CN102034935B - 高对比度顶发光型有机发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高对比度顶发光型有机发光二极管，自下至上顺序包括：a.基底(1)；b.含电极的多层堆叠结构(2)，位于所述基底(1)上，用于提升二极管的对比度；c.多层有机层结构(3)，位于所述含电极的多层堆叠结构(2)上，用于发光二极管有源层；d.半透明金属电极(4)，位于所述多层有机层结构(3)上；e.减反层(5)，位于所述半透明金属电极(4)上，用于提升二极管的对比度。通过对多层堆叠结构中金属层及两介电层材料、减反层材料的选择与厚度的优化降低二极管对于环境光的反射，提升器件的对比度。本发明将提升对比度的多层堆叠结构及减反层置于有机发光二极管外部，避免了这些层的引入对于发光二极管电学注入和传输性能的影响，该方法简单易行、效果明显。

Description

高对比度顶发光型有机发光二极管

技术领域

本发明涉及一种高对比度顶发光型有机发光二极管结构的设计，特别涉及在有机发光二极管外侧分别引入提升对比度的多层堆叠结构和减反膜来大幅度提高器件对比度的顶发光型有机发光二极管的设计。

技术背景

基于有机发光二极管(OLED)的有机发光显示由于具有色彩鲜艳、视角宽、响应速度快、可实现柔性、发光亮度高、效率高、厚度薄、工作温度范围宽等优点被认为是最有希望取代液晶显示的下一代平板显示技术之一。

对比度是评价显示性能优良的参数之一，具有高对比度的显示器在强光环境下也能清晰的显示图象。在众多提升OLED对比度的研究中，大致分为三类：第一类是将圆偏振片置于OLED器件表面，该方法简单，但是圆偏振片不仅吸收绝大部分环境光还会吸收掉大部分OLED发出的光，从而大幅度降低OLED器件发光效率；第二类是使用低反射电极(多为单层)如Sm、Sm:Ag、Mo、p-Si等来降低环境光的反射，单层低反射电极提升对比度虽然简单，但是对比度改善并不明显；第三类是将干涉相消层、减反层或光吸收层(如SiO₂:Al、CuPc、Sm/Alq₃/Sm/Alq₃、Al:Alq₃、CuPc/TiOPc、Carbon、CuPc/C60等)置于OLED的有源层中，即发光层与底部反射电极中间。减反层或光吸收层的导电性以及其能级与其它邻层的匹配程度直接决定着二极管中电注入特性，进而影响其发光性能，因此在OLED器件内部引入减反层需考虑多个影响因素，器件设计过程相对复杂，且对比度提高并不显著。目前在1000cd/m²亮度以及140lx环境光照射下，一般能达到300∶1，因此很有必要进一步设计器件结构来提升器件的对比度。本发明中通过使用多层堆叠结构和减反层来提高OLED器件的对比度，将多层堆叠结构和减反层置于OLED器件外部有效避免了其对OLED内部电学性能的影响，简化了OLED器件本身的设计。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种高对比度顶发光型有机发光二极管结构，提升顶发光型有机发光二极管对比度。

技术方案：本发明的高对比度顶发光型有机发光二极管自下至上顺序包括：

a.基底；

b.含电极的多层堆叠结构，位于所述基底上，用于提升二极管的对比度；

c.多层有机层结构，位于所述含电极的多层堆叠结构上，用于发光二极管有源层；

d.半透明金属电极，位于所述多层有机层结构上；

e.减反层，位于所述半透明金属电极上，用于提升二极管的对比度。

含电极的多层堆叠结构、多层有机层结构、半透明金属电极及减反层均通过真空蒸镀、旋涂或溅射技术逐层形成。

所述含电极的多层堆叠结构为提升对比度的多层堆叠结构，该多层堆叠结构由一厚金属层、一具有低折射指数的介电层、一具有高折射指数的介电层、一兼做电极的薄金属层构成。厚金属层位于所述基底上，其厚度大于等于50nm；具有低折射指数的介电层位于厚金属层之上；具有高折射指数的介电层位于具有低折射指数的介电层之上；兼做电极的薄金属层位于具有高折射指数的介电层之上，其厚度大于等于20nm且小于等于40nm。

减反层由一层或多层半导体材料构成。

多层堆叠结构中的厚金属层与薄金属层在可见光区具有较强的光吸收特性，具有低折射指数的介电层与具有高折射指数的介电层在可见光区是否具有光吸收特性不影响器件的对比度。

所述的多层堆叠结构和减反层位于有机发光二极管外侧，提升对比度。

多层有机层结构包括载流子注入/传输层及发光层，在对该二极管施加较低驱动电压时可获得良好的发光性能。

有益效果：

1、本发明公开的高对比度顶发光型有机发光二极管是在器件的电极外部引入提升对比度的光吸收层和减反层，因此无需考虑这些层的导电性及其引入带来的与邻层的能级匹配问题，有效避免了其引入对于器件内部电注入和传输性能的影响。

2、本发明公开的高对比度顶发光型有机发光二极管设计方法也适用于高对比度底发光型有机发光二极管的设计。

3、本发明公开的高对比度有机发光二极管使用常规的OLED结构及有机层厚度(～100nm)，无需对OLED器件结构本身进行特殊设计。

附图说明

有关本发明的详细说明及技术内容，现配合附图说明如下：

图1为普通顶发光型有机发光二极管剖面结构示意图；

图2为本发明的高对比度顶发光型有机发光二极管剖面结构示意图；

图3为本发明较佳实施例1及其不含对比度提升层的对比器件的剖面结构示意图；

图4为环境光经过较佳实施例1或其对比器件多层膜后反射回器件外部的反射曲线示意图；

图5为较佳实施例1或其对比器件在140lx的环境光照射下，器件开态亮度不同时器件的对比度；

图6为较佳实施例1或其对比器件在器件本身开态亮度为1000cd/m²时，在不同的环境光强度照射下器件的对比度；

图7为本发明较佳实施例2及其不含对比度提升层的对比器件的剖面结构示意图；

图8为环境光经过较佳实施例2或其对比器件多层膜后反射回器件外部的反射曲线示意图；

图9为较佳实施例2或其对比器件在140lx的环境光照射下，器件开态亮度不同时器件的对比度；

图10为较佳实施例2或其对比器件在器件本身开态亮度为1000cd/m²时，在不同的环境光强度照射下器件的对比度；

图11为本发明设计方法也适用的高对比度底发光型有机发光二极管剖面结构示意图。

具体实施方式

为了提高顶发光型OLED的对比度，其设计方法如下：

(1)在器件基底上引入一多层堆叠结构，该多层堆叠结构由一厚金属层、一具有低折射指数的介电层、一具有高折射指数的介电层、一兼做电极的薄金属层构成。厚金属层位于基底之上，其厚度大于等于50nm，其作用是吸收环境光并反射部分环境光；具有低折射指数的介电层位于厚金属层之上；具有高折射指数的介电层位于具有低折射指数的介电层之上；兼做电极的薄金属层位于具有高折射指数的介电层之上，其厚度大于等于20nm且小于等于40nm，其作用在于既具有良好的导电性又具有透光性。上述多层堆叠结构中的薄金属层和厚金属层均具有较强的吸光率。

(2)在器件顶部(出光侧)引入一减反层。

(1)与(2)结合可大幅度改善OLED的对比度。(1)与(2)均位于OLED器件有源区外，因此可有效避免在有源区内引入减反层或光吸收层带来的一系列问题，如引入减反层或光吸收层带来的导电性变差或减反层/光吸收层与其它邻层能级不匹配等问题，上述问题均导致器件电光性能变差。

有机发光二极管中的有机层厚度为常用的厚度(～100nm)且为定值，本专利仅对多层堆叠结构和减反层厚度进行设计来达到提高二极管对比度的目的。

本发明借助在有机发光二极管电极外部引入一多层堆叠结构和一减反层来提升器件的对比度，获得高对比度的有机发光二极管。

参考图2中本发明的高对比度顶发光型OLED剖面结构示意图与图1普通顶发光型OLED剖面结构示意图相比，分别在普通顶发光型OLED器件底部即靠近基底一侧和器件顶部即出光侧引入了多层堆叠结构和减反层结构。多层堆叠结构由一厚金属层、一具有低折射指数的介电层、一具有高折射指数的介电层、一薄金属层构成，其中薄金属层兼做顶发光型OLED的阳极，厚金属层和薄金属层可为同种材质，也可是不同材质，但在可见光区均具有较强的吸光性；高折射指数介电层、低折射指数介电层与厚金属层和薄金属层的接触顺序不严格限定，但是厚金属层、低折射指数介电层、高折射指数介电层、薄金属层的顺序可获得最佳吸光性和最小反射率。减反层由一层或多层半导体材料构成。多层堆叠结构和减反层结构具体使用的材料及厚度可视具体的器件结构而设计，顶发光型OLED器件内部使用的有源层厚度无需特殊设计，为常用的OLED厚度即～100nm即可。

器件多层结构的反射率曲线详细计算采用转移矩阵理论，具体可参考专利CN101540373。

器件对比度(CR)的计算如下：

CR＝(L_on+L_ambient*R_L)/(L_off+L_ambient*R_L)，                    (1)

其中，L_on和L_off表示器件开态和关态亮度，L_ambient为环境光亮度，R_L为亮度反射率，表示如下：

$R_L=\left({\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}V\left(\mathrm{\λ}\right)S\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\right)/\left({\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}V\left(\mathrm{\λ}\right)S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\right),---\left(2\right)$

其中，V(λ)为标准视见函数曲线，S(λ)为D65光源，R(λ)为反射光谱曲线(详细计算参考专利CN101540373)，λ₁和λ₂分别为400和700nm。

下面结合附图和较佳实施例对本发明进行详细说明。

较佳实施例1

附图3为本发明较佳实施例1及其不含对比度提升层的对比器件的剖面结构示意图。本发明高对比度顶发光型OLED器件结构包括基底、提升对比度的多层堆叠结构、OLED有源层结构、半透明阴极、减反层；对比OLED器件结构包括基底、阳极、OLED有源层结构、半透明阴极。

其中基底可为玻璃、硅或二氧化硅材料、陶瓷、聚合物等，本实施例以覆盖1600nm SiO₂的单晶硅基底为例。

多层堆叠结构由一厚金属层、一低折射指数介电层、一高折射指数介电层以及一薄金属层构成，其中要求厚、薄金属层在可见光区具有较强吸光性，本实施例选择Ni，高低折射指数交替的介电层分别选择ZnS和CuPc。为获得较强光吸收性和较低反光性，多层堆叠结构为厚Ni/CuPc/ZnS/薄Ni，其中薄Ni兼做OLED阳极，厚度固定为20nm，其它层厚度通过优化获得。

本实施例所使用的OLED有源层结构为m-MTDATA(45nm)/NPB(5nm)/CBP：Dopant(20nm)/BCP(10nm)/Alq₃(20nm)。Dopant为掺杂剂，可分别为红、绿、蓝色染料，本实施例选择红色染料Ir(MDQ)₂(acac)，掺杂浓度为5wt％，其掺杂对于母体CBP的光学参数(n，k)影响忽略不计。

本实施例所使用的半透明阴极材料为Sm(15nm)/Ag(10nm)，减反层为单层ZnS，厚度可通过转移矩阵理论进行优化。

环境光照射至器件表面被反射回来，反射率在可见光范围达到最小值时，对应的厚Ni、CuPc、ZnS以及ZnS减反层的厚度分别为≥50(大于此厚度的Ni与50nmNi相比，对于器件整体反射性能影响不大，本实施例选择50nm)、22.5、25.5以及25nm。

对比器件的结构为1600nm SiO₂的单晶硅/Ni(70nm)/m-MTDATA(45nm)/NPB(5nm)/CBP：Ir(MDQ)₂(acac)(20nm，5wt％)/BCP(10nm)/Alq₃(20nm)/Sm(15nm)/Ag(10nm)。

注释：CuPc、m-MTDATA、NPB、CBP、Ir(MDQ)₂(acac)、BCP、Alq₃分别为copper-phthalocyanine、4，4’，4″-tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine、4，4’-bis[N-(1-naphthyl-1-)-N-phenyl-amino]-biphenyl、4，4-N，N’-dicarbazole-biphenyl、iridium(III)bis(2-methyldibenzo-[f，h]quinoxaline)(acelylacetonate)、2，9-dimethyl-4，7-diphenyl-1，10-phenanthroline、tris-(8-hydroxyl-quinoline)aluminum的简称。

OLED制备过程如下：

A)将覆盖SiO₂的Si基底依次放入丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗各10分钟，然后置于烘箱中烘干。

B)将Si基底放入金属真空室，待到真空度达到5×10^-4Pa时，向SiO₂表面依次真空蒸镀或溅射50nm的厚Ni、22.5nm的CuPc、25nm的ZnS以及一层20nm的薄Ni层；对比器件蒸镀70nm的厚Ni作为阳极材料。上述层为掩膜生长。

C)将覆盖阳极的基底转移至有机真空室，待真空度达到5×10^-4Pa时开始生长有机材料。有机层为大面积生长。

D)在阳极Ni上真空蒸镀一层45nm的空穴注入材料m-MTDATA。

E)在空穴注入层m-MTDATA上真空蒸镀一层5nm的空穴传输材料NPB。

F)在空穴传输层NPB上真空混合蒸镀一层20nm的CBP母体及红光发光材料Ir(MDQ)₂(acac)。

G)在红光发光层上真空蒸镀一层空穴阻挡层BCP，厚度为10nm。

H)在空穴阻挡层BCP上真空蒸镀一层电子传输材料Alq₃，厚度为20nm。

I)将长好有机物的基底真空传递至金属室，更换掩模版，待真空度再次达到5×10^-4Pa时开始生长半透明金属电极Sm/Ag，厚度分别为15和10nm。

J)在阴极Sm/Ag表面真空蒸镀或溅射25nm的ZnS减反层。

对比器件的制备过程与上述高对比度器件的制备过程类似，在此不再赘述。

附图4为环境光经过较佳实施例1或其对比器件多层膜后反射回器件外部的反射曲线示意图。与对比器件反射率在整个可见光波段位于7％～68.3％相比，较佳实施例1在整个可见光波段具有较低的反射率，均不超过17.2％，尤其在436和628nm处反射率达到最小值，分别为0.715％和0.026％。据(2)式计算得出，对比器件的亮度反射率R_L为21.7％，而较佳实施例1不到对比器件的1/4，仅为4.86％。

附图5为较佳实施例1或其对比器件在强度为140lx的环境光照射下，器件开态亮度不同时器件的对比度。从图中可以看出，当环境光强度为140lx、器件开态亮度为1000cd/m²时，对比器件对比度为104.4∶1，而较佳实施例1对比度可达到462.7∶1，是对比器件的4倍多。

附图6为较佳实施例1或其对比器件在器件本身开态亮度为1000cd/m²时，在不同的环境光强度照射下器件的对比度。从图中可以看出，当器件开态亮度为1000cd/m²时，即使环境光强度高达3000lx，较佳实施例1对比度仍可达到22.55∶1，暗示着基于此结构的OLED显示器在强光照射下仍可显示清晰的图像。

较佳实施例2

附图7为本发明较佳实施例2及其不含对比度提升层的对比器件的剖面结构示意图。本实施例高对比度顶发光型OLED器件结构的半透明阴极、减反层与实施例1相同；基底为玻璃；提升对比度的多层堆叠结构为Ni/MgF₂/ZnS/Ni，优化后的厚度分别为100、62、16和20nm；OLED有源层结构为m-MTDATA(45nm)/NPB(5nm)/Alq₃(50nm)，其结构和厚度在优化多层堆叠结构和减反层时保持不变。对比OLED器件结构为Ni(120nm)/m-MTDATA(45nm)/NPB(5nm)/Alq₃(50nm)/Sm(15nm)/Ag(10nm)。

较佳实施例2中高对比度及对比OLD器件制备过程与较佳实施例1中高对比度及对比OLED器件制备过程类似，在此不再重复。

附图8为环境光经过较佳实施例2或其对比器件多层膜后反射回器件外部的反射曲线示意图。与对比器件反射率在整个可见光波段位于7.2％～68.7％相比，较佳实施例2在整个可见光波段具有较低的反射率，均不超过12％，尤其在436和636nm处反射率达到最小值，分别为0.225％和0.522％。据(2)式计算得出，对比器件的亮度反射率R_L为23.9％，而较佳实施例2仅为对比器件的1/5，为4.09％。

附图9为较佳实施例2或其对比器件在140lx的环境光照射下，器件开态亮度不同时器件的对比度。从图中可以看出，当环境光强度为140lx、器件开态亮度为1000cd/m²时，对比器件对比度为94.9∶1，而较佳实施例2对比度可达到549.7∶1，是对比器件的5倍多。

附图10为较佳实施例2或其对比器件在器件本身开态亮度为1000cd/m²时，在不同的环境光强度照射下器件的对比度。从图中可以看出，当器件开态亮度为1000cd/m²时，即使环境光强度高达3000lx，较佳实施例2对比度仍可达到26.6∶1，暗示着基于此结构的OLED显示器在强光照射下仍可显示清晰的图像。

本发明中提升对比度的多层堆叠结构及减反层还适用于底发射型有机发光二极管对比度提升的设计(附图11为两类高对比度底发光型有机发光二极管结构，其中的减反层也可根据基底材料省略不用)。类似于本发明设计思路的高对比度底发射型有机发光二极管同样属于本专利保护范围。

以上仅为本发明的较佳实施例，不能以其限定本发明实施的范围，即大凡不脱离本发明构思的替代和修正，仍属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高对比度顶发光型有机发光二极管，其特征在于该二极管自下至上顺序包括：

a.基底(1)；

b.含电极的多层堆叠结构(2)，位于所述基底(1)上，用于提升二极管的对比度；

c.多层有机层结构(3)，位于所述含电极的多层堆叠结构(2)上，用于发光二极管有源层；

d.半透明金属电极(4)，位于所述多层有机层结构(3)上；

e.减反层(5)，位于所述半透明金属电极(4)上，用于提升二极管的对比度；

所述含电极的多层堆叠结构(2)为提升对比度的多层堆叠结构，该多层堆叠结构由一厚金属层、一具有低折射指数的介电层、一具有高折射指数的介电层、一兼做电极的薄金属层构成；厚金属层位于所述基底(1)上，其厚度大于等于50nm；具有低折射指数的介电层位于厚金属层之上；具有高折射指数的介电层位于具有低折射指数的介电层之上；兼做电极的薄金属层位于具有高折射指数的介电层之上，其厚度大于等于20nm且小于等于40nm；

减反层(5)由一层或多层半导体材料构成。

2.如权利要求1所述的高对比度顶发光型有机发光二极管，其特征在于多层堆叠结构(2)中的厚金属层与薄金属层在可见光区具有较强的光吸收特性，具有低折射指数的介电层与具有高折射指数的介电层在可见光区是否具有光吸收特性不影响器件的对比度。

3.如权利要求1所述的高对比度顶发光型有机发光二极管，其特征所述的多层堆叠结构(2)和减反层(5)位于有机发光二极管外侧，提升对比度。

4.如权利要求1所述的高对比度顶发光型有机发光二极管，其特征在于多层有机层结构(3)包括载流子注入/传输层及发光层，在对该二极管施加较低驱动电压时可获得良好的发光性能。

5.如权利要求1所述的高对比度顶发光型有机发光二极管，其特征在于含电极的多层堆叠结构(2)、多层有机层结构(3)、半透明金属电极(4)及减反层(5)均通过真空蒸镀、旋涂或溅射技术逐层形成。 

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