专利名称：具有球状图形的有机发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光装置领域，尤其涉及有机发光装置(OLEDs)及其发射效率。
现有技术访问互联网并需要以越来越快的速度下载及浏览大量数据，以及对便携性和小台面面积的频繁要求，使得人们对显示装置的容量寄予了更多要求。对于这种要求所选择的显示装置是平板显示器，但是现今大多数平板显示器所使用的液晶显示技术(LCD)受其性能限制难以符合增加的要求。新的显示技术提供了克服LCD技术局限性的巨大前景。这种新技术基于有机发光二极管(OLEDs)的应用，该二极管使用了电致发光的薄膜材料。
典型的有机发光二极管包括平板玻璃基片的叠层(tsub～1mm，nsub＝1.51)、一铟锡氧化物层(ITO)(tITO～100nm，nITO～1.8)、一个或多个有机层(torg～0.1nm，norg＝1.6-1.8)和一反射阴极(例如Mg∶Ag或Li∶Al)，此处t代表层厚，n代表该层折射率。为简单起见，这里的讨论基于一个有机层进行，发光现象出现在该层上。但是本领域技术人员很容易理解下面的讨论和分析也能很容易地应用到更复杂的装置结构上。
显示系统的一个重要性能指标是输入能量转换成发射光的效率。在有机发光二极管显示器中，确定系统效率的一个决定性因素是耦合效率(ηext)，内部产生的光以该耦合效率在装置外面被耦合。为满足未来显示系统的发展要求，需要提高有机发光二极管的耦合效率。
本发明的目的及概要因此，本发明的一个目的是提高有机发光二极管的耦合效率。为达此目的，本发明提供了一种提高有机发光二极管发射强度和在正常视角下提高用于有机发光二极管的整个外部发射效率的方法。应用本发明的方法，通过将球状图形应用到装置基片背部，发射强度和发射效率分别被提高了9.6和3.0个系数。本发明方法捕获先前在基片内被波导失去的光，及通过选择合适基片，还捕获先前在有机/阳极层内被波导所失去的光。根据本发明的方法，提供了一种表面构造方法，它与在典型平板玻璃基片上制造的装置相比，当使用玻璃基片时，有机发光二极管的发射效率至少增加一倍，当使用高指数塑料基片时，有机发光二极管的发射效率至少增加二倍。
图2A和2B提供了根据本发明的使用球曲面特性以提高有机发光二极管的光发射效率的示意图；图3A显示了所测量的平板玻璃基片的远场强度分布图以及所期望的朗伯发射器曲线；图3B显示了根据本发明应用或不应用球曲面特性的玻璃基片装置的实验结果；图3C显示了根据本发明应用或不应用球曲面特性的PC基片的实验结果以及平板玻璃基片的实验结果。
本发明的详细说明此处描述了一种新的方法以大幅度提高有机发光二极管的发射效率。在此方法中，首先提出一解析概念以提供一种有价值的使用工具，以描述本发明发射效率的提高并与现有技术的结果相比较。通过这种合适的解析概念，用于获得改进的有机发光二极管发射效率的本发明的发法被得以描述。最终，发明人实现了改进本发明发射效率的方法的多个实施例且对这些实施例进行描述。
如背景部分所描述的，有机发光二极管的耦合效率(ηext)在有机发光二极管显示器发射效率的确定中是一决定性因素。通过考虑与各层相关的折射率，分析有机发光二极管中使用的分层结构型式的ηext是很简单的。作为该分析的预言，研究
图1所示的平板有机发光二极管的射线图，证明了基片层(光线II)和有机/阳极层(光线III)内光截留的损失。由图中光线I所示，只有以相当小角度发射的光能够透射出。
因为基片折射率小于有机层折射率(即nsubs＜norg)，所以可以获得由sin-1(nsubs/norg)所限定的临界角θorgc2，其中有机层中以大于θorgc2的角度发射的光在ITO和有机层中被波导。光线发射路径在图1中作为光线III被描述。同样，因为nglass＜nsubs，所以也能获得由sin-1(nair/norg)所限定的临界角θorgc1，其中在有机层中以大于θorgc1的角度发射的光在基片内被波导，如图1中光线II所示。由于只有以小于θorgc2角度发射的光从装置射出，如图1中光线I所示，所有经波导保留的光实际上都损失了，表现在ηext的减少。应用射线光学，假设从点源提供放射光并在有机层内均质地发射，透射系数为T，它在θ＜θorgc1时为1，相反为0，从而可以计算ηext和ηsubs，后者表示基片内被波导的发射光部分。
ηsubs＝cosθorgc1-cosθorgc2(2)[参见N.C.Greenham，R.H.Friend，and D.D.C.Bradley，“共轭聚合物发光二极管的发射角关系用于效率计算的关系”，Adv.Mat.6，491(1994)]此外，同样假定条件下，外部光强分布被给出 [参见G.Gu，D.Z.Garbuzov，P.E.Burrows，S.Venkatesh，and S.R.Forrest“有机发光装置的高外部量子效率”，Opt.Lett.22，396(1997)]它类似于朗伯发射器的强度余弦曲线。(需注意上述公式及模型均忽略了已知的使模型复杂化的显微孔隙效应，但是并未改变此处描述的方法和结果的定性功效。)需注意T＝1，θ＜θorgc1的假定表示一种简化。特别是，它表示所期望发射强度的上限。如果使用T(θ)的表达式，该表达式通过在每个分界面上应用菲涅尔公式进行限定，可以获得发射强度的下限(忽略显微孔隙效应)。但是，该简化被认为提供了一个近似值。在T＝1，θ＜θorgc1情况下公式(1)，(2)和公式(3)所表示因数的确定中，暗中假定以这些角度反射的所有内部光最终都发射出，而在第二种情况(下限)中假定没有一个内部反射光被重新接纳。在两种情况下所得到的Iext(θff)的结果，连同菲涅尔发射器得到的余弦结果在图3A中被标出，并同时获得在平板玻璃基片上得到的有机发光二极管的实验结果。两种折射模式(即R＝1，表示所有的反射光最终都透射，R＝0表示所有的反射光都损失)之间的差别很小，因而通常可有效使用任一种假定。由于在T＝1假定下得到的表达式更简单，所以在本说明书下文使用T＝1时的表达式。
由于所期望的有机层的折射率范围在1.6和1.8之间，从公式(1)中可以看出相应的耦合效率ηext的范围在0.20和0.15之间，这证明在降低的系统效率中耦合效率的重要性--即内部产生的光的80-85％在装置中被截留。绕有机发光二极管在玻璃内蚀刻凹槽以改变基片和有机层/ITO层内截留光的方向，使外部耦合效率提高1.9±0.2个系数[参见G.Gu，等，同前]。该方法并不适用于装置层的制造，在装置层中，用于无源或有源矩阵驱动器的金属线和/或线路必须穿过深槽。该方法还有不利因素，即需要极好的蚀刻控制，和基片中的非垂直曲面，极大地加大了基片制造的复杂性。
根据本发明的方法，对于光截留问题提供的一种解决方案是在基片背侧构图成球形，使球形的中心位于光源上。大部分光照射到空气-基片交界面上，由波导而引起的光损失急剧减小。基片的这种球状图形在图2中被示意性描述。
参见附图，将球形固定到基片后部，或将基片成形为如图2A所示的球形，允许光线以更大角度从基片射出。光线射向外部的最大角度从平板装置中的θorgc1增大到本发明的背部构图装置中的θmax＝tan- 1(ρlens/tsubs)(如图2A所示)。达到这种程度即θmax被实际图形所确定并能被制得更大时，外耦合效率被提高到ηext＝1-cosθmax(通过改变公式(1)的积分上限获得)。球形曲率中心没有直接对应有机发光二极管设置，由于折射效应不能够进一步协调远场模，因为光线在普通入射时不会穿透透镜/空气交界面。打破基片后表面平面度的其它方法也可以获得更少的内部整体反射，并因此提高了外部效率。
申请人在下面显示了多个用于本发明的实施例，这些实施例已经实现并研究出实验结果。实现实施例所需的不同参数已在下文的表1中给出。表1中所示的三个可得到的参数结合图2可更好地被理解。得到的第一个参数是基片系数(nsubs)，由它可完全确定θorgc1和θorgc2，并可完全确定ηext和ηsubs。nsubs也确定了基片层内侧的强度分布曲线，该曲线用nsubs代替公式(3)中的nair获得。[参见G.Gu，等，同前]Isubs(θsubs)=F2πnsubs2cosθsubsnorg21-(nsubsnorgsinθsubs)2---(4)]]>Isubs(θsubs)较重要，因为公式(3)仅描述了当基片是平板时的外部强度分布。如果基片成形为半球形，其中装置位于其中心，则Iext(θff)将等于Isubs(θsubs)。事实上，在除了平板基片特例外的一切情况中，Isubs(θsubs)在确定Iext(θff)时直接起作用。继续，nsubs对Isubs的作用是当nsubs增加时使分布集中，直至nsubs＝norg，在该点Isubs(θsubs)再现最初发生在有机层内的均质的强度分布。
所得到的第二个参数是聚集进入(基片内)透镜的光线的最大角(θsubs，max)。该参数由整个基片厚度(tsubs)和透镜半径(ρlens)经表达式θsubs＝tan-1(ρlens/tsubs)得到。假定θsubs，max足够大以捕获所有不经过透镜而透射出基片的光线(即θsubs，max＞sin-1(nair/nsubs))，那么所有以大于θsubs，max的角度发出的光将在基片内被波导并损失。根据导出公式(1)的同样分析，在对θsubs，max的同样假定下，现在能得到中心位于球形基片上的有机发光二极管的外耦合效率的表达式。 为证明θsubs，max的重要性，认为如果θsubs，max＝76°(即ρlens＝4tsubs)且nsubs＝norg，那么分解的14°表示24％的光透射入基片。
第三个且最后一个得到的参数是装置从透镜曲率中心垂直偏移的距离(doffset)。该参数之所以重要是因为它强烈影响远场分布模式。当doffset≠0时，Iext的解析表达式在现有技术中很容易发现。讨论的意图在于可以有效地指出当有机发光二极管设置得太远离透镜时(doffset＞0)，Iext将比Isubs更集中，当有机发光二极管距离透镜设置得太近时(doffset＜0)，Iext比Isubs分散。但是，对于较大范围的偏移值，由于|doffset|＞0，关于ηext仅有一较小的减小效果。
需注意用于限定图2A中远场角θff的光线在d＝0的情况下被绘制，而在图中，透镜曲率中心与有机发光二极管之间的偏移d被绘制成非零，从而其能够被清楚地识别。还需注意塑料透镜阵列层叠到一平面基片上所具有的球面特征在图2B中被专门描述。
虽然注意到以前在传统发光二极管中使用基本的基片面设计，但是上述方法先前没有被用于有机发光二极管输出耦合的改进上。此外，这种有机发光二极管方法并没有被发光二极管申请所隐含。同时也需注意在传统的发光二极管的发射材料中所发现的极高的折射率(例如n＞4)阻碍了人们能从有机发光二极管中获得的优点。特别是，除了构造基片形状外，通过将基片系数和发射材料系数相匹配，可能消除装置中所有的外部耦合损失，合适系数范围内(即n～1.6-1.8)的透明基片材料也易于获得。
针对本发明的方法，发明人已做出了多个实施例，它们将在下文被描述。这些实施例中的有机发光二极管在玻璃和聚碳酸酯(PC)基片上被制造。由0.7mm和1.1mm厚的钠钙玻璃组成的玻璃基片从Applied Films CO.公司采购并由生产者涂敷上ITO。由175μm厚的层构成的PC基片从Goodfellows Co.公司采购，其中100nm的ITO膜在Edwards A306 RF磁控管内在150W射频功率及室温下用2 mTorr的纯氩气阴极真空喷镀于上述层上。阴极真空喷镀目标是90％的三氧化二铟，10％的氧化锡，直径为3英寸。沉积率为33nm/min。有机发光二极管通过绕单聚-(N-乙烯咔唑)(聚乙烯咔唑)/2-(4-联二苯)-5-(4-特丁基苯基)-1，3，4-恶二唑(PBD)/香豆素6(C6)层自旋并蒸发100至200nmMgAg阴极[Wu]制得。有机层的折射率经椭圆计测量在λ＝634nm和λ＝830nm时是1.67。典型的装置尺寸和几何形状由直径1.75mm的圆构成。
用六个不同的基片结构做试验，它们在表1中用试验1至6表示。图2A中提供了基片装置图(带有所有相关参数标号)。
表1试基片材料 透镜材料 RlensρlenstsubsθmaxD Inormal/I0F/F0验 (mm) (mm)(mm) ±0.1 ±0.11 玻璃 N/A N/A N/A 0.7 N/A N/A 1.01.0(n＝1.51)2 玻 璃 玻璃3.4 3.4 0.7 78°+1.0 3.62.0(n＝1.51) (n＝1.51)3 玻 璃 玻璃3.4 3.4 2.0 60°+2.3 9.51.6(n＝1.51) (n＝1.51)4 玻璃 硅 树 脂2.7 2.4 1.9 51°+0.6 2.11.6(n＝1.51) (n＝1.41)5 PC N/A N/A N/A 1.0 N/A N/A 1.01.0(n＝1.61)6 PC 环氧树脂2.7 2.4 1.0 67°-0.3 1.63.0(n＝1.61) (n＝1.60)
基片和透镜参数(图2A所限定)用于不同外部耦合实验。Inormal/I0和F/F0表示正常发射强度与全部发射强度相对于相同基片材料的平板基片上制造的同样装置中所得结果的比率。全部发射强度的测定不包括边缘发射。
在试验1中，使用没有改动的平板玻璃基片。在试验2和3中，使用从Edmund Scientific Co公司采购的带有玻璃聚光透镜的玻璃基片。在试验4中，使用带有模制硅树脂透镜的玻璃基片。在后三个试验中，使用从FIS Co.公司采购的相匹配的凝胶将透镜固定到基片上。当需要时，基片厚度可通过用与前相同的相匹配的凝胶粘加另外的玻璃载片而提高。硅树脂透镜利用GE RTV615的硅树脂(n＝1.405)在特氟隆部件内用球磨压痕塑造。在试验5和6中，使用PC基片。试验5中，使用标准平板基片，而在试验6中，模制环氧树脂透镜被放到PC基片上。环氧树脂透镜用Master Bond EP42HT的两种组分环氧树脂(n＝1.61)使用上文描述的同样的模具制造。透镜用未硫化的环氧树脂粘到基片上。对于每一试验，远场强度模式使用大面积(直径1cm)Si光测器在距装置10cm处，在0°(正常)到90°之间以6°的增量进行测定。
前文所述的三个参数在图2A中显示---基片系数(nsubs)，光线进入透镜的最大角度(θsubs，max)，和装置从透镜曲率中心的垂直偏移值(doffset)---所有的值在该实验中在确定全部发射通量和外部强度分布上都起决定性作用。由于参数的掌握，计算实验结果就是一件很简单的事。在每个试验中所测定的正常及全部发射通量都列在表1中。每一试验中在每个角度处所测的发射通量图在图3B和3C中显示。全部发射通量结果在初始位置。
在带有玻璃基片的试验中(试验2-4)，全部发射通量提高了1.6至2.0±0.1之间的一个系数。这些结果与从公式(5)和(1)中得到的分析值相一致，但需注意，在试验3中，期望较大的doffset能稍微降低透镜的效率。(因为θsubs，max＜sin-1(nsilicone/nsubs)，硅树脂的较低指数对于结果并没有较大影响。)在使用PC基片和环氧树脂透镜(试验6)的实验中，全部发射通量在使用平板PC基片情况下(试验5)被提高了3.0±0.1的系数，这再一次符合由公式(5)和(1)所得到的分析值。需注意，公式(1)预示使用PC和玻璃基片的平板情况应是相同的，从图3C可以观察到有两种情况(试验1和5)在实验的不确定性范围内实际上效果相同。通过PC基片与玻璃基片所得结果的比较提供了一种实验性证明。
发射通量分布结果现在被给出。在所有的结果中，可以使普通发射通量与doffset值相关联。试验3表示一极限值doffset＝2.3mm且Inormal/I0＝9.5。试验6表示另一极限值doffset＝-0.3mm且Inormal/I0＝1.6。由于在每个试验中使用不同的基片和透镜材料，Inormal/I0的值不只由doffset所确定；但是Iext的解析表达式和我们的结果都证明，对于标准6°锥形，doffset是起支配作用的参数。在图3B和3C中，呈现了全部发射强度分布结果。这些结果再一次证明提高doffset的聚焦效应。此外试验6的结果证明使用带有高系数基片的透镜在再现有机层内产生的等方向强度分布上是多么有效---在此试验中发射通量连续从0°到72°有效地保留。
最后需注意地是，在图3A和3B中，人们能看出用于平板玻璃基片(试验1)的数据和上文所述的两种不同折射模式之间实质上相关联。此外，数据与朗伯分布结果的较大偏离进一步增强了本说明书所述折射模式的有效性。
虽然已经详细描述了本发明，但是本领域技术人员仍需理解上述说明书并未完全限定其精神和范围。本专利所要求保护的内容在其后所附权利要求书中阐述。
权利要求
1.一种发光装置，该装置包括具有第一表面和第二表面的透明基片；设置在该基片第一表面上的透明导电层；设置在导电氧化层上的有机层；设置在该有机层上的顶部接点；其中，该基片第二表面上的轮廓呈现非平面形状。
2.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于上述非平面形状是球形。
3.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于通过模塑基片表面，使得第二表面的轮廓呈现非平面形状。
4.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于通过将具有非平第二表面的第二透明层的第一表面叠置到该基片的第二表面上，使得第二表面的轮廓呈现非平面形状。
5.一种提高有机发光二极管(OLED)光发射率的方法，其特征在于该有机发光二极管被设置在透明基片的第一表面上，该方法包括如下步骤使该基片的第二表面呈现非平面形状。
6.如权利要求5所述的用于提高有机发光二极管光发射率的方法，其特征在于所述非平面形状是球形。
7.如权利要求5所述的用于提高有机发光二极管光发射率的方法，其特征在于所述第二表面的轮廓通过模塑所述基片表面以使其呈现非平面形状。
8.如权利要求5所述的用于提高有机发光二极管光发射率的方法，其特征在于通过将具有非平面第二表面的第二透明层的第一表面叠置到该基片的第二表面上，使得所述第二表面轮廓呈现非平面形状。
9.一种用于制造发光装置的方法，包括如下步骤提供具有第一和第二表面的透明基片；在该基片的第一表面上沉积透明导电层；在该透明导电层上沉积有机发光二极管层；使该基片的第二表面呈现非平面形状。
10.如权利要求9所述的制造发光装置的方法，其特征在于该非平面形状是球形。
11.如权利要求9所述的制造发光装置的方法，其特征在于通过模塑基片表面，使得所述第二表面的轮廓呈现非平面形状。
12.如权利要求9所述的制造发光装置的方法，其特征在于通过将具有非平面第二表面的第二透明层的第一表面叠置到该基片的第二表面上，使得第二表面轮廓呈现非平面形状。
13.一种发光装置，该装置包括具有第一表面和第二表面的透明基片；设置在该基片第一表面上的有机发光二极管层；其中，该基片的所述第二表面被模塑成非平面形状。
14.如权利要求13所述的发光装置，其特征在于上述非平面形状是球形。
15.一种发光装置，该装置包括具有第一表面和第二表面的透明基片，设置在该基片第一表面上的有机发光二极管层；其中，通过将具有非平面第二表面的第二透明层的第一表面叠置到该基片的第二表面上，使得所述第二表面轮廓呈现非平面形状。
16.如权利要求15所述的发光装置，其特征在于上述非平面形状是球形。
17.一种提高发光装置光发射率的方法，其特征在于该发光装置包括至少两个设置在透明基片第一表面上的有机发光二极管层，该方法包括如下步骤使所述基片的第二表面所选部分的轮廓呈现非平面形状，该所选部分被选取使其与至少两个有机发光二极管中的一个的输出光线光学对准。
18.如权利要求17所述的用于提高发光装置的光发射率的方法，其特征在于上述非平面形状是球形。
19.如权利要求17所述的用于提高发光装置的光发射率的方法，其特征在于所述被选第二表面的轮廓通过模制所述基片表面以使其呈现非平面形状。
20.如权利要求17所述的用于提高发光装置的光发射率的方法，其特征在于通过将具有非平面第二表面的第二透明层的第一表面叠置到该基片的第二表面上，使得所述被选第二表面的轮廓呈现非平面形状。
全文摘要
提供一种提高有机发光二极管(OLED)发射强度及提高有机发光二极管在正常视角下总外部发射效率的方法。使用本发明的方法,通过将球状图形加到该装置基片后部,上述强度及效率可分别提高9.6和3.0个系数。本发明的方法捕获先前在基片内被波导损失的光,及通过选择合适的基片,捕获先前在有机层/阳极层内被波导损失的光。
文档编号H05B33/02GK1384970SQ00815102
公开日2002年12月11日 申请日期2000年10月30日 优先权日1999年10月29日
发明者詹姆斯·C·斯蒂尔姆, 康纳·F·马迪根, 旻昊·M·陆 申请人:普林斯顿大学理事会