TWI678008B - 使用增強波導模態耦合而具有改良式光取出的有機發光二極體 - Google Patents
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Abstract
揭示一種具有增強的光取出之有機發光二極體(OLED)裝置。OLED裝置包括：上波導結構，上波導結構具有有機層並且支援第一波導模態；以及下波導結構，下波導結構具有光取出波導，光取出波導支援第二波導模態，第二波導模態實質上匹配於第一波導模態。下波導結構包括光取出波導，光取出波導介接於光取出基質。光取出波導包括一或更多個光重新導引特徵。上與下波導結構係配置來促進模態耦合第一波導模態至第二波導模態，同時實質上避免耦合第一波導模態至表面電漿偏極子。在第二波導模態中行進的光係藉由光取出波導的光重新導引特徵而重新導引，以離開OLED裝置。
Description
本申請案在專利法之下主張美國先行申請案序號第62/068,190號的優先權利益，其申請於2014年10月24日，其內容相關於2013年9月20日申請之專利申請案序號第14/041,359號，本文仰賴其內容並且在本文以引用之方式將其全部併入。
本揭示案係關於有機發光二極體(OLED)，且具體地係關於使用增強波導模態耦合而具有改良式光取出的OLED。
OLED是一種發光二極體，仰賴於有機材料(膜)在受到來自配置於有機材料的任一側上的電極的電流時之電致發光。因為OLED優異的發光特性，OLED作為多種顯示應用的光源是很有吸引力的，顯示應用的範圍從智慧型手機到大型的戶外顯示器。
如同其他類型的LED，OLED的持續挑戰為最佳化光取出。因此，已經提出多種OLED配置，包括在
359應用中敘述的那些，以增加光取出效率且加強OLED的其他性能參數。
但是，持續改良OLED的光取出而進一步加強其性能仍是持續不斷的需求。
本揭示案的一態樣為具有增強的光取出之OLED裝置，包括：上波導結構，上波導結構支援第一波導模態並且包括陰極、具有下表面的陽極、與有機發光半導體材料，有機發光半導體材料插設於陰極與陽極之間；下波導結構，下波導結構介接於上波導結構並且支援第二波導模態，第二波導模態實質上匹配於第一波導模態，下波導結構包括具有上表面的基板、分佈於基板的上表面之上的光取出波導、以及分佈於光取出波導與基板的上表面之上的光取出基質；其中光取出基質包括粗糙上表面，粗糙上表面介接於陽極的下表面，並且促進模態耦合上波導結構的第一波導模態至下波導結構的第二波導模態，同時實質上避免耦合第一波導模態至表面電漿偏極子；以及其中在下波導結構的光取出波導中行進為第二波導模態之光係藉由下波導結構的光重新導引特徵而重新導引，以離開基板的下表面。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中光取出波導包括離散的波導元件。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中承載於第一波導模態中的光不大於50%係耦合至表面電漿偏極子(surface plasmon polariton)。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中粗糙上表面具有週期性分量，週期性分量具有峰對谷的振幅A與週期P，其中0.5μm
P
2μm，且其中20nm
A
60nm。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中粗糙上表面具有隨機分量，隨機分量係由方均根(RMS,root-mean-square)表面粗糙σ33來定義，其中5nm
σ33 
25nm。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中光取出波導係形成自凝聚的奈米粒子塗層。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中凝聚的奈米粒子塗層包括以下至少一者：二氧化鈦金紅石、銳鈦礦、氧化鋯、氧化釔穩定的氧化鋯、氧化鋁、錫氧化物、鈰氧化物、鋅氧化物、以及上述這些與矽石的混合物。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中光取出波導包括連續的波導元件，連續的波導元件具有光重新導引特徵。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中光取出波導包括以表面粗糙與內部空隙的形式之光重新導引特徵。
本揭示案的另一態樣為具有增強的光取出之OLED裝置。OLED裝置包括：上波導結構，上波導結構具有有機層並且配置來支援第一波導模態；以及下波導結構，下波導結構具有光取出波導，光取出波導係配置來支援第二波導模態，第二波導模態實質上匹配於第一波導模態，其中光取出波導介接於光取出基質，光取出基質係配置來促進模態耦合第一波導模態至第二波導模態，同時實質上避免耦合第一波導模態至表面電漿偏極子；以及其中光取出波導包括光重新導引特徵，光重新導引特徵重新導引行進於光取出波導中的光為第二波導模態，以離開下波導結構。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中光取出波導包括離散的波導元件。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中光取出波導係形成自凝聚的奈米粒子塗層。
本揭示案的另一態樣為上述的OLED裝置，其中凝聚的奈米粒子塗層包括以下至少一者：二氧化鈦、金紅石、銳鈦礦、氧化鋯、氧化釔穩定的氧化鋯、氧化鋁、錫氧化物、鈰氧化物、鋅氧化物、以及上述這些與矽石的混合物。
本揭示案的另一態樣為一種方法，用於以增強的方式從有機發光二極體(OLED)裝置取出光。該方法包括下述步驟：導引在上波導結構的第一波導模態中之有機材料層所發射的光，上波導結構由插設於陽極與陰極之
間的有機材料層所形成；光學地耦合在第一波導模態中的光至行進於下波導結構的第二波導模態中的光，下波導結構具有下表面並且包括光取出波導，光取出波導具有變化的厚度並且介接於光取出基質，光取出基質具有第一粗糙表面，第一粗糙表面介接於上波導的陽極，其中粗糙表面係配置來增強耦合第一波導模態中的光至在光取出波導內行進於第二波導模態中的光，同時實質上避免耦合第一波導模態至表面電漿偏極子；以及重新導引行進於光取出波導中的光離開下波導結構的下表面。
本揭示案的另一態樣為上述的方法，其中在第二波導模態中行進於光取出波導中的光的重新導引係藉由從一或更多個光重新導引特徵散射而發生。
本揭示案的另一態樣為上述的方法，其中一或更多個光重新導引特徵包括光取出波導的主體內的空隙以及光取出波導的粗糙表面。
本揭示案的另一態樣為上述的方法，其中光取出波導包括離散的波導元件。
本揭示案的另一態樣為上述的方法，其中第一波導模態的光不大於50%係耦合至表面電漿偏極子，表面電漿偏極子係支撐於光取出基質的粗糙表面與陽極之間的介面處。
本揭示案的另一態樣為上述的方法，其中粗糙上表面具有週期性分量與隨機分量，其中週期性分量具有峰對谷的振幅A與週期P，其中0.5μm
P
2μm，且
20nm
A
60nm，且其中隨機分量係由方均根(RMS)表面粗糙σ33來定義，其中5nm
σ33 
25nm。
本揭示案的另一態樣為上述的方法，其中光取出波導係形成自凝聚的奈米粒子塗層，凝聚的奈米粒子塗層包括以下至少一者：二氧化鈦金紅石、銳鈦礦、氧化鋯、氧化釔穩定的氧化鋯、氧化鋁、錫氧化物、鈰氧化物、鋅氧化物、以及上述這些與矽石的混合物。
8‧‧‧OLED(OLED裝置)
10‧‧‧二極體上結構
12‧‧‧陽極
14‧‧‧陰極
15‧‧‧上波導結構
16‧‧‧有機層
18‧‧‧下表面
20‧‧‧光取出底結構
22‧‧‧基板
23‧‧‧上表面
24‧‧‧光取出波導
24A、24B‧‧‧終止點(端)
24b‧‧‧主體
24E‧‧‧光取出波導元件(WG元件)
24s‧‧‧上表面
24v‧‧‧空隙
25‧‧‧下表面
27‧‧‧下波導結構
30‧‧‧光取出基質
32‧‧‧上表面
33‧‧‧表面粗糙
33P‧‧‧週期性分量
33R‧‧‧隨機分量
35‧‧‧間隙
40‧‧‧密封層
50‧‧‧波導模態
54‧‧‧波導模態
60‧‧‧光
A‧‧‧振幅
CL24‧‧‧關聯長度
D15‧‧‧厚度
D30‧‧‧厚度
DX‧‧‧距離
LC‧‧‧耦合長度
LG‧‧‧長度
LPA‧‧‧吸收長度
LT‧‧‧長度
P‧‧‧週期
THb‧‧‧厚度
σ24‧‧‧RMS表面粗糙
σ33‧‧‧RMS表面粗糙
<24s>‧‧‧上表面的平均x位置
<32>‧‧‧平均表面
當聯合以下的圖式來閱讀時，可最佳地理解本揭示案的具體實施例的以下詳細敘述，其中類似的結構係用類似的元件符號來表示。
第1A圖根據本揭示案的一實施例，為範例性OLED裝置的層狀結構的橫剖面視圖。
第1B圖為根據第1圖的OLED裝置的中心部分的放大、橫剖面視圖，繪示範例性光取出波導與光取出基質；第2A圖類似於第1A圖，並且例示其中光取出波導包括離散的波導元件之範例實施例；第2B圖類似於第1B圖，並且繪示光取出基質內的光取出波導的波導元件；第3圖為折射係數n相對於x(μm)的繪圖，例示針對第1圖的範例性OLED裝置之範例性折射係數分佈；
第4A圖為類似於第1B圖的放大視圖，但是繪示光取出波導為藉由具有變化的厚度之凝聚的奈米粒子塗層所界定，且繪示光取出基質的上表面為包括至表面粗糙的週期性分量；第4B圖類似於第2B圖與第4A圖，且繪示光取出波導為具有離散的波導元件形成作為凝聚的奈米粒子塗層；第5A圖為光取出基質的上表面的放大示意視圖，繪示粗糙的上表面具有其週期性分量與隨機分量；第5B圖為示意圖，例示光取出基質的上表面的表面粗糙如何具有加在一起的週期性分量與隨機分量；及第6圖為針對光取出基質的範例性表面，功率頻譜密度S(f)(相對單位)相對於空間頻率f(μm-1)的繪圖。
在下面的敘述中，相關於兩個物品(例如，兩個表面、兩個層、兩個結構等)所使用的用語「介接的」與「介接於」，A與B為「介接的」或A「介接於」B係表示物品A與B為設置成彼此直接相鄰或者配置成接觸於彼此。
第1圖根據本揭示案的實施例，為範例性OLED 8的橫剖面視圖。第2圖為OLED結構的中心部分的放大、橫剖面視圖。OLED 8包括二極體上結構10與
光取出底結構20。二極體上結構10包括陽極12、陰極14、與有機發光半導體材料層(「有機層」)16，有機層16插設於陽極12與陰極14之間。陽極12、陰極14、與有機層16界定上波導結構15，上波導結構15具有由陽極12的下表面所界定的下表面18。上波導結構15具有厚度D15，厚度D15在一範例中為D15
1.0μm，而在另一範例中，0.1μm
D15
0.6μm。
在範例實施例中，上波導結構15的陽極12由透明的導電氧化物製成，例如銦錫氧化物(ITO)，透明的導電氧化物對於有機層16所發射的可見光波長的光為透明的。如同上述，陽極12的下表面18提供與光取出底結構的光取出基質的上表面之合適介面，如同下述。陰極14可包括任何導電材料，導電材料具有適當的功函數來匹配於有機層16的發光材料。例如，陰極14可包括Ag、Au、Al、SM、Tm、Yb或雙金屬材料，例如Ca：Al、Eu：Yb、或Tm：Yb。陰極14的厚度範圍可為大約70至400nm、或大約70至300nm、或大約70至200nm。
在一些情況中，當陰極14具有的厚度低於70nm時，OLED裝置8可變成雙向的，因為從有機層16發射的光可通過陰極以及通過陽極12而離開。在有額外的元件用來收取從陰極離開的光之某些狀況中，這會是有利的。因此，OLED裝置8的一些實施例可包括陰極14係具有厚度：大約10nm至大約70nm、小於大約70nm、
或者使得從OLED發射的光60超過大於1%係發射通過陰極之厚度。
光取出底結構20包括基板22以及光取出基質30，基板22具有上表面23、底或下表面25、以及形成於基板的上表面上的光取出波導24，且光取出基質30介接於光取出波導(例如，分佈於光取出波導之上)。光取出基質30具有上表面32，上表面32介接於上波導結構15的下表面18。在一範例中，基板22可包括化學強化玻璃、離子交換玻璃、未強化玻璃或無鹼玻璃。基板22、光取出基質30與光取出波導24界定了下波導結構27，下波導結構27包括一或更多種光重新導引特徵，如同下面解釋的。
在一範例中，光取出波導24具有主體24b與上表面24s。在一範例中，主體24b包括空隙24v，且上表面24s具有RMS表面粗糙σ24。在第1B圖中所最佳見到的範例中，主體24b的厚度THb改變，使得上表面24s也在x方向中改變為z方向中的位置的函數。上表面24s的平均x位置係表示為<24s>並且稱為平均上表面。在一範例中，上表面24s具有表面高度係由高度函數h24(z)所界定，高度函數h24(z)相對於基板上表面23而量測。也可在第1B圖中看到，光取出基質30具有變化的表面32，其中平均表面係表示為<32>。
光取出波導24的平均表面<24s>與上波導結構15的下表面18在x方向中分隔的距離係表示為DX，DX在一範例中小於1μm。
OLED 8可選擇性地包括密封層40，密封層40在二極體上結構10的頂部上。
第1A圖繪示從OLED結構8通過基板22所取出的光60，其中取出的光60源自主體24b內並且來自光取出波導24的表面24s，如同下面解釋的。實際上，光60透過較寬範圍的角度而離開基板22。
在一範例中，光取出波導24係配置得足夠靠近上波導結構15(亦即，距離DX為足夠小)，並且配置成具有實質上相同的模態結構，使得行進在上波導結構中的光可光學地耦合至光取出波導。此光耦合透過耦合長度LC而發生。在一範例中，光取出波導24具有實質上與上波導結構15類似的有效折射係數與尺寸，以確保上與下波導結構15與27支援實質上相同類型的模態(亦即，具有實質上相同的模態結構)。用於光取出之耦合波導的範例係揭示於美國專利第7,432,649號中，其在本文以引用之方式將其併入。
在另一範例中，下波導結構27的形態體積支援比上波導結構15明顯較多的模態。這確保下波導結構27中支援的模態將可匹配於上波導結構15中支援的模態，因為下波導結構的尺寸或厚度會由於表面粗糙而改變。一般來說，平板波導中的模態數量N大概給定為N=
(πd/λ)(n 2 2-n 1 2)1/2，其中d為平板波導的芯的厚度，且n 2與n 1分別為芯與包覆層的折射係數。因此，下波導結構27中的模態數量的增加係正比於光取出層24的厚度THb，這較佳地確保上與下波導結構15與27之間的模態匹配。在一範例中，光取出層24的厚度THb名義上為0.5微米，在另一範例中，THb 
1.5μm，且在另一範例中，THb 
3μm，而在另一範例中，THb 
5μm。在一範例中，上述的厚度THb為相關於平均表面<24s>所量測之光取出波導24的平均厚度。
第2A圖類似第1A圖，並且例示其中光取出波導24包括複數個離散的光取出波導元件(「WG元件」)24E之範例實施例。光取出基質30在此實施例中也稱為「平坦層」，因為光取出基質30分佈在離散的WG元件24E與基板的上表面23之上，並且填充WG元件之間的間隙。
每一WG元件24E具有終止點(或端)24A與24B。每一WG元件24E具有長度LT，長度LT由終止點24A與24B之間的距離來界定。在一些情況中，WG元件24E在光取出基質30中所佔據的空間總量可為大約35%至大約65%。相鄰的WG元件24E的終止點24A與24B界定長度LG(「間隙長度」)的間隙35，間隙35填充有光取出基質30的材料並且界定光取出位置，如同下面解釋的。
在DX為大約0.4μm的範例中，耦合長度LC為大約10μm或更小，且WG元件24E的長度LT為大約10μm或更大。在DX為大約0.3μm的範例中，耦合長度LC為大約5μm或更小，且WG元件24E的長度LT為大約5μm或更大。在一範例中，DX係選擇成足夠薄，使得大部分或實質上全部的WG元件24E都具有長度LT 
10μm。
為了最大的光取出效率，需要滿足條件LT>LC。也注意到，耦合長度LC為模態相關的。上波導結構15的波導模態50的較高階模態透過比較低階模導顯著較短的長度而耦合至下波導結構27。這是因為，波導模態50的較高階模態的漸逝場(evanescent field)呈指數地延伸更遠進入光取出層30並且進入光取出波導24(或波導元件24E)，相較於較低階模態來說。
此條件可在數學上表示為比率Rβ=exp(-βh．d)/exp(-β1．d)，其中βh與β1分別為波導模態50的較高階與較低階模態的傳播常數。此比率Rβ可為很大的數字。針對最高與最低階模態，比率Rβ為數個數量級。因此，若波導模態50中的最高階模態在10微米的耦合長度LC內耦合至下波導結構27中，則最低階模態會在毫米的長度內耦合，且在一些情況中為公分或更大的長度。光取出層30的表面32上的粗糙允許上波導結構15的波導模態50中的較低階模態耦合至下波導結構27的較高階模態54。
在一範例中，大部分或實質上全部的WG元件24E具有長度LT 
10μm，且在一範例中，LT 
5μm。此外，在一範例中，具有WG元件24E的下波導結構27可具有與上波導結構15的對應層實質上類似的折射係數(或有效係數)與實質上類似的尺寸，以確保上與下波導結構15與27支援實質上相同類型的模態(亦即，具有實質上相同的模態結構)。如同上述，下波導結構27也可支援比上波導結構15的模態50顯著較多數量的模態54。
在一範例中，WG元件24E為偽隨機分佈的，亦即，具有變化的長度LT與間隙間隔LG。在一範例中，偽隨機分佈為一種隨機分佈，經由製造處理來控制至足以確保WG元件24E的實質上均勻分佈係實質上集中於長度LT與間隔LG的所欲值上。
針對OLED裝置8，第3圖為作為距離x的函數之折射係數n的圖，並且例示OLED裝置的範例性折射係數分佈。在範例實施例中，藉由確保光取出基質30的折射係數n(P)小於上波導結構15的有效折射係數n eff(O)與WG元件24的有效折射係數n eff(WG)至少大約0.2，可達成增強的光取出。
在另一範例中，個別的有效係數n eff(O)與n eff(WG)相差大約0.2或更小。此外，參見第1A圖，上波導結構15的厚度D15與光取出基質30的厚度D30(參見第2B圖)相差小於大約1.5μm，或者在一些實施例中，1.0μm。如同上述，上波導結構15通常分隔於光
取出波導24有距離DX<1.5μm，或者在一些實施例中，DX<1.0μm，或者在一些實施例中，DX<0.5μm。
在一範例中，上波導結構15與下波導結構27係配置成使得在操作中，源自二極體上結構10的有機層16中的光以波導模態50(例如，5或6個波導模態，包括TE與TM模態)行進於z方向中的上波導結構中，為了便於例示，波導模態50繪示為單一波導模態。波導模態50的一部分(亦即，漸逝尾部)延伸至光取出基質30中並且至位於光取出基質30中的光取出波導24中。
如同上述，在一範例中，下波導結構27的光取出波導24(在離散的波導實施例中，包括WG元件24E)實質上在折射係數與寬度上匹配於上波導結構15，使得下波導結構的波導模態54實質上匹配於上波導結構的波導模態50。這可促進上與下波導結構15與27之間的有效率的模態耦合。因此，波導模態50中的一些光耦合至光取出底結構20的光取出波導24並且行進於其中作為波導模態54，為了便於例示，波導模態54繪示為單一波導模態。波導模態50的較高階模態的漸逝尾部延伸更遠而離開上波導結構15，並且因此更強地相互作用於下波導結構27的光取出基質30(相較於低階模態的漸逝尾部來說)，低階模態的漸逝尾部較緊密地束縛於上波導結構15的有機層16。
上與下波導結構15與27之間的模態耦合係透過前述的耦合長度LC而發生，耦合長度LC係界定為光模
態從一波導耦合至另一波導所需的傳播距離。耦合長度LC係由波導的幾何形狀、波導係數、波長以及由耦合的波導模態的有效折射係數之間的不匹配來決定，如同本領域已知的。經由模態耦合之從OLED裝置8的光60的取出較佳地發生在較短於電漿吸收的吸收長度LPA之長度尺度，亦即，LC<LPA。
行進於光取出波導24中的波導模態54相互作用於表面24s上的粗糙，並且也從主體24b內的空隙24v體積地散射。因此，一些取出的光60係源自從光取出波導24重新導引的光，其中表面24s上的粗糙與主體24b內的空隙24v構成下波導結構27的光重新導引特徵的範例。在光取出波導24包括離散的WG元件24E的情況中，光重新導引特徵另外包括WG元件24E的終止端24A與24B。因此，光重新導引特徵包括表面粗糙與空隙(或「內部粗糙」)、折射係數變化、與材料介面。光重新導引特徵也包括光取出波導24的主體的厚度THb的變化或起伏。此種起伏或變化會導致行進於其中的波導模態54的洩漏。
在一範例中，WG元件24E的表面24s的表面粗糙σ24足夠小，以促成光取出基質30具有0.5μm或更小的厚度D30，以促成上與下波導結構15與27之間的有效率的模態耦合。
在一範例中，光取出波導24(包括WG元件24E)包括凝聚的塗層，例如由二氧化鈦的奈米粒子與黏合劑及/或分散劑所形成，以界定金紅石二氧化鈦凝聚的奈米粒子塗層。其他材料包括二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、錫氧化物、鋅氧化物、鈰氧化物、以及這些材料與矽石的混合物、以及這些材料的組合。黏合劑可為表面活性劑(通常<1wt%或<0.05wt%)，且可為非離子的與非反應性的，且不應影響無機氧化物奈米粒子的電荷。黏合劑也可選擇來提供至奈米粒子溶液之良好的分散劑特性，並且可降低水性奈米粒子溶液的表面張力(在25℃時，~34達因/公分(dyne/cm))，提供具有均勻性之可浸漬塗覆的溶液。例如，選自類似於TergitolTM的表面活性劑之非離子性表面活性劑，TergitolTM為可從陶氏化學公司取得的一種非離子性表面活性劑。合適的黏合劑也包括例如類似於Pluronics P123®的表面活性劑，Pluronics P123®是一種雙官能嵌段共聚物表面活性劑，終止於伯羥基(primary hydroxyl group)，並且可從BASF公司取得。
產生WG元件24E的方法包括本領域中已知的塗覆方法，可以產生具有所欲特性的表面，其中WG元件濃度與分散劑濃度可改變，以提供WG元件的所需濃度。此種方法包括(但不限於)浸漬塗覆、旋塗、絲網印刷、噴墨塗覆、噴塗、氣相或粒子沉積、輥塗或輥對輥處理等。
形成光取出基質30的材料也可考慮黏合劑與平滑/平坦化層，並且可具有折射係數實質上類似於基板22的折射係數。例如，基板22可為玻璃，且光取出材料可提供為「玻璃上的旋塗」。光取出基質30可特徵化為較高的抗裂性(固化之後的低收縮)，可具有填充奈米級間隙之能力，並且通常可為熱穩定的。通常，光取出基質30的熱穩定在空氣中為高達大約250至400℃。超過此溫度，光基質材料的表面會氧化，且在大於550℃的溫度時會導致破裂。藉由範例的方式，光取出基質30可形成自下述一或更多者：部分聚合的聚甲基矽氧烷(例如：玻璃(Honeywell)上的T-12、512B、T-11旋塗)、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(HardSilTM AM,Gelest Chemicals)、以及聚甲基苯基倍半矽氧烷(HardSilTM AP,Gelest)。
在範例實施例中，光取出波導24由界定WG元件24E的氧化鋯塗層所形成。光取出波導24的結構形態可促成光取出，因為包括有效折射係數與其變化的一或更多個光重新導引特徵、厚度THb與其變化、表面24s的表面粗糙所界定的體積散射與表面散射。在一範例中，表面24s的RMS表面粗糙σ24具有範圍為0.5μm至5μm的關聯長度CL24。在一範例中，表面24s的RMS表面粗糙σ24小於50nm，以促成使用具有厚度D30<0.5μm(在
針對WG元件24E的情況中)或DX<0.5μm(在光取出波導24為連續的情況中)之光取出基質30。
在使用氧化鋯凝聚的奈米粒子塗層來界定光取出波導24的範例中(包括由WG元件24E所界定的光取出波導)，該塗層係如此形成：藉由薄帶鑄造法(tape casting)、槽塗或浸塗四方氧化鋯奈米粒子(3YSZ，3mol%氧化釔穩定的氧化鋯)分散劑黏合劑溶劑配方與<800℃的熱處理，以移除聚合物黏合劑與分散劑。
此配方中的四角形氧化鋯奈米粒子(3YSZ，3mol%氧化釔穩定的氧化鋯)具有大約50nm的主要粒子尺寸並且由非常小的(例如，20nm)微晶所組成。WG元件24E的厚度與表面粗糙可藉由改變分散特性與塗層參數而改變。黏合劑然後如此燒除：藉由將樣品加熱至範圍為350℃至700℃的溫度，且然後在低於800℃加熱來移除聚合物，以產生厚度
0.5μm或
2μm或
5μm或
10μm、界定光取出波導24之多孔的氧化鋯層。
因此，在一範例中，氧化鋯沉積在基板22的上表面23上，且用於形成分散的聚合物分散劑與溶劑藉由熱循環而熱移除。此熱步驟利用聚合物的移除而在結構中留下空隙，空隙界定了間隙35，間隙35填充有光取出基質30的材料或維持未填充。
氧化鋯的折射係數為大約2.2，取決於傳播光的波長。此折射係數可促成上波導結構15的波導參數良好地匹配於下波導結構27的波導參數，亦即，上波導結
構的波導模態50具有與氧化鋯光取出波導24實質上相同的波導模態54。氧化鋯凝聚的光取出波導24的主體24b具有上述的空隙24v，空隙24v可散射承載在波導模態54中的光。因為這些空隙24v的尺寸小於傳播的波長可見光的波長，光會以寬角度散射，這可促成取出的光60的有效率取出。
第4A圖與第4B圖為類似於第2A圖與第2B圖的放大視圖，且繪示光取出波導24具有連續的結構之實施例(第4A圖)，以及光取出波導24具有離散的WG元件24E之實施例(第4B圖)。
第4A圖的連續的光取出波導24與包括WG元件24E的離散的光取出波導係繪示為由凝聚的奈米粒子塗層所形成，凝聚的奈米粒子塗層界定粗糙上表面24s。第4A圖與第4B圖也繪示光取出基質30的上表面32為包括至表面粗糙33的週期性分量。上表面32的平均位置係表示為<32>。
在光取出基質30的上表面32處的表面粗糙33代表強烈地相互作用於上波導結構15所支援的波導模態50的較高階模態之擾動，以提供增強的光取出，亦即，比表面粗糙不存在時獲得更多取出的光60。表面粗糙33用來促進模態耦合上波導結構15的模態50的較低階模態至較高階模態，較高階模態較容易從上波導結構15耦合
至下波導結構27。這可促成從OLED裝置8擷取的光的有效率流動或擴散。
如同上述，在一範例中，光取出波導24的粗糙上表面24s為足夠粗糙，以導致行進在其中的波導模態54的散射，同時也允許光取出基質30具有厚度DX或D30<1μm，或甚至DX或D30<0.5μm。此外，當凝聚的奈米粒子塗層界定了光取出波導24的主體24b時，由凝聚的奈米粒子塗層所界定的前述空隙24v會導致波導模態54的前述體積散射，藉此導致來自OLED裝置8之光60的增強的光取出。
第5A圖為光取出基質30的上表面32與表面粗糙33的放大視圖。表面粗糙33具有週期性分量33P與隨機分量33R，如同第5B圖示意例示的。表面粗糙33可特徵化為表面高度函數h(z)=hP(z)的hR(z)，其中hP(z)為週期性分量，且hR(z)為隨機分量。週期性分量hP(z)由峰對谷的振幅A與週期P來界定。隨機分量可特徵化為具有隨機或分佈(例如，高斯)的hR(z)，具有方均根(RMS)表面粗糙σ33。
在一範例中，由週期性分量所界定之表面粗糙33的週期P係界定成範圍為0.5μm
P
2μm。此外，在一範例中，振幅A為上波導結構15的厚度D15的大約5%至10%，使得在一範例中，振幅A係界定成範圍為(0.05)．D15
A
(0.1)．D15。在一範例中，振幅A的範圍為20nm
A
60nm，而另一範例中，振幅A的範圍為
25nm
A
50nm。在光取出波導包括WG元件24E的範例中，週期P小於WG元件的長度LT。
若RMS表面粗糙σ33太大時，波導模態50將耦合至損失的表面電漿模態，且不會產生增強的光取出。若RMS表面粗糙σ33太小時，耦合上波導結構15的波導模態50至WG元件24E的波導模態54來增強光取出將會變得沒有效率。在一範例中，RMS表面粗糙σ33的範圍為5nm
σ33 
25nm，而在另一範例中，RMS表面粗糙的範圍為7nm
σ33 
15nm。
用以確定光取出基質30的表面32的所欲參數之另一方法為檢查上波導結構15與光取出波導24之間發生的模態耦合，其中表面32位於這兩個波導結構之間。
兩個模態i與j之間的模態耦合C i,j 可良好地近似為以下表達式：C i,j =ʃψ i ψ j δn2(h(z)/a)dz (1)其中δn2代表光取出基質30與相鄰層之間的折射係數差，且a為正規化常數。i與j模態為正交，但是表面高度h(z)的變化提供了相位匹配條件，使得導引的光可在波導模態之中耦合，包括進入高衰減的表面電漿模態。範例性OLED裝置8係配置成使得上波導結構15支援五種波導模態50，由上面的方程式(1)中的ψ來表示。波導模態50的確切數量取決於光波長、上波導結構15的層12、14與16的厚度、以及其各自的折射係數。
波導模態50的光學傳播常數β以及波函數可用本領域中已知的方法來計算(參見例如，John Wiley & Sons公司所出版的、Yeh所寫之「分層的介質中之光波(Optical Waves in Layered Media)」)。導致此耦合所需的表面頻率參數可藉由取i與j模態的傳播常數β之間的差△β來估計。差△β具有長度倒數的單位。
使用傳播常數β，表面頻率f為0.5至2μm-1的量級。這些表面頻率f因此通常為所欲的。這些表面頻率f的某些也將導致耦合至表面電漿偏極子。另一方面，使用方程式(1)的計算則顯示：導致增強的光取出值之波導模態50與54之間的模態耦合會以比耦合至表面電漿偏極子更高的比率發生。
光吸收的表面電漿偏極子僅發生在表面32為粗糙表面時。用於模態耦合至表面電漿偏極子的相位匹配條件指出：表面頻率f需要大於2μm-1，使得在範例實施例中，表面32的粗糙表面33的表面頻率f小於2μm-1。另一方面，透過模擬與實驗已經確定，小於0.5μm-1的表面頻率f也會導致耦合至表面電漿偏極子，但是偏極子為低能量，且因此不會攜帶大量的光。
第6圖為針對光取出基質30的範例性粗糙表面32，功率頻譜密度S(f)(相對單位)相對於空間頻率f(μm-1)的繪圖。該繪圖包括：基於表面的2μm掃描之曲線c1中的實際數據，以及對於曲線c2中的量測數據之一致性。該繪圖顯示低於f=2μm-1頻率的空間頻率f時之
大濃度，超過此頻率則至表面電漿偏極子的非所欲模態耦合會變得可觀。該繪圖也顯示在f=1μm-1時之空間頻率的最高濃度，這是非常希望的，其中在1μm-1與2μm-1時之空間頻率分量的數量之間大約減少一個數量級，且1μm-1與3μm-1之間大約減少三個數量級。
在一範例中，表面32具有表面粗糙，其中空間頻率f的範圍為f 
2μm-1或範圍為0.5μm-1 
f 
2μm-1，且RMS表面粗糙σ33的範圍為σ33 
40nm或前述的範圍5nm
σ33 
20nm。因此，在一範例實施例中，表面32具有表面粗糙，其中表面的大部分空間頻率滿足條件f 
2μm-1或替代地0.5μm-1 
f 
2μm-1，且在另一範例中，小於2μm-1的空間頻率的部分(例如，百分比)係大於90%。
對於本領域中熟習技藝者將是顯而易見的：可對本文所述之本揭示案的較佳實施例作出各種修改，而不偏離所附申請專利範圍所界定之本揭示案的精神或範圍。因此，本揭示案涵蓋落入所附申請專利範圍與其均等物的範圍內之修改與變化。
Claims (19)
- 一種具有增強的光取出之有機發光二極體(OLED)裝置，包括：一上波導結構，該上波導結構支援第一波導模態並且包括一陰極、具有一下表面的一陽極、與一有機發光半導體材料，該有機發光半導體材料插設於該陰極與該陽極之間；一下波導結構，該下波導結構介接於該上波導結構並且支援第二波導模態，該第二波導模態實質上匹配於該第一波導模態，該下波導結構包括具有一上表面的一基板、分佈於該基板的一上表面之上的一光取出波導、以及分佈於該光取出波導與該基板的該上表面之上的一光取出基質；其中該光取出基質包括一粗糙上表面，該粗糙上表面介接於該陽極的該下表面，並且促進模態耦合該上波導結構的該第一波導模態至該下波導結構的該第二波導模態，同時實質上避免耦合該第一波導模態至表面電漿偏極子；及其中在該下波導結構的該光取出波導中行進為第二波導模態之光係藉由該下波導結構的光重新導引特徵而重新導引，以離開該基板的該下表面，其中該粗糙上表面具有一週期性分量，該週期性分量具有一峰對谷的振幅A與一週期P，其中0.5μmP2μm，且其中20nmA60nm。
- 如請求項1所述之OLED裝置，其中該光取出波導包括離散的波導元件。
- 如請求項1或2所述之OLED裝置，其中承載於該第一波導模態中的光不大於50%係耦合至該表面電漿偏極子。
- 如請求項1所述之OLED裝置，其中該粗糙上表面具有一隨機分量，該隨機分量係由一方均根(RMS)表面粗糙σ33來定義，其中5nmσ33 25nm。
- 如請求項1所述之OLED裝置，其中該光取出波導係形成自一凝聚的奈米粒子塗層。
- 如請求項5所述之OLED裝置，其中該凝聚的奈米粒子塗層包括以下至少一者：二氧化鈦金紅石、銳鈦礦、氧化鋯、氧化釔穩定的氧化鋯、氧化鋁、錫氧化物、鈰氧化物、鋅氧化物、以及上述這些與矽石的混合物。
- 如請求項1所述之OLED裝置，其中該光取出波導包括連續的波導元件，該等連續的波導元件具有光重新導引特徵。
- 如請求項1所述之OLED裝置，其中該光取出波導包括以表面粗糙與內部空隙的該形式之光重新導引特徵。
- 一種具有增強的光取出之有機發光二極體(OLED)裝置，包括：一上波導結構，該上波導結構具有一有機層並且配置來支援第一波導模態；及一下波導結構，該下波導結構具有一光取出波導並且配置來支援第二波導模態，該第二波導模態實質上匹配於該第一波導模態，其中該光取出波導介接於一光取出基質，該光取出基質係配置來促進模態耦合該第一波導模態至該第二波導模態，同時實質上避免耦合該第一波導模態至表面電漿偏極子，其中該光取出基質包含一粗糙上表面，該粗糙上表面介接於該上波導結構的一下表面，其中該粗糙上表面具有一週期性分量，該週期性分量具有一峰對谷的振幅A與一週期P，其中0.5μmP2μm，且其中20nmA60nm；及其中該光取出波導包括光重新導引特徵，該等光重新導引特徵重新導引行進於該光取出波導中的光為該第二波導模態，以離開該下波導結構。
- 如請求項9所述之OLED裝置，其中該光取出波導包括離散的波導元件。
- 如請求項9或10所述之OLED裝置，其中該光取出波導係形成自一凝聚的奈米粒子塗層。
- 如請求項11所述之OLED裝置，其中該凝聚的奈米粒子塗層包括以下至少一者：二氧化鈦金紅石、銳鈦礦、氧化鋯、氧化釔穩定的氧化鋯、氧化鋁、錫氧化物、鈰氧化物、鋅氧化物、以及上述這些與矽石的混合物。
- 一種方法，用於以一增強的方式從一有機發光二極體(OLED)裝置取出光，該方法包括下述步驟：導引在一上波導結構的第一波導模態中、由一有機材料層所發射的光，該上波導結構由插設於一陽極與一陰極之間的該有機材料層所形成；光學地耦合在該第一波導模態中的該光至行進於一下波導結構的第二波導模態中的光，該下波導結構具有一下表面並且包括一光取出波導，該光取出波導具有一變化的厚度並且介接於一光取出基質，該光取出基質具有一第一粗糙表面，該第一粗糙表面介接於該上波導的該陽極，其中該粗糙表面係配置來增強耦合該第一波導模態中的該光至在該光取出波導內行進於該第二波導模態中的該光，同時實質上避免耦合該第一波導模態至表面電漿偏極子；及重新導引在該光取出波導中行進的該光離開該下波導結構的該下表面，其中該第一粗糙表面具有一週期性分量，該週期性分量具有一峰對谷的振幅A與一週期P，其中0.5μmP2μm，且其中20nmA60nm。
- 如請求項13所述之方法，其中在該第二波導模態中行進於該光取出波導中的該光的該重新導引係藉由從一或更多個光重新導引特徵散射而發生。
- 如請求項14所述之方法，其中該一或更多個光重新導引特徵包括該光取出波導的一主體內的空隙以及該光取出波導的一粗糙表面。
- 如請求項15所述之方法，其中該光取出波導包括離散的波導元件。
- 如請求項13至16之任一項所述之方法，其中該第一波導模態的該光不大於50%係耦合至該等表面電漿偏極子，該等表面電漿偏極子係支撐於該光取出基質的該粗糙表面與該陽極之間的一介面處。
- 如請求項13所述之方法，其中該第一粗糙表面具有一隨機分量，其中該隨機分量係由一方均根(RMS)表面粗糙σ33來定義，其中5nmσ33 25nm。
- 如請求項13所述之方法，其中該光取出波導係形成自一凝聚的奈米粒子塗層，該凝聚的奈米粒子塗層包括以下至少一者：二氧化鈦金紅石、銳鈦礦、氧化鋯、氧化釔穩定的氧化鋯、氧化鋁、錫氧化物、鈰氧化物、鋅氧化物、以及上述這些與矽石的混合物。
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