专利名称：场致发光照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有基片和有源层的照明系统，有源层包括埸致发光材料，其中有源层位于第一光学透明电极层和第二电极层之间。
本发明还涉及一种平板型的、包括这种照明系统的显示装置。
埸致发光照明系统用作发光源并用于例如显示器和指示灯(信号灯)中。这样的照明系统特别适合用作具有液晶显示板(LCD装置)的显示器的背照明，例如，聚合物扩散型液晶显示(PDLCD)装置或等离子寻址液晶(PALC)显示装置。
例如，R.Friend,D.Bradley和A.Holmes发表在PhysicsWorld,Noveber 1992,pp.42-46h上的文章“LEDs”，公开了前一段所述类型的照明系统，在这遍文章中，所述的照明系统包括作为有源层的半导体有机聚合物膜，在第一电极层上形成所述有源层，第一电极层设置在玻璃基片上。第二电极层设置在聚合物膜的上面。两个电极层之一应该是透光的，使光线可沿照明系统平面的横向方向传输。当将电压加在两个层之间时，有源层按照埸致发光过程来发射光线。有源层和两个电极层一起构成平面型发光二极管(LED)。
已知的照明系统具有这样的缺点可形成图象的光线仅有相当低的光输出。
本发明的目的是特别提供一种能提高可形成图象的光线的光输出的埸致发光照明系统。
为了实现此目的，根据本发明的照明系统的特征在于，在远离有源层的透明电极的一侧有包括具有光散射特性的介质的光散射层，其中，当与所述层的横向成一角度地通过光散射层时，光束的非散射部分的份额在0.05和0.8之间的范围内。
本发明的基础是认为，由有源层发射的进入所有方向的光仅有有限的一部分的光离开照明系统，而其余的光(约75％)是通过在照明系统(的基片)内的(全)反射所捕获的。利用光散射层，使通过有源层传输的光散射，部分地散射在基片中反射所捕获的光，因此在散射之后，使所捕获的光按所需的方向(在照明系统的出射面)离开照明系统。
在本申请中，认为术语“直射光”为在远离有源层的透明电极层的一侧笔直离开照明系统的光(如果照明系统没有光散射层)。与远离有源层的透明电极层的一侧对应的方向以后称为向上方向。认为术语“所捕获的光”是在远离有源层的透明电极层一侧没有可能离开照明系统的光。最后在照明系统中吸收所捕获的光，或所捕获的光在一侧(例如，通过基片的边缘的一侧)离开照明系统，这将损失光输出。(在高折射介质中)所捕获的光相对于直射光离开照明系统的平面(法线)有一个入射角，该角度比与在出射面两侧材料的折射率的变化对应的临界角要大。换句话说，当光线的入射角大于临界角时发生全反射。
当光束通过光散射层时，光束横向射向基片并且基本上平行(例如，平行光或来自激光源的并垂直入射在光散射层上的光)，一部分光在光散射层中被散射，而其它的光沿相对于入射角不变的方向离开光散射层。如果满足本发明的进一步的条件，即，如果光束的非散射的部分在≥0.05和≤0.8之间的范围内(或在≥5％和≤80％的之间的范围内)，能改善可形成图象的光光输出。在测量非散射部分时，要校正可能出现在光散射层中的吸收、光进入和离开光散射层的表面上由反射所引起的损耗。一般来说，将光散射介质的光散射特性选择为由光散射层吸收光所引起的损耗，与由提供光散射层所引起的在照明系统中可形成图象的光的光输出的增加相比，是相当小的。
由于光散射层的存在，直射光和所捕获的光都被部分地散射。然而，由于直射光比所捕获的光在照明系统(的基片)中走过较短路径，所以散射直射光的危险率比散射所捕获的光的危险率小。此外，在公知的照明系统中，所捕获的光与直射光的比大约为3∶1，从而所捕获的光比直射光多，因而，散射所捕获的光的量比散射直射光的量大。发明者已意识到，由于在照明系统中光散射层的存在而使直射光和所捕获的光散射作用的总和可能对来自照明系统的能形成图象的光的总光输出有正和负作用，而且如果横向入射在光散射层上的(平行)光束的非散射部分在0.05与0.8的范围内，并且在这些数值范围之外的范围内相当小，则(净)作用为正。发明者已经认识到，在所述的范围内能获得可形成图象的并由照明系统传输的光的最佳光输出，并且在非散射部分在≥0.1与≤0.5之间的范围内能获得这一最大值。在根据本发明用不同的光散射介质作照明系统的光散射层的大量实验中，发现在非散射份额约为0.37的值时光输出出现相当平坦的最佳值。
由光散射层的特性(材料特性、浓度、微粒大小、光特性)、所用材料的折射率的差、和所用光波长(范围)确定能形成图象的光的光输出的最佳值的出现和变化。在本申请的进一步的描述中将通过举例描述这许多方面。
根据本发明的照明系统的一个实施例的特征在于，基片包括光散射介质。通常，基片在远离有源层的照明系统的一侧，直射光通过基片离开照明系统。通过将光散射层加到基片上，以简单方式改善了照明系统的光输出。
根据本发明的照明系统的一个实施例的特征在于，光散射层在远离有源层的基片的一侧，通过在基片和透明电极层的外侧面设置分开的光散射层，能以简单方式改变和影响光散射层的特性。也可以按另一种方式在透明电极层和基片之间设置光散射层，使光散射层的位置接近有源层。
如果以直射光的散射概率(每单位长度)比所捕获的光的概率小的方式使光散射介质中的光散射变为各向异性，则改善了光散射层的效果并因此改善了照明系统的光输出。为了实现此目的，根据本发明的照明系统的一个最佳实施例的特征在于，介质具有各向异性的光散射特性，由有源层发射的并沿有源层的横向方向在介质中传输的光被散射的程度比沿其它方向在介质中传输的光小。例如，如果光散射微粒不为球形并且非球形微粒的长轴指向有源层(表面)的横向方向，即，光散射层的非球形微粒的长轴与发射直射光的(主)方向对应。因而，直射光不太可能被散射，而所捕获的光很可能被散射。
根据本发明的照明系统的另一最佳实施例的特征在于，介质包括可散射光的微粒，在这些微粒中微粒的折射率在有源层横向方向上的分量(nz)与微粒的折射率的其它分量(nx,ny)不同。如果在(非双向折射)介质中使用直接双折射的微粒，则可改善光散射层的作用效果并因此改进照明系统的光输出。
根据本发明的照明系统的另一最佳实施例的特征在于，介质包括可散射光的微粒，其中，介质在有源层横向方向上的折射率的分量(nz)与介质的折射率的其它分量(nx,ny)不同。如果在双向折射介质中使用(非双折射的)微粒，则可改善光散射层的作用效果并因此改善照明系统的光输出。通过在双折射层中使用合适的双折射微粒的组合能进一步改善光散射层的特性。
光散射层最好包括具有不同折射率的两个组分，其中两个组分间的折射率差大于≥0.05。如果组分的折射率之间的差大于≥0.05，最好大于≥0.1，能改善光散射层对照明系统的光输出的影响。
通过参考下面的实施例描述，本发明的这些和其它方面将变得很明显。
在附图中
图1A是已有技术照明系统的一个实施例的横截面图；图1B是根据本发明的照明系统的一个实施例的横截面图；图1C是根据本发明的照明系统的另一个实施例的横截面图；图1D是根据本发明的照明系统的下一个实施例的横截面图；图2A-2E表示根据本发明的光散射层的例子，包括各向异性散射光的介质；图3是根据本发明的设有高折射的、光散射层的照明系统的一个实施例的横截面图；图4表示设有根据本发明的照明系统的平板型显示器的一个实施例。
所有的图都是示意图并且不成比例。为了清楚起见，大大地夸大了一些尺寸。图中类似的部分尽可能多地用相同的标号表示。
图1A是已有技术的埸致发光照明系统1的横截面图，该系统包括基片2和一个由埸致发光材料构成的光学有源层3。由两个电极层5、7包围层3。两个电极层之一，在图1A的例子中为层5，是透光的。这一电极层5保证空穴注入有源材料的层3并称为阳极。适合这个电极层5(阳极)的材料是，例如，铟锡氧化物(ITO)或如聚苯胺(PANI)之类的透明导电聚合物层或这些材料的组合。另一电极层7，称为阴极，通常是反射性的并且保证电子注入有源层3。阴极，例如，由钙、铟、铝、钡或镁构成。
当电压源6将电压加到两个电极层5、7上时，空穴和电子注入到有源层3中进行重新结合，从而该层3的分子将升到较高能级。当分子回落到较低能级时，以光形式释放能量。这一过程称为埸致发光。埸致发光也出现在交变埸致发光箔中(例如，聚合物基质中的荧光粉(如ZnS))。
能将各种类型的材料用作有源层3。埸致发光材料可以是有机或无机材料。使用无机材料(例如Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ半导体或荧光粉)作为有源层3本身是公知的，金属螯合物(例如8-羟基喹啉铝(8-hydroxychinoline aluminum))和半导体有机聚合物(例如聚亚苯基乙烯poly(phenevinylene)(PPV))为有源材料。这些材料可用作单层或多层中的有源区。聚合物LED的优点在于能以非常薄的形式(即软性的薄膜)实现照明系统。另外，除了第一透明电极层5和第二电极层7之外，还可以有增强电子和空穴注入的附加层，以进一步地提高发光系统的效率。
图1A示出了在有源层3中的虚象点产生的并且在透明电极层5离开有源层3的方向上发射的三种可能光线a、b、c，所述的方向也称为上行方向9。光线a以直角离开照明系统，结果是，光线a在离开该系统时没有改变其方向(笔直前进)。光线b以一个入射角射到照明系统的出射面并以一个出射角离开出射面，而当相对于出射面的法向测量时，出射角大于入射角(在高折射率的介质与低折射率的介质之间的界面(例如，玻璃/空气界面)发生正常折射)。光线c以一个入射角射到照明系统的出射面，所述入射角大于对应于出射面两侧的材料的折射率的变化的临界角，结果发生全反射，换句话说，光线c在照明系统的出射面发生反射并且与光线c对应的光线不可能离开照明系统。
估计各向同性地入射在折射率为n的材料与空气之间的界面的出射面上的光线的比例为
1/2n2如果(基片)材料的折射率对应玻璃的折射率(n=1.5)，那么通过照明系统(的基片)中全反射所捕获的光一般将保持有约75％的光，因而不适合于贡献给照明系统的光输出。本发明的一个目的是将所捕获的光的一部分转变为笔直光，从而改进照明系统的光输出。
在根据本发明照明系统1的实施例中，如图1B所示，基片2’包括根据本发明的具有光散射特性的介质。光线c’现在有机会在基片的光散射介质上被散射，因为，光线c’是在有源层3中的一个假想的点产生的，并且所述光线c’是在基片没有散射特性的情况下以大于或等于与出射面两侧的材料的折射率的变化相对应的临界角的入射角射到照明系统的出射面的，从而所述光线会全反射。这样散射的结果是，在出射面上的入射角可变为比临界角小，从而光线c’能离开该系统。通过合适地选择光散射介质的特性，例如，材料特性、浓度、和基片中的光散射介质的光学特性，能大大改进照明系统的光输出。改进照明系统的光输出的另一措施是在基片的边缘设置一反射层(图1 B中没有示出)，以进一步提高散射所获得光的概率。
在根据本发明的照明系统1的一个优选实施例中，如图1C所示，给基片2设置了一个光散射层8，光散射层8包括具有光散射特性的介质。因而，给在有源层3中的假想点产生的光线c’提供了在光散射层8的光散射介质上被散射的概率，使光线c’可离开该系统。由于光散射层8中光散射介质特性的作用，光散射介质以使这些光线有助于改进照明系统的光输出的方式“校正”这些光线的方向。改进照明系统的光输出的另一措施是在基片的(侧)壁设置一反射层(图1C中没有示出)，以进一步提高散射所获得光的概率。
在根据本发明的照明系统1的另一个优选实施例中，如图1D所示，光散射层8’设置在基片2和透明电极层5之间，光散射层8’包括具有光散射特性的介质。通常，光散射层最好尽可能地靠近有源层3。
散射介质可包括，例如相当小的折射率为n1的透明微粒，所述微粒散布在折射率为n2的透明介质中，其中n1≠n2，或者散射介质可包括象牛奶样的液体。图2A示出了包括具有折射率n1的微粒20的光散射层，图2A中只示出了其中的一个微粒，所述微粒散布在折射率为n2的介质18中，其中散射的概率不取决于入射光线的方向。介质18和微粒20之间的折射率之差最好是|n2-n1|≥0.05。例如，在甘油丙三醇中直径为3μm的(胶乳)颗粒用作光散射介质的实验中，取决于层厚度和甘油丙三醇中的(胶乳)颗粒的浓度，测得照明系统的光输出比没有这种光散射层的照明系统增加约35％。
如果光散射的概率不取决于入射光线的方向，那么会大大地改善散射层的效果，同时能确保散射所捕获的光的概率(每单位长度)大于直射光的概率。例如，通过透明介质18’中的定向非球面散射微粒21能实现这一点，所述微粒21的折射率为n1，所述介质18’的折射率为n2，其中n1≠n2(见图2B)。在此情况下，选择图2B中的非球面散射微粒21的方向与向上方向19平行。另一种散射方式示于图2C中，其中导向的双折射散射微粒22用在非双折射介质18”中。认为双折射意味着材料的折射率在各方向上不相同。在图2C中，微粒22的折射率有三个相互垂直的分量，即nx,ny,和nz,其中，nz至少基本上与上行方向19平行，nx=ny≠nz，并且介质18”的折射率n2与微粒22的折射率nz不同，换句话说，nz≠n2。如果光沿Z轴入射，换句话说，光在X-Y平面偏振，则微粒和介质之间没有折射率差，并且将没有散射。如果光倾斜通过介质(即，如果光与上行方向成一个角度入射)，将会产生折射率差并且将出现散射。
在图2D所示的例子中，在一个双折射介质18中引入了具有(各向同性)折射率n1的非双折射微粒23，所述介质18的折射率具有三个相互垂直的分量，即nx,ny和nz，其中，nz至少基本上与上行方向19平行，nx=ny≠nz并且nz≠n1。另一种选择合适的光散射层包括在层中折射率具有三个相互垂直分量nx、ny和nz的双微粒24，在层中包括双折射介质18””，双折射介质18””的折射率具有三个相互垂直的分量n2x,n2y和n2z，如图2E所示。
微粒20、21、22、23、24最好具有这样的平均尺寸d(直径)
0.1λ≤d≤10λ，其中λ是所用的光的波长(在可见光的情况下，波长λ在400和780nm之间，d的范围在约40nm和约8um之间)。微粒的平均尺寸最好小于2λ，并且微粒尺寸最好为所用波长的数量级。
通过在基片上设置一层高折射材料可进一步地提高照明系统的光输出。在图3所示的例子中，在基片2上设置有高折射的光散射层28，在基片2的下面设有包括有源层3和两个电极层5、7的埸致发光系统，用带有标号29的箭头表示上行的方向。合适的高折射材料有氮化硅、氧化钽、氧化铌、和氧化钛。还使用包括金刚石粉末的一层，它的材料相对于基片2有高折射率。非常适合用作光散射层28的材料是TiO2。最好使用至少基本上为球形的微粒，微粒的平均直径为0.1λ≤d≤10λ。也认为球面微粒代表椭圆或针形微粒。使用高折射微粒的单层的一部分可获得非常好的结果，最好是(至少基本球形)TiO2微粒的单层。设有高折射微粒的光散射层的厚度t最好为1/2λ≤d≤10λ。非常合适的层包括平均尺寸为0.1至1μm的TiO2微粒，最好在0.2与0.5μm之间。如果在基片上的所谓“半单层”中设置这些微粒，则可用于形成图象的光的光输出改善了250％。认为半单层意指给大约一半的基片涂上该材料的微粒，微粒间的平均相互间隔大约与微粒的平均尺寸相对应(换句话说，具有尺寸d的微粒相隔距离为d)。
改善照明系统的光输出的另一措施是在基片的边缘设置反射层26(见图3)。光反射层26或在基片2的(侧)壁上设置的涂层确保所捕获的光不在层26一侧离开基片2，而是，被层26所反射以使所捕获的光保留在基片2中，所述的壁相对于上行方向29是横向的。这增加了散射所捕获的光的概率，使所捕获的光现在还能成为可形成图象的光。设在基片2上的光散射层2与设在基片2边缘的光反射涂层26的组合大大地改善了可形成图象的光的光输出。
图4极其示意地示出了根据本发明的带有照明系统的平板显示器的一个实施例。由照明系统1提供的光入射在显示器上，在该实例中，液晶彩色显示器(LCD)具有多个显示颜色的液晶盒30并包括位于两个基片32、33之间的液晶层31。在图4中没有示出在基片32、33上的电极，并且，为了简单起见，仅示出了一个液晶盒30。该器件还包括两个偏振器34、35。如果照明系统本身发射偏振光，例如，如果在离开有源层3的透明电极层5的一侧的照明系统1中存在一个具有(反射)偏振器的层(图4中没有示出)，则可以省去偏振器34。显示器也可以是聚合物弥散型液晶显示(PDLCD)器或等离子寻址液晶(PALC)显示器。
通过使用根据本发明的带有光散射特性层的照明系统，平板显示器可获得相当高的光输出，因为通过光的散射和/或反射使直射光较多，而改善了直射光和所捕获的光之间的比例。
显然，本领域普通技术人员可在本发明的范围内想到许多变化。
总之，本发明涉及一种具有基片和有源层的照明系统，有源层包括埸致发光材料，其中的有源层在第一光透明电极层和第二电极层之间。照明系统的特征在于，在有源层的上行方向上有包括具有光散射特性的介质的光散射层，其中，当沿上行方向(29)通过光散射层时，(平行)光束的非散射份额在0.05和0.8之间的范围内，最好在0.1与0.5之间的范畴内。最好是，当光越倾斜入射，介质的光散射特性越强，这可由使用双折射微粒和/或介质来实现。一种非常合适的光散射层是设置在基片上的由TiO2微粒构成的(半)单层，(球形)微粒的平均尺寸为0.1-1μm。通过给基片的边缘设置反射涂层可进一步提高照明系统的光输出。
权利要求
1.一种具有基片(2)和有源层(3)的照明系统(1)，所述有源层(3)包括埸致发光材料，所述有源层(3)在第一光透明电极层(5)和第二电极层(7)之间，其特征在于，在远离有源层(3)的透明电极(5)的一侧有包括具有光散射特性的介质的光散射层(2’、8、8’、28、28’)，其中，当光与所述的光散射层(2’、8、8’、28、28’)的横向成一角度通过光散射层(2’、8、8’、28、28’)时，光束的非散射份额在0.05与0.8之间的范围内。
2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于非散射份额在0.1与0.5之间的范围内。
3.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于基片(2’)包括光散射介质。
4.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于在远离有源层(3)所面对的基片(2)的一侧有光散射层(8)。
5.如前面权利要求中的任一权利要求所述的照明系统，其特征在于介质具有各向异性的光散射特性，由有源层(3)发射的并且沿有源层(3)的横向的方向在光散射介质中传输的光被散射的量比沿其它方向在该介质中传输的光要小。
6.如权利要求5所述的照明系统，其特征在于光散射介质(18’)包括非球面微粒(21)，非球面微粒的长轴指向有源层(3)的横向方向。
7.如权利要求5或6所述的照明系统，其特征在于光散射介质(18”)包括可散射光的微粒(22)，其中有源层(3)的横向方向上的微粒(22)的折射率的分量(nz)与微粒(22)的折射率的其它分量(nx,ny)不同。
8.如权利要求5或6所述的照明系统，其特征在于光散射介质(18)包括可散射光的微粒(23)，其中光散射介质(18)在有源层(3)的横向方向上的折射率的分量(nz)与光散射介质(18)折射率的其它分量(nx,ny)不同。
9.如前面权利要求中的任一权利要求所述的照明系统，其特征在于光散射层包括两个具有不同折射率的组分，两个组分之间的折射率差大于0.05。
10.如前面权利要求中的任一权利要求所述的照明系统，其特征在于给基片(2)的边缘提供反射涂层(26)。
11.如前面权利要求中的任一权利要求所述的照明系统，其特征在于光散射介质包括一种选自由氮化硅、氧化钽、氧化铌和氧化钛组成的组的材料。
12.如权利要求11所述的照明系统，其特征在于所述的材料包括TiO2。
13.如权利要求11或12所述的照明系统，其特征在于所述的材料包括基本上为球形的微粒。
14.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于微粒的平均直径在0.1μm和1μm之间。
15.如权利要求11、12、13或14所述的照明系统，其特征在于所述的层包括单层材料的一部分。
16.一种具有基片(2)和有源层(3)的照明系统(1)，所述有源层(3)包括埸致发光材料，所述有源层(3)在第一光透明电极层(5)和第二电极层(7)之间，其特征在于，在远离有源层(3)所面对的透明电极(5)的一侧有包括具有光散射特性的介质的光散射层(28)，并且给基片(2)的边缘设置有反射涂层(26)。
17.一种平板型显示器，配有如前面任一权利要求所述的照明系统。
全文摘要
一种具有基片(2)和包括埸致发光材料的有源层(3)的照明系统(1),有源层(3)在第一光透明电极层(5)和第二电极层(7)之间。照明系统(1)的特征在于,在有源层(3)的上行方向(29)。包括具有光散射特性的介质的光散射层(28),其中,当光沿上行方向(29)通过光散射层(8)时,(平行)光束的非散射份额在0.05和0.8之间的范围内,最好在0.1与0.5的范围内。最好是,当光越倾斜入射介质时光散射特性越强,这可由使用双折射微粒和/或介质来实现。一种非常合适的光散射层(28)是设置在基片(2)上的由TiO
文档编号H05B33/22GK1210660SQ97192059
公开日1999年3月10日 申请日期1997年9月8日 优先权日1996年10月15日
发明者J·J·霍理克斯, C·T·H·F·利登鲍姆, M·B·范德马克, A·J·M·伯恩斯藤, J·J·M·维勒加尔, H·M·J·布茨 申请人:菲利浦电子有限公司