JP5960682B2 - ガラス基材上に積層されたｏｌｅｄ光抽出フィルム - Google Patents

Description

有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）装置は、カソードとアノードとの間に挟まれたエレクトロルミネセント有機材料の薄膜を含み、これらの電極の一方又は両方は透明な伝導体である。電圧がこれらの装置に印加されると、電子及び正孔は、それぞれの電極から注入されて、放射性励起子の中間生成物を介してエレクトロルミネセント有機材料内に再結合する。

ＯＬＥＤ装置において、生成した光の７０％超が装置構造体内のプロセスのために典型的には失われる。より高い屈折率の有機層及び酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層とより低い屈折率の基材層との間の界面における光の捕捉が、この低い抽出効率の主な原因である。放射された光の比較的少量のみが、透明な電極を通って「有用な」光として現われる。光の大半は内部反射し、これは装置の縁部から放射されるか、あるいは装置内で捕捉され、また繰り返されるパスを作った後、最終的には装置内で吸収されて失われる。

ＯＬＥＤ装置では可撓性及び剛性の基材が両方用いられるので、可撓性及び剛性の基材の両方に適合する光抽出フィルムが必要とされている。

本発明に係る光抽出フィルムは、実質的に透明な可撓性フィルムと、フィルムに適用される低屈折率ナノ構造層と、ナノ構造層上に適用される高屈折率平坦化バックフィル層とを含む。ガラス基材は、実質的に透明な可撓性フィルムのナノ構造層とは反対側に積層され、フィルムとガラス基材との間に超超低屈折率領域を含む。

本発明に係る光抽出フィルムを製造する方法は、実質的に透明な可撓性フィルムを提供する工程と、フィルムに低屈折率ナノ構造層を適用する工程と、ナノ構造層上に高屈折率平坦化バックフィル層を適用する工程とを含む。また、方法は、実質的に透明な可撓性フィルムのナノ構造層とは反対側にガラス基材を積層する工程と、フィルムとガラス基材との間に超低屈折率領域を提供する工程とを含む。

添付の図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなすものであって、説明文と併せて本明細書の利点と原理を説明するものである。これらの図面では、
ナノ構造を有する光抽出フィルムの図。 ナノ粒子を有する光抽出フィルムの図。 接着剤及び空隙を用いてガラス基材上に積層された光抽出フィルムを有するＯＬＥＤ装置の図。 構造化接着剤を用いてガラス基材上に積層された光抽出フィルムを有するＯＬＥＤ装置の図。 超低屈折率材料を用いてガラス基材上に積層された光抽出フィルムを有するＯＬＥＤ装置の図。

本発明の実施形態は、光抽出フィルム及びＯＬＥＤ装置のためのその使用に関する。光抽出フィルムの例は、米国特許出願公開第２００９／００１５７５号及び同第２００９／００１５１４２号に記載されている。

図１は、ナノ構造を有する光抽出フィルム１０の構造の図である。光抽出フィルム１０は、実質的に透明な可撓性フィルム基材１８と、低屈折率ナノ構造層１６と、高屈折率平坦化バックフィル層１４と、任意の保護層１２とを含む。ナノ構造層１６は、ナノ構造を含み、これは少なくとも１つの寸法が２マイクロメートル未満、好ましくは１マイクロメートル未満である構造を意味する。ナノ構造層は、フォトニック結晶構造又は線形格子を含む、周期的、準周期的、若しくはランダムな分布又はパターンの光学ナノ構造を有し得る。フォトニック結晶構造という用語は、材料内で可能な電磁場モードのスペクトラム内で構造体がギャップを作るのを可能にする、十分に異なる屈折率の材料が散在している周期的又は準周期的な光学ナノ構造を指す。

ナノ構造は、一次元であってよく、これは、幅等の少なくとも１つの寸法が２マイクロメートル未満であることを意味する。一次元ナノ構造としては、例えば、連続するか又は細長い角柱又は隆起が挙げられる。また、ナノ構造は、二次元であってもよく、これは、例えば２つの面内方向等少なくとも２つの寸法が２マイクロメートル未満であることを意味する。二次元ナノ構造としては、例えば、円形又は正方形状の柱が挙げられる。

平坦化バックフィル層１４は、ナノ構造層１６を平坦化し、屈折率差を提供するためにナノ構造層１６上に適用される。高屈折率平坦化バックフィル層１４を有する低屈折率ナノ構造層１６とは、バックフィル層１４がナノ構造層１６よりも高い屈折率を有し、かつバックフィル層１４及びナノ構造層１６が、光抽出フィルム１０との光通信においてＯＬＥＤ装置の光抽出を促進するのに十分な屈折率差を有することを意味する。低屈折率ナノ構造層１６は、典型的に、１．４〜１．６の範囲の屈折率を有するが、異なる範囲を用いてもよい。光抽出フィルム用の高屈折率バックフィル層の例は、２００８年１０月３１日出願の米国特許出願第１２／２６２３９３号に記載されている。

図２は、ナノ粒子を有する光抽出フィルム２０の図である。光抽出フィルム２０は、実質的に透明な可撓性フィルム２８と、低屈折率ナノ構造層２６と、高屈折率平坦化バックフィル層２４と、任意の保護層２２とを含む。ナノ構造層２６は、ナノ粒子を含み、これは、少なくとも１つの寸法が２マイクロメートル未満、好ましくは１マイクロメートル未満である粒子を意味する。ナノ粒子は、有機材料で構成されても他の材料で構成されてもよく、規則的又は不規則な、任意の粒子形状を有し得る。あるいは、ナノ粒子は、多孔質粒子で実施することができる。また、ナノ構造体の分布は、様々なピッチ及び機構寸法を有してもよい。ナノ粒子の少なくとも一部は、好ましくは、可撓性基材と接触し、ナノ粒子は、その直下に間隙を有してもよい。ナノ粒子の層は、単層内にナノ粒子で、ナノ粒子の凝集体を有する層で、又は多層内に実施することができる。ナノ粒子は、ナノ粒子を凝集させる結合剤を使用することなくコーティングすることができる。更に、ナノ粒子は、好ましくは、コーティングされるか、又は表面層の方法で可撓性基材に適用される。光抽出フィルムで用いられるナノ粒子の例は、２００８年１２月１７日出願の米国特許出願第１２／３３６８８９号に記載されている。

平坦化バックフィル層２４は、ナノ構造層２６を平坦化し、屈折率差を提供するためにナノ構造層２６上に適用される。高屈折率バックフィル層２４を有する低屈折率ナノ構造層２６とは、バックフィル層２４がナノ構造層２６におけるナノ粒子よりも高い屈折率を有し、かつバックフィル層２４及びナノ構造層２６におけるナノ粒子が、光抽出フィルム２０との光通信においてＯＬＥＤ装置の光抽出を促進するのに十分な屈折率差を有することを意味する。

光抽出フィルム１０及び２０の基材、低屈折率層、高屈折率層、及び任意の保護層の材料は、上記公開特許出願に提供されている。光抽出フィルム１０及び２０を製造するプロセスも、上記公開特許出願に提供されている。

図３は、接着剤３４と、空気又は窒素若しくはアルゴン等の不活性ガスを含有するギャップ４０とを用いてガラス基材３６上に積層された光抽出フィルム３２を有するＯＬＥＤ装置３０の図である。光抽出フィルム３２は、フィルム１８及び２８等の可撓性フィルム基材のナノ構造層とは反対側に接着剤３４及びギャップ４０を用いて積層されて、光抽出フィルム３２とガラス基材３６との間に超低屈折率の領域を提供する。超低屈折率領域を用いて、ガラス基材３６で生じる更なる光損失を確実になくすか又はわずかなものにする。ギャップ４０の幅は、超低屈折率領域を提供するために制御される。接着剤３４は、ギャップ４０を提供するためにガラス基材３６の外辺部の周囲に配置されてもよく、接着剤３４は、複数の空隙又はエアポケットを提供するために、例えばストライプ又は方形パターン等、ガラス基材３６上にパターン化されてもよい。

図４は、構造化接着剤４６でガラス基材４８上に積層された光抽出フィルム４４を有するＯＬＥＤ装置４２の図である。光抽出フィルム４４は、フィルム１８及び２８等の可撓性フィルム基材のナノ構造層とは反対側に接着剤４６を用いて積層されて、光抽出フィルム４４とガラス基材４８との間に超低屈折率の領域を提供する。超低屈折率領域を用いて、ガラス基材４８を通じたＯＬＥＤ装置４２からの光抽出を促進する。接着剤４６の構造化により、光抽出フィルム４４とガラス基材４８との間に空気が捕捉され、捕捉された空気が超低屈折率領域をもたらす。接着剤４６は、接着剤４６に付与する構造化パターンを有する用具を使用する等の様々な方法で構造化されて、積層中にエアポケットを生じさせることができる。構造化接着剤の使用に代わるものとして、超低屈折率領域は、反射防止（ＡＲ）構造化表面を含んでもよく、ＡＲ構造化表面の例は、２００８年１２月３０日出願の米国仮出願第６１／１４１５１７号に記載されている。構造化接着剤と同様に、ＡＲ構造化表面も空気を捕捉して、超低屈折率領域を生じさせる。

図５は、超低屈折率材料５４を用いてガラス基材５６上に積層された光抽出フィルム５２を有するＯＬＥＤ装置５０の図である。光抽出フィルム５２は、フィルム１８及び２８等の可撓性フィルム基材のナノ構造層とは反対側に超低屈折率材料５４を用いて積層されて、光抽出フィルム５２とガラス基材５６との間に超低屈折率の領域を提供する。超低屈折率領域を用いて、ガラス基材５６を通じたＯＬＥＤ装置５０からの光抽出を促進する。超低屈折率材料の例は、両方とも２０１０年１月１３日出願の米国特許出願第６１／２９４６００号及び同第６１／２９４５７７号に記載されている。

光抽出フィルム３２、４４、及び５２は、ＯＬＥＤ装置からの光抽出を促進するために、例えば、上記光抽出フィルム１０及び２０又は他のフィルムで実施してもよい。超低屈折率領域は、典型的に、１．０〜１．５の範囲の屈折率を有するが、異なる範囲を用いてもよい。光抽出フィルムは、ガラス基材にフィルムを積層するための任意の方法を用いて積層することができる。被着材を積層する方法は、米国特許出願公開第２００８／０１９６８２２号に記載されている。ガラス基材に積層された光抽出フィルムを提供することにより、それらは、剛性基材を使用するか又は必要とするＯＬＥＤ装置に適合する。更に、超低屈折率領域の使用は、ＯＬＥＤ装置をガラス基材上に直接積層したときに生じる損失を減少させるのを助けることで、ＯＬＥＤ装置からの光抽出を促進する。

（実施例１）
酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層の厚みが１００ｎｍであったことを除いて、上記米国特許出願第１２／２６２３９３号の実施例５に記載の通りＯＬＥＤ装置を構築した。

かみそりの刃を用いてＯＣＡ ８１７１（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮから入手可能な光学接着剤）から約２．５４ｃｍ×２．５４ｃｍ（１インチ×１インチ）の正方形を正確に切り出した。正確に切り出されたＯＣＡ ８１７１フィルムを用いて、制御された幅の空隙を維持しながらＯＬＥＤ装置をガラス上に積層した。この装置では、ＯＬＥＤ装置の作用領域においてフィルムとガラスとの間にエアポケットを残すことにより空隙を提供した。

０〜２０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度範囲において装置の軸上輝度−電流−電圧（ＬＩＶ）の特徴を、ＰＲ６５０フォトニックカメラ（Ｐｈｏｔｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．，Ｃｈａｔｓｗｏｒｔｈ，ＣＡから入手可能）及びＫｅｉｔｈｌｅｙ ２４００ソースメータ（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，ＯＨから入手可能）を用いて記録した。ＬＩＶ測定値は、積層されたＯＬＥＤ装置が１０００ｎｉｔにおいて３５Ｃｄ／Ａのピーク効率を有していることを示し、これは、１０００ｎｉｔにおいて３６Ｃｄ／Ａであった積層前の装置のピーク効率と非常に類似していた。１０ｍＡ／ｍ^２における軸上輝度は、積層前が５２２１Ｃｄ／ｍ^２、積層後が５７２９Ｃｄ／ｍ^２であった。１０ｍＡ／ｍ^２における積分強度は、積層前が１０４６０ルーメン／ｍ^２、積層後が１１１９２ルーメン／ｍ^２であった。

実施例２（比較例）
ＩＴＯ層の厚みが１００ｎｍであったことを除いて、米国特許出願第１２／２６２３９３号の実施例５に記載の通りＯＬＥＤ装置を構築した。ＯＣＡ ８１７１フィルムの連続層を用いてＯＬＥＤ装置をガラス上に積層した。積層されたＯＬＥＤ装置のＬＩＶ測定値は、積層していない装置に比べて外部効率が著しく低下したことを示した。ＬＩＶ測定値は、積層されたＯＬＥＤ装置が１０００ｎｉｔにおいて３６Ｃｄ／Ａのピーク効率を有していたことを示し、これは、１０００ｎｉｔにおいて４２Ｃｄ／Ａであった積層前の装置のピーク効率よりも著しく低かった。

（実施例３）
まず、バックフィルされたピッチ５００ｎｍのフォトニック結晶ナノ構造フィルムをガラス上に積層し、次いで、ＩＴＯ層を付着させ、次いで、ＯＬＥＤ層を付着させて装置を構築したことを除き、実施例１の装置と同様にＯＬＥＤ装置を構築した。

フォトニック結晶をガラス上に積層するために、実施例１の通り正確に切り出されたＯＣＡ ８１７１フィルムを調製した。正確に切り出されたＯＣＡ ８１７１フィルムにフォトニック結晶フィルムを積層することにより、ＯＬＥＤ装置のガラスと作用領域との間に制御された幅の空隙を生じさせた。比較のために、ガラス上にフォトニック結晶フィルムを積層しない複製の装置を構築した。

実施例１の通りＬＩＶ測定を実施した。ＬＩＶ測定値は、積層されたＯＬＥＤ装置が１０００ｎｉｔにおいて４５Ｃｄ／Ａのピーク効率を有していたことを示し、これは、積層しない装置のピーク効率と同じであった。１０ｍＡ／ｍ^２における軸上輝度は、積層しない場合４２８２Ｃｄ／ｍ^２、積層した場合５４２８Ｃｄ／ｍ^２であった。１０ｍＡ／ｍ^２における積分強度は、積層しない場合８２６１ルーメン／ｍ^２、積層した場合１０６２６ルーメン／ｍ^２であった。

実施例４（比較例）
ＯＣＡ ８１７１の連続層を積層に用いたことを除いて、実施例３の装置と同様の装置を構築した。

実施例１の通りＬＩＶ測定を実施した。ＬＩＶ測定値は、積層されたＯＬＥＤ装置が１０００ｎｉｔにおいて３２Ｃｄ／Ａのピーク効率を有していたことを示し、これは、１０００ｎｉｔにおいて４２Ｃｄ／Ａであった積層していない装置のピーク効率よりも著しく低かった。１０ｍＡ／ｍ²における軸上輝度は、積層しない場合５２１５Ｃｄ／ｍ²、積層した場合３８０２Ｃｄ／ｍ²であった。１０ｍＡ／ｍ²における積分強度は、積層しない場合１０５７３ルーメン／ｍ²、積層した場合８５７３ルーメン／ｍ²であった。
本開示は以下も包含する。
［１］ 有機発光ダイオード装置用のガラス基材に積層される光抽出フィルムであって、
実質的に透明な可撓性フィルムと；
前記実質的に透明な可撓性フィルムに適用される低屈折率ナノ構造層と；
前記ナノ構造層上に適用される高屈折率平坦化バックフィル層と；
前記実質的に透明な可撓性フィルムの前記ナノ構造層とは反対側に積層されるガラス基材と；
前記実質的に透明な可撓性フィルムと前記ガラス基材との間の超低屈折率領域と、を含む、光抽出フィルム。
［２］ 前記超低屈折率領域が１以上の空隙を含む、［１］に記載の光抽出フィルム。
［３］ 前記超低屈折率領域がアルゴン又は窒素を含む、［１］に記載の光抽出フィルム。
［４］ 前記超低屈折率領域が構造化接着剤を含む、［１］に記載の光抽出フィルム。
［５］ 前記超低屈折率領域が反射防止構造化表面を含む、［１］に記載の光抽出フィルム。
［６］ 前記超低屈折率領域が超低屈折率材料を含む、［１］に記載の光抽出フィルム。
［７］ 前記低屈折率ナノ構造層が、前記実質的に透明な可撓性フィルムに対して表面層の方法で適用されるナノ粒子を含む、［１］に記載の光抽出フィルム。
［８］ 前記低屈折率ナノ構造層がフォトニック結晶構造又は線形格子を含む、［１］に記載の光抽出フィルム。
［９］ 前記バックフィル層上に適用される保護層を更に含む、［１］に記載の光抽出フィルム。
［１０］ 有機発光ダイオード装置用のガラス基材に積層される光抽出フィルムを製造する方法であって、
実質的に透明な可撓性フィルムを提供する工程と；
前記実質的に透明な可撓性フィルムに低屈折率ナノ構造層を適用する工程と；
前記ナノ構造層上に高屈折率平坦化バックフィル層を適用する工程と；
前記実質的に透明な可撓性フィルムの前記ナノ構造層とは反対側にガラス基材を積層する工程であって、前記実質的に透明な可撓性フィルムと前記ガラス基材との間に超低屈折率領域を提供することを含む工程と、を含む、方法。
［１１］ 前記超低屈折率領域が１以上の空隙を含む、［１０］に記載の方法。
［１２］ 前記超低屈折率領域がアルゴン又は窒素を含む、［１０］に記載の方法。
［１３］ 前記超低屈折率領域が構造化接着剤を含む、［１０］に記載の方法。
［１４］ 前記超低屈折率領域が反射防止構造化表面を含む、［１０］に記載の方法。
［１５］ 前記超低屈折率領域が超低屈折率材料を含む、［１０］に記載の方法。
［１６］ 前記低屈折率ナノ構造層が、前記実質的に透明な可撓性フィルムに対して表面層の方法で適用されるナノ粒子を含む、［１０］に記載の方法。
［１７］ 前記低屈折率ナノ構造層がフォトニック結晶構造又は線形格子を含む、［１０］に記載の方法。
［１８］ 前記バックフィル層上に保護層を適用する工程を更に含む、［１０］に記載の方法。

Claims (2)

1. 光抽出フィルムと、有機発光ダイオード装置用のガラス基材とを含む積層体であって、前記光抽出フィルムが、
   透明な可撓性フィルムと；
   前記透明な可撓性フィルムに適用される第１の表面と前記第１の表面とは反対側の第２の表面とを有するナノ構造層と；
   前記ナノ構造層の前記第２の表面上に適用され、前記ナノ構造層よりも高い屈折率を有する平坦化バックフィル層と；
   接着剤と、
   を含み、
   前記透明な可撓性フィルムの前記ナノ構造層とは反対側に前記ガラス基材が積層されており；
   前記積層体が、前記透明な可撓性フィルムと前記ガラス基材との間の領域であって、前記透明な可撓性フィルムと前記ガラス基材との間の前記接着剤によって囲まれた１以上の空隙を含む領域を有する、積層体。
2. 前記接着剤がストライプ又は方形パターンにパターン化されて空隙を提供している、請求項１に記載の積層体。

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