具有高折射率回填層和鈍化層的光提取膜的製作方法

2023-06-13 08:54:31 1

專利名稱：具有高折射率回填層和鈍化層的光提取膜的製作方法
具有高折射率回填層和鈍化層的光提取膜
背景技術：
有機發光二極體(OLED)是一種新的顯示和照明技術的基礎，它為高解析度或高像素數的高清顯示應用以及高效的大面積柔性照明應用提供了良好的匹配。OLED裝置包括夾在陰極和陽極之間的電致發光有機材料薄膜，並且陰極和陽極中之一者或都為透明導體。當在裝置兩端施加電壓時，電子和空穴從它們各自的電極注入，並通過中間形成發光激子而在電致發光有機材料中複合。在OLED裝置中，所產生的光通常由於裝置結構內的工藝而損失掉70%以上。折射率較高的有機層和銦錫氧化物(ITO)層與折射率較低的基底層之間的界面處的陷光是提取效率低下的主要原因。只有相對少量的發射光作為「可用」光穿過透明電極。大部分光會發生內反射，這導致這些光從裝置邊緣發出，或限在裝置內並在反覆穿行之後最終因吸收到裝置內而損失掉。已經嘗試通過例如下列多種方式提高OLED的內量子效率(注入的單位電子所產生的光子數)改進電荷注入或傳輸層；使用螢光染料或磷光材料；或使用多層結構(參見例如K. Meerholz，《先進功能材料》(Adv. Funct. Materials)，第11卷第4期，第251頁，2001 年)。光提取效率(由結構發出的光子數與內部產生的光子數的比值)可受到發射層本身以外的因素影響。底部發光OLED可以被看作由包含高折射率層(用於產生光、傳輸載流子、注入或阻擋光的有機層，和通常透明的導電性氧化物層)的芯和低折射率基底材料(通常為玻璃， 但可以是聚合物膜)組成。因此，芯內產生的光可以遇到從高折射率至低折射率的兩個界面，光可能在所述界面處發生內反射。由於遇到第一界面而不能逸出芯的光被限制為波導模式，而穿過該界面但由於在基底空氣界面處反射而不能從基底逸出的光被限制為基底模式。頂部發光OLED中，由於界面發生類似的光損失。已經提出多種解決方案來通過擾亂基底空氣界面(如微透鏡或粗糙化表面)而影響到達該界面的光。其他解決方案則是將散射元件引入基底中或引入粘合劑在(參見已公布的PCT專利申請No. W02002037580A1 (Chou))，從而中斷基底模式以將該光重新導向離開裝置。甚至已經進行了一些初步嘗試來通過在芯基底界面引入散射或衍射元件而幹擾該界面。詳細的分析表明，散射或衍射結構在設置於該界面時將最有效地提取光(M. Fujita等人，《日本應用物理學雜誌》(Jpn. J. App 1. Phys.)，第44卷第6A期，第3669-3677頁，2005 年)。當散射或衍射元件與回填材料之間的折射率對比度較大，以及當折射率對比度變化的長度尺度與光的波長相當時，散射效率最大化(參見例如F. J. P. Schuurmans等人，《科學》 (Science)，第 284 卷第 5411 期，第 141-143 頁，1999 年)。與該光提取層接觸的無缺陷OLED裝置的製造將需要平滑的平表面，因此光提取膜的頂部表面的平面性較為重要。然而，已經關於電極結構波紋壓制進行了一些工作，以耦合離開OLED的光(M. Fujita等人，《日本應用物理學雜誌》(Jpn. J. App 1. Phys.)，第44卷第 6A期，第3669-3677頁，2005年)；對裝置內電場的綜合效應預計具有有害影響。因此必須格外注意，以免在幹擾該界面的同時對裝置的電氣操作產生不利影響。還沒有提出平衡這些衝突問題的實際解決方案。無機發光二極體(LED)的外部效率存在類似問題，其中活性材料非常高的折射率可能嚴重限制對內部產生的光的提取。在這些情況下，已經進行了一些嘗試來利用光子晶體(PC)材料提高提取效率(S. Fan,《物理評論快報》(Phys. Rev. Letters)，第78卷第17期， 第 3294 頁，1997 年；H. Ichikawa,《應用物理快報》(App 1. Phys. Letters)，第 84 卷，第 457 頁，2004年)。已經開始出現有關利用PC提高OLED效率的類似報導(M. Fujita，《應用物理快報》(App 1. Phys. Letters)，第85卷，第5769頁，2004年；Y. Lee,《應用物理快報》(App 1. Phys. Letters)，第82卷，第3779頁，2003年)，但此前報導的結果涉及耗時而高成本的工序，所述工序不利於其本身引入到現有的OLED製造工藝中。因此，需要一種產品能夠以與OLED裝置製造工藝相容的方式促進從該裝置的光提取。

發明內容
根據本發明的用於提高光提取率的多功能光學膜包括柔性基底、結構化層和回填層。提取元件的結構化層具有第一折射率，並且當光學膜貼靠自發光光源設置時，提取元件的相當大一部分與自發光光源的發光區域光學連通。回填層包含具有第二折射率的材料， 所述第二折射率與所述第一折射率不同，結構化層與回填層之間的折射率差值大於或等於 0.3。回填層還形成提取元件上方的平坦化層。該光學膜可以任選地具有鈍化層，該鈍化層相鄰地設置在回填層的與所述結構化層相背的表面上。一種根據本發明的製備用於提高光提取率的多功能光學膜的方法包括在柔性基底上塗布一層具有第一折射率的材料。在有機材料中賦予納米結構化特徵以產生納米結構化表面。對具有納米結構化特徵的有機材料進行固化。然後在納米結構化表面上施加回填層，以在納米結構化表面上形成平坦化層。回填層包含具有第二折射率的材料，所述第二折射率與所述第一折射率不同，並且納米結構化特徵和回填層的折射率差值大於或等於0. 3。 該方法可以任選地包括在將回填層施加到納米結構化表面上之後在回填層上方施加鈍化層。


附圖包含在本說明書中並構成本說明書的一部分，並且它們結合具體實施方式
闡明本發明的優點和原理。附圖中，圖1是具有光提取膜的底部發光OLED顯示裝置的示意圖；圖2是具有光提取膜的頂部發光OLED顯示裝置的示意圖；圖3是示出用於固態發光元件的空間調製OLED的示意圖；圖4是具有光提取膜的OLED背光單元的示意圖；圖5是示出用作IXD背光單元的OLED的示意圖；圖6-8是示出提取元件可能的空間構型的示意圖；和圖9-13是示出提取元件可能的表面構型的示意具體實施方式
實施例包括在聚合物複製工藝、納米粒子直接沉積或其他工藝中用於形成光提取納米結構或其他納米結構來製備用於OLED裝置的光提取膜的方法。除了促進光提取之外， 多功能膜產品還可以提供諸如基底、密封劑、阻擋層、濾光器、偏振器或顏色轉換器等額外的功能，並且可以用於製造OLED裝置的過程中或之後。薄膜構造基於光子晶體結構或其他納米結構，該結構用於通過改變裝置內的高低折射率層之間的界面而提高光提取效率。本發明的要素包括提供尺寸相當於或小於受控光的波長的結構；提供具有對比折射率的材料，該材料用來填充該結構周圍的區域，並且還用來平坦化該結構，以提供與 OLED結構接觸的基本上平滑的表面；以及將該折射率對比納米結構化層設置在離發光區域足夠小的距離範圍內，以便有效提取原本會陷在該區域內的光。用高折射率材料獲得的平坦化應足以確保OLED裝置在使用和不使用光提取膜製造的情況下具有類似的電流-電壓行為。從高折射率材料入射到具有低折射率介質的界面上的光會在所有入射角大於臨界角θ C的情況下發生全內反射(TIR)，臨界角的定義為SirT1Ol2All),其中叫和 分別是高折射率區域和低折射率區域的折射率。與發生TIR反射的這些光相關的電磁場延伸進入隱失駐波的低折射率區域，但該磁場的強度隨著離界面的距離增大而呈指數級減弱。位於該隱失區內的吸收或散射實體，通常約一個波長厚，可幹擾TIR，並使光穿過界面。 因此，若要最有效地通過散射或衍射從發射區提取光，則優選的是納米結構化的折射率對比層位於隱失區內。或者，當光學膜貼靠自發光光源定位時，納米結構化折射率對比層只需要與自發光光源的發光區光學連通。術語「光學連通」是指由光源產生的光場的很大或相當大一部分能夠到達散射粒子或納米結構。可以將複製母模工具製造成在不斷增大的較大區域上具有所需的光提取平均周期的規則或不規則結構，所述光提取平均周期為200納米(nm)-2000nm。將該加工能力與諸如連續澆注和固化(3C)之類微複製工藝結合，使得能夠在膜基底的表面上形成光子晶體結構或其他納米結構。3C工藝的例子在下列專利中有所描述，這些專利均以引用方式併入本文中美國專禾Ij No. 4，374，077,4, 576，850,5, 175，030,5, 271，968,5, 558，740 和 5，995，690。術語「納米結構」是指至少一個尺寸(如高、長、寬或直徑)小於2微米的結構，並且更優選地小於1微米的結構。納米結構包括但不必限於粒子和所設計的特徵物。粒子和所設計的特徵物可具有例如規則或不規則形狀。此類粒子也稱為納米粒子。術語「納米結構化的」是指具有納米結構的材料或層。術語「光子晶體結構」是指散布著這樣的材料的周期性或準周期性的光學納米結構該材料具有足夠不同的折射率，從而可實現該結構在材料的允許電磁模式的光譜內產生間隙。術語「率」是指折射率。術語「回填」是指複合到結構內並具有與該結構不同的折射率的材料，用來填充該結構內的空隙並使結構平坦化。術語「提取元件」是指促進從自發光光源進行光提取的任何類型和構造的納米結構。提取元件優選地不包含在空間分布內。底部發光OLED顯示裝置
圖1示出包括具有光提取膜的薄膜基底的底部發光OLED裝置100的結構。底部發光OLED裝置被定義為透過基底發光的OLED裝置。表1描述了裝置100的示例性元件和這些元件的布置方式，這些元件由圖1中提供的附圖標記標識。裝置100的每一層可塗覆在下面一層上，或以其他方式施加到下面一層。
權利要求
1.一種用於提高對自發光光源的光提取率的多功能光學膜，包括柔性基底；提取元件的結構化層，其具有第一折射率，其中當所述光學膜貼靠所述自發光光源設置時，所述提取元件的相當大一部分與所述自發光光源的發光區域光學連通；和回填層，所述回填層包含具有第二折射率的材料，所述第二折射率與所述第一折射率不同，其中所述回填層形成所述提取元件上方的平坦化層，並且其中所述結構化層的折射率與所述回填層的折射率之間的差值大於或等於0. 3。
2.根據權利要求1所述的多功能光學膜，其中所述回填層的所述折射率大於1.8。
3.根據權利要求1所述的多功能光學膜，其中所述結構化層的所述折射率小於或等於1. 5。
4.根據權利要求1所述的多功能光學膜，其中所述提取元件包括納米結構化特徵。
5.根據權利要求1所述的多功能光學膜，其中所述回填層的材料包含填充納米粒子的聚合物材料。
6.根據權利要求1所述的多功能光學膜，其中所述基底包含下列一者聚合物膜；基本上光學透明的材料；或阻隔材料。
7.根據權利要求1所述的多功能光學膜，還包括鈍化層，該鈍化層相鄰地設置在所述回填層的與所述結構化層相背的表面上。
8.根據權利要求7所述的多功能光學膜，其中所述鈍化層包含具有低滲透率的光學透明的高折射率材料。
9.一種製備用於提高光提取率的光學膜的方法，包括 將具有第一折射率的一層有機材料塗覆到柔性基底上；在所述有機材料中賦予納米結構化特徵，以形成納米結構化表面；以及在所述納米結構化表面上施加回填層，以在所述納米結構化表面上形成平坦化層， 其中所述回填層包含具有第二折射率的材料，所述第二折射率與所述第一折射率不同，並且其中所述納米結構化特徵的折射率與所述回填層的折射率之間的差值大於或等於0.3，並且其中當所述光學膜貼靠自發光光源設置時，所述納米結構化特徵的相當大一部分與所述自發光光源的發光區光學連通。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述回填層的所述折射率大於1.8。
11.根據權利要求9所述的方法，其中所述納米結構化特徵的所述折射率小於或等於1.5。
12.根據權利要求9所述的方法，其中所述賦予納米結構化特徵的步驟包括 提供具有納米結構化特徵的母模工具；以及將具有所述一層有機材料的柔性基底施加到所述母模工具，使得所述有機材料被施加為貼靠所述母模工具，以將所述納米結構賦予所述有機材料中。
13.根據權利要求9所述的方法，其中所述賦予納米結構化特徵的步驟包括將所述納米結構化特徵印刷到所述有機材料上。
14.根據權利要求9所述的方法，其中所述賦予納米結構化特徵的步驟包括將所述納米結構化特徵壓印到所述有機材料中。
15.根據權利要求9所述的方法，還包括利用下列方法之一施加所述回填層，以形成所述平坦化層液體塗覆；蒸氣塗覆；粉末塗覆；層合；浸塗；或卷對卷塗覆。
16.根據權利要求9所述的方法，還包括將鈍化層施加到所述回填層的與所述結構化層相背的表面上。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述鈍化層包括具有低滲透率的光學透明的高折射率材料。
18.一種製備用於提高光提取率的光學膜的方法，包括將具有第一折射率的納米粒子施加到柔性基底上，其中當所述光學膜貼靠自發光光源設置時，所述納米粒子的相當大一部分與所述自發光光源的發光區光學連通；以及在所述納米粒子上外塗回填層，以在所述納米粒子上方形成平坦化層，其中所述回填層包含具有第二折射率的材料，所述第二折射率與所述第一折射率不同，並且所述納米粒子的折射率與所述回填層的折射率之間的差值大於或等於0. 3。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述回填層的所述折射率大於1.8。
20.根據權利要求18所述的方法，其中所述納米粒子的所述折射率小於或等於1.5。
21.根據權利要求18所述的方法，其中施加所述納米粒子的步驟包括將分散於溶劑中的所述納米粒子塗覆到所述柔性基底上；以及在外塗所述回填層之前使所述溶劑蒸發。
22.根據權利要求18所述的方法，其中施加所述納米粒子的步驟包括將所述納米粒子以幹態形式施加到所述柔性基底。
23.根據權利要求18所述的方法，還包括將鈍化層施加到所述回填層的與所述結構化層相背的表面上。
24.根據權利要求23所述的方法，其中所述鈍化層包含具有低滲透率的光學透明的高折射率材料。
全文摘要
本發明提供了一種用於提高光提取率的多功能光學膜，所述多功能光學膜包括柔性基底、結構化層、高折射率回填層和可任選的鈍化層。所述結構化層有效利用位於足夠靠近發光區處的微複製的衍射或散射納米結構，以使能從有機發光二極體(OLED)裝置提取隱失波。所述回填層具有的材料的折射率與所述結構化層的所述折射率不同。所述回填層還在所述結構化層上方提供平坦化層，以將所述光提取膜適形於OLED顯示裝置的一層。所述光學膜可具有添加到或在其中複合到發光表面的附加層，以便在提高光提取效率之外實現另外的功能。
文檔編號H05B33/10GK102246064SQ200980149336
公開日2011年11月16日 申請日期2009年10月23日 優先權日2008年10月31日
發明者盧禕, 吳榮聖, 哈·T·T·勒, 張俊穎, 戴維·B·斯特格爾, 特裡·L·史密斯, 王丁, 詹姆斯·E·索爾森, 謝爾蓋·A·拉曼斯基, 郝恩才 申請人:3M創新有限公司