電激發光裝置的製作方法

2023-08-01 20:41:01

本發明涉及一種電激發光裝置，特別是關於一種改善出光效率、外部量子效率(EQE)及其應用的電激發光裝置。

背景技術：

從鄧清雲博士與VanSlyke博士於1987年發表第一篇探討有機發光元件的效率與實用性的報導後，有機發光二極體(organic light-emitting diode，以下簡稱OLED)技術已成為顯示器及照明應用上深入研究和開發的主要課題。請參考圖1，傳統典型的OLED結構1具有一反射金屬電極11(通常作為陰極)、透明導電電極13例如ITO等(通常作為陽極)，及位於兩者之間的有機層12所形成的三明治結構，且上述三明治結構位於玻璃基板14上。借著採用高效率的發光材料例如具磷光機制的材料，OLED的內部量子效率可達到接近100％。然而，在傳統典型的OLED結構中，如何將OLED內部發光能萃取到元件外部空氣中的元件出光效率，是實現高效率之外部量子效率的一大課題。

通常有機層12及透明導電電極13之折射率高於典型的基板，例如有機層的光學折射率一般介於1.7至1.8，透明導電電極13的光學折射率一般介於1.8至2.1；至於典型的透明基板14例如玻璃或塑料等的光學折射率一般介於1.4至1.5，而透明基板14的光學折射率也高於空氣(折射率一般為1)。由於傳統典型的OLED結構1中，空氣/基板14的界面以及基板14/透明導電電極13的界面，皆明顯具有折射率不匹配的問題，使得OLED內部產生的各個角度的光，常會在上述界面遭遇全反射而被局限在元件而無法出到基板進而出光到空氣；因此大量的內部發光被局限在元件中。

一般而言，OLED的內部發光E被耦合至四種不同的模式。如圖2所示，發光模式R(radiation modes)是耦合出光至空氣中的有效發光；基板模式S(substrate modes)是被波導局限在基板14中的光；波導模式W(waveguid modes)是被波導局限在高折射率有機層12/透明導電電極13中的光；表面電漿模式SP(surface-plasmon modes)是被引導沿著有機層12/反射金屬電極11的界面的光。因此，傳統典型的OLED的元件出光效率通常僅有20-25％。然而，特別是應用於對光強功效有強烈需求的產品上，例如照明或移動應用上，如何借著增加元件內部發光真正能萃取到元件外部的元件出光(light out-coupling)，以達成加強OLED的外部量子效率(external quantum efficiency，EQE)的需求量，是本發明主要的目的。

技術實現要素：

為了克服上述習知技術的缺點，本發明提供下列各種實施例來解決上述問題。

本發明提供一種電激發光裝置，包括一基板、一下電極、複數個功能層以及一上電極。下電極位於基板上，且下電極是合成電極，其由表面具有奈米結構的第一層及位於奈米結構上的第二層所組成，其中第一層及第二層是透明導電的，且第一層及第二層之其一者的折射率小於或等於1.65，第一層及第二層之另一者的折射率大於或等於1.75。複數個功能層位於第二層上，且功能層包括一發光層。上電極位於複數個功能層上。特別地是，奈米結構具有複數個凹坑，且奈米結構上每一個凹坑及凹坑之間的間距都是小於或等於發光層所發出光的一主波長。在一較佳實施例中，奈米結構上的凹坑包括奈米網孔(nanomesh)，且每一個奈米網孔的寬度及奈米網孔之間的間距亦是小於或等於發光層所發出光的主波長。

在一較佳實施例中，第一層及第二層的折射率差是大於或等於0.3。

在一實施例中，第二層鄰近發光層之表面是平面或波浪狀。

在一實施例中，位於功能層上的上電極是不透明且具光學反射性質。當發光層所發出的光穿過合成電極時，光的能量通量密度被耦合至基板。

在一實施例中，位於功能層上的上電極是透明的或半透明的，使得發光層所發出的光的能量通量密度被耦合至基板且由上電極向外發出。此外，上電極更覆蓋有一超基板(superstrate)。

在一實施例中，上電極是一第二合成電極，第二合成電極與上述的合成電極具有相同結構；也就是說，上電極可替換為另一個如上述的合成電極。

在一實施例中，功能層具有複數個垂直堆棧的發光層且彼此電性連結，使得電激發光裝置形成一串接裝置(tandem device)。

附圖說明

圖1是現有技術的典型下發光式有機發光元件示意圖。

圖2是現有技術的典型下發光式有機發光元件內部發光耦合出光模式的示意圖。

圖3是本發明實施例中一種電激發光裝置的示意圖。

圖3a是本發明實施例中製作電激發光裝置的流程示意圖。

圖3b、圖3c及圖3d分別是圖3a中步驟I、II、IV流程後掃描式電子顯微鏡所擷取的影像。

圖4a是採用本發明實施例中具奈米結構的合成電極的綠色磷光有機發光元件示意圖。

圖4b及圖4c是現有技術中分別僅具有平面結構ITO及具有平面結構ITO/PEDOT的典型綠色磷光有機發光元件示意圖。

圖5a至圖5d是由原子力顯微鏡(AFM)分別依序於奈米結構ITO裝置中沉積各層期間所擷取的表面形貌影像圖。

圖5e示意各別由圖5a至圖5d沿著X方向所擷取的表面輪廓斷面曲線圖。

圖6a示意未貼附透鏡的本發明實施例中奈米結構ITO裝置、如圖4b及圖4c中傳統平面結構ITO裝置及平面結構ITO/PEDOT：PSS裝置的電流密度-電壓-亮度(I-V-L)特性曲線圖。

圖6b及圖6c分別示意外部量子效率(％)及功率效率(流明效率)與亮度的曲線關係圖。

圖6d及圖6e分別示意電致發光下相對發光強度在偏離平面法線的觀察角度0°、30°及60°所量測的頻譜。

圖6f是貼附出光透鏡後之元件頻譜積分強度與各觀察角度的函數關係圖。

圖7a及圖7b分別表示在傳統平面結構ITO裝置及本發明中奈米結構ITO裝置下，由Y方向(水平方向)偶極子在X-Z平面的橫截面下的能量通量密度分布圖。

圖7c及圖7d分別表示在傳統平面結構ITO裝置及本發明中奈米結構ITO裝置下，在X-Z平面的橫截面下的能量通量密度分布圖。

圖7e及圖7f分別表示傳統平面結構ITO裝置及本發明中奈米結構ITO裝置在金屬電極界面的吸收量。

附圖標號說明

1 典型下發光型有機發光元件

11 反射金屬電極

12 有機層

13 透明導電電極

14 玻璃基板

10 電激發光裝置

100 基板

120 合成電極(下電極)

120a 第一層

120b 第二層

130 功能層

140 上電極

D 間距

W 凹坑

E 內部發光

R 發光模式

S 基板模式

W 波導模式

SP 表面電漿模式

NS、NS』 奈米球

具體實施方式

有關本發明前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。然而，除了所揭露的實施例外，本發明的範圍並不受該些實施例的限定，乃以其後的申請專利範圍為準。而為了提供更清楚的描述及使該項技藝的普通人員能理解本發明的發明內容，圖示內各部分並沒有依照其相對的尺寸進行繪圖，某些尺寸或其他相關尺度的比例可能被凸顯出來而顯得誇張，且不相關的細節部分並沒有完全繪出，以求圖示的簡潔。此外，以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

請參考圖3，本發明實施例提供一種電激發光裝置10(electroluminescent device，EL device)，電激發光裝置10可以是一般發光二極體(LED)或是有機發光二極體(OLED)。電激發光裝置10包括一基板100、一合成電極(下電極)120、複數個功能層130以及一上電極140。合成電極120位於基板100上，且其由表面具有奈米結構的第一層120a及位於奈米結構上的第二層120b所組成，其中第一層120a及第二層120b是透明導電的，且第一層120a及第二層120b之其一者的折射率小於或等於1.65，第一層120a及第二層120b之另一者的折射率大於或等於1.75。複數個功能層130例如有機層位於第二層120b上，且功能層130包括一發光層。上電極140位於複數個功能層130上。特別地是，奈米結構上每一個凹坑W及凹坑W之間的間距D都是小於或等於發光層所發出光的一主波長。在一較佳實施例中，奈米結構上的凹坑W包括奈米網孔(nanomesh)，且每一個奈米網孔的寬度及奈米網孔之間的間距亦是小於或等於發光層所發出光的主波長。

本發明目的在提供一種具有奈米結構之合成電極120的電激發光裝置10，以下實施例以有機發光二極體(OLED)為例來說明，但本發明並不限定於此元件。

由於電激發光裝置10於下列實施例中，其具有奈米結構之合成電極120是由具有奈米結構之透明導電電極(ITO)所組成，因此，又被稱為具奈米結構之透明導電電極(ITO)的電激發光裝置，以下簡稱」奈米結構ITO裝置」。本發明中具有奈米結構之合成電極120包含穿插形成於其中的高折射率(n＞1.75較佳)的透明導體120a及低折射率(n＜1.65較佳)的透明導體120b且達到奈米尺度或是波長尺度。在一較佳實施例中，第一層120a及第二層120b的折射率差是大於或等於0.3。第二層120b鄰近發光層130之表面是平面或波浪狀的，因此合成電極120可能具有一平坦的上表面或一波浪狀的上表面。具有奈米結構之合成電極120作為OLED的電極，可有效改善元件出光效率。借著採用具有奈米結構之合成電極的OLED，相較於使用傳統透明電極的OLED，其大大提升了OLED內部發光至空氣及基板上的光耦合效率。無論本發明中的OLED設置在不具有光耦合表面處理的基板上或具有光耦合表面處理的基板上，採用具有奈米結構之合成電極的OLED皆可加強光耦合輸出效果，且可獲得極佳的外部量子效率。

實施例1：

在實施例中，具有較高折射率(n～1.8-2.1)的透明導電材料例如氧化銦錫(indium tin oxide，以下簡稱ITO)作為合成電極120中的高折射率元件層120a；具有較低折射率(n～1.5)的透明高導電聚合物例如聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸(poly(3，4-ethylenedioxythiophene)：poly(styrenesulfonate)，以下簡稱PEDOT：PSS)，作為合成電極120中的低折射率元件層120b。ITO及PEDOT：PSS被結合以形成導電光子奈米結構，具導電效果而更有益於OLED。於本實施例1中，合成電極120是由具奈米結構的透明導電電極(ITO)120a及填滿覆蓋於其上的高導電聚合物(PEDOT：PSS)120b所形成。導電的PEDOT：PSS 120b塗布於具奈米結構ITO 120a上可部分平坦化奈米結構ITO的表面，且可將發光區域擴展至不具ITO區塊的區域以達到全區均勻發光效果，更可提供所需的折射率調配。利用ITO及PEDOT：PSS之間不同折射率的差異，及PEDOT：PSS不完全平坦化奈米結構ITO，這種內部萃取結構結合了光子晶體(photonic crystals)及表面凹凸化的特性。請參考圖3a，上述裝置結構的製程是由簡單的奈米球微影術(nanosphere lithography)及旋轉塗布(spin-coating)達成。由於ITO及PEDOT：PSS都是透明導電的，可直接作為OLED的合成電極，且確保整個OLED裝置有區域均勻的發光。借著結合內部光萃取結構及外部光萃取設計例如貼附光萃取透鏡，以下實施例中的綠色磷光OLED可達到非常高接近62％的外部量子效率(EQE)。

圖3a示意本實施例中奈米結構ITO裝置10的製程，包括具奈米結構ITO及PEDOT：PSS所組成的合成電極120以及位於其上完整的電激發光裝置(OLED)，其製程包括流程步驟I至VI。

步驟I：旋轉塗布(spin-coating)結合水轉移技術(water transfer technique)適於將大面積且密堆積(六邊形)自組裝單層(self-assembly monolayer，SAM)的聚苯乙烯(polystyrene，PS)乳膠奈米球NS擴展在玻璃基板100上，於本實施例中採用杜克科學(Duke Scientific)5050A系列的奈米球NS，其平均直徑為500奈米(nm)。如圖3b所示，掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)所擷取被擴展在玻璃基板上單層奈米球的影像。

步驟II：如箭頭所示，藉由氧氣電漿蝕刻(oxygen plasma etching)，將聚苯乙烯(PS)奈米球NS的尺寸縮小至270奈米的奈米球NS』，如圖3c所示之SEM影像。

步驟III：在室溫下，利用射頻濺鍍機(RF sputtering)，並透過聚苯乙烯(PS)奈米球NS』沉積ITO導電層120a，ITO導電層120a的厚度約為70奈米。通常ITO導電層的導電率約為每公分1800西門子(S/cm)。

步驟IV：將聚苯乙烯(PS)奈米球NS』掀離(lift-off)以形成奈米結構ITO，如圖3d所示之SEM影像。

步驟V：將高導電性的PEDOT：PSS層(可供側嚮導電)及低導電性的PEDOT：PSS層(可供電洞注入)依序旋轉塗布在奈米結構ITO上；接著，於每次塗布後在130℃下退火15分鐘。

步驟VI：進一步利用加熱蒸鍍法(thermal evaporation)，沉積堆棧有機層130及金屬電極140在奈米結構ITO/PEDOT：PSS所組成的合成電極上，以形成完整的電激發光裝置(OLED)10。

其中在步驟V，低導電性的PEDOT：PSS層經由自賀利氏公司(Heraeus Co.)購買的Clevios系列水溶液旋轉塗布而成，而高導電性的PEDOT：PSS層則由賀利氏公司購買的Clevios系列水溶液與7.5體積百分比(vol.％)濃度的二甲亞碸(dimethyl sulfoxide，DMSO)所形成之混和物旋轉塗布而成。加入二甲亞碸(DMSO)於PEDOT：PSS中作為極性共溶劑(polar co-solvent)，可大大提升PEDOT：PSS聚合物的導電度。添加有二甲亞碸(DMSO)且被旋轉塗布的PEDOT：PSS層可達到具有每公分900-1000西門子(S/cm)的導電率，相較於原始水溶液所旋轉塗布的PEDOT：PSS層約0.1S/cm的導電率，導電率大幅提升。高導電性的PEDOT：PSS層及低導電性的PEDOT：PSS層採用每40秒6000轉(rpm)的相似條件下沉積，且其厚度分別約為65奈米及20奈米。

請參考圖4a，位於合成電極上且利用上述奈米結構ITO裝置的典型綠色磷光OLED結構包括：玻璃基板(Subatrate)/陽極(具奈米結構ITO及PEDOT：PSS所組成的合成電極)/40奈米厚的NPB/15奈米厚的有機磷光發光層材料CBP摻雜8重量百分比濃度(wt.％)的銥錯合物(CBP：Ir(ppy)2(acac))/65奈米厚的TPBi/0.5奈米厚的氟化鋰(LiF)/130奈米厚的鋁(Al)。

其中，N，N′-二苯基-N，N′-(1-萘基)-1，1′-聯苯-4，4′-二胺(N，N』-Di(1-naphthyl)-N，N』-diphenyl-(1，1』-biphenyl)-4，4』-diamine；簡稱為NPB)作為電動傳輸層。4，4′-二(9-咔唑)聯苯(4，4′-bis(carbazol-9-yl)biphenyl；簡稱為CBP)摻雜8重量百分比濃度(wt.％)的乙醯丙酮酸二(2-苯基吡啶-C2，N)合銥(III)(bis(2-phenylpyridine)(acetylacetonato)iridium(III)；簡稱為Ir(ppy)2(acac))作為綠色磷光發光層。2，2』，2″-(1，3，5-苯)-三(1-苯基-1H-苯並咪唑)((2，2』，2″-(1，3，5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)；簡稱為TPBi)作為電子傳輸層。氟化鋰及鋁分別作為電子注入層及陰極。本實施例中OLED結構的有效面積為真空蒸鍍屏蔽(in-situ shadow masking)所定義的1平方釐米(mm2)，且其有機層的厚度與典型使用值類似。

請參考圖4b及圖4c，兩個OLED結構用以跟圖4a中採用奈米結構ITO裝置的OLED結構比較測試，其有機層與圖4a中具有相同製程，除了一者的陽極是採用約100奈米厚的平面結構ITO，另一者的陽極是採用平面結構ITO/PEDOT：PSS。平面結構ITO/PEDOT：PSS是由約100奈米厚ITO、65奈米厚高導電性PEDOT：PSS及20奈米厚的低導電性PEDOT：PSS所組成。上述裝置為了有效萃取及收集元件內部發光並耦合至基板的電致發光特性，更進一步利用折射率匹配液(index-matching oil)黏附一相對大的半球狀玻璃透鏡(其直徑約1公分)。藉由校準用的積分球(integrating-sphere)測量系統來收集上述裝置的總發光通量，及評估不同裝置的外部量子效率(EQE)。評估外部量子效率更藉由不同測量角度的電激發光頻譜(EL spectra)及強度來進行驗證。

請參考圖5a至圖5d，是由原子力顯微鏡(atomic force microscopy，AFM)分別依序於奈米結構ITO裝置中沉積各層期間所擷取的表面形貌影像圖(topographic surface images)，而圖5e示意各別由圖5a至圖5d沿著X方向所擷取的表面輪廓斷面曲線圖(surface profiles)，其中位置及高度的單位皆為奈米(nm)。圖5a示意僅有奈米結構ITO層的影像，以及圖5e中曲線a示意其表面輪廓斷面曲線。圖5b示意PEDOT：PSS層覆蓋上奈米結構ITO層後的影像，以及圖5e中曲線b示意其表面輪廓斷面曲線。圖5c示意沉積上有機層等所有功能層後的影像，以及圖5e中曲線c示意其表面輪廓斷面曲線。圖5d示意沉積上金屬電極後的影像，以及圖5e中曲線d示意表面輪廓斷面曲線。圖5e中顯示初始奈米結構ITO層的表面輪廓高度及在PEDOT：PSS層覆蓋上奈米結構ITO層後的表面輪廓高度，其高度如曲線a及曲線b所示由趨近70奈米改變至約35到40奈米；進一步真空沉積有機層及金屬電極後，其表面輪廓高度如曲線c及曲線d所示呈現波浪狀且保持在35到40奈米。由上述可知，PEDOT：PSS層並未將奈米結構ITO層完全平面化，使得PEDOT：PSS層覆蓋上奈米結構ITO層的組合提供本發明實施例具有折射率調製和表面波紋的特性。

圖6a示意未貼附透鏡的本發明實施例中奈米結構ITO裝置、如圖4b及圖4c中傳統平面結構ITO裝置及平面結構ITO/PEDOT：PSS裝置的電流密度-電壓-亮度(current-voltage-luminance，I-V-L)特性曲線圖，其中曲線R及R』分別表示無貼附透鏡的奈米結構ITO裝置的I-V特性曲線及L-V特性曲線；曲線P及P』分別表示無貼附透鏡的傳統平面結構ITO裝置的I-V特性曲線及L-V特性曲線；曲線Q及Q』分別表示無貼附透鏡的傳統平面結構ITO/PEDOT：PSS裝置的I-V特性曲線及L-V特性曲線。由圖6a可知，上述三種裝置的發光特性區別主要是由光學結構(平面結構/奈米結構)所導致的差異，與是否插入PEDOT：PSS層較無關係。圖6b及圖6c分別示意外部量子效率(％)及功率效率(單位：每瓦流明(lm/W))與亮度(單位：每平方公尺燭光(cd/m2))的曲線關係圖，其中曲線R及Ro分別表示貼附有透鏡(w/lens)及無貼附透鏡(w/o lens)的奈米結構ITO裝置；曲線P及Po分別表示貼附有透鏡及無貼附透鏡的傳統平面結構ITO裝置；曲線Q及Qo分別表示貼附有透鏡及無貼附透鏡的傳統平面結構ITO/PEDOT：PSS裝置，如下列表一，其更列出效率總表。

表一.效率總表

傳統平面結構ITO裝置沒有貼附透鏡時，其外部量子效率及功率分別為21.0％及73.2lm/W；傳統平面結構ITO/PEDOT：PSS裝置沒有貼附透鏡時，其外部量子效率及功率分別為18.0％及56.5lm/W；以及，本發明實施例中奈米結構ITO裝置沒有貼附透鏡時，其外部量子效率及功率分別為25.3％及107.9lm/W。相較於傳統平面結構ITO裝置，經過適度加強的本發明實施例，具有合成電極的奈米結構ITO裝置的外部量子效率(EQE)是傳統的1.2倍。傳統平面結構ITO/PEDOT：PSS裝置的較低效率明確指出在傳統裝置中插入PEDOT：PSS層並無法加強效率，但嵌入光子奈米結構卻可加強效率。特別重要地是，當結合具奈米結構ITO的合成電極及外部取光結構例如貼附出光耦合透鏡時，外部量子效率被大幅地提升。由於透鏡可有效萃取進入基板的光，貼附有大型半圓形透鏡的傳統平面結構ITO裝置，其外部量子效率及功率分別為36.2％及126.0lm/W；貼附有大型半圓形透鏡的傳統平面結構ITO/PEDOT：PSS裝置，其外部量子效率及功率分別為37.0％及116.3lm/W；以及，貼附有大型半圓形透鏡的本發明實施例中奈米結構ITO裝置，其外部量子效率及功率分別為61.9％及264.3lm/W。

值得注意地是，藉由將上述裝置貼附透鏡，奈米結構ITO裝置相較於平面結構ITO裝置，其外部量子效率大幅地增強，其中貼附透鏡時奈米結構ITO裝置的外部量子效率(61.9％)是未貼附透鏡(25.3％)的2.45倍，而貼附透鏡時平面結構ITO裝置的外部量子效率(36.2％)僅是未貼附透鏡(21.0％)的1.72倍；此外，貼附透鏡的奈米結構ITO裝置相較於貼附透鏡的平面結構ITO裝置，其外部量子效率增強倍數亦相對大，其中貼附透鏡時奈米結構ITO裝置的外部量子效率(61.9％)是貼附透鏡時平面結構ITO裝置(36.2％)的1.71倍，未貼附透鏡時奈米結構ITO裝置的外部量子效率(25.3％)則是未貼附透鏡時平面結構ITO裝置(21.0％)的1.2倍。

當光的入射角大於玻璃及空氣界面的臨界角θc～41°會被局限在基板內，由於貼附大型半圓形透鏡有助於提取最初在基板內逃逸角錐(escape cone)外的發光，本發明中奈米結構ITO裝置相較於傳統平面結構ITO裝置確實可大幅地增加基板內部發光的光耦合，但也使得較大比例進入基板的光通量(光的入射角)分布到超過臨界角的角度。這可透過貼附有透鏡的裝置電致發光(EL)下進行發光強度之角度解析量測(angle-resolved EL characteristics)來進一步證實。針對貼附有透鏡(w/lens)的平面結構ITO(Planer ITO)裝置及奈米結構ITO(ITO nanomesh)裝置進行量測，圖6d及圖6e分別示意電致發光(EL)下相對發光強度在偏離平面法線的觀察角度0°、30°及60°所量測的頻譜。圖6f示意電致發光頻譜積分強度與各觀察角度的函數關係圖，其中曲線M表示傳統平面結構ITO裝置，曲線N表示本發明中奈米結構ITO裝置。相較於傳統平面結構ITO裝置，本發明中奈米結透ITO裝置在圖6f中可明確看出較大比例進入基板光通量其入射角度超過玻璃及空氣界面的臨界角θc。

為了清楚知道本發明中奈米結構ITO裝置如何增強內部發光的光耦合至基板及空氣，以下結合Synosys公司Rsoft 9.0FullWave系列的三維有限時域差分(finite difference time domain，FDTD)模擬來對靠近發光主動區進行近場(near-field behaviors)光學仿真以及LightTools 8.2系列的光線追蹤(ray-tracing)模擬在基板及空氣處進行遠場(far-field behaviors)光學仿真。時域有限差分分析是通過在六角品格單位單元的發光層中放置不同方向和頻率的發光偶極子(emitting dipoles)來進行，也就是發光偶極子方向沿著X、Y或Z方向，其中X及Y方向是由圖5a所定義，Z方向則是沿著基板表面的法線。圖7a及圖7b分別表示在傳統平面結構ITO裝置及本發明中奈米結構ITO裝置下，由Y方向(水平方向)偶極子在X-Z平面的橫截面下的能量通量密度(energy flux density)，也就是波印亭向量強度(Poynting vector magnitude)。如圖7a所示，在傳統平面結構ITO裝置中，基板(Substrate)位於位置Z：2微米(μm)處，金屬陰極(Metal)位於位置Z：0微米(μm)處，大量的內部發光被局限且側向引導在有機層/透明導電電極層中；如圖7b所示，在本發明奈米結構ITO裝置中，被局限在有機層/透明導電電極層中的內部發光減少且被引導至基板甚至空氣中。與上述實驗一致，本發明奈米結構ITO裝置中耦合至基板的大部分光是朝向大角度，由於內部全反射無法直接耦合空氣中，但藉由外部結構例如貼附光耦合透鏡可有效提取。對於Z方向(垂直方向)偶極子，圖7c表示在傳統平面結構ITO裝置下，在X-Z平面的橫截面下的能量通量密度，大部分的內部發光被側向局限在有機層/透明導電電極層的波導模式(waveguiding modes)中或是金屬陰極的表面電漿模式(Surface-Plasma mode)中。至於，本發明中奈米結構ITO裝置的結構有助於將局限在上述模式中的光耦合至基板，如圖7d表示在X-Z平面的橫截面下的能量通量密度。藉由比較如圖7e及圖7f分別表示傳統平面結構ITO裝置及本發明中奈米結構ITO裝置在金屬電極界面的吸收量，可知由Z方向(垂直方向)偶極子的內部發光在表面電漿損失(Surface-Plasma losses)大幅減少。

在圖7e及圖7f中，在金屬電極界面的吸收量定義如下：

A(r『，ts)＝ω×Im[ε]×|E(r『，ts)|2，

其中，ω表示頻率，Im[ε]表示介電常數的虛部，|E(r『，ts)|2表示在位置r『處及特定時間ts下的電場強度。內部發光耦合至基板的光耦合加強以及內部發光在金屬電極界面的表面電漿損失(Surface-Plasma losses)減少都歸功於由PEDOT：PSS層覆蓋上奈米結構ITO層組成之合成電極所引起的折射率調製和表面波紋的特性，合成電極更提供波向量(wave vector)給被局限的波包括導波(guided waves)及表面波(surface waves)以滿足/匹配動量守恆(momentum conservation)且耦合至逸散波(leaky waves)。對於貼附有透鏡的奈米結構ITO裝置，計算所得的內部發光耦合至基板的光耦合效率～64％確實接近實際量測得到的外部量子效率61.9％。

綜上所述，本發明實施例提供一種由具奈米結構的透明導電材料及高導電性的聚合物PEDOT：PSS組成的合成電極，且其可輕易藉由奈米球微影術(nanosphere lithography)及旋轉塗布(spin-coating)製成，以加強OLED的光萃取。利用ITO及PEDOT：PSS之間不同折射率的差異，及借著PEDOT：PSS不完全平坦化奈米結構ITO，這種導電光子奈米結構(conductive photonic nanostructure)結合了光子晶體(photonic crystals)及表面凹凸化的特性，有效地提升內部發光耦合至基板的光耦合率，更可當作電流導體/電流注入(current conductor/injector)。通過結合內部光萃取結構及外部光萃取設計例如貼附光萃取透鏡，可使得綠色磷光OLED達到接近62％非常高的外部量子效率(EQE)。

實施例2：

依據上述實施例的一般原則，其他實施例可以有不同的變化及修改。舉例來說，替換實施例1製成合成電極中先形成奈米結構的高折射率(n～1.8-2.1)透明導電材料的方法，實施例2先形成具奈米結構的低折射率(n～1.5)透明導電材料再填入/覆蓋高折射率(n～1.8-2.1)透明導電材料，因此形成另一種合成電極。

實施例3：

依據上述實施例的一般原則，其他實施例可以有不同的變化及修改。舉例來說，在實施例1及實施例2的合成電極中高折射率透明導電材料採用氧化銦錫(ITO)，採用其他高折射率(較傾向n＞1.75)透明導電材料取而代之。在本實施例中，合成電極中第一層或第二層中具有較高折射率的材料包括一高折射率透明導電氧化物，且高折射率透明導電氧化物包括氧化銦錫(ITO)、氟摻雜氧化錫(fluorine-doped tin oxide)、氧化鋅鋁(aluminum zinc oxide)、氧化鎵鋅(gallium zinc oxide)、氧化銦鋅(indium zinc oxide)、氧化錫(tin oxide)、氧化鈦(titanium niobium oxide)、氧化鈦鈮(titanium oxide)及上述堆棧或組合的材料。

實施例4：

依據上述實施例的一般原則，其他實施例可以有不同的變化及修改。舉例來說，在實施例1及實施例2的合成電極中低折射率透明導電材料採用聚合物PEDOT：PSS，採用其他溶劑塗布(solution-coated)或真空沉積(vacuum-deposited)導電材料具有相較上述高折射率透明導電材料來得低的低折射率(較傾向n＜1.65)透明導電材料取而代之。在本實施例中，溶劑塗布(solution-coated)或真空沉積(vacuum-deposited)導電材料例如奈米孔洞透明導電氧化物或一低折射率的導電聚合物，且低折射率奈米孔洞透明導電氧化物的材料包括氧化銦錫(ITO)、氟摻雜氧化錫(fluorine-doped tin oxide)、氧化鋅鋁(aluminum zinc oxide)、氧化鎵鋅(gallium zinc oxide)、氧化銦鋅(indium zinc oxide)、氧化錫(tin oxide)、氧化鈦(titanium niobium oxide)、氧化鈦鈮(titanium oxide)及上述堆棧或組合的材料。

實施例5：

本實施例是將實施例1中的基板上所貼附的一光耦合透鏡用其他表面處理或其他透鏡來取代，其他光耦合透鏡包括稜鏡、三角錐、微透鏡片、微稜鏡片、微三角錐片、微粒子層、奈米粒子層、光柵片、散射片及擴散片等。

實施例6：

本實施例是將實施例1中的基板所具有一相對於合成電極的外表面經過一表面處理而形成一光耦合透鏡。其中，表面處理包括粗糙化、分散化及塑形化外表面，以形成稜鏡、三角錐、微透鏡、微稜鏡、微三角錐及光柵等等。

實施例7：

本實施例是將實施例1中的電激發光裝置10進行翻轉(inverted)，使得底部具奈米結構的合成電極120作為陰極，而頂部金屬電極(上電極)140作為陽極。

實施例8：

本實施例將實施例1中的電激發光裝置10形成一串接裝置(tandem device)，也就是功能層130具有複數個垂直堆棧的發光層且彼此電性連結。

實施例9：

在本實施例中，位於功能層上的上電極140是不透明且具光學反射性質。當發光層所發出的光穿過合成電極120時，光的能量通量密度被耦合至基板100。

實施例10：

在本實施例中，位於功能層上的上電極140是透明的或半透明的，使得發光層所發出的光的能量通量密度被耦合至基板100且由上電極140向外發出。此外，上電極140更覆蓋有一超基板(superstrate)。超基板相對於上電極140具有一外表面，且外表面經過一表面處理而形成一光耦合透鏡，其中表面處理包括粗糙化、分散化及塑形化外表面，以形成稜鏡、三角錐、微透鏡、微稜鏡、微三角錐及光柵等等。另一實施例中，超基板上貼附有一光耦合透鏡，光耦合透鏡包括稜鏡、三角錐、微透鏡片、微稜鏡片、微三角錐片、微粒子層、奈米粒子層、光柵片、散射片及擴散片等等。

實施例11：

在本實施例中，上電極140是一第二合成電極，第二合成電極與上述合成電極具有相同結構；也就是說，上電極140可替換為另一個如實施例1所述的合成電極，使得底部具奈米結構的合成電極(下電極)作為陰極，而頂部具奈米結構的合成電極(上電極)則作為陽極。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並非用來限定本發明的範圍；凡是未脫離發明所公開精神下所完成的等效改變或修飾，均理解為應包含在下述的權利要求所限定的範圍內。