WO2010077070A2 - 유기 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

유기 발광 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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김형준
조환희
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    • H01L2224/80874—Ultraviolet [UV] curing

Definitions

  • the present invention relates to organic electronic devices, and more particularly, to organic light emitting devices suitable for improving the extraction efficiency of light lost due to total reflection and the optical waveguide effect on the electrode surface, and a manufacturing method thereof.
  • an organic light emitting device is a kind of organic electronic device, which is expected to be an optimal display device having a thin and light thickness, relatively high luminous efficiency and color purity, and in recent years, the mobile terminal The adoption of these devices is spreading.
  • the white light emitting diode In the organic light emitting diode display, three pixels of red, green, and blue are used in the display driving mode. Recently, the white light emitting diode is also considered as one of the potential methods for reducing the power efficiency. In order to use as a light source of the display which bonded a color filter, and a liquid crystal display device, the research of the white organic light emitting element is actively progressing everywhere.
  • white organic light emitting diodes have been researched as surface light-emitting bodies which replace incandescent and fluorescent lamps.
  • improving the light extraction efficiency of white organic light emitting diodes that can be used for various purposes can be achieved by using white organic light emitting diodes for display or lighting. It is a breakthrough technology that can further enhance the possibility of devices.
  • the conventional organic light emitting device has an optical waveguide structure therein despite many advantages, and due to the high optical refractive index of the organic material and the electrode, most of the light generated in the organic material layer is total internal reflection and the optical waveguide effect. As a result, the internal quantum efficiency of the organic light emitting diode is substantially reduced to about 20%, that is, the light extraction efficiency is low.
  • the photonic crystal structure is adopted. Due to the periodicity of the photonic crystal structure, the photonic crystal structure has an effect only at wavelengths in a specific region, and there is a fundamental problem in that color changes with angle.
  • the present invention provides a substrate, a nanostructure having a fine pattern of irregularities having aperiodicity formed on the substrate, a first electrode formed on the nanostructure, and a first electrode formed on the first electrode.
  • An organic light emitting device including an organic material layer and a second electrode formed on the organic material layer is provided.
  • the process of forming a nanostructure having a non-periodic position or different size on the substrate, and the process of sequentially forming a first electrode, an organic layer and a second electrode on the nanostructure It provides a method of manufacturing an organic light emitting device comprising.
  • a process of forming a nanostructured material on a substrate and a pattern surface of a mold on which a concave-convex nanopattern is formed are pressed into contact with the nanostructured material to nano-structure the nanostructured material.
  • Deforming to a structure shape separating the mold from the substrate, forming a nanostructure having a fine pattern of irregularities having aperiodicity, and forming a first electrode, an organic material layer, and a second electrode on the nanostructure. It provides a method of manufacturing an organic light emitting device comprising the step of sequentially forming.
  • a process of forming a nanostructured pattern having aperiodicity on a substrate and sequentially forming a first electrode, an organic material layer, and a second electrode on the nanostructured pattern. It provides a method of manufacturing an organic light emitting device comprising.
  • an external quantum efficiency is improved by forming a nanostructure having a non-periodic irregular pattern between the substrate and the first electrode, and extracting the light lost due to total reflection and the optical waveguide mode to the outside of the substrate.
  • the organic light emitting device can be realized, and the light extraction pattern and the color change according to the viewing angle can be improved.
  • 1 is a photograph of the actual driving state of the green OLED device using a photonic crystal having a 520nm period
  • FIG. 2 is a cross-sectional structural view of an organic light emitting diode according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 3 is a photograph of an experimental result of aperiodically arranging nanostructures having a predetermined size on a light extraction substrate;
  • FIG. 4 is a photograph of an experimental result of aperiodically arranging nanostructures having various sizes on a light extraction substrate
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing an emission path of light generated at an interface of a substrate having a nanostructure of a fine pattern employed in accordance with the present invention
  • FIG. 7 is a cross-sectional structural view of an organic light emitting diode according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 to 13 is a process flowchart showing the main process of manufacturing an organic light emitting device according to the fabrication method of the first embodiment of the present invention
  • 25 is a view for explaining a Fourier transform inverted window of a triangular lattice structure
  • 26 is a photograph of experimental results showing that color separation occurs when white light is transmitted through a light extraction substrate having a triangular lattice structure
  • FIG. 28 is a diagram for explaining Fourier transform inverted window of aperiodic lattice structure
  • 29 is a photograph of experimental results showing that color separation is relaxed when white light is transmitted through a light extraction substrate having an aperiodic lattice structure
  • FIG. 31 is a diagram for explaining a Fourier transform inverted window of an aperiodic structure
  • a technical feature of the present invention is a nano having a fine pattern of irregularities between the substrate and the first electrode.
  • the first electrode may mean a positive electrode and the second electrode may mean a negative electrode, and the nanostructure may be composed of an organic material, an inorganic material, or a combination of an organic material and an inorganic material.
  • the present invention can form a planarization layer between the nanostructure and the first electrode to planarize the fine pattern of the nanostructure, this planarization layer, using a material having a different refractive index than the nanostructure.
  • the organic light emitting device of the present invention as shown in FIG. 2 as an example, to increase the extraction efficiency of light generated in the organic material layer by forming a nanostructure having a fine pattern of irregularities between the substrate and the first electrode.
  • the efficiency of light emitted to the outside by scattering is further improved.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a light emission path generated at an interface of a substrate having a nanostructure of a fine pattern according to the present invention, and the efficiency of light emitted to the outside of the substrate through the uneven micro pattern is greatly improved.
  • the height and period of the fine pattern formed in the nanostructure is formed in the wavelength range of the visible light, a visible light extraction effect can be obtained. This is because the nanostructure of the wavelength region can act as a scatterer for the visible light. Because it can.
  • the scattering pattern is determined according to the periodic (periodic) configuration of the micropattern. Therefore, the light extracted from the organic light emitting device to the outside of the substrate has a specific shape, the intensity of the light varies depending on the angle.
  • FIG. 1 is an actual driving view of a green OLED device using a photonic crystal having a 520 nm period, and it can be seen that the overlap occurs only at a certain position and the color changes.
  • the substrate on which the periodic fine pattern is formed is used for white light extraction
  • the light extracted to the outside of the substrate has a continuous spectrum of monochromatic light, so that light having a continuous array of colors such as blue, green, and red comes out. (See FIGS. 27 to 29.) And even if monochromatic light is transmitted through the substrate, the color changes depending on the angle.
  • the structure used above should be formed at aperiodic position. As shown in FIG. 11, it was shown that the Fourier transform of the aperiodic substrate was amorphous, and when white light was transmitted through the substrate thus prepared, there was almost no white color separation.
  • the organic light emitting device of the present invention can be used for extracting white light as well as suppressing color change and periodic light overlap of the organic light emitting device by using an aperiodic fine pattern.
  • the micro pattern formed in the nanostructure is formed as an aperiodic (aperiodic) micro pattern or a random micro pattern
  • the light lost by the total reflection or the waveguide mode can be extracted to the outside of the substrate. Since it is extracted at a non-periodic position, the periodicity of Bragg scattering is reduced, and the color to be extracted can also remain white. That is, the light efficiency and color development of the white organic light emitting diode may be improved by using an aperiodic fine pattern (see FIGS. 30 to 32).
  • FIG. 2 is a cross-sectional structural view of an organic light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
  • a nanostructure 204 having a fine pattern 204a having a concave-convex shape is formed on a substrate 202 such as transparent glass, plastic, and the like.
  • the planarization layer 206 is formed on the upper portion of the planarization layer 206 to planarize the fine pattern 204a.
  • the nanostructure 204 may be composed of an organic material, an inorganic material, or a combination of organic and inorganic materials including a thermosetting or photocurable material
  • the fine pattern 204a is a columnar shape having a circular or polygonal shape. It may be a pattern having a periodic (non-periodic) or periodic shape.
  • the fine pattern 204a may have a shape in which the size of the pattern is constant and the intervals between the patterns are different (that is, the distance is not constant), or the distance between the centers of the patterns is constant and the size of the pattern is different (that is, the pattern of The size may not be constant), or the space
  • the pillar-shaped sidewall slopes have a range of, for example, 35 to 90 kV, since all of the light is reflected at its boundary when the angle of refraction of the light in two adjacent media exceeds 90 kPa. That is, the larger the difference in refractive index of the medium is, the smaller the critical angle increases the amount of total reflection light.
  • the fine pattern 204a of the nanostructure 204 is a nanoimprint lithography method using a mold on which an uneven nano pattern is formed, and an exposure process using an exposure mask on which a fine exposure pattern is formed (for example, an optical lithography method). Etc.), inkjet printing, offset printing, and vacuum deposition.
  • the height and width of the fine pattern 204a formed in the nanostructure 204 may be formed, for example, in the range of 0.001 to 100 ⁇ m.
  • FIG. 3 to 5 show the results of various experiments in which the nanostructures (or optical structures) are disposed (formed) on the light extraction substrate, and FIG. 3 shows aperiodic arrangement of the nanostructures having a predetermined size on the light extraction substrate.
  • Figure 4 is a photograph of the experimental results of aperiodic arrangement of the nanostructures having various sizes on the light extraction substrate
  • Figure 5 shows the nanostructures having various sizes on the light extraction substrate in an arbitrary position The photographs of the experimental results which were arranged are shown, respectively.
  • the inventors of the present invention clearly showed that the nanostructures having various sizes and various arrangements can be formed on the substrate through the experimental results.
  • the planarization layer 206 for planarizing the fine pattern 204a of the nanostructure 204 may be, for example, silicon nitride (SiNx), zinc oxide (ZnO), or titanium oxide (TiO 2 ) of a transparent material having a different light refractive index. ), Aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and the like, and the planarization layer 210 may be, for example, sputtering, deposition, deposition polymerization, electron beam deposition, plasma deposition, chemical vapor deposition, sol-gel, or inkjet printing. It can be formed using a method, a spin coating method, an offset printing method and the like.
  • planarization layer 206 may be characterized by the fact that when the organic light emitting device is driven, the charge may be reduced. This is to prevent the device performance from deteriorating by gathering a lot at the edge.
  • the first electrode 208, the organic material layer 210, and the second electrode 212 are sequentially stacked on the planarization layer 206, where the first electrode 208 is formed of, for example, a transparent material. It may be formed of ITO, IZO, ZnO, In 2 O 3 , Ag, or TiO 2 (positive electrode), and the organic material layer 210 is a multilayer in which a hole injection layer, a hole transport layer and a light emitting and electron transport layer are sequentially stacked, for example.
  • the second electrode 212 may be formed of, for example, Ag, Mg, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr, a compound thereof, or the like to form a reflective film. Alternatively, the film may be formed by re-forming a film of ITO, IZO, ZnO or In 2 O 3 on the reflective film.
  • the organic material having a low refractive index is used as the nanostructure, and the inorganic material having a high refractive index is used as the planarization layer.
  • the present invention is not limited thereto, and vice versa. Is a material having a high refractive index, a material having a low refractive index is used as the planarization layer, or an organic material is used as the nanostructure, and a material having a lower refractive index than the organic material is used as the planarization layer. Of course, it can also be used.
  • a planarization layer for planarizing the microstructure of the nanostructure is described as being placed between the nanostructure and the first electrode, but the present invention is not necessarily limited thereto.
  • an organic light emitting device having a structure in which no planarization layer is provided between the nanostructure 204 and the first electrode 208 can be realized.
  • planarization layer is not formed separately, not only the structure of the organic light emitting device itself may be simplified, but also the manufacturing process may be simplified.
  • the organic light emitting device of the present invention has a first structure (structure of FIG. 2) forming a planarization layer for planarizing a fine pattern of the nanostructure and a second electrode directly forming a first electrode on the nanostructure without forming the planarization layer.
  • the structure of FIG. 7 may have a structure, in which the second structure does not have a planarization layer, so that the overall structure and manufacturing process may be simplified, while current is concentrated at the corners of the first electrode. As a result, leakage current is generated, which has a disadvantage in that the light efficiency of the organic light emitting device is somewhat reduced.
  • the overall structure and manufacturing process has a disadvantage in that it is somewhat complicated compared to the second structure because of having a planarization layer, since the edge shape is not formed in the first electrode due to the planarization layer of the current It is possible to prevent the occurrence of leakage current due to the concentration of the edge, and through this has the advantage of further improving the light efficiency of the organic light emitting device.
  • the first structure or the second structure can be selectively employed according to the use purpose and purpose of the organic light emitting element. For example, when a product having a low manufacturing cost is required even though the light efficiency is somewhat low, an organic light emitting device having a second structure is used. When a product having a high light efficiency is required even when the manufacturing cost is rather expensive, an organic light emitting device having a first structure is used. Can be.
  • 8 to 13 are process flowcharts illustrating a main process of manufacturing an organic light emitting diode according to the fabrication method of the first embodiment of the present invention.
  • a nanostructure material 204 ′ having a predetermined thickness is formed on the substrate 202 by performing a deposition process or the like.
  • the nanostructured material may be composed of, for example, a thermosetting or photocurable (ultraviolet curable) organic material, an inorganic material, or a combination of organic materials and inorganic materials, and may be formed by spin coating, vacuum deposition, coating, inkjet, or the like. Can be.
  • the mold 205 on which the uneven nano pattern is formed is prepared, and the pattern surface of the mold 205 is brought into contact with the nanostructure material 204 'and pressurized for a predetermined time at a predetermined pressure.
  • the nanostructured material 204 ' is transformed into a concave-convex nanostructure shape 204 "having an aperiodic fine pattern. That is, the nanostructure with fluidity through pressure contact.
  • a portion of the material is pushed into the intaglio portion of the mold 205 patterned surface to deform the nanostructured material 204 ′ into the nanostructure shape 204 ′′.
  • thermosetting process or a photocuring (ultraviolet curing) process that irradiates heat or light from the back surface of the mold 205 toward the nanostructure shape 204 ′′, as an example, as shown in FIG. 10, the nano The structure shape 204 "is cured.
  • the mold 205 is separated (removed) from the substrate 202, thereby completing the nanostructure 204 having the fine pattern 204a having an uneven shape as shown in FIG. 11 as an example.
  • the nano-pattern formed on the pattern surface in the mold 205 may be composed of a pattern having an aperiodic or periodic shape, which makes the fine pattern 204a formed in the nanostructure 204 into an aperiodic or periodic shape.
  • the fine pattern 204a may be formed in a pattern having a non-periodic or periodic shape as a column shape having a circular or polygonal shape.
  • the fine pattern 204a is formed in a shape having a constant pattern size and a different spacing between the patterns (that is, the distance is not constant), or the distance between the centers of the patterns is constant and the size of the pattern is different (that is, The fine pattern 204a may be formed in a shape of which size is not constant, or the fine pattern 204a may be formed in a shape having a different distance and distance between the patterns.
  • the height and width of the fine pattern 204a may be, for example, in a range of 0.001 to 100 ⁇ m.
  • the columnar sidewall slope constituting the fine pattern 204a may form, for example, a range of 35 to 90 °, which means that when the angle of refraction of light in two adjacent media exceeds 90 °, Because it is all reflected.
  • the planarization layer 206 is formed to a predetermined thickness in order to completely fill the surface of the fine pattern 204a of the nanostructure 204. do.
  • the planarization layer 206 for example, the optical refractive index has a refractive index different from the refractive index of the nanostructure, such a planarization layer 206, for example, sputtering, vapor deposition, deposition polymerization, electron beam deposition, plasma deposition, oxidization It can be formed using a vapor deposition method, a sol-gel method, an inkjet method, a spin coating method, an offset printing method, or the like.
  • planarization layer 206 is any one of an organic material, an inorganic material, or a combination of an organic material and an inorganic material, and the organic material and the inorganic material combination include, for example, a polymer compound mixture and a compound such as a polymethyl methacrylate and a titania mixture. Can be.
  • the first electrode 208 may be, for example, an ITO electrode (positive electrode) made of a transparent material
  • the organic material layer 210 may have, for example, a multilayer structure in which a hole injection layer, a hole transport layer, and a light emitting and electron transport layer are sequentially stacked.
  • the second electrode 212 may be, for example, a negative electrode such as Aluminum (Al).
  • the pattern surface of the mold on which the nanopattern is formed is described as being in direct pressure contact with the nanostructured material.
  • the present invention is not limited thereto, and the pressure is applied after forming a peeling prevention film on the pattern surface of the mold.
  • a contact process may be performed, which will prevent some of the nanostructured material from falling out with the mold when the mold is separated from the substrate.
  • a material having a relatively low surface energy such as a self-assembled monomolecular film, Teflon, or the like may be used as the anti-peel film.
  • Such self-assembled monomolecular film, Teflon and the like can be formed through, for example, vapor deposition, spin coating, or the like.
  • the nanostructure is formed and then the planarization layer is formed on the planarization layer, and the first electrode is formed on the planarization layer.
  • the present invention is not limited thereto. As described above with reference to FIG. 7 , the nanostructure may be changed to form the first electrode immediately without forming the planarization layer.
  • planarization layer since the process of forming the planarization layer is omitted, not only the structure of the organic light emitting device itself may be simplified, but also the manufacturing process may be simplified.
  • a deposition process or the like is performed to form a nanostructure material 204-1 having a predetermined thickness on the substrate 202.
  • the nanostructure material 204-1 may be vacuum deposited or coated. , Inkjet method or the like.
  • the nano-curable material 204-2 may be composed of, for example, a photocurable (ultraviolet curable) organic material, an inorganic material or a combination of an organic material and an inorganic material, and the spin coating method, the vacuum deposition method, the coating method, the inkjet method, and the like. Can be formed through.
  • an exposure mask 203 having a fine exposure pattern is prepared and aligned at a target position of the nano-cured material 204-2, and then, as shown in FIG. 15 as an example, an exposure process (eg, photolithography). Law, etc.).
  • an exposure process eg, photolithography). Law, etc.
  • reference numeral 203a denotes an area in which heat or light does not transmit
  • reference numeral 203b denotes an area in which heat or light transmits.
  • a portion of the nano-cured material 204-2 (that is, the transmission region of the exposure mask 203) is corresponded.
  • the nano cured material 204-2 is divided into a cured portion 204-21 and an uncured portion 204-22.
  • a wet etching process or the like may be performed to selectively remove the non-cured portion 204-22 of the nano-cured material 204-2, thereby providing an aperiodic uneven shape as shown in FIG.
  • the nanostructure 204 having the fine pattern 204a is formed.
  • the nanostructure 204 formed on the substrate 202 has various shapes, sizes, and functions substantially the same as those in the first embodiment described above with reference to FIGS. 8 to 13. Therefore, in order to avoid unnecessary overlapping description for the sake of brevity of the specification, detailed descriptions of the structure, size, function, and the like of the nanostructure are omitted herein.
  • the planarization layer 206 is formed to have a predetermined thickness to planarize the surface of the fine pattern 204a of the nanostructure 204 to be completely embedded. do.
  • the planarization layer 206 may be, for example, silicon nitride (SiNx), zinc oxide (ZnO), titanium oxide (TiO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or the like, having a relatively high optical refractive index.
  • the planarization layer 206 may be formed using, for example, sputtering, vapor deposition, deposition polymerization, electron beam deposition, plasma deposition, chemical vapor deposition, sol-gel, inkjet, spin coating, or the like.
  • the first electrode 208, the organic layer 210, and the second electrode 212 are sequentially formed on the planarization layer 206.
  • the manufacture of an organic light emitting element is completed.
  • the first electrode 208 may be, for example, an ITO electrode (positive electrode) made of a transparent material
  • the organic material layer 210 may have, for example, a multilayer structure in which a hole injection layer, a hole transport layer, and a light emitting and electron transport layer are sequentially stacked.
  • the second electrode 212 may be, for example, a negative electrode such as Aluminum (Al).
  • the nanostructure is formed through an exposure process and the like, and then the planarization layer is formed on the planarization layer, and the first electrode is formed on the planarization layer. It is not limited, and as in the first embodiment, it is possible to change to form the first electrode immediately without forming the planarization layer after forming the nanostructure, and the effect obtained thereby can also be obtained in the same way Of course.
  • 20 to 23 are process flowcharts illustrating a main process of manufacturing an organic light emitting diode according to the manufacturing method of the third embodiment of the present invention.
  • the deposition mask 201 is aligned to a target position on the substrate 202.
  • the deposition mask 201 includes a blocking region 201a that blocks deposition of the nanostructured material when the deposition process is performed.
  • a passage region 201b through which the nanostructured material is passed is formed.
  • nano-structured materials introduced through the passage region 201b are deposited on the substrate 202 at a corresponding position.
  • a nanostructure pattern 204b having aperiodicity is formed at a target position on the substrate 202.
  • the nano structure pattern 204b has various forms of material, structure, size, and function that are substantially the same as that (nano structure) in the above-described embodiments.
  • the planarization layer 206 is formed to have a predetermined thickness to planarize the nano structure pattern 204b in a completely embedded manner.
  • the planarization layer 206 may be formed of the same material and technique as in the above-described embodiments.
  • the first electrode 208 may be, for example, an ITO electrode (positive electrode) made of a transparent material
  • the organic material layer 210 may have, for example, a multilayer structure in which a hole injection layer, a hole transport layer, and a light emitting and electron transport layer are sequentially stacked.
  • the second electrode 212 may be, for example, a negative electrode such as Aluminum (Al).
  • the nanostructure pattern having aperiodicity is formed on the substrate through a selective deposition process using a deposition mask.
  • a deposition mask is required.
  • a nanostructure pattern is formed directly on a substrate without a deposition process, that is, spin coating, coating, inkjet, offset printing, scanning force microscopy, etc.
  • the nano-structure pattern can be directly formed (spontaneous formation of the nano-structure pattern), as well as subsequent steps can be carried out in the same manner as in the third embodiment.
  • a nanostructured pattern having aperiodicity is formed on a substrate through a selective deposition process using a deposition mask, and then a planarization layer for planarizing the nanostructured pattern is formed thereon, and then a planarization layer is formed on the planarization layer.
  • the present invention has been described as forming the first electrode, the present invention is not necessarily limited thereto, and similarly to the first embodiment, the first electrode is formed immediately after forming the nanostructure pattern without forming the planarization layer. Of course, it can be changed, and the effect obtained thereby can also be obtained in the same way.
  • the inventors of the present invention conducted an experiment for fabricating an organic light emitting device after forming a nanostructure using a silicon mask in which the aperiodic fine pattern is imprinted.
  • a ZnO sol having a size of several tens of nanometers was applied to the upper portion of the nanostructure by using spin coating, and solvents were evaporated at 150 degrees Celsius to form an inorganic film having a relatively high refractive index six times.
  • IZO which is a transparent electrode
  • a material including an organic light emitting layer was coated thereon by vacuum deposition to manufacture an organic light emitting device.
  • the inventors of the present invention fabricated an organic light emitting device using a silicon mask in which a pattern having a periodic hexagonal lattice structure of 520 nm was imprinted under the same conditions as the above experiment.
  • the inventors of the present invention conducted an experiment in which the nanostructures were formed in a triangular lattice structure, and the experimental results are as shown in FIGS. 24 to 26.
  • FIG. 24 is a photograph of an experimental result of forming a nanostructure in a triangular lattice structure
  • FIG. 25 is a view for explaining a Fourier transform inverted window of the triangular lattice structure
  • FIG. 26 is for light extraction having a triangular lattice structure. It is a photograph of the experimental results that clearly shows that color separation occurs when white light is transmitted through the substrate.
  • the inventors of the present invention conducted an experiment in which the nanostructures were formed in aperiodic lattice structures, and the experimental results are as shown in FIGS. 27 to 29.
  • FIG. 27 is a photograph of an experimental result of forming a nanostructure into an aperiodic lattice structure
  • FIG. 28 is a diagram for explaining a Fourier transformed inversion window of the aperiodic lattice structure
  • FIG. 29 has an aperiodic lattice structure. It is a photograph of the experimental results clearly showing that color separation is relaxed when white light is transmitted through the light extraction substrate.
  • the inventors of the present invention carried out experiments in which the nanostructures were formed in an aperiodic structure, and the experimental results are shown in FIGS. 30 to 32.
  • FIG. 30 is a photograph of an experimental result of forming a nanostructure into an aperiodic structure
  • FIG. 31 is a view for explaining a Fourier transform inverse window of an aperiodic structure
  • FIG. 32 is for extracting light having an aperiodic structure. It is a photograph of the experimental results that clearly shows that color separation is lost when white light is transmitted through the substrate.

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Abstract

본 발명은 전극 표면에서 전반사 및 광도파로 효과로 인해 손실되는 광의 추출 효율을 향상시킬 수 있는 유기 발광 소자를 실현한다는 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 기판 상에 제 1 전극, 유기물층 및 제 2 전극이 순차 적층되는 구조를 갖는 종래의 유기 발광 소자와는 달리, 기판과 제 1 전극 사이에 요철 형상의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체를 형성하여, 전반사와 광 도파로 모드로 인해 손실되는 광을 기판 외부로 추출함으로써 외부 양자 효율이 향상된 유기 발광 소자를 실현할 수 있으며, 또한 시야각에 따른 광 추출 패턴과 색 변화를 개선할 수 있는 것이다.

Description

유기 발광 소자 및 그 제조 방법
본 발명은 유기 전자 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극 표면에서 전반사 및 광도파로 효과로 인해 손실되는 광의 추출 효율을 향상시키는데 적합한 유기 발광 소자(organic light emitting devices) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 유기 발광 소자는 유기 전자 소자의 일종으로서, 그 두께가 얇고 가벼우며, 발광 효율과 색 순도가 상대적으로 높아 최적의 디스플레이 소자로 기대되고 있으며, 이러한 기대에 부흥하여 근래 들어 휴대 단말 등의 기기에 그 채용이 확산되고 있는 실정이다.
이러한 유기 발광 소자는 디스플레이 구동모드에서 적색, 녹색, 청색의 세 가지 화소가 사용되는데, 근래 들어서는 백색도 함께 사용하는 방안이 전력효율을 줄일 수 있는 유력한 방안의 하나로써 검토되고 있으며, 백색 유기 발광 소자와 칼라 필터를 접합한 디스플레이, 그리고 액정 표시 장치의 광원으로 사용하기 위하여 백색 유기 발광 소자의 연구가 도처에서 활발하게 진행되고 있다.
최근 들어서는 백열등과 형광등을 대체하는 면 발광체로서 백색 유기 발광 소자가 연구되고 있는데, 여기에서 다양한 용도로 사용이 가능한 백색 유기 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시키는 것은 디스플레이나 조명으로 활용하기 위한 백색 유기 발광 소자의 가능성을 한층 높일 수 있는 획기적인 기술이라고 할 수 있다.
그러나, 기존의 유기 발광 소자는, 여러 가지의 많은 장점에도 불구하고, 그 내부에 광 도파로 구조를 가지고 있기 때문에 유기물과 전극의 높은 광학 굴절율로 인하여, 유기물층에서 발생한 광의 대부분이 내부 전반사와 광 도파로 효과로 인해 실질적으로 내부에서 소실되어 유기 발광 소자의 외부 양자 효율이 대략 20%정도, 즉 광 추출 효율이 낮은 근본적인 문제점을 갖는다.
즉, 광 추출 효율을 증가시키기 위하여 광 결정 구조를 채택하는데, 광 결정 구조가 갖는 주기성으로 인하여 특정한 영역대의 파장에서만 그 효과를 나타내며, 각도에 따른 색변화가 나타나는 근본적인 문제가 있다.
본 발명은, 일 관점에 따라, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 비주기성을 갖는 요철 형상의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체와, 상기 나노 구조체 상에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 상에 형성된 유기물층과, 상기 유기물층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하는 유기 발광 소자를 제공한다.
본 발명은, 다른 관점에 따라, 기판 상에 비주기적인 위치 또는 서로 다른 크기를 갖는 나노 구조체를 형성하는 과정과, 상기 나노 구조체 상에 제 1 전극, 유기물층 및 제2전극을 순차 형성하는 과정을 포함하는 유기 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 다른 관점의 일 형태에 따라, 기판 상에 나노 구조 물질을 형성하는 과정과, 요철 형상의 나노 패턴이 형성된 몰드의 패턴면을 상기 나노 구조 물질에 가압 접촉시켜 상기 나노 구조 물질을 나노 구조체 형상으로 변형시키는 과정과, 상기 기판으로부터 상기 몰드를 분리시킴으로써, 비주기성을 갖는 요철 형상의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체를 형성하는 과정과, 상기 나노 구조체 상에 제 1 전극, 유기물층 및 제 2 전극을 순차 형성하는 과정을 포함하는 유기 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 다른 관점의 다른 형태에 따라, 기판 상에 나노 구조 물질을 형성하는 과정과, 미세 노광 패턴이 형성된 노광 마스크를 이용하는 노광 공정을 실시하여 상기 나노 구조 물질의 일부를 선택적으로 경화시키는 과정과, 상기 나노 구조 물질의 비경화 부분을 제거함으로써, 비주기성을 갖는 요철 형상의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체를 형성하는 과정과, 상기 나노 구조체 상에 제 1 전극, 유기물층 및 제 2 전극을 순차 형성하는 과정을 포함하는 유기 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 다른 관점의 또 다른 형태에 따라, 기판 상에 비주기성을 갖는 나노 구조 패턴을 형성하는 과정과, 상기 나노 구조 패턴 상에 제 1 전극, 유기물층 및 제 2 전극을 순차 형성하는 과정을 포함하는 유기 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 기판과 제 1 전극 사이에 비주기적인 요철 형상의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체를 형성하고, 이를 통해 전반사와 광 도파로 모드로 인해 손실되는 광을 기판 외부로 추출함으로써 외부 양자 효율이 향상된 유기 발광 소자를 실현할 수 있으며, 또한 시야각에 따른 광 추출 패턴과 색 변화를 개선할 수 있다.
도 1은 520nm 주기를 갖는 광결정을 사용한 녹색 OLED 소자의 실제 구동 모습을 촬상한 사진,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 발광 소자의 단면 구조도,
도 3은 광 추출용 기판에 일정한 크기를 갖는 나노 구조체를 비주기적으로 배치한 실험 결과 사진,
도 4는 광 추출용 기판에 다양한 크기를 갖는 나노 구조체를 비주기적으로 배치한 실험 결과 사진,
도 5는 광 추출용 기판에 다양한 크기를 갖는 나노 구조체를 임의의 위치에 배치한 실험 결과 사진,
도 6은 본 발명에 따라 채용되는 미세 패턴의 나노 구조체를 갖는 기판의 계면에서 발생하는 광의 방출 경로를 도시한 개념도,
도 7는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유기 발광 소자의 단면 구조도,
도 8 내지 도13은 본 발명의 제 1 실시 예의 제작 방법에 따라 유기 발광 소자를 제조하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도,
도 14 내지 도19는 본 발명의 제 2 실시 예의 제작 방법에 따라 유기 발광 소자를 제조하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도,
도 20 내지 도 23은 본 발명의 제 3 실시 예의 제작 방법에 따라 유기 발광 소자를 제조하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도,
도 24는 나노 구조체를 삼각 격자 구조로 형성한 실험 결과의 사진,
도 25는 삼각 격자 구조의 푸리에 변환된 역살창을 설명하기 위한 도면,
도 26은 삼각 격자 구조를 갖는 광 추출용 기판에 백색광을 투과시켰을 때 색 분리가 일어나는 것을 보여주는 실험 결과의 사진,
도 27은 나노 구조체를 비주기적 격자 구조로 형성한 실험 결과의 사진,
도 28은 비주기적 격자 구조의 푸리에 변환된 역살창을 설명하기 위한 도면,
도 29는 비주기적 격자 구조를 갖는 광 추출용 기판에 백색광을 투과시켰을 때 색 분리가 완화되는 것을 보여주는 실험 결과의 사진,
도 30은 나노 구조체를 비주기적 구조로 형성한 실험 결과의 사진,
도 31은 비주기적 구조의 푸리에 변환된 역살창을 설명하기 위한 도면,
도 32는 비주기적 구조를 갖는 광 추출용 기판에 백색광을 투과시켰을 때 색 분리가 없어지는 것을 보여주는 실험 결과의 사진.
본 발명의 기술요지는, 기판 상에 제 1 전극, 유기물층 및 제 2 전극이 순차 적층되는 구조를 갖는 종래의 유기 발광 소자와는 달리, 기판과 제 1 전극 사이에 요철 형상의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체를 형성한다는 것으로, 본 발명은 이러한 기술적 수단을 통해 종래 방식에서의 문제점을 효과적으로 개선할 수 있다.
여기에서, 제 1 전극은 양전극을 의미하고 제 2 전극은 음전극을 의미할 수 있으며, 나노 구조체는 유기물, 무기물 또는 유기물과 무기물의 조합 등으로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은 나노 구조체의 미세 패턴을 평탄화시키는 평탄화층을 나노 구조체와 제 1 전극 사이에 형성할 수 있는데, 이러한 평탄화층은, 나노 구조체와 굴절률이 다른 물질을 사용한다.
즉, 본 발명의 유기 발광 소자는, 일 예로서 도 2에 도시된 바와 같이, 기판과 제 1 전극 사이에 요철 형상의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체를 형성함으로써 유기물층에서 발생하는 광의 추출 효율을 증대시킬 수 있으며, 특히 발광 파장의 1/2보다 큰 크기의 주기성 미세 패턴으로 형성할 경우 산란에 의해 외부로 방출되는 광의 효율이 더욱 향상된다. 즉, 도 6은 본 발명에 따른 미세 패턴의 나노 구조체를 갖는 기판의 계면에서 발생하는 광의 방출 경로를 도시한 개념도로서, 요철 형상의 미세 패턴을 통해 기판 외부로 방출되는 광의 효율이 크게 향상된다.
또한, 나노 구조체에 형성된 미세 패턴의 높이와 주기를 가시광선의 파장 영역으로 형성할 경우 가시광선 추출 효과를 얻을 수 있는데, 이것은 파장 영역의 나노 구조가 가시광선에 대하여 산란체(scatterer)의 역할을 할 수 있기 때문이다.
더욱이, 미세 패턴의 크기와 주기가 단색광 파장에 적합하도록 형성하여 기판에 광을 입사시켜 산란을 시키면 미세 패턴의 주기적(주기성) 구성 형태에 따라 산란 형태가 결정되는데, 주기적(주기성) 형태의 미세 패턴으로 인해, 유기 발광 소자에서 기판 외부로 추출되는 빛은 특정한 형태를 갖으며, 그 빛의 세기는 각도에 따라서 달라진다.
즉, 빛이 주기적인 구조물을 통과하면, 빛의 회절이 일정한 위치에서 일어나는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 현상을 이용한 것이 X-선 회절과 이때 사용되는 푸리에 변환이다. 이와 같이 빛이 주기적인 구조물을 통과할 때 회절하는 빛은 주기적인 위치에서 보강 간섭으로 중첩되어 보인다.
이러한 원리를 이용하여 여러 단색광의 조합으로 이루어진 백색광 유기 발광 소자의 기판과 전극 사이에 주기적 미세 패턴으로 된 구조물을 형성하게 되면, 각도에 따른 색 변화가 나타나게 되고, 도 1에 도시된 바와 같이, 미세 패턴의 주기적 형태에 따른 광 중첩 현상이 나타나게 된다.
즉, 도 1은 520nm 주기를 갖는 광결정을 사용한 녹색 OLED 소자의 실제 구동 모습으로서, 일정한 위치에서만 중첩이 일어나고 색이 변하는 것을 볼 수 있다.
따라서, 주기적 미세 패턴을 형성한 기판을 백색광 추출용으로 사용하게 되면, 기판 외부로 추출되는 광은 단색광의 연속적인 스펙트럼을 갖게 되므로, 청색, 녹색 및 적색 등의 색이 연속적으로 배열된 광이 나오게 된다.(도 27 내지 도 29 참조) 그리고, 기판에 단색광을 투과시키더라도 각도에 따라서 색이 변하게 된다.
이렇게 중첩되는 현상을 억제하기 위해서는 위에 사용되는 구조물을 비주기적인 위치에 형성하여야 한다. 도11에 보이는 것과 같이, 비주기적인 기판의 경우 그 푸리에 변환이 무정형임을 보였으며, 그렇게 제조한 기판에 백색광을 투과시켰을 때 백색의 색분리가 거의 없음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 유기 발광 소자는 비주기적 미세 패턴을 사용함으로써, 유기 발광 소자의 색 변화와 주기적 광 중첩 현상을 억제할 수 있을 뿐만 아니라 백색광 추출용으로 사용할 수 있다.
나노 구조체에 형성되는 미세 패턴을 비주기적(비주기성) 미세 패턴이나 무작위적인 미세 패턴으로 형성할 경우, 전반사 또는 도파 모드에 의해 소실되는 광을 기판 외부로 추출할 수 있는데, 이때 위상이 같은 광은 비주기적인 위치에서 추출되기 때문에 브래그 산란의 주기성이 감소시키고, 추출되는 색 또한 백색을 유지할 수 있다. 즉, 비주기적 미세 패턴을 이용함으로써 백색 유기 발광 소자의 광 효율 및 발색을 증진시킬 수 있다(도 30 내지 도 32 참조).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 발광 소자의 단면 구조도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 유기 발광 소자는 투명유리, 플라스틱 등과 같은 기판(202) 상에 요철 형상의 미세 패턴(204a)을 갖는 나노 구조체(204)가 형성되어 있으며, 나노 구조체(204)의 상부에는 미세 패턴(204a)을 평탄화시키는 평탄화층(206)이 형성되어 있다.
여기에서, 나노 구조체(204)는 열경화성 또는 광경화성 물질을 포함하는 유기물, 무기물, 또는 유기물과 무기물의 조합 등으로 구성할 수 있으며, 미세 패턴(204a)은 원형 또는 다각형 모양으로 된 기둥 형상으로서 비주기적(비주기성) 또는 주기적 형상을 갖는 패턴일 수 있다. 예컨대, 미세 패턴(204a)은 그 패턴의 크기가 일정하고 패턴간의 간격이 다른(즉, 거리가 일정하지 않은) 형상으로 하거나, 패턴 중심간의 거리가 일정하고 패턴의 크기가 다른(즉, 패턴의 크기가 일정하지 않은) 형상으로 하거나, 패턴간의 간격과 거리가 각각 다른 형상으로 할 수 있다.
여기에서, 기둥 형상의 측벽 기울기는, 예컨대 35 내지 90ㅀ의 범위를 갖는데, 이것은 두 인접한 매질에서의 광의 굴절각이 90ㅀ를 넘어갈 경우 그 경계 면에서 광이 전부 반사되기 때문이다. 즉, 매질의 굴절율 차가 클수록 임계각이 작아져 전반사되는 광의 양은 증가되는 것이다.
또한, 이러한 나노 구조체(204)의 미세 패턴(204a)은 요철 형상의 나노 패턴이 형성된 몰드를 이용하는 나노 임프린트 리소그리피법, 미세 노광 패턴이 형성되어 있는 노광 마스크를 이용하는 노광 공정(예컨대, 광 리소그라피법 등), 잉크젯 인쇄, 오프셋 인쇄, 진공 증착법 등을 통해 형성할 수 있다. 여기에서, 나노 구조체(204)에 형성된 미세 패턴(204a)의 높이와 폭은, 예컨대 0.001 내지 100㎛ 범위로 형성할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 광 추출용 기판에 나노 구조체(또는 광학적 구조체)를 배치(형성)한 다양한 실험 결과를 보여주는 것으로, 도 3은 광 추출용 기판에 일정한 크기를 갖는 나노 구조체를 비주기적으로 배치한 실험 결과 사진을, 도 4는 광 추출용 기판에 다양한 크기를 갖는 나노 구조체를 비주기적으로 배치한 실험 결과 사진을, 도 5는 광 추출용 기판에 다양한 크기를 갖는 나노 구조체를 임의의 위치에 배치한 실험 결과 사진을 각각 나타낸다.
즉, 본 발명의 발명자들은, 이러한 실험 결과를 통해, 다양한 크기와 다양한 배치 형태를 갖는 나노 구조체를 기판 상에 형성할 수 있음을 분명하게 알 수 있었다.
다음에, 나노 구조체(204)의 미세 패턴(204a)을 평탄화시키는 평탄화층(206)은, 예컨대 광 굴절율이 다른 투명 재질의 실리콘 나이트라이드(SiNx), 산화아연(ZnO), 산화타이타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 등이 될 수 있는데, 이러한 평탄화층(210)은, 예컨대 스퍼터링법, 증착법, 증착 중합법, 전자 빔 증착법, 플라즈마 증착법, 화화기상 증착법, 졸젤법, 잉크젯 인쇄법, 스핀 코팅법, 오프셋 인쇄법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
여기에서, 광 굴절율이 다른 물질(예컨대, 나노 구조물로 굴절률이 낮은 유기물을 사용할 때, 광 굴절율이 1.6 이상인 물질)을 평탄화층(206)으로 이용하는 것은 유기 발광 소자를 구동할 때 전하가 미세 패턴의 가장자리에 많이 모여 소자의 성능을 저하되는 것을 방지하기 위해서이다.
그리고, 평탄화층(206)의 상부에는 제 1 전극(208), 유기물층(210) 및 제 2 전극(212)이 순차 적층되는 구조는 갖는데, 여기에서 제 1 전극(208)은, 예컨대 투명 재질의 ITO, IZO, ZnO, In2O3, Ag, 또는 TiO2 등으로 형성할 수 있고(양전극), 유기물층(210)은, 예컨대 정공 주입층, 정공 수송층 및 발광 및 전자 수송층 등이 순차 적층되는 다층 구조로 구성될 수 있으며, 제 2 전극(212)은, 예컨대 Ag, Mg, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr 및 이들의 화합물 등으로 반사막을 형성할 수 있다. 혹은 반사막 위에 ITO, IZO, ZnO 또는 In2O3로 막을 다시 형성함으로써 형성할 수도 있다.
한편, 본 실시 예에서는 나노 구조물로서 굴절률이 낮은 유기물을 사용하고, 평탄화층으로 굴절률이 높은 무기물을 사용하는 것으로 하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 그 반대의 경우, 즉 나노 구조물을 굴절률이 높은 물질로 하고, 평탄화층으로 굴절률이 낮은 물질을 사용하거나, 나노 구조물은 유기물을 사용하고, 평탄화층은 굴절률이 유기물보다 더 낮은 물질을 사용하는 등 굴절률 차이가 있는 2개 이상의 물질을 사용할 수도 있음은 물론이다.
다른 한편, 본 실시 예에서는 나노 구조체의 미세 패턴을 평탄화시키는 평탄화층을 나노 구조체와 제 1 전극 사이에 게재하는 것으로 하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 일 예로서 도 7에 도시된 바와 같이, 나노 구조체(204)와 제 1 전극(208) 사이에 평탄화층을 게재하지 않는 구조를 갖는 유기 발광 소자를 실현할 수 있음은 물론이다.
따라서, 본 실시 예의 경우, 별도의 평탄화층을 형성하지 않기 때문에 유기 발광 소자 자체의 구조가 간단해질 뿐만 아니라 제작하는 공정 또한 간소화를 실현할 수 있을 것이다.
즉, 본 발명의 유기 발광 소자는 나노 구조체의 미세 패턴을 평탄화시키는 평탄화층을 형성하는 제 1 구조(도 2의 구조)와 평탄화층을 형성하지 않고 나노 구조체 위에 제 1 전극을 바로 형성하는 제 2 구조(도 7의 구조)를 가질 수 있는데, 제 2 구조의 경우 평탄화층을 갖지 않기 때문에 전체 구조 및 제작 공정을 간소화할 수 있는 장점을 갖는 반면에 제 1 전극의 모서리 부분으로 전류가 집중되는 현상으로 인해 누설 전류가 발생하게 됨으로써 유기 발광 소자의 광 효율을 다소 저하시키는 단점을 갖는다.
반면, 제 1 구조의 경우, 평탄화층을 갖기 때문에 전체 구조 및 제작 공정이 제 2 구조에 비해 다소 복잡해지는 단점을 갖기는 하지만, 평탄화층으로 인해 제 1 전극에 모서리 형상이 형성되지 않기 때문에 전류의 모서리 집중에 기인하는 누설전류의 발생을 원천적으로 방지할 수 있으며, 이를 통해 유기 발광 소자의 광 효율을 더욱 증진시킬 수 있는 장점을 갖는다.
따라서, 본 발명의 경우, 유기 발광 소자의 사용용도 및 목적 등에 따라 제 1 구조 또는 제 2 구조를 선택적으로 채용할 수 있다. 예컨대, 광 효율이 다소 떨어지더라도 제조원가가 저렴한 제품이 필요할 경우에는 제 2 구조의 유기 발광 소자를 이용하고, 제조원가가 다소 고가이더라도 광 효율이 높은 제품이 필요할 경우에는 제 1 구조의 유기 발광 소자를 이용할 수 있을 것이다.
다음에, 상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 유기 발광 소자를 제작하는 일련의 과정에 대하여 설명한다.
도 8 내지 도13은 본 발명의 제 1 실시 예의 제작 방법에 따라 유기 발광 소자를 제조하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도이다.
도 8을 참조하면, 증착 공정 등을 실시하여 기판(202)의 상부에 소정 두께를 갖는 나노 구조 물질(204')을 형성한다. 여기에서, 나노 구조 물질은, 예컨대 열경화성 또는 광경화성(자외선 경화성)의 유기물, 무기물 또는 유기물과 무기물의 조합으로 구성할 수 있으며, 스핀 코팅법, 진공 증착법, 도포법, 잉크젯법 등을 통해 형성할 수 있다.
다음에, 요철 형상의 나노 패턴이 형성된 몰드(205)를 준비하고, 이 몰드(205)의 패턴면을 나노 구조 물질(204')에 접촉시켜 소정의 압력으로 기 설정된 소정 시간 동안 가압함으로써, 일 예로서 도 9에 도시된 바와 같이, 나노 구조 물질(204')을 비주기성의 미세 패턴을 갖는 요철 형상의 나노 구조체 형상(204")으로 변형시킨다. 즉, 가압 접촉을 통해 유동성을 갖는 나노 구조 물질의 일부가 몰드(205) 패턴면의 음각 부분으로 밀려들어감으로써 나노 구조 물질(204')이 나노 구조체 형상(204")으로 변형된다.
이어서, 몰드(205)의 배면으로부터 나노 구조체 형상(204") 쪽으로 열 또는 광을 조사하는 열경화 공정 또는 광경화(자외선 경화) 공정을 실시함으로써, 일 예로서 도 10에 도시된 바와 같이, 나노 구조체 형상(204")을 경화시킨다.
이후, 기판(202)으로부터 몰드(205)를 분리(탈거) 시킴으로써, 일 예로서 도 11에 도시된 바와 같이, 요철 형상의 미세 패턴(204a)을 갖는 나노 구조체(204)를 완성한다.
한편, 몰드(205)에 패턴 면에 형성된 나노 패턴은 비주기적 또는 주기적 형상을 갖는 패턴으로 구성할 수 있는데, 이것은 나노 구조체(204)에 형성되는 미세 패턴(204a)을 비주기적 또는 주기적 형상으로 만들기 위해서이다. 즉, 미세 패턴(204a)은 원형 또는 다각형 모양으로 된 기둥 형상으로서 비주기적 또는 주기적 형상을 갖는 패턴으로 형성할 수 있다.
예컨대, 패턴의 크기가 일정하고 패턴간의 간격이 다른(즉, 거리가 일정하지 않은) 형상으로 미세 패턴(204a)을 형성하거나, 패턴 중심간의 거리가 일정하고 패턴의 크기가 다른(즉, 패턴의 크기가 일정하지 않은) 형상으로 미세 패턴(204a)을 형성하거나, 패턴간의 간격과 거리가 각각 다른 형상으로 미세 패턴(204a)을 형성할 수 있다. 그리고, 미세 패턴(204a)의 높이와 폭은, 예컨대 0.001 내지 100㎛ 범위로 형성할 수 있다.
그리고, 미세 패턴(204a)을 구성하는 기둥 형상의 측벽 기울기는, 예컨대 35 내지 90ㅀ의 범위를 형성할 수 있는데, 이것은 두 인접한 매질에서의 광의 굴절각이 90ㅀ를 넘어갈 경우 그 경계 면에서 광이 전부 반사되기 때문이다.
다음에, 증착 공정을 실시함으로서, 일 예로서 도 12에 도시된 바와 같이, 나노 구조체(204)의 미세 패턴(204a) 면을 완전히 매립하는 형태로 평탄화시키는 평탄화층(206)을 소정 두께로 형성한다.
여기에서, 평탄화층(206)은, 예컨대 광 굴절율은 나노 구조체의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는데, 이러한 평탄화층(206)은, 예컨대 스퍼터링법, 증착법, 증착 중합법, 전자 빔 증착법, 플라즈마 증착법, 화화기상 증착법, 졸젤법, 잉크젯법, 스핀 코팅법, 오프셋 인쇄법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 평탄화층(206)은 유기물, 무기물 또는 유기물과 무기물의 조합중 어느하나이며, 이러한 유기물과 무기물의 조합에는 예를들어, 폴리 메틸 메타 아크릴레이트와 티타니아 혼합물과 같은 고분자 화합물 혼합액 및 화합물이 포함될수 있다.
그리고, 순차적인 증착 공정을 실시함으로써, 일 예로서 도 13에 도시된 바와 같이, 평탄화층(206)의 상부에 제 1 전극(208), 유기물층(210) 및 제 2 전극(212)을 순차적으로 형성함으로써, 유기 발광 소자의 제작을 완료한다. 여기에서, 제 1 전극(208)은, 예컨대 투명 재질의 ITO 전극(양전극)이 될 수 있고, 유기물층(210)은, 예컨대 정공 주입층, 정공 수송층 및 발광 및 전자 수송층 등이 순차 적층되는 다층 구조로 구성될 수 있으며, 제 2 전극(212)은, 예컨대 Aluminum(Al) 등의 음전극이 될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 나노 패턴이 형성된 몰드의 패턴 면을 나노 구조 물질에 바로 가압 접촉하는 것으로 하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 몰드의 패턴 면에 박리 방지막을 형성한 후 가압 접촉 공정을 실시하도록 할 수도 있으며, 이러한 박리 방지막은 몰드를 기판으로부터 분리할 때, 나노 구조 물질의 일부가 몰드와 함께 떨어져 나오는 것을 방지하게 될 것이다. 여기에서, 박리 방지막으로는 표면 에너지가 상대적으로 낮은 물질, 예컨대 자기 조립 단분자막, 테프론 등을 이용할 수 있다. 이러한 자기 조립 단분자막과 테프론 등은, 예컨대 기상 증착법, 스핀 코팅법 등을 통해 형성할 수 있다.
또한, 본 실시 예에서는 나노 구조체를 형성한 후 그 위에 미세 패턴을 평탄화시키는 평탄화층을 형성하고, 이후 평탄화층 위에 제 1 전극을 형성하는 것으로 하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 도 7를 참조하여 이미 설명하였듯이, 나노 구조체를 형성한 후 평탄화층을 형성함이 없이 바로 제 1 전극을 형성하도록 변경할 수 있음은 물론이다.
이 경우, 평탄화층을 형성하는 공정이 생략되기 때문에 유기 발광 소자 자체의 구조가 간단해질 뿐만 아니라 제작하는 공정 또한 간소화할 수 있을 것이다.
도 14 내지 도19는 본 발명의 제 2 실시 예의 제작 방법에 따라 유기 발광 소자를 제조하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도이다.
도 14를 참조하면, 증착 공정 등을 실시하여 기판(202)의 상부에 소정 두께를 갖는 나노 구조 물질(204-1)을 형성하는데, 이러한 나노 구조 물질(204-1)은 진공 증착법, 도포법, 잉크젯법 등을 통해 형성할 수 있다.
다음에, 증착 공정을 실시하여 나노 구조 물질(204-1)의 상부에 소정 두께를 갖는 나노 경화 물질(204-2)을 형성한다. 여기에서, 나노 경화 물질(204-2)은, 예컨대 광경화성(자외선 경화성)의 유기물, 무기물 또는 유기물과 무기물의 조합으로 구성할 수 있으며, 스핀 코팅법, 진공 증착법, 도포법, 잉크젯법 등을 통해 형성할 수 있다.
다시, 미세 노광 패턴이 형성된 노광 마스크(203)를 준비하여 나노 경화 물질(204-2)의 목표 위치에 정렬시킨 후, 일 예로서 도 15에 도시된 바와 같이, 노광 공정(예컨대, 광 리소그리피법 등)을 실시한다. 노광 마스크(203)에서 참조번호 203a는 열 또는 광이 투과하지 않는 영역을 나타내고, 참조번호 203b는 열 또는 광이 투과하는 영역을 나타낸다.
따라서, 노광 마스크(203)를 이용하여 노광 공정을 실시하면, 일 예로서 도 16에 도시된 바와 같이, 나노 경화 물질(204-2)의 일부(즉, 노광 마스크(203)의 투과 영역에 대응하는 부분)가 경화된다. 즉, 나노 경화 물질(204-2)은 경화 부분(204-21)과 비경화 부분(204-22)으로 나누어지게 된다.
이후, 습식 식각 공정 등을 실시하여, 나노 경화 물질(204-2)의 비경화 부분(204-22)을 선택적으로 제거함으로써, 일 예로서 도 17에 도시된 바와 같이, 비주기성의 요철 형상의 미세 패턴(204a)을 갖는 나노 구조체(204)를 형성한다.
이와 같이, 기판(202) 상에 형성되는 나노 구조체(204)는, 도 8 내지 도13을 참조하여 전술한 제 1 실시 예에서의 그것과 실질적으로 동일한 다양한 형태의 구조, 크기 및 기능을 갖는다. 따라서, 명세서의 간결화를 위한 불필요한 중복 기재를 피하기 위하여, 나노 구조체의 구조, 크기 및 기능 등에 대하여 여기에서의 상세한 설명은 생략한다.
다음에, 증착 공정을 실시함으로서, 일 예로서 도 18에 도시된 바와 같이, 나노 구조체(204)의 미세 패턴(204a) 면을 완전히 매립하는 형태로 평탄화시키는 평탄화층(206)을 소정 두께로 형성한다.
여기에서, 평탄화층(206)은, 예컨대 광 굴절율이 상대적으로 높은 투명 재질의 실리콘 나이트라이드(SiNx), 산화아연(ZnO), 산화타이타늄(TiO), 산화알루미늄(Al2O3) 등이 될 수 있는데, 이러한 평탄화층(206)은, 예컨대 스퍼터링법, 증착법, 증착 중합법, 전자 빔 증착법, 플라즈마 증착법, 화화기상 증착법, 졸젤법, 잉크젯법, 스핀코트법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
그리고, 순차적인 증착 공정을 실시함으로써, 일 예로서 도 19에 도시된 바와 같이, 평탄화층(206)의 상부에 제 1 전극(208), 유기물층(210) 및 제 2 전극(212)을 순차적으로 형성함으로써, 유기 발광 소자의 제작을 완료한다. 여기에서, 제 1 전극(208)은, 예컨대 투명 재질의 ITO 전극(양전극)이 될 수 있고, 유기물층(210)은, 예컨대 정공 주입층, 정공 수송층 및 발광 및 전자 수송층 등이 순차 적층되는 다층 구조로 구성될 수 있으며, 제 2 전극(212)은, 예컨대 Aluminum(Al) 등의 음전극이 될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 노광 공정 등을 통해 나노 구조체를 형성한 후 그 위에 미세 패턴을 평탄화시키는 평탄화층을 형성하고, 이후 평탄화층 위에 제 1 전극을 형성하는 것으로 하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제 1 실시 예에서와 마찬가지로, 나노 구조체를 형성한 후 평탄화층을 형성함이 없이 바로 제 1 전극을 형성하도록 변경할 수 있음은 물론이며, 그로 인해 얻어지는 효과 또한 동일하게 얻을 수 있음은 물론이다.
도 20 내지 도 23은 본 발명의 제 3 실시 예의 제작 방법에 따라 유기 발광 소자를 제조하는 주요 과정을 도시한 공정 순서도이다.
도 20을 참조하면, 기판(202) 상의 목표 위치에 증착 마스크(201)를 정렬시키는데, 이러한 증착 마스크(201)에는 증착 공정을 실시할 때 나노 구조 물질의 증착을 차단시키는 차단 영역(201a)과 나노 구조 물질을 통과시키는 통과 영역(201b)이 형성되어 있다.
따라서, 증착 마스크(201)를 목표 위치에 정렬시킨 후 증착 공정을 실시하게 되면, 통과 영역(201b)을 통해 유입되는 나노 구조 물질들이 기판(202) 상에 대응 위치에 증착됨으로써, 일 예로서 도 21에 도시된 바와 같이, 기판(202) 상의 목표 위치에 비주기성을 갖는 나노 구조 패턴(204b)이 형성된다. 여기에서, 나노 구조 패턴(204b)은, 전술한 실시 예들에서의 그것(나노 구조체)과 실질적으로 동일한 다양한 형태의 재질, 구조, 크기 및 기능을 갖는다.
다음에, 증착 공정을 실시함으로서, 일 예로서 도 22에 도시된 바와 같이, 나노 구조 패턴(204b)을 완전히 매립하는 형태로 평탄화시키는 평탄화층(206)을 소정 두께로 형성한다. 여기에서, 평탄화층(206)은, 전술한 실시 예들에서와 동일한 재질 및 기법으로 형성될 수 있다.
이어서, 순차적인 증착 공정을 실시함으로써, 일 예로서 도 23에 도시된 바와 같이, 평탄화층(206)의 상부에 제 1 전극(208), 유기물층(210) 및 제 2 전극(212)을 순차적으로 형성함으로써, 유기 발광 소자의 제작을 완료한다. 여기에서, 제 1 전극(208)은, 예컨대 투명 재질의 ITO 전극(양전극)이 될 수 있고, 유기물층(210)은, 예컨대 정공 주입층, 정공 수송층 및 발광 및 전자 수송층 등이 순차 적층되는 다층 구조로 구성될 수 있으며, 제 2 전극(212)은, 예컨대 Aluminum(Al) 등의 음전극이 될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 증착 마스크를 이용하는 선택적인 증착 공정을 통해 기판 상에 비주기성을 갖는 나노 구조 패턴을 형성하는 것으로 하여 설명하였으나, 본 실시 예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 증착 마스크 등을 필요로 하는 증착 공정 없이 기판 상에 나노 구조 패턴을 직접 형성하는 기법, 즉 스핀 코팅법, 도포법, 잉크젯법, 오프셋 인쇄법, 원자현미경(scanning force microscopy)법 등을 이용하여 기판 상에 비주기성을 갖는 나노 구조 패턴을 직접 형성(나노 구조 패턴의 자발적 형성)할 수도 있음은 물론이며, 이후의 후속 공정들은 제 3 실시 예에서와 동일하게 실시할 수 있다.
다른 한편, 본 실시 예에서는 증착 마스크를 이용하는 선택적인 증착 공정을 통해 기판 상에 비주기성을 갖는 나노 구조 패턴을 형성한 후 그 위에 나노 구조 패턴을 평탄화시키는 평탄화층을 형성하고, 이후 평탄화층 위에 제 1 전극을 형성하는 것으로 하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제 1 실시 예에서와 유사하게, 나노 구조 패턴을 형성한 후 평탄화층을 형성함이 없이 바로 제 1 전극을 형성하도록 변경할 수 있음은 물론이며, 그로 인해 얻어지는 효과 또한 동일하게 얻을 수 있음은 물론이다.
다음에, 본 발명의 발명자들은 비주기적인 미세 패턴이 각인된 실리콘 마스크를 이용하여 나노 구조체를 형성한 후 유기 발광 소자를 제작하는 실험을 실시하였다.
즉, 투명 유리 또는 플라스틱 기판을 세정한 후, 스핀 코팅법을 이용하여 기판 위에 1마이크로미터 두께의 아크릴계 광 경화성 물질(유기물)을 형성하고, 비주기적인 패턴이 각인된 실리콘 마스크를 가압 접촉한 후 실리콘 마스크의 배면을 통해 10㎽의 자외선 광을 5분간 조사하여 유기물을 경화시켰으며, 이후 기판으로부터 실리콘 마스크를 분리함으로써, 기판 상에 나노 구조체를 형성하였다.
다시, 스핀 코팅법을 이용하여 나노 구조체의 상부에 수십 나노미터 크기의 ZnO졸을 도포하고, 섭씨 150도에서 솔벤트를 증발시켜 굴절율이 상대적으로 높은 무기물막을 여섯 차례에 걸쳐 형성하였다.
이후, 스퍼터링법을 통해 그 위에 투명 전극인 IZO를 150㎚ 두께로 형성하고, 다시 그 위에 유기 발광층을 포함한 물질을 진공 증착법으로 도포하여 유기 발광 소자를 제작하였다.
이와 같이, 제작된 유기 발광 소자에 백색광을 투과시켰을 때 반대쪽에서 보이는 광이 백색의 방사 형태로 퍼지는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 발명자들은 위의 실험과 동일한 조건에서 520㎚의 주기적인 육각 격자구조를 갖는 패턴이 각인된 실리콘 마스크를 사용하여 유기 발광 소자를 제작하였다.
위의 두 실험에 의해 제작된 유기 발광 소자에 대하여, 기판을 투과하는 백색광의 투과 형상을 측정하였으며, 그 측정 결과는 도 24 내지 도 32에 도시된 바와 같다.
도 24 내지 도 32을 참조하면, 두 번째 실험의 경우 기판 주위로 백색광이 분리되고, 일정한 각도에서만 광이 투과되는 것을 보여주는데 반해, 첫 번째 실험으로 제작한 기판에서는 백색광이 가운데로 모여 있으며 그 색 분리가 매우 적음을 분명하게 알 수 있었다.
보다 상세하게, 본 발명의 발명자들은 나노 구조체를 삼각 격자 구조로 형성한 실험을 실시하였으며, 그 실험 결과는 도 24 내지 도 26에 도시된 바와 같다.
즉, 도 24는 나노 구조체를 삼각 격자 구조로 형성한 실험 결과의 사진이고, 도 25는 삼각 격자 구조의 푸리에 변환된 역살창을 설명하기 위한 도면이며, 도 26은 삼각 격자 구조를 갖는 광 추출용 기판에 백색광을 투과시켰을 때 색 분리가 일어나는 것을 분명하게 보여주는 실험 결과의 사진이다.
또한, 본 발명의 발명자들은 나노 구조체를 비주기적 격자 구조로 형성한 실험을 실시하였으며, 그 실험 결과는 도 27 내지 도 29에 도시된 바와 같다.
즉, 도 27는 나노 구조체를 비주기적 격자 구조로 형성한 실험 결과의 사진이고, 도 28는 비주기적 격자 구조의 푸리에 변환된 역살창을 설명하기 위한 도면이며, 도 29는 비주기적 격자 구조를 갖는 광 추출용 기판에 백색광을 투과시켰을 때 색 분리가 완화되는 것을 분명하게 보여주는 실험 결과의 사진이다.
또한, 본 발명의 발명자들은 나노 구조체를 비주기적 구조로 형성한 실험을 실시하였으며, 그 실험 결과는 도 30 내지 도 32에 도시된 바와 같다.
즉, 도 30은 나노 구조체를 비주기적 구조로 형성한 실험 결과의 사진이고, 도 31은 비주기적 구조의 푸리에 변환된 역살창을 설명하기 위한 도면이며, 도 32는 비주기적 구조를 갖는 광 추출용 기판에 백색광을 투과시켰을 때 색 분리가 없어지는 것을 분명하게 보여주는 실험 결과의 사진이다.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 제시하여 기재하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 기판과,
    상기 기판 상에 형성된 비주기성을 갖는 요철 형상의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체와,
    상기 나노 구조체 상에 형성된 제 1 전극과,
    상기 제 1 전극 상에 형성된 유기물층과,
    상기 유기물층 상에 형성된 제 2 전극
    을 포함하는 유기 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 발광 소자는,
    상기 나노 구조체와 제 1 전극 사이에 상기 미세 패턴을 평탄화 시키는 평탄화층
    을 더 포함하며 이 평탄화 층은 나노 구조체보다 굴절률이 작거나 큰 경우 모두 해당되는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 평탄화층은, 유기물, 무기물, 또는 유기물과 무기물의 조합중 어느 하나인 것을 특징으로 하며,
    또한, 유기물과 무기물의 조합에 대한 예로 폴리메틸메타 아크릴레이트와 티타니아 혼합물과 같은 고분자와 무기산화물 혼합액 및 화합물이 포함될 수 있는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  4. 제 1 항 있어서,
    상기 나노 구조체는, 유기물, 무기물 또는 유기물과 무기물의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  5. 제 1 항 있어서,
    상기 나노 구조체는, 열경화성 또는 광경화성 구조체인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  6. 제 1 항 있어서,
    상기 미세 패턴은, 비주기적 또는 주기적 형상, 즉 패턴의 크기가 일정하거나 서로 다르고, 패턴간의 간격이 일정하거나 서로 다른 형상인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  7. 제 1 항 있어서,
    상기 미세 패턴은, 원형 또는 다각형 모양의 기둥 또는 원뿔 형상인 것으로
    상기 기둥 형상의 측벽 기울기는, 35 내지 90걋 범위를 갖고,
    상기 나노 구조체에 형성된 미세 패턴의 높이와 폭은, 0.001 내지 100㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자.
  8. 기판 상에 비주기적인 위치 또는 서로 다른 크기의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체를 형성하는 과정과,
    상기 나노 구조체 상에 제 1 전극, 유기물층 및 제 2 전극을 순차 형성하는 과정
    을 포함하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    기판 상에 나노 구조 물질을 형성하는 과정과 요철 형상의 미세 패턴이 형성된 몰드의 패턴면을 나노 구조 물질에 가압 접촉시켜 나노 구조 물질을 나노 구조체 형상으로 변형시키는 과정과, 가압 접촉한 후 경화 공정을 실시하여 상기 나노 구조체 형상을 경화시키는 과정과,
    상기 기판으로부터 상기 몰드를 분리시킴으로써, 비주기성을 갖는 요철 형상의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체를 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    기판 상에 나노 구조 물질을 형성하는 과정과,
    미세 패턴이 형성된 노광 마스크를 이용하는 노광 공정을 실시하여 상기 나노 구조 물질의 일부를 선택적으로 경화시키는 과정과,
    상기 나노 구조 물질의 비경화 부분을 제거함으로써, 비주기성을 갖는 요철 형상의 미세 패턴을 갖는 나노 구조체를 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 미세 패턴은, 나노 구조 물질의 차단 영역과 통과 영역으로 된 증착 마스크를 이용하는 증착 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 나노 구조체를 형성한 후 상기 미세 패턴을 평탄화시키는 평탄화층을 형성하는 과정을 더 포함하며 상기 평탄화 층은 나노 구조체보다 굴절률이 작은 경우 및 큰 경우 모두 해당되는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 평탄화층은, 스퍼터링법, 증착법, 증착 중합법, 전자 빔 증착법, 플라즈마 증착법, 화화기상 증착법, 졸젤법, 스핀 코팅법, 잉크젯법, 오프셋 인쇄법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 평탄화층은, 유기물, 무기물, 또는 유기물과 무기물의 조합중 어느 하나이며,
    상기 유기물과 무기물의 조합에는 폴리메틸메타 아크릴레이트와 티타니아 혼합물과 같은 고분자와 무기산화물 혼합액 및 화합물이 포함된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 경화 공정은, 광 경화 또는 열 경화를 이용하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제 9 항에 또는 10항에 있어서,
    상기 나노 구조 물질은, 유기물, 무기물 또는 유기물과 무기물의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제 9 항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 나노 구조 물질은, 열경화성 또는 광경화성 물질인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 나노 구조 물질은, 스핀 코팅법, 진공 증착법, 도포법, 잉크젯법, 오프셋 인쇄법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조 방법.
  19. 제 8 항에 있어서,
    상기 미세 패턴은, 비주기적 또는 주기적 형상, 즉 패턴의 크기가 일정하거나 서로 다르고, 패턴간의 간격이 일정하거나 서로 다른 형상인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조방법.
  20. 제 8 항에 있어서,
    상기 미세 패턴은, 원형 또는 다각형 모양의 기둥 또는 원뿔 형상인 것으로
    상기 기둥 형상의 측벽 기울기는, 35 내지 90°범위를 갖고,
    상기 나노 구조체에 형성된 미세 패턴의 높이와 폭은, 0.001 내지 100㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자의 제조방법
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