电激发光装置
阅读：213发布：2020-05-11
专利汇可以提供电激发光装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种电激发光装置，其包括具有一高于1.8的第一折射率的一高折射率层；一透明的第一 电极 ，邻接于高折射率层；邻接于第一电极并相对于高折射率层的至少一功能层，且功能层包括一 发光层 ，由发光层发出的光所具有的一主 波长 ；及一第二电极，邻接于该功能层并相对于第一电极。特别地是，第一电极具有一低于1.7的第二折射率。本发明的电激发光装置及其应用具有改善其出光效率及外部 量子效率 的技术效果。，下面是电激发光装置专利的具体信息内容。
1.一种电激发光装置，其特征在于，包括：
一高折射率层，具有一高于1.8的第一折射率nH；
一第一电极，邻接于该高折射率层，且该第一电极是透明的；
至少一功能层，邻接于该第一电极并相对于该高折射率层，且该功能层包括一发光层，由该发光层发出的光所具有的主波长为λ；及
一第二电极，邻接于该功能层并相对于该第一电极；
该第一电极具有一低于1.7的第二折射率nL。
2.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该第一电极是一PEDOT：
PSS聚合物，且该高折射率层是一利用电子束蒸镀沉积而成或利用射频溅镀沉积而成的二氧化钛薄膜，其中该PEDOT：PSS聚合物的该第二折射率小于或等于1.55，利用电子束蒸镀沉积而成的该二氧化钛薄膜的该第一折射率为2.28，利用射频溅镀沉积而成的该二氧化钛薄膜的该第一折射率为2.5。
3.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该高折射率层的厚度约为奇数倍的λ/4nH，以及该第一电极的厚度约为奇数倍的λ/4nL。
4.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：更包括至少一子层连接于该第一电极的一侧且夹设于该高折射率层及该发光层之间，该子层包含一第1层至一第j层，其中该第一电极及该子层的厚度关系为： 或等于奇数倍的 其
中，j表示任一自然数；
ki表示该第1层至该第j层中任一第i层的波向量，ki＝2π×ni/λ，ni表示该第i层的折射率，Li表示该第i层的厚度；
kc表示该第一电极的波向量，kc＝2π×nL/λ，Lc表示该第一电极的厚度；
其中，该第一电极的厚度至少等于或大于该子层的总厚度。
5.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：具有该第一折射率的该高折射率层的材料是选自由二氧化钛、五氧化二钽、二氧化锆、氧化铝、氧化锌、二氧化铪、硫化锌、氮化硅、五氧化二铌、二氧化铈、氧化铟锡、氟掺杂氧化锡、氧化锌铝、氧化镓锌、氧化铟锌、氧化锡、掺铌氧化钛所构成的群组，或是由上述堆栈的材料。
6.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：具有该第二折射率的该第一电极的材料是选自由奈米孔洞氧化铟锡、奈米孔洞氟掺杂氧化锡、奈米孔洞氧化锌铝、奈米孔洞氧化镓锌、奈米孔洞氧化铟锌、奈米孔洞氧化锡、奈米孔洞掺铌氧化钛所构成的群组，或是由上述堆栈的材料。
7.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：该发光层具有一水平偏向发光偶极子，且其具有一大于70％的水平发光偶极率。
8.如申请专利范围第7项所述的电激发光装置，其特征在于：该发光层的该水平发光偶极率趋近100％，且该高折射率层的该第一折射率趋近3。
9.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：更包括一基板或一超基板邻接于该高折射率层并相对于该第一电极，且该基板或该超基板具有一低于该第一折射率的第三折射率。
10.如申请专利范围第9项所述的电激发光装置，其特征在于：该基板或超基板具有一相对于该高折射率层的出光面，该出光面经过一表面处理，该表面处理包括粗糙化、分散化或塑形化外表面，以形成棱镜、三角锥、微距透镜、微透镜、微棱镜、微三角锥或光栅。
11.如申请专利范围第9项所述的电激发光装置，其特征在于：该基板或超基板具有一相对于该高折射率层的出光面，该出光面邻接有一光学组件，该光学组件包括棱镜、三角锥、半球透镜、微距透镜片、微透镜片、微棱镜片、微三角锥片、微粒子层、奈米粒子层、微孔洞层、奈米孔洞层、光栅片、散射片、扩散片、孔数组、裂隙数组、气泡数组或真空孔数组。
12.如申请专利范围第1项所述的电激发光装置，其特征在于：当应用于照明或显示设备上，所述的电激发光装置更包括被整合于其上的一金属总线或一金属栅极。
电激发光装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电激发光装置，特别是关于一种改善出光效率及其应用的电激发光装置。【背景技术】
[0002] 从邓清云博士与VanSlyke博士于1987年发表第一篇探讨有机发光组件的效率与实用性的报导后，有机发光二极管(organic light-emitting diode，以下简称OLED)技术已成为显示器及照明应用上深入研究和开发的主要课题。请参考图1，传统典型的OLED结构1具有一反射金属电极11(通常作为阴极)、透明导电电极13例如ITO等(通常作为阳极)，及位于两者之间的有机层12所形成的三明治结构，且上述三明治结构位于玻璃基板14上。借着采用高效率的发光材料例如具磷光机制的材料，OLED的内部量子效率可达到接近100％。
然而，在传统典型的OLED结构中，如何将OLED内部发光能萃取到组件外部空气中的组件出光效率，是实现高效率的外部量子效率的一大课题。
然而，在传统典型的OLED结构中，如何将OLED内部发光能萃取到组件外部空气中的组件出光效率，是实现高效率的外部量子效率的一大课题。
[0003] 通常有机层12及透明导电电极13的折射率高于典型的基板，例如有机层的光学折射率一般介于1.7至1.8，透明导电电极13的光学折射率一般介于1.8至2.1；至于典型的透明基板14例如玻璃或塑料等的光学折射率一般介于1.4至1.5，而透明基板14的光学折射率也高于空气(折射率一般为1)。由于传统典型的OLED结构1中，空气/基板14的界面以及基板14/透明导电电极13的界面，皆明显具有折射率不匹配的问题，使得OLED内部产生的各个角度的光，常会在上述界面遭遇全反射而被局限在组件而无法出到基板进而出光到空气；因此大量的内部发光被局限在组件中。
[0004] 一般而言，OLED的内部发光E被耦合至四种不同的模式。如图2所示，发光模式R(radiation modes)是耦合出光至空气中的有效发光；基板模式S(substrate modes)是被波导局限在基板14中的光；波导模式W(waveguid modes)是被波导局限在高折射率有机层12/透明导电电极13中的光；表面电浆模式SP(surface-plasmon modes)是被引导沿着有机层12/反射金属电极11的界面的光。因此，传统典型的OLED的组件出光效率通常仅有20-
25％。然而，特别是应用于对光强功效有强烈需求的产品上，例如照明或移动应用上，如何借着增加组件内部发光真正能萃取到组件外部的组件出光(light out-coupling)，以达成加强OLED的外部量子效率(external quantum efficiency，EQE)的需求量，是本发明主要的目的。
【发明内容】
25％。然而，特别是应用于对光强功效有强烈需求的产品上，例如照明或移动应用上，如何借着增加组件内部发光真正能萃取到组件外部的组件出光(light out-coupling)，以达成加强OLED的外部量子效率(external quantum efficiency，EQE)的需求量，是本发明主要的目的。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述习知技术的缺点，本发明提供下列各种实施例来解决上述问题。
[0006] 本发明提供一种电激发光装置，包括具有一高于1.8的第一折射率nH的一高折射率层；一透明的第一电极，邻接于高折射率层；邻接于第一电极并相对于高折射率层的至少一功能层，且功能层包括一发光层，由发光层发出的光所具有的主波长为λ；及一第二电极，邻接于该功能层并相对于第一电极。其中，第一电极具有一低于1.7的第二折射率nL。
[0007] 在一较佳实施例中，第一电极是一聚合物PEDOT：PSS，且高折射率层是一利用电子束蒸镀沉积而成或利用射频溅镀沉积而成的二氧化钛薄膜，其中聚合物PEDOT：PSS的第二折射率小于或等于1.55，利用电子束蒸镀沉积而成的二氧化钛薄膜的第一折射率为2.28，利用射频溅镀沉积而成的二氧化钛薄膜的第一折射率为2.5。
[0008] 在一实施例中，高折射率层的厚度约为λ/4nH或奇数倍的λ/4nH，以及第一电极的厚度约为λ/4nL或奇数倍的λ/4nL。
[0009] 在一实施例中，更包括至少一子层连接于第一电极的一侧且夹设于高折射率层及发光层之间，子层包含一第1层至一第j层，其中第一电极及子层的厚度关系为：
[0010] 或等于奇数倍的
[0011] 其中，j表示任一自然数；ki表示第1层至第j层中任一第i层的波向量，ki＝2π×ni/λ，ni表示第i层的折射率，Li表示第i层的厚度；kc表示第一电极的波向量，kc＝2π×nL/λ，Lc表示第一电极的厚度；其中，第一电极的厚度至少等于或大于子层的总厚度。
[0012] 在一实施例中，具有第一折射率的高折射率层的材料是选自由二氧化钛、五氧化二钽、二氧化锆、氧化铝、氧化锌、二氧化铪、硫化锌、氮化硅、五氧化二铌、二氧化铈、氧化铟锡、氟掺杂氧化锡、氧化锌铝、氧化镓锌、氧化铟锌、氧化锡、掺铌氧化钛所构成的群组，或是由上述堆栈的材料。
[0013] 在一实施例中，具有第二折射率的第一电极的材料是选自由奈米孔洞氧化铟锡、奈米孔洞氟掺杂氧化锡、奈米孔洞氧化锌铝、奈米孔洞氧化镓锌、奈米孔洞氧化铟锌、奈米孔洞氧化锡、奈米孔洞掺铌氧化钛所构成的群组，或是由上述堆栈的材料。
[0014] 在一实施例中，发光层具有一水平偏向发光偶极子，且其具有一大于70％的水平发光偶极率。在一较佳实施例中，发光层的水平发光偶极率趋近100％，且高折射率层的第一折射率趋近3。
[0015] 在一实施例中，更包括一基板或一超基板邻接于高折射率层并相对于第一电极，且基板或超基板具有一低于第一折射率的第三折设率。在一较佳实施例中，基板或超基板具有一相对于高折射率层的出光面，出光面经过一表面处理，表面处理包括粗糙化、分散化或塑形化外表面，以形成棱镜、三角锥、微距透镜、微透镜、微棱镜、微三角锥或光栅。在一较佳实施例中，出光面邻接有一光学组件，光学组件包括棱镜、三角锥、半球透镜、微距透镜片(macrolens sheet)、微透镜片、微棱镜片、微三角锥片、微粒子层、奈米粒子层、微孔洞层、奈米孔洞层、光栅片、散射片、扩散片、孔数组(arrays of pores)、裂隙数组(arrays of crevices)、气泡数组(arrays of air bubbles)或真空孔数组(arrays of vacuum pores)。
[0017] 图1(a)及图1(b)分别是现有技术的典型下发光式有机发光组件示意图及其内部发光耦合出光模式的示意图。
[0018] 图2是本发明实施例中一种电激发光装置的示意图。
[0019] 图3(a)及图3(b)分别示意典型ITO装置及典型PEDOT装置，依据使用不同的电子传输层(ETL)厚度及电洞传输层(HTL)厚度而计算的出光耦合效率。
[0020] 图3(c)及图3(d)分别示意本发明第一种实施例中TiO2-e/PEDOT装置依据使用不同的高折射率层(TiO2)厚度及低折射率第一电极(PEDOT)厚度而计算的出光耦合效率，及依据使用不同的电子传输层(ETL)厚度及电洞传输层(HTL)厚度而计算的出光耦合效率。
[0021] 图3(e)及图3(f)分别示意本发明第二种实施例中TiO2-s/PEDOT装置依据使用不同的高折射率层(TiO2)厚度及低折射率第一电极(PEDOT)厚度而计算的出光耦合效率，及依据使用不同的电子传输层(ETL)厚度及电洞传输层(HTL)厚度而计算的出光耦合效率。
[0022] 图4(a)示意典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明实施例中TiO2-e/PEDOT装置及TiO2-s/PEDOT装置内部发光的模式分布计算结果。
[0023] 图4(b)示意典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明实施例中TiO2-e/PEDOT装置及TiO2-s/PEDOT装置由基板外部计算/量测得到反射频谱。
[0024] 图5(a)示意典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明实施例中TiO2-e/PEDOT装置及TiO2-s/PEDOT装置的电流密度-电压-亮度(current-voltage-luminance，I-V-L)特性曲线图。
[0025] 图5(b)及图5(c)示意典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明实施例中TiO2-e/PEDOT装置及TiO2-s/PEDOT装置的电激发光(EL)效率关系图。
[0026] 图6(a)、图6(b)、图6(c)及图6(d)依序分别示意典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明实施例中TiO2-e/PEDOT装置及TiO2-s/PEDOT装置，在偏离平面法线的观察角度0°、30°及60°所量测的电激发光(EL)频谱(其发光强度均相对于0°发光强度做归一化)。
[0027] 图6(e)示意典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明实施例中TiO2-e/PEDOT装置与TiO2-s/PEDOT装置及朗伯分布(Lambertian distribution)的电激发光强度对角度的分布图(其发光强度均相对于0°发光强度做归一化)。
[0028] 图6(f)示意附着有半球状透镜(w/lens)下量测的上述四种装置在基板内的电激发光强度对角度的分布曲线。
[0029] 图7示意本发明实施例装置的出光耦合效率相对于水平耦极率及高折射率层的折射率的模拟结果。
[0030] 【附图标号说明】
[0031] 1 典型下发光型有机发光组件
[0032] 11 金属电极
[0033] 12 有机层
[0034] 13 透明电极
[0035] 14 基板
[0036] 10 电激发光装置
[0037] 100 基板
[0038] 110 高折射率层
[0039] 120 第一电极
[0040] 130 功能层(有机层)
[0041] 140 第二电极
[0042] E 内部发光
[0043] R 发光模式
[0044] S 基板模式
[0045] W 波导模式
[0046] SP 表面电浆模式【具体实施方式】
[0047] 有关本发明前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。然而，除了所揭露的实施例外，本发明的范围并不受该些实施例的限定，乃以其后的申请专利范围为准。而为了提供更清楚的描述及使该项技艺的普通人员能理解本发明的发明内容，图示内各部分并没有依照其相对的尺寸进行绘图，某些尺寸或其他相关尺度的比例可能被凸显出来而显得夸张，且不相关的细节部分并没有完全绘出，以求图示的简洁。此外，以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是用于参照随附图式的方向。因此，该等方向用语仅是用于说明并非是用于限制本发明。
[0048] 请参考图2，本发明实施例提供一种改善出光萃取的电激发光装置10(electroluminescent device，EL device)，电激发光装置10可以是一般发光二极管(LED)或是有机发光二极管(OLED)。电激发光装置10包括一高折射率层110、一第一电极120、至少一功能层(或是有机层)130及一第二电极140。高折射率层110具有一高于1.8的第一折射率nH，第一电极120是透明的且邻近设置于高折射率层110。功能层130邻近设置于第一电极
120并相对于高折射率层110，且功能层130包括一发光层，其中由发光层发出的光所具有的主波长为λ。第二电极140邻近设置于功能层130并相对于第一电极120。特别地是，第一电极
120具有一低于1.7的第二折射率nL。
120并相对于高折射率层110，且功能层130包括一发光层，其中由发光层发出的光所具有的主波长为λ。第二电极140邻近设置于功能层130并相对于第一电极120。特别地是，第一电极
120具有一低于1.7的第二折射率nL。
[0049] 在一较佳实施例中，电激发光装置更包括一基板或一超基板100邻接于高折射率层110的外表面并相对于第一电极120，且基板或超基板100具有一外表面(出光面)及一内表面，内表面邻近于第一电极120并面对发光层，外表面相对于内表面并朝向空气。基板或超基板100具有一低于第一折射率nH的第三折设率。
[0050] 在一较佳实施例中，第一电极120可以是阳极或阴极。功能层130中的发光层具有一相对于层表面的水平偏向发光偶极子，且其具有一大于70％的水平发光偶极率。
[0051] 经由适当地调整高折射率层110及低折射率第一电极120的厚度，以及发光层至两电极的距离，本发明装置其由内部发射至基板或超基板100及空气的出光耦合效率会大幅增加，大幅超越采用高折射率透明电极例如氧化铟锡(ITO，其折射率＞1.8)的典型有机发光二极管或是仅采用低折射率透明电极/第一电极(例如PEDOT：PSS聚合物，其折射率≤1.55)的有机发光二极管。
[0052] 在一实施例中，高折射率层110的厚度约为λ/4nH或奇数倍的λ/4nH，以及位于高折射率层110及发光层之间的第一电极120，其厚度约为λ/4nL或奇数倍的λ/4nL。
[0053] 在另一实施例中，电激发光装置更包括至少一子层连接于第一电极的一侧且夹设于高折射率层及发光层之间，子层包含一第1层至一第j层，其中第一电极及子层的厚度关系为：
[0054] 或等于奇数倍的
[0055] 其中，j表示任一自然数；
[0056] ki表示第1层至第j层中任一第i层的波向量，ki＝2π×ni/λ，ni表示第i层的折射率，Li表示第i层的厚度；
[0057] kc表示第一电极120的波向量，kc＝2π×nL，/λ，Lc表示第一电极120的厚度；其中，第一电极120的厚度至少等于或大于子层的总厚度。
[0058] 在一较佳实施例中，具有第一折射率的高折射率层110的材料包括五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、二氧化铪(HfO2)、硫化锌(ZnS)、氮化硅(SiNx)、五氧化二铌(Nb2O5)、二氧化铈(CeO2)、氧化铟锡(ITO)、氟掺杂氧化锡(fluorine-doped tin oxide)、氧化锌铝(aluminum zinc oxide)、氧化镓锌(gallium zinc oxide)、氧化铟锌(indium zinc oxide)、氧化锡(tin oxide)、掺铌氧化钛(niobium-doped titanium oxide)及上述堆栈或组合的材料，或是其他包含上述高折射率材料的合成材料。
[0059] 在一较佳实施例中，具有第二折射率的第一电极120的材料包括奈米孔洞氧化铟锡(ITO)、奈米孔洞氟掺杂氧化锡(fluorine-doped tin oxide)、奈米孔洞氧化锌铝(aluminum zinc oxide)、奈米孔洞氧化镓锌(gallium zinc oxide)、奈米孔洞氧化铟锌(indium zinc oxide)、奈米孔洞氧化锡(tin oxide)、奈米孔洞掺铌氧化钛(niobium-doped titanium oxide)及上述堆栈或组合的材料。
[0060] 在一实施例中，基板或超基板的外表面(或称出光面)，出光面经过一表面处理，包括粗糙化、分散化或塑形化外表面，以形成棱镜、三角锥、微距透镜、微透镜、微棱镜、微三角锥或光栅。
[0061] 在另一实施例中，更包括一光学组件(未示意)邻接于基板或超基板的外表面(或称出光面)，光学组件包括棱镜、三角锥、半球透镜、微距透镜片(macrolens sheet)、微透镜片、微棱镜片、微三角锥片、微粒子层、奈米粒子层、微孔洞层、奈米孔洞层、光栅片、散射片、扩散片、孔数组(arrays of pores)、裂隙数组(arrays of crevices)、气泡数组(arrays of air bubbles)或真空孔数组(arrays of vacuum pores)。
[0062] 上述所揭露的电激发光装置中基板或超基板100可以包含光取出处理(out-coupling treatment)，或是并未包含光取出处理。本发明实施例中电激发光装置的结构即使其基板或超基板100未包含光取出处理，其出光耦合效率及外部量子效率仍然增强，不过若其基板或超基板100包含光取出处理，则出光耦合效率及外部量子效率更加增强。
[0063] 当上述揭露的电激发光装置应用于照明或显示设备上，更包括被整合于其上的一金属总线或一金属栅极，其中金属总线及金属栅极皆具有电流传导的高导电性及平均电流分布遍布大区域的特性。
[0064] 关于在本说明书中一定量值前所使用的用语”约”或”大约”，本发明是指其包括具体的量化值本身，除非另有说明。如本实施例所使用，”约”或”大约”是定义为包含象征值加减20％的变化，除非实施例中另有说明或推断。以下提供各种实施例以进一步说明。
[0065] 实施例1：
[0066] 在本发明一实施例中，第一电极120可以是透明高导电聚合物例如聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸(poly(3，4-ethylenedioxythiophene)：poly(styrenesulfonate)，以下简称PEDOT：PSS)，PEDOT：PSS具有优异的机械弹性、良好的透光性和导电性、可溶解处理且成本低。相较于氧化铟锡(indium tin oxide，以下简称ITO)的导电性，高导电聚合物PEDOT：PSS近几年来成功地应用于有机发光二极管以及有机太阳能电池中的透明电极。高折射率层110则可以是具有高折射率的二氧化钛材料。高导电聚合物PEDOT：PSS所具有的光学特性(例如折射率仅约1.5)相对不同于广泛应用于透明导电ITO(折射率约为1.9至2.1)及典型有机层(折射率约为1.7至1.9)。
[0067] 以下针对不同结构的有机发光二极管装置，进行光耦合输出效率的综合理论分析。典型有机发光二极管装置(以下简称为ITO装置)是利用高折射率透明ITO电极作为第一电极(或是阳极)来堆栈其他材料层而形成。另一种典型有机发光二极管装置(以下简称为PEDOT装置)是仅利用低折射率聚合物PEDOT：PSS作为第一电极(或是阳极)来堆栈其他材料层而形成。不过，本发明实施例中的有机发光二极管装置(以下简称为TiO2/PEDOT装置)则是不仅利用低折射率聚合物PEDOT：PSS作为第一电极120(或是阳极)，更穿插高折射率层110(二氧化钛薄膜)于PEDOT：PSS120及基板100之间。藉由设置高折射率层110于PEDOT：PSS电极120的一侧，使得具有绝对低折射率的第一电极120被夹设于高折射率层110及功能层
130之间，而可形成光学的微共振腔，相较于典型的ITO装置及PEDOT装置，可大幅地增加光耦合出光效率及外部量子效率。
130之间，而可形成光学的微共振腔，相较于典型的ITO装置及PEDOT装置，可大幅地增加光耦合出光效率及外部量子效率。
[0068] 首先，实验仿真典型的ITO装置及PEDOT装置应用于一般绿色磷光有机发光二极管来做进一步研究，其结构如下：玻璃基板/透明阳极(ITO装置及PEDOT装置分别采用80奈米(nm)厚的ITO及100nm厚的双层PEDOT：PSS)/TAPC/有机磷光发光层材料CBP掺杂8重量百分比浓度(wt.％)的铱错合物(CBP：Ir(ppy)2(acac))(20nm)/B3PYMPM/氟化锂(0.5nm)/铝(150nm)。其中，TAPC(di-[4-(N，N-ditolyl-amino)-phenyl]-cyclohexane)作为电洞传输层(HTL)。掺杂8重量百分比浓度(wt.％)的铱错合物Ir(ppy)2(acac)[bis(2-phenylpyridine)(acetylacetonato)iridium(III)]的CBP[4，4′-bis(carbazol-9-yl)biphenyl]则是作为绿色磷光发光二极管的发光层(EML)，Ir(ppy)2(acac)的光激发荧光波峰及量子产率分别约为520nm及95％。B3PYMPM(4，6-bis(3，5-di(pyridin-3-yl)phenyl)-
2-methylpyrimidine)作为电子传输层(ETL)。氟化锂及铝分别作为电子注入层及阴极(第二电极)。位于ITO阳极或PEDOT：PSS阳极一侧的其他材料层是由热蒸镀法沉积而成，且其有效面积为真空蒸镀屏蔽(in-situ shadow masking)所定义(一般为1平方毫米(mm2))。
2-methylpyrimidine)作为电子传输层(ETL)。氟化锂及铝分别作为电子注入层及阴极(第二电极)。位于ITO阳极或PEDOT：PSS阳极一侧的其他材料层是由热蒸镀法沉积而成，且其有效面积为真空蒸镀屏蔽(in-situ shadow masking)所定义(一般为1平方毫米(mm2))。
[0069] 在典型PEDOT装置中，PEDOT阳极是由一层75nm厚的高导电PEDOT：PSS聚合物(导电率约为900-1000S/cm，用于侧向传导)及一层25nm厚的低导电PEDOT：PSS聚合物(导电率约为0.1S/cm，用于电洞注入)所组成。
[0070] 用于仿真的光学模型是透过将发光分子的电偶极跃迁发光等效为古典电偶极天线的辐射特性。透过将偶极辐射场以平面波模态展开(每一平面波模态以水平方向的波向量分量(in-plane wave vector)kt来表示)，计算内嵌于发光二极管层状结构中的辐射偶极所产生的电磁场，并进一步计算获得辐射功率耦合至不同平面波模式的分布及远场辐射分布。整体有机发光二极管发光特性的计算可透过假设其发光层包含具有方向(orientations)、位置及频率分布的不同调偶极辐射子(dipole radiators)，来计算得到其发光特性。以下基于各种量测及结果，假设磷光发射体Ir(ppy)2(acac)掺杂于CBP中的水平偶极率为76％，垂直偶极率为24％。发光偶极子(emitting dipoles)位于发光层中，且考虑辐射偶极子(radiation dipoles)的全光谱分布(利用CBP：Ir(ppy)2(acac)的电激发光频谱)，来计算发光二极管由内部产生至辐射到空气中的出光耦合效率。图3(a)及图3(b)分别示意典型ITO装置及PEDOT装置，依据使用不同的电子传输层(ETL)厚度及电洞传输层(HTL)厚度而计算的出光耦合效率，其中ITO装置中ITO电极的厚度为80nm，PEDOT装置中PEDOT电极的厚度为100nm。透过对不同厚度的ITO电极及PEDOT电极来执行上述类似的分析，可以发现利用80nm厚ITO电极的ITO装置具有最佳出光耦合效率。同时，利用不同厚度PEDOT电极的PEDOT装置，由于PEDOT电极的折射率匹配基板的折射率，因此其出光耦合效率则不因PEDOT电极厚度而有影响。同时参考下列表一，典型ITO装置中ITO电极、ETL及HTL的厚度分别为80nm、50nm及80nm时，其计算得到的最大出光耦合效率约为27％。同样地，当典型PEDOT装置采用上述实验中100nm的PEDOT电极以提供强大导电度时，且ETL及HTL的厚度分别为50nm及20nm时，其计算得到的最大出光耦合效率约为25％。由此可证，即使PEDOT装置采用最佳结构(使用20nm厚的电洞传输层)，其出光耦合效率仍然表现得较ITO装置差，其中当使用厚度为40至80nm的电洞传输层(HTL)，其差异性更大。这或许可以解释一般常用的PEDOT装置的外部量子效率为何表现得较典型ITO装置差。
[0071] 表一.
[0072]
[0073] 图4(a)示意上述四种装置内部发光的模式分布计算结果，其中kt/k0表示辐射耦合至不同模式，k0表示自由空间的波向量。曲线A代表典型ITO装置，曲线B表示典型PEDOT装置，曲线C表示本发明中TiO2-e/PEDOT装置，曲线D表示本发明中TiO2-s/PEDOT装置。横轴中0＜kt/k0＜1是表示光被耦合出至空气中的自由辐射模式(发光模式)R；1＜kt/k0＜1.52表示光被波导局限在基板中的基板模式S；1.52＜kt/k0＜1.8表示光被波导局限在阳极/功能层(有机层)透中的波导模式W(waveguid modes)；kt/k0＞1.8表示光被引导沿着有机层/阴极界面的表面电浆模式SP(surface-plasmon modes)。如曲线A所示，具有ITO阳极(高折射率电极)的典型ITO装置在横轴对应横向磁模(transverse magnetic modes)的kt/k0为1.53及对应横向电模(transverse electric modes)的kt/k0为1.65的位置，表现出两种不同的波导模式。如曲线B所示，具有PEDOT：PSS阳极(低折射率电极)的PEDOT装置几乎完全消除了波导模式，导致更多辐射耦合至基板的光，使得其出光至基板的耦合效率为57％，相比ITO装置中出光至基板的耦合效率则为48％。然而，采用低折射率电极也会改变光辐射至基板的角度分布，例如造成辐射至基板的更多光角度变大。因此不幸地，对应参照图4(a)的辐射模式R中曲线B，即使采用最佳实施例的PEDOT装置，位于空气及基板接口的逃逸角锥内的光辐射减少了。请参照表一，即使PEDOT装置采用最佳实施例结构，表上直接反映出采用低折射率电极的PEDOT装置相对于ITO装置，其计算得到较低的出光耦合效率，其中，PEDOT装置的出光耦合效率为25％，ITO装置的出光耦合效率为27％。
[0074] 低折射率电极所造成两难，例如增加了耦合进基板的光量但却减少了出光耦合至空气中的光量，可以藉由其他结构设计来缓和上述差异，使得光更汇聚而辐射至基板，也就是说减少光的发散角度，但不减少光耦合至基板的效率。以本发明实施例来说，低折射率透明电极及位于低折射率电极及基板之间的高折射率层的明智组合可以诱导出适当的微腔效应(microcavity effect)，使得光辐射至基板的角度更汇聚，同时位于高折射率层及其他较高折射率有机层之间的低折射率透明电极可以压制波导模式并增强光耦合至基板的效率。二氧化钛具有最高折射率、绝佳的成本效益且对环境无害等优点。本发明实施例中第一种有机发光二极管装置(以下简称为TiO2-e/PEDOT装置)是利用低折射率聚合物PEDOT：PSS作为第一电极120(或是阳极)来堆栈其他材料层而形成，更将作为高折射率层110的二氧化钛薄膜穿插于PEDOT：PSS120及基板100之间，且二氧化钛薄膜110是通过电子束蒸镀沉积而成。本发明实施例中第二种有机发光二极管装置(以下简称为TiO2-s/PEDOT装置)是利用低折射率聚合物PEDOT：PSS作为第一电极120(或是阳极)来堆栈其他材料层而形成，更将作为高折射率层110的二氧化钛薄膜穿插于PEDOT：PSS120及基板100之间，且二氧化钛薄膜
110是通过射频溅镀沉积而成。其中，利用电子束蒸镀沉积而成的二氧化钛薄膜的高折射率约为2.28，而利用射频溅镀沉积而成的二氧化钛薄膜的高折射率约为2.5。因此，TiO2-e/PEDOT装置及TiO2-s/PEDOT装置的结构分别如下：玻璃基板/TiO2-e及TiO2-s/PEDOT：PSS(第一电极)/TAPC/有机磷光发光层材料CBP掺杂8重量百分比浓度(wt.％)的铱错合物(CBP：Ir(ppy)2(acac))(20nm)/B3PYMPM/氟化锂(0.5nm)/铝(第二电极，150nm)。
110是通过射频溅镀沉积而成。其中，利用电子束蒸镀沉积而成的二氧化钛薄膜的高折射率约为2.28，而利用射频溅镀沉积而成的二氧化钛薄膜的高折射率约为2.5。因此，TiO2-e/PEDOT装置及TiO2-s/PEDOT装置的结构分别如下：玻璃基板/TiO2-e及TiO2-s/PEDOT：PSS(第一电极)/TAPC/有机磷光发光层材料CBP掺杂8重量百分比浓度(wt.％)的铱错合物(CBP：Ir(ppy)2(acac))(20nm)/B3PYMPM/氟化锂(0.5nm)/铝(第二电极，150nm)。
[0075] 请同时参照表一及图3(c)至图3(f)。图3(c)示意TiO2-e/PEDOT装置依据使用不同的高折射率层(TiO2)厚度及低折射率第一电极(PEDOT)厚度而计算的出光耦合效率，图3(d)示意TiO2-e/PEDOT装置依据使用不同的电子传输层(ETL)厚度及电洞传输层(HTL)厚度而计算的出光耦合效率，其中当高折射率层(TiO2)厚度为60nm且低折射率第一电极(PEDOT)厚度为70nm时，且当电子传输层(ETL)厚度为50nm且电洞传输层(HTL)厚度为20nm时，TiO2-e/PEDOT装置具有最佳的效率约为38％。图3(e)示意TiO2-s/PEDOT装置依据使用不同的高折射率层(TiO2)厚度及低折射率第一电极(PEDOT)厚度而计算的出光耦合效率，图3(f)示意TiO2-s/PEDOT装置依据使用不同的电子传输层(ETL)厚度及电洞传输层(HTL)厚度而计算的出光耦合效率，其中当高折射率层(TiO2)厚度为53nm且低折射率第一电极(PEDOT)厚度为70nm时，且当电子传输层(ETL)厚度为50nm且电洞传输层(HTL)厚度为20nm时，TiO2-s/PEDOT装置具有最佳的效率约为40％。本发明实施例中无论是TiO2-e/PEDOT装置或TiO2-s/PEDOT装置，其出光耦合效率皆远强于ITO装置(27％)及PEDOT装置(25％)。
[0076] 如图4(a)所示意的模式分布计算结果，曲线C表示本发明中TiO2-e/PEDOT装置，曲线D表示本发明中TiO2-s/PEDOT装置。随着在PEDOT：PSS电极下方插入二氧化钛薄膜(高折射率层)，尽管仍然有残留的波导模式，但其光谱宽度和总体比率相对于ITO装置显着地受到抑制，并保留了使用PEDOT：PSS电极大部分的好处。相较于典型PEDOT装置，本发明实施例使得受抑制的波导模式有效地将光耦合至基板，且更加耦合至辐射模式(使光汇聚于逃逸角锥内)。虽然典型PEDOT装置及本发明实施例中的TiO2/PEDOT装置皆可以有效压制波导模式，并增强内部发光被耦合至基板的效率，其中TiO2-e/PEDOT装置、TiO2-s/PEDOT装置及PEDOT装置分别耦合至基板的计算效率为58％、59％及57％；然而，本发明实施例利用插入高折射率的二氧化钛薄膜，可以重新塑形辐射曲线并可汇聚更多光进入基板内的逃逸角锥，特别地是采用高折射率的TiO2-s薄膜，其效果更强。
[0077] 图4(b)示意上述四种装置由基板外部计算/量测得到反射频谱，其中曲线A表示典型ITO装置，曲线B表示典型PEDOT装置，曲线C表示本发明中TiO2-e/PEDOT装置，曲线D表示本发明中TiO2-s/PEDOT装置。显然地，TiO2/PEDOT装置(特别是TiO2-s/PEDOT装置)相较于PEDOT装置(仅显示轻微的微腔共振效应)及ITO装置，在宽波段约为580-590nm的中心表现出很强的微腔共振效应。可以理解到TiO2/PEDOT装置中很强的微腔共振效应，是因为在TAPC/PEDOT：PSS、PEDOT：PSS/TiO2及TiO2/基板的三个接口中，皆具有极大的折射率不匹配问题以及大量的反射；若结构设计适当则可以共同构成一较强的等效介质镜(equivalent dielectric mirror)，相当于分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector)。具有微共振腔的有机发光二极管，其较强的微共振腔效应(microcavity effects)可以显着改变由内部辐射发光的频谱及其空间分布并影响光耦合至基板/空气，更能够通过设定大于内在光激发荧光频谱波长(520nm)约20-70nm的共振腔波长(540-590nm)，使其出光耦合效率及外部量子效率显着增益。
[0078] 根据图3(a)、图3(b)及图3(d)的光学仿真，可知典型ITO装置相较于PEDOT装置及TiO2/PEDOT装置需要较厚的电洞传输层(HTL)TAPC，较佳PEDOT装置及TiO2/PEDOT装置中的电洞传输层(HTL)厚度仅约需20nm，较佳ITO装置中的电洞传输层(HTL)厚度则为80nm。为了确保下列实验中，各装置之间具有相似的电性特性，将ITO装置中80nm厚的电洞传输层(HTL)TAPC替换为由60nm厚的p掺杂TAPC(TAPC doped with 3wt.％of MoO3)以及20nm厚的原始无掺杂TAPC所组成的电洞传输层。因此，下列实验中ITO装置结构为：玻璃基板/80奈米(nm)厚的ITO/60nm厚的TAPC：3wt.％MoO3/20nm厚的TAPC/有机磷光发光层材料CBP掺杂8重量百分比浓度(wt.％)的铱错合物(CBP：Ir(ppy)2(acac))(20nm)/B3PYMPM(50nm)/氟化锂(0.5nm)/铝(150nm)。
[0079] 图5(a)示意典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明中TiO2-e/PEDOT装置及本发明中TiO2-s/PEDOT装置的电流密度-电压-亮度(current-voltage-luminance，I-V-L)特性曲线图。所有装置皆显示良态的结果及类似的电流-电压特性。这表明了上述装置皆具有类似的载流注入或传导特性，因此其发光特性的差异主要归因于光学特性或结构的差异。图5(b)及图5(c)示意典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明中TiO2-e/PEDOT装置及本发明中TiO2-s/PEDOT装置的电激发光(EL)效率，其包含了外部量子效率(EQE)、亮度(cd/m2)及功率效率(lm/W)，并统整其数据于表一。请配合参照表一中计算得到的出光耦合效率，实验所得的外部量子效率与光学仿真结果的定量协议，指出上述装置皆具有相当理想的内部量子效率。如预料中，PEDOT装置相较于ITO装置呈现较低的电激发光效率，而TiO2/PEDOT装置相较于PEDOT装置及ITO装置呈现较高的电激发光效率，如图5(a)中菱形所标曲线，特别是TiO2-s/PEDOT装置呈现接近39％的最高电激发光效率。上述装置为了有效萃取组件内部发光并耦合至基板的电激发光特性，通过附着一大折射率匹配的半球状透镜(其直径约1.5公分)于基板表面，得到典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明中TiO2-e/PEDOT装置及本发明中TiO2-s/PEDOT装置的外部量子效率依序为48％、54％、55.5％及56.6％，其结果与耦合至基板的耦合效率计算结果一致。
[0080] 图6(a)、图6(b)、图6(c)及图6(d)依序分别示意典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明中TiO2-e/PEDOT装置及本发明中TiO2-s/PEDOT装置，在偏离平面法线的观察角度0°、30°及60°所量测的电激发光(EL)频谱(其发光强度均相对于0°发光强度做归一化)。图6(e)示意典型ITO装置、典型PEDOT装置、本发明中TiO2-e/PEDOT装置、本发明中TiO2-s/PEDOT装置及朗伯分布(Lambertian distribution)的电激发光强度对角度的分布图(其发光强度均相对于0°发光强度做归一化)。发光强度的角度解析量测(angle-resolved EL characteristics)进一步证实光学仿真的准确性。PEDOT装置由于具有最弱的微共振腔而呈现接近朗伯分布的角度分布，至于ITO装置及TiO2/PEDOT装置在大于光激发荧光频谱波长的波段下具有较显着的微共振腔效应，而呈现较宽广的角度分布。此外，具有最强且较红移的微共振腔共振的TiO2/PEDOT装置其在法线轴上(on-axis)电激发光频谱在较长波长波段部分呈现升高的强度，并随着观察角度而下降。这些频谱与角度特性与先前具有共振波长大于光激发荧光频谱波长的微共振腔有机发光二极管特性一致。虽然，此处电激发光频谱相对于观察角度会有轻微改变，但对于光的色彩影响仍非常轻微。
[0081] 以下更对附着有半球状透镜(w/lens)的四种装置进行量测，量测各装置在基板内的电激发光强度对角度的分布曲线，如图6(f)所示。相较于PEDOT装置，具有较强微共振腔的ITO装置及TiO2/PEDOT装置中，辐射至基板的光更加汇聚，也就是其角度更小。特别地是，TiO2-s/PEDOT装置呈现最汇聚的发光曲线，且在空气/基板接口的逃逸角锥内(也就是在临界角θc内)具有最强的辐射发光率，如同图4(a)所预期，在kt/k0＜1.52处，其辐射至基板内的总功率强度，TiO2-s/PEDOT装置呈现亦呈现最强数值。
[0082] 综上所述，针对不同结构的有机发光二极管装置，进行光耦合输出效率的综合理论分析。有机发光二极管装置分别利用低折射率PEDOT：PSS透明电极、高折射率ITO透明及插入高折射率TiO2层于低折射率PEDOT：PSS透明电极及基板之间来堆栈其他材料层而形成。藉由设置高折射率层于PEDOT：PSS电极的一侧，相较于并无高折射率层的ITO装置及PEDOT装置，可大幅地增加光耦合出光效率及外部量子效率。虽然低折射率PEDOT：PSS电极抑制了波导模式而耦合出更多光至基板，但却让更多光在逃逸角锥外被了结而无法直接耦合出光。上述造成的两难可利用插入高折射率层于低折射率电极及基板之间来诱导出适当的微腔效应(microcavity effect)。如此，低折射率PEDOT：PSS电极的大部分优点例如抑制波导模式及增强光耦合至基板的效率等将被保留，并且耦合至基板的光现在更能汇聚于逃逸角锥内而可直接出光。如上述结果所示，在不采取任何外部耦合输出技术下，证实了简易平面结构的发光二极管装置也可以具有显着增强的出光耦合效率及接近39％的外部量子效率。甚至在基板外表面采取外部耦合输出技术下，发光二极管装置具有更高的出光耦合效率及接近57％的外部量子效率。
[0083] 实施例2：
[0084] 本发明利用光学仿真以优化出光耦合效率，通过改变本发明实施例中发光层的水平耦极率(horizontal dipole ratio)及位于低折射率透明电极(折射率约为1.5)下的高折射率层的折射率，来做出其他延伸设计。如图7的仿真结果，显示出光耦合效率随着水平耦极率及高折射率层的折射率改变而增强。在相同水平偶极率下，高折射率层例如电子束蒸镀沉积而成的二氧化钛层，其折射率为2.28则出光耦合效率为37％，高折射率层例如射频溅镀沉积而成的二氧化钛层，其折射率为2.50则出光耦合效率为38.8％。随着水平偶极率接近理想100％且高折射率层的折射率接近3，出光耦合效率可以达到55％。如此平面简易结构的发光二极管随着理想(接近100％)内部电激发光量子效率，其相当对应于外部量子效率达到55％。
[0085] 实施例3：
[0086] 依据上述实施例的一般原则，其他实施例可以有不同的变化及修改。举例来说，在实施例1及实施例2的绝对低折射率的透明电极材料采用聚合物PEDOT：PSS，本实施例可采用其他低折射率(折射率低于1.7较佳)透明导电材料取而代之，包括奈米孔洞氧化铟锡(ITO)、奈米孔洞氟掺杂氧化锡(fluorine-doped tin oxide)、奈米孔洞氧化锌铝(aluminum zinc oxide)、奈米孔洞氧化镓锌(gallium zinc oxide)、奈米孔洞氧化铟锌(indium zinc oxide)、奈米孔洞氧化锡(tin oxide)、奈米孔洞掺铌氧化钛(niobium-doped titanium oxide)及上述堆栈或组合的材料。
[0087] 实施例4：
[0088] 依据上述实施例的一般原则，其他实施例可以有不同的变化及修改。举例来说，在实施例1及实施例2中高折射率层材料采用二氧化钛，本实施例可采用其他高折射率(折射率高于1.8较佳)材料取而代之，包括五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、二氧化铪(HfO2)、硫化锌(ZnS)、氮化硅(SiNx)、五氧化二铌(Nb2O5)、二氧化铈(CeO2)、氧化铟锡(ITO)、氟掺杂氧化锡(fluorine-doped tin oxide)、氧化锌铝(aluminum zinc oxide)、氧化镓锌(gallium zinc oxide)、氧化铟锌(indium zinc oxide)、氧化锡(tin oxide)、掺铌氧化钛(niobium-doped titanium oxide)及上述堆栈或组合的材料，或是其他包含上述高折射率材料的合成材料。
[0089] 实施例5：
[0090] 本实施例是将实施例1中的电激发光装置10进行翻转(inverted)，使得底部的低折射率透明电极120作为阴极，而顶部金属电极140作为阳极。
[0091] 实施例6：
[0092] 本实施例是将实施例1中的基板上所贴附的一光耦合透镜用其他透镜来取代，其他光耦合透镜包括棱镜、三角锥、半球透镜、微距透镜片(macrolens sheet)、微透镜片、微棱镜片、微三角锥片、微粒子层、奈米粒子层、微孔洞层、奈米孔洞层、光栅片、散射片、扩散片、孔数组(arrays of pores)、裂隙数组(arrays of crevices)、气泡数组(arrays of air bubbles)及真空孔数组(arrays of vacuum pores)等。
[0093] 实施例7：
[0094] 本实施例是将实施例1中基板的外表面(出光面)经过一表面处理而形成一光耦合透镜。其中，表面处理包括粗糙化、分散化及塑形化外表面，以形成棱镜、三角锥、微距透镜、微透镜、微棱镜、微三角锥及光栅等等。
[0095] 实施例8：
[0096] 除了如实施例1所揭露的下发光型有机发光二极管结构，其光由基板及第一电极的一侧发出，本发明实施例中的有机发光二极管可以应用于上发光型结构，使得其光不由基板的一侧而是由反方向发出。将本发明实施例中，将第二电极(金属电极)设置于邻近基板的一侧，并将低折射率且透明的第一电极设置于远离基板的一侧，且高折射率层进一步设置于透明的第一电极上。
[0097] 实施例9：
[0098] 当上述电激发光装置应用于照明或显示设备上，电激发光装置更包括被整合于其上的一金属总线或一金属栅极，其中金属总线及金属栅极皆具有电流传导的高导电性及平均电流分布遍布大区域的特性。
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