CN106784388A - 一种高对比度有机发光二极管及其设计方法 - Google Patents

一种高对比度有机发光二极管及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高对比度有机发光二极管及其设计方法，该发光二极管器件结构自下而上依次为衬底、阳极、空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层和黑层阴极，其中黑层电极自下而上依次由一层薄的金属半透明中间电极、相位调控层和厚的金属反射背电极构成，入射光通过在相位调控层中的衰减和在中间电极和背电极之间的相位转变来达到消光效果,通过光学计算，优化相位调控的厚度和光学常数，可以达到反射率仅为衬底材料的反射效果。本发明根据计算结果寻找合适的相位调控层材料，设计出高对比度的有机发光二极管。

Description

一种高对比度有机发光二极管及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种高对比度有机发光二极管及其设计方法，特别涉及对金属-有机-金属结构的黑层电极替代单层金属作为阴极以达到减反射效果的高对比度有机发光二极管及其设计方法。
技术背景
被誉为“梦幻显示器”的OLED显示器具有轻薄、高对比度、宽视角、高色饱和度、低能耗、无需背光源以及可以设计在柔性衬底上等优势，比传统液晶显示器(LCD)更具吸引力，目前已经在智能手机和电视机上得到了相对广泛的应用。随着越来越多的电子设备需要在室外使用，提高显示器在室外的对比度(Contrastratio，CR)变得越来越重要。由于OLED器件中具有高反射率的金属电极的存在，使得OLED显示器在室外的对比度偏低。在众多提升OLED对比度的研究中，大致分为三类：第一类是将圆偏振片置于OLED器件表面，该方法简单，但是昂贵的价格且厚重的材质限制了其在轻薄柔性显示器中的应用；第二类是使用低反射电极(多为单层)如Sm、Sm:Ag、Mo、p-Si等来降低环境光的反射，单层低反射电极提升对比度虽然简单，但是对比度改善并不明显；第三类是将干涉相消层、减反层或光吸收层(如SiO2:Al、CuPc、Sm/Alq3/Sm/Alq3、Al:Alq3、CuPc/TiOPc、Carbon、CuPc/C60等)置于OLED的有源层中，即发光层与底部反射电极中间，或者将减反射层(如LiF/Cr/LiF/Cr/LiF等)置于OLED器件外部。位于OLED有源层中的减反射层或光吸收层的导电性以及其能级与其它邻层的匹配程度直接决定着二极管中电注入特性，进而影响其发光性能，因此在OLED器件内部引入减反层需考虑多个影响因素。置于OLED器件内部或者外部的单层结构减反射层或者光吸收层对对比度的改善不明显，而多层结构或者周期性结构的减反射层或者光吸收层会增加设计步骤，从而将设计工艺复杂化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以显著提高对比度且结构简单的高对比度有机发光二极管及其设计方法，该高对比度有机发光二极管的设计工艺与传统器件一致，且不改变器件的电学性能，同时也可以设计在柔性衬底上。
为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明法采用金属-有机-金属(Metal-Organic-Metal，MOM)电极来替代传统的金属电极可以显著提高OLED器件的对比度。
本发明是这样实现的：
一种高对比度有机发光二极管及其设计方法，将黑层电极(81)替代传统的单层金属电极应用到有机发光二极管结构，所述黑层电极(81)自下而上依次由一层薄的金属半透明中间电极(811)、相位调控层(812)和厚的金属反射背电极(813)构成，其特征在于：通过光学计算来优化相位调控层的厚度和光学常数，得到反射率最低时的相位调控层的光学常数及相应的厚度。
优选的，所述高对比度有机发光二极管结构包括衬底(11)、阳极(21)、空穴注入层(31)、空穴传输层(41)、发光层(51)、电子传输层(61)、电子注入层和阴极(71)，所述阴极为黑层电极(81)。
优选的，所述高对比度有机发光二极管及其设计方法，包括玻璃衬底、ITO阳极、1nm MoO3空穴注入层、60nm NPB空穴传输层、30nm重量比为1％C545T掺杂的Alq3发光层、40nm Alq3电子传输层、1nm LiF电子注入层和黑层阴极，所述黑层电极由一层5nm铝中间电极、相位调控层和100nm铝反射背电极构成，其特征在于：所述相位调控层由三元混合物构成。
所述的高对比度有机发光二极管及其设计方法，其特征在于：所述相位调控层为SubPc、PbPc和C60(重量比为1:1:1)的三元混合物。
所述的高对比度有机发光二极管及其设计方法，其特征在于：所述相位调控层为的厚度为70nm。
本发明的有益效果：
1、本发明公开的高对比度有机发光二极管及其设计方法简单易行，在不用偏振片的情况下提高对比度，同时该方法也可适用于任何结构的高对比度有机发光二极管，包括顶发射高对比度有机发光二极管和应用任何结构和位置的减反射层或吸收层的高对比度有机发光二极管。
2、本发明公开的应用MOM黑层电极的高对比度有机发光二极管可适用于任何发光层的有机发光二极管，包括白光、红光、绿光和蓝光的有机发光二极管。
3、本发明公开的应用MOM黑层电极的高对比度有机发光二极管结构相对简单，不改变原有的设计工艺，并且不改变有机发光二极管的电学性能。
4、本发明公开的应用MOM黑层电极高对比度有机发光二极管，只要找到相匹配的光学常数，相位调控层(82)可以为任意厚度的电介质层。
附图说明
图1为常规有机发光二极管的结构示意图；
图2为具有MOM黑层电极的有机发光二极管的结构示意图；
图3为常规有机发光二极管、具有MOM黑层电极的有机发光二极管较佳实施案例以及玻璃衬底的反射曲线图；
图4为常规有机发光二极管和具有MOM黑层电极的有机发光二极管较佳实施案例的亮度和电流密度VS.电压图；
图5为常规有机发光二极管、具有MOM黑层电极的有机发光二极管较佳实施案例在1000cd/cm2的环境亮度下，器件开态亮度不同时器件的对比度。
具体实施方式
为了提高有机发光二极管的对比度，其设计方法如下：
一种高对比度有机发光二极管及其设计方法，将黑层电极(81)替代传统的单层金属电极应用到有机发光二极管结构，所述黑层电极(81)自下而上依次由一层薄的金属半透明中间电极(811)、相位调控层(812)和厚的金属反射背电极(813)构成，其特征在于：通过光学计算来优化相位调控层的厚度和光学常数，得到反射率最低时的相位调控层的光学常数及相应的厚度。
优选的，所述高对比度有机发光二极管结构包括衬底(11)、阳极(21)、空穴注入层(31)、空穴传输层(41)、发光层(51)、电子传输层(61)、电子注入层和阴极(71)，所述阴极为黑层电极(81)。
优选的，所述高对比度有机发光二极管及其设计方法，包括玻璃衬底、ITO阳极、1nm MoO3空穴注入层、60nm NPB空穴传输层、30nm重量比为1％C545T掺杂的Alq3发光层、40nm Alq3电子传输层、1nm LiF电子注入层和黑层阴极，所述所述黑层电极由一层5nm铝中间电极、相位调控层和100nm铝反射背电极构成，其特征在于：所述相位调控层由三元混合物构成。
所述的高对比度有机发光二极管及其设计方法，其特征在于：所述相位调控层为SubPc、PbPc和C60(重量比为1:1:1)的三元混合物。
所述的高对比度有机发光二极管及其设计方法，其特征在于：所述相位调控层为的厚度为70nm。
具体的说：
(1)在器件有源层与电极之间引入一层中间电极和中间电极与背电极之间的相位调控层，入射光在薄的金属层的反射和经过相位调控层后在厚的金属层界面具有π相位差的反射光干涉作用来达到减反射的目的，另外用有吸收的电介质作为相位调控层，入射光在相位调控层中的衰减与两个金属界面的反射相配合，可以使相位调控层在小于1/4波长的厚度的情况实现对入射光的宽波段超强吸收。
(2)为了寻找合适的相位调控层，本发明将通过变化相位调控层的厚度和光学常数的组合，利用传递矩阵的方法计算器件的反射率，寻找反射率最低时的相位调控层的厚度和光学常数的组合。最后通过计算结果寻找合适的材料。
器件对比度(CR)的由等式1定义：
等式1
CR＝(Lon+Lambient*RD)/(Loff+Lambient*RD)
这里，Lon和Loff分别是打开和关闭OLED器件时的亮度值，Lambient是外部光的亮度RD由等式2定义的显示器的光反射率，其中光反射率是显示设备在可见光范围内的平均反射率。
等式2
RD＝(∫V(λ)*S(λ)*R(λ)*dλ)/(∫V(λ)*S(λ)*dλ)
这里，V(λ)为标准视见函数曲线R(λ)为反射光谱曲线；S(λ)为标准光源D65的光谱。从等式1可以看出，提高器件的对比度可以通过提高Lon和降低RD两个方法来实现，而后者被广泛研究。
参照图1所示的普通有机发光二极管，其结构自下而上依次包括：基底(10)、位于基底上的透明阳极(20)、空穴注入层(30)、空穴传输层(40)、发光层(50)、电子传输层(60)、电子注入层(70)金属电极(80).为了提高对比度，目前工业上所用的方法是在器件前后加一对偏振片来减小器件的反射率，但是偏振片比较厚重且不能整合到OLED器件内部，因而限制了其在轻薄柔性显示器中的应用。
如图2所示：为了减小器件反射率，本发明在普通有机发光二极管基础上，将MOM黑层电极(81)替代传统的金属电极电极来提高OLED器件的对比度。MOM电极由一层半透明的超薄金属层中间电极、相位调控层和一层厚的金属背电极构成。所述黑层阴极通过相位调控层来调控从背电极反射光的相位与中间电极反射的入射光相干涉来达到消光的目的，如果相位调控层为有吸收的电介质，则其厚度不用达到波长的厚度便可以实现宽波段超强减反射作用，甚至可以实现对可见光全波段的超强减反射。
较佳实施例
如图1所示传统有机发光二极管，自下而上依次为具有刻蚀ITO条纹的玻璃衬底、1nm厚的MoO3空穴注入层、60nm厚的NPB空穴传输层、30nm厚的重量百分比为1％C545T掺杂Alq3发光层、40nm厚的Alq3电子传输层、1nm厚的LiF电子注入层和100nm厚的金属铝电极。参照图3所示，该结构的有机发光二极管的反射率大约为80％。
如图2所示的具有MOM黑层电极的有机发光二极管的结构自下而上依次为具有刻蚀ITO条纹的玻璃衬底、1nm厚的MoO3空穴注入层、60nm厚的NPB空穴传输层、30nm厚的重量百分比为1％C545T掺杂Alq3发光层、40nm厚的Alq3电子传输层、1nm厚的LiF电子注入层和黑层电极。其中黑层阴极自下而上依次包括：5nm厚的半透明的金属铝中间电极；70nm厚的有机相位调控层；100nm厚的金属铝背电极，所述相位调控层为SubPc、PbPc和C60(重量比为1:1:1)的三元混合物。参照图3所示，该结构的有机发光二极管的反射率大约为5％，甚至低于玻璃衬底的反射率。
参照图4所示，实施案例中两种结构的器件的亮度和电流密度VS.电压图。由于MOM电极不仅吸收外界的光同时也吸收器件内部所产生的光，因而具有MOM黑层电极的高对比度有机发光二极管器件的亮度相对较低。从电流密度VS.电压图中可以看出，引入MOM黑层电极并不影响器件的电学性能。
参照图5所示，上述两种结构的器件在1000cd/cm2的环境亮度下，器件开态亮度不同时器件的对比度。从图中可以看出器件开态亮度为5000时，两种结构的器件的对比度分别为7和99，即具有MOM黑层电极的器件的对比度是传统器件的13倍多。
本发明法采用金属-有机-金属电极来替代传统的金属电极可以显著提高OLED器件的对比度。MOM电极由一层半透明的超薄金属层中间电极、相位调控层和一层厚的金属背电极构成。入射光在薄的金属层的反射和经过相位调控层后在厚的金属层界面具有π相位差的反射光干涉作用来达到减反射的目的。而且MOM电极构成一个电容器，电子可以从中间电极直接注入到有机层中，从而不会影响器件的电学性能。并且，MOM阴极直接替代传统金属电极作为有机发光二极管的阴极，不改变其设计工艺，也可以设计在柔性衬底上。但是这样的原理只能实现对某一波段的减反射效果，这对于彩色显示来说还是远远不够的。本发明提出用有吸收的有机材作为相位调控层应用到MOM阴极结构中以减小OLED器件对可见光全波段的减反射作用。入射光通过在相位调控层中的衰减和在金属电极偏离0和π的相位转变来达到减反射的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高对比度有机发光二极管及其设计方法，其特征在于：将黑层电极(81)替代传统的单层金属电极应用到有机发光二极管结构，所述黑层电极(81)自下而上依次由一层薄的金属半透明中间电极(811)、相位调控层(812)和厚的金属反射背电极(813)构成，其特征在于：通过光学计算来优化相位调控层的厚度和光学常数，得到反射率最低时的相位调控层的光学常数及相应的厚度。
2.如权利要求1所述的一种高对比度有机发光二极管及其设计方法，其特征在于：所述高对比度有机发光二极管结构包括衬底(11)、阳极(21)、空穴注入层(31)、空穴传输层(41)、发光层(51)、电子传输层(61)、电子注入层和阴极(71)，所述阴极为黑层电极(81)。
3.如权利要求1和权利要求2所述的一种高对比度有机发光二极管及其设计方法，其特征在于：包括玻璃衬底、ITO阳极、1nm MoO3空穴注入层、60nm NPB空穴传输层、30nm重量比为1％C545T掺杂的Alq3发光层、40nm Alq3电子传输层、1nm LiF电子注入层和黑层阴极，所述黑层电极由一层5nm铝中间电极、相位调控层和100nm铝反射背电极构成，其特征在于：所述相位调控层由三元混合物构成。
4.如权利要求3所述的一种高对比度有机发光二极管及其设计方法，其特征在于：所述相位调控层为SubPc、PbPc和C60(重量比为1:1:1)的三元混合物。
5.如权利要求4所述的种高对比度有机发光二极管及其设计方法，其特征在于：所述相位调控层为的厚度为70nm。
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