光取出层对有机发光二极管性能的影响

代文朋

（上海天马有机发光显示技术有限公司，上海 201201）

有机发光元件是自发光显示装置，具有材料可选择范围广，广视角，驱动电压低，发光效率高等特点[1]。该器件的特点是轻薄，可弯曲且制造工艺简单[2]，已经在手机、电视、穿戴和照明等领域得到广泛的应用，因此倍受关注。

1987年，柯达公司的Tang 等揭示了有机薄膜元件通过制成多层，达到高亮度发光。人们对其应用进行了广泛的研讨，目前还存在很多技术上的问题，尤其是提高发光效率、降低驱动电压。已报道的文献中，人们多关注内量子效率提升的方法，即载流子的有效注入和传输平衡来达到高产光率，于是高效率材料开发和器件结构设计一直是OLED领域的研究重点。然而大家忽略外量子效率与内量子效率之间存在巨大差距，是制约了OLED发展的关键。接近80%的光都不能射出，限制在器件内部以热量散失，热量积聚过多会对器件内部其他有机材料的寿命造成不良影响[3]。例如有机材料变质，内部载流子的传输不稳定，严重时破坏器件的阻水氧性能。大量水氧的进入，器件就会出现效率急剧滚降[4]。因此，如何提高发光元件的光取出效率是非常具有研究意义的课题。

OLED的发光原理是，通过施加直流电于阴阳两极，电子和空穴分别从阴极和阳极注入器件内部，在电场作用下，载流子在辅助传输材料中迁移，在发光层中相遇产生激子，激子辐射跃迁回到基态并发光。根据出光的方向不同，有机发光元件可以分为底发射和顶发射两类。在底发射器件中，光线从基板发出，反射电极在有机发光层上面，透明电极在有机发光层下。底发射中的薄膜晶体管部分光线不能透过，发光面积变小。另一方面，在顶发射器件中，透明电极在有机发光层上，反射电极在有机发光层下，所以光线从基板相反的方向射出，从而增加了光线透过面积。因此现在应用以顶发射器件为主[5]。为了提高顶发射有机发光二极管的发光效率，最简单有效的方法是在透明电极上形成覆盖层作为光提取功能层，调节光学干涉距离，抑制外光反射，抑制表面等离子体移动等引起的消光反应[6]。

1 光取出层材料的选择

光取出层材料有良好的导热性、透光性、耐腐蚀性、机械强度以及与基底的黏结性等性质。根据材料的性质一般分为无机材料和有机材料，有机材料以成本低和便于加工等优势被广泛应用。据现有文献报道，有机光取出层大多选择具有高折光率的胺衍生物材料，此类结构存在一定的空间位阻，材料受热冷却后不容易结晶，化学性质稳定。胺类结构改善了光取出效率，但是不能同时保持发光色纯度，特别是用在蓝色发光元件中。因此选择既能提高光的射出机率，又能保持光色不变的材料，是急需解决的问题[7]。

优异的光取出材料必须满足三个基本条件：高的玻璃转化温度、在可见光范围内有高的薄膜折射率、薄膜中分子取向整齐。低玻璃转变温度的分子易结晶导致薄膜稳定性较差；材料折射率高有利于光线从器件正视角射出，以及薄膜中材料分子取向整齐一致等都有利于提高光取出效率。

有机发光元件为了大幅度提高发光取出效率而且具有优越色度，覆盖层材料的使用需满足特定参数。噻吩、呋喃或吡咯结构的化合物，或者芘和蒽类结构的化合物，满足特定参数，能同时解决提高光取出效率，改善色度的问题。

光取出层材料的衰减系数越大折射率越高，材料最大吸收波长变化而使高折射率波长范围发生变化。衰减系数和吸光系数有下式的关系（α：吸光系数、k：衰减系数、ω：光频率、c：光速）。衰减系数和吸光系数成正比，吸光系数高的材料衰减系数越高，折射率越高。

根据Lorentz-Lorent方程，折射率与极化率和密度成正比（n：折光率，λ：照射光波长，Pλ：极化率，V：分子体积）。极化率和密度大的材料，其折射率越大。增加分子极化率、选择相对平面性的单元是设计出光层材料的重点。杂芳基具有提高极化率的性能，从而能得到高的折射率（图1）。

2 实验

2.1 材料

器件制备所利用的部分材料结构式见图1。

图1 器件制备所利用的部分材料

2.2 器件制备

在蒸镀腔体中，首先蒸镀铝100nm作成阳极，随后在阳极上蒸镀空穴注入层NPD和F4-TCNQ（质量比97∶3，50nm），空穴传输层（NPD，80nm），蓝色发光层BH 和BD（质量比97∶3，20nm），电子传输层（Alq3，30nm），电子注入层（LiF，1nm）依次层叠蒸镀后，共蒸镀Mg 和Ag（质量比10∶1，15nm）作成半透明阴极，随后蒸镀光取出层（60nm）作为覆盖层。

本实验的器件结构如下：

上述发光元件在大气压下，温度控制在25℃，加10mA/cm2直流电流，用分光放射辉度计（CS1000，柯尼卡美能达株式会社）测试了亮度和色纯度。

2.3 实验结果与讨论

从表1看出，实验A～D的发光元件同时满足高发光效率和高色纯度，实验E和F的发光元件与实验A～D的色纯度一致，但发光效率低。本实验发现出光层材料需满足高的折射率（n值），一般为具有噻吩、呋喃结构等杂芳基化合物，能够提高极化率性能，或者具有芘、蒽等稠芳环结构的化合物，平面性好，相互作用强，有利于增大化合物密度。CPL1和CPL3同时含有噻吩和芳胺结构，但是表1中两个材料折射率不同，猜测是分子片段连接方式不同，导致分子薄膜排布不同。CPL3末端苯环间位连接，分子变得更加扭曲，化合物整体分子密度相对于CPL1变小，n值相对也较小。CPL5和NPD虽然含有芳胺基团，但不含有极性基团或者密度大的单元，所以折射率相对也较小。

表1 OLED器件性能参数

3 结论

透过器件出射到空气中是有效辐射，但是仅占辐射总量的20%，可通过在OLED器件上添加光取出层来提高这部分的辐射占比。综上所述，光取出层材料既作为器件封装层，隔离水氧侵蚀；又具备光提取功能，增加出光机率。本文揭示了光取出层材料与分子极化率、分子构型、分子密度体积等有密切的关系，为器件产品应用领域的广泛扩宽奠定了坚实的基础。