TW201721923A - 使用奈米結構化塗層的有機發光二極體的光萃取 - Google Patents

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大衛尤金 貝克
禮 劉
帕梅拉阿琳 莫瑞
羅伯亞當 摩戴維斯
丹尼爾艾洛伊修斯 諾蘭
瓦濟沙 勝那拉提尼
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Abstract

在此揭露一種用於光繞射的設備及合併該光繞射設備的有機發光二極體（OLED）。一種用於光繞射的設備可包括：視情況任選的平坦化層、透明基材、波導層。該平坦化層可具有ns的折射率。該透明基材可具有ng之折射率。該波導層可具有在該透明基材上方分佈的折射率nw。該波導層可包括結合間質、至少一種奈米顆粒。該波導層可插置在該透明基材與該視情況任選的平坦化層之間。

Description

使用奈米結構化塗層的有機發光二極體的光萃取
此申請案依照專利法主張美國臨時申請案第62/222447號之優先權權益，該美國臨時申請案是在2015年9月23日提出申請，本文仰賴該美國臨時申請案之內文，且該內文全文以參考形式併入本文。
本案揭露內容大體上關於有機發光二極體（OLED）與包括OLED之顯示裝置，更具體而言，關於透過使用奈米構造化塗層的OLED萃取層的方法與裝置。
先前技術的缺陷仍存在。本發明旨在解決這樣的缺陷及/或提供優於先前技術的改善。
視情況任選，一種有機發光二極體（OLED）可包括二極體上部結構（superstructure）與光繞射下部結構（substructure）。該光繞射下部結構可提供來自該二極體上部結構的光的散射剖面。該二極體上部結構可包括陰極、陽極、與有機發光半導體材料，該有機發光半導體材料插置在該陰極與該陽極之間。該光繞射下部結構可包括具有ng 之折射率的透明基材、具有ns 之折射率的視情況任選的平坦層、具有分佈在該透明基板上方的折射率nw 的波導層。該波導層可包括結合間質（binding matrix）與至少一種奈米顆粒。該波導層可插置在該透明基材與該平坦化層之間。
另一實施例中，一種有機發光二極體（OLED）可包括二極體上部結構與光繞射下部結構。該光繞射下部結構可提供來自該二極體上部結構的散射剖面。該二極體上部結構可包括陰極、陽極、與有機發光半導體材料，該有機發光半導體材料插置在該陰極與該陽極之間。該光繞射下部結構可包括具有ng 之折射率的透明基材、具有分佈在該透明基板上方的折射率nw 的波導層。該波導層可包含結合間質，該結合間質具有對該透明基材的親合力，其中該波導層包含至少一種奈米顆粒，其中該nw 大於ng 。
進一步的實施例中，一種用於光繞射的設備可包括：具有ns 之折射率的視情況任選的平坦層、具有ng 之折射率的透明基材、具有分佈在該透明基板上方的折射率nw 的波導層。該波導層可包括結合間質與至少一種奈米顆粒。該波導層插置在該透明基材與該視情況任選的平坦化層之間。該視情況任選的平坦化層可由混雜的（hybrid）有機無機材料製成。
本案揭露內容之額外特徵與優點將會在隨後的詳細敘述中提出，且在某種程度上，對熟悉此技術之人士而言，由該敘述可易於明瞭該等額外特徵與優點，或是透過操作本文所述的實施例（包括隨後的詳細敘述、申請專利範圍、與附圖）而認識該等額外特徵與優點。
應瞭解前述概括性敘述及以下詳細敘述描述各種實施例，且是為了提供整體概念或框架，以使世人瞭解所請標的之本質及特徵。在此納入所附圖式，以提供對各種實施例的進一步之瞭解，並且該等圖式併入且構成此說明書的一部分。該等圖式說明本文所述之各種實施例，並與該敘述一起用於解釋所請標的之原理及操作。
透過參考下文的詳細說明、圖式、範例、與申請專利範圍及上述者的前後文敘述，而可更容易地了解本案揭露內容。然而，在揭露與描述本案的組成、製品、裝置、與方法之前，應了解本案揭露內容並不限於所揭露的特定組成、製品、裝置、與方法，除非另外特別指出；就此而言，當然本案揭露內容可有所變化。亦應了解，本文所用的術語是為了描述特殊態樣而已，申請人不希望這些術語造成限定。
提供本案揭露內容的下文的敘述以作為其當前已知實施例中的本案揭露內容的實現教示。為此，熟悉相關技術之人士將認知且領會可對本文所述之本案揭露內容的各種態樣製作許多變動，而仍能獲得本案揭露內容之有益的結果。亦很清楚，本案揭露內容的一些期望的優點可透過選擇本案揭露內容的特徵的其中一些特徵而不利用其餘特徵而獲得。據此，本技術領域中從業的人員將會認知到，許多對本案揭露內容的修改與調適都是可行的，且在某些情境中甚至是受到期望的，且這些都是本案揭露內容的一部分。因此，下文的敘述是提供以說明本案揭露內容的原理，而非本案揭露內容之限定。
所揭露的材料、化合物、組成、與成分可用於本案揭露方法與組成的實施例，或可與本案揭露方法與組成的實施例一併使用，或可用在準備本案揭露方法與組成的實施例，或就是本案揭露方法與組成之實施例。這些與其他材料在本文揭露，且應了解當揭露這些材料的組合、子集合、交互作用、群組等時，可不用詳盡地揭露這些化合物的每一各式各樣的個別及集合的組合與排列的特定參考物，然每一者在本文中都特別地經過考慮及描述。
現在請詳細地參閱本案較佳實施例，這些實施例的範例在附圖中說明。在各別視圖中使用特定元件符號以指相同或類似部件。
大體上，本案揭露內容關於OLED，且更具體而言，關於含有光繞射層的高折射率材料奈米結構，該光繞射層能使內部與外部的OLED光繞射。從OLED裝置萃取光是操作效能上必要的。多如約80%的所生成的光可於有機層及玻璃基材中捕捉，而在後續由金屬陰極吸收。於OLED中耦合捕捉的光可透過將層平坦化或平滑化至與萃取波導匹配的折射率而達成。一項重要的手法是，形成離散（discrete）的萃取波導，使得光從OLED層萃取至此離散的波導，隨後從這些離散的波導於他們的終結點萃取。
在本案揭露內容中，高折射率奈米顆粒與用於平坦化層的材料（例如矽酸鹽或有機矽材料）混合，隨後塗佈至玻璃基材上，在該玻璃基材處該結構形態實現光萃取，這是由於奈米顆粒的有效折射率、厚度、體積散射與表面粗糙元件所造成。表面粗糙度是由原子力顯微鏡（AFM）量測，且以RMS（方均根）呈報。AFM是用於拍攝30微米x30微米與2微米x2微米的掃描，以顯示較長與較短的長度尺度上的粗糙度。
複合材料的有效折射率可透過使用Maxwell Garnett方程式計算。或者，該有效折射率可透過neff = sqrt(f.n1 2 +(1-f)n2 2 )計算，f是基於SEM剖面與影像分析的體積分率。
產生矽酸鹽或有機矽（矽氧烷、倍半矽氧烷）結合材料與高折射率奈米顆粒的混合物可容許改變高折射率材料的體積分率，產生適合的折射率差，助於顆粒黏著及對基材的黏著。混合系統的最重要的態樣是，從孔隙移除捕捉的氣體且增加混有奈米顆粒之結構的平坦化的便利性。矽酸鹽或有機矽化合物一般是相當地溫度穩定（大於攝氏450度），具有低有機耗散（organic burn off）且由縮合反應固化，形成水作為副產物。
本案揭露內容中，一個優點是，高折射率奈米顆粒與用於平坦化層的材料（諸如矽酸鹽或有機矽材料）以奈米顆粒/間質之間各種比例混合，其中顆粒含量可從約10%改變至約50%。較低的顆粒含量會造成間質中有更多結合層，從而避免增加平坦化劑層的需求。
玻璃上之此奈米結構的折射率與幾何形狀實現從OLED上部層的絕佳光繞射。奈米結構化的波導的折射率與厚度與OLED上部層的折射率及厚度匹配良好，使得光能夠容易地從OLED層耦合到奈米結構化波導。
此奈米結構的形態非常有效率地將在該形態內受導引的光萃取到環境，因為該形態包括體積光散射（volumetric light scattering）元件與表面散射粗糙度。銦錫氧化物（ITO）沉積或後續OLED材料沉積步驟可將捕捉的氣體從孔隙移除並且減少針孔形成。
本案揭露內容提供多種混合系統，其中ZrO2 %在間質中是從約18%至約30%，且該等混合系統並非如此粗糙而他們可經平滑化而有小於0.3微米的平滑化層厚度。該平滑化層—OLED界面不會太粗糙，亦不包括高側向表面粗糙頻率而誘導橫向電（TE）模態與橫向磁（TM）模態顯著地模態耦合至表面電漿子模態，這是高度衰減的模態。但該平滑化層—OLED界面確實能使受導引之模態之間耦合而實現更有效率的光繞射。
此具平滑化層的奈米結構實現3個數量級的使用替代量測的光萃取效能因子。
第1圖是根據本案揭露內容之一個實施例的OLED 100的層疊結構的概略說明。所說明的有機發光二極體100可包括二極體上部結構110與光繞射下部結構150。光繞射下部結構150可用做光繞射的獨立設備。二極體上部結構110可包括陽極120、陰極140、與有機發光半導體材料160，該有機發光半導體材料160插置於陽極120與陰極140之間。光繞射下部結構150可包括透明基材156、光繞射層151，該光繞射層151分佈於透明基材156的波導表面158上方。光繞射層151包括波導層154與視情況任選的平坦化層152。波導層154插置於透明基材156與平坦化層152之間。該波導層154可具有對玻璃基材的親合力。透明基材156可例如為玻璃或塑膠。
視情況任選的平坦化層152可具有折射率ns 。透明基材156可具有ng 之折射率，且波導層154可具有在透明基材156上方分佈的折射率nw 。該波導層154可包括結合間質157與至少一種奈米顆粒。一些實施例中，nw 大於ng 且nw 大於ns 。一些實施例中，|ns -ng |小於或等於0.5。
一些實施例中，用於光繞射之設備可包括視情況任選的平坦化層152、透明基材156、波導層154。該平坦化層152可具有ns 之折射率。該透明基材156可具有ng 之折射率。該波導層可具有在透明基材156上方分佈的折射率nw 。該波導層154可包括結合間質157、至少一種奈米顆粒。該波導層154可插置在透明基材156與視情況任選的平坦化層152之間。結合間質157可為混雜的有機無機化合物。該混雜的有機無機化合物可包括矽酸鹽、硼酸鹽、有機矽基化合物，諸如聚合的聚甲基倍半矽氧烷。一些實施例中，平坦化層152可由實質上該混雜的有機無機化合物製成。一些實施例中，平坦化層152可進一步包括直徑從約2nm至20nm的奈米顆粒。一些實施例中，該等奈米顆粒可變成尺寸約50-250nm的聚集體。
然而，應注意，陽極120可以是透明導電氧化物（TCO）（類似銦錫氧化物（ITO）），該透明導電氧化物（TCO）對由有機發光半導體材料160發射的光而言是透明的，且提供與光繞射下部結構150之二極體上部結構接合側125的適合界面。另外，儘管陰極140可包括有匹配發光材料的適當功函數的任何導電材料。例如，陰極可包括銀（Ag）、金（Au）、鋁（Al）、釤（Sm）、銩（Tm）、鐿（Yb）、或雙金屬材料，諸如Ca:Al、Eu:Yb、或Tm:Yb。陰極的厚度範圍可為約70至400nm，約70至300nm，或約70至200nm。一些實例中，當陰極材料厚度低於約70nm，則裝置可變成雙向，因光亦能從陰極逃逸。這在某些情境下是有利的，所述情境中，使用額外的部件以獲得從陰極逃逸的光。因此，一些實施例可包括厚度從約10nm至約70nm、厚度低於約70nm的陰極，或該厚度要使得超過大於1%的從OLED發射的光透過陰極發射。
應注意，二極體上部結構的厚度可為約1.0微米或更小，或在某些實例中，0.5微米或更小。波導層的厚度可比二極體上部結構的厚度更厚。一些實施例中，平坦化層的厚度可低於約0.5微米。進而另一實施例中，平坦化層的厚度可低於約0.3微米。
波導層可具有小於約0.05微米的表面粗糙度。一些實施例中，波導層可具有低於約0.03微米的表面粗糙度。一些實施例中，波導層可具有低於約0.01微米的表面粗糙度。尚有另一實施例中，奈米顆粒可具有約0.05微米的表面粗糙度（RMS）。
對於包括波導層154與平坦化層152的光繞射層151而言，應小心確保材料選擇能實現本文所述之各種參數與特性。例如（非限制），考量該波導層154可包括結合間質或結合間質複合物。該結合間質或結合間質複合物可包括製作用於平坦化層的材料。用於平坦化層的結合間質與奈米顆粒可一起形成奈米顆粒聚集體。或者，考量奈米顆粒可包括TiO2 、ZnO、HfO2 、Ta2 O5 、Al2 O3 、或上述材料的矽酸鹽、或上述材料之組合。用於平坦化的材料所具有的折射率可實質上類似透明基材156之折射率。例如，可將用於平坦化層的材料設作旋塗玻璃（spin on glass）。用於平坦化層的材料可特徵在於相對高的抗碎裂性（固化後低縐縮），可具有填充奈米等級間隙的能力，且可大體上為熱穩定。一般而言，用於平坦化層的材料在空氣中於高至約攝氏450度時呈熱穩定性。超過此溫度，間質材料可能變得熱不穩定及/或裂解。
此為示例而非限定，用於平坦化層的材料可由下述之一或多者形成：部分聚合的聚甲基倍半矽氧烷（例如，T-12、512B、T-ll旋塗玻璃（Honeywell））、聚二甲基矽氧烷、聚二苯基矽氧烷、部分聚合的聚倍半矽氧烷、聚甲基倍半矽氧烷（HardSilTMAM，Gelest Chemicals）與聚苯基倍半矽氧烷、聚甲基苯基倍半矽氧烷（HardSilTMAP，Gelest）、旋塗玻璃鈦酸鹽（Ti-100、Ti-140、Ti-1000、Desert Silicon）及旋塗玻璃矽酸鹽、鈦酸鹽混合物（Ti-452，Desert Silicon）。
此為示例而非限定，用於平坦化層的材料可由下述之一或多者形成：部分聚合的聚甲基倍半矽氧烷（例如，T-12、512B、T-ll旋塗玻璃（Honeywell））、部分聚合的聚倍半矽氧烷、聚甲基倍半矽氧烷（HardSilTMAM，Gelest Chemicals）與聚苯基倍半矽氧烷、聚甲基苯基倍半矽氧烷（HardSilTMAP，Gelest）、旋塗玻璃鈦酸鹽（Ti-100、Ti-140、Ti-1000、Desert Silicon）及旋塗玻璃矽酸鹽、鈦酸鹽混合物（Ti-452，Desert Silicon），上述材料混有各種更高折射率的奈米顆粒分散物，諸如銳鈦礦（anatase）TiO2 （15重量%，5至30nm、Nanoamor）或ZnO2 （NanoSunguardTM，於水中，Sigma）。
生產波導元件及/或層的塗佈方法包括本領域中已知的會生產有期望特性之表面的彼等方法，其中波導元件濃度與分散劑的濃度可變化以提供最終產品中波導元件的必須濃度。此類方法包括（但不限於）浸漬塗佈、旋轉塗佈、網版印刷、噴墨塗佈、噴塗（spraying）、氣相或顆粒沉積、滾輪塗佈、或卷對卷處理等。
光繞射層（包括玻璃上的波導層）可用於透明投影顯示器應用。投影到此類塗佈玻璃片上的影像可從表面散射光至觀看者。此外，可層壓（laminate）這些塗佈的玻璃片，且這些塗佈的玻璃片維持功能性因為混合物的折射率（諸如聚集的顆粒的折射率（在兩個數量級上））顯然大於玻璃或層壓材料（諸如聚乙烯醇縮丁醛（PVB））。
厚度僅為幾個微米或更薄的塗層可造成高透射。同樣，聚集的尺寸分佈可能有關係。在光波長的數量級上（或更低數量級）的尺寸造成的廣角散射可實現良好的透射背景影像，且亦還實現良好的投影影像。分佈窄的窄角散射可能模糊該背景影像。
具有粒徑分佈尺寸的塗層是在光波長的數量級（但不明顯大於該數量級），且聚集的顆粒的數目可造成低霧化及良好的波長表現。
再次，塗層的顆粒分佈亦可造成良好的視角。當粒徑明顯大於光波長時，視角可能窄化。
可存在極微的光暈效應（這是不期望的效應），但強度很低。這可透過將小型聚集顆粒之數目減至最少而盡量減少。更小的顆粒散射非常窄角的光。這導致光被捕捉而隨後繞射。對於最佳效能而言及在透射模態中，顆粒應為：大約200nm＜R＜400nm。
一些實施例中，奈米顆粒可具有沿著他們的最長尺寸從約5nm至約1000nm的平均直徑。一些實施例中，奈米顆粒的平均直徑可聚集成例如十分之幾微米之尺寸，約五十至數百nm（50-100s nm）。奈米顆粒的尺寸可實現將被動波導中捕捉的光散射到觀看者。這可為至關重要，因為被動波導中的光可能不會耦合回到OLED上部結構中。
類似地，選擇用於玻璃基材156的特定材料亦可收集自習知及尚未開發的針對此主題的教導。然而，應注意，本案揭露內容的概念相當適合各種類型的玻璃，包括例如在高容積中製造的玻璃（這是透過使用例如融合曳引製程製造）及化學強化離子交換玻璃。
基材的波導性質與光繞射機制亦被平坦化層的折射率影響。波導層可具有至少約1.7的折射率，舉例而言，諸如約1.8至約2.1。繞射下部結構的幾何性質在下述情況中最佳：當塗層混合物厚度比OLED/TCO厚度還要厚時，以及當此塗層的折射率大於約1.7時。這是因為，這確保OLED上部結構中的捕捉模態與下部結構（塗層混合物）中的模態在光學相位上匹配（optically phase match）。
當折射率低於諸如約1.4或1.55（舉例而言）時，高折射率奈米結構化層作為獨立的波導，有機層中的捕捉光能夠穿隧到該獨立的波導。當平坦化層—折射率高，整體結構：有機層、TCO、平坦化層、與奈米結構層可皆一齊（in unison）作為一個大波導而發揮作用。在此情況，光傳開且多數模態在所有這些層中徹底傳播，同時接觸金屬陰極，使得他們可被吸收。所以，有效存在兩種不同的繞射方法。
第一，兩個獨立的波導結構（OLED層與高折射率塗層構成的繞射層）由較低折射率的平坦化層分開。在此情況，光穿隧到高折射率波導，之後光從該高折射率波導散射到環境。
第二，亦存在一個大波導區域（OLED層、高折射率塗層構成的繞射層、及高折射率平坦化劑）。在第二個情況中，光傳播通過全部三個媒介結構，直到散射出至環境為止。
以奈米結構化層的散射：
奈米結構化層的體積散射特徵可使用Mie散射理論描述，當特徵遠小於光波長時，則減少至Rayleigh散射。第2圖顯示使用Mie散射體系的來自球體的體積角相依散射。該模型顯示，隨著散射顆粒半徑增加，散射變得在角度上更前向（forward）。
可使用Beckmann體系描述此高折射率奈米結構化層的粗糙表面散射可至第一級。Beckmann與Andre Spizzichino，來自粗糙表面的電磁波散射，Artech House 1987。他的理論是經開發以描述來自100%反射的表面的漫射及鏡面散射兩者。Springer已修改這些理論，以根據界面處的折射率差異（以及RMS粗糙度與關聯長度）預測因為粗糙界面的透射與反射兩者造成的漫射性散射光的百分比。J. Springer、A. Poruba、M. Vanecek，用於薄膜矽太陽能電池的改善的三維模型，J. of Applied Physics，96，#9，2004。
根據Springer
其中fr 是反射分率，且是從Snell定律獲得，且Rs 與RD 代表漫射與鏡面部分。
且
在此，TS 、TD 、fT 分別是從Snell定律獲得的透射的漫射與鏡面部分以及透射分率。
根據此近似法，漫射性散射光對鏡面性散射光的量取決於RMS高度，而漫射光的角相依性取決於RMS高度與關聯長度兩者。
在此，Lc是關聯長度，且
且，θ1 與θ2 是輸入角與輸出角。
所以，基於這些體積與表面散射模型，可估計關鍵的物理參數。波長數量級（及更大數量級）的體積散射顆粒在角度上有更前向的散射，且隨著顆粒半徑增加而變得更是如此。當RMS高度對關聯長度的比例增加時，漫射性表面散射變得更廣角。有許多「反彈」的窄角散射或廣角散射都會造成光繞射。同時，儘管因這些相同散射機制，光可變得在角度上更深入地被捕捉，但若光可被萃取或同時更深入地被捕捉直到光被萃取或最終被吸收為止，則對此程序而言有某一定隨機度。
模型：
已建立一種模型以確定源自耦接高折射率ZrO2 層的高折射率OLED層的光的分率。此模型是基於多模態OLED與ZrO2 波導的幾何光學概觀，結合受阻礙的全內反射之物理光學現象，而提供OLED與ZrO2 波導之間的耦合效能。此外，純量（scalar）散射理論（上文所述）用在該模型中，以估計後續能耦合到玻璃基材之輻射模態的ZrO2 波導捕獲的光的量。作為範例，顯示平坦化層之折射率的重要性，下述輸入參數用在該模型中：
OLED折射率 = 1.8
ZrO2 折射率 = 1.8
ZrO2 粗糙度（RMS） = 0.05μm
平坦化層厚度 = 0.5μm
波長 = 0.55μm
背反射器的反射率 = 92%
作為平坦化層折射率之函數的光繞射的相對優點可見於第3圖中。這顯示在平坦化層使用高折射率的重要性。當平坦化折射率從約1.3變成1.8，耦合至ZrO2 的分率是從0.3至接近1。
第4a圖至第4d圖顯示兩個高折射率奈米顆粒/有機矽聚合物複合物的SEM影像：（a）ZrO2 奈米顆粒/甲基倍半矽氧烷聚合物（旋塗玻璃，例如Accuglass 512B），具約25至35%的ZrO2 %以及（b）ZrO2 奈米顆粒/苯基倍半矽氧烷聚合物（例如Gelest HardSil AP），具約18至24%的ZrO2 %。就影像而言，同樣其中較低對比（紅）區域的體積分率是透過使用影像分析軟體計算。這些膜生產約40%至45%的有機矽或矽酸鹽聚合物，其中所計算的有效折射率為，對此（a）與（b）分別是約1.82至1.85。可透過使用更高折射率的奈米顆粒（例如金紅石或銳鈦礦TiO2 ）或透過增加複合物中奈米顆粒的體積分率而增加有效折射率。
如第4a圖至第4d圖中所見，該兩個高折射率奈米結構化顆粒層在他們的粒徑、形態、及體積與表面散射特徵方面不同。不同的層的佈置會造成不同的能夠萃取顯著光量的散射機制。光萃取上部結構的影像分析量測用於量化奈米顆粒塗佈層的面積比孔隙度。奈米顆粒塗佈層的面積比孔隙度是奈米顆粒塗佈層中孔隙佔據的面積相對於整個奈米顆粒塗佈層佔據的面積的比例。
準備光萃取上部結構的剖面，且以必須的解析度獲取SEM影像，以觀看奈米顆粒塗佈層中的開放及/或填充孔隙。灰階影像經分段以隔離開放及/或填充孔隙，且量化該灰階影像，以確定在使用者界定的目標區中，相對於奈米顆粒塗佈層中的畫素總數，孔隙所佔據的影像畫素的數目，該使用者界定的目標區涵蓋影像視野內的整個奈米顆粒塗佈層。使用者界定的目標區用於將待分析的影像畫素區域隔離該影像中其餘的畫素。
第4a圖至第4d圖中的SEM影像顯示包括奈米顆粒與用於平坦化之材料的奈米顆粒塗佈層的示範性影像及來自影像分析的分段影像。在第4a圖及第4c圖中，影像中的對比是受分析的材料的原子數的函數，其中高原子數目的高折射率奈米結構化顆粒相較於較低原子數目的較低折射率平坦化材料更為明亮。第4a圖與第4c圖中，奈米顆粒塗佈層中的開放及/或平坦化劑填充的孔隙是以奈米顆粒塗佈層中暗色對比區域代表。
第4b圖與第4d圖顯示分段而隔離孔隙以供量化後的第4a圖與第4c圖中的相同影像。紅色畫素代表使用者界定的目標區內待量化的孔隙空間。影像分析程序量化代表孔隙的全部紅色畫素，且計算相對於代表整個奈米顆粒塗佈層的目標區內的畫素總數，紅色畫素所佔據的影像面積。報導面積百分比孔隙度值。
二維剖面影像中所示的奈米顆粒分佈可代表三維塗佈層中的奈米顆粒分佈且來自影像的所計算的面積百分比孔隙度是代表塗層。透過計算，波導層的多孔結構的孔隙度是從約20%至約60%。
第5圖顯示兩種類型的高折射率奈米顆粒/有機矽聚合物混合物的替代萃取效能數據，該數據是用於塗層之氧化鋯含量與有機矽聚合物的函數。
在HardSil AP（HAP）的情況中，評估混合物中約18%至30%的氧化鋯含量，且所有條件提供大於約1.8的替代萃取效能值，且一些情況中高如3。這些值取決於塗層粗糙度、孔隙度、與用於減少塗層粗糙度的平坦化劑層折射率與厚度。
在512B的情況中，評估混合物中約25%至35%的氧化鋯含量，且多數條件提供大於1.8的替代萃取效能值，且一些情況中高如2.5。如上文所提及，這些值取決於塗層粗糙度、孔隙度、與用於減少塗層粗糙度的平坦化劑層折射率與厚度。
第6圖顯示兩種類型的高折射率奈米顆粒/有機矽塗層的替代萃取效能，該替代萃取效能是平坦化劑折射率與平坦化劑厚度的函數。在其中使用較低折射率平坦化劑（例如n小於約1.7）的範例中，萃取之方法是透過下述概念：兩個獨立的波導結構，這兩個波導結構是由平坦化層分開，其中光穿隧至高折射率波導，隨後由表面或體積散射特徵散射到環境。
在其中使用較高折射率平坦化劑（例如n大於約1.7）的範例中，萃取的方法是透過一個大波導區域的概念。在第二個實例中，光傳播徹底通過整個3個媒介結構，直到光被表面或體積散射特徵散射出至環境為止。
使用ZrO2 /512B混合物，對上文所列的兩個萃取方法而言替代效能值可到達2.3x。
在態樣（1）中，本案揭露內容提供一種有機發光二極體（OLED），包括：二極體上部結構，包括陰極、陽極、與有機發光半導體材料，該有機發光半導體材料插置在該陰極與該陽極之間；以及光繞射下部結構，提供來自該二極體上部結構的光的散射剖面，其中該光繞射下部結構包括：具有ns 之折射率的視情況任選的平坦層、具有ng 之折射率的透明基材、以及具有分佈在該透明基板上方的折射率nw 的波導層，其中該波導層包括：結合間質與至少一種奈米顆粒；其中該波導層插置在該透明基材與該平坦化層之間。在態樣（2）中，本案揭露內容提供態樣（1）之OLED，其中nw 大於ng ，且nw 大於ns 。在態樣（3）中，本案揭露內容提供態樣（1）或態樣（2）的OLED，其中|ns -ng |小於或等於0.5。在態樣（4）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（3）之任一者的OLED，其中該波導層具有至少約1.7的有效折射率。在態樣（5）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（4）之任一者的OLED，其中該波導層具有從約1.8至約2.1的有效折射率。在態樣（6）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（5）之任一者的OLED，其中該等奈米顆粒具有沿著他們的最長尺寸從約5nm至約1000nm的平均直徑。在態樣（7）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（6）之任一者的OLED，其中該等奈米顆粒包含無機奈米顆粒。在態樣（8）中，本案揭露內容提供態樣（7）的OLED，其中該等無機奈米顆粒包含金屬氧化物。在態樣（9）中，本案揭露內容提供態樣（8）之OLED，其中該金屬氧化物包含ZrO2 、ZnO、TiO2 、HfO2 、Ta2 O5 、Al2 O3 、或上述材料的矽酸鹽之至少一者。在態樣（10）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（9）之任一者的OLED，其中該波導層具有小於或等於約0.05微米的表面粗糙度。在態樣（11）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（10）之任一者的OLED，其中該波導層具有小於約0.03微米的表面粗糙度。在態樣（12）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（11）之任一者的OLED，其中該平坦化層的厚度小於約0.5微米。在態樣（13）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（12）之任一者的OLED，其中該平坦化層的厚度小於約0.3微米。在態樣（14）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（13）之任一者的OLED，其中該結合間質與平坦化層包含矽酸鹽或有機矽材料的至少一者。在態樣（15）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（14）之任一者的OLED，其中該結合間質包含製作用於平坦化層的材料。在態樣（16）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（15）之任一者的OLED，其中該波導層是具有孔隙度且包含奈米顆粒的多孔結構。在態樣（17）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（16）之任一者的OLED，其中該多孔結構的孔隙度是從約20%至約60%。在態樣（18）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（17）之任一者的OLED，其中該奈米顆粒尺寸增加，更多的光以前向的方向散射。在態樣（19）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（18）之任一者的OLED，其中該波導層包括約10%至35%的奈米顆粒。在態樣（20）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（19）之任一者的OLED，其中奈米顆粒材料具有從約1.8至約2.1的有效折射率。在態樣（21）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（20）之任一者的OLED，其中該波導層的折射率實質上大約與OLED的折射率相同。在態樣（22）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（21）之任一者的OLED，其中波導層的厚度比該二極體上部結構的厚度更厚。在態樣（23）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（22）之任一者的OLED，其中結合間質與平坦化層呈熱穩定且在超過攝氏450度的溫度分解。在態樣（24）中，本案揭露內容提供態樣（1）至（23）之任一者的OLED，其中|ns -ng |小於或等於0.25。
在態樣（25）中，本案揭露內容提供一種有機發光二極體（OLED），包括：二極體上部結構，包括：陰極、陽極、與有機發光半導體材料，該有機發光半導體材料插置在該陰極與該陽極之間；以及，光繞射下部結構，提供來自該二極體上部結構的散射剖面，其中該光繞射下部結構包括：具有ng 之折射率的透明基材、具有分佈在該透明基板上方的折射率nw 的波導層，其中該波導層包含結合間質，該結合間質具有對該透明基材的親合力，其中該波導層包含至少一種奈米顆粒，其中該nw 大於ng 。在態樣（26）中，本案揭露內容提供態樣（25）之OLED，其中該波導層具有至少約1.7的有效折射率。在態樣（27）中，本案揭露內容提供態樣（25）或態樣（26）的OLED，其中該波導層具有從約1.8至約2.1的有效折射率。在態樣（28）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（27）之任一者的OLED，進一步包含平坦化層，其中該波導層插置在該玻璃基材與該平坦化層之間。在態樣（29）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（28）之任一者的OLED，其中該等奈米顆粒包含無機奈米顆粒。在態樣（30）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（29）之任一者的OLED，其中該等無機奈米顆粒包含金屬氧化物。在態樣（31）中，本案揭露內容提供態樣（30）之OLED，其中該金屬氧化物包含ZrO2 、ZnO、TiO2 、HfO2 、Ta2 O5 、Al2 O3 、或上述材料的矽酸鹽之至少一者。在態樣（32）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（31）之任一者的OLED，其中該波導層具有小於或等於約0.05微米的表面粗糙度。在態樣（33）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（32）之任一者的OLED，其中該波導層具有小於約0.01微米的表面粗糙度。在態樣（34）中，本案揭露內容提供態樣（28）的OLED，其中該平坦化層具有ns 之折射率，其中nw 大於ns 。態樣（35）中，本案揭露內容提供態樣（28）的OLED，其中該平坦化層的厚度小於約0.3微米。在態樣（36）中，本案揭露內容提供態樣（28）的OLED，其中該結合間質與平坦化層包含矽酸鹽或有機矽材料的至少一者。在態樣（37）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（36）之任一者的OLED，其中該波導是具有孔隙度特性的多孔結構。在態樣（38）中，本案揭露內容提供態樣（37）的OLED，其中該多孔結構的孔隙度是從約20%至約60%。在態樣（39）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（38）之任一者的OLED，其中該奈米顆粒尺寸增加，更多的光以前向的方向散射。在態樣（40）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（39）之任一者的OLED，其中該波導層包括約14%至35%的奈米顆粒。在態樣（41）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（40）之任一者的OLED，其中奈米顆粒材料具有從約1.8至約2.1的有效折射率。在態樣（42）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（41）之任一者的OLED，其中該波導層的折射率實質上大約與OLED的折射率相同。在態樣（43）中，本案揭露內容提供態樣（25）至（42）之任一者的OLED，其中波導層的厚度比該二極體上部結構的厚度更厚。
在態樣（44）中，本案揭露內容提供一種用於光繞射的設備，包括：具有ns 之折射率的視情況任選的平坦層、具有ng 之折射率的透明基材、具有分佈在該透明基板上方的折射率nw 的波導層，其中該波導層包括：結合間質與至少一種奈米顆粒；其中該波導層插置在該透明基材與該視情況任選的平坦化層之間。在態樣（45）中，本案揭露內容提供態樣（44）的設備，其中該波導層具有至少約1.7的有效折射率。在態樣（46）中，本案揭露內容提供態樣（44）或態樣（45）的設備，其中該波導層具有從約1.8至約2.1的有效折射率。在態樣（47）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（46）之任一者的設備，其中該等奈米顆粒包含無機奈米顆粒。在態樣（48）中，本案揭露內容提供態樣（47）的設備，其中該等無機奈米顆粒包含金屬氧化物。在態樣（49）中，本案揭露內容提供態樣（48）之設備，其中該金屬氧化物包含ZrO2 、ZnO、TiO2 、HfO2 、Ta2 O5 、Al2 O3 、或上述材料的矽酸鹽之至少一者。在態樣（50）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（49）之任一者的設備，其中該波導層具有小於或等於約0.05微米的表面粗糙度。在態樣（51）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（50）之任一者的設備，其中該波導層具有小於約0.03微米的表面粗糙度。在態樣（52）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（51）之任一者的設備，其中該視情況任選的平坦化層的厚度小於約0.5微米。在態樣（53）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（52）之任一者的設備，其中該視情況任選的平坦化層的厚度小於約0.3微米。在態樣（54）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（53）之任一者的設備，其中用於該視情況任選的平坦化層的材料包含矽酸鹽或有機矽材料的至少一者。在態樣（55）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（54）之任一者的設備，其中該光繞射波導層進一步包括連接該平坦化層的層壓層。在態樣（56）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（55）之任一者的設備，其中該波導層具有小於0.01微米的表面厚度。在態樣（57）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（56）之任一者的設備，其中該透明基材包含玻璃基材。在態樣（58）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（57）之任一者的設備，其中nw 大於ng ，且nw 大於ns 。在態樣（59）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（58）之任一者的設備，其中|ns -ng |小於或等於0.5。在態樣（60）中，本案揭露內容提供態樣（44）至（59）之任一者的設備，其中|ns -ng |小於或等於0.25。在態樣（61）中，本案揭露內容提供態樣（55）的設備，其中該層壓層包含聚乙烯醇縮丁醛。在態樣（62）中，本案揭露內容提供態樣（55）的設備，其中該層壓層可附接至透明基材。在態樣（63）中，本案揭露內容提供態樣（62）的設備，其中該透明基材包含玻璃。
本案揭露內容中，應注意本文中對各別的「下部」結構與「上部」結構的參考物並非是希望將所請的OLED與OLED裝置限制在任何特定的走向。相反地，這些用語僅是引入以提供方便的方式區別集合組件的兩個主要部分。
已詳細地且透過參考本案揭露內容之特定實施例而描述了本案揭露內容之標的，應注意本文揭露的各種細節不應被視為暗示這些細節是關於本文所述之各種實施例的基本必要部件的元件，即使是在其中伴隨本說明書之圖式各圖中說明特定元件的情況中亦同。例如，第1圖僅為根據本案揭露內容之一個實施例的OLED100的層疊結構的概略說明。在本文考量多種OLED組裝形態，從本案說明書、伴隨的圖式、及所附的申請專利範圍可便於收集該等組裝形態的結構細節。第1圖是為了說明而提出，且不希望產生「本文所說明之各種態樣的每一者是本文考量之各種實施例的必須部分」的臆測。
應將附於本文的申請專利範圍視為單獨代表本案揭露內容之廣度及本文所述之各種實施例的相對應範疇。進一步而言，很清楚地，不背離所附之申請專利範圍中界定的發明範疇的情況下，修飾例與變化例都是可行的。更具體而言，儘管在本文中將本案揭露內容之一些態樣確認為較佳或特別有利，但應考量本案揭露內容不必限於這些態樣。
應注意，下文的申請專利範圍的一或多者利用「其中」之用語作為連接詞。為了界定本案揭露內容，應注意此用語引入申請專利範圍中而作為開放式連接詞，而用於引入一系列結構特徵之記載，且應以類似更一般使用的開放式前言用語「包含/包括」的方式解釋。
亦應注意，「至少一個」部件、元件等的本文中的記載不應該用於產生「前置詞「一（a或an）」的替代使用應被限制在單一部件、元件等」的推論。
應進一步注意，本案揭露內容的部件以特定方式「裝設」、「裝設」以體現特定性質、或「裝設」成以特定方式作用之類的本文中的記載都是結構性記載，與希望的用途的記載不同。更具體而言，本文中對「裝設」部件之方式的參考是意味該部件的既存實體條件，且就此而言，該參考是為了作為該部件之結構特性的明確記載。
應注意，當本文中利用類似「較佳」、「通常」、及「一般」等用語時，這些用語並非用於限定所請發明之範疇，或暗指某些特徵對所請發明的結構或作用而言是關鍵的、基本必要的、或相當重要的。相反地，僅僅希望這些用語確認本案揭露內容之實施例的特別態樣或強調替代的或額外的特徵可（或可不）用於本案揭露內容的特別實施例中。
在本案揭露內容中，應注意本文使用「實質上」與「大略」之用語以代表本質上的不確定程度，此類不確定可能是歸因於任何量化的比較、數值、量測、或其他表現。本文亦利用「實質上」與「大略」之用語以代表不造成關注的標的之基本作用改變的情況下量化的表現可從所陳述之參考變化的程度。
雖已針對有限數目的實施例描述發明，但受惠於本案揭露內容的熟悉此技術之人士會瞭解到可設計其他的實施例且這些實施例不背離本文所揭露之發明的範疇。據此，發明的範疇應僅由所附的申請專利範圍所限制。
100‧‧‧OLED
110‧‧‧二極體上部結構
120‧‧‧陽極
125‧‧‧二極體上部結構接合側
140‧‧‧陰極
150‧‧‧光繞射下部結構
151‧‧‧光繞射層
152‧‧‧平坦化層
154‧‧‧波導層
156‧‧‧透明基材
157‧‧‧結合間質
158‧‧‧波導表面
160‧‧‧有機發光半導體材料
下文是所附圖式中該等圖的敘述。該等圖並非必然按照比例尺，且為了明確或簡潔起見，這些圖的某些特徵與某些視角可能在比例尺上或在示意上誇張顯示。
第1圖是根據本案揭露內容之一個實施例的OLED的層疊結構的概略說明。
第2圖是圖表，顯示使用Mie散射體系的來自球體的體積角相依散射。
第3圖是圖表，顯示根據一個實施例的作為平坦化層折射率之函數的光繞射。
第4a圖說明根據一個實施例的ZrO2 奈米顆粒及甲基倍半矽氧烷聚合物（作為塗層材料）的SEM影像。
第4b圖說明根據一個實施例的ZrO2 奈米顆粒及甲基倍半矽氧烷聚合物（作為塗層材料）的SEM影像，其中計算較低對比（紅）區域的體積分率。
第4c圖說明根據另一個實施例的ZrO2 奈米顆粒及倍半矽氧烷聚合物（作為塗層材料）的SEM影像。
第4d圖說明根據一個實施例的ZrO2 奈米顆粒及倍半矽氧烷聚合物（作為塗層材料）的SEM影像，其中計算較低對比（紅）區域的體積分率。
第5a圖說明針對具苯基倍半矽氧烷聚合物混合物的ZrO2 奈米顆粒的替代萃取效能（surrogate extraction efficiency）數據，該數據是用於塗層之氧化鋯含量與有機矽聚合物的函數。
第5b圖說明針對具甲基倍半矽氧烷聚合物混合物的ZrO2 奈米顆粒的替代萃取效能數據，該數據是用於塗層之氧化鋯含量與有機矽聚合物的函數。
第6a圖說明針對ZrO2 奈米顆粒及苯基倍半矽氧烷聚合物混合物（作為塗層）的替代萃取效能，該萃取效能是平坦化劑折射率與平坦化劑厚度的函數。
第6b圖說明針對ZrO2 奈米顆粒及甲基倍半矽氧烷聚合物混合物（作為塗層）的替代萃取效能，該萃取效能是平坦化劑折射率與平坦化劑厚度的函數。
當連同圖式一併參閱時，會更佳地瞭解上文的摘要以及下文的某些發明技術的詳細描述。應瞭解，申請專利範圍並非限於圖式中所示的佈置與工具手段。再者，圖式中所示的外觀是可用於達成所述之設備作用的許多裝飾性外觀的其中一種。
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100‧‧‧OLED
110‧‧‧二極體上部結構
120‧‧‧陽極
125‧‧‧二極體上部結構接合側
140‧‧‧陰極
150‧‧‧光繞射下部結構
151‧‧‧光繞射層
152‧‧‧平坦化層
154‧‧‧波導層
156‧‧‧透明基材
157‧‧‧結合間質
158‧‧‧波導表面
160‧‧‧有機發光半導體材料

Claims (20)

  1. 一種有機發光二極體（OLED），包括： 一二極體上部結構，包括：一陰極、一陽極、與一有機發光半導體材料，該有機發光半導體材料插置在該陰極與該陽極之間；以及一光繞射下部結構，提供來自該二極體上部結構的光的散射剖面；其中該光繞射下部結構包括：一視情況任選的平坦層，具有ns 之折射率；一透明基材，具有ng 之折射率；以及一波導層，具有分佈在該透明基板上方的折射率nw ；其中該波導層包括：一結合間質；以及至少一種奈米顆粒；其中該波導層插置在該透明基材與該平坦化層之間。
  2. 如請求項1所述之有機發光二極體，其中nw 大於ng 且nw 大於ns 。
  3. 如請求項1所述之有機發光二極體，其中該|ns -ng |小於或等於0.5。
  4. 如請求項1所述之有機發光二極體，其中波導層具有至少約1.7的有效折射率。
  5. 一種有機發光二極體（OLED），包括： 一二極體上部結構，包括：一陰極、一陽極、與一有機發光半導體材料，該有機發光半導體材料插置在該陰極與該陽極之間；以及一光繞射下部結構，提供來自該二極體上部結構的光的散射剖面；其中該光繞射下部結構包括具有ng 之折射率的一透明基材、具有分佈在該透明基板上方的折射率nw 的一波導層，其中該波導層包含一結合間質，該結合間質具有對該透明基材的親合力，其中該波導層包含至少一種奈米顆粒，其中該nw 大於ng 。
  6. 一種用於光繞射的設備，包括： 一視情況任選的平坦層，具有ns 之折射率；一透明基材，具有ng 之折射率；以及一波導層，具有分佈在該透明基板上方的折射率nw ；其中該波導層包括：一結合間質；以及至少一種奈米顆粒；其中該波導層插置在該透明基材與該視情況任選的平坦化層之間。
  7. 如請求項6所述之設備，其中該波導層具有至少約1.7的有效折射率
  8. 如請求項6所述之設備，該波導層具有從約1.8至約2.1的有效折射率。
  9. 如請求項6所述之設備，其中該等奈米顆粒包含無機奈米顆粒。
  10. 如請求項6所述之設備，其中該等無機奈米顆粒包含金屬氧化物。
  11. 如請求項6所述之設備，其中該金屬氧化物包含ZrO2 、ZnO、TiO2 、HfO2 、Ta2 O5 、Al2 O3 、或上述材料的矽酸鹽之至少一者。
  12. 如請求項6所述之設備，其中該波導層具有小於約0.03微米的表面粗糙度。
  13. 如請求項6所述之設備，其中該視情況任選的平坦化層的厚度小於約0.3微米。
  14. 如請求項6所述之設備，其中用於該視情況任選的平坦化層的材料包含矽酸鹽或有機矽材料的至少一者。
  15. 如請求項6所述之設備，其中該光繞射波導層進一步包括連接該平坦化層的一層壓（laminate）層。
  16. 如請求項6所述之設備，其中該波導層具有小於0.01微米的表面厚度。
  17. 如請求項6所述之設備，其中該透明基材包含玻璃基材。
  18. 如請求項6所述之設備，其中nw 大於ng ，且nw 大於ns 。
  19. 如請求項6所述之設備，其中|ns -ng |小於或等於0.5。
  20. 如請求項6所述之設備，其中|ns -ng |小於或等於0.25。
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