TW589913B - Organic light-emitting device - Google Patents

Description

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【發明的應用範圍】 本發明係有關一種有機發光元件，特別是一— I職明電極與透明基板之間形成一層折射率疋連續漸猎由之在 複合膜層，而能提高外部量子效率的有機义 發發光元件。 Ά Ml 【發明的背景】 自1 987年柯達開發第一個高效率綠光有機電激發光元 件（Organic electroluminescence device)後（可者者义 給柯達公司的美國專利第4, 885, 2 1 1號），便引起各I界的發 注意。有機電激發光元件（以下簡稱為EL元件）的動°作原 理’係將有機薄膜包夾於陰極及陽極之間， 心、☆ ^ ^ % /;il 5 电子、電洞兩載子（carrier)在有機層相遇再結合而放 一般簡單兩層的有機電激發光元件的結構如「第工 圖」所示，先在塑膠（例如壓克力樹酯（Acry丨ic)、環氧樹 月曰（Epoxy)、聚 S旨樹脂（Polyethylene terephthalate-PET)、或聚碳酸樹醋（p〇iyCarb〇nate__pc) 等）或玻璃基板10的表面鍍上一層透明IT〇導電電極2〇 (係 為陽極，約30〜4 0 0 nm厚，面電阻<ι〇〇Ω/(：πι2)，作為雷洞 發射層，其次在透明ΙΤ0導電電極2〇上鍍上一層或多層％有 機發光層3 0，然後再於有機發光層3 〇上方鍍製另一種具低 功函數（low work function )金屬導電電極4〇(係為陰 極’其大致上含有Mg、Li、A1、Ca、Ag、In等金屬元素及 /、δ至），約100〜400nm厚當作電子發射層。由於有機發光

589913 五、發明說明（2) 層3〇材料選用上的差異，因 分為小分子有掬+、6 . . . y ^^叙光兀件又可以概 丁令娀電激發光兀件及古 兩種。這兩種右 '刀子有機電激發光元件 也有所差显。前| ^ ^ ^ 有機每先層的鍍製方式 363號所揭言的姑構，如美國專利第5, 8 44’ 間係由電洞傳遞層氣氮，雙苯基氮氛 ;，=，则’及㈠物三，m ):) 广―厂(8 — Hydr〇 qUlnoline) Aiu[_lum，Alq3)，各約 厗所構成，採用真空蒸鍍法按序蒸鍍在ITO膜上，而 南分子有機電激發光層則採用單一層 P〇ly(2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyl〇xy)-p-phenylene vinylene(MEH-PPV)約50〜lOOnm厚，以旋鍍、浸鍍、嘻 链、刮刀、網印或噴墨印刷等方式蒸鍍在IT〇或者是在 camphor sulfonic acid (CSA) doped polyaniline (PANI)膜上（G· Gustafsson e t a 1 . , "The "Plastic u LED:A Flexible light- emitting device using a po 1 vanl1lne transparent electrode "Synthetic

Metals 55-57， 4123-4127(1993))。 而根據G. Gu等人的報導指出（G. Gu e t a 1., "High-external-quantum-eff iciency-organic light-emitting devices" Optics Letts. 3 9 6 - 3 9 8 ( 1 9 9 7 ))，不論是小分子有機電激發光元件或高分 子有機電激發光元件’這些元件的光激發發光或電激發發 光的外部量’子效率（External Quantum Efficiency)非常

第5頁 589913 五、發明說明（3) 的低，僅約3 1. 5 %。其原因，主要是由於有機電激發光層 所放射出來的光在ITO電極（折射率n = l. 9)與塑膠或玻璃基 板間（折射率n = l. 52)因折射率的差異所造成的反射及全反 射現象（依據S n e 1 1 ’ s 1 a w，全反射之臨界角為5 3 · 1度），以 及塑膠或玻璃基板與空氣（折射率η = 1 )間因折射率的差異 所造成的反射及全反射現象（全反射之臨界角為4 1. 1度）， 先後分別造成約5 1%及約3 1 . 5 %的光激發光或電激發光分別 被侷限在I TO電極或玻璃基板内無法放射出來而造成發光 的損失。 因此、如何將光從小分子有機電激發光元件或高分子 有機電激發光元件的内部導引出來，以增加元件的光激發 發光或電激發發光的外部量子效率，進一步降低電源的消 耗及增加產品的使用壽命便是一大研究課題。 在美國專利 5,8 3 4,8 9 3 號（V. Bulovice et al， nHigh efficiency organic light em111 ι ng devices with 1 i g h t d l r e c t i n g s t r u c t u r e s，n )所提出的技術，係在塑 膠或玻璃基板的表面製作各種不同形狀之反射鏡面，使得 被侷限在小分子有機電激發光層或高分子有機電激發光層 或者是I TO透明導電層的反射光可將其反射角度改變為小 於全反射角的條件，而從元件的表面射出。問題是該幾何 結構之設計會造成激發光（入）反射角的改變，其效率有限 而且有可能造成出射光源分佈的不均勻。 【發明之目的與概述】 本發明的主要目的是提供一種具有高外部量子效率之

第6頁 589913 五、發明說明（4) 有機電激發光或光激發發光元件。 本發明的另一目的在提供一種可以.改善有機電激發光 或光激發發光元件之外部量子效率的光波導元件及其構 造。 本發明所提出的技術係在解決具有透明I TO電極，以 及採用玻璃或塑膠為基板材料之有機發光元件的外部量子 效率不佳的問題。為了避免有機電激發光層所放射出來的 光由於I TO電極與塑膠或玻璃基板間的反射及全反射現 象，以及塑膠或玻璃基板與空氣間的反射及全反射現象所 造成的發光損失，本發明在I TO電極與塑膠或玻璃基板間 插入一層折射率連續漸變之複合膜層，此種複合膜層係由 兩種不同折射率妁元料製備而成，使得複合膜層之折射率 變化完全與I T 0電極以及塑膠或玻璃基板相匹配，意即是 說複合膜層之折射率在與I TO電極接觸之界面處與I TO電極 相同（折射率η = 1 . 9 )，然後沿著膜厚（垂直基板）的方向以 線性或非線性，方式（如梯度曲線）逐漸改變，而在與塑膠或 玻璃接觸之界面處與塑膠（折射率η = 1. 4 9〜1 . 6 )或玻璃（折 射率η = 1. 5 2 )的折射率相同，如此就可以完全避免因界面 折射率差異所造成之反射現象的影響，將原先侷限在I Τ〇 電極内的激發光局部導引出來。 在本發明的另一較佳實施例中，更包括了在基板與空 氣接觸之界面處設計一種光波導元件，以提高這種有機電 激發發光元件或光激發發光元件的外部量子效率。 有關本發明之技術内容及較佳實施例，茲配合圖式說

589913 五、發明說明（5) 明如下 【.實施例詳細說明】 所 本發明所提出的有機發光元件是一種如「第2圖 示，採用塑膠（例如壓克力樹酯（AcryUc)、環氧樹月^ (Epoxy )、聚醋樹脂（polyethy Une 曰 terephthaIate-PET):或聚碳酸樹醋（p〇lycarb〇nate_pc) 等，其厚度為0.5-2mm左右）或玻璃為基板1〇的材質，並且 具有一層透明IT0電極20(係為陽極）的小分子或者八 則電激發光或光激發發光元#。而在「第2圖二 ::::簡單的有機電激發光裝置的兩層元說 較佳實施例構造。因此在圖中所示的結搆邊 成 =T〇電㈣之上方的有機發光層3。及金〜 /蜀·I •电極（係為陰極）4 〇。 為了避免有機發光層3 〇所访為4·山十l 與塑勝或玻璃基板i 〇間的反射以：=的光在ΙΤ0電極2。 氣間的反射所造成的發4; 玻璃基板丨。與空 膠或破項基板i 0之間插入了 1 ϋ f在1το電極20與塑 層15，此-複合膜層15之折射連續漸變之複合膜 塑膠或破璃基㈤"目匹配，全與1τ〇電極2。及 極20接觸之界面處的折射率；7^=膜層15在與IT0電 n=1.9)，然後沿著複合膜層15之^〇广極20相同（折射率 以線性（如連續曲線，見「第4圖之版尽（垂直基板10)的方向 曲線「見S 3 B圖」）遞減^，才"」，或非線性方式（如梯度 界面處的折射率η又與塑膠（狀塑膠或玻璃基板1 0接觸之 ^ .斤射率η=1· 49〜1· 6)或玻璃（折

589913 五、發明說明（6) 射率η = 1 . 5 2 )的折射率相同，如此可以完全避免不同材質 在彼此相接界面處因為折射率差異所造成反射效應的不良 影響，而能將原先因反射現象而侷限在I TO電極2 0内的激 發光局部導引出來。 折射率連續漸變之複合膜層1 5，主要係由兩種折射率 高低互異的質材混合（如以Ti 02-Si 02製成的複合膜層 1 5 )，再經由低溫（< 1 0 0 °C )離子輔助電子搶共蒸鍍或者是 共蒸鍍製程加以製作成形於基板1 0與I T0電極2 0之間，與 後續蒸鍍在其上之I T 0電極2 0之製程具有極佳之相容性， 而且適用於對溫度敏感之塑膠基材1 0。而上述兩種折射率 高低互異的質材中屬於高折射率、的有例如：Zr~02、Τι02、 Ta2〇5、及Nb05等折射率> 1 . 8的Χ質材，屬於低折射率的有 例如：Si02、MgF2、及CaF2等折射率< 1 . 5者。 折射率連續漸變之複合膜層1 5，其微觀的結構實際上 是由一種多層結構（此多層結構中的每一層在下文中將簡 稱為膜材），以Τι 02-Si 02製成的複合膜層15為例（見「第 3A圖」），其中所包含的每一層膜材（layerl〜layerlO)其 成分組成雖然均為T 1 0 2 - S 1 0 2，但是我們藉由控制每一層 膜材之厚度與其中高低折射率組成物的成分組成比例來達 到折射率漸變的結果，而這種折射率漸變模式則如「第3 B圖」所示呈現非線性的梯度曲線變化，T 1 0 2 - S 1 0 2複合膜 層1 5之折射率隨每一層膜材厚度之漸變關係則如「第3 C 圖」所示。當然、若是將這種多層結構之複合膜層1 5的膜 材層數增加，並且將任二相鄰膜材的折射率控制在較小的

589913 五、發明說明（7) 如 差2，則境種複合膜層1 5的折射率漸變曲線將會更接近 第4圖」所示呈線性變化的連續曲線。 現以Ti〇2-Si02複合膜層15為例說明其製程如下，篆 鍍起始原料為Tl2〇3藥片和Si 02顆粒；ITO電極20的蒸鍍起 始原料為氧化銦錫藥片，其中氧化錫（Sn〇2)的重量比為 10%(In2O3-l〇%Sn02)。為 了控制Tl〇2-Si02 的組成以達到 所需的折射率變化，Tl〇2的蒸鍍速率固定為〇. 2nm/S，

Si02的蒸鍍速率則為0· 2〜2nm/s。反應所用的氣氛為 A r ( > 9 9 · 9 9 % )和〇 2 ( > 9 9 · 9 9 % )的混合氣氛，其流量分別固定 為每分鐘1 8毫升（意即1 8 s c c m )和3 0毫升。離子搶源的放雷 電壓、為1 0 0 V，放電電流為4 0 A，因此離子源的能量約為 9 OeV。而整個Τι 02-Si 02複合膜層1 5的鍍膜製程詳細步聚 可參考我們的論文R.-Y· Tsai et al.， "Influences〇f the deposition rate on the m i c ros true ture and hardness of composite films prepared by reactive lon —assisted coevaporation, Opt. Eng. 34， 3075-3082(1995)。 . 由於離子的撞擊並不會造成基材1 〇溫度明顯上升，整 個製程的溫度來源主要是由蒸發源而來。實驗結果發現整 個鍍膜製程所造成的溫度上升〈6 0 °c，因此不會對P E T塑膠 基材有任何影響，同時該製程也可適用於其它大部份對溫 度敏感之塑膠基材。 在本發明的另一較佳實施例，更進一步地在基板1 0與 空氣接觸之界面處設計有一光波導元件50(見「第5

第10頁 589913 五、發明說明（8) .圖」），用以將侷限在玻璃或塑膠基板1 0内的激發光，可 以藉由此一光波導元件5 0導出。 上述光波導元件5 0的第一種實施例如「第6 A圖」所 示，係由複數個在一維方向彼此併列的正四方錐形體所構 成。也可以是複數個在一維方向以規則週期間隔方式排列 的四方體（見「第6 B圖」），或是複數個在一維方向彼此 平行併列的三角長條（見「第6 C圖」）或者是複數個在一 維方向以規則週期間隔方式彼此平行排列的四方長條形 (見「第6 D圖」），以及其它幾何形狀之規則光波導元件 5 0 .，上述的規則週期長度應小於可見光之波長，約 3 0 0〜4 0 0 mn。其等效折射率在沿著膜厚（垂直基板1 0 )的方 向，從基板1 0往·空氣方面逐步遞減。 「第7 A圖」係為光波導元件5 0的另一種實施例構 造，圖中所示的光波導元件5 0 a係為一種由四方塊形如階 梯般堆疊的雙元（binary)型光波導元件50a，這種雙元型 光波導元件5 0 a係在垂直基板1 0的方向朝向離開基板1 0的 方向呈階梯狀的遞減排列，而每一層四方塊形的寬度佔光 譜週期長度之比例由下往上依次為8 0 %，6 0 %，4 0 %，2 0 %為 佳。而其將侷限在玻璃或塑膠基板1 〇内的導波光導出的效 率曲線圖，則如「第7 B圖」所示，當導波光射向光波導 元件5 0 a的入射角為0度時，其導光之效率近乎1 0 0 %，即使 入射角為3 0度時，亦有極高的導出效率。 光波導元件5 0係以熱滾壓之方式壓印在塑膠基板1 0上 或者是以反應離子束蝕刻配合成灰階光罩方式製作而成。

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五、發明說明（9) 元件 由於疋直接由基板】〇壓印或蝕 、曾一 50與基板1〇之問蔣合〆“」成，因此在光波v凡 製作的過程，^弁t二附者力與熱應力匹配的問題。 的手段形成有塑膠基板10的下表面依據上述 其 有規則週期長度之光波導元件50。 槍共蒗鍍法膠基板1 °的上表面再以離子輔助電子 之複合膜〆法在常溫分別蒸鍍上折射率連續漸變 中所含的了;= 增加，使得丁1〇2 = Λ之增加而呈現線性或是非線性的 接觸之界面處將則τ〇 : : = 1 5的折射率在與ΙΤΟ電極20 與塑；t或破3离基板10接觸、之界面之折射率，而在 η=1.49〜1·6)或玻璃基板1M目同（折射率二厂y、（折射率 率差異所造：：;；；侧電極2◦之界面折射 从久射效應的影響。該Tl02—s 之厚度約為2。〇~ 1 0 0 0 _厚。其次， ：：膜層15 的真空室内鍍上透明導電IT〇膜2〇約3〇〜4 /方法在相同 <100—。如果需要在導電塑膠基板工。上Ύ面電阻 圖案，則可以钱刻法在透明導電ΠΟ膜20上製、作出\不"的 的電極圖案。再在其上以熱蒸艘方式鍛上· 分子發光材料30，或者是旋鑛的方式塗佈一岸^ =之小 :子發光材料3。’然後再以熱蒸鍍方式鑛上 屬雷絲4 η當作帝I> p s '多層金 兒子〉主入層，完成本發明有機電激發 ，:發光兀件的製作。「第8圖」顯示有機電激；= /放發發光元件原先局部侷限在丨Τ 〇膜2 〇内的導波光’可Χ以

第12頁 589913 五、發明說明（ίο) 藉由具梯度折射率之Τι 02-Si 02複合膜層15鍍製在ITO膜20 與塑膠或玻璃基板1 0之間而被引導出來，其激發光之反射 率在入射角小於3 0度時近乎為0 %，即使是入射角為4 5度 時，在可見光範圍，仍具有極低之反射率。 【發明之功效】 1 、本發明利用介於I T0電極與基板之間的折射率連續漸 變複合膜層（如T 1 0 2 - S 1 0 2 )，可以有效防止有機電激發 光或光激發發光元件之激發光部份被侷限在I TO電極之 内，提高有機發光元件的外部量子效率。 2 、本發明利用介於I TO電極與基板之間的折射率連續漸 變複合膜層（如T 1 0 2 - S 1 0 2 )，配合成型於基板與空氣接 觸之界面處的克波導元件，可以提高此類有機發光元件 的外部量子效率。 3 、本發明所提出的折射率連續漸變複合膜層（如 T 1 0 2 - S 1 0 2 )，還可以有效阻隔從塑膠基材内部之水和氧 氣體釋出，或者是鹼金屬及其它之雜質原子或離子自玻 璃基板釋出進入I T 0鍍層或者是有機發光層，避免有機 電激發光或光激發發光元件的光電特性遭受破壞，壽命 降低。

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圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1圖，係為傳統有機電激發光元件的結構斷面圖。 第2圖，係為本發明之有機發光元件的結構斷面圖。 第3 A圖，係為折射率連續漸變之複合膜層的結構斷 面圖 。 第3 B圖，係為第3 A圖所示複合膜層之折射率的非線 性漸變曲線。 第3 C圖，係為第3 A圖中Τι 02-Si 02複合膜層之折射 率隨每一層膜材厚度之變化的關係。 第4圖，係為折射.率連續漸變之複合膜層的另一種實 施例，顯示折射率呈線性變化的情形。 第5圖，係為本發明之有機發光元件的另一實施例結 構圖。 第6 A〜6 D圖，係為形成於基板之光波導元件的數種 實施例構造圖。 第7 A圖，係為形成於基板之光波導元件的另一種實 施例構造圖。 第7 B圖，係為第7 A圖的穿透光譜圖。 第8圖，係為本發明之垂直可見光之垂直可見光反射 光譜圖。 【圖式符號說明】 10.....基板 2 0.....ΙΤ0電極（陽極） 3 0.....有機發光層

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Claims (1)

1. 589913 六、申請專利範圍 1 、一種有機發光元件，包含有： 一基板，具有透光性； 一透明I TO電極，附著於該基板之上方表面，作為 陽極； 一折射率連續漸變複合膜層，介於該基板與該透明 I TO電極之間，該複合膜層之折射率在與該I TO電極接 觸之界面處與該I TO電極之折射率相同，然後沿著該 複合膜層之膜厚的方向（垂直該基板.的方向）變化，在 與該基板接觸之界面處與該基板之折射率相同， 一有機發光層，附著於該I T 0電極的上方；以及 一金屬導電電極，附著於該有機發光層的上方3 2 、如申請專利範圍第1項所述之有機發光元件，其中該 基板係為玻璃基板。 3 、如申請專利範圍第1項所述之有機發光元件，其中該 基板係為塑膠基板。 4 、如申請專利範圍第3項所述之有機發光元件，其中該 塑膠基板之材質係選自於由壓克力樹酯（A c r y 1 1 c )、 環氧樹脂（E p o x y )、聚S旨樹脂（Ρ ο 1 y e t h y 1 e n e t e r e p h t h a 1 a t e - P E T )、與聚碳酸樹酯 (Polycarbonate-PC)所組成的群族。 5 、如申請專利範圍第1項所述之有機發光元件，其中該 基板還包括有一位於該基板與空氣相接之界面處的光 波導元件’該光波導元件係直接成型於該基板的表圆 並與該基板結合為一體，該光波導元件的等效折射率

   第16頁 589913 六、申請專利範圍 係沿著該複合膜層之膜厚的方向（垂直該基板的方 向）’從該基板往空氣方向逐步遞減。 6 、如申請專利範圍第5項所述之有機發光元件，其中該 光波導元件係由複數個在一維方向彼此併列的正四方 錐形體所構成。 7 、如申請專利範圍第5項所述之有機發光元件，其中該 光波導元件係由複數個在一維方向以規則週期間隔方 式排列的四方體所構成，該週期間隔係小於可見光之 波長。 8 、如申請專利範圍第5項所述之有機發光元件，其中該 光波導元件係由複數個在一維方向彼此平行併列的三 角長條所構_成。 9 、如申請專利範圍第5項所述之有機發光元件，其中該 光波導元件係由複數個在一維方向以規則週期間隔方 式彼此平行排列的四方長條形所構成，該週期間隔係 小於可見光之波長。 1〇、如申請專利範圍第5項所述之有機發光元件，其中 該光波導元件係為一種幾何形狀之規則間隔光波導元 件。 1 1 、如申請專利範圍第5項所述之有機發光元件，其中 該光波導元件係以熱滾壓之方式壓印在該基板。 1 2 、如申請專利範圍第5項所述之有機發光元件，其中 該光波導元件係以反應離子束蝕刻配合成灰階光罩方 式製作而成。

   第17頁 589913 六、申請專利範圍 1 3 、如申請專利範圍第1項所述之有機發光元件，其中 該折射率連續漸變複合膜層係由兩種折射率高低互異 之質材混合製成。 1 4、如申請專利範圍第1 3項所述之有機發光元件，其 中所述高折射率之質材係選自於由Zr02、Τι 02、 Ta2〇5、及Nb05等折射率> 1 . 8之質材所構成的群族。 1 5 、如申請專利範圍第1 3項所述之有機發光元件，其 中所述低折射率之質材係選自於由Si02、MgF2、及 CaF 2等折射率< 1. 5之質材所構成的群族。 1 6 、如申請專利範圍第1 3項所述之有機發光元件，其 中該複合膜層係為一種由多層膜材組成的多層結構， 藉由控制每一層該膜材之厚度與其中高低折射率組成 物的成分組成比例使該複合膜層之折射率漸變。 1 7、如申請專利範圍第1 6項所述之有機發光元件，其 中該複合膜層的每一層膜材係利用低溫離子輔助電子 搶共蒸鑛的製程成形於該基板與該I T 0電極之間。 1 8 、如申請專利範圍第1 6項所述之有機發光元件，其 中該複合膜層的每一層膜材係利用共蒸鍍製程成形於 該基板與該I T 0電極之間。 1 9 、如申請專利範圍第1 6項所述之有機發光元件，其 中該複合膜層的折射率漸變曲線係為線性曲線。 2〇、如申請專利範圍第1 6項所述之有機發光元件，其 中該複合膜層的折射率漸變曲線係為梯度曲線。

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