CN112799158A - 一种基于光波导的类谐振腔光提取结构 - Google Patents

一种基于光波导的类谐振腔光提取结构 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，用于提升光源的光出射效率，所述类谐振腔光提取结构包括设于光出射面处的透光衬底；所述透光衬底处周期性地设有多个波纹结构；所述波纹结构的受光面与透光的波导阵列相邻；所述波导阵列嵌于透光衬底处，波导阵列包括多个设于波纹结构的波峰后方的凸形透光结构；当光线在波纹结构的波峰处产生反射时，反射光线的部分或全部可再次被凸形透光结构反射回波纹结构；本发明能提升OLED的光出射效率。

Description

一种基于光波导的类谐振腔光提取结构
技术领域
本发明涉及光电显示技术领域，尤其是一种基于光波导的类谐振腔光提取结构。
背景技术
OLED是一种利用多层有机薄膜结构产生电致发光的器件，相较于LED或LCD的晶体层，OLED的有机塑料层更薄、更轻而且更富于柔韧性，发光层比较轻，因此它的基层可使用富于柔韧性的材料，而不会使用刚性材料，并且OLED并不需要采用LCD中的逆光系统。
OLED从器件结构角度来说，虽然内量子效率已经几乎可以达到100%，但是总的出光效率不高，即外量子效率低，系统内部的界面反射、折射、吸收、等离子共振都会从内部降低OLED整体的出光效率，从而降低了外量子效率。
因此，研究合理结构，减少全反射等造成的能量损失，使光更多出射到器件外，来提高外量子效率至关重要。
基于现有OLED结构仍然存在由大量界面全内反射等原因造成的外量子效率低，需要提出一种新的结构来引导光波更多的从Glass基板表面出射，需要由此改善光提取效率改善其性能。
有鉴于此，有必要提出一种基于光波导的类谐振腔光提取结构与方法。
发明内容
本发明提出一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，能提升OLED的光出射效率。
本发明采用以下技术方案。
一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，用于提升光源的光出射效率，所述类谐振腔光提取结构包括设于光出射面处的透光衬底；所述透光衬底处周期性地设有多个波纹结构；所述波纹结构的受光面与透光的波导阵列相邻；所述波导阵列嵌于透光衬底处，波导阵列包括多个设于波纹结构的波峰后方的凸形透光结构；当光线在波纹结构的波峰处产生反射时，反射光线的部分或全部可再次被凸形透光结构反射回波纹结构。
所述凸形透光结构的凸起面朝向波纹结构的波峰或波谷方向。
当光源光线到达波纹结构时，若光线入射方向与波纹结构表面法线夹角小于全反射角，则光线经波纹结构透射；
所述凸形透光结构以低折射材料成型；经凸形透光结构透射的光线到达波纹结构的波峰处时，若光线入射方向与波纹结构表面法线夹角小于全反射角，则光线经波纹结构透射；
所述凸形透光结构的凸起面与波纹结构之间形成光传输横向路径；当反射光线被凸形透光结构反射回波纹结构时，反射光线可在光传输横向路径处往复反射，直至光线在波纹结构表面处的入射角不满足全反射条件时从透光衬底处出射。
所述类谐振腔光提取结构的底端处设有光源；所述透光衬底设于类谐振腔顶端；所述类谐振腔的腔壁处设有光反射面；所述光反射面以金属反射镜或者布拉格反射镜成型；所述光反射面可通过把类谐振腔内的光线反射至透光衬底或波导阵列来提升光出射效率。
所述波纹结构在衬底处的分布方式为，波纹结构在衬底处的分布周期范围为0.01μm -10μm，波纹结构的高度范围为0.01 μm -2μm。
所述波导阵列凸形透光结构的折射率n1小于透光衬底材料的折射率n2，凸形透光结构上表面的曲率半径、轴心位置、展宽与波纹结构的波峰相同；所述波导阵列内，凸形透光结构以单层方式排列或者多层交错方式排列。
所述凸形透光结构的形状包括平凸微透镜形状、凹凸微透镜形状、平凸柱透镜形状或凹凸柱透镜形状；所述凸形透光结构的高度小于波纹结构的波峰高度；所述凸形透光结构在波导阵列内的分布周期小于波纹结构在透光衬底处的分布周期。
所述凸形透光结构以多层交错方式在波导阵列内排列时形成多个镂空层结构；下一级镂空层结构相错位分布在前一级镂空层结构下方，且下一级镂空结构凸形透光结构的中心位置处于在前一级镂空结构的间隔位置的中线处，其中心轴与前一级镂空结构中心轴保持平行。
所述光源为OLED器件的光源；所述OLED器件阴极的厚度范围为300nm-600nm；以Al或Ag材料成型；OLED器件阳极的厚度<1um，以透明铟锡氧化物成型；
所述类谐振腔的真空部分折射率约为1；
所述透光衬底波纹结构的波峰包括凸透镜；所述类谐振腔顶部处，透光衬底的波纹结构由凸透镜和凹陷面在玻璃基板上表面周期排列形成；波纹结构和玻璃基板均以二氧化硅材料成型；
所述波纹结构波纹表面材质为二氧化硅玻璃，其可见光波段折射率范围1.40~1.74。
所述凸形透光结构以多层交错方式在波导阵列内排列时形成多个镂空层结构；在制备镂空层结构时，先采用聚乙烯醇使镂空层结构在OLED器件的出光面处形成半柱形结构，再把透明衬底的波纹结构封装于半柱形结构的出光面处，然后通过水浸处理去除聚乙烯醇，即可制成由镂空层结构与波纹结构组合成型的OLED器件光波导通道。
本发明可提升OLED器件的光提取效率（光出射效率），而且能实现均匀光出射的效果。
本发明中，由于出射光需在衬底处不满足全反射条件才能出射，且衬底的波纹结构波峰的弧度较小，因此经衬底透射出射的光更为均匀且方向性得以优化。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的示意图（单层波导结构）；
附图2是本发明的另一示意图（多层波导结构）；
附图3是本发明光出射路径示意图；
附图4是传统工艺OLED、采用本发明所述方案的OLED的光提取效率对比示意图；
图中：1－光源；2－波纹结构；3－波导阵列；4－光反射面；5－凸形透光结构；6－光传输横向路径；7－透光衬底；
11－阴极；12－阳极。
具体实施方式
如图所示，一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，用于提升光源1的光出射效率，所述类谐振腔光提取结构包括设于光出射面处的透光衬底7；所述透光衬底处周期性地设有多个波纹结构2；所述波纹结构的受光面与透光的波导阵列3相邻；所述波导阵列嵌于透光衬底处，波导阵列包括多个设于波纹结构的波峰后方的凸形透光结构5；当光线在波纹结构的波峰处产生反射时，反射光线的部分或全部可再次被凸形透光结构反射回波纹结构。
所述凸形透光结构的凸起面朝向波纹结构的波峰或波谷方向。
当光源光线到达波纹结构时，若光线入射方向与波纹结构表面法线夹角小于全反射角，则光线经波纹结构透射；
所述凸形透光结构以低折射材料成型；经凸形透光结构透射的光线到达波纹结构的波峰处时，若光线入射方向与波纹结构表面法线夹角小于全反射角，则光线经波纹结构透射；
所述凸形透光结构的凸起面与波纹结构之间形成光传输横向路径6；当反射光线被凸形透光结构反射回波纹结构时，反射光线可在光传输横向路径处往复反射，直至光线在波纹结构表面处的入射角不满足全反射条件时从透光衬底处出射。
所述类谐振腔光提取结构的底端处设有光源；所述透光衬底设于类谐振腔顶端；所述类谐振腔的腔壁处设有光反射面4；所述光反射面以金属反射镜或者布拉格反射镜成型；所述光反射面可通过把类谐振腔内的光线反射至透光衬底或波导阵列来提升光出射效率。
所述波纹结构在衬底处的分布方式为，波纹结构在衬底处的分布周期范围为0.01μm -10μm，波纹结构的高度范围为0.01 μm -2μm。
所述波导阵列凸形透光结构的折射率n1小于透光衬底材料的折射率n2，凸形透光结构上表面的曲率半径、轴心位置、展宽与波纹结构的波峰相同；所述波导阵列内，凸形透光结构以单层方式排列或者多层交错方式排列。
所述凸形透光结构的形状包括平凸微透镜形状、凹凸微透镜形状、平凸柱透镜形状或凹凸柱透镜形状；所述凸形透光结构的高度小于波纹结构的波峰高度；所述凸形透光结构在波导阵列内的分布周期小于波纹结构在透光衬底处的分布周期。
所述凸形透光结构以多层交错方式在波导阵列内排列时形成多个镂空层结构；下一级镂空层结构相错位分布在前一级镂空层结构下方，且下一级镂空结构凸形透光结构的中心位置处于在前一级镂空结构的间隔位置的中线处，其中心轴与前一级镂空结构中心轴保持平行。
所述光源为OLED器件的光源；所述OLED器件阴极11的厚度范围为300nm-600nm；以Al或Ag材料成型；OLED器件阳极12的厚度<1um，以透明铟锡氧化物成型；
所述类谐振腔的真空部分折射率约为1；
所述透光衬底波纹结构的波峰包括凸透镜；所述类谐振腔顶部处，透光衬底的波纹结构由凸透镜和凹陷面在玻璃基板上表面周期排列形成；波纹结构和玻璃基板均以二氧化硅材料成型；
所述波纹结构波纹表面材质为二氧化硅玻璃，其可见光波段折射率范围1.40~1.74。
所述凸形透光结构以多层交错方式在波导阵列内排列时形成多个镂空层结构；在制备镂空层结构时，先采用聚乙烯醇使镂空层结构在OLED器件的出光面处形成半柱形结构，再把透明衬底的波纹结构封装于半柱形结构的出光面处，然后通过水浸处理去除聚乙烯醇，即可制成由镂空层结构与波纹结构组合成型的OLED器件光波导通道。
实施例：
图1与图2可视为本发明实施方式的示例OLED的截面图；其中图1为本发明实施方式的示例OLED中的单级光波导层状结构截面图，图2为本发明实施方式的示例OLED中的多级光波导层状结构截面图。图1与图2表示了示例OLED的具体结构，包括一个由透明铟锡氧化物（ITO）制成的阳极和一个银制的阴极，两个电极之间的三个有机层组成。三个有机层分别为：空穴传输层（Hole Transport Layer）、发光层（Emission Layer）和电子传输层（Electron Transport Layer），它们被集成在一个玻璃基板上，金属电极施加电流时，电子注入阴极，并在阳极形成空穴，电子和空穴会穿过各个层相向运动，最终在发光层相遇并结合，将能量以光子的形式释放出来，将会引起连续发光。
在图1的单级波导机制结构示例中，具有周期波纹的衬底由凸透镜和凹陷面周期排列在玻璃基板上表面构成周期性的水波纹（或其他类似波纹结构）。并且周期性波纹部分材料与玻璃基板同样采用SiO2材料，周期性波纹表面为SiO2(Glass),可见光波段折射率范围1.40~1.74。
在图1的单级波导机制结构示例中，由低折射率材料阵列制成的凸形透光结构的在波纹结构下方，与衬底凸透镜部分（波峰部分）相同曲率半径，相同轴心，相同展宽，相同高度，与凸透镜部分完全相同的镂空结构，真空部分折射率近似为1。
在图1的单级波导机制结构示例中，S3侧壁反射层，由金属反射镜或者布拉格反射镜组成，对从侧面的漏光进行重新利用。
在图1的单级波导机制结构示例中，局部波导结构阵列由周期波纹表面部分，低折射率材料的凸形透光结构阵列共同组成。
在图1的单级波导机制结构示例中，阴极11厚度在300nm-600nm之间，可采用Al或Ag等材料。
在图1的单级波导机制结构示例中，阳极12采用透明铟锡氧化物（ITO）制成，厚度<1um。
在图1中的单级波导机制结构示例中，起到光波引导通道（波导）作用的是周期性波纹表面和其下方的低折射率材料凸形透光结构阵列共同构成；
其中示例中的OLED的周期性波纹结构此部分参数为：波纹单个尖峰展宽可在0.5um-1.0um范围，高度0.2um-0.3um，单个低谷展宽0.5um-1.0um，深度0.2um-0.3um，一个周期的波纹总展宽1um-2um，高度0.4um-0.6um；同时二维平面单个波纹近似为二次函数形状，峰位处切向斜率为0；满足三维中为二维情况旋转360度构成，任意切向与二维平面结构相同。
其中示例中的OLED的镂空结构此部分参数为：其中镂空结构与波纹中尖峰（凸透镜）部分保持一致，展宽0.5um-1.0um，高度0.2um-0.3um，内部镂空折射率近似为1；相对位置峰位处切向斜率为0的部分与周期波纹部分中下陷开始的界面保持水平，或镂空峰位与周期波纹部分中下陷开始的界面相比下移0.05um左右，即镂空部分峰位在周期性波纹凹陷部分界面相对高度0-0.05um范围内；上下错位同时中心轴与凸透镜部分的中心轴处于同一条直线。
在图3的示意图中，一种情况的T1模式光线束出射时，由于处于水波纹凹陷面的近平滑位置，其与周期波纹表面法线夹角小于全反射角，此光线将可以直接出射；另一种情况的T1模式光线束出射时，由于处于镂空结构正下方，且处于周期性波纹结构凸透部分的平滑位置正下方，此模式光线束将经过低折射率材料阵列后直接出射到器件外表面。
在图3中，T2 与周期波纹表面法线夹角大于全反射角的光线将进行反射，并在周期波纹表面和低折射率材料凸形透光结构阵列上表面形成的波导结构（光传输横向路径）进行传输，传输过程中，当不满足全反射条件时，从周期波纹表面出射。
在图3中，T3 部分光线从侧壁反射重新进入波导结构，重新利用。
上述的4种光束模式在本发明的结构中，部分角度的光直接出射器件外；部分角度的光经过光波导通道不断反射，耦合出射到器件外；部分角度的光经过器件两侧的反射膜几乎全反射回器件内，通过光波导通道耦合光波出射到器件外，最终较明显的提升了其光提取效率。
结合图1本发明的具体实施方式OLED的单级波导层状结构截面图，图3的基于光学谐振与波导引导光波出射通道的机制示意图中，由于各光束在光波导通道中不断被反射，部分光束能量在此过程中出射到器件外，部分光束在峰位处出射到器件外，这些过程的作用使得最终出射出的光束及其能量更多，并且相较普通微透镜结构，其不存在微透镜的聚焦光束的缺点，其出射的光将更加的均匀，为均匀光出射。
在图2所示中的多级波导层状结构截面图，多级波导结构将低折射率材料阵列相错位的分布在前一级波导结构下方，形成周期性的多级波导结构，多级镂空结构中下一级镂空部分中心位置处于在前一级镂空部分的间隔位置的中线处，且中心轴与前一级镂空结构中心轴保持平行，下一级镂空结构部分参数与前一级完全相同，镂空结构与波纹中尖峰（凸透镜）部分保持一致，展宽0.5um-1.0um，高度0.2um-0.3um，内部镂空折射率近似为1。
在该示例中，图2所示的多级波导层状结构截面图，其波导机制与上述的单级波导机制相似，对第一级的波导通道作用机制与单级波导机制相似，其主要不同是增加了上下镂空结构间的相互作用，将单级波导中部分从前一级镂空结构中溢出的光波通过下一级镂空结构作用再次反射回前一级，增加光波耦合出射，进而更加多的提升光提取效率。需要说明的是多级波导层状结构中的镂空结构部分不仅限于两级镂空，可以更多。
对于该示例中的单级波导机制OLED的光提取效率提升具体数值，从仿真，测试数据中可得出图4数据图：普通OLED，类光学谐振OLED，类光学谐振与周期性波纹镂空结构波导引导机制OLED在各光谱波段光提取效率对比图，以及平均光提取效率对比图。
图4中，该数据图像横坐标为wavelength，光谱波段；纵坐标为light extractionefficiency，光提取效率。其中正方型镂空的点线图（general）数据为普通OLED结构在各光谱波段内的光提取效率；虚线三角型点线图（metal general）数据为具有侧壁反射层结构OLED在各光谱波段内的光提取效率；圆点折线（final）为光波导的类谐振腔机制OLED在在各光谱波段内的光提取效率。
图4中，通过各波段的光提取效率积分得到平均光提取效率直线线段。细实线直线（GA）表示general average，即普通OLED结构的平均光提取效率；二倍实线直线(MA)表示metal average，即光学增反结构OLED结构的平均光提取效率；3倍实线直线（FA）表示finalaverage，即光学谐振与周期性波纹镂空结构波导引导机制OLED结构的平均光提取效率。
通过图4分析可知，在光波导的类谐振腔引导机制OLED结构作用下，OLED的平均光提取效率提升明显，相较普通OLED结构23.17%提升至35.23%,以原基础的光提取效率为单位，相较原基础的光提取效率提升了52%。
通过图4分析，对比metal genera与general曲线以及对应的GA与MA直线数值，仅利用光学增反结构，即使有更多的边界光波被反射回器件内，却由于没有较好的结构帮助引导光波出射，将会造成光提取效率提升不明显；当结合光学增反结构与周期性波纹镂空结构后，通过光波引导机制（波导通道）作用后，该OLED光提取效率提升会十分明显。此机制下的光学增反结构与周期性波纹镂空结构波导引导机制OLED相较普通OLED结构23.17%提升至35.23%,以原基础的光提取效率为单位，相较原基础的光提取效率提升了52%。
综上所述本发明通过结合光学增反结构以及周期性波纹结构与镂空结构构成的光波引导通道（波导通道）实现了部分角度的光直接出射器件外；部分角度的光经过光波导通道不断反射，耦合出射到器件外；部分角度的光经过器件两侧的反射膜几乎全反射回器件内，通过光波导通道耦合光波出射到器件外。实现了光提取效率的提升，且实现了均匀光出射。
该器件的制备的关键在于镂空层的制备及周期波纹结构封装。镂空层制备可采用PVA（聚乙烯醇）按照参数制作半柱体结构在器件表面，后期再使用周期波纹结构按照结构参数封装，再将器件浸于水中，溶去PVA，便可制作出镂空结构层于周期波纹层结合的光波导通道。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制限制本发明保护范围，凡未脱离本发明精神所作的等效方式或变更均应该包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，用于提升光源的光出射效率，其特征在于：所述类谐振腔光提取结构包括设于光出射面处的透光衬底；所述透光衬底处周期性地设有多个波纹结构；所述波纹结构的受光面与透光的波导阵列相邻；所述波导阵列嵌于透光衬底处，波导阵列包括多个设于波纹结构的波峰后方的凸形透光结构；当光线在波纹结构的波峰处产生反射时，反射光线的部分或全部可再次被凸形透光结构反射回波纹结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，其特征在于：所述凸形透光结构的凸起面朝向波纹结构的波峰或波谷方向。
3.根据权利要求2所述的一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，其特征在于：当光源光线到达波纹结构时，若光线入射方向与波纹结构表面法线夹角小于全反射角，则光线经波纹结构透射；
所述凸形透光结构以低折射材料成型；经凸形透光结构透射的光线到达波纹结构的波峰处时，若光线入射方向与波纹结构表面法线夹角小于全反射角，则光线经波纹结构透射；
所述凸形透光结构的凸起面与波纹结构之间形成光传输横向路径；当反射光线被凸形透光结构反射回波纹结构时，反射光线可在光传输横向路径处往复反射，直至光线在波纹结构表面处的入射角不满足全反射条件时从透光衬底处出射。
4.根据权利要求3所述的一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，其特征在于：所述类谐振腔光提取结构的底端处设有光源；所述透光衬底设于类谐振腔顶端；所述类谐振腔的腔壁处设有光反射面；所述光反射面以金属反射镜或者布拉格反射镜成型；所述光反射面可通过把类谐振腔内的光线反射至透光衬底或波导阵列来提升光出射效率。
5. 根据权利要求3所述的一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，其特征在于：所述波纹结构在衬底处的分布方式为，波纹结构在衬底处的分布周期范围为0.01μm -10μm，波纹结构的高度范围为0.01 μm -2μm。
6.根据权利要求5所述的一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，其特征在于：所述波导阵列凸形透光结构的折射率n1小于透光衬底材料的折射率n2，凸形透光结构上表面的曲率半径、轴心位置、展宽与波纹结构的波峰相同；所述波导阵列内，凸形透光结构以单层方式排列或者多层交错方式排列。
7.根据权利要求6所述的一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，其特征在于：所述凸形透光结构的形状包括平凸微透镜形状、凹凸微透镜形状、平凸柱透镜形状或凹凸柱透镜形状；所述凸形透光结构的高度小于波纹结构的波峰高度；所述凸形透光结构在波导阵列内的分布周期小于波纹结构在透光衬底处的分布周期。
8.根据权利要求6所述的一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，其特征在于：所述凸形透光结构以多层交错方式在波导阵列内排列时形成多个镂空层结构；下一级镂空层结构相错位分布在前一级镂空层结构下方，且下一级镂空结构凸形透光结构的中心位置处于在前一级镂空结构的间隔位置的中线处，其中心轴与前一级镂空结构中心轴保持平行。
9.根据权利要求4所述的一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，其特征在于：所述光源为OLED器件的光源；所述OLED器件阴极的厚度范围为300nm-600nm，以Al或Ag材料成型；OLED器件阳极的厚度<1um，以透明铟锡氧化物成型；
所述类谐振腔的真空部分折射率约为1；
所述透光衬底波纹结构的波峰包括凸透镜；所述类谐振腔顶部处，透光衬底的波纹结构由凸透镜和凹陷面在玻璃基板上表面周期排列形成；波纹结构和玻璃基板均以二氧化硅材料成型；
所述波纹结构波纹表面材质为二氧化硅玻璃，其可见光波段折射率范围1.40~1.74。
10.根据权利要求9所述的一种基于光波导的类谐振腔光提取结构，其特征在于：所述凸形透光结构以多层交错方式在波导阵列内排列时形成多个镂空层结构；在制备镂空层结构时，先采用聚乙烯醇使镂空层结构在OLED器件的出光面处形成半柱形结构，再把透明衬底的波纹结构封装于半柱形结构的出光面处，然后通过水浸处理去除聚乙烯醇，即可制成由镂空层结构与波纹结构组合成型的OLED器件光波导通道。
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