CN101213682B - 用于在有机功能设备中形成电极层图案的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在有机功能设备(101；201)中形成电极层图案的方法，该有机功能设备包括第一透明电极层(103；203)、第二电极层(104；204)和夹在所述第一和第二电极层(103，104；203，204)中间的有机功能层(102；202)。该方法包括以下步骤：设置(601)激光器(704；804)通过所述第一透明电极层(103；203)来辐照所述有机功能设备(701；801)，选择(602)一组激光器参数以便使得所述激光器(704；804)能够局部地改变所述第二电极层(104；204)的电导率，以及依照所述一组激光器参数由所述激光器(704；804)来局部地改变所述第二电极层(104；204)的电导率，由此形成所述电极层图案。

Description

用于在有机功能设备中形成电极层图案的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在有机功能设备中形成电极层图案的方法，该有机功能设备包括第一透明电极层、第二电极层以及夹在第一和第二电极层之间的有机功能层，该第一电极层提供在衬底上。
背景技术
所有有机功能设备的共同之处在于将至少一个有机层夹在一对电极层之间并且与这一对电极层相互作用，所述有机功能设备如有机发光二极管(OLED)、有机太阳能电池、有机光伏元件、有机光电二极管、有机光敏器件等。在OLED中，在电极层之间施加电压导致由该有机层发射光，并且在有机太阳能电池中，该有机层对光的吸收致使在电极层之间产生电压。
通常使有机功能设备的电极层形成图案，以便例如增强有机发光板(organic light-emitting panel)的功能。电极层形成图案也可以提高诸如有机太阳能电池之类的大面积有机功能设备的总产量，因为与电极层不形成图案相比，在具有形成图案的电极层的整个设备上的缺陷分布使更小比例的设备不能工作。
可以利用各种技术使有机功能设备的电极层形成图案，这些技术如光刻法、汽相沉积或激光加工。与其他已知技术相比，激光加工在图案形成中提供了更多的自由度。例如，可以经软件来控制激光器，图案形成变得非常灵活，并且变化几乎立刻就可以实施。
在US 2004/0051446中，公开了一种用于通过激光烧蚀来构造有机发光显示器中的电极的方法。这里，利用扩展的(expanded)激光束来烧蚀金属电极层，以便形成周期性的电极结构。被烧蚀的材料由排气单元吸收以便不污染该有机发光显示器。
利用该方法，可以发现在进行电极构造或形成图案时以及在进行构造的装置的装载和卸载期间需要非常小心地操纵该显示器。众所周知的是，敏感过程，如US 2004/00501446中公开的方法，比稳固的过程更容易产生更多的错误并且更加昂贵。
因此需要一种用于使有机功能设备中的电极层形成图案的更稳固且不太昂贵的方法。
发明内容
鉴于现有技术的上述和其他缺陷，本发明的一般目的是提供一种用于在有机功能设备中的电极层形成图案的改进方法。
本发明的另一个目的在于使有机功能设备中的电极层能够相对稳固地形成图案。
本发明的附加目的在于提供一种用于在有机功能设备中的电极层形成图案的不太昂贵的方法。
根据本发明，通过一种用于在有机功能设备中形成电极层图案的方法来实现这些和其他目的，所述有机功能设备包括有机功能叠层，该有机功能叠层包括第一透明电极层、第二电极层和夹在所述第一和第二电极层之间的有机功能层，其中所述第一透明电极层设置在透明衬底上，并且所述有机功能叠层由所述透明衬底和保护覆盖层围住，所述方法包括以下步骤：设置激光器来通过所述第一透明电极层辐照所述有机功能设备，选择一组激光器参数以便使该激光器能够局部地改变所述第二电极层的电导率，以及依照所述一组激光器参数由所述激光器来局部地改变所述第二电极层的电导率，由此形成所述电极层图案。
有机功能设备的例子包括有机发光二极管(OLED)、有机光电池、有机光伏元件(organic photovoltaic element)、有机光电二极管和有机光敏器件。
术语“电极层”应当理解为导电层，该导电层可以是透光的或者不透光的。
透明的电极层可以例如由本来是导电的且透明的任何材料来制造，或者可选择地由足够薄的金属层来制造，所述金属层可以结合透明的导电或不导电层而被提供。
“有机功能层”可以由具有不同功能(如空穴注入、空穴传输、空穴阻塞(blocking)、激励阻塞、电子阻塞、电子迁移、电子注入或光发射、光吸收层)的许多不同有机层或其混合来构成，但也可以包括如三重态发射器(triplet emitter)的金属-有机材料，或者诸如电介质的、半导体的或者金属量子点(metallic quantum dot)或者纳米粒子之类的无机材料。
激光辐照可以是连续的，或者优选是脉冲的，并且所用的激光器可以是能被调到用于进行电绝缘的适当设置的任何激光器。这种激光器可以包括各种类型的气体激光器，或者固态激光器，气体激光器如C02激光器和准分子激光器，固态激光器如Nd-YAG激光器和纤维激光器。
通过根据本发明的方法，在有机功能设备的生产中所涉及的所有敏感的处理步骤可以在该设备的(多个)电极层中形成最终图案之前发生。
由此，显著降低了在图案形成过程中对非常小心的操纵的需要。
此外，实际上不需要特殊的处理环境，如绝对无尘室、惰性气体、真空等等。
由此得出结论，根据本发明的方法能够使成本更低并且更可靠地在有机功能设备的电极层中形成图案。
例如，可以在制造过程中很早地在第一透明电极层中形成基本图案，并且在第二电极层中形成消费者指定的图案作为该设备制造中的最后一步。
该组激光器参数可以选择为使得该激光器同时局部地改变第一和第二电极层的电导率。
通过该方法，获得了用于形成消费者指定图案的新的自由度。
该衬底可以是例如薄玻璃片或者合适的塑料，其可以是刚性的或者柔性的。
优选的是，激光器参数可以选择为使得通过烧蚀和熔化/去湿中的任一种或其组合来改变第二电极层的电导率。
现在将参照附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，附图示出了本发明的当前优选实施例。
附图说明
图1a是有机功能设备的第一个例子的示意剖面图，该有机功能设备呈有机发光设备(OLED)的形式。
图1b是有机功能设备的第二个例子的示意剖面图，该有机功能设备呈有机太阳能电池的形式。
图2a是用于照明的OLED的示意透视图，其中已经形成了图案。
图2b是图2a中的OLED的示意平面图。
图2c是图2b中的OLED沿着线I-I的示意剖面图。
图2d是图2b中的OLED沿着线II-II的示意剖面图。
图3a是用作显示器的OLED的示意透视图，其中已经形成了图案。
图3b是图3a中的OLED的示意平面图。
图3c是图3b中的OLED沿着线I-I的示意剖面图。
图4a是包含缺陷的有机太阳能电池的示意平面图，其中已经形成了图案。
图4b是图4a中的有机太阳能电池沿着线I-I的示意剖面图。
图5是说明根据本发明优选实施例的方法的流程图。
图6a是用于执行根据本发明优选实施例的第一个例子的方法的装置的示意图。
图6b是用于执行根据本发明优选实施例的第二个例子的方法的装置的示意图。
具体实施方式
在图1中，示出了呈有机发光设备(OLED)形式的有机功能设备101，其中有机功能层102夹在第一透明电极层103和第二电极层104之间。为了支承和保护，衬底105和保护覆盖层(protective cover)109围住由有机功能层102以及第一和第二电极层103、104构成的有机功能叠层。在该保护覆盖层109和第二电极层104之间形成空腔107。(这里，示出了设备101的一部分。因此空腔107看来似乎是敞开的。然而，在设备101的边界处是闭合的。)衬底105优选是玻璃的或者合适的塑料材料的，覆盖层109可以由玻璃、塑料或金属构成。空腔107充满气体，典型的是氮气。
有机功能层102通常可包括几个有机层。在有机功能设备101是聚合物发光二极管(LED)的情况下，有机功能层102基本上包括由空穴导体层和发光聚合物层组成的双层叠层，并且可以进一步包括在发光聚合物上的几个附加层，如脱水的(evaporated)有机空穴阻挡层。
在有机功能设备101是小分子OLED的情况下，有机功能层102通常形成为更复杂的叠层，其包括空穴注入层、空穴传输层、电子阻挡层、发光层、空穴阻挡层和电子迁移层，以及电子阻挡层等等。
第一透明电极层103适当地由氧化铟锡(IT0)、氧化铟锌(IZO)等等形成，或者由透明衬底上形成的薄金属层来形成。这种金属层应当足够薄以便是透明的，即在5-20nm的范围内。
第二电极层104优选是钡(Ba)或钙(Ca)、铝(Al)、银(Ag)、硒化锌(其透明且导电)等中的一种，或者是它们构成的叠层，并且另外可以包含注入层，如氟化锂(LiF)等等。
当利用电压源108在电极层(阳极和阴极)之间施加电压时，电子从阴极层移动到OLED设备中。同时空穴从阳极层移动到OLED设备中。
当正电荷与负电荷相遇时，它们重新结合并产生光子。光子的波长以及因此光子的颜色取决于其中产生光子的有机材料的性质。在OLED设备中，阴极层或阳极层或其二者对产生的光子都是透明的，允许光从该设备发射到外界。
图1b示出了呈有机太阳能电池201形式的有机功能设备。该有机太阳能电池具有与图1a中所示OLED非常类似的结构，主要的区别在于有机功能层202的组成成分。在有机太阳能电池201中，入射的太阳辐射导致在有机功能层中形成电子空穴对。由于电极层203、204和有机功能层202的材料性质，电子被吸引到一个电极层而空穴被吸引到另一个电极层。由此产生光电流IP。
在图2a-d中，示意性地示出了具有形成图案的电极层的OLED照明设备301。
图2a是照明设备301的透视图，其中可以看到层和图案。
图2b是照明设备301的平面图，其中示出了呈箭头形状的光发射部分302。利用在电极层103、104之间连接的电压源305，通过在第一透明电极层103的段303a-e与形成在第二电极层104中的箭头形状的段304之间施加电压V来使箭头302发射光。该箭头形状的段由第二电极层104中的轮廓线(outline)306来限定，并且在电极层103、104中沿着线307生成另一个图案。
图2c是图2a中的照明设备301沿着线I-I的剖面图，其中能够看到在第二电极层104中的箭头形状的段304的横截面。沿着箭头304的轮廓线306，材料已经从第二电极层104中去除，并且沿着线307b，材料已经从第二电极层104中去除，而第一电极层已被形成局部高阻抗307a。
图2d是图2a中的照明设备301沿着线II-II的剖面图，其中能够看到在第二电极层104中的箭头形状的段304的横截面。在与该段304相对应的照明设备301的区域中，光发射如图2d中箭头所示。
在图3a-c中，示意性地示出了具有形成图案的电极层的无源矩阵OLED显示器401(在下文中简称为“显示器”)的一部分。
图3a是显示器401的透视图。
图3b是显示器401的平面图，其具有在第一透明电极层103中形成的垂直延伸的平行段402a-m，以及在第二电极层104中形成的水平延伸的平行段403a-i。利用电压源404在段402c和403d之间施加电压V，由此如图3a-c中所表明的使一个像素405发射光。
图3c是图3a中的显示器401沿着线I-I的剖面图，其中可以看到第二电极层104中的段403c-f的横截面。已经从第二电极层104中去掉了段403a-i之间的材料。
在图4a-b中，示意性地示出了具有形成图案的电极层的有机太阳能电池501的一部分。
图4a是太阳能电池501的平面图，其具有在第二电极层204中形成的水平延伸的平行段502a-e。
图4b是图4a中的太阳能电池501沿着线I-I的剖面图，其中可以看到第二电极层104中的段502a-d的横截面。已经从第二电极层204中去掉了段503a-e之间的材料。
入射的太阳辐射导致在第一和第二电极层203、204之间产生电压。通过将第二电极层204分成多个段502a-d，有机太阳能电池501变得更稳固，因为在一个段502c中的缺陷，例如短路503a-c，现在可以仅仅致使与段502c相对应的太阳能电池501的一个区域的故障，而不能致使整个太阳能电池501的故障。
图5是说明根据本发明优选实施例的方法的流程图。在第一步骤601中，设置激光器通过衬底105、205来辐照有机功能器件101、201、301、401、501。在下一个步骤602中，选择一组激光器参数。该组激光器参数是根据应该被形成图案的电极层(或多层)来选择的。
用于在第二电极层104；204中形成图案而不影响第一电极层103；203的电导率的合适的激光器参数的例子为：
a)脉冲Nd-YAG激光器，λ＝1064nm，脉冲宽度：大约100ns，脉冲频率为5kHz，能量分布：高斯，平均脉冲能量密度为1.1J/cm2，每个位置的脉冲数为5。
b)脉冲准分子激光器，λ＝351nm，脉冲宽度：大约20ns，脉冲频率为100Hz，能量分布：礼帽形(top-hat)，平均脉冲能量密度为0.4J/cm2，每个位置的脉冲数：16。
当仅仅使第二电极层104；204形成图案时，激光辐照的一个作用是沿着定义该图案的(多条)线烧蚀材料。激光处理过程中的热显影(heat development)的另一个作用是金属被熔化在激光光点周围并由于去湿而被移走。通常，通过这些作用中的任意一种或其组合而在第二电极层中形成图案。
用于同时在第一和第二电极层103、104；203、204中形成图案的合适的激光器参数的例子为：
a)脉冲Nd-YAG激光器，λ＝1064nm，脉冲宽度：大约100ns，脉冲频率为5kHz，能量分布：高斯，平均脉冲能量密度为9J/cm2，每个位置的脉冲数为5。
b)a)脉冲Nd-YAG激光器，λ＝532nm，脉冲宽度：大约80ns，脉冲频率为4kHz，能量分布：高斯，平均脉冲能量密度为0.8J/cm2，每个位置的脉冲数为3。
当同时使两个电极层形成图案时，除了上述局部改变第二电极层104；204的电导率之外，还局部地改变了第一电极层103；203的电导率。然后，激光辐照的一个附加的作用是由于第一电极层103；203的局部加热而使第一透明电极层103；203的电导率局部地降低到沿着限定第一电极层103；203中图案的(多条)线形成电断开(electricalopen)的程度。
在随后的步骤603中，通过激光来局部地改变至少一个电极层103、104；203、204的电导率。电导率依照所选择的一组激光器参数进行修改，并且由于该选择，在第二电极层104；204中形成图案，或者同时在第一和第二电极层103、104；203、204中形成图案。
图6a-b示意性地示出了用于执行根据本发明优选实施例的方法的装置的两个例子。
根据第一个例子，参考图6a，将有机功能设备701定位在X-Y工作台702上。计算机703控制X-Y工作台702的运动以及激光器704的操作。该激光器在这种情况下是固态激光器或气体激光器，所述激光器设置为通过任选的光学装置705而辐照有机功能设备701。根据所希望的图案，计算机703通过X-Y工作台来控制有机功能设备701的位置和激光器704参数，从而可以形成所希望的电极层图案。
根据第二个例子，参考图6b，激光器804是能够产生相对宽的光束的激光器(例如准分子激光器)。在激光器804和有机功能设备801之间设置掩模(mask)805和透镜装置806。掩模805具有与要在有机功能设备801中形成的图案相对应的图案。掩模805改变的光束通过透镜装置806而在更大的面积扩展开。通过该装置，可以使有机功能设备801的相当大的部分同时形成图案。在使该设备801的第一部分形成图案之后，可以利用X-Y工作台802步进(step)该设备801的位置，从而使得下一部分可以暴露于激光辐照中。
这里可以通过调谐激光器804来选择激光器参数，从而可以同时改变第一和第二电极层103、104；203、204的电导率。然后通过按照下列方式通过制造掩模805来形成图案，所述方式为在不应当形成图案的地方，激光辐照被完全地阻挡住，仅在第二电极层104；204中应当形成图案的地方，激光辐照被部分地阻挡住，应当同时在电极层103、104；203、204中形成图案的地方，激光辐照不被阻挡。换句话说，利用一组调谐的激光器参数和灰度级掩模805可以在选择的(多个)电极层中形成图案。
本领域技术人员了解本发明决不限于上述优选实施例。相反，在随附的权利要求书的范围内许多修改和变化都是可能的。例如，激光器704；804可以被移动，而有机功能设备701；801保持静止。
本文描述的各种有机功能设备所有都按照“传统的”方式来制造，其具有保护覆盖层109；209和充气腔107；207。本发明的方法同样可应用于薄膜型的有机功能设备，其中用(多个)保护层代替保护覆盖层109；209和充气腔107；207，所述保护层例如呈塑料膜或SixOy和SixNy的多个交替层的形式。根据本发明，可以在图案形成之前或者优选在之后增加这个/这些保护层。

Claims (10)

1.一种用于在有机功能设备(101；201)中形成电极层图案的方法，该有机功能设备包括有机功能叠层，该有机功能叠层包括第一透明电极层(103；203)、第二电极层(104；204)和夹在所述第一和第二电极层(103，104；203，204)之间的有机功能层(102；202)，其中所述第一透明电极层(103；203)设置在透明衬底(105；205)上，并且所述有机功能叠层由所述透明衬底(105；205)和保护覆盖层(109；209)围住，所述方法包括以下步骤：
-设置(601)激光器(704；804)通过所述第一透明电极层(103；203)和所述衬底来辐照所述有机功能设备(701；801)；
-选择(602)一组激光器参数以便使得所述激光器(704；804)能够局部地改变所述第二电极层(104；204)的电导率，以及；
-依照所述一组激光器参数由所述激光器(704；804)来局部地改变所述第二电极层(104；204)的电导率，由此形成所述电极层图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一组激光器参数选择为使得所述激光器(704；804)同时局部地改变所述第一和第二电极层(103，104；203，204)的所述电导率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二电极层(104；204)的所述电导率通过烧蚀和熔化/去湿中的任一种或其组合来局部地改变。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光器(704；804)是脉冲的。
5.根据前面任一项权利要求所述的方法，其中所述有机功能设备(101，301，401)是有机发光板。
6.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的方法，其中所述有机功能设备(201，501)是有机太阳能电池。
7.根据权利要求1至4中任一项权利要求的方法的用途，用于在有机发光板(101，301，401)中形成电极层图案。
8.根据权利要求1至4中任一项权利要求的方法的用途，用于在有机太阳能电池(201，501)中形成电极层图案。
9.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二电极层(104；204)的所述电导率通过烧蚀和熔化/去湿中的任一种或其组合来局部地改变。
10.根据权利要求2所述的方法，其中所述激光器(704；804)是脉冲的。
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