KR20110067413A - 유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명 장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 추출 효율이 향상된 유기 발광 소자에 관한 것으로, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상에 패터닝되어 배치되고, 패터닝된 단부와 상기 제1 전극층의 표면과 형성하는 테이퍼 각(taper angle)이 20도 내지 60도이고, 상기 제1 전극층 또는 유기 발광층과 굴절률이 다른 재료로 형성된 굴절층; 상기 패터닝된 굴절층을 덮으며, 상기 굴절층의 패터닝 된 단부와 접하도록 상기 제1 전극층 상에 배치된 유기 발광층; 및 상기 유기 발광층 상에 형성된 제2 전극층;을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.
Description
본 발명은 유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 추출 효율을 높인 유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치에 관한 것이다
유기 발광 소자는 서로 대향하는 전극 사이에 유기 발광층을 위치시켜, 한쪽 전극에서 주입된 전자와 다른 쪽 전극에서 주입된 정공이 유기 발광층에서 결합하고, 이때의 결합을 통해 발광층의 발광 분자가 여기 된 후 기저 상태로 돌아가면서 방출되는 에너지를 빛으로 발광시키는 발광 소자이다.
유기 발광 소자의 발광층에서 방출되는 빛은 일반적으로 특정한 방향성을 띄지 않고 방출되며, 통계적으로 균일한 각 분포를 이루는 임의의 방향으로 방출되는 특성을 갖는다. 이 때문에 유기 발광 소자 발광층 내에서 생성된 총 광자(photon) 수 대비 소모되지 않고 실제 관측자에게 도달하는 광자 수의 비율, 즉, 외부 광 추출 효율(Outcoupling Efficiency;ηout)은 유기층의 굴절률이 norg 일 때 대략 1/(2norg 2)으로, 통상적인 norg 값인 1.75를 대입할 경우 약 16%에 그치고 있는 실정이다.
유기 발광 소자의 외부 광 추출 효율(ηout)은 전반적인 외부 양자 효율 및 전력 효율을 제한하고, 외부 양자 효율이나 전력 효율은 유기 발과 소자의 전체적인 전력 소모량을 결정하여 유기 발광 소자의 수명에 큰 영양을 주는 요인이므로, 이를 증대시키고자 여러 방면으로 노력이 있어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점 및 그 밖의 문제점을 해결하기 위하여, 외부 광 추출 효율이 향상된 유기 발광 소자, 이를 포함하는 조명 장치, 및 이를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상에 패터닝되어 배치되고, 패터닝된 단부와 상기 제1 전극층의 표면과 형성하는 테이퍼 각(taper angle)이 20도 내지 60도이고, 상기 제1 전극층 또는 유기 발광층과 굴절률이 다른 재료로 형성된 굴절층; 상기 패터닝된 굴절층을 덮으며, 상기 굴절층의 패터닝 된 단부와 접하도록 상기 제1 전극층 상에 배치된 유기 발광층; 및 상기 유기 발광층 상에 형성된 제2 전극층;을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극은 투명전극이다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 굴절층은 상기 유기 발광층 또는 제1 전극층보다 굴절률이 작을 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 굴절층의 굴절률의 범위는 1~1.55일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 굴절층은 가시 광선에 투명한 다공 성 물질, 불소화 화합물, 산화물, 질화물, 실리콘 화합물 및 고분자 유기 물질 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 굴절층의 테이퍼 각은 30도 내지 60도일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 굴절층은 규칙적으로 패터닝 되고, 상기 패터닝된 굴절층은 상기 제1 전극층 및 제2 전극층과 수평으로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 패터닝된 굴절층의 주기성은 발광되는 빛의 파장보다 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 패터닝된 굴절층의 단부와 상기 제1 전극층의 표면과 이루는 테이퍼 각은 30도 내지 60도일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 굴절층은 상기 유기 발광층 또는 제1 전극층보다 굴절률이 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 굴절층의 굴절률의 범위는 1.9~2.8일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 굴절층은 가시 광선에 투명한 탄화물, 산화물, 질화물, 황화물, 및 Se 화합물에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 굴절층은 규칙적으로 패터닝 되고, 상기 패터닝된 굴절층은 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층과 수평으로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 패터닝된 굴절층의 주기성은 발광되는 빛의 파장보다 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 패터닝된 굴절층의 단부와 상기 제 1 전극층의 표면과 이루는 테이퍼 각은 30도 내지 60도일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 기판의 외부 표면에 굴절률이 1.45~1.8 사이의 마이크로렌즈 어레이가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로렌즈 어레이는 주기성을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로렌즈 어레이의 크기나 주기성은 발광되는 빛의 파장보다 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 마이크로렌즈 어레이는 가시광선에 투명한 산화물, 질화물, 실리콘 화합물, 및 고분자 유기물에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 전술한 유기 발광 소자를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전술한 유기 발광 소자를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.
따라서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 일정 테이퍼 각(θ)을 유지한 굴절 층을 포함하는 유기 발광 소자는 광 추출 효율을 향상시키고 있다. 또한, 이러한 유기 발광 소자를 포함하는 조명 장치 및 디스플레이 장치도 광 추출 효율 향상 효과를 기대할 수 있음은 물론이다. 특히, 상기의 굴절층을 적용한 유기 발광 소자 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에서, 마이크로렌즈 어레이 구조 없이 독립적으로 사용될 경우는및 픽셀 블러링 감소 효과를 기대할 수 있음은 물론이다.현상을 억제한 상태에서 광추출 효율 향상을 가져올 수 있다.
이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 사상을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
상기 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)는 기판(110), 제 1 전극층(120), 저굴절층(130), 유기 발광층(140), 및 제 2 전극층(150)을 포함한다.
기판(110)은 SiO2를 주성분으로 하는 글라스재 기판, 플라스틱재 기판 등 다양한 재질의 기판을 사용할 수 있다. 본 발명의 유기 발광 소자(100)는 제 2 전극층(150) 측으로 빛이 방출되는 전면 발광, 기판(110) 측으로 빛이 방출되는 배면 발광, 또는 양면 발광 어느 경우에도 적용가능하지만, 본 실시예에서는 기판(110) 측으로 빛이 방출되는 배면 발광 소자를 기준으로 설명하기로 한다. 이 경우, 투명한 기판(110)을 사용한다.
기판(110) 상에 제 1 전극층(120)이 배치된다. 본 실시예에서 제 1 전극층(110)은 투명전극의 일종으로 굴절률이 약 1.8인 ITO(Indium Tim Oxide)를 사용하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, IZO(Indume Zinc Oxide), ZnO 또는 In2O3을 포함하는 다양한 투명 전극으로 구성될 수 있음은 물론이다.
제 1 전극층(120) 상에는 제 1 전극층(120) 또는 후술할 유기 발광층(140)보다 굴절률이 작은 저굴절층(130)이 규칙적인 패턴으로 패터닝되어 배치된다. 이때 저굴절층(130)의 패턴은 격자 무늬, 체크 무늬 혹은 랜덤한(random) 분포 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
저굴절층(130)의 굴절률의 범위는 통상적으로 제1 전극층(120)으로 사용되는 ITO의 굴절률(n=1.8) 또는 유기층(140)의 굴절률(n=1.7~1.8)보다 작은 것이 바람직하며, 본 실시예에서 저굴절층(130)의 굴절률은 1~1.5를 사용하였다. 이러한 저굴절층(130)의 재료는, 가시 광선에 투명한 다공성 물질, 불소화 화합물, 산화물, 질화물, 실리콘 화합물 및 고분자 유기 물질 중에서 선택된 하나 이상의 물질에서 선택될 수 있으며, 본 실시예에서는 SiO2를 사용하였다.
저굴절층(130)의 패터닝된 단부는 제1 전극층(120)의 표면과 테이퍼 각(taper angle)(θ)이 20도 내지 60로 기울기를 가지도록 형성되며, 더욱 바람직하게는 30도 내지 60도로 형성된다.
도 2는 저굴절층의 테이퍼 각과 광 추출 효율 사이의 관계를 개략적으로 도 시한 그래프이다.
상기 도면을 참조하면, 테이퍼 각이 20도 내지 70도 일때, 외부 광 추출 효율은 20%를 상회하며, 테이퍼 각기 30도 내지 60도 일 때, 외부 광 추출 효율은 23% 이상으로 통상의 유기 발광 소자의 광 추출 효율인 16%~18%에 비하여 매우 우수함을 알 수 있다.
저굴절층(130) 상에는 저굴절층의 패터닝 된 단부와 접하도록 유기 발광층(140)이 형성된다. 유기 발광층(140)으로는 여러 물질들이 사용된 다층구조로 형성될 수 있으며, 무기 물질층을 더 포함할 수도 있다. 이와 같은 유기 발광층(140)은 저분자 또는 고분자 유기물로 구비될 수 있다.
저분자 유기물을 사용할 경우, 유기 발광층(140)을 사이에 두고, 홀 주입층(HIL: hole injection layer)(미도시), 홀 수송층(HTL: hole transport layer)(미도시), 전자 수송층(ETL: electron transport layer)(미도시), 전자 주입층(EIL: electron injection layer)(미도시) 등이 단일 혹은 복합의 구조로 적층되어 형성될 수 있으며, 사용 가능한 유기 재료도 구리 프탈로시아닌(CuPc: copper phthalocyanine), N, N-디(나프탈렌-1-일)-N, N'-디페닐-벤지딘 (N, N'-di(naphthalene-1-yl)-N, N'-diphenyl-benzidine: NPB), 트리스-8-하이드록시퀴놀린 알루미늄(tris-8-hydroxyquinoline aluminum)(Alq3) 등을 비롯해 다양하게 적용 가능하다. 고분자 유기물의 경우에도, 유기 발광층(152)으로부터 애노드 전극 측으로 홀 주입층(HIL)(미도시)이 더 구비된 구조를 가질 수 있으며, 이때, 홀 주입층으로 PEDOT를 사용하고, 발광층으로 PPV(Poly-Phenylenevinylene)계 및 폴리플루오 렌(Polyfluorene)계 등 고분자 유기물질을 사용할 수 있다.
유기 발광층(140) 상에 제 2 전극층(150)이 형성된다. 제 2 전극층(150)은 전면 발광형 소자의 경우 투명 전극으로, 배면 발광형 소자의 경우 반사 전극으로 구비될 수 있다. 본 실시예와 같이 배면 발광 소자에서 제 2 전극층(150)이 반사형 전극으로 구비될 때에는 Li, Ca, LiF/Ca, LiF/Al, Al, Mg 및 이들의 화합물로 형성될 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 유기 발광 장치의 광 추출 효율 개선 매커니즘을 설명하기 위한 광 경로 추적도를 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 도면을 참조하면, 유기 발광층(140)에서 발생한 빛은, 진행 경로 중에 30도 내지 60도의 테이퍼 각을 구비한 저굴절층(130)의 표면에서 반사되어 진행 방향이 바뀌고, 방향이 바뀐 빛은 상부 금속 전극, 즉 제2 전극층(150)에서 다시 반사되면서 기판(110) 외부로, 즉 공기(Air) 중으로 바로 출광하게 된다. 즉, 본 실시예의 저굴절층(130)은 일종의 전반사용 거울로서 기능하므로, 저굴절층(130)에서 한번 반사된 빛이 공기(Air) 중으로 추출되는 비율이 상대적으로 높다. 이 경우, 하나의 픽셀에서 생성된 빛이 해당 픽셀에서 외부로 추출될 확률이 높아지므로, 광 추출 효율 향상과 동시에 수반되는 픽셀 블러링(pixel blurring) 증가를 억제할 수 있다.
반면, 저굴절층(130)의 단부가 소정의 테이퍼 각을 가지지 않는다면, 즉 테이퍼 각이 90도인 경우에는, 저굴절층(130)을 한번 지난 후 외부로 광 추출이 이루어질 정도로 굴절이 일어나려면 저굴절층(130)의 굴절률이 1에 가까운 극히 작은 경우에만 가능하며, 통상적으로 쉽게 구할 수 있고 공정이 잘 알려진 SiO2와 같은 물질이 저굴절 물질로 사용될 경우에는, 저굴절층(130)을 여러 번 만나면서 굴절각이 더해져야 비로소 외부로 출광되는 것이 가능하다. 이 경우, 결국 하나의 픽셀에서 생성되어 갇혀있던 빛이 옆의 픽셀에서 외부로 출광 될 확률이 높아짐을 의미하므로, 픽셀 블러링 내지는 픽셀간 크로스토킹(cross-talking)도 억제할 수 없으며, ITO층 등을 따라 가이딩 되는 경로가 길어짐에 따라 흡광될 확률이 높아 광추출효율 증대면에서도 비효율적이다.
이하, 도 4 내지 7을 참조하여 이를 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 테이퍼 각 45도의 규칙적인 패턴으로 형성된 저굴절층을 구비한 유기 발광 소자의 단면도이고. 도 5는 비교예로서 테이퍼 각 90도인 저굴절층을 구비한 유기 발광 소자의 단면도이다.
발광부(P)는 하나의 픽셀 사이즈에 대응하도록 201㎛×201㎛ 내에만 분포시키고, 저굴절층(130, 30)은 옆 픽셀에 미치는 영향을 확인하기 위하여 3㎛×3㎛ 크기의 규칙적 패턴으로 10000㎛×10000㎛(도 4 및 5의 x㎛) 범위에 넓게 분포 시켰으며, 기판(110, 10)의 두께는 700㎛로 하였다.
도 6은 출광되는 빛의 광량을 측정할 수 있는 가상의 정사각형 광수용부(photoreceiver) 한변의 길이에 따라 크기에 따라 수집된 전력값을 각 케이스별 수집된 전력값을 정규화시킨 그래프이고, 도 7은 도 6의 1차 미분값을 나타낸 그래프이다.
상세히, 도 6은 저굴절층의 테이퍼 각 45도 및 90도의 각 경우에 대하여, 광 수용부 크기(photoreceiver size)를 461㎛×461㎛에서 5000㎛×5000㎛까지 변화시키며 수용부에 수집되는 전력값을 비교한 그래프이다.
상기 도면을 참조하면, 45도 테이퍼 각을 구비한 저굴절층(130)이 있는 경우, 단위 201㎛×201㎛ 픽셀에서 나온 빛이 전달된 전력은 수용부 크기 약 1400㎛×1400㎛에서 대부분 수용되어 광 수용부 크기가 증가되어도 거의 변화하지 않는 반면, 90도 테이퍼 각을 구비한 저굴절층(30)이 있는 경우, 단위 201㎛×201㎛ 픽셀에서 나온 빛이 전달된 전력은 1400㎛×1400㎛ 이후에도 계속 증가함을 알 수 있다. 즉, 90도 테이퍼 각을 구비한 저굴절층(30)을 한 번 만나 기판(10) 외부로 출광 될 확률이 적은 광자는, 기판(10)에 반사되어 저굴절층(30)을 두 번째 만나서 출광되거나, 일부는 저굴절층(30)을 세 번째 만나서 출광되는 것을 반복하게 된다. 반면, 45도 테이퍼 각을 구비한 저굴절층(130)을 만난 광자는 두 번째 만날 때 대부분의 광자가 출광 됨을 의미한다.
상세히, 도 7을 참조하면, 90도 테이퍼 각 저굴절층(30)의 경우, 픽셀 외부에서 추출되는 빛의 양이 많음을 확인할 수 있으며, 특히 1400㎛, 2800㎛, 4200㎛ 근처에서 수용부 크기 변화시 수용부에 전달되는 전력값의 증가분이 최대값(local maximum)을 보임을 확인할 수 있다. 이는 공기(air)-기판(glass) 계면에서의 전반사 임계각을 약 45도로 잡으면, 저굴절층(30)을 한번 거쳐 기판 가이드 모드(glass guided molde)로 변환된 광자는 수평 방향으로 약 기판두께*2(700㎛*2) 만큼 떨어진 곳에서 다시 저굴절층(30)을 만나게 되기 때문이다.
상술한 설명으로부터, 본 실시예와 같이 일정 테이퍼 각(θ)을 유지한 저굴 절층을 포함하는 유기 발광 소자에서는, 테이퍼 각 90도를 유지하는 저굴절층을 구비한 유기 발광 소자보다 광 추출 효율이 향상되고, 픽셀 블러링 증가가 억제됨을 알 수 있다. 또한, 이러한 유기 발광 소자를 포함하는 조명 장치 및 디스플레이 장치도 광 추출 효율 향상 및 픽셀 블러링 증가 억제 효과를 기대할 수 있음은 물론이다.
도 8 및 9는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
상기 도면을 참조하면, 본 실시예들에 따른 유기 발광 소자(100A, 100B)는 기판(110), 제 1 전극층(120), 소정 테이퍼 각을 구비하도록 패터닝된 저굴절층(130), 유기 발광층(140), 제 2 전극층(150), 및 마이크로렌즈 어레이(160A, 160B)를 포함한다.
본 실시예에 따른 유기 발광 소자(100A, 100B)는 전술한 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)에 마이크로렌즈 어레이(160A, 160B)가 더 구비된 것으로, 이후 본 실시예만의 특징을 중심으로 상세히 설명한다.
본 실시예에서는 기판(110)의 외부 표면에 마이크로렌즈 어레이(MicroLens Array: MLA)(160A, 160B)가 더 구비된다. 도 8은 조밀 육방형의 반구형 마이크로렌즈 어레이(160A)가 구비된 유기 발광 소자(100A)를, 도 9는 역사다리꼴 모양의 마이크로렌즈 어레이(160B)를 구비한 유기 발광 소자(100B)를 예시로 나타낸 것이다. 상기 도면들은 마이크로렌즈 어레이에 대한 예시를 나타낸 것이며, 이외에도 다양 한 형상이 가능함은 물론이다.
이와 같은 마이크로렌즈 어레이(160A, 160B)는 가시광선에 투명한 산화물, 질화물, 실리콘 화합물, 및 고분자 유기물질 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 또한, 마이크로렌즈 어레이(160A, 160B)는 일정한 주기성을 가지도록 형성될 수 있으며, 마이크로렌즈 어레이(160A, 160B)의 크기나 주기성은 발광되는 빛의 파장보다 크게 형성함으로써, 가시광 영역에서의 빛의 파장 의존성을 줄일 수 있도록 한다.
도 10은 마이크로렌즈 어레이의 굴절률과 광 추출 효율의 관계를 나타낸 그래프, 도 11은 마이크로렌즈 어레이의 굴절률에 따라 발생할 수 있는 광선 추적 결과의 예시를 나타낸 도면이다.
도 10를 참조하면, 마이크로렌즈 어레이의 굴절률에 따라 광 추출 효율의 개선 정도가 달라짐을 알 수 있으며, 특히 마이크로렌즈 어레이의 굴절률이 1.65 근처에서 광 추출 효율이 최대로 개선됨을 알 수 있다.
또한, 도 11을 참조하면, 마이크로렌즈 어레이(160)의 굴절률이 기판(110)의 굴절률보다 작으면(L1 참조), 기판(110)-마이크로렌즈(160) 계면에서 전반사에 의해 갇히게 되는 빛이 많아지고, 마이크로렌즈 어레이(160)의 굴절률이 너무 크면(L3 참조), 마이크로렌즈(160)와 외부 공기의 경계면에서 전반사가 발생할 수 있다. 따라서, 광 추출 효율을 최적화하기 위해서는 마이크로렌즈 어레이(160)의 굴절률을 기판의 굴절률보다 같거나 크지만 너무 크지 않는 범위(L3 참조)로 최적화할 필요가 있으며, 그 범위는 바람직하게는 1.45 내지 1.8 사이가 적당함을 알 수 있다.
이와 같이 마이크로렌즈 어레이(160)를 사용하는 것 자체만으로도 광 추출 효율을 향상시킬 수 있지만, 본 실시예와 같이 소정 테이퍼 각을 구비하도록 패터닝된 저굴절층(130)과 함께 사용될 때 그 장점이 극대화된다. 왜냐하면, 마이크로 렌즈 어레이(160)는 기판(110)에 갇힌 모드의 빛만을 외부로 추출하기 때문에, 저굴절층(130)과 함께 사용될 경우, 유기 발광층(140)과 제 1 전극층(120)에 갇힌 모드의 빛이 저굴절층(130)에 의해 기판(110)에 갇힌 모드의 빛으로 전환되고, 마이크로렌즈 어레이(160)에 의해 최종적으로 외부로 방출되는 2단계 방식으로 더욱 높은 광 추출 효율 향상을 도출할 수 있다.
도 12는 마이크로렌즈 어레이의 굴절률, 저굴절층의 테이퍼 각, 및 광 추출 효율의 관계를 도시한 그래프이다.
상기 그래프는 마이크로렌즈 어레이와 저굴절층을 함께 구비한 유기 발광 소자의 광 추출 효율을 나타낸 것으로, 마이크로렌즈 어레이의 굴절률이 1.65인 유기 발광 소자의 광추출 효율이 마이크로렌즈 어레이의 굴절률이 1.45인 유기 발광 소자의 광 추출 효율보다 높은 것을 알 수 있다. 또한, 각 경우에 있어서, 저굴절층이 적절한 테이퍼 각을 가질 경우, 광 추출 효율이 최적화됨을 알 수 있다.
따라서, 상기 도면들을 참조하면, 본 실시예에서는 마이크로렌즈 어레이의 굴절률이 1.45~1.8이고, 저굴절층의 테이퍼각이 30~60도인 경우 광 추출 효율이 최적화됨을 알 수 있다.
이하, 도 13 내지 15를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자를 설명한다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
상기 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(200)는 기판(210), 제 1 전극층(220), 고굴절층(230), 유기 발광층(240), 및 제 2 전극층(250)을 포함한다.
본 실시예에 따른 유기 발광 소자(200)는 전술한 실시예에 따른 유기 발광 소자(100)의 저굴절층(130) 대신 고굴절층(230)이 구비된 것으로, 이후 본 실시예만의 특징을 중심으로 상세히 설명한다.
본 실시예에 따른 유기 발광 소자(200)는 제 2 전극층(250) 측으로 빛이 방출되는 전면 발광, 기판(210) 측으로 빛이 방출되는 배면 발광, 또는 양면 발광 어느 경우에도 적용가능하지만, 본 실시예에서는 기판(210) 측으로 빛이 방출되는 배면 발광 소자를 기준으로 설명하기로 한다. 따라서, 기판(210)은 투명한 글라스재를 사용하였으며, 제 1 전극층(220)은 ITO와 같은 투명 전극으로 구비된다.
제 1 전극층(220) 상에 제 1 전극층(220) 또는 유기 발광층(240)보다 굴절률이 큰 고굴절층(230)이 규칙적인 패턴으로 패터닝되어 배치된다. 이때 고굴절층(230)의 패턴은 격자 무늬, 체크 무늬 혹은 랜덤한 분포 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
고굴절층(230)의 굴절률의 범위는 통상적으로 제1 전극층(220)으로 사용되는 ITO의 굴절률(n=1.8) 또는 유기층(240)의 굴절률(n=1.7~1.8)보다 큰 것이 바람직하며, 본 실시예에서 굴절률 1.9~2.8의 고굴절층(230)을 사용하였다. 이러한 고굴절층(230)의 재료는, 가시 광선에 투명한 탄화물, 산화물, 질화물, 황화물, 및 Se 화합물에서 선택된 하나 이상의 물질에서 선택될 수 있다.
고굴절층(230)의 패터닝된 단부는 제 1 전극층(220)의 표면과 테이퍼 각(taper angle)(θ)이 20도 내지 60로 기울기를 가지도록 형성된다.
도 14는 본 발명의 실시예로 굴절률이 2.4인 고굴절층의 테이퍼 각과 광 추출 효율 사이의 관계를 개략적으로 도시한 그래프이고, 도 15는 본 실시예에 따른 유기 발광 장치의 광 추출 효율 개선 매커니즘을 설명하기 위한 광 경로 추적도를 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 도면들을 참조하면, 테이퍼 각이 20도 내지 60도 일 때, 외부 광 추출 효율은 21%를 상회 하는데, 이는 통상의 유기 발광 소자의 광 추출 효율인 16%~18%에 비하여 매우 우수함을 알 수 있다.
고굴절층(230) 상에는 고굴절층(230)의 패터닝 된 단부와 접하도록 유기 발광층(240)이 형성된다. 유기 발광층(240)으로는 여러 물질들이 사용된 다층구조로 형성될 수 있으며, 무기 물질층을 더 포함할 수도 있다. 이와 같은 유기 발광층(240)은 저분자 또는 고분자 유기물로 구비될 수 있는데, 전술한 실시예와 동일하므로 설명은 생략한다.
유기 발광층(240) 상에 제 2 전극층(250)이 형성된다. 본 실시예와 같이 배면 발광 소자에서 제 2 전극층(250)이 반사형 전극으로 구비될 때에는 Li, Ca, LiF/Ca, LiF/Al, Al, Mg 및 이들의 화합물로 형성될 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 본 실시예에 따른 유기 발광 소자(200)의 고굴절층(230)도 전술한 실시예와 마찬가지로 소정 테이퍼 각을 구비한 고굴절층을 규칙적인 패턴으로 형성하여 광 추출 효율 향상뿐만 아니라, 픽셀 블러링 증가를 억제할 수 있음은 물론이다. 또한, 기판(210) 외부 표면에 마이크로렌즈 어레이(미도시)를 더 구비하여 광 추출 효율을 극대화시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예와 같이 일정 테이퍼 각(θ)을 유지한 고굴절층을 포함하는 유기 발광 소자는, 테이퍼 각 90도를 유지하는 고굴절층을 구비한 유기 발광 소자보다 광 추출 효율을 향상시키고, 픽셀 블러링을 감소시킬 수 있다. 또한, 이러한 유기 발광 소자를 포함하는 조명 장치 및 디스플레이 장치도 광 추출 효율 향상 및 픽셀 블러링 증가 억제 효과를 기대할 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 도면들에 도시된 구성요소들은 설명의 편의상 확대 또는 축소되어 표시될 수 있으므로, 도면에 도시된 구성요소들의 크기나 형상에 본 발명이 구속되는 것은 아니며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 저굴절층의 테이퍼 각과 광 추출 효율 사이의 관계를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 3은 본 실시예에 따른 유기 발광 장치의 광 추출 효율 개선 매커니즘을 설명하기 위한 광 경로 추적도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 테이퍼 각 45도의 규칙적인 패턴으로 형성된 저굴절층을 구비한 유기 발광 소자의 단면도이다.
도 5는 비교예로서 테이퍼 각 90도인 저굴절층을 구비한 유기 발광 소자의 단면도이다.
도 6은 수용부 크기에 따른 각 케이스별 수집된 전력값을 정규화시킨 그래프, 도 7은 도 6의 1차 미분값을 나타낸 그래프이다
도 8 및 9는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10은 마이크로렌즈 어레이의 굴절률과 광 추출 효율의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11은 마이크로렌즈 어레이의 굴절률에 따라 발생할 수 있는 광선 추적 결과의 예시를 나타낸 도면이다.
도 12는 마이크로렌즈 어레이의 굴절률, 저굴절층의 테이퍼 각, 및 광 추출 효율의 관계를 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 14는 고굴절층의 테이퍼 각과 광 추출 효율 사이의 관계를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 15는 본 실시예에 따른 유기 발광 장치의 광 추출 효율 개선 매커니즘을 설명하기 위한 광 경로 추적도를 개략적으로 도
한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간략한 설명>
100, 200: 유기 발광 소자 110, 210: 기판
120, 220: 제 1 전극층 130: 저굴절층
230: 고굴절층 140, 240: 유기 발광층
150, 250: 제 2 전극층 160: 마이크로렌즈 어레이
Claims (21)
- 기판;상기 기판 상에 형성된 제1 전극층;상기 제1 전극층 상에 패터닝되어 배치되고, 패터닝된 단부와 상기 제1 전극층의 표면과 형성하는 테이퍼 각(taper angle)이 20도 내지 60도이고, 상기 제1 전극층 또는 유기 발광층과 굴절률이 다른 재료로 형성된 굴절층;상기 패터닝된 굴절층을 덮으며, 상기 굴절층의 패터닝 된 단부와 접하도록 상기 제1 전극층 상에 배치된 유기 발광층;상기 유기 발광층 상에 형성된 제2 전극층;을 포함하는 유기 발광 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 전극층 및 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극은 투명전극인 유기 발광 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 굴절층은 상기 유기 발광층 또는 제1 전극층보다 굴절률이 작은 유기 발광 소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 굴절층의 굴절률의 범위는 1~1.55인 유기 발광 소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 굴절층은 가시 광선에 투명한 다공성 물질, 불소화 화합물, 산화물, 질화물, 실리콘 화합물 및 고분자 유기 물질 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 유기 발광 소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 굴절층의 테이퍼 각은 30도 내지 60도인 유기 발광 소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 굴절층은 규칙적으로 패터닝 되고, 상기 패터닝된 굴절층은 상기 제1 전극층 및 제2 전극층과 수평으로 형성된 유기 발광 소자.
- 제 7 항에 있어서,상기 패터닝된 굴절층의 주기성은 발광되는 빛의 파장보다 큰 유기 발광 소자.
- 제 7 항에 있어서,상기 패터닝된 굴절층의 단부와 상기 제1 전극층의 표면과 이루는 테이퍼 각 은 30도 내지 60도인 유기 발광 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 굴절층은 상기 유기 발광층 또는 제1 전극층보다 굴절률이 큰 유기 발광 소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 굴절층의 굴절률의 범위는 1.9~2.8인 유기 발광 소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 굴절층은 가시 광선에 투명한 탄화물, 산화물, 질화물, 황화물, 및 Se 화합물에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 유기 발광 소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 굴절층은 규칙적으로 패터닝 되고, 상기 패터닝된 굴절층은 상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층과 수평으로 형성된 유기 발광 소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 패터닝된 굴절층의 주기성은 발광되는 빛의 파장보다 큰 유기 발광 소자.
- 제 10 항에 있어서,상기 패터닝된 굴절층의 단부와 상기 제 1 전극층의 표면과 이루는 테이퍼 각은 30도 내지 60도인 유기 발광 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판의 외부 표면에 굴절률이 1.45~1.8 사이의 마이크로렌즈 어레이가 더 구비된 유기 발광 소자.
- 제 16항에 있어서,상기 마이크로렌즈 어레이는 주기성을 가지는 유기 발광 소자.
- 제 16항에 있어서,상기 마이크로렌즈 어레이의 크기 및 주기성은 발광되는 빛의 파장보다 큰 유기 발광 소자.
- 제 16항에 있어서,상기 마이크로렌즈 어레이는 가시광선에 투명한 산화물, 질화물, 실리콘 화합물, 및 고분자 유기물에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 유기 발광 소자.
- 제 1 항의 유기 발광 소자를 포함하는 조명장치.
- 제 1 항의 유기 발광 소자를 포함하는 유기 발광 디스플레이 장치.
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