CN103367655A - 基于光子晶体微结构衬底的高亮度oled及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED及其制作方法，通过采用纳米压印技术在OLED器件衬底上制备光子晶体微结构，由于光子晶体特有的光子禁带效应，可有效地增加器件出光耦合，从而提高器件的出光效率，最终达到提高器件亮度的目的。

Description

基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED及其制作方法

技术领域

本发明涉及高亮度有机发光二极管，特别基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED及其制作方法。

背景技术

有机发光二极管显示与照明技术因在材料、器件制备及性能等方面所具备的独特优势与低成本，已经引起了人们的广泛关注，被显示与照明领域视为具有广阔应用前景的新一代显示与照明技术。虽然新型磷光材料的应用，使得OLED 的内量子效率已经接近100%，但常规结构OLED器件，存在其有机发光层发光通量有待于提高、各有机层材料之间易产生光波导效应、器件衬底光耦合差等问题，使得OLED 外量子提取效率通常只能达到20%左右，从而导致OLED器件发光效率低、亮度偏低，这在很大程度上限制了 OLED 的实际应用。针对于此，本项目已开展了“基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED研究”。

发明内容

基于以上常规器件的出光效率上的不足，本发明的目的在于提供可有效地增加器件出光耦合，从而提高器件的出光效率，最终达到提高器件亮度的目的。基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED及其制作方法。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED，包括玻璃衬底并形成于阴极和阳极组成的两个电极之间多个有机层，所述有机层有至少一个发光层，其特征在于：所述的玻璃衬底上形成有一层由纳米压印光刻工艺制备而成的光子晶体微结构。

进一步，阳极位于玻璃衬底之上，还包括位于阳极之上的空穴注入层，位于空穴注入层之上的空穴传输层，位于空穴传输层之上阴极之下的有机发光层。

进一步，所述的空穴注入层为氧化钼（MoO₃）层。

进一步，所述空穴传输层为NPB层。

进一步，所述的有机发光层为Alq层。

进一步，所述的阴极由氟化锂（LiF）层和金属铝（Al）层复合而成。

用于制作所述基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED的方法，该OLED包括玻璃衬底并形成于阴极和阳极组成的两个电极之间的多个有机层，所述有机层有至少一个发光层，所述的玻璃衬底上的光子晶体微结构采用以下方法制成：采用纳米压印方法制备OLED器件衬底上的光子晶体微结构。而要精确实施纳米压印工艺，首先是纳米压印模板的制备。在石英衬底上制作光子晶体微结构的纳米压印模版；

在OLED光学玻璃衬底上旋涂一层紫外纳米压印光刻胶；

将纳米压印模版压入光刻胶中，让光刻胶固化后脱模实现纳米压印图形转移；

采用反应离子刻蚀技术将光刻胶上的光子晶体微结构图形成功转移动OLED衬底表面上；

再在其上制备一层SiN透明介质材料薄膜。因玻璃SiO₂和SiN的折射率分别为1.48和1.95，因此可成功地形成二维光子晶体结构。

进一步，所述纳米压印模版采用以下的方法制作而成：

选用对紫外光线透明性能良好的石英玻璃作为压印模板的制备材料；

用酒精、丙酮、酒精溶液，依次对石英基片进行超声清洗各15分钟并氮气吹干待用；

在石英玻璃表面蒸镀一层20 nm的金属Cr薄膜，并在其上旋涂一层电子束光刻胶；

利用电子束直写技术进行光刻胶直写曝光、显影；以光刻胶为阻挡层，干法刻蚀工艺刻蚀金属薄膜Cr；

以Cr为阻挡层干法刻蚀工艺刻蚀石英，从而得到石英衬底上光子晶体微结构的纳米压印模板。

进一步，纳米压印模版压入光刻胶制备光子晶体微结构的方法如下：

在十级超净间内，将OLED光学玻璃衬底材料上旋涂一层紫外纳米压印光刻胶，滴胶量为3μL ，涂覆速度为 2500rpm，涂覆时间为50s；

采用紫外纳米压印机，启动纳米压印程序，设置模板厚度、基片厚度、光刻胶厚度、真空压力、曝光时间等参数，进行压印过程控制，将纳米压印模版压入光刻胶中；

纳米压制模板压入光刻胶完成之后，进行紫外曝光过程。采用40w 的汞灯光源作为曝光光源，经光学系统聚集后，从模板背面射入整个压印腔体，紫外光透过石英模板，使光刻胶固化。随即进行脱膜，实现纳米压印图形转移。

本发明的有益效果是：

光子晶体是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，它的晶格尺寸与光波的波长相当。光子晶体结构具有光子禁带效应，当一定频率的光在光子晶体传播时，如果光子晶体的禁带频率范围正好含盖发光频率时，光波将被耦合成在自由空间中的辐射模式。如果在OLED器件内制备表面方向呈介电常数周期性变化而垂直腔面方向为自由空间的二维光子晶体微结构，则可在不影响 OLED 辐射光谱的前提下提高其外量子提取效率。

在OLED器件透明玻璃衬底上，采用纳米压印技术制备一层光子晶体微结构。玻璃衬底上的光子晶体微结构由于其显著的光子禁带效应，可有效提高器件“有机层/衬底”界面的出光耦合效率。在光子晶体微结构之上再连续沉积各有机层材料制备OLED器件，光子晶体的凸凹面结构可一定程度地在各有机层材料上传递与复制。这不仅可使发光层的有效发光面积增大，从而增加发光通量，而且也可减弱各有机层之间的波导效应，从而增加光波的层间传播能力，进而进一步地提高器件“有机层/衬底”界面的出光耦合机率。

基于以上所述的光子晶体微结构衬底的OLED器件，不仅提高了发光层的发光通量，抑制了各有机层的光波导效应，而且在“有机层/衬底”界面，都有效地增加了器件的出光耦合，从而提高了器件的出光效率，最终提高了器件的亮度。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明玻璃衬底上光子晶体微结构的俯视图。

图3是本发明倾斜60°后玻璃衬底上光子晶体微结构的SEM示意图。

图4是本发明制备的光子晶体衬底SEM图。

图5是本发明三种衬底OLED器件的光谱比较示意图。

图6是本发明三种衬底的OLED器件发光亮度-电压特性示意图。

具体实施方式

参照图1所示，本发明的基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED，包括玻璃衬底1并形成于阴极2和阳极3组成的两个电极之间的多个有机层4，所述有机层有至少一个发光层41，其特征在于：所述的玻璃衬底1上形成有一层由纳米压印光刻工艺制备而成的光子晶体微结构。所述光子晶体的周期为500nm或200 nm、其直径为300 nm、深度为500 nm的光子晶体微结构。

作为本发明的具体实施方式，阳极3位于玻璃衬底1之上，玻璃衬底1上形成有一层由纳米压印制备而成的光子晶体微结构（PC），本实施例中的阳极3为铟锡氧化物（ITO）层，其厚度为80nm，还包括位于阳极3之上的空穴注入层42，位于空穴注入层42之上的空穴传输层43，位于空穴传输层43之上阴极2之下的有机发光层41。其中空穴注入层42为氧化钼（MoO3）层，具体的厚度为0.5nm，氧化钼（MoO3）层具有很强的空穴注入能力。所述的空穴传输层43为NPB层，具体的厚度为108nm，NPB材料的中文化学名称为N,N'-二苯基-N,N'-(1-萘基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺，为小分子空穴传输材料，采用NPB作为空穴传输层43，具有较好的成膜性和稳定性。所述的有机发光层41为Alq层，具体的厚度为65nm，Alq的中文化学名称为8-羟基喹啉铝，为OLED的基础发光材料，有一定的电子传输能力、可以真空蒸镀成致密的薄膜、具有较好的稳定性、有较好的荧光量子效率，满足了OLED对发光材料的要求。所述的阴极2由氟化锂（LiF）层21和金属铝（Al）层22复合而成，其中氟化锂（LiF）层21的厚度为1nm，金属铝（Al）层22的厚度为100nm。该OLED具体结构可以表示为：

Glass/PC/ITO(80nm)/MoO3(0.5nm)/NPB(108nm)/Alq(65nm)/LiF(1nm)/Al(100nm)。

上述基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLE，其中所述在玻璃衬底1上形成有一层由纳米压印制备而成的光子晶体微结构的方法如下：

首先，压印模板的制备，用纳米压印方法制备OLED器件衬底上的光子晶体微结构。而要精确实施纳米压印工艺，首先是纳米压印模板的制备。选用对紫外光线透明性能良好的石英玻璃作为压印模板的制备材料。在千级超净间，用酒精、丙酮、酒精溶液，依次对石英基片进行超声清洗各15分钟并氮气吹干待用；在石英玻璃表面蒸镀一层20 nm的金属Cr薄膜，并在其上旋涂一层电子束光刻胶；利用电子束直写技术进行光刻胶直写曝光、显影；以光刻胶为阻挡层，干法刻蚀工艺刻蚀金属薄膜Cr；再以Cr为阻挡层干法刻蚀工艺刻蚀石英；从而得到石英衬底上光子晶体微结构的纳米压印模板。参照图2所示为此纳米压印模板结构的平面图，图3为倾斜60°的SEM照片。参照图2和图3可看出此压印模板上的光子晶体微结构具有较好的分布均匀性。

其次，将纳米压印模版压入光刻胶中，让光刻胶固化后脱模实现纳米压印图形转移。制备过程在温度为25±0.5℃，净化风量: 600m3/h，相对湿度为45-50% 的恒温恒湿环境下进行。在十级超净间内，采用P-6708D 匀胶机，将OLED光学玻璃衬底1材料上旋涂一层紫外纳米压印光刻胶，具体为德国 AMO生产的mr-L600 系列的AMONIL 光刻胶，滴胶量为3μL ，涂覆速度为 2500rpm，涂覆时间为50s。采用紫外纳米压印机，启动纳米压印程序，设置模板厚度、基片厚度、光刻胶厚度、真空压力、曝光时间等参数，进行压印过程控制，用以保证压印过程的均匀性并提高压印精度。模板压入光刻胶完成之后，进行紫外曝光过程。采用40w 的汞灯光源作为曝光光源，经光学系统聚集后，从模板背面射入整个压印腔体，紫外光透过石英模板，使光刻胶固化。随即进行脱膜，实现纳米压印图形转移。最后，采用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching, RIE)技术将光刻胶上的光子晶体微结构图形成功转移到OLED器件衬底表面上，再在其上制备一层SiN透明介质材料薄膜。因玻璃SiO₂和SiN的折射率分别为1.48和1.95，因此可成功地形成二维光子晶体结构。参照图3所示光子晶体衬底SEM图。本发明采用不同尺寸的模板可以制备出不同结构尺寸的光子晶体微结构。

其中，本实施例中以制作出的含有两种光子晶体微结构玻璃衬底1OLED，并与不具有光子晶体微结构的OLED进行比较，以描述光子晶体微结构所带来的效果。

其中对比OLED的结构除了在玻璃衬底1上不具有光子晶体微结构外，其余结构与上述的OLED结构一致，其结构可以表示为：

Glass/ITO(80nm)/MoO₃(0.5nm)/NPB(108nm)/Alq(65nm)/LiF(1nm)/Al(100nm)。

本发明中的两种OLED，其衬底上光子晶体微结构的周期分别为200nm和500nm。

参照图5所示的三种OLED器件光谱比较示意图和图6所示的发光亮度-电压特性曲线图可以看出，衬底上有光子晶体微结构的器件，其光谱较衬底上无光子晶体微结构的器件得到了明显增强，分别增强了93.75%和31.25%。三种器件的发光光谱的中心波长均在520nm处，为典型的绿光发光中心。

从三种器件的发光亮度-电压特性比较图中可看出，当电压为12V时，这三种器件的发光亮度分别为6250cd/m²、4750cd/m²和3750cd/m²，以“500 nm周期光子晶体”为衬底的器件和以“200 nm周期光子晶体”为衬底的器件，分别高于“无光子晶体微结构”为衬底的器件66.7%和26.7%。发光亮度的增加是光子晶体衬底器件的重要体现。

因此，本发明采用的基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED及其制作方法，通过采用纳米压印技术在OLED器件衬底上制备光子晶体微结构，由于光子晶体特有的光子禁带效应，可有效地增加器件出光耦合，从而提高器件的出光效率，最终达到提高器件亮度的目的。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED，包括玻璃衬底（1）并形成于阴极（2）和阳极（3）组成的两个电极之间的多个有机层（4），所述有机层有至少一个发光层（41），其特征在于：所述的玻璃衬底（1）上形成有一层由纳米压印光刻工艺制备而成的光子晶体微结构。

2.根据权利要求1所述的基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED，其特征在于：阳极（3）位于玻璃衬底（1）之上，还包括位于阳极（3）之上的空穴注入层（42），位于空穴注入层（42）之上的空穴传输层（43），位于空穴传输层（43）之上阴极（2）之下的有机发光层（41）。

3.根据权利要求2所述的基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED，其特征在于：所述的空穴注入层（42）为氧化钼（MoO3）层。

4.根据权利要求2所述的基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED，其特征在于：所述空穴传输层（43）为NPB层。

5.根据权利要求2所述的基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED，其特征在于：所述的有机发光层（41）为Alq层。

6.根据权利要求2所述的基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED，其特征在于：所述的阴极（2）由氟化锂（LiF）层（21）和金属铝（Al）层（22）复合而成。

7.用于制作1至6任一所述基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED的方法，其特征在于：该OLED包括玻璃衬底（1）并形成于阴极（2）和阳极（3）组成的两个电极之间的多个有机层（4），所述有机层有至少一个发光层（41），其特征在于：所述的玻璃衬底（1）上的光子晶体微结构采用以下方法制成：

在石英衬底上制作光子晶体微结构的纳米压印模版；

在OLED光学玻璃衬底（1）上旋涂一层紫外纳米压印光刻胶；

将纳米压印模版压入光刻胶中，让光刻胶固化后脱模实现纳米压印图形转移；

采用反应离子刻蚀技术将光刻胶上的光子晶体微结构图形成功转移动OLED衬底表面上；

再在其上制备一层SiN透明介质材料薄膜。

8.根据权利要求7所述用于制作基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED的方法，其特征在于：所述纳米压印模版采用以下的方法制作而成：

选用对紫外光线透明性能良好的石英玻璃作为压印模板的制备材料；

用酒精、丙酮、酒精溶液，依次对石英基片进行超声清洗各15分钟并氮气吹干待用；

在石英玻璃表面蒸镀一层20 nm的金属Cr薄膜，并在其上旋涂一层电子束光刻胶；

利用电子束直写技术进行光刻胶直写曝光、显影；以光刻胶为阻挡层，干法刻蚀工艺刻蚀金属薄膜Cr；

以Cr为阻挡层干法刻蚀工艺刻蚀石英，从而得到石英衬底上光子晶体微结构的纳米压印模板。

9.根据权利要求7所述用于制作基于光子晶体微结构衬底的高亮度OLED的方法，其特征在于：纳米压印模版压入光刻胶制备光子晶体微结构的方法如下：

在十级超净间内，将OLED光学玻璃衬底（1）材料上旋涂一层紫外纳米压印光刻胶，滴胶量为3μL ，涂覆速度为 2500rpm，涂覆时间为50s；

采用紫外纳米压印机，启动纳米压印程序，设置模板厚度、基片厚度、光刻胶厚度、真空压力、曝光时间等参数，进行压印过程控制，将纳米压印模版压入光刻胶中；

纳米压制模板压入光刻胶完成之后，进行紫外曝光过程。采用40w 的汞灯光源作为曝光光源，经光学系统聚集后，从模板背面射入整个压印腔体，紫外光透过石英模板，使光刻胶固化。随即进行脱膜，实现纳米压印图形转移。

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