KR101530748B1 - 고효율 유기발광소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기발광소자에서 발생된 빛을 외부로 최대한 추출할 수 있는 구조를 갖는 유기발광소자에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 유기발광소자는 광재활용 패턴을 포함하는 고굴절율층 또는 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 유기발광소자 및 이의 제조 방법{HIGHLY EFFICIENT ORGANIC LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 유기발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 유기물 층에서 발생한 빛의 방출 효율이 우수한 유기발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 출원은 2008년 9월 25일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2008-0093993호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.

유기발광 현상이란 유기물질을 이용하여 전기에너지를 빛 에너지로 전환시켜주는 현상을 말한다. 즉, 양극과 음극 사이에 적절한 유기물 층을 위치시켰을 때, 두 전극 사이에 전압을 걸어주게 되면 양극에서는 정공이, 음극에서는 전자가 상기 유기물 층에 주입되게 된다. 이 주입된 정공과 전자가 만났을 때 여기자(exciton)가 형성되고, 이 여기자가 다시 바닥상태로 떨어질 때 빛을 생성하게 된다.

최근 들어 유기발광을 이용하여 디스플레이나 조명원을 만들고자 하는 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 그리고, 효과적인 유기발광소자를 만들기 위하여, 유기물 층을 단층부터 다층구조까지 증착시키는 연구가 진행되어왔다. 현재 사용되는 대부분의 유기발광소자는 전극과 유기물 층이 평탄하게 증착된 구조를 가지고 있으며, 이 중 도 1에 나타낸 바와 같이 기판 (1) 위에 정공 주입 층, 정공 전달 층, 발광 층 및 전자 전달 층와 같은 다층으로 이루어진 유기물 층(3)과 전극(2, 4)이 평탄하게 증착된 다층구조를 갖는 유기발광소자가 가장 대표적으로 사용되고 있다. 이러한 유기발광소자의 응용에서 발광 효율의 증가는 타 기술과의 경쟁에서 매우 중요한 의미를 가진다. 평면 디스플레이의 경우, 고화질에 대한 이슈 이외에도 전력 소모에 대하여 LCD와 치열한 경쟁을 하고 있으며, 조명의 경우, LED (Light Emitting Diode)와 발광 효율 경쟁을 하고 있다.

평탄 구조의 유기발광소자에 전압을 가하여 전자와 정공을 각각 주입하면, 발광 층에서 이들이 재결합하여 빛을 방출하게 된다. 이때 발광 층에서 발생하는 빛은 각 층에서의 굴절율 차이에 의하여 다음과 같은 두 가지의 다른 경로를 거칠 수 있다. 즉, 빛이 소자 밖으로 나가는 경우와, 투명 기판과 공기 층 사이의 계면 또는 투명 기판과 투명 전극이 이루는 계면에서 전반사 되어 소자 안에 갇히는 경우이다 (도 2). 이때 소자 밖으로 나올 수 있는 빛의 양은 발광 층에서 발생한 전체 빛의 양의 1/2n²(n은 유기물층의 굴절율) 이하이다. 유기물층의 굴절율 값이 1.7이라고 가정하면, 발생된 빛의 약 17% 이하만이 유기발광소자 밖으로 나올 수 있다.

좀 더 상세한 분석에 의하면, 상기 전반사는 투명 기판과 공기 층 사이의 계면에서만 존재하는 것이 아니라, 투명 기판보다 굴절율이 상대적으로 높은 투명 전극과 투명 기판과의 계면에서도 상당량이 일어나는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 유리 기판의 굴절율은 1.5~1.6인 반면, 보편적으로 많이 사용되는 투명 양극인 ITO (인듐 주석 산화물)의 경우 굴절율이 1.8~2.1에 달하므로, 유리 기판과 투명 양극의 계면에서 전반사가 일어나게 된다. 상기 전반사가 발생하기 시작하는 각도는 전반사의 임계각이라고 일컬어지며, 그 각도는 인접하는 두 층의 계면에서의 굴절율에 관계된 식 θ_C= sin^-1 (n₂/n₁)로 나타낼 수 있다. 여기서, n₂는 굴절률이 상대적으로 낮은 매질이며, n₁은 굴절률이 상대적으로 높은 매질이다.

이러한 문제를 극복하고 유기발광소자 밖으로 더 많은 빛을 방출하기 위하여 도 1에 나타난 유기발광소자와는 달리 평탄하지 않은 층을 가진 구조, 즉 비평탄구조를 갖는 유기발광소자를 만들기 위한 방법이 시도되어 왔다. 그러나, 아직까지 빛 방출 효율을 크게 향상시킬 수 있는 구조가 개발되지 못한 실정이다.

본 발명은 유기발광소자에서 발생된 빛을 외부로 최대한 추출할 수 있는 구조를 갖는 유기발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 투명 전극과 투명 기판 사이에서 전 반사되는 빛을 최대한 외부로 추출하는 구조를 가져 광 효율이 높은 유기 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 발광층을 포함하는 1층 이상의 유기물층, 상기 유기물층 상에 위치한 제2 전극을 포함하는 유기발광소자로서, 상기 제1 전극 하부 및 상기 제2 전극의 상부 중 적어도 일측에 구비된 고굴절율층을 포함하고, 상기 고굴절율층은 광재활용 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다.

또한, 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 발광층을 포함하는 1층 이상의 유기물층, 상기 유기물층 상에 위치한 제2 전극을 포함하는 유기발광소자로서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 광재활용 패턴을 포함하고, 상기 광재활용 패턴을 포함하는 전극은 광투과성인 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다.

본 발명에 따른 유기발광소자는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 발광층을 포함하는 발광 유닛을 하나만 포함하는 단층 구조의 유기발광소자뿐만 아니라, 상기 발광 유닛을 2 이상 포함하는 스택(stack) 구조의 유기발광소자도 포함한다. 상기 스택 구조의 유기발광소자에 있어서, 적층된 발광 유닛들 사이에는 중간도전층 또는 전하발생층이 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 유기발광소자는 상기 제1 전극이 양극이고, 상기 제2 전극이 음극인 노말(normal) 구조일 수도 있고, 상기 제1 전극이 음극이고, 상기 제2 전극이 양극인 인버티드(inverted) 구조일 수도 있다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 서로 상이한 재료로 이루어질 수도 있고, 동일한 재료로 이루어질 수도 있다.

본 발명에 따른 유기발광소자는 상기 기판과 상기 제1 전극 사이, 또는 상기 기판과 광재활용 패턴 사이, 또는 상기 기판과 제1 전극의 적어도 일부와 상기 기판과 상기 광재활용 패턴의 적어도 일부 사이에 유기발광소자를 구동하는 박막 트랜지스터 (Thin film transistor)를 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 유기발광소자에서는 두 개의 반대 전극 사이에 위치한 발광 층에서 방출되는 빛 중 전반사에 의하여 소자에 갇히거나 소자 밖으로 방출되기 전에 흡수되어 열로 변할 수 있는 빛을 최대한 소자 밖으로 방출시킴으로써 유기발광소자의 광 추출 효과를 최대화할 수 있다. 특히, 투명 전극과 투명 기판 사이에서 전 반사되어 소자에 갇힌 빛을 재활용함으로써 광 추출 효율을 최대화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 광 추출 효과를 낼 수 있는 3차원적 구조인 광재활용 패턴의 형성을 기판 위에 프린팅 방법 등을 이용하여 실현할 수 있으므로 실제 구현을 산업적으로 용이하게 할 수 있게 한다.

또한, 광재활용 패턴이 패턴된 부분과 패턴되지 않은 부분의 비율을 조정하거나 및/또는 광재활용 패턴의 높이를 최적화함으로써, 원래 기판을 통하여 공기 중으로 빠져 나갈 수 있는 빛이 다시 반사되어 들어오는 단점을 최대한 해결하고 전반사되는 빛을 선택적으로 재활용함으로써 광효율 증가를 최대화시키는 효과가 있다.

도 1은 종래 유기발광소자의 구조를 예시한 것이다.
도 2는 종래 유기발광소자에서 전반사되어 소멸되는 빛의 경로를 예시한 것이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 제1 실시상태에 따른 유기발광소자의 구조를 예시한 것이다.
도 11 내지 도 13는 본 발명에 따른 유기발광소자에서 발광한 빛의 경로를 예시한 것이다.
도 14는 본 발명에 따른 유기발광소자의 광재활용층의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 유기발광소자에서 발광한 빛의 경로를 예시한 것이다.
도 16 및 도 17은 발광유닛을 2개 포함하는 본 발명에 따른 유기발광소자의 구조를 예시한 것이다.
도 18 및 도 19는 본 발명에 따른 유기발광소자의 제조과정을 도식화한 것이다.
도 20 및 도 21은 본 발명에 따른 유기발광소자의 고굴절율층과 광재활용 패턴의 수평 단면의 패턴 형태를 예시한 것이다.
도 22는 본 발명의 제2 실시상태에 따른 유기발광소자의 구조를 예시한 것이다.
도 23은 본 발명의 제3 실시상태에 따른 유기발광소자의 구조를 예시한 것이다.
도 24는 본 발명의 제4 실시상태에 따른 유기발광소자의 구조를 예시한 것이다.

이하에서 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

일반적으로 유기발광소자에 있어서, 두 전극 사이에 존재하는 유기물의 두께는 200 nm 이하이며, 투명전극도 역시 200 nm 이하의 두께로 이루어져 있다. 한편, 보편적으로 사용되고 있는 알루미늄을 함유한 전극의 반사율은 93% 가량으로 알려져 있으며, 투명 전극으로 사용되는 ITO나 IZO도 역시 5% 이상의 흡수도를 가진다. 그러므로, 기판이 유리로 형성되고, 상기 기판에 접하는 전극이 ITO 투명 전극이고, 반대 전극이 알루미늄 전극인 경우, 상대적으로 굴절율이 유리보다 높은 ITO 투명 전극과 유리 기판 사이에서 전반사가 일어난다. 도 2에 나타낸 바와 같이 전반사된 광자는 여러 번의 전반사 과정이 되풀이 되는 동안 ITO와 알루미늄에 의하여 흡수되어 열로 변하게 된다.

광자가 한 번의 전반사를 일으킬 때마다 ITO와 알루미늄에서 10%가 흡수된다고 가정할 때, 5번의 전반사에 의하여 약 40% 가량의 광자가 흡수되게 된다. 전반사가 일어나는 층의 두께를 0.4 마이크로미터로, 그리고 전반사 각도를 45도로 가정하였을 경우, 빛이 한 번의 전반사에 의하여 수평방향으로 직진하는 거리는 약 0.8 마이크로미터 가량이 된다. 따라서, 가로 및 세로가 각각 50 마이크로미터의 규모(dimension)를 갖는 유기발광소자의 중앙에서 형성된 광자가 전반사되어 기판의 옆면을 통하여 소자 밖으로 방출될 때까지 30번 이상 (25 마이크로미터/0.8 마이크로미터)의 전반사를 거치게 된다.

따라서, 대부분의 전반사된 빛은 열로 변환되며, 발생된 열은 소자의 안정성에 문제를 야기시킬 수 있다. 그러므로, 전반사되어 열로 소멸되는 광자를 최대한 외부로 추출하기 위해서는 기판의 크기를 매우 작게 하여 최소한의 전반사를 거친 후 기판의 옆 면으로 방출시켜야 한다. 그러나, 일반적으로 기판의 두께가 수십에서 수백 마이크론에 달하는 유리 또는 플라스틱 기판을 사용하게 되므로, 가로 및 세로가 각각 수 마이크론에서 수십 마이크론에 달하는 소자를 제작한다는 것은 현실성이 적고, 그 외에도 전극의 연결, 패키징 등의 문제 때문에 현실적으로 제작이 어렵다.

본 발명에서는 기판의 넓이와 상관 없이 전반사되는 횟수를 최소화함으로써 발광 효율을 높이고, 또한 전반사된 빛이 광재활용 패턴에 도달한 경우, 산란, 흡수 및 재발광, 저굴절 또는 반사 등의 방법으로 재활용됨으로써, 소자의 양자 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 의하여 소자로부터 외부로 빠져나오는 총 광량을 증대시킬 수 있다. 이러한 방법은 기존에 연구되어 온 기판과 공기 층 사이의 전반사만을 억제시키는 방법에 비하여 더욱 효과적인 광 추출 방법이다.

종래에는 상대적으로 굴절율이 낮은 기판과 상대적으로 굴절율이 높은 양극 사이에 형성되는 계면을 평면으로 유지하는 대신, 상기 기판과 상기 양극 사이에 요철 등의 형상을 도입하여 상기 계면에서의 전반사를 줄이고자 하는 시도가 있었다. 그러나, 상기와 같은 시도들에서는 반도체 공정에서 사용되는 초미세 포토 리쏘그리피 공정을 필요로 하거나 패턴이 상대적으로 어려운 유리 기판을 패턴하는 방법을 이용하기 때문에 실질적 사용에 상당한 제약이 있다. 또한, 상기 시도들에서는 외부로 추출될 수 있는 방향으로 기판을 향하여 나가는 빛의 상당부분도 상기 요철 등의 형상에 의하여 기판과 공기 층 사이에 전반사되어 방출되지 못하는 역효과를 동시에 나타내어 그 효과가 축소된다.

그러나, 본 발명에서는 발생되는 모든 빛을 흡수 및 재발광 또는 산란을 시키는 것이 아니라 외부로 추출될 수 있는 각도로 발생한 빛은 그대로 외부로 추출되게 함과 동시에 내부에서 전반사되는 빛만을 재활용하게 됨으로써 광 추출효율을 최대화할 수 있게 된다. 상기와 같은 선택적인 광의 재활용은 상기 광재활용 패턴이 패턴된 부분과 패턴되지 않은 부분의 비율을 조정하거나 광재활용 패턴의 높이를 최적화함으로써 더욱 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 광재활용 패턴을 기판 위에 프린팅 방법 등을 이용하여 형성할 수 있으므로, 제조방법을 용이하게 할 수 있고, 이에 따라 공정 비용을 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광재활용 패턴은 산란, 흡수 및 재발광, 광굴절 및 반사 중에서 선택된 어느 하나의 기능을 갖는 패턴으로 형성할 수 있으나, 산란, 흡수 및 재발광, 광굴절 및 반사 중 2종 이상의 기능이 조합되어 적용될 수 있다. 예컨대, 상기 광재활용 패턴 중 적어도 일부와 나머지는 상기 기능 중에서 선택된 서로 다른 기능을 가질 수도 있고, 상기 광재활용 패턴이 모두 2종 이상의 기능을 가질 수도 있다.

본 발명은 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 발광층을 포함하는 1층 이상의 유기물층, 상기 유기물층 상에 위치한 제2 전극을 포함하는 유기발광소자로서, 상기 제1 전극의 하부 및 상기 제2 전극의 상부 중 적어도 일측에 구비된 고굴절율층을 포함하고, 상기 고굴절율층은 광재활용 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다. 이하에서, 본 발명의 구체적인 실시상태에 대하여 설명한다.

본 발명의 제1 실시상태는 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 발광층을 포함하는 1층 이상의 유기물층, 상기 유기물층 상에 위치한 제2 전극을 포함하는 유기발광소자로서, 상기 기판 및 상기 제1 전극이 광투과성을 가지고, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이에는 고굴절율층이 위치하며, 상기 고굴절율층은 광재활용 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다.

상기 기판 및 제1 전극이 광투과성인 경우, 상기 기판과 제1 전극 사이에 구비된 고굴절율층 및 광재활용 패턴에 의하여 소자의 광추출효율을 향상시킬 수 있다. 이 실시상태에 있어서, 제2 전극도 광투과성일 수도 있다. 여기서, 광투과성이란 발광층에서 발광하는 빛의 파장에 대한 투과도가 30% 이상, 바람직하게는 50% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상인 것을 의미한다.

상기 기판으로는 당기술분야에서 사용되는 광투과성 재료라면 특별히 제한되지 않으며, 유리 또는 플라스틱 기판 또는 필름을 사용할 수 있다.

상기 제1 전극으로는 당기술분야에서 사용되는 광투과성 전극 재료라면 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 제1 전극은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide)와 같은 전도성 산화물로 형성될 수도 있고, 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 은, 세슘 (Cs), 리튬 또는 이들을 포함하는 알로이 (alloy)들을 광투과성을 가질 정도로 얇은 박막의 형태로 사용할 수도 있다. 상기 제1 전극은 양극 역할을 할 수도 있고, 음극 역할을 할 수도 있다.

상기 광재활용 패턴은 상기 고굴절율층의 내부에 구비되어, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이의 계면에서 전반사된 빛을 재활용하여 소자 외부로 방출시키는 역할을 한다.

상기 고굴절율층의 두께 방향으로는, 상기 광재활용 패턴이 상기 고굴절율층의 중간부에 위치할 수도 있고, 상기 고굴절율층의 상부 또는 하부에 편향되어 배치될 수 있다.

예컨대, 상기 광재활용 패턴은 상기 고굴절율층을 관통하여 상기 고굴절율층과 기판의 계면으로부터 상기 고굴절율층과 제1 전극의 계면까지 연결하는 구조로 형성될 수 있다. 이와 같은 구조가 도 3에 예시되어 있다. 도 3에 있어서, 도면부호 1은 기판, 도면부호 2 및 4는 각각 제1 전극 및 제2 전극, 도면부호 3은 유기물층, 도면부호 5는 고굴절율층, 도면부호 6 및 7은 광재활용 패턴이다. 이 때, 상기 광재활용 패턴과 상기 고굴절율층의 경계면은 기판에 대하여 수직일 수도 있으나, 상기 기판의 표면에 대하여 시계방향으로 일정한 각도를 유지할 수도 있다. 예컨대, 상기 경계면은 상기 기판의 표면에 대하여 시계방향으로 10도 내지 170도의 범위, 바람직하게는 30도 내지 150도에서 선택되는 각도를 가질 수 있다. 이러한 각도는 공정 중에 자연스럽게 형성되기도 한다. 도 4 및 도 5는 광재활용 패턴과 고굴절율층의 경계면이 상기 기판에 대하여 경사각을 이루는 경우를 도시한 것이다.

상기 광재활용 패턴은 상기 고굴절율층 뿐만 아니라 상기 제1 전극의 내부까지 연장된 구조를 가질 수 있다. 도 6 내지 도 8은 상기 광재활용 패턴이 상기 고굴절율층과 상기 제1 전극에 걸쳐 형성된 구조를 예시한 것이다. 도 6 내지 도 8에는 상기 광재활용 패턴이 상기 고굴절율층과 기판의 계면으로부터 상기 제1 전극과 유기물층의 계면까지 연장된 구조로 형성되어 있으나, 이와 같은 구조에 한정되는 것은 아니다. 상기 광재활용 패턴은 상기 고굴절율층과 기판의 계면에 접하거나 접하지 않을 수 있다. 또한, 상기 광재활용 패턴은 상기 제1 전극과 유기물층의 계면에 접하거나 접하지 않을 수도 있다. 또한, 상기 광재활용 패턴은 상기 고굴절율층과 상기 제1 전극의 계면에 접하거나 접하지 않을 수 있다. 또한, 상기 광재활용 패턴은 상기 제1 전극과 유기물층의 계면을 통과하여 유기물층의 내부까지 연장된 구조를 가질 수도 있다.

도 9는 상기 광재활용 패턴이 상기 고굴절율층과 기판의 계면으로부터 상기 고굴절율층의 중간 두께까지 위치한 구조를 예시한 것이다. 도 10은 상기 광재활용 패턴이 상기 제1 전극과 유기물층의 계면을 통과하여 유기물층의 내부까지 연장된 구조를 예시한 것이다.

상기 광재활용 패턴의 높이는 상기 고굴절율층 두께의 10% 이상이며 500% 미만인 것이 바람직하며, 고굴절율층 두께의 20% 내지 90%인 것이 더욱 바람직하다. 상기 광재활용 패턴과 전극 사이의 간격은 고굴절율층 두께의 90% 이하인 것이 바람직하고, 80% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

상기 고굴절율층의 수평 방향으로는, 상기 광재활용 패턴이 상기 고굴절율층에 균일하게 분포하는 것이 바람직하다. 상기 광재활용 패턴은 그 존재에 의하여 소자의 광 추출 효율을 증가시킬 수 있으므로, 그 형태 및 규모는 특별히 한정되지 않는다.

본 발명에 있어서, 상기 광재활용 패턴의 패턴된 부분의 면적은 전체 기판 면적의 5% 이상 90% 이하인 것이 바람직하며, 10% 이상 60% 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 광재활용 패턴은 랜덤(random)할 수도 있고, 반복성 있는 규칙적인 패턴도 가능하다.

상기 광재활용 패턴은 단일 물질로 이루어질 수도 있으나, 2 이상의 물질로 이루어질 수도 있다. 2 이상의 물질을 포함하는 경우 한 영역에 2 이상의 물질을 모두 포함할 수도 있고, 각각 1종의 물질을 포함하는 2 이상의 영역을 포함할 수도 있다. 상기 고굴절율층에는 2종 이상의 광재활용 패턴 형태가 포함될 수 있다. 2종 이상의 광재활용 패턴 형태가 포함되는 경우, 각각의 패턴 형태는 가로, 세로, 높이 등의 규모, 형태 및 구성 물질 중 적어도 하나가 상이할 수도 있다. 상기 광재활용 패턴은 상기 고굴절율층 내부에 규칙적인 패턴으로 배치될 수도 있고, 불규칙적인 패턴으로 배치될 수도 있다.

상기 광재활용 패턴은 전반사에 의하여 진입한 빛의 산란을 일으키는 재료를 포함함으로써 전반사된 빛을 재활용하는 역할을 할 수 있다. 빛의 산란을 이용하여 전반사된 빛을 효과적으로 재활용하기 위해서는, 상기 광재활용 패턴을 구성하는 물질은 하나 이상의 성분으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 광재활용 패턴은 굴절율이 서로 다른 물질을 혼합한 패턴, 패턴 내에서 공간적으로 물질의 밀도가 차이가 나도록 형성한 패턴, 다결정 상태의 패턴, 또는 고굴절율 입자가 상대적으로 굴절율이 작은 물질에 분산된 패턴일 수 있다. 상기 고굴절율 입자가 상대적으로 굴절율이 작은 물질에 분산된 패턴은 예컨대 서로 뭉치지 않게 분산시킨 고귤절율 입자를 모노머, 고분자, 또는 고분자와 모노머 혼합물과 혼합한 후 광재활용 패턴에 충진한 다음 용매를 제거하고 필요에 따라서는 자외선 경화 또는 열경화를 통하여 형성함으로써 빛의 산란을 일으킬 수 있다.

굴절율이 서로 다른 두 개 이상의 성분을 혼합하여 광재활용 패턴을 형성하는 경우, 예컨대 타이타늄 산화물을 함유한 혼합물을 이용할 수 있다. 타이타늄 산화물은 합성 방법에 따라 굴절률을 변화시킬 수 있으며, 형상 또한 구형 또는 비구형으로 제조할 수 있다. 따라서, 고굴절의 타이타늄 산화물과 그 보다 귤절율이 작은 물질을 혼합함으로써 산란을 유도할 수 있다. 또한, 마그네슘 플루오라이드 입자는 굴절율이 낮으므로 (n=1.38), 마그네슘 플루오라이드와 그보다 굴절율이 큰 물질을 혼합함으로써 광재활용 패턴을 산란성 패턴으로 형성할 수 있다. 상기에서 열거한 산란성 패턴의 형성 방법은 단지 예시일 뿐이며, 산란성 패턴을 형성하는 다양한 방법이 사용될 수 있다. 이러한 산란을 일으키는 방법들은 LCD의 백라이트에서 나오는 빛을 균일하게 퍼뜨리는 역할을 하는 디퓨저 (diffuser) 또는 디스플레이 표면이 주위의 광원을 반사하는 것을 막아주는 저반사 코팅 (antireflection coating) 등에서도 널리 사용되어오고 있으며, 이들 기술이 본 발명에 적용될 수 있다.

또한, 상기 광재활용 패턴은 전반사된 빛을 흡수하여 모든 방향으로 재발광시키는 재료를 포함함으로써 전반사된 빛을 재활용하는 역할을 할 수 있다. 이 경우, 빛을 재활용할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 광재활용 패턴은 발광층으로부터 나온 빛을 흡수한 후 다른 파장의 빛을 재발광하므로, 발광층에서 발광하는 파장과 상기 광재활용 패턴에서 재발광하는 파장의 합에 의하여 원하는 색상을 구현할 수 있다.

산란에 의하여 전반사되는 빛을 재활용하는 방법과는 달리, 전반사된 빛을 흡수하여 재발광시키기 위하여, 상기 광재활용 패턴은 형광 또는 인광 성질을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 전반사된 빛은 기판의 평면에 대하여 일정한 각도 범위 내에서 상기 광재활용 패턴으로 진입한다. 이때 광재활용 패턴이 존재하지 않을 경우, 대부분의 빛은 전반사 과정 중에 소자에 흡수되어 열로 변환된다. 그러나, 형광성 또는 인광성 물질을 함유한 광재활용 패턴이 존재할 경우, 전반사된 빛은 형광성 또는 인광성 물질에 흡수되고, 흡수된 빛은 다시 입사된 빛보다 긴 파장의 빛을 재발광하게 된다. 이때 재발광하는 빛은 전반사되어 상기 광재활용 패턴으로 일정한 각도 이내로 입사된 빛과는 다르게, 모든 방향으로 재발광하게 된다. 따라서, 상당량의 빛이 다시 기판 밖으로 빠져 나갈 수 있게 되며 이에 따라 소자의 효율이 상승할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광재활용 패턴의 존재에 따른 빛의 경로를 도 6의 구조를 예를 들어 설명하면, 다음과 같다. 도 6에 예시된 구조의 소자에 전계를 가하면 도 11에서 예시한 것과 같이 양극과 음극이 동시에 존재하는 부분에서만 전하가 주입되고 주입된 전하가 재결합을 이루면서 빛을 방출한다. 이 때, 굴절율이 상대적으로 낮은 투명 기판(1)과 상대적으로 굴절율이 높은 고굴절층(5)의 계면에서 전반사를 이루는 각도로 발생된 빛은 도 12에서 예시한 바와 같이 광재활용 패턴(6, 7)에 도달한다. 상기 광재활용 패턴은 투명 기판과 투명 전극 사이의 계면에서 전반사되어 진행하는 빛의 각도를 변형시키는 역할을 함으로써 내부에 갇힌 빛을 외부로 방출시키는 역할을 한다.

상기 광재활용 패턴이 상기와 같이 빛을 흡수 및 재발광하는 역할을 하기 위해서는, 상기 광재활용 패턴이 유기발광소자의 발광층에서 방출된 후 전반사되어 도달하는 빛을 흡수할 수 있어야 하며, 흡수된 빛을 재발광하는 효율이 높을수록 바람직하다. 그러므로, 발광층에서 발생하는 빛의 스펙트럼의 긴 파장의 영역과 상기 광재활용 패턴 재료의 흡수 스펙트럼의 단파장 영역의 적어도 일부가 중첩되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 광재활용 패턴의 형광성 또는 인광성 물질은 한 개의 광자를 흡수할 경우 적어도 0.2개 이상의 광자, 더 바람직하게는 0.5개 이상의 광자를 재발광할 수 있는 능력을 갖는 것이 좋다. 이를 위하여, 상기 광재활용 패턴은 1가지 이상의 형광성 또는 인광성 물질을 포함하여야 하며, 이러한 성질을 갖는 물질들은 유기물 또는 무기물 등에서 선택될 수 있다.

상기와 같은 성질을 갖는 유기물로는 루브렌 (rubrene) 계열의 물질, 티오펜(thiophene) 계열의 물질, 이미다졸 (imidazole) 계열의 물질, 큐마렌 (coumarine) 계열의 물질, 옥사졸 (oxazole) 계열의 물질, 티아졸 (thiazole) 계열의 물질 등의 물질들이 있으며, 안트라센 (anthracene), 테트라센 (tetracene), 펜타센 (petacene) 등을 함유하는 유기화합물 및 이들의 유도체 등이 있으나, 이들은 단지 예시일 뿐 본 발명의 범위가 이들 예로만 한정되는 것은 아니다. 상기와 같은 성질을 갖는 유기물들은 기존의 형광 증백제 (Brightner), 레이저 다이 (Laser Dye) 또는 유기발광 소자의 발광 호스트 또는 발광 도판트 등의 용도에 널리 사용되어 왔으며, 본 발명에서는 이들을 직접 사용하거나 본 발명의 목적에 맞는 구조의 유도체들로 변형하여 사용할 수도 있다.

상기 광재활용 패턴을 구성하는 형광성 또는 인광성 물질로서, 상기에서 언급된 유기물 이외에 무기물을 사용할 수도 있다. 무기물 형광체 또는 인광체도 역시 발광층에서 발광한 후 소자의 외부로 빠져 나가지 못하고 전반사되어 광재활용 패턴으로 진입하는 빛을 흡수하여 재발광하는 역할을 한다. 그러므로 이때 사용되는 무기물 형광체 또는 인광체도 역시 발광층에서 발광하는 파장을 흡수할 수 있어야 하며, 그 빛을 흡수한 후 높은 효율로 재발광할 수 있는 양자효율이 높은 물질에서 선택하는 것이 바람직하다. SrGa₂S₄:Eu, Y₃Al₅O₁₂:Ce, (Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce, Gd₃Al₅O₁₂:Ce , CaS:Ce^{3 +},Na⁺, CaS:Eu^{2 +},Ce^{3 +}, ZnS:Te,Mn, ZnS:Se,Te,Mn, ZnS:Ce,Li, ZnS:Cu,Al, (Sr,Ca,Ba,Mg)₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu^{2 +}, Y₂O₂S:Eu^{3 +} 또는 Li₂SrSiO₄:Eu^{2 +}, Ba₉Sc₂Si₆O₂₄:Eu²⁺, Ca₃Si₂O₇:Eu^{2 +}, Ba₂MgSi₂O₇:Eu^{2 +}와 같이 유로퓸(europium)이 도핑된 실리케이트 화합물 등을 사용할 수 있다. 그러나 상기 예들은 단지 예시일 뿐 본 발명의 범위가 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서는, 상기와 같은 성질을 갖는 무기물 형광체 또는 인광체로서, 기존의 PDP (plasma display panel), LED (Light emitting diode), CCFL (cold cathode fluorescent lamp)과 같이 단파장의 빛을 흡수하여 가시광선을 방출하는, 평판 디스플레이나 조명원으로 사용하는 기술에 사용되던 무기물 형광체 또는 인광체를 사용하거나, 발광층에서 나오는 빛을 좀 더 효율적으로 흡수하고 방출할 수 있도록 상기와 같은 형광체 또는 인광체의 구조를 변형하여 사용할 수도 있다. 또한, 인광체로서 유기발광소자에서 발광층을 인광물질로 구성하는 기술에서 사용하는 인광성 도판트를 사용할 수 있다. 일반적으로 상기의 인광성 도판트들은 이리듐 (Ir) 또는 백금 (Pt) 또는 유로피윰 (Eu) 등의 원자를 함유하기도 한다. 또한, ZnS, ZnSe 등과 같은 물질을 나노 사이즈로 형성하여, 그 사이즈에 따라 발광 파장을 달리하는 나노 사이즈 형광체를 이용할 수도 있다.

본 발명에 있어서, 상기 형광 또는 인광 성질을 갖는 유기물 또는 무기물을 단독으로 이용하여 상기 광재활용 패턴을 형성할 수도 있으나, 상기 형광 또는 인광 성질을 갖는 유기물 또는 무기물을 다른 고분자와 혼합하여 상기 광재활용 패턴을 형성할 수도 있다. 다른 고분자와 혼합하는 목적 중의 하나는 상기 광재활용 패턴의 위치에 양질의 위치 안정성 및 치수 안정성을 부여하는 것이다. 형광성 또는 인광성 물질보다 점도가 높은 고분자를 상기 형광성 또는 인광성 물질과 혼합하여 사용함으로써 목적하는 광재활용 패턴의 위치에 형광성 또는 인광성 물질을 채워 넣을 수 있다. 이 때 사용되는 고분자는 상기 광재활용 패턴을 형성한 후 자외선 또는 열 경화에 의하여 가교 반응이 진행될 수도 있다. 이러한 가교 반응은 상기 광재활용 패턴의 용매에 대한 안정성, 위치 안정성, 치수 안정성 및 열 안정성을 증진시킬 수 있다.

고분자를 사용하는 대신, 상기 형광성 또는 인광성 유기물 또는 무기물과 모노머 형태의 물질을 혼합한 후, 열경화나 광경화를 통하여 모노머를 고분자화하는 것도 사용 가능하다. 또는 형광 또는 인광 성질을 나타내는 고분자 자체를 상기 광재활용 패턴을 구성하는 물질로 사용할 수 있다.

일반적으로, 형광성 또는 인광성 물질을 포함하는 광재활용 패턴을 형성하기 위하여는, 형광성 또는 인광성 물질을 단독으로, 또는 고분자나 모노머와 혼합하여 코팅 또는 프린팅하여 패턴을 형성할 수도 있고, 필요에 따라서는 증착 공정을 이용하여 층을 형성할 수도 있다. 예컨대, 스크린 프린팅, 롤 프린팅 오프셋 프린팅, 잉크젯 프린팅 방식 등의 방법을 적용할 수 있으며, 목적에 따라서 포토리쏘그라피도 사용 가능하다. 상기 프린팅 방식 또는 포토리쏘그라피 방식을 진행하기 위해서는 적절한 점도를 갖는 고분자를 혼합할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광재활용 패턴이 형광성 또는 인광성 물질을 함유할 경우, 1종의 형광성 또는 인광성 물질을 사용할 수 있으나, 필요에 따라서는 서로 발광 파장이 다른 2종 이상의 형광성 또는 인광성 물질을 사용할 수도 있다. 이 때, 하나의 광재활용 패턴에 2종 이상의 형광성 또는 인광성 물질을 포함시킬 수도 있고, 2 이상의 광재활용 패턴을 각각 상이한 형광성 또는 인광성 물질로 형성할 수도 있다. 서로 다른 2종 이상의 형광성 또는 인광성 물질을 사용하는 경우, 상기 광재활용 패턴은 2종 이상의 형광성 또는 인광성 물질에 의하여 서로 상이한 두 개의 파장으로 발광할 수도 있고, 이들과 발광층에서 발광하는 파장의 합에 의하여 원하는 색상을 구현할 수 있다. 이 경우 상기 광재활용 패턴에 동일한 형광성 또는 인광성 물질을 포함시키는 경우에도, 각각의 패턴에서 2종 이상의 형광성 또는 인광성 물질에서 발광하는 넓은 스펙트럼의 빛을 얻을 수 있으므로, 적절한 형광성 또는 인광성 물질의 선택과 이들의 적절한 비율 조절에 의하여 원하는 색상을 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광재활용 패턴이 전반사된 빛을 흡수하여 재발광시키는 물질을 포함하는 경우, 본 발명에 따른 유기발광소자는 광산란성 패턴을 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 광재활용 패턴의 적어도 일부가 산란성 패턴일 수 있다. 이와 같이, 광산란성 패턴을 추가로 포함함으로써, 상기 광재활용 패턴에 의하여 흡수되어 재발광된 빛의 효율을 극대화시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광재활용 패턴은 저굴절율 패턴일 수 있다. 상기 저굴절율 패턴은 상기 광재활용 패턴을 포함하는 층, 예컨대 고굴절율층 또는 전극 보다 굴절율이 작은 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 저굴절율 패턴은 상기 저굴절율 패턴을 포함하는 층, 즉 고굴절율층 또는 전극의 굴절율보다 0.05 이상 작은 것이 바람직하고, 0.1 이상 작은 것이 더욱 바람직하다. 상기 광재활용 패턴이 저굴절율을 갖는 패턴으로 구성됨으로써 광재활용 패턴으로 입사된 빛이 소자 밖으로 방출되기 쉽도록 빛의 진행방향을 바꿀 수 있다. 저굴절율을 갖는 패턴에 의한 빛의 경로의 변화를 도 13에 예시하였다. 상기 저굴절율 패턴의 굴절율은 1.6 이하인 것이 바람직하고, 1.3 이상 1.55 이하인 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같은 저굴절율 패턴이 발광층과 같은 소자 내의 유기물층에 포함되는 경우 소자 제작의 난이도가 매우 높거나, 입자(particle)와 같은 불순물(impurity)의 형성 가능성이 높으므로, 소자의 안정성이 크게 떨어져 소자 구동에 악영향을 미친다. 그러나, 본 발명에서는 전극의 외부에 상기와 같은 저굴절율 패턴이 구비됨으로써 소자 제작이 용이할 뿐만 아니라, 불순물의 형성 가능성이 극히 적으므로, 소자의 안정성에 영향을 미치지 않으면서 빛의 방출 효율을 극대화시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광재활용 패턴은 반사성 물질을 포함함으로써, 전반사된 빛을 반사시켜 빛을 재활용할 수 있다. 이 때 반사성 물질은 알루미늄이나 은 또는 이들이 함유된 혼합물이나 합금을 사용할 수 있다. 상기 광재활용 패턴이 반사성 물질로만 이루어질 수도 있고, 상기 광재활용 패턴은 고분자 재료 중에 반사성 재료의 입자를 분산시킨 구조를 가질 수도 있다. 또한, 광재활용 패턴의 테두리 또는 광재활용 패턴과 고굴절율층 사이의 계면만을 반사성 물질로 구성하고, 나머지 부분은 다른 재료로 형성할 수 있다. 광재활용 패턴의 테두리만을 반사성 물질로 구성하는 경우 그 내부 재료의 종류는 특별히 제한이 없다. 반사성 물질을 포함하는 광재활용 패턴과 기판이 이루는 각 θ는 30~60도로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 광재활용 패턴이 패턴된 부분과 패턴되지 않은 부분의 비율을 조정하거나 광재활용 패턴의 높이를 최적화함으로써 외부로 추출될 수 있는 각도로 발생한 빛은 그대로 외부로 추출되게 함과 동시에 내부에서 전반사되는 빛만을 재활용하는 선택적인 광 재활용을 최대화할 수 있게 된다.

상기와 같이 전반사된 빛을 산란시키거나, 형광성 또는 인광성 물질에 의하여 흡수 및 재발광시키거나, 굴절율 차이에 의하여 굴절시키거나, 반사시킴으로써 빛의 방출 효율을 증대시킬 때, 그 증가 효율을 최대화하기 위하여 소자가 갖추어야 하는 바람직한 디멘전(dimension)을 도 14에 나타내었다. 상기 고굴절율층(5)의 두께는 0.2 마이크로미터 이상인 것이 바람직하며 0.5 마이크로미터 이상인 것이 더욱 바람직하다. 도 14에 있어서, 상기 광재활용 패턴(6)과 상기 광재활용 패턴(7)에 의하여 분할되는, 상기 광재활용 패턴을 포함하는 층, 즉 제1 실시상태에서는 고굴절율층(5)의 바람직한 폭(c)은 고굴절율층(5)의 높이(a)와 상관 관계가 있다. 예를 들어, 상기 고굴절율층(5)의 높이(a)와 상기 광재활용 패턴에 의하여 분할되는 상기 고굴절율층(5)의 폭(c)의 비율이 1:1인 경우, 1:10인 경우, 및 1:100일 경우, 각각에서, 발광층(3) 내에 존재하는 임의의 발광 지점으로부터 일정한 각도로 전반사된 빛이 광재활용 패턴(6) 또는 광재활용 패턴(7)에 도달할 때까지 전반사되는 횟수가 주워진 단면에서 1:10:100으로 증가하게 된다. 그러므로 고정된 a 값에서 a/c의 값이 작아질 경우, 전극에 의한 빛의 흡수와 유기물에 의한 빛의 흡수가 계속 증가하며, 그에 따라 광재활용 패턴(6, 7)에 도달하는 전반사된 빛의 양이 감소하게 된다. 보편적으로 사용되는 총천연색 동영상 디스플레이를 위한 픽셀 크기(길이)가 약 200~300 마이크로미터이므로, 일반적 유기발광소자에서는 디스플레이를 위한 픽셀의 사이즈를 고굴절율층(5)의 사이즈라고 가정하면, 보편적으로 사용되는 유기물층과 제1 전극의 두께의 합이 0.4 마이크미터 이하이므로, 이 경우 a:c의 비율은 최대 0.00133이다. 그러므로, 각각의 픽셀 옆에 상기 광재활용 패턴(6, 7)을 별도로 제조하더라도 전반사된 빛이 광재활용 패턴(6, 7)에 도달하기 이전에, 상당 부분이 전극이나 유기물 층에 의하여 흡수되어 열로 변하게 된다. 그러므로, 본 발명에서 의도하는 효율 증가를 얻기 위해서는 a:c가 0.01 이상인 경우가 바람직하고, a:c가 0.05 이상인 경우가 더욱 바람직하다. 상기 a:c는 1 이하인 것이 바람직하다.

발광층(3)으로부터 전반사되어 광재활용 패턴(6, 7)으로 진입하는 빛을 산란시키거나 그것을 흡수하여 재발광시키는 역할을 하는 광재활용 패턴(6, 7)의 바람직한 크기는 상기 광재활용 패턴(6, 7)에 의하여 분할되는, 상기 광재활용 패턴을 포함하는 층, 즉 제1 실시상태에서는 고굴절율층(5)의 폭(c)와 관련이 있다. 상기 광재활용 패턴의 폭(b, d)이 상기 광재활용 패턴(6, 7)의 사이에 위치하는 고굴절율층(5)의 폭(c) 보다 클 경우, 발광층(3)으로부터 나와 전반사되어 진입하는 빛을 충분히 흡수/재발광하거나, 산란시키거나, 굴절시키거나, 반사시킬 수 있지만, 주워진 면적에서 전류 주입에 의하여 발광되는 부분의 면적 비율이 상대적으로 감소하게 된다. 그러므로, 일정한 전류 농도에서 소자의 효율은 증가하는 반면 일정한 휘도를 얻기 위하여, 전극층에 단위 면적당 주입되는 전류의 양은 상대적으로 증가할 수 있다. 그러므로 b/c 또는 d/c의 값은 2보다 작은 것이 바람직하며, 0.5보다 작은 것이 더욱 바람직하며, 0.2보다 작은 것이 더욱 바람직하다. 또한, b/c 또는 d/c의 값은 0.005보다 큰 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 광재활용 패턴이 산란성 패턴, 형광성 또는 인광성 물질을 포함하는 패턴 또는 저굴절율 패턴으로 형성되는 경우, 상기 광재활용 패턴과 상기 고굴절율층 사이의 계면을 반사성 물질로 형성하여 전반사된 빛을 외부로 추출할 수도 있다. 기판에 대하여 일정한 각도를 갖는 반사판을 이용하여 효율을 높이려는 작업은 기존에도 되어 왔으나(미국 특허 제6,650,045호), 본 발명에서와 같이 고굴절율층 내부 또는 후술하는 바와 같이 전극의 내부에 반사성 물질 도입하여 전반사의 횟수를 줄임으로써 발광 효율을 높이는 시도는 본 발명이 처음이다. 이러한 목적을 위하여 광재활용 패턴(6, 7)과 상기 고굴절율층의 계면에 사용될 수 있는 반사성 물질로는 알루미늄이나 은 또는 이들이 함유된 혼합물이나 합금을 사용할 수 있다. 반사성 물질로 형성된 계면은 증착공정, 무전해 도금 등의 방법을 통하여 형성될 수 있다. 반사성 물질로 형성된 계면에서의 빛의 경로를 도 15에 예시하였다. 이 때, 상기 계면이 기판과 이루는 각 θ는 30~60도로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 고굴절율층의 굴절율은 기판을 구성하는 물질의 굴절율 보다 높다. 일반적인 유리 기판의 굴절율이 1.55이므로 바람직한 고굴절율층의 굴절율은 1.6 이상이다. 상기 고굴절율층의 굴절율의 상한은 특별히 한정되지 않으나, 4이하인 것이 바람직하다. 상기 고굴절율층의 굴절율은 1.65 내지 1.9인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 고굴절율층의 굴절율이 제1 전극의 굴절율과 동일하거나 그 보다 높을 경우는 유기물층으로부터 발광된 광자가 제1 전극을 지나 고굴절율층으로 진입할 때 계면에서의 전반사가 없으므로 효율적인 소자를 제작할 수 있다. 보편적으로 사용되는 투명 전극인 ITO나 IZO 등 인듐 산화물을 기반으로 한 전극의 굴절율이 도핑 물질의 종류, 농도, 그리고 공정 조건에 따라 1.7~2.2까지 폭넓게 변화하므로, 고굴절율층은 굴절율이 1.65 이상인 것이 더욱 바람직하다.

또한 고굴절율층은 광투과도가 우수한 것이 바람직하다. 광투과도가 낮을 경우 전반사된 빛들이 광재활용 패턴에 도달하기 이전에 고굴절율층에 의하여 흡수되어 열로 변환되므로, 고굴절율층의 광투과율은 50% 이상인 것이 바람직하고, 80% 이상인 것이 더욱 바람직하며, 90% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이때 광투과율은 가시 광선 영역에서의 투과율을 의미하나, 특히 전자와 정공의 재조합에 의하여 발광층에서 발광되는 파장에 대한 투과도가 최소한 50% 이상인 것이 바람직하다.

상기와 같은 조건을 만족시키는 고굴절율층의 재료로는 실리콘 (silicon), 타이타늄 (titanium), 지르코늄 (zirconium), 몰리브데늄 등의 산화물, 질화물 또는 산화 질화물 등을 포함하는 물질들에서 선택할 수 있다. 상기에서 예시된 고굴절율층 재료들은 진공중에서 박막형성 공정에 의하여 제작될 수도 있다.

또한, 상기 고굴절율층은 고굴절율을 갖으며 빛을 산란시키지 않는 크기를 갖는 물질의 입자를 고분자 또는 고분자 전구체 등과 혼합하여 기판 위에 코팅함으로써 고굴절율층을 형성할 수도 있다. 입자의 크기가 가시광선의 파장과 유사하거나 커지게 되면 빛의 산란이 일어나게 되므로 고굴절율을 가지며 적절한 크기를 갖는 입자를 선택하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 입자의 크기는 가시광선의 파장보다 작은 것이 바람직하다. 상기 고굴절율층은 고분자 소재만으로 형성될 수도 있다. 또한, 고굴절율을 갖는 물질의 전구체를 사용하여 기판에 코팅한 후, 열을 가함으로써 상기 전구체를 고굴절을 갖는 물질로 변환시킴으로써 공정성 향상과 함께 고굴절층을 얻을 수 있다. 전술한 고굴절율층의 재료는 단지 예시이며, 상기 굴절율과 투과도를 만족할 수 있는 다양한 물질 군에서 선택할 수 있다.

상기 고굴절율층 재료로서 굴절율이 높은 고분자 또는 혼합물들을 사용하는 경우에는, 증착 방법 대신 습식 코팅 방법을 이용할 수 있다. 습식 방법을 이용하는 경우, 진공 증착 방법을 이용하는 경우에 비하여, 고굴절율층의 두께가 증가함에 따라 기판과의 사이에 기계적 스트레스가 작용하여 기판 자체가 변형되는 것을 방지하는 것이 용이하다는 점에서 유리하다.

상기 고굴절율층은 단일층으로 이루어질 수도 있으나, 필요에 따라서는 상기 투과도를 만족하는 상태에서 다층 구조로 이루어질 수도 있다. 이러한 다층 구조로 형성된 고굴절율층이 제공할 수 있는 장점은 기판(1)과 단일층의 고굴절율층(5)으로 이루어진 구조에서 발생할 수 있는 기계적 또는 열적 물성 차이, 즉 열 팽창계수 등의 차이에서 발생되는 스트레스에 의한 막질의 약화 등을 완화시켜 줄 수도 있다. 상기 고굴절율층 상부에는 다시 제1 전극을 포함한 유기발광소자를 구성해야 하므로, 고굴절율층의 평탄도를 더욱 높이기 위하여 다층 구조를 형성할 수도 있다. 상기 고굴절율층(5)의 두께는 0.2 마이크로미터 이상인 것이 바람직하며 0.5 마이크로미터 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 고굴절율층(5)의 두께는 2mm 이하로 형성될 수 있다. 상기 광재활용 패턴의 두께는 고굴절율층 두께의 1/10 이상인 것이 바람직하고, 1/5 이상인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 제1 실시상태에 따른 유기발광소자는 상기 고굴절율층 상에 제1 전극, 유기물층 및 제2 전극을 더 포함한다. 도 3 내지 도 8과 같이, 상기 유기물층(3)은 단일층으로 형성될 수도 있으나, 필요에 따라서는 발광 층 이외에 정공 주입 층, 정공 수송 층, 전자 저지 층, 정공 저지 층 및 전자 이송 층 중 적어도 하나의 층을 더 포함하는 다층 구조를 가질 수도 있다.

또한, 상기 유기발광소자는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 발광층을 포함하는 발광 유닛을 하나만 포함하는 단층 유기발광소자일 수도 있고, 발광층을 포함하는 발광 유닛을 2 이상 포함하는 스택 구조의 유기발광소자일 수도 있다. 이와 같이 스택 구조의 유기발광소자는 발광층을 포함하는 단층 또는 다층의 발광 유닛이 2개 이상 적층된 구조를 포함하므로, 소자에 주입되는 전류의 양이 동일하면서도 발생하는 빛의 양을 두 배 또는 3배 이상으로 늘릴 수 있다. 상기 스택 구조의 유기발광소자는 상기 발광 유닛들 각각의 사이에 중간도전층 또는 전하발생층을 포함할 수 있다. 상기 전하발생층은 전극 역할을 하는 중간도전층이 없는 경우에도, 전압을 가하였을 때 발광 유닛과 발광 유닛 사이에서 전하가 발생되는 구조를 제공한다.

도 16 및 도 17은 제1 전극(2)과 제2 전극(4) 사이에 제1 유기 발광 유닛(3)과 제2 유기 발광 유닛(9)이 적층되고, 상기 유기 발광 유닛(3, 9) 사이에 중간도전층 또는 전하발생층(8)이 구비된 스택 구조의 유기발광소자를 예시한 것이다. 2 이상의 발광유닛은 서로 동일한 재료 또는 구조로 이루어질 수도 있고, 서로 상이한 재료 또는 구조로 이루어질 수도 있다. 여기서, 유기 발광 유닛(3, 9)은 단일층으로 형성될 수도 있으나, 필요에 따라서는 발광층 이외에 정공 주입 층, 정공 수송 층, 전자 저지 층, 정공 저지 층 및 전자 이송 층 중 적어도 하나의 층을 더 포함하는 다층 구조를 가질 수도 있다.

예컨대, 각각의 발광유닛은 동일한 발광 물질을 사용할 수도 있고 서로 다른 발광 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 발광 유닛(3)은 청색의 발광물질을 함유하고 상기 유기 발광 유닛(9)은 녹색의 발광 물질을 함유할 경우, 소자에서 발광되는 빛은 상기 유기 발광 유닛(3)과 상기 유기 발광 유닛(9)에서 각각 방출되는 빛의 파장을 모두 포함하는 장파장의 청색을 나타내게 된다. 또한, 상기와 같이 적층된 발광유닛 각각의 발광색상을 조절하여 백색 광을 구현할 수도 있다. 또한, 각각의 발광유닛을 이루는 상기 유기 발광 유닛(3)과 상기 유기 발광 유닛(9)이 동일한 발광 물질을 사용할 경우, 하나의 발광 유닛만을 사용한 소자와 비교하여 동일한 주입 전류에서 최대 2배의 발광 효율을 낼 수 있다.

도 16 및 도 17의 도면부호 8은 발광유닛들 사이에 구비된 중간도전층 또는 전하발생층으로서, 전하발생층이 구비되는 경우 별도의 중간 전극 없이 층과 층 사이에서 전하를 생성시킬 수도 있다.

상기 제2 전극은 당기술분야에서 통상적으로 사용되는 전극 재료를 이용하여 형성할 수 있다. 상기 제1 전극이 양극인 경우 상기 제2 전극은 음극으로 작용할 수 있고, 상기 제1 전극이 음극인 경우 상기 제2 전극은 양극으로 작용할 수 있다. 상기 제2 전극은 광투과성 재료로 이루어질 수도 있고, 광반사성 재료로 이루어질 수도 있다. 상기 제2 전극의 재료는 전술한 제1 전극의 재료로 예시한 재료들에서 선택될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 전극과 유기물층 사이 또는 상기 광재활용 패턴과 유기물층 사이에 위치하며 동시에 제1 전극과 접하는 전도성 층이 추가로 구비될 수 있다. 상기 전도성층은 제1 전극의 전기전도도가 충분치 않을 때 전원에서 공급되는 전류를 제1 전극층에 균일하게 공급하는 역할을 한다. 상기 전도성층의 전기 저항은 10^-6 Ω m 이하인 것이 바람직하다. 상기 전도성 층의 재료로는 알루미늄 (Al), 구리 (Cu), 몰리브덴 (Mo), 은 (Ag), 금 (Au), 백금 (Pt), 크롬 (Cr), 니켈 (Ni), 아연 (Zn), 인듐 (In) 등을 사용할 수 있으며 또는 이들을 주성분으로한 합금을 사용할 수도 있다. 상기 전도성 층의 두께는 2~2000 나노미터인 것이 바람직하다. 상기 전도성층은 패턴된 형태로 형성될 수 있으며, 이 때 패턴된 면적은 상기 제1 전극 면적의 30% 이하가 바람직하다. 또한, 상기 전도성층이 패턴된 형태인 경우 그 두께는 0.1 마이크로미터 내지 1,000 마이크로미터인 것이 바람직하고, 0.3 마이크로미터 내지 0.5 마이크로미터인 것이 더욱 바람직하다. 상기 전도성층의 두께가 너무 얇으면 전기전도도를 높이는데 기여하기 어렵고, 너무 두꺼우면 그 상부에 유기물층을 포함하는 층들을 형성하기 어려울 수 있다.

상기 제1 실시상태에 따른 유기발광소자는 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 발광층을 포함하는 유기물층을 형성하는 단계 및 상기 유기물층 상에 상기 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기발광소자의 제조방법에 있어서, (a) 상기 제1 전극의 형성 전에, 상기 기판 상에 패턴화된 고굴절율층을 형성한 후 패터닝된 부위에 광재활용 패턴을 형성하는 단계; (b) 상기 기판상에 고굴절율층 및 제1 전극을 패턴화하여 형성한 후, 패턴화된 부위에 광재활용 패턴을 형성하는 단계; 또는 (c) 상기 제1 전극의 형성 전에, 상기 기판상에 광재활용 패턴을 형성한 후 상기 기판의 광재활용 패턴이 형성된 면에 고굴절율층을 형성하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조될 수 있다. 상기와 같이 광재활용층 및 고굴절율층을 형성한 후에 소자의 나머지 층들을 순차적으로 형성한다.

본 발명에 있어서, 상기 광재활용 패턴의 형태로서, 유기발광소자의 기판의 상부에서 바라 본 수평 단면에서의 광재활용 패턴의 형태는 예컨대 도 20과 같이 일직선 모양의 골 형태일 수도 있고, 도 21과 같이 격자 모양일 수도 있다(도면부호 5: 고굴절율층, 도면부호 6 및 7: 광재활용 패턴). 그러나, 이들 도면은 단지 예시일 뿐 본 발명의 범위가 이들 예에 의하여 한정되지 않는다.

상기 (a) 단계 또는 상기 (b) 단계를 이용하는 경우 상기 고굴절율층 또는 상기 고굴절율층과 상기 제1 전극을 패터닝하는 방법으로는 반도체 또는 액정 디스플레이 제작에 일반적으로 사용되는 건식식각 또는 습식 식각을 이용할 수 있다. 특히 건식식각 방법은 플라즈마와 가스를 이용하여 빠른 시간내에 패터닝할 수 있는 방법이다. 상기 광재활용 패턴을 형성방법에 대하여는 광재활용 패턴에 관한 설명에서 기술한 바와 있다.

상기 고굴절율층 또는 전극을 형성한 후 패터닝하는 대신 패터닝된 형태로 고굴절율층 또는 전극을 직접 형성할 수도 있다. 고굴절율층의 경우, 용매에 대한 용해도 또는 분산성이 있는 고굴절율 재료를 사용하여 적절한 점도로 조정함으로써 잉크젯 프린팅, 롤 프린팅 스크린 프린팅, 오프셋 프린팅 등의 방법을 이용하여 패턴화된 고굴절율층을 직접 형성할 수 있다.

패터닝된 고굴절율층 또는 제1 전극에 광재활용 패턴을 형성하는 방법으로는 코팅 또는 프린팅 방법을 이용할 수도 있고, 필요에 따라서는 증착 공정을 이용할 수도 있다. 예컨대, 스크린 프린팅, 롤 프린팅, 오프셋 프린팅, 잉크젯 프린팅 방식 등의 방법을 적용할 수 있으며, 목적에 따라서 포토리쏘그라피 또는 레이저 전사법등을 사용할 수 있다. 상기 프린팅 방식 또는 포토리쏘그라피 방식을 진행하기 위해서는 적절한 점도를 갖는 고분자를 혼합할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 광재활용 패턴의 형성시 프린팅 방법 등의 다양한 방법을 이용할 수 있으므로, 제조방법을 용이하게 하고, 공정 비용을 줄일 수 있다.

상기 (b) 단계를 포함하는 본 발명에 따른 유기발광소자의 제조방법의 일 예를 도 18에 예시하였으나, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.

상기 (c) 단계를 이용하는 경우에는, 기판 상에 광재활용 패턴을 직접 형성시 스크린 프린팅, 롤프린팅, 오프셋 프린팅, 잉크젯 프린팅과 같은 프린팅 방식, 포토리쏘그래피 방식 등 당기술분야에 알려진 방법을 이용할 수 있다. 이어서, 상기 기판 상에 형성된 광재활용 패턴상에 고굴절율층 또는 전극을 상기 광재활용 패턴의 높이와 동일하거나 그보다 더 두껍게 형성할 수 있다.

상기 광재활용 패턴을 형성한 후 고굴절율층을 형성할 때 프린팅 방법, 솔루션 캐스팅(solution casting) 방법, 압출, 필름 라미네이팅 방법 등을 이용할 수 있다. 이때, 고굴절율층은 그 상부면이 평탄하도록 형성될 수도 있으나, 상기 광재활용 패턴의 돌출부로 인하여 상부면이 비평탄하게 형성될 수도 있다. 이와 같이 비평탄한 표면 상부에 비평탄한 구조를 그대로 유지하면서 전극을 포함한 소자를 형성하는 경우에도 소자 성능에 크게 영향을 미치지 않는다. 그러나, 상기 고굴절율층의 비평탄 표면 상에 전극을 형성할 때 표면을 평탄하게 할 수도 있고, 별도의 층을 코팅함으로써 평탄하게 할 수도 있다. 예컨대, 상기 고굴절율층 상에 추가의 고굴절율층을 코팅할 수 있다. 이 추가의 고굴절율층은 그 위에 형성되는 전극과의 접착력을 향상시킬 수 있고, 또한 상기 비평탄면을 평탄하게 하는 역할을 할 수 있다.

또한, 상기 고굴절율층은 고굴절율을 가지며 빛을 산란시키지 않는 크기를 갖는 물질의 입자를 고분자 또는 고분자 전구체 등과 혼합하여 기판 위에 코팅함으로써 고굴절율층을 형성할 수도 있다. 입자의 크기가 가시광선의 파장과 유사하거나 커지게 되면 빛의 산란이 일어나게 되므로 고굴절율을 가지며 적절한 크기를 갖는 입자를 선택하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 입자의 크기는 가시광선의 파장보다 작은 것이 바람직하다. 상기 고굴절율층은 고분자 소재만으로 형성될 수도 있다. 또한, 고굴절율을 갖는 물질의 전구체를 사용하여 기판에 코팅한 후, 열을 가함으로써 상기 전구체를 고굴절을 갖는 물질로 변환시킴으로써 공정성 향상과 함께 고굴절층을 얻을 수 있다. 전술한 고굴절율층의 재료는 단지 예시이며, 상기 굴절율과 투과도를 만족할 수 있는 다양한 물질 군에서 선택할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 고굴절율층을 습식 코팅에 의하여 형성하는 경우 굴절율이 높은 고분자 또는 혼합물들을 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 습식 방법은, 고굴절율층의 두께를 증가시키는 경우에도, 기판과의 사이에 기계적 스트레스에 의한 기판의 변형을 일으키지 않는 장점이 있다.

상기 (c) 단계를 포함하는 본 발명에 따른 유기발광소자의 제조방법의 일 예를 도 19에 예시하였으나, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 제2 실시상태는 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 발광층을 포함하는 1층 이상의 유기물층, 상기 유기물층 상에 위치한 제2 전극을 포함하는 유기발광소자로서, 상기 제2 전극이 광투과성을 가지고, 상기 제2 전극의 유기물층 방향과 반대 방향의 면에 고굴절율층이 위치하며, 상기 고굴절율층은 광재활용 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다. 도 22는 제2 실시상태를 예시한 것이다.

본 발명에 따른 유기발광소자의 외측, 예컨대 상기 기판의 제1 전극과 접하는 측의 반대측 또는 상기 제2 전극 상부에는 형광성 또는 인광성 물질을 함유한 층을 추가로 구비할 수 있다. 상기 추가의 층에 의하여 발광층으로부터 발생한 빛의 방출 효율이 높아지거나 발광색이 조정될 수 있다.

상기 제2 실시상태에 따른 유기발광소자는 제2 전극이 광투과성을 갖고, 이에 따라 광이 투과하는 제2 전극측에 광재활용 패턴을 포함하는 고굴절율층을 구비함으로써 광 추출 효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 제1 전극도 광투과성을 가질 수 있다. 상기와 같이 광재활용 패턴을 포함하는 고굴절율층의 위치가 상이한 것을 제외하고는 나머지 구성들에 대한 설명은 제1 실시상태에서 설명한 것과 같다. 다만, 상기 고굴절율층의 굴절율은 일반적인 유리기판의 굴절율을 기준으로 1.6 이상, 더욱 바람직하게는 1.65 이상인 것이 좋다.

또한, 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 발광층을 포함하는 1층 이상의 유기물층, 상기 유기물층 상에 위치한 제2 전극을 포함하는 유기발광소자로서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 광재활용 패턴을 포함하고, 상기 광재활용 패턴을 포함하는 전극은 광투과성인 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다. 이하에서, 본 발명의 실시상태에 대하여 설명한다.

본 발명의 제3 실시상태는 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 발광층을 포함하는 1층 이상의 유기물층, 상기 유기물층 상에 위치한 제2 전극을 포함하는 유기발광소자로서, 상기 기판 및 상기 제1 전극이 광투과성을 가지고, 상기 제1 전극은 광재활용 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다. 도 23은 제3 실시상태를 예시한 것이다.

상기 제3 실시상태에 따른 유기발광소자는 고굴절율층을 갖지 않고, 광재활용 패턴이 제1 전극 내부에 구비된 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 제2 전극도 광투과성을 가질 수 있다. 이와 같이 고굴절율층을 포함하지 않고 광재활용 패턴이 제1 전극 내부에 구비된 것을 제외하고는 나머지 구성들에 대한 설명은 제1 실시상태에서 설명한 것과 같다. 여기서, 제1 실시상태에서 설명한 고굴절율층과 광재활용 패턴의 규모에 대한 설명은 제3 실시상태에서의 제1 전극과 광재활용 패턴의 규모에 적용될 수 있다.

제3 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극의 재료가 기판 보다 굴절율이 높은 것이 바람직하다. 상기 제1 전극의 재료는 굴절율이 1.6 이상, 바람직하게는 1.65 이상인 것이 좋다. 상기 제1 전극의 굴절율을 조절하기 위하여 필요에 따라 제1 전극에 도펀트를 첨가할 수 있다.

본 발명의 제4 실시상태는 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 발광층을 포함하는 1층 이상의 유기물층, 상기 유기물층 상에 위치한 제2 전극을 포함하는 유기발광소자로서, 상기 제2 전극이 광투과성을 가지고, 상기 제2 전극은 광재활용 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기발광소자를 제공한다. 도 24는 제4 실시상태를 예시한 것이다.

상기 제4 실시상태에 따른 유기발광소자는 제2 전극이 광투과성을 갖고, 이에 따라 광이 투과하는 제2 전극 내부에 광재활용 패턴을 구비함으로써 광 추출 효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 제1 전극도 광투과성을 가질 수 있다. 상기와 같이 광재활용 패턴의 위치가 상이한 것을 제외하고는 나머지 구성들에 대한 설명은 제3 실시상태에서 설명한 것과 같다. 상기 제2 전극의 굴절율은 1.6 이상, 더욱 바람직하게는 1.65 이상인 것이 좋다.

Claims (22)

1. 기판, 상기 기판 상에 위치한 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 발광층을 포함하는 1층 이상의 유기물층, 상기 유기물층 상에 위치한 제2 전극을 포함하는 유기발광소자로서,
   상기 기판 및 상기 제1 전극이 광투과성을 가지고, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이에 상기 기판을 구성하는 물질보다 굴절율이 높은 고굴절율층이 구비되며,
   상기 고굴절율층은 그 내부에 광재활용 패턴을 포함하고, 상기 광재활용 패턴의 패턴된 면적은 전체 면적의 5% 내지 90%이고,
   상기 광재활용 패턴에 의하여 분할되는 고굴절율층의 폭(c)에 대한 상기 광재활용 패턴을 포함하는 층의 두께(a)의 비인 a/c는 0.01 이상이며,
   상기 광재활용 패턴은 상기 고굴절율층과 기판의 계면으로부터 상기 고굴절율층과 제1 전극의 계면까지 연장된 구조; 상기 고굴절율층과 기판의 계면으로부터 상기 고굴절율층의 중간부까지 연장된 구조; 상기 고굴절율층과 기판의 계면으로부터 상기 제1 전극 내부까지 연장된 구조; 또는 상기 고굴절율층과 기판의 계면으로부터 상기 유기물층의 내부까지 연장된 구조인 것을 특징으로 하는 유기발광소자.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 광재활용 패턴은 산란성 패턴을 포함하는 것인 유기발광소자.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 광재활용 패턴은 빛의 흡수 및 재발광 패턴을 포함하는 것인 유기발광소자.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 유기발광소자는 산란성 패턴을 추가로 포함하는 것인 유기발광소자.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 광재활용 패턴은 상기 고굴절율층보다 굴절율이 낮은 저굴절율 패턴을 포함하는 것인 유기발광소자.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 저굴절율 패턴의 굴절율은 1.6 이하인 것인 유기발광소자.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 광재활용 패턴은 반사성 패턴을 포함하는 것인 유기발광소자.
10. 삭제
11. 청구항 1에 있어서, 상기 광재활용 패턴과 상기 고굴절율층의 계면은 상기 기판에 대하여 수직이거나 경사각을 갖는 것인 유기발광소자.
12. 청구항 1에 있어서, 상기 광재활용 패턴의 두께는 상기 고굴절율층 두께의 20% 내지 90%인 것인 유기발광소자.
13. 삭제
14. 청구항 1에 있어서, 상기 고굴절율층의 굴절율은 1.6 이상인 것인 유기발광소자.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 고굴절율층의 굴절율은 1.65 내지 1.9인 것인 유기발광소자.
16. 청구항 1에 있어서, 상기 고굴절율층의 광투과율은 80% 이상인 것인 유기발광소자.
17. 삭제
18. 청구항 1에 있어서, 상기 광재활용 패턴의 폭(b)과 상기 광재활용 패턴에 의하여 분할되는 고굴절율층의 폭(c)의 비인 b/c는 2보다 작은 것인 유기발광소자.
19. 청구항 1에 있어서, 상기 광재활용 패턴과 상기 고굴절율층의 계면에 구비된 반사성 물질을 포함하는 층을 포함하는 유기발광소자.
20. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극과 유기물층 사이 또는 상기 광재활용 패턴과 유기물층 사이에 위치하고 동시에 상기 제1 전극과 접하는 전도성 층이 추가로 구비된 유기발광소자.
21. 청구항 1에 있어서, 상기 유기발광소자의 제2 전극의 외측 또는 기판의 외측에 형광성 또는 인광성 물질을 함유한 층을 추가로 포함하는 것인 유기발광소자.
22. 삭제

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