TWI470848B

TWI470848B - 有機發光二極體裝置

Info

Publication number: TWI470848B
Application number: TW95147226A
Authority: TW
Inventors: 威廉亞伯特楊愛德華; 弗瑞區柏爾那赫柏特
Original assignee: 皇家飛利浦電子股份有限公司
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2015-01-21
Also published as: EP1966843B1; JP2009520347A; CN101341608A; WO2007072275A2; TW200731591A; RU2008129758A; JP5106413B2; US20080265759A1; KR101345344B1; CN101341608B; US7990054B2; WO2007072275A3; RU2414018C2; KR20080081049A; EP1966843A2

Description

有機發光二極體裝置

本發明係關於大型有機電致發光裝置(有機LED或OLED)，該裝置具有可撓性基板及在發射區域均一之亮度。

標準OLED現今包含在沈積於玻璃基板上之兩電極之間排列之有機層堆疊。兩種不同類型之OLED可根據光發射方向加以區分。在所謂的底部發射器中，光離開OLED裝置穿過透明底部電極(通常陽極)及透明基板，同時第二電極(頂部電極，通常陰極)產生反射。在所謂的頂部發射器中，光離開OLED裝置穿過透明頂部電極，同時底部電極及/或基板產生反射。在大多數情況下，僅將底部發射器之層結構倒置即用於頂部發射器。

底部及頂部發射OLED裝置兩者使用展示等於或大於0.1 Ω/平方之高薄層電阻之通用薄膜電極，其中術語"平方"表示電極面積。若在整個發射區域獲得均一亮度，則陽極及陰極之電阻會限制發光區域之最大尺寸。對於當前材料系統而言，該面積為約幾十平方厘米。對於頂部發射組態中之OLED而言，尤其當ITO用於頂部時，尺寸限制可甚至更嚴格。ITO電學參數之最佳化因光學需要及加工溫度限制而受到損害。為了進一步增加OLED裝置之發光區域，不得不將其再分成子發光方塊(sub－tile)以減小個體電極尺寸。可認為各子發光方塊係發光子－OLED。子發光方塊－OLED藉由金屬軌道互連於基板上。由子發光方塊組成之OLED之總發光區域為各子發光方塊發光區域之和。對於大面積應用而言，金屬軌道之電阻應充分低於0.01 Ω/平方。此外，由於薄層之電阻太高且生產具有所需電阻之足夠厚層昂貴且消耗時間，薄膜技術不足以用於大面積溶液。

具有申請號EP05101161.7之歐洲專利申請案揭示一種底部發射OLED裝置，該裝置具有一金屬箔黏合於反射頂部陰極之上用於保護有機層以確保裝置的長操作壽命且改良電極之一者之導電率。由於頂部電極之上的厚覆蓋箔將阻止頂部方向之發光，該技術不適用於頂部發射器。

本發明之一目標係提供一種在整個發射區域具有均一亮度之大型有機電致發光頂部發射裝置，該裝置具有優良壽命行為且可以不太費力地生產。

該目標藉由一具有一層堆疊用於發射光穿過至少部分透明頂部電極的有機電致發光裝置加以解決，該裝置包含一導電箔、沈積於底部電極上設計用於發光之有機層堆疊、有機層堆疊上之透明頂部電極及覆蓋至少頂部電極及有機層堆疊之至少部分透明之保護元件，該導電箔包含具有上側及下側之載體材料以作為基板及在該載體材料上側具有產生小於0.05 Ω/平方之薄層電阻之厚度的第一金屬層，後者包含至少一第一金屬區域以作為底部電極。術語"層堆疊"表示一連串不同層。因此術語"有機層堆疊"表示一連串不同有機層。該導電箔經由第一金屬層提供足夠低歐姆之電互連且同時在有機LED中充當電極以大大減少至少沿著底部電極的壓降。由於該大大減少之壓降，例如具有約幾十倍10 cm*10 cm之發射面積及更大面積的大面積有機LED亦可達成均一亮度。低薄層電阻可例如以足夠厚金屬層及/或諸如金、銀或銅之高導電材料達成。與先前技術OLED中所用之昂貴薄膜沈積技術相比，導電箔可自OLED裝置之剩餘層堆疊藉由簡單且便宜之黏接技術(例如將金屬層黏合於載體材料之上)單獨產生。載體材料可為適於承載幾十微米或幾十微米以上厚度之金屬層的任何材料，例如玻璃或聚醯亞胺薄膜。保護元件表示保護有機層避免環境影響以獲得足夠裝置壽命之任何措施。保護元件可為圍繞OLED裝置之環境敏感部分的化學惰性層或剛性罩蓋(coverlid)。

在一實施例中，第一金屬層進一步在有機層堆疊之界面包含一導電擴散障壁層。電極材料擴散至有機材料中導致增加含量之干擾有機材料特性之雜質。該擴散障壁會降低或防止有機層堆疊發射特性之退化且因而增加該OLED裝置之操作壽命。

在一實施例中，透明頂部電極由氧化銦錫(ITO)製成。ITO係一種導電且透明之材料。除了具有所需之電學特性之外，頂部電極同時充當障壁層以保護有機層堆疊避免環境影響。然而，即使透明之ITO層亦會吸收一定量的光，其限制ITO層之厚度。在一替代實施例中，透明之頂部電極具有低於20 nm之厚度且在與有機層堆疊之界面包含頂部金屬層及電子注射層。該等薄金屬層甚至具有低於ITO層之薄層電阻。金屬層之製備亦較之例如ITO層容易。另一方面，所需之透明度會將頂部電極厚度限制在低於20 nm之值，如此必然產生保護有機層堆疊避免環境影響之額外作用。

在另一實施例中，第一金屬層進一步包含一第二金屬區域，其與第一金屬區域電絕緣且設計用於提供與透明之頂部電極的直接電接觸。此處，直接電接觸表示在第二金屬區域與頂部電極之間無任何中間有機層之接觸。可在沈積有機層堆疊及頂部電極期間以通用遮罩技術達成直接電接觸。頂部電極至低歐姆導電材料之連接幾乎無歐姆損失地使OLED裝置之驅動電流分佈靠近發光區域(有機層堆疊)，藉以減小穿過較高電阻之材料(頂部電極)的導電路徑之長度。因此，第二金屬區域充當分路(shunt)且提供頂部電極電流供給(current supply)整體較低電阻。如此進一步改良OLED裝置亮度均一性。

若將層堆疊之各層圖案化於子區域中以形成發光子發光方塊，則可更加進一步改良均一性，子發光方塊係藉由非發射區域相互分離以提供導電金屬軌道至各子發光方塊。此處，圖案化子區域可為規則或不規則形狀。發光子發光方塊表示OLED裝置之局部部分(子區域)，其包含能夠發光之局部層堆疊。OLED之總發光區域為子發光方塊區域之和。非發射區域為既無發光有機材料存在亦無驅動電壓可施用於有機層之區域。舉例而言，非發射區域可包含導電材料以幾乎無歐姆損失地分佈電流於OLED裝置之廣泛部分。因此，非發射區域為基本上較好導電之金屬軌道，其具有低於0.05 Ω/平方之薄層電阻且充當分路至底部及/或頂部電極以提供整體較低電阻，產生均一亮度於整個發光區域。

在另一實施例中，絕緣填充材料將第一金屬層之第一及第二金屬區域分離。絕緣填充材料係用於層堆疊之平坦化。由於某些下方層中之邊緣/彎曲，該平坦化可避免待製備於現有層堆疊上之隨後層中之層缺陷。填充材料係位於第一與第二金屬區域之間且因此填充材料只能為絕緣者，諸如標準樹脂。導電材料之間的絕緣填充材料另外使閃絡或直接自一電極流動至另一電極之臨界漏電流之危險最小化。術語"分離"本文意謂在有機層堆疊及頂部電極沈積之前第一與第二金屬區域之間無導電路徑存在。

在另一實施例中，導電箔進一步包含在載體材料下側具有產生小於0.05 Ω/平方之薄層電阻之厚度的第二金屬層及至少一個穿過載體材料之導電路徑以將第二金屬層連接至載體材料上側第一金屬層之第一金屬區域或第二金屬區域。尤其在圖案化子區域之情況下，藉由另外使用載體材料背側用於電流供給(第二金屬層)且直接經由載體材料接觸第一金屬層之第一或第二金屬區域可更容易地達成頂部電極經由第二金屬層至電源的電連接。在其他實施例中亦可添加更多金屬層。具有3層或3層以上金屬層之該等實施例可用於具有例如不同色彩之位址區域或通常用於被動(矩陣)液晶(區段)顯示器中之多路模式中之位址區域。

在另一實施例中，導電箔為包含可撓性載體材料之可撓性導電箔。該導電箔提供組合均勻亮度與可撓性光源優點之OLED裝置且使本發明額外應用於需要或希望不平坦光源，(例如)彎曲或可撓性光源之領域成為可能。

在另一實施例中，保護元件包含覆蓋至少透明之頂部電極及有機層堆疊之透明化學惰性層。透明化學惰性層將維持可撓性導電箔之可撓性，而同時提供具有長使用壽命之OLED裝置。

在另一實施例中，至少第一金屬層包含銅。銅係一種極佳之導電材料。諸如金及銀塗層之額外塗層可施用於銅上。該等塗層亦可提供光滑表面，其上沈積剩餘層堆疊於銅層之上。光滑表面將防止因導致自底部電極經由有機層堆疊至頂部電極之漏電流的表面粗糙度所引起之層缺陷。該等塗層可例如藉由電鍍法施用於銅上。

在本說明書及申請專利範圍中，單詞"包含"不排除其他元件或步驟且不定冠詞"一"不排除複數個。申請專利範圍中任何參考符號不應解釋為限制該等申請專利範圍。

下列例示性實施例將參照附圖展示所提出的有機LED，不會限制本發明之範疇。

圖1顯示本發明之具有層堆疊1、2、3及5之頂部發射有機OLED裝置之一實例，用於發射光4穿過至少部分透明之頂部電極3及至少部分透明之保護元件5。保護元件5覆蓋底部電極12、頂部電極3及有機層堆疊2，以保護有機層堆疊2避免環境影響且因此獲得足夠壽命。

有機層堆疊2由一或多個有機層所組成，該一或多個有機層包含至少一層以朝OLED裝置的上部發光4。除了發光層外，有機層堆疊2可包含一介於發光層與陰極之間的電子傳輸層及/或一介於發光層與陽極之間的電洞傳輸層。有機層堆疊2亦可包含一層以上發光層，各自發射具有不同發射光譜之光。通常藉由氣相沈積提供有機層，例如，在小有機分子之情況下藉由蒸發作用提供有機層，或在較大分子情況下藉由旋塗提供有機層。有機層堆疊之典型厚度在50 nm與500 nm之間。有機層堆疊2之一實例為AlQ₃ (電洞傳輸層)/α－NPD(發光層)/經F4－TCNQ摻雜之m－MTDATA(電子傳輸層)。熟習此項技術者亦可施用先前技術中所揭示之其他有機材料。

如圖1中所示之本發明之有機OLED裝置包含一導電箔1，該導電箔1具有一具有上側及下側之載體材料11以作為基板，及在該可撓性載體材料11上側具有產生小於0.05 Ω/平方薄層電阻之厚度之第一金屬層12，第一金屬層12包含至少一第一金屬區域以作為底部電極。在圖1中所示之實例中，第一金屬層與第一金屬區域相同。視本發明OLED裝置之應用而定，載體材料11可為剛性或可撓性，例如玻璃或塑料。若載體材料11為可撓性，則OLED裝置將展示可撓性光源之額外特點。具有1 m² 底部電極區域及發光區域之OLED裝置需要20A之驅動電流，以在50 Cd/A下產生1000 Cd/m² 。倘若薄層電阻為0.05 Ω/平方，則橫貫底部電極獲得0.5 V之最大壓降。可接受高達0.7 V之壓降。

舉例而言，單側可撓性導電箔係可購自(例如)Nippon Mektron Ltd，其包含25 μm厚聚醯亞胺薄膜及黏著結合於該聚醯亞胺薄膜之35 μm銅層。亦可在聚醯亞胺薄膜兩側上使用具有銅箔之雙側箔。35 μm厚度之第一金屬層具有遠低於0.01 Ω/平方之薄層電阻值，在銅之情況下為約0.001 Ω/平方。在其他實施例中，在可撓性基板上具有優良黏著特性之其他金屬(例如銀或金)及亦具有金或銀塗層之銅亦具有十分低的薄層電阻值且適於低電阻底部電極材料。聚醯亞胺薄膜充當可撓性載體材料11。對於剛性載體材料而言，類似厚度之金屬層獲得十分類似之電阻值。

第一金屬層12在與有機層堆疊2之界面處可進一步包含導電擴散障壁層13。電極材料擴散至有機材料中導致增加含量之干擾有機材料特性之雜質。舉例而言，銅展示相對高擴散速率。具有幾奈米厚度之適當導電擴散障壁層由諸如金之貴金屬組成。

有機層堆疊2上之透明頂部電極3可包含諸如ITO之透明導電材料或金屬。在後者情況下，金屬層厚度限於金屬層在光譜可見光範圍內仍至少部分透明之厚度。ITO層通常藉由濺鍍沈積，在ITO電極3與有機層堆疊2之間需要額外保護層以避免沈積破壞有機層。用於該保護層之適當材料之一實例為銅酞菁(CuPc)之薄膜。ITO層之厚度可遠大於金屬電極之厚度。然而，若ITO用作頂部電極3，則ITO電學參數之最佳化因光學需要及沈積加工溫度限制而受到損害。ITO電極之典型厚度為約100 nm。金屬頂部電極3之一實例為具有一低於20 nm厚度之鋁層，在與有機層堆疊2之界面處具有一例如LiF之層以降低頂部電極3之功函數。為了達到頂部電極3之優良透明度，厚度應更低，例如低於10 nm。用於頂部電極3之另一適當材料為與高度摻雜之電子注射/傳輸層組合之銀。

在圖1中，保護元件5不僅覆蓋底部電極12，而且亦覆蓋頂部電極3及有機層堆疊2。用於延伸保護元件5之最小需求係覆蓋有機層堆疊2及頂部電極3以防止臨界氣體(例如氧或水)自環境擴散至有機層堆疊2中。熟習此項技術者已知充當擴散障壁之適當透明材料(例如氮化矽)。可將剛性至少部分透明之罩蓋黏合於載體材料11上側之上以作為保護元件5之保護層的一替代物用於在有機層堆疊上提供閉合且密封之體積，可將其抽空或填充有化學惰性氣體或液體。

本發明之另一實施例顯示於圖2中。此處，圖1之擴散障壁層13未顯示，但仍可存在。金屬層12在可撓性載體材料11上側包含第一金屬區域121及第二金屬區域122，根據本發明兩者均具有低於0.05 Ω/平方之薄層電阻。可撓性載體材料11上側為沈積有機層堆疊2之側，另一側(下側)可認為係OLED裝置之背側。第一金屬區域121及第二金屬區域122之分離可例如藉由光微影及蝕刻達成。術語"分離"本文意謂在沈積有機層堆疊2及頂部電極3之前第一金屬區域121與第二金屬區域122之間無導電路徑存在。

如圖2中所示，若第二金屬區域122充當分路提供頂部電極金屬軌道整體較低電阻，則將第二金屬區域122直接連接至頂部電極3。為了在3與122兩層之間獲得優良電接觸，在第二金屬區域122之上避免任何有機材料。該情況可在薄膜沈積期間藉由適當遮罩技術達成。有機層堆疊係藉由適當薄膜沈積技術(例如蒸發作用及/或旋塗)沈積於第一金屬區域121上。可對第一及第二金屬區域施用適當金屬塗飾以在有機層堆疊沈積之前調節粗糙度、反射率及功函數。

如圖2中所示，第一金屬區域121及第二金屬區域122可藉由絕緣填充材料6電分離，以避免隨後提供於現有層堆疊上因一些下方層中之邊緣/彎曲所引起之層中的層缺陷，且避免漏電流自第一金屬區域121直接流動至第二金屬區域122或反之亦然。在無額外保護措施情況下，例如，在雷射結構加工導電箔以獲得單獨第一及第二金屬區域之後由剩餘金屬材料觸發該等漏電流會。抑制漏電流之適當材料為任何標準樹脂。在發光方向4觀察，絕緣填充材料6位於有機層堆疊2之下，因此該絕緣填充材料6可為透明或不透明。絕緣填充材料6之存在將改良裝置之可靠性。

另一實施例顯示於圖3中。與先前各圖相比，導電箔1額外在載體材料11下側包含第二金屬層14，根據本發明其具有小於0.05 Ω/平方之薄層電阻，該第二金屬層14經由穿過載體材料11之至少一個導電路徑15連接至載體材料11上側之第二金屬區域122。因此，電流供給頂部電極3係經由OLED裝置之背側達成。如此，一方面使其在具有眾多子發光方塊之複雜結構之OLED的情況下更容易接觸頂部電極3，且另一方面其降低載體材料11上側非發射區域所需之表面積。為了電絕緣之目的，第二金屬層14之上可具有非導電層16。可想到的十分類似之實施例亦可能無本發明絕緣填充材料6及/或具有圖3中未顯示之擴散障壁層。第三金屬層14提供額外保護避免濕氣自載體材料下側滲透至OLED裝置中。

在其他實施例中，第二金屬層14可另外與第一金屬區域121接觸。在該情況下，第二金屬區域122將與第二金屬層14電絕緣且經由載體材料11上側與本文未顯示之電源接觸。

圖4為子發光方塊OLED裝置之平面圖，該裝置包含沈積於載體材料11上側之第一金屬區域121及第二金屬區域122，其由絕緣填充材料6分離且之上具有有機層堆疊2。將層121、122、2及3圖案化成若干子區域，以形成藉由非發射區域(無有機層堆疊2存在之區域)相互分離之發光子發光方塊(本文以實例顯示4個子發光方塊)，以提供導電金屬軌道121及122至各子發光方塊。發光子發光方塊覆蓋包含OLED層堆疊用於發光之OLED裝置之局部部分(子區域)。OLED之總發光區域為子發光方塊區域之和，本文顯示為黑色區域2。在圖4中，頂部電極3已給出稍小尺寸以闡明層結構。在子發光方塊OLED裝置中，頂部電極亦可具有與有機層堆疊相同之尺寸。此外，子發光方塊可由若干串聯之OLED裝置組成。子發光方塊之數目及形狀亦可與圖4中所示之實例不同。頂部電極3覆蓋發光有機層堆疊2(黑色區域)且與第二金屬層13電連接。

兩個OLED裝置係成功構建於可撓性銅箔上。在兩實例中，銅層(第一金屬層)具有35 μm之厚度及低於0.001 Ω/平方之電阻。基板尺寸為49 x 49 mm² ，包含16個20 mm² 尺寸之子發光方塊。

實例1：

有機電致發光裝置在載體材料11之上包含以下層堆疊。在該實例中，金用作擴散障壁層13：Cu(35 μm)/Au(1 μm)/PEDOT(100 nm)/α－NPD(15 nm)/α－NPD：紅螢烯(15 nm)/AlQ₃ (60 nm)/LiF(1 nm)/Al(10 nm)

實例2：

有機電致發光裝置在載體材料11之上包含以下層堆疊。在該實例中，銀用作擴散障壁層13：Cu(35 μm)/Ag(1 μm)/PEDOT(100 nm)/α－NPD(15 nm)/α－NPD：紅螢烯(15 nm)/AlQ₃ (60 nm)/LiF(1nm)/Al(10 nm)

PEDOT用於克服銀或金與電洞傳輸層α－NPD之功函數錯配。紅螢烯係一種摻雜材料及該堆疊中之實際螢光材料。觀察到兩實例中所有子發光方塊之整個發光區域均一亮度無任何不同。

參照圖及說明書所解釋之實施例僅僅代表有機LED裝置之實例且不應理解為限制與該等實例相關之專利申請專利範圍。同樣藉由專利申請專利範圍之保護範圍涵蓋之替代實施例對熟習此項技術者亦可能。附屬之申請專利範圍之編號意味申請專利範圍之其他組合亦可代表本發明之有利實施例。

1．．．導電箔/層堆疊

2．．．有機層堆疊

3．．．頂部電極/層堆疊

4．．．光

5．．．保護元件

6．．．絕緣填充材料

11．．．載體材料

12．．．第一金屬層/底部電極

13．．．擴散障壁層

14．．．第二金屬層

15．．．導電路徑

16．．．非導電層

121．．．第一金屬區域/金屬軌道

122．．．第二金屬區域/金屬軌道

圖1為根據本發明之OLED裝置之第一實施例的側面圖。

圖2為具有經構建之第一金屬層的根據本發明之OLED裝置之側面圖。

圖3為具有第二金屬層的根據本發明之OLED裝置之側面圖。

圖4為根據本發明具有子發光方塊之OLED裝置之平面圖。