KR20050050049A - 마이크로렌즈가 집적화된 유기전계발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기전계발광소자의 외부 광 효율 향상에 관한 것으로서, 상기 기판의 반대쪽 면에 집적화된 마이크로렌즈를 포함하는 것으로서 상기 마이크로렌즈가 집적화된 기판위에 형성된 두 전극(제 1전극, 제 2전극), 상기 전극 사이에 형성된 유기 반도체 층을 포함하는 유기발광다이오드(OLED)가 형성되어 외부 발광 효율이 향상된 유기전계발광소자에 대한 것이다.

Description

외부발광효율 향상을 위한 기판에 마이크로렌즈가 집적화된 유기전계발광소자 {Integrated Microlens array on glass for high output light efficiency of OLED}

본 발명은 유기전계발광소자의 성능 향상, 구체적으로 외부 발광 효율의 향상을 위한 구조물 형성에 관한 것이다. 외부 발광효율의 향상을 위하여 마이크로 렌즈를 사용하고, 상기 마이크로렌즈는 유리 기판에 직접 가공하여 집적화된다. 유기전계발광소자는 그 제조 방법이 용이하고, 그 발광성 및 소비전력 면에서 높은 이점이 있어 점광원 및 면광원에 적용 되고 있으며, 특히 PDP, LCD 에 이어 차세대 표시 정보 소자로서 각광을 받고 있다. 또한 두 전극 사이에 증착되는 유기층은 수 nm 의 두께로 휘어지는 투명한 기판을 적용하면 진정한 휘어지는 표시 장치(Flexible Display)을 구현할 수 있다.

유기전계발광소자는 투명한 기판위에 형성된 제 1전극과 제 2전극 사이에 특정한 유기 반도체 물질을 증착 또는 침착시킴으로서 제작된다. 이러한 공정은 단일 기판상에 연장된 하나의 공정을 통하여 점, 면광원의 생산을 가능케 한다.

종래 유기전계발광소자의 특성 및 그 바람직한 적용을 개시하고 있다. [예를 들어 Chien 에게 2001년 1월 2일자로 허가된 미국 특허 제 6,168,282 호]. 이 경우에 있어서 조명용으로 적용된 유기전계발광소자를 개시하고 있으나, 유기 반도체에서 제한된 광 방출양으로 인하여 유용하게 적용하기 힘들다. 이를 위하여 기존의 마이크로머시닝 및 반도체 패턴형성 공정을 적용하여 기판위에 형성된 유기발광다이오드(OLED), 상기 유기발광다이오드가 형성된 기판의 반대쪽에 마이크로 렌즈를 배열하여 제한된 광효율을 향상하려는 노력이 적용되고 있다. 이는 기판위에 유기발광다이오드(OLED) 형성 공정과 마이크로 렌즈 형성 공정을 별개의 공정으로 진행하며, 두 공정 후, 서로 접합하는 형태의 공정으로 복잡성을 가중시키고, 대량 생산의 한계성을 갖고 있으며 그 단가를 향상시킨다.

본 발명은 유기전계발광소자의 외부 발광효율의 향상을 위한 새로운 방법을 제공한다.

본 발명에 따라, 기판에 집적화된 마이크로 렌즈 배열, 상기 마이크로 렌즈가 배열된 기판위에 형성된 유기발광다이오드로 구성된 유기전계발광소자는 상기 본 발명의 요구에 부응한다.

본 발명은 기존의 반도체 및 마이크로머시닝 기술을 적용하는 공정으로서 단순공정을 제공하고, 및 그 단가를 낮춘다.

본 발명의 또 다른 목적은, 본 발명을 응용한 광의 선로 및 전송을 위한 다른 구조물의 형성에 응용될 수 있는 방법을 제공한다.

기타, 본 발명의 다른 목적 및 특징은 이하의 상세한 설명에서 더욱 명확하게 제시될 것이다.

본 발명은 유기전계발광소자의 외부 광효율 향상을 위하여 반도체 및 마이크로머시닝 공정을 적용하여 유기전계발광소자의 기판으로 적용할 유리 기판에 직접 마이크로 렌즈 구조물을 형성하여 기존의 복잡하고, 단가가 높은 마이크로 렌즈 형성 기술을 보완하여, 향상된 외부 광효율을 갖는 유기전계발광소자를 제공한다.

도 1은 기본적인 유기전계발광소자의 구조, 2개의 전극(2, 8), 예를 들어 정공의 주입을 위한 제 1전극과 전자의 주입을 위한 제 2전극 사이에 배치된 유기층, 즉 정공 주입층(3), 상기 정공 주입층 위에 형성된 정공 수송층(4), 상기 정공 주입층 위에 형성된 발광층(5), 상기 발광층 위에 형성된 전자 수송층(6), 상기 전자 수송층 위에 형성된 완충층(7)을 포함하는 구조를 대략적으로 도시한 것이다. 상기 기판은 바람직하게 투명한 유리 기판이며, 얇은 유리 기판을 이용하여 휘어지는 기판을 적용할 수 있다. 또한 상기 유기전계발광소자의 특성을 향상하기 위하여 여타 기능성 있는 유기물의 첨가 및 삽입을 배제하지 않는다. 상기 언급된 유기전계발광소자는 적용되는 유기 반도체의 특성 및 기판의 투과율에 따라 그 광 효율이 크게 변하게 된다. 예를 들어, 발광층을 이루는 유기 반도체를 형광의 유기 반도체를 적용하면 그 효율은 최고 25% 이며, 여타 내부의 광 반사, 굴절 등의 손실을 감안하면 그 효율은 더욱 작다. 기타 특성화된 유기 반도체 층을 사용하고, 에너지 전달을 위한 소량의 첨가물을 적용하는 등, 내부 광 효율을 향상시키는 방법이 적용되고 있으나, 결국 반도체 내부의 광 반사 및 굴절 등 외부 적으로 손실되는 요인이 많은 것이 현실이다.

이를 해결하기 위한 기존의 방법으로서 도 2에 도시되었다. 투명한 유리 기판(1)에 형성된 유기발광다이오드(201)를 포함하는 유기전계발광소자의 외부 광 효율 향상을 위하여 상기 기판의 반대쪽에 마이크로 렌즈(200)를 형성한다. 마이크로 렌즈의 형성은 외부로 굴절되어 손실되는 광을 집속하여 그 효율을 향상 시키고, 점광원 또는 면광원으로의 응용을 가능케 한다. 또한 픽셀과 픽셀 사이의 격벽의 크기로 인하여 광이 미치지 못하는 곳을 렌즈를 통하여 해결한다. 렌즈 구조 형성 시 중요한 요인은 필펙터(fill factor:r) 와 렌즈 자체의 높이(s), 반경(D), 렌즈와 렌즈 사이의 거리(P) 이며 각각은 다음과 같은 수식 1, 2 에 결정된다.

<수식 1>

<수식 2>

r _max는 최대가 되는 필팩터의 값이다. 따라서, 픽셀과 픽셀사이 절연층으로 이루어진 격벽으로 인하여 광이 미치지 못하는 단점을 막기 위하서는 렌즈의 반경 및 렌즈와 렌즈의 거리 등을 적당히 조절하면 그 손실을 막을 수 있으며, 그 광 효율 또한 향상시킬 수 있다.

기존의 마이크로 렌즈의 형성기술은 다양하다. 예를 들어, 렌즈를 위한 틀(몰드)를 형성한 후, 투명한 폴리머를 사용하여 렌즈 구조물을 만든 후, 제작된 유기전계발광소자에 접합하는 방법, 유리 기판에 반도체 패턴 형성을 위한 투명한 폴리머를 원형, 또는 다른 모형으로 형성 후, 열적 재형성을 통한 방법 등이 있으나, 이는 이후의 유기전계발광소자의 공정을 복잡하게 하거나, 서로 다른 공정으로 형성 후, 이후 접합하는 것으로서 복잡하고, 때문에 단가를 상승시키는 단점이 있다. 또한 렌즈를 접합하는 공정은 까다로워 대량 생산시 생산성을 떨어뜨리는 단점이 있다.

본 발명을 위한 유기전계발광소자를 도 3에서 도시한다. 본 발명은 유기전계발광소자를 위한 기판(1)에 직접 마이크로 렌즈(300)를 형성하는 방법을 제공한다. 즉, 상기 기술한 종래의 단점을 보완하고 향상된 외부 광 효율을 갖는 소자를 이루기 위해서 기존의 반도체 공정 및 마이크로머시닝 공정을 이용하여 유리 기판(401)에 직접 마이크로 렌즈 구조물을 형성한다. 유기발광다이오드(201)를 위한 기판은 유기발광다이오드를 형성하기 전 공정으로서, 포토리소그라피 공정을 이용하여 마이크로 렌즈 패턴을 형성한다. 이는 도 4에 자세히 도시하였다. 즉, 유리 기판에 식각 마스크로서 폴리머(403)(바람직하게 두꺼운 포토레지스트)를 사용하여 마이크로 렌즈 모양의 패턴을 형성한다. 이 후, 마이크로 렌즈는 직접 식각을 통하여 형성하고, 형성된 마이크로 렌즈는 유기발광다이오드(201)를 위한 기판으로서 이는 본 발명이 명시한 마이크로 렌즈가 집적화된 기판으로 적용한다. 이후 상기 기판의 반대쪽에 유기발광다이오드(201)를 형성한다. 도 6은 상기 공정을 거쳐 형성된 마이크로 렌즈 구조가 형성된 유리 기판을 나타낸다.

유리 기판의 식각으로서 기존의 식각 용액(바람직하게 버퍼드-옥사이드-에천트)을 사용하며, 유리 기판은 식각 용액에 등방성으로 식각이 되어 도 3과 같은 마이크로 렌즈를 형성할 수 있다.

본 발명의 집적화된 마이크로 렌즈의 크기는 반도체 공정이 가능한 크기로 원하는 렌즈 구조를 형성할 수 있으며, 기본적인 반도체 공정 및 장비를 이용하여 형성되기 때문에 단가를 낮출 수 있다.

도 5는, 본 발명의 또 다른 예로서 마이크로 렌즈가 형성된 기판에 광의 회절 및 필터, 전송로로서 포토닉크리스탈의 형성을 가능하게 한다. 기존의 포토닉크리스탈은 고가이며 복잡한 공정의 이빔 포토(E-beam lithography) 공정을 사용하며, 상대적으로 대면적의 적용이 불가능하고, 단가도 상승하게 된다. 이를 위하여 본 발명의 마이크로 렌즈가 집적화된 기판면의 렌즈에 포토닉크리스탈의 형성에 주로 사용되는 투명한 옥사이드 무기박막(바람직하게 SiO₂, TiO₂)을 단층 또는 다층으로 형성한 후, 제 1전극을 형성한 후, 이후 유기 반도체 층과, 제 2전극을 포함하는 유기발광다이오드를 형성함으로서 보다 쉬운 공정으로 상기 제시한 기존의 포토닉크리스탈을 형성할 수 있다. 또한 그 두께는 식각 마스크의 두께와 비례하므로 식각마스크는 일반적인 반도체 공정에서 사용하는 금속 및 폴리머를 사용하면 원하는 크기의 포토닉크리스탈 제작이 가능하다.

본 발명의 유기전계발광소자는 높은 외부 광효율을 위한 광손실을 막아주는 마이크로 렌즈 구조를 직접 기판에 형성하는 방법을 제공하며, 이로서 향상된 광 효율을 갖는 유기전계발광소자를 제공한다.

본 발명에 의하면, 기존의 반도체 공정과 장비를 사용하기 때문에 단가의 상승을 막고, 공정 시간을 단축하고, 단순공정을 가능케 한다.

또한 본 발명에 의하면, 기판에 집적화된 마이크로렌즈 구조는 다른 목적의 구조물을 형성하는데 유용하게 적용된다.

도 1은 본래의 유기전계발광소자의 구조를 나타낸 단면도

도 2는 본래의 광효율 향상을 위한 마이크로렌즈가 부착된 유기전계발광소자의 단면도

도 3은 본 발명이 적용된 유기전계발광소자를 도시한 단면도

도 4는 본 발명을 위한 패터닝된 유리 기판의 구조도

도 5는 본 발명이 응용된 외부 광효율 향상을 위한 포토닉크리스탈 구조의 단면도

도 6은 본 발명의 실시예로서 글라스 기판에 패터닝된 마이크로렌즈 구조물의 단면 사진

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 기판 2 : 제 1전극(투명양극)

3 : 정공 주입층 4 : 정공 수송층

5 : 발광층 6 : 전자 수송층

7 : 완충층 8 : 제 2전극(금속음극)

200 : 기존의 마이크로 렌즈

201 : 기판위에 형성된 유기발광다이오드

300 : 본 발명을 위한 마이크로렌즈

401 : 본 발명을 위한 패터닝된 유리 기판

402 : 식각 마스크

403 : 마이크로 렌즈 형성부

500 : 광필터 및 전송로를 위한 옥사이드 무기박막

501 : 본 발명을 이용한 포토닉크리스탈

Claims (8)

1. 기판 위에 형성된 제 1전극층과,

   상기 제 1전극 위에 형성된 정공 주입층,

   상기 정공 주입층 위에 형성된 정공 수송층,

   상기 정공 수송층 위에 형성된 발광층,

   상기 발광층 위에 형성된 전자 수송층,

   상기 전자 수송층 위에 형성된 제 2전극층을 포함하는

   유기전계발광소자의 기판의 반대면에

   집적화된 마이크로 렌즈 구조물을 포함하는 유기전계발광소자.
2. 제 1 항에 있어, 상기 집적화된 마이크로 렌즈의 크기가 1㎛ 부터 100㎛ 의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자
3. 제 1 항에 있어, 상기 기판에 집적화된 마이크로 렌즈의 구조물을 이용하여 형성된 포토닉크리스탈을 포함하는 유기전계발광소자.
4. 제 3 항에 있어, 상기 포토닉크리스탈의 크기가 10㎚부터 100㎛ 의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자
5. 기판 위에 형성된 제 1전극층과,

   상기 제 1전극 위에 형성된 정공 주입층,

   상기 정공 주입층 위에 형성된 정공 수송층,

   상기 정공 수송층 위에 형성된 발광층,

   상기 발광층 위에 형성된 전자 수송층,

   상기 전자 수송층 위에 형성된 제 2전극층을 포함하는

   유기전계발광소자의 기판의 반대면에

   집적화된 마이크로 렌즈 구조물을 포함하는 유기전계발광소자 제조방법.
6. 제 5 항에 있어, 상기 집적화된 마이크로 렌즈의 크기가 1㎛ 부터 100㎛ 의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자 제조 방법
7. 제 5 항에 있어서 상기 기판에 집적화된 마이크로 렌즈의 구조물을 이용하여 형성된 포토닉 크리스탈을 포함하는 유기전계발광소자 제조방법.
8. 제 7 항에 있어, 상기 포토닉크리스탈의 크기가 10㎚ 부터 100㎛ 의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 유기전계발광소자 제조 방법.