KR100236008B1 - 유기전계발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

유기전계발광소자(Organic Electroluminescence Device) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판의 소정영역을 일정깊이로 식각하여 띠(stripe) 형태를 갖는 다수개의 리세스(recess)들을 형성하고, 기판에 형성된 리세스내에 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 전기도금, 무전해 도금, 졸-겔법 중 어느 한 방법을 이용하여 전도성 광반사물질을 채워 보조전극을 형성한 후, 보조전극이 형성된 기판상에 양극, 유기발광층, 음극, 보호막을 순차적으로 적층하여 유기전계발광소자를 제작함으로써, 소자의 아웃풋 커플링을 크게 향상시키고, 공정이 단순하여 대량생산이 가능하다.

Description

유기전계발광소자 및 그 제조방법

본 발명은 디스플레이 소자에 관한 것으로, 특히 유기전계발광소자(Organic Electroluminescence Device) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 표시장치의 대형화에 따라 공간 점유가 적은 평면표시소자의 요구가 증대되고 있는데, 이러한 평면표시소자중 하나로서 전계발광소자가 주목되고 있다.

이 전계발광소자는 사용하는 재료에 따라 무기전계발광소자와 유기전계발광소자로 크게 나뉘어진다.

무기전계발광소자는 일반적으로 발광부에 높은 전계를 인가하고 전자를 이 높은 전계중에서 가속하여 발광 중심으로 충돌시켜 이에 의해 발광 중심을 여기함으로써 발광하는 소자이다.

또한, 유기전계발광소자는 전자주입전극(cathode)과 정공주입전극(anode)으로부터 각각 전자와 정공을 발광부내로 주입시켜 주입된 전자와 홀이 결합하여 생성된 엑시톤(exciton)이 여기상태로부터 기저상태로 떨어질 때 발광하는 소자이다.

상기와 같은 동작원리를 갖는 무기전계발광소자는 높은 전계가 필요하기 때문에 구동전압으로서 100∼200V의 높은 전압을 필요로 하는 반면에 유기전계발광소자는 5∼20V정도의 낮은 전압으로 구동할 수 있다는 장점이 있어 연구가 활발하게 진행되고 있다.

또한, 유기전계발광소자는 넓은 시야각, 고속 응답성, 고 콘트라스트(contrast) 등의 뛰어난 특징을 갖고 있으므로 그래픽 디스플레이의 픽셀(pixel), 텔레비젼 영상 디스플레이나 표면광원(surface light source)의 픽셀로서 사용될 수 있으며, 얇고 가벼우며 색감이 좋기 때문에 차세대 평면 디스플레이에 적합한 소자이다.

이러한 용도를 갖는 유기전계발광소자를 제작함에 있어서 고려해야 될 여러 사항들 중에서도 특히 아웃풋 커플링(output coupling)을 고려해야 한다.

유기전계발광소자는 음극에서 유기발광층으로 주입된 전자와 양극에서 유기발광층으로 주입된 정공이 유기발광층에서 쌍(전자-정공)을 이루고 있다가 소멸되면서 에너지를 방사함으로써 빛을 방출하는데, 아웃풋 커플링이란 최초의 빛중 투명전극 및 투명기판을 거치면서 잃게 되는 빛의 양을 뺀 순수하게 투명기판을 빠져나온 빛의 양(I)의 최초 빛의 양(I₀)에 대한 비(I/I₀)이다.

도 1은 일반적인 유기전계발광소자의 아웃풋 커플링을 보여주는 도면으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 유기발광층으로부터 출력되는 빛의 양을 100%라 할 때, 이 빛은 양극을 통과하면서 약 51% 정도의 빛이 웨이브가이딩(waveguiding)되어 손실되고, 그 나머지 빛은 유리 기판을 통과하면서 약 31.5% 정도가 웨이브가이딩되거나 측면으로 새어나간다.

결국 유기발광층에서 나온 빛의 약 17.5% 만이 외부로 나오는 것이다.

즉, 아웃풋 커플링이 0.175인 셈이다.

이와 같이 소자의 아웃풋 커플링이 낮은 것을 극복하기 위해 최근에는 메사(mesa) 구조위에 유기전계발광소자를 형성하는 방법이 제안되었는데, 이 방법은 아웃풋 커플링을 기존보다 약 4배 정도 증가시켰다.

도 2는 메사 구조위에 형성된 유기전계발광소자를 보여주는 도면으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 그 구조를 살펴보면 메사 구조를 갖는 유리 기판(1)상에 양극(2), 유기발광층(3), 음극(4)으로 이루어진 유기전계발광소자가 형성되고, 유기전계발광소자의 양극(2)과 유리 기판(1) 사이에 TiO₂박막(5)이 형성된다.

그리고, 유리 기판(1)의 메사 영역 경사면에 금속판(6)이 형성된다.

이와 같이 형성된 유기전계발광소자의 유기발광층(3)에서 나온 빛은 유리 기판(1)의 메사 영역 경사면에 있는 금속판(6)에 반사되어 유리 기판(1) 밖으로 나가기 때문에 결과적으로 아웃풋 커플링이 증가하게 된다.

또한, 유기전계발광소자의 양극(2)과 유리 기판(1) 사이에 형성된 TiO₂박막(5)은 양극(2)과 유기발광층(3)에서의 웨이브가이딩 및 흡수를 막아주므로 아웃풋 커플링은 더욱 증가하게 된다.

종래 기술에 따른 유기전계발광소자에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

아웃풋 커플링을 증가시키기 위하여 메사 구조로 유리 기판을 형성하고 메사 영역 경사면에 금속판을 형성하는 등 그 제작공정이 복잡하여 양산성이 떨어진다.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 새로운 물질의 보조전극을 이용하여 소자의 아웃커플링을 향상시키고 공정을 단순화시킬 수 있는 유기전계발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 유기전계발광소자의 아웃풋 커플링을 보여주는 도면

도 2는 종래 기술에 따른 유기전계발광소자를 보여주는 구조단면도

도 3a 내지 3e는 본 발명에 따른 유기전계발광소자의 제조공정을 보여주는 공정단면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 투명기판 12 : 포토레지스트

13a : 제 1 전도성 광반사물질 13b : 제 2 전도성 광반사물질

13 : 보조전극 14 : 색변환물질

15 : 블랙매트릭스 16 : 양극

17 : 절연막 18 : 유기발광층

19 : 음극 20 : 보호막

본 발명에 따른 유기전계발광소자 및 그 제조방법의 주요 특징은 기판 표면내에 전도성 광반사물질로 이루어진 보조전극을 형성하는데 있다.

본 발명에 따른 유기전계발광소자 제조방법의 특징은 기판의 소정영역을 일정깊이로 식각하여 띠(stripe) 형태를 갖는 다수개의 리세스(recess)들을 형성하는 스텝과, 기판에 형성된 리세스내에 전도성 광반사물질을 채워 보조전극을 형성하는 스텝과, 보조전극이 형성된 기판상에 전극 및 유기발광층을 포함하는 적층판 구조(laminated structure)를 형성하는 스텝으로 이루어지는데 있다.

본 발명에 따른 유기전계발광소자의 특징은 기판상에 형성되는 전극 및 유기발광층을 포함하는 적층판 구조(laminated structure)와, 기판 표면내에 소정간격을 갖는 띠(stripe) 형태로 형성되어 광을 반사시키는 보조전극으로 구성되는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 유기전계발광소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3a 내지 3e는 본 발명에 따른 유기전계발광소자의 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 먼저 투명기판(11)상에 포토레지스트(12)를 도포하고, 포토레지스트(12)를 띠(stripe)모양으로 패터닝하여 띠 부분만큼만 투명기판(11)을 노출시킨다.

그리고, 노출된 투명기판(11)을 HF 식각용액을 사용하여 선택적으로 식각함으로써, 투명기판(11) 표면내에 소정 간격을 갖는 띠 모양의 리세스(recess)들을 형성한다.

여기서, 식각깊이는 투명기판(11) 전체 두께의 반이하로 한다.

식각깊이를 투명기판(11) 전체 두께의 반이하로 하는 이유에 대해서는 후술하기로 한다.

이어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(12)를 포함한 전 표면에 제 1 전도성 광반사물질(13a)을 얇게 입히고, 도 3c에 도시된 바와 같이, 이 투명기판(11)을 포토레지스트(12) 제거용액에 담가 포토레지스트(12) 및 포토레지스트(12)상의 제 1 전도성 광반사물질(13a)을 함께 제거하여 투명기판(11)에 형성된 리세스 하부에만 제 1 전도성 광반사물질(13a)을 남긴다.

여기서, 제 1 전도성 광반사물질(13a)는 전도성이 좋고 빛을 반사시키며 전기도금이 잘되는 물질로서 동, 니켈 또는 그 합금 중 어느 하나를 사용한다.

그리고, 도 3d에 도시된 바와 같이, 리세스 하부에 형성된 제 1 전도성 광반사물질(13a)을 전극으로 하여 전기도금을 실시하면, 이 제 1 전도성 광반사물질(13a)상에만 선택적으로 제 2 전도성 광반사물질(13b)이 형성되고, 결국 리세스 공간을 완전히 채움으로써 보조전극(13)을 형성된다.

여기서, 보조전극(13) 형성시 전기도금방법 이외에도 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition), 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition), 무전해 도금(electroless plating), 졸-겔(sol-gel)법 중 어느 하나로 형성할 수 있다.

이 보조전극(13)은 본 발명에서 2가지의 역할을 수행하는데, 첫 번째 역할은 보조전극(13)을 투명기판(11) 표면내에 형성함으로써, 후공정에 형성되는 유기발광층에서 발생된 빛을 반사시켜 소자의 아웃풋 커플링 특성을 향상시켜주는 역할을 수행한다.

즉, 보조전극(13)이 투명기판(11)을 통한 웨이브가이딩(waveguiding)으로 인하여 발생하는 광 손실을 많이 줄여줄 수 있는 것이다.

이와같은 장점을 살려 보조전극(13)의 두께(리세스의 깊이)를 두껍게 하면 두껍게 할수록 광 손실이 많이 줄어드는데 그렇다고 제한없이 두껍게 할 수는 없다.

왜냐하면 보조전극(13)이 너무 두껍게되면 투명기판(11)이 구조적으로 취약해지기 때문이다.

그러므로 본 발명에서는 보조전극(13)의 두께를 투명기판(11) 전체 두께의 반이하로 제한함으로써, 구조적 강도를 유지하면서 아웃풋 커플링의 특성을 최대로 향상시켰다.

그리고, 보조전극(13)의 두 번째 역할은 후공정에 형성되는 전극의 저항을 줄여주어 소자의 구동을 원할하게 하는 역할을 수행하는 것이다.

즉, 보조전극(13)위에 형성될 양극은 투명한 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하는데 투과도(transmittance)를 높이기 위해서는 그 두께를 제한할 수 밖에 없을 뿐 아니라 일반 금속에 비해 ITO 자체의 저항이 크므로 전체적인 양극의 저항 역시 매우 크다.

그러므로 전극 띠의 길이가 길어지는 대면적 디스플레이로 갈수록 저항증가와 함께 이에 따른 구동의 어려움이 커지게 되므로 전기저항이 작은 두꺼운 보조전극의 필요성이 매우 크다.

이어, 도 3e에 도시된 바와 같이, 투명기판(11) 하부면에 소자에서 발광된 빛을 흡수하여 적색, 녹색, 청색으로 변환시키는 색변환물질(14)(color changing medium ; CCM)의 패턴을 형성하고, 그 사이사이에 혼색을 막기위한 블랙매트릭스(15)를 형성한다.

여기서, 색변환물질(14)의 패턴 형성은 일반적인 포토리소그래피(photolithography)공정을 사용하고, 블랙매트릭스(15)는 금속 또는 금속합금을 사용한다.

이 도 3e의 공정은 도 3a 내지 3d의 공정과 공정순서를 바꾸어도 상관없다.

그리고, 도 3f에 도시된 바와 같이, 보조전극(13)이 형성된 투명기판(11) 상부에 양극(16)을 띠 모양으로 형성하고, 양극(16) 띠와 띠 사이에 절연막(17)을 형성한다.

이 절연막(17)은 양극(16) 띠 사이의 누설전류를 방지하기 위함이다.

여기서, 양극(16)은 양극(16) 일측에 보조전극(13)이 위치하도록 형성한다.

이어, 도 3g에 도시된 바와 같이, 양극(16)상에 유기발광층(18), 음극(19), 보호막(20)을 순차적으로 형성함으로써, 유기전계발광소자의 제작공정을 완료한다.

이와 같이 본 발명에서는 도 3g에 도시된 바와 같이, 투명기판(11) 표면내에 전도성 광반사물질로 이루어진 보조전극(13)을 형성하여 양극(16)의 저항을 낮추어주고, 유기발광층(18)에서 나오는 빛을 그 표면에서 반사시켜 아웃풋 커플링을 향상시키도록 구성하였다.

본 발명에 따른 유기전계발광소자 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 기판 표면내에 보조전극을 형성하여 유기발광층에서 나오는 빛을 보조전극 표면에서 반사시켜 기판내에서 웨이브가이딩되거나 기판 측면으로 새어나가는 빛의 손실을 줄임으로써, 아웃풋 커플링을 크게 향상시킨다.

둘째, 전기도금법 등으로 형성된 보조전극 그 자체를 이용하여 아웃풋 커플링을 향상시키므로 기존보다 공정이 단순해져 대량생산이 가능하다.

Claims (9)

1. 기판을 준비하는 제 1 스텝;

   상기 기판의 소정영역을 일정깊이로 식각하여 띠(stripe) 형태를 갖는 다수개의 리세스(recess)들을 형성하는 제 2 스텝;

   상기 기판에 형성된 리세스내에 전도성 광반사물질을 채워 보조전극을 형성하는 제 3 스텝;

   상기 보조전극이 형성된 기판상에 전극 및 유기발광층을 포함하는 적층판 구조(laminated structure)를 형성하는 제 4 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 유기전계발광소자 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 스텝의 식각 깊이는 기판 전체 두께의 반 이하임을 특징으로 하는 유기전계발광소자 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 스텝의 전도성 광반사물질은 동, 니켈 또는 그 합금 중 어느 하나로 형성함을 특징으로 하는 유기전계발광소자 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 스텝의 전도성 광반사물질은 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 전기도금, 무전해 도금, 졸-겔법 중 어느 하나로 형성함을 특징으로 하는 유기전계발광소자 제조방법.
5. 기판을 준비하는 제 1 스텝;

   상기 기판상에 포토레지스트를 형성하고, 포토레지스트를 띠 형태로 패터닝하는 제 2 스텝;

   상기 띠 형태의 포토레지스트를 마스크로 상기 기판을 일정깊이로 식각하여 띠 형태를 갖는 다수개의 리세스들을 형성하는 제 3 스텝;

   상기 포토레지스트를 포함한 전 표면에 제 1 전도성 광반사물질을 얇게 형성하는 제 4 스텝;

   상기 포토레지스트를 제거하여 상기 기판에 형성된 리세스 하부에만 제 1 전도성 광반사물질을 남기는 제 5 스텝;

   상기 제 1 전도성 광반사물질이 남아 있는 기판의 리세스내에 전기도금으로 제 2 전도성 광반사물질을 채워 보조전극을 형성하는 제 6 스텝;

   상기 보조전극이 형성된 기판상에 전극 및 유기발광층을 포함하는 적층판 구조(laminated structure)를 형성하는 제 7 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 유기전계발광소자 제조방법.
6. 기판상에 전극 및 유기발광층을 포함하는 적층판 구조(laminated structure)를 갖는 유기전계발광소자에 있어서,

   상기 기판 표면내에 소정간격을 갖는 띠(stripe) 형태로 형성되어 광을 반사시키는 보조전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 보조전극은 동, 니켈 또는 그 합금 중 어느 하나로 형성됨을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 보조전극의 두께는 상기 기판 전체 두께의 반 이하임을 특징으로 하는 유기전계발광소자.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 보조전극은 상기 기판상에 형성되는 전극의 일측면에 위치함을 특징으로 하는 유기전계발광소자.

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