TWI815902B - 光提取設備和oled顯示器 - Google Patents

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Abstract

一種用於有機發光二極體（OLED）的光提取設備包括OLED發射器、複數個錐形反射器及間隔層。各錐形反射器包含第一表面、相對於該第一表面的第二表面及至少一側表面，該第二表面包含之表面面積比該第一表面之表面面積更大，該至少一側表面在第一表面與第二表面之間延伸。間隔層包括耦合至OLED發射器的第一表面及耦合至複數個錐形反射器之各者的第一表面的第二表面。自OLED發射的光通過間隔層並進入複數個錐形反射器中。複數個錐形反射器之各者的至少一側表面包含斜坡以將光重導向至逃逸錐中並從相應錐形反射器的第二表面離開。

Description

光提取設備和OLED顯示器
本案主張申請於2018年6月6日之俄羅斯專利申請案第PCT/RU2018/000370號的優先權益，該案之內容為本案所依據並在此藉引用方式整體併入本文。
本揭示案大致關於有機發光二極體（OLED）顯示器。更特定地，其有關OLED顯示器及用於從OLED顯示器之光提取設備和方法。
OLED典型地包括基板、第一電極、一或更多OLED發光層及第二電極。OLED可能是頂部發射的或底部發射的。頂部發射的OLED可包括基板、第一電極、具有一或更多OLED層的OLED結構，以及第二透明電極。OLED結構的一或更多OLED層可包括發射層且也能包括電子及電洞注入層和電子及電洞傳輸層。
只要當OLED結構所發射的光從具有較高折射係數的層通過到具有較低係數的層之時，例如從典型具有1.7～1.8之範圍中的折射係數的OLED結構到典型具有趨近於1.5之係數的玻璃基板，或是從玻璃基板到所具係數為1.0的空氣，該OLED結構所發射的光就被全內反射（TIR）所困。
為形成顯示器，可在一顯示基板上排列OLED並藉一封裝層覆蓋OLED。然而，即使封裝層與OLED之間的空間經填充有固體材質，從OLED發出的光仍將再次受到來自封裝層之上表面的TIR。如此進一步減少了在OLED顯示器中可使用的OLED所生成的光的量。
本揭示案的一些實施例有關一種用於有機發光二極體（OLED）的光提取設備。光提取設備包括OLED發射器、複數個錐形反射器及間隔層。各錐形反射器包括第一表面、第二表面及至少一個側表面，該第二表面相對於該第一表面且包含的表面面積大於第一表面的表面面積，該至少一個側表面在第一表面與第二表面之間延伸。間隔層包括耦合至OLED發射器的第一表面與耦合至複數個錐形反射器之各者的第一表面的第二表面。發射自OLED的光通過間隔層並進入複數個錐形反射器中。複數個錐形反射器之各者的至少一個側表面包括斜坡以藉由反射將光重導向至逃逸錐中並從相應錐形反射器的第二表面離開。
本揭示案的進一步其他實施例有關一種底部發射的OLED顯示器。顯示器包括間隔層、錐形反射器陣列及基板。間隔層耦合至OLED陣列。OLED陣列的各OLED具有底表面，光通過底表面發射至間隔層中。錐形反射器陣列的至少兩個錐形反射器重疊OLED陣列的各OLED。錐形反射器陣列的各錐形反射器包括第一表面、第二表面及至少一側表面，該第二表面相對於該第一表面且包含比第一表面之表面面積更大的表面面積，該至少一側表面在第一表面與第二表面之間延伸。錐形反射器陣列之各錐形反射器的第一表面經耦合至間隔層並面對OLED陣列。基板經耦合至錐形反射器陣列之各錐形反射器的第二表面。
本揭示案還有其他實施例有關一種頂部發射的OLED顯示器。該顯示器包括基板、間隔層、錐形反射器陣列及封裝層。基板支撐OLED陣列。OLED陣列的各OLED具有頂表面，光透過頂表面經發射。間隔層經耦合至OLED陣列之各OLED的頂表面。錐形反射器陣列的至少兩個錐形反射器重疊OLED陣列的各OLED。該錐形反射器陣列的各錐形反射器包括第一表面、第二表面及至少一側表面，該第二表面相對於該第一表面且包含的表面面積大於第一表面之表面面積，該至少一側表面在第一表面與第二表面之間延伸。錐形反射器陣列之各錐形反射器的第一表面耦合至間隔層且面對OLED陣列。封裝層經耦合至錐形反射器陣列之各錐形反射器的第二表面。
包括本文所揭露之光提取設備的OLED顯示器顯著地改善了來自顯示器的光的外耦合（out-coupling）並增加顯示器的效率及尖峰亮度。相較於沒有包括該光提取設備的顯示器，OLED顯示器的外部效率可增加100%的因數。由於增加的外部效率，可藉較少電流驅動顯示器的像素以得相同的亮度，如此增加顯示器的可用壽命並減少「燒入(burn-in)」效應。替代地（或額外地），顯示器的像素可產生較高尖峰亮度，此致能高動態範圍（HDR）。此等能力得以達成，同時顯示器之整體厚度增加幾十微米。光提取設備是色彩中性的，而因此對於紅色、綠色及藍色像素相等地有益。此外，該光提取設備不會導入可能減少清晰度和對比度的光學散射（亦即霧）。進一步，光提取設備不會擾亂光的偏振狀態，因此相容於圓形偏光器之利用來減少環境光反射。
在以下的詳細說明中將闡述額外的特徵及優點，而一部分特徵及優點將是本領域之技藝人士從該說明中顯而易見或是藉由實現本文（包括以下詳細說明、申請專利範圍、還有隨附圖式）所述實施例可理解。
將理解前述的概略說明與以下的詳細說明僅為例示，且本意為提供概觀或架構以了解申請專利範圍的性質及特色。隨附圖式經包括以提供進一步了解，且經併入而構成本說明書之一部分。圖式描繪了一或更多實施例，且連同說明書負責解釋各不同實施例的原理及操作。
現將詳細參照本揭示案之實施例，該些實施例的範例經描繪在隨附圖式中。在可行的時候，相同的參考元件符號將在整份圖式中參照相同或類似的部件。然而，本揭示案可經實施成許多不同形式而不應被解讀為受限於本文闡述之該些實施例。
本文中範圍能經表達成從「大約」一特定值，及/或到「大約」另一特定值。當表達了此種範圍時，另一實施例包括從該特定值及/或到該另一特定值。類似地，當數值被表達成趨近值時，藉由使用先行詞「大約」，將可理解到該特定值形成另一實施例。將進一步理解到各個範圍的端點在相關於另一端點上，以及在獨立於該另一端點上都是顯著的。
本文中所使用方向性用語—例如上、下、右、左、前、後、頂部、底部、垂直、水平—僅是參照所繪圖式所做，而不意圖隱含絕對方位。
除非明確相反表明，絕非意圖讓本文中闡述方法被解讀成要求其步驟以特定順序進行，也非必須藉由任何設備、特定方位來進行。因此，當一方法請求項沒有真正地載明其步驟所遵循之順序時，或者當任何設備請求項沒有真正地載明個別組件之順序或方位時，或者當在申請專利範圍或說明書中沒有相反地特定敘明該些步驟限制於一特定順序時，或者沒有載明對一設備之組件的特定排序或方位時，在任何態樣中都絕非意圖經推斷出一順序或方位。此對於任何用於解讀的可能非明確基礎皆成立，包括：針對於步驟之安排、操作流程、組件的順序或組件的方位的邏輯問題；從文法結構或標點所導出的普通語意；以及在說明書中所述實施例的數目或類型。
如本文中所使用，除非相反地敘明，單數形式「一」、「一個」及「該」包括複數參照。因此，例如，對「一」組件的參照包括具有兩個或更多個此組件的態樣，除非前後文清楚地有相反表示。
為了參照之用及易於論述，圖式中使用了笛卡爾座標，但本意非為限制方位或方向。
相關於OLED的用語「光提取」指的是用於增加從OLED發射之光量的設備和方法，該些設備和方法利用沒有存在於實際OLED分層結構之內的特徵。
OLED的折射係數nO 是一有效折射係數，其包括構成該OLED結構之各不同層的貢獻，且在一例中該折射係數在從大約1.6到1.85的範圍中，同時在另一例中是從大約1.7到1.8的範圍中，而在另一例中是從大約1.76到1.78。
現參看第1A圖，一例示性底部發射的OLED結構100經示意地描繪。底部發射的OLED結構100包括透明基板102（例如玻璃、塑膠，等等）、透明陽極104（例如ITO）及陰極116。在某些例示性實施例中，陰極116可由高度反射性金屬製成，像是銀或鋁。在陽極104與陰極116之間，底部發射的OLED結構100可包括電洞注入層（HIL）106、電洞傳輸層（HTL）108、發射層（EML）110、電子傳輸層（ETL）112及電子注入層（EIL）114。底部發射的OLED結構100通過陽極104的底表面並通過基板102發光。
第1B圖示意地描繪例示性頂部發射的OLED結構120。頂部發射的OLED結構120包括基板122（例如玻璃、塑膠，等等）、陽極124及透明陰極136（例如像是Al或Ag之超薄金屬，或像是Mg:Ag或Ba:Ag之合金）。在某些例示性實施例中，頂部發射的OLED結構120也可在陰極136之上包括覆蓋層（例如WO3 ）。在陽極124與陰極136之間，頂部發射的OLED結構120可包括HTL 126、電子阻擋層（HBL）128、EML 130、電洞阻擋層（HBL）132及ETL 134。頂部發射的OLED結構120通過陰極136的頂表面發光。
第2A圖描繪例示性底部發射的OLED顯示器200之一區段的截面圖。OLED顯示器200包括底部發射的OLED 100、間隔層202、錐形反射器210的陣列208和基板218。複數個（亦即，至少兩個）錐形反射器210重疊OLED 100。在某些例示性實施例中，至少兩列（row）和至少兩行（column）的錐形反射器210（亦即，4個錐形反射器）重疊OLED 100。其他實施例中，至少三列乘以五行的錐形反射器210（亦即，15個錐形反射器）重疊OLED 100。又有其他實施例中，至少十列乘以至少三十行的錐形反射器210（亦即，300個錐形反射器）重疊OLED 100。
各錐形反射器210包括第一表面212和相對於第一表面212的第二表面214。第二表面214比第一表面212更大（亦即，具有較大表面面積）。各錐形反射器210也包括在第一表面212與第二表面214之間延伸的至少一個側表面216。在某些例示性實施例中，錐形反射器陣列208的各錐形反射器210具有截頭角錐形的形式，該截頭角錐形有梯形截面，如以下將更詳細說明。錐形反射器210可於各錐形反射器之第二表面214處互相耦合，如第2A圖中所示，使得各錐形反射器的至少一個側表面216不會完全地延伸至第二表面214。
間隔層202包括第一表面204及第二表面206，該第一表面光學耦合至OLED 100的底部，該第二表面光學耦合至各錐形反射器210的第一表面212。在某些例示性實施例中，間隔層202具有的厚度在各錐形反射器210之第一表面212的長度的大約10%與100%之間。間隔層202的折射係數可大於或等於錐形反射器210之陣列208的折射係數。
基板218經光學耦合至各錐形反射器210的第二表面214。基板218可由玻璃、塑膠或另外適當的透明材質製成。錐形反射器210之陣列208的折射係數可大於或等於基板218的折射係數。從OLED 100發射的光穿過間隔層202並進入錐形反射器210中。各錐形反射器210的至少一個側表面216包括斜坡以藉由反射進入逃逸錐中並從相應錐形反射器210之第二表面214離開來將光重導向。光接著穿過基板218進入外部環境222中。
第2A圖中顯示三個光線224a、224b及224c。光線224a從OLED 100的底部通過間隔層202並通過錐形反射器210直接傳播到該錐形反射器的第二表面214，在該處光傳播至基板218中並穿過基板218到外部環境222。光線224b從OLED 100的底部通過間隔層202並通過錐形反射器210直接傳播到該錐形反射器的側表面216，在該處光經反射並重導至該錐形反射器的第二表面214。光線224b接著傳播到基板218中並通過該基板到外部環境222。光線224c從OLED 100的底部傳播到間隔層202中並直接到錐形反射器210之間之間隔層之第二表面206的一部分，在該處光經該間隔層內的TIR反射。光接著再次被OLED 100於間隔層202的第一表面204處反射。光線224c接著再次穿過間隔層202，且此次通過錐形反射器210直接地到該錐形反射器的側表面216，在該處光經反射且重導向至該錐形反射器的第二表面214。光線224c接著傳播至基板218中且穿過該基板至外部環境222。以下將參照第4圖論述有關OLED顯示器200內之光傳播的額外細節。
第2B圖描繪例示性頂部發射的OLED顯示器250之一區段的截面圖。OLED顯示器250包括頂部發射的OLED 120、金屬接點252、基板218、間隔層202、錐形反射器210的陣列208及封裝層254。複數個（亦即，至少兩個）錐形反射器210重疊OLED 120。在某些例示性實施例中，至少兩列和至少兩行的錐形反射器210（亦即，4個錐形反射器）重疊OLED 120。其他實施例中，至少三列乘以五行的錐形反射器210（亦即，15個錐形反射器）重疊OLED 120。又有其他實施例中，至少十列乘以至少三十行的錐形反射器210（亦即，300個錐形反射器）重疊OLED 120。
各錐形反射器210包括第一表面212和相對於第一表面212的第二表面214。第二表面214比第一表面212更大（亦即，具有較大表面面積）。各錐形反射器210也包括在第一表面212與第二表面214之間延伸的至少一個側表面216。在某些例示性實施例中，錐形反射器陣列208的各錐形反射器210具有截頭角錐形的形式，該截頭角錐形有一梯形截面，如以下將更詳細說明。錐形反射器210可於各錐形反射器之第二表面214處互相耦合，如第2B圖中所示，使得各錐形反射器的至少一個側表面216不會完全地延伸至第二表面214。
間隔層202包括第一表面204及第二表面206，該第一表面光學耦合至OLED 120的頂部，該第二表面光學耦合至各錐形反射器210的第一表面212。在某些例示性實施例中，間隔層202具有的厚度在各錐形反射器210之第一表面212的長度的大約10%與100%之間。間隔層202的折射係數可大於或等於錐形反射器210之陣列208的折射係數。
基板218（例如玻璃、塑膠，等等）經由金屬接點252耦合至OLED 120。封裝層254經光學耦合至各錐形反射器210的第二表面214。封裝層254可由玻璃、塑膠或另外適當的透明材質製成。錐形反射器210之陣列208的折射係數可大於或等於封裝層254的折射係數。從OLED 120發射的光穿過間隔層202並進入錐形反射器210中。各錐形反射器210的至少一個側表面216 包括斜坡以藉由反射進入逃逸錐中並從相應錐形反射器210之第二表面214離開來將光重導向。光接著穿過封裝層254進入外部環境222中。
第2B圖中顯示三個光線264a、264b及264c。光線264a從OLED 120的頂部通過間隔層202並通過錐形反射器210直接傳播到該錐形反射器的第二表面214，在該處光傳播至封裝層254中並穿過封裝層254到外部環境222。光線264b從OLED 120的頂部通過間隔層202並通過錐形反射器210直接傳播到該錐形反射器的側表面216，在該處光經反射並重導至該錐形反射器的第二表面214。光線264b接著傳播到封裝層254中並通過該封裝層到外部環境222。光線264c從OLED 120的頂部傳播到間隔層202中並直接到錐形反射器210之間之間隔層之第二表面206的一部分，在該處光經該間隔層內的TIR反射。光接著再次被OLED 120於間隔層202的第一表面204處反射。光線264c接著再次穿過間隔層202，且此次通過錐形反射器210直接地到該錐形反射器的側表面216，在該處光經反射且重導向至該錐形反射器的第二表面214。光線264c接著傳播至封裝層254中且穿過該封裝層至外部環境222。以下將參照第4圖論述有關OLED顯示器250內之光傳播的額外細節。
第3A圖是例示性OLED顯示器300的俯視圖，該OLED顯示器採用本文中揭露的光提取設備和方法。第3B圖是OLED顯示器300之一區段的特寫俯視圖，同時第4圖是OLED顯示器300之一區段的特寫x-z截面圖。在一實施例中，OLED顯示器300是底部發射的OLED顯示器且包括第2A圖中描繪的OLED顯示器結構。另一實施例中，OLED顯示器300是頂部發射的OLED顯示器且包括第2B圖中描繪的OLED顯示器結構。
參照第3A圖、第3B圖和第4圖，OLED顯示器300包括OLED 304的陣列302、間隔層202、錐形反射器210的陣列208及透明層306。OLED 304的陣列302存在於間隔層202之第一表面204上。在一實施例中，各OLED 304是底部發射的OLED，像是先前參照第1A圖所說明和例示的OLED 100。另一實施例中，各OLED 304為頂部發射的OLED，像是先前參照第1B圖所說明和例示的OLED 120。在各OLED 304為底部發射之OLED的情況中，透明層306是一基板，像是先前參照第2A圖所說明和例示的基板218。注意對於各OLED 304為底部發射之OLED的情況，第4圖之OLED顯示器300的z軸方位可經反向以匹配第2A圖之OLED顯示器200的z軸方位。在各OLED 304為頂部發射的OLED的情況中，透明層306是一封裝層，像是先前參照第2B圖所說明和例示的封裝層254。注意對於各OLED 304為頂部發射之OLED的情況，為了簡化已從第4圖之OLED顯示器300排除了第2B圖之OLED顯示器250的金屬接點252和基板218。
如第3B圖中顯示，OLED 304具有在x方向中的長度Lx及在y方向中的長度Ly。在一實施例中，Lx等於Ly。OLED陣列302中的OLED 304在x方向中及在y方向中藉由並排（side-to-side）間隔Sx及Sy彼此間隔開。在一實施例中，Sx等於Sy。在一實施例中，OLED 304全部為相同大小且相等地間隔開。其他實施例中，OLED 304並非全部具有相同尺寸Lx、Ly且間隔Sx、Sy並非全部相同。OLED 304可各自發射相同顏色的光或不同顏色的光，像是紅色、綠色、藍色及/或白色。儘管OLED 304經描繪成具有矩形的排列方式，但在其他實施例中，OLED 304可具有非矩形的排列方式（例如菱形）。
錐形反射器210之陣列208光學耦合至OLED 304而具有至少兩個錐形反射器210重疊並光學耦合至各OLED 304。第5圖是範例錐形反射器210的立面分解圖。各錐形反射器210包括主體215、第一表面212、至少一個側表面216及第二表面214。第一表面212包括至少一個外邊緣212E，而第二表面214包括至少一個外邊緣214E。錐形反射器主體215由具有折射係數nP 之材質製成。
錐形反射器210之第二表面214比第一表面212更大（亦即，具有較大表面面積），亦即，第二表面是錐形反射器的「基部」。在某些例示性實施例中，錐形反射器210的第二表面214在面積上至少是錐形反射器210之第一表面212的1.5倍。在一實施例中，第一表面212及第二表面214為矩形（例如正方形）使得總共有四個側表面216。在錐形反射器210為旋轉對稱的例子中，其能被稱為具有一個側表面216。側表面216能各為單一平坦表面或由多個分段平坦表面構成，或為一連續彎曲表面。
因此，在一例中，錐形反射器210具有包含一梯形截面之截頭角錐形的形式，也稱為不完整或截頭的基於矩形之角錐形。也可有效地採用其他錐形反射器210之形狀，如以下論述。錐形反射器210具有在z方向中行進的一中心軸AC。在其中第二（頂）表面214與第一（底）表面212具有正方形狀的例子中，第二表面214具有一寬度尺寸WT而第一表面212具有一寬度尺寸WB。更概略地，第二表面214具有(x, y)寬度尺寸WTx及WTy而第一表面212具有(x, y)寬度尺寸WBx及WBy。錐形反射器210也具有高度HP，其經定義為第一表面212與第二表面214之間的軸向距離。
在某些例示性實施例中，錐形反射器210經形成為單一材質製成的單式、單片的結構。此之完成能利用模造製程、壓印製程（例如紫外或熱壓印）、或類似製程，像是利用基於樹脂之材質的微複製製程。
如第4圖中所示，錐形反射器210的第一表面212經排列在間隔層202的第二表面206上。OLED 304經排列在間隔層202的第一表面204上。間隔層202可包括所具折射係數為nIM 的一係數匹配的材質，且經用以介接錐形反射器210至OLED 304。錐形反射器之折射係數nP 較佳地（例如）儘可能接近OLED折射係數nO 。在一實施例中，nP 與nO 之間的差不超過大約0.3，更佳地不超過大約0.2，更佳地不超過大約0.1，且最佳地不超過大約0.01。另一實施例中，係數匹配的材質之折射係數nIM 不低於錐形反射器之折射係數nP ，且較佳地具有在nP 與nO 之間的值。在一例中，錐形反射器折射係數nP 在大約1.6與1.8之間。
在一實施例中，間隔層202之係數匹配材質具有黏著特性而負責將錐形反射器210附接至OLED 304。係數匹配材質包含（例如）無機材質、膠水、光學透明的黏著劑、接合劑或類似者。各OLED 304、錐形反射器210及間隔層202之組合定義一發光設備。錐形反射器210和間隔層202定義光提取設備。
錐形反射器210的第二表面214光學耦合至透明層306的第一（下）表面308。錐形反射器210的第二表面214可疊放（tile）透明層306之第一表面308而在第二邊緣214E中間沒有任何實質空間。緊鄰透明層306之第二（上）表面310存在有外部環境222。外部環境222典型為空氣，不過其能為在其中會使用顯示器的另外環境，像是真空、惰性氣體，等等。
再次參看第2A圖、第2B圖及第4圖，錐形反射器210的陣列208定義相鄰錐形反射器與間隔層202之第二表面206之間的侷限間隔220。在某些例示性實施例中，間隔220充滿像是空氣之介質，同時在其他實施例中該些空間充滿介電材料之形式的介質，像是一光吸收（亦即，黑色）材質。以下將更詳細論述藉折射係數nS 之給定介質來充滿間隔220。
錐形反射器210典型由具有相對高之折射係數的材質製成，亦即，較佳地如OLED發射層110（第1A圖及第1B圖）之折射係數一樣高。錐形反射器210以與其中間之前述間隔層202相反的配置方式，經操作排列在相應的OLED 304之上並重疊OLED 304。各OLED 304能被想成OLED陣列302中的一像素，且OLED 304、間隔層202和至少兩個錐形反射器210的各組合是一發光設備，而發光設備之組合定義了用於OLED顯示器300的發光設備陣列。
OLED 304朝著錐形反射器210之第一表面212發光。因為錐形反射器210之折射係數nP 和間隔層202之折射係數nIM 相對地高，在OLED 304之發射層中產生的光線320能從OLED直接地傳播抑或是被OLED之陰極反射下傳播，而不被TIR所困。第4圖中顯示三個光線320a、320b及320c。光線320a從OLED 304通過間隔層202並通過錐形反射器210直接傳播到該錐形反射器的第二表面214，在該處光傳播至透明層306中並穿過透明層306到外部環境222。光線320b從OLED 304通過間隔層202並通過一錐形反射器210直接傳播到該錐形反射器的側表面216，在該處光經反射並重導至該錐形反射器的第二表面214。光線320b接著傳播到透明層306中並通過透明層306到外部環境222。光線320c從OLED 304傳播到間隔層202中並直接到錐形反射器210之間之間隔層之第二表面206的一部分，在該處光被該間隔層內的TIR反射。光接著再次被OLED 304於間隔層202的第一表面204處反射。光線320c接著再次穿過間隔層202，且此次通過錐形反射器210直接地到該錐形反射器的側表面216，在該處光經反射且重導向至該錐形反射器的第二表面214。光線320c接著傳播至透明層306中且穿過透明層306至外部環境222。在其中錐形反射器210之第一表面112覆蓋間隔層202之第二表面206的面積大約四分之一之例子中，光線要能離開顯示器300將平均花上大約四次反射。
在某些例示性實施例中，側表面216具有一斜坡，其藉由相對於垂直線（例如，如圖示，相對於平行於中心軸AC行進的一垂直參考線RL）的一傾斜角θ所定義。若側面216的斜坡不會太陡（亦即，若傾斜角θ足夠大），對於光線320進入錐形反射器210之任何起源點而言都將符合TIR條件，且沒有光線將藉由穿過側面216並進入緊鄰錐形反射器210之側面的間隔220中而丟失。
還有，若錐形反射器210的高度HP足夠大，則入射到第二表面214上的全部光線320將在由錐形反射器210之折射係數nP 和透明層306之折射係數nE 所定義的TIR逃逸錐219（第7B圖）內且因此逃逸至透明層306中。此外，光線320也將在由透明層306之材質的折射係數nE 和緊鄰透明層306之第二表面310存在的外部環境222的折射係數ne 所定義的TIR逃逸錐內。
因此，忽略OLED 304之OLED結構中否則為透明之陽極的光吸收以及間隔層202中的光吸收，則由該OLED所產生的光320之100%原則上能被傳達至位在透明層306之上的外部環境222中。在本質上，構成各錐形反射器210之主體215的係數匹配材質允許錐形反射器210作為完美的（或接近完美的）內部光提取器，同時側面216的反射特性允許該些錐形反射器成為完美的（或接近完美的）外部光提取器。
沒有錐形反射器210的陣列208，對一設計良好的OLED結構而言OLED顯示器300所耦合出的功率將是來源功率的大約30%，且不會基於間隔層202之厚度顯著地變化。有錐形反射器210之陣列208，則OLED顯示器300所耦合出的功率隨著間隔層202之厚度增加而增加，直到達到最大效率為止。此種改變是因自OLED 304發射的光線320在經過間隔層202之後的傳播方式。
在逃逸錐外側的光線（沒有錐形反射器210的話將被困在顯示器內），像是光線320b，被TIR於錐形反射器210之側表面216處重導向，而現在在逃逸錐內且能夠離開顯示器300。在相鄰錐形反射器210之第一表面212之間打擊間隔層202之第二表面206的逃逸錐外側之光線（像是光線320c），被TIR朝向OLED 304往回重導向。該些光線接著朝向錐形反射器210之陣列208往回反射，在該處光線再次被透射或反射，依該些光線打擊何處而定。
對於非常小之厚度的間隔層202而言，先打擊在相鄰錐形反射器210的第一表面212之間中間的光線可能在該光線打擊該等錐形反射器中之一者的第一表面112之前需要許多次反彈，而每次該光線回彈，由於OLED 304及/或間隔層202中的吸收所致而失去一些功率。隨著間隔層之厚度增長，對此種光線而言要橫向行進的夠遠以遇到錐形反射器210之第一表面212且後續地離開顯示器300，需要更少次反彈。據此，光提取效率初始隨間隔層厚度中之初始增加而增加。然而，在給定次數的反彈之後，光線打擊錐形反射器210之第一表面212的機率不會隨著間隔層厚度中之進一步增加而改變。一旦光提取效率達到一最大值，理論上其不應隨著間隔層202之厚度中的進一步增加而改變。
藉由以上提出的邏輯，似乎在某一值以上的間隔層202之任何厚度將可良好地負責本揭示案之目的（以達成最大可能之光提取效率而言）。然而，需要納入另一考量。由於一開始在逃逸錐外側的光線在每次反彈後可橫向地行進可觀的距離，此可能導致像素的「沖刷（washing out）」，並可能產生顯示像素之間的「串擾（cross-talk）」，減少清晰度且最後也減少對比度。因此，在某些例示性實施例中，間隔層202的最佳厚度是剛好夠大以達到最大效率，但沒有更大。
在底部發射的OLED顯示器的某些例示性實施例中，相較於沒有錐形反射器210之陣列208的底部發射的OLED顯示器而言，外部效率的增加為大約60%。在頂部發射的OLED顯示器的某些例示性實施例中，相較於沒有錐形反射器210之陣列208的頂部發射的OLED顯示器而言，外部效率的增加為大約100%。實際上所達成的改善依OLED 304的序列和組成，以及OLED的波導特性和發光偶極分子之輻射動態之間產生的相互影響而定，可能還包括可被用以增加OLED顯示器中之光輸出的空腔效應。
TIR 條件的解釋
在分別具有折射係數n1和n2的任兩種不相似的透明材質（像是空氣和玻璃）的邊界處，從較高係數之材質的方向入射到邊界上的光線，若其與表面法線成高於一臨界角的角度入射於邊界處，則將於邊界處體驗到100%反射而無法離開進入較低係數材質中。該臨界角藉sin() = n1/n2所定義。
能夠逃離較高係數材質而不在其中受到TIR的全部光線將躺在具有圓錐角2的一錐形內。此錐形被稱為逃逸錐且以下將連同第7B圖論述。
能顯示出對於具有任意折射係數之層的任何順序而言，臨界角和逃逸錐219乃藉由光線起源之層的折射係數、以及其逃逸所至之層或介質的折射係數所定義。因此，抗反射塗層無法被用來修改TIR條件且無法被用以藉由克服TIR條件來輔助光提取。
對於具有進入一半球中且對於任何角度有相同強度之等向發射的點光源而言，能夠逃離來源材質的光量等於逃逸錐219之立體角的比例，給定為2(1-cos())，而半球（2）的完整立體角等於1-cos()。以折射係數n2 = 1.76之OLED材質和具有折射係數n1 = 1.0的空氣作為例子，其臨界角為= arcsin(1/1.76) = 34.62°。
對於在該OLED材質頂上有任何順序之不同材質層而言，將離開進入空氣中的光量（亦即，相較於光輸入的光輸出）等於1-cos(34.62°) = 17.7%。此稱為外部光提取效率LE。此結果假設該OLED是等向發射器，但基於此假設對光提取效率的估計非常接近藉更嚴謹的分析所獲得的真正結果與實作中所觀察者。
錐形反射器形狀考量
第6A圖是包括至少一彎曲側表面216之例示性錐形反射器210的側面圖。第6B圖是包括至少一分段平坦側表面216之另一錐形反射器210之實施例的側面圖。在某些例示性實施例中，一或更多側表面216能由單一彎曲表面所定義，例如圓柱形、拋物線、雙曲線或任何除平面以外的其他形狀，只要錐形反射器210在第二表面214處比第一表面212處更寬。在一實施例中，錐形反射器210是旋轉對稱的而因此包括單一側面216。
儘管非嚴格要求，若對於通過錐形反射器210之第一表面212進入該錐形反射器的光的任何可能起源點，都於該錐形反射器的側表面216上任意點處觀察到TIR條件，則該發光設備的效能為最佳化。第7A圖是對於用於側表面216之範例複合表面形狀的z座標對x座標（相對單位）之繪圖，該範例複合表面形狀乃利用簡單的數值模型所計算。z軸和x軸代表在其個別方向中經標準化（normalized）的長度。起源自OLED 304並穿過間隔層202的光經假設從[-1, 0]到[1, 0]在x方向中延伸，而有另一側面216開始於[-1, 0]位置但沒顯示在第7A圖之繪圖中。側面216的形狀經計算使得起源於[-1, 0]的光線一定與表面法線成恰好45°入射在表面上。起源於z = 0而x在-1與1之間的任何其他光線將比起源於[-1, 0]的光線具有在側面216上的較高入射角。
若錐形反射器210的高度HP使得由OLED 304發射而直接離開到透明層306中的光線全部在逃逸錐219內，發光設備的效能能經進一步改善，如第7B圖之示意圖中所示。第7B圖包括由錐形反射器210之第二表面214定義的一平面TP。當錐形反射器210之第二表面214完全在定義逃逸錐219之界限的線219L之內（亦即，與其沒有相交）時，該條件經符合。逃逸錐線219L起源於第一表面212之邊緣212E並相對於第二表面214成臨界角與平面TP相交，其中的值由該錐形反射器材質的折射係數np 與空氣的折射係數na 定義成sin() = na /np 。
在一般情況中，存在有錐形反射器210的一最佳高度HP，其依OLED 304的幾何（其大小與其中間的間隔）和錐形反射器210的折射係數np 而定。若高度HP太小，自OLED 304發射而落於錐形反射器210之側表面216處的全部光線將遭受TIR，但一些光線將直接到第二表面214而以大於臨界角之角度入射於其上，而因此將在該顯示器中與空氣的第一界限處受困。若高度HP太大，直接到第二表面214的全部光線將在逃逸錐219之內，但落在側表面216上的一些光線將在用於側表面的逃逸錐內而因此離開該些側表面。在某些例示性實施例中，錐形反射器HP的最佳高度HP典型在(0.5)WB與2WT之間，更典型地在WB與WT之間。另外在一實施例中，側壁216的區域性斜坡能在大約2°與50°之間，或甚至在大約10°與45°之間。在某些例示性實施例中，第一表面212之寬度WB、第二表面214之寬度WT以及各錐形反射器210之高度HP對彼此的比例是在大約1:2:1.4與1:2:1.8之間。例如，各錐形反射器210可具有28x28 µm的第一表面212、56x56 µm的第二表面214和42 µm的高度。
錐形反射器陣列
如上述，複數個錐形反射器210定義一個錐形反射器陣列208。錐形反射器210的第一表面212與OLED 304之發射表面重疊且光學耦合。由於錐形反射器210的第二表面214大於第一表面212，在一例中（見第4圖）該第二表面經調整大小以實質上覆蓋透明層306的整個第一表面308，或所採用之特定製造技術所允許的儘可能接近者。
範例OLED顯示器300能被想成具有在間隔層202之緊接上方的一固體材質層，其所具厚度等於錐形反射器210的高度HP，並有交叉的V形槽間隔220之矩形網格被切入該固體材質層中。此結構能藉由一原件（master）複製工具經微複製在具有適當樹脂或光固化（photocurable）或熱固化材質的層中，該原件複製工具經配置以定義具有三角形截面稜線的矩形網格。舉例來說，能藉由先鑽石加工看起來確實類似該錐形反射器陣列的圖案，接著藉由複製出一逆圖案來做出一原件，來製造出此種工具。該原件能為持久性而經金屬化。
若各錐形反射器的第二表面214是第一表面212的兩倍大，而錐形反射器的高度HP是底表面之寬度的1.5倍，且側壁是平的，則側表面216的傾斜角θ是arctan(1/3) = 18.4°。製造具有此傾斜角的錐形反射器210或錐形反射器210之陣列208是在鑽石加工技術之能力範圍內。
若該些V形槽的底部更圓，則對相同傾斜角θ而言，錐形反射器210的高度HP能小於第一表面212之大小（尺寸）的1.5倍。對於OLED顯示器300之不同配置方式或是用於製造複製用原件的不同技術而言，可在錐形反射器之幾何上套用不同限制條件。
如解釋於上的，為了形成錐形反射器210的週期性陣列208，複製工具或模具是該結構的複製陰模，可被認為是截頭的凹部或「碗型」的一陣列。當使用此一工具以形成錐形反射器陣列208時，當該工具被壓入一層液體或可模造複製材質中時，較佳地要避免將空氣困滯在該些碗型中。要避免此種空氣困滯的一種技巧是將複製工具或模具製造成完整的（而非截頭角錐形）碗型的陣列。此種情況中，能藉由複製材質層的厚度來控制錐形反射器的高度。該工具被壓在複製材質中直到接觸透明層306為止。氣袋將被刻意留在各個經複製錐形反射器上方。能留心以避免錐形反射器之頂部被表面張力造成圓形。
本文中揭露的改良發光設備和方法完全仰賴光反射而非光散射。因此，OLED之反射性陰極所反射的環境光偏振在反射後不變，此表示這作法完美地相容於圓形偏光器的使用。另外，反射中沒有霧而因此沒有減少顯示對比度比例，減少顯示對比度比例是幾乎全部其他利用散射技術來改善光提取的作法的問題特徵。
樹脂錐形反射器
如上述，在一實施例中能利用樹脂來形成錐形反射器210的陣列208，因為樹脂適合模造製程及類似的大量複製技術。當利用樹脂形成陣列208時，較佳地透明層306之邊緣為無樹脂，使得其能被玻璃料塗布以得到邊緣密封。此外，較佳地該樹脂能活過典型用於製造觸碰感測器的150°C處理溫度。另外，較佳地該樹脂在操作溫度範圍之內沒有展現（或展現極低的）放氣，至少是對OLED材質而言最不利的類型，亦即，氧和水。
用於錐形反射器之間間隔的材質
如上述，錐形反射器210之陣列208與間隔層202定義了充滿一介質的侷限間隔220，該介質具有一折射係數nS 。在某些例示性實施例中，侷限間隔220充滿空氣，其具有的折射係數nS = na = 1。在其他實施例中，間隔220能充滿一固體材質。一般而言較佳地間隔220內的介質具有儘可能低的折射係數使逃逸錐219維持儘可能地大。
為了達成最佳的可能光提取益處，較佳地該填充材質的係數nS 為1.2或更小。具有如此低折射係數的材質範例是氣凝膠，其為多孔的有機或無機基質，充滿空氣或其他適當的乾燥無氧氣體。基於二氧化矽的氣凝膠也能負責吸收任何殘留水污染的額外任務，增加OLED材質的壽命。若構成各錐形反射器210之主體215的材質具有折射係數nP 為1.7而氣凝膠的折射係數是1.2，則臨界角將是大約45°，其為可接受的臨界角。
錐形反射器修改
能以數種方式修改錐形反射器210以增強整體光提取效率。例如，在一實施例中側表面216能包括一反射性塗層。此種配置方式允許實質上任何透明材質用以填充間隔220，因為錐形反射器210不再利用TIR操作。
第8A圖是用於錐形反射器210之例示性六角形的俯視圖。此例中，各錐形反射器210包括六角形的第一表面212和自第一表面212延伸到六角形的第二表面的六個側表面216。第8A圖中的虛線代表錐形反射器陣列中相鄰錐形反射器210的側表面216。
第8B圖是用於錐形反射器210之例示性三角形的俯視圖。此例中，各錐形反射器210包括三角形的第一表面212和自第一表面212延伸到三角形的第二表面的三個側表面216。第8B圖中的虛線代表錐形反射器陣列中相鄰錐形反射器210的側表面216。
運用 OLED 顯示器的電子裝置
本文中揭露的OLED顯示器能針對各式各樣應用所使用，例如在運用顯示器的消費者或商業電子裝置中。範例電子裝置包括電腦監視器、自動櫃員機（ATM）及可攜式電子裝置（包括，例如，行動電話、個人媒體播放器及平板/膝上型電腦）。其他電子裝置包括車用顯示器、家電顯示器、機械顯示器，等等。不同實施例中，電子裝置能包括消費者電子裝置，像是智慧型電話、平板/膝上型電腦、個人電腦、電腦顯示器、超薄筆電（ultrabook）、電視及照相機。
第9A圖是一般化電子裝置340的示意圖，該電子裝置包括如本文中揭露的OLED顯示器300。一般化電子裝置340也包括電連接至OLED顯示器300的控制電子元件350。控制電子元件350能包括記憶體352、處理器354及晶片組356。控制電子元件350也能包括其他已知組件，該些已知組件為了易於圖示而未顯示。
第9B圖是以膝上型電腦之形式的範例電子裝置340之立面圖。該膝上型電腦包括如本文中揭示之OLED顯示器300。第9C圖是以智慧型電話之形式的範例電子裝置340的前視圖。該智慧型電包括如本文中揭示的OLED顯示器300。
本領域之技藝人士將顯而易見，能對本揭示案之實施例做出不同修改及變化而不背離本揭示案的精神與範疇。因此，本揭示案意圖涵蓋此種修改與變化，只要它們屬於隨附申請專利範圍及其均等者的範疇之內。
100‧‧‧底部發射的OLED結構 102、122‧‧‧基板 104、124‧‧‧陽極 106‧‧‧電洞注入層（HIL） 108、126‧‧‧電洞傳輸層（HTL） 110、130‧‧‧發射層（EML） 112、134‧‧‧電子傳輸層（ETL） 114‧‧‧電子注入層（EIL） 116、136‧‧‧陰極 120‧‧‧頂部發射的OLED結構 128‧‧‧電子阻擋層（HBL） 132‧‧‧電洞阻擋層（HBL） 200‧‧‧OLED顯示器 202‧‧‧間隔層 204‧‧‧間隔層的第一表面 206‧‧‧間隔層的第二表面 208‧‧‧陣列 210‧‧‧錐形反射器 212‧‧‧錐形反射器的第一表面 212E‧‧‧外邊緣 214‧‧‧錐形反射器的第二表面 214E‧‧‧外邊緣 215‧‧‧錐形反射器的主體 216‧‧‧錐形反射器的側表面 219‧‧‧逃逸錐 219L‧‧‧線 220‧‧‧間隔 222‧‧‧外部環境 224a、224b、224c‧‧‧光線 250‧‧‧OLED顯示器 252‧‧‧金屬接點 254‧‧‧封裝層 264a、264b、264c‧‧‧光線 300‧‧‧OLED顯示器 304‧‧‧OLED 306‧‧‧透明層 308‧‧‧透明層的第一表面 310‧‧‧透明層的第二表面 320‧‧‧光線 320a、320b、320c‧‧‧光線 340‧‧‧電子裝置 350‧‧‧控制電子元件 352‧‧‧記憶體 354‧‧‧處理器 356‧‧‧晶片組 AC‧‧‧中心軸 HP‧‧‧高度 Lx‧‧‧x方向中的長度 Ly‧‧‧y方向中的長度 RL‧‧‧參考線 Sx‧‧‧x方向中的間隔 Sy‧‧‧y方向中的間隔 TP‧‧‧平面 WB‧‧‧第一表面的寬度尺寸 WBx‧‧‧x方向中的寬度尺寸 WBy‧‧‧y方向中的寬度尺寸 WT‧‧‧第二表面的寬度尺寸 WTx‧‧‧x方向中的寬度尺寸 WTy‧‧‧y方向中的寬度尺寸 θ‧‧‧傾斜角‧‧‧臨界角
第1A圖示意地描繪例示性底部發射的有機發光二極體（OLED）結構；
第1B圖示意地描繪例示性頂部發射的OLED結構；
第2A圖描繪例示性底部發射的OLED顯示器之一區段的截面圖；
第2B圖描繪例示性頂部發射的OLED顯示器之一區段的截面圖；
第3A圖是採用本文揭露之光提取設備及方法的例示性OLED顯示器的俯視圖；
第3B圖是有四個OLED之陣列的俯視特寫圖，描繪該些OLED的範例尺寸及由該等OLED形成的OLED陣列；
第4圖是第3A圖之OLED顯示器的一區段的特寫x-z截面圖；
第5圖是例示性錐形反射器的立面圖；
第6A圖及第6B圖是用於錐形反射器之範例形狀的側面圖；
第7A圖是用於錐形反射器之一側的範例複合表面形狀的繪圖，其中該形狀確保由OLED發出、進入錐形反射器的主體而不直接地撞擊頂表面的光全部於錐形反射器之側表面處受到全內反射；
第7B圖是錐形反射器之有益形狀的示意圖示，其中該形狀確保在用於錐形反射器之材質的逃逸錐外部沒有任何OLED發出的光線能在不先被錐形反射器的側壁反射之下直接地撞擊錐形反射器的頂表面；
第8A圖及第8B圖是用於錐形反射器之範例形狀的俯視圖；
第9A圖是包括本文所揭露之OLED顯示器的一般化電子裝置的示意圖；及
第9B及9C圖是第9A圖之一般化電子裝置的例子。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
202‧‧‧間隔層
204‧‧‧間隔層的第一表面
206‧‧‧間隔層的第二表面
208‧‧‧陣列
210‧‧‧錐形反射器
212‧‧‧錐形反射器的第一表面
214‧‧‧錐形反射器的第二表面
216‧‧‧錐形反射器的側表面
220‧‧‧間隔
222‧‧‧外部環境
300‧‧‧OLED顯示器
304‧‧‧OLED
306‧‧‧透明層
308‧‧‧透明層的第一表面
310‧‧‧透明層的第二表面
320‧‧‧光線
320a、320b、320c‧‧‧光線
AC‧‧‧中心軸
RL‧‧‧參考線
WB‧‧‧第一表面的寬度尺寸
WT‧‧‧第二表面的寬度尺寸
θ‧‧‧傾斜角

Claims (18)

  1. 一種用於一有機發光二極體(OLED)的光提取設備，包含：一OLED發射器；重疊該OLED發射器的複數個錐形反射器，各錐形反射器包含一第一表面、一第二表面及至少一側表面，該第二表面相對於該第一表面且包含一表面面積，該表面面積比該第一表面之表面面積更大，該至少一側表面在該第一表面與該第二表面之間延伸；及一間隔層，該間隔層包含耦合至該OLED發射器的一第一表面、與耦合至該複數個錐形反射器之各者的第一表面的一第二表面，其中自該OLED發射的光通過該間隔層並進入該複數個錐形反射器中，以及其中該複數個錐形反射器之各者的該至少一側表面包含一斜坡以將全部的光重導向至一逃逸錐中並從該相應錐形反射器的第二表面離開。
  2. 如請求項1所述之光提取設備，其中該複數個錐形反射器包含一截頭角錐形，該截頭角錐形包含一梯形截面。
  3. 如請求項1所述之光提取設備，其中該複數個錐形反射器包含一個二維的錐形反射器陣列，該陣 列以至少兩列及至少兩行排列。
  4. 如請求項1所述之光提取設備，其中該間隔層的一折射係數大於或等於該複數個錐形反射器的一折射係數。
  5. 如請求項1所述之光提取設備，其中該間隔層包含一無機材料。
  6. 如請求項1所述之光提取設備，其中該間隔層包含一光學透明黏著劑。
  7. 如請求項1所述之光提取設備，其中該複數個錐形反射器之各者的該第二表面的表面面積是該複數個錐形反射器之各者的該第一表面的表面面積的至少1.5倍。
  8. 一種底部發射的有機發光二極體(OLED)顯示器，包含：一間隔層，該間隔層耦合至一OLED陣列，該OLED陣列的各OLED具有一底表面，光透過該底表面被發射至該間隔層中；一錐形反射器陣列，該錐形反射器陣列的至少兩個錐形反射器重疊該OLED陣列的各OLED，且該錐形反射器陣列的各錐形反射器包含一第一表面、一第二表面及至少一側表面，該第二表面相對於該第一表面且包含一表面面積，該表面面積比該第一表面之表面 面積更大，該至少一側表面在該第一表面與該第二表面之間延伸，該錐形反射器陣列之各錐形反射器的該第一表面耦合至該間隔層且面對該OLED陣列；及一基板，該基板耦合至該錐形反射器陣列之各錐形反射器的該第二表面，其中從該OLED陣列之各OLED的底表面發射的光通過該間隔層並進入該錐形反射器陣列中，及其中該錐形反射器陣列之各錐形反射器的該至少一側表面包含一斜坡以將全部的光重導向至一逃逸錐中並從該相應錐形反射器的第二表面離開。
  9. 如請求項8所述之底部發射的OLED顯示器，其中該錐形反射器陣列之各錐形反射器包含一截頭角錐形，該截頭角錐形包含一梯形截面。
  10. 如請求項8所述之底部發射的OLED顯示器，其中該間隔層的一折射係數大於或等於該錐形反射器陣列的一折射係數。
  11. 如請求項10所述之底部發射的OLED顯示器，其中該錐形反射器陣列的該折射係數大於或等於該基板的一折射係數。
  12. 如請求項8所述之底部發射的OLED顯示器，其中該間隔層包含一厚度，該厚度在該錐形反射器陣列之各錐形反射器的該第一表面的一長度的10% 與100%之間。
  13. 一種頂部發射的有機發光二極體(OLED)顯示器，包含：一基板，該基板支撐一OLED陣列，該OLED陣列的各OLED具有一頂表面，光透過該頂表面經發射；一間隔層，該間隔層耦合至該OLED陣列之各OLED的該頂表面；一錐形反射器陣列，該錐形反射器陣列的至少兩個錐形反射器重疊該OLED陣列的各OLED，且該錐形反射器陣列的各錐形反射器包含一第一表面、一第二表面及至少一側表面，該第二表面相對於該第一表面且包含一表面面積，該表面面積比該第一表面之表面面積更大，該至少一側表面在該第一表面與該第二表面之間延伸，該錐形反射器陣列之各錐形反射器的該第一表面耦合至該間隔層且面對該OLED陣列；及一封裝層，該封裝層耦合至該錐形反射器陣列之各錐形反射器的該第二表面，其中從該OLED陣列之各OLED的該頂表面發射的光通過該間隔層並進入該錐形反射器陣列中，及其中該錐形反射器陣列之各錐形反射器的該至少一側表面包含一斜坡以將全部的光重導向至一逃逸錐中 並從該相應錐形反射器的第二表面離開。
  14. 如請求項13所述之頂部發射的OLED顯示器，其中該錐形反射器陣列之各錐形反射器包含一截頭角錐形，該截頭角錐形包含一梯形截面。
  15. 如請求項13所述之頂部發射的OLED顯示器，其中該間隔層的一折射係數大於或等於該錐形反射器陣列的一折射係數。
  16. 如請求項15所述之頂部發射的OLED顯示器，其中該錐形反射器陣列的該折射係數大於或等於該封裝層的一折射係數。
  17. 如請求項13所述之頂部發射的OLED顯示器，其中該間隔層包含一光學透明黏著層。
  18. 如請求項13所述之頂部發射的OLED顯示器，其中該間隔層包含一厚度，該厚度在該錐形反射器陣列之各錐形反射器的該第一表面的一長度的10%與100%之間。
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