白光OLED光取出技術

刊登日期:2012/5/10
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OLEDs 的出光損失主要可分為橫向表面電漿共振模態(Surface Plasmon Polaritons; SPPs)、光波導模態 (Wave-guided Modes; WGMs)、基板模態 (Substrate Modes) 與電極吸收(Electrode Adsorption)等四大項。產生損失的原因主要是因為界面折射率的不匹配,如圖一所示,由於OLEDs 元件為堆疊的三明治結構, 其中包含了有機層(Organic Layer),折射率(n)約為1.7~2.0 ,發光層夾在透明導電層與反射金屬電極之間,最常見的透明導電層如ITO (n~1.8-1.9) 折射率較高,基板則位於最外層,如玻璃基板(n~1.5),而空氣折射率為1.0 。SPPs 是光在金屬與有機層界面被散射(Scattering)或引導成沿著界面的平行表面電磁波,此部分的損失約占了40%; WGMs 與 Substrate Mode 則是因光全反射,分別在透明導電層與玻璃界面(15%)以及玻璃與空氣界面(23%)的光被侷限所造成的損失;另外4% 的損失來自於電極本身材料吸收的損失。


圖一、一般OLED 元件中,各種造成光損失的模態分析

白光OLED 取光技術文獻回顧
1. 外部取光技術
近年來各國在OLED 光取出技術開發的投入越來越多,最常見的方式是在玻璃基板與空氣的界面製作外部取光結構,包括利用塗佈擴散粒子或噴砂造成散射效果、貼附擴散膜、增亮膜、製作微透鏡陣列(Microlens Array)或抗反射層以破壞空氣- 基板界面全反射條件,達到光取出效果。
(1)外貼稜鏡片與擴散膜
Hoang-Yan Lin等人利用市售的擴散膜(BS-702)或增亮膜(BEF II 90/50)貼附在白光OLED 元件上(圖二(a)及(b)),實驗驗證擴散膜比增亮膜具有更好的取光效果,在正面(0 度視角)的電流效率分別提升34% 和31% 。以擴散膜做為外部取光結構在各視角加總的取光效果(圖二(c)),以及對於發光波長的色偏則明顯較增亮膜好。


圖二、(a)擴散膜(BS-702)與(b)增亮膜(BEF II 90/50)的SEM圖;(c)有貼微結構膜與一般OLED元件在不同視角的亮度表現

2. 內部取光技術
要更進一步提升元件效率,則必須使用內部取光結構,解決光波導模態(WGMs)與表面電漿共振模態(SPPs)造成的光損失。目前常見的內部取光技術包含多層膜共振腔結構、低折射率網格、內部散射粒子層、類週期性皺摺結構、平坦化光子晶體結構等。
(3)平坦化光子晶體結構
韓國Jang-Joo Kim 教授的團隊提出以高折射率材料(ZnO, n = 1.76)填平奈米壓印之光子晶體(PC)結構的溶液製程(Solution Process),與PECVD 鍍膜150 nm SiN 的平坦化製程相比,經過ZnO 溶液平坦化製程後,可大幅降低表面粗糙度。

工研院光取出技術發展近況
目前進行開發的光取出基板結構,包括ITO/ 高折射率層/ 玻璃/ 低折射率層(簡稱結構1)、ITO/ 高折射率層/ 玻璃/ 擴散膜層(簡稱結構2)和ITO/ 高折射率平坦層/ 週期性奈米結構層/ 玻璃/ 擴散膜層(簡稱結構3),分述如下。
1. 光取出基板結構1
此結構之光取出基板是利用干涉效果,讓落在ITO 、基板和空氣界面的臨界角內的光有最大的穿透率,減少被困在元件內之光線而使更多光能穿透至基板外,此光取出基板的結構如圖九所示。高折射率層材料的選擇,折射率必須介於ITO 和玻璃基板之間,使用材化所自行開發的高折射率材料,其折射率可控制在1.60~1.65 的範圍;而低折射率層材料的折射率必須介於玻璃基板和空氣之間,材化所自行開發折射率為1.30~1.35 的低折射率材料符合條件。在此光取出基板上製作白光OLED 元件,並與一般玻璃基板之白光OLED 元件的發光效率比較,使用光取出基板的白光OLED 元件效率可提升27% ……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文

作者:林鼎晸、古俊能、高依琳、陳怡萍 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌305期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10307


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