光取出層對有機發光二極管性能的影響

代文朋

（上海天馬有機發光顯示技術有限公司，上海 201201）

有機發光元件是自發光顯示裝置，具有材料可選擇范圍廣，廣視角，驅動電壓低，發光效率高等特點[1]。該器件的特點是輕薄，可彎曲且制造工藝簡單[2]，已經在手機、電視、穿戴和照明等領域得到廣泛的應用，因此倍受關注。

1987年，柯達公司的Tang 等揭示了有機薄膜元件通過制成多層，達到高亮度發光。人們對其應用進行了廣泛的研討，目前還存在很多技術上的問題，尤其是提高發光效率、降低驅動電壓。已報道的文獻中，人們多關注內量子效率提升的方法，即載流子的有效注入和傳輸平衡來達到高產光率，于是高效率材料開發和器件結構設計一直是OLED領域的研究重點。然而大家忽略外量子效率與內量子效率之間存在巨大差距，是制約了OLED發展的關鍵。接近80%的光都不能射出，限制在器件內部以熱量散失，熱量積聚過多會對器件內部其他有機材料的壽命造成不良影響[3]。例如有機材料變質，內部載流子的傳輸不穩定，嚴重時破壞器件的阻水氧性能。大量水氧的進入，器件就會出現效率急劇滾降[4]。因此，如何提高發光元件的光取出效率是非常具有研究意義的課題。

OLED的發光原理是，通過施加直流電于陰陽兩極，電子和空穴分別從陰極和陽極注入器件內部，在電場作用下，載流子在輔助傳輸材料中遷移，在發光層中相遇產生激子，激子輻射躍遷回到基態并發光。根據出光的方向不同，有機發光元件可以分為底發射和頂發射兩類。在底發射器件中，光線從基板發出，反射電極在有機發光層上面，透明電極在有機發光層下。底發射中的薄膜晶體管部分光線不能透過，發光面積變小。另一方面，在頂發射器件中，透明電極在有機發光層上，反射電極在有機發光層下，所以光線從基板相反的方向射出，從而增加了光線透過面積。因此現在應用以頂發射器件為主[5]。為了提高頂發射有機發光二極管的發光效率，最簡單有效的方法是在透明電極上形成覆蓋層作為光提取功能層，調節光學干涉距離，抑制外光反射，抑制表面等離子體移動等引起的消光反應[6]。

1 光取出層材料的選擇

光取出層材料有良好的導熱性、透光性、耐腐蝕性、機械強度以及與基底的黏結性等性質。根據材料的性質一般分為無機材料和有機材料，有機材料以成本低和便于加工等優勢被廣泛應用。據現有文獻報道，有機光取出層大多選擇具有高折光率的胺衍生物材料，此類結構存在一定的空間位阻，材料受熱冷卻后不容易結晶，化學性質穩定。胺類結構改善了光取出效率，但是不能同時保持發光色純度，特別是用在藍色發光元件中。因此選擇既能提高光的射出機率，又能保持光色不變的材料，是急需解決的問題[7]。

優異的光取出材料必須滿足三個基本條件：高的玻璃轉化溫度、在可見光范圍內有高的薄膜折射率、薄膜中分子取向整齊。低玻璃轉變溫度的分子易結晶導致薄膜穩定性較差；材料折射率高有利于光線從器件正視角射出，以及薄膜中材料分子取向整齊一致等都有利于提高光取出效率。

有機發光元件為了大幅度提高發光取出效率而且具有優越色度，覆蓋層材料的使用需滿足特定參數。噻吩、呋喃或吡咯結構的化合物，或者芘和蒽類結構的化合物，滿足特定參數，能同時解決提高光取出效率，改善色度的問題。

光取出層材料的衰減系數越大折射率越高，材料最大吸收波長變化而使高折射率波長范圍發生變化。衰減系數和吸光系數有下式的關系（α：吸光系數、k：衰減系數、ω：光頻率、c：光速）。衰減系數和吸光系數成正比，吸光系數高的材料衰減系數越高，折射率越高。

根據Lorentz-Lorent方程，折射率與極化率和密度成正比（n：折光率，λ：照射光波長，Pλ：極化率，V：分子體積）。極化率和密度大的材料，其折射率越大。增加分子極化率、選擇相對平面性的單元是設計出光層材料的重點。雜芳基具有提高極化率的性能，從而能得到高的折射率（圖1）。

2 實驗

2.1 材料

器件制備所利用的部分材料結構式見圖1。

圖1 器件制備所利用的部分材料

2.2 器件制備

在蒸鍍腔體中，首先蒸鍍鋁100nm作成陽極，隨后在陽極上蒸鍍空穴注入層NPD和F4-TCNQ（質量比97∶3，50nm），空穴傳輸層（NPD，80nm），藍色發光層BH 和BD（質量比97∶3，20nm），電子傳輸層（Alq3，30nm），電子注入層（LiF，1nm）依次層疊蒸鍍后，共蒸鍍Mg 和Ag（質量比10∶1，15nm）作成半透明陰極，隨后蒸鍍光取出層（60nm）作為覆蓋層。

本實驗的器件結構如下：

上述發光元件在大氣壓下，溫度控制在25℃，加10mA/cm2直流電流，用分光放射輝度計（CS1000，柯尼卡美能達株式會社）測試了亮度和色純度。

2.3 實驗結果與討論

從表1看出，實驗A～D的發光元件同時滿足高發光效率和高色純度，實驗E和F的發光元件與實驗A～D的色純度一致，但發光效率低。本實驗發現出光層材料需滿足高的折射率（n值），一般為具有噻吩、呋喃結構等雜芳基化合物，能夠提高極化率性能，或者具有芘、蒽等稠芳環結構的化合物，平面性好，相互作用強，有利于增大化合物密度。CPL1和CPL3同時含有噻吩和芳胺結構，但是表1中兩個材料折射率不同，猜測是分子片段連接方式不同，導致分子薄膜排布不同。CPL3末端苯環間位連接，分子變得更加扭曲，化合物整體分子密度相對于CPL1變小，n值相對也較小。CPL5和NPD雖然含有芳胺基團，但不含有極性基團或者密度大的單元，所以折射率相對也較小。

表1 OLED器件性能參數

3 結論

透過器件出射到空氣中是有效輻射，但是僅占輻射總量的20%，可通過在OLED器件上添加光取出層來提高這部分的輻射占比。綜上所述，光取出層材料既作為器件封裝層，隔離水氧侵蝕；又具備光提取功能，增加出光機率。本文揭示了光取出層材料與分子極化率、分子構型、分子密度體積等有密切的關系，為器件產品應用領域的廣泛擴寬奠定了堅實的基礎。