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이에 2차 이상의 공진 모드가 형성되도록, 부분 투과 거울(140, 140a, 140b)을 배치할 수 있다. 그러면, 마이크로 캐비티 기반의 발광 소자가 다중 발광층을 포함하거나 두꺼운 유기층을 구비하여 2차 또는 3차 이상의 공진 모드가 형성되는 경우에도, 마이크로 캐비티 내부에서 부분 투과 거울에 의해 1차 공진 조건을 만족시킬 수 있다. 그 결과, 퍼셀 효과의 증가로 인해 효율이 더욱 향상되거나, 발광 소자의 구동 수명이 증가하는 효과를 기대할 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 10을 참조하면, 발광 소자(230)는 제 1 부분 투과 거울(140a)의 상부 표면과 제 2 발광층(130b) 사이에 배치되는 제 1 투명 도전체층(141a) 및 제 2 부분 투과 거울(140b)의 상부 표면과 제 3 발광층(130c) 사이에 배치되는 제 2 투명 도전체층(141b)을 더 포함할 수 있다. 또한 발광 소자(230)는 제 1 발광층(130a)과 제 2 발광층(130b) 사이에 배치되는 제 1 전하 생성층(142a) 및 제 2 발광층(130b)과 제 3 발광층(130c) 사이에 배치되는 제 2 전하 생성층(142b)을 더 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 발광 소자(230)의 나머지 다른 구성들은 도 5에 도시된 발광 소자(220)의 구성들과 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 11을 참조하면, 발광 소자(240)는 반사층(110), 반사층(110) 위에 배치된 투명한 제 1 전극(120), 제 1 전극(120)과 마주하여 배치되며 부분 투과성을 갖는 제 2 전극(150), 제 1 전극(120)과 제 2 전극(150) 사이에 배치된 위상 보정층(144), 제 1 전극(120)과 위상 보정층(144) 사이에 배치된 제 1 발광층(130a), 위상 보정층(144)과 제 2 전극(150) 사이에 배치된 제 2 발광층(130b), 위상 보정층(144)과 제 1 발광층(130a) 사이에 배치된 제 1 부분 투과 거울(145), 및 위상 보정층(144)과 제 2 발광층(130b) 사이에 배치된 제 2 부분 투과 거울(146)을 포함할 수 있다. 또한 발광 소자(240)는 제 2 전극(150) 위에 배치된 보호층(160)을 더 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 10에서는 반사층(110), 제 2 전극(150), 부분 투과 거울(140, 140a, 140b)들에 의해 반사되는 빛의 위상이 180도(즉, π) 변경되는 것으로 가정하였다. 그러나 금속 거울의 경우, 실제로는 소실파(evanescent wave) 효과로 인해 1.1 내지 1.3배 큰 위상 변조가 발생하게 된다. 예를 들어, 은(Ag) 거울에서는 1.3×180도의 위상 변조가 일어난다. 이로 인해 1차 공진기의 광학적 길이가 실제로는 λ/2보다 짧아질 수 있다. 예를 들어, 공진 파장이 450 nm인 경우에, 1차 공진기의 실제 광학적 길이는 225 nm가 아니라 약 170 nm 정도이다. 공진기의 길이가 55 nm 정도 줄어든 이유는 은 박막에 의한 반사 위상 변조가 π가 아닌 1.3π이기 때문이다.
이렇게 금속 거울에서 발생하는 π보다 큰 위상 변조는 복수의 1차 공진기를 직렬 연결하기 어렵게 할 수 있다. π보다 큰 위상 변조를 고려하여 구성한 2개의 1차 공진기를 직렬 연결하는 경우, 결과적인 공진기의 길이는 2차 공진 조건을 만족하는 길이보다 짧아지게 되고, 결과적인 공진기의 실제 공진 파장은 목표로 한 공진 파장보다 짧아지게 된다. 예를 들어, 공진 파장이 450 nm인 2개의 1차 공진기를 직렬로 연결하면 2차 공진기는 420 nm 정도의 공진 파장을 가질 수 있다. π보다 큰 위상 변조를 고려하여 구성한 3개의 1차 공진기를 직렬 연결하는 경우에는, 결과적인 공진기의 길이는 3차 공진 조건을 만족하는 길이보다 더욱 짧아지게 된다. 이로 인해, 복수의 공진기들의 공진 조건을 만족하는 다양한 공진 모드들 사이의 보강 간섭이 일어나지 않을 수도 있다.
도 11에 도시된 발광 소자(240)는 2차 이상의 공진기의 길이가 짤아지지 않도록 마이크로 캐비티 내에 위상을 보정하기 위한 추가적인 캐비티를 더 포함할 수 있다. 위상 보정층(144)은 발광에 직접적으로 기여하지 않으면서 위상을 보정하기 위한 이러한 추가적인 캐비티의 역할을 할 수 있다. 위상 보정층(144)은 위상 보정층(144)의 양면에 배치된 1차 공진기를 직렬로 연결하면서 최종적인 2차 이상의 공진기의 공진 파장을 목표로 한 공진 파장에 일치시킬 수 있다. 다시 말해, 최종적인 2차 이상의 공진기의 공진 파장은 위상 보정층(144)의 두께(D)에 의해 결정될 수 있다. 최종적인 2차 이상의 공진기의 공진 파장을 목표로 한 공진 파장에 일치시키는 위상 보정층(144)의 정확한 두께(D)는, 예를 들어, 유한 차분 시간 영역 시뮬레이터(finite-differential time-domain simulator) 등을 이용하여 계산할 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 도 11에 도시된 발광 소자(240)의 마이크로 캐비티가 갖는 공진 모드들을 예시적으로 보인다. 도 12a를 참조하면, 반사층(110)과 제 1 부분 투과 거울(145)에 의해 1차 공진기가 형성된다. 또한 도 12b를 참조하면, 제 2 부분 투과 거울(146)과 제 2 전극(150)에 의해 다른 1차 공진기가 형성된다. 또한 도 12c를 참조하면, 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이에 2개의 1차 공진기가 연결된 2차 공진기가 형성된다. 제 1 부분 투과 거울(145)과 제 2 부분 투과 거울(146) 사이에는 2차 공진기의 공진 파장이 짧아지지 않도록 위상 보정층(144)이 배치된다. 위상 보정층(144)은 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이의 마이크로 캐비티 또는 2차 공진기 내에서 공진하는 광파의 노드에 위치할 수 있다. 제 1 부분 투과 거울(145)과 제 2 부분 투과 거울(146)은 위상 보정층(144)의 양쪽 표면에 직접 접촉하여 배치될 수 있다.
반사층(110), 제 2 전극(150), 제 1 부분 투과 거울(145), 및 제 2 부분 투과 거울(146)은 반사광에 대해 180도보다 큰 위상 변조를 일으킬 수 있다. 위상 보정층(144)의 두께(D)는 반사층(110), 제 2 전극(150), 제 1 부분 투과 거울(145), 및 제 2 부분 투과 거울(146)의 180도보다 큰 위상 변조를 고려하여 결정될 수 있다. 특히, 2개의 1차 공진기의 공진 파장과 2차 공진기의 공진 파장이 일치하도록 위상 보정층(144)의 두께(D)가 결정될 수 있다. 예를 들어, 위상 보정층(144)의 두께(D)는 5 nm 내지 150 nm의 범위 내에서 결정될 수 있다. 이러한 위상 보정층(144)은 고굴절률을 갖는 투명 도전성 재료로 이루어질 수 있다.
도 13은 도 11에 도시된 발광 소자(240)에서 위상 보정층(144)의 두께 변화에 따른 2차 공진기의 공진 파장의 변화를 예시적으로 보인다. 2개의 1차 공진기는 450 nm의 공진 파장을 갖도록 설계되었다. 반사층(110)은 200 nm 두께의 은 박막으로 이루어지며, 제 1 부분 투과 거울(145)과 제 2 부분 투과 거울(146)은 10 nm의 두께를 갖고, 제 2 전극(150)은 20 nm의 두께를 갖는다. 반사층(110)과 제 1 부분 투과 거울(145) 사이의 거리 및 제 2 부분 투과 거울(146)과 제 2 전극(150) 사이의 거리는 168 nm로 고정하였다. 위상 보정 거리, 다시 말해 위상 보정층(144)의 두께를 10 nm부터 150 nm까지 변화시키면서 2차 공진기의 공진 특성을 계산하였다. 도 13을 참조하면, 위상 보정층(144)의 두께가 10 nm일 때 공진 파장이 410 nm에서 형성된다는 것을 알 수 있다. 위상 보정층(144)의 두께가 증가하면서 공진 파장이 점차 증가하며, 위상 보정층(144)의 두께가 90 nm일 때 450 nm의 공진 파장이 형성되었다.
도 14는 도 11에 도시된 발광 소자(240)에서 공진 차수에 따른 발광체의 발광 특성의 변화를 비교예들과 비교하여 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 14의 그래프는 마이크로 캐비티 내에 위치하는 발광체가 발생시키는 빛의 세기를 비교예들과 비교하여 나타내는 것이다. 도 14를 참조하면, 1차 공진 모드에서 2차 공진 모드, 3차 공진 모드로 갈수록 공진 차수가 증가함에 따라 발광체가 발생시키는 빛의 세기가 감소한다는 것을 알 수 있다. 반면, 실시예에 따르면 1차 공진 모드만을 갖는 경우보다도 발광체의 발광 특성이 더 향상된다는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 반사층(110), 제 2 전극(150), 제 1 부분 투과 거울(145), 및 제 2 부분 투과 거울(146)을 구성하는 금속에 의한 위상 지연을 고려하여 위상 보정층(144)을 배치함으로써, 반사층(110), 제 2 전극(150), 제 1 부분 투과 거울(145), 및 제 2 부분 투과 거울(146)에서 위상 지연이 180도보다 큰 경우에도 1차 이상의 공진 조건들을 모두 만족시켜 발광 소자(240)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 12a 내지 도 12c에서는 2개의 1차 공진기를 연결하여 최종적인 마이크로 캐비가 2차 공진 모드를 갖는 것으로 설명하였다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 15는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 마이크로 캐비티 구조를 보이는 개념도이다. 도 15를 참조하면, 반사층(110)과 제 1 부분 투과 거울(145) 사이에 형성되는 공진기는 2차 공진 모드를 갖는 2차 공진기이다. 또한 제 2 부분 투과 거울(146)과 제 2 전극(150) 사이에 형성되는 공진기도 역시 2차 공진 모드를 갖는 2차 공진기이다. 결과적으로 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이에 형성되는 공진기는 4차 공진 모드를 갖는 4차 공진기이다. 이 경우, 위상 보정층(144)은 4차 공진기 내에서 공진하는 광파의 2번째 노드에 위치할 수 있다.
상술한 바와 같이, 반사층(110)과 제 1 부분 투과 거울(145) 사이에 1차 이상의 공진 모드가 형성되고 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이에 2차 이상의 공진 모드가 형성되도록 제 1 부분 투과 거울(145)과 제 2 부분 투과 거울(146)이 배치되며, 위상 보정을 위해 제 1 부분 투과 거울(145)과 제 2 부분 투과 거울(146) 사이에 소정의 두께를 갖는 위상 보정층(144)이 배치될 수 있다. 또한, 반사층(110)과 제 1 부분 투과 거울(145) 사이의 광학적 거리(L1)는 반사층(110)과 제 1 부분 투과 거울(145) 사이에 1차 또는 2차 공진 모드가 형성되도록 선택될 수 있으며, 제 2 부분 투과 거울(146)과 제 2 전극(150) 사이의 광학적 거리(L2)도 역시 제 2 부분 투과 거울(146)과 제 2 전극(150) 사이에 1차 또는 2차 공진 모드가 형성되도록 선택될 수 있다.
한편, 제 1 발광층(130a)과 제 2 발광층(130b)은 도 1에서 이미 설명한 제 1 및 제 2 발광층(130a, 130b)과 동일한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 발광층(130a)은 제 1 전극(120) 위에 배치된 제 1 정공 수송층, 제 1 정공 수송층 위에 배치된 제 1 유기 발광 재료층, 및 제 1 유기 발광 재료층 위에 배치된 제 1 전자 수송층을 포함할 수 있다. 또한, 제 2 발광층(130b)은 제 2 부분 투과 거울(146) 위에 배치된 제 2 정공 수송층, 제 2 정공 수송층 위에 배치된 제 2 유기 발광 재료층, 및 제 2 유기 발광 재료층 위에 배치된 제 2 전자 수송층을 포함할 수 있다.
제 1 발광층(130a) 내의 제 1 유기 발광 재료층과 제 2 발광층(130b) 내의 제 2 유기 발광 재료층은 동일한 파장의 빛을 발생시키는 유기물 재료로 이루어질 수 있다. 반사층(110)과 제 1 부분 투과 거울(145) 사이의 광학적 거리(L1) 및 제 2 부분 투과 거울(146)과 제 2 전극(150) 사이의 광학적 거리(L2)는 서로 동일하며, 제 1 및 제 2 유기 발광 재료층에서 발생한 빛의 파장에 대해 공진 모드가 형성되도록 선택될 수 있다.
다른 예에서, 제 1 발광층(130a) 내의 제 1 유기 발광 재료층은 제 1 파장의 빛을 발생시키는 유기물 재료로 이루어지고, 제 2 발광층(130b) 내의 제 2 유기 발광 재료층은 제 1 파장과 상이한 제 2 파장의 빛을 발생시키는 유기물 재료로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 반사층(110)과 제 1 부분 투과 거울(145) 사이의 광학적 거리(L1)는 제 1 파장에 대해 공진 모드가 형성되도록 선택되며, 제 2 부분 투과 거울(146)과 제 2 전극(150) 사이의 광학적 거리(L2)는 제 2 파장에 대해 공진 모드가 형성되도록 선택될 수 있다. 또한, 위상 보정층(144)의 두께를 조절함으로써 제 1 파장과 제 2 파장 중에서 선택된 어느 한 파장에 대해 공진 모드를 갖도록 반사층(110)과 제 2 전극(150) 사이의 광학적 거리(L)를 선택할 수 있다. 또는, 제 1 및 제 2 파장과 상이한 제 3 파장에 대해 공진 모드를 갖도록 위상 보정층(144)의 두께를 조절할 수도 있다. 이 경우, 발광 소자(240)는 멀티 컬러의 빛을 방출할 수 있다.
비록 도 11에는 2개의 발광층만이 도시되었지만, 제 2 발광층(130b)과 제 2 전극(150) 사이에 추가적인 제 1 부분 투과 거울, 위상 보정층, 제 2 부분 투과 거울, 및 발광층이 더 배치될 수도 있다. 이 경우, 3개의 발광층이 서로 다른 파장의 빛을 발생시킬 수 있다. 또는 3개의 발광층이 서로 동일한 파장의 빛을 발생시킬 수도 있다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 16을 참조하면, 발광 소자(250)는 제 2 부분 투과 거울(146)의 상부 표면과 제 2 발광층(130b) 사이에 배치되는 투명 도전체층(141)을 더 포함할 수 있다. 또한 발광 소자(250)는 제 1 발광층(130a)과 제 2 발광층(130b) 사이에 배치되는 전하 생성층(142)을 더 포함할 수 있다. 도 16에 도시된 발광 소자(250)의 나머지 다른 구성들은 도 11에 도시된 발광 소자(240)의 구성들과 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.
상술한 발광 소자들은 디스플레이 장치의 복수의 화소에 적용될 수 있다. 도 17는 일 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 17을 참조하면, 디스플레이 장치(1000)는 서로 다른 색상의 빛을 방출하는 복수의 화소를 포함한다. 여기서, 다수의 화소는 기판(1001)의 동일 평면 상에서 서로 인접하여 배치되는 적색, 녹색 및 청색 화소(1100, 1200, 1300)를 포함할 수 있다. 도 17에는 편의상 적색, 녹색 및 청색 화소(1100, 1200, 1300)로 구성된 하나의 단위 화소만이 도시되어 있지만, 실제로는 기판(1001) 위에 대단히 많은 수의 제 1 내지 제 3 화소(100B, 100G, 100R)들이 반복적으로 배열될 수 있다.
적색 화소(1100)는, 기판(1001) 위에 배치된 반사층(110), 반사층(110) 위에 배치된 제 1 전극(120), 제 1 전극(120)과 마주하여 배치된 제 2 전극(150), 제 1 전극(120)과 제 2 전극(150) 사이에 배치된 부분 투과 거울(140), 제 1 전극(120)과 부분 투과 거울(140) 사이 및 부분 투과 거울(140)과 제 2 전극(150) 사이에 배치된 적색 발광층(130R), 및 제 2 전극(150) 위에 배치된 보호층(160)을 포함할 수도 있다. 제 1 전극(120)과 부분 투과 거울(140) 사이의 광학적 거리 및 부분 투과 거울(140)과 제 2 전극(150) 사이의 광학적 거리는 적색광에 대해 1차 이상의 공진 모드를 갖도록 결정되며, 제 1 전극(120)과 제 2 전극(150) 사이의 광학적 거리는 적색광에 대해 2차 이상의 공진 모드를 갖도록 결정된다.
녹색 화소(1200)와 청색 화소(1300)는 적색 화소(1100)와 유사한 구조를 갖는다. 녹색 화소(1200)는 적색 발광층(130R) 대신에 녹색 발광층(130G)을 포함하며, 청색 화소(1300)는 적색 발광층(130R) 대신에 청색 발광층(130B)을 포함한다. 녹색 화소(1200)에서, 제 1 전극(120)과 부분 투과 거울(140) 사이의 광학적 거리 및 부분 투과 거울(140)과 제 2 전극(150) 사이의 광학적 거리는 녹색광에 대해 1차 이상의 공진 모드를 갖도록 결정되며, 제 1 전극(120)과 제 2 전극(150) 사이의 광학적 거리는 녹색광에 대해 2차 이상의 공진 모드를 갖도록 결정된다. 또한 청색 화소(1300)에서, 제 1 전극(120)과 부분 투과 거울(140) 사이의 광학적 거리 및 부분 투과 거울(140)과 제 2 전극(150) 사이의 광학적 거리는 청색광에 대해 1차 이상의 공진 모드를 갖도록 결정되며, 제 1 전극(120)과 제 2 전극(150) 사이의 광학적 거리는 청색광에 대해 2차 이상의 공진 모드를 갖도록 결정된다.
도 17에는 적색, 녹색 및 청색 화소(1100, 1200, 1300)가 도 1에 도시된 발광 소자(200)와 동일한 구조를 갖는 것으로 도시되었지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 디스플레이 장치(1000)는 도 1에 도시된 발광 소자(200)뿐만 아니라 다른 실시예들에 다른 발광 소자(210, 220, 230, 240, 250)들을 적색, 녹색 및 청색 화소(1100, 1200, 1300)에 적용할 수도 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 향상된 발광 효율을 갖는 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.
110.....반사층
120.....제 1 전극
130a, 130b.....발광층
140, 145, 146.....부분 투과 거울
141.....투명 도전체층
142.....전하 생성층
144.....위상 보정층
150.....제 2 전극
160.....보호층
200, 210, 220, 230, 240, 250.....발광 소자
120.....제 1 전극
130a, 130b.....발광층
140, 145, 146.....부분 투과 거울
141.....투명 도전체층
142.....전하 생성층
144.....위상 보정층
150.....제 2 전극
160.....보호층
200, 210, 220, 230, 240, 250.....발광 소자
Claims (27)
- 반사층;
상기 반사층 위에 배치된 제 1 전극;
상기 제 1 전극과 마주하여 배치된 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 부분 투과 거울;
상기 제 1 전극과 상기 부분 투과 거울 사이에 배치된 제 1 발광층; 및
상기 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 제 2 발광층;을 포함하며,
상기 반사층과 상기 부분 투과 거울 사이에 1차 이상의 공진 모드가 형성되고 상기 반사층과 상기 제 2 전극 사이에 2차 이상의 공진 모드가 형성되도록 상기 부분 투과 거울이 배치되어 있는, 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 투명 전극이고 상기 제 2 전극은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 부분 투과 전극인, 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 반사층과 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성하고, 상기 부분 투과 거울은 상기 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 노드에 위치하는, 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 부분 투과 거울은 은(Ag), 알루미늄(Al), 은 합금, 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는, 발광 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 부분 투과 거울의 두께는 5 nm 내지 30 nm인, 발광 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 전극의 두께와 상기 부분 투과 거울의 두께가 상이한, 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 발광층은:
상기 제 1 전극 위에 배치된 제 1 정공 수송층;
상기 제 1 정공 수송층 위에 배치된 제 1 유기 발광 재료층; 및
상기 제 1 유기 발광 재료층 위에 배치된 제 1 전자 수송층;을 포함하고,
상기 제 2 발광층은:
상기 부분 투과 거울 위에 배치된 제 2 정공 수송층;
상기 제 2 정공 수송층 위에 배치된 제 2 유기 발광 재료층; 및
상기 제 2 유기 발광 재료층 위에 배치된 제 2 전자 수송층;을 포함하는, 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 발광 소자는 상기 부분 투과 거울 위에서 상기 제 2 전극과 마주하도록 배치되는 투명 도전체층을 더 포함하는, 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 발광 소자는 상기 제 1 발광층과 상기 제 2 발광층 사이에 배치되는 전하 생성층을 더 포함하는, 발광 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 발광 소자는 상기 제 2 발광층과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 제 3 발광층을 더 포함하며,
상기 부분 투과 거울은 상기 제 1 발광층과 상기 제 2 발광층 사이에 배치된 제 1 부분 투과 거울 및 상기 제 2 발광층과 상기 제 3 발광층 사이에 배치된 제 2 부분 투과 거울을 포함하는, 발광 소자. - 제 10 항에 있어서,
상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이에 1차 공진 모드가 형성되고, 상기 반사층과 상기 제 2 부분 투과 거울 사이에 2차 공진 모드가 형성되고, 상기 반사층과 상기 제 2 전극 사이에 3차 공진 모드가 형성되도록 상기 제 1 및 제 2 부분 투과 거울이 배치되어 있는, 발광 소자. - 제 11 항에 있어서,
상기 반사층과 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성하고, 상기 제 1 부분 투과 거울은 상기 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 제 1 노드에 위치하고, 상기 제 2 부분 투과 거울은 상기 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 제 2 노드에 위치하는, 발광 소자. - 반사층;
상기 반사층 위에 배치된 제 1 전극;
상기 제 1 전극과 마주하여 배치된 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 위상 보정층;
상기 제 1 전극과 상기 위상 보정층 사이에 배치된 제 1 발광층;
상기 위상 보정층과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 제 2 발광층;
상기 위상 보정층과 상기 제 1 발광층 사이에 배치된 제 1 부분 투과 거울; 및
상기 위상 보정층과 상기 제 2 발광층 사이에 배치된 제 2 부분 투과 거울;을 포함하며,
상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이에 1차 이상의 공진 모드가 형성되고 상기 반사층과 상기 제 2 전극 사이에 2차 이상의 공진 모드가 형성되도록 상기 제 1 및 제 2 부분 투과 거울이 배치되어 있는, 발광 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 투명 전극이고 상기 제 2 전극은 빛의 일부를 반사하고 일부를 투과시키는 부분 투과 전극인, 발광 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 반사층과 상기 제 2 전극은 공진 파장을 갖는 마이크로 캐비티를 구성하고, 상기 위상 보정층은 상기 마이크로 캐비티 내에서 공진하는 광파의 노드에 위치하는, 발광 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 반사층, 상기 제 2 전극, 상기 제 1 부분 투과 거울, 및 상기 제 2 부분 투과 거울은 반사광에 대해 180도보다 큰 위상 변조를 일으키는, 발광 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 위상 보정층은 투명 도전성 재료로 이루어지는, 발광 소자. - 제 17 항에 있어서,
상기 위상 보정층의 두께는 5 nm 내지 150 nm인, 발광 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 부분 투과 거울은 은(Ag), 알루미늄(Al), 은 합금, 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는, 발광 소자. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 부분 투과 거울의 두께는 5 nm 내지 30 nm인, 발광 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이에 1차 또는 2차 공진 모드가 형성되도록 상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이의 광학적 거리가 선택되고,
상기 제 2 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이에 1차 또는 2차 공진 모드가 형성되도록 상기 제 2 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이의 광학적 거리가 선택되는, 발광 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 발광층은:
상기 제 1 전극 위에 배치된 제 1 정공 수송층;
상기 제 1 정공 수송층 위에 배치된 제 1 유기 발광 재료층; 및
상기 제 1 유기 발광 재료층 위에 배치된 제 1 전자 수송층;을 포함하고,
상기 제 2 발광층은:
상기 제 2 부분 투과 거울 위에 배치된 제 2 정공 수송층;
상기 제 2 정공 수송층 위에 배치된 제 2 유기 발광 재료층; 및
상기 제 2 유기 발광 재료층 위에 배치된 제 2 전자 수송층;을 포함하는, 발광 소자. - 제 22 항에 있어서,
상기 제 1 유기 발광 재료층과 상기 제 2 유기 발광 재료층이 동일한 파장의 빛을 발생시키는, 발광 소자. - 제 23 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 유기 발광 재료층에서 발생한 빛의 파장에 대해 공진 모드가 형성되도록 상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이의 광학적 거리 및 상기 제 2 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이의 광학적 거리가 선택되는, 발광 소자. - 제 22 항에 있어서,
상기 제 1 유기 발광 재료층은 제 1 파장의 빛을 발생시키고, 상기 제 2 유기 발광 재료층은 제 1 파장과 상이한 제 2 파장의 빛을 발생시키는, 발광 소자. - 제 25 항에 있어서,
상기 반사층과 상기 제 1 부분 투과 거울 사이의 광학적 거리는 제 1 파장에 대해 공진 모드가 형성되도록 선택되며,
상기 제 2 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이의 광학적 거리는 제 2 파장에 대해 공진 모드가 형성되도록 선택되는, 발광 소자. - 복수의 화소를 포함하며,
각각의 화소는:
반사층;
상기 반사층 위에 배치된 제 1 전극;
상기 제 1 전극과 마주하여 배치된 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 부분 투과 거울; 및
상기 제 1 전극과 상기 부분 투과 거울 사이 및 상기 부분 투과 거울과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 발광층;을 포함하고,
상기 반사층과 상기 부분 투과 거울 사이에 1차 이상의 공진 모드가 형성되고 상기 반사층과 상기 제 2 전극 사이에 2차 이상의 공진 모드가 형성되도록 상기 부분 투과 거울이 배치되어 있는, 디스플레이 장치.
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|---|---|---|---|
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