CN106211489A - 电激发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电激发光装置，其包括一合成电极，其由表面具有奈米结构的第一层及位于奈米结构上的第二层所组成，其中第一层及第二层是透明导电的，且第一层及第二层的其一者的折射率小于或等于1.65，第一层及第二层的另一者的折射率大于或等于1.75；复数个功能层具有一发光层，位于第二层上；以及，一上电极，位于复数个功能层上。特别地是，奈米结构上每一个凹坑及凹坑间的间距都是小于或等于发光层所发出光的一主波长。本发明的电激发光装置及其应用具有改善其出光效率及外部量子效率的技术效果。

Description

电激发光装置
技术领域
本发明涉及一种电激发光装置，特别是关于一种改善出光效率、外部量子效率(EQE)及其应用的电激发光装置。
背景技术
从邓清云博士与VanSlyke博士于1987年发表第一篇探讨有机发光元件的效率与实用性的报导后，有机发光二极管(organic light-emitting diode，以下简称OLED)技术已成为显示器及照明应用上深入研究和开发的主要课题。请参考图1，传统典型的OLED结构1具有一反射金属电极11(通常作为阴极)、透明导电电极13例如ITO等(通常作为阳极)，及位于两者之间的有机层12所形成的三明治结构，且上述三明治结构位于玻璃基板14上。借着采用高效率的发光材料例如具磷光机制的材料，OLED的内部量子效率可达到接近100％。然而，在传统典型的OLED结构中，如何将OLED内部发光能萃取到元件外部空气中的元件出光效率，是实现高效率之外部量子效率的一大课题。
通常有机层12及透明导电电极13之折射率高于典型的基板，例如有机层的光学折射率一般介于1.7至1.8，透明导电电极13的光学折射率一般介于1.8至2.1；至于典型的透明基板14例如玻璃或塑料等的光学折射率一般介于1.4至1.5，而透明基板14的光学折射率也高于空气(折射率一般为1)。由于传统典型的OLED结构1中，空气/基板14的界面以及基板14/透明导电电极13的界面，皆明显具有折射率不匹配的问题，使得OLED内部产生的各个角度的光，常会在上述界面遭遇全反射而被局限在元件而无法出到基板进而出光到空气；因此大量的内部发光被局限在元件中。
一般而言，OLED的内部发光E被耦合至四种不同的模式。如图2所示，发光模式R(radiation modes)是耦合出光至空气中的有效发光；基板模式S(substrate modes)是被波导局限在基板14中的光；波导模式W(waveguid modes)是被波导局限在高折射率有机层12/透明导电电极13中的光；表面电浆模式SP(surface-plasmon modes)是被引导沿着有机层12/反射金属电极11的界面的光。因此，传统典型的OLED的元件出光效率通常仅有20-25％。然而，特别是应用于对光强功效有强烈需求的产品上，例如照明或移动应用上，如何借着增加元件内部发光真正能萃取到元件外部的元件出光(light out-coupling)，以达成加强OLED的外部量子效率(external quantum efficiency，EQE)的需求量，是本发明主要的目的。
发明内容
为了克服上述习知技术的缺点，本发明提供下列各种实施例来解决上述问题。
本发明提供一种电激发光装置，包括一基板、一下电极、复数个功能层以及一上电极。下电极位于基板上，且下电极是合成电极，其由表面具有奈米结构的第一层及位于奈米结构上的第二层所组成，其中第一层及第二层是透明导电的，且第一层及第二层之其一者的折射率小于或等于1.65，第一层及第二层之另一者的折射率大于或等于1.75。复数个功能层位于第二层上，且功能层包括一发光层。上电极位于复数个功能层上。特别地是，奈米结构具有复数个凹坑，且奈米结构上每一个凹坑及凹坑之间的间距都是小于或等于发光层所发出光的一主波长。在一较佳实施例中，奈米结构上的凹坑包括奈米网孔(nanomesh)，且每一个奈米网孔的宽度及奈米网孔之间的间距亦是小于或等于发光层所发出光的主波长。
在一较佳实施例中，第一层及第二层的折射率差是大于或等于0.3。
在一实施例中，第二层邻近发光层之表面是平面或波浪状。
在一实施例中，位于功能层上的上电极是不透明且具光学反射性质。当发光层所发出的光穿过合成电极时，光的能量通量密度被耦合至基板。
在一实施例中，位于功能层上的上电极是透明的或半透明的，使得发光层所发出的光的能量通量密度被耦合至基板且由上电极向外发出。此外，上电极更覆盖有一超基板(superstrate)。
在一实施例中，上电极是一第二合成电极，第二合成电极与上述的合成电极具有相同结构；也就是说，上电极可替换为另一个如上述的合成电极。
在一实施例中，功能层具有复数个垂直堆栈的发光层且彼此电性连结，使得电激发光装置形成一串接装置(tandem device)。
附图说明
图1是现有技术的典型下发光式有机发光元件示意图。
图2是现有技术的典型下发光式有机发光元件内部发光耦合出光模式的示意图。
图3是本发明实施例中一种电激发光装置的示意图。
图3a是本发明实施例中制作电激发光装置的流程示意图。
图3b、图3c及图3d分别是图3a中步骤I、II、IV流程后扫描式电子显微镜所撷取的影像。
图4a是采用本发明实施例中具奈米结构的合成电极的绿色磷光有机发光元件示意图。
图4b及图4c是现有技术中分别仅具有平面结构ITO及具有平面结构ITO/PEDOT的典型绿色磷光有机发光元件示意图。
图5a至图5d是由原子力显微镜(AFM)分别依序于奈米结构ITO装置中沉积各层期间所撷取的表面形貌影像图。
图5e示意各别由图5a至图5d沿着X方向所撷取的表面轮廓断面曲线图。
图6a示意未贴附透镜的本发明实施例中奈米结构ITO装置、如图4b及图4c中传统平面结构ITO装置及平面结构ITO/PEDOT：PSS装置的电流密度-电压-亮度(I-V-L)特性曲线图。
图6b及图6c分别示意外部量子效率(％)及功率效率(流明效率)与亮度的曲线关系图。
图6d及图6e分别示意电致发光下相对发光强度在偏离平面法线的观察角度0°、30°及60°所量测的频谱。
图6f是贴附出光透镜后之元件频谱积分强度与各观察角度的函数关系图。
图7a及图7b分别表示在传统平面结构ITO装置及本发明中奈米结构ITO装置下，由Y方向(水平方向)偶极子在X-Z平面的横截面下的能量通量密度分布图。
图7c及图7d分别表示在传统平面结构ITO装置及本发明中奈米结构ITO装置下，在X-Z平面的横截面下的能量通量密度分布图。
图7e及图7f分别表示传统平面结构ITO装置及本发明中奈米结构ITO装置在金属电极界面的吸收量。
附图标号说明
1 典型下发光型有机发光元件
11 反射金属电极
12 有机层
13 透明导电电极
14 玻璃基板
10 电激发光装置
100 基板
120 合成电极(下电极)
120a 第一层
120b 第二层
130 功能层
140 上电极
D 间距
W 凹坑
E 内部发光
R 发光模式
S 基板模式
W 波导模式
SP 表面电浆模式
NS、NS’ 奈米球
具体实施方式
有关本发明前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。然而，除了所揭露的实施例外，本发明的范围并不受该些实施例的限定，乃以其后的申请专利范围为准。而为了提供更清楚的描述及使该项技艺的普通人员能理解本发明的发明内容，图示内各部分并没有依照其相对的尺寸进行绘图，某些尺寸或其他相关尺度的比例可能被凸显出来而显得夸张，且不相关的细节部分并没有完全绘出，以求图示的简洁。此外，以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是用于参照随附图式的方向。因此，该等方向用语仅是用于说明并非是用于限制本发明。
请参考图3，本发明实施例提供一种电激发光装置10(electroluminescentdevice，EL device)，电激发光装置10可以是一般发光二极管(LED)或是有机发光二极管(OLED)。电激发光装置10包括一基板100、一合成电极(下电极)120、复数个功能层130以及一上电极140。合成电极120位于基板100上，且其由表面具有奈米结构的第一层120a及位于奈米结构上的第二层120b所组成，其中第一层120a及第二层120b是透明导电的，且第一层120a及第二层120b之其一者的折射率小于或等于1.65，第一层120a及第二层120b之另一者的折射率大于或等于1.75。复数个功能层130例如有机层位于第二层120b上，且功能层130包括一发光层。上电极140位于复数个功能层130上。特别地是，奈米结构上每一个凹坑W及凹坑W之间的间距D都是小于或等于发光层所发出光的一主波长。在一较佳实施例中，奈米结构上的凹坑W包括奈米网孔(nanomesh)，且每一个奈米网孔的宽度及奈米网孔之间的间距亦是小于或等于发光层所发出光的主波长。
本发明目的在提供一种具有奈米结构之合成电极120的电激发光装置10，以下实施例以有机发光二极管(OLED)为例来说明，但本发明并不限定于此元件。
由于电激发光装置10于下列实施例中，其具有奈米结构之合成电极120是由具有奈米结构之透明导电电极(ITO)所组成，因此，又被称为具奈米结构之透明导电电极(ITO)的电激发光装置，以下简称”奈米结构ITO装置”。本发明中具有奈米结构之合成电极120包含穿插形成于其中的高折射率(n＞1.75较佳)的透明导体120a及低折射率(n＜1.65较佳)的透明导体120b且达到奈米尺度或是波长尺度。在一较佳实施例中，第一层120a及第二层120b的折射率差是大于或等于0.3。第二层120b邻近发光层130之表面是平面或波浪状的，因此合成电极120可能具有一平坦的上表面或一波浪状的上表面。具有奈米结构之合成电极120作为OLED的电极，可有效改善元件出光效率。借着采用具有奈米结构之合成电极的OLED，相较于使用传统透明电极的OLED，其大大提升了OLED内部发光至空气及基板上的光耦合效率。无论本发明中的OLED设置在不具有光耦合表面处理的基板上或具有光耦合表面处理的基板上，采用具有奈米结构之合成电极的OLED皆可加强光耦合输出效果，且可获得极佳的外部量子效率。
实施例1：
在实施例中，具有较高折射率(n～1.8-2.1)的透明导电材料例如氧化铟锡(indium tin oxide，以下简称ITO)作为合成电极120中的高折射率元件层120a；具有较低折射率(n～1.5)的透明高导电聚合物例如聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸(poly(3，4-ethylenedioxythiophene)：poly(styrenesulfonate)，以下简称PEDOT：PSS)，作为合成电极120中的低折射率元件层120b。ITO及PEDOT：PSS被结合以形成导电光子奈米结构，具导电效果而更有益于OLED。于本实施例1中，合成电极120是由具奈米结构的透明导电电极(ITO)120a及填满覆盖于其上的高导电聚合物(PEDOT：PSS)120b所形成。导电的PEDOT：PSS 120b涂布于具奈米结构ITO 120a上可部分平坦化奈米结构ITO的表面，且可将发光区域扩展至不具ITO区块的区域以达到全区均匀发光效果，更可提供所需的折射率调配。利用ITO及PEDOT：PSS之间不同折射率的差异，及PEDOT：PSS不完全平坦化奈米结构ITO，这种内部萃取结构结合了光子晶体(photonic crystals)及表面凹凸化的特性。请参考图3a，上述装置结构的制程是由简单的奈米球微影术(nanosphere lithography)及旋转涂布(spin-coating)达成。由于ITO及PEDOT：PSS都是透明导电的，可直接作为OLED的合成电极，且确保整个OLED装置有区域均匀的发光。借着结合内部光萃取结构及外部光萃取设计例如贴附光萃取透镜，以下实施例中的绿色磷光OLED可达到非常高接近62％的外部量子效率(EQE)。
图3a示意本实施例中奈米结构ITO装置10的制程，包括具奈米结构ITO及PEDOT：PSS所组成的合成电极120以及位于其上完整的电激发光装置(OLED)，其制程包括流程步骤I至VI。
步骤I：旋转涂布(spin-coating)结合水转移技术(water transfer technique)适于将大面积且密堆积(六边形)自组装单层(self-assembly monolayer，SAM)的聚苯乙烯(polystyrene，PS)乳胶奈米球NS扩展在玻璃基板100上，于本实施例中采用杜克科学(DukeScientific)5050A系列的奈米球NS，其平均直径为500奈米(nm)。如图3b所示，扫描式电子显微镜(scanning electron microscopy，SEM)所撷取被扩展在玻璃基板上单层奈米球的影像。
步骤II：如箭头所示，藉由氧气电浆蚀刻(oxygen plasma etching)，将聚苯乙烯(PS)奈米球NS的尺寸缩小至270奈米的奈米球NS’，如图3c所示之SEM影像。
步骤III：在室温下，利用射频溅镀机(RF sputtering)，并透过聚苯乙烯(PS)奈米球NS’沉积ITO导电层120a，ITO导电层120a的厚度约为70奈米。通常ITO导电层的导电率约为每公分1800西门子(S/cm)。
步骤IV：将聚苯乙烯(PS)奈米球NS’掀离(lift-off)以形成奈米结构ITO，如图3d所示之SEM影像。
步骤V：将高导电性的PEDOT：PSS层(可供侧向导电)及低导电性的PEDOT：PSS层(可供电洞注入)依序旋转涂布在奈米结构ITO上；接着，于每次涂布后在130℃下退火15分钟。
步骤VI：进一步利用加热蒸镀法(thermal evaporation)，沉积堆栈有机层130及金属电极140在奈米结构ITO/PEDOT：PSS所组成的合成电极上，以形成完整的电激发光装置(OLED)10。
其中在步骤V，低导电性的PEDOT：PSS层经由自贺利氏公司(Heraeus Co.)购买的Clevios系列水溶液旋转涂布而成，而高导电性的PEDOT：PSS层则由贺利氏公司购买的Clevios系列水溶液与7.5体积百分比(vol.％)浓度的二甲亚砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)所形成之混和物旋转涂布而成。加入二甲亚砜(DMSO)于PEDOT：PSS中作为极性共溶剂(polar co-solvent)，可大大提升PEDOT：PSS聚合物的导电度。添加有二甲亚砜(DMSO)且被旋转涂布的PEDOT：PSS层可达到具有每公分900-1000西门子(S/cm)的导电率，相较于原始水溶液所旋转涂布的PEDOT：PSS层约0.1S/cm的导电率，导电率大幅提升。高导电性的PEDOT：PSS层及低导电性的PEDOT：PSS层采用每40秒6000转(rpm)的相似条件下沉积，且其厚度分别约为65奈米及20奈米。
请参考图4a，位于合成电极上且利用上述奈米结构ITO装置的典型绿色磷光OLED结构包括：玻璃基板(Subatrate)/阳极(具奈米结构ITO及PEDOT：PSS所组成的合成电极)/40奈米厚的NPB/15奈米厚的有机磷光发光层材料CBP掺杂8重量百分比浓度(wt.％)的铱错合物(CBP：Ir(ppy)2(acac))/65奈米厚的TPBi/0.5奈米厚的氟化锂(LiF)/130奈米厚的铝(Al)。
其中，N，N′-二苯基-N，N′-(1-萘基)-1，1′-联苯-4，4′-二胺(N，N’-Di(1-naphthyl)-N，N’-diphenyl-(1，1’-biphenyl)-4，4’-diamine；简称为NPB)作为电动传输层。4，4′-二(9-咔唑)联苯(4，4′-bis(carbazol-9-yl)biphenyl；简称为CBP)掺杂8重量百分比浓度(wt.％)的乙酰丙酮酸二(2-苯基吡啶-C2，N)合铱(III)(bis(2-phenylpyridine)(acetylacetonato)iridium(III)；简称为Ir(ppy)2(acac))作为绿色磷光发光层。2，2’，2″-(1，3，5-苯)-三(1-苯基-1H-苯并咪唑)((2，2’，2″-(1，3，5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)；简称为TPBi)作为电子传输层。氟化锂及铝分别作为电子注入层及阴极。本实施例中OLED结构的有效面积为真空蒸镀屏蔽(in-situ shadow masking)所定义的1平方厘米(mm2)，且其有机层的厚度与典型使用值类似。
请参考图4b及图4c，两个OLED结构用以跟图4a中采用奈米结构ITO装置的OLED结构比较测试，其有机层与图4a中具有相同制程，除了一者的阳极是采用约100奈米厚的平面结构ITO，另一者的阳极是采用平面结构ITO/PEDOT：PSS。平面结构ITO/PEDOT：PSS是由约100奈米厚ITO、65奈米厚高导电性PEDOT：PSS及20奈米厚的低导电性PEDOT：PSS所组成。上述装置为了有效萃取及收集元件内部发光并耦合至基板的电致发光特性，更进一步利用折射率匹配液(index-matching oil)黏附一相对大的半球状玻璃透镜(其直径约1公分)。藉由校准用的积分球(integrating-sphere)测量系统来收集上述装置的总发光通量，及评估不同装置的外部量子效率(EQE)。评估外部量子效率更藉由不同测量角度的电激发光频谱(EL spectra)及强度来进行验证。
请参考图5a至图5d，是由原子力显微镜(atomic force microscopy，AFM)分别依序于奈米结构ITO装置中沉积各层期间所撷取的表面形貌影像图(topographic surfaceimages)，而图5e示意各别由图5a至图5d沿着X方向所撷取的表面轮廓断面曲线图(surfaceprofiles)，其中位置及高度的单位皆为奈米(nm)。图5a示意仅有奈米结构ITO层的影像，以及图5e中曲线a示意其表面轮廓断面曲线。图5b示意PEDOT：PSS层覆盖上奈米结构ITO层后的影像，以及图5e中曲线b示意其表面轮廓断面曲线。图5c示意沉积上有机层等所有功能层后的影像，以及图5e中曲线c示意其表面轮廓断面曲线。图5d示意沉积上金属电极后的影像，以及图5e中曲线d示意表面轮廓断面曲线。图5e中显示初始奈米结构ITO层的表面轮廓高度及在PEDOT：PSS层覆盖上奈米结构ITO层后的表面轮廓高度，其高度如曲线a及曲线b所示由趋近70奈米改变至约35到40奈米；进一步真空沉积有机层及金属电极后，其表面轮廓高度如曲线c及曲线d所示呈现波浪状且保持在35到40奈米。由上述可知，PEDOT：PSS层并未将奈米结构ITO层完全平面化，使得PEDOT：PSS层覆盖上奈米结构ITO层的组合提供本发明实施例具有折射率调制和表面波纹的特性。
图6a示意未贴附透镜的本发明实施例中奈米结构ITO装置、如图4b及图4c中传统平面结构ITO装置及平面结构ITO/PEDOT：PSS装置的电流密度-电压-亮度(current-voltage-luminance，I-V-L)特性曲线图，其中曲线R及R’分别表示无贴附透镜的奈米结构ITO装置的I-V特性曲线及L-V特性曲线；曲线P及P’分别表示无贴附透镜的传统平面结构ITO装置的I-V特性曲线及L-V特性曲线；曲线Q及Q’分别表示无贴附透镜的传统平面结构ITO/PEDOT：PSS装置的I-V特性曲线及L-V特性曲线。由图6a可知，上述三种装置的发光特性区别主要是由光学结构(平面结构/奈米结构)所导致的差异，与是否插入PEDOT：PSS层较无关系。图6b及图6c分别示意外部量子效率(％)及功率效率(单位：每瓦流明(lm/W))与亮度(单位：每平方公尺烛光(cd/m2))的曲线关系图，其中曲线R及Ro分别表示贴附有透镜(w/lens)及无贴附透镜(w/o lens)的奈米结构ITO装置；曲线P及Po分别表示贴附有透镜及无贴附透镜的传统平面结构ITO装置；曲线Q及Qo分别表示贴附有透镜及无贴附透镜的传统平面结构ITO/PEDOT：PSS装置，如下列表一，其更列出效率总表。
表一.效率总表
传统平面结构ITO装置没有贴附透镜时，其外部量子效率及功率分别为21.0％及73.2lm/W；传统平面结构ITO/PEDOT：PSS装置没有贴附透镜时，其外部量子效率及功率分别为18.0％及56.5lm/W；以及，本发明实施例中奈米结构ITO装置没有贴附透镜时，其外部量子效率及功率分别为25.3％及107.9lm/W。相较于传统平面结构ITO装置，经过适度加强的本发明实施例，具有合成电极的奈米结构ITO装置的外部量子效率(EQE)是传统的1.2倍。传统平面结构ITO/PEDOT：PSS装置的较低效率明确指出在传统装置中插入PEDOT：PSS层并无法加强效率，但嵌入光子奈米结构却可加强效率。特别重要地是，当结合具奈米结构ITO的合成电极及外部取光结构例如贴附出光耦合透镜时，外部量子效率被大幅地提升。由于透镜可有效萃取进入基板的光，贴附有大型半圆形透镜的传统平面结构ITO装置，其外部量子效率及功率分别为36.2％及126.0lm/W；贴附有大型半圆形透镜的传统平面结构ITO/PEDOT：PSS装置，其外部量子效率及功率分别为37.0％及116.3lm/W；以及，贴附有大型半圆形透镜的本发明实施例中奈米结构ITO装置，其外部量子效率及功率分别为61.9％及264.3lm/W。
值得注意地是，藉由将上述装置贴附透镜，奈米结构ITO装置相较于平面结构ITO装置，其外部量子效率大幅地增强，其中贴附透镜时奈米结构ITO装置的外部量子效率(61.9％)是未贴附透镜(25.3％)的2.45倍，而贴附透镜时平面结构ITO装置的外部量子效率(36.2％)仅是未贴附透镜(21.0％)的1.72倍；此外，贴附透镜的奈米结构ITO装置相较于贴附透镜的平面结构ITO装置，其外部量子效率增强倍数亦相对大，其中贴附透镜时奈米结构ITO装置的外部量子效率(61.9％)是贴附透镜时平面结构ITO装置(36.2％)的1.71倍，未贴附透镜时奈米结构ITO装置的外部量子效率(25.3％)则是未贴附透镜时平面结构ITO装置(21.0％)的1.2倍。
当光的入射角大于玻璃及空气界面的临界角θc～41°会被局限在基板内，由于贴附大型半圆形透镜有助于提取最初在基板内逃逸角锥(escape cone)外的发光，本发明中奈米结构ITO装置相较于传统平面结构ITO装置确实可大幅地增加基板内部发光的光耦合，但也使得较大比例进入基板的光通量(光的入射角)分布到超过临界角的角度。这可透过贴附有透镜的装置电致发光(EL)下进行发光强度之角度解析量测(angle-resolved ELcharacteristics)来进一步证实。针对贴附有透镜(w/lens)的平面结构ITO(Planer ITO)装置及奈米结构ITO(ITO nanomesh)装置进行量测，图6d及图6e分别示意电致发光(EL)下相对发光强度在偏离平面法线的观察角度0°、30°及60°所量测的频谱。图6f示意电致发光频谱积分强度与各观察角度的函数关系图，其中曲线M表示传统平面结构ITO装置，曲线N表示本发明中奈米结构ITO装置。相较于传统平面结构ITO装置，本发明中奈米结透ITO装置在图6f中可明确看出较大比例进入基板光通量其入射角度超过玻璃及空气界面的临界角θc。
为了清楚知道本发明中奈米结构ITO装置如何增强内部发光的光耦合至基板及空气，以下结合Synosys公司Rsoft 9.0FullWave系列的三维有限时域差分(finitedifference time domain，FDTD)模拟来对靠近发光主动区进行近场(near-fieldbehaviors)光学仿真以及LightTools 8.2系列的光线追踪(ray-tracing)模拟在基板及空气处进行远场(far-field behaviors)光学仿真。时域有限差分分析是通过在六角品格单位单元的发光层中放置不同方向和频率的发光偶极子(emitting dipoles)来进行，也就是发光偶极子方向沿着X、Y或Z方向，其中X及Y方向是由图5a所定义，Z方向则是沿着基板表面的法线。图7a及图7b分别表示在传统平面结构ITO装置及本发明中奈米结构ITO装置下，由Y方向(水平方向)偶极子在X-Z平面的横截面下的能量通量密度(energy flux density)，也就是波印亭向量强度(Poynting vector magnitude)。如图7a所示，在传统平面结构ITO装置中，基板(Substrate)位于位置Z：2微米(μm)处，金属阴极(Metal)位于位置Z：0微米(μm)处，大量的内部发光被局限且侧向引导在有机层/透明导电电极层中；如图7b所示，在本发明奈米结构ITO装置中，被局限在有机层/透明导电电极层中的内部发光减少且被引导至基板甚至空气中。与上述实验一致，本发明奈米结构ITO装置中耦合至基板的大部分光是朝向大角度，由于内部全反射无法直接耦合空气中，但藉由外部结构例如贴附光耦合透镜可有效提取。对于Z方向(垂直方向)偶极子，图7c表示在传统平面结构ITO装置下，在X-Z平面的横截面下的能量通量密度，大部分的内部发光被侧向局限在有机层/透明导电电极层的波导模式(waveguiding modes)中或是金属阴极的表面电浆模式(Surface-Plasma mode)中。至于，本发明中奈米结构ITO装置的结构有助于将局限在上述模式中的光耦合至基板，如图7d表示在X-Z平面的横截面下的能量通量密度。藉由比较如图7e及图7f分别表示传统平面结构ITO装置及本发明中奈米结构ITO装置在金属电极界面的吸收量，可知由Z方向(垂直方向)偶极子的内部发光在表面电浆损失(Surface-Plasma losses)大幅减少。
在图7e及图7f中，在金属电极界面的吸收量定义如下：
A(r‘，ts)＝ω×Im[ε]×|E(r‘，ts)|2，
其中，ω表示频率，Im[ε]表示介电常数的虚部，|E(r‘，ts)|2表示在位置r‘处及特定时间ts下的电场强度。内部发光耦合至基板的光耦合加强以及内部发光在金属电极界面的表面电浆损失(Surface-Plasma losses)减少都归功于由PEDOT：PSS层覆盖上奈米结构ITO层组成之合成电极所引起的折射率调制和表面波纹的特性，合成电极更提供波向量(wave vector)给被局限的波包括导波(guided waves)及表面波(surface waves)以满足/匹配动量守恒(momentum conservation)且耦合至逸散波(leaky waves)。对于贴附有透镜的奈米结构ITO装置，计算所得的内部发光耦合至基板的光耦合效率～64％确实接近实际量测得到的外部量子效率61.9％。
综上所述，本发明实施例提供一种由具奈米结构的透明导电材料及高导电性的聚合物PEDOT：PSS组成的合成电极，且其可轻易藉由奈米球微影术(nanospherelithography)及旋转涂布(spin-coating)制成，以加强OLED的光萃取。利用ITO及PEDOT：PSS之间不同折射率的差异，及借着PEDOT：PSS不完全平坦化奈米结构ITO，这种导电光子奈米结构(conductive photonic nanostructure)结合了光子晶体(photonic crystals)及表面凹凸化的特性，有效地提升内部发光耦合至基板的光耦合率，更可当作电流导体/电流注入(current conductor/injector)。通过结合内部光萃取结构及外部光萃取设计例如贴附光萃取透镜，可使得绿色磷光OLED达到接近62％非常高的外部量子效率(EQE)。
实施例2：
依据上述实施例的一般原则，其他实施例可以有不同的变化及修改。举例来说，替换实施例1制成合成电极中先形成奈米结构的高折射率(n～1.8-2.1)透明导电材料的方法，实施例2先形成具奈米结构的低折射率(n～1.5)透明导电材料再填入/覆盖高折射率(n～1.8-2.1)透明导电材料，因此形成另一种合成电极。
实施例3：
依据上述实施例的一般原则，其他实施例可以有不同的变化及修改。举例来说，在实施例1及实施例2的合成电极中高折射率透明导电材料采用氧化铟锡(ITO)，采用其他高折射率(较倾向n＞1.75)透明导电材料取而代之。在本实施例中，合成电极中第一层或第二层中具有较高折射率的材料包括一高折射率透明导电氧化物，且高折射率透明导电氧化物包括氧化铟锡(ITO)、氟掺杂氧化锡(fluorine-doped tin oxide)、氧化锌铝(aluminumzinc oxide)、氧化镓锌(gallium zinc oxide)、氧化铟锌(indium zinc oxide)、氧化锡(tin oxide)、氧化钛(titanium niobium oxide)、氧化钛铌(titanium oxide)及上述堆栈或组合的材料。
实施例4：
依据上述实施例的一般原则，其他实施例可以有不同的变化及修改。举例来说，在实施例1及实施例2的合成电极中低折射率透明导电材料采用聚合物PEDOT：PSS，采用其他溶剂涂布(solution-coated)或真空沉积(vacuum-deposited)导电材料具有相较上述高折射率透明导电材料来得低的低折射率(较倾向n＜1.65)透明导电材料取而代之。在本实施例中，溶剂涂布(solution-coated)或真空沉积(vacuum-deposited)导电材料例如奈米孔洞透明导电氧化物或一低折射率的导电聚合物，且低折射率奈米孔洞透明导电氧化物的材料包括氧化铟锡(ITO)、氟掺杂氧化锡(fluorine-doped tin oxide)、氧化锌铝(aluminumzinc oxide)、氧化镓锌(gallium zinc oxide)、氧化铟锌(indium zinc oxide)、氧化锡(tin oxide)、氧化钛(titanium niobium oxide)、氧化钛铌(titanium oxide)及上述堆栈或组合的材料。
实施例5：
本实施例是将实施例1中的基板上所贴附的一光耦合透镜用其他表面处理或其他透镜来取代，其他光耦合透镜包括棱镜、三角锥、微透镜片、微棱镜片、微三角锥片、微粒子层、奈米粒子层、光栅片、散射片及扩散片等。
实施例6：
本实施例是将实施例1中的基板所具有一相对于合成电极的外表面经过一表面处理而形成一光耦合透镜。其中，表面处理包括粗糙化、分散化及塑形化外表面，以形成棱镜、三角锥、微透镜、微棱镜、微三角锥及光栅等等。
实施例7：
本实施例是将实施例1中的电激发光装置10进行翻转(inverted)，使得底部具奈米结构的合成电极120作为阴极，而顶部金属电极(上电极)140作为阳极。
实施例8：
本实施例将实施例1中的电激发光装置10形成一串接装置(tandem device)，也就是功能层130具有复数个垂直堆栈的发光层且彼此电性连结。
实施例9：
在本实施例中，位于功能层上的上电极140是不透明且具光学反射性质。当发光层所发出的光穿过合成电极120时，光的能量通量密度被耦合至基板100。
实施例10：
在本实施例中，位于功能层上的上电极140是透明的或半透明的，使得发光层所发出的光的能量通量密度被耦合至基板100且由上电极140向外发出。此外，上电极140更覆盖有一超基板(superstrate)。超基板相对于上电极140具有一外表面，且外表面经过一表面处理而形成一光耦合透镜，其中表面处理包括粗糙化、分散化及塑形化外表面，以形成棱镜、三角锥、微透镜、微棱镜、微三角锥及光栅等等。另一实施例中，超基板上贴附有一光耦合透镜，光耦合透镜包括棱镜、三角锥、微透镜片、微棱镜片、微三角锥片、微粒子层、奈米粒子层、光栅片、散射片及扩散片等等。
实施例11：
在本实施例中，上电极140是一第二合成电极，第二合成电极与上述合成电极具有相同结构；也就是说，上电极140可替换为另一个如实施例1所述的合成电极，使得底部具奈米结构的合成电极(下电极)作为阴极，而顶部具奈米结构的合成电极(上电极)则作为阳极。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用来限定本发明的范围；凡是未脱离发明所公开精神下所完成的等效改变或修饰，均理解为应包含在下述的权利要求所限定的范围内。

Claims (19)

1.一种电激发光装置，包括：
一基板；
一下电极，位于该基板上方，该下电极是一合成电极，其由一表面具有一奈米结构的第一层及位于该奈米结构上方的一第二层所组成，其中该第一层及该第二层是透明导电的，且该第一层及该第二层的其一者的折射率小于或等于1.65，该第一层及该第二层的另一者的折射率大于或等于1.75：
复数个功能层具有一发光层，位于该第二层上方；以及，
一上电极，位于该复数个功能层上方，
其特征在于，该奈米结构具有复数个凹坑，且该奈米结构上每一个凹坑及该复数个凹坑间的间距都是小于或等于该发光层所发出光的一主波长。
2.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该奈米结构上的该复数个凹坑包括奈米网孔，且每一个奈米网孔的宽度及该奈米网孔间的间距都是小于或等于该发光层所发出光的该主波长。
3.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该第一层及该第二层的折射率差是大于或等于0.3。
4.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该第一层及该第二层中具有较高折射率的材料包括一高折射率透明导电氧化物，且该高折射率透明导电氧化物是选自于由氧化铟锡、氟掺杂氧化锡、氧化锌铝、氧化镓锌、氧化铟锌、氧化锡、氧化钛及氧化钛铌所构成的群组。
5.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该第一层及该第二层中具有较低折射率的材料包括一低折射率的奈米孔洞透明导电氧化物或一低折射率的导电聚合物，且该低折射率的奈米孔洞透明导电氧化物是选自于由氧化铟锡、氟掺杂氧化锡、氧化锌铝、氧化镓锌、氧化铟锌、氧化锡、氧化钛及氧化钛铌所构成的群组。
6.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该第二层邻近该发光层的表面是平面或波浪状的。
7.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该基板具有一相对于该合成电极的外表面，且该外表面经过一表面处理而形成一光耦合透镜。
8.如申请专利范围第7项所述的电激发光装置，其特征在于：该表面处理包括粗糙化、分散化及塑形化该外表面，以形成棱镜、三角锥、微透镜、微棱镜、微三角锥及光栅。
9.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该基板上贴附有一光耦合透镜，该光耦合透镜包括棱镜、三角锥、微透镜片、微棱镜片、微三角锥片、微粒子层、奈米粒子层、光栅片、散射片及扩散片。
10.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该上电极是不透明且具光学反射性质。
11.如申请专利范围第10项所述的电激发光装置，其特征在于：当该发光层所发出的光穿过该合成电极时，该光的能量通量密度被耦合至该基板。
12.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该上电极是透明的或半透明的。
13.如申请专利范围第12项所述的电激发光装置，其特征在于：该发光层所发出的光的能量通量密度被耦合至该基板且由该上电极向外发出。
14.如申请专利范围第12项所述的电激发光装置，其特征在于：该上电极进一步覆盖有一超基板(superstrate)。
15.如申请专利范围第14项所述的电激发光装置，其特征在于：该超基板相对于该上电极具有一外表面，且该外表面经过一表面处理而形成一光耦合透镜。
16.如申请专利范围第15项所述的电激发光装置，其特征在于：该表面处理包括粗糙化、分散化及塑形化该外表面，以形成棱镜、三角锥、微透镜、微棱镜、微三角锥及光栅。
17.如申请专利范围第14项所述的电激发光装置，其特征在于：该超基板上贴附有一光耦合透镜，该光耦合透镜包括棱镜、三角锥、微透镜片、微棱镜片、微三角锥片、微粒子层、奈米粒子层、光栅片、散射片及扩散片。
18.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该上电极是一第二合成电极，该第二合成电极与所述的合成电极具有相同结构。
19.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该电激发光装置是一串接装置，该复数个功能层包括复数个垂直堆栈的发光层且彼此电性连结。
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