CN102870249B - 有机发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机发光器件(OLED)，至少包括：第一电极(102)；第二电极(105)；有机光发射层(104)，布置在所述第一电极和所述第二电极之间；以及有机电荷传输层(103)，布置在所述第一电极和所述发射层之间，其中i)电荷传输层被构图或在电荷传输层面向发射层的表面上具有周期表面结构，和/或ii)定向层(406)提供在所述电荷传输层和所述发射层之间，其允许去往发射层的电荷传输，其中定向层促进所述光发射层的分子的光学偶极子朝向分子轴的公共优选方向的定向。使用经构图的或结构化的电荷传输层和/或定向层提供了从OLED层堆栈的改善的耦合出光，即，增大的外部量子效率。

Description

有机发光器件
技术领域
本发明涉及适于提供增大的耦合出光的有机发光器件(OLED)，以及涉及用于生产这种器件的方法。
背景技术
现今，越来越多的基于发光二极管(LED)的发光器件被用于各种照明应用。特别地，越来越多的有机发光器件(OLED)被用于广告牌照明，诸如广告信息和指示标志。
对于OLED的商业应用，器件效率是重要的参数。总的器件效率是由内部量子效率和外部量子效率(耦合出光)确定的。近年来，已经提出了很多技术用于改进内部量子效率，这些技术包括例如对传输层进行掺杂以增大电荷再结合，以及使用可以实现几乎100％内部量子效率的三重态发射器。也已经提出了改进外部量子效率的多种技术，包括用于基于降低的三重态-三重态退火(triplet-triplet annealing)、以及通过选择具有降低发射的光在层分界面处的反射的厚度和折射率的各种层来降低三重态发射器外部量子效率衰减的特殊堆栈设计。例如，US 7,269,062提出了一种异种结构有机器件，其通过经由注入或其他技术来沉积用于例如空穴传输层的有机材料，以及继而将沉积的有机材料进行交联(cross-linking)以使其不可溶解(insoluble)，而得以创建。该工艺可以针对层的顺序沉积进行重复。交联的层针对选择各种材料的折射率和带隙以控制再结合区的位置以及所发射光子的光学限制提供了灵活性，这可以改进内部量子效率和外部量子效率。
然而，现有器件的问题在于：仍然有相当大部分的光归因于层分界面处的全内反射而身陷有机层或玻璃衬底中。因此，需要改进OLED中剩余的外部量子效率。
发明内容
本发明的目的在于克服这一问题，以及提供具有改进的耦合出光效率的OLED。
根据本发明的第一方面，这个目的和其他目的是通过OLED实现的，该OLED至少包括：
-第一电极；
-第二电极；
-有机光发射层，布置在所述第一电极和所述第二电极之间；以及
-有机电荷传输层，布置在所述第一电极和所述发射层之间，其中电荷传输层被构图或在电荷传输层面向发射层的表面上具有周期表面结构。电荷传输层具有低于OLED诸层中任何其他层的折射率的折射率，并且电荷传输层的构图或周期表面结构具有位于1nm到100μm范围内的周期尺寸。附加于电荷传输层被构图或具有周期表面结构，OLED可以包括定向层，该定向层允许去往发射层的电荷传输，并且提供在所述电荷传输层和所述发射层之间，其中定向层促进所述光发射层的分子的光学偶极子朝向公共优选方向的定向。
本发明可以通过不同的机制来增大OLED的耦合出光效率。可以优化某些实施方式以通过所述机制中的一个机制来显著促进增大的耦合出光，而其他实施方式可被调整以同时利用两个或更多机制实现改进的耦合出光。所述机制包括：
-调整发射层/电荷传输层分界面的折射属性，例如以增大用于从发射层入射到此分界面的光的全内反射临界角，使得更多的光可以传输至电荷传输层以及玻璃衬底，
-利用电荷传输层的光子晶体特征，所述特征包括在电荷传输层平面内方向中抑制的光学态密度，和在与小于全内反射临界角的入射角(在发射层/电荷传输层分界面处)对应的方向中增强的光学态密度，使得更多的光传输至电荷传输层，而不会身陷发射层中，
-将发射器分子的光学偶极子定向在公共优选方向中，由此在入射角不会引起电荷传输层分界面处的大量反射或全反射的方向中指引光的发射。
上述每个机制都会改进光从发射层的抽取，并且每个机制可以通过对电荷传输层进行构图或在电荷传输层面朝发射层的表面上提供周期表面结构来实现。
附加地，所述光学偶极子的定向也可以通过典型地提供在电荷传输层和发射层之间、与发射层直接接触的定向层来实现。由此，本发明还涉及OLED，至少包括：
-第一电极；
-第二电极；
-有机光发射层，布置在所述第一电极和所述第二电极之间；以及
-有机电荷传输层，或者包括电荷传输层和附加层的有机电荷传输层组件，所述电荷传输层或电荷传输层组件布置在所述第一电极和所述发射层之间，并适于促进所述光发射层的分子的光学偶极子朝向公共优选方向的定位，其中
i)电荷传输层被构图或在电荷传输层面朝发射层的表面上具有周期表面结构，其中构图或结构促进所述定向，和
ii)所述电荷传输层组件的附加层是促进所述定向并提供在所述电荷传输层和所述发射层之间的定向层。
光学偶极子的定向典型地通过发射层的分子的自定向来实现，使得其分子轴指向公共优选方向。
在发射层分子的光学偶极子朝向公共优选方向定向的情况下，由发射层中所述偶极子生成的光在某个方向中发射。通过控制分子轴的定向以及由此控制发射器分子的光学偶极子，可以将发射的方向控制至这样的方向中，即，更多的光传输至相邻层而不会由于光导向而身陷发射层中。因此，较之于发射层的分子较少排序的情况，可以从发射层抽取更多的光。
典型地，所述定向层可以提供在电荷传输层和发射层之间，并且与电荷传输层和发射层二者直接接触。为了确保去往发射层的电荷传输，定向层可以包括单层。
构图或周期表面结构的优选尺寸可以因有助于上述哪个/哪些机制而变化。在本发明的实施方式中，电荷传输层的周期结构具有从10埃到100nm范围内的周期尺寸，这适于通过促进发射器分子的定向来增大耦合出光效率。在本发明的其他实施方式中，电荷传输层的周期结构可以具有从1nm到100μm(例如，从1nm到1μm)范围内的周期尺寸。
在本发明的实施方式中，尤其是在耦合出光效率将利用上述机制1)或2)之一增大时，电荷传输层可以具有低于OLED所述层的任何其他层的折射率的折射率。电荷传输层的低折射率有助于增大在发射层/电荷传输层分界面处的全内反射临界角。在这种实施方式中，电荷传输层的周期结构可以具有从1nm到100μm(例如，从1nm到1μm)范围内的周期尺寸。
在本发明的实施方式中，电荷传输层可以形成光子晶体。在这种实施方式中，平面内方向中光子晶体的光学态密度可以通过经构图的或具有所述表面结构的电荷传输层得以抑制，和/或角度小于针对层的法线定义的全内反射临界角(θc)的方向中的光学态密度可以通过经构图的或具有所述表面结构的电荷传输层得以增强。由此，源自发射层去往空穴传输层的光传播得到增强。在这种实施方式中，电荷传输层的周期结构可以具有从1nm到100μm(例如，从1nm到1μm)范围内的周期尺寸。
在另一方面中，本发明提供了一种制造此处描述的OLED的方法，包括步骤：
a)在衬底上提供第一电极层以形成层堆栈的基础；
b)在所述层堆栈上形成电荷传输层；
c)对所述电荷传输层进行构图或利用表面结构对所述电荷传输层进行压花；或
在所述电荷传输层上形成定向层；
d)在所述构图的或压花的电荷传输层上形成光发射层，或
在所述定向层上形成光发射层，由此所述光发射层的分子的分子轴朝向公共优选方向定向；以及
e)在所述层堆栈上提供第二电极层。
步骤c)的压花可以使用纳米压印技术执行。
在本发明的实施方式中，所述层的至少一个层是经溶液处理的。由于溶液处理比层的真空沉积更为便利，所以制造工艺变得更加简单和廉价。而且，溶液处理可以在一个步骤中制造具有期待厚度的平滑层。具体地，电荷传输层可以是经溶液处理的。由此，在本发明的实施方式中，至少步骤b)可以使用溶液处理技术执行。此外，步骤d)和e)的至少一个可以使用真空处理技术执行。
注意，本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能组合。
附图说明
现在，将参考示出本发明实施方式的附图、更详细地描述本发明的这些方面和其他方面。
图1示出了根据本发明一个实施方式的器件横截面侧视图。
图2示出了根据本发明另一实施方式的器件横截面侧视图。
图3示出了根据本发明又一实施方式的器件部分横截面侧视图。
图4示出了根据本发明再一实施方式的器件部分横截面侧视图。
如附图中示出，出于示意目的放大了层和区域的大小，因此提供这些是为了示出本发明实施方式的总体结构。
具体实施方式
本发明人发现，可以通过提供与发射层临近的具有压花周期表面结构的层或者通过对所述层进行构图来改进OLED的耦合出光效率，该层典型地为位于发射层和阳极之间的层，诸如空穴传输层。还发现，附加于电荷传输层被构图或者具有所述周期表面结构或替代这一特征，可以通过在所述电荷传输层与所述发射层之间并入定向层来改进OLED的耦合出光效率，其中定向层促进了所述光发射层的分子的光学偶极子向公共优选方向的定向。
图1示出了根据本发明的有机发光器件横截面。OLED 100布置在用于底层发射配置的常规衬底101(例如，玻璃衬底)上。在衬底101上，提供了半透明的阳极102(典型地由铟锡氧化物(ITO)制成)、有机空穴传输层103、有机光发射层104和常规阴极105(典型地由金属制成)。设想，该器件也可以包括一个或多个附加电荷传输层或电荷阻挡层，其或者位于阳极102和发射层104之间(例如，空穴注入层或空穴阻挡层)，或者位于发射层104和阴极105之间(例如，电子注入层、电子传输层或空穴阻挡层)，或二者。
本发明的有机发光器件可以是小型分子OLED(smOLED)或高分子有机发光器件(PLED)。
空穴传输层103可以通过溶液处理技术或真空沉积技术来产生。典型地，使用常规溶液处理技术(诸如，旋涂、喷墨印刷、丝网印刷、浸渍)来提供空穴传输层。
此外，空穴传输层(HTL)103具有这样的表面结构，该表面结构形成HTL面朝发射层的表面的周期构图。该结构的周期尺寸可以位于1nm到100nm的范围内。该表面结构可以通过例如使用纳米压印光刻技术的压花并由此产生压花表面结构而得以提供。HTL的最大厚度典型地位于1nm到1μm(例如，约100nm)范围内。期待的厚度取决于HTL的材料和器件的整体设计或结构。
无需受限于任何特定理论，可以认为外部量子效率的增加可以取决于空穴传输层的特征、主要通过本发明不同实施方式的不同机制来实现。
例如，在本发明的实施方式中，空穴传输层103可以具有低于临近的发射层104折射率的折射率。空穴传输层的构图或表面结构与较低的折射率的组合确保了尽量少的光身陷空穴传输层，而是传输至透明的衬底。阳极(典型地ITO)可以具有与发射层的折射率类似的折射率。
在本发明另一实施方式中，空穴传输层103可以形成光子晶体。在这种光子晶体中，如上所述向空穴传输层提供表面结构或者对其进行构图的事实可以抑制平面内(in-plane)方向中的光学态密度，和/或增强入射角小于全内反射临界角(θc，相对于法向层定义的)的方向中的光学态密度。由此，增强了源自发射层的光通向空穴传输层的传播。
光子晶体HTL可以具有低于发射层104折射率的折射率。
在使用上述光子晶体的本发明实施方式中，空穴传输层的结构化表面可以调整用于在发射层内提供经构图的发射点。图2示出了OLED的部分，其包括与发射层204直接接触的结构化空穴传输层203。归因于结构化特征，HTL 203的某些区域203a具有比其他区域203b小的层厚度。由于区域203a的较小厚度提供了针对空穴的最小电阻率，所以优选地将经由区域203a来注入空穴，以及优选地，将在发射层中与空穴传输层的区域203a临近的区域204a中发生发射。在图3所示另一实施方式中，已经例如通过各向异性反应离子蚀刻移除了空穴传输层的较小厚度区域，以产生经构图(不连续)的空穴传输层。此处，将仅通过剩余的空穴传输层的区域303a来注入空穴，以及由此光将从发射层与HTL的所述区域303a临近的区域304a发射。局部发射区的这种空间分布允许控制光的相长干涉的方向。因此，光的相长干涉可以在这样的方向中实现，即，在发射层/HTL分界面上的入射角小于全内反射的临界角。此外，可以在这样的方向中实现相消干涉，即，入射角大于全内反射的临界角。由此，发射的方向可以进行这样的调整，以使得在发射层-HTL分界面处的全内反射被减小、最小化或者完全避免。
此处针对层使用的“构图”意在表示该层是不连续的，从而在其底层表面上形成构图，这例如通过利用光刻或蚀刻从初始连续层上移除选定的部分得以形成。
如此处使用的，针对层的“表面结构化”或“压花”意在表示该层进行了部分构图，以在该层表面上产生压印或压花，而不用移除完整的层厚度以便暴露底层或衬底的表面。因此，经表面结构化的或压花的层可以是连续的。
此外，本发明人已经发现，OLED的耦合出光效率也可以通过使发射层的分子排序、使得发射器分子的分子轴朝向公共优选方向定向而得以改进。通过对发射层分子的分子轴进行定向，分子的光学偶极子得以定向，以及因此在预定方向中发射光。因此，通过促进或控制分子轴的定向，光发射的方向可得以促进或控制，以便增加不会导致全内反射的方向中的光发射，以及因此减少或避免会导致全内反射方向的方向中的光发射，由此增加了耦合出光效率。
定向的光学偶极子相对于定向的分子轴优选方向的优选方向可以取决于使用的材料，并且这些方向可以彼此不同。
所述发射器分子的定向可以通过在空穴传输层上沉积发射层而实现，其中空穴传输层已经利用促进所述定向的周期表面结构进行了压花。由此，上文参照图1描述的HTL的构图或表面结构化也可以有助于光学偶极子的定向，由此通过上述机制增加了耦合出光效率。
然而，设想HTL的构图或周期表面结构的不同尺寸可以或多或少地有助于实现定向效果。例如，为了促进分子轴的定向，HTL的构图或表面结构可以具有从1nm到100nm，甚至更小，例如，从约或到高达100nm范围内的尺寸。构图或表面结构上的较大尺寸，例如，高达1μm乃至更多(诸如高达100μm)，可以归因于与低折射率的组合、而不是归因于促进发射器分子的定向，来主要地支持耦合出光的增加。由此，HTL的构图或表面结构的最佳尺寸针对本发明的不同实施方式可以不同。
如此处使用的，“自定向”涉及小分子自我布置、使得其分子轴在公共优选方向中定向的现象。
如此处使用的，“公共优选方向”涉及衬底或材料的各向异性现象，并且意味着所述衬底或材料(发射器材料)的分子的分子轴当处于特定条件时，诸如存在其上沉积有所述材料的物理和/或化学结构将使得分子定向时，会自动倾向于定向(自定向)的方向。需要注意，此表述中的词汇“优选”并不涉及可选的特征，而是材料自身的属性。
当发射器材料的分子被定向时，其分子轴会指向通常的公共优选方向。此公共优选方向可以基本上与层平面垂直，或者其可以相对层平面倾斜。
在常规小分子OLED(smOLED)中，发射器分子的光学偶极子在发射层中随机布置，使得光在所有方向中发射，以及因此某些光由于光导向而丢失。然而，聚合OLED(PLED)表现出某种程度的分子排序(定向)。由此，尽管本发明的此实施方式对于应用在smOLED中是最有利的，但是其也可以有利地用在PLED中，以进一步增加聚合发射器材料的分子排序性。
HTL 103的表面结构可以在发射层104被涂覆在该表面结构的顶部时促进发射器材料的分子轴在公共优选方向中的自定向。发射器分子的自定向可以利用已知方法进行检测，例如D.Yokoyama，M.Moriwake和C.Adachi，“Spectrally narrow emissions at cutoffwavelength from edges of optically and electrically pumped anisotropicorganic films”，Journal of Applied Physics 2008，103，123104中描述的方法。
备选地，分子轴的上述定向以及由此光学偶极子的定向可以使用与例如提供在空穴传输层上、与发射层临近的单独定向层来实现。定向层可以可选地结合上述经构图的或经表面结构化的空穴传输层一起使用。
图4示出了根据本发明一个实施方式的OLED，其中所述发射器分子的自定向通过提供在空穴传输层上与发射层直接接触的定向层来实现。器件400包括如针对图1在上文描述的衬底401、阳极402、光发射层404和阴极405，以及平滑的空穴传输层403和布置在空穴传输层403与发射层404之间、促进发射器分子定向的薄定向层406。
为了不限制来往于光发射层的电荷传输，定向层允许从底层电荷传输层到发射层的电荷传输(此处为空穴传输)。因此，本实施方式的定向层可以是导电的或半导电的。然而，常规的定向层材料通常是绝缘材料。为了允许所述电荷传输，可以包括诸如聚酰亚胺的常规定向层材料的定向层可以做得非常薄，例如，作为单个分子层形成的单层。对于这种层，隧穿概率高到足以提供可接受的电荷传输。然而，可以设想定向层也可以通过该材料的化学改性而变得导电。
定向层可以包括常规定向层材料，诸如聚酰亚胺或聚乙烯(phenylenevinylene)。在定向层是单层的实施方式中，定向层可以是自组装单层(SAM)。自组装单层的示例包括基于硫醇的(尤其是基于acenethiol)的SAM，诸如蒽-2-硫醇SAM。针对在金衬底上形成蒽-2-硫醇SAM以及蒽-2-硫醇SAM的结构的研究在D.G.Witte，P.Cyganik，A.Terfort和C.“A comprehensive study of self-assembled monolayers ofanthracencethiol on gold：effects，structure，and stability”，J Am Chem Soc 2006，128，1723-1732中提供。
定向层可以例如通过摩擦或通过光子辐射(光子定向)进行处理，以提供定向层分子的期望朝向。
图4的器件可以可选地包括如上所述的一个或多个附加有机层。
如上所述，可以通过将具有参照图1在上文进行描述的表面结构的空穴传输层103与图4的定向层406的使用二者的组合来实现发射器分子的自定向。由此，可以结合图4的光滑空穴传输层403或图1的结构化空穴传输层103来使用定向层。
本发明器件的空穴传输层可以由具有良好空穴传输属性的常规材料(诸如，PEDOT)制成。该传输层可以进行掺杂或不掺杂。备选地，空穴传输层可以由真空沉积或印刷的小分子材料组成。
此外，本发明还提供了一种用于制造此处描述的器件的方法。该方法包括：
a)在衬底上提供第一电极层以形成层堆栈的基础；
b)在所述层堆栈上形成电荷传输层；
c)对所述电荷传输层进行构图或利用表面结构对所述电荷传输层进行压花；或
在所述电荷传输层上形成定向层；
d)在所述构图的或压花的电荷传输层上形成光发射层，或
在所述定向层上形成光发射层，由此所述光发射层的分子的分子轴朝向公共优选方向定向；以及
e)在所述层堆栈上提供第二电极层。
所述电荷传输层(典型地为空穴传输层)可以直接在所述第一电极(典型地为阳极)上形成。然而，可选地，可以在所述第一电极和所述电荷传输层之间提供一个或多个另外的有机层，例如，电荷注入层，具体地是空穴注入层。在这种实施方式中，在一个步骤中，可以在第一电极上形成电荷注入层，以及在随后步骤中，可以在电荷注入层上形成电荷传输层。
如上所述，空穴传输层的构图或压花可以利用已知的构图技术来实现，例如纳米压印光刻技术。这种技术在例如Jan Haisma等人的“Mold-assisted nanolithography：Aprocess for reliable pattern replication”，J Vac Sci Technol 1996，B 14(6)4124-4128，Stephen Y.Chou等人的“Nanoimprint lithography”，J Vac Sci Techno 1996，B 14(6)4129-414133，Marc Verscuuren & Hans van Sprang，“3D photonic structures bysol-gel imprint lithography”，Mater Res Soc Symp Proc 2007，1002-N03-05，和Helmut Schift，“Nanoimprint lithography：An old story in modern times？Areview”，J Vac Sci Technol 2008，B 26(2)，458-480中进行描述。
在包括经构图的或经表面结构化的空穴传输层和定向层二者的实施方式中，步骤c)可以包括对空穴传输层进行构图或压花，以及继而在空穴传输层上涂覆定向层。
在本发明的实施方式中，至少步骤c)中的空穴传输层可以由诸如旋涂、喷墨印刷、丝网印刷或浸渍的常规溶液处理技术来形成。在这种实施方式中，待实施溶液处理的层(例如，空穴传输层)由溶液可处理的材料制成。典型地，所述层(例如，可选地也可以包括掺杂材料的空穴传输材料)作为固态被提供并且在涂覆至器件堆栈之前、溶解在有机溶剂中。
此外，在至少电荷传输层是利用溶液处理形成的这种实施方式中，步骤e)和f)的至少一个步骤可以利用真空处理技术来实现，诸如用于制造混合OLED。
本发明实施方式的定向层可以利用溶液处理(典型地，利用旋涂)形成。备选地，在定向层是单层的实施方式中，可以通过蒸镀来涂覆单层。
此外，可以摩擦定向层，或者使其经历光定向，以便提供定向层分子的某个朝向，这继而促进随后涂覆的发射层分子的特定定向。
本领域技术人员意识到本发明不限于上述优选实施方式。相反，很多修改和变体可以落入所附权利要求的范围。例如，可以设想OLED可以配置为顶发射器件。在这种实施方式中，被构图或者具有周期表面结构的电荷传输层可以是提供在阴极和发射层之间的电子传输层，并且任何定向层可以提供在电子传输层和发射层之间。备选地，在又一实施方式中，OLED堆栈可以进行翻转，使得阴极是位于衬底上的第一电极，而阳极形成器件的顶层。

Claims (9)

1.一种有机发光器件，至少包括：
-第一电极；
-第二电极；
-有机光发射层，布置在所述第一电极和所述第二电极之间；以及
-有机电荷传输层，布置在所述第一电极和所述光发射层之间，其中
所述电荷传输层在所述电荷传输层面朝所述光发射层的表面上被压花有周期表面结构，其中所述电荷传输层所具有的折射率低于所述有机发光器件的所述光发射层的折射率，并且所述电荷传输层的经压花的周期表面结构具有从1nm到100μm范围内的周期尺寸，其中所述周期尺寸是沿着与所述光发射层和所述电荷传输层平行的长度尺寸。
2.如权利要求1的有机发光器件，其中所述电荷传输层形成光子晶体。
3.如权利要求1的有机发光器件，其中所述电荷传输层的所述周期表面结构具有从1nm到1μm范围内的周期尺寸。
4.如权利要求1的有机发光器件，其中所述发光器件的至少一个层经溶液处理，以及/或者
所述电荷传输层的所述周期表面结构具有从或到高达100nm范围内的周期尺寸。
5.如权利要求4的有机发光器件，其中至少所述电荷传输层经溶液处理。
6.一种制造根据权利要求1的有机发光器件的方法，包括如下步骤：
a)在衬底上提供第一电极层以形成层堆栈的基础；
b)在所述层堆栈上形成电荷传输层；
c)通过利用经压花的表面结构对所述电荷传输层进行压花，来对所述电荷传输层进行构图；
d)在所述经压花的电荷传输层上形成光发射层；以及
e)在所述层堆栈上提供第二电极层。
7.如权利要求6的方法，其中所述压花是使用纳米压印技术执行的。
8.如权利要求6的方法，其用于制造根据权利要求5的有机发光器件，其中至少所述步骤b)是使用溶液处理技术执行的。
9.如权利要求8的方法，其中步骤d)和步骤e)的至少一个是使用真空处理技术执行的。
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