JP2022501762A - 有機発光ダイオード用の高屈折率ナノ粒子を用いた光抽出構造 - Google Patents
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Abstract
カソード（１４０）、屈折率ｎａを有するアノード（１２０）、及びカソード（１４０）とアノード（１２０）との間に挿入された有機発光半導体材料（１６０）を備えたダイオード上部構造（１１０）；並びに、該ダイオード上部構造（１１０）からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造（１５０）を備えている、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリ（１００）。光回折下部構造（１５０）は、透明基板（１５６）、該基板（１５６）と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子（１５４）、及びナノ粒子（１５４）の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層（１５２）を含む。さらに、ｎｐはｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐである。さらにはｎｓ≧約１．９である。
Description
本開示は、概して、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ＯＬＥＤをベースとした照明デバイス、及びＯＬＥＤをベースとしたディスプレイデバイスに関し、より詳細には、本開示は、ＯＬＥＤで使用するための光抽出構造、アセンブリ、及び要素、並びにそれらを製造する方法に関する。
現在、ＯＬＥＤ技術を採用した画像レンダリングデバイスが普及している。ＯＬＥＤ技術の欠点の１つは、ＯＬＥＤ活性材料（ＯＡＭ）によって生成された光が、デバイスからの非効率的な光取り出しになりやすいことである。ＯＬＥＤの有機層は、多くの場合、光の透過及び光の取り出しのための非効率的な平面導波路をもたらす。より具体的には、ＯＬＥＤを透過した光は、個々の半導体層及び導電層の平面に垂直に放出される代わりに、平面導波路にトラップされる可能性がある。次に、このトラップされた光は、デバイスの損失の多い部分に吸収されるか、そうでなければ使用されていない方向に散乱されるか、あるいは、場合によっては、ＯＬＥＤデバイスによってレンダリングされた画像を変位させる可能性がある。
ＯＬＥＤをベースとした照明は、画像生成及び画像変位の問題には関係しないが、光の透過効率は依然として重要である。すなわち、効率は、注入された電気キャリアの数ごとに生成される有用な照明光子の数を意味しており、ＯＬＥＤをベースとした照明用途では非常に重要である。電子と正孔を再結合する数あたりに生成される光子の数である、ＯＬＥＤデバイスの内部量子効率は、ほぼ完全な数値に達することができ、多くの場合９９％を超える。主な問題は、これらの光子を照明に有用な方向、すなわち、通常はＯＬＥＤスタックに垂直な方向に、いかにして抽出するかである。ＯＬＥＤデバイスの有機領域にトラップされた光子のほとんどは、デバイスから出ることはなく、電荷キャリアを供給するために必要とされる導体の表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）との相互作用において消費される。
したがって、ＯＬＥＤのＯＡＭから空気への光抽出効率（すなわち、光抽出（ＯＥ））が改善されたＯＬＥＤデバイスが必要とされている。加えて、比較的低い処理関連コスト及び高収率で製造することができる高効率のＯＬＥＤデバイス構成が必要とされている。
本開示の幾つかの態様によれば、カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及びカソードとアノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造と、該ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造とを備えている、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリが提供される。光回折下部構造は、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、及びナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含む。さらには、ｎｐはｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐである。加えて、ｎｓ≧約１．９である。
本開示の幾つかの態様によれば、カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及びカソードとアノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造と、ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造とを備えている、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリが提供される。光回折下部構造は、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、及びナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含む。さらには、ｎｐはｎａの２５％以内であり、ｎｓ＞ｎｐであり、かつｎｓ≧約１．９である。加えて、複数のナノ粒子は、約２００ｎｍ〜約３０μｍのサイズ範囲であり、かつ基板上に単層で配置されている。
本開示の幾つかの態様によれば、カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及びカソードとアノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造と、ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造とを備えている、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリが提供される。光回折下部構造は、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、及びナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含む。さらには、ｎｐはｎａの２５％以内であり、ｎｓ＞ｎｐであり、かつｎｓ≧約１．９である。加えて、ＯＬＥＤアセンブリは、基板への少なくとも４０％の光抽出効率を含む。
追加の特徴及び利点は、以下の詳細な説明に記載され、その説明から当業者に容易に明らかとなり、あるいは、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含めた本明細書に記載される実施形態を実施することによって認識されよう。
前述の概要及び以下の詳細な説明はいずれも、さまざまな実施形態を説明しており、特許請求される主題の性質及び特徴を理解するための概観又は枠組みを提供することを意図していることが理解されるべきである。
添付の図面は、さまざまな実施形態のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれて、その一部を構成する。図面は、本明細書に記載されるさまざまな実施形態を例証しており、その説明とともに、特許請求の範囲の主題の原理及び動作を説明する役割を担う。
以下は、添付図面内の図の説明である。図は必ずしも縮尺通りではなく、図面のある特定の特徴及びある特定の図は、明確さ及び簡潔さのために、縮尺おいて又は概略図において誇張して示される場合がある。
前述の概要、並びにある特定の発明技術についての次の詳細な説明は図面と併せて読む場合によりよく理解されるであろう。特許請求の範囲は、図面に示されている配置及び手段に限定されないものと理解されたい。さらには、図面に示されている外観は、装置の述べられた機能を達成するために使用することができる多くの装飾的な外観の１つである。
追加の特徴及び利点は、以下の詳細な説明に記載されており、その説明から当業者には明らかであるか、あるいは特許請求の範囲及び添付の図面とともに以下の説明に記載される実施形態を実施することによって認識されるであろう。
本明細書で使用する「及び／又は」という用語は、２つ以上の項目の列挙において用いられる場合、列挙された項目のいずれか１つを単独で使用できること、若しくは、列挙された項目の２つ以上の任意の組合せを使用できることを意味する。例えば、組成物が成分Ａ、Ｂ、及び／又はＣを含むと記載されている場合、組成物は、Ａのみ；Ｂのみ；Ｃのみ；ＡとＢの組合せ；ＡとＣの組合せ；ＢとＣの組合せ；又はＡ、Ｂ、及びＣの組合せを含むことができる。
本明細書では、第１と第２、上部と下部などの関係用語は、単に、ある存在又は動作を別の存在又は動作と区別するために用いられており、このような存在又は動作間の実際のこのような関係又は順序を必ずしも要求又は暗示するものではない。
本開示の変更は、当業者及び本開示を作成又は使用する者に想起されるであろう。したがって、図面に示され、上記説明された実施形態は、単に例示を目的とするものであり、均等論を含めて、特許法の原則に従って解釈されるように、以下の特許請求の範囲によって定められる本開示の範囲を限定することは意図されていないものと理解される。
本開示の目的では、「結合された」という用語（そのすべての形態：結合する、結合している、結合された等）は、概して、２つの構成要素（電気的又は機械的）の互いに対する直接的又は間接的な連結を意味する。このような連結は、本質的に固定されていても、本質的に移動可能であってもよい。このような連結は、２つの構成要素（電気的又は機械的）と、互いに又は２つの構成要素と単一の一体成形体として一体的に形成された追加の中間部材とによって達成されうる。このような連結は、特に明記しない限り、本質的に永続的であっても、本質的に取り外し可能又は解放可能であってもよい。
本明細書で用いられる場合、「約」という用語は、量、サイズ、配合、パラメータ、及び他の量及び特性が正確ではなく、かつ、正確である必要はなく、許容誤差、変換係数、四捨五入、測定誤差など、並びに当業者に知られている他の要因を反映して、必要に応じて近似及び／又はより大きく又はより小さくてもよいことを意味する。範囲の値又は端点を説明する際に「約」という用語が用いられる場合、本開示は、言及される特定の値又は端点を含むと理解されるべきである。明細書の範囲の数値又は端点が「約」を記載しているかどうかにかかわらず、範囲の数値又は端点は、「約」によって修飾されたものと、修飾されていないものの２つの実施形態を含むことが意図されている。さらには、範囲の各々の端点は、他の端点に関連して、及び他の端点とは独立してのいずれにおいても重要であることが理解されよう。
本明細書で用いられる用語「実質的な」、「実質的に」、及びそれらの変形は、記載された特徴が値又は説明に等しい又はほぼ等しいことを示すことが意図されている。例えば、「実質的に平坦な」表面は、平坦な又はほぼ平坦な表面を示すことが意図されている。さらには、「実質的に」は、２つの値が等しいかほぼ等しいことを示すことが意図されている。幾つかの実施形態では、「実質的に」は、互いの約１０％以内、例えば、互いの約５％以内、又は互いの約２％以内などの値を意味しうる。
本明細書で用いられる方向用語（例えば、上、下、右、左、前、後、上部、底部）は、描かれた図を参照してのみ作られており、絶対的な方向を意味することは意図していない。
本明細書で用いられる場合、「ｔｈｅ」、「ａ」、又は「ａｎ」という用語は、「少なくとも１つ」を意味し、明示的に反対の指示がない限り、「１つのみ」に限定されるべきではない。よって、例えば、「ある１つの（ａ）構成要素」への言及は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、そのような構成要素を２つ以上有する実施形態を含む。
本明細書でも用いられるように、「ナノ粒子（nanoparticle；nanoparticles）」及び「粒子（particle；particles）」という用語は、本明細書に具体的に開示されるように、約２００ｎｍ〜約３０μｍ又はより狭い範囲のサイズ（例えば、それらの最大寸法又は直径に関して）を有する粒子を指すために交換可能に用いられる。したがって、本開示のナノ粒子は、μｍスケール、ナノスケール、又はμｍスケールとナノスケールの両方の粒子を含みうる。
本明細書でも用いられるように、「光抽出効率（ＥＱＥ）」という用語は、それらの発光材料（例えば、それらのＯＬＥＤ活性材料）から空気又はそれを収容するデバイスの別の側面に光を伝達する際の本開示のＯＬＥＤ構造の効率を指す。
本明細書でも用いられるように、「光増強（ＯＥ）」という用語は、光回折下部構造を有していない同じＯＬＥＤ構造と比較して、それらの発光材料から光を伝達する際の本開示のＯＬＥＤ構造の増強因子を指す。
本明細書でも用いられるように、「屈折率（index of refraction；refractive index）」という用語は、（例えば、材料の組合せの屈折率の合計に基づくものとして）特定の光学屈折率又は有効屈折光学指数を有する層、要素、アセンブリ、構造、上部構造、又は下部構造を指すために交換可能に用いられる。
本明細書でも用いられるように、「高屈折率」という用語は、少なくとも１．８の屈折率を有する層、要素、アセンブリ、構造、上部構造、又は下部構造を指すために用いられる。
本明細書でも用いられるように、「低屈折率」という用語は、１．５５未満の屈折率を有する層、要素、アセンブリ、構造、上部構造、又は下部構造を指すために用いられる。
一般的な図面、特に図１を参照すると、図は特定の実施形態を説明することを目的としており、それに添付される特許請求の範囲を限定することは意図していないことが理解されよう。図面は必ずしも縮尺通りではなく、図面内のある特定の特徴及びある特定の図は、明快さ及び簡潔さのために、縮尺において又は概略図において誇張して示される場合がある。
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ＯＬＥＤアセンブリ、ＯＬＥＤをベースとした照明デバイス、及びＯＬＥＤをベースとしたディスプレイデバイスが、本開示に記載される。本開示は、ＯＬＥＤと共に使用するための光抽出構造、アセンブリ、及び要素、並びにそれらを製造する方法をさらに詳述する。より具体的には、本明細書に開示されるＯＬＥＤ構造は、これらの構造のＯＡＭを透過した光から空気への光増強（ＯＥ）の増加を提供する。これらのＯＬＥＤ構造は、光回折下部構造に結合されたＯＬＥＤ照明デバイスを備えており、光回折下部構造は、高屈折率平坦化層、ナノ粒子を含む散乱層、及び基板（例えば、ポリマー、ガラス、又はガラスセラミック基板）を含む。
本明細書に開示されるＯＬＥＤ構造及びアセンブリの実施形態は、ＯＬＥＤをベースとした照明デバイス又はディスプレイなどの他の発光ＯＬＥＤデバイス、より具体的には、下部又は上部発光ＯＬＥＤデバイスの光取り出し効率を高める必要性に対処するものである。ＯＬＥＤ構造及びアセンブリは、ＯＡＭによって生成された所与の量の光に対してＯＬＥＤをベースとしたデバイスのより大きい光出力を達成するために、剛性又は可撓性の低屈折率基板（例えば、ポリマー、ガラス、又はガラスセラミック基板）と高屈折率のＯＡＭとの間に堆積した材料の層での散乱及び導波効果の最大利用を達成することができる。幾つかの実装形態では、この光増強（ＯＥ）は、ＯＬＥＤに隣接して存在する高屈折率平坦化層、該平坦化層と接触した低屈折率基板、及び平坦化層内にあるか、そうでなければ平坦化層に結合され、基板と接触している高屈折率ナノ粒子（例えば、ＯＡＭによって生成された光の波長とほぼ同じ又はそれ以上の直径を有する）の導入によって達成することができる。
本開示のＯＬＥＤ構造及びアセンブリに関連して、さまざまな利点が存在する。１つの利点は、本開示のＯＬＥＤアセンブリが、従来のＯＬＥＤデバイスと比較して２．５倍を超える光取り出し効率の増加に達する光増強（ＯＥ）レベルを示すことである。さらには、信号損失レベルが低いＯＡＭを有するＯＬＥＤデバイスを用いると、光取り出し効率の３倍の増加に近いＯＥレベルが実行可能である。本開示のＯＬＥＤアセンブリの別の重要な利点は、特に、従来のＯＬＥＤデバイス又はＯＥレベルを増加させるとされる構成を有する他のＯＬＥＤデバイスと比較して、比較的単純な製造プロセスで製造することができることである。
次に図１を参照すると、本開示の一実施形態によるＯＬＥＤアセンブリ１００の概略図が提供されている。図示されるＯＬＥＤアセンブリ１００は、ダイオード上部構造１１０及び光回折下部構造１５０を備えることができる。光回折下部構造１５０は、光回折のための独立した装置として（例えば、別の光透過デバイス又はアセンブリに設置されるようなダイオード上部構造なしで）使用することができる。ダイオード上部構造１１０は、アノード１２０、カソード１４０、及びアノード１２０とカソード１４０との間に挿入された有機発光半導体材料１６０を備えることができる。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６と、該透明基板１５６の導波路表面１５８上に分布された光回折層１５１とを備えることができる。回折層１５１は、複数のナノ粒子１５４と平坦化層１５２とを含む。複数のナノ粒子１５４は、透明基板１５６と平坦化層１５２との間に挿入されるか、若しくはそのいずれか又は両方の中にある。透明基板１５６は、ガラス、ガラスセラミック、ポリマー、又はこれらの材料の組合せを含みうる。
再び図１を参照すると、平坦化層１５２は、屈折率ｎｐを有しうる。透明基板１５６は、屈折率ｎｇを有しうる。アノード１２０は、屈折率ｎａを有しうる。さらには、複数のナノ粒子１５４は、透明基板１５６の上又は内部に分布して、屈折率ｎｓを有しうる。図１にも示されるように、複数のナノ粒子１５４は、粒子間及び／又は粒子を取り囲む任意選択的な結合マトリクス１５７を有することができる。存在する場合には、結合マトリクス１５７は、平坦化層１５２、透明基板１５６、又は別の材料と同じ材料を含むことができ、該材料は、平坦化層１５２及び透明基板１５６、又はこれらの材料の組合せと同じ又は実質的に同じ屈折率を有する。さらには、幾つかの実施形態によれば、結合マトリクス１５７は、平坦化層１５２と透明基板１５６との間の屈折率を有していてもよい。
ＯＬＥＤアセンブリ１００の幾つかの実施形態によれば、平坦化層１５２の屈折率（ｎｐ）は、アノード１４０の屈折率（ｎａ）と実質的に同様になるように構成される。幾つかの実装形態では、平坦化層の屈折率（ｎｐ）は、アノード１４０の屈折率（ｎａ）の２５％以内である。幾つかの実施形態によれば、平坦化層の屈折率（ｎｐ）は、アノード１４０の屈折率（ｎａ）の２５％以内、アノード１４０の屈折率（ｎａ）の２０％以内、アノード１４０の屈折率（ｎａ）の１５％以内、アノード１４０の屈折率（ｎａ）の１０％以内、アノード１４０の屈折率（ｎａ）の５％以内、又はこれらの値の間のアノード１４０の屈折率（ｎａ）のパーセンテージ以内である。
図１に示されるＯＬＥＤアセンブリ１００の幾つかの実装形態によれば、複数のナノ粒子１５４の屈折率（ｎｓ）は、平坦化層１５２の屈折率（ｎｐ）より大きくなるように構成される。幾つかの実装形態では、複数のナノ粒子の屈折率（ｎｓ）は、平坦化層１５２の屈折率（ｎｐ）より、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも４５％、少なくとも５０％、少なくとも５５％、少なくとも６０％、又はこれらのパーセンテージ内の量だけ大きくなるように構成される。幾つかの実施形態では、複数のナノ粒子１５４の屈折率（ｎｓ）は、≧１．９、≧２．０、≧２．１、≧２．２、≧２．３、≧２．４、≧２．５、≧２．６、≧２．７、≧２．８、≧２．９、≧３．０、又はこれらの値の間の屈折率である。幾つかの実装形態によれば、複数のナノ粒子１５４の屈折率（ｎｓ）は約１．９〜約２．７であり、平坦化層１５２の屈折率（ｎｐ）は、ｎｓとｎｐとの差が少なくとも０．５である。
前述のように、図１に示されるＯＬＥＤアセンブリ１００は、ダイオード上部構造１１０を含みうる。上部構造１１０のアノード１２０は、有機発光半導体材料１６０によって放出される光に対して透明又は実質的に透明であり、かつ光回折下部構造１５０のダイオード上部構造と係合する側１２５との適切な界面を提供する、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）でありうる。さらには、カソード１４０は、発光材料１６０と一致する適切な仕事関数を有する任意の導電性材料を含みうる。例えば、カソードは、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｍ、Ｔｍ、Ｙｂ、又はＣａ：Ａｌ、Ｅｕ：Ｙｂ、又はＴｍ：Ｙｂなどの二金属材料を含みうる。カソード１４０の厚さは、約７０ｎｍ〜約４００ｎｍ、約７０ｎｍ〜約３００ｎｍ、又は約７０ｎｍ〜約２００ｎｍでありうる。幾つかの実施形態では、カソード１４０の厚さが約７０ｎｍ未満の場合、光がカソードからも逃げることができることから、デバイスは双方向になりうる。ある特定の状況下では、これは、ダイオード上部構造１１０内の追加の構成要素がカソード１４０から逃げる光を収集するために用いられる場合に有利でありうる。したがって、ＯＬＥＤアセンブリ１００の幾つかの実施形態は、約１０ｎｍ〜約７０ｎｍ、約７０ｎｍ未満の厚さ、又はＯＬＥＤから放出される光の１％超がカソード１４０を通して放出されるような厚さを有するカソード１４０を含みうる。
再び図１に示されるＯＬＥＤアセンブリ１００を参照すると、ダイオード上部構造１１０は、約２μｍ以下の厚さを有することができる。幾つかの実装形態では、ダイオード上部構造１１０は、２．０μｍ以下、１．５μｍ以下、１μｍ以下、若しくは、場合によっては０．５μｍ未満の厚さを有する。実施形態では、任意の結合マトリクス１５７と併せた、複数のナノ粒子１５４の厚さは、ダイオード上部構造１１０の厚さより大きい。他の実施形態では、任意の結合マトリクス１５７と併せた、複数のナノ粒子１５４の厚さは、ダイオード上部構造１１０の厚さと実質的に同じであるか、又はそれより小さい。ＯＬＥＤアセンブリ１００の幾つかの実装形態によれば、平坦化層１５２の厚さは、約１μｍ〜約３０μｍ、約１μｍ〜約２５μｍ、約１μｍ〜約２０μｍ、約１μｍ〜約１５μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、約１μｍ〜約７．５μｍ、又は約１μｍ〜約５μｍである。幾つかの実装形態では、平坦化層１５２の厚さは、１μｍ未満、約０．５μｍ未満、又はさらには約０．３μｍ未満に設定することもできる。
図１に示されるＯＬＥＤアセンブリ１００をさらに参照すると、複数のナノ粒子１５４は、ＢａＴｉＯ３、ＢａＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、それらのケイ酸塩、他の金属酸化物、又はそれらの組合せを含みうる。好ましい実施形態では、複数のナノ粒子１５４は、例えば、約１．９〜約３．０、約１．９〜約２．７、又は約１．９〜約２．５などの高屈折率を有する（一又は複数の）材料から製造される。
複数のナノ粒子１５４は、球形、立方体、ピラミッド形、不規則、及びそれらの組合せを含むがこれらに限定されないさまざまな形状を取ることができる。複数のナノ粒子１５４は、平坦化層１５２の厚さ未満の厚さを有する体積内に配置することができる。複数のナノ粒子１５４はまた、平坦化層１５２及び透明基板１５６のいずれか又は両方の中に単層で配置することができる。複数のナノ粒子はまた、基板１５６上に単層で配置されてもよい。さらには、複数のナノ粒子１５４は、（例えば、それらの最大寸法又は直径に関して）約２００ｎｍ〜約３０μｍのサイズ範囲でありうる。幾つかの実装形態では、複数のナノ粒子１５４は、約２００ｎｍ〜約３０μｍ、約２００ｎｍ〜約２５μｍ、約２００ｎｍ〜約２０μｍ、約２００ｎｍ〜約１５μｍ、約２００ｎｍ〜約１０μｍ、約２００ｎｍ〜約９μｍ、約２００ｎｍ〜約８μｍ、約２００ｎｍ〜約７μｍ、約２００ｎｍ〜約６μｍ、約２００ｎｍ〜約５μｍ、約２００ｎｍ〜約４μｍ、約２００ｎｍ〜約３μｍ、約２００ｎｍ〜約２μｍ、約２００ｎｍ〜約１μｍのサイズ範囲、又はこれらの範囲内のサイズでありうる。実施形態では、複数のナノ粒子１５４は、これらの範囲の端点内、又はこれらの範囲の点の部分集合内で、同じ又は類似の平均及び中央値を有する単一のサイズ分布又は複数のサイズ分布を表すことができる。
任意選択的な結合マトリクス１５７に関しては、図１に示されるように、複数のナノ粒子１５４の間及び／又は周囲に存在することができる。結合マトリクス１５７は、平坦化層１５２、透明基板１５６、該平坦化層１５２及び透明基板１５６の屈折率と実質的に同様の屈折率又はそれらの間の屈折率を有する別の材料、若しくはこれらの材料の組合せと同じ材料を含むことができる。幾つかの実装形態では、結合マトリクス１５７及び複数のナノ粒子１５４は、集合的にナノ粒子凝集体を形成することができる。
再び図１に示されるＯＬＥＤアセンブリ１００を参照すると、複数のナノ粒子１５４と結合マトリクス１５７との組合せは、幾つかの実施形態によれば、０．０５μｍ未満の表面粗さ（ＲＭＳ）を示しうる。幾つかの実施形態では、この組合せは、約０．０３μｍ未満の表面粗さを有しうる。幾つかの実施形態では、この組合せは、約０．０５μｍ〜約１μｍの表面粗さを有しうる。
図１にも示されているように、ＯＬＥＤアセンブリ１００の平坦化層１５２は、ポリマー、ガラス、ガラスセラミック、及びセラミック材料、又はそれらの組合せのうちのいずれか１つ以上を含みうる。好ましい実施形態では、平坦化層１５２は、アノード１２０の屈折率と同様又は実質的に同様の屈折率をもたらすように選択された一又は複数の材料で構成される。幾つかの実施形態によれば、例えば、平坦化層１５２は、シリカ−、チタニア−又はシリカチタニア含有ゾルゲル、若しくは「スピンオングラス」（ＳＯＧ）ポリマー材料、例えば、シルセスキオキサンとして提供されうる。平坦化層１５２の材料は、比較的高い耐亀裂性（例えば、硬化時の収縮が小さい）によって特徴付けることができ、ナノスケール及びマイクロスケールの間隙（例えば、複数のナノ粒子１５４と結合マトリクス１５７との組合せに関連する表面粗さ）を埋める能力を有していてよく、概して熱的に安定でありうる。例えば、平坦化層１５２の材料は、空気中で約４５０℃まで熱的に安定でありうる。この温度を超えると、平坦化層１５２の材料は、熱的に不安定になる、及び／又は分解する可能性がある。
平坦化層１５２の幾つかの実装形態によれば、それは、シリカ、チタニア、ジルコニア、及び他の金属酸化物のうちの１つ以上を含む次のポリマー材料：ＴｉＯ２ナノ粒子を有するシロキサン系ポリマー（例えば、東レ株式会社のＶＦ−１８００シロキサンポリマー）、部分的に重合したポリメチルシルセスキオキサン（例えば、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ，Ｉｎｃ．のＴ−ＩＩ ＳＯＧ）、ポリ−ジメチル−シロキサン、ポリ−ジフェニル−シロキサン、部分的に重合したポリシルセスキオキサン、ポリ−メチルシルセスキオキサン（Ｇｅｌｅｓｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社のＨａｒｄＳｉｌ（商標）ＡＭ）、ポリ−フェニル−シルセスキオキサン、ポリメチルフェニルシルセスキオキサン（例えば、Ｇｅｌｅｓｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社のＨａｒｄＳｉｌ（商標）ＡＰ）、ＳＯＧチタン酸塩（Ｄｅｓｅｒｔ Ｓｉｌｉｃｏｎ社のＴｉ−１００、Ｔｉ−１４０、Ｔｉ−１０００）、及びＳＯＧシリカ−チタン酸塩混合物（例えば、Ｄｅｓｅｒｔ Ｓｉｌｉｃｏｎ社のＴｉ−４５２）のうちの１つ以上から形成することができる。幾つかの実施形態によれば、平坦化層１５２は、アナターゼ型のＴｉＯ２、ＺｎＯ２、及び他の金属酸化物などの比較的高屈折率を有する１つ以上の充填材を追加的に含むことができる。
前述のように、図１に示される透明基板１５６は、ガラス、ガラスセラミック、ポリマー、又はこれらの材料の組合せを含みうる。実装形態によれば、基板１５６の厚さは、約１μｍ〜約３０μｍでありうる。幾つかの実装形態では、基板１５６の厚さは、約１μｍ〜約３０μｍ、約１μｍ〜約２５μｍ、約１μｍ〜約２０μｍ、約１μｍ〜約１５μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、約１μｍ〜約７．５μｍ、又は約１μｍ〜約５μｍの範囲である。一実施形態によれば、透明基板１５６は、Ｃｏｒｎｉｎｇ（登録商標）Ｅａｇｌｅ ＸＧ（登録商標）ガラスを含みうる。ＯＬＥＤアセンブリ１００の幾つかの実装形態では、透明基板１５６は、本開示の当業者に理解されるように、ロール・ツー・ロール又はロール・ツー・デバイス処理によるアセンブリ１００に用いることができる薄い可撓性のガラス基板を含む。さらには、ガラスを含むものとして、透明基板１５６のために選択された特定の材料は、同じ主題に関する従来及び将来の教示から収拾することができる。しかしながら、本開示の概念は、例として、例えばフュージョンドロープロセスを使用して大量に製造されるガラス、及び化学的に強化されるイオン交換ガラスを含めた、透明基板１５６のためのさまざまなタイプのガラスによく適していることに留意されたい。幾つかの実施形態によれば、透明基板１５６の屈折率は、約１．４〜約１．５５の範囲でありうる。
再び図１に示されるＯＬＥＤアセンブリ１００を参照すると、ＯＬＥＤアセンブリの態様は、その発光材料（例えば、有機発光半導体材料１６０）からの光に関連して、少なくとも４０％の光抽出効率（ＥＱＥ）を示すことができる。ＯＬＥＤアセンブリ１００の幾つかの実装形態によれば、アセンブリは、その発光材料からの光に関連して、少なくとも３０％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも４５％、少なくとも５０％、少なくとも５５％、少なくとも６０％、少なくとも６５％、少なくとも７０％の光抽出効率（ＥＱＥ）、及びそれらの閾値間のすべてのＥＱＥ値を示すことができる。好ましい実施形態では、ＯＬＥＤアセンブリ１００は、その発光材料からの光に関連して、少なくとも５５％のＥＱＥを示すことができる。
図１に示されるＯＬＥＤアセンブリ１００をさらに参照すると、ＯＬＥＤアセンブリの実施形態は、少なくとも１．５倍の光増強（ＯＥ）（すなわち、光回折下部構造又は同等のアセンブリを有していないダイオード上部構造１１０と比較して）を示すことができる。ＯＬＥＤアセンブリの幾つかの実施形態によれば、アセンブリは、少なくとも１．５倍、少なくとも１．６倍、少なくとも１．７倍、少なくとも１．８倍、少なくとも１．９倍、少なくとも２．０倍、少なくとも２．１倍、少なくとも２．２倍、少なくとも２．３倍、少なくとも２．４倍、少なくとも２．５倍、少なくとも２．６倍、少なくとも２．７倍、少なくとも２．８倍、少なくとも２．９倍、少なくとも３．０倍、少なくとも３．１倍、少なくとも３．２倍、少なくとも３．３倍、少なくとも３．４倍、少なくとも３．５倍の光増強（ＯＥ）、及びこれらの閾値の間のすべてのＯＥレベルを示しうる。好ましい実施形態では、ＯＬＥＤアセンブリ１００は、少なくとも１．９倍のＯＥを示しうる。
一実施形態によれば、カソード１４０、屈折率ｎａを有するアノード１２０、及びカソード１４０とアノード１２０との間に挿入された有機発光半導体材料１６０を備えたダイオード上部構造１１０と、該ダイオード上部構造１１０からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造１５０とを備えた、図１に示される例示的な有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリ１００が提供される。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６、該基板１５６と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子１５４、及び該ナノ粒子１５４の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層１５２を備えている。さらには、ｎｐはｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐである。加えて、ｎｓ≧約１．９である。
別の実施形態によれば、カソード１４０、屈折率ｎａを有するアノード１２０、及びカソード１４０とアノード１２０との間に挿入された有機発光半導体材料１６０を備えたダイオード上部構造１１０と、該ダイオード上部構造１１０からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造１５０とを備えた、図１に示される例示的な有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリ１００が提供される。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６、該基板１５６と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子１５４、及びナノ粒子１５４の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層１５２を備えている。さらには、ｎｐはｎａの２５％以内であり、ｎｓ＞ｎｐであり、ｎｓ≧約１．９である。加えて、複数のナノ粒子１５４は、約２００ｎｍ〜約３０μｍのサイズ範囲であり、基板１５６上に単層で配置される。
さらなる実施形態によれば、カソード１４０、屈折率ｎａを有するアノード１２０、及びカソード１４０とアノード１２０との間に挿入された有機発光半導体材料１６０を備えたダイオード上部構造１１０と、該ダイオード上部構造１１０からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造１５０とを備えた、図１に示される例示的な有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリ１００が提供される。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６、該基板１５６と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子１５４、及びナノ粒子１５４の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層１５２を備えている。さらには、ｎｐはｎａの２５％以内であり、ｎｓ＞ｎｐであり、ｎｓ≧約１．９である。加えて、図１に示されるＯＬＥＤアセンブリ１００は、基板１５６への少なくとも４０％の光抽出効率（ＥＱＥ）を含む。
次に図２Ａを参照すると、基板１５６と接触した複数のナノ粒子１５４を含むものとしてＯＬＥＤアセンブリ１００の概略図が示されている。図２Ａに示されるように、ダイオード上部構造１１０は、光回折下部構造１５０の上に位置づけられる。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６及び光回折層１５１を備えており、該回折層１５１は、複数のナノ粒子１５４と平坦化層１５２とを含む。より具体的には、複数のナノ粒子１５４は、単層で配置され、任意選択的な結合マトリクス１５７によって取り囲まれており、かつ基板１５６の導波路表面１５８上に位置している。幾つかの実施形態では、光回折層１５１は、基板１５６の導波路表面１５８上にナノ粒子１５４を配置し、続いて、ナノ粒子上に平坦化層１５２及び結合マトリクス１５７（存在する場合）の材料をコーティングし、硬化する工程を行うことによって形成することができる。次に、結果として得られる光回折下部構造１５０をダイオード上部構造１１０（例えば、上部構造のアノード１２０。図２Ａには示されていない）に連結させることができる。
次に図２Ｂを参照すると、基板１５６と接触した複数のナノ粒子１５４を含むものとしてＯＬＥＤアセンブリ１００の概略図が示されている。図２Ｂに示されるように、ダイオード上部構造１１０は、光回折下部構造１５０の上に位置づけられる。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６及び光回折層１５１を備えており、該回折層１５１は、複数のナノ粒子１５４と平坦化層１５２とを含む。より具体的には、複数のナノ粒子１５４は、単層で配置され、任意選択的な結合マトリクス１５７によって取り囲まれており、かつ基板１５６内に（例えば、導波路表面１５８に近接して）埋め込まれている。幾つかの実施形態では、光回折下部構造１５０は、ナノ粒子１５４と任意選択的な結合マトリクス１５７との懸濁液でポリマー透明基板１５６をコーティングし、硬化させることによって形成することができる。例えば、ポリマー基板１５６をコーティングし、続いてナノ粒子１５４及び結合マトリクス１５７（存在する場合）をコーティングし、次いでこれらの要素のそれぞれを一緒に硬化させることができる。次に、平坦化層１５２の材料を、（ナノ粒子１５４を含むように）事前に形成された基板１５６上にコーティングし、次いで硬化することができる。次に、結果として得られる光回折下部構造１５０をダイオード上部構造１１０（例えば、上部構造のアノード１２０。図２Ｂには示されていない）に連結させることができる。
次に図２Ｃを参照すると、基板１５６と接触した複数のナノ粒子１５４を含むものとしてＯＬＥＤアセンブリ１００の概略図が示されている。図２Ｃに示されるように、ダイオード上部構造１１０は、光回折下部構造１５０の上に位置づけられる。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６及び光回折層１５１を備えており、該回折層１５１は、複数のナノ粒子１５４と平坦化層１５２とを含む。より具体的には、複数のナノ粒子１５４は、単層で配置され、任意選択的な結合マトリクス１５７及び／又は平坦化層１５２に由来する材料によって取り囲まれている。さらには、図２Ｃに示されるように、複数のナノ粒子１５４は、基板１５６内（例えば、導波路表面１５８に近接して）及び平坦化層１５２内に、部分的に埋め込まれている。幾つかの実施形態では、光回折下部構造１５０は、ナノ粒子１５４と任意選択的な結合マトリクス１５７との懸濁液でポリマー透明基板１５６をコーティングし、部分的に硬化し、続いて、（ナノ粒子１５４を含むように）部分的に硬化させた基板１５６の上に平坦化層１５２の材料をコーティングし、部分的に硬化させる工程を行うことによって形成することができる。最後に、（ナノ粒子１５４を単層で含むように）部分的に硬化させた平坦化層１５２及び透明基板１５６を硬化し、それらを連結させて、光回折下部構造１５０を形成する。あるいは、透明基板１５６は、熱可塑性ポリマーから形成することができ、その軟化点を超えて加熱することができ、複数のナノ粒子１５４は基板１５６内へと部分的に押し込まれる。この時点で、平坦化層１５２（及び任意選択的な結合マトリクス１５７）をナノ粒子１５４及び基板１５６の上にコーティングし、続いて硬化させることができる。次に、結果として得られる光回折下部構造１５０をダイオード上部構造１１０（例えば、上部構造のアノード１２０。図２Ｃには示されていない）に連結させることができる。
次に図２Ｄを参照すると、基板１５６と接触した複数のナノ粒子１５４を含むものとしてＯＬＥＤアセンブリ１００の概略図が示されている。図２Ｄに示されるように、ダイオード上部構造１１０は、光回折下部構造１５０の上に位置づけられる。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６及び光回折層１５１を備えており、該回折層１５１は、複数のナノ粒子１５４と平坦化層１５２とを含む。より具体的には、複数のナノ粒子１５４は、不規則な単層又は複数の層で配置され、結合マトリクス１５７及び平坦化層１５２に由来する材料によって取り囲まれ、基板１５６内（例えば、導波路表面１５８に近接して）及び平坦化層１５２内に部分的に埋め込まれている。幾つかの実施形態では、光回折下部構造１５０は、ナノ粒子１５４と任意選択的な結合マトリクス１５７との懸濁液でポリマー透明基板１５６をコーティングし、部分的に硬化し、続いて、（ナノ粒子１５４を含むように）部分的に硬化させた基板１５６の上に平坦化層１５２の材料をコーティングし、部分的に硬化させる工程を行うことによって形成することができる。最後に、（ナノ粒子１５４を不規則な単層又は複数の層で含むように）部分的に硬化させた平坦化層１５２及び透明基板１５６を硬化し、それらを連結させて、光回折下部構造１５０を形成する。あるいは、透明基板１５６は、熱可塑性ポリマーから形成することができ、その軟化点を超えて加熱することができ、複数のナノ粒子１５４は基板１５６内へと部分的に押し込まれる。この時点で、平坦化層１５２（及び任意選択的な結合マトリクス１５７）をナノ粒子１５４及び基板１５６の上にコーティングし、続いて硬化させることができる。次に、結果として得られる光回折下部構造１５０をダイオード上部構造１１０（例えば、上部構造のアノード１２０。図２Ｄには示されていない）に連結させることができる。
次に図２Ｅを参照すると、基板１５６と接触した複数のナノ粒子１５４を含むものとしてＯＬＥＤアセンブリ１００の概略図が示されている。図２Ｅに示されるように、ダイオード上部構造１１０は、光回折下部構造１５０の上に位置づけられる。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６及び光回折層１５１を備えており、該回折層１５１は、複数の形状及び／又はサイズを有する複数のナノ粒子１５４と平坦化層１５２とを含む。より具体的には、複数のナノ粒子１５４は、単層で配置され、任意選択的な結合マトリクス１５７及び平坦化層１５２に由来する材料によって取り囲まれ、基板１５６内（例えば、導波路表面１５８に近接して）及び平坦化層１５２内に部分的に埋め込まれている。幾つかの実施形態では、光回折下部構造１５０は、ナノ粒子１５４（さまざまな形状及び／又はサイズを有する）と任意選択的な結合マトリクス１５７との懸濁液でポリマー透明基板１５６をコーティングし、部分的に硬化し、続いて、（ナノ粒子１５４を含むように）部分的に硬化させた基板１５６の上に平坦化層１５２の材料をコーティングし、部分的に硬化させる工程を行うことによって形成することができる。最後に、（単層で配置されたナノ粒子１５４を含むように）部分的に硬化させた平坦化層１５２及び透明基板１５６を硬化し、それらを連結させて、光回折下部構造１５０を形成する。あるいは、透明基板１５６は、熱可塑性ポリマーから形成することができ、その軟化点を超えて加熱することができ、複数のナノ粒子１５４は基板１５６内へと部分的に押し込まれる。この時点で、平坦化層１５２（及び任意選択的な結合マトリクス１５７）をナノ粒子１５４及び基板１５６の上にコーティングし、続いて硬化させることができる。次に、結果として得られる光回折下部構造１５０をダイオード上部構造１１０（例えば、上部構造のアノード１２０。図２Ｅには示されていない）に連結させることができる。
次に図３Ａを参照すると、基板１５６と接触した複数のナノ粒子１５４を含むものとしてＯＬＥＤアセンブリ１００の概略図が示されている。図３Ａに示されるように、ダイオード上部構造１１０は、光回折下部構造１５０の上に位置づけられる。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６及び光回折層１５１を備えており、該回折層１５１は、複数のナノ粒子１５４と平坦化層１５２とを含む。より具体的には、複数のナノ粒子１５４は、高密充填されて単層で配置され、基板１５６の導波路表面１５８上に位置している。さらには、ナノ粒子１５４のそれぞれの間に空隙１５９が配置されている。幾つかの実施形態では、光回折層１５１は、キャリア（図示せず）上にナノ粒子１５４の懸濁液を含む平坦化層１５２をコーティングし、硬化させることによって発達させることができる。キャリア上にナノ粒子１５４の高密充填された単層を伴って平坦化層１５２が形成された後、結果として得られた層は、キャリアから分離され、次に、硬化性接着剤又は他の結合剤（図示せず）で透明基板１５６に結合され、それによって、図３Ａに示されるような空隙１５９が生じる。したがって、空隙１５９の形成は、それらの高屈折率の観点から有益であるが、これには、平坦化層１５２内の露出したナノ粒子１５４を基板１５６に結合するためのプロセスの注意深い制御が必要とされる。次に、結果として得られる光回折下部構造１５０をダイオード上部構造１１０（例えば、上部構造のアノード１２０。図３Ａには示されていない）に連結させることができる。
次に図３Ｂを参照すると、基板１５６と接触した複数のナノ粒子１５４を含むものとしてＯＬＥＤアセンブリ１００の概略図が示されている。図３Ｂに示されるように、ダイオード上部構造１１０は、光回折下部構造１５０の上に位置づけられる。光回折下部構造１５０は、透明基板１５６及び光回折層１５１を備えており、該回折層１５１は、複数のナノ粒子１５４と平坦化層１５２とを含む。より具体的には、複数のナノ粒子１５４は、高密充填されて単層で配置され、任意選択的な結合マトリクス１５７によって取り囲まれており、かつ基板１５６の導波路表面１５８上に位置している。幾つかの実施形態では、光回折層１５１は、基板１５６の導波路表面１５８上にナノ粒子１５４を配置し、続いて、ナノ粒子１５４上に平坦化層１５２及び結合マトリクス１５７の材料をコーティングし、硬化する工程を行うことによって形成することができる。次に、結果として得られる光回折下部構造１５０をダイオード上部構造１１０（例えば、上部構造のアノード１２０。図３Ｂには示されていない）に連結させることができる。図３Ａに示されるＯＬＥＤアセンブリ１００及び前述のＯＬＥＤアセンブリ１００及びと比較して、図３Ｂに示されるＯＬＥＤアセンブリ１００は、より少ない工程を有する、より単純かつより低コストの製造プロセスで、同じ又はより良好なＯＥ及びＥＱＥ値を得ることができる。
次に図４を参照すると、本開示の実施形態による、図１〜３Ｂに示されるＯＬＥＤアセンブリ１００に用いることができる複数のナノ粒子１５４のサイズ分布のプロットが提供されている。より具体的には、図４に示されるナノ粒子１５４は、約２．４の屈折率を有するＢａＴｉＯ３を含み、約０．６μｍで中央値及び平均を示し、約０．０５μｍ〜約１．５μｍのサイズ範囲にある。
図５Ａは、本開示の実施形態による、平坦化層の屈折率の関数としての異なるナノ粒子サイズを有する３つのＯＬＥＤアセンブリ構造（例えば、図２Ａに示されるＯＬＥＤアセンブリ１００）の光増強（ＯＥ）のプロットである。図５Ａに示されるプロットは、約５μｍの厚さを有する平坦化層、１．５の屈折率を有する透明基板、及び約１．８３の屈折率を有するアノード（例えば、ＩＴＯ）を備えたＯＬＥＤと仮定した、図２Ａに示されるＯＬＥＤアセンブリと一致するＯＬＥＤアセンブリ構成のモデリングを通じて生成された推定ＯＥデータを示している。図５Ａから明らかなように、約１μｍの平均サイズを有するナノ粒子を使用したＯＬＥＤアセンブリは、すべてが２．１倍を超えるＯＥを有する最良のＯＥ値を示した；しかしながら、０．３μｍ及び２μｍの平均サイズを有するナノ粒子を使用したＯＬＥＤアセンブリも同様に、すべてが１．９倍を超えるＯＥを有する、良好なＯＥ性能を示した。図５Ａからも明らかなように、ＯＥレベルは、屈折率が約１．８〜約１．９の平坦化層を有するＯＬＥＤアセンブリのものが最適である。したがって、本開示による幾つかの好ましいＯＬＥＤアセンブリは、ダイオード上部構造内のＯＬＥＤのアノードの屈折率と実質的に一致する、約１．８〜約１．９の屈折率、若しくは１．８未満又は１．９超の屈折率を有する平坦化層を伴って構成される。
図５Ｂは、本開示の実施形態による、空気に対する、光回折下部構造を有していないＯＬＥＤアセンブリの抽出効率と比較した、さまざまな平坦化層屈折率を有するＯＬＥＤアセンブリ構成の光抽出効率（ＥＱＥ）のプロットである。図５Ｂに示されるプロットは、さまざまな屈折率を有する約５μｍの厚さを有する平坦化層、ナノ粒子の不存在、１．５の屈折率を有する透明基板、及び約１．８３の屈折率を有するアノード（例えば、ＩＴＯ）を備えたＯＬＥＤと仮定した、図２Ａに示されるＯＬＥＤアセンブリと一致するＯＬＥＤアセンブリ構成に従う転送行列の計算によって生成された推定ＯＥデータを示している。すなわち、散乱効果を排除するために、ナノ粒子はモデルＯＬＥＤアセンブリ構成には含まれず、したがって、平坦化層の屈折率の効果が強調されている。図５Ｂから明らかなように、約１．５の屈折率を有する平坦化層（例えば、ガラス層）を備えたＯＬＥＤアセンブリについては、約２．１倍のＥＱＥ値が計算される。対照的に、約１．７５〜約１．９の屈折率を有する平坦化層を備えたＯＬＥＤアセンブリについては、約３．３〜３．４倍のＥＱＥ値が計算される。したがって、本開示による好ましいＯＬＥＤアセンブリは、ダイオード上部構造内のＯＬＥＤのアノードの屈折率と実質的に一致する、約１．７５〜約１．９の屈折率、若しくは１．７５未満又は１．９超の屈折率を有する平坦化層を伴って構成される。
図５Ｃは、本開示の実施形態による、ナノ粒子の屈折率の関数としての異なるナノ粒子密度を有する２つのＯＬＥＤアセンブリ構成の光増強（ＯＥ）のプロットである。図５Ｃに示されるプロットは、約６００ｎｍの厚さ及び２．１の屈折率を有する平坦化層、約４００ｎｍのサイズを有するナノ粒子、１．５の屈折率を有する透明基板、及び約１．８３の屈折率を有するアノード（例えば、ＩＴＯ）を備えたＯＬＥＤと仮定した、図２Ａに示されるＯＬＥＤアセンブリと一致するＯＬＥＤアセンブリ構成のモデリングを通じて生成された推定ＯＥデータを示している。さらには、２つのＯＬＥＤ構成を、基板上の単層内で４６％及び１２％のナノ粒子密度でモデル化した（例えば、それぞれ、図３Ａ及び２Ａに示されるＯＬＥＤアセンブリ１００を参照のこと）。図５Ｃから明らかなように、屈折率が２．０より大きいナノ粒子を有するＯＬＥＤアセンブリ構成は、ナノ粒子の屈折率が増加するにつれて、光増強（ＯＥ）レベルの増加を示している。さらには、４６％の密度を有するナノ粒子を使用するＯＬＥＤアセンブリ構成は、１２％の密度を有するナノ粒子を使用するＯＬＥＤアセンブリ構成と比較して高いＯＥレベルを示した。したがって、本開示のＯＬＥＤアセンブリ構成で用いられるナノ粒子の屈折率を最大化することにより、ＯＬＥＤアセンブリのＯＥレベルを有利に増加させることができる。
図１〜３Ｂに示されるＯＬＥＤアセンブリ１００は、本開示の実施形態による、比較的低コストの製造工程に従って製造することができる。前述のように、複数のナノ粒子１５４は、さまざまな形状を示してよく、さまざまな既知のプロセスから作ることができる。これらのプロセスには、ミリング及び火炎加水分解が含まれるが、これらに限定されない。別の例として、複数のナノ粒子１５４は、本開示の分野の当業者によって理解されるように、ゾルゲル合成プロセスに従って生成されたコロイド溶液から調製されたチタニア球を含むことができる。例えば、水及びアルコールなどのさまざまな溶媒中のコロイド状チタニア及びチタン酸バリウム懸濁液は、直径が約２００ｎｍ〜約３０μｍの粒子サイズを有する単分散にすることができる。
さらに、図１〜３Ｂに示されるＯＬＥＤアセンブリ１００を作製する方法に関して、ナノ粒子の溶液、混合物、又は懸濁液を使用して、（例えば、ガラス組成物を含むような）透明基板１５６上にナノ粒子１５４の単層をコーティングすることができる。コーティング工程は、例えばスピンコーティング又はスロットダイコーティングなどの当技術分野で知られているさまざまな技術を使用して達成することができる。ほぼ完全に六方充填された単層を得る１つのプロセスは、ディップコーティング技術、流体成形技術、又はラングミュア−ブロジェット技術としてさまざまに知られている。ディップコーティングプロセスは、適切な液体の表面にナノ粒子の単層を形成し、次に液体に浸し、液体からゆっくりと引き出すことによって基板をコーティングする。複数のナノ粒子１５４を形成するための別の手法は、レイヤー・バイ・レイヤー（ＬｂＬ）プロセスとして知られており、これは、導波路表面１５８が負電荷を被り、ナノ粒子が正電荷を被るように、基板１５６の導波路表面１５８を処理することを包含する。さらには、ＬｂＬプロセスを使用して、例えば、噴霧、浸漬、及びすすぎ、又はスロットダイ技術などのさまざまな手法を用いて、基板の荷電された導波路表面上に荷電粒子を堆積させることができる。
再び図１〜３Ｂに示されるＯＬＥＤアセンブリ１００を作製する方法を参照すると、ひとたび複数のナノ粒子１５４が基板１５６の導波路表面１５８上に（例えば、単層で）形成されると、溶液をナノ粒子上に施すことができ、これが基板１５６の屈折率と同じ又はほぼ同じ屈折率を有する固体材料、例えば、シリカゾルゲル又はシルセスキオキサンなどのさまざまなスピンオングラス（ＳＯＧ）高シリカポリマー材料などへと乾燥又は硬化される。液体は、ナノ粒子１５４に浸透し、したがってナノ粒子が部分的又は完全に沈漬される層を形成する。この材料は、乾燥及び／又は硬化の際に結合マトリクス１５７になり、粒子を基板１５６に結合させる役割を果たすことができる。該方法の変形として、複数のナノ粒子１５４及び結合マトリクス１５７を単一のコーティング工程で堆積させることができる。例えば、シリカゾルゲル又はシルセスキオキサン溶液中のナノ粒子（例えば、チタニア又はチタン酸バリウム）の懸濁液を最初に調製する。さらには、ＳＯＧポリマーが結合マトリクス１５７として用いられる場合、それらは、その後、コーティングから出る有機成分を酸化するのに十分な高温でアニーリングすることによって、完全に無機にすることができる。
結合マトリクス１５７及び複数のナノ粒子１５４が基板１５６上に形成され、硬化された後、ＯＬＥＤアセンブリ１００の平坦化層１５２（図１〜３Ｂを参照）が形成されうる。高屈折率平坦化層がナノ粒子１５４及び結合マトリクス１５７上にコーティングされると、それはこれらの要素の粗さを除去するのに役立ち、したがって平坦化コーティングとして機能する。前述のように、平坦化層１５２は、金属酸化物ナノ粒子（例えば、ＴｉＯ２及び／又はＺｒＯ２）で満たされた有機−無機ハイブリッド材料（例えば、シロキサン）であるチタニアゾルゲルを含むことができる。平坦化層１５２がコーティングされると、次に、平坦化層１５２の特定の組成に合わせて調整されるように、本開示の分野の当業者によって容易に理解される条件に従って乾燥及び硬化される。最後に、ダイオード上部構造１１０が、従来の方法で光回折下部構造１５０の上に作製され、アノード１２０（例えば、ＩＴＯ）で始まり、カソード１４０（例えば、アルミニウム）並びにＯＬＥＤ層を環境中の酸素及び水分から保護するために必要とされる任意のバリア層で終わる。
次に図６Ａを参照すると、本開示の実施形態による、透明ガラス基板上に単層で分布したＢａＴｉＯ３ナノ粒子の上面図の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真が提供されている。図６Ａから明らかなように、ナノ粒子はガラス基板上に適切に配置されており、約５００ｎｍ〜約１μｍの範囲のサイズ分布を有し、これは、波長に影響されない散乱強度をもたらすと予想される。さらには、図６Ａに示されるナノ粒子は、実質的に単層の形態である。加えて、面密度及び粒子サイズは調整可能なパラメータであり、これらを使用するＯＬＥＤアセンブリがもたらす光散乱に影響を与えることができる。
次に図６Ｂを参照すると、例えば、本開示の実施形態による、図１〜３Ｂにも示されているようなＯＬＥＤアセンブリ構成の断面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）が提供されている。本明細書では、ナノ粒子の単層上の平坦化層は、７回のコーティング及び硬化のサイクルを経て発達し、最終的な厚さは約６．４μｍに達した。平坦化層の厚さは、特定の回数のコーティング及び硬化のサイクルを選択することによって注意深く制御することができることも明らかであるが、示していない。図６Ｂは、ナノ粒子が単層で十分に分散していることも示しており、ＡＦＭ測定（図示せず）により、平坦化層の最終的な粗さが約２０ｎｍ（Ｒｐｖ）未満であることが確認されている。
例示的な実施形態及び実施例を例示の目的で説明してきたが、前述の説明は、本開示の範囲及び添付の特許請求の範囲を限定することを決して意図するものではない。したがって、本開示の精神及びさまざまな原理から実質的に逸脱することなく、上述の実施形態及び実施例に対して変形及び修正を行うことができる。このようなすべての修正及び変更は、本開示の範囲内に含まれ、以下の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリであって、
カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及び前記カソードと前記アノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造；並びに
前記ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造
を備えており、
前記光回折下部構造が、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、並びに前記ナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含み、
ｎｐがｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐであり、
さらに、ｎｓ≧約１．９である、
ＯＬＥＤアセンブリ。
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリであって、
カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及び前記カソードと前記アノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造；並びに
前記ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造
を備えており、
前記光回折下部構造が、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、並びに前記ナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含み、
ｎｐがｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐであり、
さらに、ｎｓ≧約１．９である、
ＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態２
前記複数のナノ粒子が、チタン酸バリウム又は酸化バリウムを含む、実施形態１に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記複数のナノ粒子が、チタン酸バリウム又は酸化バリウムを含む、実施形態１に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態３
前記平坦化層が約１μｍ〜約１０μｍの厚さを有する、実施形態１に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記平坦化層が約１μｍ〜約１０μｍの厚さを有する、実施形態１に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態４
前記透明基板が、約１．４〜約１．５５の屈折率を有するガラス組成物を含む、実施形態１に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記透明基板が、約１．４〜約１．５５の屈折率を有するガラス組成物を含む、実施形態１に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態５
ｎｓが約１．９〜約２．７であり、ｎｐが約１．７〜約２．１であり、前記ｎｓとｎｐとの差が少なくとも０．５である、実施形態１に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
ｎｓが約１．９〜約２．７であり、ｎｐが約１．７〜約２．１であり、前記ｎｓとｎｐとの差が少なくとも０．５である、実施形態１に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態６
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリであって、
カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及び前記カソードと前記アノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造；並びに
前記ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造
を備えており、
前記光回折下部構造が、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、並びに前記ナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含み、
ｎｐがｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐであり、
ｎｓ≧約１．９であり、
さらに、前記複数のナノ粒子が、約２００ｎｍ〜約３０μｍのサイズ範囲であり、前記基板上に単層で配置される、
ＯＬＥＤアセンブリ。
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリであって、
カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及び前記カソードと前記アノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造；並びに
前記ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造
を備えており、
前記光回折下部構造が、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、並びに前記ナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含み、
ｎｐがｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐであり、
ｎｓ≧約１．９であり、
さらに、前記複数のナノ粒子が、約２００ｎｍ〜約３０μｍのサイズ範囲であり、前記基板上に単層で配置される、
ＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態７
前記複数のナノ粒子が、チタン酸バリウム又は酸化バリウムを含む、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記複数のナノ粒子が、チタン酸バリウム又は酸化バリウムを含む、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態８
前記平坦化層が約１μｍ〜約１０μｍの厚さを有する、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記平坦化層が約１μｍ〜約１０μｍの厚さを有する、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態９
前記透明基板が、約１．４〜約１．５５の屈折率を有するガラス組成物を含む、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記透明基板が、約１．４〜約１．５５の屈折率を有するガラス組成物を含む、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態１０
ｎｓが約１．９〜約２．７であり、ｎｐが約１．７〜約２．１であり、前記ｎｓとｎｐとの差が少なくとも０．５である、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
ｎｓが約１．９〜約２．７であり、ｎｐが約１．７〜約２．１であり、前記ｎｓとｎｐとの差が少なくとも０．５である、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態１１
前記複数のナノ粒子が約２００ｎｍ〜約２μｍのサイズ範囲である、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記複数のナノ粒子が約２００ｎｍ〜約２μｍのサイズ範囲である、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態１２
前記複数のナノ粒子が、前記基板の前記屈折率にほぼ等しい屈折率を有する副層内に埋め込まれている、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記複数のナノ粒子が、前記基板の前記屈折率にほぼ等しい屈折率を有する副層内に埋め込まれている、実施形態６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態１３
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリであって、
カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及び前記カソードと前記アノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造；並びに
前記ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造
を備えており、
前記光回折下部構造が、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、並びに前記ナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含み、
ｎｐがｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐであり、
ｎｓ≧約１．９であり、
さらに、前記ＯＬＥＤアセンブリが、前記基板への少なくとも４０％の光抽出効率を含む、
ＯＬＥＤアセンブリ。
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリであって、
カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及び前記カソードと前記アノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造；並びに
前記ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造
を備えており、
前記光回折下部構造が、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、並びに前記ナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含み、
ｎｐがｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐであり、
ｎｓ≧約１．９であり、
さらに、前記ＯＬＥＤアセンブリが、前記基板への少なくとも４０％の光抽出効率を含む、
ＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態１４
前記複数のナノ粒子が、チタン酸バリウム又は酸化バリウムを含む、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記複数のナノ粒子が、チタン酸バリウム又は酸化バリウムを含む、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態１５
前記平坦化層が約１μｍ〜約１０μｍの厚さを有する、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記平坦化層が約１μｍ〜約１０μｍの厚さを有する、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態１６
前記透明基板が、約１．４〜約１．５５の屈折率を有するガラス組成物を含む、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記透明基板が、約１．４〜約１．５５の屈折率を有するガラス組成物を含む、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態１７
ｎｓが約１．９〜約２．７であり、ｎｐが約１．７〜約２．１であり、前記ｎｓとｎｐとの差が少なくとも０．５である、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
ｎｓが約１．９〜約２．７であり、ｎｐが約１．７〜約２．１であり、前記ｎｓとｎｐとの差が少なくとも０．５である、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態１８
前記複数のナノ粒子が約２００ｎｍ〜約２μｍのサイズ範囲である、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記複数のナノ粒子が約２００ｎｍ〜約２μｍのサイズ範囲である、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態１９
前記複数のナノ粒子が、前記基板の前記屈折率にほぼ等しい屈折率を有する副層内に埋め込まれている、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記複数のナノ粒子が、前記基板の前記屈折率にほぼ等しい屈折率を有する副層内に埋め込まれている、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
実施形態２０
前記ＯＬＥＤアセンブリが、前記基板への少なくとも５５％の光抽出効率を含む、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
前記ＯＬＥＤアセンブリが、前記基板への少なくとも５５％の光抽出効率を含む、実施形態１３に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
１００ 有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリ
１１０ ダイオード上部構造
１２０ アノード
１４０ カソード
１５０ 光回折下部構造
１５１ 光回折層
１５２ 平坦化層
１５４ ナノ粒子
１５６ 透明基板
１５７ 結合マトリクス
１５８ 導波路表面
１５９ 空隙
１６０ 有機発光半導体材料
１１０ ダイオード上部構造
１２０ アノード
１４０ カソード
１５０ 光回折下部構造
１５１ 光回折層
１５２ 平坦化層
１５４ ナノ粒子
１５６ 透明基板
１５７ 結合マトリクス
１５８ 導波路表面
１５９ 空隙
１６０ 有機発光半導体材料
Claims (10)
- 有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリであって、
カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及び前記カソードと前記アノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造；並びに
前記ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造
を備えており、
前記光回折下部構造が、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、並びに前記ナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含み、
ｎｐがｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐであり、
さらに、ｎｓ≧約１．９である、
ＯＬＥＤアセンブリ。 - 前記複数のナノ粒子が、チタン酸バリウム又は酸化バリウムを含む、請求項１に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
- 前記平坦化層が約１μｍ〜約１０μｍの厚さを有する、請求項１又は２に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
- 前記透明基板が、約１．４〜約１．５５の屈折率を有するガラス組成物を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
- ｎｓが約１．９〜約２．７であり、ｎｐが約１．７〜約２．１であり、前記ｎｓとｎｐとの差が少なくとも０．５である、請求項１から４のいずれか一項に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
- 有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アセンブリであって、
カソード、屈折率ｎａを有するアノード、及び前記カソードと前記アノードとの間に挿入された有機発光半導体材料を備えたダイオード上部構造；並びに
前記ダイオード上部構造からの光の散乱断面を提供する光回折下部構造
を備えており、
前記光回折下部構造が、透明基板、該基板と接触し、かつ屈折率ｎｓを有する複数のナノ粒子、並びに前記ナノ粒子の上にあり、かつ屈折率ｎｐを有する平坦化層を含み、
ｎｐがｎａの２５％以内であり、かつｎｓ＞ｎｐであり、
ｎｓ≧約１．９であり、
さらに、前記複数のナノ粒子が、約２００ｎｍ〜約３０μｍのサイズ範囲であり、前記基板上に単層で配置される、
ＯＬＥＤアセンブリ。 - 前記複数のナノ粒子が、チタン酸バリウム又は酸化バリウムを含む、請求項６に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
- 前記平坦化層が約１μｍ〜約１０μｍの厚さを有する、請求項６又は７に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
- 前記透明基板が、約１．４〜約１．５５の屈折率を有するガラス組成物を含む、請求項６から８のいずれか一項に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
- ｎｓが約１．９〜約２．７であり、ｎｐが約１．７〜約２．１であり、前記ｎｓとｎｐとの差が少なくとも０．５である、請求項６から９のいずれか一項に記載のＯＬＥＤアセンブリ。
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