TWI515939B - 發光裝置 - Google Patents
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Description
本提案係關於一種發光裝置，特別是一種具表面電漿子耦合增益之發光裝置。
近年來，有機發光元件在照明應用方面相較於LED之點光源，其本質上屬於面光源的柔和特性，且具有能大面積製作、亮度及色溫可調變、可透明化、搭配軟性基板具彎曲性，採用印刷方式生產可大幅降低製造成本等，相當具有發展潛力。
但是如何有效提升有機發光元件的效能一直是非常熱門的研究主題，目前研究主要可分為提升內部量子效率與增加元件內部光的光取出效率等二方面。在提升內部量子效率方面主要取決於電子電洞對自發性輻射速率的強化，目前研究證明可藉由改變電子電洞對所在空間的電磁波模態空間分佈(Purcell effect)，進而改變自發性輻射速率。近來，亦有研究指出，利用表面電漿模態可以產生更小的模態體積(mode volume)，進而強化Purcell effect，並已有研究實驗證明透過電子電洞對與高能態密度(DOS)的表面電漿模態耦合作用，確實可強化光激螢光的強度。
本提案一實施例所揭露的一種發光裝置。所述發光裝置具有基板、耦合元件以及有機發光元件。所述耦合元件具有第一導電層、第一發光材料層以及第二導電層，第一導電層設置於基板上，第一發光材料層設置於第一導電層與第二導電層之間，所述有機發光元件相鄰於第二導電層，用以選擇性地發出第一光線。第一發光材料層用以受第一光線刺激以發出第二光線，其中第二光線於第一導電層與第二導電層表面之間引發表面電漿子共振。
以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。
100‧‧‧發光裝置
110‧‧‧基板
120‧‧‧耦合元件
121‧‧‧第一導電層
122‧‧‧第一發光材料層
123‧‧‧第二導電層
130‧‧‧有機發光元件
131‧‧‧第一電極層
133‧‧‧第二發光材料層
1331‧‧‧第一子發光材料層
1332‧‧‧第二子發光材料層
1333‧‧‧第三子發光材料層
135‧‧‧第二電極層
140‧‧‧透光絕緣層
「第1圖」為本提案一實施例所揭露之發光裝置之示意圖。
「第2圖」為本提案一實施例所揭露之耦合元件之示意圖。
「第3圖」為本提案一實施例所揭露之耦合元件之金屬雙介面表面電漿耦合之示意圖。
「第4圖」為本提案一實施例所揭露之三層發光材料層之發光裝置之示意圖。
「第5圖」為本提案一實施例所揭露之發光裝置之示意圖。
「第6圖」為本提案一實施例所揭露之表面電漿子量測之
示意圖。
「第7圖」為本提案一實施例所揭露結構比較例之光致螢光量測結果。
「第8A~8D圖」為本提案一實施例Al/有機發光材料/Al與Al/有機發光材料/glass之結構之反射與穿透量測結果。
「第9圖」為本提案一實施例之耦合元件結構樣品理論與實驗之色散曲線圖。
以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本提案之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本提案之觀點，但非以任何觀點限制本提案之範疇。
根據本提案之一實施例，請參照圖1，本提案所述之發光裝置100，由下而上依序包含基板110、耦合元件120及有機發光元件130。耦合元件120由下而上依序包含第一導電層121、第一發光材料層122及第二導電層123。有機發光元件130由下而上依序包含第一電極層131、第二發光材料層133及第二電極層135。
根據本提案之一實施例中，更包括電子傳輸層設置在第二電極層135與第二發光材料層133之間，電洞傳輸層
設置在第二發光材料層133與第一電極層131之間(未繪示於圖式中)。
根據本提案之一實施例中，基板110為透明材質，包含但不限於玻璃基板或塑膠基板。
根據本提案之一實施例中，請參照圖1，耦合元件120，包括第一導電層121，第二導電層123以及第一發光材料層122，第一發光材料層122設置在第一導電層121與第二導電層之間123，其中第一導電層121設置在基板110之上。在一實施例中，第一導電層121、第二導電層123係包括一層導電層或多層導電層。舉例來說，所述一層導電層的材料為金、銀、鋁、鉑、鈀、鋅、鎳、銅、或上述金屬所形成的合金之組合。在另一實施例中，所述一層導電層的材料為金、銀、鋁、鉑、鈀、鋅、鎳、銅金屬線、或上述金屬線之組合，或上述一層導電層的材料可為微米級或奈米級金屬線所構成的一層導電層。在上述實施例中，第一導電層121及第二導電層123為一層金屬導電層，其厚度為3nm~30nm之間。根據本提案之另一實施例中，請參照圖2，耦合元件120中的第一導電層121及第二導電層123可包括雙層導電層，所述雙層導電層包含一層金屬薄膜層與一層金屬氧化物薄膜層所構成的雙層導電層，舉例來說，第一導電層121或/及第二導電層123為金、銀、鋁、鉑、鈀、鋅、鎳、銅或上述金屬所形成的合金之組合所構成的一層金屬層與一層為金、銀、
鋁、鉑、鈀、鋅、鎳、銅之金屬氧化物或上述金屬氧化物之組合的薄膜層所構成的雙層導電層。在一實施例中，第一導電層121及第二導電層123的材料相同。
根據本提案之另一實施例中，請參照圖3耦合元件120之金屬雙介面表面電漿耦合之示意圖(本案簡稱為MDM結構)。第一發光材料層包含一第一發光波長的發光材料層，上述第一發光材料層122可為有機發光材料、無機發光材料或上述之組合，在一實施例中，第一發光材料層122厚度為50nm-250nm。舉例來說，第一發光材料層122為有機發光材料時，所述有機發光材料層包含電激發光或光激發光之有機發光材料層。當有機發光材料厚度小於結構單介面表面電漿穿隧深度(penetration depth)時，例如為50nm~250nm，將使有機發光材料層上下與導電層介面之間的表面電漿互相耦合，重新產生可調性極高之奇函數耦合表面電漿波，而為確保兩界面表面電漿強烈耦合，並能有效將這些表面電漿模態緊密侷限於此第一導電層與第二導電層之間以強化內部電子電洞對與表面電漿交互作用。在另一實施例中，第一發光材料層122為無機發光材料時，所述無機發光材料可包含量子點材料(quantum dots)或螢光粉材料(Phosphor material)。當無機發光材料，厚度例如為50nm~250nm，同樣可產生表面電漿耦合。更具體而言，第一發光材料層122發出光譜是一連續光譜，亦即所發出的光波段例如涵蓋一波長範圍，其中第一發光材料
層發出的第一發光波長指的是發光材料所發出的光的波段中，發光強度最高的波長。
根據本提案之一實施例中，請參照圖1之有機發光元件130，包括第一電極層131、第二電極層135及第二發光材料層133設置在第一電極層131與第二電極層135之間。在一實施例中，第一電極層131為透明材質，包含銦錫氧化物(indium tin oxide，簡稱ITO)，第二電極層135例如是一具導電特性之金屬材質。第二發光材料層133包含一層結構或多層結構發光層，例如第二發光材料層133為一層結構發光層，所述一層結構發光層包含具有一第二發光波長的發光層。更具體而言，發光材料層發出的光譜是一連續光譜，亦即所發出的光波段例如涵蓋一波長範圍，其中第二發光材料層133發出的光線具有第二發光波長，指的是發光材料層所發出的光線的波段中，發光強度最高的波長。
在一實施例中，第二發光材料層133所發出的第二發光波長小於耦合元件120中第一發光材料層122所發出的第一發光波長。
根據本提案之一實施例中，具有多層發光材料層之發光裝置，其中使用與圖1相同之元件符號來表示相同的元件或構件。第二發光材料層133可包含多層發發光材料層，以三層為例，請參照圖四，由下而上依序例如，包含第一子發光材料層1331具有第三發光波長的發光層，第二子發光材
料層1332具有第四發光波長的發光層及第三子發光材料層1333具有第第五發光波長的發光層。更具體而言，發光材料層發出的光譜是一連續光譜，亦即所發出的光波段例如涵蓋一波長範圍，其中該三層發光材料層發出的第三發光波長、第四發光波長及第五發光波長，指的是各發光材料層所發出的光的波段中，發光強度最高的波長。在一實施例中，第三發光波長、第四發光波長及第五發光波長皆小於耦合元件120中之第一發光材料層122所發出的第一波長。在一實施例中第二發光材料層133的厚度為50nm~2000nm，但本揭露並不以此為限，例如另一實施例中的第二發光材料層133厚度亦可為50nm~300nm。
根據本提案之一實施例中，請參照圖5發光裝置100，耦合元件120與有機發光元件130之間，更包含一層透光絕緣層140。在一實施例中，透光絕緣層例如可為二氧化矽或氮化矽等絕緣材料，厚度約10nm~30nm。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例，來說明本發明所述之發光裝置。
耦合元件120之備製
實施例1
提供一玻璃基板，在玻璃基板上以熱蒸鍍方式沉積一20nm鋁金屬，並以溫度180度C熱蒸鍍上一層Alq3有機
發光材料，厚度為130nm，再於Alq3有機發光材料上以熱蒸鍍方式沉積一20nm鋁金屬層，然本發明並非以這些材料為限，實際應用範圍以本專利所主張之專利權範圍為準，螢光激發光源選用波長405nm連續或脈衝型半導體雷射，並以一固定入射角激發螢光，請參照圖6表面電漿量測之示意圖。激發之螢光經由位於試片正面之透鏡聚焦後進入單一波長光譜分析儀，分析得到螢光光譜。
耦合元件120之表面電漿子之驗證
(a)為無金屬之Alq3有機發光材料/玻璃結構；(b)為單層鋁金屬/Alq3有機發光材料層/玻璃結構(本案簡稱為MD結構)；(c)為單層鋁金屬/Alq3有機發光材料層/單層鋁金屬之結構示意圖(本案簡稱為MDM結構)。製程條件如實施例一，接著以螢光激發光源雷射波長為405nm量測元件激發該三種結構，結果請參照圖7，分析量測結果發現無金屬層之結構(a)PL光譜強度最高，加入單層金屬後之元件(b)PL強度明顯下降，遠低於純發光材料之PL強度，加入雙金屬耦合元件結構(c)，其PL光譜強度明顯增強了，而且其光譜峰值波長紅移了35nm。光譜波型之半高寬約30nm亦明顯變窄，表示光能量集中。比較(b)與(c)結構，計算積分光譜面積，(c)結構之PL強度約有1.85倍之光增益，此量測結果有別於一般的認知，表示螢光光子與表面電漿子之間有特殊的交互作用。
根據以上可推測單層金屬的結構(b)可能因表面
電漿能量損耗以及因金屬層阻擋導致螢光強度減弱。要進一步證明、分析耦合元件結構，PL光譜屬性，必須量測變角度且經TM極化之PL光譜，將量測變角度、螢光波長及各波長之PL強度進行三維向量灰階圖製作後，與理論或實驗所得之色散曲線進行交互印證，以證明耦合元件結構下之螢光確實來自於耦合元件結構內部可輻射性表面電漿模態之發射或其他光模態之輻射。或者，亦可以間接地以耦合元件結構樣品穿透、反射頻譜量測實驗，求取實驗之色散曲線，並與理論計算曲線進行比對分析。
參照圖8A~8D，圖8A與圖8B分別為Al/有機發光材料/glass(MD)結構TM模態，入射光之反射與穿透實驗組與模擬組結果；圖8C與圖8D分別為Al/有機發光材料/Al耦合元件結構(MDM)TM模態，入射光之反射與穿透實驗組與模擬組結果。實驗組的製程條件與實施例一類似，差別在於有機發光材料(Alq3)厚度為128nm，模擬組有機發光材料(Alq3)厚度為126.3nm。在MD結構之實驗組的反射(圖8A)與穿透頻譜(圖8B)中450至400nm之間曲線陡降是因為發光材料Alq3本身之吸收波段所造成。很明顯地，本揭露之MDM結構(圖8C)發光裝置反射頻譜中出現明顯的凹陷(dip)，且隨著入射角度從0度增加至60度，凹陷(dip)所對應波長出現藍移現象，由525nm位移至475nm，實驗與理論模擬曲線的趨勢非常相近，此凹陷(dip)乃因為特定角度之入射光與表面電漿波產生共振效應，
即表面電漿共振，入射光之能量轉移至表面電漿波，以致反射光驟然消失，反射率驟降。另外，由穿透率頻譜(圖8D)也驗證了耦合元件結構共振激發產生之表面電漿模態確實具有可輻射之特性，反射與穿透兩者共振波長些微不同，推測是因為實際樣品有吸收所致。
由本提案之耦合元件結構之反射、穿透之量測結果，可計算求出色散曲線，圖9為本發明之耦合元件結構樣品理論(實線)與實驗(實點)之色散曲線圖，圖中可看到單介面表面電漿***為奇函數與偶函數表面電漿模態，其中奇函數模態色散曲線穿越介質(Alq3)分線(圖示lightline下標Alq3)，並進入空氣分線(圖示lightline下標air)之左側可輻射區，表示此部分之奇函數表面電漿模態可直接耦合成為自由空間光子，具有可輻射性。依實驗反射頻譜R%-dip與穿透頻譜T%-peak點所對應之角度與波長，計算公式如下：
計算後，將之描繪於色散曲線圖中，可看出這些實驗點確實均位於空氣分線(lightline下標air)左側可輻射區，並趨近於奇函數模態之理論曲線，二者間的些微差異，源於MDM色散曲線理論計算時，考量模擬邊界條件狀況方便計算，假設兩層金屬設定為半無窮(semi-infinite)厚，而實際耦合元件結構樣品則為有限厚度。而由圖9之色散曲線理論與實驗值近似，及
耦合元件結構穿透頻譜之峰值波長非常近似PL峰值波長550nm，及兩者變角度峰值波長位移趨勢相近來看，耦合元件結構之奇函數表面電漿模態對耦合元件結構自發性輻射螢光光譜屬性具有決定性之影響，間接證明耦合元件結構內發光材料層之電子電洞對自發性複合時，主要是輻射成為表面電漿共振極化子(SPP)而非一般螢光光子，導致PL峰值波長以共振激發之表面電漿波長為主，同時，較窄之光譜半高寬對元件發光光譜亦具有純化作用。另外，本耦合元件結構強化的PL強度亦證明了表面電漿效應強化了電子電洞對自發性輻射速率，並主要輻射成為SPP，更進一步地，因耦合元件結構SPP之可輻射特性，可強化元件出光強度與效率。
耦合元件結構中的非金屬層總厚度，因會影響表面電漿之特性，應依據所需之表面電漿特性而設計，然其厚度不超過自發性輻射光於結構的波長。此外，考量光子的穿透率，MDM結構之上下金屬層厚度不宜過厚，但至少需為3nm~30nm，而上下金屬層可利用蒸鍍、濺鍍或電鍍之方式完成金屬鍍膜。
實施例二
將MDM結構應用於OLED元件結構之應用示意圖，於第一電極層與MDM結構的上金屬層(第二導電層)之間，製程上一層膜厚10nm~30nm之二氧化矽作為絕緣層。利用OLED元件所發出之藍光，以光激發方式將MDM結構中的
發光材料層，例如為黃光，以達混光效果產生白光，且MDM結構可針對所欲增益之波段做設計。如表一MDM結構中發光材料的厚度參考表，在不同折射率之發光材料，相對應其發光材料之波長，有其適當厚度之設計，以達出光增益之效果。
調整有機層厚度，使表面電漿的最大耦合與有機材料的發光波長相匹配，同時進一步減少導電層厚度，增加出光增益效果。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非
用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
100‧‧‧發光裝置
110‧‧‧基板
120‧‧‧耦合元件
121‧‧‧第一導電層
122‧‧‧第一發光材料層
123‧‧‧第二導電層
130‧‧‧有機發光元件
131‧‧‧第一電極層
133‧‧‧第二發光材料層
135‧‧‧第二電極層
Claims (18)
- 一種發光裝置，包括：一基板；一耦合元件，包括有一第一導電層、一第一發光材料層以及一第二導電層，該第一導電層設置於該基板上，該第一發光材料層設置於該第一導電層與該第二導電層之間；以及一有機發光元件，相鄰於該第二導電層，該有機發光元件選擇性地發出一第一光線，並激發該第一發光材料層發出一第二光線，該第二光線於該第一導電層與該第一發光材料層表面及該第二導電層與該第一發光材料層表面之間引發表面電漿子共振，其中該第一光線具有一第二發光波長，該第二光線具有一第一發光波長，且該第二發光波長小於該第一發光波長。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中該有機發光元件包括一第一電極層、一第二發光材料層以及一第二電極層，該第二發光材料層設置於該第一電極層與該第二電極層之間，且該第二發光材料層依據施加於該第一電極層與該第二電極層之間的電壓差以發出該第一光線。
- 如請求項2所述之發光裝置，其中該第一電極層與該第二導電層相鄰。
- 如請求項3所述之發光裝置，其中該第一電極層與該第二導電層之間更包含一透光絕緣層。
- 如請求項2所述之發光裝置，其中該有機發光元件更包括一電子傳輸層設置在該第二電極層與該第二發光材料層之間，一電洞傳輸層設置在該第二發光材料層與該第一電極層之間。
- 如請求項2所述之發光裝置，其中該第二發光材料層包含電激發光或光激發光之有機發光材料層。
- 如請求項2所述之發光裝置，其中該第二發光材料層的厚度為50nm至2000nm。
- 如請求項2所述之發光裝置，其中該第二發光材料層為多層結構，分別用以產生多個不同發光波長的光線。
- 如請求項8所述之發光裝置，其中所述多個不同的發光波長皆小於該第一發光波長。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中該第一導電層或該第二導電層包含一層導電層或雙層導電層。
- 如請求項10所述之發光裝置，其中該雙層導電層包含一金屬薄膜層與一金屬氧化物薄膜層。
- 如請求項10所述之發光裝置，其中該一層導電層的材料為金、銀、鋁、鉑、鈀、鋅、鎳、銅、或上述金屬所形成的合金之組合。
- 如請求項10所述之發光裝置，其中該一層導電層的材料為金、銀、鋁、鉑、鈀、鋅、鎳、銅之金屬線、或上述金屬線材料之組合。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中該第一導電層與該第二導電層的材料相同。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中該第一發光材料層係包含有機發光材料、無機發光材料或上述材料之組合。
- 如請求項15所述之發光裝置，其中該無機發光材料包含量子點材料(quantum dots)或螢光粉材料(Phosphor material)。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中該第一導電層或該第二導電層之厚度為3nm至30nm。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中該第一發光材料層厚度為50nm至250nm。
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