CN101821872B - 具有改善的光输出的led设备 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜白光发射二极管设备包括反射导电薄膜结构和半透明导电薄膜结构。在所述反射导电薄膜结构和半透明导电薄膜结构之间形成一个或更多个薄膜层，以形成两个或更多个共同受控的微腔结构。所述薄膜层响应于由所述导电薄膜结构提供的电流而发射白光。所述两个或更多个共同受控的微腔结构中的每一个在一个或更多个光学腔中具有不同的谐振频率，并且发射光谱范围小于白光发射薄膜层的光谱范围的光。从所述两个或更多个共同受控的微腔结构发射的光的组合是白色的。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)设备，更具体地，涉及用于改善光输出、可制造性和角度性能的LED设备结构。
背景技术
发射型平板显示设备广泛地与计算设备(尤其是便携式设备)共同使用。这些显示器经常用于具有显著环境照明的公共区域中，并且从宽范围的角度被观看。这样的设备还正在发展作为区域照明设备或灯。
包含发光材料的薄膜的发光二极管(LED)在平板显示设备中有很多优点，并且在光学系统中非常有用。这样的膜可以包括有机材料或无机材料，或这两者。在2002年5月7日授权给Tang等人的美国专利No.6,384,529示出了包括OLED发光元件(像素)阵列的OLED彩色显示器。当电流流过有机材料时，从像素发出光，光的频率取决于所使用的有机材料的性质。将有机材料放置在电极之间的基板上，该基板具有封装覆盖层或板。在这样的显示器中，通过基板(底部发射体)或通过封装覆盖物(顶部发射体)，或这两者可以发光。发射的光是朗伯光(Lambertian)，即，其在各方向等同地被发射。因为LED设备采用高光学指数发射材料，所以由于全内反射，在设备中捕获发射光的大部分(例如，多于50％)，因而降低了设备效率。无机材料例如可以包括磷光晶体或量子点。还可以采用有机材料或无机材料的其它薄膜，以控制对发光薄膜材料的电荷注入、运输或阻挡，并且有机材料或无机材料的其它薄膜是本领域中已知的。
增加从LED设备结构发射的光的光学腔结构是已知的。在薄膜中形成时，这样的光学腔结构也已知为微腔或光学微腔。当在LED设备中形成时，不同颜色的发光有机材料是在反射电极和半透明电极之间并在基板之上沉积的图案(pattern-wise)。通过在光学腔内沉积发光有机材料或无机材料来形成具有不同颜色的光发射体，该光学腔被调到期望的光峰值波长，其通常对应于由被构图的发光材料发射的光的颜色。美国专利6,680,570描述了一种采用间隔层以形成光学腔的具有改进的颜色控制的有机发光设备。图9示出了这样的现有技术：有源矩阵型底部发射光学腔设备采用了具有有源矩阵薄膜部件30、平整化结构32和34以及半透明电极16的基板10。在发光层14中沉积提供红、绿和蓝光发射的被构图的有机材料14R、14G和14B。采用光学间隔体26R、26G和26B以形成被调到红、绿和蓝光的期望峰值波长的光学腔60、62和64，以分别发射红光80、绿光82和蓝光84。可以采用盖20以保护并且封装设备。虽然这样的设计是有用的，但是它们需要难以与大型基板成比例的被构图的有机材料的沉积技术(例如，通过金属荫罩的真空沉积)。而且，光学腔设备通常遭受非可接受的角度颜色依赖性。还已知的是，可以采用具有光学腔结构的滤色器，例如美国专利7,189,238号中所教导的。然而，虽然有用，但这样的方法无法提高设备的可制造性，并且在某些照明条件下提供不适当的环境对比度。而且，滤色器吸收了从发光层发射的光，由此降低了设备效率。
题为“Light-emitting elements”的美国专利5,554,911号描述了具有至少两个光学腔结构的多颜色发光元件，该至少两个光学腔结构分别具有确定它们的发射波长的不同光学长度。各光学腔结构包括有机材料作为发光区域，该有机材料可以是元件中均匀厚度的单膜。题为“Tunedmicrocavity color OLED display”的美国专利6,861,800号描述了一种具有像素阵列的微腔OLED设备，该像素阵列被分为至少两种不同颜色的像素组，各颜色像素组在公共基板之上发射不同的预定颜色光，其中，阵列中的各像素包括设置在基板之上的金属底部电极层，和与金属底部电极层隔开的单独半透明金属电极层。用于半透明金属电极层的材料包括Ag、Au或其合金。对半透明金属电极层的厚度、有机层和透明导电相位层的组合厚度、以及发光层的放置进行选择，使得显示器中的各像素形成调整后的微腔OLED设备，该微腔OLED设备具有的发射输出效率高于可比较的没有微腔的OLED设备。美国专利5,949,187号描述了一种OLED，其具有包括第一透明间隔体和位于第一间隔体上的第一镜叠层(mirror stack)，以将光反射回OLED中并且限定第一微腔的光学长度。第一微腔的光学长度使得从第一微腔发射的光具有第一光谱。第二微腔包括与第一微腔相邻的第二透明间隔体，并且位于第二间隔体上的第二镜叠层将光朝向第二微腔反射，并且限定第二微腔的光学长度。第二微腔的光学长度使得从第二微腔发射的光具有第二光谱。附加微腔可以被放置在该结构中以进一步增强并改变光谱。但是，由于用于在相对于法线的多个角度行进的光的有效光学路径长度的变化，这样的设计可能具有增加的制造成本，比期望低的光输出，和比期望大的反射率，以及在不同视角的显著颜色变化。
Antoniadis的题为“Reducing or eliminating color change formicrocavity OLED devices”的美国专利US2006/0066228A1号公开了一种最小化或者消除不同视角的颜色变化的微腔OLED设备。OLED设备例如可以是OLED显示器或用于区域照明的OLED光源。该OLED设备包括基板上的多层镜，并且各层由非吸收材料组成。OLED设备还包括第一多层镜上的第一电极，并且第一电极基本上是透明的。发射层位于第一电极上。第二电极位于发射层上，并且第二电极基本上是反射的并且用作镜。多层镜和第二电极形成微腔。光调制薄膜位于基板的前表面上。光调制薄膜可以是下述中的任何一个：截止滤色器、带通滤色器、亮度增加膜、微结构(其使在具有感知的颜色变化的角度的发射光谱变弱)或微结构(其重新分配波长，因此输出的发射光谱具有相同的感知颜色)。再次，由于被构图的沉积处理，这样的设计可能具有增加的制造成本。同样地，通过滤色器可能吸收大量的光，由此降低了效率。
克服大型基板上的材料沉积问题的一种方法是采用单个发射层(例如，白光发射体)，和用于形成全彩色显示器的滤色器，如Cok的题为“Stacked OLED Display having Improved Efficiency”的美国专利6,987,355号中所教导的。但是，使用滤色器大大降低了设备的效率。还已知的是，采用不包括滤色器的白色子像素，例如在Cok等人的题为“Color OLED Display with Improved Power Efficiency”的美国专利6,919,681中所教导的。但是，该公开没有解决角度颜色问题或大量捕获的光的问题。
还已知的是，从微腔OLED设备产生白光发射。题为“White-emittingmicrocavity OLED device”的美国专利US20050073228A1号描述了一种包括微腔OLED设备和光集成元件的白光发射OLED装置，其中，微腔OLED设备具有白光发射有机EL元件，并且微腔OLED设备被配置为具有角度独立窄带发射，并且光集成元件从微腔OLED设备集成来自不同角度的角度独立窄带发射，以形成白光发射。但是，这样的设计的颜色或白点具有强角度依赖性。
Winters等人的题为“OLED device having microcavity gamutsub-pixels and a within gamut sub-pixel”的美国专利7,030,553号描述了微腔设备的一个示例。该公开描述了包括发光像素阵列的OLED设备，各像素包括具有有机层的子像素，该有机层包括产生光的至少一个发射层和间隔电极。存在至少三个产生限定颜色色域的颜色的色域子像素，和产生在由色域子像素产生的颜色色域内的光的至少一个子像素。色域子像素中的至少一个包括反射器和半透明反射器，它们用于形成微腔。但是，该设计采用了被构图的半透明电极以形成白色子像素，该白色子像素可能难以按照顶部发射形式来制造。而且，该专利中未解决角度颜色变化的问题。
因此，仍然存在对于如下的改善的发光结构的需要：该发光结构能够克服现有技术中的缺点并且提高LED设备的光输出、角度颜色性能和可制造性。
发明内容
本发明通过提供一种薄膜白光发射二极管设备而满足了上述需求，该薄膜白光发射二极管设备具有：反射导电薄膜结构和半透明导电薄膜结构。在所述反射导电薄膜结构和半透明导电薄膜结构之间形成一个或更多个薄膜层，以形成两个或更多个共同受控的微腔结构。所述薄膜层响应于由所述导电薄膜结构提供的电流而发射白光。所述两个或更多个共同受控的微腔结构中的每一个在一个或更多个光学腔中具有不同的谐振频率，并且发射光谱范围小于白光发射薄膜层的光谱范围的光。从所述两个或更多个共同受控的微腔结构发射的光的组合是白色的。
本发明的另一个方面提供了以下内容：两个或更多个共同受控的微腔结构中的每一个发射光谱范围小于发光薄膜层的光谱范围的光；并且由所述共同受控的微腔结构发射的组合光在一个或更多个角度上的颜色变化小于由所述共同受控的微腔结构中的至少一个发射的光在所述一个或更多个角度上的颜色变化。
优点
本发明具有的优点是提高了LED设备的光输出和可制造性，并且降低了任何角度颜色变化。
附图说明
图1示出根据本发明的实施方式的LED设备的部分截面；
图2示出根据本发明的实施方式的顶部发射型LED设备的部分截面；
图3A和图3B示出根据本发明的各种实施方式的具有间隔体的顶部发射型LED设备的部分截面；
图4示出用于本发明的各种实施方式的具有多个谐振频率的光学微腔；
图5是使用根据本发明的LED设备的系统；
图6是示出本发明的各种实施方式的CIE x和CIE y空间中的光发射波长的图；
图7是示出在理解本发明的各种实施方式中有用的用于各种黄色和蓝色频率组合的恒定D65光输出的图；
图8A是示出在本发明的各种实施方式中有用的没有微腔结构的白光发射体在法线视角的光谱的图；
图8B是示出在本发明的各种实施方式中有用的具有微腔的白色发射体在法线视角和不同视角的光谱，以及滤色器的光谱的图；
图8C是示出本发明的实施方式的包含滤色器的CIE x和CIE y空间中的光发射波长的图；
图9示出现有技术的底部发射型LED设备的部分截面；
图10A和图10B是示出根据本发明的各种实施方式的用于具有不同相对尺寸的共同受控的部分的白色子像素的视角的白点变型的图；以及
图11是示出制造本发明的LED设备的方法的流程图。
由于单个层是非常薄的，并且各层的厚度差别是很大的以至于不允许按比例描绘，因此附图不是按比例描绘的。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的薄膜白光发射二极管设备包括反射导电薄膜结构12和半透明导电薄膜结构16。在反射和半透明导电薄膜结构之间形成一个或更多个薄膜层14，由此形成两个或更多个共同受控的微腔结构28。薄膜层14响应于由导电薄膜结构12，16提供的电流而发射白光。两个或更多个微腔结构28中的每一个发射光谱范围小于白光发射薄膜层14的光谱范围的光。由微腔结构28发射的光的组合是白色的。由微腔结构28发射的组合光在角度范围上的颜色变化小于由微腔结构28中的至少一个发射的光在角度范围上的颜色变化。
在基板10上可以形成所有的薄膜层。反射导电薄膜结构12和半透明导电薄膜结构16相对于基板10和盖20的位置可以是相反的，以形成顶部发射或底部发射LED设备，这两种LED设备都是本发明所考虑的。薄膜层一起发射白光，并且可以包括多个单独的发光层，如现有技术中已知的。但是，当在微腔内采用时，由于微腔结构所造成的构造性和破坏性的光学干涉，因此来自微腔结构的发射将会是彩色的。
为了进一步理解本发明，理解所使用的多个术语是有用的。反射薄膜结构将通常对于至少一个期望波长反射至少50％的辐射能量，或者优选地对于至少一个期望波长反射至少80％的辐射能量。但是，将要认识到的是，对于这样的反射薄膜结构，期望反射甚至多于90％的辐射能量。本发明的半透明导电膜是被期望的，其在期望波长范围内具有很低的吸收率。这样的层将通常反射撞击到其上的至少10％的辐射能量，并且优选地可在期望波长范围上反射撞击到其上的显著更多的辐射能量。当讨论角度范围时，通常相对于与基板垂直地描绘的矢量来测量这样的角度，该矢量也通常与反射导电薄膜结构的有源区垂直。
此外，在本公开中，术语“白色”是指人类观察者可以适应的并且感知为白色的任何颜色。这样的颜色经常相对于有关感知的颜色空间内的普朗克轨迹来指定，如1976CIE均匀色度图。为了实现本发明的目的，如果当在1976CIE均匀色度图内部标绘时，一种颜色处于用于3000和20,000开尔文之间的黑体温度的普朗克轨迹的0.05单位之内，则该颜色将通常被指定为白色。
虽然在本发明中采用未构图的白光发射体，但在本发明的其它实施方式中，可以对发光层构图。例如，不同的发光材料可以在不同的共同受控的微腔结构中使用。在这种情况下，两个或更多个共同受控的微腔结构的各个结构发射光谱范围小于发光薄膜层的光谱范围的光。由共同受控的微腔结构发射的组合光在角度范围上的颜色变化小于由共同受控的微腔结构中的至少一个发射的光在角度范围上的颜色变化。根据本发明的其它实施方式，由至少两个微腔结构28发射的光是互补的。如这里所使用的，互补光表示一起形成白光的光的两个频率或频率范围。一对微腔结构28A和28B形成微腔结构27A。微腔结构27A中的一个微腔结构28A发射黄光，而微腔结构27A中的另一个微腔结构28B发射蓝光。或者，例如，微腔结构27B中的一个微腔结构28C发射品红光，而微腔结构27B中的另一个微腔结构28D发射绿光。在另一个另选例中，例如，微腔结构27C中的一个微腔结构28E发射红光，而微腔结构27C中的另一个微腔结构28F发射青光。在本发明的某些实施方式中，可以采用一个互补对，例如，27A。在另一个实施方式中，可以采用包括互补对的两个微腔结构(例如，27A，27B)。在本发明的另一个实施方式中，如图1所示，可以采用具有互补对的三个微腔结构(例如，27A、27B、27C)。根据本发明的一个实施方式，所有互补对可以利用单个控制来共同控制。根据本发明的另选实施方式，通过例如利用用于与微腔结构27A关联的互补对的一个控制，用于与微腔结构27B关联的互补对的第二控制，和用于与微腔27C关联的互补对的第三控制，来独立地控制多个对。
在本发明的其它实施方式中，可以采用具有或不具有滤色器的其它微腔结构或非微腔结构。例如，参照图2，根据本发明的发光二极管设备的示例性实施方式包括基板10、导电薄膜结构12(这种情况下，是由例如铝或银的反射导电金属形成的反射电极)和半透明导电薄膜结构16(这种情况下，是由例如银的非常薄的金属层形成的半透明电极)。在基板10之上形成导电薄膜结构12和半透明导电薄膜结构16。对反射电极或半透明电极中的至少一个构图，以形成独立控制的发光元件50、52、54和56。如图2所示，例如，对反射电极12构图。例如，由在基板10上形成的薄膜电子部件30可以控制独立控制的发光元件。另一个电极16可以是未被构图的并且对于所有的发光元件50、52、54和56在电学上是共用的。在反射导电薄膜结构12和半透明导电薄膜结构16之间形成未构图的白光发射层14，并且该未构图的白光发射层14可以包括多个层，例如，如在现有技术中所已知的电荷控制层。反射导电薄膜结构12、半透明导电薄膜结构16和未构图的白光发射层14形成光学腔60、62、64和66。光学腔66还包括多个共同受控的光学微腔，例如66Y和66B，如下所述。对应于独立控制的发光元件50、52、54，在半透明导电薄膜结构16的与未构图的白光发射层14相对的一侧上形成多个滤色器40R、40G和40B，以形成彩色子像素。滤色器具有至少两种不同的颜色。至少一个独立控制的发光元件56具有至少两个共同受控的部分56Y、56B，该两个部分基本上一起发射白光以形成白色子像素。白色子像素的一个或更多个共同受控的部分56Y、56B的光学腔66包括多个光学微腔66Y、66B。调整各光学微腔以在发射角度范围内以不同的互补波长发射光。根据本发明，由共同受控的微腔结构发射的组合光在角度范围上的颜色变化小于由微腔结构中的至少一个发射的光在角度范围上的颜色变化。
根据本发明的一个实施方式，反射导电薄膜结构12或半透明导电薄膜结构16包括单层，例如，如铝、银、镁或这些金属的合金的金属层。
如图2所示，本发明可以采用透明间隔层26R、26G、26B和26W，其在反射导电薄膜结构12和发光层14或半透明导电薄膜结构16之间具有不同的厚度。这样的层可以是有机的或无机的，但是它们被期望是高导电的，以降低通过LED的电压。或者，可以采用电阻透明层以提供短期降低属性(short reduction properties)，如现有技术中所教导的。选择不同的厚度以调整不同光学腔60、62、64的光学响应。
参照图3A，在图2的一部分的更详细附图中，在基板(未示出)之上与用于光学腔的间隔体26一起形成反射导电薄膜结构12。光学腔60、62、64、66Y、66B中的各个光学腔利用间隔体26R、26G、26B、26WY、26WB来调整，以分别形成例如，红、绿、蓝、蓝和黄色光学微腔。在提供类似颜色的光学腔(如，该示例中的64和66B)内的间隔层的厚度可以分别具有间隔体26B和26WB，其具有共同的厚度并且在共同的步骤中形成。但是，这不是所要求的，而且对于两个间隔体来说，经常期望具有不同的厚度以提供参数(如，颜色饱和度和效率)之间的不同平衡。在本发明的另选实施方式中，如图3B所示，通过采用单独反射层11和透明导电层15之间的透明间隔层13R、13G、13B、13WY、13WB可以调整光学腔，反射层11和透明导电层15还包括反射导电薄膜结构12。在反射层11和单独透明导电层15(如，二氧化硅、氮化硅或导电氧化物，如ITO、IZO或AIZO)之间可以采用导电或非导电透明间隔体元件13。或者，透明导电层15可以直接形成在反射层11之上，并且与反射层11电接触。反射层15也是导电的。
在本发明的一个实施方式中，微腔结构26在基板上彼此相邻形成(如图1和图2中所示)。在图4中所示的另选实施方式中，第一和第二微腔结构在以两个或更多个的不同频率29A和29B谐振的公共腔中形成。如这里所采用的，考虑在两种频率谐振的这样的光学腔以形成两种光学微腔结构，各结构以一个谐振频率发射光。具体地，这样的光学腔可以在蓝和红频率谐振，以发射被感知为品红光的光。
本发明可以用在RGBW(红、绿、蓝和白)子像素结构中，以形成信息呈现设备(如显示器，图2)中的单个像素。采用公共的未构图的白光发射体14。通过用于各颜色的单独调整的微腔的组合与滤色器40R、40G、40B(用于颜色子像素)一起形成彩色光。可以采用黑底40K，以吸收发光元件50、52、54、56之间的环境光。可以提供平整化绝缘层32和34，以使独立控制的发光元件电隔离。由于光学微腔66Y、66B形成互补颜色，因此滤色器对于共同受控的微腔结构56Y、56B不是必需的。但是，在本发明的另一个实施方式中，如下所述，一个或更多个单独滤色器40WY、40WB还可以与白色子像素56的共同受控的部分56Y，56B一起使用或分开使用。
或者，可以采用本发明以形成区域照明设备或灯。在后一种情况下，宽范围频率的发射对于提供高显色指数(CRI)是必要的。因此，采用具有广泛分布的频率集的互补微腔结构对(如图1所示)可以提供高质量白光源。如图5所示，这样的显示器、区域照明器或灯可以与控制器310一起用在包括LED设备300的发光系统中，以控制并且向薄膜白光发射二极管设备提供电力；通常地，响应于信息或电源信号320，通过通常作为载流电极的反射导电薄膜结构12和半透明导电薄膜结构16，来控制并且向薄膜白光发射二极管设备提供电力。
采用薄膜光学腔结构的现有技术的光发射方案当在各种角度观看时遭受比较差的白光发射，尤其是，改变颜色的强趋势。但是，如本发明中所教导的，共同受控的微腔结构28发射光谱范围小于白光发射薄膜层14的光谱范围的光。由微腔结构28发射的光的组合基本上是白色的，并且由微腔结构28发射的组合光在角度范围上的颜色变化小于由微腔结构28中的至少一个发射的光在角度范围的颜色变化。因此，本发明提供产生白光的薄膜光学腔结构，其对角度的依赖性降低。
在本公开中，光的互补波长是这样的光波长：当一起观看时，该光形成基本上显现为白色的光，如普朗克轨迹上的光或接近普朗克轨迹的光。例如，蓝色和黄色形成互补对，青色和红色形成互补对，并且绿色和品红色形成互补对。因此，当一起观看时，白色子像素56(图2)的共同受控的微腔结构56Y，56B的共同受控的光学微腔66Y，66B发射白光。根据本发明的各种实施方式，共同受控的微腔不能由人眼在从通常的观看距离观看时被单独区分，例如，白色子像素56的共同受控的部分56Y，56B。因此，即使从白色子像素56发射的光实际上是互补颜色的组合，从白色子像素56发射的光也将被视为白色。为了简单，图2示出蓝色和黄色光发射光学微腔66Y，66B，但是本发明不唯一地限于该实施方式。
在工作中，例如，如通过薄膜晶体管30所提供的电流经由薄膜导电结构(电极)12和16流过发光层14，导致发出光。发射出的光中的一些直接射出设备或者通过滤色器然后射出设备。其它光从发射电极12反射并且射出设备。在对于法线的更高角度发射的其它光通过全内反射而被捕获。光学腔结构用来减小发射光的发射角度，由此减小捕获光的量，还将更多想要的光集中在正向。利用相同的电控制(例如，晶体管30)同时驱动白色子像素56的共同受控的微腔结构56Y和56B，使得它们无法被独立地激励，由此表示一个子像素(虽然一个子像素具有不同的光学部件)。本发明可以与有源矩阵和无源矩阵控制电路一起使用。应当注意的是，至少在某些实施方式中，白色子像素56的微腔结构56Y和56B的相对尺寸可以在设计和制造中进行调整，以调整白光发射的颜色。或者，在两个微腔结构56Y和56B的各个结构之间采用不同的电阻器，以调整向两个微腔结构提供的相对电流，因此调整它们的相对亮度。
具体地，本发明提供一种方法以形成在相对于法线的各种角度都被视为白色的基本白光。随着发光的角度从相对于基板的法线(90度)增加，从各光学微腔66Y，66B输出的光在频率上增加(并且在波长上减少)。根据现有技术，由于人类视觉系统对于绿色是最敏感的，并且由白色子像素发射的白光的所有频率在相对于法线的增加的视角处增加，因此常规的单个元件白色发射体将往往变为基本上更蓝，尤其是更绿。但是，根据本发明，白色子像素56的不同光学微腔可以对该效果进行互相补偿。更确切地，从白色子像素56的共同受控的部分56Y和56B的各个部分发射的光的波长在不同的视角变化，而来自共同受控的部分56Y和56B的组合光发射的白点变化小于由于共同受控的微腔结构56Y，56B中的至少一个的波长变化所引起的白点变化。
参照图6，CIE 1931x，y色度图被示出具有示出单色光源的位置的光谱轨迹205和包括红光和蓝光的紫色边界线206。由光谱轨迹205和紫色边界线206围成的区域包括所有可视颜色。青/蓝色发射光学微腔的光发射210(例如，来自光学微腔66B)以相对于基板法线的多个渐增角度示出，开始于具有0.160，0.253的x，y坐标的法线，结束于具有0.186，0.116的x，y坐标的60度。尤其注意到，随着光学微腔的视角增加，光的感知颜色变成更蓝，频率更大，波长更短。同样地，黄色/绿色发射光学微腔的光发射215(例如，来自光学微腔66Y)以多个角度示出。再次，随着光学微腔的视角增加，光的感知颜色变得更绿，频率更高，波长更短，开始于0.469，0.389的x、y坐标，结束于0.233，0.598的x、y坐标。尽管从单个共同受控的部分发射的光是彩色的，但是由于颜色是互补的，因此组合光看起来是白色的，当在0度视角观看时，具有0.267，0.300的CIE 1931色度坐标，而当在60度的角度观看时，具有0.1987，0.246的坐标，如曲线220所示。随着视角的变化，蓝色和黄色发射体都显著地改变颜色。但是，组合光保持相对恒定，并且基本上是白色的。点225表示在相对于基板的法线角度的白点，而点230表示在相对于基板法线的60度角度的白点。从由申请人构造的真实白光OLED设备取得这些曲线，在模式化的不同角度颜色发生变化。
如从图6可以看到的，白色的色度坐标在y维中变化很小，而在x维中可以看到比较大的变化。但是，整体变化小于蓝色或黄色发射体中的任一个的变化，而颜色基本上保持为白色。参照图7，在不同的互补黄色和蓝色发射频率示出恒定D65白点200的图。如从图7中可以看到的，要求黄色波长中更大的变化，以抵消蓝波长中的较小变化来保持白点。进一步地，由申请人进行的实验已经示出与在朝向黄色方向上的白色或非彩色(neutral)中的色移相比，观察者更能容忍在朝向蓝色方向上的白色或非彩色中的色移。图6中所示的发射体通过平衡蓝-黄分配而利用这些效果，以最小化黄色色移，同时允许蓝色方向上的某种偏离。通过采用在共同受控的部分56Y，56B之一上形成的滤色器，可以物理地控制该变化，该共同受控的部分56Y，56B之一优先地透射以相对于基板的法线角度发射的光，并且优先地吸收以除了法线之外的角度发射的光。例如，可以在黄光发射光学微腔66Y之上采用滤色器(图1中的40WY)。滤色器吸收具有小于，例如，570nm、560nm、或550nm的波长的呈绿色的光。这具有的效果是将白点的运动限制到更短波长，或等同地，增加蓝色发射体的相对影响。在另选的实施方式中，如申请人所模拟的，可以采用吸收具有小于例如，500nm、490nm、或480nm的波长的呈蓝色的光的滤色器(例如，图1中的40WB)。
各种白光发射材料可以与本发明一起采用，并可以广泛选择光学腔的尺寸，其都用于彩色子像素50、52、54和白色子像素56的光学微腔66B、66Y。在本发明的一个实施方式中，白色子像素56的共同受控的部分56Y，56B中的一个在相对于基板的法线角度发射基本蓝光或青光，而共同受控的部分中的另一个在相对于基板的法线角度发射基本黄光、橙光或红光。白色子像素56的共同受控的部分中的一个部分在相对于基板的法线角度发射具有大于550nm的峰值波长发射的光，而白色子像素的至少两个共同受控的部分中的另一个部分在相对于基板的法线角度发射具有小于500nm的峰值波长发射的光。在其它实施方式中，调整白色子像素的光学微腔以发射红光、绿光和蓝光，或黄光和蓝光，或红光和青光，或橙光和青光，或品红光和绿光。具体地，调整白色子像素的共同受控的部分中的一个部分以在法线角度发射具有大于550nm的峰值波长的光，并且可以包括在白色子像素的共同受控的部分之上形成的滤色器，该滤色器吸收具有小于550nm的波长的大量光。
多个白光发射体可以与本发明一起使用，并且可以形成多个微腔，以从这些白光发射体中产生白光发射元件。例如，图8A是用于本发明的由申请人做出的白光发射体的光谱250的图。参照图8B，光谱252是从用作白色子像素的黄色共同受控的部分的一个微腔输出的光。随着视角增加，发射频率增加，由移动的光谱255所示。通过采用具有在共同受控的部分中的一个部分(例如，56Y)之上形成的高通光谱260的滤色器，光可以优先地在相对于基板的法线角度透射通过滤色器，并且在除了法线之外的角度被滤色器优先吸收。因此，可以降低具有视角的色移，而不会减少在法线角度发射出的光量。参照图8C，在没有滤色器的情况下用于为黄光发射调整的微腔中的白色发射体在点264的角度的色移比在具有滤色器的情况下用于为黄光发射调整的微腔中的白色发射体在点262的角度的色移更长。但是，滤色器(包括那些彩色子像素)在远离法线的角度降低设备的亮度。但是，应当注意的是，各部分的相对亮度效率以及白色子像素的各个共同受控的部分的色度坐标将根据视角而变化。在某些这样的设备中，使用黄色滤色器以根据视角而降低黄色共同受控的部分的亮度可以在保持相对恒定的亮度中是有用的，因为人眼的亮度效率随着黄色中的峰值朝向550nm移动而增加。
通过采用用于白色子像素56的各个共同受控的部分56Y，56B的不同尺寸的区域来进一步控制来自本发明的设备的光发射。如图10A中所示，在最小和最大关注角度连接蓝色发射体和黄色发射体的CIE x和y坐标的边界线270和275形成具有共同交点(点290)的区域280和285。通过改变共同受控的部分56Y，56B的区域的相对尺寸，白点的相对位置向交点290移动得更近，或者离交点290更远。因此，随着白点向交点290移动得更近，可以减小白点中的变化量。同样地，随着白点远离交点290移动，可以增加白点的变化量。因此，在通常的有机发光二极管系统中，黄色发射体比蓝色发射体更有效，只要白点变化是可接受的，即使白点变化很大，朝向黄色发射点移动发射体也是有利的。参照图10B，在表示对于白光发射体(与图8A-C所示的不同的白光)从最小视角到最大视角的白点变化的CIE x和y图中示出三条曲线。黄色56Y对蓝色56B共同受控的部分的区域的相对尺寸对于曲线296是相同的，对于曲线295是1.3，并且对于曲线297是0.7。D65白点示出为点298。曲线295中所示的相对光发射和色移比曲线296或297相对更大。
通过匹配发射材料的光谱、滤色器峰值传输和光学微腔响应，来增加来自本发明的光学腔的光发射。即，通过改变腔的光学路径长度，将彩色子像素的光学腔调整到与相应滤色器的峰值传输波长相对应的近似峰值波长。同样地，将白色子像素的光学微腔调整到大概与白光发射层的峰值发射波长相对应的一个或更多个峰值波长。类似地，将白光发射层的峰值发射波长匹配到相应滤色器的峰值传输波长。
但是，系统的整体优化可能要求不是所有的发光层峰值发射、峰值滤色器传输和光学腔峰值都匹配。还可能的是，调整白色子像素56的共同受控的部分56Y和56B中的至少一个以在与彩色子像素50、52、54的峰值波长不同的峰值波长发射光。虽然减少了制造步骤的数目，但是如果两个或更多个光学腔尺寸是相同的(例如，用于蓝色子像素的腔64和用于白色子像素56的蓝色发射部分56B的腔66B)，则还可以优化整个系统，例如如果光学腔具有不同的长度，则白色子像素可能具有被调整以比蓝色子像素的腔发射更多的青色光的部分腔。
还可能的是，设计其中白色子像素的正常发射是在特定白点(如D65)的系统。
但是，可能的是，随视角的颜色变化或来自这样的设计的期望白点的平均发射可能比其中发射保持在更接近期望白点或当改变视角时在白点中具有减小的变化、但是不会在期望白点上实际发光的另选设计更大。可能期望平均性能是优越的这样的设计。平均发射表示用于通过应用中的重要度加权或不加权的所有关注的视角的平均白点。因此，优选的设计可能调整白色子像素的发射以最小化白色子像素的平均发射和在多于一个角度的优选设备白点之间的区别；而不是匹配在单个视角的期望白点。
在本发明中采用各种发光材料。例如，白光发射层可以包括有机材料(如，小分子有机材料或聚合物材料)或在多晶半导体基质中形成的无机量子点。可以采用常规光刻法技术，以在基板上形成控制结构(如，总线、晶体管、电容器、电极)以及形成适用于限定光学腔的透明层。合适的腔限定透明材料可以包括，例如，二氧化硅或氧化铟锡。通过本领域已知的各种方法(例如，真空蒸发)来沉积有机材料。但是，这样的方法必须提供足够的精确度以及准确度，以能够使光学腔的制造一致。具体地，Kodak Vapor Injection SystemTM(柯达蒸汽注入系统)是线性的，有机真空蒸汽源提供有机层的沉积到可以有用地采用的1％的均匀度和准确度之内。通过本领域已知的蒸发或溅射技术(如，银、镁、铝或其它金属或金属合金)可以形成合适的半透明阴极。这些半透明电极将通常具有大于20％的反射率，并且将理想地具有小于10％的吸收率。用于本发明的有机材料和无机材料的封装技术在本领域是已知的。本发明可以与各种元件一起使用，如，适用于提高设备环境对比度的环形偏光镜(circular polarizer)(图1中的18)。在一个实施方式中，本发明是顶部发射型设备，如图1中所示。在另选的实施方式中，设备(未示出)是底部发射型设备。
参照图11，根据本发明，制造LED设备的方法包括：步骤400：提供基板；步骤410：形成反射导电薄膜结构；步骤415：形成间隔体；以及步骤420：在反射导电薄膜结构之上形成未构图的白光发射层。用步骤430可以在反射导电薄膜结构之上形成半透明导电薄膜结构，使得在反射导电薄膜结构和半透明导电薄膜结构之间形成未构图的白光发射层。反射导电薄膜结构、半透明导电薄膜结构和未构图的白光发射层形成光学腔。在步骤440中，对反射导电薄膜结构或半透明导电薄膜结构中的任一个进行构图，以形成多个独立控制的发光子像素元件，由此与独立控制的发光元件相对应地，在半透明导电薄膜结构的与未构图的白光发射层相对的一侧之上可选地形成滤色器，以形成彩色子像素。滤色器具有至少两种不同的颜色。至少一个独立控制的发光元件具有至少两个共同受控的微腔结构，该至少两个共同受控的微腔结构基本上一起发射白光以形成白光发射元件。白光发射元件的一个或更多个共同受控的微腔结构的光学腔包括多个光学微腔。调整各光学微腔以在发射角度或多个发射角度以不同的互补波长发射光。在本发明的另选的实施方式中，在半透明导电薄膜结构之上形成未构图的白光发射层。
通过白光发射体的消费者研究和优化以及仔细选择的光学腔选择，申请人已经证明利用本发明的光学微腔的白光发射体中的颜色变化对于消费者是可以接受的。这样的微腔结构尤其在顶部发射型结构中具有优势，因为半透明电极(例如，包括一薄层银)比全透明电极(例如，包括如氧化铟锡的透明导电氧化物)的电导性好的多。当采用有机或无机的未构图的发光层时，本发明提供了从微腔结构输出的改善的光、降低的角度色移和降低的成本。
在被构图的设备中，采用不同材料以响应于电流而发射不同颜色的光。相比而言，在未构图的设备中，采用相同的材料以发射单个颜色，例如，白色，并且通过采用滤色器并结合白光发射体，使由彩色子像素发射的光具有颜色。经常地，白光发射体将包括一个或更多个未构图的层中的材料组合，各个未构图的层发射不同颜色，例如，蓝色和黄色或红色和青色，以发射被整体感知为白色的光。但是，重点是许多发光材料都包括在单个层中，或者，包括许多层，这些层是未构图的，并且在所有像素的所有子像素中采用它们的聚集发射。
现有技术中已知的是，在LED设备中，通过实际发光的高光学指数层、或者高学光指数电荷控制层、或者高光学指数透明电极中的全内反射可以捕获光。在对于法线的较低角度发射的光可以从设备发射，而在对于法线的相对较高的角度发射的光可以在高光学指数层中捕获。通过采用光学腔结构，降低了在高角度的光发射，使得在对于法线相对较低的角度从设备发射更多的光。
确实，从光学腔结构发射的光的颜色依赖于视角。这种角度依赖性可以极端地激怒观看者，尤其对于其中重视大视角的应用。对于利用白光发射体的彩色子像素，该随角度的色移尤其是值得注意的。但是，对于彩色子像素来说，在本发明中采用的滤色器不仅吸收环境光，它们还降低了利用光学腔设备时人们通常具有的观察到的对于光颜色的角度的依赖性。
但是，对于本发明提供的彩色子像素，随角度增加而发现的色移减少确实降低了这些彩色子像素的亮度。这样的亮度降低对于观看者来说相比色移是不太值得注意的和不太引起反对的。但是，在彩色子像素的亮度降低的方面来说，虽然由于改变视角，白色子像素的亮度是恒定的(尽管可能发生白点移动)，但是净效应可以是整个颜色饱和度的降低。这样的颜色饱和度的降低对于某些图像(即，具有很小饱和颜色的那些图像)来说是可以忽略的，并且对于具有强饱和颜色的那些图像来说不如颜色变化值得注意。因此，获得了提高的图像质量。而且，由于大多数图像是相对不饱和的，因此净亮度效果经常是相对较小的。
申请人已经构造了采用微腔的许多OLED设备，它们都具有被构图的彩色发射体以及白色发射体，并且申请人已经研究了它们的性能以及环形偏光镜和滤色器的性能。而且，已经采用光学模型工具来理解本发明在多种情况下的性能。通常地，采用光学腔和滤色器的白光发射未构图的OLED设备可以被期望相对于没有光学腔和滤色器的白光发射未构图的OLED设备，使彩色像素的光输出大致变为两倍。彩色子像素将最大地提高光输出，而白光发射子像素的光输出将仅按照大致0.6至1.2的乘法因数来改变，因为提高宽带光输出比提高光学腔结构中的窄带光更难。但是，由于白光发射子像素比彩色子像素更有效(是大约三倍)(由于在白色子像素中未使用滤色器)，因此，白色子像素的使用提高了OLED设备的整体性能(由于大多数图像都具有很少的饱和颜色，并且不成比例地使用了更高效的白光发射器)。申请人已经证明了使用滤色器设计中这样的白色子像素可以为某些成像应用将整体设备性能提高约两倍。
如果需要的话，本发明的LED设备可以采用各种公知的光学效应以提高它们的属性。这包括优化层厚度以产生最大光透射，提供介电镜结构，在显示器之上提供防炫光或防反射涂层，提供中性密度，或者在显示器之上提供颜色转换滤色器。在盖或基板之上可以特定地提供滤色器、偏振器、以及防炫光或防反射涂层，或者提供滤色器、偏振器、以及防炫光或防反射涂层作为盖或基板的一部分。
本发明可以与有源或无源矩阵OLED设备一起实施，并且在信息显示设备中尤其有用。在一个实施方式中，本发明用在平板OLED设备中，该平板OLED设备由小分子或聚合OLED组成，如在1988年9月6日授权给Tang等人的美国专利4,769,292号和在1991年10月29日授权给VanSlyke等人的美国专利5,061,569号中所公开的，但并不限于此。可以采用无机设备，该无机设备采用例如在多晶半导体基质(例如，如在Kahen的美国公报2007/0057263中所教导的)中形成的量子点，并且采用有机或无机电荷控制层，或混合有机/无机设备。有机或无机发光显示器的许多组合和变型可以用于制造这样的设备，该设备包括具有顶部发射型结构或底部发射型结构的有源矩阵显示器和无源矩阵显示器。
Claims (15)
1.一种薄膜白光发射二极管设备，该薄膜白光发射二极管设备包括：
a）反射导电薄膜结构和半透明导电薄膜结构；
b）形成在所述反射导电薄膜结构和半透明导电薄膜结构之间的一个或更多个薄膜层，用于形成两个共同受控的微腔结构，所述薄膜层响应于由所述导电薄膜结构提供的电流而发射白光；
c）其中，所述两个共同受控的微腔结构中的每一个在多个光学腔之一中具有不同的谐振频率，并且发射光谱范围小于白光发射薄膜层的光谱范围的光，并且从所述两个共同受控的微腔结构发射的光的组合是白色的，
其中，由两个所述共同受控的微腔结构发射的光是互补的，
其中，由所述共同受控的微腔结构中的一个发射的光是蓝色的，而由所述共同受控的微腔结构中的另一个发射的光是黄色的，或者由所述共同受控的微腔结构中的一个发射的光是青色的，而由所述共同受控的微腔结构中的另一个发射的光是红色的，或者由所述共同受控的微腔结构中的一个发射的光是绿色的，而由所述共同受控的微腔结构中的另一个发射的光是品红色的。
2.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，该薄膜白光发射二极管设备还包括一个或更多个附加的发射光的独立受控结构。
3.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，该薄膜白光发射二极管设备还包括对由所述白光发射薄膜层发射的光进行滤色的滤色器。
4.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，其中，由所述两个共同受控的微腔结构发射的组合光在一个或更多个角度上的颜色变化小于由所述两个共同受控的微腔结构中的一个发射的光在所述一个或更多个角度上的颜色变化。
5.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，其中，所述反射导电薄膜结构或所述半透明导电薄膜结构包括单个金属层。
6.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，其中，所述反射导电薄膜结构包括反射层和单独的透明导电层。
7.根据权利要求6所述的薄膜白光发射二极管设备，其中，透明间隔层位于所述反射层和所述单独的透明导电层之间。
8.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，其中，透明间隔层位于所述反射导电薄膜结构和所述半透明导电薄膜结构之间。
9.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，该薄膜白光发射二极管设备还包括至少两对共同受控的微腔结构，各对微腔结构发射光谱范围小于所述白光发射薄膜层的光谱范围的光，并且由所述至少两对共同受控的微腔结构发射的光的组合是白色的。
10.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，其中，所述共同受控的微腔结构在基板之上彼此相邻。
11.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，该薄膜白光发射二极管设备还包括用于形成一个或更多个光学腔的透明间隔层。
12.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，其中，所述薄膜白光发射二极管设备是显示设备、灯设备或区域照明设备。
13.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，该薄膜白光发射二极管设备还包括控制器，以控制并且向所述薄膜白光发射二极管设备提供电力。
14.根据权利要求1所述的薄膜白光发射二极管设备，其中，对所述薄膜层进行构图，使得在不同的共同受控的微腔结构中采用不同的发光材料。
15.一种形成权利要求1所述的薄膜白光发射二极管的方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |