专利名称：具有高折射率回填层和钝化层的光提取膜的制作方法
具有高折射率回填层和钝化层的光提取膜
背景技术：
有机发光二极管(OLED)是一种新的显示和照明技术的基础，它为高分辨率或高像素数的高清显示应用以及高效的大面积柔性照明应用提供了良好的匹配。OLED装置包括夹在阴极和阳极之间的电致发光有机材料薄膜，并且阴极和阳极中之一者或都为透明导体。当在装置两端施加电压时，电子和空穴从它们各自的电极注入，并通过中间形成发光激子而在电致发光有机材料中复合。在OLED装置中，所产生的光通常由于装置结构内的工艺而损失掉70%以上。折射率较高的有机层和铟锡氧化物(ITO)层与折射率较低的基底层之间的界面处的陷光是提取效率低下的主要原因。只有相对少量的发射光作为“可用”光穿过透明电极。大部分光会发生内反射，这导致这些光从装置边缘发出，或限在装置内并在反复穿行之后最终因吸收到装置内而损失掉。已经尝试通过例如下列多种方式提高OLED的内量子效率(注入的单位电子所产生的光子数)改进电荷注入或传输层；使用荧光染料或磷光材料；或使用多层结构(参见例如K. Meerholz，《先进功能材料》(Adv. Funct. Materials)，第11卷第4期，第251页，2001 年)。光提取效率(由结构发出的光子数与内部产生的光子数的比值)可受到发射层本身以外的因素影响。底部发光OLED可以被看作由包含高折射率层(用于产生光、传输载流子、注入或阻挡光的有机层，和通常透明的导电性氧化物层)的芯和低折射率基底材料(通常为玻璃， 但可以是聚合物膜)组成。因此，芯内产生的光可以遇到从高折射率至低折射率的两个界面，光可能在所述界面处发生内反射。由于遇到第一界面而不能逸出芯的光被限制为波导模式，而穿过该界面但由于在基底空气界面处反射而不能从基底逸出的光被限制为基底模式。顶部发光OLED中，由于界面发生类似的光损失。已经提出多种解决方案来通过扰乱基底空气界面(如微透镜或粗糙化表面)而影响到达该界面的光。其他解决方案则是将散射元件引入基底中或引入粘合剂在(参见已公布的PCT专利申请No. W02002037580A1 (Chou))，从而中断基底模式以将该光重新导向离开装置。甚至已经进行了一些初步尝试来通过在芯基底界面引入散射或衍射元件而干扰该界面。详细的分析表明，散射或衍射结构在设置于该界面时将最有效地提取光(M. Fujita等人，《日本应用物理学杂志》(Jpn. J. App 1. Phys.)，第44卷第6A期，第3669-3677页，2005 年)。当散射或衍射元件与回填材料之间的折射率对比度较大，以及当折射率对比度变化的长度尺度与光的波长相当时，散射效率最大化(参见例如F. J. P. Schuurmans等人，《科学》 (Science)，第 284 卷第 5411 期，第 141-143 页，1999 年)。与该光提取层接触的无缺陷OLED装置的制造将需要平滑的平表面，因此光提取膜的顶部表面的平面性较为重要。然而，已经关于电极结构波纹压制进行了一些工作，以耦合离开OLED的光(M. Fujita等人，《日本应用物理学杂志》(Jpn. J. App 1. Phys.)，第44卷第 6A期，第3669-3677页，2005年)；对装置内电场的综合效应预计具有有害影响。因此必须格外注意，以免在干扰该界面的同时对装置的电气操作产生不利影响。还没有提出平衡这些冲突问题的实际解决方案。无机发光二极管(LED)的外部效率存在类似问题，其中活性材料非常高的折射率可能严重限制对内部产生的光的提取。在这些情况下，已经进行了一些尝试来利用光子晶体(PC)材料提高提取效率(S. Fan,《物理评论快报》(Phys. Rev. Letters)，第78卷第17期， 第 3294 页，1997 年；H. Ichikawa,《应用物理快报》(App 1. Phys. Letters)，第 84 卷，第 457 页，2004年)。已经开始出现有关利用PC提高OLED效率的类似报道(M. Fujita，《应用物理快报》(App 1. Phys. Letters)，第85卷，第5769页，2004年；Y. Lee,《应用物理快报》(App 1. Phys. Letters)，第82卷，第3779页，2003年)，但此前报道的结果涉及耗时而高成本的工序，所述工序不利于其本身引入到现有的OLED制造工艺中。因此，需要一种产品能够以与OLED装置制造工艺相容的方式促进从该装置的光提取。
发明内容
根据本发明的用于提高光提取率的多功能光学膜包括柔性基底、结构化层和回填层。提取元件的结构化层具有第一折射率，并且当光学膜贴靠自发光光源设置时，提取元件的相当大一部分与自发光光源的发光区域光学连通。回填层包含具有第二折射率的材料， 所述第二折射率与所述第一折射率不同，结构化层与回填层之间的折射率差值大于或等于 0.3。回填层还形成提取元件上方的平坦化层。该光学膜可以任选地具有钝化层，该钝化层相邻地设置在回填层的与所述结构化层相背的表面上。一种根据本发明的制备用于提高光提取率的多功能光学膜的方法包括在柔性基底上涂布一层具有第一折射率的材料。在有机材料中赋予纳米结构化特征以产生纳米结构化表面。对具有纳米结构化特征的有机材料进行固化。然后在纳米结构化表面上施加回填层，以在纳米结构化表面上形成平坦化层。回填层包含具有第二折射率的材料，所述第二折射率与所述第一折射率不同，并且纳米结构化特征和回填层的折射率差值大于或等于0. 3。 该方法可以任选地包括在将回填层施加到纳米结构化表面上之后在回填层上方施加钝化层。
附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且它们结合具体实施方式
阐明本发明的优点和原理。附图中，图1是具有光提取膜的底部发光OLED显示装置的示意图；图2是具有光提取膜的顶部发光OLED显示装置的示意图；图3是示出用于固态发光元件的空间调制OLED的示意图；图4是具有光提取膜的OLED背光单元的示意图；图5是示出用作IXD背光单元的OLED的示意图；图6-8是示出提取元件可能的空间构型的示意图；和图9-13是示出提取元件可能的表面构型的示意具体实施方式
实施例包括在聚合物复制工艺、纳米粒子直接沉积或其他工艺中用于形成光提取纳米结构或其他纳米结构来制备用于OLED装置的光提取膜的方法。除了促进光提取之外， 多功能膜产品还可以提供诸如基底、密封剂、阻挡层、滤光器、偏振器或颜色转换器等额外的功能，并且可以用于制造OLED装置的过程中或之后。薄膜构造基于光子晶体结构或其他纳米结构，该结构用于通过改变装置内的高低折射率层之间的界面而提高光提取效率。本发明的要素包括提供尺寸相当于或小于受控光的波长的结构；提供具有对比折射率的材料，该材料用来填充该结构周围的区域，并且还用来平坦化该结构，以提供与 OLED结构接触的基本上平滑的表面；以及将该折射率对比纳米结构化层设置在离发光区域足够小的距离范围内，以便有效提取原本会陷在该区域内的光。用高折射率材料获得的平坦化应足以确保OLED装置在使用和不使用光提取膜制造的情况下具有类似的电流-电压行为。从高折射率材料入射到具有低折射率介质的界面上的光会在所有入射角大于临界角θ C的情况下发生全内反射(TIR)，临界角的定义为SirT1Ol2All),其中叫和 分别是高折射率区域和低折射率区域的折射率。与发生TIR反射的这些光相关的电磁场延伸进入隐失驻波的低折射率区域，但该磁场的强度随着离界面的距离增大而呈指数级减弱。位于该隐失区内的吸收或散射实体，通常约一个波长厚，可干扰TIR，并使光穿过界面。 因此，若要最有效地通过散射或衍射从发射区提取光，则优选的是纳米结构化的折射率对比层位于隐失区内。或者，当光学膜贴靠自发光光源定位时，纳米结构化折射率对比层只需要与自发光光源的发光区光学连通。术语“光学连通”是指由光源产生的光场的很大或相当大一部分能够到达散射粒子或纳米结构。可以将复制母模工具制造成在不断增大的较大区域上具有所需的光提取平均周期的规则或不规则结构，所述光提取平均周期为200纳米(nm)-2000nm。将该加工能力与诸如连续浇注和固化(3C)之类微复制工艺结合，使得能够在膜基底的表面上形成光子晶体结构或其他纳米结构。3C工艺的例子在下列专利中有所描述，这些专利均以引用方式并入本文中美国专禾Ij No. 4，374，077,4, 576，850,5, 175，030,5, 271，968,5, 558，740 和 5，995，690。术语“纳米结构”是指至少一个尺寸(如高、长、宽或直径)小于2微米的结构，并且更优选地小于1微米的结构。纳米结构包括但不必限于粒子和所设计的特征物。粒子和所设计的特征物可具有例如规则或不规则形状。此类粒子也称为纳米粒子。术语“纳米结构化的”是指具有纳米结构的材料或层。术语“光子晶体结构”是指散布着这样的材料的周期性或准周期性的光学纳米结构该材料具有足够不同的折射率，从而可实现该结构在材料的允许电磁模式的光谱内产生间隙。术语“率”是指折射率。术语“回填”是指复合到结构内并具有与该结构不同的折射率的材料，用来填充该结构内的空隙并使结构平坦化。术语“提取元件”是指促进从自发光光源进行光提取的任何类型和构造的纳米结构。提取元件优选地不包含在空间分布内。底部发光OLED显示装置
图1示出包括具有光提取膜的薄膜基底的底部发光OLED装置100的结构。底部发光OLED装置被定义为透过基底发光的OLED装置。表1描述了装置100的示例性元件和这些元件的布置方式，这些元件由图1中提供的附图标记标识。装置100的每一层可涂覆在下面一层上，或以其他方式施加到下面一层。
权利要求
1.一种用于提高对自发光光源的光提取率的多功能光学膜，包括柔性基底；提取元件的结构化层，其具有第一折射率，其中当所述光学膜贴靠所述自发光光源设置时，所述提取元件的相当大一部分与所述自发光光源的发光区域光学连通；和回填层，所述回填层包含具有第二折射率的材料，所述第二折射率与所述第一折射率不同，其中所述回填层形成所述提取元件上方的平坦化层，并且其中所述结构化层的折射率与所述回填层的折射率之间的差值大于或等于0. 3。
2.根据权利要求1所述的多功能光学膜，其中所述回填层的所述折射率大于1.8。
3.根据权利要求1所述的多功能光学膜，其中所述结构化层的所述折射率小于或等于1. 5。
4.根据权利要求1所述的多功能光学膜，其中所述提取元件包括纳米结构化特征。
5.根据权利要求1所述的多功能光学膜，其中所述回填层的材料包含填充纳米粒子的聚合物材料。
6.根据权利要求1所述的多功能光学膜，其中所述基底包含下列一者聚合物膜；基本上光学透明的材料；或阻隔材料。
7.根据权利要求1所述的多功能光学膜，还包括钝化层，该钝化层相邻地设置在所述回填层的与所述结构化层相背的表面上。
8.根据权利要求7所述的多功能光学膜，其中所述钝化层包含具有低渗透率的光学透明的高折射率材料。
9.一种制备用于提高光提取率的光学膜的方法，包括 将具有第一折射率的一层有机材料涂覆到柔性基底上；在所述有机材料中赋予纳米结构化特征，以形成纳米结构化表面；以及在所述纳米结构化表面上施加回填层，以在所述纳米结构化表面上形成平坦化层， 其中所述回填层包含具有第二折射率的材料，所述第二折射率与所述第一折射率不同，并且其中所述纳米结构化特征的折射率与所述回填层的折射率之间的差值大于或等于0.3，并且其中当所述光学膜贴靠自发光光源设置时，所述纳米结构化特征的相当大一部分与所述自发光光源的发光区光学连通。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述回填层的所述折射率大于1.8。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述纳米结构化特征的所述折射率小于或等于1.5。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述赋予纳米结构化特征的步骤包括 提供具有纳米结构化特征的母模工具；以及将具有所述一层有机材料的柔性基底施加到所述母模工具，使得所述有机材料被施加为贴靠所述母模工具，以将所述纳米结构赋予所述有机材料中。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述赋予纳米结构化特征的步骤包括将所述纳米结构化特征印刷到所述有机材料上。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述赋予纳米结构化特征的步骤包括将所述纳米结构化特征压印到所述有机材料中。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括利用下列方法之一施加所述回填层，以形成所述平坦化层液体涂覆；蒸气涂覆；粉末涂覆；层合；浸涂；或卷对卷涂覆。
16.根据权利要求9所述的方法，还包括将钝化层施加到所述回填层的与所述结构化层相背的表面上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述钝化层包括具有低渗透率的光学透明的高折射率材料。
18.一种制备用于提高光提取率的光学膜的方法，包括将具有第一折射率的纳米粒子施加到柔性基底上，其中当所述光学膜贴靠自发光光源设置时，所述纳米粒子的相当大一部分与所述自发光光源的发光区光学连通；以及在所述纳米粒子上外涂回填层，以在所述纳米粒子上方形成平坦化层，其中所述回填层包含具有第二折射率的材料，所述第二折射率与所述第一折射率不同，并且所述纳米粒子的折射率与所述回填层的折射率之间的差值大于或等于0. 3。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述回填层的所述折射率大于1.8。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述纳米粒子的所述折射率小于或等于1.5。
21.根据权利要求18所述的方法，其中施加所述纳米粒子的步骤包括将分散于溶剂中的所述纳米粒子涂覆到所述柔性基底上；以及在外涂所述回填层之前使所述溶剂蒸发。
22.根据权利要求18所述的方法，其中施加所述纳米粒子的步骤包括将所述纳米粒子以干态形式施加到所述柔性基底。
23.根据权利要求18所述的方法，还包括将钝化层施加到所述回填层的与所述结构化层相背的表面上。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述钝化层包含具有低渗透率的光学透明的高折射率材料。
全文摘要
本发明提供了一种用于提高光提取率的多功能光学膜，所述多功能光学膜包括柔性基底、结构化层、高折射率回填层和可任选的钝化层。所述结构化层有效利用位于足够靠近发光区处的微复制的衍射或散射纳米结构，以使能从有机发光二极管(OLED)装置提取隐失波。所述回填层具有的材料的折射率与所述结构化层的所述折射率不同。所述回填层还在所述结构化层上方提供平坦化层，以将所述光提取膜适形于OLED显示装置的一层。所述光学膜可具有添加到或在其中复合到发光表面的附加层，以便在提高光提取效率之外实现另外的功能。
文档编号H05B33/10GK102246064SQ200980149336
公开日2011年11月16日 申请日期2009年10月23日 优先权日2008年10月31日
发明者卢祎, 吴荣圣, 哈·T·T·勒, 张俊颖, 戴维·B·斯特格尔, 特里·L·史密斯, 王丁, 詹姆斯·E·索尔森, 谢尔盖·A·拉曼斯基, 郝恩才 申请人:3M创新有限公司