CN102844904B - 具有内部纳米结构和外部微结构的oled光提取膜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于有机发光二极管（OLED）装置的光提取膜，所述光提取膜具有内部纳米结构和外部微结构。所述光提取膜包括：大体透明的柔性膜；施加到所述膜上的低折射率纳米结构化层；以及施加到所述纳米结构化层上的高折射率平面化回填层。外部光学微结构在与所述纳米结构化层相背的一侧上施加到所述大体透明的柔性膜上，以增强从所述OLED装置的光提取，同时提供更均匀的亮度分布。
Description
背景技术
有机发光二极管（OLED）装置包括夹在阴极与阳极之间的电致发光有机材料薄膜，并且这些电极中的一者或两者均为透明导体。当在装置两端施加电压时，电子和空穴从它们各自的电极注入，并通过中间形成发光激子而在电致发光有机材料中复合。
在OLED装置中，所产生的光通常由于装置结构内的工艺而损失掉70%以上。折射率较高的有机层和铟锡氧化物（ITO）层与折射率较低的基底层之间的界面处的陷光是提取效率低下的主要原因。只有相对少量的发射光作为“可用”光穿过透明电极。大部分光会发生内反射，这导致这些光从装置边缘发出，或陷在装置内并在反复穿行之后最终因吸收到装置内而损失掉。
光提取膜使用内部纳米结构来避免装置内发生波导损耗。尽管提供强效的光提取，但包括光子晶体或直线光栅等规则特征的内部纳米结构趋于产生图案式亮度和色彩分布，这在最终应用中可能是不可取的。因此，需要使光提取膜既能通过纳米结构来有效地增强光提取，又能减小光输出中的亮度和色彩的角度不均匀性。
发明内容
符合本发明的光提取膜包括：大体透明的柔性膜；施加到所述大体透明的柔性膜上的低折射率纳米结构化层；以及施加到所述纳米结构化层上的高折射率平面化回填层。在与所述纳米结构化层相背的一侧上将外部光学微结构施加到所述大体透明的柔性膜上。
符合本发明的制备光提取膜的方法包括：提供大体透明的柔性膜；将低折射率纳米结构化层施加到所述大体透明的柔性膜；以及将高折射率平面化回填膜施加到所述纳米结构化层上。所述方法还包括在与所述纳米结构化层相背的一侧上将外部光学微结构施加到所述大体透明的柔性膜上。
内部纳米结构与外部微结构相结合用于以亮度分布更均匀的方式增强光提取。
附图说明
附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且它们结合具体实施方式阐明本发明的优点和原理。在这些附图中，
图1是具有纳米结构的光提取膜的示意图；
图2是具有纳米粒子的光提取膜的示意图；以及
图3是具有外部微结构的光提取膜的OLED装置的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及光提取膜以及它们对OLED装置的使用。光提取膜的实例在美国专利申请公开No.2009/001575和No.2009/0015142中有所描述。
图1是具有纳米结构的光提取膜10的构造示意图。光提取膜10包括大体透明的柔性膜基底18；低折射率纳米结构化层16；高折射率平面化回填层14；以及可选的保护层12。纳米结构化层16包括纳米结构，即，具有小于2微米，优选小于1微米的至少一个维度的结构。所述纳米结构化层可具有周期性、准周期性或无规则的光学纳米结构分布或图案，包括光子晶体结构或直线光栅。术语光子晶体结构是指散布着这样的材料的周期性或准周期性光学纳米结构：该材料具有足够不同的折射率，使得该结构能够在材料的允许电磁模式的光谱内产生能隙。
纳米结构可以是一维的，即，具有小于2微米的至少一个维度，例如宽度。一维纳米结构包括（例如）连续或细长的棱柱或脊。纳米结构可以是二维的，即，具有小于2微米的至少两个维度，例如两个面内方向。二维纳米结构包括（例如）圆形或方形的柱子。
平面化回填层14施加在纳米结构化层16上，以使该层平面化并用于形成折射率对比。具有高折射率回填层14的低折射率纳米结构化层16意味着，回填层14具有高于纳米结构化层16的折射率，且回填层14与纳米结构化层16之间的折射率差值足够大，以增强与光提取膜10光学通信的OLED装置的光提取。低折射率纳米结构化层16通常具有在1.4到1.6范围内的折射率，但可以使用不同的范围。用于光提取膜的高折射率回填层的实例在2008年10月31日提交的美国专利申请No.12/262393中有所描述。
图2是具有纳米粒子的光提取膜20的示意图。光提取膜20包括大体透明的柔性膜基底28；低折射率纳米结构化层26；高折射率平面化回填层24；以及可选的保护层22。纳米结构化层26包括纳米粒子，即，具有小于2微米，优选小于1微米的至少一个维度的粒子。纳米粒子可由有机材料或其他材料构成，且它们可具有任何规则或不规则的粒子形状。或者，纳米粒子可以多孔粒子来实施。纳米结构的分布也可以具有变化的间距和特征尺寸。纳米粒子的至少一部分优选地与柔性基底接触，且纳米粒子下方可具有空隙。纳米粒子层可以用纳米粒子单层(具有团聚的纳米粒子层)或者纳米粒子多层来实施。纳米粒子可在不使用粘结剂的情况下进行涂覆，这可以致使纳米粒子团聚。此外，纳米粒子优选地进行涂覆，或以表面层方式施加到所述柔性基底。用于光提取膜的纳米粒子的实例在2008年12月17日提交的美国专利申请No.12/336889中有所描述。
平面化回填层24施加在纳米结构化层26上，以使该层平面化并用于形成折射率对比。具有高折射率回填层24的低折射率纳米结构化层26意味着，回填层24具有高于纳米结构化层26中的纳米粒子的折射率，且回填层24与纳米结构化层26中的纳米粒子之间的折射率差值足够大，以增强与光提取膜20光学通信的OLED装置的光提取。
用于光提取膜10和20的基底、低折射率层、高折射率层以及可选的保护层的材料在上文提及的公开专利申请中提供。用于制备光提取膜10和20的工艺也在上文提及的公开专利申请中提供。
图3是具有光提取膜32的OLED装置30的示意图，所述光提取膜具有外部微结构34，以增强从OLED装置30的光提取。光提取膜32可用（例如）上述光提取膜10和20或其他膜实施，以增强从OLED装置的光提取。微结构施加到或位于所述柔性膜基底（例如，膜18和28）中与纳米结构化层相背的一侧上。具体而言，外部光学微结构可以是施加到柔性膜基底上的单独膜，或者微结构可以微复制到膜基底上。
术语微结构是指具有小于1毫米且大于1微米的至少一个维度的结构。微结构可具有周期性、准周期性或无规则的分布或图案。微结构可以是一维的，即，具有在1微米与1毫米之间的至少一个维度，例如宽度。一维微结构包括（例如）连续或细长的棱柱或透镜。微结构也可以是二维的，即，具有在1微米与1毫米之间的至少两个维度，例如两个面内方向。二维微结构包括（例如）小透镜。二维光学微结构的其他实例是2008年11月21日提交的美国专利申请No.12/275631中所述的曲线边锥结构。如果一维外部微结构与一维内部纳米结构（例如，纳米结构16）结合使用，则该微结构优选地与纳米结构正交。例如，膜可以包含与外部直线微结构正交的内部直线纳米结构。其他可用外部微结构包括基于高散射超低折射率材料的二维高纵横比微复制型漫射体以及体漫射体。纳米结构和微结构可各自包括相同类型的结构，或者可以是不同类型结构的组合。
光提取膜32可用以下等多种方法制成。可将具有内部纳米结构的膜层合到具有外部微结构的膜上。可使用顺次微复制工艺来在多个工艺中形成内部纳米结构和外部微结构，其中使用第一工具在膜中形成纳米结构，且使用第二工具在膜中形成微结构。用于制备光学膜的微复制工艺的实例在美国专利No.5,175,030和No.5,183,597中有所描述。使用两个结构化和同步化工具的工艺可用于在单个工艺中在膜中形成纳米结构和微结构。使用两个结构化和同步化工具在两侧上构造膜的设备和工艺在美国专利No.7,165,959中有所描述。可使用挤出工艺来在单个工艺中形成内部纳米结构和外部微结构，可能使用多个结构化挤出辊。挤出工艺的实例在2009年1月29日的美国专利申请No.61/148235以及美国专利No.5,011,642中有所描述。内部纳米结构和外部微结构可使用激光烧蚀，例如美国专利No.6,285,001中所述的激光烧蚀工艺，在分开的工艺中形成。纳米结构和微结构也可使用PCT专利申请公开No.WO 2009/67308和No.WO 2009/67442中所述的用于制造微透镜阵列的工艺形成于膜中。
实例
除非另外指明，否则这些实施例中的所有份数、百分数、比率等均按重量计。除非以不同方式明确指明，否则所用溶剂和其他试剂均购自西格玛奥德里奇化学公司（Sigma-AldrichChemical Company）（美国威斯康星州密尔沃基市（Milwaukee））。
材料
Accentrim是可UV固化树脂共混物，可购自美国明尼苏达州圣保罗市（St.Paul）的3M公司（3M Company）。
Alq是8-羟基喹啉并铝，可得自德国森馨影像科技有限公司（SensientImaging Technologies GmbH）。
BEF2是增亮膜，可得自美国明尼苏达州圣保罗市的3M公司。
BEF3是增亮膜，可得自美国明尼苏达州圣保罗市的3M公司。
BS702是串珠增益漫射器膜，可购自大阪的敬和公司（Kewia Inc.）。
GG12是根据美国专利申请No.12/275631制成的增益漫射器。
GD908是根据日本专利申请No.2009-120416制成的增益漫射器。
LGD是微复制直线增益漫射器。
Smart Gel OC-431A是折射率为1.46的光匹配流体，可得自美国马萨诸塞州费尔港（Fairhaven）的奈润滑剂公司（Nye Lubricants）。
针对实例1到9，参考基于2D光子晶体纳米结构化膜的OLED制造。
基于PET的500nm间距2D光子晶体（PhC）纳米结构化膜的制备方法是，从通过干涉光刻制成的纳米结构化工具进行连续的浇铸和固化（3C）重复，然后使高折射率回填涂层和固化层平面化，如上文提及的美国专利申请No.12/262393所述。铟锡氧化物（ITO）阳极在低真空氩气/氧气环境中经由射频溅射被涂覆到回填纳米结构化膜上，形成约120nm厚、电阻率在30-40Ω/□范围内，且光学透射比横跨可见光谱的中到高到80%的膜。为了减小PET基底膜中的含水量，ITO带涂层膜在惰性气氛中在80℃下退火约16个小时
在OLED装置制造的前一刻，ITO带涂层纳米结构化膜基底将使用标准氧气等离子清洁例程进行预清洁。
以下底部发光OLED构造在10-6托的基准标准真空下制造，使用不同布局的荫罩来用于有机和阴极层沉积：HIL（300nm）/HTL（40nm）/EML（30nm）/Alq（20nm）/LiF（1nm）/Al（200nm），
其中HIL是孔注射层，HTL是孔传送层，EML是具有绿光电致发光特性的发光层，且Alq是电子传送层。
所述装置可通过使用SAES水分和氧气净化吸气剂（可得自美国赛斯吸气剂公司（SAES Getters USA,Inc.）、科罗拉多斯普林斯公司（ColoradoSprings,CO））在惰性气氛下如美国专利No.7,018,713（Padiyath等人）对阻挡封装膜进行层合来进行封装。
实例1-9
为了模拟同时具有内部纳米结构和外部微结构提取器的光提取膜的性能，将基于2D纳米结构化光提取膜构建的成品OLED装置用作评估各种外部漫射器膜的参考。一系列外部漫射器使用Smart Gel OC-431A层合到三个基于2D PhC纳米结构化膜构建的参考OLED装置上（标记为Ref.1、Ref.2和Ref.3）。
所述装置的角亮度性能使用两种方法进行研究：（1）使用设有人工旋转测角计的Photo Research PR650光度相机（可得自美国加利福尼亚州查兹沃斯（Chatsworth）的照片研究公司（Photo Research,Inc.））的角度测定；以及（2）使用Autronic锥光镜（可得自德国卡尔苏鲁厄（Karlsruhe）的奥拖力克梅尔彻公司（Autronic-Melchers GmbH））的锥光测试。对于测角和锥光测量，所述装置均在约10mA/cm2的固定电流密度下驱动。结果如表1所示。
实例10-14
基于PET的600nm间距1D光栅纳米结构化膜的制备方法是，从通过聚焦离子束研磨金刚石车削模具制成的纳米结构化工具进行3C重复，然后使高折射率回填涂层和固化层平面化，如美国专利申请No.12/262393所述。随后如针对实例1-9所述进行以下步骤：ITO阳极溅射、OLED沉积，封装以及评估。
下述的一系列直线外部漫射器使用折射率为1.46的Smart Gel OC-431A光匹配流体层合到基于1D PhC纳米结构化膜构建的装置上。
用于这些实例中的LGD微复制增益漫射器具有直线重复特征，这些特征在平行（II）和垂直（⊥）方向上均朝向1D PhC纳米结构化膜的亚微米直线特征。
实例15
在该实例中，同时具有内部二维光子晶体（PhC）纳米结构和外部微结构的光提取膜通过在一侧已具有微结构的膜的后侧上形成PhC结构来制备。GD12增益漫射器膜仅在一侧上具有底漆，且微结构在该带底漆的侧上。在该实例中，光子晶体结构形成在GD12膜的后侧上（与微结构相背的一侧上）。
为了成功复制到未涂底漆的GD12膜的后侧上，在重复步骤之前先执行涂底漆步骤。接枝涂底漆通过将具有3%二苯甲酮的二丙烯酸己二醇酯薄层施加到GD12膜的后侧上来完成。该薄层的涂覆方法是，将材料滴到膜的后侧上，然后使用KimWipe（可得自美国得克萨斯州欧文市（Irving）的金百利克拉克公司（Kimberly-Clark Corporation））来将材料薄层扩散到整个膜表面。随后在以下条件下在环状线UV处理器上对带涂层膜进行UV固化：Fusion D bulb；100%功率；二向色反射器；以及15cm/秒（每分30英尺线速度。）
使用PCT专利申请No.US 2009/067962所述的柔性聚合物工具，其具有间距为500nm且深度为220-230nm的结构。该聚合物工具被置于设定在57.2℃（135℉）且结构化工具侧朝上的热板上。将Accentrim树脂滴在所述工具的顶部边缘处，然后使GD12膜的带底漆后侧与所述Accentrim树脂和所述工具接触。使用小型手持式辊来向GD12膜的顶侧（结构化侧）施加压力，并更均匀地将Accentrim树脂分布在整个工具的表面。随后，在以下条件下在环状线UV处理器上对这种DG12膜、树脂和聚合物的“夹层结构”进行UV固化：Fusion D bulb；100%功率；二向色反射器；以及15cm/秒（每分30英寸）线速度。一旦固化完成，就将所述膜“夹层结构”冷却约五秒钟，通过将聚合物工具和GD12膜拉开而使其分离。固化重复树脂留在GD12膜的后侧上。
典型2D PhC重复区的AFM研究显示，重复是以良好的保真性进行的，所得2D PhC的结构特性十分类似于复制于其他膜上的相同结构。
Claims (12)
1.一种光提取膜，具有内部纳米结构和外部微结构，所述光提取膜包括：
大体透明的柔性膜；
低折射率纳米结构化层，所述低折射率纳米结构化层施加到所述大体透明的柔性膜上；
高折射率平面化回填层，所述高折射率平面化回填层施加到所述纳米结构化层上；以及
外部光学微结构，所述外部光学微结构在与所述纳米结构化层相背的一侧上施加到所述大体透明的柔性膜上，
其中纳米结构化层包括一维纳米结构，且所述外部光学微结构包括与所述一维纳米结构正交的一维微结构，并且
所述一维纳米结构和所述一维微结构各自为直线结构。
2.根据权利要求1所述的光提取膜，其中所述低折射率纳米结构化层包括纳米粒子，所述纳米粒子以表面层方式施加到所述大体透明的柔性膜上。
3.根据权利要求1所述的光提取膜，其中所述低折射率纳米结构化层包括光子晶体结构或直线光栅。
4.根据权利要求1所述的光提取膜，还包括保护层，所述保护层施加到所述回填层上。
5.根据权利要求1所述的光提取膜，其中所述外部光学微结构包括微透镜阵列。
6.一种用于制备具有内部纳米结构和外部微结构的光提取膜的方法，所述方法包括：
提供大体透明的柔性膜；
将低折射率纳米结构化层施加到所述大体透明的柔性膜上；
将高折射率平面化回填层施加到所述纳米结构化层上；以及
在与所述纳米结构化层相背的一侧上将外部光学微结构施加到所述大体透明的柔性膜上，
其中纳米结构化层包括一维纳米结构，且所述外部光学微结构包括与所述一维纳米结构正交的一维微结构，并且
所述一维纳米结构和所述一维微结构各自为直线结构。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括将保护层施加到所述回填层的上。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述纳米结构化层和所述外部光学微结构包含在两个层合在一起的膜内。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述纳米结构化层和所述外部光学微结构使用顺次微复制工艺形成。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述纳米结构化层和所述外部光学微结构使用两个结构化和同步化工具在单个微复制工艺中形成。
11.根据权利要求6所述的方法，其中所述纳米结构化层和所述外部光学微结构使用挤出工艺形成。
12.根据权利要求6所述的方法，其中所述纳米结构化层和所述外部光学微结构各自使用激光烧蚀工艺形成。
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