TWI634684B

TWI634684B - 高效率有機發光二極體元件

Info

Publication number: TWI634684B
Application number: TW106135751A
Authority: TW
Inventors: 周卓煇
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2018-09-01
Also published as: US10439004B2; TW201917921A; US20190115397A1

Abstract

本發明開發並提出一種高效率有機發光二極體，其基礎構成係包括：一陽極基板、一電洞傳輸層、至少一發光層、一電子傳輸層、與一陰極層。於此高效率有機發光二極體之中，電洞傳輸層、發光層與電子傳輸層的LUMO能階係形成一階梯式能階；同時，其電洞傳輸層、發光層與電子傳輸層的HOMO能階亦形成一階梯式能階。此外，此高效率有機發光二極體的電子傳輸層的電子遷移率係高於發光層的電子遷移率至少兩個數量級。值得說明的是，多組實驗數據係證實，滿足上述三個條件的有機發光二極體必定能夠展現優秀的光電效率，是為本發明所定義的高效率有機發光二極體元件。

Description

高效率有機發光二極體元件

本發明係關於發光元件之技術領域，尤指一種高效率有機發光二極體元件。

有機發光二極體(Organic Light Emitting Device, OLED)最初係由柯達公司所提出。Tang與VanSlyke利用真空蒸鍍之方式分別將電洞傳輸材料與電子傳輸材料，例如Alq3，鍍覆於ITO玻璃之上，其後再蒸鍍一層金屬電極，如此，即完成具有自發光性、高亮度、高速反應、重量輕、厚度薄、低耗電、廣視角、可撓性、以及可全彩化之有機發光二極體(OLED)之製作。

圖1顯示習知的有機發光二極體的能階結構圖。現有技術通常會在有機發光二極體的陽極與陰極之間增設例如電子傳輸層與電洞傳輸層等介層，藉此方式增加有機發光二極體的電流效率或功率效率。例如，圖1所示的有機發光二極體1’於結構上包括：一陰極11’、一電子傳輸層(Electron transport layer, ETL)13’、一發光層(Emission layer, EML)14’、一電洞傳輸層(Hole transport layer, HTL)15’、與一陽極18’。並且，根據美國專利公開號US2009/0208776 A1之揭示內容，吾人可以得知合適的電子傳輸層13’之製造材料必須具有以下物理特性：(1)最低未占分子軌域能階(Lowest Unoccupied Molecular Orbital level, LUMO level)必須淺於發光層14’之製造材料的LUMO能階，以實現來自陰極11’電子有效注入發光層14’；以及(2) 最高占據分子軌域(Highest Occupied Molecular Orbital level, HOMO level)必須深於發光層14’之製造材料的HOMO能階，以阻擋電洞自發光層14’內流失。

長期涉及有機發光二極體之設計與製造的工程師可根據美國專利公開號US2009/0208776 A1之教示而進一步地推知，合適的電洞傳輸層 15’之製造材料必須具有以下物理特性：(1)發光層14’之製造材料的最高占據分子軌域能階(HOMO level)必須深於電洞傳輸層 15’之製造材料的HOMO能階，以實現來自陽極18’的電洞有效注入發光層14’；以及(2)發光層14’之製造材料的最低未占分子軌域能階(LUMO level)必須淺於電洞傳輸層15’之製造材料的LUMO能階，以阻擋電子自發光層14’內流失。

本案發明人於是利用先前技術文件之教示與自身具有的基礎設計知識而完成了三組有機發光二極體元件之樣品。圖2A、圖2B與圖2C即分別顯示有機發光二極體元件之樣品A、樣品B與樣品C的能階結構圖。並且，樣品A、樣品B與樣品C的各層材料的基礎資訊係整理於下表(1)之中。表(1) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 樣品A </td><td> 樣品B </td><td> 樣品C </td></tr><tr><td> 陽極 18’ </td><td> ITO </td><td> ITO </td><td> ITO </td></tr><tr><td> 電洞傳輸層15’ </td><td> PEDOT:PSS </td><td> PEDOT:PSS </td><td> PEDOT:PSS </td></tr><tr><td> 發光層 14’ </td><td> Spiro-2CBP </td><td> Spiro-CBP </td><td> CBP </td></tr><tr><td> 電子傳輸層13’ </td><td> TPBi </td><td> TPBi </td><td> TPBi </td></tr><tr><td> 陰極11’ </td><td> LiF/Al </td><td> LiF/Al </td><td> LiF/Al </td></tr></TBODY></TABLE>

請繼續參閱圖3，係顯示電壓相對於亮度的資料曲線圖。由圖3的資料可以發現，樣品A的有機發光二極體1’顯示出相對最佳的發光效率。另一方面，樣品C的有機發光二極體1’顯示出相對最差的發光效率。值得注意的是，樣品B之有機發光二極體1’的發光層14’與電子傳輸層13’之LUMO能階與HOMO能階的特性係符合美國專利公開號US2009/0208776 A1之教示，同時，樣品B之有機發光二極體1’的發光層14’與電洞傳輸層15’之LUMO能階與HOMO能階的特性也符合本領域技術人員之推知。另一方面，根據圖2B的能階結構圖可以得知，雖然樣品A的發光層14’與電子傳輸層13’之LUMO能階與HOMO能階的特性符合美國專利公開號US2009/0208776 A1之教示，但樣品A的發光層14’與電洞傳輸層15’之LUMO能階與HOMO能階的特性並未符合本領域技術人員之推知。

由上述說明可以得知，即使工程師根據有關先前技術文件之教示進而設計並完成有機發光二極體之製作，所獲得的有機發光二極體不一定會展示出最佳的發光效率。因此，利用現有的基礎設計知識以及製程材料而更進一步地提升有機發光二極體之發光效率，於是成為了目前最重要的研究課題。有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成本發明之一種高效率有機發光二極體元件。

本發明之主要目的在於提供一種高效率有機發光二極體。利用現有的基礎設計知識以及製程材料，本案發明人開發並提出所述高效率有機發光二極體，其基礎構成係包括：一陽極基板、一電洞傳輸層、一第一發光層、一電子傳輸層、與一陰極層。於此高效率有機發光二極體之中，電洞傳輸層、第一發光層與電子傳輸層的LUMO能階係形成一階梯式能階；同時，其電洞傳輸層、第一發光層與電子傳輸層的HOMO能階亦形成一階梯式能階。此外，此高效率有機發光二極體的電子傳輸層的電子遷移率係高於第一發光層的電子遷移率至少兩個數量級。值得說明的是，多組實驗數據係證實，滿足上述三個條件的有機發光二極體必定能夠展現優秀的光電效率，是為本發明所定義的高效率有機發光二極體元件。

為了達成上述本發明之主要目的，本案之發明人係提供所述高效率有機發光二極體元件的一實施例，係包括：一陽極基板；一電洞傳輸層，係形成於該陽極基板之上；一第一發光層，係形成於該電洞傳輸層之上；一電子傳輸層，係形成於該第一發光層之上；及一陰極層，係形成於該電子傳輸層之上；其中，該電洞傳輸層、該第一發光層與該電子傳輸層滿足以下條件： (1)該第一發光層的LUMO能階低於該電洞傳輸層的LUMO能階，且該第一發光層的HOMO能階深於該電洞傳輸層的HOMO能階； (2)該電子傳輸層的LUMO能階低於該第一發光層的LUMO能階，且該電子傳輸層的HOMO能階深於該第一發光層的HOMO能階；以及 (3)該電子傳輸層的電子遷移率係高於該第一發光層的電子遷移率。

於前述本發明之高效率有機發光二極體元件的實施例中，係更包括：一電洞注入層，係形成於該陽極基板與該電洞傳輸層之間；以及一電子注入層，係形成於該電子傳輸層與該陰極層之間。

於前述本發明之高效率有機發光二極體元件的實施例中，係更包括：至少一客體染料，係摻雜於該第一發光層之中。

於前述本發明之高效率有機發光二極體元件的實施例中，係更包括：至少一第二發光層，係連接該第一發光層；其中，該第二發光層位於該第一發光層與該電子傳輸層之間，或位於該第一發光層與該電洞傳輸層之間。

於前述本發明之高效率有機發光二極體元件的實施例中，係更包括：一載子平衡層，係形成於該第一發光層與該第二發光層之間。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出的一種高效率有機發光二極體元件，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

第一實施例

請參閱圖4，係顯示本發明之一種高效率有機發光二極體元件之第一實施例的示意性側面剖視圖。並且，圖5係顯示本發明之高效率有機發光二極體元件的第一實施例的能階結構圖。由圖4可以得知，本發明之高效率有機發光二極體元件1的第一實施例具有最簡單的元件結構，包括：一陽極基板11、一電洞傳輸層12、一第一發光層13、一電子傳輸層14、與一陰極層15。必須特別強調的是，本發明之技術特徵在於該電洞傳輸層12、該第一發光層13與該電子傳輸層14滿足以下條件： (1)該第一發光層13的LUMO能階低於該電洞傳輸層12的LUMO能階，且該第一發光層13的HOMO能階深於該電洞傳輸層12的HOMO能階； (2)該電子傳輸層14的LUMO能階低於該第一發光層13的LUMO能階，且該電子傳輸層14的HOMO能階深於該第一發光層13的HOMO能階；以及 (3)該電子傳輸層14的電子遷移率係高於該第一發光層13的電子遷移率。

值得說明的是，根據條件(1)與條件(2)之設定，電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14的LUMO能階係形成一階梯式能階，同時電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14的HOMO能階亦形成一階梯式能階。簡單地說，不論選用哪些有機材料製成有機發光二極體元件，只要所製得的有機發光二極體元件的電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14滿足上述三個條件，則該有機發光二極體元件便能夠展現優秀的光電效率，是為本發明所定義的高效率有機發光二極體元件1。值得注意的是，本發明並不特別限定陽極基板11、電洞傳輸層12、第一發光層13、電子傳輸層14、與陰極層15的製程材料；即使如此，於此仍舉出常用的有機發光二極體元件之製程材料以供參考。一般而言，陽極基板11為一透明導電基板，例如：銦錫氧化物(Indium tin oxide, ITO)透明導電基板、銦鋅氧化物(Indium zinc oxide, IZO)透明導電基板、奈米銀線透明導基板、或氧化石墨烯/奈米銀線透明導基板。

另一方面，常見的電洞傳輸層12、電子傳輸層14、與第一發光層13的製程材料則分別整理於下表(2)、表(3)與表(4)之中。表(2) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 電洞傳輸層的製程材料 </td></tr><tr><td> 代號 (Synonym) </td><td> 名稱 </td></tr><tr><td> TAPC </td><td> 4,4′-cyclohexylidenebis [N,N-bis(4-methylphenyl)benzenamine] </td></tr><tr><td> NPB </td><td> N,N′-di(1-naphthyl)-N,N′-diphenyl- (1,1′-biphenyl)-4,4′-diamine </td></tr><tr><td> α-NPD </td><td> N,N′N,N′-bis(1-naphthyl)-N,N′N,N′- diphenyl-1,1′1,1′-biphenyl-4,4′4,4′-diamine </td></tr><tr><td> Spiro-NPB </td><td> N, N'-bis(naphthalen-1-yl)- N,N'-bis(phenyl)-9,9-spirobifluorene </td></tr></TBODY></TABLE>表(3) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 電子傳輸層的製程材料 </td></tr><tr><td> 代號 (Synonym) </td><td> 名稱 </td></tr><tr><td> TPBi </td><td> 2,2',2"-(1,3,5-benzinetriyl)- tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole) </td></tr><tr><td> B3PyPB </td><td> 1,3-bis(3,5-dipyrid-3-ylphenyl)benzene </td></tr><tr><td> TmPyPB </td><td> 1,3,5-Tri(m-pyridin-3-ylphenyl)benzene </td></tr><tr><td> TAZ </td><td> 3-(biphenyl-4-yl)-5-(4-tert-butylphenyl)- 4-phenyl-4H-1,2,4-triazole </td></tr><tr><td> BPhen </td><td> 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline </td></tr><tr><td> Alq3 </td><td> Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum </td></tr></TBODY></TABLE>表(4) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 第一發光層的製程材料 </td></tr><tr><td> 代號 (Synonym) </td><td> 名稱 </td></tr><tr><td> TCTA </td><td> Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine </td></tr><tr><td> CBP </td><td> 4,4′-bis(N-carbazolyl)-1,1′-biphenyl </td></tr><tr><td> mCBP </td><td> 3,3-di(9H-carbazol-9-yl)biphenyl </td></tr><tr><td> Spiro-CBP </td><td> 2,2,7,7-tetrakiscarbazol-9-yl- 9,9-spirobifluorene </td></tr><tr><td> Spiro-2CBP </td><td> 2,7-biscarbazo-9-yl -9,9-ditolyfluorene </td></tr><tr><td> CDBP </td><td> 4,4’-bis(9-carbazolyl)-2,2-dimethylbiphenyl </td></tr></TBODY></TABLE>

例如，擁有圖5所示之能階結構的高效率有機發光二極體元件1，其具有ITO透明導電基板(即，陽極基板11)、由TAPC製成的電洞傳輸層12、由TCTA製成的第一發光層13、由TPBi製成的第一發光層13、以及由LiF/Al複合物所製成的陰極層15。

第一驗證實驗

為了證明「若製得的有機發光二極體元件的電洞傳輸層、第一發光層與電子傳輸層滿足上述三個條件則可為本發明所定義的高效率有機發光二極體元件1」這一事實，本案發明人利用模擬軟體完成多組實驗數據。於第一驗證實驗之中，吾人係改變電子傳輸層14的電子遷移率而後觀察電子與電洞於第一發光層13之中的復合率(Recombination rate)以及複合分率(Recombination fraction)之變化。其中，複合分率也稱為復合頻率(Recombination frequency)。圖6A係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合率的資料曲線圖，且圖6B係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合分率的資料曲線圖。並且，圖6A與圖6B之中所稱的樣品1、樣品2、樣品3、與樣品4指的是不同構成的有機發光二極體，且4組樣品的基本資訊係整理於下表(5)與表(6)之中。表(5) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 陽極基板 </td><td> 電洞傳輸層 </td><td> 發光層 </td><td> 電子傳輸層 </td><td> 陰極層 </td></tr><tr><td> 樣品1 </td><td> ITO </td><td> α-NPD </td><td> TCTA </td><td> TPBi </td><td> LiF/Al </td></tr><tr><td> 樣品2 </td><td> ITO </td><td> TAPC </td><td> TCTA </td><td> TPBi </td><td> LiF/Al </td></tr><tr><td> 樣品3 </td><td> ITO </td><td> TAPC </td><td> CBP </td><td> TPBi </td><td> LiF/Al </td></tr><tr><td> 樣品4 </td><td> ITO </td><td> α-NPD </td><td> CBP </td><td> TPBi </td><td> LiF/Al </td></tr></TBODY></TABLE>表(6) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> α-NPD </td><td> TAPC </td><td> TCTA </td><td> CBP </td><td> TPBi </td></tr><tr><td> 電子遷移率 µ<sub>e</sub> (cm<sup>2</sup>/V*s) </td><td> ~6×10<sup>-6</sup></td><td> ~10<sup>-4</sup></td><td> ~3×10<sup>-6</sup></td><td> ~3×10<sup>-4</sup></td><td> ~3.3×10<sup>-5</sup></td></tr><tr><td> 電洞遷移率 µ<sub>h</sub> (cm<sup>2</sup>/V*s) </td><td> ~6×10<sup>-5</sup></td><td> ~10<sup>-2</sup></td><td> ~3×10<sup>-4</sup></td><td> ~2×10<sup>-3</sup></td><td> ~3.3×10<sup>-7</sup></td></tr></TBODY></TABLE>

根據圖6A與圖6B所呈現的實驗數據以及圖7A、圖7B、圖7C、與圖7D所示的有機發光二極體之樣品的能階結構，吾人可以發現，當有機發光二極體的電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14滿足前述條件(1)及/或條件(2)之時，第一發光層13之中的電子與電洞的複合分率(Recombination fraction)大於0.6。進一步地，當電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14同時滿足前述條件(1)與條件(2)之時，有機發光二極體的第一發光層13之中的電子與電洞的複合分率大於0.9。同時，吾人亦可發現，當電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14同時滿足前述條件(1)與條件(2)之時，在固定電洞傳輸層12與第一發光層13的電子遷移率的情況下，電子與電洞於第一發光層13之中的復合率(Recombination rate)係隨著電子傳輸層14的電子遷移率的提升而增加。值得注意的是，當電子傳輸層14的電子遷移率被提升至大於第一發光層13的電子遷移率兩個數量級以上，則電子與電洞於第一發光層13之中的復合率增加至少6倍。

第二驗證實驗

為了證明「當電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14同時滿足前述條件(1)與條件(2)之時，在固定電洞傳輸層12與第一發光層13的電子遷移率的情況下，電子與電洞於第一發光層13之中的復合率係隨著電子傳輸層14的電子遷移率的提升而增加。」這一事實，本案發明人又利用模擬軟體完成多組實驗數據。於第二驗證實驗之中，吾人係改變第一發光層13的電子遷移率而後觀察電子與電洞於第一發光層13之中的復合率以及複合分率之變化。其中，複合分率(Recombination fraction)也稱為復合頻率(Recombination frequency)。圖8A係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合率的資料曲線圖，且圖8B係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合分率的資料曲線圖。並且，圖8A與圖8B之中所稱的樣品1、樣品2、樣品3、與樣品4指的是不同構成的有機發光二極體，且4組樣品的基本資訊係整理於上表(5)與表(6)之中。

由樣品2的實驗數據可以發現，當電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14同時滿足前述條件(1)與條件(2)之時，在固定電洞傳輸層12與電子傳輸層14的電子遷移率的情況下，電子與電洞於第一發光層13之中的復合率並不會隨著第一發光層13的電子遷移率的提升而增加。相對地，由樣品3與樣品4的實驗數據可以發現，當電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14僅滿足前述條件(1)之時，在固定電洞傳輸層12與電子傳輸層14的電子遷移率的情況下，電子與電洞於第一發光層13之中的復合頻率與復合率係隨著第一發光層13的電子遷移率的提升而減少，直至第一發光層13的電子遷移率被提升至大於電子傳輸層14的電子遷移率兩個數量級以上，復合頻率與復合率才停止減少。

另一方面，圖9A係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合率的資料曲線圖，且圖9B係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合分率的資料曲線圖。根據圖9A與圖9B所呈現的實驗數據，吾人可以發現，在固定第一發光層13與電子傳輸層14的電子遷移率的情況下，電子與電洞於第一發光層13之中的復合率並不會隨著電洞傳輸層12的電子遷移率的提升而有任何變動。再者，圖10A係顯示電洞遷移率相對於電子-電洞的復合率的資料曲線圖，且圖10B係顯示電洞遷移率相對於電子-電洞的復合分率的資料曲線圖。根據圖10A與圖10B所呈現的實驗數據，吾人可以發現，在固定第一發光層13與電子傳輸層14的電子遷移率的情況下，電子與電洞於第一發光層13之中的復合率並不會隨著電洞傳輸層12的電洞遷移率的提升而有任何變動。

因此，實驗結果證實影響電子與電洞於第一發光層13之中的復合頻率與復合率的關鍵因素為電子傳輸層14與第一發光層13之間的電子遷移率比值；較佳地，電子傳輸層14與第一發光層13之間的電子遷移率比值達10 ²時，電子與電洞於第一發光層13之中會展現出優秀的復合頻率與復合率。另一方面，當有機發光二極體的電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14同時滿足前述條件(1)與條件(2)之時，其第一發光層13之中的電子與電洞的複合分率會大於0.9。

第二實施例

必須重複強調的是，本發明並不特別限定有機發光二極體之製成材料。不論選用哪些有機材料製成有機發光二極體元件，只要所製得的有機發光二極體元件的電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14滿足上述三個條件，則該有機發光二極體元件便能夠展現優秀的光電效率，是為本發明所定義的高效率有機發光二極體元件1。同時，本發明也不特別限定有機發光二極體之構成，只要所製得的有機發光二極體包括陽極基板11、電洞傳輸層12、第一發光層13、電子傳輸層14、與陰極層15等基礎構成即可。

基於上述理由，本發明同時提供高效率有機發光二極體元件1之第二實施例。圖11即顯示本發明之高效率有機發光二極體之第二實施例的示意性側面剖視圖。比較圖4與圖11可以得知，藉由將一電洞注入層(Hole injection layer, HIL)12a與一電子注入層(Electron injection layer, EIL)14a增入前述第一實施例之中，即可獲得本發明之高效率有機發光二極體元件1之第二實施例。如圖11所示，該電洞注入層12a係形成於陽極基板11與電洞傳輸層12之間，且該電子注入層14a係形成於電子傳輸層14與陰極層15之間。並且，常用的電洞注入層12a與電子注入層14a之製程材料係分別列於下表(7)與表(8)之中。表(7) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 電洞注入層的製程材料 </td></tr><tr><td> 代號 (Synonym) </td><td> 名稱 </td></tr><tr><td> TPD </td><td> N, N’-diphenyl-N,N’- bis (3-methylphenyl)-1,1’-biphenyl-4, 4’-diamine </td></tr><tr><td> 2-TNATA </td><td> 4,4′,4′′-Tris[2-naphthyl(phenyl)amino] triphenylamine </td></tr><tr><td> PEDOT:PSS </td><td> poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate </td></tr></TBODY></TABLE>表(8) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 電子注入層的製程材料 </td></tr><tr><td> 代號 (Synonym) </td><td> 名稱 </td></tr><tr><td> LiF </td><td> 氟化鋰，通常與Al一起製成複合物陰極層15 </td></tr><tr><td> Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub></td><td> 碳酸鋰 (Lithium carbonate) </td></tr><tr><td> ZnO </td><td> 氧化鋅 </td></tr><tr><td> o-MeO-DMBI </td><td> 2-(2-Methoxyphenyl-1,3-dimethyl- H-benzoimidazol-3-ium </td></tr></TBODY></TABLE>

第三實施例與第四實施例

此外，本發明同時提供高效率有機發光二極體元件1之第三實施例。圖12即顯示本發明之高效率有機發光二極體之第三實施例的示意性側面剖視圖。比較圖4與圖12可以得知，藉由將至少一客體染料13a增入前述第一實施例之中，即可獲得本發明之高效率有機發光二極體1之第二實施例。如圖12所示，該至少一客體染料13a係摻雜於第一發光層13之中。進一步地，本發明又提供高效率有機發光二極體元件1之第四實施例。圖13即顯示本發明之高效率有機發光二極體之第四實施例的示意性側面剖視圖。比較圖12與圖13可以得知，藉由將一第二發光層16增入前述第三實施例之中，即可獲得本發明之高效率有機發光二極體元件1之第四實施例。如圖13所示，所述第二發光層16係連接該第一發光層13，並位於該第一發光層13與該電子傳輸層14之間。當然，該第二發光層16的位置也可以是位於第一發光層13與電洞傳輸層12之間。值得說明的是，第二發光層16之中也可以摻雜至少一客體染料13a。

第五實施例

本發明又提供高效率有機發光二極體元件1之第五實施例。圖14即顯示本發明之高效率有機發光二極體之第五實施例的示意性側面剖視圖。比較圖13與圖14可以得知，藉由將一載子平衡層17增入前述第四實施例之中，即可獲得本發明之高效率有機發光二極體元件1之第五實施例。如圖14所示，載子平衡層17係形成於該第一發光層13與該第二發光層16之間；其中，所述載子平衡層17可以是第一發光層13與第二發光層16的一混合層。更精確地說，載子平衡層17由部份的第一發光層13與部分的第二發光層16混合而成。另一方面，載子平衡層17也可以是一電洞平衡層、一電子平衡層、或上述任兩者之組合。其中，所述電洞平衡層與電子平衡層的示範性製程材料係分別列於下表(9)與表(10)之中。表(9) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 電洞平衡層的製程材料 </td></tr><tr><td> 代號 (Synonym) </td><td> 名稱 </td></tr><tr><td> MeO-TPD </td><td> N,N,N′,N′-tetrakis(4-Methoxy- phenyl)benzidine </td></tr><tr><td> F4TCNQ </td><td> tetrafluoro- tetracyanoquinodimethane </td></tr><tr><td> (P3HT):F4TCNQ </td><td> Poly(3-hexylthiophene): F4TCNQ </td></tr><tr><td> (m-MTDATA):F4TCNQ </td><td> 4,4′,4″-Tris(N-3-methylphenyl- N-phenylamino)triphenylamine : F4TCNQ </td></tr></TBODY></TABLE>表(10) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 電子平衡層的製程材料 </td></tr><tr><td> 代號 (Synonym) </td><td> 名稱 </td></tr><tr><td> (BPhen):Cs </td><td> Bathophenanthroline:Cs </td></tr><tr><td> Cs<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>:Bphen </td><td> Cs<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>: Bathophenanthroline </td></tr><tr><td> (TPBi):Cs<sub>2</sub>CO<sub>3</sub></td><td> 2,2′,2″-(1,3,5-Benzinetriyl)- tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole) : Cs<sub>2</sub>CO<sub>3</sub></td></tr></TBODY></TABLE>

最後，本發明又提供高效率有機發光二極體元件1之第六實施例。圖15即顯示本發明之高效率有機發光二極體元件的第六實施例的能階結構圖。比較圖5與圖15可以得知，藉由將一界面層18增入前述第一實施例之中，即可獲得本發明之高效率有機發光二極體元件1之第六實施例。如圖15所示，所述界面層18係形成於該電子傳輸層14與該陰極層15之間，用以於所述高效率有機發光二極體元件1被外加電壓之時，進而達到提升該電子傳輸層14的跨壓之效果。並且，界面層18的示範性製程材料係列於下表(11)之中。表(11) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 界面層的製程材料 </td></tr><tr><td> 代號 (Synonym) </td><td> 名稱 </td></tr><tr><td> B3PyPB </td><td> 1,3-bis(3,5-dipyrid-3-ylphenyl)benzene </td></tr><tr><td> TmPyPB </td><td> 1,3,5-Tri(m-pyridin-3-ylphenyl)benzene </td></tr><tr><td> BCP </td><td> 2,9-dimethyl-4,7 diphenyl- 1,10-phenanthroline </td></tr></TBODY></TABLE>

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明所揭示的高效率有機發光二極體元件；並且，經由上述，吾人可以得知本發明係具有下列之優點：

(1)利用現有的基礎設計知識以及製程材料，本發明開發並提出一種高效率有機發光二極體元件1，其基礎構成係包括：一陽極基板11、一電洞傳輸層12、一第一發光層13、一電子傳輸層14、與一陰極層15。於此高效率有機發光二極體元件1之中，電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14的LUMO能階係形成一階梯式能階；同時，其電洞傳輸層12、第一發光層13與電子傳輸層14的HOMO能階亦形成一階梯式能階。此外，此高效率有機發光二極體元件1的電子傳輸層14的電子遷移率係高於第一發光層13的電子遷移率至少兩個數量級。值得說明的是，多組實驗數據係證實，滿足上述三個條件的有機發光二極體必定能夠展現優秀的光電效率，是為本發明所定義的高效率有機發光二極體元件。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

＜本發明＞

1‧‧‧高效率有機發光二極體元件

11‧‧‧陽極基板

12‧‧‧電洞傳輸層

13‧‧‧第一發光層

14‧‧‧電子傳輸層

15‧‧‧陰極層

12a‧‧‧電洞注入層

14a‧‧‧電子注入層

13a‧‧‧客體染料

16‧‧‧第二發光層

17‧‧‧載子平衡層

18‧‧‧界面層

＜習知＞

1’‧‧‧有機發光二極體

11’‧‧‧陰極

13’‧‧‧電子傳輸層

14’‧‧‧發光層

15’‧‧‧電洞傳輸層

18’‧‧‧陽極

圖1係顯示習知的有機發光二極體的能階結構圖；圖2A係顯示有機發光二極體元件之樣品A的能階結構圖；圖2B係顯示有機發光二極體元件之樣品B的能階結構圖；圖2C係顯示有機發光二極體元件之樣品C的能階結構圖；圖3係顯示電壓相對於亮度的資料曲線圖；圖4係顯示本發明之一種高效率有機發光二極體元件之第一實施例的示意性側面剖視圖；圖5係顯示本發明之高效率有機發光二極體元件的第一實施例的能階結構圖；圖6A係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合率的資料曲線圖；圖6B係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合分率的資料曲線圖；圖7A係顯示有機發光二極體之樣品的能階結構；圖7B係顯示有機發光二極體之樣品的能階結構；圖7C係顯示有機發光二極體之樣品的能階結構；圖7D係顯示有機發光二極體之樣品的能階結構；圖8A係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合率的資料曲線圖；圖8B係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合分率的資料曲線圖；圖9A係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合率的資料曲線圖；圖9B係顯示電子遷移率相對於電子-電洞的復合分率的資料曲線圖；圖10A係顯示電洞遷移率相對於電子-電洞的復合率的資料曲線圖；圖10B係顯示電洞遷移率相對於電子-電洞的復合分率的資料曲線圖；圖11係顯示本發明之高效率有機發光二極體之第二實施例的示意性側面剖視圖；圖12係顯示本發明之高效率有機發光二極體之第三實施例的示意性側面剖視圖；圖13係顯示本發明之高效率有機發光二極體之第四實施例的示意性側面剖視圖；圖14係顯示本發明之高效率有機發光二極體之第五實施例的示意性側面剖視圖；及圖15係顯示本發明之高效率有機發光二極體元件的第六實施例的能階結構圖。

Claims

一種高效率有機發光二極體元件，係包括：一陽極基板；一電洞傳輸層，係形成於該陽極基板之上；一第一發光層，係形成於該電洞傳輸層之上；一電子傳輸層，係形成於該第一發光層之上；及一陰極層，係形成於該電子傳輸層之上；其中，該電洞傳輸層、該第一發光層與該電子傳輸層滿足以下條件：(1)該第一發光層的最低未占分子軌域能階低於該電洞傳輸層的最低未占分子軌域能階，且該第一發光層的最高占據分子軌域能階深於該電洞傳輸層的最高占據分子軌域能階；(2)該電子傳輸層的最低未占分子軌域能階低於該第一發光層的最低未占分子軌域能階，且該電子傳輸層的最高占據分子軌域能階深於該第一發光層的最高占據分子軌域能階；以及(3)該電子傳輸層的電子遷移率係高於該第一發光層的電子遷移率；其中，當該電洞傳輸層、該第一發光層與該電子傳輸層同時滿足該條件(1)與該條件(2)之時，在固定該電洞傳輸層與該第一發光層的電子遷移率的情況下，電子與電洞於該第一發光層之中的復合率(Recombination rate)係隨著該電子傳輸層的電子遷移率的提升而增加。
如申請專利範圍第1項所述之高效率有機發光二極體元件，更包括：一電洞注入層，係形成於該陽極基板與該電洞傳輸層之間；以及一電子注入層，係形成於該電子傳輸層與該陰極層之間。
如申請專利範圍第1項所述之高效率有機發光二極體元件，更包括：至少一客體染料，係摻雜於該第一發光層之中。
如申請專利範圍第1項所述之高效率有機發光二極體元件，更包括：至少一第二發光層，係連接該第一發光層；其中，該第二發光層位於該第一發光層與該電子傳輸層之間，或位於該第一發光層與該電洞傳輸層之間。
如申請專利範圍第1項所述之高效率有機發光二極體元件，更包括：一界面層，係形成於該電子傳輸層與該陰極層之間，用以於所述高效率有機發光二極體元件被外加電壓之時，提升該電子傳輸層的跨壓。
如申請專利範圍第1項所述之高效率有機發光二極體元件，其中，該陽極基板為一透明導電基板。
如申請專利範圍第1項所述之高效率有機發光二極體元件，當該電洞傳輸層、該第一發光層與該電子傳輸層滿足該條件(1)及/或該條件(2)之時，該第一發光層之中的電子與電洞的複合分率(Recombination fraction)大於0.6。
如申請專利範圍第1項所述之高效率有機發光二極體元件，當該電洞傳輸層、該第一發光層與該電子傳輸層同時滿足該條件(1)與該條件(2)之時，該第一發光層之中的電子與電洞的複合分率(Recombination fraction)大於0.9。
如申請專利範圍第4項所述之高效率有機發光二極體元件，更包括：一載子平衡層，係形成於該第一發光層與該第二發光層之間。
如申請專利範圍第5項所述之高效率有機發光二極體元件，其中，該界面層之製程材料可為下列任一者：B3PyPB、TmPyPB或BCP。
如申請專利範圍第9項所述之高效率有機發光二極體元件，其中，該載子平衡層由一電洞平衡材料及/或一電子平衡材料所製成。
如申請專利範圍第11項所述之高效率有機發光二極體元件，其中，該電洞平衡材料可為下列任一者：MeO-TPD、F4TCNQ(P3HT)：F4TCNQ、或(m-MTDATA)：F4TCNQ；並且，該電子平衡材料可為下列任一者：(BPhen)：Cs、Cs₂CO₃：BPhen、或(TPBi)：Cs₂CO₃。
如申請專利範圍第11項所述之高效率有機發光二極體元件，其中，該電子平衡材料可為下列任一者：(BPhen)：Cs、Cs₂CO₃：BPhen、或(TPBi)：Cs₂CO₃。