TW201640163A - 包含光散射表面之波導以及包含該波導之顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

本文揭示的是波導，該波導包含至少一散射表面、範圍從約0.5μm至約2μm的週期、以及範圍從約20nm至約60nm的RMS粗糙度。厚度範圍從約1μm至約100μm的單層波導以及包含至少一高折射率層及可選的至少一低折射率層的多層波導被揭示於本文中。包含該波導的照明和顯示裝置及OLEDs以及用於製造該波導的方法被進一步揭示於本文中。

Description

包含光散射表面之波導以及包含該波導之顯示裝置
本專利申請案根據專利法主張於2015年3月31日提出申請的美國臨時專利申請案序號第62/140605號的優先權權益，該申請案之內容為本案所依據並以引用方式全部併入本文中。
本揭示大體而言係關於波導以及包含該波導之照明和顯示裝置，更具體言之，本揭示係關於包含至少一光散射表面層的波導以及包含該波導之OLED照明和顯示裝置。
高性能顯示裝置，例如液晶(LC)、有機發光二極體(OLED)、及電漿顯示器，常被用於各種電子裝置，例如手機、筆記型電腦、電子平板、電視機、及電腦監視器。目前市售的顯示裝置會採用一個或更多個高精度玻璃片例如作為電子電路元件的基板、作為光提取層、作為導光板、或作為彩色濾光片，僅舉幾例的應用。由於OLED光源的改良色域、高對比度、寬視角、快速響應時間、低操作電壓、及/或改良能量效率，OLED光源已被普遍用於顯示和照明裝置。又由於OLED光源 的相對撓性，將OLED光源用於彎曲顯示器的需求也增加了。
基本的OLED結構可以包含位於陽極與陰極之間的有機發光材料。此多層結構可以包括例如陽極、電洞注入層、電洞傳輸層、發光層、電子傳輸層、電子注入層、及陰極。在操作過程中，來自陰極的注入電子與來自陽極的電洞可以在發光層中重組而產生激子。當電流被供應到有機發光材料時，由於激子的放射性衰變，於是光被放出。為了形成包含OLED的顯示裝置，可以藉由薄膜電晶體(TFT)電路來驅動複數個陽極和陰極。TFT陣列從而提供隨後可被用於藉由施加電流通過陽極與陰極來顯示選擇影像的像素陣列。
雖然OLED顯示裝置可能具有優於其他顯示裝置(例如液晶顯示器)的許多優點，但OLED仍可能遭受一個或更多個缺點的困擾。例如，與其他光源相比，OLED會具有有限的光輸出效率(亮度)。在一些情況下，多達80%由OLED發射的光能量可能被截留在顯示裝置中。由於這些層之間有大的折射率(n)值差異(例如，ne 1.9、ng 1.5)，所以由發光層產生的光會例如被局限在裝置的電極和玻璃基板內。Snell定律表示，折射率差會產生在約20%範圍內的低輸出耦合效率，其中效率水平被表示為表面發射對總發射光的比率。因此，即使內部效率已被報導可接近100%，但低 的輸出耦合效率最終仍限制了OLED裝置的亮度和效率。
許多用於改善OLED裝置的光提取效率的方法已被提出，包括高折射率基板和顆粒及/或各種表面修飾。然而，這些技術可能需要昂貴的材料及/或複雜的製程，例如光微影等，從而會不必要地增加製造時間和裝置的總成本。用以提高OLED裝置的光輸出的嘗試還包括在相對高的電流水平下驅動OLED。然而，這樣的高電流會對OLED的壽命產生負面影響，因此也無法提供理想的解決方案。
其他用以提高光提取效率的嘗試包括例如在厚度及/或折射率上匹配OLED層的波導，使得OLED內的模態可以與波導內的模態相匹配。這樣的波導可以被沉積在玻璃基板上並於隨後被塗佈整平(例如平滑化)層。使用相對薄的整平層(例如小於約0.5微米)時已觀察到提高的光提取。較厚的整平層可能會例如在瞬逝的OLED光與波導模態之間產生不夠小的重疊。然而，較薄的整平層可能會在波導與OLED層之間產生過於粗糙的界面，從而會在OLED的模態內引起耦合，使得光會從這些傳輸模態中的其中一種模態耦合到表面電漿子模態(或表面電漿子極化)。表面電漿子模態是具有高吸收性的，因此，光與這些模態的耦合通常是不理想的。
因此，提供用於顯示(例如OLED)裝置的波導將是有利的，此舉可提供改善的光提取效率，同時 還降低成本、複雜度、及/或製造裝置的時間。此外，提供具有理想表面粗糙度同時還保持相對低的整平層厚度的波導將是有利的。在各種實施例中，包含這種基板的顯示裝置(例如OLED顯示器)可以具有一個或更多個優點，例如改善的亮度、色域、對比度、視角、響應時間、撓性及/或能量效率。
在各種實施例中，本揭示係關於波導，該波導具有兩個散射表面並包含範圍從約1μm至約100μm的厚度、範圍從約0.5μm至約2μm的週期、及範圍從約20nm至約60nm的RMS粗糙度。本文還揭示包含至少一散射表面的波導，該波導包含基板及至少一第一層，該至少一第一層包含第一材料，該第一材料具有至少約1.8的折射率及範圍從約300nm至約10μm的厚度；以及可選的至少一第二層，該至少一第二層包含第二材料，該第二材料具有小於約1.8的折射率及小於約100nm的厚度，其中該波導包含範圍從約0.5μm至約2μm的週期，而且其中該至少一散射表面包含範圍從約20nm至約60nm的RMS粗糙度。本文進一步揭示一種波導，該波導包含n個第一層，該第一層包含第一材料，該第一材料具有第一折射率；2n個散射表面，該散射表面包含範圍從約20nm至約60nm的RMS粗糙度；n-1個第二層，該第二層包含第二材料，該第二材料具有第二折射率，該第二折射率小於該第一折射率； 以及RMS表面粗糙度小於約20nm的整平層，其中n大於或等於1。本文還揭示包含該波導的OLED及顯示裝置。
本文又進一步揭示的是用於製造波導的方法，該方法包含以下步驟：從批料製備生坯，該批料包含至少一折射率至少約1.8的成分及可選的至少一添加劑，該添加劑係選自溶劑、黏結劑、分散劑、界面活性劑、及塑化劑；以及在高於約1000℃的溫度下燒結該生坯，以形成具有兩個散射表面的波導，其中該波導包含範圍從約1μm至約100μm的厚度、範圍從約0.5μm至約2μm的週期、及範圍從約20nm至約60nm的RMS粗糙度。另外揭示的、用於製造波導的方法包含以下步驟：使用第一混合物塗佈基板，該第一混合物包含第一材料，該第一材料具有至少約1.8的折射率；可選地使用第二混合物塗佈該基板，該第二混合物包含第二材料，該第二材料具有小於約1.8的折射率；以及在高於250℃的溫度下熱處理經塗佈的基板，以形成具有至少一散射表面的波導。
依據各種實施例，該波導可以包含一片高折射率材料，例如氧化鋯。該波導之晶粒尺寸範圍可以從例如約200nm至約500nm，而且在一些實施例中該波導之密度可以大於約3g/cm3。在另外的實施例中，該波導可以進一步包含整平層，該整平層位於至少一散射表面上。該整平層可以具有例如小於約500nm的厚度 及小於約30nm的RMS粗糙度。依據進一步的實施例，該波導可以包含玻璃基板及至少一第一層，該至少一第一層包含氧化鋯。在又進一步的實施例中，該波導可以包含交替的、高和低折射率材料的第一和第二層。
將在以下的實施方式中提出本揭示的其他特徵與優點，而且從實施方式，部分的特徵與優點對於所屬技術領域中具有通常知識者而言將是顯而易見的，或者可藉由實施本文所述的方法而認可部分的特徵與優點，本文所述的實施例包括以下的實施方式、申請專利範圍以及附圖。
應瞭解的是，前述的一般性描述與以下的實施方式皆呈現本揭示的各種實施例，而且意圖提供用於瞭解申請專利範圍之本質與特點的概觀或架構。附圖被涵括以提供對本揭示的進一步瞭解，而且附圖被併入本說明書中並構成本說明書的一部分。圖式說明本揭示的各種實施例，而且該等圖式與實施方式一起用以解釋本揭示的原理與操作。
110‧‧‧陰極
120‧‧‧電子傳輸層
130‧‧‧發射層
140‧‧‧電洞傳輸層
150‧‧‧陽極
160‧‧‧波導
260‧‧‧單層波導
262‧‧‧第一散射表面
262s‧‧‧第一粗糙度
264‧‧‧第二散射表面
264s‧‧‧第二粗糙度
360‧‧‧多層波導
360a‧‧‧高折射率材料層
360b‧‧‧低折射率材料層
362‧‧‧第一散射表面
364‧‧‧第二散射表面
366‧‧‧基板
368‧‧‧外表面
當結合以下圖式閱讀時可以進一步瞭解以下的實施方式。
第1圖圖示依據本揭示之各種實施例的發光裝置；第2圖繪示依據本揭示之某些實施例的例示性單層波導； 第3圖繪示依據本揭示之各種實施例的例示性多層波導；第4圖繪示在各種熱處理溫度下的氧化鋯之SEM影像；第5A-C圖為依據本揭示之某些實施例的單層波導之SEM影像；第6圖為依據本揭示之各種實施例光學替代EE為波導之整平層厚度的函數之圖形說明；第7A-D圖為依據本揭示之各種實施例的波導之SEM影像；以及第8圖為依據本揭示之各種實施例光學替代EE為波導之整平層厚度的函數之圖形說明。
裝置
本文揭示的是波導，該波導具有兩個散射表面並包含範圍從約1μm至約100μm的厚度、範圍從約0.5μm至約2μm的週期、及範圍從約20nm至約60nm的RMS粗糙度。本文還揭示包含至少一散射表面的波導，該波導包含基板及至少一第一層，該至少一第一層包含第一材料，該第一材料具有至少約1.8的折射率及範圍從約300nm至約10μm的厚度；以及可選的至少一第二層，該至少一第二層包含第二材料，該第二材料具有小於約1.2的折射率及小於約100nm的厚度，其中該波導包含範圍從約0.5μm至約2μm的週期，而且 其中該至少一散射表面包含範圍從約20nm至約60nm的RMS粗糙度。本文還揭示包含該波導的OLED及照明或顯示裝置。
第1圖繪示依據本揭示之各種實施例的例示性發光裝置。該裝置可以包含陰極110、電子傳輸層120、發射層130、電洞傳輸層140、陽極150、及波導160。在繪示的實施例中，該裝置可以通過波導160發射光，在這種情況下，陽極150可以包含大體上透明或半透明的材料，例如銦錫氧化物(ITO)或任何其他具有適當透明度的導電材料。在其他的實施例中，該裝置可以通過透明或半透明陰極110(例如有機層)發射光，在這種情況下，波導160可以被定位成鄰接陰極110(未描繪)。發光裝置中的附加層可以包括電洞注入層(HIL)及/或電子注入層(EIL)(未圖示)。本文揭示的波導可以被單獨使用，例如作為光散射層並作為基板、或是可以在基板(未圖示)之外被使用，例如作為陽極或陰極與基板之間的光散射層。
該波導可以包含第一表面和相對的第二表面。在一些實施例中，該波導可以是包含一個層或多個層的片材。在某些實施例中，該表面可以是平面的或大體上平面的，例如大體上平的及/或水平。在一些實施例中，該波導還可以被以至少一個曲率半徑彎曲，例如三維波導，如凸形或凹形波導。在各種實施例中，該第一和第二表面可以是平行的或大體上平行的。該波導可以 進一步包含至少一個邊緣，例如至少兩個邊緣、至少三個邊緣、或至少四個邊緣。藉由非限制性實例的方式，該波導可以包含具有四個邊緣的矩形或方形片材，但其他的形狀和結構也被構想，並意圖落入本揭示的範圍內。
如第2圖所圖示，例示性的「單層」波導260可以包含單片厚度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。本文中使用的術語「高折射率材料」是指折射率至少約1.8的材料，例如折射率可以高達2.8。在某些實施例中，折射率的範圍可以從約1.8至約2.5、從約1.9至約2.3、或從約2至約2.1，包括其間的所有範圍和子範圍。該第一和第二表面可以藉由範圍從約20nm至約60nm的RMS表面粗糙度來特徵化，例如約25nm至約50nm、約30nm至約45nm、或約35nm至約40nm，包括其間的所有範圍和子範圍。依據各種實施例，該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中被描述為輪廓與平均線的高度偏差之均方根平均，被記錄在評估長度內。
適當的高折射率材料之非限制性實例可以包括例如氧化鋯、氧化釔穩定的氧化鋯、氧化鋁、氧化鋅、氧化鈰、尖晶石、銳鈦礦或金紅石型氧化鈦、氧化鈮、氧化錫、以及上述材料之組合。在某些實施例中，單層波導可以是獨立的片材，或者可以與基板(例如玻璃基板)結合使用。單層波導的厚度t範圍可以例如從約1μm 至約100μm，例如約5μm至約90μm、約10μm至約80μm、約20μm至約70μm、約30μm至約60μm、或約40μm至約50μm，包括其間的所有範圍和子範圍。單層波導的週期範圍可以例如從約0.5μm至約2μm，例如約1μm至約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)，包括其間的所有範圍和子範圍。本文中使用的術語「週期」是指表面正弦波形重複自身的距離。
依據各種實施例，單層波導可以具有高密度及/或低孔隙度。例如，單層波導的密度可以大於約3g/cm3，例如大於約4g/cm3、大於約5g/cm3、大於約6g/cm3、大於約7g/cm3、大於約8g/cm3、大於約9g/cm3、或大於約10g/cm3、或更大，包括其間的所有範圍和子範圍。在一些實施例中，單層波導的孔隙度可以小於約10%，例如小於約5%、小於約4%、小於約3%、小於約2%、或小於約1%，包括其間的所有範圍和子範圍。依據另外的實施例，晶粒尺寸範圍可以例如從約200nm至約500nm，例如約225nm至約450nm、約250nm至約400nm、或約300nm至約350nm，包括其間的所有範圍和子範圍。
在一些實施例中，單層波導可以在第一及/或第二表面上包含整平或平滑層。整平層可以例如具有 小於或等於約500nm的厚度，例如小於約450nm、小於約400nm、小於約350nm、小於約300nm、或小於約250nm，包括其間的所有範圍和子範圍。依據各種實施例，整平層可以包含至少一種選自光學聚合物和玻璃的材料，例如透明聚合物和玻璃，例如聚甲基矽倍半氧烷、聚苯基矽倍半氧烷、聚甲基苯基矽倍半氧烷、聚甲基矽氧烷、聚矽酸鹽矽倍半氧烷、矽酸鹽、部分聚合的聚甲基矽氧烷(例如T-12、T-11、512B旋塗玻璃(Honeywell))、聚二甲基矽氧烷、聚二苯基矽氧烷、部分聚合的聚矽倍半氧烷、聚甲基矽倍半氧烷(HardSilTM AM，Gelest化學)、以及聚苯基矽倍半氧烷、聚甲基苯基矽倍半氧烷(HardSilTM AP，Gelest)或含有聚甲基矽倍半氧烷或聚苯基甲基矽倍半氧烷的奈米顆粒，其中該奈米顆粒可以是氧化鈦、二氧化矽或氧化鋯。塗佈有整平層的第一及/或第二表面可以具有例如小於約20nm的RMS粗糙度，例如小於約15nm、小於約10nm、或小於約5nm(例如20nm、19nm、18nm、17nm、16nm、15nm、14nm、13nm、12nm、11nm、10nm、9nm、8nm、7nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm或1nm)，包括其間的所有範圍和子範圍。
依據另外的實施例，如第3圖所示，「多層」波導360可以包含被沉積在基板366上的多層360a和360b。例如，交替的高折射率材料層360a和低折射率 材料層360b可以被沉積在基板366上。每一高折射率材料層可以包含第一散射表面362和第二散射表面364，每一散射表面各自獨立具有如以上針對單層波導所揭示的粗糙度(例如範圍從小於20nm至60nm)。在一些實施例中，每一高折射率層360a的厚度可以獨立在從約300nm至約10μm的範圍中，例如從約500nm至約9μm、從約750nm至約8μm、從約1μm至約7μm、從約1.5μm至約6μm、從約2μm至約5μm、或從約3μm至約4μm，包括其間的所有範圍和子範圍。此外，每一高折射率層360a的密度可以在例如從約1.5g/cm3至約6g/cm3的範圍中，例如從約2g/cm3至約5g/cm3、或從約3g/cm3至約4g/cm3，包括其間的所有範圍和子範圍。
本文中使用的術語「低折射率材料」是指折射率小於約1.8的材料，例如折射率可以低至1.4。在某些實施例中，折射率的範圍可以從約1.4至約1.7、或從約1.5至約1.6，包括其間的所有範圍和子範圍。適當的低折射率材料之非限制性實例可以包括例如聚甲基矽倍半氧烷、聚苯基矽倍半氧烷、聚甲基苯基矽倍半氧烷、聚甲基矽氧烷、聚矽酸鹽矽倍半氧烷、矽酸鹽、部分聚合的聚甲基矽氧烷(例如T-12、T-11、512B旋塗玻璃(Honeywell))、聚二甲基矽氧烷、聚二苯基矽氧烷、部分聚合的聚矽倍半氧烷、聚甲基矽倍半氧烷(HardSilTM AM，Gelest化學)、及聚苯基矽倍半 氧烷、聚甲基苯基矽倍半氧烷(HardSilTM AP，Gelest)或含有聚甲基矽倍半氧烷或聚苯基甲基矽倍半氧烷的奈米顆粒、其中該奈米顆粒可以是氧化鈦、二氧化矽、或氧化鋯、以及上述之組合。每一低折射率層360b的厚度可以小於約500nm，例如獨立地在從約5nm至約400nm、從約10nm至約300nm、從約20nm至約200nm、從約30nm至約100nm、從約40nm至約90nm、從約50nm至約80nm、從約60nm至約70nm、或小於5nm的範圍中，包括其間的所有範圍和子範圍。
依據各種實施例，每種高折射率層與低折射率層的組合可以被稱為「複合」層。該複合層可以具有範圍例如從約0.5μm至約2μm的週期，例如從約1μm至約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)，包括其間的所有範圍和子範圍。在某些實施例中，多層波導可以包含被沉積在玻璃基板366上的高和低折射率層。玻璃基板可以包含例如所屬技術領域中習知的任何玻璃，用於在OLED中作為玻璃基板，玻璃包括、但不限於鋁矽酸鹽、鹼金屬鋁矽酸鹽、硼矽酸鹽、鹼金屬硼矽酸鹽、鋁硼矽酸鹽、鹼金屬鋁硼矽酸鹽、及其他適當的玻璃。
在某些實施例中，基板可以具有小於或等於約3mm的厚度，例如範圍從約0.1mm至約2.5mm、從約0.3mm至約2mm、從約0.7mm至約1.5mm、或從約1mm至約1.2mm，包括其間的所有範圍和子範圍。適合用作濾光片的市售玻璃之非限制性實例包括例如來自康寧公司的EAGLE XG®、IrisTM、LotusTM、Willow®、及Gorilla®玻璃。適當的玻璃被揭示於例如美國專利第4,483,700號、第5,674,790號、及第7,666,511號中，將該等專利以引用方式併入本文中。
在進一步的實施例中，多層波導可以包含至少兩個高折射率層，例如至少三個、至少四個、至少五個、或更多個高折射率層。依據又進一步的實施例，多層波導可以包含至少一個低折射率層，例如至少兩個、至少三個、至少四個、至少五個、或更多個低折射率層。因此，多層波導可以包含至少一個散射表面，例如，每個高折射率層的第一及/或第二表面可以是光散射表面。例如，多層波導可以包含至少一個、至少兩個、至少三個、至少四個、至少五個、至少六個、至少七個、至少八個、至少九個、至少十個、或更多個光散射表面。
依據各種實施例，波導可以包含n個高折射率層、2n-1個散射表面；n-1個低折射率層；及一個整平層，其中n大於或等於1。例如，n的範圍可以從1至10或大於10，例如從2至9、從3至8、從4至7、或從5至6，包括其間的所有範圍和子範圍。依據各種實施例，高折 射率層可以具有第一折射率，而低折射率層可以具有第二折射率，該第二折射率小於該第一折射率。例如，該第一折射率可以是至少約1.8，例如範圍從約1.8至約2.8，而該第二折射率可以小於或等於約2.1，例如範圍從約1.4至約2.1。整平層可以包含波導的外部表面，例如與OLED裝置或OLED層接觸的層。
多層波導中每個散射表面的粗糙度可以視需要而每層不同或可以在波導內各處皆相同。舉例來說，每個低折射率層可以在某種程度上用來作為平滑層，此舉可以降低每個高折射率層的粗糙度。在一些實施例中，多層波導可以包含外表面368。在某些另外的實施例中，整平或平滑層可以被沉積在該外表面上。整平層可以具有與以上為單層波導描述的類似的厚度、成分、及粗糙度。因此，每個散射表面的粗糙度可以在波導各處變化，例如具有更平滑的外表面368，並且當層接近基板時漸進粗糙的表面。在一些實施例中，該外表面可以具有小於約20nm的RMS粗糙度，且任意的內部散射表面具有範圍從約20nm至約60nm的粗糙度。例如，愈接近基板的表面粗糙度可以從外部表面上的小於約20nm漸進到內部表面上的高達約60nm。
本文中使用的術語「光散射表面」、「散射表面」、及「散射層」可以互換使用來指稱能夠散射入射光的區域。「表面」不需要是外部表面(如在單層波導的兩個外部表面的情況)。相反地，在多層波導的情 況下，「表面」也可以指疊層內的內部散射區域(例如各層之間的界面)。單層波導中的光提取可以藉由表面散射(外部散射表面)的方式發生。多層波導中的光提取可以藉由表面散射(外部及/或內部散射表面)及/或體積散射機制(層中的空隙)的方式發生。
方法
本文揭示的是用於製造波導的方法，該方法包含以下步驟：從批料製備生坯，該批料包含至少一折射率至少約1.8的成分及可選的至少一添加劑，該添加劑係選自溶劑、黏結劑、分散劑、界面活性劑、及塑化劑；以及在高於約1000℃的溫度下燒結該生坯，以形成具有兩個散射表面的波導，其中該波導包含範圍從約1μm至約100μm的厚度、範圍從約0.5μm至約2μm的週期、及範圍從約20nm至約60nm的RMS粗糙度。本文還揭示的是用於製造波導的方法，該方法包含以下步驟：使用第一混合物塗佈基板，該第一混合物包含第一材料，該第一材料具有至少約1.8的折射率；可選地使用第二混合物塗佈該基板，該第二混合物包含第二材料，該第二材料具有小於約1.8的折射率；以及在高於250℃的溫度下熱處理經塗佈的基板，以形成具有至少一散射表面的波導。
例如，單層波導可以藉由薄帶成形、狹縫塗佈、旋塗、或浸塗批料組成物來製備，該批料組成物包含至少一高折射率材料，以形成生坯。其他用於形成薄 的高折射率材料片的技術也被構想為落入本揭示的範圍內。依據各種實施例，該高折射率材料可以包含奈米顆粒，例如氧化鋯、氧化鋁、氧化鋅、氧化鈰、尖晶石、銳鈦礦或金紅石型氧化鈦、氧化鈮、及氧化錫奈米顆粒、以及上述之組合。該奈米顆粒可以具有範圍例如從約5nm至約100nm的平均粒徑，例如從約10nm至約75nm、從約20nm至約60nm、從約25nm至約50nm、或從約30nm至約40nm，包括其間的所有範圍和子範圍。該奈米顆粒可以進一步包含至少一種穩定劑，例如Y、Yb、Ca、Mg、Sc及上述之組合。例如，該奈米顆粒可以包含多達約9莫耳%的至少一種穩定劑，例如依重量計從約1莫耳%至約8莫耳%、從約2莫耳%至約7莫耳%、從約3莫耳%至約6莫耳%、或從約4莫耳%至約5莫耳%的穩定劑。在某些實施例中，該奈米顆粒可以包含氧化釔穩定的四方晶氧化鋯奈米顆粒，例如3YSZ(3莫耳%的氧化釔穩定的氧化鋯)。
依據各種實施例，用於生產單層波導的批料組成物可以包含依重量計約5%至約50%的奈米顆粒，例如依重量計約10%至約40%、或約20%至約30%的高折射率材料，包括其間的所有範圍和子範圍。批料可以進一步包含一種或更多種添加劑，該添加劑係選自溶劑、黏結劑、分散劑、界面活性劑、塑化劑、及類似物。適當的溶劑可以包括例如水、醇、極性和非極性有機溶劑、以及上述溶劑之組合。可以使用黏結劑來例如在燒 結過程中將奈米顆粒保持在一起。黏結劑的非限制性實例包括例如聚乙烯醇、丙烯酸聚合物、聚乙烯醇縮丁醛、各種分子量的聚環氧乙烷和聚乙二醇、聚乙烯吡咯啶酮、纖維素物質例如羥甲基纖維素、羥乙基纖維素及羥丙基纖維素、樹膠例如瓊脂膠和阿拉伯膠、丙烯酸聚合物、乙烯丙烯聚合物、丙烯酸、聚丙烯醯胺、澱粉、以及上述黏結劑之組合。分散劑或界面活性劑可被用於塗佈奈米顆粒及/或最少化結塊。適當的分散劑或界面活性劑可以包括例如Emphos PS-21A和絮凝劑，例如冰醋酸。塑化劑可被包括在批料中，以提高延展性。例示性的塑化劑包括、但不限於鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸丁基苯基酯、低分子量聚乙二醇、以及上述之組合。其他適當的批料組成物成分被描述於美國專利第6,428,920號中，將該專利以引用方式全部併入本文中。
生坯可以經受熱處理步驟，例如用以燒掉任何存在於批料中的有機材料。例如，生坯可以被加熱到高於約250℃的第一溫度，例如高於約300℃、高於約350℃、高於約400℃、高於約450℃、高於約500℃、高於約600℃、高於約700℃、高於約800℃、或高於約850℃，包括其間的所有範圍和子範圍。熱處理時間可以視波導的應用及/或所需性質而改變，並且範圍可以例如從約30分鐘至約3小時，例如從約1小時至約2小時，包括其間的所有範圍和子範圍。生坯隨後可以在 高於約1000℃的第二溫度下進行燒結，例如範圍從約1000℃至約1600℃、約1050℃至約1500℃、約1100℃至約1400℃、或約1200℃至約1300℃，包括其間的所有範圍和子範圍。燒結時間可以視波導的應用及/或所需性質而改變，並且範圍可以例如從約30分鐘至約3小時，例如從約1小時至約2小時，包括其間的所有範圍和子範圍。
多層波導可以藉由使用包含高折射率材料的批料組成物狹縫塗佈、旋塗、或浸塗基板(例如玻璃基板)來製備。其他適用於在基板上沉積層的技術也被構想為落入本揭示的範圍內。依據各種實施例，用於生產多層波導的批料組成物可以包含依重量計約3%至約30%的高折射率材料，例如依重量計約5%至約20%、或約10%至約15%的奈米顆粒，包括其間的所有範圍和子範圍。批料還可以包含如以上針對單層波導描述的溶劑、黏結劑、分散劑、界面活性劑、及/或塑化劑。然後經塗佈的基板可以如上所述進行熱處理以移除高折射率塗層中的任何有機材料，並於隨後進行燒結。可以使用與用以沉積高折射率層的技術相同或不同的技術將低折射率材料塗佈到基板上。低折射率批料同樣可以包含本文所述的至少一種添加劑。然後可以藉由相同或不同的技術將至少一個另外的高折射率層施加到基板，之後施加至少一個低折射率材料層，以此類推沒有限制。可以 以任何需要的組合在每個塗佈步驟之間或塗佈之後進行加熱及/或燒結步驟。
在某些實施例中，多層波導可以不用燒結步驟來製備。例如，可以在塗佈之間及/或之後只使用熱處理步驟來依序施加高折射率和低折射率層，以從這些層中移除有機材料(例如溶劑、黏結劑、分散劑等等)。因此，熱處理步驟可以燃燒或蒸發一種或更多種添加劑，從而在波導結構中留下空隙。在沒有燒結步驟之下，這些空隙可以保持打開，或者在一些實施例中，一部分或全部的空隙可以在隨後的塗佈步驟中被整平材料填充。分散在多層波導各處的空隙可以藉由體積散射機制的方式有利地提供另外的光散射。藉由非限制性實例的方式，第4圖繪示被塗佈到玻璃基板上的氧化鋯層在升溫下熱處理之後的掃描電子顯微鏡(SEM)影像。在高達約800℃的溫度下，隨著溫度上升，氧化鋯層中的空隙也增加了。在高於800℃的溫度下，氧化鋯開始合併，如塗層厚度減小所示(<800℃~1.5-2μm；>800℃~0.5μm)。在約1000℃下，觀察到明顯燒結的氧化鋯顆粒形成更大的晶粒。
可以將整平層施加到本文揭示的波導之一個或更多個表面，例如到單層波導的第一及/或第二表面或到多層波導的外表面。整平層可以使用所屬技術領域中習知的任何方法施加，例如狹縫塗佈、浸塗、真空沉積、以及其他類似的製程。在一些實施例中，整平層可以具 有小於約500nm的厚度，例如小於約400nm、小於約300nm、小於約200nm、或小於約100nm，包括其間的所有範圍和子範圍。在各種實施例中，整平層的RMS粗糙度可以小於約20nm，例如小於約15nm、小於約10nm、或小於約5nm，包括其間的所有範圍和子範圍。
將理解的是，各種揭示的實施例可以涉及關於該特定實施例所描述的特定特徵、元件或步驟。還將理解的是，特定的特徵、元件或步驟雖然是關於一個特定實施例描述的，但仍可被與替代實施例互換或以各種未圖示的組合或排列組合。
還應當理解的是，本文中使用的術語「該」或「一」意指「至少一個」，並且不應被限制於「只有一個」，除非有明確相反的指示。因此，例如提及「一層」包括具有兩個或更多個這種層的實例，除非上下文另有明確的指示。同樣地，「複數個」意圖表示「超過一個」。因此，「複數個層」包括兩個或更多個這樣的層，例如三個或更多個這樣的層等等。
本文中可以將範圍表示為從「約」一個特定值、及/或至「約」另一個特定值。當這樣的範圍被表達時，實例包括從該一個特定值及/或至另一個特定值。類似地，當值被表達為近似值時，藉由使用先行詞「約」將可理解的是，該特定值形成了另一種態樣。將進一步 理解的是，每個範圍的端點在關聯另一個端點與獨立於另一個端點時都是有意義的。
本文中使用的術語「大體的」、「大體上」及其變體意圖表示所描述的特徵等於或大約等於一個值或描述。例如，「大體上平面的」表面意圖表示該表面為平面或大致平面的。此外，如上文所定義，「大體上類似的」意圖表示兩個值為相等或大約相等的。在一些實施例中，「大體上類似的」可以表示在彼此的約10%以內的值，例如在彼此的約5%以內、或在彼此的約2%以內。
除非另有明確的陳述，否則絕無意使本文闡述的任何方法被解讀為需要其步驟以特定的順序進行。因此，當方法請求項未實際陳述其步驟應遵循的順序、或是申請專利範圍或實施方式中沒有另外具體陳述該等步驟應被限制於特定的順序時，絕無意圖推斷出任何特定的順序。
雖然可以使用轉折連接詞「包含」來揭示特定實施例的各種特徵、元件或步驟，但應當理解的是，替代實施例(包括可以使用轉折連接詞「由......所組成」或「基本上由......所組成」描述的那些)也被隱含。因此，舉例來說，包含A+B+C的裝置之隱含性替代實施例包括由A+B+C所組成的裝置之實施例及基本上由A+B+C所組成的裝置之實施例。
所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見的是，可以在不偏離本揭示的精神和範圍下對本揭示做出各種修改和變化。由於結合本揭示之精神和物質的揭示實施例之修改組合、子組合及變化是所屬技術領域中具有通常知識之人士可以輕易思及的，故應將本揭示解讀為包括在所附申請專利範圍及其均等物之範圍內的一切。
意圖使以下實例為非限制性的並且只為說明性的，且本發明的範圍係由申請專利範圍界定。
實例 單層波導
將包含66重量%氧化鋯奈米顆粒(3YSZ)的批料薄帶成形以產生生坯，將該生坯在700℃的溫度下熱處理1小時，並於隨後在1300℃下燒結1小時。生產出厚度20μm和40μm的氧化鋯波導。第5A-C圖為由此生產出的波導(20μm)之掃描電子顯微鏡(SEM)影像(分別為立體圖、俯視圖及剖視圖)。觀察到氧化鋯晶粒尺寸為約250-300nm，並且表面粗糙度特徵的峰-谷高度為約112nm。波導的RMS表面粗糙度為約40nm。
將氧化鋯波導旋塗整平層，該整平層包含使用異丙醇稀釋到10-50重量%聚矽氧烷濃度的聚矽氧烷512B(Honeywell)混合物。得到各種整平層厚度，包括50nm和350nm。將OLED活性物質(A1Q3) 和Ag陰極材料蒸鍍到有和沒有整平層的波導上。將所得的疊層放在玻璃基板上用於光學替代量測。
將波導的光學替代提取效率(EE)為整平濃度(可與整平層厚度關聯)的函數描繪於第6圖。對於沒有整平層(濃度=0%)的波導，觀察到20μm和40μm厚的波導之EE值皆大於2。具有整平層(濃度=10%、30%)時，波導表現的EE值範圍從約1.9至2.3。當使用折射率1.45的油使氧化鋯波導與玻璃基板之間的氣隙折射率匹配時，觀察到更高的EE值。
氧化鋯的折射率約為2.2，取決於傳輸光的波長。此折射率可以使波導參數與TCO-OLED層有良好的匹配。波導的有效折射率和厚度使得波導中可以有相應的模態。據信單層波導的提取效率是由在氧化鋯-空氣界面與表面粗糙度相關的表面散射機制所決定。此外，這兩種波導厚度所得到的EE值表示，沒有基於波導厚度的相依性。
多層波導
將氧化鋯奈米顆粒(3YSZ)與乙醇/丁醇溶劑混合，以產生適用於浸塗或狹縫塗佈的批料混合物。然後將批料塗佈到玻璃基板上，並在400℃的溫度下熱處理2小時或在600℃的溫度下熱處理1小時。然後將具有氧化鋯層的玻璃基板旋塗整平層，該整平層包含使用異丙醇稀釋到10-50重量%聚矽氧烷濃度的聚矽氧烷512B(Honeywell)混合物。得到各種整平層厚度， 包括100nm和400nm。第7A-D圖為由此生產出的波導之SEM剖面影像。SEM影像圖示出氧化鋯層的厚度為約1.5μm，並且整平層具有約300nm的厚度。觀察到整平層至少部分與氧化鋯層的表面共形。氧化鋯奈米結構的表面形態被充分限制粗糙度，以能夠得到較薄的平滑(整平)層，例如小於500nm。
將OLED活性物質(A1Q3)和Ag陰極材料蒸鍍到波導上。量測所得疊層的提取效率。將波導的光學替代提取效率(EE)為整平濃度(可與整平層厚度關聯)的函數描繪於第8圖。具有300nm整平層(100%濃度)的波導具有約2.9的最高EE值。較厚的整平層(>500nm，150%濃度)導致較低的EE值，較薄的整平層(100nm，50%濃度)亦同。
不希望受到理論的束縛，據信TCO/OLED界面不含高到足以引起OLED引導的橫向電場(TE)與OLED層內的橫向磁波(TM)模態模態耦合到高度減弱的表面電漿子模態的橫向頻率分量。然而，表面形貌確實包含高到足以在TE與TM模態之間引起模態耦合的側面頻率，從而可以促進從較低、較緊密結合的引導模態到較易提取的較高模態的耦合。此外，塗層中的空隙可以作為體積散射位點。因為這些位點的尺寸可以小於傳輸光的波長，所以光可被以更寬的角度散射，從而可以實現更有效的提取。
110‧‧‧陰極
120‧‧‧電子傳輸層
130‧‧‧發射層
140‧‧‧電洞傳輸層
150‧‧‧陽極
160‧‧‧波導

Claims (28)

  1. 一種波導，包含：(a)第一和第二相對的散射表面；(b)範圍從約1μm至約100μm的厚度；(c)範圍從約0.5μm至約2μm的週期；以及(d)範圍從約20nm至約60nm的RMS粗糙度。
  2. 如請求項1所述之波導，其中該波導包含一材料，該材料具有至少約2的折射率。
  3. 如請求項1所述之波導，其中該波導為氧化鋯片。
  4. 如請求項1所述之波導，其中該波導包含範圍從約200nm至約500nm的一晶粒尺寸。
  5. 如請求項1所述之波導，其中該波導包含大於約3g/cm3的一密度。
  6. 如請求項1所述之波導，進一步包含一整平層，該整平層位於該第一和第二散射表面中之一者或兩者上。
  7. 如請求項6所述之波導，其中該整平層具有小於約500nm的一厚度及小於約30nm的一RMS粗糙度。
  8. 一種有機發光二極體，包含如請求項1所述 之波導。
  9. 一種用於製造一波導的方法，包含以下步驟：從批料形成一生坯，該批料包含至少一折射率至少約1.8的成分及可選的至少一添加劑，該添加劑係選自分散劑、黏結劑、及溶劑；以及在高於約1000℃的一溫度下燒結該生坯以形成一具有兩個散射表面的波導，其中該波導包含：(a)範圍從約1μm至約100μm的一厚度；(b)範圍從約0.5μm至約2μm的一週期；及(c)範圍從約20nm至約60nm的一RMS粗糙度。
  10. 如請求項9所述之方法，其中形成該生坯包含薄帶成形、狹縫塗佈、旋塗、或浸塗該批料。
  11. 如請求項9所述之方法，其中該至少一成分包含氧化鋯奈米顆粒。
  12. 如請求項9所述之方法，進一步包含施加一整平層到該等散射表面中之一者或兩者上。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該整平層係藉由旋塗、浸塗、或真空沉積法施加。
  14. 如請求項9所述之方法，進一步包含在燒 結之前將該生坯加熱到範圍從約250℃至約700℃的一第二溫度。
  15. 一種波導，具有至少一散射表面，該波導包含：一基板；以及至少一第一層，該至少一第一層包含一第一材料，該第一材料具有至少約1.8的一折射率並具有範圍從約300nm至約10μm的一厚度；及可選的至少一第二層，該至少一第二層包含一第二材料，該第二材料具有小於約1.8的一折射率並具有小於約100nm的一厚度，其中該波導包含範圍從約0.5μm至約2μm的一週期；及其中該至少一散射表面包含範圍從約20nm至約60nm的一RMS粗糙度。
  16. 如請求項15所述之波導，其中該第一層包含氧化鋯。
  17. 如請求項15所述之波導，其中該第一層包含大於約3g/cm3的一密度。
  18. 如請求項15所述之波導，其中該第一和第二層被以交替的方式配置。
  19. 如請求項15所述之波導，進一步包含一 整平層，該整平層具有小於約500nm的一厚度及小於約20nm的一RMS粗糙度。
  20. 一種有機發光二極體，包含如請求項15所述之波導。
  21. 一種用於製造一波導的方法，包含以下步驟：使用一第一混合物塗佈一基板，該第一混合物包含一第一成分，該第一成分具有至少約1.8的折射率；可選地使用一第二混合物塗佈該基板，該第二混合物包含一第二成分，該第二成分具有小於約1.8的一折射率；以及在高於250℃的一溫度下熱處理經塗佈的基板，以形成具有至少一散射表面的一波導。
  22. 如請求項21所述之方法，其中該第一成分包含氧化鋯奈米顆粒。
  23. 如請求項21所述之方法，其中使用該第一或第二混合物塗佈該基板包含狹縫塗佈、旋塗、或浸塗。
  24. 如請求項21所述之方法，進一步包含施加一整平層到該波導，其中該整平層具有小於約500nm的一厚度及小於約20nm的一RMS粗糙度。
  25. 如請求項21所述之方法，其中該第一和 第二混合物被以交替的方式塗佈到該基板上。
  26. 如請求項21所述之方法，其中包含該第一材料的塗佈具有範圍從約300nm至約10μm的厚度，而且包含該第二材料的塗佈具有小於約100nm的厚度。
  27. 一種波導，包含：n個第一層，該第一層包含一第一材料，該第一材料具有一第一折射率；2n-1個散射表面，該散射表面包含範圍從約20nm至約60nm的RMS粗糙度；n-1個第二層，該第二層包含一第二材料，該第二材料具有一第二折射率，該第二折射率小於該第一折射率；以及一整平層，具有小於約20nm的RMS粗糙度，其中n大於或等於1。
  28. 一種有機發光二極體，包含如請求項27所述之多層波導及一有機發光層，該有機發光層與該多層波導之該整平層接觸。
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