KR20240010434A - 유기 전계발광 디바이스 - Google Patents

Abstract

각 나노입자의 주축과 모든 나노입자의 주축의 평균 방향 간의 차이가 최소화되도록 나노입자가 정렬된, 비대칭 나노입자가 배치된 아웃커플링층을 포함하는 발광 디바이스가 제공된다. 정렬되고 물리적으로 비대칭인 나노입자를 사용하면 디바이스의 아웃커플링과 성능이 개선된다.

Description

유기 전계발광 디바이스{ORGANIC ELECTROLUMINESCENT DEVICES}

본 발명은 배향된 나노입자가 혼입된 유기 발광 다이오드와 같은 유기 발광 디바이스를 제조하기 위한 디바이스 및 기술, 및 이를 포함하는 디바이스 및 기술에 관한 것이다.

유기 물질을 사용하는 광전자 디바이스는 여러 이유로 인하여 점차로 중요해지고 있다. 이와 같은 디바이스를 제조하는데 사용되는 다수의 물질들은 비교적 저렴하기 때문에, 유기 광전자 디바이스는 무기 디바이스에 비하여 비용 이점면에서 잠재성을 갖는다. 또한, 유기 물질의 고유한 특성, 예컨대 이의 가요성은 그 유기 물질이 가요성 기판 상에서의 제작과 같은 특정 적용예에 매우 적합하게 할 수 있다. 유기 광전자 디바이스의 예로는 유기 발광 다이오드/디바이스(OLED), 유기 광트랜지스터, 유기 광전지 및 유기 광검출기를 들 수 있다. OLED의 경우, 유기 물질은 통상의 물질에 비하여 성능 면에서의 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 유기 발광층이 광을 방출하는 파장은 일반적으로 적절한 도펀트로 용이하게 조절될 수 있다.

OLED는 디바이스 전체에 걸쳐 전압을 인가할 때 광을 방출하는 유기 박막을 사용한다. OLED는 평면 패널 디스플레이, 조명 및 백라이팅(backlighting)과 같은 적용예의 용도에 있어 점차로 중요해지는 기술이다. 여러가지의 OLED 재료 및 구성은 미국 특허 제5,844,363호, 제6,303,238호 및 제5,707,745호에 기재되어 있으며, 이들 특허 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.

인광 방출 분자에 대한 하나의 적용예는 풀 컬러 디스플레이이다. 이러한 디스플레이에 대한 산업적 기준은 "포화" 색상으로 지칭되는 특정 색상을 방출하도록 조정된 픽셀을 필요로 한다. 특히, 이러한 기준은 포화 적색, 녹색 및 청색 픽셀을 필요로 한다. 대안적으로 OLED는 백색 광을 방출하도록 설계될 수 있다. 통상적인 액정 디스플레이에서, 백색 백라이트에서 나온 방출이 흡수 필터를 사용하여 필터링되어 적색, 녹색 및 청색 발광을 생성한다. 동일한 기법이 OLED에도 사용될 수 있다. 백색 OLED는 단일 EML 디바이스 또는 스택 구조일 수 있다. 색상은 당업계에 주지된 CIE 좌표를 사용하여 측정될 수 있다.

본원에서 사용한 바와 같이, 용어 "유기"는 유기 광전자 디바이스를 제작하는 데 사용될 수 있는 중합체 물질뿐 아니라, 소분자 유기 물질도 포함한다. "소분자"는 중합체가 아닌 임의의 유기 물질을 지칭하며, "소분자"는 실제로 꽤 클 수도 있다. 소분자는 일부의 상황에서는 반복 단위를 포함할 수 있다. 예를 들면, 치환기로서 장쇄 알킬기를 사용하는 것은 "소분자" 유형으로부터 분자를 제외시키지 않는다. 소분자는 또한 예를 들면 중합체 주쇄 상에서의 펜던트기로서 또는 주쇄의 일부로서 중합체에 포함될 수 있다. 소분자는 또한 코어 모이어티 상에 생성된 일련의 화학적 셸로 이루어진 덴드리머의 코어 모이어티로서 작용할 수 있다. 덴드리머의 코어 모이어티는 형광 또는 인광 소분자 이미터일 수 있다. 덴드리머는 "소분자"일 수 있으며, OLED 분야에서 현재 사용되는 모든 덴드리머는 소분자인 것으로 여겨진다.

본원에서 사용한 바와 같이, "상단부"는 기판으로부터 가장 멀리 떨어졌다는 것을 의미하며, "하단부"는 기판에 가장 근접하다는 것을 의미한다. 제1층이 제2층의 "상부에 배치되는" 것으로 기재되는 경우, 제1층은 기판으로부터 멀리 떨어져 배치된다. 제1층이 제2층과 "접촉되어 있는" 것으로 명시되지 않는다면 제1층과 제2층 사이에는 다른 층이 존재할 수 있다. 예를 들면, 캐소드와 애노드의 사이에 다양한 유기층이 존재한다고 해도, 캐소드는 애노드의 "상부에 배치되는" 것으로 기재될 수 있다.

본원에서 사용한 바와 같이, "용액 가공성"은 용액 또는 현탁액 형태로 액체 매질에 용해, 분산 또는 수송될 수 있고/있거나 액체 매질로부터 증착될 수 있다는 것을 의미한다.

리간드가 발광 물질의 광활성 특성에 직접적으로 기여하는 것으로 여겨지는 경우, 리간드는 "광활성"으로 지칭될 수 있다. 보조적 리간드가 광활성 리간드의 특성을 변경시킬 수 있을지라도, 리간드가 발광 물질의 광활성 특성에 기여하지 않는 것으로 여겨지는 경우, 리간드는 "보조적"인 것으로 지칭될 수 있다.

본원에서 사용한 바와 같이, 그리고 일반적으로 당업자가 이해하고 있는 바와 같이, 제1 에너지 준위가 진공 에너지 준위에 더 근접하는 경우, 제1 "최고 점유 분자 궤도"(HOMO) 또는 "최저 비점유 분자 궤도"(LUMO) 에너지 준위는 제2 HOMO 또는 LUMO 에너지 준위보다 "더 크거나" 또는 "더 높다". 이온화 전위(IP)가 진공 준위에 대하여 음의 에너지로서 측정되므로, 더 높은 HOMO 에너지 준위는 더 작은 절댓값을 갖는 IP(더 적게 음성인 IP)에 해당한다. 마찬가지로, 더 높은 LUMO 에너지 준위는 절댓값이 더 작은 전자 친화도(EA)(더 적게 음성인 EA)에 해당한다. 상단부에서 진공 준위를 갖는 통상의 에너지 준위 다이아그램에서, 물질의 LUMO 에너지 준위는 동일한 물질의 HOMO 에너지 준위보다 더 높다. "더 높은" HOMO 또는 LUMO 에너지 준위는 "더 낮은" HOMO 또는 LUMO 에너지 준위보다 상기 다이아그램의 상단부에 더 근접하게 나타난다.

본원에서 사용한 바와 같이, 그리고 일반적으로 당업자가 이해하는 바와 같이, 제1 일함수의 절댓값이 더 클 경우, 제1 일함수는 제2 일함수보다 "더 크거나" 또는 "더 높다". 일함수는 일반적으로 진공 준위에 대하여 음의 수로 측정되므로, 이는 "더 높은" 일함수가 더 음성임을 의미한다. 상단부에서 진공 준위를 갖는 통상의 에너지 준위 다이아그램에서, "더 높은" 일함수는 진공 준위로부터 아래 방향으로 더 먼 것으로서 예시된다. 따라서, HOMO 및 LUMO 에너지 준위의 정의는 일함수와는 상이한 관례를 따른다.

층, 물질, 영역, 및 디바이스는 이들이 방출하는 광의 색상에 관하여 본원에서 기술될 수 있다. 일반적으로, 본원에 사용된 바와 같이, 광의 특정 색상을 생성하는 것으로 기술된 발광 영역은 스택에서 서로 위에 배치된 하나 이상의 발광층을 포함할 수 있다.

본원에 사용된 바와 같이, "적색" 층, 물질, 영역, 또는 디바이스는 약 580 내지 700 nm 범위의 광을 방출하거나 이 영역에서 발광 스펙트럼의 가장 높은 피크를 갖는 것을 지칭한다. 마찬가지로, "녹색" 층, 물질, 영역, 또는 디바이스는 약 500 내지 600 nm 범위에서 피크 파장을 갖는 발광 스펙트럼을 방출하거나 갖는 것을 지칭하고; "청색" 층, 물질, 또는 디바이스는 약 400 내지 500 nm 범위에서 피크 파장을 갖는 발광 스펙트럼을 방출하거나 갖는 것을 지칭하고; "황색" 층, 물질, 영역, 또는 디바이스는 약 540 내지 600 nm 범위에서 피크 파장을 갖는 발광 스펙트럼을 갖는 것을 지칭한다. 일부 배열에서, 별개의 영역, 층, 물질, 영역, 또는 디바이스는 별개의 "진청색" 및 "담청색" 광을 제공할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 별개의 "담청색" 및 "진청색"을 제공하는 배열에서, "진청색" 구성요소는 "담청색" 구성요소의 피크 발광 파장보다 약 4 nm 이상 더 작은 피크 발광 파장을 갖는 것을 지칭한다. 통상적으로, "담청색" 구성요소는 약 465 내지 500 nm 범위에서 피크 발광 파장을 가지며, "진청색" 구성요소는 약 400 내지 470 nm 범위에서 피크 발광 파장을 갖지만, 이들 범위는 일부 구성에 따라 달라질 수 있다. 마찬가지로, 색 변경층은 다른 색상의 광을 해당 색상에 지정된 파장을 갖는 광으로 변환하거나 변경하는 층을 지칭한다. 예를 들어, "적색" 컬러 필터는 약 580 내지 700 nm 범위에서 파장을 갖는 광을 생성하는 필터를 지칭한다. 일반적으로, 두 가지 부류의 색 변경층: 광의 원하지 않는 파장을 제거함으로써 스펙트럼을 변경하는 컬러 필터, 및 에너지가 높은 광자를 에너지가 낮은 광자로 전환하는 색 변경층이 존재한다. "색상의" 구성요소는, 활성화되거나 사용되는 경우, 앞서 기술된 특정 색상을 갖는 광을 생성하거나 방출하는 구성요소를 지칭한다. 예를 들어, "제1 색상의 제1 발광 영역" 및 "제1 색상과 상이한 제2 색상의 제2 발광 영역"은, 디바이스 내에서 활성화되는 경우, 앞서 기술된 두 가지 상이한 색상을 방출하는 2개의 발광 영역을 기술한다.

본원에 사용된 바와 같이, 발광 물질, 층, 및 영역은 동일한 또는 상이한 구조에 의해 최종적으로 방출되는 광과는 대조적인, 물질, 층 또는 영역에 의해 초기에 생성된 광에 기초하여 서로 및 다른 구조와 구별될 수 있다. 통상적으로 초기 광 생성은 광자의 방출을 유발하는 에너지 준위 변화의 결과이다. 예를 들어, 유기 발광 물질은 초기에 청색광을 생성할 수 있으며, 이는 컬러 필터, 양자점 또는 다른 구조에 의해 적색광 또는 녹색광으로 변환되어, 완전한 발광 스택 또는 서브픽셀이 적색광 또는 녹색광을 방출할 수 있다. 이러한 경우에 초기 발광 물질 또는 층은 "청색" 구성요소로 지칭될 수 있지만, 서브픽셀은 "적색" 또는 "녹색" 구성요소이다.

일부 경우에, 1931 CIE 좌표로 발광 영역, 서브픽셀, 색 변경층 등과 같은 구성요소의 색상을 기술하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 황색 발광 물질은 복수의 피크 발광 파장을 가질 수 있으며, 앞서 기술된 바와 같이 하나는 "녹색" 영역의 엣지에 또는 그 근처에 있고, 하나는 "적색" 영역의 엣지 내에 또는 그 근처에 있다. 따라서, 본원에 사용된 바와 같이, 각각의 색상 용어는 또한 1931 CIE 좌표 색상 공간의 형태에 대응한다. 1931 CIE 색상 공간의 형태는 2개의 색상점과 임의의 추가 내부점 사이의 궤적을 따라 구성된다. 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 및 황색에 대한 내부 형태 파라미터는 이하에 나타낸 바와 같이 정의될 수 있다.

OLED에 대한 더욱 상세한 내용 및 전술한 정의는, 미국 특허 제7,279,704호에서 찾을 수 있으며, 이의 전문은 본원에 참조로 포함되어 있다.

개요

일 실시양태에 따르면, 유기 발광 다이오드/디바이스(OLED)도 제공된다. OLED는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 유기층을 포함할 수 있다. 일 실시양태에 따르면, 유기 발광 디바이스는 소비자 제품, 전자 부품 모듈 및/또는 조명 패널로부터 선택되는 하나 이상의 디바이스에 포함된다.

일 실시양태에서, 기판; 기판 위에 배치된 제1 전극; 유기 발광 물질을 포함하고 제1 전극 위에 배치된 유기 발광층; 및 제1 전극 위에 그리고 유기 발광층의 임계 거리 내에 배치된 강화층으로서, 강화층은 유기 발광 물질에 비방사적으로 커플링되고 유기 발광 물질로부터의 여기 상태 에너지를 표면 플라즈몬 폴라리톤의 비방사성 모드로 전달하는 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 플라즈몬 물질을 포함하는 강화층; 및 제1 전극 위에 배치된, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자를 포함하는 아웃커플링층으로서, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자 각각은 주축을 갖는 아웃커플링층을 포함하는 디바이스가 제공된다. 임계 거리는, 유기 발광 물질의 총 비방사성 붕괴 속도 상수가 유기 발광 물질의 총 방사성 붕괴 속도 상수와 동일한 거리로서 정의될 수 있다. n개의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 세트는 20도 이하, 15도 이하 또는 10도 이하의 정렬 계수 Φ 내에서 서로 정렬되며, 여기서

이고, 상기 식에서, v _n 은 벡터 형태의 n번째 나노입자의 주축이고, V _A 는 각각의 개별 나노입자를 직접 고려하여 계산된 복수의 나노입자에 대한 앙상블 평균 주축 벡터(ensemble-averaged major axis vector)이고, 는 n번째 입자의 주축 벡터와 복수의 나노입자에 대한 앙상블 평균 주축 벡터 V _A 사이의 각도 차이(도)이다.

비대칭 나노입자는 원추형 나노입자, 원통형 나노입자, 타원체(ellipsoidal solid) 나노입자, 평행육면체 나노입자, 직사각기둥 나노입자, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

디바이스는 적어도 부분적으로 아웃커플링층과 강화층 사이에 배치된 유전체 층을 포함할 수 있다. 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 세트는 본질적으로 직사각형, 육각형 또는 정사각형일 수 있는 격자로 배열될 수 있다.

물리적으로 비대칭인 나노입자의 제2 세트는 20도 이하, 15도 이하, 또는 10도 이하의 제2 정렬 계수 Φ₂ 내에서 서로 정렬될 수 있다. 제2 세트는 본질적으로 직사각형, 육각형 또는 정사각형일 수 있는 격자로 배열될 수 있다.

물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 세트는 링으로 배열될 수 있고, 링은 본질적으로 강화층에 평행한 평면에 배치된다. 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제2 세트는 제1 세트와 함께 링에 배열될 수 있고, 이때 제2 세트는 각각의 나노입자의 주축이 링의 반경에 본질적으로 평행하도록 배열된다. 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 세트의 적어도 일부는 각각의 주축이 강화층에 본질적으로 수직으로 배열될 수 있다.

디바이스는 나노입자의 일부에 배치된 나노입자 코팅을 포함할 수 있고; 예를 들어, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 복수의 각각의 적어도 일부는 이러한 코팅을 포함할 수 있다. 나노입자 코팅은 접촉각이 40도 이하 또는 적어도 30도일 수 있다. 코팅은 두께가 100 nm 미만, 두께가 30 nm 미만, 두께가 5 nm 미만 또는 임의의 중간 최대 두께일 수 있다.

디바이스는 아웃커플링층에 인접하여 배치된 정렬층을 포함할 수 있다.

일부 배열에서, m개의 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 세트는, 각각의 나노입자의 주축이 정렬 계수 Φ_D 내에서 강화층에 평행하게 정렬되어 배치될 수 있으며, 여기서

이고, 상기 식에서, v _n 은 벡터 형태의 m번째 나노입자의 주축이고, V _I 는 나노입자의 제1 세트의 주축의 평균 벡터 방향이다. 정렬 계수 Φ_D는 20도 이하, 15도 이하, 또는 10도 이하일 수 있다. p개의 복수의 나노입자의 제2 세트는, 또한 각각의 나노입자의 주축이 20도 이하, 15도 이하, 또는 10도 이하의 정렬 계수 Φ_U 내에서 강화층에 수직으로 정렬되어 배치될 수 있으며, 여기서

이고, 상기 식에서, v _p 는 벡터 형태의 p번째 나노입자의 주축이고, V _K 는 나노입자의 제1 세트의 주축의 평균 벡터 방향이다. 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 및 제2 세트는 강화층에 평행한 공통 링으로 배열될 수 있다.

디바이스는 소비자 전자 제품, 예컨대 디스플레이 스크린, 이산(discrete) 광원 디바이스 또는 조명 패널을 포함하는 조명 디바이스, 평면 패널 디스플레이, 곡면 디스플레이, 컴퓨터 모니터, 의료용 모니터, 텔레비전, 광고판, 실내 또는 실외 조명 및/또는 신호용 라이트, 헤드업 디스플레이, 완전 또는 부분 투명 디스플레이, 플렉시블 디스플레이, 롤러블 디스플레이, 폴더블 디스플레이, 스트레처블 디스플레이, 레이저 프린터, 전화기, 휴대폰, 태블릿, 패블릿, 개인용 정보 단말기(PDA), 웨어러블 디바이스, 랩톱 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더, 뷰파인더, 대각선이 2 인치 미만인 마이크로 디스플레이, 3D 디스플레이, 차량, 항공 디스플레이, 대면적 벽, 함께 타일링된 다중 디스플레이를 포함하는 비디오 월, 극장 또는 스타디움 스크린, 광 요법(light therapy) 디바이스, 간판, 증강 현실(AR) 또는 가상 현실(VR) 디스플레이, 안경 또는 콘택트 렌즈 내 디스플레이 또는 시각 부재(element), 발광 다이오드(LED) 벽지, LED 쥬얼리 및 의복에 포함될 수 있다.

일 실시양태에서, 기판을 얻는 단계; 유기 발광 물질을 포함하고 기판 위에 배치된 유기 발광층을 제조하는 단계; 제1 전극 위에 그리고 유기 발광층의 임계 거리 내에 배치된 강화층을 제조하는 단계로서, 강화층은 유기 발광 물질에 비방사적으로 커플링되고 유기 발광 물질로부터의 여기 상태 에너지를 표면 플라즈몬 폴라리톤의 비방사성 모드로 전달하는 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 플라즈몬 물질을 포함하고, 여기서 임계 거리는, 유기 발광 물질의 총 비방사성 붕괴 속도 상수가 유기 발광 물질의 총 방사성 붕괴 속도 상수와 동일한 거리인 단계; 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자를 포함하는 아웃커플링층을 제조하는 단계로서, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자 각각은 주축을 갖는 단계; 및 적어도 부분적으로 아웃커플링층과 강화층 사이에 유전체 층을 제조하는 단계를 포함하는, 디바이스를 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자에 나노입자 코팅을 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다. 코팅은 물리적으로 비대칭인 나노입자를 코팅의 특성에 의해 정의된 정렬로 배열되게 할 수 있다. 방법은 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 각각의 나노입자의 일부에만 전하를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 1은 유기 발광 디바이스를 도시한다.
도 2는 별도의 전자 수송층을 갖지 않는 역구조 유기 발광 디바이스를 도시한다.
도 3은 본원에 개시된 바와 같은 배향된 나노입자를 갖는 나노입자 기반 플라즈몬 아웃커플링 방식을 통합하는 플라즈몬 LED 구조의 개략도를 나타낸다.
도 4a-4f는 비대칭 나노입자의 다양한 구성의 개략도를 나타내는 것으로; 도 4a는 정렬되지 않은 무작위로 배열된 입자를 나타내고; 도 4b 및 도 4c는 정렬된 어레이로 완벽하게 정렬된 입자의 예를 나타내고, 도 4c는 다르게 배향되어 있지만 여전히 그 서브세트 내에서 정렬된 나노입자의 서브세트를 포함하는 배열을 나타내고; 도 4d는 정렬된 어레이로 약간 어긋난 입자의 예를 나타내고; 도 4e는 정렬되지 않은 어레이로 완벽하게 정렬된 입자의 예를 나타내고; 도 4f는 정렬되지 않은 어레이로 약간 어긋난 입자의 예를 나타낸다.
도 5는 비대칭 나노입자를 우선적으로 정렬하기 위해 패턴화되거나 패턴화되지 않은 기판 상에 증착될 수 있는 나노입자 접착층 또는 정렬층의 예를 나타낸다.
도 6a-6c는 나노입자 정렬을 유도하기 위해 캡핑 물질로 코팅된 비대칭 나노입자의 예를 나타낸다. 도 6a는 나노입자의 한쪽 측면 또는 패싯(facet)에만 코팅하고 다른 측면/패싯은 노출된 채로 있는 예를 나타내고; 도 6b는 도 6a와 유사한 예로, 나노입자의 다른 측면이 비상호작용 층으로 코팅된 것을 나타내고; 도 6c는 다른 측면이 동일한 정렬층으로 코팅된 예를 나타낸다.
도 7a는 본원에 개시된 바와 같은 은 막의 강화층 갖는 OLED에서 발광 물질의 실시양태에 대한 은 막의 표면으로부터의 거리에 대한 속도 상수)의 묘사를 나타낸다. 거리는 발광층에 가장 가까운 금속 막 표면으로부터 발광 물질까지의 거리이다. 파선은 본원에 정의된 바와 같이 방사성 속도가 비방사성 속도와 동일하고 임계 거리 1인 거리를 표시한다.
도 7b는 본원에 개시된 바와 같은 식 3에서 입증된 바와 같이 속도 상수가 예시적인 구성요소로 분할되는 은 막의 강화층을 갖는 OLED에서 발광 물질의 실시양태에 대한 은 막의 표면으로부터의 거리에 대한 속도 상수를 도시한다. 거리는 발광층에 가장 가까운 금속 막 표면으로부터 발광 물질까지의 거리이다.
도 7c는 본원에 개시된 바와 같은 도 7a 및 도 7b에서 속도 상수에 대해 플롯팅된 은 막의 강화층을 갖는 OLED에서 발광 물질의 실시양태에 대한 은 막의 표면으로부터의 거리에 대한 광자 수율을 나타낸다. 이 실시양태에서는 또한 아웃커플링 구조도 강화층의 일부 또는 근처에 없으므로 모든 비방사성 커플링은 열로 소산된다.
도 7d는 본원에 개시된 바와 같은 도 7a 및 도 7b에서 속도 상수에 대해 플롯팅된 은 막의 강화층을 갖는 OLED에서 발광 물질의 실시양태에 대한 은 막의 표면으로부터의 거리의 함수로서 OLED의 온도를 나타낸다. 이 실시양태에서는 아웃커플링 구조도 강화층의 일부 또는 근처에 없으므로 모든 비방사성 커플링은 열로 소산되고 이는 그후 OLED의 온도를 증가시킨다.
도 7e는 본원에 개시된 바와 같은 상이한 VDR 이미터에 대한 각도의 함수로서 모델링된 P-편광 광발광을 나타낸다. 이 예에서, 지수(index)가 1.75인 30 nm 두께의 물질로 된 막이 있고, 발광은 지수가 1.75인 반-무한 매질에서 모니터링된다. 각 곡선은 막 표면에 수직인 0도 각도에서 광발광 강도 1로 정규화된다. 이미터의 VDR이 변화함에 따라 45도 부근의 피크가 크게 증가한다. 소프트웨어를 사용하여 실험 데이터의 VDR을 맞추는 경우, 모델링된 데이터와 실험 데이터 간의 차이가 최소화될 때까지 모델링된 VDR을 변경될 것이다.
도 8은 본원에 개시된 바와 같은 방출된 광의 파장을 선택하기 위해 전압 조정 가능한 굴절률을 갖는 유전체 물질을 사용하는 나노패치 안테나를 형성하도록 배열된 나노입자 및 강화층을 도시한다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 본원에 개시된 바와 같은 강화층에 매우 근접한 하나 이상의 발광성 아웃커플링층의 예를 나타낸다.
도 10은 본원에 개시된 바와 같은 나노입자와 금속 막 사이에 적절한 갭 두께를 설정하는 데 사용되는 나노입자 코팅의 예를 나타낸다.
도 11a-11b는 본원에 개시된 바와 같은 다중 스택 또는 층으로 이루어진 유전체 갭을 개략적으로 도시한다. 도 11a는 일반적인 다층 구조를 나타내고; 도 11b는 두꺼운 유전체 층과 얇은 나노입자 접착층으로 이루어진 2층 갭의 특별한 경우를 나타낸다.
도 12는 본원에 개시된 나노 물체의 재료 구성이 금속, 유전체, 또는 이 둘의 일부 조합(하이브리드)일 수 있는 방법을 나타낸다.
도 13a-13f는 본원에 개시된 바와 같은 유전체 캡핑층을 포함하거나 포함하지 않는, 강화층(여기서는, 전극)에 다양한 나노 구조를 갖는 예시적인 디바이스 구조를 개략적으로 도시한다.
도 14는 본원에 개시된 바와 같은 3개의 단위 셀로 구성된 예시적인 강화층을 나타낸다.
도 15a-15c는 나노입자의 서브세트가 기판에 인접한 상이한 면과 정렬된 비대칭 나노입자의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 15a는 예시적인 배열의 측면도를 나타내고, 도 15b는 동일한 실시양태의 평면도를 도시한다. 도 15c는 기판에 인접한 상이한 면과 정렬된 나노입자의 상이한 서브세트를 갖는 대안적 배열의 평면도를 도시한다.
도 16a-16c는 본원에 개시된 바와 같은 특정 링 구조로 배열된 나노입자의 평면도를 도시한다. 도 16a에서, 나노입자는 매우 밀접하게 정렬되어 있다. 도 16b에서, 나노입자의 서브세트는 면내에서(in-plane) 다르게 정렬되는 반면, 도 16c에서, 입자의 서브세트는 평면외로(out-of-plane) 다르게 정렬된다.
도 17은 본원에 개시된 바와 같은 개별 비대칭 나노입자의 앙상블 평균 주축 벡터 및 주축 벡터에 대한 이상적인 배향과 실제 정렬 사이의 차이를 개략적으로 도시한다.
도 18a-18c는 본원에 개시된 바와 같은 다양한 나노입자 배열과 각 입자의 주축을 따라 가리키는 벡터를 정의하는 적절한 방식을 개략적으로 도시한다. 도 18a는 정확하게 정의된 정렬의 예를 나타내고; 도 18b는 부정확하게 정의된 정렬의 예를 나타내고, 도 18c는 구별되는 특징을 갖는 비대칭 입자에 대해 정확하게 정의된 정렬의 예를 나타낸다.
도 19는 본원에 개시된 바와 같은 직사각기둥 나노입자의 시뮬레이션된 무작위 배열 및 생성된 정렬 메트릭 Φ를 나타낸다.

일반적으로, OLED는 애노드와 캐소드 사이에 배치되어 이에 전기 접속되는 하나 이상의 유기층을 포함한다. 전류가 인가되면, 애노드는 유기층(들)에 정공을 주입하고, 캐소드는 전자를 주입한다. 주입된 정공 및 전자는 각각 반대로 하전된 전극을 향하여 이동한다. 전자와 정공이 동일한 분자 상에 편재화될 경우, 여기된 에너지 상태를 갖는 편재화된 전자-정공 쌍인 "엑시톤"이 생성된다. 엑시톤이 광방출 메커니즘을 통해 이완될 경우 광이 방출된다. 일부 경우에서, 엑시톤은 엑시머 또는 엑시플렉스 상에 편재화될 수 있다. 비-방사 메커니즘, 예컨대 열 이완이 또한 발생할 수 있으나, 일반적으로 바람직하지 않은 것으로 간주된다.

초기 OLED는 예를 들면 미국 특허 제4,769,292호에 개시된 단일항 상태로부터 광("형광")을 방출하는 발광 분자를 사용하였으며, 상기 특허 문헌은 그 전문이 인용에 의해 포함된다. 형광 방출은 일반적으로 10 나노초 미만의 시간 프레임으로 발생한다.

보다 최근에는, 삼중항 상태로부터의 광("인광")을 방출하는 발광 물질을 갖는 OLED가 제시되었다. 문헌 [Baldo et al., "Highly Efficient Phosphorescent Emission from Organic Electroluminescent Devices," Nature, vol. 395, 151-154, 1998; ("Baldo-I")] 및 문헌 [Baldo et al., "Very high-efficiency green organic light-emitting devices based on electrophosphorescence," Appl. Phys. Lett., vol. 75, No. 3, 4-6 (1999) ("Baldo-II")]은 그 전문이 인용에 의해 포함된다. 인광은 인용에 의해 포함되는 미국 특허 제7,279,704호의 컬럼 5-6에 보다 구체적으로 기재되어 있다.

도 1은 유기 발광 디바이스(100)를 나타낸다. 도면은 반드시 축척에 의하여 도시하지는 않았다. 디바이스(100)는 기판(110), 애노드(115), 정공 주입층(120), 정공 수송층(125), 전자 차단층(130), 발광층(135), 정공 차단층(140), 전자 수송층(145), 전자 주입층(150), 보호층(155), 캐소드(160) 및 배리어층(170)을 포함할 수 있다. 캐소드(160)는 제1 전도층(162) 및 제2 전도층(164)을 갖는 화합물 캐소드이다. 디바이스(100)는 기재된 순서로 층을 증착시켜 제작될 수 있다. 이러한 다양한 층 뿐만 아니라, 예시 물질의 특성 및 기능은 인용에 의해 포함되는 미국 특허 제7,279,704호의 컬럼 6-10에 보다 구체적으로 기재되어 있다.

이들 층 각각에 대한 더 많은 예도 이용 가능하다. 예를 들면 가요성이고 투명한 기판-애노드 조합이 미국 특허 제5,844,363호에 개시되어 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 인용에 의해 포함된다. p-도핑된 정공 수송층의 한 예는 미국 특허출원 공개공보 제2003/0230980호에 개시된 바와 같이, 50:1의 몰비로 m-MTDATA가 F₄-TCNQ로 도핑된 것이 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 인용에 의해 포함된다. 발광 및 호스트 물질의 예는 미국 특허 제6,303,238호(Thompson 등)에 개시되어 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 인용에 의해 포함된다. n-도핑된 전자 수송층의 예는 미국 특허 출원 공개공보 제2003/0230980호에 개시된 바와 같이, 1:1의 몰비로 Li로 도핑된 BPhen이고, 이 특허 문헌은 그 전문이 인용에 의해 포함된다. 그 전문이 인용에 의해 포함되는 미국 특허 제5,703,436호 및 제5,707,745호에는, 적층된 투명, 전기전도성 스퍼터 증착된 ITO 층을 갖는 Mg:Ag와 같은 금속의 박층을 갖는 화합물 캐소드를 비롯한 캐소드의 예가 개시되어 있다. 차단층의 이론 및 용도는 미국 특허 제6,097,147호 및 미국 특허 출원 공개공보 제2003/0230980호에 보다 구체적으로 기재되어 있으며, 이들 특허 문헌은 그 전문이 인용에 의해 포함된다. 주입층의 예는 미국 특허 출원 공개공보 제2004/0174116호에 제공되어 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 인용에 의해 포함된다. 배리어층(170)은 단층 또는 다층 배리어일 수 있으며 디바이스의 다른 층을 덮거나 둘러쌀 수 있다. 배리어층(170)은 기판(110)을 둘러쌀 수도 있고/있거나 기판과 디바이스의 다른 층 사이에 배열될 수 있다. 배리어는 캡슐화제, 캡슐화층, 보호층, 또는 침투 배리어로 지칭될 수도 있으며, 통상적으로 디바이스의 다른 층을 통한 수분, 주위 공기, 및 다른 유사한 물질에 의한 침투에 대한 보호를 제공한다. 배리어층 물질 및 구조의 예는 미국 특허 제6,537,688호, 제6,597,111호, 제6,664,137호, 제6,835,950호, 제6,888,305호, 제6,888,307호, 제6,897,474호, 제7,187,119호, 및 제7,683,534호에 제공되어 있으며, 각각의 상기 특허는 그 전문이 인용에 의해 포함된다.

도 2는 역구조 OLED(200)를 나타낸다. 디바이스는 기판(210), 캐소드(215), 발광층(220), 정공 수송층(225) 및 애노드(230)를 포함한다. 디바이스(200)는 기재된 순서로 층을 증착시켜 제작될 수 있다. 가장 흔한 OLED 구성이 애노드의 위에 캐소드가 배치되어 있는 것이고, 디바이스(200)는 애노드(230)의 아래에 배치된 캐소드(215)를 갖고 있으므로, 디바이스(200)는 "역구조" OLED로 지칭될 수 있다. 디바이스(100)에 관하여 기재된 것과 유사한 물질이 디바이스(200)의 해당 층에 사용될 수 있다. 도 2는 디바이스(100)의 구조로부터 일부 층이 어떻게 생략될 수 있는지의 일례를 제공한다.

도 1 및 도 2에 도시된 단순 적층된 구조는 비제한적인 예로서 제공되며, 본 발명의 실시양태는 다양한 다른 구조와 관련하여 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 기재된 특정한 물질 및 구조는 사실상 예시를 위한 것이며, 다른 물질 및 구조가 사용될 수 있다. 기능성 OLED는 기재된 다양한 층을 상이한 방식으로 조합하여 달성될 수 있거나, 또는 층은 설계, 성능 및 비용 요인에 기초하여 전적으로 생략될 수 있다. 구체적으로 기재되지 않은 기타의 층도 또한 포함될 수 있다. 구체적으로 기재된 물질과 다른 물질을 사용할 수 있다. 본원에 제공된 다수의 예가 단일 물질을 포함하는 것으로 다양한 층을 기재하기는 하나, 물질의 조합, 예컨대 호스트와 도펀트의 혼합물, 또는 보다 일반적으로 혼합물을 사용할 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 층은 다양한 하부층을 가질 수 있다. 본원에서 다양한 층에 제시된 명칭은 엄격하게 제한하고자 하는 것은 아니다. 예를 들면, 디바이스(200)에서, 정공 수송층(225)은 정공을 수송하고 정공을 발광층(220)에 주입하며, 정공 수송층 또는 정공 주입층으로 기재될 수 있다. 한 실시양태에서, OLED는 캐소드와 애노드 사이에 배치된 "유기층"을 갖는 것으로 기재될 수 있다. 이러한 유기층은 단일 층을 포함할 수 있거나, 또는 예를 들면 도 1 및 도 2와 관련하여 기재된 바와 같은 상이한 유기 물질들의 복수의 층을 더 포함할 수 있다.

구체적으로 기재하지 않은 구조 및 물질, 예컨대 미국 특허 제5,247,190호(Friend 등)에 개시된 중합체 물질로 구성된 OLED(PLED)를 또한 사용할 수 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 인용에 의해 포함된다. 추가의 예로서, 단일 유기층을 갖는 OLED를 사용할 수 있다. OLED는 예를 들면 미국 특허 제5,707,745호(Forrest 등)에 기재된 바와 같이 적층될 수 있으며, 이 특허 문헌은 그 전문이 인용에 의해 본원에 포함된다. OLED 구조는 도 1 및 도 2에 도시된 단순 적층된 구조로부터 벗어날 수 있다. 예를 들면, 기판은 미국 특허 제6,091,195호(Forrest 등)에 기재된 메사형(mesa) 구조 및/또는 미국 특허 제5,834,893호(Bulovic 등)에 기재된 피트형(pit) 구조와 같은 아웃-커플링(out-coupling)을 개선시키기 위한 각진 반사면을 포함할 수 있으며, 이들 특허 문헌은 그 전문이 인용에 의해 본원에 포함된다.

본원에 개시된 일부 실시양태에서, 도 1-2에 도시된 발광층(135) 및 발광층(220)과 같은 발광층 또는 물질은 각각 양자점을 포함할 수 있다. 본원에 개시된 "발광층" 또는 "발광 물질"은, 당업자의 이해에 따라 달리 명시적으로 또는 문맥으로 나타내지 않는 한, 유기 발광 물질 및/또는 양자점 또는 등가 구조를 포함하는 발광 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로, 발광층은 호스트 매트릭스 내에 발광 물질을 포함한다. 이러한 발광층은 별도의 발광 물질 또는 다른 이미터에 의해 방출된 광을 변환하는 양자점 물질만을 포함할 수 있거나, 또는 별도의 발광 물질 또는 다른 이미터를 또한 포함할 수 있거나, 또는 전류 인가로부터 직접 발광할 수 있다. 마찬가지로, 색 변경층, 컬러 필터, 상향 변환 또는 하향 변환 층 또는 구조는 양자점을 함유하는 물질을 포함할 수 있지만, 그러한 층은 본원에 개시된 바와 같이 "발광층"으로 간주되지 않을 수 있다. 일반적으로, "발광층" 또는 물질은 주입된 전하를 기반으로 초기 광을 방출하는 것으로, 여기서 초기 광은 디바이스 내에서 초기 광을 자체적으로 방출하지 않는 컬러 필터 또는 다른 색 변경층과 같은 다른 층에 의해 변경될 수 있지만, 발광층에 의해 방출된 초기 광의 흡수 및 더 낮은 에너지 방출로의 하향 변환에 기초하여 상이한 스펙트럼 함량의 변경된 빛을 재방출할 수 있다. 본원에 개시된 일부 실시양태에서, 색 변경층, 컬러 필터, 상향 변환 및/또는 하향 변환 층은 OLED 디바이스의 전극 위 또는 아래와 같은 OLED 디바이스의 외부에 배치될 수 있다.

반대의 의미로 명시하지 않는 한, 다양한 실시양태의 임의의 층은 임의의 적합한 방법에 의하여 증착될 수 있다. 유기층의 경우, 바람직한 방법으로는 미국 특허 제6,013,982호 및 제6,087,196호(이 특허 문헌들은 그 전문이 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 열 증발, 잉크-제트, 미국 특허 제6,337,102호(Forrest 등)(이 특허 문헌은 그 전문이 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 유기 기상 증착(OVPD) 및 미국 특허 제7,431,968호(이 특허 문헌은 그 전문이 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 유기 증기 제트 프린팅(OVJP)에 의한 증착을 들 수 있다. 기타의 적합한 증착 방법은 스핀 코팅 및 기타의 용액계 공정을 포함한다. 용액계 공정은 질소 또는 불활성 분위기 중에서 실시되는 것이 바람직하다. 기타의 층의 경우, 바람직한 방법은 열 증발을 포함한다. 바람직한 패턴 형성 방법은 마스크를 통한 증착, 미국 특허 제6,294,398호 및 제6,468,819호(이 특허 문헌들은 그 전문이 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 냉간 용접 및 잉크-제트 및 OVJD와 같은 일부 증착 방법과 관련된 패턴 형성을 포함한다. 다른 방법들도 사용될 수 있다. 증착시키고자 하는 물질은 특정한 증착 방법과 상용성을 갖도록 변형될 수 있다. 예를 들면, 분지형 또는 비분지형, 바람직하게는 3개 이상의 탄소를 포함하는 알킬기 및 아릴기와 같은 치환기는 소분자에 사용되어 이의 용액 가공 처리 능력을 향상시킬 수 있다. 20개 이상의 탄소를 갖는 치환기를 사용할 수 있으며, 3개 내지 20개의 탄소가 바람직한 범위이다. 비대칭 물질은 더 낮은 재결정화 경향성을 가질 수 있기 때문에, 비대칭 구조를 갖는 물질은 대칭 구조를 갖는 물질보다 더 우수한 용액 가공성을 가질 수 있다. 덴드리머 치환기를 사용하여 소분자의 용액 가공 처리 능력을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시양태에 따라 제작된 디바이스는 배리어층을 임의로 더 포함할 수 있다. 배리어층의 한 목적은 전극 및 유기층이 수분, 증기 및/또는 기체 등을 포함하는 환경에서 유해한 종에 대한 노출로 인하여 손상되지 않도록 보호하는 것이다. 배리어층은 엣지를 포함하는 디바이스의 임의의 기타 부분의 위에서, 또는 전극 또는 기판의 위에서, 아래에서 또는 옆에서 증착될 수 있다. 배리어층은 단일층 또는 다중층을 포함할 수 있다. 배리어층은 다양한 공지의 화학 기상 증착 기법에 의하여 형성될 수 있으며 복수의 상을 갖는 조성물 뿐만 아니라 단일 상을 갖는 조성물을 포함할 수 있다. 임의의 적합한 물질 또는 물질의 조합을 배리어층에 사용할 수 있다. 배리어층은 무기 또는 유기 화합물 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 바람직한 배리어층은 미국 특허 제7,968,146호, PCT 특허 출원 PCT/US2007/023098 및 PCT/US2009/042829에 기재된 중합체 물질과 비중합체 물질의 혼합물을 포함하며, 이들 문헌은 본원에 그 전문이 참고로 포함된다. "혼합물"로 간주되기 위해, 배리어층을 포함하는 전술한 중합체 및 비중합체 물질은 동일한 반응 조건 하에서 및/또는 동시에 증착되어야 한다. 중합체 대 비중합체 물질의 중량비는 95:5 내지 5:95 범위일 수 있다. 중합체 및 비중합체 물질은 동일한 전구체 물질로부터 생성될 수 있다. 한 예에서, 중합체 물질과 비중합체 물질의 혼합물은 실질적으로 중합체 규소 및 무기 규소로 이루어진다.

일부 실시양태에서, 애노드, 캐소드, 또는 유기 발광층 위에 배치된 새로운 층 중 적어도 하나는 강화층으로서 기능한다. 강화층은, 이미터 물질에 비방사적으로 결합하고 여기 상태 에너지를 이미터 물질로부터 비방사 모드의 표면 플라스몬 폴라리톤으로 전달하는 표면 플라스몬 공명을 나타내는 플라스몬 물질을 포함한다. 강화층은 유기 발광층으로부터 임계 거리 이내에 제공되며, 여기서 이미터 물질은 강화층의 존재로 인해 총 비방사성 붕괴 속도 상수와 총 방사성 붕괴 속도 상수를 가지며 임계 거리는 총 비방사성 붕괴 속도 상수가 총 방사성 붕괴 속도 상수와 동일한 곳이다. 일부 실시양태에서, OLED는 아웃커플링층을 더 포함한다. 일부 실시양태에서, 아웃커플링층은 유기 발광층의 반대측의 강화층 위에 배치된다. 일부 실시양태에서, 아웃커플링층은 강화층으로부터 발광층의 반대측에 배치되지만 여전히 강화층의 표면 플라스몬 모드로부터 에너지를 아웃커플링한다. 아웃커플링층은 표면 플라스몬 폴라리톤으로부터의 에너지를 산란시킨다. 일부 실시양태에서 이 에너지는 광자로서 자유 공간에 산란된다. 다른 실시양태에서, 에너지는 표면 플라스몬 모드로부터 비제한적으로 유기 도파 모드, 기판 모드, 또는 다른 도파 모드와 같은 디바이스의 다른 모드로 산란된다. 에너지가 OLED의 비자유 공간 모드로 산란되는 경우, 다른 아웃커플링 스킴을 통합하여 해당 에너지를 자유 공간으로 추출할 수 있다. 일부 실시양태에서, 강화층과 아웃커플링층 사이에 하나 이상의 개재층이 배치될 수 있다. 개재층(들)의 예는 유기, 무기, 페로브스카이트, 산화물을 포함한 유전체 재료일 수 있고, 이들 재료의 스택 및/또는 혼합물을 포함할 수 있다.

강화층은 이미터 물질이 존재하는 매체의 유효 특성을 변경하여, 하기 중 어느 것 또는 모두를 유도한다: 발광 속도 저하, 발광 라인 형상의 변경, 각도에 따른 발광 강도 변화, 이미터 물질의 안정성 변화, OLED의 효율 변화, 및 OLED 디바이스의 감소된 효율 롤-오프. 캐소드측, 애노드측, 또는 양측 모두에 강화층을 배치하면 앞서 언급한 효과 중 어느 것을 이용하는 OLED 디바이스가 생성된다. 본원에서 언급되고 도면에 도시된 각종 OLED 예에서 설명된 특정 기능성 층 외에도, 본 개시내용에 따른 OLED는 OLED에서 흔히 마련되는 임의의 다른 기능성 층을 포함할 수 있다.

강화층은 플라스몬 물질, 광학 활성 메타물질, 또는 하이퍼볼릭 메타물질로 구성될 수 있다. 본원에서 사용되는 플라스몬 물질은 전자기 스펙트럼의 가시 광선 또는 자외선 영역에서 유전 상수의 실수부가 0과 교차하는 물질이다. 일부 실시양태에서, 플라스몬 물질은 적어도 하나의 금속을 포함한다. 이러한 실시양태에서 금속은 Ag, Al, Au, Ir, Pt, Ni, Cu, W, Ta, Fe, Cr, Mg, Ga, Rh, Ti, Ru, Pd, In, Bi, Ca, 이들 재료의 합금 또는 혼합물, 및 이들 재료의 스택 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일반적으로, 메타물질은, 상이한 물질로 구성된 매체로서, 매체 전체가 그 물질 부분의 합과는 상이하게 작용하는 매체이다. 특히, 본 출원인은 광학 활성 메타물질을 음의 유전율과 음의 투과율을 모두 가진 물질로서 정의한다. 한편, 하이퍼볼릭 메타물질은 유전율 또는 투과율이 다른 공간 방향에 대해 다른 부호를 갖는 이방성 매체이다. 광학 활성 메타물질 및 하이퍼볼릭 메타물질은 매체가 빛의 파장 길이 규모에서 전파 방향으로 균일하게 나타나야 한다는 점에서 분산 브래그 반사경(Distributed Bragg Reflector, "DBR")과 같은 다른 많은 포토닉 구조와 엄격하게 구분된다. 당업자가 이해할 수 있는 용어를 사용하여: 전파 방향에서 메타물질의 유전 상수는 유효 매체 근사치로 설명될 수 있다. 플라스몬 물질과 메타물질은 다양한 방식으로 OLED 성능을 향상시킬 수 있는 빛의 전파를 제어하는 방법을 제공한다.

일부 실시양태에서, 강화층은 평면층으로서 제공된다. 다른 실시양태에서, 강화층은, 주기적으로, 준주기적으로, 또는 무작위로 배열되는 파장 사이즈의 피처, 또는 주기적으로, 준주기적으로, 또는 무작위로 배열되는 서브파장 사이즈의 피처를 갖는다. 일부 실시양태에서, 파장 사이즈의 피처 및 서브파장 사이즈의 피처는 샤프한 엣지를 갖는다.

일부 실시양태에서, 아웃커플링층은, 주기적으로, 준주기적으로, 또는 무작위로 배열되는 파장 사이즈의 피처, 또는 주기적으로, 준주기적으로, 또는 무작위로 배열되는 서브파장 사이즈의 피처를 갖는다. 일부 실시양태에서, 아웃커플링층은 복수의 나노입자로 구성될 수 있으며 다른 실시양태에서 아웃커플링층은 재료 위에 배치된 복수의 나노입자로 구성된다. 이들 실시양태에서 아웃커플링은 복수의 나노입자의 사이즈를 변화시키는 것, 복수의 나노입자의 형상을 변화시키는 것, 복수의 나노입자의 재료를 변화시키는 것, 상기 재료의 두께를 조정하는 것, 복수의 나노입자 상에 배치된 상기 재료 또는 추가 층의 굴절률을 변화시키는 것, 강화층의 두께를 변화시키는 것, 및/또는 강화층의 재료를 변화시키는 것 중 적어도 하나에 의해 조정 가능할 수 있다. 디바이스의 복수의 나노입자는 금속, 유전체 재료, 반도체 재료, 금속의 합금, 유전체 재료의 혼합물, 하나 이상의 재료의 스택 또는 층, 및/또는 1종의 재료의 코어로서, 상이한 종류의 재료의 쉘로 코팅된 코어 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 아웃커플링층은, 금속이 Ag, Al, Au, Ir, Pt, Ni, Cu, W, Ta, Fe, Cr, Mg, Ga, Rh, Ti, Ru, Pd, In, Bi, Ca, 이들 재료의 합금 또는 혼합물, 및 이들 재료의 스택으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속 나노입자로 구성된다. 복수의 나노입자는 그 위에 배치되는 추가 층을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 발광의 편광은 아웃커플링층을 사용하여 조정될 수 있다. 아웃커플링층의 차원수 및 주기성을 변화시킴으로써 공기에 우선적으로 아웃커플링되는 편광의 유형을 선택할 수 있다. 일부 실시양태에서 아웃커플링층은 또한 디바이스의 전극으로서 작용한다.

형광 OLED의 내부 양자 효율(IQE)은 지연 형광을 통해 25% 스핀 통계 한계를 초과할 수 있다고 여겨진다. 본원에 사용된 바와 같이, 두 가지 유형의 지연 형광, 즉 P형 지연 형광 및 E형 지연 형광이 존재한다. P형 지연 형광은 삼중항-삼중항 소멸(TTA)로부터 생성된다.

반면, E형 지연 형광은 두 삼중항의 충돌에 의존하지 않지만, 삼중항 상태와 단일항 여기 상태 사이의 열 집단(thermal population)에 의존한다. E형 지연 형광을 생성할 수 있는 화합물은 매우 작은 단일항-삼중항 갭을 가져야 한다. 열에너지는 삼중항 상태에서 단일항 상태로의 전이를 활성화시킬 수 있다. 이러한 유형의 지연 형광은 열 활성화 지연 형광(TADF)으로도 알려져 있다. TADF의 뚜렷한 특징은 온도가 상승하면 열에너지의 증가로 인해 지연 성분이 증가한다는 것이다. 역 시스템간 교차 속도가 삼중항 상태에서 비방사 붕괴를 최소화할 만큼 충분히 빠른 경우, 다시 채워진(back populated) 단일항 여기 상태의 분율은 잠재적으로 75%에 도달할 수 있다. 총 단일항 분율은 100%일 수 있으며, 이는 전기적으로 생성된 엑시톤에 대한 스핀 통계 한계를 훨씬 초과하는 것이다.

E형 지연 형광 특성은 엑시플렉스 시스템 또는 단일 화합물에서 찾을 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, E형 지연 형광은 발광 물질이 작은 단일항-삼중항 에너지 갭(ΔES-T)을 가지는 것을 필요로 한다고 여겨진다. 유기, 비금속 함유 도너-억셉터 발광 물질은 이를 달성할 수 있다. 이러한 물질에서의 발광은 보통 도너-억셉터 전하 이동(CT) 유형 발광으로 특징지어진다. 이러한 도너-억셉터 유형 화합물에서 HOMO 및 LUMO의 공간적 분리는 보통 작은 ΔES-T를 유도한다. 이러한 상태는 CT 상태를 포함할 수 있다. 많은 경우에, 도너-억셉터 발광 물질은 아미노 또는 카르바졸 유도체와 같은 전자 도너 모이어티와 N 함유 6원 방향족 고리와 같은 전자 억셉터 모이어티를 연결함으로써 구성된다.

본 발명의 실시양태에 따라 제작된 디바이스는 다양한 전자 제품 또는 중간 부품 내에 포함될 수 있는 광범위하게 다양한 전자 부품 모듈(또는 유닛) 내에 포함될 수 있다. 이러한 전자 제품 또는 중간 부품의 예는 최종 소비자 제품 생산자에 의해 사용될 수 있는 디스플레이 스크린, 발광 디바이스, 예컨대 개별 광원 디바이스 또는 조명 패널 등을 포함한다. 이러한 전자 부품 모듈은 임의로 구동 전자 장치 및/또는 동력원(들)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시양태에 따라 제작된 디바이스는 하나 이상의 전자 부품 모듈(또는 유닛)을 그 안에 포함하는 광범위하게 다양한 소비자 제품 내에 포함될 수 있다. OLED 내 유기층에 본 개시내용의 화합물을 포함하는 OLED를 포함하는 소비자 제품이 개시된다. 이러한 소비자 제품은 하나 이상의 광원(들) 및/또는 하나 이상의 어떤 종류의 영상 디스플레이를 포함하는 임의 종류의 제품을 포함할 것이다. 이러한 소비자 제품의 몇몇 예로는 평면 패널 디스플레이, 곡면 디스플레이, 컴퓨터 모니터, 의료용 모니터, 텔레비젼, 광고판, 실내 또는 실외 조명 및/또는 신호용 라이트, 헤드업 디스플레이, 완전 또는 부분 투명 디스플레이, 플렉시블 디스플레이, 롤러블 디스플레이, 폴더블 디스플레이, 스트레처블 디스플레이, 레이저 프린터, 전화기, 휴대폰, 태블릿, 패블릿, 개인용 정보 단말기(PDA), 웨어러블 디바이스, 랩톱 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더, 뷰파인더, 대각선이 2인치 미만인 마이크로 디스플레이, 3D 디스플레이, 가상 현실 또는 증강 현실 디스플레이, 차량, 함께 타일링된 다중 디스플레이를 포함하는 비디오 월, 극장 또는 스타디움 스크린, 및 간판이 있다. 패시브 매트릭스 및 액티브 매트릭스를 비롯한 다양한 조절 메커니즘을 사용하여 본 발명에 따라 제작된 디바이스를 조절할 수 있다. 다수의 디바이스는 사람에게 안락감을 주는 온도 범위, 예컨대 18℃ 내지 30℃, 더욱 바람직하게는 실온(20℃ 내지 25℃)에서 사용하고자 하지만, 상기 온도 범위 밖의 온도, 예컨대 -40℃ 내지 80℃에서도 사용될 수 있다.

본원에 기재된 물질 및 구조는 OLED 이외의 디바이스에서의 적용예를 가질 수 있다. 예를 들면, 기타의 광전자 디바이스, 예컨대 유기 태양 전지 및 유기 광검출기는 상기 물질 및 구조를 사용할 수 있다. 보다 일반적으로, 유기 디바이스, 예컨대 유기 트랜지스터는 상기 물질 및 구조를 사용할 수 있다.

일부 실시양태에서, OLED는 플렉시블, 롤러블, 폴더블, 스트레처블 및 곡면 특성으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 특성을 갖는다. 일부 실시양태에서, OLED는 투명 또는 반투명하다. 일부 실시양태에서, OLED는 탄소 나노튜브를 포함하는 층을 더 포함한다.

일부 실시양태에서, OLED는 지연 형광 이미터를 포함하는 층을 더 포함한다. 일부 실시양태에서, OLED는 RGB 픽셀 배열, 또는 화이트 플러스 컬러 필터 픽셀 배열을 포함한다. 일부 실시양태에서, OLED는 모바일 디바이스, 핸드 헬드 디바이스, 또는 웨어러블 디바이스이다. 일부 실시양태에서, OLED는 대각선이 10 인치 미만이거나 면적이 50 제곱인치 미만인 디스플레이 패널이다. 일부 실시양태에서, OLED는 대각선이 10 인치 이상이거나 면적이 50 제곱인치 이상인 디스플레이 패널이다. 일부 실시양태에서, OLED는 조명 패널이다.

발광 영역의 일부 실시양태에서, 발광 영역은 호스트를 더 포함한다.

일부 실시양태에서, 상기 화합물은 발광 도펀트일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 화합물은 인광, 형광, 열 활성화 지연 형광, 즉, TADF(E형 지연 형광으로도 지칭됨), 삼중항-삼중항 소멸 또는 이들 과정의 조합을 통해 발광을 생성할 수 있다.

본원에 개시된 OLED는 소비자 제품, 전자 부품 모듈 및 조명 패널 중 하나 이상에 포함될 수 있다. 유기층은 발광층일 수 있고, 상기 화합물은 일부 실시양태에서 발광 도펀트일 수 있고, 한편 상기 화합물은 다른 실시양태에서 비발광 도펀트일 수 있다.

유기층은 호스트를 포함할 수도 있다. 일부 실시양태에서, 2개 이상의 호스트가 바람직하다. 일부 실시양태에서, 사용되는 호스트는 전하 수송에서 거의 역할을 하지 않는 a) 양극성, b) 전자 수송, c) 정공 수송 또는 d) 넓은 밴드 갭 물질일 수 있다. 일부 실시양태에서, 호스트는 금속 착물을 포함할 수 있다. 호스트는 무기 화합물일 수 있다.

기타 물질과의 조합

유기 발광 디바이스에서 특정 층에 대하여 유용한 것으로 본원에 기재된 물질은 디바이스에 존재하는 매우 다양한 기타 물질과의 조합으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 본원에 개시된 발광 도펀트는 매우 다양한 호스트, 수송층, 차단층, 주입층, 전극 및 존재할 수 있는 기타 층과 결합되어 사용될 수 있다. 이하에 기재되거나 언급된 물질은 본원에 개시된 화합물과의 조합에 유용할 수 있는 물질의 비제한적인 예시이며, 당업자는 조합에 유용할 수 있는 기타 물질을 식별하기 위해 문헌을 용이하게 참조할 수 있다.

본원에 개시된 다양한 발광층 및 비발광층 및 배열을 위해 다양한 물질이 사용될 수 있다. 적합한 물질의 예는 미국 특허 출원 공개공보 제2017/0229663호에 개시되어 있으며, 이의 전체 내용은 참고로 포함된다.

전도성 도펀트:

전하 수송층은 전도성 도펀트로 도핑되어 이의 전하 캐리어 밀도를 실질적으로 변화시킬 수 있고, 이는 결과적으로 이의 전도성을 변화시킬 것이다. 전도성은 매트릭스 물질에서 전하 캐리어를 생성시킴으로써 증가되며, 도펀트의 유형에 따라, 반도체의 페르미 준위에서의 변화가 달성될 수도 있다. 정공 수송층은 p형 전도성 도펀트로 도핑될 수 있고 n형 전도성 도펀트는 전자 수송층에 사용된다.

HIL/HTL:

본 발명에서 사용하고자 하는 정공 주입/수송 물질은 특정하게 제한되지 않으며, 화합물이 통상적으로 정공 주입/수송 물질로 사용되는 한 임의의 화합물을 사용할 수 있다.

EBL:

전자 차단층(EBL)은 발광층을 떠나는 전자 및/또는 엑시톤의 수를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 디바이스 내의 이러한 차단층의 존재는 차단층이 없는 유사한 디바이스와 비교했을 때 상당히 더 높은 효율 및/또는 더 긴 수명을 유도할 수 있다. 또한, 차단층은 OLED의 원하는 영역에 발광을 국한시키기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, EBL 물질은 EBL 계면에 가장 가까운 이미터보다 더 높은 LUMO(진공 수준에 보다 가까움) 및/또는 더 높은 삼중항 에너지를 갖는다. 일부 실시양태에서, EBL 물질은 EBL 계면에 가장 가까운 호스트들 중 하나 이상보다 더 높은 LUMO(진공 수준에 보다 가까움) 및/또는 보다 더 높은 삼중항 에너지를 갖는다. 한 양태에서, EBL에 사용되는 화합물은 이하에 기재된 호스트들 중 하나와 동일한 사용 분자 또는 작용기를 함유한다.

호스트:

본 발명의 유기 EL 디바이스의 발광층은 바람직하게는 발광 물질로서 적어도 금속 착물을 포함하며, 도펀트 물질로서 금속 착물을 사용하는 호스트 물질을 포함할 수 있다. 호스트 물질의 예는 특별히 제한되지 않으며, 임의의 금속 착물 또는 유기 화합물은 호스트의 삼중항 에너지가 도펀트의 삼중항 에너지보다 더 크기만 하다면 사용될 수 있다. 삼중항 기준을 충족하는 한, 임의의 호스트 물질은 임의의 도펀트와 함께 사용될 수 있다.

HBL:

정공 차단층(HBL)은 발광층을 떠나는 정공 및/또는 엑시톤의 수를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 디바이스 내의 이러한 차단층의 존재는 차단층이 없는 유사한 디바이스와 비교했을 때 상당히 더 높은 효율 및/또는 더 긴 수명을 유도할 수 있다. 또한, 차단층은 OLED의 원하는 영역에 발광을 국한시키기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, HBL 물질은 HBL 계면에 가장 가까운 이미터보다 더 낮은 HOMO(진공 수준으로부터 보다 먼) 및/또는 더 높은 삼중항 에너지를 갖는다. 일부 실시양태에서, HBL 물질은 HBL 계면에 가장 가까운 호스트들 중 하나 이상보다 더 낮은 HOMO(진공 수준으로부터 보다 먼) 및/또는 더 높은 삼중항 에너지를 갖는다.

ETL:

전자 수송층(ETL)은 전자를 수송할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 전자 수송층은 고유하거나(도핑되지 않음) 또는 도핑될 수 있다. 도핑은 전도성을 향상시키는데 사용될 수 있다. ETL 물질의 예는 특별히 제한되지는 않으며, 임의의 금속 착물 또는 유기 화합물은 이들이 통상적으로 전자를 수송하는 데 사용되는 한 사용될 수 있다.

전하 생성층(CGL)

탠덤형(tandem) 또는 적층형 OLED에서, CGL은 성능 면에서 필수적인 역할을 수행하며, 이는 각각 전자와 정공을 주입하기 위한 n-도핑된 층 및 p-도핑된 층으로 구성된다. 전자와 정공은 CGL 및 전극으로부터 공급된다. CGL에서 소모된 전자와 정공은 각각 캐소드와 애노드로부터 주입된 전자와 정공에 의해 다시 채워지며; 그 후, 바이폴라 전류는 점차적으로 정상 상태에 도달한다. 통상의 CGL 물질은 수송층에서 사용되는 n 및 p 전도성 도펀트를 포함한다.

여기 상태 에너지를 근접한 강화층의 표면 플라즈몬(SP) 모드에 커플링하도록 설계된 발광 디바이스(LED)는 개선된 디바이스 안정성을 실현하기 위해 붕괴 속도 강화를 이용한다. 이러한 디바이스를 "플라즈몬" 디바이스 LED, OLED 등으로 지칭할 수 있다. 상대적으로 높은 디바이스 효율을 유지하기 위해, 유기 또는 무기인 플라즈몬 LED는 나노입자 기반 아웃커플링 방식을 통합하여 플라즈몬 에너지를 디바이스 외부에서 추출된 광자로 변환할 수 있다. 이러한 아웃커플링 구조는 나노패치 안테나(NPA)로 지칭될 수 있으며 이는 평면 금속을 포함하고 그 위에 나노입자로 후속적으로 코팅되는 유전체 물질의 층이 배치된다. 플라즈몬 LED는 재조합 구역 또는 발광층이 강화층의 임계 거리 내에 배치되어야 한다. 본 발명자들은 임계 거리를 총 비방사성 붕괴 속도 상수가 총 방사성 붕괴 속도 상수와 동일한 거리로 정의하며, 이는 미국 특허 제9,960,386호 및 10,403,854호에 더 상세히 설명되어 있으며, 이들 각각의 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다. 나노패치 안테나 구조의 예는 미국 특허 제11,139,442호 및 미국 특허 공개 제2021/0265584호 및 2021/0249633호에 더 상세히 개시되어 있으며, 이들 각각의 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.

플라즈몬 OLED의 구조는 도 3에 개략적으로 나타내며, 나노입자 기반 아웃커플링 방식은, 전형적으로 그러나 이에 제한되지 않는, 금속 박막(종종 캐소드)인 강화층, 나노입자를 강화층으로부터 특정 거리만큼 이격되어 있는 유전체 "갭"층, 및 갭층 위에 배치된 나노입자 자체로 이루어진다. 플라즈몬 LED 또는 유사한 디바이스에 유사한 구조가 사용될 수 있다. 보다 일반적으로, OLED 또는 비-유기 LED를 본원에 기술하고 나타낼 때, 유기 이미터가 기술되는 특징 또는 구조에 의해 특별히 요구되는 경우와 같은 특정 구조에 적용할 수 없거나 불가능하지 않는 한, 유사한 구조가 다른 유사한 디바이스, 예를 들어 비-유기 LED 대신에 OLED 또는 그 반대의 경우에 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 형상이 비대칭인 나노입자의 경우, 나노입자는 플라즈몬 아웃커플링 효율 향상, 디바이스의 방사(발광) 패턴 설계, 디바이스의 스펙트럼 변형, 및 디바이스 안정성 개선을 포함하지만 이에 제한되지 않는 특정 효과를 달성하기 위해 우선적으로 정렬될 수 있다

도 4a-4f는 다양한 정렬된 나노입자 배열을 나타낸다. 설명의 명확성을 위해 직사각기둥이 원형(prototypical) 비대칭 형상으로 사용되었지만; 본원에 개시된 배열 및 구조는 직사각기둥으로 제한되지 않는다. 막대, 원뿔, 타원체, 원통, 평행육면체, 각기둥 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 비대칭 또는 길쭉한 입자가 적합할 수 있다. 도 4a에서, 입자 앙상블에 바람직한 배향이 없기 때문에 나노입자는 정렬되어 있지 않다(즉, 무작위로 배열되어 있다). 도 4b는 입자가 서로에 대해 완벽하게 평행하게 정렬되고 동일한 간격으로 이격되어 정렬된 어레이를 형성하는 경우를 도시한다. 도 4b의 하부 행(row)에 있는 입자는 상부의 두 행에 있는 입자와 완벽하게 수직으로 정렬되어 있음에 주목한다. 나노입자의 서브세트가 나머지 나노입자와 상이한 배향으로 우선적으로 정렬되는 경우를 도 4c에 나타낸다. 실제로, 모든 나노입자를 완벽하게 정렬하는 것은 거의 불가능할 것이지만, 본원에 개시된 실시양태는 아래에서 더 상세히 설명하는 바와 같이 완벽하게 정렬된 입자를 사용할 필요는 없다.

성능 지수(figure of merit)로서, 정렬 계수 Φ는 다음과 같이 정의될 수 있다:

식 1에서, 의 양은 n번째 입자의 주축 벡터와 복수의 입자에 대한 앙상블 평균 주축 벡터 V _A 사이의 각도 차이(도)이다. 보다 구체적으로, n은 나노입자의 수이고, 은 도 17과 관련하여 본원에 설명된 바와 같이 각각의 개별 나노입자를 직접 고려하여 계산된 복수의 나노입자에 대한 앙상블 평균 주축 벡터다. 정렬 계수 Φ는 비대칭 나노입자의 앙상블에서 어긋한 평균 각도(도)이며, 여기서 정렬 계수 값이 작을수록 각 나노입자가 비대칭 나노입자 앙상블의 각도에 더 잘 정렬된다는 것을 의미한다. 이러한 정의에서, 나노입자가 완전히 무작위로 배열된 경우, 정렬 계수는 22.5도를 향하는 경향이 있는 반면, 완벽하게 정렬된 배향은 정렬 계수가 0도일 것으로 예상될 것이다.

22.5도 초과로 계산되는 정렬 계수는 입자 앙상블이 각각 22.5도 미만의 정렬 계수를 갖는 입자의 둘 이상의 서브세트로 나뉠 수 있음을 나타낸다. 도 4c는 정렬 계수가 45도로 계산되지만 실제로는 모든 입자가 주축 좌우로 정렬된 한 세트와 모든 입자가 주축 위아래로 정렬된 또 다른 세트의 두 서브세트로 나뉠 수 있는 정렬 계수의 예이다. 이 예에서 각 서브세트의 정렬 계수는 0도이다.

일부 실시양태에서, 입자 막은 다중 서브세트를 포함하는 것으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 입자의 하나 이상의 서브세트는 20도 미만의 정렬 계수를 가질 수 있는 반면, 다른 서브세트는 20도 초과의 정렬 계수를 갖는다. 정렬 계수가 20도 미만인 서브세트를 선택하기 위해 무작위로 배열된 막으로부터 임의의 적은 수의 입자를 선택할 수 있으므로, 이 방법을 사용하기 위한 관련 요구 사항을 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 한 가지 접근법은 서브세트가 층 또는 디바이스의 관심 영역에 있는 입자의 10% 이상, 보다 바람직하게는 적어도 30%, 보다 더 바람직하게는 적어도 40%를 포함해야 한다는 것이다. 두 번째 접근법은 정렬된 서브세트에 있는 모든 입자의 총합이 관심 영역에 있는 입자의 30%를 초과하여 포함하도록 요구하는 것이다. 또한, 어떠한 서브세트도 전체 집합의 10% 미만이 아니어야 한다는 것을 요구하는 것이 바람직할 수 있다. 본원에 개시된 실시양태는 (각각 20도 미만의 정렬 계수를 갖는) 하나 이상의 정렬된 서브세트가 20도 초과의 정렬 계수를 갖는 "무질서한" 서브세트와 함께 존재하는 배열을 포함한다.

본원에 기재된 바와 같은 관심 영역의 일부 예는 디바이스의 활성 영역의 적어도 일부, 디바이스의 픽셀의 적어도 일부, 또는 디바이스의 서브픽셀의 적어도 일부를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 또한, 디바이스의 활성 영역 외부의 영역, 예를 들어, 입자를 정렬하여 주변 광 산란을 감소시키고/시키거나 광 편광 효과를 촉진하는 데 사용되는 영역을 포함할 수도 있다. 일 실시양태에서, 관심 영역은 입자 막의 전체를 포함할 수 있다.

본원에 기재된 정렬 메트릭은 벡터 수학과 연산을 사용하여 정의되어 3D 공간에서 각도 차이를 편리하게 결정하는 방법을 제공한다. 이를 통해 나노입자 앙상블 정렬을 단일 숫자로 단순화할 수도 있다. 그러나, 수학이 비물리적이거나 무관한 결과로 축소되지 않도록, 또는 이러한 결과를 인식하여 고려 대상에서 제거하지 않도록 벡터를 정의할 때는 주의를 기울여야 한다. 정렬 계수를 계산하기 위해, 나노입자를 도 18a-18c에서 배향된 대로 취해야 한다. 도 18a는 각각의 개별 입자의 주축 정렬 벡터 를 정의하는 올바른 방법을 도시하는데, 즉 모든 벡터는 동일한 방향을 가리키고 있다. 수학적으로는 허용되지만, 순 벡터 합의 일부가 상쇄되어 V_A = (0,0,0)이 되어 정렬 계수에 대해 비물리적인 결과가 발생할 수 있기 때문에 도 18b에 나타낸 바와 같이 일부 벡터의 방향을 180도 회전시키는 것은 정확하지 않거나 유용하지 않을 것이다. 중요한 것은, 도 18c에 도시된 바와 같이 한 점으로 가늘어지는 막대와 같은 비대칭 나노입자 각각의 식별되는 특징이 있는 경우, 식별 특징에 대해 항상 동일한 방식으로 배향되도록 을 그려야 한다는 것이다. 도 18c의 경우 벡터는 모든 입자에 대해 막대의 더 넓은 기저부(base)로부터 막대의 끝을 가리키도록 취해진다. 이러한 단계를 거쳐 v_n을 할당하면 비대칭 나노입자의 앙상블 각도에 대한 각 나노입자의 정렬이 물리적으로 관련성이 있는 단일 숫자로 통합될 수 있다. 벡터를 사용하여 정렬 계수를 정의하면 다른 이점을 제공한다. 예를 들어, 나노입자가 3차원으로 기울어져 있는 경우를 허용한다. 즉, 나노입자는 수직 변화가 없는 단일 공통 평면에 있고, 즉 나노입자의 모든 주축이 기판과 평행한 것처럼 모델링되고 설명되는 경우가 많지만, 실제로는 입자가 기판과 정렬되지 않도록 다른 정렬을 갖는 것이 일반적이다. 단일 평면 내에서 나노입자의 정렬 정도 또는 이의 부재에 관계없이, 정렬 메트릭은 이러한 경우를 "자동으로" 설명한다. 유사하게, 본원에서 나노입자를 함유하는 "층" 또는 다른 구조를 지칭할 때, 이러한 층 또는 구조는 이들의 축 정렬에 관계없이 고려되는 나노입자의 전체를 포함하기에 충분히 확장되는 것으로 간주될 수 있는 것으로 이해될 것이다.

도 4f는 나노입자가 완벽한 정렬로부터 몇 도 회전될 수 있는 방법을 나타낸다. 정렬 계수는 20도 미만, 보다 바람직하게는 10도 미만, 가장 바람직하게는 5도 미만일 수 있다. 도 4b-4d의 경우는 도 4e에 나타낸 것과 같은 정렬되지 않은 배열로 확장되도록 더 일반화될 수 있으며, 도 4f에 나타낸 실제로 완벽히 정렬되지 않은 예가 있다. 도 4b의 정렬된 어레이의 경우는 또한 입자가 동일한 벡터 방향을 따라 배향되는 육각형, 단순 정사각형, 직사각형 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 격자로 확장될 수 있으며, 이는 다른 벡터 방향을 따라 배향되는 입자의 서브세트를 포함할 수도 있다.

비대칭 나노입자의 실제 무작위 배열은 0이 아닌 정렬 계수 Φ를 가져야 할 것으로 예상된다. 비대칭 나노입자의 무작위 배열에 대한 Φ의 전형적인 값을 결정하기 위해, 본 발명자들은 평면에서 무작위로 배향된 100개 초과의 비대칭 입자를 시뮬레이션했고 8개의 고유한 시뮬레이션에 대한 Φ의 평균 값이 표준 편차 1.8도로 평균 22.6도인 것으로 확인되었다. 예시적인 시뮬레이션과 이에 상응하는 Φ 값을 도 19에 나타낸다. 따라서, 정렬 계수가 20도 이하인 본원에 개시된 바람직한 배열은 예상되는 무작위 평균으로부터 약 1.5 표준 편차 이상 떨어져 있으며, 입자 간의 정렬이 통계적으로 유의미한 양에 해당한다.

본원에 개시된 바와 같이 나노입자 정렬을 달성하기 위해, 입자 자체 또는 나노입자가 증착되는 기판/층이 변형될 수 있다. 하나의 예시적인 실시양태에서, 기판 및/또는 나노입자 코팅의 표면 에너지는 본원에 개시된 바와 같이 나노입자 정렬을 달성하도록 설계될 수 있다. 이러한 나노입자 접착층 또는 정렬층은 기판 상에 패턴화되거나 패턴화되지 않은 상태로 적용될 수 있다. 도 5는 패턴화된 나노입자 접착층 또는 정렬층의 예를 도시한다. 층 위에 증착된 나노입자는 잘 정렬된 반면, 층에서 벗어난 나노입자는 잘 정렬되지 않는다.

대안적으로 또는 추가로, 도 6a-6c에 나타낸 바와 같은 나노입자 코팅은 기판 접착층과 함께 또는 그 자체로 증착될 때 입자를 우선적으로 배향시키는 데 사용될 수 있다. 이는 도 6a에 나타낸 바와 같이 나노입자 코팅(610)을 나노입자(620)의 한쪽 측면 또는 패싯에만 도포하는 한편 다른 측면/패싯은 노출된 상태로 두는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 다른 면(들)은 도 6b에 나타낸 바와 같이 비상호작용하는 층(630)으로 코팅되거나, 도 6c에 나타낸 바와 같이 동일한 정렬층(610)으로 코팅될 수 있다. 나노입자 코팅의 두께는 100 nm 미만, 보다 바람직하게는 30 nm 미만, 가장 바람직하게는 5 nm 미만인 것이 바람직할 수 있다.

나노입자 코어와 강화층 사이의 원하는 간격은 유전체 갭층과 나노입자 코팅 모두에 의해 공유될 수도 있다. 예를 들어, 원하는 간격이 30 nm인 경우, 이는 20 nm의 유전체 갭층과 10 nm의 나노입자 코팅으로 이루어질 수 있다. 일부 실시양태에서, 2개의 상이한 코팅을 각 나노입자에 도포되어 이웃하는 나노입자 사이에 정렬을 유도한다. 나노입자의 한 면에 양의 표면 전하를 유도하는 코팅과 양으로 하전된 면으로부터 거의 180도 떨어진 면에 음전하를 유도하는 다른 코팅이 이에 대한 예일 것이다. 이러한 기술은 기판에 정렬되는 면을 선택하기 위해 인접한 입자 면에도 적용될 수 있으며, 기본적인 위치 에너지 고려 사항을 압도할 수도 있다. 하나의 예시적인 실시양태에서, 특정 표면 전하 코팅이 직사각기둥의 가장 작은 면적의 면에 적용되고, 반대로 하전된 표면 전하 코팅이 가장 큰 면적의 면에 적용되어, 직사각기둥이 기판에 대해 가장 작은 면적의 면을 가진 채 우선적으로 "서 있는" 결과를 초래하며 이는 기본적인 위치 에너지 기대치에 반하는 것이다. 반대 예시적인 실시양태에서, 기판에 가장 많이 끌리는 표면 전하를 갖는 코팅은 입자의 가장 큰 면적의 면에 배치되고, 다른 면들은 기판을 밀어내는 표면 전하로 코팅될 수도 있다. 이러한 효과는 기판 및/또는 입자 자체의 표면 에너지 변형을 통해서도 달성될 수 있다. 기판에 인접하게 높이는 입자 면을 달성하기 위한 하나의 예시적인 실시양태에서, 표면 에너지는 기판과 나노입자 면 사이의 접촉각 차이가 40도 미만, 바람직하게는 20도 미만, 보다 바람직하게는 10도 미만이 되도록 해야 한다. 유사하게, 기판에 인접하게 놓이는 입자 면을 피하기 위한 하나의 예시적인 실시양태에서, 표면 에너지는 기판과 나노입자 면 사이의 접촉각 차이가 30도 초과, 바람직하게는 50도 초과, 보다 바람직하게는 70도 초과여야 한다. 이러한 동일한 라인을 따라, 비대칭 입자의 어느 면이 기판 위에 놓이는지를 번갈아 가며 평면외(즉, 유전체 갭층에 수직인) 배향으로 조정할 수 있다.

일부 실시양태에서, 나노입자의 서브세트는 하나의 면을 기판에 인접하여 배치하도록 설계될 수 있고 하나 이상의 추가 서브세트는 상이한 면을 기판에 인접하여 배치하도록 설계될 수 있는데, 도 15a-15c는 나노입자의 서브세트가 기판에 인접한 상이한 면과 정렬된 비대칭 나노입자의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 15a는 예시적인 실시양태의 측면도를 나타내고, 도 15b는 동일한 실시양태의 평면도를 도시한다. 도 15c는 기판에 인접한 상이한 면과 정렬된 나노입자의 상이한 서브세트를 갖는 대안적인 배열의 평면도를 도시한다. 따라서, 이러한 기술은 나노입자의 평면외 또는 "3D" 방향을 설계하는 데 사용될 수 있다. 이러한 기술은 모든 비대칭 나노입자에 적용할 수 있지만, 직사각형기둥, 피라미드, 이중 피라미드 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 특정 설계가 선호될 수 있다.

또한, 콜로이드로 합성된 나노입자는 용액을 기판의 상부로 드래그하여 정렬할 수 있다. 이것은 잉크젯 프린터, 커버슬립, 닥터 블레이드, 기계 기구 등을 사용하여 수행될 수 있으며, 정렬을 달성하기 위해 나노입자가 증착되는 기판/층 내부 또는 위에 나노스케일 피처를 사용하는 것을 포함할 수도 있다. 또한, 증착 후 나노입자의 기계적 문지름(rubbing)은 나노입자에 대한 배향을 유도하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 유전체 갭층은 나노입자가 기판 상에 증착될 때 나노입자 정렬을 유도하는 다양한 높이 또는 거칠기를 가질 수 있다. 나노패턴 기판 상에서 있을 때의 증착 공정은 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드, 스프레이 코팅, 랭뮤어 블로젯(Langmuir Blodget), 모세관 어셈블리 또는 용매 표면으로부터의 전사 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 유전체 공간은 액정의 배향이 전기장 또는 문지름(또는 문지름을 통해 배향된 패턴화된 표면, 예를 들어 폴리이미드에 증착) 또는 유동 또는 다른 수단에 의해 설정될 수 있는 액정으로 구성될 수 있다. 나노입자는 특정 기하학적 구조로 조립되거나 자체 조립될 수 있다.

예를 들어, 나노입자는 도 16a에 나타낸 바와 같이 링 형상으로 조립될 수 있다. 이 개념은 도 16b에 일반화되어 있는데, 여기서 링의 입자의 서브세트가 상이한 방향을 따라 정렬된다. 또한, 도 16c는 비대칭 입자의 서브세트가 "서 있는" 경우와 다른 서브세트가 "누워 있는" 경우, 즉 서브세트가 기판에 인접한 비대칭 입자의 상이한 면을 갖는 경우의 예를 나타낸다.

본원에 개시된 실시양태는, 이전에 개시된 바와 같이, 강화층과 함께 사용될 수 있고, 나노입자 배열은 이러한 강화층과 관련하여 설명될 수 있다. 금속 물질 또는 다른 플라즈몬 활성 물질을 포함할 수 있는 강화층 부근에 발광 물질을 배치하면 강화층 유전체 계면에서 표면 플라즈몬 폴라리톤과의 상호작용을 증가시킨다. 디바이스는 강화층의 비방사 모드가 광 이미터를 켄칭하도록 설계된다. 광은 후속적으로 아웃커플링층을 사용하여 강화층의 플라즈몬 모드로부터 에너지를 산란시켜 자유 공간에서 생성된다. 강화층은 형광, 지연 형광 및 인광 발광 물질에 비방사적으로 커플링되지만 이들의 방사성 붕괴 속도 상수가 작기 때문에 인광 광 이미터에 특히 유용하다. 강화층 표면 플라즈몬 폴라리톤으로의 공명 에너지 전달을 통한 발광 물질의 신속한 탈여기는 OLED의 안정성을 증가시킬 것으로 예상된다.

강화층이 은(Ag)의 박막인 하나의 예시적인 실시양태가 고려될 수 있다. 이러한 은 박막은 표면 플라즈몬 모드를 갖는다. 발광 물질은 또한 은 막에 근접할 수 있다. 단순화를 위해, 발광 물질은 단일 발광 물질로 간주될 수 있지만, 다양한 실시양태에서, 발광 물질은 이것으로 제한되는 것은 아니지만 발광 물질의 높은 부피 분율로 도핑되는 물질의 층, 발광 물질의 순수한 층, 호스트에 도핑된 발광 물질, 다중 발광 물질을 갖는 발광층, 엑시플렉스 또는 엑시머와 같은 두 물질 사이에 형성된 상태로부터 발광이 발생하는 발광층일 수 있다.

OLED에서 발광 물질의 중요한 측면은 광 발광 양자 수율(PLQY: photo luminescent quantum yield)로도 알려져 있는 광자 수율이다. 광자 수율은 다음과 같이 기술될 수 있다:

상기 식에서 는 모든 방사 과정의 합이고 는 모든 비방사 과정의 합이다. 진공에서 단리된 이미터의 경우, 분자 방사성 및 비방사성 속도인 및 를 유일한 방사 및 비방사 과정으로 정의할 수 있다. 단리된 분자의 경우, 광자 수율은 그러면 다음과 같다:

발광 물질이 은 막에 접근함에 따라, 방사성 속도와 비방사성 속도는 둘다는 이미터가 위치하는 금속과 유전체 매질 사이의 계면으로부터 이미터까지의 거리에 크게 의존하기 때문에 변경될 수 있다. 이어서, 과 의 항을 추가하여 식 (1)을 식 (3)으로 재구성할 수 있으며, 여기서 는 Ag 막의 존재로 인한 방사성 속도이고, 는 Ag 막의 존재로 인한 비방사성 속도이다.

이것은 도 7a에 나타나 있으며, 이는 Ag 막의 표면으로부터의 거리의 함수로서 이미터에 대한 총 방사성 속도 및 비방사성 속도를 개략적으로 도시한 것이다. 거리는 발광층에 가장 가까운 금속 막 표면으로부터 발광 물질까지의 거리이다. 파선은 방사성 속도가 비방사성 속도와 동일하고 임계 거리인 거리를 표시한다. 이러한 임계 거리에서 광자 수율은 50%이다. 또한, 이러한 속도의 기본적인 붕괴는 전형적인 OLED 디바이스에서 발광층이 임의의 플라즈몬 활성 물질로부터 멀리 떨어진 거리에 위치하는 이유를 보여준다. 발광층이 금속층에 너무 가까우면 에너지가 비방사적으로 접점(들)의 플라즈몬 모드에 커플링되고 디바이스의 효율은 감소한다. 본 발명에서는, Ag 박막의 비방사 모드에서 그렇지 않았다면 손실될 수 있는 에너지를 아웃커플링층을 이용하여 디바이스 외부의 광자로서 추출한다. 따라서, 본 발명에서 강화층의 표면 플라즈몬 모드에 커플링된 에너지를 회수하며, 이것은 유해한 대신 유익하여 Ag 막의 표면 플라즈몬 모드에 대한 비방사 커플링의 양을 강화시킨다.

본 발명에서 강화층 디바이스의 효율을 최대화하는 방법을 이해하기 위해, 플라즈몬 방사성 속도 및 비방사성 속도의 거리에 대한 상대적 의존성에 대한 몇 가지 가정을 이용하고 도 7a의 속도 상수를 도 7b에 나타내고 식 3에 설명된 바의 구성요소 속도로 분해한다.

도 7b에는 이미터의 고유 방사성 속도(실선)는 물론 식 3에서 인 Ag 박막에 이미터의 근접으로 인한 방사성 속도 상수(이중선)를 플롯팅한다. 이미터의 고유 방사성 붕괴 속소는 Ag 막으로부터의 거리, d에 의존하지 않는다. 그러나 는 Ag 막으로부터의 거리에 따라 달라지며, 여기서 1/d ³ 의존성을 갖는 것으로 가정된다. 이것은 예시적인 예일 뿐이며 거리에 대한 실제 의존성은 더 복합한 함수일 수 있는데, 예를 들어, d가 7 nm 미만이거나 d가 굴절률의 2배로 나눈 발광 파장의 차수일 때이다. 방사성 속도와 마찬가지로 이미터의 진공에서 비방사성 속도는 Ag 막으로부터의 거리의 함수가 아니다. 그러나, Ag 막의 존재로 인한 비방사성 속도인 는 Ag 막으로부터의 거리에 따라 달라지며 보다 거리에 대한 의존성이 더 강하다, 즉 1/d ⁶ 이다.

금속 막으로부터의 거리에 대한 상이한 의존성은 표면 플라즈몬과의 상호작용으로 인한 방사성 속도 상수가 가장 큰 속도 상수인 거리 초과 범위를 초래한다. 이들 거리에 대해, 광자 수율은 도 7c에 나타낸 바와 같이 금속 표면으로부터 멀리 떨어진 단리된 분자의 광자 수율보다 증가한다. 이들 거리에서 발광 물질의 발광 속도도 또한 가속된다. 이 지점에서 d가 감소함에 따라, 이미터는 Ag 막의 표면 플라즈몬 모드로 비방사 모드에 켄칭되고, 광자의 수율은 단리된 분자의 한계 미만으로 감소한다. 표면 플라즈몬 모드로의 켄칭으로 인해 수율이 감소하는 지점은 임계 거리 2이다. 이것은 강화층이 없는 이미터와 광자 수율이 동일하게 되는 최소 거리이다. 이러한 임계 거리 미만의 거리에서는 비방사성 속도가 이들 거리에서 방사성 속도를 초과하기 때문에 에너지가 광 이미터를 떠나는 속도가 심지어 더욱 가속된다. 중요한 것은, 도 7c에서, 발광층을 Ag 박막에 더 가깝게 이동시켜 광자 수율이 낮아짐에 따라 엑시톤이 강화층으로 전달되는 에너지원이라는 것은 명백하다. 도 7c와 유사한 형상의 곡선을 얻는 것은 OLED의 엑시톤이 강화층의 추가에 의해 켄칭되는 종임을 명확하게 나타낸다. 또한, 도 7c는 곡선 형상의 일 실시양태일 뿐이다. 의 거리 의존성이 와 더 유사한 일부 경우에 d가 감소함에 따라 광자 수율이 지속적인 저하에 불과할 수 있다.

상기로부터 속도 상수를 사용하여 임계 거리 2를 다음 식이 충족되는 거리로서 구체적으로 정의할 수 있다:

분명히, 식 4a는 강화층이 존재할 때 PLQY가 강화층이 없을 때의 광자 수율 미만이거나 이와 같은 조건이다. 광자 수율이 감소하면 전형적으로 디바이스 효율이 감소하기 때문에 당업자는 작동을 권장하지 않을 것이다. 식 4는 다른 속도 상수에 대해 에 대한 식 4a를 푼다. 플라즈몬 속도의 거리 의존성을 식 5와 같이 명시적으로 이용하여 식 4를 재구성할 수 있다:

상기 식에서, d는 이미터에 가장 가까운 금속 막의 표면으로부터 이미터까지의 거리이다.

또한, 임계 거리 1은 이미터의 광자 수율이 50%로 감소하는 거리로서 정의될 수 있다. 이 임계 거리는 이미터로부터의 총 비방사 속도가 이미터의 총 방사 속도와 동일한 거리이다. 또는 분명히, 이미터의 방사성 속도는 비방사성 속도와 동일하다. 거리 의존 플라즈몬 속도와 식 3을 사용하여, 임계 거리 1이 하기일 때 유도한다:

임계 거리 1을 결정하기 위해, 강화층이 광을 방출하지 않는 경우, 강화층으로부터의 가변 거리의 발광 물질을 사용하여 OLED, 또는 필적하는 박막의 대표적인 예를 간단히 증가시키고, PLQY가 50%로 저하되는 거리를 결정할 수 있다. 강화층이 표면 플라즈몬 모드로부터 광의 아웃커플링할 수 있는 부재를 갖는 경우, 임계 거리를 결정하기 위해 이들 부재를 제거할 필요가 있다. Ag 박막에 대한 이미터의 위치가 변경됨에 따라 이미터의 발광 방사 패턴과 흡수가 변할 수 있기 때문에 광 출력의 상대적인 증가 또는 감소를 측정하는 것이 아니라 실제 PLQY를 측정하는 것이 중요하다.

식 4에서 기술된 바와 같이 임계 거리 2를 결정하기 위해서는, OLED의 온도를 측정해야 한다. 엑시톤의 비방사 켄칭은 광자 대신 열을 생성하기 때문에 OLED는 가열될 것이다. 매우 간단하게, OLED에서 생성된 열은 비방사적으로 재조합된 엑시톤의 수율에 비례할 것이다:

광 이미터와 금속막 사이의 거리가 변화함에 따라, OLED의 총 열전도는 본질적으로 일정하게 유지될 것이지만 열 수율은 크게 달라질 것이다.

도 7d는 고정된 작동 전류 밀도에 대해 광 이미터와 금속 막 사이의 거리가 변할 때 OLED의 정상 상태 온도를 개략적으로 스케치한 것이다. 금속 표면으로부터 발광층의 먼 거리에 있는 경우, 방사 또는 비방사 켄칭은 강화되지 않는다. OLED의 온도는 작동의 총 전류 밀도와 발광 물질의 효율에만 의존한다. 이미터가 금속층에 더 가깝게 됨에 따라, 방사성 속도가 증가하고 광자 수율이 증가하여 OLED에서 생성되는 열과 OLED의 온도를 감소시킨다. 임계 거리 2보다 더 짧은 거리의 경우, 광 이미터 상의 엑시톤은 열로서 켄칭되고 OLED의 정규화된 온도는 증가한다. OLED의 온도에 대한 이러한 묘사는 강화층이 표면 플라즈몬 모드에서 에너지의 미리 결정된 유의한 분율을 광으로 아웃커플링하지 않을 때 사실이다. 강화층의 일부로 아웃커플링이 있거나 또는 디바이스에서 아웃커플링층이 사용되는 경우, 이러한 층은 이 임계 거리 측정을 수행하기 위해 제거된다.

광 이미터가 온도를 사용하여 방사성 또는 비방사성 표면 플라즈몬 속도 상수가 지배적인 위치에 있는지 여부를 결정하는 두 가지 가능한 시험이 있다. 첫 번째는 금속 막으로부터 발광 물질의 거리를 가변시켜 OLED 디바이스의 온도를 측정함으로써 도 7d의 개략적인 곡선을 재현하는 것이다. 두 번째는 디바이스의 금속 막을 강한 표면 플라즈몬 공명이 없는 투명한 전도성 산화물로 대체하는 것이다. 물질의 예는 인듐 주석 산화물(ITO: indium tin oxide)이다. ITO와 금속 막이 있는 디바이스의 온도를 측정할 때, 금속막이 있는 OLED의 온도가 ITO 제어 이상으로 증가하면 비방사성 속도가 우세하고 이미터는 강화층의 임계 거리 2 내에 있게 된다.

플라즈몬 모드로의 비방사성 에너지 전달은 엑시톤이 발광 물질로부터 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP), 국부적인 표면 플라즈몬 폴라리톤(LSPP)으로 전달되는 과정, 또는 광자의 방출 없이 당업자가 플라즈몬으로 이해할 수 있는 기타 용어들로 정의된다. 이러한 과정은 금속막 또는 금속 나노입자의 차원에 따라 포스터(Forster) 에너지 전달, 포스터 공명 에너지 전달, 표면 공명 에너지 전달, 공명 에너지 전달, 비방사성 에너지 전달, 또는 당업자에게 통용되는 기타 용어로 지칭될 수 있다. 이들 용어는 동일한 기본 과정을 기술한다. 약한 발광 상태의 경우, SPP 또는 LSPP로의 에너지 전달은 두 전자의 동시 교환을 포함하는 덱스터(Dexter) 에너지 전달을 통해서도 또한 발생할 수도 있다. 이것은 또한 단일 전자 전달 사례의 2단계 과정으로 발생할 수도 있다. 비방사성 에너지 전달은 광대역이며, 이는 일부 실시양태에서 강화층이 특정 발광 물질에 대해 조정되지 않음을 의미한다.

본원에 개시되는 실시양태는 표면 플라즈몬 폴라리톤의 방사성 속도 강화를 이용하는 것이 아니라 오히려 비방사 속도 강화를 이용하는 것이다. OLED 및 플라즈몬의 당업자는 에너지가 전형적으로 열로 손실되기 때문에 표면 플라즈몬 폴라리톤의 비방사 모드로의 에너지 전달에 대해 교시한다. 여기에서 의도적으로 가능한 한 많은 에너지를 비방사성에 넣은 다음 에너지가 열로 손실되기 전에 아웃커플링층을 사용하여 광으로서 자유 공간에서 그 에너지를 추출한다. 이것은 독특한 2단계 과정이며 표면 플라즈몬 폴라리톤의 비방사성 모드에 대해 당업자가 교시할 수 있는 것과 반대되기 때문에 새로운 아이디어이다.

수직 쌍극자 비율(VDR: vertical dipole ratio)은 수직으로 배향된 쌍극자의 앙상블 평균 분율이다. 유사한 개념으로 수평 쌍극자 비율(HDR)은 수평으로 배향된 쌍극자의 앙상블 평균 분율이다. 정의에 따르면, VDR+HDR = 1이다. VDR은 각도 의존, 편광 의존, 광발광 측정으로 측정할 수 있다. 편광의 함수로서, 광여기된 박막 샘플의 측정된 발광 패턴을 컴퓨터로 모델링된 패턴과 비교함으로써 발광층의 VDR을 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 7e에서, 모델링된 p-편광 각도 PL은 상이한 VDR을 가진 이미터에 대해 플롯팅된다. 도 7e의 p-편광 발광의 모델링된 데이터에 나타낸 바와 같이, 이미터의 VDR이 더 높을 때 데이터의 피크가 더 커지는 약 45도의 데이터에 피크가 있다.

중요한 것은, VDR이 발광 종의 평균 쌍극자 배향을 나타낸다는 것이다. 따라서, 발광층에 발광에 기여하지 않는 추가 이미터가 있는 경우, VDR 측정은 해당 VDR을 보고하거나 반영하지 않는다. 또한, 이미터와 상호작용하는 호스트를 포함함으로써, 주어진 이미터의 VDR을 변형할 수 있고, 그 결과 상이한 호스트에 있는 이미터와 상이한 층에 대해 측정된 VDR이 생성된다. 또한, 일부 실시양태에서, 2개의 이웃하는 분자 사이에 발광 상태를 형성하는 엑시플렉스 또는 엑시머가 바람직하다. 이러한 발광 상태는 엑시플렉스 또는 엑시머의 구성요소 중 하나만 방출하는 경우와 상이한 VDR을 가질 수 있다.

HOMO 에너지는 순환 전압전류법으로부터 유도된 제1 산화 전위로부터 추정된다. LUMO 에너지는 순환 전압전류법으로부터 유도된 제1 환원 전위로부터 추정된다. 이미터 화합물의 삼중항 에너지 T1은 77K에서 광발광으로부터의 피크 파장을 사용하여 측정된다. 용액 순환 전압전류법 및 차동 펄스 전압전류법은 무수 디메틸포름아미드 용매와 테트라부틸암모늄 헥사플루오로포스페이트를 지지 전해질로 사용하는 CH Instruments 모델 6201B 전위차계를 사용하여 수행하였다. 유리질 탄소와, 백금 및 은 와이어를 각각 작업 전극, 상대 전극 및 기준 전극으로 사용하였다. 전기화학적 전위는 차동 펄스 전압전류법으로부터 피크 전위차를 측정하여 내부 페로센-페로코늄 산화 환원 커플(Fc+/Fc)을 참조하였다. E_HOMO = -[(E_ox1 대 Fc+/Fc) + 4.8]이고, E_LUMO = -[(E_red1 대 Fc+/Fc) + 4.8]로, 여기서 E_ox1은 제1 산화 전위이고 E_red1은 제1 환원 전위이다.

갭 물질은 도 11a에 나타낸 바와 같이 유기물(저분자 및/또는 중합체), 산화물, 또는 스택, 합금, 또는 재료의 혼합물을 포함하는 다른 유전체 물질로 이루어질 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 적층된 갭층은 도 11b에 나타낸 바와 같이 2개의 층을 포함할 수 있는데, 하나는 1차 유전체 갭 물질로 작용하는 더 두꺼운 층이고 또 다른 하나는 나노입자 접착층으로서 작용하고 특히 콜로이드 처리된 나노입자의 경우 나노입자 밀도를 증가시키고/시키거나 나노입자 응집 또는 응괴를 감소시킬 수 있는 얇은 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 중합체 전해질(polyelectrolyte) 층(예컨대 폴리(스티렌술포네이트) 또는 폴리(알릴아민) 하이드?霽┠瓘瓚絹?)은 나노입자 코팅의 정전하와 상호작용할 수 있는 정전하를 보유하는 것으로 알려져 있다(예를 들어, 은 나노입자를 코팅하는 데 일반적으로 사용되는 폴리(비닐피롤리디논)은 음의 정전기 전하를 보유한다). 이들 층의 두께의 합이 전체 갭 두께를 결정하지만, 전형적인 접착층 두께는 5 nm 미만이고, 갭층 두께는 1과 100 nm 사이이며, 보다 바람직하게는 1과 50 nm 사이이다.

일부 실시양태에서, 강화층은 평면 금속 막 및/또는 금속 나노입자이며, 도 7d에 나타낸 바와 같이 순수하거나, 합금 또는 혼합물일 수 있으며, 바람직하게는 Ag, Al, Ag-Al 합금 또는 Au이다. 강화층은 Ir, Pt, Ni, Cu, W, Ta, Fe, Cr, Mg, Ga, Rh, Ti, Ca, Ru, Pd, In, Bi를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 물질로 구성될 수 있다. 또한 나노입자는 전적으로 유전체 물질로 이루어질 수 있거나, 금속의 합금일 수 있거나, 유전체 물질일 수 있거나, 한 유형의 물질로 된 코어를 갖고 상이한 유형의 물질로 된 쉘로 코팅될 수 있다. 스펙트럼의 가시광선 부분에서 광을 산란시키는 전형적인 나노입자 크기는 나노입자 물질과 형상에 따라 5 nm 내지 1000 nm의 범위이다. OLED 또는 LED가 근적외선 또는 적외선에서 발광하도록 설계된 경우, 입자 크기는 500 nm 내지 5000 nm의 범위일 수 있다. 예를 들어, 전위 강화층 및/또는 금속 나노입자 물질과 입자 크기 범위는 표 1을 참조한다. 갭 두께는 가시광선 발광의 경우에는 0-150 nm 범위, 보다 바람직하게는 0~50 nm이고, 적외선 스펙트럼의 경우에는 더 크다. 갭이 0 nm(즉, 갭이 없음)인 특수한 경우에 나노입자는 평면 금속 바로 위에 위치하며 표면 플라즈몬 에너지를 아웃커플링하는 주름의 형태로 작용할 수 있다는 것을 주목한다. 굴절률이 1-5인 갭은 전형적으로 유기 물질, 금속 산화물(결정성 또는 비정질) 또는 질화물과 같은 유전체 물질로 구성된다. 갭의 굴절률은 사용되는 물질에 따라 1.01 내지 5의 범위일 수 있다. 나노패치 안테나 공명은 복수의 나노입자의 크기 변화, 복수의 나노입자의 형상 변화, 복수의 나노입자의 물질 변화, 물질의 두께 조정, 물질층의 굴절률 변화, 복수의 나노입자 위에 배치된 물질 또는 추가 층의 굴절률 변화, 전극층의 두께 변화 및/또는 제1 전극층의 물질 변화 중 적어도 하나에 의해 조정될 수 있다. 복수의 나노입자는 Ag 입자, Al 입자, Au 입자, 유전체 물질, 반도체 물질, 금속 합금, 유전체 물질의 혼합물, 하나 이상의 물질의 스택 및/또는 한 유형의 물질로 된 코어로, 상이한 유형의 물질로 된 쉘로 코팅된 코어 중 적어도 하나로부터 형성될 수 있다. 디바이스의 복수의 나노입자 중 적어도 하나는 복수의 나노입자 사이에 측면 전도를 제공하기 위한 추가 층을 포함할 수 있다. 복수의 나노입자는 산화물층으로 코팅될 수 있으며, 여기서 산화물층의 두께는 복수의 나노입자 또는 나노패치 안테나의 플라즈몬 공명 파장을 조정하도록 선택될 수 있다. 복수의 나노입자의 형상은 정육면체, 구형, 구상체, 원통형, 평행육면체, 막대형, 별형상, 피라미드형 및/또는 다면체 3차원 물체 중 적어도 하나일 수 있다. 복수의 나노입자 중 적어도 하나의 크기는 5 nm 내지 1000 nm일 수 있다.

일부 실시양태에서, 디바이스는 복수의 나노입자 상에 배치된 추가 층을 포함할 수 있다. 추가 층은 하나 이상의 이미터 분자를 포함할 수 있다. 추가 층은 제1 전극 층 아래의 굴절률과 일치할 수 있다. 추가 층은 두께가 1000 nm 이하이다.

일부 실시양태에서, 복수의 나노입자는 잉크젯 인쇄를 통해 증착되고, 다른 경우에 복수의 나노입자는 브러싱과 같은 접촉을 포함하는 메커니즘을 통해 증착되고, 다른 실시양태에서 복수의 나노입자는 용매 또는 에어로졸에 현탁된 입자의 분무를 통해 증착된다. 다른 실시양태에서, 복수의 나노입자는 리프트-오프(lift-off) 공정, 현상 공정, 광 기반 리소그래피, 예컨대 포토리소그래피 또는 레이저 간섭 리소그래피 또는 존 플레이트(zone plate) 리소그래피, 전자 빔 리소그래피 공정 및/또는 집속 이온 밀링 공정을 포함할 수 있는 하향식 접근법을 통해 제조된다. 일부 실시양태에서, 복수의 나노입자는 하기 방법 중 하나 이상을 통해 증착된다: 스핀 코팅, 닥터 블레이딩 공정, 슬롯-다이 코팅, 바 코팅 또는 딥 코팅. 일부 실시양태에서 나노입자가 증착되면, 건조 공정을 사용하여 증착 표면으로부터 잔류 용매, 공기 또는 수분을 제거할 수 있다. 이러한 건조 방법에는 진공 건조, 질소 블로우 오프, HEPA 건조, 대류 오븐에서의 건조, 표면 장력 구배 건조, IPA 증기 진공 건조 및 스핀 건조가 포함된다.

일부 실시양태에서, LED/강화층/나노입자는 캡슐화된다. 이러한 캡슐화 물질은 산화물 코팅 및 에폭시, 예를 들어, 폴리우레탄, 실리콘 등을 포함하고, 원자층 증착 또는 화학 기상 증착에 의해 증착될 수 있다. 일부 실시양태에서, LED/강화층/나노입자는 또한 캡슐화층으로서 작용한다.

일부 실시양태에서, 복수의 나노입자는 단일 크기 또는 형상이 아닌 다수의 상이한 크기 또는 형상으로 형성된다. 이를 통해 아웃커플링층은 다수의 주파수 또는 색상의 광을 동일한 층으로 효율적으로 산란시킬 수 있다.

일부 실시양태에서, 백색 OLED 또는 LED는 특정 파장 범위를 선택적으로 아웃커플링하기 위해 특정 공명의 나노입자 아웃커플링 방식을 이용할 수 있다. 이러한 방식으로, 백색 OLED 또는 LED는 넓은 면적에 걸쳐 제조될 수 있고, (나노입자 크기, 굴절률 등을 선택하여) 나노입자 아웃커플링 방식의 공명을 이용하여 적색, 녹색, 청색(또는 임의의 다른 원하는 색상) 서브픽셀을 생성할 수 있다.

갭층(들)의 굴절률은 본원에 개시된 바와 같은 나노패치 안테나의 공명에 영향을 미치기 때문에, 비선형 광학 특성 및/또는 전압 조정 가능한 굴절률을 갖는 갭 물질을 통합하는 것은, 예를 들어, 도 8에 나타낸 바와 같이 금속 캐소드와 나노입자 아래의 전기 접촉층 사이에 인가된 전압으로 발광 스펙트럼을 조정하는 방법으로 사용된다. 한 예로, 인가된 전압이 캐리어 농도를 변경할 때 그 유전율이 변화하기 때문에 알루미늄이 도핑된 산화아연이 전압 조정 가능한 굴절률 물질로서 사용될 수 있다(George, et al). 이 경우, 전하를 형성하기 위해 갭에 두 번째 절연층이 필요하지만, 전압 조정 가능한 굴절률 층의 물질 특성에 따라 이러한 2차 층이 항상 필요하지 않을 수 있다. 이것은 전압 조정이 가능한 나노패치 공명이 원하는 색상을 선택적으로 통과시키는 컬러 필터 역할을 할 수 있기 때문에 OLED 또는 LED가 백색 발광인 경우, 즉 적색, 녹색, 및 청색 발광을 포함하는 경우에 특히 유용하다. 이것은 OLED 또는 LED를 3단자 디바이스로 효과적으로 변환하며, 애노드와 캐소드 사이에 인가된 전압이 OLED/LED를 작동시키고, 캐소드와 나노입자 아래의 전기 접촉층 사이에 인가된 전압이 나노패치 공명을 조정하여 방출된 색상을 선택한다.

개별 OLED 또는 LED 서브픽셀의 경우, 말하자면 디스플레이에서, 나노입자 아웃커플링 방식의 공명은 디바이스의 고유 발광과 의도적으로 불일치할 수 있다. 이러한 방식으로 나노입자 아웃커플링 방식은 피크 파장을 약간 이동시키는 컬러 필터 역할을 한다. 다른 실시양태에서, 공명 불일치 나노입자 아웃커플링 방식은 발광 스펙트럼을 좁히기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 녹색 OLED 또는 LED를 청색 공명 아웃커플링 방식과 결합시키면 LED의 적색 파장을 감소시킴으로써 좁아지는 것을 볼 수 있을 것이다. 반대로, 녹색 OLED 또는 LED를 적색 공명 아웃커플링 방식과 결합시키면 디바이스의 청색 파장을 감소시킴으로써 좁아지는 것을 볼 수 있을 것이다.

다른 실시양태에서, 디바이스는 도 9a-9c에 나타낸 바와 같이 강화층에 매우 근접한 발광 아웃커플링층을 포함할 수 있다. 발광 아웃커플링층(들)은 근접한 강화층에서 표면 플라즈몬 폴라리톤의 에너지에 의해 여기될 수 있는 발광 물질을 포함한다. 발광 물질은 양자점, 페로브스카이트 나노결정, 금속-유기 프레임워크, 공유-유기 프레임워크, 열 활성화 지연 형광(TADF) 이미터, 형광 이미터 또는 인광 유기 이미터일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 하나의 예시적인 디바이스에서, 발광 물질이 작은 스토크스 이동(Stokes shift)을 나타내는 흡수 및 발광 스펙트럼을 갖는 것이 유리할 수 있으므로 강화층으로 켄칭되는 LED 여기 상태 에너지와 발광 아웃커플링층(들)으로부터 발광되는 광 사이에 작은 적색 이동만이 발생한다. 이로써 디바이스의 발광 색상이 보존된다. 또 다른 예시적인 디바이스에서, 발광 물질을 구체적으로 선택하여 더 높은 에너지 여기(예를 들어, 청색)를 더 낮은 에너지 파장(예를 들어, 녹색 또는 적색)으로 하향 변환할 수 있다. 이로써 발광 아웃커플링층에 의해 선택된 색상으로 디스플레이의 모든 픽셀에서 단일 LED 구조를 활용할 수 있다. 예를 들어, 이것은 상이한 픽셀의 아웃커플링층(들)에 상이한 크기의 양자점을 증착하여 발광 파장을 조정함으로써 달성될 수 있다. 발광 아웃커플링층은 나노입자 기반 아웃커플링 방식과 결합될 수도 있고 결합되지 않을 수도 있으며, 이 경우 발광 아웃커플링층은 강화층과 나노입자 사이에 놓일 것이다. 이 경우, 발광 아웃커플링층에서 발광 물질의 방사 속도가 가속되어야 하므로 아웃커플링 효율이 더욱 강화될 수 있다.

유전체 갭의 표면 상의 나노입자의 배열은 디바이스 응용 분야에 맞게 설계될 수도 있다. 일 실시양태에서, 나노입자의 무작위 배열은 점광원 발광이 바람직하지 않은 조명 응용 분야 또는 디스플레이 응용 분야에서 사용하기에 바람직할 수 있는, 근접한 람베르트(Lambertian) 발광 프로파일을 초래한다. 예를 들어, 무기 LED는 방향성 발광 프로파일로 인해 어려움을 겪는 경향이 있어 특정 응용 분야에서 무작위 나노입자 어레이를 특히 매력적으로 만든다. 다른 실시양태에서, 나노입자는 어레이로 배열될 수 있고, 이에 의해 일부 모바일 응용 분야 또는 각도 의존성에 관계없이 광의 가장 많은 아웃커플링을 필요로 하는 응용 분야에서 바람직할 수 있는 분산 발광 프로파일을 생성할 수 있다. 어레이로 배열된 나노입자는 무작위로 배열된 나노입자보다 더 높은 효율을 달성할 수 있으며, 특정 어레이 피치 및 듀티 사이클을 선택하면 어레이 공명을 조정할 수 있으므로 어레이가 가장 큰 효율을 갖는 파장을 아웃커플링할 수 있을 것이다.

다른 실시양태에서, 나노입자는 금속성이고 비금속 코팅으로 코팅된 다음, 강화층의 상부에 직접 배치된다. 이 실시양태에서, 코팅의 굴절률은 1.01과 5 사이일 수 있다. 코팅의 두께는 3 nm 내지 1000 nm, 보다 바람직하게는 3 nm 내지 100 nm일 수 있다. 일 실시양태에서, 나노입자 코팅은 갭 간격의 일부, 또는 전부로서 작용할 수 있다. 이것은 원하는 전체 갭 두께로 입자를 코팅하여 캡 층을 0으로 감소시키거나, 원하는 전체 스페이서 두께를 달성하기 위해 갭층 두께와 나노입자 코팅의 일부 조합을 수반할 수 있었다. 또한, 나노입자 코팅은 나노입자가 증착될 층에 대한 나노입자 접착력을 개선하거나 나노입자 밀도를 증가시키기 위한 접착층으로 작용할 수 있다. 제조된 나노입자는 Ag, Al, Ag-Al 합금, Au, Au-Ag 합금, Au-Al 합금으로 구성될 수 있다. 강화층 및/또는 나노입자는 Ir, Pt, Ni, Cu, W, Ta, Fe, Cr, Mg, Ga, Rh, Ti, Ca, Ru, Pd, In, Bi를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 물질로 구성될 수 있다. 경우에 따라, 금속 코어는 Rh로 코팅된 다음, SiO₂와 같은 유전체 물질로 코팅된 Ag 구체와 같이 하나 초과의 물질로 구성될 수 있다.

강화층 및/또는 나노입자는 도 12 및 도 14에 나타낸 바와 같이 평면 금속, 금속층과 유전체 층의 스택, 금속층과 반도체층의 스택 및 천공된 금속층을 포함할 수 있다. 강화층의 일부인 유전체 물질은 산화물, 불화물, 질화물 및 비정질 물질의 혼합물을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 금속층에는 다음 금속의 합금 및 혼합물이 포함될 수 있다: Ag, Au, Al, Zn, Ir, Pt, Ni, Cu, W, Ta, Fe, Cr, Mg, Ga, Rh, Ti, Ca, Ru, Pd, In, Bi. 강화층은 가시광선 범위 밖의 디바이스를 위한 그래핀 또는 전도성 산화물 또는 전도성 질화물일 수 있다.

일부 실시양태에서, 강화층은, 예를 들어, 도 13a-13f에 나타낸 바와 같이 나노크기의 홀로 패턴화된다. 이러한 홀은 어레이로 있거나 무작위로 또는 의사(pseudo) 무작위로 배열될 수 있다. 홀의 크기, 형상, 및 배향은 강화층으로부터 아웃커플링될 수 있는 광의 주파수를 설정한다.

일부 실시양태에서, 강화층은 그 상부에 불스아이 격자 패턴을 갖는다. 일부 실시양태에서, 강화층은 갭을 갖고, 이어서 갭 물질 상부에 패턴화된 불스아이 격자를 갖는다.

일부 실시양태에서, 강화층은 부분적으로 에칭되어 강화층의 한 측면에 나노크기의 아웃커플링 피처를 형성한다. 일부 실시양태에서, 강화층의 양 측면에 나노크기의 피처가 있다. 강화층의 양 측면에 나노크기의 피처가 있는 경우, 피처의 가장 작은 치수는 10 nm를 초과할 것이고, 다른 경우에는 20 nm를 초과할 것고, 다른 경우에는 50 nm를 초과할 것이다.

[표 1] 굴절률이 1.5인 강화층과 금속 나노크기 물질 사이의 유전체 층을 가정하고 나노입자의 단분산 단층을 가정할 때, 전위 강화층 및/또는 금속 나노입자 물질 및 입자 크기 범위의 비제한적인 예. 입자 크기는 나노큐브를 가정한 것으로, 가변 길이 축을 가진 입자는 범위가 다를 수 있다.

나노입자가 함께 응괴되면, 아웃커플링의 공명 파장이 증가할 수 있다. 예를 들어, 심지어 UV-공명 입자의 큰 응괴물은 IR NPA 공명을 달성한다. 따라서, 응괴를 고려하여, LED 반도체 물질과 나노입자 아웃커플링 물질 및 크기 분포의 일부 바람직한 실시양태를 나타낸다.

[표 2] 굴절률이 1.5인 강화층과 금속 나노크기 물질 사이의 유전체 층과, 나노입자 응괴에 대한 허용을 가정할 때, 전위 강화층 및/또는 금속 나노입자 물질 및 입자 크기 범위의 비제한적인 예.

본원에 기술된 다양한 실시양태는 단지 예시이며, 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 예를 들어, 본원에 기술된 다수의 물질 및 구조는 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 다른 물질 및 구조로 대체될 수 있다. 따라서, 특허 청구된 본 발명은 당업자에게 명백한 바와 같이, 본원에 기술된 특정 실시예 및 바람직한 실시양태로부터 유래하는 변형예를 포함할 수 있다. 본 발명이 왜 효과가 있는지에 관한 다양한 이론을 한정하려는 의도는 없음을 이해하여야 한다.

Claims (15)

1. 기판;
   기판 위에 배치된 제1 전극;
   유기 발광 물질을 포함하고 제1 전극 위에 배치된 유기 발광층;
   제1 전극 위에 그리고 유기 발광층의 임계 거리 내에 배치된 강화층으로서, 강화층은 유기 발광 물질에 비방사적으로 커플링되고 유기 발광 물질로부터의 여기 상태 에너지를 표면 플라즈몬 폴라리톤의 비방사성 모드(non-radiative mode)로 전달하는 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 플라즈몬 물질을 포함하고;
   여기서 임계 거리는, 유기 발광 물질의 총 비방사성 붕괴 속도 상수(total non-radiative decay rate constant)가 유기 발광 물질의 총 방사성 붕괴 속도 상수와 동일한 거리인 강화층; 및
   제1 전극 위에 배치된, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자를 포함하는 아웃커플링층으로서, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자 각각은 주축을 가지며,
   여기서 n개의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 세트는 정렬 계수(alignment factor) Φ 내에서 서로 정렬되고, 여기서
   

   

   
   이고, 상기 식에서, v _n 은 벡터 형태의 n번째 나노입자의 주축이고, V _A 는 각각의 개별 나노입자를 직접 고려하여 계산된 복수의 나노입자에 대한 앙상블 평균 주축 벡터(ensemble-averaged major axis vector)이고,

   

   는 n번째 입자의 주축 벡터와 복수의 나노입자에 대한 앙상블 평균 주축 벡터 V _A 사이의 각도 차이(도)이고,
   여기서 Φ는 20도 이하인 아웃커플링층
   을 포함하는 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 아웃커플링층과 강화층 사이에 배치된 유전체 층을 더 포함하는 디바이스.
3. 제1항에 있어서, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 세트는 격자로 배열되는 디바이스.
4. 제1항에 있어서, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제2 세트가, 20도 이하의 제2 정렬 계수 Φ₂ 내에서 서로 정렬되는 디바이스.
5. 제4항에 있어서, 나노입자의 제2 세트는 격자로 배열되는 디바이스.
6. 제1항에 있어서, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 세트는 링으로 배열되고, 상기 링은 본질적으로 강화층에 평행한 평면에 배치되는 디바이스.
7. 제6항에 있어서, 제1 세트와 함께 링에 배열된 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제2 세트를 더 포함하고, 여기서 나노입자의 제2 세트는 각각의 나노입자의 주축이 링의 반경에 본질적으로 평행하게 배열되는 디바이스.
8. 제6항에 있어서, 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 세트의 적어도 일부가, 각각의 주축이 강화층에 본질적으로 수직으로 배열되는 디바이스.
9. 제1항에 있어서, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 복수의 각각의 적어도 일부에 배치된 나노입자 코팅을 더 포함하고, 나노입자 코팅은 40도 이하, 적어도 30도 이하 또는 둘다의 접촉각을 갖는 디바이스.
10. 제9항에 있어서, 나노입자 코팅은 두께가 100 nm 미만인 디바이스.
11. 제1항에 있어서, 아웃커플링층에 인접하여 배치된 정렬층(alignment layer)을 더 포함하는 디바이스.
12. 제1항에 있어서, m개의 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 세트는, 각각의 나노입자의 주축이 정렬 계수 Φ_D 내에서 강화층과 평행하게 정렬되어 배치되고, 여기서
    

    

    
    이고, 상기 식에서, v _m 은 벡터 형태의 m번째 나노입자의 주축이고, V _I 는 나노입자의 제1 세트의 주축의 평균 벡터 방향이고,
    여기서 Φ_D는 20도 이하인 디바이스.
13. 제12항에 있어서, p개의 복수의 나노입자의 제2 세트가, 각각의 나노입자의 주축이 정렬 계수 Φ_U 내에서 강화층에 수직으로 정렬되어 배치되고, 여기서
    

    

    
    이고, 상기 식에서, v _p 는 벡터 형태의 p번째 나노입자의 주축이고, V _K 는 나노입자의 제1 세트의 주축의 평균 벡터 방향이고,
    여기서 Φ_U는 20도 이하인 디바이스.
14. 제13항에 있어서, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자의 제1 및 제2 세트는 강화층에 평행한 공통 링으로 배열되는 디바이스.
15. 기판을 얻는 단계;
    유기 발광 물질을 포함하고 기판 위에 배치된 유기 발광층을 제조하는 단계;
    제1 전극 위에 그리고 유기 발광층의 임계 거리 내에 배치된 강화층을 제조하는 단계로서, 강화층은 유기 발광 물질에 비방사적으로 커플링되고 유기 발광 물질로부터의 여기 상태 에너지를 표면 플라즈몬 폴라리톤의 비방사성 모드로 전달하는 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 플라즈몬 물질을 포함하고, 여기서 임계 거리는, 유기 발광 물질의 총 비방사성 붕괴 속도 상수가 유기 발광 물질의 총 방사성 붕괴 속도 상수와 동일한 거리인 단계,
    복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자를 포함하는 아웃커플링층을 제조하는 단계로서, 복수의 물리적으로 비대칭인 나노입자 각각은 주축을 갖는 단계; 및
    적어도 부분적으로 아웃커플링층과 강화층 사이에 유전체 층을 제조하는 단계
    를 포함하는 방법.