CN101278420B - 为改善有机电子器件加工和性能的中和阳极缓冲层 - Google Patents

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Abstract

用组合了挥发性碱的酸性阳极缓冲层(ABL)材料形成有机电子薄膜,所述挥发性碱完全或部分地中和酸性ABL材料中的酸性基团。

Description

为改善有机电子器件加工和性能的中和阳极缓冲层
背景
1.发明领域
本发明一般地涉及薄膜器件加工和制造技术。更具体地,本发明涉及有机发光二极管器件和显示器的制造。
2.相关技术
基于LED(发光二极管)的显示和照明系统有很多应用。这类显示和照明系统是通过排列很多光-电子元件(“元件”)如一个个LED的阵列而构成的。基于半导体技术的LED在传统上一直使用无机材料,但近来,有机LED(“OLED”)已开始流行于有些照明和显示应用。利用有机材料的其它元件/器件的实例包括有机太阳能电池、有机晶体管、有机探测器、生物芯片和有机激光器。
OLED一般由2层或多层传输空穴(或电子)的至少部分导电有机薄层(例如,缓冲层)和夹在2个电极即阳极和阴极之间的、在空穴-电子在其中复合时发光的发射层(EL)组成。在所施电压下,阳极把空穴注入ABL,然后ABL把它们传输到EL,同时阴极把电子直接注入EL。注入的空穴和电子分别朝带相反电荷的电极迁移并在EL中复合成激子。激子通过发射辐射线,即光,松弛到较低能态。一般,聚合物基OLED器件已用基于掺杂的导电聚合物,如PEDOT(聚亚乙基二氧基噻吩)或PANI(聚苯胺),的阳极缓冲层(ABL)材料(也叫做空穴传输层或HTL)制造。PEDOT常与PSS(聚(苯乙烯磺酸))之类的酸混合。最常用的ABL材料之一是可获自HC Starck Corporation的Baytron P VP CH8000。Baytron P VP CH8000的PEDOT∶PSS重量比为1∶20,电阻率为约100kΩ-cm。Baytron P VP CH8000适合于诸如不需要进一步形成图案/加工并提供良好日光效率和相当低操作电压要求的无源矩阵显示器的应用。但是,这些器件结构几乎无例外地达不到所期望的寿命。
使用Baytron CH8000溶液带来的一个问题是,这些溶液是强酸性的,因此会造成加工设备的腐蚀和玻璃基底上ITO层的溶解。另一个问题是,Baytron的干燥薄膜相当容易吸水。吸入Baytron薄膜的水会造成不希望发生的腐蚀问题。用Baytron CH8000之类的材料带来的另一个复杂性是,烘烤时材料发生交联并变得不溶于水,因此难以从器件上不需要它的部位除去。
最理想的是制造寿命更长和加工要求不繁杂的ABL材料。
附图简述
图1示出按照本发明至少一个实施方案制造ABL的工艺流程。
图2表示按照本发明至少一个实施方案的OLED器件405的实施方案的截面图。
图3(A)示出本发明多个实施方案的电流-电压曲线。
图3(B)示出与图3(A)中相同的4种器件的发光效率。
图4示出上述4种器件中各种器件的归一化寿命数据。
图5示出上述4种器件中各种器件在DC条件下受驱动时的驱动电压要求。
图6A和6B比较用传统ABL材料和用已经完全中和的ABL材料(按照本发明)的ABL薄膜在不同烘烤条件下(烘烤后)的吸水速率。
图7示出用传统ABL材料和用已完全中和的ABL材料(按照本发明)的ABL薄膜对于ITO的腐蚀作用。
发明详述
在描述本发明的各种实施方案中,规定术语“混合物”和“溶液”具有相同意思。它们是指化学反应和/或物理混合在一起的液态、固态和气态化合物的组合或混合。
所公开的是产生更长器件寿命的ABL配方。在本发明的至少一个实施方案中,酸性ABL材料(如PEDOT∶PSS混合物)被挥发性碱(如氢氧化铵或氨)完全或部分中和。然后用中和的ABL溶液来形成ABL层。在至少一个实施方案中,制备ABL溶液的方法包括测量酸性ABL材料的所需量,计算存在的H+当量,以及加入等量的挥发性碱。如果溶液的表面张力不够低,则可加入表面活性剂来保证更好的层加工。
在用中和(或部分或完全)ABL溶液的OLED器件中多路驱动条件下的寿命,与用传统酸性(未中和)ABL材料的相同OLED器件相比,增加了。在用传统的未中和ABL材料的OLED器件中普遍存在的亮度的起始大衰减,在中和ABL溶液OLED器件中也不显著了。此外,发现,ABL在用按照本发明的中和ABL溶液制造时,与传统上使用的材料相比,烘烤后更容易除去。基于中和溶液的ABL对其制造在上的基底材料,如ITO,的腐蚀性也较小。其部分原因是这种ABL的酸含量较少以及,与未中和ABL相比,观察到中和ABL的吸水量少。此外,用中和溶液制成的ABL的面内电阻率高到足以适合于无源矩阵显示应用。
图1示出按照本发明至少一个实施方案制造ABL的工艺流程。首先,要确定所需的中和程度(方框110)。这可以通过实验来确定,因为取决于所用的具体酸性ABL材料和具体挥发性碱,可能需要不同的中和程度。确定的中和程度将影响器件性能、可加工性和寿命。对于要制造的特定OLED器件而言一旦确定了,当然就可保持其恒定。在有些实施方案中,例如,100%即完全中和的ABL是最有效的(见下文)。所需的中和程度可以通过计算、测量或实验确定酸性ABL材料内存在多少当量H+而得到。这在化学领域内是周知的,无需深入讨论。然后在传统酸性ABL材料的溶液中加入等当量数的挥发性碱(方框120)。然后,可能需要或要求表面活性剂或其它添加剂(在方框125处核查)。如果是这样,则在溶液内加入表面活性剂或其它添加剂(方框130)。然后在(OLED的)阳极上沉积中和溶液(方框160)。适用的沉积方法有很多,有些是选择性的,有些是非选择性的。旋涂是能用来沉积中和ABL溶液的一种常用方法。一旦溶液已被沉积,它就开始干燥成薄膜,为了硬化和稳定化薄膜,还能进行烘烤(方框170)。在本发明的有些实施方案中,中和ABL溶液不经烘烤而仅在室温真空条件下干燥。在使用烘烤时,烘烤温度可以是能给出所期望结果的任何适合的温度(例如,200℃或更高)并烘烤任何合适的时间。
图2示出按照本发明至少一个实施方案的OLED器件405的实施方案的截面图。该OLED器件405可代表较大OLED显示器的一个OLED像素或子像素。OLED器件405是无源矩阵器件,因为它不像有源矩阵器件那样含有其自开关机构。如图2所示,该OLED器件405包括在基底408上的第一电极411。如本说明书和权利要求中所用,术语“在...上”包括当所述层处于物理接触或所述层被一层或多层间隔层分隔时。第一电极411可以为像素化应用形成图案或为背光照明或照明应用而不形成图案。
在第一电极411之上沉积一种或多种有机材料以形成有机堆416的一层或多层有机层。有机堆416在第一电极411上。有机堆416包括阳极缓冲层(“ABL”)417和发光聚合物(LEP)层420。OLED器件405还包括在有机堆416上的第二电极423。还可以按需要添加图2中未示出的其它层,包括阻隔层、电荷输运层,电荷注射层,极化层、衍射层和在任何已有层之间的界面层。按照本发明,其中有些层将在下文更详细地描述。
基底408:
基底408可以是能支撑其上的有机和金属层的任何材料。基底408可以是透明或不透明的(例如,在上-发射器件内用不透明基底)。通过改变或过滤能通过基底408的光的波长,能改变器件发射光的颜色。基底408能由玻璃、石英、硅、塑料或不锈钢组成;优选基底408由柔韧的薄玻璃组成。基底408的优选厚度取决于所用的材料和器件的应用。基底408可以呈片状或连续膜状。例如,对于特别适合于塑料、金属和金属化塑料箔的辊-对-辊制造工艺,能用连续膜。一般用单一基底408来构造较大的OLED显示器,它含许多随后要按某种图案排布的像素,如OLED器件405。
第一电极411:
在一种结构内,第一电极411起阳极作用(阳极是导电层,起空穴注射层的作用,而且包含功函数大于约4.5eV的材料)。典型的阳极材料包括金属(如铂、金、钯、铟等);金属氧化物(如氧化铅、氧化锡、ITO(氧化铟锡)等);石墨;掺杂的无机半导体(如硅、锗、砷化镓等);和掺杂的导电聚合物(如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)。
第一电极411可以是对器件405内产生的光的波长为透明、半透明或不透明的,取决于器件405是上-发射还是下-发射。第一电极411的厚度可以为约10nm~约1000nm,优选约50nm~约200nm,更优选约100nm。第一电极层411一般可以用薄膜沉积技术中已知的任何方法制造,包括,例如,真空蒸发、溅射、电子束沉积或化学蒸气沉积。
ABL 417:
ABL 417的空穴迁移率一般比电子迁移率大得多,并用来有效地把空穴从第一电极411传输到LEP层420。ABL 417可以用聚合物或低分子材料制造。按照本发明,ABL 417从主要包含酸性ABL材料和挥发性碱的溶液形成,其中挥发性碱中和酸性ABL材料内的部分或全部酸性基团。在本发明的有些实施方案中,酸性ABL材料是PEDOT∶PSS以及挥发性碱是NH3。用挥发性碱如NH3,预期在烘烤/干燥时,氨会完全逸散,重又留下酸性基团。意外地,发现情况并非如此。例如,在中和的PEDOT∶PSS中,PSS的氨盐大多留下了,即使在烘烤之后。
酸性ABL材料可包含导电聚合物和酸或多酸的混合物,所述导电聚合物如PEDOT,聚(3,4-二甲氧基噻吩)、聚(3-甲氧基噻吩)、聚(异硫茚)及其衍生物、聚吡咯及其衍生物,PANI及其衍生物,所述酸或多酸如聚(苯乙烯磺酸)(PSS)、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)、磺化全氟化树脂(如杜邦化学公司的NAFIONTM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸、樟脑磺酸、十二烷基苯磺酸、聚丙烯酸,以及它们的组合。能用于本发明许多实施方案中的挥发性碱包括氨(NH3),单烷基胺类(NH2R),二烷基胺类(NHR2),诸如三甲胺、三乙胺等的三烷基胺类(NR3),烷基芳基胺类,芳基胺类和芳族杂环化合物如吡啶、吡咯、咪唑或三唑。
为改进其可加工性,溶液中还能加入离子或非离子表面活性剂。溶液能沉积(例如用旋涂法)到第一电极411上。已沉积溶液干燥成薄膜。已沉积溶液可以在高温下烘烤到足够硬化,或仅简单地使之在室温下真空干燥。
在本发明的至少一个实施方案中,用30%氨(NH3)水溶液中和PEDOT∶PSS材料。在至少一个实施方案中,PEDOT∶PSS被30wt%氨完全中和,以致PSS中存在的所有H+离子全都被中和了。在有些实施方案中,酸性ABL材料仅被部分中和,例如,中和程度为50%或75%。在本发明的有些实施方案中,中和能有效地使ABL的pH值落在在约1.5~约8之间。这些混合物呈深蓝-紫色并以850nm处吸收最大和500nm处的弱肩为特征,这一点与在Baytron CH8000和其它PEDOT∶PSS材料中所观察到的吸收略有不同。
一旦制成了中和溶液,就把它沉积在第一电极411上。制造ABL417中所用的中和溶液,可以用选择性沉积技术或非选择性沉积技术沉积到第一电极411上。选择性沉积技术的实例包括,例如,喷墨印刷、柔性版印刷和丝网印刷。非选择性沉积技术包括,例如,旋涂、浸涂、网纹涂和喷涂。一旦已沉积,就把溶液干燥成薄膜。干燥的薄膜就成为ABL 417。
在至少一个实施方案中,中和溶液变成薄膜的干燥是在沉积后通过在室温下真空干燥整个器件来实现的。在另一些实施方案中,中和薄膜的干燥包括沉积后在200℃或更高温度下烘烤器件。在其它实施方案中,烘烤温度在50℃或更高温度的任何温度。烘烤和/或干燥时间能按需要改变。
ABL 417的厚度可以为约5nm~约1000nm,传统上用约50nm~约250nm。在本发明的一个或多个实施方案中,用约100nm的ABL层。
经200℃烘烤的中和ABL薄膜比相同沉积表面上的未中和薄膜更易用水除去。相信这是因为中性ABL材料失去了像酸性ABL材料那样有效的交联的能力。完全中和的ABL薄膜的吸水速率比传统酸性ABL薄膜的小。因溶液的中性,几乎完全抑制了中和ABL薄膜中底阳极(第一电极411)的腐蚀。与传统的酸性ABL薄膜相比,使用中和ABL薄膜的电压电流特性、电阻率和粘度几乎相同或有时更好,如以下Baytron CH8000中的情况所示。重要的是,用中和ABL薄膜的OLED器件的寿命超过了用传统酸性ABL薄膜的器件(也示于附图内。)
LEP层420:
对于有机LED(OLED),LEP层420含至少一种发光的有机材料。这些有机发光材料一般归于两类。第一类OLED,称作聚合物发光二极管或PLED,用聚合物作为部分LEP层420。聚合物在本性上可以是有机或有机金属的。如本文所用,术语“有机”也包括有机金属材料在内。优选把这些聚合物溶解在有机溶剂如甲苯或二甲苯中,并旋转(旋涂)到器件上,但其它沉积方法也是可能的。特别优选在LEP层420中用聚合物活性电子材料的器件。任选地,LEP层420可包括在响应光吸收时改变其电性能的光响应材料。光响应材料常用在把光能转化为电能的探测器和太阳能电池板中。
LEP层420中的发光有机聚合物可以是,例如,含共轭重复单元的EL聚合物,尤其相邻重复单元以共轭方式键接的EL聚合物,如聚噻吩类、聚亚苯基类、聚噻吩亚乙烯基类或聚对亚苯基亚乙烯基类或它们的同族、它们的共聚物、衍生物或混合物。更具体地,有机聚合物可以是,例如,聚芴类;发射白光、红光、蓝光、黄光或绿光的聚对亚苯基亚乙烯基类和为2-或2,5-取代的聚对亚苯基亚乙烯基类;聚对苯撑亚乙烯基类;多螺环聚合物。优选的有机发光聚合物包括发射绿光、红光、蓝光或白光的发光聚合物(“LEP”)或它们的同族、它们的共聚物、衍生物或混合物。其它聚合物包括多螺环芴状聚合物。
除聚合物以外,发射荧光或磷光的较小有机分子能作为发光材料置于LEP层420中。与作为溶液或悬浮液涂布的聚合物材料不同,小分子发光材料还能通过蒸发、升华或有机蒸气相沉积法进行沉积。PLED材料和较小有机分子的组合也能起活性电子层的作用。例如,PLED可化学衍生自有机小分子或简单地与有机小分子混合而形成LEP层420。
除发光的活性电子材料以外,LEP层420可包括能传输电荷的材料。电荷传输材料包括能传输载流子的聚合物或小分子。例如,可以用有机材料,如聚噻吩、衍生聚噻吩、齐聚聚噻吩、衍生齐聚聚噻吩、并五苯、包括C60的组合物和包括衍生C60的组合物。LEP层420还可包括半导体,如硅或砷化镓。
LEP层420的厚度一般大于80nm,优选在40~125nm之间。
ABL 417和LEP层420之类的所有有机层都能通过沉积有机溶液或用旋涂或其它沉积法进行喷墨印刷。这种有机溶液可以是任何“流体”或在压力下能流动的可变形物质,并可包括溶液、油墨、糊料、乳液、分散体等。液体也可以含有或补充影响沉积滴的粘度、接触角、增稠、亲合性、干燥、稀释等的其它物质。此外,层417和420可各按需要为稳定性和维持后续层沉积所需要的某些表面性能而进行交联或物理或化学硬化。
第二电极(423)
在一个实施方案中,当在第一电极411和第二电极423之间施加电位时,第二电极423起阴极作用。在该实施方案中,当在起阳极作用的第一电极411和起阴极作用的第二电极423之间施加电位时,从活性电子层420释放出通过第一电极411和基底408的光子。
虽然能起阴极作用的许多材料都是本领域的技术人员所已知的,但最优选使用包括铝、铟、银、金、镁、钙和钡或它们的组合或它们的合金的组合物。也可以用铝、铝合金和镁与银的组合或它们的合金。
优选第二电极423的厚度为约10~约1000nm,更优选约50~约500nm,最优选约100~约300nm。虽然本领域的一般技术人员知道很多可用来沉积第一电极材料的方法,但优选真空沉积法,如物理蒸气沉积(PVD)法。也可用其它层(未示出),如阻隔层和吸气剂层,来保护电子器件。这类层是本领域熟知的,在此不具体讨论了。
图3A示出本发明多种实施方案的电流-电压曲线。有4种具有下列特性的被试器件。对使用PEDOT∶PSS(Baytron CH8000)为酸性ABL和30%NH4OH水溶液并具有0%(“对比”器件)、50%、75%和100%的不同中和程度的各种器件进行试验。在各器件内把ABL所制成厚度为约100nm,而且各器件用厚80nm的发白光的聚芴基LEP。基底是涂有ITO(氧化铟锡)阳极(100~120nm)的玻璃(0.7mm厚)。阴极用LiF和钙然后铝的复合材料形成。然后封装这些器件。
电流密度(mA/cm2)-电压图表明,所有器件具有大致类似的特性。值得注意的是,在外施电位为-2V时,有一个小于10-3mA/cm2的逆电流电流密度。图3(B)示出与图3(A)中相同的4个器件的发光效率。用亮度(cd/m2)-电压表示的发光效率表明,中和程度较高的器件具有较高的效率以及任意中和程度,即使50%,也会产生比未中和的传统对比器件更有效的器件。
图4示出上述4种器件中各种器件的归一化寿命。可以看到,用含有中和程度较高的ABL的组合物制成的器件,较之用含有中和程度较低的ABL的组合物制成的相同器件,寿命更长。用中和ABL的器件,起始亮度降落较小,用中和程度为100%的器件,亮度随时间的下降更线性。
图5示出在DC条件下驱动时,上述4种器件中每一种的电压驱动要求。有利的是,完全中和的器件,较之对比器件和部分中和的器件,要求较低的驱动电压,而且,所需电压随时间也是更线性地变化。
图6A和6B比较在不同烘烤条件下用传统ABL材料的ABL薄膜与用完全中和ABL材料的ABL薄膜(按照本发明)的吸水速率。BaytronCH8000厚膜的吸水速率在22℃和34%相对湿度下测定。一组薄膜在20℃真空干燥,而另一组在200℃真空烘烤。所得吸水率示于图6A。未中和传统Baytron CH8000的真空干燥和真空烘烤薄膜,在约90min后,都有约15~16%的增重。相反,如图6B所示,用相同Baytron CH8000制成然后用氨完全中和的薄膜,在真空干燥和200℃真空烘烤的情况下,90min后只有7~9%的增重。
图7示出用传统ABL材料和用完全中和的ABL材料(按照本发明)的ABL薄膜对于ITO的腐蚀作用。完全中和的ABL薄膜的中和抑制了ABL对阳极材料如ITO的腐蚀作用,如图7所示。传统ABL(Baytron)在160~165h内最终使ITO完全腐蚀。而用完全中和的ABL,ITO阳极的腐蚀,即使有,也极少。因此按照本发明中和ABL的方法对于OLED薄膜的加工具有有益作用,如喷墨印刷头的腐蚀。
使用挥发性碱如NH3,预期在烘烤/干燥时,氨会完全逸散,重又留下酸性基团。意外地,发现情况并非如此。例如,在中和PEDOT∶PSS中PSS的氨盐大多留下了,即使在烘烤后。这可以在实验上用已在200℃真空下烘烤了30min的中和PEDOT∶PSS(Baytron)的元素分析证明。结果如下:
Figure S2006800364054D00091
上表说明,在烘烤后,烘烤前的相当多的,实际上几乎所有的NH3量都留下了,即使烘烤后也如此。烘烤后仅损失少量N。这意味着聚(苯乙烯磺酸)铵盐在200℃相当稳定以及氨并未因烘烤而如预料那样失去。
虽然已举例说明了本发明的主要用在OLED显示器内的实施方案,但几乎所有使用干燥薄膜层的各类电子器件都可能应用这些实施方案的。本发明尤其还能应用于太阳能电池、晶体管、光电晶体管、激光器、光电探测器或光耦合器中。也能用于生物应用如生物传感器,或化学应用如组合合成之类的应用中。前面所述的OLED显示器/器件能在下列应用中用于显示器内:计算机显示器、车辆的信息显示器、TV监示器、电话、打印机、区域照明和一般照明、背光照明和照明信号中。

Claims (18)

1.一种有机薄膜,包含
酸性阳极缓冲层材料;和
挥发性碱,加至所述酸性阳极缓冲层材料,以形成溶液,所述挥发性碱至少部分地中和所述酸性阳极缓冲层材料中的酸性基团,所述溶液经沉积和干燥形成所述薄膜,且所述挥发性碱包括下列物质至少之一:单烷基胺类、二烷基胺类、三烷基胺类、烷基芳基胺类、芳基胺类和芳族杂环化合物、吡啶、吡咯、咪唑或三唑。
2.按照权利要求1的有机薄膜,其中所述酸性基团包括至少下列之一:聚苯乙烯磺酸、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)、聚丙烯酸、磺化全氟化树脂和所述多酸的盐。
3.按照权利要求1或2的有机薄膜,其中所述酸性阳极缓冲层材料是聚亚乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸。
4.按照权利要求1或2的有机薄膜,其中所述酸性基团被所述挥发性碱完全中和。
5.按照权利要求1或2的有机薄膜,其中把所述薄膜作为阳极缓冲层加进有机发光二极管器件。
6.一种有机发光器件,包含
阳极;
置于所述阳极上的阳极缓冲层,所述阳极缓冲层如下制造:沉积含有被溶剂化在挥发性碱内的酸性阳极缓冲层材料的溶液,使酸性阳极缓冲层材料中的酸性基团至少被部分中和,其中所述挥发性碱包括下列物质至少之一:单烷基胺类、二烷基胺类、三烷基胺类、烷基芳基胺类、芳基胺类和芳族杂环化合物、吡啶、吡咯、咪唑或三唑;和
置于所述阳极缓冲层上的发光层,所述发光层能在电子空穴在其中复合时发光。
7.权利要求6的有机发光器件,还包含:
置于所述发光层上的阴极。
8.权利要求6或7的有机发光器件,还包含:
基底,所述阳极置于所述基底上。
9.权利要求6或7的有机发光器件,其中所述发光层是共轭聚合物。
10.权利要求6或7的有机发光器件,其中所述酸性基团包含至少下列之一:聚苯乙烯磺酸、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)、聚丙烯酸、磺化全氟化树脂和所述多酸的盐。
11.权利要求6或7的有机发光器件,其中所述酸性阳极缓冲层材料是聚亚乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸。
12.权利要求6或7的有机发光器件,其中所述酸性基团已被所述挥发性碱完全中和。
13.权利要求6或7的有机发光器件,其中所述阳极缓冲层是通过烘烤或干燥所述沉积溶液而制成的。
14.权利要求13的有机发光器件,其中烘烤温度高于50℃。
15.一种制造用于有机电子器件的阳极缓冲层的方法,所述方法包括:
形成酸性阳极缓冲层材料被溶剂化在挥发性碱中的溶液,以使酸性阳极缓冲层材料内的酸性基团至少部分地被中和,其中所述挥发性碱包括下列物质至少之一:单烷基胺类、二烷基胺类、三烷基胺类、烷基芳基胺类、芳基胺类和芳族杂环化合物、吡啶、吡咯、咪唑或三唑;和
在所述有机电子器件的表面上沉积所述溶液。
16.按照权利要求15的方法,还包括:
烘烤所述已沉积上溶液的器件。
17.按照权利要求16的方法,其中烘烤温度高于50℃。
18.按照权利要求15或16的方法,还包括:
干燥已沉积上溶液的所述器件并除去所述的挥发性碱。
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