KR20230104601A - 결합된 공진 포토닉 단위 셀들 및 분산 광 방출 다이오드들을 가지는 광 방출 디바이스 - Google Patents

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데이비드 알레마이어
매튜 슈에트 와이트
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유니버시티 오브 버몬트 앤드 스테이트 어그리컬처럴 칼리지
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Abstract

분산 피드백 구조에 걸쳐 산재된 활성 이미터 레이어들을 포함하는 복수의 광학 이득 매체를 포함하는 분산 피드백 분산 이득 광 방출 디바이스. 일부 예에서, 분산 피드백 구조는 복수의 이미터 레이어들 각각의 직접적인 전기적 자극을 가능하게 하고 높은 품질 인자(high-Q) 광학 공진기 공동들의 주기적 어레이 및/또는 유효 굴절률의 브래그형 주기적 변화를 구성한다.

Description

결합된 공진 포토닉 단위 셀들 및 분산 광 방출 다이오드들을 가지는 광 방출 디바이스
본 개시는 일반적으로 광 방출 디바이스의 분야에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 결합된 공진 포토닉 단위 셀들(resonant photonic unit cells) 및 분산 광 방출 다이오드들(distributed light emitting diodes)을 가지는 광 방출 디바이스들 및 그 사용 방법들에 관한 것이다.
미세공동 효과(microcavity effect)는 OLED의 광대역 유기 분자와 같은 광 방출 다이오드에서 전기적으로 구동되는 방출을 제어하기 위해 활용되어 왔다. 이 효과는 수십 년 동안 컬러 튜닝, 효율성 개선 및 일반 LED, OLED 및 레이저 공동(laser cavities)의 각도 방출 효과를 위해 잘 연구되어 왔다. 기존의 미세공동(microcavity)은 광학 매체의 양쪽에 2개의 평행 거울로 구성된 구조이다. 빛은 공진 모드 세트를 형성하기 위해 2개의 거울 사이에 갇혀 스스로 간섭한다. 공진(resonances) 중 하나에 가까운 파장을 가진 광은 전파할 수 있는 반면 다른 파장을 가진 광은 억제된다. 공진 모드는 2개의 거울 사이의 광학 매체의 광로 길이(optical path length, OPL)와 직접적으로 관련되며, 여기서 공진 파장은 OPL의 반정수 배수(half-integer multiple)와 같아야 하며,
Figure pct00001
n은 매체의 굴절률, d는 광학 매체 두께, j는 모드 지수(mode index)이다. 가장 낮은 에너지, 가장 큰 파장 모드는 j = 1 (λ/2 모드)에서이며, j
Figure pct00002
에 따라 에너지도 무한대로 증가한다. 따라서 방출 스펙트럼이 λ/2모드에서 시작하여 무한대로 증가하는 무한 시리즈의 공진 모드(infinite series of resonant modes)로 구성되며, 여기서 λ/2모드의 에너지는 곱 n*d에 직접적으로 의존하며, 이는 매체의 OPL이다.
도 20a 내지 도 20c는 각각 105nm, 125nm 및 145nm의 더 두꺼운 유기 레이어로 인해 서로 다른 OPL들, 즉 약 180nm, 200nm, 및 245nm를 가지는 3가지의 서로 다른 λ/2 미세공동들의 예시적인 방출 특성들을 예시한다. 예시된 예에서, 방출 피크가 550nm에서 2002인 Alq3 방출 레이어(emissive layer, EML)가 있는 OLED가 사용됐다. 도 20a에 도시된 바와 같이, 180nm OPL 미세공동은 약 540nm에서 방출 피크 1804를 가지며, 이는 비-공동(non-cavity) OLED의 피크 파장과 대략적으로 매칭되는 반면, 220nm 미세공동의 방출 피크 2006 및 245nm 미세공동의 방출 피크 2008은 각각 약 605nm 및 660nm에서 방출한다. 도 20a는 더 두꺼운 유기 레이어 또는 더 높은 굴절률의 물질 사용으로 인해 OPL이 증가함에 따라 방출 피크가 더 긴 파장으로 이동하여(shifts), 공진 파장들을 이동시키고 더 높은 차수의(더 큰 j) 공진 모드들에 액세스를 허용함으로써 방출된 광의 색상을 제어할 수 있음을 보여준다. 도 20b 및 도 20c는 증가된 디바이스 두께에 의한 방출 색상의 제어를 추가로 예시하는 실험 결과를 도시한다. 도시된 바와 같이, 증가된 두께로 인해 기본 모드(fundamental mode)가 방출 레이어(여기서는 Alq3)의 방출 스펙트럼 아래로 떨어지면서 방출 모드가 더 높은 차수로 전환되는 임계 임계치(critical thresholds)가 존재한다. 도 20c는 Q-인자가 증가된 Q-인자를 가지는 고차(higher-order) 모드를 가지는 모드 지수(mode index)에 어떻게 의존하는지를 보여주며, 여기서 Q-인자는 피크의 폭 및 공진의 효율의 척도(measure)이다. 미세공동 두께를 늘리면 Alq3 방출 스펙트럼과 직접 중첩하는 모드의 에너지를 줄임으로써 Alq3 이미터가 고차 모드를 펌핑할 수 있다. 이러한 고차 모드는 Q-인자가 증가하여 공진 효율이 향상된다.
미세공동의 두께를 늘리면 더 높은 Q-인자와 같은 광학 특성들이 개선될 수 있으나, 디바이스의 두께를 최소화하면 특히 OLED의 경우 사용되는 유기 물질들의 높은 저항률(resistivity)로 인해 전자 효율이 크게 개선될 수 있다. 단점은 미세공동들이 얇아지면 전기 손실이 상당히 감소하지만, 고차 광학 모드들(j>1)과 대응하는 우수한 광학 성능에 접근할 수 없다는 것이다.
일 구현에서, 본 개시는 광 방출 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는 분산 피드백 구조(distributed feedback structure)에 걸쳐(throughout) 산재된(dispersed) 복수의 활성 이미터 레이어들을 포함하고, 분산 피드백 구조는 광의 파장에 따라 광을 전달(transmit)하거나 반사하도록 설계되며; 구조는 이미터 레이어들 각각의 직접적인 전기적 자극(stimulation)을 위해 구성된다.
다른 구현에서, 본 개시는 광 방출 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는 복수의 광학 공진기 공동들(optical resonator cavities)의 주기 어레이(periodic array); 및 광학 공진기 공동들 각각에 위치한 적어도 하나의 전기 구동 이미터 레이어(electrically driven emitter layer)를 포함한다.
다른 구현에서, 본 개시는 광 방출 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는 복수의 미세공동들의 주기 어레이를 포함하며, 미세공동들 각각은 2개의 평행 반투명(semitransparent) 거울들 및 그 사이에 위치한 전기 구동 이미터를 포함하고, 반투명 거울들은 복수의 미세공동들 중 인접한 미세공동들의 공진 모드들의 상호작용을 허용하도록 설계 및 구성된다.
다른 구현에서, 본 개시는 광 방출 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는 실질적으로 평면인 기판(substantially planar substrate); 상기 기판 상에 형성된 하부 금속 거울; 상기 하부 금속 거울 상에 수직으로 형성된 복수의 포토닉 단위 셀들; 및 상기 복수의 포토닉 단위 셀들 상에 형성된 상부 금속 거울을 포함하며; 상기 포토닉 단위 셀들은 하나 이상의 미세공동들을 포함하고, 상기 미세공동들 각각은 인가된 전기적 자극에 응답하여 광학적으로 방출하고(optically emissive), 상기 평면 기판에 수직인 방향으로의 상기 미세공동들의 광로 길이는 원하는 포토닉 밴드 구조(desired photonic band structure)를 생성하기 위해 선택된다.
다른 구현에서, 본 개시는 광 방출 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는 기판; 상기 기판 상에 배치된 하부 거울; 상기 하부 거울 상에 배치된 고 굴절률 및 저 굴절률 물질들(high and low index materials)의 교번 시리즈(alternating series); 및 상기 교번 시리즈 상에 증착된(deposited) 상부 거울을 포함하고, 상기 저 굴절률 물질들은 상기 고 굴절률 물질들을 통해 제공되는 전기적 자극에 응답하여 광학적으로 방출하는 광 방출 다이오드들의 레이어들이다.
본 개시를 설명하기 위해, 도면들은 본 개시의 하나 이상의 실시예들의 측면들을 도시한다. 그러나, 본 개시가 도면들에 도시된 정확한 배열 및 수단으로 제한되는 것은 아니라는 점을 이해해야 한다:
도 1은 분산 피드백 분산 이득 광 방출 디바이스의 예를 예시한다;
도 2는 도 1의 디바이스의 예시적인 구현을 예시하며, 반사 및 반투명 전극들에 의해 분리된 미세공동들의 주기적 1차원 어레이를 포함한다;
도 3은 도 2의 디바이스의 2개의 이미터들 및 주변 전극들의 한 예에 대한 상세도이다;
도 4a 내지 도 4e는 1, 2, 4 및 6개의 미세공동들을 가진 포토닉 구조에 대한 포토닉 에너지 밴드들의 예를 예시한다;
도 5a는 단일 3λ 미세공동 내의 공진 모드들의 전기장 프로파일을 예시하고;
도 5b는 도 2의 6개 공동 디바이스 내의 공진 모드들의 전기장 프로파일을 예시한다;
도 6a는 단일 3λ 미세공동에 대한 포토닉 밴드 구조를 예시하고;
도 6b는 도 2의 6개 공동 디바이스에 대한 포토닉 밴드 구조를 예시한다;
도 7a 내지 도 7d는 다양한 전극 두께를 가지는 6개의 미세공동 1차원 포토닉 구조의 형태로 도 2의 디바이스를 예시적으로 구현한 포토닉 에너지 밴드들을 예시한다;
도 8a 내지 도 8c는 6개의 미세공동 포토닉 구조에 두 가지 결함을 도입함으로써, 즉 캐소드와 애노드에 서로 다른 물질을 사용하고 캐소드들의 두께를 변화시킴으로써 야기되는 섭동(perturbation)을 예시하고;
도 8d 내지 도 8g는 다양한 비주기적 특성들을 가진 예시적인 6개 미세공동 디바이스들의 수학적 모델링 계산 결과를 예시하고;
도 8h는 15:1 Ag:Al 합금/MoOx를 애노드로, Al/LiF를 캐소드로 하는 1~6개의 미세공동들을 가진 디바이스들의 포토닉 에너지 밴드 상태의 계산적으로 시뮬레이션 되고 실험적으로 해석된 피크 위치(peak positions)를 도시하고;
도 8i는 애노드에 Ag:Al(15:1) 합금, 캐소드에 Ag-Mg(10:1) 합금을 사용한 디바이스에 대해 1~6개의 미세공동들을 가진 디바이스에 대한 포토닉 에너지 밴드의 상태의 계산적으로 시뮬레이션 되고 실험적으로 해결된 피크 위치를 도시하고;
도 8j는 도 8h의 6개 공동 Ag-Al 디바이스의 방출의 정규화된 강도(820) 및 도 8i의 6개 공동 Ag-Ag 디바이스의 방출의 정규화된 강도(822)를 도시한다;
도 9a 내지 도 9e는 공동들의 수, 거울 두께, 및 거울 구성(composition)에 따른 적층(stacked) 미세공동 디바이스들의 상대적 방출 강도를 예시하고;
도 9f 내지 도 9g는 구동 전압 증가가 6개 미세공동 OLED 적층(stack)으로부터 유도 방출(stimulated emission)에 미치는 영향을 예시한다;
도 10은 포토닉 단위 셀들의 주기적 1차원 어레이를 가지는 브래그형(Bragg-type) 구조를 포함하는 광 방출 디바이스를 예시한다;
도 11은 2개의 금속 레이어들 사이에 투명하고 전기 전도성인 레이어가 끼워진 복합 공유 전극들(composite shared electrodes)을 포함하는 광 방출 디바이스를 예시한다;
도 12는 적어도 하나의 아웃커플링 공동(outcoupling cavity)을 포함하는 광 방출 디바이스를 예시한다;
도 13a 내지 도 13c는 시스템의 이미터 및 검출기 중 하나 이상에 대해 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 적층 어레이(stacked arrays)를 통합하는(incorporate) 투과 분광 시스템(transmission spectroscopy systems)의 예들을 예시한다;
도 14는 시스템의 이미터 및 검출기 중 하나 이상에 대해 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 적층 어레이를 통합하는 반사 분광법(reflection spectroscopy) 또는 반사 이미징 시스템의 일 예를 예시한다;
도 15는 시스템의 이미터 및 검출기 중 하나 이상에 대해 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 적층 어레이를 통합하는 이미징 시스템의 일 예를 예시한다;
도 16a 내지 도 16c는 광 방출 디바이스들의 1차원 또는 2차원 어레이들을 포함하는 디스플레이들 또는 다이오드 어레이들의 예들을 예시하며, 각각의 광 방출 디바이스는 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 적어도 하나의 적층 어레이를 포함한다;
도 17a 내지 도 17c는 시스템의 이미터 및 검출기 중 하나 이상에 대해 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 적층 어레이를 통합하는 각도-분해 투과 분광(angle-resolved transmission spectroscopy) 시스템의 세 가지 예를 예시하고;
도 17d는 예시적인 이미터에 의해 나타나는 산재(dispersion)의 한 예를 예시하고;
도 17e 내지 도 17g는 세 가지 방출 스펙트럼의 방출 단면들을 예시한다: 0°에서 하나(도 17e), 50°에서 하나(도 17f) 그리고 이 둘의 합의 예(도 17g);
도 18a 내지 도 18f는 6개 공동 디바이스에서 하나의 이미터만 전기적으로 활성화될 때 포토닉 상태의 분포의 변화(variation)를 예시한다;
도 19는 본 개시에 따라 만들어진 이상적인 포토닉 구조의 최고 에너지 모드(highest-energy mode)의 FWHM에 대한 공동들의 수 및 거울 두께의 효과를 예시한다; 및
도 20a 내지 도 20c는 비공동(non-cavity) OLED와 비교하여, 서로 다른 OPL, 즉 180nm, 220nm 및 245nm를 가지는 세 가지 서로 다른 종래 기술의 단일 미세공동의 방출 특성들의 예를 예시한다.
본 개시의 측면들은, 분산 피드백 구조에 걸쳐 산재된 활성 이미터 레이어들을 포함하는 복수의 광학 이득 매체를 포함하는 분산 피드백 분산 이득 광 방출 디바이스들을 포함한다. 일부 예들에서, 분산 피드백 구조는 복수의 이미터 레이어들 각각의 직접적인 전기적 자극을 가능하게 하며 유효 굴절률의 브래그형(Bragg-type) 주기적 변화(variation) 및/또는 높은 품질 인자(high-Q) 광학 공진기 공동들의 주기적 어레이를 구성한다. 일부 예에서, 동일한 OLED 구조와 같은 동일한 활성 이미터 레이어가 주기적 어레이에 걸쳐 반복되어 각각의 이미터가 실질적으로 동일하다. 일부 예에서, 동일한 OLED 구조와 같은 동일한 활성 이미터 레이어가 주기적 어레이에 걸쳐 교대로(in an alternating fashion) 반복된다. 일부 예에서, 이미터 레이어들 각각이 전기적으로 병렬로 구동된다. 일부 예에서, 본원에 개시된 포토닉 구조는 예를 들어, 포토닉 구조의 주기성을 변화시킴으로써 원하는 광 방출 패턴을 제공하도록 설계 및 구성된다. 일부 예에서, 본원에 개시된 포토닉 구조는 예를 들어, 포토닉 구조에 비주기성을 도입함으로써 원하는 광 방출 패턴을 제공하도록 설계 및 구성된다. 본 개시에 따라 만들어진 분산 피드백 분산 이득 광 방출 디바이스는 디스플레이, 조명(lighting), 및 분광학 등에 사용하기 위한 비간섭성(incoherent) 광원 및 레이저 애플리케이션에서 간섭성(coherent) 광원을 포함하여 다양한 애플리케이션을 위해 설계될 수 있다.
도 1은 기판(106) 상에 수직 배열로 적층된 이미터들(104a, 104b) 및 전기 전원(110)에 의해 이미터들(104) 각각을 전기 구동(전기 펌핑이라고도 함)하기 위한 복수의 전극들(108a-108c)의 주기적 1차원 어레이를 포함하는 광 방출 디바이스(100)의 일 예를 도시하며, 이미터들 각각은 전극들 중 하나에 의해 분리되고 인접한 이미터들은 공통의 전극을 공유한다. 일 예에서, 이미터들(104) 각각은 전원(110)에 의해 병렬로 구동된다. 광 방출 디바이스(100)는 적층된 1차원 배열로 복수의 포토닉 단위 셀들(112)을 포함하는 포토닉 구조를 형성하는 물질의 레이어들을 포함한다. 포토닉 구조는 광의 파장에 따라 빛 전달(transmission)을 허용하거나 차단하여 특정 파장의 광만 전달하거나 반사하도록 설계된다. 일부 예에서, 디바이스(100)는 주변 유전체 물질의 굴절률과 서로 다른 굴절률을 가지는 유전체 물질의 레이어 구조(layered structures)를 포함할 수 있다. 디바이스(100) 내의 포토닉 구조들은, 예를 들어 브래그 격자(Bragg grating)에 근접한 1차원 포토닉 구조, 및/또는 2 또는 3차원 포토닉 구조를 포함할 수 있으며, 1, 2, 또는 3차원 포토닉 구조는 전기 구동 광 이미터들(104)을 포함할 수 있다.
일부 예에서, 디바이스(100)는 복수의 미세공동들을 정의하는 레이어 구조들을 포함할 수 있으며, 각각의 포토닉 단위 셀(112)은 적어도 하나의 미세공동을 포함한다. 예시된 예에서, 각각의 포토닉 단위 셀(112)은 하나의 미세공동만을 포함한다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 전극들(108), 이미터들(104), 또는 다른 전극들, 이미터들로부터의 미세공동 또는 디바이스(100)의 미세공동들의 다른 부분 중 하나의 포토닉 구조에서 비대칭성을 생성하는 하나 이상의 광학 특성들의 충분한 차이가 있는 예에서, 포토닉 단위 셀은 2개 이상의 미세공동들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극(108b)이 전극들(108a, 108c)과 충분히 다른 특성을 가져서 전극(108b)의 침투 깊이(penetration depth)가 전극들(108a, 108c)의 침투 깊이와 충분히 다른 경우, 2개의 미세공동들을 가지는, 도 1에 예시된 예시적인 디바이스(100)는 단 하나의 포토닉 단위 셀(112)로 구성될 것이다. 다른 예에서, 이미터들(104a, 104b)의 구조가 다른 경우, 예를 들어, 상이한 유기 물질 또는 물질 두께를 함유함으로써 이미터들(104a, 104b)의 하나 이상의 광학 특성들이 실질적으로 다르면, 2개의 미세공동들을 가지는, 도 1에 예시된 예시적인 디바이스(100)는 단 하나의 포토닉 단위 셀(112)로 구성되며, 상기 단위 셀은 2개의 공동 구성에 의해 정의된다. 추가 예에서, 이미터들(104a, 104b)이 예를 들어 상이한 유기 물질 또는 물질 두께를 함유함으로써 구조가 다르지만 이미터들(104a, 104b)의 전체 광학 특성들이 실질적으로 다르지 않은 경우, 2개의 미세공동들을 가지는, 도 1에 예시된 예시적인 디바이스(100)는 2개의 포토닉 단위 셀들(112)로 구성될 것이며, 상기 단위 셀들은 단 하나의 미세공동들에 의해 각각 정의된다.
일 예에서, 하나 이상의 전극들(108)은 불투명하고 반사적이며 다른 전극들(108)은 반사적이고 반투명하다. 다른 예에서, 하나 이상의 전극들(108)은 투명할 수 있고 디바이스(100)는 미세공동을 정의하는 하나 이상의 반사 또는 부분 반사 레이어들(미도시)을 포함할 수 있다. 일 예에서, 2개의 반사 전극들(reflecting electrodes)(108)은 미세공동 구조를 정의하며, 여기서 구조에서의 광학 간섭은 공진 조건을 초래한다. 공진 파장 근처의 반사 전극들(108) 사이에 위치한 이미터들(104)에 의한 광의 방출은 향상되며 공진 파장으로부터 멀어지는 방출은 억제된다. 디바이스(100)의 포토닉 단위 셀들(112)의 광로 길이(OPL)는 이미터(104)의 두께, 예를 들어 이미터들을 구성하는 레이어들의 두께를 선택함으로써 및/또는 하나 이상의 투명한 광학 스페이서들을 전극들 사이에 배치함으로써 튜닝 될 수 있다. 예시된 예에서, 디바이스(100)는 적층된 배열의 2개의 포토닉 단위 셀들(112)을 포함하지만, 다른 예에서, 디바이스는 임의의 수의 포토닉 단위 셀들, 예를 들어 2개보다 많은 포토닉 단위 셀들을, 그리고 일부 예에서는 20개보다 많은 포토닉 단위 셀들을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 본 개시에 따라 만들어진 디바이스들(100, 200)과 같은 미세공동들의 적층 어레이들은 적어도 2개의 포토닉 단위 셀들을 포함하며, 그 이유는 적층된 미세공동-이미터 구조(microcavity-with-emitter structure)의 결정 성질이 단위 셀들의 수가 적어도 2개일 때 나타나기 때문이다. 포토닉 구조가 고도로 대칭인 예에서, 적어도 2개의 포토닉 단위 셀들은 총 2개의 미세공동들로 구성될 수 있다. 비대칭이 존재하는 예에서, 적어도 2개의 포토닉 단위 셀들은 적어도 4개의 미세공동들로 구성될 수 있다. 일부 예에서 본 개시에 따라 만들어진 디바이스들은 2 내지 20개의 포토닉 단위 셀들을 포함할 수 있으며, 일부 예에서 2 내지 15개의 포토닉 단위 셀들, 일부 예에서 2 내지 10개의 포토닉 단위 셀들, 일부 예에서 2 내지 6개의 포토닉 단위 셀들, 일부 예에서 3 내지 20개의 포토닉 단위 셀들, 일부 예에서 3 내지 15개의 포토닉 단위 셀들, 일부 예에서 3 내지 10개의 포토닉 단위 셀들, 일부 예에서 3 내지 6개의 포토닉 단위 셀들이 사용될 수 있고, 일부 예에서 4 내지 20개의 포토닉 단위 셀들, 일부 예에서 4 내지 15개의 포토닉 단위 셀들, 일부 예에서 4 내지 10개의 포토닉 단위 셀들, 일부 예에서 4 내지 6개의 포토닉 단위 셀들이 사용될 수 있다. 일부 예에서, 본 개시에 따라 만들어진 디바이스들은 적층 어레이에 위치된 적어도 3개의 미세공동들을 포함할 수 있고, 일부 예에서 적어도 4개의 미세공동들을, 일부 예에서 적어도 5개의 미세공동들을, 일부 예에서 적어도 6개의 미세공동들을, 일부 예에서 적어도 8개의 미세공동들을, 일부 예에서 적어도 8개의 미세공동들을, 일부 예에서 적어도 9개의 미세공동들을, 일부 예에서 적어도 10개의 미세공동들을 포함할 수 있다. 전술한 예시 각각에서, 하나 이상의 미세공동들은 전기적으로 구동되는 이미터를 포함하고, 일부 예에서, 모든 미세공동들은 전기적으로 구동되는 이미터를 포함하고, 일부 예에서, 적어도 다수의 미세공동들은 직접 전기적으로 구동되는 이미터를 포함한다.
이미터들(104)은 당업계에 공지되거나 미래에 개발될 임의의 광 방출 다이오드를 포함하는 임의의 유형의 얇은 필름 광 방출 다이오드를 포함하는 임의의 유형의 광 방출 다이오드일 수 있다. 광 방출 다이오드들의 예는 작은 분자, 폴리머, 형광 이미터, 및/또는 인광(phosphorescent) 이미터 유기 반도체와 같은 광 방출 다이오드들을 포함한다. 예는 또한 산화아연(ZnO) 및 관련된 II-산화물 반도체, 페로브스카이트(perovskites) 및 양자점(quantum dots)과 같은 산화물로 형성된 광 방출 다이오드를 포함한다. 물질 유형 및 두께와 같은 각각의 이미터(104)의 특성들은 원하는 특성을 달성하기 위해 동일하거나 변경될 수 있으며, 원하는 포토닉 밴드 구조 및 광 방출 특성을 생성하기 위해 포토닉 구조의 각각의 미세공동 또는 포토닉 단위 셀(112)의 OPL을 제어할 수 있다. 전극들(108)은 특정 구현에 따라 다양한 특성을 가질 수 있으며 투명할 수 있거나, 일부 구현에서는 여기서 더 설명되는 바와 같이 부분적으로 투명하고 부분적으로 반사적일 수 있다.
일부 예에서, 기판(106)은 높은 평면성(planarity)을 위해 설계 및 구성되며, 예를 들어 실리콘, 이산화규소, 사파이어 또는 석영과 같은 여러 물질 중 하나 이상으로 형성될 수 있다. 일부 예에서, 기판(106)은 추가로 히트 싱크(heat sink)로서 기능하며 달성 가능한 전류 밀도를 최대화하기 위해 높은 열 전도성을 가진다. 예를 들어, 기판(106)은 단지 실리콘이거나 전기 절연을 위해 상대적으로 얇은(예: <100nm) 산화 규소 코팅을 가지는 실리콘, 또는 전극의 단락을 방지하기 위해 패턴화 된(patterned) 절연 패드를 가지는 연마된 벌크 금속일 수 있다. 일부 예에서, 디바이스(100)는 에폭시 또는 폴리우레탄과 같은 코팅으로 캡슐화 되며, 이는 높은 열 전도성 및 투명도를 갖도록 선택되는 산소 열화로부터 유기 디바이스를 보호하기 위해 당업계에서 일반적으로 행해지는 바와 같다.
디바이스(100)는 또한 디바이스에서의 내부 반사량, 이미터에서의 손실, 또는 공기 계면(air interface)에서의 손실을 감소시켜 광 추출 효율을 개선하기 위해 당업계에 공지된 하나 이상의 처리(treatments)(예시되지 않음)를 포함할 수 있다. 처리의 비제한적 예는 하나 이상의 마이크로 렌즈, 굴절률(index) 매칭 레이어, 아웃커플링 레이어, 및 캡슐화 레이어와 같이 공기로의 전이를 용이하게 하기 위해 디바이스(100)의 상부에 증착되거나 위치된 하나 이상의 물질 레이어를 포함한다. 캡슐화는 또한 산소 및 수증기와 같은 오염물질로부터 디바이스를 보호한다.
도 2는 조명 디바이스(100)의 예시적인 구현이며 이미터들(206a-206f)에 의해 분리된 전극들(204a-204g)- 인접한 이미터들은 공통의 전극을 공유함 -에 의해 형성된 미세공동들(202a-202f)의 주기적인 1차원 어레이를 포함하는 예시적인 광 방출 디바이스(200)를 도시한다. 이미터들(206) 및 전극들(204)은 기판(208), 예를 들어 실리콘과 같은 높은 열 전도성 기판 상에 수직 배열로 적층되며, 이미터들(206) 각각은 전기 전원(210)에 의해 독립적으로 전기적으로 구동된다. 예시된 예에서, 전극(204a)은 실질적으로 불투명하며 반사 거울이고, 포토닉 구조의 내부에 걸쳐 분포된 전극들(204b-204f)은 반투명 거울들이고, 전극(204g)은 반사 거울이며 반투명하거나 불투명할 수 있다. 일부 예에서, 전극들(204) 각각은 금속성일 수 있으며 Al, Au, Ag, Mg, Ca 또는 이들의 합금으로부터 선택될 수 있다. 내부 전극들(204b-204g) 각각은, 전극이 반투명하도록, 금속 레이어로의 광 침투 깊이 미만, 또는 금속 레이어로의 광 침투 깊이의 2배 미만으로 선택된 두께를 갖는 금속 필름일 수 있다. 일 예에서, 침투 깊이는 전극을 통해 이동하는 광의 강도가 1/e(대략 37%)로 떨어지는 거리이다. 파장이 500nm인 광에 대한 침투 깊이의 예는 은의 경우 40nm 및 알루미늄의 경우 27nm이다. 따라서, 예로서, 전극들(204b-204g) 각각은 은 또는 은 합금으로 형성될 수 있고 대략 80nm보다 작거나 동일한 두께를(일부 예에서 40nm보다 작거나 동일한 두께를) 가질 수 있고/있거나 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있고 대략 54nm보다 작거나 동일한 두께를(일부 예에서 대략 27nm보다 작거나 동일한 두께를) 가질 수 있다.
도 2에 예시된 예에서, 각각의 이미터(206)는 대응하는 미세공동(202)의 중앙에 위치한다. 미세공동(202) 내의 이미터 레이어(206)의 위치는 아웃커플링 효율, 스펙트럼 형태 및 피크 파장에 영향을 미친다. 이미터들(206)이 공동(202)의 중앙에 있는 높은 대칭성은 퍼셀 효과(Purcell effect)를 통한 전체 빛 방출에 유리하며; 이로 인해 더 높은 웨이브가이딩(waveguiding) 및 방출 강도의 더 높은 각도로의 이동(shift)이 생긴다. 다른 예에서, 이미터들(206) 중 하나 이상은 대응하는 공동(202)에서 오프셋 될 수 있다. 오프셋 이미터들(206)은 더 큰 정상 방출(normal emission)을 초래하지만 아웃커플링 효율 및 퍼셀 향상(Purcell enhancement)은 약간 더 낮다. 오프셋 이미터들(206)은 또한 공진 전기장 프로파일에 영향을 미칠 수 있으며, 이로 인해 오프셋 이미터(206)와 하나 이상의 공진 모드들의 결합(coupling) 효율에 영향을 미칠 수 있다.
디바이스들(100 또는 200)은 다양한 방식으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 이미터들(206)은 순수하거나 도핑된 Alq3 또는 다른 레이저 이득 물질로 구성된 공동과 같이 순수하게 이득 물질로 구성된 이득 공동에 의해 대체될 수 있다. 다른 예에서, 디바이스(200)는 상대적으로 높은 열전도율 또는 열용량을 갖는 TCO 또는 투명 유기물(organics)/폴리머로 구성된 공동 형태의 하나 이상의 열 분산(dissipation)/버퍼 레이어들을 포함할 수 있다. 이는 각각의 펄스에서 생성된 열을 흡수하기 위해 펄스 동작중인 레이저에 특히 유용할 수 있다. 일부 예에서, 디바이스(200)는 산소 및 수증기 등을 차단하기 위한 패시베이션(passivation)/캡슐화 레이어를 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 디바이스(200)는 매우 얇은(<10nm) 금속 레이어들을 가능하게 하는 습윤 레이어(wetting layer)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 공동은 TCO 또는 일부 다른 투명 물질, 또는 표면의 금속 거울들의 습윤을 촉진하는 얇은 필름과 벌크 투명 물질의 조합으로 구성될 수 있다. 금속 레이어들의 최소 두께는 퍼컬레이션 임계치(percolation threshold)(섬 형성 및 연속 필름 사이의 임계치)에 의해 결정된다. 습윤 레이어는 금속-진공 인터페이스 위에(over) 금속-습윤 레이어 인터페이스의 형성을 촉진하기 위해 금속과의 인터페이스의 표면 에너지를 감소시킴으로써 퍼컬레이션 임계치를 감소시킨다.
다른 예로서 디바이스(200)는 가포화 흡수체(saturable absorber), Q-스위칭 레이어, 또는 모드 잠금(mode-locking)을 위한 Kerr 전기광학 효과와 같은 집적 비선형 광학과 같은 광학 활성 레이어를 포함하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 공동들(202)은 그 자체로 또는 다른 물질들에 더하여, 탄소 나노튜브, Alq3 또는 레이저 결정의 얇은 레이어와 같은 가포화 흡수체를 포함할 수 있다. Kerr 효과에 대한 비선형 물질들의 예로는 용융 실리카(fused silica), 페로브스카이트(perovskites), 금속-유기 프레임워크 및 기타 유기 및 무기 물질들이 있다.
다른 예에서 디바이스(200)는 산란 레이어(scattering layer)(예: 웨이브가이딩(waveguiding)을 감소시키거나/아웃커플링을 늘리기 위해 매트릭스에 떠있는(suspended) 나노입자), 또는 흡수 레이어(예: 경쟁 모드(competing modes)를 억제하기 위한 흡수성 물질), 예를 들어 적색광을 흡수하여 낮은 에너지 모드를 억제하고 청색광 방출을 향상시키거나 그 반대로 하는 물질을 포함하는 레이어를 포함할 수 있다.
도 3은 이미터들이 유기 광 방출 다이오드들인 예에서 6개의 이미터들(206)(도 2) 중 2개의 구현예의 상세한 예시를 제공한다. 도시된 바와 같이, 예시된 예에서, 각각의 이미터(206)는 당업계에 공지된 표준 OLED 구성을 포함하며, 적어도 전자 수송 레이어(electron transport layer, ETL)(302), 방출 레이어(emissive layer, EML)(304), 및 홀 수송 레이어(hole transport layer, HTL)(306)를 포함할 수 있다. ETL들(302)에 인접한 전극들(204a, 204c)은 캐소드이고 HTL들(306)에 인접한 전극은 애노드이다. 일 예에서, 디바이스(200)의 나머지 이미터들(206)은 도 3에 도시된 이미터들(206a, 206b)와 동일할 수 있는 반면, 다른 예에서는 서로 다를 수 있다. 전극들(204) 각각은 동일한 구성을 가질 수 있거나 다를 수 있다. 일 예에서, 캐소드들(전극(204a, 204c 등)) 각각은 제1 물질, 예를 들어 은 또는 Ag:Al 합금과 같은 그의 합금으로 형성될 수 있고, 또한 당업계에서 일반적으로 행해지는 바와 같이, 개선된 전자 효율을 위한 홀 주입 레이어(hole injection layer, HIL)으로서 작용하는 몰리브덴 산화물(MoOx)와 같은 코팅 물질로 코팅될 수 있다. 애노드들(예: 전극들 204b, 204d 등) 각각은 제2 물질, 예를 들어 알루미늄 또는 Ag:Al 또는 Ag:Mg 합금과 같은 그의 합금으로 형성되고 전자 주입 레이어(electron injection layer, EIL)로서 작용하는 LiF와 같은 코팅 물질로 코팅될 수 있다. 다른 예에서, Ag:Al(15:1) 합금이 애노드에 사용되고 Ag:Mg(10:1) 합금이 캐소드에 사용될 수 있다. 다른 예에서, Ag:Al 합금, 예를 들어 10% Mg-90% Ag 합금 또는 5% Mg-95% Ag 합금이 캐소드에 사용될 수 있으며, 이는 순수한 Ag 필름에 비해 금속의 일함수(work function)를 감소시켜 캐소드에서 전하 주입 효율을 높이고 열 안정성을 높이며 표면 거칠기를 줄일 수 있다. Ag, Ag:Al 합금 및 Ag:Mg 합금의 유사한 광학 특성은 전극들(204) 각각에 사용될 때 매우 대칭적인 포토닉 단위 셀들을 가능하게 할 수 있다.
아래에서 더 설명되는 바와 같이, 애노드 및 캐소드 물질 및/또는 두께가 상당히 다를 때, 디바이스의 포토닉 에너지 밴드에 영향을 미치는 Peierls 왜곡이 생성된다. 애노드와 캐소드에 다른 물질을 사용하면 단일 포토닉 단위 셀을 구성하는 미세공동들의 수 또한 변경된다. 예를 들어, 캐소드들(전극들(204a, 204c 등))이 순수한 Al 및/또는 다른 제1 물질로 형성되고 애노드들(전극들(204b, 204d 등))이 순수한 Ag, Ag:Al 합금 또는 포토닉 결정의 대칭성을 깨뜨릴 제1 물질과 충분히 다른 광학 특징을 가지는 일부 다른 제2 물질로 형성되는 경우, 결과적으로 디바이스의 OPL에 대응하는 영향을 미치는 포토닉 단위 셀의 길이가 두 배가 된다. 다른 예로, Ag, Ag:Al 합금 및 Ag:Mg 합금의 유사한 광학 특성들은 전극들(204) 각각에 사용될 때 예를 들어 캐소드 물질로서 Ag:Mg 합금을 사용하고 애노드 물질로서 순수한 Ag 또는 Ag:Al 합금을 사용함으로써, 매우 대칭적인 포토닉 단위 셀들을 가능하게 할 수 있어, 각각의 포토닉 단위 셀은 단일 미세공동으로 구성된다.
전극으로 제1 물질과 제2 물질을 사용하는 것 사이의 광학적 거동(behavior)의 많은 차이는 다음의 식에 의해 주어진 물질의 침투 깊이 φ에 의해 포착될(captured) 수 있다.
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여기서 norg는 인접한 유기 레이어의 굴절률이고 nm 및 km은 금속의 굴절률의 실수부 및 허수부이다. 이 식을 사용하면 550nm(40nm)에서 은의 침투 깊이(40nm)는 알루미늄(27nm)보다 실질적으로 더 크므로 동등한 흡수를 달성하기 위해 더 많은 은이 필요하다. 이는 Al(0.79)에 비해 Ag(0.06)의 실제 굴절률이 낮기 때문에 상쇄되며, 이는 거울을 통한 광로 길이에 영향을 미친다. 이러한 효과의 조합으로 은 및 알루미늄 거울이 디바이스 구조 내에서 다른 역할을 수행하게 된다.
ETL(302), EML(304) 및 HTL(306) 각각은 OLED 분야에서 알려진 임의의 물질로 형성될 수 있다. 각각의 캐소드, 애노드, EIL 및 HIL은 당업계에 공지된 임의의 재료로 형성될 수 있다. 비제한적인 예로서, ETL(302)은 NBPhen일 수 있고, EML(304)은 AlQ3일 수 있으며, HTL(306)은 NPB일 수 있다. OLED 물질(예: 전극들(204), ETL, EML 및 HTL 중 하나 이상)의 선택은 높은 품질 인자(high-Q) 공진기의 다중 레이어에 요구되는 바와 같이, 높은 평면성(planarity)의 추가적인 기준뿐만 아니라 전자 및 방출 효율에 대한 일반적인 기준을 충족할 수 있다. 일 예에서, OLED 물질은 RMS(root-mean-square) 표면 거칠기가 10nm 미만이 되도록 선택된다. 일 예에서, OLED 물질은RMS 표면 거칠기가 5nm 미만이 되도록 선택된다. 다른 예에서, OLED 물질은 RMS 표면 거칠기가 1nm 미만이 되도록 선택된다.
당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 전술한 예시적인 OLED 구조는 예시를 용이하게 하기 위한 단순화된 예이며 예로서 제공되지만, 당업계에 공지된, 보다 진보되고 복잡한 OLED 설계가 특정 애플리케이션을 위해 필요에 따라 활용될 수 있다. 예를 들어, Salehi, A., Fu, X., Shin, D. H., and So, F., "Recent Advances in OLED Optical Design," Advanced Functional Materials 29, no. 15 (2019): 1808803-21. doi:10.1002/adfm.201808803; Geffroy, B., le Roy, P., and Prat, C., "Organic Light-Emitting Diode (OLED) Technology: Materials, Devices and Display Technologies," Polymer International 55, no. 6 (2006): 572-582. doi:10.1002/pi.1974; Islam, A., Rabbani, M., Bappy, M. H., Miah, M. A. R., and Sakib, N., "A Review on Fabrication Process of Organic Light Emitting Diodes," (2013): 1-5. doi:10.1109/ICIEV.2013.6572656; Thejo Kalyani, N. and Dhoble, S. J., "Organic Light Emitting Diodes: Energy Saving Lighting Technology―a Review," Renewable & Sustainable Energy Reviews 16, no. 5 (2012): 2696-2723. doi:10.1016/j.rser.2012.02.021; 또는 Shinar, J. and Shinar, R., "Organic Light-Emitting Devices (OLEDs) and OLED-Based Chemical and Biological Sensors: an Overview," Journal Of Physics D-Applied Physics 41, no. 13 (2008): 133001. doi:10.1088/0022-3727/41/13/133001이 사용될 수 있으며, 이들 각각은 그 전문이 본원의 참조로 포함된다.
예시된 예에서, 광 방출 디바이스(200)는 리소그래피(lithography) 또는 열 처리를 필요로 하지 않는 저에너지 처리로 인해 특히 대규모로(at scale) 제조하기 쉬운 간단한 구조를 가지며 롤투롤(roll-to-roll) 또는 대면적 처리가 가능하다. 나노미터 스케일의 전극 거울들(204)(일부 예에서 10nm-30nm 정도의 두께를 가짐)은 순수한 은에 대한 퍼컬레이션 임계치 미만의 두께를 가지며, 전극들과 같은, 디바이스의 레이어의 표면 거칠기를 최소화하는 것은 광학 효율을 극대화한다. 일 예에서, 애노드들은 95% 은-5% 알루미늄 합금으로 형성되어 은 퍼컬레이션 임계치를 감소시켜 매끄러운 나노미터 스케일의 전극들을 형성할 수 있다. 일 예에서, 캐소드들은 90% 은-10% 마그네슘 합금으로 형성되어 은 퍼컬레이션 임계치를 감소시켜 일함수가 감소된 매끄러운 나노미터 스케일의 전극들을 형성할 수 있다.
반사 전극들(204) 사이에 각각의 이미터(206)를 배치함으로써, 각각 미세공동 효과를 생성하여 이미터들로부터의 전기-구동 방출을 제어하도록 설계 및 구성되는 복수의 미세공동들(202)이 형성된다. 인접한 미세공동들(202) 사이에 하나 이상의 반투명 전극들(204)을 제공함으로써, 반투명성은 인접한 미세공동들(202)의 공진 모드들의 상호작용을 허용하며 전체 디바이스 구조의 주기성과 연관된 특성들을 가지는 포토닉 에너지 밴드 구조의 형성을 초래한다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 이론에 얽매이지 않고, 포토닉 에너지 구조는 전체 디바이스(200)와 동일한 광로 길이의 단일 확장 미세공동(single extended microcavity)에 존재할 포토닉 에너지 상태들의 섭동에 의해 형성되지만 내부 전극들(204b-204f)이 제거된다. 내부 전극들(204)의 추가는 노드-거울 중첩의 수에 반비레하여 확장된 미세공동의 식 1의 미세공동 상태들의 에너지를 상승시킨다. 즉, 가장 바깥쪽(outer-most) 거울들에만 노드들을 가지는 식 1의 λ/2 모드는 가장 큰 섭동과 에너지 증가를 경험하는 반면 더 많은 수의 노드-거울 중첩이 있는 모드들은 더 낮은 섭동을 경험한다. 위에서 언급한 바와 같이, 다른 예에서, 전극들 중 하나 이상은 투명할 수 있으며 미세공동 효과를 생성하기 위해 반사성(reflective) 반투명 물질의 추가 레이어가 포함될 수 있다.
미세공동들(202) 사이의 상호작용은 더 큰 주기적 구조에 대응하는 새로운 공진 모드들의 세트를 발생시키며, 여기서 공진 모드들의 총 수는 미세공동들(202)의 수와 동일하다. 포토닉 결정의 공진 모드들은 도 4a 내지 도 4e에 도시된 바와 같이 포토닉 에너지 밴드를 형성하며, 여기서 밴드는 구조의 허용된 에너지 레벨들로 구성된다. 예시된 예에서, 단일 미세공동(202)의 각각의 공진 모드는 N-1개의 다른 미세공동들과 접촉할 때 N개의 개별 상태들로 분할된다. 도 4a 내지 도 4e는 각각 1, 2, 4, 및 6개의 미세공동들(202)을 가지는 포토닉 구조에 대한 예시적인 포토닉 에너지 밴드들(402)을 예시하며, 각각의 경우, 각각의 미세공동은 거의 동일한 에너지에 위치한 기본 λ/2 모드를 가진다. 예시된 바와 같이, 도 4a 및 도 4b를 비교하면, 미세공동들(202)의 수가 1에서 2로 증가함에 따라 포토닉 에너지 밴드(402)가 1개 상태(404a)에서 2개 상태들(406a, 406b)로 된다. 미세공동들(202)의 수가 2개에서 4개로 증가하면, 포토닉 에너지 밴드(402)가 2개의 상태들에서 4개의 상태들에서 바뀌는 식이다. 도 4e는 4개의 미세공동 포토닉 구조에 대한 포토닉 에너지 밴드의 선폭(410) 및 대역폭(412), 또는 FWHM(full-width-at-half-max)의 개념을 예시한다. 도 4a 내지 도 4d를 비교하면, 더 많은 미세공동들(202) 및 따라서 더 많은 상태들이 추가됨에 다라, 각각의 상태의 선폭(410)은 감소하는 반면 대역폭(412)은 증가한다. 아래에서 더 자세히 설명하겠지만, 이 두 가지 효과는 공동들의 수가 증가함에 따라 테이퍼링(tapering)을 경험하며 큰 N에서 이득이 감소한다.
도 5a는 전극들(204)에 의해 형성된 내부 거울들이 없는 광 방출 디바이스(200)와 동등한 큰 3λ 미세공동(506) 내의 공진 모드들(504a-504f)의 전기장 프로파일(502)을 예시한다. 도 5b는 전극들(204b-204f)에 의해 형성된 내부 거울들을 포함하는 6개의 λ/2 공동 디바이스(200)(또한 도 2 참조) 내의 공진 모드들(510a-510f)의 전기장 프로파일(508)을 예시하며, 각각의 공동은 가시 범위에 위치한 λ/2 모드를 가진다. 포토닉 에너지 밴드(402)의 상태들(404) 각각(도 4d 참조)은 공진 전기장 모드(510)에 대응한다. 도 5a 및 도 5b를 비교하면, 6개의 공동 디바이스(도 5b)의 전기장 프로파일(508)이 단일의 큰 미세공동(도 5a)의 전기장 프로파일(502)과 유사한 공간 분포를 가지는 것이 명백하지만, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 에너지 프로파일은 상당히 다르다. 도 6a는 3λ OPL을 가지는 큰 미세공동에 대한 포토닉 밴드 구조(500)를 예시하며 도 6b는 6개의 λ/2 공동 디바이스(200)에 대한 포토닉 밴드 구조(402d)를 예시한다(또한 디바이스(20))에 대한 개략도에 대해서는 도 2를 참조하고 다른 예시에 대해서는 도 4d를 참조한다). 도 6b에 도시된 바와 같이, 외부(outer) 미세공동(202f) 내부의 반투명 전극들(204)은 섭동으로 작용하고(act as perturbations) 3λ 공동 모드들(504 및 602)을 에너지로 함께 가져오며, 예시된 예에서, 550nm에서 단일 공동 λ/2 모드 상에 실질적으로 중심을 둔다. 대조적으로, 도 6a에 도시된 바와 같이, 내부 전극들(204)이 없고 단지 하부 전극(204a) 및 최상부(top-most) 전극(204g)만 있는 경우, 상태들(602a-602d) 각각은 큰 에너지 갭(604a-604c)에 의해 분리된다. 도 6b는 내부 전극들(204b-204f)의 존재가 상태들의 에너지 분리를 극적으로 감소시키는 방법을 도시한다. 에너지 분리의 감소는 전극들(204b-204f)을 통과하는 에너지 비용으로 인한 것일 수 있으며, 이는 공진 포토닉 상태들의 공간적 분포에서 노드 중첩(node-overlaps)의 수에 비례한다. 이러한 이유로, 단지 2개의 노드 중첩(최상부 및 최하부 거울들에 각각 하나씩)이 있는, 3λ 공동의 최하부(bottom-most) 기본(fundamental) λ/2 모드의 에너지는 크게 증가하는 반면 7개의 노드 중첩(각각의 내부 거울 및 최상부 거울에 하나씩)이 있는, 최고 차수, 3λ, 에너지 모드는 약간만 증가하여, 도 6b에 도시된 밴드 압축(band compression)을 초래한다. 따라서, 광 방출 디바이스(200)의 포토닉 구조는 작은 OPL 미세공동, 예를 들어 기본 λ/2 모드 단일 미세공동의 높은 전자 효율을 일반적으로 더 큰 OPL 미세공동의 더 높은 차수 모드와 연관된 광학 특성들과 결합한다. 이러한 디바이스는 단일 미세공동 이미터에 비하여 방출 피크들의 선폭을 크게 줄인다. 예를 들어, 다중 미세공동 디바이스는 일반적인 단일 미세공동의 선폭이 20nm인 것에 비해 1nm 미만의 선폭을 가질 수 있다. 이러한 다중 미세공동 디바이스는 또한 단일 미세공동 이미터보다 더 큰 대역폭을 가지며, 밴드는 다중 미세공동들의 상호작용에 의해 생성된 추가적인 포토닉 에너지 상태들을 포함한다. 예를 들어, 디바이스(200 또는 1000)와 같은 광 방출 디바이스는 넓은 대역폭의 빛, 예를 들어 백색광 방출을 방출하도록 설계 및 구성될 수 있다.
도 4a 내지 도 6b는 디바이스(200)와 같은 포토닉 구조가 완벽하게 주기적이고 각각의 포토닉 단위 셀이 단일 공동을 포함하는 이상적인 경우에 대한 포토닉 에너지 밴드들의 각도-분해(angle-resolved) 방출을 예시한다. 비주기적 또는 주기적 비주기성(non-periodic or periodic aperiodicities)을 포함하여, 단일 공동 포토닉 단위 셀들을 포함하는 완전히 주기적인 1차원 구조로부터의 구조의 결함 및 편차는 이상적인 경우로부터의 편차를 야기한다. 비주기적 주기성은 예를 들어 포토닉 구조에서 한 번만 발생하며, 포토닉 단위 셀의 정의에 영향을 미치지 않는다. 비주기적 비주기성은 도 5a 및 도 5b에서 상술한 바와 같이 확장된 공동 상태를 변경함으로써 포토닉 구조의 공진 에너지에 영향을 미칠 수 있지만 개별 단위 셀들의 상태에는 영향을 미치지 않는다. 대조적으로, Peierls 왜곡(distortion)과 같은 주기적 비주기성은 구조에 걸쳐 규칙적으로 반복된다. 주기적 비주기성은 포토닉 단위 셀의 정의를 변경하여 반복 단위(repeat unit)를 형성하기 위해 여러 공동들이 요구된다. 예시적인 예로서, Ag 거울들 및 동일한 미세공동들만을 활용하는 본 개시의 방법에 따라 포토닉 구조를 형성하는 것은, Ag 거울들로 둘러싸인 단일 미세공동을 포함하는 포토닉 단위 셀을 갖는 이상적인 포토닉 구조를 야기할 것이다. 대안적으로, 교번하는 Ag 및 Al 거울들을 활용하는 본 개시의 방법에 따라 포토닉 구조를 형성하는 것은, 2개의 미세공동들을 포함하는 포토닉 단위 셀에 의해 설명되는 포토닉 구조를 야기할 것이며, 단위 셀은 Ag 또는 Al 거울들로 둘러싸여 있고, 셀 내부의 2개 공동들은 제2 거울 물질에 의해 분리된다. 이 2-공동 단위 셀은 주기적 비주기성인 Peierls 왜곡의 예이다. 추가 예에서, 3개 이상의 거울 세트가 반복 단위로서 사용될 수 있고, 예를 들어, 포토닉 구조는 반복 방식으로 시퀀스 Ag, Al 및 Mg에 의해 형성될 수 있어 포토닉 구조가 3개-공동 포토닉 단위 셀에 의해 정의된다. 다른 예에서, 주기적 비주기성은 거울 또는 공동의 두께 또는 구성의 시퀀스로 구성될 수 있으며, 실질적으로 동일한 거울들에 의해 분리되어, 예를 들어 100nm, 120nm, 130nm의 공동 두께의 반복 시퀀스를 포함하는 포토닉 구조는 3개-공동 포토닉 단위 셀에 의해 설명될 수 있다.
디바이스(200)와 같은 포토닉 구조의 주기성은 디바이스의 포토닉 에너지 밴드 구조를 정의한다. 단일 공동 포토닉 단위 셀들을 포함하는 완벽한 포토닉 구조는 식 1에 의해 설명된 단일 공동의 균일 간격의(evenly spaced) 에너지 레벨들을 반영하여 실질적으로 균일 간격의 공진 에너지 상태를 나타낸다. 결함이 결정 구조에 도입되면, 주기성이 중단되고 에너지 밴드를 완벽한 결정보다 약간 높거나 낮은 에너지의 2개의 개별 밴드들로 나누는 밴드 갭이 발생할 수 있다. 이러한 효과의 예는 다양한 전극 두께를 가지는 6개의 미세공동 1차원 포토닉 구조의 형태로 디바이스(200)의 예시적인 구현에 대한 포토닉 에너지 밴드를 예시하는 도 7a 내지 도 7d에 예시되어 있다. 도 7a는 동일한 두께의 전극들(204)을 가지는 완전 주기 구조(perfectly periodic structure)에 대한 포토닉 에너지 밴드를 예시한다. 도 7b 내지 도 7d는 다른 모든 전극의 두께 감소, 예를 들어 전극(204b, 204d, 204f)의 두께 감소의 형태로 주기적인 결함의 도입의 효과를 예시하며, 여기서 결함은 밴드갭(702b-702d)를 초래한다. 결함은 셀이 2개의 공동들을 포함하고, 따라서 도 7a의 완벽한 결정의 에너지 밴드가 2개의 서브-밴드들로 분할되도록 포토닉 단위 셀의 정의에 변화를 가져온다. 유사하게, 3-공동 단위 셀은 3개의 서브-밴드들을 형성하도록 할 수 있다. 전극 두께의 추가적인 감소에 의해 주기성의 결함이 증가됨에 따라 밴드 갭(720) 형태의 섭동의 크기가 증가한다. 전극들의 두께를 변경하는 대신에 또는 그에 더하여, 하나 이상의 미세공동들(202)의 두께를 변경하거나 하나 이상의 전극/거울(204) 또는 이미터(206)의 광학 특성들을 변경함으로써 왜곡이 도입될 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 2개의 주기적인 결함 또는 주기적인 구조로부터의 변화를 도입함으로써, 즉 캐소드(예를 들어, Ag/MoOx) 및 애노드(예를 들어, Al/LiF) 전극(204)에 서로 다른 물질을 사용하고 캐소드의 두께를 애노드와 동일한 것으로부터 변화시키면서(도 8c, 각각의 전극은 30nm 두께를 가짐)- 20nm(도 8b) 및 15nm(도 8a)로 감소시킴 - 야기되는 섭동의 다른 예로부터의 실험 데이터를 예시한다. 캐소드 거울 두께가 감소함에 따라 기존의 밴드 갭이 향상된다. 도 8c에서 애노드 및 캐소드 거울의 두께가 동일함에도 불구하고 Ag/MoOx 및 Al/LiF 사이의 물질 차이로 인해 작은 밴드 갭이 존재하며, 이는 주기적 결함을 나타낸다. 또한 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 캐소드의 두께를 감소시킴으로써 포토닉 구조로부터의 광 분포가 영향을 받는다. 보다 일반적으로, 디바이스(200)과 같은 디바이스의 주기적 구조에 결함을 도입하면 디바이스로부터 방출되는 광에 대한 높은 정도(degree)의 제어를 제공하고 특정 광 에너지의 억제 또는 향상을 가능하게 한다. 예를 들어, 다른(otherwise) 주기적인 포토닉 구조에 결함의 도입을 통해 밴드갭의 크기를 증가시키는 것은 디바이스의 상태를 분리를 허용하므로, 감소된 수의 상태들만 이미터(206)의 전자발광(electroluminescence) 스펙트럼과 중첩하고 다른 원치 않는 상태들은 그렇게 하지 않아 원치 않는 상태들에서 광의 방출 및 공진이 발생하지 않는다.
비주기적 주기성(non-periodic aperiodicity)의 비제한적 예로서, 최상부(top-most) 미세공동(예: 미세공동(202f))과 같은 단 하나의 미세공동의 특성은 미세공동이 디바이스(200)의 다른 미세공동들(202)과 다른 에너지에서 공진하도록 변화될 수 있다. 일 예에서, 최상부 공동의 섭동이 추가적인 미세공동들에 의한 스크리닝(screening)의 부족으로 인해 공동들(202a-202e)의 다른 공동들보다 더 효율적으로 아웃커플링 되기 때문에 섭동이 최상부 공동(202f)에 도입될 수 있다. 아웃커플링은 디바이스의 외부에서 보이는 방출의 세기(strength)를 나타낸다. 아웃커플링 효율은 디바이스의 내부에서 실제로 방출되는 광의 강도에 대한 외부에서 보이는 광의 강도의 비율이다. 다른 예에서, 주기적 포토닉 구조의 비주기성 또는 결함은 임의의 공동들(202)에 도입되어 유사한 효과를 야기할 수 있다. 주기적 구조에서 결함의 위치는 포토닉 에너지 밴드의 섭동의 양 및 그것이 영향을 미칠 상태들(예: 짝수 vs. 홀수 상태들)에 영향을 미친다.
도 8d 내지 도 8g는 다양한 비주기적 특성들을 가지는 예시적인 6개-미세공동 디바이스의 전송 매트릭스 시뮬레이션(transfer matrix simulations)으로부터의 결과를 예시한다. 도 8d는 30nm 은 거울로 λ/2 모드에서 동작하도록 설계된 각각의 미세공동의 총 두께가 115nm인 6개 미세공동들의 주기적 구조로 구성된 기본(baseline) 디바이스의 방출 스펙트럼을 보여준다. 포토닉 밴드(800d) 내의 6개의 포토닉 상태들은 도 8d의 피크들에 대응하며 포토닉 결정의 높은 정도의 주기성으로 인해 에너지가 거의 균일하게 간격을 두고 있다. 시뮬레이션에서 전적으로 은 전극들의 사용은 도 7a 내지도 7d를 참조하여 본 명세서에서 논의된 바와 같이 서로 다른 전극 재료로 인한 Peierls 왜곡을 제거한다. 도 8e는 도 8d와 동일한 디바이스의 방출 스펙트럼을 도시하며, 여기서 다섯 번째 미세공동(위에서 두 번째)의 두께를 85nm로 줄임으로써 비주기성이 도입되었다. 도 8e는 포토닉 밴드(800e)로부터 최고 에너지 상태(801)의 분리를 나타낸다. 이는 결정 내에 두께 섭동의 도입을 통해 더 높은 에너지에서 단일 피크를 정확하게 배치하는 능력을 나타낸다.
유사하게, 도 8f는 도 8d와 동일한 디바이스의 방출 스펙트럼을 도시하며, 다섯 번째 미세공동의 두께를 145nm로 증가시킴으로써 비주기성을 도입하였다. 보이는 바와 같이, 최저 에너지 상태(802)는 포토닉 에너지 밴드(800f)의 나머지로부터 분리되어 에너지를 더 낮추면서 밴드(800d)의 대응하는 상태에 비해 포토닉 에너지 밴드(800f) 내의 상태를 약간 교란시킨다. 도 8g는 도 8d에서 시뮬레이션 된 디바이스의 최상부 공동의 두께를 230nm로, 또는 원래 두께의 두 배로 변경하여 λ 모드 공동에 대응하는 효과를 도시한다. 이는 λ 공동 내의 두 모드(λ/2 및 λ)로 인해 두 상태들(803)의 분리를 초래한다. 간결함을 위해, 혼합 차수(mixed-order) 공동의 두께를 미세하게 제어하면 방출 스펙트럼이 튜닝 되어 최저 에너지 상태들의 분리, 더 놓은 차수 디바이스로 인한 하나 이상의 피크들의 FWHM의 감소, 및 하나 이상의 밴드 갭들의 도입을 포함하는 다양한 효과들을 제공할 수 있음을 설명하는 추가적인 시뮬레이션들이 생략되었다. 코어 설계에 대한 거의 무한한 수의 변화가 가능하며, 여기에 포함된 예는 코어 설계의 유연성에 대한 비제한적인 설명을 의미한다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 애플리케이션에 따라, 기본 결정(base crystal) 및 결함들의 세트는 본 명세서에서 설명된 방법들을 사용하여 원하는 포토닉 밴드 구조를 달성하도록 설계될 수 있다.
도 8h 내지 도 8j는 전극의 특성의 효과 및 보다 일반적으로 포토닉 구조의 비주기성이 광학 성능에 미치는 영향을 추가로 예시한다. 도 8h는 1 내지 6개의 미세공동들을 가지는 디바이스들에 대한 포토닉 에너지 밴드의 상태들의 계산적으로 시뮬레이션 되고 실험적으로 해석된 피크 위치들을 도시하며, 각각은 15:1 Ag:Al 합금/MoOx를 애노드로, Al/LiF를 캐소드로 가지는 디바이스(도 8f에서 Ag/Al 디바이스로 약칭하여 나타냄)에 대한 예시적인 미세공동들(202)(도 2)의 예시이다. 도 8h에 도시된 바와 같이, 상태들은 사이에 밴드갭을 두고 2개의 서브-밴드들(sub-bands) (도 8f에서 상위(upper) 및 lower(하위) 서브-밴드로 표시됨)로 분리된다.
도 8i는 애노드에 대해 Ag:Al(15:1) 합금을 캐소드에 대해 Ag:Mg(10:1) 합금을 가지는 디바이스(Ag/Ag 디바이스로 약칭하여 나타냄)에 대한 1 내지 6개의 미세공동들을 가지는 디바이스들에 대한 포토닉 에너지 밴드의 상태들의, 계산적으로 시뮬레이션 되고 실험적으로 해석된 피크 위치들을 도시한다. 도 8h의 Ag/Al 디바이스와 비교하여 더 유사한 애노드 및 캐소드의 물질의 광학 특성들로 인해, 결과적으로 결정 구조에서 더 높은 대칭이 일어나 밴드 갭을 제거하며 2개의 서브 밴드들보다는 단일 에너지 밴드의 형성을 가능하게 한다. 대칭성이 클수록 각각의 상태의 피크 분해능(resolution of the peaks)도 높아진다.
도 8j는 도 8h로부터의 6개 공동 Ag/Al 디바이스의 방출의 정규화된 강도(820) 및 도 8i로부터의 6개 공동 Ag/Ag 디바이스의 방출의 정규화된 강도(822)를 도시한다. 도 8h와 마찬가지로, 도 8j는 Ag/Ag 디바이스의 상태들 사이의 밴드 갭(824)과 Ag/Ag 디바이스에서의 상태들의 보다 균일한 분포를 유사하게 도시한다.
도 9a 내지 도 9e는 공동들의 수, 거울 두께, 및 거울 구성에 따른 적층된 미세공동 디바이스들의 상대 방출 강도(relative emission intensity)를 예시한다. 도 9a는 정규화된 카운트들(normalized counts)에 관한 방출 스펙트럼들을 도시하며, 카운트들은 분광계에 의해 공급되는 로 데이터(raw data)이며 정규화(normalization)는 각각의 디바이스에 투입된 전력으로 나눔으로써 달성된다. 도 9a의 데이터는 테스트된 디바이스의 방출 효율의 비교 척도(comparative measure)를 제공한다. 도 9b 내지 도 9e는 유사하게 상대 방출 효율을 예시하며 거울 두께 및 공동들의 수의 함수로서 전력 정규화 데이터에서 최대 피크 높이의 경향을 도시한다. 도 9c 내지 도 9d에서 알 수 있는 바와 같이, 거울 두께가 감소됨에 따라 방출 효율이 극적으로 증가한다. 도 9b에 도시된 제2 경향은 방출 효율이 홀수의 공동들을 가지는 디바이스들에 대해 더 높을 수 있다는 것이다. 도 9에서 데이터를 생성하기 위해 사용되는 디바이스는 디바이스들(100 및 200)의 예시이며 Ag/Al 전극 구성을 가져 단일 포토닉 단위 셀(112)을 형성하는 2개의 미세공동들을 초래한다. 홀수의 공동들을 가지는 디바이스들의 증가된 방출 효율은 디바이스의 상부에 은 거울이 있기 때문이거나, 2개의 미세공동 포토닉 단위 셀들 중 하나가 쪼개짐에 따른 결정 구조 자체 때문일 수 있다.
디바이스(200)로부터 방출된 광의 특성들은 또한 예를 들어 전기 전원(210)에 의해 이미터들(206) 각각에 공급되는 구동 전류를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 미세공동들(202)의 특정 공진 모드에서 전력 출력을 최대화하도록 구동 전류가 선택, 설계, 및 구성될 수 있다. 각각의 미세공동들(202)의 공진 모드들에 따른(across) 전력 분포는 구동 전류에 따라 달라진다. 특정 이론에 제한되지 않고, 이는 이미터(206)의 엑시톤(excitonic) 에너지 모드들과 미세공동들(202)의 공진 모드들의 커플링, 유도 방출(stimulated emission)의 효과 및 퍼셀 효과에 의한 것으로 이해되며, 여기서 엑시톤 에너지 모드들은 붕괴가 광 방출을 생성하는 전기적으로 생성된 분자 쌍극자들(molecular dipoles)을 나타낸다. 따라서, 일 예에서는, 구동 전류의 제어를 통해 모드 재분배가 제어된다. 일부 예에서, 특정 모드들에서 미세공동들(202)의 출력 전력이 구동 전류의 증가 또는 감소와 함께 다른 것보다 훨씬 더 빠르게 증가하는 결과를 초래하는 이미터들(206)의 유도 방출 체제(regime)에서의 전력 의존성의 비선형성이 있다. 구동 전류가 모드 재분배에 미치는 영향의 예는 도 9f 및 도 9g에 예시되어 있으며 이는 20nm 동일-두께 전극 거울들(도 9f) 및 10nm 동일-두께 전극 거울들(도 9g)을 가지는 6개-미세공동 OLED 적층을 포함하는 디바이스(200)의 예시적인 구현에서의 실험 결과를 도시한다. 도시된 바와 같이, 전압이 증가함에 따라(예에서 15V로부터 34V로) 방출은 최고 에너지 모드로 이동했다. 방출은 ~503nm에 위치한 피크로 정규화 되어 다른 피크에 비해 최고 에너지 피크로부터 방출이 증가함을 보여준다. 전체 방출 강도는 전류가 높을수록 증가하며, 모드들 간에 관찰된 방출의 재분배는 전류의 감소에 의해 안정적이고 가역적이다.
이론에 얽매이지 않고, 이는 임계치 아래의(sub-threshold) 유도 방출 또는 디바이스의 정상파(standing-wave) 전계에 의한 전하 주입 변조의 결과인 것으로 여겨진다. 도 9f 및 도 9g는 유도율(rate of stimulation)이 손실 레벨에 의존하기 때문에 임계치 아래의 유도 방출을 예시한다. 증가된 광학 손실은 순전히 자발적인(spontaneous) 방출에 대해 모든 피크가 고르게 감소하는 반면 유도 방출에 대해서는 유도된 피크들만 감소한다. 이는 도 9f 및 도 9g에서 관찰된 방출 변화가 자발 방출 또는 증폭 자발 방출(amplified spontaneous emission, ASE)로 인한 것이 아님을 의미하는데, 이는 이러한 현상이 모든 피크들에 동일하게 영향을 미치기 때문인 반면, 도 9f 및 도 9g는 유도된 피크의 감소만을 도시한다. 일 예에서, 임계치 아래의 유도 방출은 광 방출 디바이스(200 또는 1000)와 같은 광 방출 디바이스가 간섭성 광을 방출하는 것을 야기하도록 선택적으로 제어된다. 주기적인 포토닉 구조에서 하나 이상의 결함 또는 비주기적 특성의 선택적 배치를 포함하는 본 명세서에 기술된 포토닉 밴드 구조의 제어 방법은 다른 포토닉 상태들로부터 저손실 포토닉 모드를 분리하기 위해 채용될 수 있으며, 여기서 유도 방출은 다른 포토닉 모드들에 비해 이미터 물질의 전자발광(electroluminescence) 스펙트럼과의 향상된 중첩으로 인해 분리된 모드의 우세를 초래할 것이다. 이러한 방식으로, 디바이스가 임계 레이징 임계치(critical lasing threshold) 이상의 전류 밀도로 구동될 때, 본 명세서에 기술된 방법은 간섭성 광원을 생성하기 위해 채용될 수 있거나, 또는 임계 레이징 임계치 아래로 구동되는 경우, 고강도, 비간섭성, 좁은 선폭, 단일 모드 광원(single mode source)을 생성하기 위해 채용될 수 있다. 본 발명의 다른 예에서, 선택된 수의 상태들은 다른 포토닉 모드들로부터 분리되고 이중 모드 또는 삼중 모드 소스(source)와 같은 유도 방출을 통해 향상된다.
도 10은 조명 디바이스(100)의 예시적인 구현이며 전극들(1004a-1004g)에 의해 분리된 이미터들(1006a-1006f)- 인접한 이미터들은 공통의 전극을 공유함 -을 포함하는 포토닉 단위 셀들(1002a-1002f)의 주기적 1차원 어레이를 포함하는 광 방출 디바이스(1000)의 다른 예를 도시한다. 이미터들(206) 및 전극들(1004)은 기판(1008) 상에 수직 배열로 적층되며, 이미터들(1006) 각각은 전기 전원(1010)에 의해 독립적으로 전기적으로 구동된다. 예시된 예에서, 전극들(1004) 각각은 투명하며, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 이산화 티타늄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 또는 산화아연(ZnO)과 같이, 이미터들(1006)에 의해 방출된 광에 대해 광학적으로 투명한 당업계에 공지된 다양한 물질 중 임의의 것으로 형성될 수 있다. 이미터들(1006)은 당업계에 공지된 임의의 유형의 OLED 이미터를 포함하여 본 명세서에 개시된 임의의 유형의 이미터들일 수 있다. 예시된 예에서, 디바이스(1000)는 적층 배열의 6개의 포토닉 단위 셀들(1002)을 포함하지만, 다른 예에서, 예를 들어 2개 초과의 포토닉 단위 셀들, 및 일부 예에서 20개 초과의 포토닉 단위 셀들, 및 일부 예에서 2 내지 20개의 포토닉 단위 셀들, 및 일부 예에서 2 내지 15개의 포토닉 단위 셀들, 및 일부 예에서 2 내지 10개의 포토닉 단위 셀들, 및 일부 예에서 2 내지 6개의 포토닉 단위 셀들과 같이 임의의 수의 포토닉 단위 셀들이 사용될 수 있으며, 일부 예에서 3 내지 20개의 포토닉 단위 셀들, 및 일 부예에서 3 내지 15개의 포토닉 단위 셀들, 및 일부 예에서 3 내지 10개의 포토닉 단위 셀들, 및 일부 예에서 3 내지 6개의 포토닉 단위 셀들이 사용될 수 있으며, 일부 예에서 4 내지 20개의 포토닉 단위 셀들, 및 일부 예에서 4 내지 15개의 포토닉 단위 셀들, 및 일부 예에서 4 내지 10개의 포토닉 단위 셀들, 및 일부 예에서 4 내지 6개의 포토닉 단위 셀들이 사용될 수 있다.
광 방출 디바이스(1000)는 다양한 굴절률 및/또는 다른 특성을 갖는 교번 물질(alternating materials)의 다중 레이어들을 포함하는 1차원 주기적 어레이를 가지는 브래그형(Bragg-type) 구조이며, 그 결과 브래그 반사기(Bragg reflector)와 유사한 디바이스(1000)의 유효 굴절률의 주기적 변화를 초래한다. 굴절률의 변화로 인한 이미터들(1006) 및 전극들(1004) 사이의 인터페이스들에서의 부분적 반사는 디바이스(200)의 미세공동들(202)에 의해 생성된 것과 유사한 공진 조건을 생성한다. 예시된 예에서, 기본 방출 파장은 (미세공동들(202)와 같은 미세공동에서 2배가 아니라)포토닉 단위 셀(1002)의 OPL의 4배에서 발생한다. 다른 예에서, 기본 λ/4 브래그 공진(Bragg resonance)의 배수가 λ/2, 3λ/4, 또는 λ 모드들과 같이 선택되며, 여기서 고굴절률 투명 전극들 및 OLED의 OPL은 λ/4 모드의 OPL의 각각 2, 3 및 4배이다. 일부 예에서, 디바이스(200)에 비해 디바이스(1000)의 더 높은 기본 방출 파장은 더 얇은 이미터 디바이스들을 허용하여 전기적 손실을 감소시킬 수 있다. 디바이스(1000)는 또한 부분 반사 거울의 제거로 인해 디바이스(200)에 비해 상당히 낮은 광 손실을 가지며, 이는 디바이스(1000)로부터의 방출 강도가 동등한 디바이스(200)에 대한 것 보다 100-1000x 이상 더 클 수 있다. 일부 예에서, 디바이스(1000)는 외부 전극(204g)의 상부에 캐핑(capping) 거울(1012)을 포함할 수 있으며, 캐핑 거울은 디바이스(1000)의 품질 인자(Q-인자)에 대한 미세 제어를 위해 설계 및 구성된다. 캐핑 거울(1012)의 존재는 최하부 반사 전극과 캐핑 거울 사이에 단일한 큰 미세공동을 정의하며, 여기서 교번하는 이미터들의 시리즈와 고굴절률 투명 전극들은 분산된 피드백, 분산된 이득 구조를 구성한다. 이러한 방식으로, 큰 다중 차수(multi-order) 미세공동의 높은 Q-인자는 브래그 구조의 낮은 손실과 결합될 수 있으며 분산 방출 디바이스들의 직접적인 전기 자극을 가능하게 한다.
도 11은 조명 디바이스(100)의 예시적인 구현이며, 미세공동들(1102)의 주기적 1차원 어레이를 포함하는 광 방출 디바이스(1100)의 다른 예를 도시하고, 여기서는 이미터들(1104a-1104c), 애노드들(1106a, 1106b), 및 캐소드들(1108a, 1108b)을 포함하는 3개의 미세공동들(1102a-1102c)이다. 이미터들(1104)은 전기 전원(1110)에 의해 독립적으로 전기적으로 구동된다. 예시된 예에서, 디바이스(100)에서와 같이, 인접한 미세공동들은 공통 전극을 공유한다. 예시된 예에서, 인접한 미세공동들(1102) 사이의 공통 전극은 금속 전극 레이어들(1114a-1114d) 사이에 샌드위치 된 투명 전도 산화물(transparent conductive oxide, TCO) 레이어(1112a, 1112b)과 같은 투명한 전기 전도성 레이어를 포함한다. 본 명세서의 다른 곳에서 언급된 바와 같이, 반투명 금속 전극 레이어의 두께가 감소될 때 적층 미세공동 디바이스의 광학 성능은 일부 경우에 개선될 수 있다. 레이어드(layered) 캐소드(1108a) 및 애노드(1106b)는 전기 저항을 유지하거나 감소시키기 위해 전체 전극을 더 두껍게 유지하면서 개선된 광학 성능을 위해 극히 얇은 금속 레이어들(1114a-1114d)(예: 10nm 미만의 두께)을 허용할 수 있다. 유기물에 TCO를 스퍼터링(sputtering) 하는 것과 달리, 금속 전극 필름들(1114)은 더 견고할 수 있으며, 더 쉬운 TCO 증착을 가능하게 할 수 있다. 추가된 TCO 레이어들(1112)은 또한 전기적 성능을 향상시키고 히트 싱크로서 작용할 수 있다.
도 12는 1차원 배열로 적층된 복수의 미세공동들(1202)을 포함하는 광 방출 디바이스(1200)의 다른 예를 도시하며, 미세공동들 각각은 이미터(1204)를 포함하며, 인접한 미세공동들은 하나 이상의 전원들(미도시)에 의해 각각의 이미터를 직접 전기적으로 구동하기 위해 공통의 반투명 또는 투명 전극(1206)을 공유한다. 디바이스(1200)는 또한 투명할 수 있으며 디바이스의 상부 거울(1214)를 통하기보다는 측면(1212)으로부터 웨이브가이딩 된(waveguided) 광(1210)을 추출하기 위한 웨이브가이드(waveguide)로서 설계 및 구성되는 적어도 하나의 아웃커플링 공동(1208)을 포함한다. 거울들(1216, 1214)은 전극들(1206)과 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있다.
본 개시에 따라 제조된 디바이스들은 간섭성 또는 비간섭성 광원들로 설계 및 구성될 수 있다. 일부 예에서, 복수의 디바이스(200) 또는 디바이스(1000)와 같은 복수의 광 방출 디바이스들은, 평판(flat panel) 디스플레이, 컴퓨터 모니터, 텔레비전, 빌보드, 내부 또는 외부 조명 및/또는 신호용 조명, 헤드 업 디스플레이, 완전 투명 디스플레이, 플렉서블 디스플레이, 레이저 프린터, 모바일 컴퓨팅 디바이스, 스마트폰, 텔레폰, 셀 폰, 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더, 뷰파인더, 마이크로-디스플레이, 차량, 대면적 벽, 극장 또는 경기장 스크린 또는 간판 등을 포함하는, 다양한 소비자 제품에서 디스플레이 또는 광 방출 디바이스를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 좁은 선폭(예를 들어, ~10-1nm)을 갖는 비간섭성 광을 방출하도록 설계된 광 방출 디바이스(200 또는 1000)와 같은 디바이스들은 분광 애플리케이션에서도 사용될 수 있다.
일부 예에서, 광 방출 디바이스(200) 또는 광 방출 디바이스(1000)는 간섭성(coherent) 광원, 즉 레이저로 설계될 수 있으며 실질적으로 단색인 광(예: 서브-나노미터 선폭을 가짐; 공간적 코히어런스(coherence)(예: 단일 빔으로 구성된 출력)을 가지며; 시간적 코히어런스 (예: 측정 가능한 코히어런스 시간을 가짐)을 가지며; 선폭 및 전력 출력에서 명확한 임계치 동작을 나타내며; 레이저 스페클을 나타냄, 공동 공진기에 민감한 의존성을 가지며, 및/또는 고차 코히어런스(high-order coherence)을 가짐)을 방출할 수 있다. 당업계에 공지된 바와 같이, 비간섭성에서 간섭성으로의 전이는 레이저 공동 내의 광학 이득이 광학 손실을 초과할 때 전력 밀도의 임계 레벨인 레이징 임계치(lasing threshold)를 통과할 때 발생하며, 전력 출력은 입력 전력에 대한 크게 증가된 의존도를 나타낸다. 레이징 임계치에서, 유도 방출은 자발적 방출을 초과하며 방출 쌍극자들은 본질적으로 무작위 글로우(random glow)가 아닌 단일 빔에 기여하기 위해 서로 위상이 같은 광을 방출한다. 연속파(continuous-wave, CW) 레이저에서 이러한 코히어런스는 코히어런스 시간이라고 불리는 시간 스케일에 걸쳐 유지되며, 이는 자발적인 위상 이동 사이의 평균 시간을 정량화 한다(quantifies). 안정성을 유지하기 위해, 연속파 레이저들은 일반적으로 특히 기존 유기 레이저의 경우 번아웃이 쉽기 때문에 낮은 전력 출력을 가진다. 대안적으로, 펄스형, 전기 펌핑 레이저(pulsed, electrically pumped laser)가 짧은 시간 스케일(나노초에서 마이크로초)로 동작하며 해당 시간 동안 매우 높은 전력 출력을 달성할 수 있다.
일 예에서, 광 방출 디바이스(200) 또는 광 방출 디바이스(1000)와 같은 본 개시에 따라 만들어진 광 방출 디바이스는 직류 구동 전압으로 동작하도록 설계된 CW 레이저로 설계 및 구성될 수 있다. 일부 예에서, 전자 펄스 동작은 >3kA/cm2 전류 밀도를 달성하는 마이크로초 펄스들을 포함하여 레이징 임계치에 도달하기 위해 사용될 수 있다. 이미터들(2006 또는 1006)과 같은 이미터들은 CW 또는 펄스 레이저 동작을 위해 설계된 구조를 가질 수 있으며, Zhang, Y. and Forrest, S. R., "Existence of Continuous-Wave Threshold for Organic Semiconductor Lasers," Physical Review B 84, no. 24 (2011): 241301-4. doi:10.1103/PhysRevB.84.241301; 및 Sandanayaka, A. S. D., Zhao, L., Pitrat, D., Mulatier, J.-C., Matsushima, T., Andraud, C., Kim, J.-H., Ribierre, J.-C., and Adachi, C., "Improvement of the Quasi-Continuous-Wave Lasing Properties in Organic Semiconductor Lasers Using Oxygen as Triplet Quencher," Applied Physics Letters 108, no. 22 (2016): 223301. doi:10.1063/1.4952970- 이들 각각은 그 전문이 본원에 참조로 포함됨 -에 설명된 것과 같은 트리플렛 매니저(triplet manager) 및 유기 이미터들을 가지는 게스트-호스트 매트릭스 이미터를 포함할 수 있다. 당업계에 공지된 바와 같이, CW 레이저 동작에 대한 제한 인자는 트리플렛 빌드업이다. 트리플렛은 수명이 길고 흡수성이 있으며 광을 방출하지 않는 분자의 전자 상태(electronic states)이다. 싱글렛(singlets)은 광을 방출할 수 있는 수명이 짧은 전자 상태이다. 스핀 통계로 인해, 전기적으로 주입된 캐리어들은 3:1 비율로 트리플렛과 싱글렛을 형성한다. 즉, 주입된 전하는 시간의 25%에서 싱글렛 상태를 형성한다. 트리플렛은 수명이 더 길기 때문에, 이미터 레이어에 암전하(dark charges) 흡수의 빌드업을 초래하여 디바이스의 광학 손실을 크게 증가시킨다. 트리플렛 매니저는 트리플렛이 더 빨리 무너질 수 있는 에너지 경로를 도입한다.
도 13a는 본 개시에 따라 만들어진 투과 분광 시스템(1300)의 일 예를 예시한다. 예시된 예에서, 시스템(1300)은 가시광선 또는 적외선과 같은 방사선의 특정 파장들을 방출하도록 구성된 이미터(1302), 입사 방사선을 검출하도록 구성된 검출기(1304), 및 이미터 및 검출기를 제어하기 위한 컨트롤러들(1306, 1308)을 포함하며, 컨트롤러들은 분광 시스템의 이미터 및 검출기 컨트롤러 분야에서 알려진 임의의 기능으로 구성된다.
예시된 예에서, 이미터(1302) 및/또는 검출기(1304)는 본 개시에 개시된 임의의 광 방출 디바이스들의 예시와 같은 본 개시 내용에 따라 만들어진 하나 이상의 적층 미세공동 디바이스를 포함할 수 있다. 이미터(1302)는 특정 파장들로 튜닝될 수 있고 샘플(1310)을 통해 방사선을 방출하도록 구성될 수 있으며, 흡수, 반사, 회절, 광발광(photoluminescence), 굴절 등을 통해 상호작용하고 남아있거나 증폭된 방사선이 검출기(1304)에 의해 다른 쪽에서 수집된다. 검출기(1304)는 이미터(1302)와 동일한 파장 또는 파장 범위, 상이한 파장 또는 파장 범위로 튜닝 될 수 있거나, 파장에 독립적일 수 있다(예를 들어, 광범위한 방사선 스펙트럼을 흡수함). 조사된 종(probed species)(1310)은 고정되거나 유동할 수 있으며 임의의 상(고체, 액체, 기체, 플라즈마)일 수 있다. 조사된 종(1310)은 고체 물질의 얇은 반투명 슬라이스, 분말 모음, 단일 결정 또는 여러 결정, 또는 유동 또는 고정 유체(물, 혈액, 혈장, 액체 또는 기체 탄화수소, 용매(solvents), 냉각수, 유압유(hydraulic fluid), 체액, 공기 및 기타 가스, 플라즈마 등)일 수 있다. 조사된 종(1310)은 기저(ground) 상태 또는 여기(excited) 상태일 수 있다.
도 13b는 시스템(1300)에서와 동일하거나 유사한 구성들을 가질 수 있는 이미터(1322), 이미터 컨트롤러(1324), 검출기(1326), 및 검출기 컨트롤러(1328)를 포함하는 투과 분광 시스템(1320)을 예시하며, 이미터(1322) 및/또는 검출기(1326)에 대해, 본 명세서에 개시된 임의의 광 방출 디바이스들의 하나 이상의 예시와 같은, 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 적층 어레이를 활용하는 것을 포함한다. 시스템(1320)은 또한 광학 컴포넌트들(1330a, 1330b)을 포함하여 이미터(1322)에 의해 방출된 방사선 빔과 검출기(1326)에 입사하는 방사선을 형성 및 제어한다. 예를 들어, 광학 컴포넌트(1330)는 미세공동들의 적층 어레이에 의해 방출된 광을 수신하고 단색 광(monochromatic light)을 방출하도록 설계 및 구성될 수 있다. 하나 이상의 광학 섬유, 렌즈, 편광판, 거울, 빔 스플리터, 위상판, 파장판, 복굴절 결정, 다이크로익 필터, 회절 격자, 및 2차 고조파 생성, 주파수 더블링 및 주파수 추가 장치를 포함하는 비선형 광학과 같은 당업계에 공지된 임의의 광학 컴포넌트가 활용될 수 있다. 이러한 컴포넌트들은 임의의 크기일 수 있으며 조합하여 사용될 수 있다.
시스템(1320)의 하나의 예시적인 애플리케이션에서, 이미터(1322) 및 이미터 컨트롤러(1324)는 유동 리액터(flow reactor)(1340) 외부에 위치할 수 있다. 방출된 광은 편광 필터를 통과한 후 광학 섬유로 결합될(coupled) 수 있다. 섬유는 광을 챔버로 향하게 하기 위해 유동 리액터의 사이드에 부착될 수 있다. 광이 챔버를 통과한 후 광을 수집하기 위해 검출기(1326)를 사용하여 유사한 설정이 먼 사이드 상에서 반복될 수 있다.
도 13c는 시스템(1300) 또는 시스템(1320)에서와 동일하거나 유사한 구성을 가질 수 있는 이미터(1352), 이미터 컨트롤러(1354), 검출기(1356), 및 검출기 컨트롤러(1358)를 포함하는 투과 분광 시스템(1350)을 예시하며, 이미터(1352) 및/또는 검출기(1356)에 대해, 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 적층 어레이들을 활용하는 것을 포함한다. 시스템(1350)은 또한 시스템(1320)과 유사한 하나 이상의 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예시된 예에서, 검출기(1356) 또는 이미터(1352) 또는 둘 다 회전 장치 상에 장착될(mounted) 수 있으며, 이는 이미터(1352)의 적층된 미세공동들로부터의 광 출력의 산재로 인해 서로 다른 파장들에 대한 액세스를 허용한다. 예를 들어, 본 개시에 따라 만들어진 적층 미세공동 디바이스에 의해 방출되는 광의 산재는 예를 들어 0°에서 550nm에서 피크 방출을 가지지만, 60°에서 450nm로 이동할 수 있다. 이 산재는 시스템(1350)을 사용하는 분광 측정에 활용될 수 있다.
도 14는 본 개시에 따라 만들어진 반사 분광법 또는 반사 이미징 시스템(1400)의 일 예를 예시한다. 시스템(1400)은 이미터(1402)(또는 이미터들의 어레이), 이미터 컨트롤러(1404), 및 하나 이상의 특정 파장들의 방사선을 방출하도록 구성된 광학 컴포넌트들(1406)을 포함하고, 이미터(1402)는 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 하나 이상의 적층 어레이들을 포함한다. 시스템(1400)은 또한 검출기(1408), 검출기 컨트롤러(1410) 및 광학 컨포넌트들(1412)을 포함한다. 이미터(1402)로부터 방출된 방사선(1414)은 흡수, 반사, 회절, 광발광, 굴절 등을 통해 상호작용하는 샘플(1422)의 표면(1420)에 비추어지고(shined) 반사된 빛(1424)은 원래의 빔 경로 외부에 위치한 검출기(1408)에 의해 검출된다. 시스템(1400)은 다른 애플리케이션들 중에서 엘립소메트리(ellipsometry) 및 회절을 위해 사용될 수 있다. 이미터(1402), 검출기(1408) 및 샘플(1422)은 모두 장착되어 샘플에 대한 서로 다른 입사각 및 반사각을 통해 회전할 수 있다.
도 15는 시스템(1400)과 유사한 구성을 가지며 이미터(1502)(또는 이미터들의 어레이), 이미터 컨트롤러(1504), 하나 이상의 특정 파장들의 방사선을 방출하도록 구성된 광학 컴포넌트들(1506)을 가지는 이미징 시스템(1500)이며, 이미터(1502)는 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 하나 이상의 적층 어레이들을 포함한다. 시스템(1500)은 또한 검출기(1508), 검출기 컨트롤러(1510) 및 광학 컴포넌트들(1512)을 포함한다. 시스템(1400)과 달리, 시스템(1500)에서 검출기(1508)는 샘플의 표면을 이미징하기 위해 샘플(1522)의 표면(1520)에 수직으로 위치한다. 이미터(1502)는 이미징 시스템을 위해 조명을 제공하도록 구성된다.
도 16a 내지 도 16c는 이미터들(1602)의 어레이들(각각의 어레이에 하나만 라벨링됨)의 3가지 예들을 예시하며, 각각의 이미터는 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 적어도 하나의 적층 어레이를 포함한다. 이미터들(1602)는 당업계에 알려진 임의의 종류의 디스플레이 또는 다이오드 어레이를 형성하기 위해 1차원 또는 2차원 어레이로 배열될 수 있다. 예를 들어, 이미터들(1602)은 디스플레이 분야에서 잘 알려진 바와 같이 디스플레이의 픽셀을 형성하기 위해 각각의 다이오드가 적색, 녹색 및 청색과 같은 서로 다른 색을 방출하는 다이오드들의 그룹화(groupings)를 포함할 수 있다. 디스플레이 분야에서 알려진 임의의 유형의 다이오드 그룹화 및 패키징이 활용될 수 있다. 전술한 예에서, 적색, 녹색, 또는 청색 다이오드들 중 적어도 하나는 디바이스(100) 또는 본 개시에 개시된 임의의 다른 광 방출 디바이스들과 같은 미세공동들의 적어도 하나의 적층 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 예는 OLED 디스플레이와 같은 디스플레이 분야에서 알려진 임의의 구성을 가질 수 있는 적어도 하나의 컨트롤러(1604)를 포함한다. 도 16b 및 도 16c에 예시된 에는 또한 당업계에 공지된 임의의 광학 기능을 수행하기 위해 하나 이상의 광학 컴포넌트들(1606, 1608)을 포함한다. 도 16c에 도시된 예에서 광학 컨포넌트들(1608)(오직 하나만 라벨링 됨)은 마이크로 렌즈이고 마이크로 렌즈 어레이를 형성한다. 각각의 마이크로 렌즈는 광 아웃커플링을 향상시키고 이미터의 각도 방출 프로파일을 제어하기 위해 각각의 개별 이미터(1602)의 상부에 제조될 수 있다.
도 17a 내지 도 17c는 다중 파장들을 동시에 조사하고 낮은 정확도(fidelity) 스캔을 허용하기 위해 적층된 미세공동 이미터들(1702, 1722, 1732)로부터의 각도 방출의 산재를 활용하는 각도 분해 투과 분광 시스템들(1700, 1720, 1730)의 3가지 예를 예시한다. 이미터들(1702, 1722, 1732) 각각은 본 개시에 따라 만들어진 미세공동들의 적어도 하나의 적층 어레이를 포함한다. 시스템들(1700, 1720)은 검출기들(1706, 1726)의 어레이(1704, 1724)(단지 하나만 라벨링 됨)를 포함하는 유사한 구조를 가지며, 각각의 검출기는 이미터(1702/1722)에 대해 서로 다른 위치에 위치하여 이미터들의 산재를 이용하고(leverage) 미세공동들의 각각의 적층 어레이 주위의 다양한 위치에서 방출되는 방사선의 대체 파장의 효과를 포착한다. 시스템(1720)은 하나 이상의 광학 컴포넌트들을 더 포함하며, 이는 이미터들에 의해 방출되고 검출기들에 입사하는 방사선을 형성(shape)하고 제어하기 위해 본 명세서에 기재된 임의의 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
도 17c에 도시된 시스템(1730)은 검출기들(1738)의 대응 어레이(1736) 맞은편에 위치된 이미터들(1732)의 어레이(1734)를 가진다. 도 17c에 나타낸 바와 같이, 검출기들(1738)은 복수의 이미터들(1732)로부터 방출된 광을 캡처하여 이미터들의 산재 특성을 유사하게 이용하도록 구성될 수 있다.
도 17d는 이미터(1702, 1722) 또는 이미터들(1732) 중 하나와 같은, 예시적인 이미터에 의해 나타나는 산재의 일 예를 예시한다. 도 17d에 예시된 ARES 스펙트럼은 단지 하나의 방출 피크가 있는 파장 및 각도의 2개의 스캐닝 영역들을 도시한다. 이 영역들을 통해, 상태의 피크 파장이 더 짧은 파장으로 이동한다. 각도 범위를 가로질러 스캐닝함으로써, 광의 상호작용의 변화를 얻을 수 있다. 도 17e 내지 도 17g는 3개의 방출 스펙트럼의 방출 단면을 예시한다: 하나는 0°에서(도 17e), 하나는 50°에서(도 17f) 그리고 둘의 합의 예(도 17g). 도 17g에 예시된 제3 스펙트럼은 하나의 이미터(1602/1622/1632)에 대해 50° 및 제2 이미터에 대해 0°에서 검출기에 의해 보이는 유효 방출 스펙트럼을 나타낸다. 보이는 바와 같이, 이는 단순히 단일 이미터를 가지는 것보다 더 큰 스캐닝 범위를 허용한다(도 17e 및 도 17f에서 475nm 내지 700nm 대신에 도 17g에서 450nm 내지 700nm의 스캐닝 범위). 산재의 양은 이러한 이동을 제어하며, 높은 산재는 각도에 따른 파장의 변화를 더 크게 허용하여 더 큰 유효 스캐닝 범위를 허용하기 때문이다. 각도 의존 파장의 이러한 특성은 시스템들(1700, 1720, 1730) 각각에서 활용된다. 시스템들(1700, 1720, 1730) 각각에서 검출기들 및/또는 이미터들은 이동 가능할 수 있으며, 예를 들어 이미터들과 검출기들 사이의 상대적 위치를 변경하기 위해 회전 가능할 수 있다. 도시된 바와 같이, 시스템들(1700, 1720, 1730) 각각은 이미터들 및 검출기들을 제어하기 위한 컨트롤러들(1708a, 1708b; 1728a, 1728b; 1739a, 1739b)을 포함하며 이는 이미터 및 검출기 컨트롤러 분야에서 알려진 임의의 구성을 가질 수 있다.
도 18a 내지 도 18f는 포토닉 구조 내의 미세공동들(202)이 선택적으로 활성화되는 6개의 공동 디바이스(200)의 예시적인 예시의 방출 특성에 대한 추가적인 제어 방법을 예시한다. 일 예에서, 6개 공동 디바이스(200) 내의 이미터들(206) 각각이 동일하더라도, 이들은 각각 구조 내의 위치로 인해 구조의 공진 포토닉 상태들 사이에서 상이한 방출 분포를 나타낸다. 도 18a는 최상부 이미터(206f)만이 활성화되고 다른 이미터들은 활성화되지 않고 광을 방출하지 않는 경우의 방출 분포를 도시한다. 도 18a는 공진 상태들 사이에서 대략적으로 동일한 방출을 도시한다. 도 18b는 미세공동(202e)(최상부 공동 아래의 하나의 공동)에 위치한 제5 이미터(206e)만이 있을 때 디바이스(200)로부터의 방출을 도시하며, 이미터는 우선적으로 최고 에너지 모드로 방출하지만 다른 모드들에서도 방출한다. 도 18c 내지 도 18d는 제4 이미터(206d) 또는 제3 이미터(206c)(최상부 미세공동(202f) 아래의 2개 및 3개의 공동들에 위치함)만이 각각 전기적으로 구동될 때의 방출을 도시한다. 두 경우 모두 이미터는 최고 에너지 모드에서 방출하는 것을 강하게 선호하며 다른 모드들은 억제된다. 도 18e는 제2 이미터(206b)(최하부 공동(202a) 위의 하나의 공동에 위치함)만이 전기적으로 활성화될 때의 방출을 도시한다. 도 18e에 도시된 바와 같이, 이미터(206b)는 2개의 최고 에너지 모드에서 우선적으로 방출하고, 다른 모드들은 억제된다. 도 18f는 최하부 이미터(206a)로부터의 방출을 도시하며, 이미터는 모든 공진 모드들에서 거의 동일하게 방출한다. 다른 예에서, 2개 이상의 이미터들(206)의 임의의 조합은 원하는 방출 특성을 달성하기 위해 선택적으로 활성화될 수 있다. 도 18a 내지 도 18f에 예시된 바와 같이, 하나 이상의 이미터들(206)을 활성화함으로써 특정 모드들이 촉진되거나 억제될 수 있다. 따라서, 이미터들(206c, 206d)(이미터들 3 및 4)(도 18c 및 도 18d)만을 활성화함으로써, 최고 에너지 모드는 다른 모드들에 비해 향상될 수 있다. 다른 예에서, 공진 상태들 사이에서 보다 고른 방출 분포를 제공하기 위해 최상부 이미터(예: 이미터(206f))만이 활성화될 수 있다.
도 19는 30nm 거울들(1902), 20nm 거울들(1904), 및 10nm 거울들(1906)에 대한 공동들의 수(예: 미세공동들(202)의 수) 및 전극(또는 다른 반투명 레이어) 두께(예: 전극들(204)의 두께)의 함수로서 이상적인 포토닉 구조에서 최고 에너지 모드의 FWHM 감소를 나타낸다. 도 19는 디바이스들에 대한 최고 에너지 모드에 대한 FWHM을 예시하는 것을 포함한다. 도시된 바와 같이, 최고 에너지 모드의 FWHM은 포토닉 구조의 거울 두께 및 기타 구조적 특성들과 공동들의 수에 대한 의존성을 나타낸다. 따라서, 특정FWHM을 달성하기 위해 다수의 공동들과 구조적 특성들의 세트를 선택할 수 있다. 이러한 방식으로, 그리고 본 명세서에 기술된 비주기성 및 전기적 제어의 사용과 조합하여, 포토닉 구조의 주기성 및 구조적 특성들을 변화시킴으로써 방출 스펙트럼의 모든 측면들을 설계하는 것이 가능하다.
전술한 내용은 본 개시의 예시적인 실시예들에 대한 상세한 설명이다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, "X, Y 및 Z 중 적어도 하나" 및 "X, Y, Z 중 하나 이상"과 같은 접속어는 특별히 언급되거나 지시되지 않는 한, 접속 목록의 각각의 항목이 목록의 다른 모든 항목을 제외하고 임의의 수로 또는 접속 목록의 임의의 또는 모든 다른 항목(들)과 결합하여 임의의 수로 존재할 수 있음을 의미하는 것으로 간주되어야 하며, 이는 임의의 수로도 존재할 수 있다. 이러한 일반 규칙을 적용하면, 접속 목록이 X, Y, 및 Z로 구성된 앞의 예에서 접속 구문은 각각 다음을 포함해야 한다: 하나 이상의 X; 하나 이상의 Y; 하나 이상의 Z; 하나 이상의 X 및 하나 이상의 Y; 하나 이상의 Y 및 하나 이상의 Z; 하나 이상의 X 및 하나 이상의 Z; 및 하나 이상의 X, 하나 이상의 Y 및 하나 이상의 Z.
본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 추가가 이루어질 수 있다. 전술한 다양한 실시예 각각의 특징은 연관된 새로운 실시예에서 다수의 특징 조합을 제공하기 위해 적절하게 다른 설명된 실시예의 특징 과 조합될 수 있다. 예를 들어, 임의의 광 방출 디바이스들(100, 200, 1000, 1100, 또는 1200)은 도 13a 내지 도 17c에 예시된 시스템들과 같이 본 명세서에 개시된 임의의 애플리케이션 및 시스템에서 활용될 수 있다. 본 명세서에 기재된 임의의 광 방출 디바이스들(100, 200, 1000, 1100, 또는 1200)의 특정한 특성 및 가능한 변형은 본 명세서를 읽은 후 당업자에 의해 개시된 임의의 광 방출 디바이스에 적용될 수 있다. 또한, 전술한 내용은 다수의 개별 실시예를 설명하지만, 여기에서 설명된 것은 단지 본 개시의 원리의 애플리케이션을 예시한 것일 뿐이다. 또한, 본 개시의 특정한 방법이 특정 순서대로 수행되는 것으로 예시 및/또는 설명될 수 있지만, 순서는 본 개시의 측면을 달성하기 위해 통상의 기술 내에서 매우 가변적이다. 따라서, 이 설명은 단지 예로서 취해진 것으로, 본 개시의 범위를 달리 제한하지 않는 것을 의미한다.
100: 광 방출 디바이스
106: 기판
110: 전원

Claims (47)

  1. 광 방출 디바이스(light emitting device)에 있어서,
    분산 피드백 구조(distributed feedback structure)에 걸쳐(throughout) 산재된(dispersed) 복수의 활성 이미터 레이어들
    을 포함하고,
    상기 분산 피드백 구조는 상기 광의 파장에 따라 광을 전달하거나 반사하도록 설계되고,
    상기 구조는 상기 이미터 레이어들 각각의 직접적인 전기적 자극을 위해 구성되는,
    광 방출 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 활성 이미터 레이어들은,
    전기적으로 병렬로 구동되는,
    광 방출 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분산 피드백 구조는,
    포토닉 단위 셀들(photonic unit cells)의 1차원 주기 어레이(one-dimensional periodic array)인,
    광 방출 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    각각의 포토닉 단위 셀들은,
    상기 활성 이미터 레이어들 중 적어도 하나를 포함하는 미세공동(microcavity)을 적어도 하나 포함하는,
    광 방출 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 미세공동은,
    2개의 반투명(semitransparent) 전극들
    을 더 포함하는,
    광 방출 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미세공동들 중 인접한 미세공동들(adjacent ones of the microcavities)은 공통의 전극을 공유하는,
    광 방출 디바이스.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 분산 피드백 구조의 주기성(periodicity)은 원하는 방출 패턴(desired emission pattern)을 위해 설계 및 구성되는,
    광 방출 디바이스.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 분산 피드백 구조는,
    원하는 방출 패턴을 생성하도록 설계된 적어도 하나의 비주기성(aperiodicity)을 포함하는,
    광 방출 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비주기성은 상기 포토닉 단위 셀들 중 가장 바깥쪽의 포토닉 단위 셀(outermost one of the photonic unit cells)에 위치하는,
    광 방출 디바이스.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 포토닉 단위 셀들 중 상기 가장 바깥쪽의 포토닉 단위 셀은,
    상기 포토닉 단위 셀들 중 다른 포토닉 단위 셀들의 광로 길이(optical path length)와 서로 다른 광로 길이를 가지는,
    광 방출 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 활성 이미터 레이어들 각각은,
    동일한 주파수에서 광을 방출하도록 설계되는,
    광 방출 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    각각의 활성 이미터의 피크 전계발광 스펙트럼(peak electroluminescence spectrum)은 실질적으로 동일한,
    광 방출 디바이스.
  13. 광 방출 디바이스에 있어서:
    복수의 광학 공진기 공동들(optical resonator cavities)의 적층 어레이(stacked array); 및
    상기 광학 공진기 공동들 각각에 위치한 적어도 하나의 전기 구동 이미터 레이어(electrically driven emitter layer)
    를 포함하는,
    광 방출 디바이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 디바이스는,
    적어도 4개의 상기 광학 공진기 공동들
    을 포함하는,
    광 방출 디바이스.
  15. 광 방출 디바이스에 있어서,
    복수의 미세공동들의 적층 어레이
    를 포함하고,
    상기 미세공동들 각각은 2개의 병렬 반투명 거울들 및 그 사이에 위치한 전기 구동 이미터를 포함하고,
    상기 미세공동들 각각은 적어도 하나의 공진 모드(resonant mode)를 가지도록 설계 및 구성되고,
    상기 반투명 거울들은 상기 복수의 미세공동들 중 인접한 미세공동들의 상기 공진 모드들의 상호작용을 허용하도록 설계 및 구성되는,
    광 방출 디바이스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 미세공동들 중 인접한 것들은,
    상기 반투명 거울들 중 공통된 하나를 공유하는,
    광 방출 디바이스.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 반투명 거울들은 전극들이며 상기 이미터들을 전기적으로 구동하기 위한 전류를 전달하는,
    광 방출 디바이스.
  18. 제15항에 있어서,
    복수의 상기 미세공동들의 광로 길이(optical path length, OPL)는 λ/2이고, λ는 상기 미세공동의 상기 적어도 하나의 공진 모드 중 제1 공진 모드의 파장인,
    광 방출 디바이스.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 미세공동들 중 적어도 2개는 기본 λ/2 미세공동들(fundamental λ/2 microcavities)인,
    광 방출 디바이스.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 반투명 거울들은 전극들이며 상기 이미터들을 전기적으로 구동하기 위한 전류를 전달하고,
    상기 전극들은 애노드들 및 캐소드들(anodes and cathodes)을 포함하고,
    상기 애노드들 및 캐소드들의 두께는 서로 다르며,
    상기 두께는 상기 디바이스의 포토닉 밴드 구조에 섭동(perturbation)을 만들도록 설계 및 구성되는,
    광 방출 디바이스.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 반투명 거울들은 전극들이며 상기 이미터들을 전기적으로 구동하기 위한 전류를 전달하고,
    상기 전극들은 애노드들 및 캐소드들을 포함하고,
    상기 애노드들 및 캐소드들의 적어도 하나의 광학 특성들은 서로 다르며,
    상기 광학 특성들은 상기 디바이스의 포토닉 밴드 구조에 섭동을 만들도록 설계 및 구성되는,
    광 방출 디바이스.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 미세공동들 중 제1 미세공동(a first one of the microcavities)의 광로 길이(OPL)은 상기 미세공동들 중 다른 미세공동들(other ones of the microcavities)의 OPL과 서로 다르며,
    상기 제1 미세공동의 상기 OPL은,
    광의 파장들의 제1 부분을 억제하고 및/또는 광의 파장들의 제2 부분을 촉진하도록 설계 및 구성되는,
    광 방출 디바이스.
  23. 광 방출 디바이스에 있어서:
    실질적으로 평면인 기판(substantially planar substrate);
    상기 기판 상에 형성된 하부 금속 거울;
    상기 하부 금속 거울 상에 수직으로 형성된 복수의 포토닉 단위 셀들; 및
    상기 복수의 포토닉 단위 셀들 상에 형성된 상부 금속 거울
    을 포함하고,
    상기 포토닉 단위 셀들은 하나 이상의 미세공동들을 포함하고,
    상기 미세공동들 중 적어도 하나는 인가된 전기적 자극에 응답하여 광학적으로 방출하고(optically emissive),
    상기 평면 기판에 수직인 방향으로의 상기 미세공동들의 광로 길이는 타겟 포토닉 밴드 구조를 생성하도록 설계 및 구성되는,
    광 방출 디바이스.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학적으로 방출하는 미세공동들 각각은 OLED 미세공동인,
    광 방출 디바이스.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 OLED 미세공동은 2개의 금속 전극들 사이에 OLED를 포함하고,
    상기 전극들은 인접한 OLED 미세공동들과 공유되는,
    광 방출 디바이스.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 OLED들 각각은 상기 전극들을 통해 인가된 전기적 자극에 응답하여 광학적으로 방출하는,
    광 방출 디바이스.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 OLED들 각각은 동일한 광로 길이를 가지는,
    광 방출 디바이스.
  28. 제24항에 있어서,
    상기 OLED들 중 적어도 하나는 광로 길이가 상이한,
    광 방출 디바이스.
  29. 제23항에 있어서,
    상기 미세공동들 중 적어도 하나는 2개의 금속 전극들 및 그 사이에 배치된 투명 레이어를 포함하는,
    광 방출 디바이스.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 투명 레이어는 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide), 이득 매체(gain medium), 또는 광학 스페이서(optical spacer) 중 적어도 하나인,
    광 방출 디바이스.
  31. 제23항에 있어서,
    상기 광 방출 디바이스는 포토닉 구조를 정의하고,
    상기 포토닉 구조는 적어도 하나의 비주기적 비주기성(non-periodic aperiodicity)을 포함하는,
    광 방출 디바이스.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 비주기적 비주기성은 상기 미세공동들 중 가장 바깥쪽의 미세공동에 위치하는,
    광 방출 디바이스.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 비주기적 비주기성은 상기 미세공동들 중 다른 미세공동들과 서로 다른 광로 길이를 가지는 상기 미세공동들 중 하나의 미세공동에 위치하는,
    광 방출 디바이스.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 포토닉 단위 셀들은 복수의 금속 레이어들을 포함하고,
    상기 비주기적 비주기성은 상기 금속 레이어들 중 인접한 금속 레이어들과 서로 다른 광학 특성들을 가지는 상기 금속 레이어들 중 하나에 의해 정의되는,
    광 방출 디바이스.
  35. 광 방출 디바이스에 있어서:
    기판;
    상기 기판 상에 배치된 하부 거울;
    상기 하부 거울 상에 배치된 고 굴절률 및 저 굴절률 물질들(high and low index materials)의 교번 시리즈(alternating series); 및
    상기 교번 시리즈 상에 증착된(deposited) 상부 거울
    을 포함하고,
    상기 저 굴절률 물질들은 상기 고 굴절률 물질들을 통해 제공되는 전기적 자극에 응답하여 광학적으로 방출하는 광 방출 다이오드들의 레이어들인,
    광 방출 디바이스.
  36. 제35항에 있어서,
    고 굴절률 및 저 굴절률 물질들 모두의 광로 길이는 선택된 방출 파장의 1/4파장의 정수배와 동일한,
    광 방출 디바이스.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 고 굴절률 물질들은 전극들인,
    광 방출 디바이스.
  38. 제35항에 있어서,
    상기 고 굴절률 물질들은 투명 전극들인,
    광 방출 디바이스.
  39. 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 전극은 2개의 금속 레이어들 사이에 끼워진 투명 전기 전도성 레이어를 포함하는 복합 전극(composite electrode)인,
    광 방출 디바이스.
  40. 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스의 측면(side)로부터 방사선을 추출하기 위한 아웃커플링 레이어(outcoupling layer)로서 설계 및 구성된 투명 공동(cavity)
    을 더 포함하는,
    광 방출 디바이스.
  41. 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 활성 레이어
    를 더 포함하는,
    광 방출 디바이스.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 광학 활성 레이어는,
    집적 비선형 광학(integrated non-linear optics), 모드 잠금을 위한 Kerr 전기광학 효과, Q-스위칭 레이어, 또는 가포화 흡수체(saturable absorber)
    중 적어도 하나를 포함하는,
    광 방출 디바이스.
  43. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 광 방출 디바이스를 포함하는,
    간섭성 광원(coherent light source).
  44. 디스플레이에 있어서:
    복수의 광 방출 픽셀들을 포함하고,
    상기 광 방출 픽셀들 각각은 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 광 방출 디바이스를 포함하는,
    디스플레이.
  45. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 광 방출 디스플레이를 포함하는 분광계.
  46. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 광 방출 디바이스를 포함하는 연속파 레이저(continuous wave laser).
  47. 방법에 있어서:
    제1항 내지 제46항 중 어느 한 항에 따른 광 방출 디바이스에 구동 전류를 제공하는 동작
    을 포함하고,
    상기 구동 전류는 상기 디바이스의 하나 이상의 포토닉 단위 셀들 또는 미세공동들의 특정 공진 모드(particular resonance mode)에서 전력 출력을 최대화하도록 선택, 설계 및 구성되는,
    방법.
KR1020237013512A 2020-10-02 2021-10-01 결합된 공진 포토닉 단위 셀들 및 분산 광 방출 다이오드들을 가지는 광 방출 디바이스 KR20230104601A (ko)

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