CN104934545A - 有机发光二极管器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种有机发光二极管器件，其包括衬底及设置于所述衬底的内侧表面的透明导电膜，还包括微结构阵列及由导电聚合物制成的导电光提取栅格结构，所述微结构阵列喷墨打印于所述衬底的外侧表面，所述导电光提取栅格结构喷墨打印于所述透明导电膜远离所述衬底的表面。所述有机发光二级管器件由气溶胶喷墨、压电喷墨打印快速制备导电光提取栅格结构及微结构阵列结构，可有效增加光提取效率。本发明另外提供所述有机发光二极管器件的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及有机发光二极管器件技术领域，尤其涉及一种利用喷墨打印快速制备的、具有导电光提取栅格结构及微结构阵列结构的、可有效增加光提取效率的有机发光二极管器件及其制备方法。
背景技术
随着能源日益紧缺，开发节能环保的白光照明技术具有重要的经济和社会意义，有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）作为一种新型固体发光技术，具有发光效率高、工作电压低、轻薄等优点，是一种节能的面光源照明技术。
现有OLED内量子效率已经接近100%，但是由于OLED内部存在全反射，外量子效率还相对较低，因而破坏OLED内部全反射条件，增加其光耦合输出效率对实现OLED高效节能就显得非常重要。
目前增加OLED光耦合输出效率的解决方案基本为：针对有机层/ITO（透明导电膜）、ITO/玻璃和玻璃/空气这三处界面，制备光提取微结构，破坏全反射，增加OLED器件光耦合输出。但是，现有微结构的制备方法如光刻、电子束刻蚀等，工艺复杂、条件苛刻、成本较高，且大面积制备时周期结构均一性较差，较难与柔性OLED兼容，并不能满足高效率照明OLED器件的广泛使用和长足发展的要求。而不使用微结构增加光提取，通过有效的光学微腔结构设计来增加OLED器件光耦合输出效率的解决方案虽然行之有效，却会改变光的球面波属性，从而影响OLED照明的色还原指数，因此不能满足OLED白光照明的性能要求。
此外，在OLED器件内部植入的光提取微纳栅格结构多为绝缘的有机或无机周期性结构，这种微纳栅格结构的绝缘性通常会导致OLED器件内部的局部周期性绝缘，从而影响载流子的注入和传输以及激子的形成和发光，进而会一定程度的降低OLED器件的电学性能。
发明内容
针对上述问题，为了解决现有技术中白光OLED器件光提取微结构制备工艺复杂、成本较高的问题，以及OLED器件内部的绝缘微纳栅格结构带来的局部周期性绝缘问题，本发明的目的旨在提供一种利用喷墨打印快速制备的、具有导电光提取栅格结构及微结构阵列结构的、可有效增加光提取效率的有机发光二极管器件及其制备方法。
一种有机发光二级管器件，其包括衬底及设置于所述衬底的内侧表面的透明导电膜，还包括微结构阵列及由导电聚合物制成的导电光提取栅格结构，所述微结构阵列喷墨打印于所述衬底的外侧表面，所述导电光提取栅格结构喷墨打印于所述透明导电膜远离所述衬底的表面。
本发明一较佳实施例中，所述微结构阵列由压电喷墨打印于所述衬底的外侧表面，所述导电光提取栅格结构由气溶胶喷墨打印于所述透明导电膜远离所述衬底的表面。
本发明一较佳实施例中，所述微结构阵列为PMMA微棱镜阵列，包括多个直径为30～50um、高度为50～500nm的半球状微棱镜；所述导电聚合物为掺杂有直径在15～30nm之间的Au纳米颗粒的PEDOT：PSS导电溶液。
本发明一较佳实施例中，所述PEDOT：PSS导电溶液的体积比为PEDOT:PSS导电溶液：酒精：甘油=15:1:3，且所述Au纳米颗粒的质量浓度为10%～20%。
本发明一较佳实施例中，所述导电光提取栅格结构的周期在50～250um之间。
本发明一较佳实施例中，还包括与所述导电光提取栅格结构依次层叠于所述透明导电膜远离所述衬底的表面上的空穴传输层、电子传输层和发光层、电子注入层及阴极，所述空穴传输层的制成材料为NPB，所述电子传输层和发光层的制成材料均为Alq3，所述电子注入层的制成材料为LiF，所述阴极的制成材料为Al。
本发明另外提供一种有机发光二极管器件的制备方法，其包括如下步骤：
S101、在衬底的内侧表面上制备透明导电膜，刻蚀OLED所需形状并进行清洁；
S103、在所述透明导电膜上喷墨打印由导电聚合物制成的导电光提取栅格结构；
S105、在所述衬底的外侧表面喷墨打印微结构阵列结构。
本发明一较佳实施例中，步骤S103在超净间中进行，采用气溶胶喷墨打印快速制备工艺，并使用掺杂有金属纳米散射颗粒的PEDOT：PSS导电溶液作为墨水，所述墨水配方的体积比为PEDOT:PSS导电溶液：酒精：甘油=15:1:3，且所述墨水中含有质量浓度在10%～20%的Au纳米颗粒。
本发明一较佳实施例中，步骤S105在超净间中进行，采用压电喷墨打印快速制备工艺，并使用PMMA作为墨水，所述墨水配方的质量比为PMMA：乙酸乙酯：松油醇=1:50:10。
本发明一较佳实施例中，步骤S105之后，进一步包括：
S107、在所述导电光提取栅格结构上，依次制备沉积空穴传输层、电子传输层和发光层及电子注入层；
S109、在所述电子注入层上制备阴极。
本发明一较佳实施例中，步骤S107和步骤S109均在高真空环境中进行，步骤S107中，采取多元高真空热沉积法在所述导电光提取栅格结构上依次沉积空穴传输层、电子传输层和发光层及电子注入层，步骤S109中，采取掩膜法在所述电子注入层上沉积阴极。
应用本发明的技术方案，其有益效果体现在：
本发明针对微结构增加OLED器件的光耦合输出做出了改进，尤其是采用了喷墨打印快速制备微结构的工艺，在透明导电膜（ITO阳极）上制备导电光提取栅格结构（PEDOT：PSS导电栅格结构）以及在导电光提取栅格结构中加入金属纳米散射颗粒，并在衬底外侧表面打印微结构阵列（PMMA微棱镜阵列），使得OLED器件在无需掩膜、无需光刻的情况下，快速获得增加OLED光提取的微结构。
所述有机发光二级管器件中导电光提取栅格结构避免了现有技术中绝缘微纳结构在OLED器件内部带来的周期性局部绝缘问题，并促进了载流子的注入，使得OLED器件的最高电流效率可以显著提高（相对绝缘微纳结构）。同时，在导电光提取栅格结构中掺入的金属纳米散射颗粒通过散射全反射光并改变其传播方向，可以进一步增强OLED器件光波导模式中的光提取，而且金属纳米散射颗粒自身的表面等离子体共振改变了器件的内部电场分布，极大地促进了载流子的注入。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的有机发光二极管器件的示意图；
图2为本发明第二实施例提供的有机发光二极管器件的制备方法的流程图；
图3为图1所示有机发光二极管器件中微结构阵列的示意图；
图4为图1所示有机发光二极管器件中导电光提取栅格结构的示意图；
图5为不同周期的导电光提取栅格结构对有机发光二极管器件发光效率的影响曲线图；
图6为不同周期的导电光提取栅格结构对有机发光二极管器件电流效率的影响曲线图；
图7为不同栅格对有机发光二极管器件电流效率的影响曲线图；
图8为不同栅格对有机发光二极管器件发光效率的影响曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
请参阅图1，本发明提供一种有机发光二极管器件10，其包括衬底100、透明导电膜200、微结构阵列300及导电光提取栅格结构400，所述衬底100具有相对的内侧表面101和外侧表面103，所述透明导电膜200设置于所述衬底100的内侧表面101，所述微结构阵列300喷墨打印于所述衬底100的外侧表面103，所述导电光提取栅格结构400由导电聚合物制成，所述导电光提取栅格结构400喷墨打印于所述透明导电膜200远离所述衬底的表面。
本实施例中，所述衬底100优选为透明玻璃，可以理解的是，所述衬底100并不局限于本实施例，也可以采用其他衬底材料。
本实施例中，所述透明导电膜200为ITO膜，其方阻为10欧/□。可以理解的是，所述透明导电膜200即构成所述发光二级管器件10的阳极。
本实施例中，所述微结构阵列300为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）微棱镜阵列，包括多个直径为30～50um、高度为50～500nm的半球状微棱镜301；所述微结构阵列300由压电喷墨打印于所述衬底100的外侧表面103。
本实施例中，所述导电光提取栅格结构400的制成材料为含有金属纳米散射颗粒401PEDOT：PSS。优选地，所述导电光提取栅格结构400的制成材料为掺杂有直径在15～30nm之间的Au纳米颗粒的PEDOT：PSS导电溶液；所述导电光提取栅格结构400由气溶胶喷墨打印于所述透明导电膜200远离所述衬底100的表面。具体地，所述PEDOT：PSS导电溶液的体积比为PEDOT:PSS导电溶液：酒精：甘油=15:1:3，且所述Au纳米颗粒的质量浓度为10%～20%。本实施例中，PEDOT:PSS型号为4083，当然，并不局限于此，其他型号也可以。
优选地，所述导电光提取栅格结构400的周期在50～250um之间。
可以理解的是，所述有机发光二极管器件10的光耦合提取主要依赖于微结构阵列300和含有金属纳米散射颗粒401的、由导电PEDOT：PSS制备而成的导电光提取栅格结构400。本实施例中，所述微结构阵列300采用压电喷墨打印快速制备工艺获得，其直径为30-50μm、高度为50～150nm、折射率为1～1.6，所述微结构阵列300可以有效地增加光提取。所述导电光提取栅格结构400采用气溶胶喷墨打印快速制备工艺获得，其线宽30μm、线高50～150nm，折射率为1～1.6，所述导电光提取栅格结构400中，PEDOT：PSS导电溶液的导电性使得所述微结构阵列可以很好地同所述有机发光二级管器件10内部的结构相容，而且所述导电光提取栅格结构400的栅格周期性可以极大地增加所述有机发光二级管器件10中波导效应的光的耦合输出。
进一步地，所述有机发光二级管器件10还包括与所述导电光提取栅格结构400依次层叠于所述透明导电膜200远离所述衬底100的表面上的空穴传输层500、电子传输层和发光层600、电子注入层700及阴极800。本实施例中，所述空穴传输层500的制成材料为NPB（N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthyl)-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine），其厚度为60nm；所述电子传输层和发光层600的制成材料均为Alq3，厚度为60nm；所述电子注入层700的制成材料为LiF，厚度为1nm；所述阴极800的制成材料为Al，厚度为200nm。
可以理解的是，所述有机发光二极管器件10中，所述微结构阵列300、所述衬底100、所述透明导电膜200、所述导电光提取栅格结构400、所述空穴传输层500、所述电子传输层和发光层600、所述电子注入层700及所述阴极800从上至下依次叠置构成层状结构。
请参阅图2，本发明第二实施例提供所述有机发光二极管器件10的制备方法，其包括如下步骤：
S101、在衬底100的内侧表面上制备透明导电膜200，刻蚀OLED所需形状并进行清洁。
S103、在所述透明导电膜200上喷墨打印由导电聚合物制成的导电光提取栅格结构400。
本实施例中，所述导电光提取栅格结构400的制备在超净间中进行，采用气溶胶喷墨打印快速制备工艺，并使用掺杂有金属纳米散射颗粒401的PEDOT：PSS导电溶液作为墨水。
优选地，所述墨水配方的体积比为4083PEDOT:PSS导电溶液：酒精：甘油=15:1:3，且所述墨水中含有质量浓度在10%～20%的Au纳米颗粒。
S105、在所述衬底100的外侧表面喷墨打印微结构阵列结构300。
本实施例中，所述微结构阵列300的制备在超净间中进行，采用压电喷墨打印快速制备工艺，并使用PMMA作为墨水，所述墨水配方的质量比为PMMA：乙酸乙酯：松油醇=1:50:10。
可以理解的是，步骤S103和步骤S105的顺序可以掉换，并不局限于本实施例。
S107、在所述导电光提取栅格结构400上，依次制备沉积空穴传输层500、电子传输层和发光层600及电子注入层700。
本实施例中，此步骤在高真空（约5×10-4帕）环境中进行，而且，采取多元高真空热沉积法在所述导电光提取栅格结构400上，依次沉积空穴传输层500、电子传输层和发光层600及电子注入层700。
S109、在所述电子注入层700上制备阴极800。
本实施例中，此步骤在高真空（约5×10-4帕）环境中进行，而且，采取掩膜法在所述电子注入层700上沉积阴极800。
本实施例中，所述有机发光二极管器件10的制备过程中，制备所用真空腔一直处于密闭状态，所述有机发光二极管器件10的所有功能层材料的厚度、沉积速率均由膜厚仪监控，并通过调节热流电源实现。
请参阅图3和图4，分别为由所述有机发光二极管器件10的制备方法获得的微结构阵列300及导电光提取栅格结构400。其中，图3所示微结构阵列300的直径为50μm、高度为120nm。图4所示导电光提取栅格结构400的线条宽度为30μm、周期是100μm、高度为120nm。
实验表明，采用图3所示微结构阵列300，所述有机发光二极管器件10的电流效率提高1.27倍、功率效率提高1.23倍；采用图4所示导电光提取栅格结构400，所述有机发光二极管器件10的电流效率提高1.93倍、功率效率提高1.27倍；在图3所示微结构阵列300及图4所示导电光提取栅格结构400的共同作用下，所述有机发光二极管器件10的电流效率提高2.3倍、功率效率提高1.5倍，并且不影响发光光谱，可知，本发明提供的有机发光二极管器件10及其制备方法在OLED白光照明及大面积制备中局有重要的地位。
以下，本发明将通过实验来进一步说明所述有机发光二极管器件10及其制备方法的原理及效果。
实验1：
衬底100为玻璃，透明导电膜200为10欧/□的阳极ITO膜，洗净衬底100和透明导电膜200后，在超净室的操作条件下，采用气溶胶喷墨打印快速制备微结构技术，在透明导电膜200上制备导电光提取栅格结构400，之后在空气中以120℃的温度烘烤10min；然后送入高真空（5×10-4帕）环境中，采用多元高真空热沉积系统，在导电光提取栅格结构400上，依次沉积空穴传输层500（NPB厚度为60nm）、电子传输层和发光层600（Alq3厚度为60nm），再沉积电子注入层700（薄层LiF，厚度为1nm）；最后掩膜沉积阴极800（金属阴极Al，厚度为200nm）。
为了寻找最优的导电光提取栅格结构400的周期，本实验分别采用了PEDOT:PSS层、50μm、100μm、150μm、200μm和250μm六种结构，并与没有导电光提取栅格结构400的OLED器件进行对比，如图5和图6所示。
结果表明：导电光提取栅格结构400对OLED器件确实存在有效的光提取效果，其中，周期50μm的导电光提取栅格结构400的效果最佳，其相应的OLED器件的电流效率提高1.56倍、功率效率提高1.61倍。周期100μm的导电光提取栅格结构400也可以明显提高了OLED器件的性能，其电流效率和功率效率分别提高了1.38倍和1.55倍。
实验2：
在实验1的基础上，本实验修改部分实验设计，比较导电光提取栅格结构、掺入纳米金粒子的导电光提取栅格结构和PMMA栅格对OLED器件的性能影响，其他制备条件都与实验1相同，如图7和图8所示。
结果表明：加入纳米金粒子后的导电光提取栅格结构对OLED器件的性能提高最多，而不导电的PMMA栅格对OLED器件的性能并没有有益效果。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (11)
1.一种有机发光二级管器件，其包括衬底及设置于所述衬底的内侧表面的透明导电膜，其特征在于，还包括微结构阵列及由导电聚合物制成的导电光提取栅格结构，所述微结构阵列喷墨打印于所述衬底的外侧表面，所述导电光提取栅格结构喷墨打印于所述透明导电膜远离所述衬底的表面。
2.如权利要求1所述的发光二极管器件，其特征在于，所述微结构阵列由压电喷墨打印于所述衬底的外侧表面，所述导电光提取栅格结构由气溶胶喷墨打印于所述透明导电膜远离所述衬底的表面。
3.如权利要求1所述的发光二极管器件，其特征在于，所述微结构阵列为PMMA微棱镜阵列，包括多个直径为30～50um、高度为50～500nm的半球状微棱镜；所述导电聚合物为掺杂有直径在15～30nm之间的Au纳米颗粒的PEDOT：PSS导电溶液。
4.如权利要求3所述的发光二极管器件，其特征在于，所述PEDOT：PSS导电溶液的体积比为PEDOT:PSS导电溶液：酒精：甘油=15:1:3，且所述Au纳米颗粒的质量浓度为10%～20%。
5.如权利要求1所述的发光二极管器件，其特征在于，所述导电光提取栅格结构的周期在50～250um之间。
6.如权利要求1～5任一项所述的发光二极管器件，其特征在于，还包括与所述导电光提取栅格结构依次层叠于所述透明导电膜远离所述衬底的表面上的空穴传输层、电子传输层和发光层、电子注入层及阴极，所述空穴传输层的制成材料为NPB，所述电子传输层和发光层的制成材料均为Alq3，所述电子注入层的制成材料为LiF，所述阴极的制成材料为Al。
7.一种有机发光二极管器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、在衬底的内侧表面上制备透明导电膜，刻蚀OLED所需形状并进行清洁；
S103、在所述透明导电膜上喷墨打印由导电聚合物制成的导电光提取栅格结构；
S105、在所述衬底的外侧表面喷墨打印微结构阵列结构。
8.如权利要求7所述的有机发光二极管器件的制备方法，其特征在于，步骤S103在超净间中进行，采用气溶胶喷墨打印快速制备工艺，并使用掺杂有金属纳米散射颗粒的PEDOT：PSS导电溶液作为墨水，所述墨水配方的体积比为PEDOT:PSS导电溶液：酒精：甘油=15:1:3，且所述墨水中含有质量浓度在10%～20%的Au纳米颗粒。
9.如权利要求7所述的有机发光二极管器件的制备方法，其特征在于，步骤S105在超净间中进行，采用压电喷墨打印快速制备工艺，并使用PMMA作为墨水，所述墨水配方的质量比为PMMA：乙酸乙酯：松油醇=1:50:10。
10.如权利要求7～9任一项所述的有机发光二极管器件的制备方法，其特征在于，步骤S105之后，进一步包括：
S107、在所述导电光提取栅格结构上，依次制备沉积空穴传输层、电子传输层和发光层及电子注入层；
S109、在所述电子注入层上制备阴极。
11.如权利要求10所述的有机发光二极管器件的制备方法，其特征在于，步骤S107和步骤S109均在高真空环境中进行，步骤S107中，采取多元高真空热沉积法在所述导电光提取栅格结构上依次沉积空穴传输层、电子传输层和发光层及电子注入层，步骤S109中，采取掩膜法在所述电子注入层上沉积阴极。
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