ОРГАНИЧЕСКИЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД С ИЗЛУЧАЮЩИМ СЛОЕМ, СОДЕРЖАЩИМ МАТЕРИАЛ С НИЗКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СВЕТОВЫВОДА
ORGANIC LIGHT-EMITTING DIODE WITH RADIATING LAYER CONTAINING MATERIAL WITH LOW REFRACTION COEFFICIENT FOR IMPROVED LIGHT RELEASE

[0001] Настоящая патентная заявка связана с патентной заявкой США №11/729.877, поданной 30 марта 2007 года и озаглавленной «Устройство на органических светодиодах с повышенным световыводом» (OLED with Improved Light Outcoupling), а также с патентной заявкой США №12/059.783, поданной 31 марта 2008 года и озаглавленной «Низкокоэффициентные решетки для увеличения световывода от устройства, излучающего вверх или прозрачного устройства на органических светодиодах» (Low Index Grids (LIG) to Increase Outcoupled Light from Top or Transparent OLED).
Права правительства
[0002] Предлагаемое изобретение было создано при поддержке Правительства США по контракту DE-FG02-04ER84113, предоставленному Департаментом энергетики. Правительство США имеет определенные права на предлагаемое изобретение.
Соглашение о совместных исследованиях
[0003] Предлагаемое изобретение было создано по соглашению о совместных университетско-корпоративных исследованиях между следующими сторонами: Принстонский университет, Университет Южной Калифорнии, Университет Мичигана и корпорация Юниверсал Дисплей Корпорейшн. Соглашение действовало на дату создания предлагаемого изобретения и до этой даты, и предлагаемое изобретение явилось результатом деятельности, предпринятой в рамках этого соглашения.
Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение
[0004] Предлагаемое изобретение относится к устройствам на органических светодиодах OLED (аббревиатура от organic light-emitting device), в частности к устройствам на органических светодиодах, снабженных материалом с низким коэффициентом преломления (низкокоэффициентным материалом), обеспечивающим повышение световывода.
Предпосылки создания предлагаемого изобретения
[0005] Оптоэлектронные устройства, в которых используются органические материалы, представляются все более предпочтительными по ряду причин. Многие материалы, используемые в таких устройствах, относительно недороги, в силу чего органические оптоэлектронные устройства имеют стоимостное преимущество перед неорганическими устройствами этого рода. Кроме того, такое присущее органическим веществам свойство, как гибкость, делает их пригодными для особых применений, например для наложения на гибкую подложку. В качестве примеров органических оптоэлектронных устройств можно назвать устройства на органических светодиодах (OLED), органические фототранзисторы, органические фотогальванические элементы и органические фотоприемные устройства. Для устройств на органических светодиодах органические материалы могут иметь эксплуатационные преимущества перед обычными материалами. Например, с помощью подходящих легирующих добавок можно в общем легко настраивать длину волны, на которой излучает свет органический излучающий слой.
[0006] В настоящем описании определение «органический» относится к полимерным и мелкомолекулярным материалам, используемым для создания оптоэлектронных устройств. Определение «мелкомолекулярный» относится к любому органическому материалу, не являющемуся полимерным, при этом «мелкие молекулы» на самом деле могут иметь довольно большой размер. В некоторых случаях мелкие молекулы могут иметь повторяющиеся блоки. Например, использование в качестве замещающей группы длинноцепочечной алкильной группы не исключает молекулу из класса «мелких молекул». Мелкие молекулы могут присутствовать также в составе полимеров, например, как боковая подвешенная группа на главной цепи полимера или же в составе главной цепи полимера. Мелкие молекулы могут также быть использованы в качестве сердцевины дендримера, состоящего из серии химических оболочек, построенных на упомянутой сердцевине. Сердцевина дендримера может быть флуоресцирующим или фосфоресцирующим мелкомолекулярным излучателем. Дендример может представлять собой «мелкую молекулу», и считается, что все используемые в настоящее время в области органических светодиодов дендримеры представляют собой мелкие молекулы. В общем, мелкая молекула имеет четко определенную химическую формулу с однозначной молекулярной массой, тогда как у полимера точная химическая формула и молекулярная масса для каждой молекулы различны. В настоящем описании определение «органический» относится в том числе к металлическим комплексам гидрокарбонила и замещенным на гетероатом гидрокарбильным лигандам.
[0007] В устройствах на органических светодиодах используются тонкие органические пленки, излучающие свет при приложении к устройству напряжения. Технологии устройств на органических светодиодах привлекают все больший интерес для таких применений, как плоские индикаторные панели, иллюминация и подсветка. Некоторые материалы для устройств на органических светодиодах и конфигурации устройств описаны в патентах США №5844363, 6303238 и 5707745, которые полностью включены в настоящую заявку по ссылке.
[0008] Устройства на органических светодиодах обычно (но не всегда) рассчитываются для излучения света сквозь по меньшей мере один электрод, и в оптоэлектронных устройствах могут применяться один или более прозрачных электродов. В качестве прозрачного материала донного электрода может быть использован, например, оксид индия-олова. Может быть использован также прозрачный верхний электрод, раскрываемый в патентах США №5703436 и 5707745, которые полностью включены в настоящую заявку по ссылке. В устройстве, рассчитанном на светоизлучение только сквозь донный электрод, нет необходимости делать прозрачным верхний электрод, который в этом случае может быть выполнен в виде толстого отражающего металлического слоя с высокой электропроводностью. Аналогично, в устройстве, рассчитанном на светоизлучение только сквозь верхний электрод, донный электрод может быть выполнен непрозрачным и/или отражающим. В случае когда нет необходимости делать электрод прозрачным, выполнение его в виде более толстого слоя может обеспечить более высокую электропроводность, а использование отражающего электрода может увеличить количество света, излучаемого сквозь другой электрод благодаря отражению света обратно по направлению к прозрачному электроду. Могут изготовляться также полностью прозрачные устройства, у которых прозрачными являются оба электрода. Могут изготовляться также устройства на органических светодиодах с боковым излучением, в которых непрозрачными или отражающими могут быть один или оба электрода.
[0009] В тексте настоящей заявки под термином «верхний электрод» понимается электрод, наиболее удаленный от подложки, а под термином «донный электрод» понимается электрод, ближайший к подложке. Например, в приборе, имеющем два электрода, донный электрод - это электрод, ближайший к подложке, и обычно он изготовляется первым. Донный электрод имеет две поверхности: донную поверхность, расположенную наиболее близко к подложке, и верхнюю поверхность, которая расположена дальше от подложки. Когда говорится, что, например, первый слой «расположен на» втором слое, то это значит, что первый слой находится дальше от подложки. В общем случае предполагается, что между первым и вторым слоями могут быть другие слои, если только не оговорено, что первый слой находится «в физическом контакте со» вторым слоем. Может быть сказано, например, что катод «расположен на» аноде, если даже между катодом и анодом имеются различные органические среды.
[0010] В тексте настоящей заявки определение «обрабатываемый в растворе» означает способность определяемого быть растворимым, диспергируемым или транспортируемым в жидкой среде и/или осаждаемым из жидкой среды в виде раствора либо взвеси.
[0011] Как понимается в тексте настоящей заявки и в общем должно быть понятно специалистам, первый энергетический уровень «высшей заполненной молекулярной орбитали» HOMO (аббревиатура от highest occupied molecular orbital - высшая заполненная молекулярная орбиталь) или «низшей незаполненной молекулярной орбитали» LUMO (аббревиатура от lowest unoccupied molecular orbital - низшая незаполненная молекулярная орбиталь) «выше, чем» второй энергетический уровень «высшей заполненной молекулярной орбитали» или «низшей незаполненной молекулярной орбитали», если первый энергетический уровень ближе к энергетическому уровню вакуума. Потенциалы ионизации измеряются как энергия, отрицательная относительно уровня вакуума, поэтому более высокий энергетический уровень высшей заполненной молекулярной орбитали соответствует потенциалу ионизации, имеющему меньшую абсолютную величину (потенциал ионизации, который является менее отрицательным). Аналогично, более высокий энергетический уровень низшей незаполненной молекулярной орбитали соответствует электронное сродство, имеющее меньшую абсолютную величину (электронное сродство, которое является менее отрицательным). На обычной диаграмме энергетических уровней, когда уровень вакуума находится наверху, для одного и того материала энергетический уровень низшей незаполненной молекулярной орбитали материала находится выше, чем его энергетический уровень высшей заполненной молекулярной орбитали. На такой диаграмме «более высокий» энергетический уровень высшей заполненной молекулярной орбитали или низшей незаполненной молекулярной орбитали оказывается ближе к вершине диаграммы, чем «более низкий» энергетический уровень высшей заполненной молекулярной орбитали или низшей незаполненной молекулярной орбитали.
Краткое описание предлагаемого изобретения
[0012] Устройство на органических светодиодах может содержать области, где коэффициент преломления меньше, чем у подложки, или органический излучающий материал, обеспечивающий экстракцию света из волноводной среды в воздушную. Эти области могут быть размещены рядом с излучающими областями устройства на органических светодиодах в направлении, параллельном электродам. Для дальнейшего улучшения перехода света из волноводной и/или стеклянной среды в воздушную подложке может быть придана также нестандартная форма. Эффективность световывода у такого устройства может вдвое или втрое превышать эффективность стандартного устройства на органических светодиодах.
Low
[0013] Устройство на органических светодиодах может быть изготовлено путем нанесения на подложку первого электрода, нанесения на первый электрод решетки из низкокоэффициентного материала, у которого коэффициент преломления n находится в пределах 1,0-1,5, нанесения на упомянутую решетку органического излучающего материала, так что этот органический излучающий материал находится в непосредственном контакте с решеткой или с первым электродом, и нанесения на упомянутый органический излучающий материал второго электрода.
Краткое описание прилагаемых чертежей
[0014] На фиг.1 показано устройство на органических светодиодах, имеющее отдельные слой, транспортирующий электроны, слой, транспортирующий дырки, и излучающий слой, а также другие слои.
[0015] На фиг.2 показано устройство на органических светодиодах, не имеющее отдельного слоя, транспортирующего электроны.
[0016] На фиг.3A показано устройство на органических светодиодах, имеющее области прозрачного низкокоэффициентного материала.
[0017] На фиг.3B показана часть устройства, где граница между соседними областями приблизительно перпендикулярна.
[0018] На фиг.3C показана часть устройства, где граница между соседними областями негладкая.
[0019] На фиг.3D показано устройство на органических светодиодах, имеющее области прозрачного низкокоэффициентного материала.
[0020] На фиг.4A и фиг.4B на виде сверху показаны примеры конфигураций низкокоэффициентной области.
[0021] На фиг.5А показаны смоделированные значения для количества света, перешедшего в воздушную и стеклянную среду для устройства, имеющего низкокоэффициентную область.
Low
[0022] На фиг.5B показано смоделированное излучение для устройства, имеющего шестиугольную решетку низкокоэффициентного материала, имеющего коэффициент преломления n=1,03.
[0023] На фиг.6А показано устройство, имеющее микролинзовый лист.
Low
[0024] На фиг.6В показано устройство, имеющее тонкий низкокоэффициентный слой с коэффициентом преломления n, расположенный между подложкой и электродом.
Low
[0025] На фиг.7 показаны доли света, излучаемые устройством с микролинзой, имеющим гексагональную решетку из низкокоэффициентного материала для некоторого диапазона коэффициентов преломления n.
Low
[0026] На фиг.8 показаны доли света, излучаемого обычным устройством на органических светодиодах, устройством на органических светодиодах с идеальной микролинзой и [устройством на органических светодиодах с] гексагональной решеткой из низкокоэффициентного материала, коэффициент преломления которого n=1,29.
Low
[0027] На фиг.9 показаны доли света, излучаемого обычным устройством на органических светодиодах и устройством на органических светодиодах с гексагональной решеткой из низкокоэффициентного материала, коэффициент преломления которого n=1,2, и введенным слоем из материала Teflon AF, имеющим коэффициент преломления 1,29.
Low
[0028] На фиг.10 показаны доли света, излучаемого устройством, имеющим ту же конструкцию, что и показанный на фиг.9, но у которого коэффициент преломления n низкокоэффициентного материала равен 1,29.
[0029] На фиг.11 показано угловое распределение света в стеклянной подложке без низкокоэффициентного слоя.
[0030] На фиг.12 показано угловое распределение света в стеклянной подложке с низкокоэффициентным слоем.
[0031] На фиг.13 показаны доли излучаемого света в зависимости от угла излучения для устройств различной конструкции.
[0032] На фиг.14 показаны доли света в воздушной и стеклянной среде в устройствах с различными значениями толщины электрода.
[0033] На фиг.15 показаны доли света в различных средах для устройства с низкокоэффициентными областями разной толщины.
[0034] На фиг.16 показаны доли света в различных средах для устройства с органическими областями от 4 до 10 мкм.
[0035] На фиг.17 показаны доли света в различных средах для устройства, имеющего низкокоэффициентные области с различными значениями коэффициента преломления и различной геометрией.
[0036] На фиг.18 показано прозрачное устройство на органических светодиодах или устройство на органических светодиодах, излучающее вверх, имеющее области прозрачного низкокоэффициентного материала.
[0037] На фиг.19А, фиг.19B и фиг.19C показано прозрачное устройство на органических светодиодах или устройство на органических светодиодах, излучающее вверх, с низкокоэффициентной решеткой, встроенной в органический слой.
[0038] На фиг.20А, фиг.20B и фиг.20С показаны смоделированные значения для повышения эффективности световывода для прозрачного или излучающего вверх устройства на органических светодиодах с прямоугольной низкокоэффициентной решеткой.
[0039] На фиг.21 показано прозрачное устройство на органических светодиодах или устройство на органических светодиодах, излучающее вверх, имеющее микролинзовый лист.
Подробное описание предлагаемого изобретения
[0040] Устройство на органических светодиодах содержит по меньшей мере один органический слой, расположенный между анодом и катодом и имеющий с ними электрическое соединение. При протекании тока анод инжектирует в органический слой (органические слои) дырки, а катод - электроны. Инжектированные дырки и электроны перемещаются по направлению к электроду противоположного заряда. Когда электрон и дырка локализуются в одной и той же молекуле, образуется экситон, представляющий собой локализованную пару электрон-дырка, имеющую возбужденное энергетическое состояние. Когда экситон через посредство фотоэмисионного механизма релаксирует, происходит излучение света. В некоторых случаях экситон может локализоваться на эксимере или эксиплексе. Неизлучающие механизмы, например термическая релаксация, также могут иметь место, но в целом считаются нежелательными.
[0041] На фиг.1 показано устройство 100 на органических светодиодах. Следует заметить, что на прилагаемых чертежах не обязательно соблюдается масштаб. Устройство 100 может включать подложку 110, анод 115, инжектирующий дырки слой 120, транспортирующий дырки слой 125, блокирующий электроны слой 130, излучающий слой 135, блокирующий дырки слой 140, транспортирующий электроны слой 145, инжектирующий электроны слой 150, защитный слой 155 и катод 160. Катод 160 является составным и содержит первый проводящий слой 162 и второй проводящий слой 164. Устройство 100 может быть изготовлено путем последовательного нанесения вышеозначенных слоев.
[0042] Подложка 110 может представлять собой любую подходящую подложку, обеспечивающую желаемые конструктивные свойства. Подложка 110 может быть гибкой или жесткой. Подложка 110 может быть прозрачной, полупрозрачной или непрозрачной. Примерами предпочтительных материалов для жесткой подложки являются пластик и стекло. Примерами предпочтительных материалов для гибкой подложки являются пластик и металлическая фольга. Для облегчения создания электронных схем подложка 110 может быть выполнена из полупроводникового материала. Например, подложка 110 может представлять собой кремниевую пластину, на которой создаются электронные схемы, обеспечивающие возможность управления устройствами на органических светодиодах, полученных нанесением на подложку. Могут использоваться и другие материалы. Материал и толщину подложки 110 можно подбирать из соображения получения желаемых конструктивных и оптических свойств.
[0043] Анод 115 может представлять собой любой подходящий анод, обладающий достаточной проводимостью для транспортирования дырок к органическим слоям. Представляется предпочтительным, чтобы работа выхода анода 115 была больше 4 эВ (материал с большой работой выхода). В число предпочтительных материалов для анода входят электропроводные оксиды металлов, например оксид индия-олова и оксид индия-цинка, оксид алюминия-цинка (AlZnO), а также металлы. Анод 115 (и подложка 110) может быть достаточно прозрачным для создания устройства с донным излучением. Предпочтительная комбинация прозрачных подложки и анода - это коммерчески доступный оксид индия-олова (анод), нанесенный на стекло или пластик (подложка). Гибкая и прозрачная комбинация подложка-анод раскрыта в патентах США №5844363 и 6602540 B2, которые целиком включаются в настоящую заявку по ссылке. Анод 115 может быть непрозрачным и/или отражающим. Отражающий анод 115 может быть предпочтительным для некоторых устройств верхнего излучения с целью увеличения количества света, излученного с верхней поверхности устройства. Материал и толщина анода 115 могут выбираться из соображений получения желаемой электропроводности и оптических свойств. В случаях прозрачного анода 115 для конкретного материала может существовать диапазон толщин, так чтобы анод был достаточно толстым для обеспечения достаточной электропроводности, но достаточно тонким для обеспечения желаемой степени прозрачности. Могут быть использованы также аноды из других материалов и имеющие другую конструкцию.
4
[0044] Транспортирующий дырки слой 125 может содержать материал, способный транспортировать дырки. Транспортирующий дырки слой 130 может быть как нелегированным (с изначальными свойствами), так и легированным. Легирование может использоваться для увеличение проводимости. Примерами нелегированных материалов для транспортирующего дырки слоя являются α-NDP и TPD. Примером p-легированного транспортирующего дырки слоя является m-MTDATA, легированный F-TCNQ при молярном соотношении 50:1, как раскрыто в патентной заявке США №2003-0230980 на имя Forrest и др., которая полностью включена в настоящую заявку по ссылке. Могут быть использованы и другие материалы для транспортирующего дырки слоя.
3
3
[0045] Излучающий слой 135 может содержать органический материал, способный излучать свет при пропускании электрического тока между анодом 115 и катодом 160. Представляется предпочтительным, когда излучающий слой 135 содержит фосфоресцирующий излучающий материал, хотя могут использоваться и флуоресцирующие излучающие материалы. Предпочтение отдается фосфоресцирующим излучающим материалам по причине их более высокой эффективности свечения. Кроме того, излучающий слой 135 может также содержать материал-хозяин, способный транспортировать электроны и/или дырки, легированный излучающим материалом, могущим улавливать электроны, дырки и/или экситоны, так что экситоны релаксируют от излучающего материала через посредство фотоэмисионного механизма. Излучающий слой 135 может содержать единственный материал, который сочетает транспортирующие и излучающие свойства. Является ли излучающий материал легирующей добавкой или основным компонентом, излучающий слой 135 может содержать другие материалы, например легирующие добавки, которые регулируют излучение от излучающего материала. Излучающий слой 135 может содержать некоторую совокупность излучающих материалов, способных в комбинации излучать свет желаемого спектра. Примером фосфоресцирующего излучающего материала является lr(ppy). Примерами флуоресцирующих излучающих материалов являются DCM и DMQA. Примерами излучающих материалов и материалов-хозяев являются Alq, CBP и mCP. Примеры излучающих материалов и материалов-хозяев раскрываются в патенте США №6303238 на имя Tompson и др., который полностью включается в настоящую заявку по ссылке. Излучающий материал может быть включен в состав излучающего слоя 135 разными способами. Например, излучающая мелкая молекула может быть инкорпорирована в полимер. Это может быть осуществлено несколькими способами: либо путем легирования полимера мелкой молекулой как отдельным и различимым видом молекулы, либо инкорпорацией мелкой молекулы в основную цепь полимера с созданием сополимера, или же связыванием мелкой молекулы в качестве подвешенной группы на полимере. Для излучающего слоя могут использоваться и другие материалы и структуры. Например, мелкомолекулярный излучающий материал может присутствовать в качестве сердцевины дендримера.
3
[0046] Транспортирующий электроны слой 145 может содержать материал, способный транспортировать электроны. Транспортирующий электроны слой 145 может быть как нелегированным (с изначальными свойствами), так и легированным. Легирование может использоваться для увеличение проводимости. Примером нелегированного материала для транспортирующего электроны слоя является Alq. Примером n-легированного транспортирующего электроны слоя является BPhen, легированный Li при молярном соотношении 1:1, как раскрыто в патентной заявке США №2003-0230980 на имя Forrest и др., которая полностью включена в настоящую заявку по ссылке. Могут быть использованы и другие материалы для транспортирующего электроны слоя.
[0047] Катод 160 может содержать любой подходящий материал или комбинацию материалов, известных в данной отрасли, эти материалы таковы, чтобы катод 160 был способен проводить электроны и инжектировать их в органические слои устройства 100. Катод 160 может быть прозрачным или непрозрачным, а также может быть отражающим. Примерами подходящих материалов для катода являются металлы и оксиды металлов. Катод 160 может быть однослойным или же может иметь составную структуру. На фиг.1 показан составной катод 160, имеющий тонкий металлический слой 162 и более толстый проводящий металлооксидный слой 164. В составном катоде для более толстого слоя 164 представляется предпочтительным использовать оксид индия-олова, оксид индия-цинка и другие материалы, известные в данной отрасли. В патентах США №5703436, 5707745, 6548956 B2 и 6576134 B2, которые полностью включены в настоящую заявку по ссылке, раскрыты примеры катодов, в том числе составных катодов, имеющих тонкий слой из таких металлов, как Mg:Ag, и вышележащий прозрачный электропроводный слой из оксида индия-олова, нанесенный методом распыления. Представляется предпочтительным, чтобы та часть катода 160, которая контактирует с нижележащим органическим слоем, будь это часть однослойного катода 160, или часть тонкого металлического слоя 162 составного катода, или же какая-то другая часть, была выполнена из материала, имеющего работу выхода менее 4 эВ (материал с низкой работой выхода). Могут быть использованы также катоды из других материалов и имеющие другую конструкцию.
[0048] Для уменьшения количества носителей заряда (электронов или дырок) и/или экситонов, покидающих излучающий слой, могут использоваться блокирующие слои. С целью блокирования электронов, т.е. с целью не допустить покидания ими излучающего слоя 135 в направлении транспортирующего дырки слоя 125 между излучающим слоем 135 и транспортирующим дырки слоем 125 может быть размещен блокирующий электроны слой 130. Аналогично, с целью блокирования дырок, т.е. с целью не допустить покидания ими излучающего слоя 135 в направлении транспортирующего электроны слоя 145 между излучающим слоем 135 и транспортирующим электроны слоем 145, может быть размещен блокирующий дырки слой 140. Блокирующие слои могут использоваться также для блокирования экситонов, т.е. предотвращения их диффузии из излучающего слоя. Теория и практическое применение блокирующих слоев более подробно описаны в патенте США №6097147 и патентной заявке США №2003-02309890 на имя Forrest и др., которые полностью включены в настоящую заявку по ссылке.
[0049] В тексте настоящей заявки выражением «блокирующий слой» обозначается слой, обеспечивающий барьер, значительно затрудняющий транспортирование через устройство носителей заряда и/или экситонов, при этом, как должно быть понятно специалистам, не предполагается, что слой непременно блокирует носители заряда и/или экситоны полностью. Результатом наличия в устройстве такого блокирующего слоя могут быть существенно более высокие показатели эффективности по сравнению с аналогичными устройствами без блокирующего слоя. Кроме того, блокирующий слой может быть использован для ограничения излучения в выбранную область устройства на органических светодиодах.
[0050] Инжекционные слои содержат материал, способный улучшить инжекцию носителей заряда из одного слоя, например электрода или органического слоя, в соседний органический слой. Инжекционные слои могут также выполнять функцию транспортирования носителей заряда. В устройстве 100 инжектирующим дырки слоем 120 может быть любой слой, улучшающий инжекцию дырок из анода 115 в транспортирующий дырки слой 125. Примером материала, могущего быть использованным для слоя, инжектирующего дырки из выполненного из оксида индия-олова анода 115 и других анодов, является CuPc. В устройстве 100 инжектирующим электроны слоем 150 может быть любой слой, улучшающий инжекцию электронов в транспортирующий электроны слой 145. Примером материала, могущего быть использованным для слоя, инжектирующего электроны в транспортирующий электроны слой из соседнего слоя, является LiF/Al. Для инжекционных слоев могут использоваться также другие материалы или комбинации материалов. В зависимости от конфигурации конкретного устройства инжекционные слои могут располагаться в местах, отличных от тех, которые показаны в устройстве 100. Другие примеры инжекционных слоев можно найти в патентной заявке США сер №09/931.948 на имя Lu и др., которая полностью включена в настоящую заявку по ссылке. Инжектирующий дырки слой может содержать материал, осажденный из раствора, такой как полимер спин-покрытия, например PEDOT:PSS, или же это может быть осажденный из паровой фазы мелкомолекулярный материал, например CuPc или MTDATA.
[0051] Инжектирующий дырки слой HIL (аббревиатура от hole injection layer) может планаризовать или смачивать поверхность анода, так чтобы была обеспечена эффективная инжекция дырок из анода в инжектирующий дырки материал. Инжектирующий дырки слой может также иметь несущий заряд компонент, имеющий энергетические уровни высшей заполненной молекулярной орбитали, которые благоприятно согласуются, как это определено энергией описываемого здесь относительного потенциала ионизации, с соседним анодным слоем на одной стороне инжектирующего дырки слоя и транспортирующим дырки слоем на противоположной стороне инжектирующего дырки слоя. «Несущий заряд компонент» - это материал, ответственный за энергетический уровень высшей заполненной молекулярной орбитали, который реально транспортирует дырки. Этот компонент может быть базовым материалом инжектирующего дырки слоя или же он может быть легирующей добавкой. При использовании легированного инжектирующего дырки слоя обеспечивается возможность выбора легирующей добавки по ее электрическим свойствам, при этом материал-хозяин может выбираться по морфологическим свойствам, таким как смачиваемость, гибкость, жесткость и т.д. Предпочтительными представляются такие свойства инжектирующего дырки слоя, которые обеспечивают эффективную инжекцию дырок из анода в материал инжектирующего дырки слоя. В частности, представляется предпочтительным, чтобы потенциал ионизации несущего заряды компонента был не более чем на приблизительно 0,7 эВ выше, чем потенциал ионизации материала анода. Представляется более предпочтительным, чтобы потенциал ионизации несущего заряды компонента был не более чем на приблизительно 0,5 эВ выше, чем потенциал ионизации материала анода. Аналогичные рассуждения применимы к любому слою, в который инжектируются дырки. Кроме того, материалы инжектирующего дырки слоя отличаются от транспортирующих дырки материалов, обычно используемых в транспортирующем дырки слое устройства на органических светодиодах, тем, что такие материалы инжектирующего дырки слоя могут иметь дырочную проводимость, существенно меньшую дырочной проводимости обычных транспортирующих дырки материалов. Толщина инжектирующего дырки слоя согласно предлагаемому изобретению может быть достаточной, чтобы способствовать планаризации или смачиванию поверхности анодного слоя. Например, для очень гладкой анодной поверхности может быть приемлемым инжектирующий дырки слой толщиной всего 10 нм. Однако, поскольку анодные поверхности имеют тенденцию к большому огрублению, в некоторых случаях для инжектирующего дырки слоя может быть желательной толщина до 50 нм.
[0052] Для защиты нижележащих слоев, создаваемых последовательными процессами изготовления, может быть использован защитный слой. Например, процессы, используемые при изготовлении металлических или металлооксидных верхних электродов, могут повредить органические слои и чтобы уменьшить такое повреждение или не допустить его может быть применен защитный слой. В устройстве 100 при изготовлении катода 160 защитный слой 155 способен уменьшить повреждение нижележащих органических слоев. Представляется предпочтительным такое решение, при котором защитный слой обеспечивает высокую мобильность того типа носителей, который им транспортируется (электроны в устройстве 100), так что он не является причиной значительного повышения рабочего напряжения устройства 100. Примерами материалов, могущих быть использованными в защитном слое, являются CuPc, BCP и различные фталоцианины металлов. Могут использоваться также другие материалы или их комбинации. Представляется предпочтительным такое решение, при котором защитный слой 155 является достаточно толстым для уменьшения или предотвращения повреждений нижележащих слоев при осуществлении производственных процессов после нанесения органического защитного слоя 160, но не слишком толстым для значительного повышения рабочего напряжения устройства 100. Для повышения проводимости защитного слоя 155 в него могут быть внесены легирующие добавки. Например, защитный слой 160 из CuPc или BCP может быть легирован литием (Li). Более подробное описание защитных слоев можно найти в патентной заявке США сер. №09/931.948 на имя Lu и др., которая полностью включена в настоящую заявку по ссылке.
[0053] На фиг.2 показано инвертированное устройство 200 на органических светодиодах. Это устройство содержит подложку 210, катод 215, излучающий слой 220, транспортирующий дырки слой 225 и анод 230. Устройство 200 может быть получено путем последовательного нанесения вышеозначенных слоев. Наиболее распространенной является такая конфигурация устройств на органических светодиодах, когда катод расположен над анодом, а в устройстве 200 катод 215 расположен под анодом 230, поэтому устройство 200 может быть охарактеризовано как «инвертированное» устройство на органических светодиодах. В слоях устройства 200 могут быть использованы материалы, подобные тем, которые использованы в соответствующих слоях устройства 100. Показанное на фиг.2 устройство 200 представляет собой один из примеров того, каким образом в структуру устройства 100 могут быть не включены некоторые слои.
[0054] Простые слоистые структуры, проиллюстрированные на фиг.1 и фиг.2, показаны в качестве примеров осуществления предлагаемого изобретения, не ограничивающих его объем, и должно быть понятно, что возможно большое разнообразие других структур, являющихся вариантами осуществления предлагаемого изобретения. Конкретные материалы и структуры указаны в качестве примеров, и могут использоваться также другие материалы и структуры. Работоспособные устройства на органических светодиодах можно получить комбинацией различных слоев, описанных выше, или же слои могут быть полностью опущены исходя из соображений конструкции, технических характеристик и стоимости. Могут включаться также другие слои, которые выше не описывались. Во многих рассматриваемых здесь примерах различные слои описываются как содержащие единственный материал, однако должно быть понятно, что могут быть использованы также и комбинации материалов, например смеси материала-хозяина и легирующей добавки или смеси в более общем смысле слова. Кроме того, слои могут иметь различные подслои. Что касается наименований, которые здесь даются различным слоям, то они не замышлялись как строго ограничивающие объем предлагаемого изобретения. Например, в устройстве 200 транспортирующий дырки слой 225 не только транспортирует дырки, но также инжектирует дырки в излучающий слой 220 и поэтому может быть охарактеризован и как транспортирующий дырки слой, и как инжектирующий дырки слой. В одном из вариантов осуществления предлагаемого изобретения устройство на органических светодиодах может быть охарактеризовано как имеющее «органический слой», расположенный между катодом и анодом. Этот органический слой может представлять собой монослой или же может содержать множественные слои из разных органических материалов, как это показано, например, на фиг.1 и 2.
[0055] Могут использоваться также структуры и материалы, не упомянутые в настоящем описании, например устройства на органических светодиодах из полимерных материалов PLEDs (аббревиатура от Polymer Light Emitting Devices буквально «полимерные светоизлучающие устройства»), например, раскрытые в патенте США №5247190, который полностью включен в настоящую заявку по ссылке. В качестве еще одного примера могут быть названы устройства на органических светодиодах, имеющие единственный органический слой. Устройства на органических светодиодах могут быть пакетированы, например, как описано в патенте США №5707745 на имя Forrest и др., который полностью включен в настоящую заявку по ссылке. Структура устройства на органических светодиодах может отклоняться от простой слоистой структуры, проиллюстрированной на фиг.1 и 2. Например, с целью повышения световывода подложка может включать содержащую угловые наклоны отражающую поверхность, например мезаструктуру, описанную в патенте США №6091195 на имя Forrest и др., и/или мелкоямчатую структуру, описанную в патенте США №5834893 на имя Bulovic и др. (оба патента полностью включены в настоящую заявку по ссылке).
[0056] В различных вариантах осуществления предлагаемого изобретения любые слои могут наноситься любым подходящим способом, если только не оговорено иное. Что касается органических слоев, то для их нанесения представляется предпочтительным применение таких способов, как термическое напыление, струйное нанесение, например, как описано в патентах США №6013982 и 6087196, которые полностью включены в настоящую заявку по ссылке, нанесение осаждением из органической паровой фазы OVPD (аббревиатура от organic vapor phase deposition), например, описанное в патенте США №6337102 на имя Forrest и др., который полностью включен в настоящую заявку по ссылке, и нанесение струйным печатанием органического пара OVJP (аббревиатура от organic vapor jet printing), например, как описано в патентной заявке США №10/233470, которая полностью включена в настоящую заявку по ссылке. Другие подходящие способы нанесения слоев включают спин-покрытие и другие способы нанесения из растворов. Представляется предпочтительным, чтобы способы нанесения слоев из растворов осуществлялись в атмосфере азота или инертного газа. Из других способов представляется предпочтительным использовать термическое испарение. Предпочтительные способы паттернинга включают нанесение через маску, холодную сварку, например, как описано в патентах США №6294398 и 6468819, которые полностью включены в настоящую заявку по ссылке, а также паттернинг, связанный с некоторыми способами нанесения, например струйное нанесение и струйное печатание органического пара. Могут использоваться и другие способы. Материалы, подлежащие нанесению, могут быть подвергнуты модификации с целью сделать их пригодными для конкретного способа нанесения. Например, для повышения способности мелких молекул подвергаться обработке в растворе могут использоваться такие замещающие группы, как разветвленные или неразветвленные алкильные и арильные группы, предпочтительно содержащие по меньшей мере три атома углерода. Могут быть использованы замещающие группы, содержащие 20 или более атомов углерода, при этом представляется предпочтительным число атомов углерода в диапазоне 3-20. Материалы с асимметричной структурой могут иметь лучшую обрабатываемость в растворе, чем материалы с симметричной структурой, потому что материалы с асимметричной структурой могут иметь меньшую склонность к перекристаллизации. Для повышения обрабатываемости в растворе мелких молекул могут также использоваться дендримеры.
[0057] Устройства, изготовленные в соответствии с вариантами осуществления предлагаемого изобретения, могут применяться в различных потребительских изделиях, включая плоскопанельные дисплеи, компьютерные мониторы, телевизоры, рекламные щиты, осветительные приборы для внутреннего или наружного освещения и/или сигнализации, индикаторы на лобовом стекле, полностью прозрачные дисплеи, гибкие дисплеи, лазерные принтеры, карманные персональные компьютеры PDAs (аббревиатура от personal digital assistants - карманные персональные компьютеры, КПК, буквально: «персональные цифровые помощники»), переносные персональные компьютеры, цифровые камеры, записывающие видеокамеры, видоискатели, микродисплеи, транспортные средства, стены большой площади, экраны в театре или на стадионе, вывески. Для управления устройствами, созданными при осуществлении предлагаемого изобретения, могут применяться различные управляющие устройства, включая пассивные и активные матрицы. Многие из этих устройств предназначены для использования при температурах, комфортных для человека, например от 18 до 30°C, более предпочтительно - при комнатной температуре (20-25°C).
[0058] Описанные здесь материалы и структуры могут находить другие области применения, отличные от устройств на органических светодиодах. Они могут применяться в других оптоэлектронных устройствах, например в органических солнечных элементах и органических фотодетекторах. В общем, эти материалы и структуры могут использоваться в органических устройствах, таких как органические транзисторы.
[0059] Во многих случаях большая часть света, производимого в излучающем слое устройства на органических светодиодах, не выходит из устройства по причине внутренних отражений на границе с воздушной средой, из-за краевого излучения, из-за рассеивания внутри излучающего или других слоев, из-за волноводных эффектов внутри излучающего слоя или других слоев устройства (т.е. транспортирующих слоев, инжектирующих слоев и т.д.) и других эффектов. Свет, генерируемый и/или излучаемый устройством на органических светодиодах, может быть охарактеризован как находящийся в разных средах, например в воздушной среде (свет излучается от рабочей поверхности устройства, например сквозь подложку) или в волноводной среде (свет заперт в устройстве из-за эффектов волновода). В отношении слоев или сред, внутри которых заперт свет, могут быть выделены особые среды, например «органическая среда» (свет заперт внутри одного или более органических слоев), «электродная среда» (свет заперт внутри электрода) и «среда подложки» или «стеклянная среда» (свет заперт внутри подложки). В типичном устройстве на органических светодиодах до 50-60% света, генерируемого излучающим слоем, может быть заперто в волноводной среде, и он, поэтому, не может покинуть устройство. Кроме того, до 20-30% света, излучаемого излучающим материалом в типичном устройстве на органических светодиодах, может оставаться в стеклянной среде. Таким образом, эффективность световывода типичного устройства на органических светодиодах может составлять всего 20%.
[0060] Для повышения эффективности световывода устройства на органических светодиодах по соседству с областями, содержащими излучающий материал, в направлении, параллельном одному или обоим электродам устройства можно расположить области прозрачного низкокоэффициентного материала. Эти области могут заставить свет, излучаемый излучающим материалом, входить в стеклянную или воздушную среду, повышая долю того излучаемого света, который в конечном счете покидает устройство.
[0061] Считается, что внешний квантовый выход излучающих вверх и прозрачных излучающих устройств на органических светодиодах можно повысить в два-три раза путем встраивания в эти устройства участков низкокоэффициентного материала без искажения визуальных спектров. Под термином «прозрачное излучающее устройство на органических светодиодах» понимается устройство на органических светодиодах, имеющее по существу прозрачные верхний и нижний электроды. Под термином «излучающее вверх устройство на органических светодиодах» понимается устройство на органических светодиодах, предназначенное для излучения света только через верхний (прозрачный) электрод.
[0062] На фиг.3A на виде сбоку в качестве иллюстративного примера схематично показано устройство 300, имеющее низкокоэффициентные области 310. Устройство содержит подложку 304, электроды 301 и 303, а также слой 302, имеющий области 305 из одного или более излучающих материалов и области 310 из прозрачного низкокоэффициентного материала. Должно быть понятно, что устройство, показанное на фиг.3A, может содержать также различные другие слои и структуры, описываемые в настоящей заявке.
2
2
2
[0063] Представляется предпочтительным, чтобы упомянутый низкокоэффициентный материал имел коэффициент преломления меньше, чем коэффициент преломления подложки, представляется более предпочтительным, чтобы его коэффициент преломления был меньше, чем коэффициент преломления подложки на величину от 0,15 до 0,4, поскольку это может поспособствовать увеличению количества света в волноводной среде, переходящего в воздушную и/или стеклянную среду. Может оказаться предпочтительным, чтобы коэффициент преломления низкокоэффициентного материала находился в диапазоне 1,0-1,3, в более предпочтительном случае - в диапазоне 1,0-1,05. Часто коэффициент преломления низкокоэффициентного материала ниже, чем коэффициент преломления органических материалов, использованных в устройстве, поскольку коэффициент преломления органических материалов, используемых в устройствах на органических светодиодах, обычно находится в диапазоне 1,5-1,7. Для низкокоэффициентных областей могут использоваться различные низкокоэффициентные материалы, например тефлон, аэрогели, калиброванные пленки из диоксида кремния (SiO) и диоксида титана (TiO), а также слои из наностержней из диоксида кремния (SiO). В данной отрасли известны различные аэрогели, такие как силикагель, углеродный аэрогель, алюмооксидный аэрогель и др. Например, силикагель может быть получен перемешиванием жидкого спирта с прекурсором кремний-алкоксида для получения золь-геля диоксида кремния. Затем спирт из геля удаляют, замещая его газом, применяя для этого технологии, известные в данной отрасли. Аэрогель, приготовленный с применением золь-гелевой технологии, может оказаться в некоторых вариантах предпочтительным, поскольку коэффициент преломления можно регулировать, изменяя соотношения начальных растворов. Представляется предпочтительным также, чтобы низкокоэффициентный материал был прозрачным. В данном описании материал считается «прозрачным», если при размерах описываемых здесь низкокоэффициентных слоев и областей для света, проходящего сквозь низкокоэффициентный слой или область в направлении, по существу параллельном электродам, общие оптические потери меньше, чем приблизительно 50%. Низкокоэффициентный материал может быть неизлучающим материалом.
[0064] Для иллюстрации всех возможных результатов излучения света излучающим материалом устройства на органических светодиодах на фиг.3A показаны лучи света 320, 330 и 340. Хотя некоторая часть света 330, производимого излучающим материалом, может выходить из устройства непосредственно, свет 320, производимый в волноводной среде, обычно не может выйти из излучающего слоя. В примере, показанном на фиг.3A, такой свет 320 может быть смоделирован как распространяющийся внутри излучающего слоя под достаточно большим углом к нормали к электроду, так что он никогда не сталкивается с границей излучающего слоя. Сходным образом свет 340 может быть смоделирован как луч, который сталкивается с границей излучающего слоя, но под таким большим углом 0 к электроду, что он претерпевает полное отражение. Обычно такой свет не выходит ни через верхнюю, ни через нижнюю поверхность устройства 300, но может излучаться с его боковых поверхностей. Однако при введении рядом с излучающими областями низкокоэффициентных областей может быть обеспечено такое состояние, при котором свет, который прежде не излучался бы устройством или излучался бы только с боковых поверхностей, выходит через его рабочую поверхность. Как можно видеть на фиг.3A, свет, попадающий в низкокоэффициентные области, преломляется, в результате чего обеспечивается возможность его выхода из устройства непосредственно (луч 320) или после отражения от электрода (луч 340). Т.е. свет, проходящий сквозь низкокоэффициентные области, может быть переведен из волноводной среды в воздушную с обеспечением его выхода из устройства.
[0065] Хотя на фиг.3A границы между низкокоэффицизмтными областями 310 и соседними органическими областями 305 показаны плоскими и перпендикулярными к электродам и подложке, это не является обязательным требованием. Для создания низкокоэффициентных областей и органических областей могут применяться разные способы, результатом которых могут быть, например, негладкие границы или границы, не перпендикулярные подложке. На фиг.3B в качестве примера показана часть устройства, где граница между низкокоэффициентной областью 310 и соседней органической областью 305 не проходит строго перпендикулярно к электродам 301, 303. Хотя показана конкретная конфигурация, должно быть понятно, что области могут в сечении отличаться от показанных. В целом представляется предпочтительным, чтобы граница между соседними областями 305, 310 была приблизительно перпендикулярна электроду устройства. Здесь выражение «приблизительно перпендикулярна» какой-либо поверхности значит, что угол между границей и плоскостью, перпендикулярной этой поверхности, составляет не более 20°. Таким образом, граница между областями 305 и 310 может считаться приблизительно перпендикулярной электроду 303 в тех случаях, когда угол 350 равен или меньше 20°. Граница между соседними областями может быть также негладкой, как показано на фиг.3C. Такая граница считается «приблизительно перпендикулярной» какой-либо поверхности в тех случаях, когда угол между обеспечивающей наилучшее соответствие плоскостью 355 и плоскостью, перпендикулярной этой поверхности, составляет не более 20°. Таким образом, граница между областями 305, 310, показанными на фиг.3C, приблизительно перпендикулярна электроду 303, если угол между обеспечивающей наилучшее соответствие плоскостью 355 и плоскостью, перпендикулярной этому электроду, равен или меньше 20°. Должно быть понятно, что прилагаемые чертежи не являются вычерченными в масштабе, и особенно это следует подчеркнуть для в отношении признаков, иллюстрируемых на фиг.3B и фиг.3C, где в иллюстративных целях допущены диспропорции.
[0066] Как показано на фиг.3D, низкокоэффициентные области могут располагаться частично между электродами и/или другими слоями. Например, низкокоэффициентный материал 310 может быть нанесен на электрод 303. Как говорилось выше, низкокоэффициентный материал может наноситься в виде различных узоров, решеток или других структур. Затем на электрод 303 и низкокоэффициентные области 310 наносят органические материалы 305, результатом чего является органический слой с негладкой поверхностью. На органический слой 305 может быть нанесен электрод 301 или другой слой, так что получившаяся в результате поверхность также оказывается негладкой, или же электрод 301 или другой слой может быть нанесен таким образом, что будет получена гладкая поверхность. Кроме того, для получения гладкой поверхности может быть нанесен сглаживающий слой 360 или другой слой.
[0067] Низкокоэффициентной области в устройстве могут быть приданы различные конфигурации. Предпочтение может быть отдано решетке. Под термином «решетка» здесь понимается повторяющийся узор из материала. На фиг.4A и фиг.4B показаны примеры расположения низкокоэффициентных материала и областей для использования в устройстве. На фиг.4А представлен вид сверху низкокоэффициентного материала 410, образующего гексагональную решетку. На фиг.4B представлен вид сверху низкокоэффициентного материала 410, образующего прямоугольную решетку. Структуры, показанные на фиг.4А и 4B, могут быть размещены в устройстве на органических светодиодах в плоскости, параллельной одному или обоим электродам. Поперечное сечение такого устройства может быть таким, как показано на фиг.3А. Излучающие области 420 могут содержать излучающий материал, материалы, транспортирующие заряды и/или материалы, блокирующие заряды, а также другие описываемые здесь структуры и слои. Может оказаться предпочтительным, чтобы элементы решетки имели приблизительно одинаковые размеры, однако это не является обязательным требованием, и элементы решетки могут различаться размерами. В случае регулярного узора, т.е. когда области излучающего материала окружены низкокоэффициентными областями одинакового размера, решетка может быть охарактеризована шириной 421. Что касается решетки на фиг.4B, то она представляет собой регулярную прямоугольную решетку, у которой излучающие области на виде сверху являются прямоугольными. Могут использоваться и другие конфигурации решеток, например треугольная или восьмиугольная, а также различные другие узоры и структуры.
[0068] В некоторых случаях, исходя из желаемых свойств устройства, может быть выбрана конкретная форма решетки. Например, на фиг.5А показаны смоделированные значения для количества света, переходящего в воздушную и стеклянную среду, для устройства, содержащего низкокоэффициентный материал, организованный в решетки, показанные на фиг.4A и фиг.4B, для нескольких коэффициентов преломления. Данные смоделированы для устройства, имеющего излучающие органические области шириной около 5 мкм, низкокоэффициентные области шириной около 0,8 мкм и верхний электрод из оксида индия-олова толщиной 100 нм. Показано количество света, которое в конечном счете переходит в воздушную среду в устройстве, имеющем квадратную решетку (вертикальная штриховка) и гексагональную решетку (сплошная закраска), и в стеклянную среду в устройстве, имеющем квадратную решетку (горизонтальная штриховка) и гексагональную решетку (диагональная штриховка). Уровни показаны относительно таковых для известного, т.е. не имеющего низкокоэффициентных областей, устройства на органических светодиодах, при этом низкокоэффициентная область смоделирована как имеющая коэффициент преломления около 1,7-1,8 (см. поз.510). Это ожидаемое значение, поскольку органические материалы, обычно используемые в устройствах на органических светодиодах, могут иметь коэффициенты преломления около 1,7-1,8.
[0069] На фиг.5 В показано смоделированное излучение для устройства, имеющего гексагональную решетку из низкокоэффициентного материала, коэффициент преломления которого составляет 1,03. Ширина излучающих областей составляет 5 мкм, ширина низкокоэффициентных областей составляет 8 мкм, а электрод представляет собой слой оксида индия-олова толщиной 100 нм. При использовании низкокоэффициентных областей (горизонтальная штриховка) эффективность световывода устройства повышается, как показано, до 0,44. Устройство на органических светодиодах с идеальной микролинзой, расположенной на рабочей поверхности устройства (перекрестная штриховка), в целом имеет эффективность световывода приблизительно 0,32, тогда как измеренное значение для такого устройства обычно составляет приблизительно 0,26. Для известного устройства на органических светодиодах (штриховка отсутствует) эффективность световывода смоделированного устройства составляет приблизительно 0,17.
[0070] Как можно видеть на фиг.5А, при повышении коэффициента преломления низкокоэффициентных областей больше света переходит в стеклянную среду и меньше в воздушную среду. В некоторых случаях может оказаться полезным изменять границу разделения подложки и воздушной среды таким образом, чтобы она не была параллельной плоскости органического слоя, вызывая таким образом увеличение количества света, переходящего из стеклянной среды в воздушную. Таким образом, низкокоэффициентная область с конфигурациями, увеличивающими переход из стеклянной среды в воздушную, может иметь синергетический эффект. А именно, низкокоэффициентная область может переводить свет из органической среды в стеклянную, а свет в стеклянной среде, благодаря конфигурации или строению подложки, может переходить в воздушную среду. Например, микролинзовый лист 610, показанный на фиг.6А, может быть расположен с непосредственным прилеганием к подложке, или же подложка может включать в себя микролинзу или микролинзовый лист. Могут использоваться и другие конфигурации, например полусферическая линза с сантиметровой шкалой или подложка, имеющая на границе ее раздела с воздушной средой огрубленную поверхность. Подложка может содержать также разные материалы, например, материалы с разными коэффициентами преломления; это может также увеличить количество света в стеклянной среде, переходящего в воздушную среду. Как можно видеть на фиг.6В, между подложкой 304 и электродом 303 может быть расположен также тонкий слой 620 низкокоэффициентного материала, например аэрогеля или тефлона. Этот слой также может направлять большее количество света, который иначе был бы в стеклянной среде, в электродную или органическую среду, где он в конечном счете попадает в низкокоэффициентную область и становится светом в стеклянной среде.
Low
Low
Low
Low
[0071] На фиг.7 и фиг.8 показаны расчетные доли света, излучаемого устройством, имеющим ту же базовую структуру, что и устройство, показанное на фиг.5В, в зависимости от угла наблюдения. На фиг.7 показаны доли света, излучаемого устройством с микролинзой, имеющим решетку из низкокоэффициентного материала с коэффициентом преломления n=1,03 (перекрестная штриховка), n=1,2 (штриховка отсутствует) и n=1,29 (сплошная закраска). Как можно видеть, эффективность световывода устройства может достигать 0,60. На фиг.8 показаны доли света, излучаемого известным из уровня техники устройством на органических светодиодах (штриховка отсутствует), устройством на органических светодиодах с идеальной микролинзой (перекрестная штриховка) и устройством на органических светодиодах с идеальной микролинзой и гексагональной решеткой из низкокоэффициентного материала с коэффициентом преломления n=1.29 (сплошная закраска).
Low
Thin
Low
Low
Low
[0072] На фиг.9 и 10 показаны расчетные доли излучаемого света в зависимости от угла излучения. Это устройство имеет ту же структуру, что и описанное перед этим, а также тонкий слой низкокоэффициентного материала, введенный между электродом из оксида индия-олова и излучающим материалом, и низкокоэффициентные области, разделяющие соседние области излучающего материала. На фиг.9 показан свет, излучаемый известным из уровня техники устройством на органических светодиодах (штриховка отсутствует) и устройством на органических светодиодах с гексагональной решеткой из низкокоэффициентного материала с коэффициентом преломления n=1,2 и введенного слоя из материала Teflon AF с коэффициентом преломления n=1,29 (перекрестная штриховка). На фиг.10 показано излучение для устройства, имеющего ту же структуру, что и устройство, показанное на фиг.9, но отличающегося тем, что у него коэффициент преломления n низкокоэффициентного материала равен 1,29. Эффективность световывода устройств, проиллюстрированных на фиг.9 и 10, может составлять от 0,32 (в случае, когда у низкокоэффициентного материала коэффициент преломления n=1,29) до 0,34 (в случае, когда у низкокоэффициентного материала коэффициент преломления n=1,2).
[0073] Упомянутый тонкий слой низкокоэффициентного материала может служить для изменения углового распределения света в подложке путем уменьшения количества света, который претерпевает полное внутреннее отражение на границе раздела подложки и воздушной среды. На фиг.11 и 12 иллюстрируется соответственно угловое распределение света в стеклянной подложке без низкокоэффициентного слоя и с низкокоэффициентным слоем из материала с коэффициентом преломления 1,29. Картины распределения показаны для устройства на органических светодиодах, известного из уровня техники (1110, 1120) и устройств на органических светодиодах с низкокоэффициентным слоем с коэффициентом преломления 1,03 (1120, 1220), 1,02 (1130, 1230) и 1,3 (1130, 1230).
[0074] Может оказаться полезным использовать микролинзовый лист, показанный на фиг.6А, и низкокоэффициентный слой, показанный на фиг.6B в том же устройстве. Эффективность световывода у такого устройства может достигать 0,59. На фиг.13 показаны доли излучаемого света в зависимости от угла излучения для устройств различной структуры. Значения показаны для устройства на органических светодиодах, известного из уровня техники (штриховка отсутствует), для устройства на органических светодиодах с идеальной микролинзой (прямая перекрестная штриховка), для устройства на органических светодиодах с низкокоэффициентными областями, имеющими коэффициент преломления 1,29, тонким низкокоэффициентным слоем и микролинзовым листом (диагональная перекрестная штриховка) и для устройства на органических светодиодах, имеющего микролинзовый лист и низкокоэффициентные области с областью низкокоэффициентного материала, имеющего коэффициент преломления 1,29 (сплошная закраска).
[0075] На фиг.18 показано в качестве примера устройство 1800, имеющее низкокоэффициентные области 1810. Устройство содержит подложку 1804, электроды 1801 и 1803 и слой 1802, имеющий области из одного или большего числа излучающих материалов 1805 и области из низкокоэффициентного материала 1810. Должно быть понятно, что устройство, показанное на фиг.18, может содержать также различные другие слои и структуры, описываемые в настоящей заявке.
[0076] Представляется предпочтительным, чтобы низкокоэффициентный материал содержал материал, коэффициент преломления которого меньше коэффициента преломления излучающего материала, поскольку это может поспособствовать увеличению количества света в волноводной среде, переходящего в воздушную и/или стеклянную среду. Может оказаться предпочтительным, чтобы коэффициент преломления низкокоэффициентного материала находился в диапазоне 1,0-3,0, более предпочтительно - в диапазоне 1,0-1,5. Для низкокоэффициентной области могут использоваться различные низкокоэффициентные материалы, в частности описывавшиеся выше.
[0077] На фиг.19А, 19B и 19C показано в качестве примера устройство с низкокоэффициентной решеткой, внедренной в органический слой. Период решетки (расстояние между низкокоэффициентными областями) может быть порядка микрометров и больше длины волны излучаемого света. Считается, что такая периодичность позволяет большой доле света в волноводной среде войти в низкокоэффициентную область, которая перенаправляет свет в направлении к нормали к подложке, откуда он покидает устройство. Считается также, что, поскольку периодичность низкокоэффициентной решетки (около 5-20 мкм) по порядку величины превышает длину волны излучаемого света, повышающий эффект не зависит от этой длины волны. Это может быть полезно в случае имеющих белое свечение прозрачных устройств на органических светодиодах TOLEDs (аббревиатура от Transparent Organic Light-Emitting Devices), которые характеризуются широкими спектрами, поскольку по существу отсутствуют искажения спектров излучения извлекаемого света. Периодичность низкокоэффициентной решетки также больше, чем на один порядок меньше пикселя прозрачного устройства на органических светодиодах (который находится в пределах 195-380 мкм) и, соответственно, считается, что она не влияет на совмещение паттернов пикселей низкокоэффициентной решетки и прозрачного устройства на органических светодиодах.
[0078] Кроме того, считается, что такое внедрение низкокоэффициентной решетки в прозрачное устройство на органических светодиодах также устраняет растровые эффекты, имеющие место в некоторых устройствах, например в упоминаемых в источнике Cui et al., "Optimization of Light Extraction from OLEDs," Optic Express Vol.15, No.8 (Apr.16, 2007).
[0079] В качестве иллюстрации на фиг.18 показаны примеры лучей 1820, 1825, 1830 и 1835, чтобы показать различные возможные исходы при излучении света излучающим материалом в прозрачном устройстве на органических светодиодах. Луч 1830, произведенный в волноводной среде, обычно не мог бы покинуть излучающий слой. В примере, представленном на фиг.18, такой луч 1830 может быть смоделирован как странствующий внутри излучающего слоя под достаточно большим углом к нормали к электроду, никогда не сталкиваясь с границей излучающего слоя. Сходным образом, находящийся в волноводной среде луч 1835 может быть смоделирован как луч, сталкивающийся с границей излучающего слоя, но под достаточно большим углом θ [к нормали к электроду], при котором происходит полное внутреннее отражение. Такие лучи не должны выходить ни с верхней, ни с нижней поверхности устройства 1800, но могут излучаться с боковых поверхностей. Однако низкокоэффициентные области, соседствующие с излучающими областями, могут обеспечивать свет, выходящий через рабочие поверхности устройства, который в ином случае устройством не излучался бы или который излучался бы только через боковые поверхности. Как показано на фиг.18, свет, входящий в низкокоэффициентные области, преломляется в направлении к нормали к подложке, позволяя ему выйти из устройства непосредственно (луч 1830) или после отражения от электрода (луч 1835). Т.е. свет, проходящий сквозь низкокоэффициентные области, может переходить из волноводной среды в воздушную, излучаясь из устройства. Кроме того, низкокоэффициентная решетка не оказывает влияния на свет, который непосредственно выходит из устройства, излучаясь через его верхнюю (луч 1820) или, в случае прозрачного устройства, нижнюю (луч 1825) поверхность.
[0080] Низкокоэффициентный материал 1810 может наноситься на электрод 1801. Этот низкокоэффициентный материал может наноситься в виде различных узоров, решеток и других структур, описываемых здесь. На электрод 1803 и низкокоэффициентные области 1810 затем может быть нанесен один или более органических материалов 1805, результатом чего становится органический слой с негладкой поверхностью. На органический слой 1805 может быть нанесен электрод 1803 или другой слой, так что получившаяся поверхность также является негладкой или же электрод 1803 или другой слой может быть нанесен таким образом, чтобы получилась гладкая поверхность.
[0081] На фиг.18 границы между низкокоэффициентными областями 1810 и соседними органическими областями 1805 показаны в виде плоских граничных поверхностей, перпендикулярных электродам и подложке, однако должно быть понятно, что это не обязательно должно быть так и возможны границы другого типа, например показанные на фиг.3B и 3C.
[0082] На фиг.19А, 19B и 19C в качестве иллюстративного примера показано прозрачное устройство 1900 на органических светодиодах, имеющее низкокоэффициентную решетку 1910, электрод 1902 из оксида индия-олова, катод 1904 и слой 1903, имеющий области одного или более органических слоев 1905 и низкокоэффициентную решетку 1910. На фиг.19B показано прозрачное устройство 1900 на органических светодиодах, имеющее низкокоэффициентную решетку 1910, устроенную как прямоугольная решетка, ориентированная в плоскости, параллельной электродам 1902 и 1904. На фиг.19А прозрачное устройство 1900 на органических светодиодах показано на виде сверху. На фиг.19C такое устройство показано под углом и на виде сбоку в сечении. Органический слой 1905 может содержать излучающий материал, материалы, транспортирующие заряды и/или материалы, блокирующие заряды, а также другие описываемые здесь структуры и слои. Может оказаться предпочтительным, чтобы повторяющиеся части низкокоэффициентной решетки имели приблизительно одинаковые размеры, однако это не является обязательным требованием, и повторяющиеся части решетки могут различаться размерами. Например, правильная прямоугольная решетка имеет излучающие области, являющиеся на виде сверху квадратными. Могут использоваться и другие конфигурации решеток, например треугольная или восьмиугольная, а также различные другие узоры и структуры.
[0083] На фиг.20А, 20B и 20С показано смоделированное излучение для устройства, имеющего прямоугольную решетку из низкокоэффициентного материала, имеющего коэффициент преломления 1,03. Толщина низкокоэффициентных областей составляет 100 нм, толщина органических слоев составляет 100 нм, а толщина нижнего электрода из оксида индия-олова составляет 120 нм. На фиг.20C показано, что повышение световывода оптимизируется, когда толщина низкокоэффициентной решетки совпадает с толщиной органических слоев. Коэффициент повышения световывода может уменьшаться с уменьшением толщины низкокоэффициентной решетки.
org
LIG
[0084] На фиг.20А показано, что коэффициент повышения световывода повышается с уменьшением ширины органической области (w), поскольку при входе в низкокоэффициентную решетку до поглощения в органических слоях и слое из оксида индия-олова повышается световывод из волноводной среды. На фиг.20A показано также, что коэффициент повышения световывода повышается с увеличением ширины низкокоэффициентной решетки (w), поскольку может быть извлечено больше света без повторного входа в органические слои из волноводной среды.
[0085] Из практических соображений ширина органического слоя при таких смоделированных излучениях не может быть слишком малой, с тем чтобы гарантировать, чтобы эффективная излучающая площадь была достаточной для для того, чтобы устройство обеспечивало требуемую яркость. На фиг.20А, 20B и 20С ширина низкокоэффициентной решетки составляет 1 мкм, а толщина органических слоев составляет 6 мкм, при условии что эффективная площадь свечения превышает 70%. На фиг.20B показано, что эффективность световывода устройства на органических светодиодах с верхним излучением повышается с понижением коэффициента преломления низкокоэффициентной решетки. С повышением коэффициента преломления низкокоэффициентной решетки больше света переходит в стеклянную среду и меньше в воздух.
[0086] На фиг.21 представлен иллюстративный пример устройства, имеющего микролинзовый лист 610e, расположенный с непосредственным прилеганием к подложке, или же подложка может включать микролинзу или микролинзовый лист. На фиг.20В показано смоделированное повышение световывода как функции коэффициента преломления для устройства на органических светодиодах верхнего свечения с низкокоэффициентной решеткой (пустые столбцы) и с низкокоэффициентной решеткой и микролинзой (заштрихованные столбцы). Эффективность световывода для таких устройств может быть повышена приблизительно в два-три раза.
[0087] На количество света, в конечном счете переходящего в воздух и излучаемого из устройства, можно также повлиять изменением других структурных признаков устройства, таких как толщина электродов, ширина низкокоэффициентных областей и/или ширина излучающих областей. На фиг.14-фиг.17 представлены смоделированные результаты для вариаций различных параметров устройства. Если не указано иное, каждое устройство было смоделировано с низкокоэффициентными областями шириной 0,8 мкм в 1D-периодической решетке, органическими излучающими областями шириной 4 мкм, электродом из оксида индия-олова толщиной 100 нм и низкокоэффициентным материалом с коэффициентом преломления 1,03. На фиг.14 показаны доли света в воздухе (кривая с квадратиками) и в стеклянной среде (кривая с кружками) как функция толщины электрода из оксида индия-олова для значений толщины в диапазоне 70-150 нм. На фиг.15 показаны доли света в каждой среде для низкокоэффициентных областей различной толщины в диапазоне 500-1200 нм. На фиг.16 показаны доли света в каждой среде для органических областей в диапазоне значений толщины 4-10 мкм. На фиг.17 показаны доли света в каждой среде для низкокоэффициентных материалов с коэффициентами преломления в диапазоне 1-1,75 для квадратных и гексагональных решеток. Величины показаны для воздушной среды для идеальной 1D-периодической решетки 1710, квадратной решетки 1720 и гексагональной решетки 1730, а также для стеклянной среды для идеальной 1D-периодической решетки 1740, квадратной решетки 1750 и гексагональной решетки 1760. Величины, указанные в пунктирном овале, те же, что и величины для обычного устройства на органических светодиодах. Для структур, показанных на фиг.14-17, обычное устройство на органических светодиодах обычно показывает доли света, равные приблизительно 0,17 для воздушной среды и 0,26 в стеклянной среде.
[0088] Должно быть понятно, что различные описанные здесь варианты осуществления предлагаемого изобретения представлены только в качестве иллюстративных примеров, и ими объем предлагаемого изобретения не ограничивается. Например, многие описанные здесь материалы и структуры могут быть заменены другими материалами и структурами без отклонения от духа предлагаемого изобретения. Должно быть понятно, что различные теоретические объяснения того, почему предлагаемое изобретение работает, не являются ограничивающими. Например, не являются ограничивающими теоретические объяснения, относящиеся к переносу зарядов.
[0089] Обозначения материалов
В настоящем описании использованы следующие сокращенные обозначения материалов:
СВР 4,4'-N,N-дикапбазолбифенил
m-MTDATA 4,4',4''-трис(3-метилфенилфенлиамино)трифениламин
3
Alq 8-трис-гидроксихинолинплюминий
Bphen 4,7-дифенил-1,10-фенантролин
4
F-TCNQ Тетрафтор-тетрациано-хинондиметан
3
lr(ppy) трис(2-фенилпиридин)-иридий
ВСР 2,9-диметил-4,7-дифенил-1,10-фенантролин
CuPc фталоцманин меди
ITO оксид индия-олова
NPD N,N'-дифенил-N,N'-ди(1-нафтил)-бензидин
TPD N,N'-дифенил-N,N'-ди(3-толи)-бензидин
МСР 1,3-N,N-дикарбазол-бензин
DCM 4 -(дицианоэтилен)-6-(4-диметил-аминостирил-2-метил)-4H-пиран
DMQA N,N'-диметилхинакридон
PEDOT:PSS водная дисперсия поли(3,4-этилендиокситиофен) с полистиролсульфонатом (PSS)
[0090] Предлагаемое изобретение описано для частных примеров и предпочтительных вариантов осуществления, однако должно быть понятно, что предлагаемое изобретение не ограничивается этими примерами и вариантами осуществления. Поэтому в объем притязаний предлагаемого изобретения включаются также вариации описанных здесь частных примеров и вариантов осуществления, понятные для специалиста.