CN107533190A - 包含光散射表面的波导以及包含所述波导的显示装置 - Google Patents

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CN107533190A CN201680024190.8A CN201680024190A CN107533190A CN 107533190 A CN107533190 A CN 107533190A CN 201680024190 A CN201680024190 A CN 201680024190A CN 107533190 A CN107533190 A CN 107533190A
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帕梅拉·阿琳·玛瑞伊
丹尼尔·阿洛伊修斯·诺兰
马克·亚历杭德罗·克萨达
瓦格萨·西那拉特
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Abstract

本文公开的是波导，所述波导包含至少一个散射表面、范围从约0.5μm至约2μm的周期、以及范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度。厚度范围从约1μm至约100μm的单层波导以及包含至少一个高折射率层及可选的至少一个低折射率层的多层波导被公开于本文中。包含所述波导的照明和显示装置及OLED以及用于制造所述波导的方法被进一步公开于本文中。

Description

包含光散射表面的波导以及包含所述波导的显示装置
本专利申请案根据专利法主张于2015年3月31日提出申请的美国临时专利申请案第62/140605号的优先权权益，所述申请案的内容为本案所依据并通过引用全部并入本文中。
技术领域
本公开通常涉及波导以及包含所述波导的照明和显示装置，更具体而言，本公开涉及包含至少一个光散射表面层的波导以及包含所述波导的OLED照明和显示装置。
背景技术
高性能显示装置，例如液晶(LC)、有机发光二极管(OLED)、及等离子体显示器，常被用于各种电子装置，例如手机、笔记型电脑、电子平板、电视机、和电脑监视器。目前市场上的显示装置会采用一个或多个高精度玻璃片例如作为电子电路元件的基板、作为光提取层、作为导光板、或作为彩色滤光片，仅举几例的应用。由于OLED光源的改进色域、高对比度、宽视角、快速响应时间、低操作电压、和/或改进能量效率，OLED光源已被普遍用于显示和照明装置。又由于OLED光源的相对挠性，将OLED光源用于弯曲显示器的需求也增加了。
基本的OLED结构可以包含位于阳极与阴极之间的有机发光材料。此多层结构可以包括例如阳极、电洞注入层、电洞传输层、发光层、电子传输层、电子注入层、和阴极。在操作过程中，来自阴极的注入电子与来自阳极的电洞可以在发光层中重组而产生激子。当电流被供应到有机发光材料时，由于激子的放射性衰变，于是光被放出。为了形成包含OLED的显示装置，可以通过薄膜电晶体(TFT)电路来驱动多个阳极和阴极。TFT阵列从而提供随后可被用于通过施加电流通过阳极与阴极来显示选择影像的像素阵列。
虽然OLED显示装置可能具有优于其他显示装置(例如液晶显示器)的许多优点，但OLED仍可能遭受一个或多个缺点的困扰。例如，与其他光源相比，OLED会具有有限的光输出效率(亮度)。在一些情况下，多达80％由OLED发射的光能量可能被截留在显示装置中。由于这些层之间有大的折射率(n)值差异(例如，ne≈1.9、ng≈1.5)，所以由发光层产生的光会例如被局限在装置的电极和玻璃基板内。Snell定律表示，折射率差会产生在约20％范围内的低输出耦合效率，其中效率水平被表示为表面发射对总发射光的比率。因此，即使内部效率已被报导可接近100％，但低的输出耦合效率最终仍限制了OLED装置的亮度和效率。
许多用于改善OLED装置的光提取效率的方法已被提出，包括高折射率基板和颗粒和/或各种表面修饰。然而，这些技术可能需要昂贵的材料和/或复杂的工艺，例如光微影等，从而会不必要地增加制造时间和装置的总成本。用以提高OLED装置的光输出的尝试还包括在相对高的电流水平下驱动OLED。然而，这样的高电流会对OLED的寿命产生负面影响，因此也无法提供理想的解决方案。
其他用以提高光提取效率的尝试包括例如在厚度和/或折射率上匹配OLED层的波导，使得OLED内的模态可以与波导内的模态相匹配。这样的波导可以被沉积在玻璃基板上并于随后被涂布整平(例如平滑化)层。使用相对薄的整平层(例如小于约0.5微米)时已观察到提高的光提取。较厚的整平层可能会例如在瞬逝的OLED光与波导模态之间产生不够小的重迭。然而，较薄的整平层可能会在波导与OLED层之间产生过于粗糙的界面，从而会在OLED的模态内引起耦合，使得光会从这些传输模态中的其中一种模态耦合到表面等离子体子模态(或表面等离子体子极化)。表面等离子体子模态是具有高吸收性的，因此，光与这些模态的耦合通常是不理想的。
因此，提供用于显示(例如OLED)装置的波导将是有利的，此举可提供改善的光提取效率，同时还降低成本、复杂度、和/或制造装置的时间。此外，提供具有理想表面粗糙度同时还保持相对低的整平层厚度的波导将是有利的。在各种实施例中，包含这种基板的显示装置(例如OLED显示器)可以具有一个或多个优点，例如改善的亮度、色域、对比度、视角、响应时间、挠性和/或能量效率。
发明内容
在各种实施例中，本公开涉及波导，所述波导具有两个散射表面并包含范围从约1μm至约100μm的厚度、范围从约0.5μm至约2μm的周期、和范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度。本文还公开包含至少一个散射表面的波导，所述波导包含基板及至少一个第一层，所述至少一个第一层包含第一材料，所述第一材料具有至少约1.8的折射率及范围从约300nm至约10μm的厚度；和可选的至少一个第二层，所述至少一个第二层包含第二材料，所述第二材料具有小于约1.8的折射率及小于约100nm的厚度，其中所述波导包含范围从约0.5μm至约2μm的周期，而且其中所述至少一个散射表面包含范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度。本文进一步公开一种波导，所述波导包含n个第一层，所述第一层包含第一材料，所述第一材料具有第一折射率；2n个散射表面，所述散射表面包含范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度；n-1个第二层，所述第二层包含第二材料，所述第二材料具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率；以及RMS表面粗糙度小于约20nm的整平层，其中n大于或等于1。本文还公开包含所述波导的OLED及显示装置。
本文又进一步公开的是用于制造波导的方法，所述方法包含以下步骤：从批料制备生坯，所述批料包含至少一个折射率至少约1.8的成分及可选的至少一个添加剂，所述添加剂系选自溶剂、粘结剂、分散剂、界面活性剂、和塑化剂；以及在高于约1000℃的温度下烧结所述生坯，以形成具有两个散射表面的波导，其中所述波导包含范围从约1μm至约100μm的厚度、范围从约0.5μm至约2μm的周期、和范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度。另外公开的、用于制造波导的方法包含以下步骤：使用第一混合物涂布基板，所述第一混合物包含第一材料，所述第一材料具有至少约1.8的折射率；可选地使用第二混合物涂布所述基板，所述第二混合物包含第二材料，所述第二材料具有小于约1.8的折射率；和在高于250℃的温度下热处理经涂布的基板，以形成具有至少一个散射表面的波导。
依据各种实施例，所述波导可以包含一片高折射率材料，例如氧化锆。所述波导的晶粒尺寸范围可以从例如约200nm至约500nm，而且在一些实施例中所述波导的密度可以大于约3g/cm3。在另外的实施例中，所述波导可以进一步包含整平层，所述整平层位于至少一个散射表面上。所述整平层可以具有例如小于约500nm的厚度及小于约30nm的RMS粗糙度。依据进一步的实施例，所述波导可以包含玻璃基板及至少一个第一层，所述至少一个第一层包含氧化锆。在又进一步的实施例中，所述波导可以包含交替的、高和低折射率材料的第一和第二层。
将在以下的实施方式中提出本公开的其他特征与优点，而且从实施方式，部分的特征与优点对于所属领域中的技术人员而言将是显而易见的，或者可通过实施本文所述的方法而认可部分的特征与优点，本文所述的实施例包括以下的实施方式、权利要求书以及附图。
应了解的是，前述的一般性描述与以下的实施方式都呈现本公开的各种实施例，而且意图提供用于了解权利要求书的本质与特点的概观或架构。附图被涵括以提供对本公开的进一步了解，而且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本公开的各种实施例，而且所述附图与实施方式一起用以解释本公开的原理与操作。
附图说明
当结合以下附图阅读时可以进一步了解以下的实施方式。
图1示出依据本公开的各种实施例的发光装置；
图2绘示依据本公开的某些实施例的例示性单层波导；
图3绘示依据本公开的各种实施例的例示性多层波导；
图4绘示在各种热处理温度下的氧化锆的SEM影像；
图5A-C为依据本公开的某些实施例的单层波导的SEM影像；
图6为依据本公开的各种实施例光学替代EE为波导的整平层厚度的函数的图形说明；
图7A-D为依据本公开的各种实施例的波导的SEM影像；以及
图8为依据本公开的各种实施例光学替代EE为波导的整平层厚度的函数的图形说明。
具体实施方式
装置
本文公开的是波导，所述波导具有两个散射表面并包含范围从约1μm至约100μm的厚度、范围从约0.5μm至约2μm的周期、及范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度。本文还公开包含至少一个散射表面的波导，所述波导包含基板及至少一个第一层，所述至少一个第一层包含第一材料，所述第一材料具有至少约1.8的折射率及范围从约300nm至约10μm的厚度；以及可选的至少一个第二层，所述至少一个第二层包含第二材料，所述第二材料具有小于约1.2的折射率及小于约100nm的厚度，其中所述波导包含范围从约0.5μm至约2μm的周期，而且其中所述至少一个散射表面包含范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度。本文还公开包含所述波导的OLED及照明或显示装置。
图1绘示依据本公开的各种实施例的例示性发光装置。所述装置可以包含阴极110、电子传输层120、发射层130、电洞传输层140、阳极150、和波导160。在绘示的实施例中，所述装置可以通过波导160发射光，在这种情况下，阳极150可以包含大体上透明或半透明的材料，例如铟锡氧化物(ITO)或任何其他具有适当透明度的导电材料。在其他的实施例中，所述装置可以通过透明或半透明阴极110(例如有机层)发射光，在这种情况下，波导160可以被定位成邻接阴极110(未描绘)。发光装置中的附加层可以包括电洞注入层(HIL)和/或电子注入层(EIL)(未图示)。本文公开的波导可以被单独使用，例如作为光散射层并作为基板、或是可以在基板(未图示)之外被使用，例如作为阳极或阴极与基板之间的光散射层。
所述波导可以包含第一表面和相对的第二表面。在一些实施例中，所述波导可以是包含一个层或多个层的片材。在某些实施例中，所述表面可以是平面的或大体上平面的，例如大体上平的和/或水平。在一些实施例中，所述波导还可以被以至少一个曲率半径弯曲，例如三维波导，如凸形或凹形波导。在各种实施例中，所述第一和第二表面可以是平行的或大体上平行的。所述波导可以进一步包含至少一个边缘，例如至少两个边缘、至少三个边缘、或至少四个边缘。通过非限制性实例的方式，所述波导可以包含具有四个边缘的矩形或方形片材，但其他的形状和结构也被构想，并意图落入本公开的范围内。
如图2所图示，例示性的“单层”波导260可以包含单片厚度t的高折射率材料。第一散射表面262可以具有第一粗糙度262s。第二散射表面264可以具有第二粗糙度264s。本文中使用的术语“高折射率材料”是指折射率至少约1.8的材料，例如折射率可以高达2.8。在某些实施例中，折射率的范围可以从约1.8至约2.5、从约1.9至约2.3、或从约2至约2.1，包括其间的所有范围和子范围。所述第一和第二表面可以通过范围从约20nm至约60nm的RMS表面粗糙度来特征化，例如约25nm至约50nm、约30nm至约45nm、或约35nm至约40nm，包括其间的所有范围和子范围。依据各种实施例，所述第一和第二表面的粗糙度可以相同或不同。RMS粗糙度在ASME B46.1中被描述为轮廓与平均线的高度偏差的均方根平均，被记录在评估长度内。
适当的高折射率材料的非限制性实例可以包括例如氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化锌、氧化铈、尖晶石、锐钛矿或金红石型氧化钛、氧化铌、氧化锡、以及上述材料的组合。在某些实施例中，单层波导可以是独立的片材，或者可以与基板(例如玻璃基板)结合使用。单层波导的厚度t范围可以例如从约1μm至约100μm，例如约5μm至约90μm、约10μm至约80μm、约20μm至约70μm、约30μm至约60μm、或约40μm至约50μm，包括其间的所有范围和子范围。单层波导的周期范围可以例如从约0.5μm至约2μm，例如约1μm至约1.5μm(例如0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm、或2μm)，包括其间的所有范围和子范围。本文中使用的术语“周期”是指表面正弦波形重复自身的距离。
依据各种实施例，单层波导可以具有高密度和/或低孔隙度。例如，单层波导的密度可以大于约3g/cm3，例如大于约4g/cm3、大于约5g/cm3、大于约6g/cm3、大于约7g/cm3、大于约8g/cm3、大于约9g/cm3、或大于约10g/cm3、或更大，包括其间的所有范围和子范围。在一些实施例中，单层波导的孔隙度可以小于约10％，例如小于约5％、小于约4％、小于约3％、小于约2％、或小于约1％，包括其间的所有范围和子范围。依据另外的实施例，晶粒尺寸范围可以例如从约200nm至约500nm，例如约225nm至约450nm、约250nm至约400nm、或约300nm至约350nm，包括其间的所有范围和子范围。
在一些实施例中，单层波导可以在第一和/或第二表面上包含整平或平滑层。整平层可以例如具有小于或等于约500nm的厚度，例如小于约450nm、小于约400nm、小于约350nm、小于约300nm、或小于约250nm，包括其间的所有范围和子范围。依据各种实施例，整平层可以包含至少一种选自光学聚合物和玻璃的材料，例如透明聚合物和玻璃，例如聚甲基硅倍半氧烷、聚苯基硅倍半氧烷、聚甲基苯基硅倍半氧烷、聚甲基硅氧烷、聚硅酸盐硅倍半氧烷、硅酸盐、部分聚合的聚甲基硅氧烷(例如T-12、T-11、512B旋涂玻璃(Honeywell))、聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、部分聚合的聚硅倍半氧烷、聚甲基硅倍半氧烷(HardSilTMAM，Gelest化学)、以及聚苯基硅倍半氧烷、聚甲基苯基硅倍半氧烷(HardSilTMAP，Gelest)或含有聚甲基硅倍半氧烷或聚苯基甲基硅倍半氧烷的纳米颗粒，其中所述纳米颗粒可以是氧化钛、二氧化硅或氧化锆。涂布有整平层的第一和/或第二表面可以具有例如小于约20nm的RMS粗糙度，例如小于约15nm、小于约10nm、或小于约5nm(例如20nm、19nm、18nm、17nm、16nm、15nm、14nm、13nm、12nm、11nm、10nm、9nm、8nm、7nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm或1nm)，包括其间的所有范围和子范围。
依据另外的实施例，如图3所示，“多层”波导360可以包含被沉积在基板366上的多层360a和360b。例如，交替的高折射率材料层360a和低折射率材料层360b可以被沉积在基板366上。每一高折射率材料层可以包含第一散射表面362和第二散射表面364，每一散射表面各自独立具有如以上针对单层波导所公开的粗糙度(例如范围从小于20nm至60nm)。在一些实施例中，每一高折射率层360a的厚度可以独立在从约300nm至约10μm的范围中，例如从约500nm至约9μm、从约750nm至约8μm、从约1μm至约7μm、从约1.5μm至约6μm、从约2μm至约5μm、或从约3μm至约4μm，包括其间的所有范围和子范围。此外，每一高折射率层360a的密度可以在例如从约1.5g/cm3至约6g/cm3的范围中，例如从约2g/cm3至约5g/cm3、或从约3g/cm3至约4g/cm3，包括其间的所有范围和子范围。
本文中使用的术语“低折射率材料”是指折射率小于约1.8的材料，例如折射率可以低至1.4。在某些实施例中，折射率的范围可以从约1.4至约1.7、或从约1.5至约1.6，包括其间的所有范围和子范围。适当的低折射率材料的非限制性实例可以包括例如聚甲基硅倍半氧烷、聚苯基硅倍半氧烷、聚甲基苯基硅倍半氧烷、聚甲基硅氧烷、聚硅酸盐硅倍半氧烷、硅酸盐、部分聚合的聚甲基硅氧烷(例如T-12、T-11、512B旋涂玻璃(Honeywell))、聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、部分聚合的聚硅倍半氧烷、聚甲基硅倍半氧烷(HardSilTMAM，Gelest化学)、及聚苯基硅倍半氧烷、聚甲基苯基硅倍半氧烷(HardSilTMAP，Gelest)或含有聚甲基硅倍半氧烷或聚苯基甲基硅倍半氧烷的纳米颗粒、其中所述纳米颗粒可以是氧化钛、二氧化硅、或氧化锆、以及上述的组合。每一低折射率层360b的厚度可以小于约500nm，例如独立地在从约5nm至约400nm、从约10nm至约300nm、从约20nm至约200nm、从约30nm至约100nm、从约40nm至约90nm、从约50nm至约80nm、从约60nm至约70nm、或小于5nm的范围中，包括其间的所有范围和子范围。
依据各种实施例，每种高折射率层与低折射率层的组合可以被称为“复合”层。所述复合层可以具有范围例如从约0.5μm至约2μm的周期，例如从约1μm至约1.5μm(例如0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm、或2μm)，包括其间的所有范围和子范围。在某些实施例中，多层波导可以包含被沉积在玻璃基板366上的高和低折射率层。玻璃基板可以包含例如所属领域中已知的任何玻璃，用于在OLED中作为玻璃基板，玻璃包括、但不限于铝硅酸盐、碱金属铝硅酸盐、硼硅酸盐、碱金属硼硅酸盐、铝硼硅酸盐、碱金属铝硼硅酸盐、和其他适当的玻璃。
在某些实施例中，基板可以具有小于或等于约3mm的厚度，例如范围从约0.1mm至约2.5mm、从约0.3mm至约2mm、从约0.7mm至约1.5mm、或从约1mm至约1.2mm，包括其间的所有范围和子范围。适合用作滤光片的市售玻璃的非限制性实例包括例如来自康宁公司的EAGLEIrisTM、LotusTM、及玻璃。适当的玻璃被公开于例如美国专利第4,483,700号、第5,674,790号、及第7,666,511号中，将所述专利以引用方式并入本文中。
在进一步的实施例中，多层波导可以包含至少两个高折射率层，例如至少三个、至少四个、至少五个、或更多个高折射率层。依据又进一步的实施例，多层波导可以包含至少一个低折射率层，例如至少两个、至少三个、至少四个、至少五个、或更多个低折射率层。因此，多层波导可以包含至少一个散射表面，例如，每个高折射率层的第一和/或第二表面可以是光散射表面。例如，多层波导可以包含至少一个、至少两个、至少三个、至少四个、至少五个、至少六个、至少七个、至少八个、至少九个、至少十个、或更多个光散射表面。
依据各种实施例，波导可以包含n个高折射率层、2n-1个散射表面；n-1个低折射率层；及一个整平层，其中n大于或等于1。例如，n的范围可以从1至10或大于10，例如从2至9、从3至8、从4至7、或从5至6，包括其间的所有范围和子范围。依据各种实施例，高折射率层可以具有第一折射率，而低折射率层可以具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率。例如，所述第一折射率可以是至少约1.8，例如范围从约1.8至约2.8，而所述第二折射率可以小于或等于约2.1，例如范围从约1.4至约2.1。整平层可以包含波导的外部表面，例如与OLED装置或OLED层接触的层。
多层波导中每个散射表面的粗糙度可以视需要而每层不同或可以在波导内各处都相同。举例来说，每个低折射率层可以在某种程度上用来作为平滑层，这样可以降低每个高折射率层的粗糙度。在一些实施例中，多层波导可以包含外表面368。在某些另外的实施例中，整平或平滑层可以被沉积在所述外表面上。整平层可以具有与以上为单层波导描述的类似的厚度、成分、和粗糙度。因此，每个散射表面的粗糙度可以在波导各处变化，例如具有更平滑的外表面368，并且当层接近基板时渐进粗糙的表面。在一些实施例中，所述外表面可以具有小于约20nm的RMS粗糙度，且任意的内部散射表面具有范围从约20nm至约60nm的粗糙度。例如，愈接近基板的表面粗糙度可以从外部表面上的小于约20nm渐进到内部表面上的高达约60nm。
本文中使用的术语“光散射表面”、“散射表面”、及“散射层”可以互换使用来指称能够散射入射光的区域。“表面”不需要是外部表面(如在单层波导的两个外部表面的情况)。相反地，在多层波导的情况下，“表面”也可以指迭层内的内部散射区域(例如各层之间的界面)。单层波导中的光提取可以通过表面散射(外部散射表面)的方式发生。多层波导中的光提取可以通过表面散射(外部和/或内部散射表面)和/或体积散射机制(层中的空隙)的方式发生。
方法
本文公开的是用于制造波导的方法，所述方法包含以下步骤：从批料制备生坯，所述批料包含至少一个折射率至少约1.8的成分及可选的至少一个添加剂，所述添加剂系选自溶剂、粘结剂、分散剂、界面活性剂、及塑化剂；以及在高于约1000℃的温度下烧结所述生坯，以形成具有两个散射表面的波导，其中所述波导包含范围从约1μm至约100μm的厚度、范围从约0.5μm至约2μm的周期、和范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度。本文还公开的是用于制造波导的方法，所述方法包含以下步骤：使用第一混合物涂布基板，所述第一混合物包含第一材料，所述第一材料具有至少约1.8的折射率；可选地使用第二混合物涂布所述基板，所述第二混合物包含第二材料，所述第二材料具有小于约1.8的折射率；以及在高于250℃的温度下热处理已涂布的基板，以形成具有至少一个散射表面的波导。
例如，单层波导可以通过薄带成形、狭缝涂布、旋涂、或浸涂批料组成物来制备，所述批料组成物包含至少一个高折射率材料，以形成生坯。其他用于形成薄的高折射率材料片的技术也被构想为落入本公开的范围内。依据各种实施例，所述高折射率材料可以包含纳米颗粒，例如氧化锆、氧化铝、氧化锌、氧化铈、尖晶石、锐钛矿或金红石型氧化钛、氧化铌、及氧化锡纳米颗粒、以及上述的组合。所述纳米颗粒可以具有范围例如从约5nm至约100nm的平均粒径，例如从约10nm至约75nm、从约20nm至约60nm、从约25nm至约50nm、或从约30nm至约40nm，包括其间的所有范围和子范围。所述纳米颗粒可以进一步包含至少一种稳定剂，例如Y、Yb、Ca、Mg、Sc及上述的组合。例如，所述纳米颗粒可以包含多达约9摩尔％的至少一种稳定剂，例如依重量计从约1摩尔％至约8摩尔％、从约2摩尔％至约7摩尔％、从约3摩尔％至约6摩尔％、或从约4摩尔％至约5摩尔％的稳定剂。在某些实施例中，所述纳米颗粒可以包含氧化钇稳定的四方晶氧化锆纳米颗粒，例如3YSZ(3摩尔％的氧化钇稳定的氧化锆)。
依据各种实施例，用于生产单层波导的批料组成物可以包含依重量计约5％至约50％的纳米颗粒，例如依重量计约10％至约40％、或约20％至约30％的高折射率材料，包括其间的所有范围和子范围。批料可以进一步包含一种或更多种添加剂，所述添加剂是选自溶剂、粘结剂、分散剂、界面活性剂、塑化剂、和类似物。适当的溶剂可以包括例如水、醇、极性和非极性有机溶剂、以及上述溶剂的组合。可以使用粘结剂来例如在烧结过程中将纳米颗粒保持在一起。粘结剂的非限制性实例包括例如聚乙烯醇、丙烯酸聚合物、聚乙烯醇缩丁醛、各种分子量的聚环氧乙烷和聚乙二醇、聚乙烯吡咯啶酮、纤维素物质例如羟甲基纤维素、羟乙基纤维素及羟丙基纤维素、树胶例如琼脂胶和阿拉伯胶、丙烯酸聚合物、乙烯丙烯聚合物、丙烯酸、聚丙烯酰胺、淀粉、以及上述粘结剂的组合。分散剂或界面活性剂可被用于涂布纳米颗粒和/或最少化结块。适当的分散剂或界面活性剂可以包括例如Emphos PS-21A和絮凝剂，例如冰醋酸。塑化剂可被包括在批料中，以提高延展性。例示性的塑化剂包括、但不限于邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸丁基苯基酯、低分子量聚乙二醇、和上述的组合。其他适当的批料组成物成分被描述于美国专利第6,428,920号中，将所述专利通过引用全部并入本文中。
生坯可以经受热处理步骤，例如用以烧掉任何存在于批料中的有机材料。例如，生坯可以被加热到高于约250℃的第一温度，例如高于约300℃、高于约350℃、高于约400℃、高于约450℃、高于约500℃、高于约600℃、高于约700℃、高于约800℃、或高于约850℃，包括其间的所有范围和子范围。热处理时间可以视波导的应用和/或所需性质而改变，并且范围可以例如从约30分钟至约3小时，例如从约1小时至约2小时，包括其间的所有范围和子范围。生坯随后可以在高于约1000℃的第二温度下进行烧结，例如范围从约1000℃至约1600℃、约1050℃至约1500℃、约1100℃至约1400℃、或约1200℃至约1300℃，包括其间的所有范围和子范围。烧结时间可以视波导的应用和/或所需性质而改变，并且范围可以例如从约30分钟至约3小时，例如从约1小时至约2小时，包括其间的所有范围和子范围。
多层波导可以通过使用包含高折射率材料的批料组成物狭缝涂布、旋涂、或浸涂基板(例如玻璃基板)来制备。其他适用于在基板上沉积层的技术也被构想为落入本公开的范围内。依据各种实施例，用于生产多层波导的批料组成物可以包含依重量计约3％至约30％的高折射率材料，例如依重量计约5％至约20％、或约10％至约15％的纳米颗粒，包括其间的所有范围和子范围。批料还可以包含如以上针对单层波导描述的溶剂、粘结剂、分散剂、界面活性剂、和/或塑化剂。然后已涂布的基板可以如上所述进行热处理以移除高折射率涂层中的任何有机材料，并于随后进行烧结。可以使用与用以沉积高折射率层的技术相同或不同的技术将低折射率材料涂布到基板上。低折射率批料同样可以包含本文所述的至少一种添加剂。然后可以通过相同或不同的技术将至少一个另外的高折射率层施加到基板，之后施加至少一个低折射率材料层，以此类推没有限制。可以以任何需要的组合在每个涂布步骤之间或涂布之后进行加热和/或烧结步骤。
在某些实施例中，多层波导可以不用烧结步骤来制备。例如，可以在涂布之间和/或之后只使用热处理步骤来依序施加高折射率和低折射率层，以从这些层中移除有机材料(例如溶剂、粘结剂、分散剂等等)。因此，热处理步骤可以燃烧或蒸发一种或更多种添加剂，从而在波导结构中留下空隙。在没有烧结步骤之下，这些空隙可以保持打开，或者在一些实施例中，一部分或全部的空隙可以在随后的涂布步骤中被整平材料填充。分散在多层波导各处的空隙可以通过体积散射机制的方式有利地提供另外的光散射。通过非限制性实例的方式，图4绘示被涂布到玻璃基板上的氧化锆层在升温下热处理之后的扫描电子显微镜(SEM)影像。在高达约800℃的温度下，随着温度上升，氧化锆层中的空隙也增加了。在高于800℃的温度下，氧化锆开始合并，如涂层厚度减小所示(<800℃～1.5-2μm；>800℃～0.5μm)。在约1000℃下，观察到明显烧结的氧化锆颗粒形成更大的晶粒。
可以将整平层施加到本文公开的波导的一个或多个表面，例如到单层波导的第一和/或第二表面或到多层波导的外表面。整平层可以使用所属领域中已知的任何方法施加，例如狭缝涂布、浸涂、真空沉积、以及其他类似的工艺。在一些实施例中，整平层可以具有小于约500nm的厚度，例如小于约400nm、小于约300nm、小于约200nm、或小于约100nm，包括其间的所有范围和子范围。在各种实施例中，整平层的RMS粗糙度可以小于约20nm，例如小于约15nm、小于约10nm、或小于约5nm，包括其间的所有范围和子范围。
将理解的是，各种公开的实施例可以涉及关于所述特定实施例所描述的特定特征、元件或步骤。还将理解的是，特定的特征、元件或步骤虽然是关于一个特定实施例描述的，但仍可被与替代实施例互换或以各种未示出的组合或排列组合。
还应当理解的是，本文中使用的术语“所述”或“一”意指“至少一个”，并且不应被限制于“只有一个”，除非有明确相反的指示。因此，例如提及“一层”包括具有两个或更多个这种层的实例，除非上下文另有明确的指示。同样地，“多个”意图表示“超过一个”。因此，“多个层”包括两个或更多个这样的层，例如三个或更多个这样的层等等。
本文中可以将范围表示为从“约”一个特定值、和/或至“约”另一个特定值。当这样的范围被表达时，实例包括从所述一个特定值和/或至另一个特定值。类似地，当值被表达为近似值时，通过使用先行词“约”将可理解的是，所述特定值形成了另一种方面。将进一步理解的是，每个范围的端点在关联另一个端点与独立于另一个端点时都是有意义的。
本文中使用的术语“大体的”、“大体上”及其变化意图表示所描述的特征等于或大约等于一个值或描述。例如，“大体上平面的”表面意图表示所述表面为平面或大致平面的。此外，如上文所定义，“大体上类似的”意图表示两个值为相等或大约相等的。在一些实施例中，“大体上类似的”可以表示在彼此的约10％以内的值，例如在彼此的约5％以内、或在彼此的约2％以内。
除非另有明确的陈述，否则绝无意使本文阐述的任何方法被解读为需要其步骤以特定的顺序进行。因此，当方法权利要求未实际陈述其步骤应遵循的顺序、或是权利要求书或实施方式中没有另外具体陈述所述步骤应被限制于特定的顺序时，绝无意图推断出任何特定的顺序。
虽然可以使用转折连接词“包含”来公开特定实施例的各种特征、元件或步骤，但应当理解的是，替代实施例(包括可以使用转折连接词“由......所组成”或“基本上由......所组成”描述的那些)也被隐含。因此，举例来说，包含A+B+C的装置的隐含性替代实施例包括由A+B+C所组成的装置的实施例和基本上由A+B+C所组成的装置的实施例。
所属领域中的技术人员将显而易见的是，可以在不偏离本公开的精神和范围下对本公开做出各种修改和变化。由于结合本公开的精神和物质的公开实施例的修改组合、子组合和变化是所属领域中的技术人员可以轻易想到的，故应将本公开解读为包括在所附权利要求书及其均等物的范围内的一切。
意图使以下实例为非限制性的并且只为说明性的，且本发明的范围是由权利要求书界定。
实例
单层波导
将包含66重量％氧化锆纳米颗粒(3YSZ)的批料薄带成形以产生生坯，将所述生坯在700℃的温度下热处理1小时，并于随后在1300℃下烧结1小时。生产出厚度20μm和40μm的氧化锆波导。图5A-C为由此生产出的波导(20μm)的扫描电子显微镜(SEM)影像(分别为立体图、俯视图及剖视图)。观察到氧化锆晶粒尺寸是约250-300nm，并且表面粗糙度特征的峰-谷高度是约112nm。波导的RMS表面粗糙度是约40nm。
将氧化锆波导旋涂整平层，所述整平层包含使用异丙醇稀释到10-50重量％聚硅氧烷浓度的聚硅氧烷512B(Honeywell)混合物。得到各种整平层厚度，包括50nm和350nm。将OLED活性物质(AlQ3)和Ag阴极材料蒸镀到有和没有整平层的波导上。将所得的迭层放在玻璃基板上用于光学替代测量。
将波导的光学替代提取效率(EE)为整平浓度(可与整平层厚度关联)的函数描绘于图6。对于没有整平层(浓度＝0％)的波导，观察到20μm和40μm厚的波导的EE值都大于2。具有整平层(浓度＝10％、30％)时，波导表现的EE值范围从约1.9至2.3。当使用折射率1.45的油使氧化锆波导与玻璃基板之间的气隙折射率匹配时，观察到更高的EE值。
氧化锆的折射率约为2.2，取决于传输光的波长。此折射率可以使波导参数与TCO-OLED层有良好的匹配。波导的有效折射率和厚度使得波导中可以有相应的模态。据信单层波导的提取效率是由在氧化锆-空气界面与表面粗糙度相关的表面散射机制所决定。此外，这两种波导厚度所得到的EE值表示，没有基于波导厚度的相依性。
多层波导
将氧化锆纳米颗粒(3YSZ)与乙醇/丁醇溶剂混合，以产生适用于浸涂或狭缝涂布的批料混合物。然后将批料涂布到玻璃基板上，并在400℃的温度下热处理2小时或在600℃的温度下热处理1小时。然后将具有氧化锆层的玻璃基板旋涂整平层，所述整平层包含使用异丙醇稀释到10-50重量％聚硅氧烷浓度的聚硅氧烷512B(Honeywell)混合物。得到各种整平层厚度，包括100nm和400nm。图7A-D为由此生产出的波导的SEM剖面影像。SEM影像图示出氧化锆层的厚度为约1.5μm，并且整平层具有约300nm的厚度。观察到整平层至少部分与氧化锆层的表面共形。氧化锆纳米结构的表面形态被充分限制粗糙度，以能够得到较薄的平滑(整平)层，例如小于500nm。
将OLED活性物质(AlQ3)和Ag阴极材料蒸镀到波导上。测量所得迭层的提取效率。将波导的光学替代提取效率(EE)为整平浓度(可与整平层厚度关联)的函数描绘于图8。具有300nm整平层(100％浓度)的波导具有约2.9的最高EE值。较厚的整平层(>500nm，150％浓度)导致较低的EE值，较薄的整平层(100nm，50％浓度)也一样。
不希望受到理论的束缚，据信TCO/OLED界面不含高到足以引起OLED引导的横向电场(TE)与OLED层内的横向磁波(TM)模态模态耦合到高度减弱的表面等离子体子模态的横向频率分量。然而，表面形貌确实包含高到足以在TE与TM模态之间引起模态耦合的侧面频率，从而可以促进从较低、较紧密结合的引导模态到较易提取的较高模态的耦合。此外，涂层中的空隙可以作为体积散射位点。因为这些位点的尺寸可以小于传输光的波长，所以光可被以更宽的角度散射，从而可以实现更有效的提取。

Claims (28)

1.一种波导，包含：
(a)第一和第二相对的散射表面；
(b)范围从约1μm至约100μm的厚度；
(c)范围从约0.5μm至约2μm的周期；以及
(d)范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度。
2.如权利要求1所述的波导，其中所述波导包含材料，所述材料具有至少约2的折射率。
3.如权利要求1所述的波导，其中所述波导为氧化锆片。
4.如权利要求1所述的波导，其中所述波导包含范围从约200nm至约500nm的晶粒尺寸。
5.如权利要求1所述的波导，其中所述波导包含大于约3g/cm3的密度。
6.如权利要求1所述的波导，进一步包含整平层，所述整平层位于所述第一和第二散射表面的一个或两个上。
7.如权利要求6所述的波导，其中所述整平层具有小于约500nm的厚度及小于约30nm的RMS粗糙度。
8.一种有机发光二极管，包含如权利要求1所述的波导。
9.一种用于制造波导的方法，包含：
从批料形成生坯，所述批料包含至少一个折射率至少约1.8的成分和可选的至少一个添加剂，所述添加剂选自分散剂、粘结剂、和溶剂；以及
在高于约1000℃的温度下烧结所述生坯以形成具有两个散射表面的波导，
其中所述波导包含：
(a)范围从约1μm至约100μm的厚度；
(b)范围从约0.5μm至约2μm的周期；及
(c)范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度。
10.如权利要求9所述的方法，其中形成所述生坯包含薄带成形、狭缝涂布、旋涂、或浸涂所述批料。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述至少一个成分包含氧化锆纳米颗粒。
12.如权利要求9所述的方法，进一步包含施加一整平层到所述散射表面的一个或两个上。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述整平层系通过旋涂、浸涂、或真空沉积法施加。
14.如权利要求9所述的方法，进一步包含在烧结之前将所述生坯加热到范围从约250℃至约700℃的第二温度。
15.一种波导，具有至少一个散射表面，所述波导包含：
基板；以及
至少一个第一层，所述至少一个第一层包含第一材料，所述第一材料具有至少约1.8的折射率并具有范围从约300nm至约10μm的厚度；及
可选的至少一个第二层，所述至少一个第二层包含第二材料，所述第二材料具有小于约1.8的折射率并具有小于约100nm的厚度，
其中所述波导包含范围从约0.5μm至约2μm的周期；及
其中所述至少一个散射表面包含范围从约20nm至约60nm的一RMS粗糙度。
16.如权利要求15所述的波导，其中所述第一层包含氧化锆。
17.如权利要求15所述的波导，其中所述第一层包含大于约3g/cm3的一密度。
18.如权利要求15所述的波导，其中所述第一和第二层被以交替的方式配置。
19.如权利要求15所述的波导，进一步包含整平层，所述整平层具有小于约500nm的厚度及小于约20nm的RMS粗糙度。
20.一种有机发光二极管，包含如权利要求15所述的波导。
21.一种用于制造波导的方法，包含：
使用第一混合物涂布一基板，所述第一混合物包含第一成分，所述第一成分具有至少约1.8的折射率；
可选地使用第二混合物涂布所述基板，所述第二混合物包含第二成分，所述第二成分具有小于约1.8的折射率；以及
在高于250℃的温度下热处理已涂布的基板，以形成具有至少一个散射表面的波导。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述第一成分包含氧化锆纳米颗粒。
23.如权利要求21所述的方法，其中使用所述第一或第二混合物涂布所述基板包含狭缝涂布、旋涂、或浸涂。
24.如权利要求21所述的方法，进一步包含施加整平层到所述波导，其中所述整平层具有小于约500nm的厚度及小于约20nm的RMS粗糙度。
25.如权利要求21所述的方法，其中所述第一和第二混合物被以交替的方式涂布到所述基板上。
26.如权利要求21所述的方法，其中包含所述第一材料的涂布具有范围从约300nm至约10μm的厚度，而且包含所述第二材料的涂布具有小于约100nm的厚度。
27.一种波导，包含：
n个第一层，所述第一层包含第一材料，所述第一材料具有第一折射率；
2n-1个散射表面，所述散射表面包含范围从约20nm至约60nm的RMS粗糙度；
n-1个第二层，所述第二层包含第二材料，所述第二材料具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率；以及
整平层，具有小于约20nm的RMS粗糙度，
其中n大于或等于1。
28.一种有机发光二极管，包含如权利要求27所述的多层波导及有机发光层，所述有机发光层与所述多层波导的所述整平层接触。
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