TWI540779B - 有機發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光裝置，明確而言，係關於一種有機發光裝置。
近年來，許多研究致力於電致發光裝置技術的發展，其中有機發光裝置(如有機發光二極體)更是受到矚目。而所謂的電致發光，係將電子自高能量狀態(激發態)降至下方能階之能量狀態，以光波形式釋出能量時所呈現的現象。
基本的有機發光裝置之電致發光構造，係將有機發光分子材料夾於二層電極之間。首先，由陽極(一般使用的材料為銦錫氧化物ITO透明電極)向發光層注入電洞，自陰極注入電子，而電子電洞在發光分子材料形成的發光層中結合藉以將發光層材料自基態(ground state)激發成為激態(excited state)，當發光層分子材料從激態重返基態時釋出能量時發光，而將電能轉換成光波。簡言之，就是在發光層分子材料中流通電流，以電能致使發光層分子材料發光。然而，若直接以100%發光體單一材料作為發光層的話，將會造成激子焠熄，致使發光效率非常低。目前的做法是在如磷光有機發光二極體(OLED)中，以主發光體(host)與客發光體(dopant或dye)搭配共蒸鍍形成發光層。
就目前之磷光發光二極體發光層的分子能階結構而言，當施加電壓時，主發光體材料中還原態分子之電子與氧化態分子之電洞先分別注入至具一能階差(能障)的主發光體分子，形成激子(exciton)後，再將能量轉移至客發光
體分子，之後再藉由客發光體分子由激態返回基態而發光。所以，磷光主發光體材料的能階(單重態(singlet)能階或三重態(triplet)能階)必須大於磷光客發光材料的能階，其中，磷光主發光體材料的單重態能階的能階差(HOMO-LUMO)更大。對於能障較大之有機發光二極體(如藍色磷光發光二極體)而言，需要更大的操作電壓以將電能轉換成光波。此外，因藍色磷光主發光體分子材料的單重態能階的能階差特別大，所以藍色磷光OLED的操作電壓會明顯大於其它光色的元件。
因此，習知之光致發光裝置中仍存有降低操作電壓及改進發光效率的需求。
一種有機發光裝置，包含一發光層、一第一電極以及一第二電極，發光層設置於該上電極與該下電極之間。發光層包含，一具有第一分子能階的主發光體(host)、以及一具有第二分子能階的客發光體(dopant)。其中，第一分子能階之最高佔有軌道(HOMO)能階與第二分子能階之HOMO能階實質相同，或第一分子能階之最低未佔有軌道(LUMO)能階與第二分子能階之LUMO能階實質相同。
本發明之目的及優點，藉由下列較佳實施例中伴隨圖式與元件符號之詳細敘述後，將更為顯著。
為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所
附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件，並且為求清楚說明，元件之大小或厚度可能誇大顯示，並未依照原尺寸作圖。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。然而，應瞭解到所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。
本發明中之「上」、「下」、「前」、「後」等用語，均為便於說明根據本發明之實施例中元件的相對位置或時間順序所採的描述，而非用限制之目的。
根據本發明之有機發光裝置一實施例，係設計在同一發光層中，使主發光體與客發光體之間的HOMO或LUMO能階實質相同之發明概念。而所謂「實質相同」，係指兩個相互比較之分子能階相同或是能階差異低於0.3 eV(即介於0~0.3 eV範圍內)。
根據本發明之實施例的有機發光裝置之發光層，其分子能階能使較多的電子或電洞，不須分別注入至高能障的主發光體分子材料(如磷光藍色有機分子)的LUMO與HOMO能階，再將能量轉移至客發光體後發光。反之，只須注入至能障較小的客發光體分子材料上，直接形成激子而發光，進而降低磷光藍色OLED的操作電壓。
請參閱第1圖所示，第1圖為根據本發明之有機發光
裝置之一實施例的示意圖。
該實施例係一種有機發光二極體100。此有機發光二極體100包含一上電極(陰極)104、一下電極(陽極)106以及設置於上電極102與下電極106之間的發光層102。
為了使發光層與上、下電極之間具有良好的介面結合性，可選擇性地於兩者之間加上緩衝層。緩衝層可包括但不限於分別用於電子與電洞之注入層與傳導層。所以，根據本發明之一實施例，有機發光二極體可包括一發光層(各色發光層可分開)、一電子注入層、一電子傳導層、一電洞注入層、一電洞注入層等多層結構的有機發光裝置。由於發光層分子材料具有電子傳導的特性，故亦可不設置電子傳導層。
第2圖係顯示一習知有機發光二極體中發光層之分子能階200的示意圖。習知有機發光二極體之發光層包括主發光體210與客發光體220，其各別分子能階中，主發光體210具有一由最高佔有軌道(HOMO)能階214與一最低未佔有軌道(LUMO)能階212，其間的差異定義主發光體之分子能階差216。客發光體220具有一HOMO能階224與一LUMO能階222，其間的差異定義客發光體之分子能階差226。如圖2所示，於習知之有機發光二極體之發光層中，其中客發光體220與主發光體210的LUMO與HOMO能階之間皆具有一能階間隙(energy gap)。
在習知有機發光二極體之發光層的分子能階200中，由於電子需被激發至LUMO與HOMO能階差較大之主發光體分子材料後，再將能量轉移至客發光體形成激子後發光(h ν)。
第3圖係根據本發明之實施例的有機發光裝置中，發光層之分子能階300的示意圖。配合不同傳導類型或具不同LUMO/HOMO能階值之主/客發光體，使主發光體分子材料之LUMO能階與客發光體分子材料之LUMO能階實質相同(如第3圖(A)所示)，或主發光體分子材料之HOMO能階與客發光體分子材料之HOMO能階實質相同(如第3圖(B)所示)。
具體言之，第3圖(A)中分子能階300包括：主發光體310，其具有一由HOMO能階314與一LUMO能階312定義之分子能階差316；客發光體320，其具有一由HOMO能階324與一LUMO能階322定義之分子能階差326。由於客發光體320與主發光體310的LUMO能階相同，電子/電洞直接注入至能階差較小的客發光體分子材料上形成激子而發光(h ν)。此發光層分子能階結構一般係由n型主發光體分子材料與p型客發光體分子材料形成。
參照第3圖(B)，其分子能階300’包括：主發光體310’，其具有一由HOMO能階314’與一LUMO能階312’定義之分子能階差316’；客發光體320’具有一由HOMO能階324’與一LUMO能階322’定義之分子能階差326’。由於客發光體320’與主發光體310’的HOMO能階相同，電子/電洞直接注入至能階差較小的客發光體分子材料上形成激子而發光(h ν)。此發光層分子能階結構一般係由p型主發光體分子材料與n型客發光體分子材料形成。
第4圖係顯示根據本發明的有機發光二極體之實施例一的有機發光二極體(OLED)裝置400示意圖。於此有機發光二極體裝置400中，上電極(陰極)406與下電極(陽極，ITO透明電極)406’之間，夾置藍光發光層402與紅
綠光發光層403。於該兩發光層與陰極和陽極之間，各自夾置一層電子傳導層404及電洞傳導層404’。
根據實施例一，此藍色發光層係由80%之H93作為n型主發光體分子材料與20%之BD176作為p型客發光體分子材料所構成。n型主發光體分子材料H93之HOMO能階為5.8電子伏特(eV)，LUMO能階為2.4eV，能階差為3.4eV。p型客發光體分子BD176之HOMO能階為5.1eV，LUMO能階為2.4eV，能階差為2.7eV。第5(A)圖係顯示根據本實施例，不同操作電壓下所產生的電流密度值；第5(B)圖係點亮(turn on)此有機發光二極體裝置所需操作電壓的閾值(threshold value)，以及隨操作電壓之亮度變化。參閱第5(B)圖所示，點亮本實施之有機發光二極體裝置所需的操作電壓僅為2.75V，趨近客發光體分子材料HOMO與LUMO能階差之理論值2.7V，而遠低於先將電子/電洞分別注入主發光體分子所需之3.4V。由於n型主發光體分子材料H93之LUMO能階與p型客發光體分子BD176之LUMO能階相同，所以本發明發光層之載子注入機制為電子/電洞係直接分別注入H93之LUMO能階以及BD176之HOMO能階，進而降低載子注入之能障使得操作電壓降低。
第6圖顯示本發明之實施例二與比較例一的磷光藍色有機發光二極體裝置600示意圖。於此磷光藍色有機發光二極體裝置600中，上電極(陰極)608與下電極(陽極，ITO透明電極)608’之間，夾置藍光發光層602。於該發光層602與陰極608和陽極608’之間，各自夾置一電子傳導層604/一電子注入層606及一電洞傳導層604’/一電洞注入層606’。
本實施例二與比較例一中，此藍色發光層所使用之主發/客體分子材料如下表一
於比較例一中，係由80%之39TCz(3,6-bis(carbazol-9-yl)-9-(2-ethyl-hexyl)-9H-carbazole)作為主發光體分子材料與20%之BD176作為p型客發光體分子材料所構成。主發光體分子材料39TCz之HOMO能階為5.5 eV，LUMO能階為2.23eV，能階差為3.27eV。p型客發光體分子材料BD176之HOMO能階為5.1eV，LUMO能階為2.4eV，能階差為2.7eV。主發光體分子材料39TCz與p型客發光體分子BD176之LUMO能階差異低於0.3eV。由於主發光體分子材料39TCz為偏p型之材料型態，其提供電子傳導能力不佳。因此比較例一發光層之分子能階為電子/電洞不易直接分別注入39TCz之LUMO能階以及BD176之HOMO能階，進而無法降低載子注入之能障使得操作電壓降低。
第7圖顯示比較實施例二與比較例一的發光效率之座標圖。其中，於第7(A)及7(B)圖中，左側曲線(實線部分)為根據實施例二的量測值，而右側曲線(虛線部分)則為比較例一的量測值。由圖中明確可知，在相同之操作電壓下，根據本發明之實施例二的磷光藍色有機發光二極體無論在亮度或與電流密度的表現上，均高出比較例一甚多。
第8圖顯示實施例一與比較例二的發光效率比較座標圖。其中，比較例二係使用與實施例一相同之有機發光二極體裝置400結構。
根據本案比較例二，其中藍色發光層係由80%之TFTPA(fluorene-triphenylamine tris[4-(9-phenylfluoren-9-ylphenyamine)作為主發光體分子材料與20%之BD176作為客發光體分子材料所構成。主發光體分子材料TFTPA之HOMO能階為5.57eV，LUMO能階為2.1eV，能階差為3.37eV。客發光體分子材料BD176之HOMO能階為5.1eV，LUMO能階為2.4eV，能階差為2.7eV。主發光體分子材料TFTPA與客發光體分子BD176之LUMO能階差異為0.3eV。主客發光體之間的LUMO能階差異較大(能障較大)，比較例二中，電子傳輸層之電子較難以直接注入至TFTPA之LUMO能階中，故無法降低操作電壓。若以將電子推送至主發光體分子材料之LUMO能階且將電洞注入至客發光體分子材料之HOMO能階觀之，其間能階差為3.0eV(5.1eV-2.1eV)，明顯高於本案實施例一的客發光體分子材料HOMO與LUMO能階差之理論值2.7eV。
由第8(A)及8(B)圖中，左側曲線(菱形點)為根據實施例一的量測值，而右側曲線(三角形點)則為比較例二的量測值。類似於第7(A)及7(B)圖所示，在相同之操作電
壓下，根據本發明之實施例一的有機發光二極體無論在亮度或電流密度的表現上，均高出比較例二甚多。
本案中各實施例與比較例中所用之主發光體材料及客發光體材料均由聯合顯示公司(Universal Display Corporation,UDC)市售之材購得，其中H93與BD176等代號係為UDC分別針對特定有機化合物與有機金屬化合物材料之不變商品名稱。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧有機發光二極體
102‧‧‧發光層
104‧‧‧上電極
106‧‧‧下電極
200‧‧‧發光層分子能階
210‧‧‧主發光體
212‧‧‧主發光體LUMO能階
214‧‧‧主發光體HOMO能階
216‧‧‧主發光體分子能階差
220‧‧‧客發光體
222‧‧‧客發光體LUMO能階
224‧‧‧客發光體HOMO能階
226‧‧‧客發光體分子能階差
300‧‧‧發光層分子能階
310‧‧‧主發光體
312‧‧‧主發光體LUMO能階
314‧‧‧主發光體HOMO能階
316‧‧‧主發光體分子能階差
320‧‧‧客發光體
322‧‧‧客發光體LUMO能階
324‧‧‧客發光體HOMO能階
326‧‧‧客發光體分子能階差
300’‧‧‧發光層分子能階
310’‧‧‧主發光體
312’‧‧‧主發光體LUMO能階
314’‧‧‧主發光體HOMO能階
316’‧‧‧主發光體分子能階差
320’‧‧‧客發光體
322’‧‧‧客發光體LUMO能階
324’‧‧‧客發光體HOMO能階
326’‧‧‧客發光體分子能階差
400‧‧‧有機發光二極體裝置
402‧‧‧藍光發光層
403‧‧‧紅綠光發光層
404‧‧‧電子傳導層
404’‧‧‧電洞傳導層
406‧‧‧上電極
406’‧‧‧下電極
600‧‧‧有機發光二極體裝置
602‧‧‧藍光發光層
604‧‧‧電子傳導層
606‧‧‧電子注入層
604’‧‧‧電洞傳導層
606’‧‧‧電洞注入層
608‧‧‧上電極
608’‧‧‧下電極
第1圖係顯示根據本發明之一實施例的有機發光裝置。
第2圖係先前技術之發光層的分子能階示意圖。
第3圖係根據本發明之一實施例的有機發光裝置，其
中發光層的分子能階示意圖。
第4圖係顯示根據本發明之實施例一的有機發光裝置。
第5圖之(A)圖係顯示根據本發明之一實施例，不同操作電壓下所產生的電流密度值；(B)圖係點亮(turn on)此實施例所需操作電壓的閾值(threshold value)。
第6圖係顯示根據本發明之實施例二的有機發光裝置。
第7圖中顯示比較實施例二與比較例一的發光效率之座標圖。
第8圖顯示比較實施例一與比較例二的發光效率之座標圖。
300‧‧‧發光層分子能階
310‧‧‧主發光體
312‧‧‧主發光體LUMO能階
314‧‧‧主發光體HOMO能階
316‧‧‧主發光體分子能階差
320‧‧‧客發光體
322‧‧‧客發光體LUMO能階
324‧‧‧客發光體HOMO能階
326‧‧‧客發光體分子能階差
300’‧‧‧發光層分子能階
310’‧‧‧主發光體
312’‧‧‧主發光體LUMO能階
314’‧‧‧主發光體HOMO能階
316’‧‧‧主發光體分子能階差
320’‧‧‧客發光體
322’‧‧‧客發光體LUMO能階
324’‧‧‧客發光體HOMO能階
326’‧‧‧客發光體分子能階差
Claims (8)
- 一種有機發光裝置，包含：一發光層，包含一主發光體(host)，具有第一分子能階；以及一客發光體(dopant)，具有第二分子能階，其中該主發光體為n型磷光材料，該客發光體為p型磷光材料，該第一分子能階之最低未佔有軌道(LUMO)能階與該第二分子能階之LUMO能階實質相同；一上電極；以及一下電極，其中該發光層設置於該上電極與該下電極之間。
- 如請求項1所述之有機發光裝置，其中該主發光體之第一分子能階與該客發光體之該第二分子能階的LUMO能階相同或是差異低於0.3eV。
- 如請求項1所述之有機發光裝置，其中該發光層、該上電極與該下電極之間更包括傳導層、注入層、或傳導層及注入層。
- 如請求項3所述之有機發光裝置，其中該傳導層係電子傳導層或電洞傳導層，且該注入層係電子注入層或電洞注入層。
- 一種有機發光裝置，包含：一發光層，包含一主發光體(host)，具有第一分子能階；以及一客發光體(dopant)，具有第二分子能階，其中該主發光體為p型磷光材料，該客發光體為n型磷光材料，該第一分子能階之最高佔有軌道(HOMO)能階與該第二分子能階之HOMO能階實質相同；一上電極；以及一下電極，其中該發光層設置於該上電極與該下電極之間。
- 如請求項5所述之有機發光裝置，其中該主發光體之第一分子能階與該客發光體之該第二分子能階的HOMO能階相同或是差異低於0.3eV。
- 如請求項5所述之有機發光裝置，其中該發光層、該上電極與該下電極之間更包括傳導層、注入層、或傳導層及注入層。
- 如請求項7所述之有機發光裝置，其中該傳導層係電子傳導層或電洞傳導層，且該注入層係電子注入層或電洞注入層。
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