专利名称：增加顶发射型有机发光二极管对比度的结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种增加顶发射型有机发光二极管对比度的结构设计方法，该方法通过在阴极表面覆盖一光输出耦合层来减少器件对环境光的反射，主要提出该光输出耦合层的厚度优化方法。
背景技术：
有机发光二极管(Organic light emitting diode，OLED)由于具备自发光、视角宽、厚度薄、亮度高、效率高、响应速度快、可实现柔性显示及工作温度范围宽等优点，被认为是最有希望取代液晶显示的下一代平板显示技术。所谓顶发射型OLED，采用将不透明阳极12覆盖于基底11上，在阳极上先后生长有机薄膜结构13和阴极14。器件内部产生的光经顶部阴极射出，如图1所示。在此类OLED显示器中，驱动OLED像素的TFT制作于顶发射型OLED下方，因此可有效避免开口率降低的问题，显示器开口率接近100％。
按照阴极透明度的不同，对于顶发射OLED的研究可分为两类一类是使用透明阴极，以铟锡氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)、铟锌氧化物(Indium Zinc Oxide，IZO)为代表；另一类是使用金属作为半透明阴极，如Ag、Al等。前者对于ITO、IZO的成膜工艺要求较高，且在制备ITO、IZO膜的过程中容易破坏底部的有机层，造成器件短路或漏电流偏大；后者由于金属的容易生长、制作工艺简单、破坏性小等优点使其近年来受到越来越多的关注，本发明正是采用此类型的顶发射型OLED结构。
对比度(contrast ratio，CR)是评价显示器的一个重要参数，也是衡量图像可辨识度的一个指标。好的对比度可改良显示器亮度的不足，反之明亮耀眼的显示器如果对比度差，其影像的品质也不会好。
由于应用于顶发射OLED的半透明阴极必须具有良好的电子注入特性，因此它必须具有低功函数。但是，所有目前可获得的符合这种要求的金属和合金都是高反射性的，恰好是周围环境中自然光的良好反射面，因此在室外或太阳光底下时，原本不发光的像素会因为自然光的反射，或像素中的荧光材料因为吸收太阳光中紫外线而发光，使得在室外OLED显示器的对比度会大大降低。
为了获得高对比度，必须有高的最大图像亮度或低的背景亮度(包括被反射的环境光亮度)。通过提高显示亮度来补偿高反射可能会带来眼睛疲劳，因为高亮度会引起瞳孔收缩。由于上述的和其它的原因，消除反射光是增强对比度的优选方法。
解决的方法之一是，可以加入液晶显示器(liquid crystal display，LCD)常用的偏光片(polarizer)。以圆偏光片为例，如在器件前贴一圆偏光片，此圆偏光片是由一个线偏光片和四分之一波长延相器组成，延相器的轴与偏光轴成45°，当外部光线穿过此圆偏光片后，会被转换成圆偏光。当光由阴极反射回来时，第二次通过延相器时，圆偏光又变为线偏光且偏振方向与原来入射光相差90°，因此反射回来的光无法通过线偏光片，如此可以使得外界的自然光干扰减少，使对比度增加。如果是器件内的发光，因为只通过一次圆偏光片，因此可以顺利通过。但此技术的缺点是偏光片的透射率一般只有30％~40％，因此大部分的光都会损失，而使得发光强度降低。另外，由于偏光片并非是OLED的结构之一，这对商品制作而言，增加了复杂度及成本支出。
为克服偏光片的缺点，另外一种增加对比度的方法是在OLED器件结构内融入可以降低环境光反射、同时又不影响器件发光效率的功能膜层。在已报道的有关高对比度OLED结构的文献中，绝大部分基于底发射OLED，由于结构的差异性，它们未必适用于顶发射OLED。并且，在这些结构中，功能膜层添加在阳极与阴极之间，这就需要考虑到膜层的光学及电学特性，如膜层对载流子注入及传输的影响。
发明内容
技术问题本发明的目的在于解决上述问题，提供一种制备工艺简单且可有效增加顶发射型有机发光二极管对比度的结构设计方法。该方法通过在阴极表面覆盖一适宜厚度的光输出耦合层，以减少器件对外部环境光的反射，从而达到增加器件对比度的效果。
技术方案本发明的增加顶发射型有机发光二极管对比度的结构包括 底层为不透明的基底，在基底上为一反射电极用作阳极，在阳极上为用于发光层的有机薄膜结构，在有机薄膜结构上为用作阴极的半透明阴极结构，在阴极的上表面为一光输出耦合层，用于减小二极管对于环境光的反射，形成一个多层膜结构。
所述的光输出耦合层的材质为有机或无机半导体材料。
所述的光输出耦合层的厚度可以改变，用以改变环境光进入器件时的反射和透射能量分布。
当所述光输出耦合层的厚度适宜时，可以减少器件对环境光的反射，从而改善二极管显示的对比度。
确定光输出耦合层厚度的方法为将器件视为一个多层膜系统，运用菲涅耳系数矩阵转移理论推导该多层膜系统的反射率公式，借助计算机获得该多层膜系统的反射率随光输出耦合层厚度变化的曲线，据此将光输出耦合层的厚度确定为该多层膜系对环境光具有最低反射率时的厚度。数据表明，在阴极表面覆盖适宜厚度的光输出耦合层能够有效减少器件对外部环境光的反射，从而达到增加器件对比度的效果。
有益效果 1、本发明采用覆盖光输出耦合层的方法来减少外部环境光的反射，该方法制作工艺简单，成本低。
2、本发明中的光输出耦合层不是添加在阴极与阳极之间，而是覆盖在阴极表面，该光输出耦合层不会对载流子的注入及传输等器件电学性能产生影响。
3、本发明借助计算机来计算确定光输出耦合层的最佳厚度，上述厚度可通过频率计(精确到0.1nm)精确地实时监控，因此，本方法对实际器件制作有准确的理论指导作用，相比于通过反复实验确定光输出耦合层厚度，大大简化程序且节省支出。
为进一步说明本发明的具体内容，以下结合实施例及附图详细描述如下 图1为本发明所涉及的顶发射型OLED结构示意图； 图2为实施例1所使用的顶发射型OLED结构示意图； 图3为将实施例1的顶发射型OLED视为多层膜系统时，反射和透射光线的示意图； 图4为实施例1所使用的顶发射型OLED的光输出耦合层ZnS膜厚变化范围为0~200nm时，器件的反射率——波长曲线； 图5为实施例1所使用的顶发射型OLED的光输出耦合层ZnS膜厚变化范围为0~50nm时，器件的反射率——波长曲线； 图6为实施例1所使用的顶发射型OLED在使用30nm ZnS作为光输出耦合层前后，器件的反射率——波长曲线； 图7为实施例2所使用的顶发射型OLED的光输出耦合层BCP膜厚变化范围为0~180nm时，器件的反射率——波长曲线； 图8为实施例2所使用的顶发射型OLED的光输出耦合层BCP膜厚变化范围为45~75nm时，器件的反射率——波长曲线； 图9为实施例2所使用的顶发射型OLED在使用55nm BCP作为光输出耦合层前后，器件的反射率——波长曲线。
具体实施例方式 本发明将器件视为一个多层膜系统，运用菲涅耳系数矩阵转移理论推导该多层膜系统的反射率公式，借助计算机获得该多层膜系统的反射率随光输出耦合层厚度变化的曲线，据此确定光输出耦合层的最佳厚度。
该结构包括底层为不透明的基底11，在基底11上为一反射电极用作阳极12，在阳极12上为用于发光层的有机薄膜结构13，在有机薄膜结构13上为用作阴极14的半透明阴极结构，在阴极14的上表面为一光输出耦合层，用于减小二极管对于环境光的反射，形成一个多层膜结构。
将用2个实例对本发明进行具体描述，但是本发明并不仅局限于所列举的实例。
参考图2，实施例1中顶发射型OLED器件结构包括基底21、反射电极(阳极)22、空穴注入层23、空穴传输层24、绿光发光层25、双层半透明金属电极(阴极)26和光输出耦合层27。其中，基底、反射电极、空穴注入层、空穴传输层、 绿光发光层、双层半透明金属电极和光输出耦合层分别采用覆盖SiO2(1600nm)的Si、Ni(100nm)、4，4’，4″-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine(m-MTDATA，45nm)、4，4’-bis[N-(1-naphthyl-1-)-N-phenyl-amino]-biphenyl(NPB，5nm)、tris-(8-hydroxyl-quinoline)aluminum(Alq3，50nm)、Sm(15nm)/Ag(10nm)和ZnS(xnm)。
将器件视为一个多层膜系统Si/SiO2/Ni/m-MTDATA/NPB/Alq3/Sm/Ag/ZnS，参考图3。外部环境光从阴极表面入射。为简化起见，仅考虑光垂直入射的情况。
在光波垂直入射多层膜系统的情况下，根据菲涅耳系数矩阵转移理论，得到出射光波与入射光波的电矢量E之间的关系如下式 其中，E0+/E0-——入射光波的正/反向电矢量； E87+/E87-——在折射率为N8的薄膜中，靠近折射率N7的界面附近的正/反向电矢量；由于阳极厚度较厚，不妨假设进入阳极的光在该层均被吸收或反射，没有光进入SiO2层，即于是， 令 式中，dm、δm分别为膜层m的几何厚度和位相厚度。m＝1，2，…，7。
那么，式(2)变为 再令 式 (3)变为 进一步可化简为 以上各式中， 于是多层膜系的反射系数r为 多层膜系的反射率R为 根据以上各公式，代入各膜层的折射指数、消光系数及物理厚度，就可以计算出该多层膜系的反射率。其中各膜层的物理厚度已给定，折射指数、消光系数可分别通过椭圆偏振仪测得。借助计算机，可计算出不同ZnS厚度下该多层膜系的反射率。为粗略确定ZnS厚度范围，首先计算变化范围较大时(0～几百nm)该多层膜系的反射率。图4给出了ZnS厚度范围为0～200nm、步长为25nm时的反射率——波长曲线。从该图可以看出，较其它厚度值而言，当厚度值为25nm时多层膜系在整个可见光范围内有着较低反射率。为进一步确定ZnS厚度，计算ZnS厚度变化范围为0～50nm、步长为10nm时该多层膜系的反射率，并绘出反射率——波长曲线，如图5所示。观察分析图5，最终选将ZnS的厚度定为30nm。图6清晰地显示了使用30nm ZnS光输出耦合层前后，该多层膜系统的反射率变化。该图表明，本发明所使用的结构设计方法能够有效地减小顶发射型OLED对环境光的反射，从而增加器件的对比度。
本发明提供的结构设计方法所使用的光输出耦合层材料并非局限于ZnS，它还可为以下任一材料BCP、MeO-TPD、Alq3、NPB、m-MTDATA、Ta2O5、Sb2O5、ZnO、ZnSe、SnO2，该方法的适用对象也并非局限于某一特定的器件结构，以下再举实施例2进行说明。
实施例2中顶发射型OLED器件结构包括基底、阳极、空穴注入层、空穴传输层、蓝光发光层、电子注入层、双层半透明金属阴极和光输出耦合层。其中，基底、阳极、空穴注入层、空穴传输层、蓝光发光层、电子注入层、双层半透明金属阴极和光输出耦合层分别采用覆盖SiO2(1600nm)的Si、Ni(100nm)、m-MTDATA(45nm)、NPB(5nm)、4，4’-bis(2，2’-diphenylvinyl)-1，1’-biphenyl(DPVBi，45nm)、Alq3(5nm)、Sm(15nm)/Ag(10nm)和2，9-dimethyl-4，7-diphenyl-1，10-phenanthroline(BCP，x nm)。
将器件视为一个多层膜系统Si/SiO2/Ni/m-MTDATA/NPB/DPVBi/Alq3/Sm/Ag/BCP。对该多层膜系统作同实施例1的分析处理，得到所需数据。图7给出了BCP厚度范围为0～180nm、步长为30nm时的反射率——波长曲线。从该图可以看出，当厚度值为60nm时多层膜系在整个可见光范围内有着低反射率。进一步确定BCP厚度，以5nm为步长，计算BCP厚度变化范围为45～75nm时该多层膜系的反射率，绘出的反射率——波长曲线如图8所示。观察分析图8，最终选将BCP的厚度定为55nm。图9清晰地显示了使用55nm BCP光输出耦合层前后，实施例2的多层膜系统的反射率变化。
以上仅为本发明的较佳实施例，不能以其限定本发明实施的范围，即大凡不脱离本发明构思的替代和修正，仍属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种增加顶发射型有机发光二极管对比度的结构，其特征在于该结构包括底层为不透明的基底(11)，在基底(11)上为一反射电极用作阳极(12)，在阳极(12)上为用于发光层的有机薄膜结构(13)，在有机薄膜结构(13)上为用作阴极(14)的半透明阴极结构，在阴极(14)的上表面为一光输出耦合层，用于减小二极管对于环境光的反射，形成一个多层膜结构。
2.根据权利要求1所述的增加顶发射型有机发光二极管对比度的结构，其特征在于所述的光输出耦合层的材质为有机或无机半导体材料。
3.根据权利要求1或2所述的增加顶发射型有机发光二极管对比度的结构，其特征在于所述的光输出耦合层的厚度可以改变，用以改变环境光进入器件时的反射和透射能量分布。
全文摘要
增加顶发射型有机发光二极管对比度的结构。该方法利用一光输出耦合层覆盖于半透明金属电极(阴极)表面，以改变外部环境光进入阴极表面的反射和透射能量分布。本发明将器件视为一个多层膜系统，运用菲涅耳系数矩阵转移理论推导该多层膜系统的反射率公式，借助计算机获得该多层膜系统的反射率随光输出耦合层厚度变化的曲线，据此将光输出耦合层的厚度确定为该多层膜系对环境光具有最低反射率时的厚度。数据拟合结果表明，在阴极表面覆盖适宜厚度的光输出耦合层能够有效减少器件对外部环境光的反射，从而达到增加器件对比度的效果。
文档编号H01L51/50GK101540374SQ20091002649
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月22日 优先权日2009年4月22日
发明者维 黄, 陈春燕, 陈淑芬, 军 谢, 解令海 申请人:南京邮电大学