KR101579457B1 - 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법, 유기발광소자용 광추출 기판 및 이를 포함하는 유기발광소자 - Google Patents

유기발광소자용 광추출 기판 제조방법, 유기발광소자용 광추출 기판 및 이를 포함하는 유기발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법, 유기발광소자용 광추출 기판 및 이를 포함하는 유기발광소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 유기발광소자의 광추출 효율 향상은 물론 휘도 균일도를 증대시킬 수 있는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법, 유기발광소자용 광추출 기판 및 이를 포함하는 유기발광소자에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 무기 바인더에 다수의 산란입자를 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조단계; 상기 혼합물을 베이스 기판 상에 코팅하는 혼합물 코팅단계; 코팅된 상기 혼합물 상에 무기물을 코팅하여 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성단계; 상기 혼합물 및 상기 버퍼층을 소성하는 소성단계; 상기 소성단계 시 상기 혼합물 및 상기 버퍼층에 발생된 균열에 금속으로 이루어진 제1 전극을 형성하는 제1 전극 형성단계; 및 상기 제1 전극 상에 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 형성하는 제2 전극 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법을 제공한다.

Description

유기발광소자용 광추출 기판 제조방법, 유기발광소자용 광추출 기판 및 이를 포함하는 유기발광소자{METHOD OF FABRICATING LIGHT EXTRACTION SUBSTRATE, LIGHT EXTRACTION SUBSTRATE FOR OLED AND OLED INCLUDING THE SAME}
본 발명은 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법, 유기발광소자용 광추출 기판 및 이를 포함하는 유기발광소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 유기발광소자의 광추출 효율 향상은 물론 휘도 균일도를 증대시킬 수 있는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법, 유기발광소자용 광추출 기판 및 이를 포함하는 유기발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 발광장치는 크게 유기물을 이용하여 발광층을 형성하는 유기 발광장치와 무기물을 이용하여 발광층을 형성하는 무기 발광장치로 구분할 수 있다. 이중, 유기 발광장치를 이루는 유기발광소자는 전자주입전극(cathode)으로부터 주입된 전자와 정공주입전극(anode)으로부터 주입된 정공이 유기 발광층에서 결합하여 엑시톤(exciton)을 형성하고, 이 엑시톤이 에너지를 방출하면서 발광하는 자체 발광형 소자로서, 저전력 구동, 자체발광, 넓은 시야각, 높은 해상도와 천연색 실현, 빠른 응답 속도 등의 장점을 가지고 있다.
최근에는 이러한 유기발광소자를 휴대용 정보기기, 카메라, 시계, 사무용기기, 자동차 등의 정보 표시 창, 텔레비전, 디스플레이 또는 조명용 등에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상술한 바와 같은 유기발광소자의 발광 효율을 향상시키기 위해서는 발광층을 구성하는 재료의 발광 효율을 높이거나 발광층에서 발광된 광의 광추출 효율을 향상시키는 방법이 있다.
이때, 광추출 효율은 유기발광소자를 구성하는 각 층들의 굴절률에 의해 좌우된다. 일반적인 유기발광소자의 경우, 발광층으로부터 방출되는 광이 임계각 이상으로 출사될 때, 애노드인 투명전극층과 같이 굴절률이 높은 층과 기판유리와 같이 굴절률이 낮은 층 사이의 계면에서 전반사를 일으키게 되어, 광추출 효율이 낮아지게 되고, 이로 인해, 유기발광소자의 전체적인 발광 효율이 감소되는 문제점이 있었다.
이를 구체적으로 설명하면, 유기발광소자는 발광량의 20%만 외부로 방출되고, 80% 정도의 빛은 기판유리와 애노드 및 정공 주입층, 전공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층 등을 포함하는 유기 발광층의 굴절률 차이에 의한 도파관(wave guiding) 효과와 기판유리와 공기의 굴절률 차이에 의한 전반사 효과로 손실된다. 즉, 내부 유기 발광층의 굴절률은 1.7~1.8이고, 애노드로 일반적으로 사용되는 ITO의 굴절률은 약 1.9이다. 이때, 두 층의 두께는 대략 200~400㎚로 매우 얇고, 기판유리의 굴절률은 1.5이므로, 유기발광소자 내에는 평면 도파로가 자연스럽게 형성된다. 계산에 의하면, 상기 원인에 의한 내부 도파모드로 손실되는 빛의 비율이 약 45%에 이른다. 그리고 기판유리의 굴절률은 약 1.5이고, 외부 공기의 굴절률은 1.0이므로, 기판유리에서 외부로 빛이 빠져 나갈 때, 임계각 이상으로 입사되는 빛은 전반사를 일으켜 기판유리 내부에 고립되는데, 이렇게 고립된 빛의 비율은 약 35%에 이르기 때문에, 불과 발광량의 20% 정도만 외부로 방출된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 광도파모드에 의해 소실되는 80%의 빛을 외부로 끌어내는 광추출층에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여기서, 광추출층은 크게 내부 광추출층과 외부 광추출층으로 나뉜다. 이때, 외부 광추출층의 경우에는 다양한 형태의 마이크로 렌즈를 포함하는 필름을 기판 외부에 설치함으로써, 광추출 효과를 얻을 수 있는데, 마이크로 렌즈의 형태에 크게 구애 받지 않은 특성이 있다. 또한, 내부 광추출층은 광 도파모드로 소실되는 빛을 직접적으로 추출함으로써, 외부 광추출층에 비해 효율증대 가능성이 훨씬 높은 장점이 있다.
여기서, 종래에는 이러한 내부 광추출층 제조를 위해, 산란입자를 기판에 고정하기 위해 무기 바인더 졸에 혼합하여, 이를 기판 상에 코팅한 후 소성하였으나, 소성하는 과정에서 졸 상태인 바인더 재료가 결정화되며 발생하는 부피 감소 및 기판과의 열팽창계수(CTE) 차이로 인해 유발되는 스트레스 해소과정에서 코팅막에 미세 균열이 발생하였다. 이때, 이러한 균열은 코팅막의 표면조도 및 부착력을 악화시켜, 상부에 평탄막을 추가로 코팅하여야 되는데, 이로 인해, 추가 공정 비용이 발생되는 문제가 있었다.
한편, 대면적 유기발광소자 제작 시 발광 균일도 확보 및 저 전압 구동을 위해서는 주전극인 양극(anode) 외에 금속 보조전극이 필요하다. 종래에는 이와 같은 보조전극을 형성하기 위해, 포토리소그래피 공정을 통한 패터닝법을 통해 보조전극을 형성하였다. 하지만, 포토리소그래피 공정을 통해 보조전극을 형성하게 되면, 공정 비용이 매우 증가되는 문제가 있었다. 또한, 보조전극은 프린팅법을 통해서도 형성할 수 있는데, 프린팅법을 통해 보조전극을 형성하면, 최소 선폭 및 높이가 수십~수백 ㎛ 수준이 되어, 개구율이 감소되는 문제가 있었고, 증착을 통해 형성시킨 보조전극에 비해 전기적 특성이 좋지 않은 문제가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제1093259호(2011.12.06.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유기발광소자의 광추출 효율 향상은 물론 휘도 균일도를 증대시킬 수 있는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법, 유기발광소자용 광추출 기판 및 이를 포함하는 유기발광소자를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 무기 바인더에 다수의 산란입자를 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조단계; 상기 혼합물을 베이스 기판 상에 코팅하는 혼합물 코팅단계; 코팅된 상기 혼합물 상에 무기물을 코팅하여 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성단계; 상기 혼합물 및 상기 버퍼층을 소성하는 소성단계; 상기 소성단계 시 상기 혼합물 및 상기 버퍼층에 발생된 균열에 금속으로 이루어진 제1 전극을 형성하는 제1 전극 형성단계; 및 상기 제1 전극 상에 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 형성하는 제2 전극 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 혼합물 제조단계에서는 상기 산란입자로, 상기 무기 바인더와 굴절률 차이가 0.3 이상인 입자를 사용할 수 있다.
또한, 상기 혼합물 제조단계에서는 상기 산란입자로, SiO2, TiO2, ZnO 및 SnO2를 포함하는 금속산화물 후보군 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
그리고 상기 혼합물 제조단계에서는 코어 및 상기 코어와 굴절률 차이를 가지며 상기 코어를 감싸는 쉘로 이루어진 산란입자들을 상기 다수의 산란입자로 사용하거나 상기 다수의 산란입자 중 일부를 이루도록 사용할 수 있다.
이때, 상기 혼합물 제조단계에서는 상기 코어가 중공으로 이루어진 산란입자들을 상기 다수의 산란입자로 사용하거나 상기 다수의 산란입자 중 일부를 이루도록 사용할 수 있다.
아울러, 상기 버퍼층 형성단계에서는 상기 버퍼층을 이루는 무기물로 ZnO를 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극 형성단계는, 상기 균열 내부 및 상기 버퍼층 상에 상기 금속을 증착하는 제1 과정, 및 상기 버퍼층을 식각하는 제2 과정을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 과정에서는 상기 금속으로, Cu, Al, Ag를 포함하는 금속 후보군 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 혼합물 소성단계에서는 상기 매트릭스 층의 내부에 부정형의 다수의 기공이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명은, 베이스 기판; 상기 베이스 기판 상에 형성되는 매트릭스 층; 상기 매트릭스 층 내부에 분포되어 있는 다수의 산란입자; 상기 매트릭스 층에 형성되어 있는 균열을 메우는 형태로 형성되어 있고 금속으로 이루어진 제1 전극; 및 상기 매트릭스 층 및 상기 제1 전극 상에 형성되는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판을 제공한다.
여기서, 상기 산란입자는 상기 매트릭스 층과의 굴절률 차이가 0.3 이상인 물질로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 산란입자의 일부 또는 전부는 코어 및 상기 코어와 굴절률 차이를 가지며 상기 코어를 감싸는 쉘로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 코어는 기공으로 이루어질 수 있다.
아울러, 상기 매트릭스 층의 내부에 형성되어 있는 부정형의 다수의 기공을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 균열은 상기 다수의 산란입자 사이 및 여러 개의 상기 산란입자가 뭉쳐진 응집체들 사이를 따라 형성될 수 있다.
그리고 상기 균열의 일부 또는 전부는 상기 매트릭스 층의 표면으로 상기 베이스 기판을 노출시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 전극은 유기발광소자의 투명전극인 주전극으로 사용되고, 상기 제1 전극은 상기 유기발광소자의 보조전극으로 사용되며, 상기 매트릭스 층 및 상기 다수의 산란입자는 상기 유기발광소자의 내부 광추출층으로 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 상기의 유기발광소자용 광추출 기판을, 발광된 빛이 외부로 방출되는 일면에 구비하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 매트릭스 층 형성을 위한 소성 시 혼합물이 수축되는 과정에서 베이스 기판과의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인해 자연 발생되는 균열의 형태를 제어하여 랜덤한 형태의 망상구조를 만들고, 이와 같이 만들어진 균열에 금속을 증착하여 유기발광소자의 보조전극으로 역할을 하게 될 전극을 형성함으로써, 유기발광소자에 적용 시 유기발광소자의 광추출 효율 향상은 물론, 휘도 균일도를 증대시킬 수 있고, 저전압 구동을 가능하게 할 수 있어, 대면적 유기발광소자에 적용 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 자연 발생된 균열을 메우는 형태로 전극을 형성함으로써, 종래 리소그래피를 통해 유기발광소자의 보조전극을 형성하는 공정에 비해, 간단하게 보조전극을 형성할 수 있고, 이로 인해, 유기발광소자를 제조하는 공정 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 균열에 형성시킨 보조전극 및 매트릭스 층의 표면을 덮는 형태로 유기발광소자의 투명전극으로 역할을 하게 될 도전막을 형성함으로써, 균열 발생으로 인해 표면조도가 악화된 매트릭스 층의 표면을 평탄화시킬 수 있고, 이로 인해, 추가적인 평탄층 형성 공정을 생략할 수 있어, 결국, 유기발광소자를 제조하는 공정 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 매트릭스 층에 발생되는 균열을 메우는 형태로 보조전극을 형성시킨 경우, 매트릭스 층 내부에서 측면으로 도파되는 빛이 금속으로 이루어진 보조전극에 도달하여 반사될 확률이 증가되므로, 이를 통해, 광 도파모드가 교란될 수 있고, 이는 광추출 효율 증가로 이어지게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법을 나타낸 공정 흐름도.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법을 공정 순으로 나타낸 공정 모식도.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 유기발광소자용 광추출 기판을 채용한 유기발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법, 유기발광소자용 광추출 기판 및 이를 포함하는 유기발광소자에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법은 유기발광소자(도 9의 10)로부터 발광된 빛이 외부로 방출되는 경로 상에 배치되어, 유기발광소자(10)로부터 발광된 빛을 외부로 방출시키는 통로 역할을 하는 한편, 유기발광소자(10)의 광추출 효율을 향상시킴과 아울러, 유기발광소자(10)를 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 하는 광추출 기판(도 9의 100)을 제조하는 방법이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법은 혼합물 제조단계(S1), 혼합물 코팅단계(S2), 버퍼층 형성단계(S3), 소성단계(S4), 제1 전극 형성단계(S5) 및 제2 전극 형성단계(S6)을 포함한다.
먼저, 혼합물 제조단계(S1)는 유기발광소자(10)의 내부 광추출층을 이루게 될 혼합물(도 2의 120)을 제조하는 단계이다. 혼합물 제조단계(S1)에서는 졸(sol)형 무기 바인더(도 2의 121)에 다수의 산란입자(도 2의 122)를 혼합하여 혼합물(120)을 제조한다. 이때, 혼합물 제조단계(S1)에서는 유기발광소자(10)의 내부 광추출층으로 적용 시 유기발광소자(10)의 광추출 효율을 향상시키기 위해, 서로 굴절률이 다른 무기 바인더(121)와 산란입자(122)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 혼합물 제조단계(S1)에서는 산란입자(122)의 매트릭스 층(도 5의 140)을 이루게 될 무기 바인더(121)와의 굴절률 차이가 0.3 이상인 산란입자(122)를 사용할 수 있다. 이때, 혼합물 제조단계(S1)에서는 산란입자(122)로, SiO2, TiO2, ZnO 및 SnO2를 포함하는 금속산화물 후보군 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 혼합물 제조단계(S1)에서는 코어(도 2의 123) 및 이와 굴절률 차이를 가지며 이를 감싸는 쉘(도 2의 124)로 이루어진 산란입자들을 무기 바인더(121)에 혼합하는 다수의 산란입자(122)로 사용할 수 있다. 그리고 혼합물 제조단계(S1)에서는 코어-쉘 구조로 이루어진 산란입자들을 무기 바인더(121)에 혼합하는 다수의 산란입자(122) 중 일부를 이루도록 사용할 수 있다. 이때, 혼합물 제조단계(S1)에서는 코어(123)가 중공으로 이루어진 산란입자들을 사용할 수도 있다. 즉, 혼합물 제조단계(S1)에서는 단일 물질로 이루어져 단일 굴절률을 갖는 통상의 산란입자들, 코어(123)와 쉘(124)이 굴절률 차이를 갖는 코어-쉘 구조의 산란입자들 및 코어(123)가 중공으로 이루어진 코어-쉘 구조의 산란입자들 중 어느 하나의 산란입자들을 무기 바인더(121)에 혼합하는 다수의 산란입자(122)로 사용하거나, 이들 중 둘 이상을 소정 비율로 섞어, 무기 바인더(121)에 혼합하는 다수의 산란입자(122)로 사용할 수 있다. 이와 같이, 다양한 조합으로 이루어질 수 있는 다수의 산란입자(122)는 유기발광소자(10)로부터 방출되는 빛을 다양한 혹은 복잡한 경로로 산란시켜, 유기발광소자(10)의 광추출 효율을 향상시키는 역할을 하게 된다. 특히, 산란입자(122)가 서로 굴절률 차이를 갖는 코어-쉘 구조로 이루어지면, 코어(123)와 쉘(124) 간의 굴절률 차이를 통해, 유기발광소자(10)로부터 방출되는 빛을 외부로 추출하는 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 이러한 혼합물(120)은 후속 공정으로 진행되는 혼합물 소성단계(S4)에서, 내부에 다수의 산란입자(122)가 분산되어 있는 매트릭스 층(도 5의 140)으로 만들어지는데, 이때, 베이스 기판(도 2의 110)과 무기 바인더(121) 간의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인해, 매트릭스 층(140)에는 균열(crack)(도 5의 141)이 자연 발생된다. 본 발명의 실시 예에 따른 혼합물 제조단계(S1)에서는 이러한 균열(141)이 랜덤한 형태의 망상구조로 만들어지도록 제어하기 위해, 혼합물(120)의 조성 및 농도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 혼합물 제조단계(S1)에서는 TiO2를 포함하는 무기 바인더(121)에 SiO2를 포함하는 산란입자(122)를 1.0M 이상 혼합할 수 있다.
다음으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 혼합물 코팅단계(S2)는 혼합물 제조단계(S1)를 통해 제조한 혼합물(120)을 베이스 기판(110) 상에 코팅하는 단계이다. 이때, 혼합물 코팅단계(S2)에서는 후속 공정으로 진행되는 혼합물 소성단계(S4)에서 베이스 기판(110)과, 무기 바인더(121) 간의 열팽창계수(CTE) 차이로 인해, 무기 바인더(121)를 소성시켜 형성되는 매트릭스 층(도 5의 140)에 균열(도 5의 141)이 발생되도록 하기 위해, 혼합물(120)을 적어도 산란입자(122)의 두께 이상으로 베이스 기판(110) 상에 코팅하는 것이 바람직하다. 여기서, 산란입자(122)의 두께는 예컨대, 여러 개의 산란입자(122)들이 뭉쳐져 2층을 이루는 경우, 2층을 이루는 응집체의 전체 두께를 포함한다.
즉, 소성단계(S4)에서 소성 시 매트릭스 층(140)에 균열(141)을 자연 발생시키기 위해서는 혼합물 코팅단계(S2)에서의 혼합물(120) 코팅 두께 제어가 필요하고, 자연 발생되는 균열(141)의 형태를 제어하기 위해서는 혼합물 제조단계(S1)에서의 혼합물(120)의 조성 및 농도 제어가 필요하다.
한편, 혼합물 코팅단계(S2)에서는 이러한 혼합물(120)을 베이스 기판(110) 상에 습식 코팅한 후 이를 건조한다.
여기서, 혼합물(120)이 코팅되는 베이스 기판(110)은 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 광추출 기판(도 9의 100)이 유기발광소자(도 9의 10)에 적용되는 경우, 유기발광소자(10)의 전방, 즉, 유기발광소자(10)로부터 발광된 빛이 외기와 접하는 부분에 배치되어, 발광된 빛을 외부로 투과시킴과 아울러, 유기발광소자(10)를 외부 환경으로부터 보호하는 봉지(encapsulation) 기판으로서의 역할을 한다. 이러한 베이스 기판(110)은 투명 기판으로, 광 투과율이 우수하고 기계적인 물성이 우수한 것이면 어느 것이든 제한되지 않는다. 예를 들어, 베이스 기판(110)으로는 열경화 또는 UV 경화가 가능한 유기필름인 고분자 계열의 물질이 사용될 수 있다. 또한, 베이스 기판(110)으로는 화학강화유리인 소다라임 유리(SiO2-CaO-Na2O) 또는 알루미노실리케이트계 유리(SiO2-Al2O3-Na2O)가 사용될 수 있다. 여기서, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 광추출 기판(100)을 채용하는 유기발광소자(10)가 조명용인 경우, 베이스 기판(110)으로는 소다라임 유리가 사용될 수 있다. 이외에도 베이스 기판(110)으로는 금속산화물이나 금속질화물로 이루어진 기판이 사용될 수도 있다. 그리고 본 발명의 실시 예에서는 베이스 기판(110)으로 플렉서블(flexible) 기판이 사용될 수 있는데, 특히, 두께 1.5㎜ 이하의 박판 유리가 사용될 수 있다. 이때, 이러한 박판 유리는 퓨전(fusion) 공법 또는 플로팅(floating) 공법을 통해 제조될 수 있다.
다음으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 버퍼층 형성단계(S3)는 혼합물 코팅단계(S2)를 통해 베이스 기판(110) 상에 코팅된 혼합물(120) 상에 무기물을 코팅하여 버퍼층(130)을 형성하는 단계이다. 여기서, 버퍼층(130)은 소성단계(S4) 후 제1 전극 형성단계(S5) 시 제1 전극(도 7의 150) 형성을 위해 제거되는 층이다. 이를 위해, 버퍼층(130)은 소성단계(S4) 시 고온 열처리에 견딜 수 있어야 하고, 제1 전극 형성단계(S5) 시 식각이 용이한 무기물로 이루어지는 것이 요구된다. 이에 따라, 버퍼층 형성단계(S3)에서는 버퍼층(130)을 이루는 무기물로, 예컨대, ZnO를 사용할 수 있다. 이때, 버퍼층 형성단계(S3)에서는 건식 코팅이나 습식 코팅을 통해 ZnO를 베이스 기판(110)상에 코팅할 수 있는데, 비용적인 측면이나 공정적인 측면을 고려할 때, 습식 코팅을 한 다음 건조하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 4에 도시한 바와 같이, 소성단계(S4)는 베이스 기판(110) 상에 차례로 코팅된 혼합물(120) 및 버퍼층(130)을 소성하는 단계이다. 또한, 소성단계(S4)는 혼합물(120)에 대한 소성을 통해, 굴절률이 다른 다수의 산란입자(122)가 내부에 분산되어 있는 매트릭스 층(도 5의 140)을 베이스 기판(110) 상에 형성하는 단계이다.
본 발명의 실시 예에 따른 혼합물 소성단계(S4)에서는 혼합물(120)을 400~800℃로 소성할 수 있다. 이와 같은 온도로 혼합물(120)을 소성하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 혼합물(120) 및 버퍼층(130)이 수축되는 과정에서, 이들과 베이스 기판(110)과의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인해 균열(141)이 매트릭스 층(140)에 형성된다. 이때, 매트릭스 층(140)에 형성되는 균열(141)은 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 광추출 기판(도 9의 100)이 유기발광소자(도 9의 10)에 적용되는 경우, 유기발광소자(10)로부터 방출되는 빛에 대한 산란 유도가 가능한, 즉, 유기발광소자(10)로부터 방출되는 빛의 경로를 더욱 복잡화 혹은 다변화시키는 역할을 하게 된다. 또한, 본 발명의 실시 예에서, 균열(141)은 유기발광소자(10)의 보조전극으로 역할을 하게 될 제1 전극(도 7의 150)의 형성 공간을 제공하는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
이러한 균열(141)은 버퍼층(130)의 표면으로부터 베이스 기판(110) 방향으로 형성된다. 이때, 균열(141)의 일부 또는 전부는 버퍼층(130)의 표면으로 베이스 기판(110)을 노출시킬 정도로 형성될 수도 있다. 또한, 균열(141)은 다수의 산란입자(122) 사이 및 여러 개의 산란입자(122)들이 뭉쳐진 응집체 사이를 따라 형성될 수 있다. 그리고 균열(141)은 혼합물 제조단계(S1)에서 혼합물(120)의 조성 및 농도를 조절한 관계로, 미세 선폭을 갖는 랜덤한 형태의 망상구조로 만들어질 수 있다.
한편, 혼합물 소성단계(S4)에서는 혼합물(120)에 대한 소성 과정에서 매트릭스 층(140) 내부에 부정형의 다수의 기공(미도시)이 형성될 수 있다. 이때, 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 헤이즈(haze) 값이 60%인 매트릭스 층(140), 예컨대, 코어-쉘 구조의 다수의 산란입자(122)가 단층으로 내부에 분산되어 있는 매트릭스 층(130)의 경우, 매트릭스 층(140) 내부에 형성된 다수의 기공(미도시)이 차지하는 면적은 매트릭스 층(140)의 면적 대비 2.5~10.8%일 수 있다. 이러한 다수의 기공(미도시)은 산란입자(122) 및 균열(141)과 마찬가지로, 유기발광소자(10)로부터 방출되는 빛을 다양한 경로로 산란시켜, 유기발광소자(10)의 광추출 효율 향상에 기여하게 된다. 이때, 매트릭스 층(140) 내부에 형성된 다수의 기공(미도시)이 차지하는 면적이 넓을수록 광추출 효율은 더욱 증가될 수 있다. 또한, 매트릭스 층(140) 내부에 기공(미도시)이 많이 형성되면, 그 만큼 산란입자(122)의 사용량을 줄일 수 있어, 제조 비용을 절감하는 효과를 볼 수 있다.
다음으로, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 전극 형성단계(S5)는 소성단계(S4) 시 혼합물(120)이 소성되어 만들어진 매트릭스 층(140) 및 버퍼층(130)에 발생된 균열(141)에 금속(151)으로 이루어진 제1 전극(150)을 형성하는 단계이다. 대면적 유기발광소자(10) 제조 시 유기발광소자(10)의 보조전극으로 사용될 제1 전극(150)을 형성하기 위해, 제1 전극 형성단계(S5)에서는 먼저, 균열(141) 내부 및 버퍼층(130) 상에 금속(151)을 증착한다. 여기서, 금속(151)으로는 Cu, Al, Ag를 포함하는 금속 후보군 중 어느 하나를 사용할 수 있는데, 이 중에서 반사율이 높은 Ag나 Al을 사용하는 것이 유기발광소자(10)의 광추출 효율 향상에 유리하다. 이때, 금속(151) 대신 ITO와 같은 전도성 금속산화물을 증착할 수도 있겠으나, 면저항 확보 측면에서 금속재료를 사용하는 것이 바람직하다.
그 다음, 버퍼층(130)을 식각한다. 버퍼층(130)을 식각하는 방법은 건식 및 습식 식각 모두 가능하나 습식 식각 공정을 사용하는 것이 대면적 유기발광소자(10)에 적합한 대면적 광추출 기판(100) 제조를 비롯한 여러 가지 공정적 측면에서 보다 용이할 수 있다. 이때, 버퍼층(130)에 대한 습식 식각 시 사용 가능한 식각액은 금속(151)을 식각하지 않거나 버퍼층(130)에 비해 금속(151)에 대한 식각 속도가 매우 낮아 선택적 식각이 가능해야 한다. 예를 들어, 버퍼층(130)으로 ZnO가 사용되고, 금속(151)으로 Al이 사용된 경우, 버퍼층(130)에 대한 식각액으로 HNO3를 사용하면, 버퍼층(130)에 대한 선택적 식각이 가능해진다.
이와 같이, 버퍼층(130)이 식각되면, 버퍼층(130) 상에 증착되어 있던 금속(151)은 리프트-오프(lift-off)로 제거되고, 균열(141) 내부에 증착되어 있던 금속(151) 만이 갭-필(gap-fill) 형태로 잔존하여, 제1 전극(150)을 형성하게 된다. 즉, 본 발명의 실시 예에서는 자연 발생된 균열(141)을 메우는 형태로 제1 전극(150)을 형성하는데, 이는, 종래 포토리소그래피를 통해 유기발광소자의 보조전극을 형성하는 공정에 비해, 형성 공정이 간단하여, 유기발광소자(도 9의 10)를 제조하는 공정 비용을 종래보다 절감할 수 있다. 또한, 이와 같이, 균열(141)을 메우는 형태로 제1 전극(150)을 형성하게 되면, 본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 광추출 기판(100)을 유기발광소자(10)에 적용 시, 매트릭스 층(140) 내부에서 측면으로 도파되는 빛이 금속으로 이루어진 보조전극인 제1 전극(150)에 도달하여 반사될 확률이 증가되므로, 이를 통해, 광 도파모드가 교란될 수 있고, 이는 광추출 효율 증가로 이어지게 된다.
한편, 랜덤한 형태의 망상구조로 형성되는 균열(141)은 그 폭이 100~300㎚ 수준으로 미세하고, 높이 또한 200~500㎚ 정도이기 때문에, 이를 포함하는 매트릭스 층(140)은 광학적으로 투명하고, 균열(141) 간의 간격이 수~수십 ㎛에 불과해, 이의 내부를 메우는 형태로 제1 전극(150)이 형성될 경우, 제1 전극(150) 간의 간격 또한 수~수십 ㎛에 불과하게 되므로, 대면적 유기발광소자(10)에 적합하도록 매트릭스 층(140)이 대면적으로 이루어지더라도 면저항의 균일도를 확보할 수 있다.
다음으로, 도 8에 도시한 바와 같이, 제2 전극 형성단계(S6)는 제1 전극(150) 상에 이와 전기적으로 연결되고 유기발광소자(10)의 주전극인 투명전극으로서의 역할을 하게 될 제2 전극(160)을 형성하는 단계이다. 제2 전극 형성단계(S6)에서는 ITO와 같은 전도성 금속산화물을 증착하여 제2 전극(160)을 형성하거나 PEDOT:PSS와 같은 전도성 고분자를 증착하여 제2 전극(160)을 형성할 수 있다. 이때, 제2 전극 형성단계(S6)에서는 제1 전극(150) 및 매트릭스 층(140)의 표면을 덮는 형태로 제2 전극(160)을 형성한다. 이와 같이 제2 전극(160)을 형성하면, 균열(141) 발생으로 인해 표면조도가 악화된 매트릭스 층(140)의 표면을 평탄화시킬 수 있다. 종래에는 유기발광소자의 투명전극과 접하는 매트릭스 층의 표면 평탄화를 위해, 투명전극과 매트릭스 층 사이에 별도의 평탄층을 형성하였으나, 본 발명의 실시 예에서는 제2 전극(160)이 유기발광소자(10)의 투명전극 역할 뿐만 아니라 종래의 평탄층 역할도 대신하게 되어, 추가적인 평탄층 형성 공정을 생략할 수 있게 된다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 제2 전극(160)을 형성을 통해, 공정 간소화 및 비용 절감을 이룰 수 있다.
이러한 제2 전극 형성단계(S6)가 완료되면, 본 발명의 실시 예에 따른 유기발광소자용 광추출 기판(100)이 제조된다.
도 9에 도시한 바와 같이, 상기와 같은 공정을 통해 제조된 광추출 기판(100)은 유기발광소자(10)의 일면에 배치되어, 유기발광소자(10)의 광추출 효율을 향상시키는 역할을 하는 광 기능성 기판으로서의 역할을 하게 된다. 이때, 균열(141)이 형성되어 있는 매트릭스 층(140), 매트릭스 층(140)의 내부에 분산되어 있는 다수의 산란입자(122) 및 다수의 기공(미도시)은 유기발광소자(10)의 내부 광추출층을 이루게 된다. 내부 광추출층은 매트릭스 층(140), 산란입자(122) 및 기공(미도시) 간의 굴절률 차이를 통해, 유기 발광층(11)으로부터 방출된 빛의 급격한 굴절을 유도하고, 복잡한 산란구조를 이뤄, 빛의 산란 경로를 다변화시킴으로써, 유기발광소자(10)의 광추출 효율을 대폭 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 랜덤한 형태의 망상구조를 이루는 균열(141)을 메우는 형태로 형성되는 제1 전극(150) 및 이 제1 전극(150) 상에 형성되어 이와 전기적으로 연결되는 제2 전극(160)은 각각, 유기발광소자(10)의 보조전극 및 주전극으로 사용되어, 대면적 유기발광소자(10)의 휘도 균일도를 향상시키고, 저전압 구동을 가능하게 한다.
한편, 유기발광소자(10)는 본 발명의 실시 예에 따른 광추출 기판(100) 및 유기발광소자(10)에 대한 인캡슐레이션을 위해 이와 대향되게 위치되는 기판(미도시) 사이에 배치되는 애노드 전극, 유기 발광층(11) 및 제3 전극(13)의 적층 구조로 이루어진다. 이때, 유기발광소자(10)의 주전극인 애노드 전극은 투명전극으로, 본 발명의 실시 예에 따른 광추출 기판(100)의 제2 전극(160)이 주전극으로서의 역할을 한다. 또한, 제3 전극(13)은 유기발광소자(10)의 캐소드 전극으로, 전자 주입이 잘 일어나도록 일함수가 작은 Al, Al:Li 또는 Mg:Ag의 금속 박막으로 이루어질 수 있다. 그리고 구체적으로 도시하진 않았지만, 유기 발광층(11)은 제2 전극(160) 상에 차례로 적층되는 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 전자 주입층을 포함하여 형성될 수 있다.
이러한 구조에 따라, 제2 전극(160)과 제3 전극(13) 사이에 순방향 전압이 인가되면, 제3 전극(13)으로부터 전자가 전자 주입층 및 전자 수송층을 통해 발광층으로 이동하게 되고, 제2 전극(160)으로부터 정공이 정공 주입층 및 정공 수송층을 통해 발광층으로 이동하게 된다. 그리고 발광층 내로 주입된 전자와 정공은 발광층에서 재결합하여 엑시톤(exciton)을 생성하고, 이러한 엑시톤이 여기상태(excited state)에서 기저상태(ground state)로 전이하면서 빛을 방출하게 되는데, 이때, 방출되는 빛의 밝기는 제2 전극(160)과 제3 전극(13) 사이에 흐르는 전류량에 비례하게 된다.
이때, 유기발광소자(10)가 조명용 백색 유기발광소자로 이루어지는 경우, 예컨대, 발광층은 청색 영역의 광을 방출하는 고분자 발광층과 오렌지-적색 영역의 광을 방출하는 저분자 발광층의 적층 구조로 형성될 수 있고, 이 외에도 다양한 구조로 형성되어 백색 발광을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, 유기 발광층(11)은 텐덤(tandem) 구조를 이룰 수 있다. 즉, 유기 발광층(11)은 복수 개로 구비될 수 있고, 각각의 유기 발광층(11)은 연결층(interconnecting layer)(미도시)을 매개로 교번 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따를 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법은 매트릭스 층(140) 형성을 위한 소성 시 혼합물(120)이 수축되는 과정에서 자연 발생되는 균열(141)의 형태를 제어하여 랜덤한 형태의 망상구조로 만들고, 이 균열(141)에 유기발광소자의 보조전극으로 역할을 하는 제1 전극(150)을 형성하는 일련의 공정을 통해, 광추출 기판(100)을 제조한다. 이때, 본 발명의 실시 예에서는 종래보다 간단한 공정을 통해 광추출 기판(100)을 제조함으로써, 종래보다 공정 비용을 절감할 수 있다.
또한, 이와 같이 제조된 광추출 기판(100)을 유기발광소자(10)에 적용할 경우, 유기발광소자(10)의 광추출 효율을 향상시킬 수 있음은 물론, 휘도 균일도를 증대시킬 수 있고, 저전압 구동을 가능하게 할 수 있어, 대면적 유기발광소자(10)에도 적용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 유기발광소자용 광추출 기판 110: 베이스 기판
120: 혼합물 121: 무기 바인더
122: 산란입자 123: 코어
124: 쉘 130: 버퍼층
140: 매트릭스 층 141: 균열
150: 제1 전극 151: 금속
160: 제2 전극 10: 유기발광소자
11: 유기 발광층 13: 제3 전극

Claims (18)

  1. 무기 바인더에 다수의 산란입자를 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조단계;
    상기 혼합물을 베이스 기판 상에 코팅하는 혼합물 코팅단계;
    코팅된 상기 혼합물 상에 무기물을 코팅하여 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성단계;
    상기 혼합물 및 상기 버퍼층을 소성하는 소성단계;
    상기 소성단계 시 상기 혼합물 및 상기 버퍼층에 발생된 균열에 금속으로 이루어진 제1 전극을 형성하는 제1 전극 형성단계; 및
    상기 제1 전극 상에 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 형성하는 제2 전극 형성단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물 제조단계에서는 상기 산란입자로, 상기 무기 바인더와 굴절률 차이가 0.3 이상인 입자를 사용하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물 제조단계에서는 상기 산란입자로, SiO2, TiO2, ZnO 및 SnO2를 포함하는 금속산화물 후보군 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물 제조단계에서는 코어 및 상기 코어와 굴절률 차이를 가지며 상기 코어를 감싸는 쉘로 이루어진 산란입자들을 상기 다수의 산란입자로 사용하거나 상기 다수의 산란입자 중 일부를 이루도록 사용하는 것을 특징으로 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 혼합물 제조단계에서는 상기 코어가 중공으로 이루어진 산란입자들을 상기 다수의 산란입자로 사용하거나 상기 다수의 산란입자 중 일부를 이루도록 사용하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층 형성단계에서는 상기 버퍼층을 이루는 무기물로 ZnO를 사용하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 형성단계는,
    상기 균열 내부 및 상기 버퍼층 상에 상기 금속을 증착하는 제1 과정, 및
    상기 버퍼층을 식각하는 제2 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 과정에서는 상기 금속으로, Cu, Al, Ag를 포함하는 금속 후보군 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물 소성단계에서는 상기 매트릭스 층의 내부에 부정형의 다수의 기공이 형성되는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판 제조방법.
  10. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에 형성되는 매트릭스 층;
    상기 매트릭스 층 내부에 분포되어 있는 다수의 산란입자;
    상기 매트릭스 층에 형성되어 있는 균열을 메우는 형태로 형성되어 있고 금속으로 이루어진 제1 전극; 및
    상기 매트릭스 층 및 상기 제1 전극 상에 형성되는 제2 전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산란입자는 상기 매트릭스 층과의 굴절률 차이가 0.3 이상인 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 산란입자의 일부 또는 전부는 코어 및 상기 코어와 굴절률 차이를 가지며 상기 코어를 감싸는 쉘로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 코어는 기공으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 매트릭스 층의 내부에 형성되어 있는 부정형의 다수의 기공을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 균열은 상기 다수의 산란입자 사이 및 여러 개의 상기 산란입자가 뭉쳐진 응집체들 사이를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 균열의 일부 또는 전부는 상기 매트릭스 층의 표면으로 상기 베이스 기판을 노출시키는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전극은 유기발광소자의 투명전극인 주전극으로 사용되고, 상기 제1 전극은 상기 유기발광소자의 보조전극으로 사용되며, 상기 매트릭스 층 및 상기 다수의 산란입자는 상기 유기발광소자의 내부 광추출층으로 사용되는 것을 특징으로 하는 유기발광소자용 광추출 기판.
  18. 10항 내지 17항 중 어느 한 항에 따른 유기발광소자용 광추출 기판을, 발광된 빛이 외부로 방출되는 일면에 구비하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
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