CN102460229A - 光提取构件和包括该光提取构件的有机发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种光提取构件，其包括排列在其一个表面上的多个单元透镜。每个所述单元透镜包括两种以上圆锥形透镜的组合。
Description
技术领域
本发明涉及一种光提取构件和包括该光提取构件的有机发光二极管(OLED)，更具体地，涉及一种被设计用于显著地减少OLED全内反射的光提取构件和包括该光提取构件的有机发光二极管。
背景技术
OLED是一种薄膜LED，其包括由有机化合物形成的光发射层，并且利用电致发光的现象(其中，当电流通过荧光有机化合物时光发射层发光)。这样的OLED可以在低电压下驱动并被制造成薄膜型，而且具有宽视角和快的响应速度。因此，与液晶显示器(LCD)不同，即使从侧面看OLED时，OLED的质量也不会改变，屏幕上也不会残留余象。而且，还可以实现全色彩。因此，在下一代平板显示设备中，OLED具有成为引领者的巨大潜力。
通常，OLED包括依次层叠在透明基板上的阳极(ITO层)、空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层和阴极。当向其提供能量时，借助于在阴极的电子传输层，电子被传输到发光层，并且借助于在阳极的空穴传输层，从其中释放出电子的空穴被传输到发光层。所述电子和空穴在有机材料形成的发光层中结合，并产生具有高能量的激子。当激子的能量减弱时，激子产生光。
同时，众所周知，这样的OLED具有较低的光提取效率。光提取效率低的主要原因是发生了全内反射，其中在透明基板和具有较大折射率的阳极(透明电极)之间的界面或者在透明基板和空气之间的界面光被全部反射到OLED中。因此，为了充分地防止OLED的这种全内反射并且提高OLED的光提取效率，人们已经提出了多种方法，包括在OLED的透明基板上形成不规则形状，或者将圆锥状的光提取片附着到透明基板上。当采用这些方法时，其光提取效率会有某些改进。然而，这种改进的作用太小以至于不能实现充分的效果。
发明内容
技术问题
本发明的一个方面提供了一种被设计用于显著地减少OLED中的全内反射的光提取构件和包括该光提取构件的OLED。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种光提取构件，其包括排列在其一个表面上的多个单元透镜。每个单元透镜包括两种以上圆锥形透镜的组合。
所述单元透镜之间的间距的范围可以是20到500μm。所述单元透镜的高度的范围可以是所述单元透镜之间的间距的10到100％。
所述单元透镜可以以蜂窝状结构排列。
在此，每个单元透镜可以包括：形成所述单元透镜下部的第一圆锥形透镜和形成所述单元透镜上部的第二圆锥形透镜。所述第一圆锥形透镜的底面直径的范围可以是所述单元透镜之间的间距的80到116％。所述第二圆锥形透镜的底面直径的范围可以是所述第一圆锥形透镜底面直径的40到80％。
所述第一圆锥形透镜具有如公式1表示的透镜形状，以及所述第二圆锥形透镜具有如公式2表示的透镜形状。
[公式1]
此处，r1代表所述第一圆锥形透镜在虚拟顶点处的曲率半径，k1代表所述第一圆锥形透镜的圆锥常数，和H1代表从所述第一圆锥形透镜的底面到虚拟顶点的高度。
[公式2]
此处，r2代表所述第二圆锥形透镜在顶点处的曲率半径，k2代表所述第二圆锥形透镜的圆锥常数，H2代表从所述第二圆锥形透镜的底面到顶点的高度，和y0代表从所述第一圆锥形透镜的底面到所述第二圆锥形透镜的底面直径与所述第一圆锥形透镜的横截面直径相等的位置处的高度。
同时，r1的范围可以是所述第一圆锥形透镜的底面直径的0.1到200％，k1的范围可以是-25到-1.2，对于给定的圆锥常数k2，在能够形成圆锥曲面的值中，r2可以具有与r1不同的值。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包括所述光提取构件的有机发光二极管(OLED)。
有益效果
当使用根据本发明的实施方式的光提取构件时，可以显著提高OLED的光提取效率。因此，可以改进OLED的能量效率和亮度。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，可以更清晰地理解本发明的上述和其他方面、特征以及其他优点，其中：
图1为解释根据本发明的实施方式的光提取构件的一个实例的图；
图2为图示根据本发明的实施方式的单元透镜的结构的图；以及
图3为解释根据本发明的实施方式的单元透镜的排列的实例的图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以多种不同的形式体现，并且不局限于此处所列出的实施方式。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更透彻和更全面，并且向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在附图中相同的附图标记表示相同的部件，因此可以省略对它们的描述。
图1为图示了根据本发明的实施方式的光提取构件的一个实例的图。参考图1，根据本发明的实施方式的光提取构件10包括在其一个表面上二维排列的多个单元透镜20。
根据本发明的实施方式的单元透镜20包括两种以上圆锥形透镜的组合。
每个圆锥形透镜是指以具有曲面的形状形成的透镜。例如，所述圆锥形透镜可以包括半球透镜、椭圆形透镜、抛物线透镜以及双曲透镜等等。所述圆锥形透镜的形状以函数表示，其中将透镜顶点处的曲率半径和圆锥常数设为参量。所述曲率半径通常用r表示，以及所述圆锥常数通常用k表示。这样，圆锥常数k可以决定透镜的形状。当k＝0时，形成圆透镜。当k＝-1时，形成抛物线透镜。当-1＜k＜0时，形成椭圆形透镜。当k＜-1时，形成双曲透镜。
同时，参考图2，将两种以上圆锥形透镜结合以形成一个单元透镜20。更具体地，当将两种以上透镜结合以形成一个单元透镜时，意味着所述单元透镜的一部分是以满足特定透镜表达I的形状形成的，所述单元透镜的另一部分是以满足特定透镜表达II的形状形成的，以及所述单元透镜的又一部分是以满足特定透镜表达III的形状形成的。也就是说，所述单元透镜的各部分可以由具有不同形状的圆锥形透镜组成。此时，所述单元透镜的各部分可以根据所述单元透镜的高度来设定。
图2示出了其中两种圆锥形透镜结合的例子。然而，这仅是根据本发明实施方式的一个实例，并且本发明并不限于此。也就是说，根据本发明实施方式的所述单元透镜可以通过三种以上圆锥形透镜的结合来形成。上述通过两种圆锥形透镜的结合而形成的单元透镜易于制造并且具有经济上的优势。
同时，形成单元透镜20的圆锥形透镜可以彼此具有不同的形状。当单元透镜20是通过两种圆锥形透镜的结合来形成时，为了便于描述，形成所述单元透镜20下部的圆锥形透镜可以称作第一圆锥形透镜22，以及形成所述单元透镜20上部的圆锥形透镜可以称作第二圆锥形透镜24。这样，形成所述单元透镜20下部的第一圆锥形透镜22的底面直径D1可以根据单元透镜20的二维排列形式和/或单元透镜20之间的间距P而具有不同的范围。考虑到使用目的、器件的类型以及可制造性，设计者可以适当地选择单元透镜20的二维排列的形式和单元透镜20之间的间距P。
根据本发明实施方式的单元透镜20之间的间距P的范围可以为20到500μm。参考图3，单元透镜20之间的间距P指的是相邻的单元透镜底面中心之间的距离。当间距P小于20μm时，制造透镜模具有困难。当间距P大于500μm时，透镜的高度和体积会增加。那么，制造成本会不可避免地增加。而且，虽然透镜外部会容易识别，但是光分布的均匀度会下降从而降低外部质量。
同时，对单元透镜的二维排列形式并没有特别限定，并且设计者可以选择合适的形式。图3示出了根据本发明实施方式的单元透镜20的排列的实例，其显示了单元透镜底面的排列状态。参考图3，根据本发明的实施方式的单元透镜可以以蜂窝状结构排列。当单元透镜的排列具有蜂窝状结构时，各透镜之间的平坦空间(称作间隙)会减到最小。与其他排列相比，该排列会表现出优异的光提取效率。而且，尽管没有示出，根据本发明的实施方式的单元透镜可以以在透镜之间具有微小间隙的这样的方式排列。
更具体地，根据本发明的实施方式的单元透镜可以以这种方式排列，即第一圆锥形透镜的底面直径的范围是单元透镜之间的间距P的80到116％，较佳为90到116％，或者最佳为100到115％。当所述第一圆锥形透镜的底面直径小于所述间距P的80％时，透镜之间的平面会增加。那么，由所述平面引起的全反射作用会增加，从而降低光提取效率。当所述第一圆锥形透镜的底面直径大于116％时，在蜂窝状结构中，所述第一圆锥形透镜的底面直径会偏离物理上可能的最大直径。按照依据透镜形状的模拟结果，当直径D1的范围是间距P的100到115％时，会呈现出优异的光提取效率。该范围对应于这样的范围，即透镜20之间存在微小间隙，并且所述间隙的平面可以作为光提取的积极因素。
同时，所述第二圆锥形透镜的底面直径的范围可以是所述第一圆锥形透镜的底面直径的40到80％。当所述第二圆锥形透镜的底面直径小于40％或大于80％时，不能显现出不同种类透镜的结合对光提取效率的提高。
形成根据本发明实施方式的单元透镜下部的第一圆锥形透镜22可以具有如以下公式1所表示的透镜形状。
[公式1]
在公式1中，当假定透镜满足公式1时，r1代表透镜虚拟顶点处的曲率半径，k1代表第一圆锥形透镜的圆锥常数，以及H1代表从所述第一圆锥形透镜的底面到透镜的虚拟顶点的高度。此时，第一圆锥形透镜的虚拟顶点可以由图2中A点代表。根据本发明的实施方式的单元透镜中的虚拟顶点并不是现实存在的，而是表明如公式1所示的透镜的理论顶点。
当第一圆锥形透镜用公式1表示时，所述曲率半径r1的范围可以是第一圆锥形透镜的底面直径的0.1到200％，较佳为1到35％，或者最佳为1到5％。所述圆锥常数k1的范围可以是-25到-1.2，较佳为-4.5到-2，或者最佳为-4到-2.5。此处，当第一圆锥形透镜的曲率半径r1大于所述第一圆锥形透镜的底面直径的200％时，光提取效率的改进效果几乎没有体现。当第一圆锥形透镜的曲率半径r1为所述第一圆锥形透镜的底面直径的1到5％时，改进效果最大化。同时，当所述圆锥常数k1大于-1.2或者小于-2.5时，光提取效率的改进效果没有体现。当所述圆锥常数k1的范围是-4到-2.5时，改进效果最大化。
同时，形成单元透镜下部的第二圆锥形透镜24可以具有如以下公式2所表示的透镜形状。
[公式2]
在公式2中，r2代表在第二圆锥形透镜的顶点B处的曲率半径，k2代表所述第二圆锥形透镜的圆锥常数，H2代表从所述第二圆锥形透镜的底面S2到顶点B的高度，以及y0代表从所述第一圆锥形透镜的底面S1到所述第二圆锥形透镜的底面S2的直径D2与所述第一圆锥形透镜的横截面直径相等的位置处的高度，也就是说，从所述第一圆锥形透镜的底面S1到所述第二圆锥形透镜的底面S2的高度。
当第二圆锥形透镜如公式2所示时，可以分别将曲率半径r2和圆锥常数k2设置成与曲率半径r1和圆锥常数k1不同的值。随着其中差别的变大，效果增加。在对于相关圆锥常数k2能够形成圆锥曲面的值中，曲率半径r2可以选择为不同于曲率半径r1的值。较佳地，曲率半径r2的范围可以是第二圆锥透镜的底面直径的10到3000％，或者最佳为50到3000％。圆锥常数k2可以具有与圆锥常数k1不同的任意值。较佳地，圆锥常数k2的范围可以是-2.5到0，最佳为-2到0。当曲率半径r2等于或大于第二圆锥形透镜的底面直径的50％，并且圆锥常数k2在不同于圆锥常数k1的范围内具有接近0的值时，光提取效率的改进效果十分出色。
同时，根据本发明的实施方式的光提取构件10可以由透明材料形成，并且对所述光提取构件10的材料没有特别限定。例如，树脂、塑料和玻璃等可以用作所述光提取构件10的材料。所述树脂可以包括氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、丙烯酸酯或者自由基产生型单体。这些树脂可以独立地使用或组合使用。所述塑料可以包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)以及PMMA和PS的共聚物。可以选择它们中的一种或多种来用作塑料。所述玻璃可以包括二氧化硅或硅酸盐，所述硅酸盐是通过在SiO2中加入氧化物(如Li2O、B2O3、CaO、K2O或MgO)而得到。
制造具有在其一个表面上形成有单元透镜的光提取构件的方法对本领域技术人员而言是众所周知的。因此，可以使用根据相关领域中的方法。例如，当使用树脂时，可以将所述树脂注入到基底材料和刻有所需形状的模具之间，然后通过采用紫外线或热进行固化，从而制造所述光提取构件。因此当使用塑料或者玻璃时，可以使用注塑成型工艺，其中，将熔融塑料或玻璃注入到注塑模具中并随后冷却以得到所述光提取构件。而且，当使用玻璃时，可以使用如反应离子蚀刻(RIE)的蚀刻工艺来形成所述光提取构件。
当根据本发明的实施方式的光提取构件应用于OLED时，光提取效率的改进效果要优于当使用现有的具有半球形或多边锥形的光提取片的效果。这是因为与具有单一曲面形状(半球形)或者多边锥形的透镜结构相比，根据本发明的实施方式的具有两种以上曲面的结构，在OLED的光源分布(按照朗伯分布(Lambertian distribution))中，能够有效减少与空气层的交界面处的全反射条件。这将更详细地描述如下。尽管所述具有半球形或者多边锥形的透镜结构比平坦表面的透镜结构可以更有效地减少与空气层交界面处的全反射条件，但是光可以沿单曲面或者单斜面被全部反射，或者相当数量的光通过反射可以再循环到发光层或者反射层中(这基本上相当于全反射)。当在循环光遇到具有相同形状的曲面或者斜面时，所述光很可能会再循环一次。
随着OLED内再循环光的量的增加，再循环期间OLED内有机材料层或者反射层吸收的光的量会增加。由此，光损失不断发生。因此，提高光提取效率是有限度的。然而，当以根据本发明实施方式的具有两个以上不同曲面的形状形成单元透镜时，即使相对于第一曲面具有全反射特性的光，在相对于第二曲面时不会具有全反射特性。而且，即使相对于第二曲面满足全反射条件的光，在相对于第一曲面时不会满足全反射条件。因此，与具有单一曲面的单元透镜相比，光再循环的量可以减少。因此，提高光提取效率成为可能。
根据本发明的实施方式的光提取构件可以用于OLED。在这种情况下，所述光提取构件以这种方式堆叠，即其上形成有单元透镜的表面的相对面朝向OLED的透明基板。
实施例
以下，将结合具体实施方式对本发明进行更详细地描述。
[实施例1]
测定OLED的光提取效率，该OLED包括光提取构件，其中多个单元透镜以间距P为50μm的蜂窝状结构二维排列，并且每个单元透镜是由如公式1所表示的第一圆锥形透镜和如公式2所表示的第二圆锥形透镜结合而形成的。
此时，在D1＝52μm、D2＝30.8μm、r1＝1.4μm、k1＝-3.246、H1＝16.74μm、r2＝15.4μm、k2＝-0.05、H2＝12.59μm和y0＝7.07μm的条件下，测定光提取效率。
当上述包括单元透镜的光提取构件应用于OLED时，通过使用射线追踪程序(TracePro of Lambda Research公司)来模拟该OLED的光提取效率。此时，模拟条件如下设置。将OLED光源分布设置成与朗伯光分布相符合，并且通过使用相对于铝的吸收和反射特性来限定反射层的吸收和反射特性。而且，通过矫正当仅使用玻璃基板而没有光提取构件时所得到的测量结果以及对所述测量结果的模拟结果来限定与发光有关的层的吸收或散射特性。而且，为了使在玻璃基板和光提取构件之间的界面处的反射最小化，将光提取构件和玻璃基板的折射率设置成相同的值。从玻璃基板进入到空气的光提取效率可以按照如下计算。当假定进入玻璃基板的光的总量为100时，则将提取到空气中的光的量作为光提取效率。
[实施例2]
除了D2＝29μm、r2＝30.5μm、k2＝-1.886、H2＝3.29μm和y0＝7.66μm以外，以与实施例1相同的方式设置条件的状态下来测定OLED的光提取效率。
[实施例3]
在D1＝56μm、D2＝31.92μm、r1＝1.3μm、k1＝-2.997、H1＝19.17μm、r2＝15.96μm、k2＝-0.5、H2＝9.35μm和y0＝8.51μm的条件下测定OLED的光提取效率。
[实施例4]
除了r1＝0.01μm、H1＝17.34μm和y0＝7.07μm以外，以与实施例1相同的方式设置条件的状态下来测定OLED的光提取效率。
[实施例5]
除了r1＝100μm、H1＝3.26μm和y0＝2.09μm以外，以与实施例1相同的方式设置条件的状态下来测定OLED的光提取效率。
[实施例6]
除了k1＝-1.2、H1＝51.56μm和y0＝23.42μm以外，以与实施例1相同的方式设置条件的状态下来测定OLED的光提取效率。
[实施例7]
除了k1＝-25、H1＝5.25μm和y0＝2.16μm以外，以与实施例1相同的方式设置条件的状态下来测定OLED的光提取效率。
[实施例8]
除了r2＝0.308μm、k2＝-1和H2＝385μm以外，以与实施例1相同的方式设置条件的状态下来测定OLED的光提取效率。
[实施例9]
除了r2＝308μm、k2＝-1和H2＝0.39μm以外，以与实施例1相同的方式设置条件的状态下来测定OLED的光提取效率。
[实施例10]
除了k2＝-1000和H2＝0.47μm以外，以与实施例1相同的方式设置条件的状态下来测定OLED的光提取效率。
[对比实施例1]
以与实施例1相同的方式测定不使用光提取构件的OLED的光提取效率。
[对比实施例2]
以与实施例1相同的方式测定包括其中具有25μm半径的半球形透镜以蜂窝状结构二维排列的光提取构件的OLED的光提取效率。
表1显示出实施例1到10以及对比实施例1和2的测量结果。表1中，当假定对比实施例1中的光提取效率为1时，括号中的值表示光效率提高的程度。
[表1]
| 光提取效率(％) | |
| 对比实施例1 | 51.6％(1.00) |
| 对比实施例2 | 79.4％(1.53) |
| 实施例1 | 93.0％(1.80) |
| 实施例2 | 92.0％(1.78) |
| 实施例3 | 94.0％(1.82) |
| 实施例4 | 82.8％(1.60) |
| 实施例5 | 80.0％(1.55) |
| 实施例t6 | 80.7％(1.56) |
| 实施例7 | 80.1％(1.55) |
| 实施例8 | 80.8％(1.57) |
| 实施例9 | 93.4％(1.81) |
| 实施例10 | 93.4％(1.81) |
参考表1，可以看出，当使用根据本发明的实施方式的光提取构件时，与对比实施例1相比，光提取效率可以提高55％到82％。而且，与对比实施例2相比，光提取效率可以提高2％到29％。
尽管已结合示例性实施方式示出和描述了本发明，但对本领域技术人员显而易见的是，在不偏离所附权利要求限定的本发明的实质和范围内可以做出各种改变和改进。
Claims (15)
1.一种光提取构件，其包括排列在其一个表面上的多个单元透镜，其中，每个所述单元透镜包括两种以上圆锥形透镜的组合。
2.根据权利要求1所述的光提取构件，其中，所述单元透镜之间的间距的范围是20到500μm。
3.根据权利要求1所述的光提取构件，其中，所述单元透镜的高度的范围是所述单元透镜之间间距的10到100％。
4.根据权利要求1所述的光提取构件，其中，所述单元透镜以蜂窝状结构排列。
5.根据权利要求1所述的光提取构件，其中，每个所述单元透镜包括形成所述单元透镜下部的第一圆锥形透镜和形成所述单元透镜上部的第二圆锥形透镜。
6.根据权利要求5所述的光提取构件，其中，所述第一圆锥形透镜的底面的直径的范围是所述单元透镜之间间距的80到116％。
7.根据权利要求5所述的光提取构件，其中，所述第二圆锥形透镜的底面直径的范围是所述第一圆锥形透镜的底面直径的40到80％。
8.根据权利要求5所述的光提取构件，其中，所述第一圆锥形透镜具有如[公式1]表示的透镜形状，以及所述第二圆锥形透镜具有如[公式2]表示的透镜形状：
[公式1]
其中，r1代表在所述第一圆锥形透镜的虚拟顶点处的曲率半径，k1代表所述第一圆锥形透镜的圆锥常数，和H1代表从所述第一圆锥形透镜的底面到所述虚拟顶点的高度，以及
[公式2]
其中，r2代表在所述第二圆锥形透镜的顶点处的曲率半径，k2代表所述第二圆锥形透镜的圆锥常数，H2代表从所述第二圆锥形透镜的底面到顶点的高度，和y0代表从所述第一圆锥形透镜的底面到所述第二圆锥形透镜的底面直径与所述第一圆锥形透镜的横截面直径相等的位置处的高度。
9.根据权利要求8所述的光提取构件，其中，r1的范围是所述第一圆锥形透镜的底面直径的0.1到200％。
10.根据权利要求8所述的光提取构件，其中，k1的范围是-25到-1.2。
11.根据权利要求8所述的光提取构件，其中，r2具有与r1不同的值。
12.根据权利要求11所述的光提取构件，其中，r2的范围是所述第二圆锥透镜的底面直径的50到3000％。
13.根据权利要求8所述的光提取构件，其中，k2具有与k1不同的值。
14.根据权利要求13所述的光提取构件，其中，k2的范围是-2.5到0。
15.一种有机发光二极管(OLED)，其包括如权利要求1到14中任一项所述的光提取构件。
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