CN111146364B - 一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，首先通过加热具有不同的热膨胀系数的聚合物和衬底，使其产生不同程度的受热膨胀；然后利用原子层沉积方法，在聚合物表面一层的孔洞内部填充无机材料，降温过程中，聚合物收缩导致表面一层凸起，形成微纳米褶皱图案；最后将微纳复合结构用于发光显示器件，改变发光显示器件的光线传播路径，提高器件出光效率。

Description

一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法

技术领域

本发明涉及光电器件领域，特别是一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法。

背景技术

对于显示及照明器件，提高器件的出光效率是影响器件性能的关键，备受科学界和产业界的重视。发光器件内部产生的光在传输过程中，由于全反射和干涉效应等方面的影响，光被局限在内部功能层或衬底中，不仅降低发光器件光输出效率，同时器件内部积累大量热能，极大的影响器件的寿命。

为了提高耦合出光效率，使被限制的光从衬底正面发射出去，人们使用了不同的光提取技术。根据修饰层的位置，光提取技术可以分为内部和外部两种修饰方法。

针对现存的显示及照明器件出光效率的问题，本发明利用原子层沉积反应物在腔体保压条件下能渗透进入聚合物孔洞的特点，结合膜层应力分布不均能产生微纳米结构的特点，提出一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构制备方法，提高发光器件的出光效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，能够提高发光器件的出光效率。

本发明采用以下方案实现：一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，所述微纳复合结构为多重复合图案结构即多重无机/有机融合膜层；

所述微纳复合结构的具体制备过程包括以下步骤：

步骤S1：在洗净的玻璃片上，制备一层与玻璃衬底具有不同的热膨胀系数的图形化聚合物，固化后置于原子层沉积反应腔体中，对反应腔体抽真空，直至聚合物体内产生10⁴Pa~10^-4Pa负压；

步骤S2：加热反应腔体，使聚合物和玻璃衬底受热膨胀，并且聚合物的热膨胀程度高于玻璃衬底的热膨胀程度；

步骤S3：往原子层沉积反应腔体中通入第一反应前驱体，保压一定时间，用以使第一反应前驱体有效渗透进入聚合物内部；

步骤S4：抽真空至真空度低于10^-1Pa，排掉过量的第一前驱体，并通入惰性气体N₂进行冲洗5分钟后，通入第二前驱体，保压一定时间，用以使第二反应前驱体有效渗透进入聚合物内部，并与第一反应前驱体发生化学反应，在聚合物表面一层的孔洞结构中生成无机填充材料；

步骤S5：通入惰性气体N₂冲洗，直至排掉过量的第二反应前驱体和反应残余产物；

步骤S6：重复步骤S3至步骤S5步骤m个周期，在聚合物表面形成填充有无机材料的致密融合薄膜；当温度降低过程中，聚合物与融合薄膜整体收缩导致表面一层凸起，在微米图形化聚合物表面形成纳米结构的随机褶皱图案，从而得到微纳复合结构的图形化聚合物；

步骤S7：将所述微纳复合结构放置于预先涂覆有折射率匹配液的发光器件的发光面上，固化折射率匹配液使微纳复合结构与发光面完全粘合，用以提高器件出光效率。

进一步地，所述聚合物包括包括PDMS（聚二甲基硅氧烷）、PMMA（亚克力）、ABS（热塑性树脂）、EP（环氧树脂）、PE（聚乙烯）、PS（聚苯乙烯）、PC（聚碳酸酯）、PF（酚醛树脂）或PI（聚酰亚胺）；所述聚合物的线性热膨胀系数范围在10-200 × 10-6/℃，所述衬底的线性热膨胀系数范围在0.1-10 × 10-6/℃。

进一步地，步骤S6中所述m≥1，m为自然数，m为原子层沉积的循环数。

进一步地，所述对反应腔体中抽真空腔体真空度≤10-1Pa，腔体加热温度范围为50℃-300℃。

进一步地，所述步骤S3和步骤S4中保压时间范围均为200毫秒-5分钟，用以通过保压时间调控图案大小。

进一步地，步骤S4中所述生成的无机材料包括Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、ZnO或In₂O₃。

进一步地，步骤S7中所述的折射率匹配液的折射率范围是1.4-1.6。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明流程简单、可大面积制备，可简便应用于发光器件，为高光效的显示及照明器件制作提供一种新技术。

（2）本发明随机褶皱图案的起伏和周期，可通过原子层沉积前驱体的保压时间来调控；无机材料的渗透量可通过原子层沉积的循环数精准控制。

附图说明

图1为本发明实施例的微纳复合结构示意图，其中1为发光器件，2为图形化聚合物，3为图形化聚合物表面的无机/有机融合膜层。

图2为本发明实施例的工艺制备流程图。

图3为本发明实施例的实验得到的微纳复合结构随机褶皱图案。

图4为本发明实施例的实验得到的微纳复合结构的出光相对强度与出光角度的关系图，图中，出光角度为观看视线与出光面垂直的中轴线的夹角。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例还提供一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，所述微纳复合结构为多重复合图案结构即多重无机/有机融合膜层3；

所述微纳复合结构的具体制备过程包括以下步骤：

步骤S1：在洗净的玻璃片上，制备一层与玻璃衬底具有不同的热膨胀系数的图形化聚合物2，固化后置于原子层沉积反应腔体中，对反应腔体抽真空，直至聚合物2体内产生10⁴Pa~10^-4Pa负压；

步骤S2：加热反应腔体，使聚合物2和玻璃衬底受热膨胀，并且聚合物2的热膨胀程度高于玻璃衬底的热膨胀程度；

步骤S3：往原子层沉积反应腔体中通入第一反应前驱体，保压一定时间，用以使第一反应前驱体有效渗透进入聚合物2内部；

步骤S4：抽真空至真空度低于10^-1Pa，排掉过量的第一前驱体，并通入惰性气体N₂进行冲洗5分钟后，通入第二前驱体，保压一定时间，用以使第二反应前驱体有效渗透进入聚合物2内部，并与第一反应前驱体发生化学反应，在聚合物2表面一层的孔洞结构中生成无机填充材料；

步骤S5：通入惰性气体N₂冲洗，直至排掉过量的第二反应前驱体和反应残余产物；

步骤S6：重复步骤S3至步骤S5步骤m个周期，在聚合物2表面形成填充有无机材料的致密融合薄膜3；当温度降低过程中，聚合物底2与融合薄膜3整体收缩导致表面一层凸起，在微米图形化聚合物表面形成纳米结构的随机褶皱图案，从而得到微纳复合结构的图形化聚合物；

步骤S7：将所述微纳复合结构放置于预先涂覆有折射率匹配液的发光器件的发光面上，固化折射率匹配液使微纳复合结构与发光面完全粘合，用以提高器件出光效率。

在本实施例中，所述聚合物包括PDMS（聚二甲基硅氧烷）、PMMA（亚克力）、ABS（热塑性树脂）、EP（环氧树脂）、PE（聚乙烯）、PS（聚苯乙烯）、PC（聚碳酸酯）、PF（酚醛树脂）或PI（聚酰亚胺）；所述聚合物的线性热膨胀系数范围在10-200 × 10-6/℃，所述衬底的线性热膨胀系数范围在0.1-10 × 10^-6/℃。

在本实施例中，步骤S6中所述m≥1，m为自然数，m为原子层沉积的循环数。在本实施例中，所述对反应腔体中抽真空腔体真空度≤10-1Pa，腔体加热温度范围为50℃-300℃。

在本实施例中，所述步骤S3和步骤S4中保压时间范围均为200毫秒-5分钟，用以通过保压时间调控图案大小。保压时间不同，渗透进入聚合物材料的无机材料量和深度不同，随机褶皱图案的起伏和周期变化从纳米至微米级，图案的尺寸调控可以导致发光器件的出光效率不同。

在本实施例中，步骤S4中所述生成的无机材料包括Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、ZnO或In₂O₃。

在本实施例中，步骤S7中所述的折射率匹配液的折射率范围是1.4-1.6。

在本实施例中，聚合是具有微米图案的图形化表面，然后再通过原子层沉积产生纳米图案，形成微纳复合结构。

较佳的，为了让本领域技术人员更好的理解本发明，现列举应用示例如下：

如图2所示，在本实施例中，

步骤S1：在洗净的玻璃片上，刮涂一层与玻璃衬底具有不同的热膨胀系数聚合物PDMS 101约2mm厚，在90℃条件下加热固化，将玻璃衬底和PDMS 101置于原子层沉积的反应腔中，将反应腔体抽真空至5×10^-2Pa，保持该真空条件60分钟，排出衬底PDMS 101内部残余的空气；

步骤S2：加热反应腔体至90℃，使衬底PDMS 101和玻璃受热膨胀，并且衬底PDMS101的热膨胀程度高于玻璃衬底的热膨胀程度；

步骤S3：往原子层沉积反应腔体中通入第一前驱体TMA，保压5分钟，使第一前驱体TMA有效渗入到衬底PDMS101内；

步骤S4：抽真空至真空度低于10^-1Pa，排掉过量的第一前驱体TMA，并通入惰性气体N₂进行冲洗5分钟后，通入第二前驱体H₂O，保压5分钟，使第二前驱体H₂O有效渗入到衬底PDMS 101内，并与第一前驱体TMA发生化学反应，在衬底PDMS 101表面的孔洞内生成无机填充材料Al2O3；

步骤S5：通入惰性气体N₂进行冲洗5分钟，排掉过量的第二前驱体H₂O和残余产物；

步骤S6：重复步骤S3~ 步骤S5100个周期，在衬底PDMS101表面一定深度形成填充有无机材料Al2O3的致密融合薄膜PDMS/Al2O3 102，融合薄膜PDMS/Al2O3 102的厚度约为10nm，当温度降低过程中，衬底PDMS 101与融合薄膜PDMS/Al2O3 102整体收缩导致表面一层凸起，形成微纳米结构的随机褶皱图案103；如图3所示，反应结束后衬底PDMS 101上表面产生起伏高度1微米、周期2.5微米的随机分布褶皱图案；

步骤S7：将衬底PDMS 101从玻璃基板上撕下，放置于预先涂覆有折射率匹配液PDMS的发光器件104的发光面上，固化折射率匹配液PDMS使微纳复合结构与发光面完全粘合，发光器件104的出光面为衬底PDMS 101的上表面，光线将通过衬底PDMS 101，经过微纳米结构的随机褶皱图案103而发出，如图4所示，发光器件在粘合微纳复合结构之后，在不同出光角度的出光相对强度都得到提升。

本实施例的上述工艺过程，制备得到了一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构，为得到稳定长寿命高光效的显示及照明器件奠定基础工艺。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，其特征在于：所述微纳复合结构为多重复合图案结构即多重无机/有机融合膜层；

所述微纳复合结构的具体制备过程包括以下步骤：

步骤S1：在洗净的玻璃片上，制备一层与玻璃衬底具有不同的热膨胀系数的图形化聚合物，固化后置于原子层沉积反应腔体中，对反应腔体抽真空，直至聚合物体内产生10⁴Pa~10^-4Pa负压；

步骤S2：加热反应腔体，使聚合物和玻璃衬底受热膨胀，并且聚合物的热膨胀程度高于玻璃衬底的热膨胀程度；

步骤S3：往原子层沉积反应腔体中通入第一反应前驱体，保压一定时间，用以使第一反应前驱体有效渗透进入聚合物内部；

步骤S4：抽真空至真空度低于10^-1Pa，排掉过量的第一反应前驱体，并通入惰性气体N₂进行冲洗5分钟后，通入第二反应前驱体，保压一定时间，用以使第二反应前驱体有效渗透进入聚合物内部，并与第一反应前驱体发生化学反应，在聚合物表面一层的孔洞结构中生成无机填充材料；

步骤S5：通入惰性气体N₂冲洗，直至排掉过量的第二反应前驱体和反应残余产物；

步骤S6：重复步骤S3至步骤S5步骤m个周期，在聚合物表面形成填充有无机材料的致密融合薄膜；当温度降低过程中，聚合物与融合薄膜整体收缩导致表面一层凸起，在微米图形化聚合物表面形成纳米结构的随机褶皱图案，从而得到微纳复合结构的图形化聚合物；

步骤S7：将所述微纳复合结构放置于预先涂覆有折射率匹配液的发光器件的发光面上，固化折射率匹配液使微纳复合结构与发光面完全粘合，用以提高器件出光效率。

2.根据权利要求1所述的一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，其特征在于：所述聚合物包括PDMS、PMMA、ABS、EP、PE、PS、PC、PF或PI；所述聚合物的线性热膨胀系数范围在10 ×10^-6/℃-200 ×10^-6/℃，所述衬底的线性热膨胀系数范围在0.1 ×10^-6/℃-10 × 10^-6/℃。

3.根据权利要求1所述的一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，其特征在于：步骤S6中所述m≥1，m为自然数，m为原子层沉积的循环数。

4.根据权利要求1所述的一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，其特征在于：所述对反应腔体中抽真空腔体真空度≤10^-1Pa，腔体加热温度范围为50℃-300℃。

5.根据权利要求1所述的一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，其特征在于：所述步骤S3和步骤S4中保压时间范围均为200毫秒-5分钟，用以通过保压时间调控图案大小。

6.根据权利要求1所述的一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，其特征在于：步骤S4中所述生成的无机材料包括Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、ZnO或In₂O₃。

7.根据权利要求1所述的一种提高发光器件出光效率的微纳复合结构的制备方法，其特征在于：步骤S7中所述的折射率匹配液的折射率范围是1.4-1.6。

Images