表面處理提高綠色OLED外量子效率研究

周軍紅,韓紹虎,周登錦,吳忠杰,吳江宏,陸國權,羅旭東

（1.廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405；2.華南理工大學，廣東 廣州 510641）

表面處理提高綠色OLED外量子效率研究

周軍紅1,韓紹虎2,周登錦1,吳忠杰1,吳江宏1,陸國權1,羅旭東1

（1.廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405；2.華南理工大學，廣東 廣州 510641）

該文通過噴砂打磨技術使器件的表面粗糙化，有效地壓制了玻璃層內(nèi)的光波導，促進光子在玻璃-空氣界面的散射，大幅度提高了有機綠色發(fā)光器件的輸出耦合效率。有機綠色電致發(fā)光器件的流明效率、外量子效率分別提高到44.9cd·A-1、15.4%，提高率達到54.0%。當粗糙度介于1～4μm之間時，器件的輸出耦合效率提高率隨著表面粗糙度的減小而提高。同時，粗糙表面對發(fā)光器件的朗伯體特性沒有帶來任何影響。

有機綠色電致發(fā)光器件；輸出耦合效率；外量子效率；噴砂打磨

0 引 言

有機電致發(fā)光器件（OLED）因其在新型顯示、大面積白光照明及背光源等領域的潛在應用而受到科學界、工業(yè)界廣泛而深入地研究[1-7]。但是OLED在背光源及白光照明領域由于出光率等因素的影響而任重道遠。對于有機電致發(fā)光器件白光的獲得，通常可以通過紅、綠、藍三基色共混而得到。所以，要實現(xiàn)OLED在白光照明及背光源領域的商業(yè)化，提高紅、綠、藍三基色的發(fā)光性能是關鍵，而作為人眼最敏感的綠光發(fā)光性能的提高，對于由紅、綠、藍三基色組合而成的白光發(fā)光體系來講則特別重要。換言之，只要綠光成分輸出耦合效率得到大幅度的提高，就能夠使白光器件整體輸出耦合效率大幅度提高。

本文基于可溶性加工的聚乙烯基咔唑（PVK）作為空穴傳輸材料及電子傳輸材料OXD-7的混合主體摻雜磷光綠光材料合成理想的有機綠光發(fā)光器件。在此基礎上，通過表面噴砂打磨工藝大幅度提高了該綠光發(fā)光器件的發(fā)光性能，且沒有對該發(fā)光器件的發(fā)光光譜、朗伯體特性產(chǎn)生影響。

1 基本原理

器件的輸出耦合效率（ηOUT）是外量子效率與內(nèi)量子效率的比值[7]，它決定了OLED器件在前向逃逸光子的多少。對于具有光滑玻璃表面的器件，光的輸出耦合效率可通過式（1）計算[8]：

其中，n是基板的折射因子。取玻璃的折射因子為1.5，那么ηOUT大約等于0.33，這意味著發(fā)光層中產(chǎn)生的光子超過2/3的部分因為全反射而被限定在器件內(nèi)部并損失掉。

為了提高綠光器件的光輸出耦合效率，找到了一個新穎的工藝：通過對器件表面噴砂打磨使器件的表面由光滑變粗糙，來改變光在玻璃空氣界面的入射角，從而提供更多的光子從前向方向上逃逸出去的機會（見圖1）。

圖1 噴砂打磨工藝及光在不同粗糙表面的WOLED器件內(nèi)傳播的描述

2 實驗與方法

綠光發(fā)光器件的結構、制作過程、發(fā)光材料的分子結構及器件結構在早期的文獻中有詳細的描述[9-10]。實驗中用到的所有化學材料都是購買而得，其中PEDOT：PSS購于德國拜爾公司（H.C.Stark，Inc.），PVK購于Aldrich，Ir（mppy）3購于美國染料公司。實驗中的電流密度（J）-電壓（U）-亮度（L）特性曲線由Keithley 236源及硅光二極管共同完成，數(shù)據(jù)的校正由Chroma Meter CS-2000（Konica Minolta）完成。器件的電致發(fā)光光譜及CIE坐標由PR-705 SpectraScan Spectrophotometer（Photo Research）采集得到。

噴砂技術廣泛用于建材的打磨、藝術品的制備及表面清潔等方面。在信息顯示領域，噴砂打磨作為一個成本低廉、可控的技術被用于等離子平板顯示屏相關方面的制備。

為了精確地描述噴砂打磨后器件表面的粗糙特性，引入國際通用的描述粗糙特性的標準參數(shù)平均粗糙度（Ra）來描述不同工藝條件下的表面粗糙形貌。粗糙度定義為在一給定的長度內(nèi)表面輪廓偏離平均線的算術平均值[11]。本文實驗中粗糙度Ra由激光共聚焦掃描顯微鏡（OLYMPUS-OLS 4000）采集得到。

噴砂打磨技術對器件表面形貌的修飾形式多樣、方法靈活，施加的空氣壓力、噴射頻率、砂粒的粒徑、噴射的角度及噴槍與基板的距離等都會對最終的表面形貌產(chǎn)生影響。在實驗過程中，設定了噴嘴與玻璃襯底的距離為10cm；噴射的角度為零度（噴嘴垂直于玻璃基板的方向）；空氣的壓強為3.92×104Pa；噴射的頻率為1Hz。雖然設定了以上參數(shù)，但通過改變白剛玉砂粒的大小型號（一般介于20～60μm之間）來實現(xiàn)對器件表面形貌具體化、可重復化的改變。噴砂機從吉川國際（香港）公司購買，型號為6090B非標準型。白剛玉砂從鄭州峰大公司（中國）購買。

3 結果與討論

3.1 發(fā)光性能的對比

為了研究打磨對綠光器件發(fā)光性能的影響，在相同的條件下制備了一批綠光器件，器件結構、制備方案等在實驗部分有詳細的說明。一部分器件進行玻璃表面粗糙化處理，而另一部分器件則保留光滑的玻璃表面，不進行打磨處理。經(jīng)過性能測試，沒有經(jīng)過打磨的綠光器件，其最大發(fā)光亮度為51060cd·m-2；器件的電流密度為5.6mA·cm-2時，流明效率及外量子效率達到最大分別為29.2cd·A-1、10.0%。而通過噴砂打磨引入粗糙表面的綠光器件發(fā)光性能得到了大幅度提高，其最大發(fā)光亮度達到71 255 cd·m-2；與此同時，最大流明效率及最大外量子效率分別達到44.9cd·A-1、15.4%，此時器件的電流密度為9.3mA·cm-2，具體的數(shù)據(jù)見表1。通過比較，表面噴砂打磨處理分別將綠光器件的最大發(fā)光亮度、最大流明效率提高了39.6%、54.0%，而器件的最大外量子效率也從沒有表面粗糙化處理時的10.0%提高到15.4%。

表1 器件性能對比1)

通過詳細地對比打磨與沒有打磨器件的電流密度（J）-電壓（U）-亮度（L）特征曲線圖2（a）所示，很

明顯G1與G2的電流密度（J）-電壓（U）特征曲線幾乎是重合在一起的，由此說明兩器件的載流子注入及輸運情況是一致的，從而可以明確兩器件的外量子效率大幅度提高完全是因為光的輸出耦合效率提高而決定的。經(jīng)過噴砂打磨粗糙化處理后的器件起亮電壓（器件發(fā)光亮度達到1cd·m-2時的電壓）要比沒有經(jīng)過噴砂打磨后的器件低（表1），說明粗糙的表面更有利于光子的出射，從而提高器件的輸出耦合效率，同時低的工作電壓也有助于器件降低能耗。圖2（b）、圖2（c）分別給出了G1、G2器件流明效率及外量子效率隨電流密度的變化情況。圖2（d）是兩器件歸一化的發(fā)光光譜，很明顯光譜沒有發(fā)生任何變化。

3.2 粗糙表面對器件朗伯體特性的影響

對于照明光源而言，朗伯發(fā)光體是必需的發(fā)光特性。研究證明光滑表面的有機電致發(fā)光器件（OLED）是理想的朗伯發(fā)光體[8]，而表面噴砂打磨工藝對OLED發(fā)光器件朗伯體發(fā)光特性帶來的影響將直接影響該工藝的實際應用。為此，對經(jīng)過表面噴砂打磨處理后的綠光OLED進行了朗伯體特性的測試如圖3所示。紅色的虛線表示理想朗伯發(fā)光體的特性曲線；黑色的圓圈表示噴砂打磨后OLED的特性曲線。描述了不同角度下亮度的測試過程，其中順時針方向為負角度方向，逆時方向為正角度方向，零度方向代表OLED發(fā)光平面的法線方向。理想的朗伯發(fā)光體（也稱余弦發(fā)射體）偏離法線方向不同角度下的發(fā)光強度與法線方向的發(fā)光強度之間存在如下關系[12]：

式中：L0——法線方向的發(fā)光強度；

L（θ）——偏離法線θ角度下的發(fā)光強度。

很明顯經(jīng)過噴砂打磨后器件的發(fā)光強度隨角度的變化曲線與理想朗伯發(fā)光體的特性曲線很好地吻合，說明粗糙的發(fā)光表面并沒有對器件的朗伯體特性帶來影響，噴砂打磨后器件依然是理想的朗伯發(fā)光體。

3.3 不同的表面粗糙度對輸出耦合效率提高率的影響

圖2 器件G1與G2的發(fā)光性能對比

圖3 歸一化的發(fā)光強度隨視角的變化情況

圖4 外量子效率提高率隨器件表面粗糙度的變化情況

為了最大化地提高綠光OLED器件的輸出耦合效率，采用不同型號的砂粒對同一批器件進行表面噴砂打磨處理。在現(xiàn)有的實驗室條件下，在粗糙度為1.511μm情況下實現(xiàn)了綠光OLED器件輸出耦合效率的最大提高率（圖4），達到54.0%。早期的研究中已經(jīng)證明，如果器件表面的散射媒介尺寸達到透射光波長的一半，那么對應的透射光將實現(xiàn)最大的輸出耦合效率[13]。將這一結論應用到本文工作中可以得出，如果能夠通過噴砂打磨工藝實現(xiàn)綠光OLED表面粗糙度達到綠光發(fā)射峰對應波長512 nm的一半（即256nm），那么器件的外量子效率將達到最大，但這對砂粒及噴砂機都將有特殊的要求。

4 結束語

通過噴砂打磨技術對OLED綠光器件出光表面實現(xiàn)了粗糙化處理。粗糙表面成功地壓制了綠光OLED器件玻璃層內(nèi)的光波導，有效地促進了光子在玻璃-空氣界面的出射，大大地提高了綠光OLED器件的輸出耦合效率。當粗糙度介于1～4μm范圍時，器件的外量子效率提高率隨著粗糙度的減小而提高，而且在粗糙度為1.511 μm時綠光OLED器件的外量子效率提高率達到最大值。粗糙化處理對器件的發(fā)光光譜、朗伯發(fā)光體等特性都沒有造成任何影響，噴砂打磨技術操作方便、靈活，適用于大面積照明器件。

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Research to improve out-coupling efficiency of green organic light-emitting devices based on surface treatment

ZHOU Jun-hong1，HAN Shao-hu2，ZHOU Deng-jin1，WU Zhong-jie1，WU Jiang-hong1，LU Guo-quan1，LUO Xu-dong1
（1.Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China；2.South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

The authors modified the device surfaces from smooth to rough based on the sandblasting process.The rough surface effectively suppresses the optical waveguide in the glass layer，promoting photon scattering in the glass-airinterface，thereby significantly improvesoutput coupling efficiency of GOLED.The GOLED’s luminous efficiency and external quantum efficiency was raised to 44.9 cd·A-1and 15.4%，respectively，the improvement rate reached to 54.0%. Furthermore，the improvement of the out-coupling efficiency is monotonously decreasing with the surface roughness within the roughness range from around 1μm to 4μm.At the same time，there has not caused any effect to the Lambertian characteristics of the lighting devices by the rough surface.The technology provides the opportunity for large-area applications.

organic green light-emitting device；out-coupling efficiency；external quantum efficiency；sand-blasting

TN383+.1；TH161+.14；O432；TQ317.3

：A

：1674-5124（2014)03-0133-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.035

2013-08-30；

：2013-10-24

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科研項目（201310006-03）廣東省質(zhì)量技術監(jiān)督局科研項目（2013ZJ04）

周軍紅（1980-），男，湖北天門市人，工程師，博士，主要從事LED/OLED/太陽能光伏領域計量檢測技術的研究。