專利名稱：具有納米顆粒涂層的光提取膜的制作方法
具有納米顆粒涂層的光提取膜
背景技術(shù)：
有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)是新的顯示和照明技術(shù)的基礎(chǔ)，它為高分辨率或高像素?cái)?shù)的高清顯示應(yīng)用以及高效的大面積柔性照明應(yīng)用提供了良好的匹配。OLED器件包括夾在陰極和陽極之間的電致發(fā)光有機(jī)材料薄膜，并且陰極和陽極中之一者或兩者均為透明導(dǎo)體。當(dāng)在器件兩端施加電壓時(shí)，電子和空穴從它們各自的電極注入，并通過中間形成發(fā)光激子而在電致發(fā)光有機(jī)材料中復(fù)合。在OLED器件中，所產(chǎn)生的光通常由于器件結(jié)構(gòu)內(nèi)的工藝而損失掉70%以上。折射率較高的有機(jī)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光捕獲是提取效率低下的主要原因。只有相對(duì)少量的發(fā)射光作為“可用”光穿過透明電極。大部分光會(huì)發(fā)生內(nèi)反射，這導(dǎo)致這些光從器件邊緣發(fā)出，或限在器件內(nèi)并在反復(fù)穿行之后最終因吸收到器件內(nèi)而損失掉。已經(jīng)嘗試通過例如下列多種方式提高OLED的內(nèi)量子效率(注入的單位電子所產(chǎn)生的光子數(shù))改進(jìn)電荷注入或傳輸層；使用熒光染料或磷光材料；或使用多層結(jié)構(gòu)(參見例如 K. Meerholz, Adv. Funct. Materials v. 11, no. 4，p251 (2001) (K. Meerholz,《先進(jìn)功能材料》，第11卷第4期，第251頁，2001年))。光提取效率(與內(nèi)部產(chǎn)生的光子數(shù)相比的結(jié)構(gòu)中發(fā)出的光子數(shù))可受發(fā)射層自身以外的因素影響。底發(fā)射OLED可以被看作由包含高折射率層(用于發(fā)光、載流子傳輸、注入或阻擋的有機(jī)層和通常的透明導(dǎo)電氧化層)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(nèi)產(chǎn)生的光可以遇到從高折射率至低折射率的兩個(gè)界面，光可能在所述界面處發(fā)生內(nèi)反射。由于遇到第一界面而不能逸出芯的光被限制為波導(dǎo)模式，而穿過該界面但由于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。頂發(fā)射 OLED中，由于界面發(fā)生類似的光損失。已經(jīng)提出多種解決方案通過干擾基底空氣界面(如微透鏡或粗糙化表面)來影響到達(dá)該界面的光。其他人已將散射元件引入基底或粘合劑中(參見已公布的PCT專利申請No. W02002037580A1 (Chou))，從而干擾基底模式以重新導(dǎo)向從器件發(fā)出的光。甚至已經(jīng)進(jìn)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干擾該界面。詳細(xì)的分析表明，散射或衍射結(jié)構(gòu)在設(shè)置于該界面時(shí)將最有效地提取光(M.Fujita，et al. ;Jpn. J. App 1. Phys. 44 (6A)，pp. 3669-77 (2005) (Μ. Fujita 等人，《日本應(yīng)用物理學(xué)雜志》，第 44 卷第6Α期，第3669-3677頁，2005年))。當(dāng)散射或衍射元件與回填材料之間的折射率對(duì)比度較大，以及當(dāng)折射率對(duì)比度變化的長度尺度與光的波長相當(dāng)時(shí)，散射效率最大化(參見例如F. J. P. Schuurmans，et al. ；Science 284 (5411),pp. 141-143(1999)(F. J. P. Schuurmans 等人，《科學(xué)》，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器件的制造將需要平滑的平表面，因此光提取膜的頂部表面的平整度較為重要。然而，已經(jīng)關(guān)于電極結(jié)構(gòu)波紋壓制進(jìn)行了一些工作，使光耦合離開 0LED(M. Fujita，et al. ； Jpn. J. Appl. Phys. 44 (6A), pp. 3669-77 (2005) (M.Fujita 等人，《日本應(yīng)用物理學(xué)雜志》，第44卷第6A期，第3669-3677頁，2005年))；對(duì)器件內(nèi)電場的綜合效應(yīng)預(yù)計(jì)具有有害影響。因此必須格外注意，以免在干擾該界面的同時(shí)對(duì)器件的電氣操作產(chǎn)生不利影響。還沒有提出平衡這些沖突問題的實(shí)際解決方案。 無機(jī)發(fā)光二極管(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(yán)重限制對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的光的提取。在這些情況下，已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試來利用光子晶體(PC)材料提高提取效率(S. Fan, Phys. Rev. Letters v. 78，no. 17，p. 3294(1997) (S. Fan, 《物理評(píng)論快報(bào)》，第78卷第17期，第3294頁，1997年)；H. Ichikawa, Appl. Phys. Letters V. 84，p. 457 (2004) (H. Ichikawa,《應(yīng)用物理快報(bào)》，第84卷，第457頁，2004年))。已經(jīng)開始出現(xiàn)有關(guān)利用PC提高OLED效率的類似報(bào)道(M. Fujita, Appl. Phys. Letters v. 85， p. 5769(2004) (Μ. Fujita,《應(yīng)用物理快報(bào)》，第 85 卷，第 5769 頁，2004 年)；Y. Lee, Appl. Phys. Letters v. 82，p. 3779(2003) (Y. Lee,《應(yīng)用物理快報(bào)》，第 82 卷，第 3779 頁，2003 年))，但此前報(bào)道的結(jié)果涉及耗時(shí)而高成本的工序，所述工序不利于其本身引入到現(xiàn)有的 OLED制造工藝中。因此，需要一種產(chǎn)品能夠以與OLED器件制造工藝相容的方式促進(jìn)從該器件的光提取。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的用于提高光提取率的多功能光學(xué)膜包括柔性基底、結(jié)構(gòu)化層和回填層。提取元件的結(jié)構(gòu)化層具有第一折射率，并且當(dāng)光學(xué)膜緊貼自發(fā)光光源設(shè)置時(shí)，提取元件的相當(dāng)大一部分與自發(fā)光光源的發(fā)光區(qū)域光學(xué)連通。提取元件包括不同尺寸的納米顆粒。 回填層的材料具有不同于第一折射率的第二折射率，并且回填層在提取元件上方形成平坦化層。一種根據(jù)本發(fā)明的制備用于提高光提取率的多功能光學(xué)膜的方法包括在柔性基底上涂布一層具有第一折射率的材料。賦予有機(jī)材料以不同尺寸的納米結(jié)構(gòu)化特征，從而形成納米結(jié)構(gòu)化表面。對(duì)具有納米結(jié)構(gòu)化特征的有機(jī)材料進(jìn)行固化。然后在納米結(jié)構(gòu)化表面上施加回填層，以在納米結(jié)構(gòu)化表面上形成平坦化層?；靥顚影哂械诙凵渎实牟牧?，所述第二折射率與第一折射率不同?；蛘?，納米顆粒薄層可以分布在薄膜的表面上，然后外敷具有不同折射率的基本平坦化的材料。


附圖包含在本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，并且它們結(jié)合具體實(shí)施方式
闡明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和原理。附圖中，圖1是具有光提取膜的底發(fā)射OLED顯示器件的示意圖；圖2是具有光提取膜的頂發(fā)射OLED顯示器件的示意圖；圖3是示出用于固態(tài)發(fā)光元件的空間調(diào)制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6-9是示出提取元件可能的空間構(gòu)型的示意圖；圖10-14是示出提取元件可能的表面構(gòu)型的示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例包括在聚合物復(fù)制工藝、納米顆粒直接沉積或其他工藝中用于形成光提取納米結(jié)構(gòu)或其他納米結(jié)構(gòu)來制備用于OLED器件的光提取膜的方法。除了促進(jìn)光提取之外， 多功能膜產(chǎn)品還可以提供諸如基底、封裝材料、阻隔層、濾光器、偏振器或顏色轉(zhuǎn)換器等額外的功能，并且可以用于制造OLED器件的過程中或之后。薄膜構(gòu)造基于光子晶體結(jié)構(gòu)或其他納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于通過改變器件內(nèi)的高低折射率層之間的界面而提高光提取效率。本發(fā)明的要素包括提供尺寸相當(dāng)于或小于受控光的波長的結(jié)構(gòu)；提供具有對(duì)比折射率的材料，該材料用來填充該結(jié)構(gòu)周圍的區(qū)域，并且還用來平坦化該結(jié)構(gòu)，以提供與 OLED結(jié)構(gòu)接觸的基本上平滑的表面；以及將該折射率對(duì)比納米結(jié)構(gòu)化層設(shè)置在離發(fā)光區(qū)域足夠小的距離范圍內(nèi)，以便有效提取原本會(huì)陷在該區(qū)域內(nèi)的光。

從高折射率材料入射到具有低折射率介質(zhì)的界面上的光會(huì)在所有入射角大于臨界角θ c的情況下發(fā)生全內(nèi)反射(TIR)，臨界角的定義為Θ。= SirT1Ol2All),其中叫和 分別是高折射率區(qū)域和低折射率區(qū)域的折射率。與發(fā)生TIR反射的這些光相關(guān)的電磁場延伸進(jìn)入隱失駐波的低折射率區(qū)域，但該電磁場的強(qiáng)度隨著離界面的距離增大而呈指數(shù)級(jí)減弱。位于該隱失區(qū)內(nèi)的吸收或散射實(shí)體，通常約一個(gè)波長厚，可干擾TIR，并使光穿過界面。 因此，若要最有效地通過散射或衍射從發(fā)射區(qū)提取光，則優(yōu)選的是納米結(jié)構(gòu)化的折射率對(duì)比層位于隱失區(qū)內(nèi)?；蛘撸?dāng)光學(xué)膜緊貼自發(fā)光光源設(shè)置時(shí)，納米結(jié)構(gòu)化的折射率對(duì)比層只需要與自發(fā)光光源的發(fā)光區(qū)域光學(xué)連通。術(shù)語“光學(xué)連通”是指由光源產(chǎn)生的光場的很大或相當(dāng)大一部分能夠到達(dá)散射顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)?？梢詫?fù)制母模工具制造成在不斷增大的較大區(qū)域上具有所需的光提取平均周期的規(guī)則或不規(guī)則結(jié)構(gòu)，所述光提取平均周期為200納米(nm)至2000納米。將該加工能力與諸如連續(xù)澆注和固化(3C)之類微復(fù)制工藝結(jié)合，使得能夠在膜基底的表面上形成光子晶體結(jié)構(gòu)或其他納米結(jié)構(gòu)。3C工藝的實(shí)例在下列專利中有所描述，這些專利均以引用方式以其全文并入本文中美國專利No. 4，374，077,4, 576，850,5, 175，030,5, 271，968、 5，558，740 和 5，995，690。術(shù)語“納米結(jié)構(gòu)”是指至少一個(gè)尺寸(如高、長、寬或直徑)小于2微米、并且更優(yōu)選地小于1微米的結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)包括但不必限于顆粒和所設(shè)計(jì)的特征物。顆粒和所設(shè)計(jì)的特征物可具有例如規(guī)則或不規(guī)則形狀。此類顆粒也稱為納米顆粒。術(shù)語“納米結(jié)構(gòu)化的”是指具有納米結(jié)構(gòu)的材料或?qū)?。術(shù)語“光子晶體結(jié)構(gòu)”是指散布著這樣的材料的周期性或準(zhǔn)周期性的光學(xué)納米結(jié)構(gòu)該材料具有足夠不同的折射率，從而可實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)在材料的允許電磁模式的光譜內(nèi)產(chǎn)生能隙。術(shù)語“折射率”是指材料的折射率。術(shù)語“回填”是指復(fù)合到結(jié)構(gòu)內(nèi)并具有與該結(jié)構(gòu)不同的折射率的材料，用來填充該結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙并使結(jié)構(gòu)平坦化。術(shù)語“提取元件”是指促進(jìn)從自發(fā)光光源進(jìn)行光提取的任何類型和構(gòu)造的納米結(jié)構(gòu)。提取元件優(yōu)選地不包含在空間分布內(nèi)。底發(fā)射OLED顯示器件圖1示出了具有光提取膜的底發(fā)射OLED器件100的結(jié)構(gòu)。底發(fā)射OLED器件被定義為透過基底發(fā)光的OLED器件。表1描述了器件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(biāo)記標(biāo)識(shí)。器件100的每一層可涂覆在下面一層上，或以其他方式涂敷到下面一層。
權(quán)利要求
1.一種用于提高來自自發(fā)光光源的光提取率的多功能光學(xué)膜，包括柔性基底；具有第一折射率的提取元件的結(jié)構(gòu)化層，其中當(dāng)所述光學(xué)膜緊貼所述自發(fā)光光源設(shè)置時(shí)，所述提取元件的相當(dāng)大一部分與所述自發(fā)光光源的發(fā)光區(qū)域光學(xué)連通，并且所述提取元件包含具有第一粒度的第一納米顆粒和具有不同于所述第一粒度的第二粒度的第二納米顆粒；以及回填層，所述回填層含有的材料具有不同于所述第一折射率的第二折射率，所述回填層在所述提取元件上方形成平坦化層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能光學(xué)膜，還包括具有下列至少一個(gè)功能的涂層濾色； 色偏移；改變偏振態(tài)；抗反射；光重定向；漫射；或旋光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能光學(xué)膜，還包括涂覆到所述柔性基底并具有下列至少一個(gè)功能的涂層防磨；防污；疏水；或親水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能光學(xué)膜，其中所述回填層材料包含下列中的一者無機(jī)材料；有機(jī)材料；或填充有納米顆粒的聚合物材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能光學(xué)膜，其中所述提取元件包含下列中的一者周期性或準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)陣列；無規(guī)結(jié)構(gòu)分布；或散布在不同的結(jié)構(gòu)分布內(nèi)的周期性或準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)陣列部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能光學(xué)膜，其中所述柔性基底包含下列中的一者聚合物膜；基本上光學(xué)透明的材料；或阻隔材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能光學(xué)膜，其中所述柔性基底具有下列涂層中的一者或多者防靜電涂層；或附著力增強(qiáng)涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能光學(xué)膜，其中所述第一納米顆粒的所述第一粒度在60 納米至10微米的直徑范圍內(nèi)，而所述第二納米顆粒的所述第二粒度在3納米至50納米的直徑范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能光學(xué)膜，其中所述提取元件含有的納米顆粒包括下列中的一者或多者金屬氧化物顆粒；有機(jī)聚合物顆粒；金屬顆粒；或復(fù)合顆粒。
10.一種用于制備提高光提取率的光學(xué)膜的方法，包括將具有第一折射率的一層有機(jī)材料涂覆到柔性基底上；將納米結(jié)構(gòu)化特征賦予所述有機(jī)材料中以產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)化表面，其中所述納米結(jié)構(gòu)化特征包括具有第一粒度的第一納米結(jié)構(gòu)化特征和具有不同于所述第一粒度的第二粒度的第二納米結(jié)構(gòu)化特征；以及在所述納米結(jié)構(gòu)化表面上涂敷回填層，以在所述納米結(jié)構(gòu)化表面上形成平坦化層，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，并且當(dāng)所述光學(xué)膜緊貼自發(fā)光光源設(shè)置時(shí)，所述納米結(jié)構(gòu)化特征的相當(dāng)大一部分與所述自發(fā)光光源的發(fā)光區(qū)域光學(xué)連通。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述納米結(jié)構(gòu)化特征含有的納米顆粒包括下列中的一者或多者金屬氧化物顆粒；有機(jī)聚合物顆粒；金屬顆粒；或復(fù)合顆粒。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括在涂敷所述回填層之前涂敷穩(wěn)定層。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括固化具有所述納米結(jié)構(gòu)化特征的所述有機(jī)材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中賦予所述納米結(jié)構(gòu)化特征的步驟包括提供具有納米結(jié)構(gòu)化特征的母模工具；以及將具有所述一層有機(jī)材料的所述柔性基底施加到所述母模工具，所述有機(jī)材料緊貼所述母模工具施加，以將所述納米結(jié)構(gòu)賦予所述有機(jī)材料中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中提供所述母模工具的步驟包括將納米顆粒涂覆到所述母模工具的表面上，以在所述表面上生成紋理。
16.根據(jù)權(quán)利要求10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涂覆；蒸氣涂覆；粉末涂覆；或?qū)雍稀?br> 17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第一納米顆粒的所述第一粒度在60納米至10微米的直徑范圍內(nèi)，而所述第二納米顆粒的所述第二粒度在3納米至50納米的直徑范圍內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述方法采用卷對(duì)卷工藝施行。
19.一種用于制備提高光提取率的光學(xué)膜的方法，包括將具有第一折射率的納米顆粒涂敷到柔性基底上，其中當(dāng)所述光學(xué)膜緊貼自發(fā)光光源設(shè)置時(shí)，所述納米顆粒的相當(dāng)大一部分與所述自發(fā)光光源的發(fā)光區(qū)域光學(xué)連通，并且所述納米顆粒包括具有第一粒度的第一納米顆粒和具有不同于所述第一粒度的第二粒度的第二納米顆粒；以及在所述納米顆粒上外敷回填層以在所述納米顆粒上方形成平坦化層，所述回填層包含具有第二折射率的材料，所述第二折射率不同于所述第一折射率。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中涂敷所述納米顆粒的步驟包括將分散于溶劑中的所述納米顆粒涂敷到所述柔性基底上；以及在外敷所述回填層之前使所述溶劑蒸發(fā)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中涂敷所述納米顆粒的步驟包括將所述納米顆粒以干燥形式涂敷到所述柔性基底。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中涂敷所述納米顆粒的步驟包括在所述柔性基底上形成作為單層的所述納米顆粒。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述納米顆粒的相當(dāng)大一部分與所述柔性基底相接觸。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一納米顆粒的所述第一粒度在60納米至10微米的直徑范圍內(nèi)，而所述第二納米顆粒的所述第二粒度在3納米至50納米的直徑范圍內(nèi)。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述方法采用卷對(duì)卷工藝施行。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括在所述納米顆粒上方涂敷適形的穩(wěn)定層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于提高光提取率的多功能光學(xué)膜，所述多功能光學(xué)膜包括柔性基底、具有不同粒度的納米顆粒的結(jié)構(gòu)化層以及回填層。所述結(jié)構(gòu)化層有效利用位于足夠靠近發(fā)光區(qū)處的微復(fù)制的衍射或散射納米結(jié)構(gòu)，以使從有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)器件提取隱失波。所述回填層包含的材料的折射率與所述結(jié)構(gòu)化層的所述折射率不同。所述回填層還在所述結(jié)構(gòu)化層上方提供平坦化層，以將所述光提取膜適形于OLED顯示器件的一層。所述光學(xué)膜可具有添加到或在其中復(fù)合到發(fā)光表面的附加層，以便在提高光提取效率之外實(shí)現(xiàn)另外的功能。
文檔編號(hào)H01L51/52GK102272973SQ200980154254
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者吉米·R·小巴蘭, 威廉·J·舒爾茨, 威廉·布雷克·科爾布, 布蘭特·U·科爾布, 布賴恩·K·尼爾森, 張俊穎, 景乃勇, 特里·L·史密斯, 謝爾蓋·A·拉曼斯基, 謝里爾·A·帕特諾德 申請人:3M創(chuàng)新有限公司