KR20240074683A - 유기 전기발광 디바이스 - Google Patents
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Abstract
2개 이상의 플라즈몬 oled가 스택 내에 배열된 탠덤형 구조물을 갖는 디바이스를 포함하는 유기 전기발광 디바이스가 제공된다. 플라즈몬 oled는 인버팅되거나 인버팅되지 않을 수 있다. oled들 사이에 배치된 공통 전극 또는 디바이스의 외측 전극이 스택 내의 하나 이상의 플라즈몬 oled에 대한 강화층을 제공한다.
Description
본 발명은, 역구조(inverted)이고/역구조이거나 비역구조(non-inverted)인 유기 발광 다이오드 구조물을 포함할 수 있는 템덤형 플라즈몬 구조물(tandem plasmonic structure)을 갖는 유기 발광 디바이스, 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.
실시양태에 따르면, 유기 발광 다이오드/디바이스(OLED) 또한 제공된다. OLED는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 유기층을 포함할 수 있다. 실시양태에 따르면, 유기 발광 디바이스는 소비자 제품, 전자 부품 모듈, 및/또는 조명 패널로부터 선택되는 하나 이상의 디바이스 내에 포함된다.
기판; 기판 위에 배치된 제1 유기 발광 디바이스(organic light emitting device; OLED) - 제1 OLED는 제1 유기 발광 물질의 제1 발광층을 포함함 - ; 기판 위에 그리고 제1 OLED와 스택으로 배치된 제2 OLED - 제2 OLED는 제2 유기 발광 물질의 제2 발광층을 포함함 - ; 및 기판 위에 배치된 강화층(enhancement layer) - 강화층은, 제1 유기 발광 물질 및 제2 유기 발광 물질 둘 다에 비방사적으로(non-radiatively) 결합되고 각각의 비방사적으로 결합된 유기 발광 물질로부터의 여기 상태 에너지를 비방사 모드의 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)으로 전달하는 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 플라즈몬 물질을 포함하며, 강화층은 제1 발광층 및/또는 제2 발광층으로부터 임계 거리 떨어져 배치됨 - 을 포함하는 유기 발광 디바이스가 제공된다.
강화층은, 제1 발광층 및 제2 발광층으로부터 임계 거리 떨어져 배치될 수 있다. 제1 발광층은 인광 이미터를 포함할 수 있다. 강화층은 제1 OLED와 제2 OLED 사이에 배치될 수 있고, OLED 둘 다에 대한 애노드 또는 캐소드, 또는 하나에 대한 애노드 및 다른 하나에 대한 캐소드로서 기능할 수 있다. 디바이스 내의 아웃커플링층이 디바이스로부터의 표면 플라즈몬 폴라리톤을 광자로서 아웃커플링할 수 있다. 아웃커플링층은 복수의 나노입자를 포함할 수 있고, 제1 발광층 및 제2 발광층 둘 다로부터의 광을 아웃커플링할 수 있다. OLED 중 하나는 역구조 OLED일 수 있고, 다른 하나는 비역구조 OLED 또는 역구조 OLED일 수 있다. 제1 OLED 및 제2 OLED는 서로 바로 인접하게 배치될 수 있고, 공통 애노드 또는 공통 캐소드를 공유할 수 있다. 공통 전극은 외부적으로 어드레싱가능할 수 있다. 공통 전극은 강화층일 수 있다. 제1 발광 물질 및/또는 상기 제2 발광 물질 각각은, 인광 이미터, 인광체 감광 형광 이미터(phosphor-sensitized fluorescent emitter), 열 활성화 지연 형광(thermally-activated delayed fluorescence; TADF) 이미터, 인광체 감광 TADF, 및/또는 형광 이미터를 포함할 수 있다. 각각의 OLED는 5 nm 내지 100 nm, 10 nm 내지 70 nm, 또는 20 nm 내지 50 nm의 총 두께를 가질 수 있다. 제1 OLED의 외측 전극이 제2 OLED의 외측 전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
디바이스의 최상단부 전기 접촉부가 투명 또는 반투명할 수 있다. 디바이스는 직렬로 그리고/또는 스택으로 연결된 2개 이상의 OLED를 포함할 수 있다. 디바이스는 청색, 백색, 또는 임의의 기타 희망하는 컬러 또는 컬러들의 광을 방출하도록 배열되고 구성될 수 있다. 제1 OLED 및/또는 제2 OLED는 미세공동 구조물(microcavity structure)을 형성하는 반투명층 및 반사 전극을 포함할 수 있다. 반사 전극은 강화층일 수 있다. 강화층은 디바이스의 외측 전극일 수 있다. 강화층은 제1 발광층 및 제2 발광층 위에 배치된 상단부 캐소드 또는 하단부 애노드일 수 있고, 제1 발광층 및 제2 발광층은 강화층 위에 배치된다. 디바이스는 제1 OLED 및 제2 OLED와 스택으로 배열된 하나 이상의 컬러 필터, 하향변환층(downconversion layer), 양자점, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
디바이스는 평면 패널 디스플레이, 곡면 디스플레이, 컴퓨터 모니터, 의료용 모니터, 텔레비젼, 광고판(billboard), 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(personal digital assistant; 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 간판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 유형일 수 있는 소비자 전자 디바이스일 수 있거나 소비자 전자 디바이스의 일부일 수 있다.
실시양태에서, 기판; 기판 위에 배치된 제1 유기 발광 디바이스(OLED) - 제1 OLED는 제1 유기 발광 물질의 제1 발광층을 포함함 - ; 기판 위에 그리고 제1 OLED와 스택으로 배치된 제2 OLED - 제2 OLED는 제2 유기 발광 물질의 제2 발광층을 포함함 - ; 제1 OLED와 제2 OLED 사이에 배치된 공통 전극 - 공통 전극은 15%보다 많지 않은 투명도를 가짐 - ; 및 기판 위에 배치된 강화층 - 강화층은, 제1 유기 발광 물질 및/또는 제2 유기 발광 물질에 비방사적으로 결합되고 각각의 비방사적으로 결합된 유기 발광 물질로부터의 여기 상태 에너지를 비방사 모드의 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 전달하는 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 플라즈몬 물질을 포함하며, 강화층은 제1 발광층 및/또는 제2 발광층으로부터 임계 거리 떨어져 배치됨 - 을 포함하는 유기 발광 디바이스가 제공된다.
도 1은 유기 발광 디바이스를 도시한다.
도 2는 별도의 전자 수송층을 갖지 않는 역구조 유기 발광 디바이스를 도시한다.
도 3a 내지 도 3e는, 아웃커플링층이 본원에 개시된 바와 같이 플라즈몬을 광자로서 방출하는, 플라즈몬을 형성하기 위한 공통 전극 및 IOLED와 직렬인 OLED를 포함하는 플라즈몬 탠덤형 OLED의 예를 도시한다. 도 3f는 본원에서 개시된 바와 같이 CGL 및 2개의 비역구조 OLED를 사용하는 유사한 디바이스를 도시한다. 도 3g 및 도 3h는 공통 전극이 애노드인 예를 도시한다.
도 4는 본원에 개시된 플라즈몬 탠덤형 OLED에 대해 증착 프로세스로부터 기인하는 층 정렬의 예를 도시한다.
도 5a 내지 도 5e는 아웃커플링층이 본원에 개시된 바와 같이 플라즈몬을 광자로서 방출하는, 플라즈몬을 형성하기 위한 공통 전극 및 IOLED와 직렬인 OLED를 포함하는 플라즈몬 탠덤형 OLED의 예를 도시한다.
도 6은 본원에 개시된 공유 나노입자 아웃커플링층을 갖는, 각각이 별개의 강화층을 갖는 2개의 플라즈몬 OLED를 갖는 플라즈몬 탠덤형 OLED의 예를 도시한다.
도 7a는 본원에 개시된 은막(silver film)의 강화층을 갖는 OLED 내의 발광 물질의 실시양태에 대한 은막의 표면으로부터의 거리에 대한 속도 상수의 묘사를 도시한다. 거리는 발광층에 가장 가까운 금속막 표면으로부터 발광 물질까지의 거리이다. 점선은, 방사성 속도가 비방사성 속도와 동일하고 본원에 개시된 임계 거리(1)인 거리를 표시한다.
도 7b는 본원에 개시된 속도 상수가 식 3에서 설명된 바와 같이 예시 성분으로 구분된 은막의 강화층을 갖는 OLED 내의 발광 물질의 실시양태에 대한 은막의 표면으로부터의 거리에 대한 속도 상수의 묘사를 도시한다. 거리는 발광층에 가장 가까운 금속막 표면으로부터 발광 물질까지의 거리이다.
도 7c는 본원에 개시된 도 7 및 도 8에서의 속도 상수에 대해 플롯팅된 은막의 강화층을 갖는 OLED 내의 발광 물질의 실시양태에 대한 은막의 표면으로부터의 거리에 대한 광자 산출을 도시한다. 이 실시양태에서 아웃커플링 구조물이 강화층의 일부가 아니거나 강화층 근처에 없으므로 모든 비방사성 결합이 열로서 소산된다.
도 7d는 본원에 개시된 도 7a 및 도 7b에서의 속도 상수에 대해 플롯팅된 은막의 강화층을 갖는 OLED 내의 발광 물질의 실시양태에 대한 은막의 표면으로부터의 거리의 함수로서 OLED의 온도를 도시한다. 이 실시양태에서 아웃커플링 구조물이 강화층의 일부가 아니거나 강화층 근처에 없으므로 모든 비방사성 결합이 열로서 소산되며 이는 이어서 OLED의 온도를 증가시킨다.
도 7e는 모델링된 P 편광된 광루미네선스(modeled P-polarized photoluminescence)를 본원에 개시된 상이한 VDR에 대한 각도의 함수로서 도시한다. 이 예에서, 1.75의 인덱스를 갖는 물질의 30 nm 두께 막이 있고 방출이 1.75의 인덱스의 반무한 매질(semi-infinite medium)에서 모니터링된다. 각각의 곡선은 막의 표면에 수직인 0도의 각도에서 1의 광루미네선스 강도로 정규화된다. 이미터의 VDR이 변화됨에 따라, 45도 부근의 피크가 크게 증가한다. 실험 데이터의 VDR을 피팅하기 위해 소프트웨어를 사용할 때, 모델링된 VDR은 모델링된 데이터와 실험 데이터 사이의 차이가 최소화될 때까지 변화될 것이다.
도 7f는 본원에 개시된 방출된 광의 파장을 선택하기 위해 전압 조정 가능 굴절률을 갖는 유전체 물질을 사용하는 나노입자 기반 아웃커플링 요소를 형성하도록 배열된 강화층 및 나노입자를 도시한다.
도 7g, 도 7h, 및 도 7i는 본원에 개시된 강화층에 근접한 하나 이상의 방출 아웃커플링층의 예를 도시한다.
도 2는 별도의 전자 수송층을 갖지 않는 역구조 유기 발광 디바이스를 도시한다.
도 3a 내지 도 3e는, 아웃커플링층이 본원에 개시된 바와 같이 플라즈몬을 광자로서 방출하는, 플라즈몬을 형성하기 위한 공통 전극 및 IOLED와 직렬인 OLED를 포함하는 플라즈몬 탠덤형 OLED의 예를 도시한다. 도 3f는 본원에서 개시된 바와 같이 CGL 및 2개의 비역구조 OLED를 사용하는 유사한 디바이스를 도시한다. 도 3g 및 도 3h는 공통 전극이 애노드인 예를 도시한다.
도 4는 본원에 개시된 플라즈몬 탠덤형 OLED에 대해 증착 프로세스로부터 기인하는 층 정렬의 예를 도시한다.
도 5a 내지 도 5e는 아웃커플링층이 본원에 개시된 바와 같이 플라즈몬을 광자로서 방출하는, 플라즈몬을 형성하기 위한 공통 전극 및 IOLED와 직렬인 OLED를 포함하는 플라즈몬 탠덤형 OLED의 예를 도시한다.
도 6은 본원에 개시된 공유 나노입자 아웃커플링층을 갖는, 각각이 별개의 강화층을 갖는 2개의 플라즈몬 OLED를 갖는 플라즈몬 탠덤형 OLED의 예를 도시한다.
도 7a는 본원에 개시된 은막(silver film)의 강화층을 갖는 OLED 내의 발광 물질의 실시양태에 대한 은막의 표면으로부터의 거리에 대한 속도 상수의 묘사를 도시한다. 거리는 발광층에 가장 가까운 금속막 표면으로부터 발광 물질까지의 거리이다. 점선은, 방사성 속도가 비방사성 속도와 동일하고 본원에 개시된 임계 거리(1)인 거리를 표시한다.
도 7b는 본원에 개시된 속도 상수가 식 3에서 설명된 바와 같이 예시 성분으로 구분된 은막의 강화층을 갖는 OLED 내의 발광 물질의 실시양태에 대한 은막의 표면으로부터의 거리에 대한 속도 상수의 묘사를 도시한다. 거리는 발광층에 가장 가까운 금속막 표면으로부터 발광 물질까지의 거리이다.
도 7c는 본원에 개시된 도 7 및 도 8에서의 속도 상수에 대해 플롯팅된 은막의 강화층을 갖는 OLED 내의 발광 물질의 실시양태에 대한 은막의 표면으로부터의 거리에 대한 광자 산출을 도시한다. 이 실시양태에서 아웃커플링 구조물이 강화층의 일부가 아니거나 강화층 근처에 없으므로 모든 비방사성 결합이 열로서 소산된다.
도 7d는 본원에 개시된 도 7a 및 도 7b에서의 속도 상수에 대해 플롯팅된 은막의 강화층을 갖는 OLED 내의 발광 물질의 실시양태에 대한 은막의 표면으로부터의 거리의 함수로서 OLED의 온도를 도시한다. 이 실시양태에서 아웃커플링 구조물이 강화층의 일부가 아니거나 강화층 근처에 없으므로 모든 비방사성 결합이 열로서 소산되며 이는 이어서 OLED의 온도를 증가시킨다.
도 7e는 모델링된 P 편광된 광루미네선스(modeled P-polarized photoluminescence)를 본원에 개시된 상이한 VDR에 대한 각도의 함수로서 도시한다. 이 예에서, 1.75의 인덱스를 갖는 물질의 30 nm 두께 막이 있고 방출이 1.75의 인덱스의 반무한 매질(semi-infinite medium)에서 모니터링된다. 각각의 곡선은 막의 표면에 수직인 0도의 각도에서 1의 광루미네선스 강도로 정규화된다. 이미터의 VDR이 변화됨에 따라, 45도 부근의 피크가 크게 증가한다. 실험 데이터의 VDR을 피팅하기 위해 소프트웨어를 사용할 때, 모델링된 VDR은 모델링된 데이터와 실험 데이터 사이의 차이가 최소화될 때까지 변화될 것이다.
도 7f는 본원에 개시된 방출된 광의 파장을 선택하기 위해 전압 조정 가능 굴절률을 갖는 유전체 물질을 사용하는 나노입자 기반 아웃커플링 요소를 형성하도록 배열된 강화층 및 나노입자를 도시한다.
도 7g, 도 7h, 및 도 7i는 본원에 개시된 강화층에 근접한 하나 이상의 방출 아웃커플링층의 예를 도시한다.
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 디자인, 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 기술된 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 기술된 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, 방출층은 호스트 매트릭스 내의 방출 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 초기 광을 방출하는 것이며, 이는 컬러 필터 또는 디바이스 내에서 초기 광을 스스로 방출하지 않는 다른 색 변경층과 같은 다른 층에 의해 변경될 수 있지만 발광층에 의해 방출된 초기 광에 기초하여 상이한 스펙트럼 함량의 변경된 광을 재방출할 수 있다. 본원에서 개시된 일부 실시양태에서, 컬러 변경층, 컬러 필터, 상향변환, 및/또는 하향변환층은 OLED 디바이스의 전극 위 또는 아래와 같이, OLED 디바이스의 외측에 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 기술된 열 증발, 잉크-제트, 미국 특허 제6,337,102호(Forrest 등)(이 특허 문헌은 그 전문이 참고로 포함됨)에 기재된 유기 기상 증착(OVPD) 및 미국 특허 제7,431,968호(이 특허 문헌은 그 전문이 참고로 포함됨)에 기재된 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 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 플라즈몬 폴라리톤으로 전달하는 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 플라즈몬 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 플라즈몬 모드로부터 에너지를 아웃커플링한다. 아웃커플링층은 표면 플라즈몬 폴라리톤으로부터의 에너지를 산란시킨다. 일부 실시양태에서 이 에너지는 광자로서 자유 공간에 산란된다. 다른 실시양태에서, 에너지는 표면 플라즈몬 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 플라즈몬 물질, 광학 활성 메타물질, 또는 하이퍼볼릭 메타물질로 구성될 수 있다. 본원에서 사용되는 플라즈몬 물질은 전자기 스펙트럼의 가시 광선 또는 자외선 영역에서 유전 상수의 실수부가 0과 교차하는 물질이다. 일부 실시양태에서, 플라즈몬 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. 플라즈몬 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 추가로 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.
탠덤형 OLED, 즉 2개 이상의 OLED가 단일 수직 스택으로 배열된 디바이스는 이들이 향상된 디스플레이 밝기 및 수명을 가능하게 하므로 더 보편화되고 있다. 예를 들어, 탠덤형 OLED 아키텍처에 기초하여 Gen 6 또는 더 큰 OLED 디스플레이 제조를 구현하기 위해 상당한 상업적 투자가 이루어지고 있다. 본원에서 개시된 실시양태는, 탠덤형 디바이스 스택 내의 적어도 2개의 OLED가 공통 강화층으로부터의 플라즈몬 강화로부터 이익을 얻는 탠덤형 OLED 구조물을 제공한다. 그 개시 전체가 포함된 미국 특허 제11,056,540호에 개시된 것과 같은 일부 최근 디바이스가 플라즈몬 강화를 갖춘 탠덤형 OLED를 기술한다. 그러나, 이러한 디바이스는, 두 스택들 사이에 개재 CGL을 갖는, 종래의 비플라즈몬 OLED를 갖는 공통 스택 위에 그리고 내에 제작된 단일 스택 플라즈몬 OLED를 사용한다. 대조적으로, 본원에서 개시된 실시양태는 CGL을 필요로 하지 않고 다수의 플라즈몬 효과를 가능하게 한다.
도 3a 내지 도 3f는 스택 내의 적어도 2개의 OLED 구조물에 대한 플라즈몬 강화를 제공하는 공통 강화층을 포함하는 탠덤형 구조물의 예를 도시한다. 각각의 디바이스는 중앙 공통 캐소드(320) 또는 CGL(322)에 의해 제공될 수 있는 강화층 및 2개의 방출층(330, 360)을 포함한다. 강화층은, 양 방출층(330, 360) 내의 유기 방출 물질에 비방사적으로 결합된, 표면 플라즈몬 공진을 나타내는 플라즈몬 물질을 포함할 수 있다. 플라즈몬 물질은 각각의 비방사적으로 결합된 유기 방출 물질(즉, 방출층(330, 360) 내의 방출 물질)로부터의 여기 상태 에너지를 비방사 모드의 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 전달한다. 강화층은 방출층(330, 360) 중 하나 또는 둘 다의 임계 거리 내에 배치될 수 있고, 임계 거리는 본원에서 앞서 정의된 범위와 동일한 범위이다. 도 3a 내지 도 3f에 도시된 구조물은, 각각이 2개의 외측 전극 및 모든 개재층을 포함하는 2개의 OLED를 포함하는 것으로서 기술될 수 있다. 예를 들어, 도 3a에서, 제1 OLED는 애노드(311), 캐소드(320), 및 모든 개재층(350, 355, 360, 365, 370)을 포함한다. 제2 OLED는, 나노입자 또는 다른 아웃커플링 구조물(305)과 같은 이 층 내의 임의의 기타 성분을 포함하여, 애노드(310), 캐소드(320), 및 모든 개재층(315, 325, 330, 335, 340)을 포함한다. 도 1 및 도 2와 관련하여 기술되고 본 분야에 알려진 층 및 성분 중 임의의 것을 포함하여, 기타 층이 OLED에 포함될 수 있다.
추가 OLED 또는 역구조 OLED(inverted OLED; IOLED) 디바이스가 기본 구조물 주위에 성장되거나 도 3a 내지 도 3f에 도시된 스택 구조물 내에 포함될 수 있다. 일부 실시양태에서, 임의의 이러한 추가 OLED가 도시된 공통 강화층으로 인한 플라즈몬 강화로부터 이익을 얻을 수 있거나, 또는 이들이 비플라즈몬 OLED일 수 있거나, 또는 이들이 도시된 공통 강화층과는 별도로 플라즈몬 강화를 제공하는 별도의 그리고 별개의 강화층을 포함하는 플라즈몬 OLED일 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 비역구조 OLED 위에 배치된 역구조 OLED를 포함하는 예시 디바이스를 도시하고; 도 3g 및 도 3h는, IOLED 위에 OLED가 배치된 예시 디바이스 구조물을 도시한다. 본원에서 사용한 바와 같이, "역구조" OLED는 도 2와 관련하여 앞서 도시되고 기술된 바와 같이, 캐소드가 동일한 OLED 구조물의 애노드보다 주 지지 기판(primary supporting substrate)에 더 가까운 OLED이다. 반대로, "비역구조" 또는 "일반" OLED는, 역구조 OLED와 구별할 때 "OLED"로 지칭될 수 있는, 애노드가 도 1에 도시된 주 지지 기판에 더 가까운 OLED이다. 본원에 개시된 역구조 OLED 및 비역구조 OLED 둘 다를 포함하는 디바이스에서, 디바이스 전압은 단일 스택 OLED(즉, 방출 스택에 단일 개별 OLED만을 포함하는 디바이스)에 대한 전압과 동일하거나 거의 동일하지만, 밝기 및 수명은 탠덤 디바이스의 밝기 및 수명과 유사하다.
공통 캐소드(320) 또는 공통 애노드(395)가 2개의 디바이스 사이에 배치되고, 본원에서 사용한 바와 같이, 각각의 디바이스의 일부인 것으로 간주된다. 즉, 도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 역구조 OLED는 애노드(310), 공통 캐소드(320), 및 모든 개재층을 포함하거나 이들에 의해 정의되는 것으로서 기술될 수 있고, 한편 비역구조 OLED는 공통 캐소드(320), 애노드(311), 및 모든 개재층을 포함하거나 이들에 의해 정의되는 것으로서 기술될 수 있다. 전체 디바이스가 기판(300) 위에 배치되고, 제작 동안 기판(300) 상에 성장되거나 증착될 수 있다. 역구조 OLED에서, 공통 캐소드(320)가 애노드(310)보다 기판에 더 가깝고; 비역구조 OLED에서, 애노드(311)가 공통 캐소드(320)보다 기판(300)에 더 가깝다. 역구조 OLED는 애노드(310), 공통 캐소드(320), 및 이들 사이의 도시된 모든 층(315 내지 340)을 포함하고; 마찬가지로, 비역구조 OLED는 공통 캐소드(320), 개별 애노드(311), 및 이들 사이의 모든 층(350 내지 370)을 포함한다.
공통 캐소드(320)는 스택에서, 본원에서 개시된 하나 이상의 플라즈몬 디바이스에 대한 강화층으로서 작용하고 이를 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서, 별도의 강화층이 OLED들 사이에 배치될 수 있고, 예를 들어, 공통 캐소드(320)가 다수의 층 또는 영역을 포함하며, 이들 중 일부가 하나 또는 두 OLED에 캐소드를 제공하고, 이들 중 다른 것이 강화층을 제공한다. 공통 캐소드(320)는 2개의 OLED "사이에" 배치된 것으로 설명될 수 있지만, 이는 또한 각각의 OLED의 일부로 간주된다.
OLED 각각은 OLED 스택에 통상적으로 사용되는 일부의, 임의의, 또는 모든 층을 포함할 수 있다. 도 3a 내지 도 3h에 도시된 예시에서, 각각의 디바이스는 도시된 바와 같은 다음의 층을 포함한다:
정공 주입 및/또는 수송층(315, 370)
전자 차단층(325, 365)
방출층(330, 360)
정공 차단층(335, 355)
전자 주입 및/또는 수송층(340, 350)
보다 일반적으로, 본원에 개시된 디바이스 내의 임의의 비역구조 OLED 또는 역구조 OLED는, 본 분야에 OLED 구조물에 대해 알려진 물질, 조합, 배열 등 중 임의의 것을 포함하여, 도 1과 관련하여 도시되고 기술된 임의의 층을 포함할 수 있다. 특히, 각각의 OLED 내의 층은 별도의 디바이스에 대해 예상되는 바와 같이 공통 캐소드 및 각각의 별도의 애노드에 대해 배열된다. 예를 들어, 전자 주입/수송층 또는 층(340, 350)은 공통 캐소드(320)에 가까이 배치되고, 한편 정공 주입 및 수송층은 공통 캐소드(320)로부터 더 멀리 떨어져 그리고 각각의 각자의 애노드(310, 311)에 가까이 배치된다. 마찬가지로, 전자 수송층(340, 350)은 대응하는 방출층(330, 360) 각각보다 공통 캐소드(320)에 각각 더 가까이 배치될 수 있다. 공통 전극(320)이 애노드인 배열에서, 전자 수송층(340, 350)이 각각 대응하는 방출층(330, 360)보다 공통 애노드로부터 더 멀리 떨어져 배치되도록 반대 배열이 사용될 수 있다. 공통 애노드가 사용될 때(즉, 도 3에서의 배열의 반대), 정공 수송층(320, 370)이 각각 대응하는 방출층(330, 360)보다 공통 애노드에 가까이 배열될 수 있거나; 또는 정공 수송층(320, 370)이 도 3에 도시된 바와 같이 공통 캐소드(320)로부터 더 멀리 떨어져 배치될 수 있다. 도 3g 내지 도 3h는, 공통 전극이 공통 애노드(395)이고 외측 전극이 캐소드(390, 391)인 예시 배열을 도시한다. 나노입자 아웃커플링층(305)의 예시적인 배열로 도시되지만, 보다 일반적으로 아웃커플링 성분(305)은, 중앙 전극 및 기판(300)에 대해 도 3a 내지 도 3f에 도시된 배치를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌, 본원에 개시된 스택 내의 임의의 적절한 위치에 배치될 수 있다. 스택은, 정공 주입 및/또는 수송층(315), 전자 차단층(325), 방출층(330), 또는 정공 차단층(335)과 같은, 도시된 바와 같은 임의의 층의 하나의 엣지 표면에 배열될 수 있는, 나노입자의 배열과 같은 아웃커플링 성분(305)을 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3c 내지 도 3f는 아웃커플링 성분(305)이 이러한 배열인 배열을 도시한다. 보다 일반적으로, 임의의 적합한 아웃커플링 구조물이 도 3b에 도시된 바와 같이 사용될 수 있고; 이러한 컴포넌트는 나노입자 배열에 대해 도시된 배열과 유사하게 층 계면에, 또는 본 분야에 알려진 임의의 기타 적합한 배치 및 배열로 배열될 수 있다.
도 3f는, 스택 내의 두 OLED가 공통 전하 생성층(charge generation layer; CGL)(322)을 갖는 비역구조 OLED인 배열을 도시한다. 이 예에서, 하나의 OLED는 캐소드(321), CGL(322), 및 모든 개재층에 의해 정의되고; 다른 하나의 OLED는 CGL(322), 애노드(311), 및 모든 개재층에 의해 정의된다. 이러한 구조물에서 알려진 바와 같이, CGL은 스택 내의 각각의 OLED에 대한 전극으로서의 기능을 하고 이를 제공할 수 있다. 즉, 이는 상부 디바이스에 대한 애노드로서(상단부 캐소드(321)와 함께 동작함), 그리고 하단부 디바이스에 대한 캐소드로서(애노드(311)와 함께 동작함) 기능할 수 있다. CGL이 또한 하나 또는 두 디바이스에 대한 강화층으로서 작용하고 이를 제공할 수 있기 때문에, 이 구조에서 강화층은 하나의 디바이스에 대한 애노드로서 그리고 다른 하나에 대한 캐소드로서 작용한다. 보다 일반적으로, 2개의 OLED 사이에 배치되고 2개의 OLED의 일부를 형성하는 CGL은 각각의 OLED에 대한 애노드 또는 캐소드로서 작용할 수 있고, 이 구성에서의 각각의 OLED는 비역구조 OLED 또는 역구조 OLED일 수 있다.
도 3a 내지 도 3h에 도시된 모든 디바이스 구조물은, 기판이 애노드(311) 아래 대신 다른 층 위에 배치되도록 그 전체가 역구조일 수 있다. 즉, 디바이스는, 도 3a 내지 도 3e의 애노드(310), 도 3f의 캐소드(321), 또는 도 3g 내지 도 3h의 캐소드(390)가 기판에 인접하게 배치되도록 배열될 수 있다. 이러한 배열의 하나의 효과는, 아웃커플링 성분(305)이 도 3a 내지 도 3e의 역구조 OLED 내, 및 도 3g 내지 도 3h의 역구조 OLED 내 대신 비역구조 OLED(즉, 도 3a 내지 도 3e에 도시된 바와 같이 기판에 가장 가까운 OLED) 내에 배치되는 것이다.
도 3a 내지 도 3h에 도시된 예에서, 스택 내의 적어도 하나의 OLED는, 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 강화층으로서 작용하도록 배열되고 구성된 캐소드를 포함하는 플라즈몬 OLED이다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3f의 캐소드(320)는 역구조 OLED 및 비역구조 OLED 둘 다에 대한 강화층일 수 있다. 나노입자 기반 아웃커플링층과 같은 아웃커플링층(305)은 일반적으로, 유기 물질을 포함하는 유전체에 의해 분리된, 제1(하부) OLED 스택에 대한 공통 캐소드(320)의 다른 측 상에 배치될 수 있다. 아웃커플링층(305)은 공통 캐소드(320)와 같은 강화층의 플라즈몬 모드에서 에너지를 변환하고, 그 에너지를 광자로서 방사한다. 본원에 개시된 아웃커플링층은 도 3b에 도시된 바와 같이 OLED 내의 임의의 유기층 또는 기타 층과 구별되는 별도의 층일 수 있거나, 또는 이는 하나 이상의 층의 일부 내에 임베딩된 나노입자 또는 기타 성분으로 형성될 수 있다. 아웃커플링층은 하나 또는 두 OLED에 의해 생성된 광, 즉 스택 내의 각각의 OLED의 EML(330) 및/또는 EML(360)에 의해 초기에 생성된 광을 아웃커플링할 수 있다.
일부 실시양태에서, 스택 내의 두 OLED는 플라즈몬 OLED일 수 있다. 즉, 캐소드(320)는 역구조 OLED 및 비역구조 OLED 둘 다에 대한 강화층일 수 있다. (기판(300)에 더 가까운) 하단부 플라즈몬 OLED의 아웃커플링층(305)은 상부 OLED 스택 - 이 경우 역구조 OLED - 의 중간에 형성된다. 제2 EML(330)은 도 3a 내지 도 3c에 도시된 배열에서와 같이, 공통 캐소드(320)와 아웃커플링층(305)의 나노입자 사이에 배치될 수 있다. 제2 EML(330)에서 생성된 엑시톤은 또한 공통 캐소드(320)에 의해 제공되는 강화층에 결합되고, 아웃커플링층(305)에 의해 광자로서 방사될 것이다. 이 방식으로, 두 스택으로부터의 엑시톤이 강화층/공통 캐소드(320)에 의해 ??칭되고 광자로서 방사된다.
도 3a 내지 도 3e 및 도 3g 내지 도 3h에 도시된 역구조 OLED 및 비역구조 OLED를 포함하는 탠덤형 디바이스는, 중앙 공통 전극(320)이 예를 들어 은으로 제조되거나 은을 포함하는 플라즈몬 강화층이기 때문에, 탠덤형이 2스택 디바이스이면 (도 3f의 CGL(322)과 같은) CGL을 필요로 하지 않는다. 중앙 공통 캐소드(320)는 외부적으로 어드레싱가능하고, 전체 탠덤형 디바이스는 단일 스택 OLED와 유사한 동작 전압을 갖는다. 2개의 애노드(310, 311)가 전기적으로 연결될 수 있거나 또는 독립적으로 구동될 수 있다. 결과적으로, 전체 디바이스는 램버시안 방출 프로파일(Lambertian emission profile)에 가까운 긴 동작 수명, 높은 효율, 및 낮은 전압을 가질 것이다.
도 3a 내지 도 3e에 도시된 디바이스는 2개의 외부 애노드 연결부 및 1개의 외부 캐소드 연결부를 포함할 수 있다. 유사하게, 도 3g 내지 도 3h에 도시된 디바이스는 2개의 외부 캐소드 연결부 및 1개의 외부 애노드 연결부를 가질 수 있다. 포토리소그래피(eLeap) 또는 기타 기술과 같은 패터닝 기술이 도 3a 내지 도 3e의 중앙 공통 캐소드(320) 또는 도 3g 내지 도 3h의 공통 애노드(395)에의 전기적 연결부를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 도 4는 하부 애노드(311) 및 중앙 공통 캐소드(320)에의 외부 연결부가 기판(300) 상에 패터닝된, 상이한 제작 및 패터닝 접근법으로의 유사한 디바이스를 도시한다. 이 구성에서, 하부 OLED(302) 내의 유기층들은 애노드(311) 위에 마스크를 통해 증착되고, 증착된 캐소드가 애노드에 직접적으로 단락되지 않도록 애노드를 넘어 연장될 수 있다. 이어서 중앙 공통 캐소드(320)가 기판(300) 상의 패터닝된 캐소드 전극(321)에도 연결되도록 증착된다. 최종적으로 상단부 OLED(301) 및 상단부 애노드(310) 내의 유기층이 증착된다. 방출층(emissive layer; EML)은 예를 들어, 상이한 컬러 서브픽셀을 정의하기 위해 미세 금속 마스크로 증착될 수 있다. 유사한 프로세스가 도 3g 내지 도 3h에 도시된 배열에 대해 층 순서가 적절히 변경되어 수행될 수 있다. 도 4는 또한, 전기적 연결부 등을 가능하게 하기 위한 OLED(301, 302) 내의 다양한 층의 상대적인 엇갈린(staggered) 포지셔닝의 구성의 과장도를 도시한다. 도 3a 내지 도 3h에 도시된 아웃커플링층은 본원에 개시된 임의의 배열로 IOLED(301) 또는 OLED(302) 내에 배치될 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 2개의 EML(330, 360)을 포함하는 본원에 개시된 디바이스에 대한 기타 예시적 구성을 도시한다. 앞서 개시된 바와 같이, 하나의 방출 영역(360)은 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 강화층으로서 작용하도록 설계된 캐소드와 플라즈몬 OLED 내에 있다. 나노입자 기반 아웃커플링층과 같은 아웃커플링 성분(305)은, 유기 물질을 포함하는 유전체에 의해 분리된, 제1 스택으로부터 떨어진 공통 캐소드(320)의 다른 측 상에 배치된다. 아웃커플링층(305)은 강화층/공통 캐소드(320)의 플라즈몬 모드에서 에너지를 변환하고, 그 에너지를 광자로서 방사한다. 제1 플라즈몬 OLED의 아웃커플링층(305)은, 제2 EML(330)이 아웃커플링층(305)의 나노입자 후에 증착되도록 제2 OLED 스택, 이 경우 역구조 OLED에 형성된다. 제2 EML(330)에서 생성된 엑시톤은 또한 아웃커플링층(305) 내의 나노입자에 직접적으로 결합되고, 이어서 광자로서 방사될 수 있다. 도 3a 내지 도 3f에서와 같이, 기판(300)은 디바이스의 어느 한 측에 위치될 수 있는데, 즉 이는 도시된 바와 같이 디바이스 아래 대신 디바이스 위에 배치될 수 있다.
도 6은 본원에 개시된 2개의 EML을 포함하는 디바이스의 다른 예를 도시한다. 각각의 방출 영역(330, 360) 및 대응하는 플라즈몬 스택은 자신의 강화층(331, 361)을 각각 갖지만, 두 강화층의 플라즈몬 모드에서 에너지를 아웃커플링하는 단 하나의 아웃커플링층(305)이 있다. 이 실시양태에서, 아웃커플링층(305)을 형성하기 위해 나노입자가 임베딩된 매트릭스가 부분적으로 또는 상당히 전하에 대해 전도성이면, (Ag 전극과 같은) 2개의 강화층(331, 361)이 OLED 디바이스에 대한 하나의 전기 접촉부로서 취급될 수 있다.
도 3a 내지 도 3h 및 도 5a 내지 도 5e의 방출층(330)을 포함하는 상단부 OLED와 같은 본원에 개시된 플라즈몬 디바이스는, 공통 캐소드(320), 공통 애노드(395), 또는 CGL(322)의 두께를 제외하고, 5nm 내지 100nm, 10nm 내지 70nm, 또는 20nm 내지 50nm 범위 내의 총 두께를 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 공통 캐소드(320), 공통 애노드(395), 및 CGL(322)은 스택 내의 플라즈몬 디바이스에 대한 강화층을 제공하지 않을 수 있다. 대신, 애노드(310), 애노드(311), 캐소드(321), 캐소드(390), 캐소드(391)와 같은 상단부 또는 하단부 전극, 또는 본원에 개시된 스택 내의 임의의 기타 외측 전극은 스택 내의 플라즈몬 디바이스에 대한 강화층으로서 기능할 수 있다. 도 3a 내지 도 3e, 도 3g 및 도 3h에 도시된 것과 같은 OLED 및 IOLED를 사용하는 이러한 실시양태에서, 공통 전극은 얇은 CGL일 수 있다. 즉, 도 3a 내지 도 3e의 공통 캐소드(320) 또는 공통 애노드(395)는, 별도의 외부 전기적 연결부을 갖지 않을 수 있는, 도 3f에 도시된 CGL(322)과 같은 CGL에 의해 대체될 수 있다. EML(330, 360)은 둘 다 여전히 이러한 상단부 공통 강화층으로부터 임계 거리 내에 있을 수 있다. 하단부 디바이스에 대한 강화 효과가 더 큰 거리로 인해 상단부 스택만큼 상당하지 않을 수 있지만, 이러한 구성에서도 종래의 탠덤형 디바이스에 비해 전체 디바이스 성능이 여전히 향상된다.
예시 목적을 위해 다양한 특정층에 도시되어 있지만, 본원에 개시된 아웃커플링층, 특히 나노입자의 층 또는 기타 배열이 임의의 디바이스층에 위치될 수 있고, 일부 실시양태에서, 나노입자가 단일 디바이스층에 완전히 포함되지 않을 수 있다. 즉, 본원에 개시된 아웃커플링 효과를 제공하기 위해 사용되는 나노입자 또는 다른 구조물이 다수의 층으로 확장 또는 돌출될 수 있다. 이는 예를 들어, 아웃커플링층 내의 적어도 일부 나노입자가 단일층의 두께보다 더 큰 경우일 수 있다. 층(들)이 층 내의 모든 나노입자를 컨포멀하게(conformally) 코팅하지 않을 수 있는 경우(특히 샤프한 엣지를 갖는 나노입자의 경우), 나노입자는 나노입자 아웃커플링층에 인접한 기타 층으로 돌출될 수 있다. 보다 일반적으로, 하나 이상의 층은 층의 일부 내에 분산되거나 배열된 나노입자를 포함할 수 있거나, 또는 다수의 아웃커플링 성분이 디바이스 스택 및/또는 하나 이상의 층 내에 포함될 수 있다.
본원에 개시된 임의의 디바이스 구조물에서, 도 3f의 상단부 애노드(310) 및 캐소드(321)는, (은 캐소드와 같은) 공통 캐소드(320) 및 IOLED에 대한 반투명 애노드에 기초하여 상부 OLED로부터의 공동 방출을 제공하기 위해, 예를 들어 ITO 캐소드와 직렬로 얇은 금속의 배치에 의해 반투명할 수 있다. 본원에서 사용한 바와 같이, "반투명"은 가시 스펙트럼에 대해 적어도 5%, 더 바람직하게 10%, 더 바람직하게 20% 광학 투과도를 갖는 층 또는 층들을 지칭한다. 이러한 디바이스는 공동 기반 방출에 대해 공통적인 것과 같이 비램버시안 방출(non-Lambertian emission)을 유도할 수 있다. 램버시안 방출은 통상적으로 매우 바람직하지만, 일부 경우에서 공동 방출은, 특히 캐비티가 디바이스에 수직인 방향으로 방출을 포커싱하면서, 예를 들어, 진청색 방출 스펙트럼을 제공하기 위해 방출 색상을 수정할 수 있기 때문에 바람직하거나 유리할 수 있다. 보다 일반적으로, 방출층, 색상 변경층 또는 성분, 양자점, 컬러 필터, 하향변환층 또는 요소, 또는 이들의 조합의 임의의 희망하는 조합이 청색, 진청색, 녹색, 황색, 호박색(amber), 적색, 근적외선, 및 백색광을 포함하는 탠덤형 디바이스의 희망하는 출력 스펙트럼을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구성에서, 앞서 개시된 추가적인 OLED가, 예를 들어 백색광을 생성할 수 있는 적색/녹색/청색 스택을 제공하기 위해 스택에 직렬로 배열될 수 있다. 다른 예로서, 청색/청색/청색 스택, 녹색/녹색/녹색 스택 등과 같은 다수의 방출층을 갖는 단색 스택이 사용될 수 있다. 청색/청색/녹색, 청색/녹색/청색, 청색/청색/청색/녹색 등과 같은 다색이지만 비백색 생성 스택이 또한 사용될 수 있다. 일부 경우에서, 적색/녹색/적색, 진청색/광 청색/녹색/광 청색/진청색 등과 같이 중앙층으로부터 외측으로 이동시키기 위해, 중앙층의 각각의 측 상에 동일한 순서의 방출층이 반복되는 "대칭" 스택이 사용될 수 있다. 보다 일반적으로, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 또는 임의의 수의 OLED가 본원에 개시된 바와 같이 스택으로 직렬로 배열될 수 있고, OLED 중 적어도 2개가 앞서 개시된 바와 같이 강화층에 결합되는 방출 물질을 포함한다.
방출층(330, 360)과 같은 본원에 개시된 방출층은 하나 이상의 유기 방출 물질("이미터")을 포함할 수 있다. 각각의 방출 물질은, 인광 이미터, 인광체 감광 형광 이미터, 열 활성화 지연 형광(TADF) 이미터, 인광체 감광 TADF, 또는 형광 이미터일 수 있다.
공통 캐소드(320)를 갖는 것으로서 설명되고 도시되었지만, 본원에 개시된 탠덤형 구조물은 공통 애노드를 대신 사용할 수 있고, 이 경우 각각의 디바이스 스택 내의 층의 순서가 역일 수 있다. 즉, 디바이스는, 각각의 디바이스가 공통 애노드에 더 가까운 HIL/HTL, 및 디바이스의 외측 캐소드에 더 가까운 EIL/ETL을 갖도록 배열될 수 있다. 다른 층은 본 분야 알려진 층 배열 뿐만 아니라, 도 1 및 도 2의 단일(비탠덤형) 디바이스에 대해 도시된 예에 기초하여 예상될 수 있는 캐소드 및 공통 애노드에 대해 배열될 수 있다.
일부 실시양태에서, 외측 전극(310, 311)은, (이들이 애노드 또는 캐소드인지 여부에 관계없이) 역구조 OLED(301) 및 비역구조 OLED(302)가 전기적으로 평행하게 배열되도록, 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 구성에서, OLED 및 IOLED는 동작 동안 동일한 전압을 나타낼 수 있고, 한편 전체 디바이스는 전체적으로 동일한 구동 전류에 대해 어느 한 디바이스의 전압의 120% 내지 150%보다 많지 않은 전압을 갖는다. 대조적으로, 유사한 종래의 탠덤형 디바이스는, 동일한 전류 및 휘도에서 동작될 때 어느 한 개별 OLED/IOLED 디바이스의 2배 전압(200%)을 필요로 할 것이다.
많은 경우에서, 중앙 및/또는 공통 전극이 가시 스펙트럼에 걸쳐 적어도 5%, 10%, 15%, 또는 20%의 투명도를 갖는 것과 같이, 개시된 바와 같이 적어도 반투명인 것(또는, 2개보다 많은 OLED를 갖는 스택에서, 각각의 개재 전극 및/또는 CGL이 적어도 반투명인 것)이 바람직할 것이고, 일부 구성에서, 하나 이상의 이러한 층이 덜 투명한 것, 즉, 최대 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 85% 이상인 것, 가시 및/또는 근IR 스펙트럼에 걸쳐 투명한 것(즉, 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 85% 이상보다 많지 않은 투명도)이 허용가능할 수 있다. 이러한 디바이스는 본원에서 설명되는 다른 효과로부터 여전히 이익을 얻을 수 있다. 예를 들어, 이러한 스택 내의 하나의 OLED에 의해 생성된 광의 적어도 일부는, 불투명 또는 덜 투명한 공통 전극 또는 CGL층으로 인해 디바이스로부터 직접적으로 방출되지 않을 수 있고, 본원에 개시된 플라즈몬 OLED 내의 층 또는 다른 구조물로부터의 아웃커플링이 여전히 이러한 생성된 광을 사용할 수 있다.
일부 실시양태에서, 본원에 개시된 OLED는 예를 들어, 앞서 개시된 OLED의 방출층 또는 기타 층에서 인광 감광제(phosphorescent sensitizer)로서 사용될 수 있는 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 디바이스에서, OLED 내의 하나 또는 다수의 층이 하나 이상의 형광 및/또는 지연 형광 이미터의 형태로 억셉터를 포함한다. 일부 실시양태에서, 화합물은 감광제로서 사용될 엑시플렉스의 하나의 성분으로서 사용될 수 있다. 인광 감광제로서, 화합물은 억셉터로의 에너지 전달이 가능해야 하고, 억셉터는 에너지를 방출하거나 또는 최종 이미터로 에너지를 또한 전달할 것이다. 억셉터 농도는 0.001% 내지 100%의 범위일 수 있다. 억셉터는 인광 감광제와 동일한 층 내에 또는 하나 이상의 상이한 층 내에 있을 수 있다. 일부 실시양태에서, 억셉터는 TADF 이미터이다. 일부 실시양태에서, 억셉터는 형광 이미터이다. 일부 실시양태에서, 방출은 감광제, 억셉터, 및 최종 이미터 중 임의의 것 또는 모두로부터 발생할 수 있다. 감광제 물질은 본원에 개시된 강화층에 결합되는 방출 물질일 수 있거나, 또는 이는 본원에 개시된 형광 이미터 또는 TADF 이미터에 에너지를 전달할 수 있다.
추가적으로, 일부 실시양태에서, 방출 영역은 하나 이상의 방출층을 가질 수 있다. 실시양태에서, 각각의 디바이스의 각각의 방출 영역 내의 층의 수가 동일할 수 있다. 대안적인 실시양태에서, 각각의 디바이스의 각각의 방출 영역 내의 층의 수가 상이할 수 있다. 또 다른 대안적인 실시양태에서, 각각의 디바이스의 일부 방출 영역에서의 층의 수가 동일할 수 있고, 각각의 디바이스의 일부 방출 영역이 상이할 수 있다. 일부 실시양태에서, 임의의 방출 영역의 하나 이상의 방출층 중의 방출층이 인광 방출 물질, 형광 방출 물질 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, OLED 내의 방출 영역은 본 출원에서 개시된 다양한 감광 디바이스 특성을 갖는 감광제 및 억셉터를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 탠덤형 디바이스는, 개별 OLED 및/또는 IOLED 디바이스(들)가 동일한 효율 또는 상이한 효율을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 적층된 디바이스가 서로의 10%, 15%, 또는 20% 이내의 효율을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시양태에서, 적층된 디바이스가 동일한 구동 전류에서 서로의 10%, 15%, 또는 20% 내의 구동 전압에서 동작하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 적층된 디바이스가, 병렬로 연결될 때, 동일한 구동 전압에서 이들이 유사한 전류 및 광 출력을 가질 것이도록 유사한 특성을 갖는 것이 이로울 수 있다. 이러한 배열은 디바이스가 독립적으로 구동되는 배열에서 필수적이지 않다.
본원에서 앞서 개시되고 도시된 바와 같이, 일부 실시양태는 디바이스 내에 배치된 강화층을 사용할 수 있다. 금속 물질 또는 다른 플라즈몬 활성 물질을 포함할 수 있는 강화층 부근의 발광 물질의 배치는, 강화층 유전체 계면에서의 표면 플라즈몬 폴라리톤과의 상호작용을 증가시킨다. 디바이스는, 강화층의 비방사 모드가 광 이미터를 퀀칭하도록 설계된다. 후속하여 아웃커플링층의 사용을 통해 강화층의 플라즈몬 모드로부터의 에너지를 산란시킴으로써 자유 공간에 광이 생성된다. 강화층은 형광, 지연 형광, 라디칼 이미터, 및 인광 발광 물질에 비방사적으로 결합되지만, 이들의 작은 방사성 붕괴 속도 상수로 인해 인광 광 이미터에 특히 유용할 수 있다. 강화층 표면 플라즈몬 폴라리톤으로의 공진 에너지 전달을 통한 발광 물질의 급속한 탈여기(de-excitation)가 OLED의 안정성을 증가시킬 것으로 예상된다.
예시적 실시양태는 은(Ag)의 박막을 강화층으로서 사용한다. 이 은의 박막은 표면 플라즈몬 모드를 갖는다. 단순화를 위해, 예는 단일 방출 물질의 문맥으로 간주될 수 있지만, 다양한 실시양태에서, "방출 물질"은 다수의 방출 물질, 방출 물질의 높은 체적 분율로 도핑되는 물질의 층, 방출 물질의 니트층(neat layer), 호스트 내에 도핑된 방출 물질, 다수의 방출 물질을 갖는 방출층, 방출이 엑시플렉스 또는 엑시머와 같은 2개의 물질 사이에 형성된 상태로부터 유래하는 방출층, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 방출 물질은 유기 방출 물질, 또는 보다 일반적으로 OLED 분야에 알려된 임의의 방출층 구조일 수 있다.
OLED에서, 방출 물질의 중요한 양태는, 광 발광 양자 산출(photo luminescent quantum yield; PLQY)로도 지칭될 수 있는 광자 산출이다. 광자 산출은 다음과 같이 정의될 수 있다:
여기서, 은 모든 방사성 프로세스의 합이고, 은 모든 비방사성 프로세스의 합이다. 진공에서의 격리된 이미터에 대해, 분자 방사성 및 비방사성 속도( 및 )는 방사성 및 비방사성 프로세스만으로서 정의된다. 격리된 분자에 대해, 광자의 산출은,
이다.
방출 물질을 은 막에 근접하게 가져오면, 방사 및 비방사 속도 둘 다가, 이들이 이미터가 놓여 있는 유전체 매체와 금속 사이의 계면으로부터의 이미터의 거리에 강하게 의존하기 때문에 수정될 수 있다. 식(1)은 이어서 및 의 항을 더함으로써 식(3)으로 재구성될 수 있고, 여기서 은 Ag 막의 존재로 인한 방사 속도이고, 은 Ag 막의 존재로 인한 비방사 속도이다:
이는, Ag 막의 표면으로부터의 거리의 함수로서 이미터에 대한 총 방사성 및 비방사성 속도를 개략적으로 도시하는 도 7a에 도시된다. 거리는 발광층에 가장 가까운 금속막 표면으로부터 발광 물질까지의 거리이다. 점선은, 방사성 속도가 비방사성 속도와 동일하고 임계 거리인 거리를 표시한다. 이 임계 거리에서 광자 산출은 50%이다. 또한, 속도의 이 기본적인 브레이크다운(basic breakdown)이, 통상적인 OLED 디바이스에서 방출층이 임의의 플라즈몬 활성 물질로부터 떨어진 큰 거리에 위치되는 이유를 보여준다. 방출층이 금속층에 너무 가까우면, 에너지가 플라즈몬 모드의 접촉부(들)에 비방사적으로 결합되고, 디바이스의 효율에서의 감소가 있다. 본원에 개시된 강화층을 사용하는 실시양태에서, 얇은 Ag 막의 비방사 모드에서 손실될 에너지가 앞서 개시된 바와 같이 아웃커플링층을 이용하여 디바이스 외측의 광자로서 추출된다. 따라서, 표면 플라즈몬 모드의 강화층에 결합된 에너지가 회수될 수 있고, Ag 막의 표면 플라즈몬 모드에 대한 비방사 결합의 양을 강화시키는 것이 유해한 대신 이롭다.
본 발명에서의 강화층 디바이스의 효율을 어떻게 최대화하는지 이해하기 위해, 도 7b에 도시되고 식(3)에 기술된 바와 같이 일부 가정이 플라즈몬 방사성 및 비방사성 속도에 대해 거리에 대한 상대적 의존성 및 도 7a로부터의 속도 상수를 성분 속도로 브레이크 다운하는 것에 관하여 이루어질 수 있다. 도 7b는 식(3)(이중선)에서 인 Ag 박막에 대한 이미터의 근접성으로 인한 이미터의 고유 방사성 속도(실선) 뿐만 아니라 방사성 속도 상수를 도시한다. 이미터의 고유 방사성 붕괴 속도는 Ag 막으로부터의 거리(d)에 의존하지 않는다. 그러나, 은 Ag 막으로부터의 거리에 의존하며, 여기서 1/d 3 의존성을 갖는 것으로 가정된다. 이는 단지 예시적 예이며, 거리에 대한 실제 의존성은, 예를 들어 d가 7 nm보다 작거나 d가 굴절률의 2배로 나눈 방출 파장의 차수에 있을 때 더 복잡한 함수일 수 있다. 방사성 속도와 마찬가지로, 이미터의 진공에서의 비방사성 속도는 Ag 막으로부터의 거리의 함수가 아니다. 그러나, Ag 막()의 존재로 인한 비방사성 속도는 Ag 막으로부터의 거리에 의존하고 , 즉 1/d 6보다 거리에 대한 더 강한 의존성을 갖는다.
금속막으로부터의 거리에 대한 상이한 의존성은 표면 플라즈몬과의 상호작용으로 인한 방사성 속도 상수가 가장 큰 속도 상수인 거리의 범위를 유도한다. 이 거리에 대해, 광자 산출은 도 7c에 도시된 바와 같이 금속 표면으로부터 먼 격리된 분자의 광자 산출에 걸쳐 증가된다. 이 거리에서 발광 물질에 대한 방출 속도에서의 속도 증가도 있다. d가 이 지점으로부터 감소됨에 따라, 이미터는 Ag 막의 표면 플라즈몬 모드로 비방사성 모드로 ??칭되고, 광자의 산출은 격리된 분자의 한계 아래로 감소한다. 표면 플라즈몬 모드로의 퀀칭으로 인해 산출이 감소되는 지점이 임계 거리(2)이다. 이는 광자 산출이 강화층이 없는 이미터와 동일한 최소 거리이다. 이 임계 거리 아래의 거리들에서, 비방사성 속도가 이 거리에 대한 방사성 속도를 초과함에 따라 에너지가 광 이미터를 떠나는 속도에서의 훨씬 더 큰 속도 증가가 있다. 중요하게, 도 7c에서, 방출층을 Ag 박막에 더 가까이 이동시킴으로써 광자 산출이 낮아지므로 엑시톤이 강화층으로 전달되는 에너지원이라는 점이 분명하다. 도 7c의 형태에서와 유사한 곡선을 획득하는 것은, OLED 내의 엑시톤이 강화층의 추가에 의해 퀀칭되는 종임을 분명히 나타낸다. 또한, 도 7d는 곡선의 형태의 일 실시양태일 뿐이다. 의 거리 의존성이 과 더 유사한 일부 경우에서, d가 감소됨에 따라 광자 산출에서의 연속적인 하락만이 있을 수 있다.
위로부터의 속도 상수를 사용하여, 임계 거리(2)가 다음의 부등식이 만족되는 거리로서 정의될 수 있다:
명백하게, 식(4a)은 강화층이 존재할 때의 PLQY가 강화층 없는 광자 산출 이하인 조건이다. 당업자는, 광자 산출이 감소될 때 동작하는 것을 통상적으로 디바이스 효율을 감소시키기 때문에 추천하지 않을 것이다. 식(4)는 다른 속도 상수에 대한 에 대한 식(4a)을 푼다. 우리는 플라즈몬 속도의 거리 의존성을 식(5)으로서 명시적으로 이용하여 식(4)를 재구성할 수 있다:
여기서 d는 이미터에 가장 가까운 금속막의 표면으로부터의 이미터의 거리이다.
또한, 임계 거리(1)는 이미터의 광자 산출이 50%로 감소되는 거리로서 정의된다. 이 임계 거리는, 이미터로부터의 비방사성 속도의 총계가 이미터의 방사성 속도의 총계와 동일한 거리이다. 또는 명백하게, 이미터의 방사성 속도가 비방사성 속도와 동일하다. 거리 의존 플라즈몬 속도 및 식(3)을 사용하여, 우리는 임계 거리(1)가 다음과 같을 때를 유도한다:
임계 거리(1)를 결정하기 위해, 강화층이 광을 방사하지 않으면, 강화층으로부터의 발광 물질 가변 거리로 OLED 또는 호환 가능 박막 대표적 예를 단순히 성장시키고 PLQY가 50%로 하락하는 거리를 결정할 수 있다. 강화층이 표면 플라즈몬 모드로부터의 광의 아웃커플링을 가능하게 하는 요소를 가지면, 임계 거리를 결정하기 위해 이 요소가 제거될 필요가 있다. 광 출력에서의 상대적 증가 또는 감소를 측정하지 않는 것이 중요하지만, 방출 방사선 패턴 및 이미터의 흡수가 Ag의 박막에 대한 이미터의 위치가 변경됨에 따라 변화할 수 있으므로 실제 PLQY를 측정하는 것이 중요하다.
식(4)에 의해 기술된 임계 거리(2)를 결정하기 위해, OLED의 온도를 측정해야 한다. 엑시톤의 비방사성 ??칭이 광자 대신 열을 생성하기 때문에, OLED가 가열될 것이다. 매우 간단하게, OLED에서 생성되는 열은 비방사성 재결합 엑시톤의 산출에 비례할 것이다:
광 이미터와 금속막 사이의 거리가 변화됨에 따라, OLED의 총 열 전도가 실질적으로 일정하게 유지될 것이지만, 열 산출은 크게 변화할 것이다.
도 7d는 동작의 고정된 전류 밀도에 대해 광 이미터와 금속막 사이의 거리가 변화됨에 따른 OLED의 정상 상태 온도를 도시한다. 금속 표면으로부터의 방출층의 큰 거리에 대해, 방사선 또는 비방사성 ??칭의 강화가 없다. OLED의 온도는 발광 물질의 효율 및 동작의 총 전류 밀도에만 의존한다. 이미터가 금속층에 더 가까워짐에 따라, 방사성 속도가 증가하고 광자 산출이 증가하여, OLED에서 생성되는 열 및 OLED의 온도를 감소시킨다. 임계 거리(2)보다 짧은 거리에 대해, 광 이미터 상의 엑시톤이 열에 따라 ??칭되고, OLED의 정규화된 온도가 증가한다. OLED의 온도의 이 묘사는, 강화층이 표면 플라즈몬 모드에서 미리 결정된 상당한 에너지 부분을 광으로서 아웃커플링하지 않을 때 참이다. 강화층의 일부로서 아웃커플링이 있거나 또는 디바이스에서 아웃커플링층이 사용되면, 이러한 층은 임계 거리의 이 측정을 수행하기 위해 제거되어야 한다.
온도를 사용하여 방사성 또는 비방사성 표면 플라즈몬 속도 상수가 지배적인 곳에 광 이미터가 위치되어 있는지 결정하기 위해 2개의 테스트가 사용될 수 있다. 첫번째는, 금속막으로부터 발광 물질의 가변 거리를 갖는 OLED 디바이스의 온도를 측정하고, 이에 의해 도 7d의 개략적인 곡선을 복제하는 것이다. 두번째는, 디바이스 구조물 내의 금속막을, 강한 표면 플라즈몬 공명을 갖지 않는 투명 전도 산화물로 대체하는 것이다. 예시적인 물질은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO)이다. 금속막을 갖는 OLED의 온도가 ITO 제어에 대해 증가되고 이어서 비방사성 속도가 지배적이며 이미터가 강화층의 임계 거리(2) 내에 있으면, ITO로 그리고 금속막으로 디바이스의 온도를 측정한다.
여기서 플라즈몬 모드로의 비방사서 에너지 전달은, 엑시톤이 발광 물질로부터 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton; SPP), 국부적 표면 플라즈몬 폴라리톤(localized surface plasmon polariton; LSPP), 또는 당업자가 광자를 방출하지 않는 플라즈몬으로서 이해할 다른 용어로 전달되는 프로세스로서 정의된다. 금속막 또는 금속 나노입자의 차원에 따라, 이 프로세스는 포스터 에너지 전달(Forster energy transfer), 포스터 공진 에너지 전달, 표면 공진 에너지 전달, 공진 에너지 전달, 비방사성 에너지 전달, 또는 당업자에게 공통적인 다른 용어로 지칭될 수 있다. 이 용어는 동일한 기본 프로세스를 기술한다. 약한 방출 상태에 대해, SPP 또는 LSPP로의 에너지 전달은 또한, 두 개의 전자의 동시 교환을 포함하는 덱스터 에너지 전달(Dexter energy transfer)을 통해 발생할 수 있다. 이는 또한 단일 전자 전달 이벤트의 2단계 프로세스로서 발생할 수 있다. 비방사성 에너지 전달은 광대역이며, 일부 실시양태에서 강화층이 특정 발광 물질에 대해 조정되지 않음을 의미한다.
본원에 개시된 실시양태는 표면 플라즈몬 폴라리톤의 방사성 속도 강화를 이용하지 않지만, 비방사성 속도 강화를 이용한다. 이는 OLED 및 플라즈몬의 기술에서의 종래의 교시와는 반대이며, 이는 에너지가 통상적으로 열로서 손실됨에 따른 비방사성 모드의 표면 플라즈몬 폴라리톤으로의 에너지 전달에 대해 교시한다. 대조적으로, 본원에 개시된 실시양태는 의도적으로 가능한 한 많은 에너지를 비방사성 모드에 넣고, 이어서 그 에너지가 열로서 손실되기 전에 그 에너지를 아웃커플링층을 사용하여 광으로서 자유 공간에 추출할 수 있다. 이는 독창적인 2단계 프로세스이고, 당업자가 표면 플라즈몬 폴라리톤의 비방사성 모드에 대해 교시하는 것에 반하기 때문에 신규한 아이디어이다.
수직 쌍극자 비(vertical dipole ratio; VDR)가 수직으로 배향된 쌍극자의 앙상블 평균 분율이다. 유사한 개념은, 수평 쌍극자 비(horizontal dipole ratio; HDR)가 수평으로 배향된 쌍극자의 앙상블 평균 분율인 것이다. 정의에 의해, VDR+HDR = 1이다. VDR은 각도 종속, 편광 종속, 광루미네선스 측정에 의해 측정될 수 있다. 광여기된 박막 샘플의 측정된 방출 패턴을 편광의 함수로서 계산적으로 모델링된 패턴과 비교함으로써, 방출층의 VDR을 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 7e에서, 모델링된 p 편광된 각도(PL)가 상이한 VDR을 갖는 이미터에 대해 플로팅된다. 도 7e의 p 편광된 방출의 모델링된 데이터에 도시된 바와 같이, 약 45도에서 데이터에 피크가 있고 데이터의 이 피크는 이미터의 VDR이 더 높을 때 더 크다.
중요하게, VDR은 발광 종의 평균 쌍극자 배향을 나타낸다. 따라서, 방출에 기여하지 않는 방출층에 추가적인 이미터가 있으면, VDR 측정은 이들의 VDR을 보고하거나 반영하지 않는다. 또한, 이미터와 상호작용하는 호스트를 포함함으로써, 주어진 이미터의 VDR이 수정될 수 있고, 상이한 호스트 내의 이미터의 층과 상이한 층에 대한 측정된 VDR을 유도한다. 또한, 일부 실시양태에서, 2개의 이웃하는 분자 사이에 방출 상태를 형성하는 엑시플렉스 또는 엑시머가 바람직하다. 이러한 방출 상태는, 엑시플렉스 또는 엑시머의 성분 중 하나만이 방출된 경우와는 상이한 VDR을 가질 수 있다.
HOMO 에너지는 순환 볼타메트리로(cyclic voltammetry)부터 유도된 제1 산화 전위로부터 추정된다. LUMO 에너지는 순환 볼타메트리로부터 유도된 제1 감소 전위로부터 추정된다. 이미터 화합물의 삼중항 에너지(T1)는 77K에서 광루미네선스로부터의 피크 파장을 사용하여 측정된다. 용액 순환 볼타메트리 및 차동 펄스 볼타메트리는 지지 전해질로서 무수 디메틸포름아미드 용매(anhydrous dimethylformamide solvent) 및 테트라부틸암모늄 헥사플루오로포스페이트(tetrabutylammonium hexafluorophosphate)를 사용하는 CH Instruments 모델 6201B potentiostat을 사용하여 수행되었다. 유리상 탄소(glassy carbon), 및 백금 및 은 와이어가 각각 워킹, 카운터, 및 기준 전극으로서 사용되었다. 전기화학 전위는 차동 펄스 볼타메트리로부터 피크 전위차를 측정함으로써 내부 페로신-페로코늄 산화환원 결합(ferrocene-ferroconium redox couple)(Fc+/Fc)에 참조되었다. EHOMO = -[(Eox1 vs Fc+/Fc) + 4.8]이고, ELUMO = -[(Ered1 vs Fc+/Fc) + 4.8]이며, 여기서 Eox1은 제1 산화 전위이고 Ered1은 제1 감소 전위이다.
일부 실시양태에서, 본원에 개시된 디바이스는 나노입자 위에 배치된 추가 층을 포함할 수 있고, 나노입자 중 적어도 일부와 직접 물리적 접촉하여 바로 위에 배치될 수 있다. 추가 층은 하나 이상의 이미터 분자를 포함할 수 있다. 추가 층은 제1 전극층 아래의 굴절률과 매칭될 수 있다. 추가 층은 1000 nm 이하의 두께를 갖는다.
일부 실시양태에서, LED 스택, 강화층, 및/또는 나노입자가 캡슐화될 수 있다. 이러한 캡슐화 물질은 산화물 코팅 및 에폭시, 예를 들어 폴리우레탄, 실리콘 등을 포함하고, 원자 층 증착 또는 화학적 기상 증착에 의해 증착될 수 있다.
일부 실시양태에서, 백색 OLED 또는 LED는 특정 파장 범위를 선택적으로 아웃커플링하기 위해 특정 공진의 나노입자 아웃커플링 스킴을 이용할 수 있다. 이 방식으로, 백색 OLED 또는 LED가 큰 면적 위에 제작될 수 있고, (나노입자 사이즈, 굴절률 등을 선택하는 것을 통해) 나노입자 아웃커플링 스킴의 공진이 적색, 녹색, 청색(또는 임의의 다른 희망하는 색상) 서브픽셀을 생성하기 위해 이용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 본원에 개시된 나노입자, 유전체층, 및 강화층의 배열은 나노입자 기반 아웃커플링 요소를 형성할 수 있다. 이전 공개공보에서 나노패치 안테나로도 지칭될 수 있는 나노입자 기반 아웃커플링 요소의 예들은 미국 특허 제11,139,442호 및 미국 특허 공개공보 제2021/0265584호 및 제2021/0249633호에 더 상세히 개시되며, 이들 각각의 개시는 그 전문이 참고로 포함된다. 유전체층(들)(또는 유전체 스페이서층(들))의 굴절률이 나노입자 기반 아웃커플링 요소의 공진에 영향을 미치기 때문에, 비선형 광학 특성 및/또는 전압 조정가능 굴절률을 갖는 유전체층 물질을 통합하는 것은, 도 7f에 도시된 바와 같이, 나노입자 아래의 전기 접촉층과 금속 캐소드 사이에 인가된 전압으로 방출 스펙트럼을 조정하는 방식으로서 작용한다. 한 예에서, 알루미늄 도핑된 아연 산화물은, 인가된 전압이 캐리어 농도를 변경시킬 때 그 유전율이 변화되기 때문에 전압 조정가능 굴절률 물질로서 사용될 수 있다. 이 경우, 전하를 구축하기 위해 유전체층에 제2 절연층이 필요되지만, 이러한 2차층(secondary layer)은 전압 조정가능 굴절률층의 재료 특성에 따라 항상 필요한 것은 아닐 수 있다. 이는, 전압 조정가능 나노입자 기반 아웃커플링 요소 공진이 희망하는 색상을 선택적으로 통과시키기 위한 컬러 필터로서 작용할 수 있기 때문에, OLED 또는 LED가 백색 방출, 즉 적색, 녹색, 및 청색 방출을 포함할 때 특히 유용하다. 이는 OLED 또는 LED를 3단자 디바이스로 효율적으로 변환하고, 전압은 OLED/LED를 동작시키는 캐소드와 애노드 사이에 인가되고, 전압은 방출되는 색상을 선택하기 위해 나노입자 기반 아웃커플링 요소 공진을 조정하는 나노입자 아래의 전기 접촉층과 캐소드 사이에 인가된다.
예를 들어 디스플레이 패널에서의 개별 OLED 또는 LED 서브픽셀의 경우, 나노입자 아웃커플링 스킴의 공진은 디바이스의 네이티브 방출(native emission)과 의도적으로 불일치될 수 있다. 이 방식으로, 나노입자 아웃커플링 스킴은 피크 파장을 약간 시프트하기 위한 컬러 필터로서 작용한다. 다른 실시양태에서, 공진 불일치 나노입자 아웃커플링 스킴이 방출 스펙트럼을 좁히기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 청색 공진 아웃커플링 스킴과 페어링된 녹색 OLED 또는 LED는 LED 적색 파장을 감소시킴으로써 좁아지는 것을 볼 것이다. 반대로, 녹색 OLED 또는 LED를 적색 공진 아웃커플링 스킴과 페어링하는 것은 디바이스의 청색 파장을 감소시킴으로써 좁아지는 것을 볼 것이다.
디바이스는 앞서 개시된 디바이스 내 어느 곳에서도 다른 방출 물질 및 층과 함께 사용될 수 있는, 도 7g 내지 도 7i에 도시된 강화층에 근접한 하나 이상의 방출 아웃커플링층을 포함할 수 있다. 도 7g는 바람직한 나노입자 기반 아웃커플링 아키텍처를 개략적으로 도시한다. 이미지는 나노입자와 강화층 사이의 임베딩된 이미터를 갖는 유전체층을 묘사한다. 도 7h는, 방출층 내의 이미터가 강화층 아래에 배치된(즉, 유전체층 내에 있지 않은) 유사한 디바이스 아키텍처를 도시한다. 도 7i는, 추가 이미터를 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 나노입자 상부의 캡핑층을 포함하는 설계의 변형을 도시한다. 이 방출 아웃커플링층은 근방의 강화층 내의 표면 플라즈몬 폴라리톤의 에너지에 의해 여기될 수 있는 방출 물질을 포함할 수 있다. 방출 물질은 OLED 분야에 알려진 임의의 유기 방출 물질, 양자점, 페로브스카이트 나노결정, 금속 유기 프레임워크, 공유 유기 프레임워크(covalent-organic framework), 열 활성화 지연 형광(TADF) 이미터, 형광 이미터, 또는 인광 유기 이미터일 수 있지만, 이들에 제한되는 것은 아니다. 강화층으로 ??칭되는 LED 여기 상태 에너지와 방출 아웃커플링층(들)으로부터의 방출된 광 사이에 작은 적색 시프트만이 발생하도록, 방출 물질이 작은 스토크스 시프트(Stokes shift)를 나타내는 흡수 및 방출 스펙트럼을 갖는 것이 유리할 수 있다. 이는 디바이스의 방출 색상을 보존한다. 다른 예시적 디바이스에서, 방출 물질은 특히, 더 높은 에너지 여기(예를 들어, 청색)를 더 낮은 에너지 파장(예를 들어, 녹색 또는 적색)으로 하향변환하기 위해 선택될 수 있다. 이는, 색상이 방출 아웃커플링층에 의해 선택되는, 디스플레이의 모든 픽셀에서 단일 LED 구조물이 활용되는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 이는 방출 파장을 조정하기 위해 상이한 픽셀의 아웃커플링층(들)에 상이한 사이즈의 양자점을 증착시킴으로써 달성될 수 있다. 방출 아웃커플링층은 나노입자 기반 아웃커플링 스킴과 조합되거나 조합되지 않을 수 있고, 이 경우 방출 아웃커플링층은 강화층과 나노입자 사이에 놓일 것이다. 이 경우, 아웃커플링 효율은 방출 아웃커플링층 내의 방출 물질의 방사성 속도가 빨라져야 하므로 한층 더 강화될 수 있다.
유전체층의 표면 상의 나노입자의 배열이 또한 특정 디바이스 적용예에 피팅하기 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 나노입자의 랜덤 배열은, 점원 방출(point source emission)이 희망되지 않는 조명 적용예 또는 디스플레이 적용예에서 사용하기에 바람직할 수 있는, 근 램버시안 방출 프로파일(nearly Lambertian emission profile)을 유도한다. 무기 LED는 방향성 방출 프로파일을 겪는 경향이 있고, 이에 의해 랜덤 나노입자 어레이를 특정 적용예에서 특히 매력적으로 한다. 다른 예로서, 나노입자가 앞서 개시된 어레이로 배열될 수 있고, 이에 의해 일부 모바일 적용예에 대해 또는 각도 의존성에 관계없이 광의 최대 아웃커플링을 요구하는 적용예에서 요구될 수 있는 분산성 방출 프로파일을 유도한다. 어레이로 배열된 나노입자는 랜덤으로 배열된 나노입자보다 더 큰 효율을 달성할 수 있고, 특정 어레이 피치 및 듀티 사이클을 선택하는 것은 어레이 공진의 조정을 가능하게 할 것이며 따라서 어레이가 가장 큰 효율을 갖는 파장을 아웃커플링한다.
본원에 개시된 강화층 및/또는 나노입자는 평면 금속, 금속층 및 유전체층의 스택, 금속층 및 반도체층의 스택, 및 천공 금속층(perforated metal layer)을 포함할 수 있다. 강화층에 사용을 위해 적합한 유전체 물질은 산화물, 불화물, 질화물, 및 물질의 비정질 혼합물을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 금속층은 합금 및 다음 금속의 혼합물을 포함할 수 있다: Ag, Au, Al, Zn, Ir, Pt, Ni, Cu, W, Ta, Fe, Cr, Mg, Ga, Rh, Ti, Ca, Ru, Pd, In, Bi. 강화층은 가시적 범위 외측의 디바이스에 대한 그래핀 또는 전도성 산화물 또는 전도성 질화물일 수 있다.
본원에 개시된 강화층은 나노 사이즈 홀로 패터닝될 수 있다. 홀은 어레이 내에 있을 수 있거나 또는 랜덤으로 또는 의사 랜덤으로(pseudo-randomly) 배열될 수 있다. 홀의 사이즈, 형상, 및 배향은 강화층으로부터 아웃커플링될 수 있는 광의 주파수를 설정한다.
강화층은 그의 상단부 상에 패터닝된 불스아이 격자(bullseye grating)를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 강화층은 유전체층 및 이어서 유전체층 물질의 상단부 상에 패터닝된 불스아이 격자를 갖는다.
일부 실시양태에서, 강화층은 강화층의 일 측 상에 나노 사이즈 아웃커플링 피처를 형성하기 위해 부분적으로 관통 에칭될 수 있다. 일부 실시양태에서, 강화층의 양 측 상에 나노 사이즈 피처가 있다. 일부 경우에서, 강화층의 양 측에 나노 사이즈 피처가 있을 때, 피처 최소 치수는 10 nm를 초과할 것이고, 다른 경우에서 20 nm를 초과할 것이며, 다른 경우에서 50 nm를 초과할 것이다.
본 발명에 따라 제작된 디바이스는 또한 최종 제품으로부터의 광을 제어 및 조작하기 위한 다른 성분을 포함할 수 있다. 이 성분은 편광기, 컬러 필터, 및 액정을 포함한다.
본원에 개시된 실시양태와 사용되는 무기 LED는: GaAs, AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP, GaAsP, GaN, InGaN, ZnSe, SiC, Si3N4, Si, Ge, 사파이어, BN, ZnO, AlGaN, 페로브스카이트(perovskite), 및 양자점(전기적으로 구동되고 광루미네선스 성분으로서 둘 다)을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌 물질로로 제작될 수 있다. LED는 웨이퍼 상에 직접적으로 제작될 수 있고, 이어서 더 큰 전자 부품 모듈을 생성하기 위해 픽 앤 플레이스된다. 모듈 내에, 강화층을 이용하지 않는 추가 LED가 있을 수 있다. 특히, 전기적으로 구동되는 엑시토닉 양자점에 기초한 디바이스가 또한 강화층에 의해 제공되는 상태의 증가된 광학 밀도로부터 이익을 얻을 것이다. 여기된 상태 수명의 후속 감소가 디바이스 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 플라즈몬 아웃커플링은 컬러 필터와 같이 방출되는 파장의 특정 범위를 선택하는 역할을 할 수 있거나, 또는 아웃커플링 스킴에서의 나노입자의 구성에 따라 넓은 방출 스펙트럼을 좁히는 역할을 할 수 있다. 추가적으로, 플라즈몬 아웃커플링 효율은 전기적으로 구동되는 양자점 디바이스에서 현재의 최첨단 기술을 초과할 수 있다. 또한, 강화층으로 인한 여기된 상태 지속기간의 감소는 결국 이 디바이스에서 롤오프를 감소시킬 뿐만 아니라 동작 안정성을 증가시킬 것이다.
전이 쌍극자 배향은 플라즈몬 커플링 효율 및 커플링 거리에 영향을 미치며, 쌍극자가 더 수직으로 배향되거나 더 높은 VDR을 가짐에 따라 결합이 증가한다. 따라서, 수직으로 배향된 쌍극자가 이 디바이스 설계에 가장 바람직하다. 그러나, 실제로, 강화층의 표면 거칠기로 인해, 심지어 완벽한 수평 쌍극자도 플라즈몬 모드에 대한 약간의 결합 효율을 가질 것이다.
LED를 사용하는 실시양태에서, LED는 또한 LED, 예를 들어 백색으로부터 더 넓은 범위의 컬러를 생성하기 위해 하나 이상의 인광 이미터와 조합될 수 있다. 인광체(들)가 a) LED를 캡슐화하기 위해 사용되는 에폭시에 배치될 수 있거나, b) 인광체가 LED로부터 원격으로 배치될 수 있다. 인광체는 LED로부터 광자들을 흡수하고 더 낮은 에너지의 광자를 재방출하도록 설계된 '하향변환'층으로서 작용한다. 사용될 수 있는 다른 하향 변환 물질은 무기 또는 유기 인광체, 형광, TADF, 양자점, 페로브스카이트 나노결정, 금속 유기 프레임워크, 또는 공유 유기 프레임워크 물질로 이루어질 수 있다. 따라서, 일 실시양태에서 금속, 및 유전체층 재료, 및 나노입자의 층으로 구성된 나노 사이즈 아웃커플링 스킴 및 강화층을 포함하는 본 발명의 실시양태는 무기 LED와 인광체 또는 하향 변환층 사이에 배치될 수 있다. LED/금속 유전체층 물질/나노입자 디바이스의 층은 하향변환 매체를 포함하는 막 또는 에폭시로 캡슐화될 수 있다. 하향변환 물질은 또한 LED/금속 유전체층 물질/나노입자 캡슐화의 층의 외측에 배치될 수 있다.
백색광을 생성하기 위한 기타 옵션은, 활성 영역으로부터의 청색광 및 기판 및 Si(또는 SiC 또는 사파이어) 기판 상의 GaN으로부터의 황색 방출을 동시에 생성하는, ZnSe 기판 상에 성장된 호모에피택셜 ZnSe 청색 LED를 사용하는 것이다. 본 발명은 이 디바이스와 조합될 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따라 제작된 디바이스는 또한, 디스플레이에서의 픽셀화된 청색 광원으로서 GaN 기반의 청색 발광 나노로드 LED가 이산적인 무기 LED를 대체하는 QNED 기술과 조합될 수 있다.
본원에 개시된 유전체층/나노입자 아웃커플링층 배열은 스페이서(또는 방사선 또는 플라즈몬 레이저의 자극 방출에 의한 표면 플라즈몬 증폭), 또는 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP) 스페이서 또는 나노레이저와 조합될 수 있고, 플라즈몬 에너지를 광자로 다시 변환할 것이다.
일부 실시양태에서, 강화층 및 아웃커플링 스킴으로 형성된 LED는 웨이퍼 또는 기판 상에 직접적으로 패터닝될 수 있고, 이어서 전자 부품 모듈에 포함된다. 이 경우에서, 규격(예를 들어, 이상적인 피크 파장)에 있지 않는 디바이스를 제거하기를 원하면, 강화층의 포함이 LED를 더 어둡게 할 것이기 때문에 디바이스 상에 아웃커플링층을 포함하지 않음으로써 제거될 수 있다. 단일 기판 상에 R, G, B 풀 컬러 모듈을 패터닝하는 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 컬러 서브 픽셀이 강화층 및 아웃커플링 스킴을 가질 것이다.
실시양태에 따르면, 발광 다이오드/디바이스(LED)가 제공된다. LED는 기판, 애노드(또는 p형 접촉부), 캐소드(n형 접촉부), 및 애노드 및 캐소드와 강화층 사이에 배치된 재조합 구역을 포함할 수 있다. 실시양태에 따르면, 발광 디바이스는 소비자 제품, 전자 부품 모듈, 조명 패널, 및/또는 간판 또는 디스플레이로부터 선택되는 하나 이상의 디바이스 내에 포함된다.
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)
- 유기 발광 디바이스에 있어서,
기판;
상기 기판 위에 배치된 제1 유기 발광 디바이스(organic light emitting device; OLED) - 상기 제1 OLED는 제1 유기 발광 물질의 제1 발광층을 포함함 - ;
상기 기판 위에 그리고 상기 제1 OLED와 스택으로 배치된 제2 OLED - 상기 제2 OLED는 제2 유기 발광 물질의 제2 발광층을 포함함 - ; 및
상기 기판 위에 배치된 강화층(enhancement layer) - 상기 강화층은, 상기 제1 유기 발광 물질 및 상기 제2 유기 발광 물질 둘 다에 비방사적으로(non-radiatively) 결합되고 각각의 비방사적으로 결합된 유기 발광 물질로부터의 여기 상태 에너지를 비방사 모드의 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)으로 전달하는 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 플라즈몬 물질을 포함함 -
을 포함하는, 유기 발광 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 강화층은, 상기 제1 발광층 및/또는 상기 제2 발광층으로부터 임계 거리 떨어져 배치되는 것인, 유기 발광 디바이스.
- 제2항에 있어서, 상기 임계 거리는, 상기 제1 유기 발광 물질 또는 상기 제2 유기 발광 물질의 총 비방사성 붕괴 속도 상수(total non-radiative decay rate constant)가 상기 제1 유기 발광 물질 또는 상기 제2 유기 발광 물질의 총 방사성 붕괴 속도 상수와 각각 동일한 거리인 것인, 유기 발광 디바이스.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 유기 발광 물질 또는 상기 제2 유기 발광 물질은 총 비방사성 붕괴 속도 상수(), 총 방사성 붕괴 속도 상수(), 상기 강화층으로 인한 총 비방사성 붕괴 속도 상수(), 및 상기 강화층으로 인한 총 방사성 붕괴 속도 상수()를 갖고;
여기서 상기 임계 거리는,
인 거리인 것인, 유기 발광 디바이스. - 제2항에 있어서, 상기 강화층은 상기 제1 발광층 및 상기 제2 발광층으로부터 임계 거리보다 많지 않게 떨어져 배치되는 것인, 유기 발광 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 강화층은 상기 제1 OLED와 상기 제2 OLED 사이에 배치되는 것인, 유기 발광 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 강화층은 상기 제1 OLED에 대한 애노드 및 제2 OLED에 대한 캐소드로서 기능하는 것인, 유기 발광 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 강화층은 상기 제1 OLED에 대한 그리고 상기 제2 OLED에 대한 캐소드로서 기능하는 것인, 유기 발광 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 강화층은 상기 제1 OLED에 대한 그리고 상기 제2 OLED에 대한 애노드로서 기능하는 것인, 유기 발광 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 OLED는 상기 제1 OLED에 인접하게 배치되고, 상기 제1 OLED 및 상기 제2 OLED는 공통 전극을 공유하는 것인, 유기 발광 디바이스.
- 제10항에 있어서, 상기 공통 전극은 상기 강화층인 것인, 유기 발광 디바이스.
- 제10항에 있어서, 상기 공통 전극은 가시 스텍트럼에 걸쳐 적어도 5%, 10%, 15%, 또는 20%의, 또는 가시 스텍트럼에 걸쳐 60%, 70%, 또는 80%보다 많지 않은 투명도(transparency)를 갖는 것인, 유기 발광 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 발광 물질 및/또는 상기 제2 발광 물질은, 인광 이미터, 인광체 감광 형광 이미터(phosphor-sensitized fluorescent emitter), 열 활성화 지연 형광(thermally-activated delayed fluorescence; TADF) 이미터, 인광체 감광 TADF, 및 형광 이미터로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 물질을 포함하는 것인, 유기 발광 디바이스.
- 소비자 전자 디바이스에 있어서,
기판;
상기 기판 위에 배치된 제1 유기 발광 디바이스(OLED) - 상기 제1 OLED는 제1 유기 발광 물질의 제1 발광층을 포함함 - ;
상기 기판 위에 그리고 상기 제1 OLED와 스택으로 배치된 제2 OLED - 상기 제2 OLED는 제2 유기 발광 물질의 제2 발광층을 포함함 - ; 및
상기 기판 위에 배치된 강화층 - 상기 강화층은, 상기 제1 유기 발광 물질 및 상기 제2 유기 발광 물질 둘 다에 비방사적으로 결합되고 각각의 비방사적으로 결합된 유기 발광 물질로부터의 여기 상태 에너지를 비방사 모드의 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 전달하는 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 플라즈몬 물질을 포함하며, 상기 강화층은 상기 제1 발광층 및/또는 상기 제2 발광층으로부터 임계 거리 떨어져 배치됨 -
을 포함하는, 소비자 전자 디바이스. - 제14항에 있어서, 상기 디바이스는 평면 패널 디스플레이, 곡면 디스플레이, 컴퓨터 모니터, 의료용 모니터, 텔레비젼, 광고판(billboard), 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(personal digital assistant; 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 간판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 유형인 것인, 소비자 전자 디바이스.
Applications Claiming Priority (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202263426568P | 2022-11-18 | 2022-11-18 | |
| US63/426,568 | 2022-11-18 | ||
| US202363444323P | 2023-02-09 | 2023-02-09 | |
| US63/444,323 | 2023-02-09 | ||
| US18/497,457 US20240172462A1 (en) | 2022-11-18 | 2023-10-30 | Organic electroluminescent devices |
| US18/497,457 | 2023-10-30 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240074683A true KR20240074683A (ko) | 2024-05-28 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230160348A KR20240074683A (ko) | 2022-11-18 | 2023-11-20 | 유기 전기발광 디바이스 |
Country Status (2)
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2023
- 2023-10-30 US US18/497,457 patent/US20240172462A1/en active Pending
- 2023-11-20 KR KR1020230160348A patent/KR20240074683A/ko unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20240172462A1 (en) | 2024-05-23 |
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