CN102856511A - 有机发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种有机发光装置，包含一发光层、一第一电极以及一第二电极，发光层设置于该上电极与该下电极之间。发光层包含，一具有第一分子能阶的主发光体（host）、以及一具有第二分子能阶的客发光体（dopant）。其中，第一分子能阶的最高占有轨道（HOMO）能阶与第二分子能阶的HOMO能阶实质相同，或第一分子能阶的最低未占有轨道（LUMO）能阶与第二分子能阶的LUMO能阶实质相同。本发明提出的有机发光装置能有效降低操作电压，并大大地改进了发光效率。
Description
技术领域
本发明关于一种发光装置，明确而言，关于一种有机发光装置。
背景技术
近年来，许多研究致力于电致发光装置技术的发展，其中有机发光装置（如有机发光二极管）更是受到瞩目。而所谓的电致发光，是将电子自高能量状态(激发态)降至下方能阶的能量状态，以光波形式释出能量时所呈现的现象。
基本的有机发光装置的电致发光构造，是将有机发光分子材料夹于二层电极之间。首先，由阳极（一般使用的材料为铟锡氧化物ITO透明电极）向发光层注入电洞，自阴极注入电子，而电子电洞在发光分子材料形成的发光层中结合藉以将发光层材料自基态（ground state）激发成为激态（excited state），当发光层分子材料从激态重返基态时释出能量时发光，而将电能转换成光波。简言之，就是在发光层分子材料中流通电流，以电能致使发光层分子材料发光。然而，若直接以100%发光体单一材料作为发光层的话，将会造成激子焠熄，致使发光效率非常低。目前的做法是在如磷光有机发光二极管（OLED）中，以主发光体（host）与客发光体（dopant或dye）搭配共蒸镀形成发光层。
就目前的磷光发光二极管发光层的分子能阶结构而言，当施加电压时，主发光体材料中还原态分子的电子与氧化态分子的电洞先分别注入至具一能阶差(能障)的主发光体分子，形成激子(exciton)后，再将能量转移至客发光体分子，之后再藉由客发光体分子由激态返回基态而发光。所以，磷光主发光体材料的能阶（单重态(singlet)能阶或三重态(triplet)能阶）必须大于磷光客发光材料的能阶，其中，磷光主发光体材料的单重态能阶的能阶差(HOMO－LUMO)更大。对于能障较大的有机发光二极管(如蓝色磷光发光二极管)而言，需要更大的操作电压以将电能转换成光波。此外，因蓝色磷光主发光体分子材料的单重态能阶的能阶差特别大，所以蓝色磷光OLED的操作电压会明显大于其它光色的元件。
因此，现有的光致发光装置中仍存有降低操作电压及改进发光效率的需求。
发明内容
本发明提出了一种有机发光装置，包含一发光层、一上电极以及一下电极，发光层设置于该上电极与该下电极之间。发光层包含，一具有第一分子能阶的主发光体（host）、以及一具有第二分子能阶的客发光体（dopant）。其中，第一分子能阶的最高占有轨道（HOMO）能阶与第二分子能阶的HOMO能阶实质相同，或第一分子能阶的最低未占有轨道（LUMO）能阶与第二分子能阶的LUMO能阶实质相同。
所述的有机发光装置，其中，该主发光体与该客发光体的材料为磷光材料。
所述的有机发光装置，其中，该主发光体为n型磷光材料，该客发光体为p型磷光材料。
所述的有机发光装置，其中，该主发光体的第一分子能阶与该客发光体的该第二分子能阶的LUMO能阶相同或是差异低于0.3eV。
所述的有机发光装置，其中，该主发光体为p型磷光材料，该客发光体为n型磷光材料。
所述的有机发光装置，其中，该主发光体的第一分子能阶与该客发光体的该第二分子能阶的HOMO能阶相同或是差异低于0.3eV。
所述的有机发光装置，其中，该发光层、该上电极与该下电极之间还包括传导层、注入层、或传导层及注入层。
所述的有机发光装置，其中，该传导层是电子传导层或电洞传导层，且该注入层是电子注入层或电洞注入层。
本发明提出的有机发光装置能有效降低操作电压，并大大地改进了发光效率。
附图说明
图1是显示根据本发明的一实施例的有机发光装置；
图2是现有技术的发光层的分子能阶示意图；
图3(A)、3(B)是根据本发明的一实施例的有机发光装置，其中发光层的分子能阶示意图；
图4是显示根据本发明的实施例一的有机发光装置；
图5的(A)图是显示根据本发明的一实施例，不同操作电压下所产生的电流密度值；(B)图是点亮(turn on)此实施例所需操作电压的阈值(thresholdvalue)；
图6是显示根据本发明的实施例二的有机发光装置；
图7(A)、(B)中显示比较实施例二与比较例一的发光效率的坐标图；
图8(A)、(B)显示比较实施例一与比较例二的发光效率的坐标图。
其中，附图标记：
100：有机发光二极管 102：发光层
104：上电极 106：下电极
200：发光层分子能阶 210：主发光体
212：主发光体LUMO能阶 214：主发光体HOMO能阶
216：主发光体分子能阶差 220：客发光体
222：客发光体LUMO能阶 224：客发光体HOMO能阶
226：客发光体分子能阶差 300：发光层分子能阶
310：主发光体 312：主发光体LUMO能阶
314：主发光体HOMO能阶 316：主发光体分子能阶差
320：客发光体 322：客发光体LUMO能阶
324：客发光体HOMO能阶 326：客发光体分子能阶差
300’：发光层分子能阶 310’：主发光体
312’：主发光体LUMO能阶 314’：主发光体HOMO能阶
316’：主发光体分子能阶差 320’：客发光体
322’：客发光体LUMO能阶 324’：客发光体HOMO能阶
326’：客发光体分子能阶差 400：有机发光二极管装置
402：蓝光发光层 403：红绿光发光层
404:电子传导层 404’:电洞传导层
406：上电极 406’：下电极
600：有机发光二极管装置 602：蓝光发光层
604：电子传导层 606：电子注入层
604’：电洞传导层 606’：电洞注入层
608：上电极 608’：下电极
具体实施方式
本发明的目的及优点，藉由下列较佳实施例中伴随图式与元件符号的详细叙述后，将更为显著。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，可参照所附的图式及以下所述各种实施例，图式中相同的号码代表相同或相似的元件，并且为求清楚说明，元件的大小或厚度可能夸大显示，并未依照原尺寸作图。此外，为简化图式起见，一些现有惯用的结构与元件在图式中将以简单示意的方式绘示之。然而，应了解到所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围。这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。而结构运作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。
本发明中的“上”、“下”、“前”、“后”等用语，均为便于说明根据本发明的实施例中元件的相对位置或时间顺序所采的描述，而非用限制的目的。
根据本发明的有机发光装置一实施例，设计在同一发光层中，使主发光体与客发光体之间的HOMO或LUMO能阶实质相同的发明概念。而所谓“实质相同”，指两个相互比较的分子能阶相同或是能阶差异低于0.3eV（即介于0~0.3eV范围内）。
根据本发明的实施例的有机发光装置的发光层，其分子能阶能使较多的电子或电洞，不须分别注入至高能障的主发光体分子材料（如磷光蓝色有机分子）的LUMO与HOMO能阶，再将能量转移至客发光体后发光。反之，只须注入至能障较小的客发光体分子材料上，直接形成激子而发光，进而降低磷光蓝色OLED的操作电压。
请参阅图1所示，图1为根据本发明的有机发光装置的一实施例的示意图。
该实施例是一种有机发光二极管100。此有机发光二极管100包含一上电极(阴极)104、一下电极(阳极)106以及设置于上电极104与下电极106之间的发光层102。
为了使发光层与上、下电极之间具有良好的介面结合性，可选择性地于两者之间加上缓冲层。缓冲层可包括但不限于分别用于电子与电洞的注入层与传导层。所以，根据本发明的一实施例，有机发光二极管可包括一发光层（各色发光层可分开）、一电子注入层、一电子传导层、一电洞注入层、一电洞注入层等多层结构的有机发光装置。由于发光层分子材料具有电子传导的特性，故亦可不设置电子传导层。
图2是显示一现有有机发光二极管中发光层的分子能阶200的示意图。现有有机发光二极管的发光层包括主发光体210与客发光体220，其各别分子能阶中，主发光体210具有一由最高占有轨道(HOMO)能阶214与一最低未占有轨道(LUMO)能阶212，其间的差异定义主发光体的分子能阶差216。客发光体220具有一HOMO能阶224与一LUMO能阶222，其间的差异定义客发光体的分子能阶差226。如图2所示，于现有的有机发光二极管的发光层中，其中客发光体220与主发光体210的LUMO与HOMO能阶之间皆具有一能阶间隙（energy gap）。
在现有有机发光二极管的发光层的分子能阶200中，由于电子需被激发至LUMO与HOMO能阶差较大的主发光体分子材料后，再将能量转移至客发光体形成激子后发光（hν）。
图3(A)、(B)是根据本发明的实施例的有机发光装置中，发光层的分子能阶300的示意图。配合不同传导类型或具不同LUMO/HOMO能阶值的主/客发光体，使主发光体分子材料的LUMO能阶与客发光体分子材料的LUMO能阶实质相同（如图3(A)所示），或主发光体分子材料的HOMO能阶与客发光体分子材料的HOMO能阶实质相同（如图3(B)所示）。
具体言之，图3(A)中分子能阶300包括：主发光体310，其具有一由HOMO能阶314与一LUMO能阶312定义的分子能阶差316；客发光体320，其具有一由HOMO能阶324与一LUMO能阶322定义的分子能阶差326。由于客发光体320与主发光体310的LUMO能阶相同，电子/电洞直接注入至能阶差较小的客发光体分子材料上形成激子而发光（hν）。此发光层分子能阶结构一般由n型主发光体分子材料与p型客发光体分子材料形成。
参照图3(B)，其分子能阶300’包括：主发光体310’，其具有一由HOMO能阶314’与一LUMO能阶312’定义的分子能阶差316’；客发光体320’具有一由HOMO能阶324’与一LUMO能阶322’定义的分子能阶差326’。由于客发光体320’与主发光体310’的HOMO能阶相同，电子/电洞直接注入至能阶差较小的客发光体分子材料上形成激子而发光（hν）。此发光层分子能阶结构一般由p型主发光体分子材料与n型客发光体分子材料形成。
图4是显示根据本发明的有机发光二极管的实施例一的有机发光二极管（OLED）装置400示意图。于此有机发光二极管装置400中，上电极（阴极）406与下电极（阳极，ITO透明电极）406’之间，夹置蓝光发光层402与红绿光发光层403。于该两发光层与阴极和阳极之间，各自夹置一层电子传导层404及电洞传导层404’。
根据实施例一，此蓝色发光层由80%的H93作为n型主发光体分子材料与20%的BD176作为p型客发光体分子材料所构成。n型主发光体分子材料H93的HOMO能阶为5.8电子伏特(eV)，LUMO能阶为2.4eV，能阶差为3.4eV。p型客发光体分子BD176的HOMO能阶为5.1eV，LUMO能阶为2.4eV，能阶差为2.7eV。图5(A)是显示根据本实施例，不同操作电压下所产生的电流密度值；图5(B)是点亮(turn on)此有机发光二极管装置所需操作电压的阈值(threshold value)，以及随操作电压的亮度变化。参阅图5(B)所示，点亮本实施的有机发光二极管装置所需的操作电压仅为2.75V，趋近客发光体分子材料HOMO与LUMO能阶差的理论值2.7V，而远低于先将电子/电洞分别注入主发光体分子所需的3.4V。由于n型主发光体分子材料H93的LUMO能阶与p型客发光体分子BD176的LUMO能阶相同，所以本发明发光层的载子注入机制为电子/电洞直接分别注入H93的LUMO能阶以及BD176的HOMO能阶，进而降低载子注入的能障使得操作电压降低。
图6显示本发明的实施例二与比较例一的磷光蓝色有机发光二极管装置600示意图。于此磷光蓝色有机发光二极管装置600中，上电极（阴极）608与下电极（阳极，ITO透明电极）608’之间，夹置蓝光发光层602。于该发光层602与阴极608和阳极608’之间，各自夹置一电子传导层604/一电子注入层606及一电洞传导层604’/一电洞注入层606’。
本实施例二与比较例一中，此蓝色发光层所使用的主发/客体分子材料如下表一
表一
| 发光层 | 主发光体分子材料 | 客发光体分子材料 |
| 实施例二 | H93(80%) | BD176(20%) |
| 比较例一 | 39TCz(80%) | BD176(20%) |
于比较例一中，由80%的39TCz(3,6-bis(carbazol-9-yl)-9-(2-ethyl-hexyl)-9H-carbazole)作为主发光体分子材料与20%的BD176作为p型客发光体分子材料所构成。主发光体分子材料39TCz的HOMO能阶为5.5eV，LUMO能阶为2.23eV，能阶差为3.27eV。p型客发光体分子材料BD176的HOMO能阶为5.1eV，LUMO能阶为2.4eV，能阶差为2.7eV。主发光体分子材料39TCz与p型客发光体分子BD176的LUMO能阶差异低于0.3eV。由于主发光体分子材料39TCz为偏p型的材料型态，其提供电子传导能力不佳。因此比较例一发光层的分子能阶为电子/电洞不易直接分别注入39TCz的LUMO能阶以及BD176的HOMO能阶，进而无法降低载子注入的能障使得操作电压降低。
图7(A)、(B)显示比较实施例二与比较例一的发光效率的坐标图。其中，于图7(A)及7(B)中，左侧曲线(实线部分)为根据实施例二的量测值，而右侧曲线(虚线部分)则为比较例一的量测值。由图中明确可知，在相同的操作电压下，根据本发明的实施例二的磷光蓝色有机发光二极管无论在亮度或与电流密度的表现上，均高出比较例一甚多。
图8(A)、(B)显示实施例一与比较例二的发光效率比较坐标图。其中，比较例二是使用与实施例一相同的有机发光二极管装置400结构。
表二
| 发光层 | 主发光体分子材料 | 客发光体分子材料 |
| 实施例一 | H93(80%) | BD176(20%) |
| 比较例二 | TFTPA(80%) | BD176(20%) |
根据本案比较例二，其中蓝色发光层由80%的TFTPA(fluorene-triphenylamine tris[4-(9phenylfluoren-9-ylphenyamine)作为主发光体分子材料与20%的BD176作为客发光体分子材料所构成。主发光体分子材料TFTPA的HOMO能阶为5.57eV，LUMO能阶为2.1eV，能阶差为3.37eV。客发光体分子材料BD176的HOMO能阶为5.1eV，LUMO能阶为2.4eV，能阶差为2.7eV。主发光体分子材料TFTPA与客发光体分子BD176的LUMO能阶差异为0.3eV。主客发光体之间的LUMO能阶差异较大(能障较大)，比较例二中，电子传输层的电子较难以直接注入至TFTPA的LUMO能阶中，故无法降低操作电压。若以将电子推送至主发光体分子材料的LUMO能阶且将电洞注入至客发光体分子材料的HOMO能阶观之，其间能阶差为3.0eV（5.1eV－2.1eV），明显高于本案实施例一的客发光体分子材料HOMO与LUMO能阶差的理论值2.7eV。
由图8(A)及8(B)中，左侧曲线（菱形点）为根据实施例一的量测值，而右侧曲线（三角形点）则为比较例二的量测值。类似于图7(A)及7(B)所示，在相同的操作电压下，根据本发明的实施例一的有机发光二极管无论在亮度或电流密度的表现上，均高出比较例二甚多。
本案中各实施例与比较例中所用的主发光体材料及客发光体材料均由联合显示公司（Universal Display Corporation,UDC）市售的材购得，其中H93与BD176等代号为UDC分别针对特定有机化合物与有机金属化合物材料的不变商品名称。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (8)
1.一种有机发光装置，其特征在于，包含：
一发光层，包含
一主发光体，具有第一分子能阶；以及
一客发光体，具有第二分子能阶，其中该第一分子能阶的最高占有轨道HOMO能阶与该第二分子能阶的HOMO能阶实质相同，或该第一分子能阶的最低未占有轨道LUMO能阶与该第二分子能阶的LUMO能阶实质相同；
一上电极；以及
一下电极，其中该发光层设置于该上电极与该下电极之间。
2.根据权利要求1所述的有机发光装置，其特征在于，该主发光体与该客发光体的材料为磷光材料。
3.根据权利要求1所述的有机发光装置，其特征在于，该主发光体为n型磷光材料，该客发光体为p型磷光材料。
4.根据权利要求3所述的有机发光装置，其特征在于，该主发光体的第一分子能阶与该客发光体的该第二分子能阶的LUMO能阶相同或是差异低于0.3eV。
5.根据权利要求1所述的有机发光装置，其特征在于，该主发光体为p型磷光材料，该客发光体为n型磷光材料。
6.根据权利要求5所述的有机发光装置，其特征在于，该主发光体的第一分子能阶与该客发光体的该第二分子能阶的HOMO能阶相同或是差异低于0.3eV。
7.根据权利要求1所述的有机发光装置，其特征在于，该发光层、该上电极与该下电极之间还包括传导层、注入层、或传导层及注入层。
8.根据权利要求7所述的有机发光装置，其特征在于，该传导层是电子传导层或电洞传导层，且该注入层是电子注入层或电洞注入层。
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