电激发光装置的制作方法

本发明涉及一种电激发光装置，特别是关于一种改善光学耦合与外部量子效率的电激发光装置。

背景技术：

从邓清云博士与VanSlyke博士于1987年发表第一篇探讨有机发光组件的效率与实用性的报导后，有机发光二极管(organiclight-emitting diode，以下简称OLED)技术已成为显示器及照明应用上深入研究和开发的主要课题。

请参照图1，其绘示已知的一种OLED结构。习知的一种OLED结构1具有一反射金属电极11(通常作为阴极)、透明导电电极13例如ITO等(通常作为阳极)，及位于两者间的有机层12所形成的三明治结构，且上述三明治结构位于玻璃基板14上。借着采用高效率的发光材料例如具磷光机制的材料，OLED的内部量子效率可达到接近100％。然而，在传统典型的OLED结构中，将OLED内部发光萃取到组件外部空气中的组件出光效率，是实现高效率的外部量子效率的一大课题。通常有机层12及透明导电电极13的折射率高于典型的基板及空气(折射率一般为1)，例如有机层的光学折射率一般介于1.7至1.8，透明导电电极13的光学折射率一般介于1.8至2.1。至于典型的基板14例如玻璃或塑料等的光学折射率一般介于1.4至1.5。由于传统典型的OLED结构1中，空气/基板14的界面以及基板14/透明导电电极13的界面，皆明显具有折射率不匹配的问题，使得OLED内部产生的各个角度的光，常会在上述界面遭遇全反射而被局限在组件而无法出到基板进而出光到空气；因此大量的内部发光被局限在组件中。

请参照图2，其绘示图1的OLED结构中四种不同的光辐射耦合模式的示意图。一般而言，OLED的内部发光被耦合至四种不同的模式：(1)光辐射模式(radiation modes)是耦合出光至空气中的有效发光；(2)基板模式(substrate modes)是被波导局限在基板14中的光；(3)波导模式(waveguid modes，WG modes)是被波导局限在高折射率有机层12/透明导电电极13中的光；以及，(4)表面电浆模式(surface-plasmon modes，SP modes)是被引导沿着有机层12/反射金属电极11的界面的光。因此，传统典型的OLED的组件出光效率通常仅有20-25％。然而，特别是应用于对光强功效有强烈需求的产品上，例如照明或移动应用上，如何借着增加组件内部发光真正能萃取到组件外部的光学耦合效率，以达成加强OLED的外部量子效率(external quantum efficiency，EQE)的需求量，是本发明主要的目的。

技术实现要素：

为了克服上述习知技术的缺点，本发明提供下列各种实施例来解决上述问题。

本发明提供一种电激发光装置，包括一基板或超基板、一光学耦合结构、一第一电极、一功能材料堆叠以及一第二电极。基板或超基板，具有一外侧表面及相反的一内侧表面。光学耦合结构位于基板或超基板的外侧表面。第一电极设置于基板或超基板的内侧表面，其中第一电极为透明并且具有小于或等于1.7的一折射率。功能材料堆叠设置于第一电极上。功能材料堆叠包括一发光层，发光层包含一发光材料，发光材料具有水平倾向的发光偶极子(preferential horizontal emitting dipoles)，且发光材料的一水平发光偶极率大于或等于70％。第二电极设置于功能材料堆叠上。

在一实施例中，第一电极的折射率最低为基板或超基板的一基板折射率减0.1。

在一实施例中，功能材料堆叠更包括至少一功能层，夹置于发光层与第二电极间。功能层具有一特定厚度，藉以使发光层至第二电极间的一光往返路径显著地大于(2φ₁+φ_m＝2pπ)，其中p为0或正整数，φ₁为主发光波长为λ的一光线由发光层移动至第二电极时发生的相变化，φ_m为光线由第二电极反射后的相变化。

在一实施例中，第一电极的材料选自于实质上由聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)、奈米孔洞氧化铟锡(nanoporousindium tin oxide)、奈米孔洞氟掺杂氧化锡(nanoporousfluorine-doped tin oxide)、奈米孔洞氧化铝锌(nanoporousaluminum zinc oxide)、奈米孔洞氧化镓锌(nanoporous gallium zinc oxide)、奈米孔洞氧化锡(nanoporous tin oxide)、奈米孔洞铌掺杂氧化钛(nanoporous niobium-doped titanium oxide)、其堆叠及其组合所构成的群组。

在一实施例中，光学耦合结构为附著至基板或超基板的外侧表面上的一光学耦合组件。光学耦合组件可为一光学透镜、一半球透镜、一棱镜、三角锥、一微距透镜片、一微透镜片、一微棱镜片、一微三角锥片、一微粒子层、一奈米粒子层、一微孔洞层、一奈米孔洞层、一光栅片、一散射片、一扩散片、一孔洞数组、一裂隙数组、一气泡数组或一真空孔洞数组。此外，光学耦合结构可以具有规则或不规则的一图案。

在一实施例中，光学耦合结构为经过一表面处理后的外侧表面。表面处理为粗糙化、分散化或塑形化，以形成一棱镜、三角锥、一微距透镜、一微透镜、一微棱镜、一微三角锥或一光栅。此外，光学耦合结构可以具有规则或不规则的一图案。

在一实施例中，第一电极为阳极与阴极两者中的一个，第二电极为两者中的另一个。亦即当第一电极为电激发光装置的阳极时，第二电极为电激发光装置的阴极；当第一电极为阴极时，第二电极为阳极。

在一实施例中，当应用于照明或显示设备时，电激发光装置更包括整合于其上的至少一金属汇流线路或至少一金属格栅。金属汇流线路或金属格栅，具有电流传导的高导电性及平均电流分布遍布大区域的特性。

本发明的电激发光装置使用折射率小于或等于1.7的透明第一电极，同时使用水平发光偶极率大于70％的发光材料，除了可以有效提升装置内部光辐射至基板的耦合效率，同时可以提升装置整体的外部量子效率。

【附图说明】

图1绘示已知的一种OLED结构。

图2绘示图1的OLED结构中四种不同的光辐射耦合模式的示意图。

图3a绘示依据本发明一实施例的一电激发光装置的结构示意图。

图3b绘示依照本发明另一实施例的一电激发光装置的结构示意图

图4a绘示发光层为掺杂重量百分比8的Ir(ppy)2(acac)的CBP时，量测到p偏振光于520nm的光激发光(PL)强度与发光角度的曲线图。

图4b绘示发光层为掺杂量百分浓度8的Ir(ppy)3的CBP时，量测到p偏振光于520nm的光激发光(PL)强度与发光角度的曲线图。

图5a至图5d绘示四种类型的装置中，计算的出光耦合效率(φ_air)与HTL及ETL厚度的关系。

图5e至图5h分别绘示图5a至图5d的四种类型装置中，计算的基板耦合效率(φ_sub)与HTL及ETL厚度的关系。

图6a及图6b绘示四种类型的装置的出光耦合效率(φ_air)及基板耦合效率(φ_sub)分别与ETL厚度的变化关系。

图7a至图7d绘示四种类型装置分别在不同ETL厚度时计算后的模式分布状态。

图7e绘示四种类型装置中SP模式的比例与不同ETL厚度的关系。

图7f绘示四种类型装置中WG模式的比例与不同ETL厚度的关系。

图8a绘示所有受测[ITO，Ir(ppy)₂(acac)]与[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置在不具透镜时的电流-电压-亮度(I-V-L)的特性关系。

图8b及图8c分别绘示图8a的所有Ir(ppy)₂(acac)装置在具有透镜以及不具透镜时EQE及流明效率与亮度的关系。

图8d绘示所有受测[ITO，Ir(ppy)₃]与[PEDOT，Ir(ppy)₃]装置在不具透镜时的电流-电压-亮度(I-V-L)的特性关系。

图8e及图8f分别绘示图8d的所有Ir(ppy)₃装置在具有透镜以及不具透镜时EQE及流明效率与亮度之关系。

图9a至图9e分别绘示具透镜的[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置在不同ETL厚度时，从与法线夹0度、30度以及60度的不同观察角所测得以及计算得的电激发光(EL)光谱(均相对于0度的强度做归一化。

图9f绘示具透镜之[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置在不同ETL厚度时，所测得以及计算得之发光强度对观察角之关系。

【附图标号说明】

1 OLED结构

11 反射金属电极

12 有机层

13 透明导电电极

14 基板

100 电激发光装置

100’ 电激发光装置

110 基板或超基板

110a 外侧表面

110b 内侧表面

120 第一电极

130 功能材料堆叠

131 发光层

132 功能层

140 第二电极

150 光学耦合结构

160 光学耦合结构

【具体实施方式】

有关本发明前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。然而，除了所揭露的实施例外，本发明的范围并不受前述实施例的限定，乃以其后的申请专利范围为准。而为了提供更清楚的描述及使此项技艺的普通人员能理解本发明的发明内容，图式内各部分并没有依照其相对的尺寸进行绘图，某些尺寸或其他相关尺度的比例可能被凸显出来而显得夸张，且不相关的细节部分并没有完全绘出，以求图式的简洁。此外，以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是用于参照随附图式的方向。因此，这些方向用语仅是用于说明并非是用于限制本发明。此外，关于在本说明书中一定量值前所使用的用语「约」或「大约」，本发明是指其包括具体的量化值本身，除非另有说明。如本实施例所使用，「约」或「大约」是定义为包含象征值加减20％的变化，除非实施例中另有说明或推断。以下提供各种实施例以进一步说明。

请参照图3a，其绘示依据本发明一实施例的一电激发光装置的结构示意图。电激发光装置100包括一基板或超基板(superstrate)110、一光学耦合结构150、一第一电极120、一功能材料堆叠130以及一第二电极140。基板或超基板110具有一外侧表面110a及相对的一内侧表面110b，光学耦合结构150位于外侧表面110a，第一电极设置于内侧表面110b。第一电极120为透明且具有一折射率，此折射率的上限为1.7，下限大约落于基板或超基板110的一基板折射率附近(于一实施例中，下限最低低至基板折射率减0.1)。也就是说，透明的第一电极120的折射率大约落在1.7至低于基板折射率达到0.1的范围内。由于一般可取得的基板或超基板110材料(例如塑料或玻璃)具有大约1.5左右的基板折射率，因此于一实施例中，第一电极120的折射率范围为1.4至1.7。

功能材料堆叠130设置于第一电极120上，并且包括一发光层131，发光层131包含一发光材料。发光材料具有水平倾向的发光偶极子，且发光材料的一水平发光偶极率大于或等于70％。第二电极140设置于功能材料堆叠130上。

电激发光装置100更可进一步包括一或多个次材料层(例如次材料层1至次材料层j)，夹至于第二电极140与发光层131间。如图3a中所示，功能材料堆叠130进一步包括至少一功能层132，夹置于发光层131与第二电极140间。功能层132具有一特定厚度，藉以使得发光层131至第二电极140间的一光往返路径(相变化)，显著地大于(2φ₁+φ_m＝2pπ)，其中p为0或正整数，φ₁为主发光波长为λ的一光线由发光层131移动至第二电极140时发生的相变化，φ_m为光线由第二电极140(此处例如为金属电极)反射后的相变化。

如图3a所示，本实施例的光学耦合结构150为附著至基板或超基板110的外侧表面110a上的一光学耦合组件。光学耦合组件可以例如是一光学透镜、一半球透镜、一棱镜、三角锥、一微距透镜片、一微透镜片、一微棱镜片、一微三角锥片、一微粒子层、一奈米粒子层、一微孔洞层、一奈米孔洞层、一光栅片、一散射片、一扩散片、一孔洞数组、一缝隙数组、一气泡数组或一真空孔洞数组。此外，光学耦合结构150可以具有规则或不规则的一图案。

请参照图3b，其绘示依照本发明另一实施例的一电激发光装置的结构示意图。电激发光装置100’大致上与前述实施例的电激发光的装置100(图3a所绘示)具有相同的结构，其主要不同的处在于光学耦合结构。如图3b所示，光学耦合结构160为经过一表面处理后的外侧表面110a。所述的表面处理可以例如是粗糙化、分散化或塑形化外侧表面110a，以形成一棱镜、三角锥、一微距透镜、一微透镜、一微棱镜、一微三角锥或一光栅。此外，本实施例的光学耦合结构160亦可以具有规则或不规则的一图案。

接下来将本发明以数个实施例辅以相对应的图式进行说明，以更进一步阐释本发明的特征。

实施例1

在本实施例的一种可能的应用方式中，第一电极是一种具有低折射率的透明电极，可为具有足够导电性的透明导电高分子，如poly(3，4-ethylenedioxythiophene)：poly(styrenesulfonate)，以下简称PEDOT：PSS。由于PEDOT：PSS具有极佳的机械适应性、良好的透光率及导电率、溶液法的适用性，以及低廉的价格等特点，使得PEDOT：PSS成为良好的材料选择。因为高导电率的PEDOT：PSS具有几乎与ITO相当的导电性，其可用以作为有机光电子装置的透明电极。相较于广泛应用的透明导体ITO(折射率n约为1.9-2.1)与典型的有机材料层(折射率n约为1.7-1.9)，PEDOT：PSS具有相当不同的光学性质(其折射率n约为1.5)。

此处，针对采用传统高折射率ITO电极的OLED(ITO装置)与低折射率透明PEDOT：PSS电极的OLED(PEDOT装置)，针对采用等向性发光材料与采用水平倾向的发光偶极子的OLED，以及针对采用不同多层结构的OLED，详尽地进行了理论与实验的比对分析。藉分析结果可以发现，在使用低折射率电极的装置中，较大的发光层至电极层距离，除了可以抑制波导(WG)模式外，表面电浆(SP)模式也同样可以得到抑制。事实上在ITO装置中，较厚的有机材料层会伴随竞争波导模式(competing WG modes)的增加，而使用低折射率材料可以提升抵抗这种问题的能力。因此，相对于使用ITO电极，使用低折射率电极的OLED，可以显著提升其内部光辐射至基板的基板耦合效率(φ_sub)。经由在基板的外侧表面使用外部光学耦合透镜，更可以有效地萃取基板内的光辐射。同时采用低折射率电极以及水平倾向的偶极发光材料(水平偶极率Θ_//＝76％)的磷旋光性OLED，可以达到约64％的外部量子效率(External Quantum Efficiency，以下简称EQE)。仿真结果同样显示出若使用低折射率透明电极搭配水平偶极率(Θ_//)为高达100％的发光层材料，基板耦合效率(φ_sub)更可高达约85％，再度清楚显示结合低折射率透明电极与水平倾向的发光偶极发光材料，能够提供给高效率OLED的优势。

在仿真研究中所使用的ITO装置及PEDOT装置，均为发出绿色的磷旋光性OLED，并且大致上具有如下的结构：玻璃基板/透明阳极/TAPC/发光层/B3PYMPM/铝(Al)。在ITO装置中：透明阳极为80nm的ITO；TAPC厚度为y nm；发光层为厚度20nm的CBP，掺杂有重量百分比8的Ir(ppy)₂(acac)或重量百分比8的Ir(ppy)₃；B3PYMPM厚度为x nm；铝的厚度为150nm。而在PEDOT装置中：透明阳极为100nm的PEDOT：PSS；TAPC厚度为y nm；发光层为厚度20nm的CBP，掺杂有重量百分比8的Ir(ppy)₂(acac)或重量百分比8的Ir(ppy)₃；B3PYMPM厚度为x nm；铝的厚度为150nm。进一步来说，不论是ITO装置或PEDOT装置中，TAPC用以作为电洞传输层(hole transport layer，以下简称HTL)。CBP掺杂有重量百分比8的Ir(ppy)₂(acac)或Ir(ppy)₃，用以作为绿色磷光发光层(emitting layer，EML)。其中CBP化学式为4，4′-bis(carbazol-9-yl)biphenyl)，Ir(ppy)₂(acac)化学式为bis(2-phenylpyridine)(acetylacetonato)iridium(III)，Ir(ppy)₃化学式为tris(2-phenylpyridine)iridium(III)。Ir(ppy)₂(acac)与Ir(ppy)₃两者展现出类似的绿色光激发光(photoluminescence，PL)光谱峰值(大约为520nm)，以及相似的高PL量子产率(约大于95％)。根据量测结果，掺杂于CBP中较不具对称性的磷光发光材料，亦即Ir(ppy)₂(acac)，在发光偶极取向上展现出一种水平倾向的发光偶极分布，其水平偶极率(Θ_//)为约76％。相对地，掺杂于CBP中较具对称性的磷光发光材料，亦即Ir(ppy)₃，在发光偶极取向上展现出一种等向的发光偶极分布，其水平偶极率(Θ_//)为约67％。此外，B3PYMPM分子式为4，6-bis(3，5-di(pyridin-3-yl)phenyl)-2-methylpyrimidine，在ITO装置及PEDOT装置中用以作为电子传输层(electron transport layer，以下简称ETL)。最后，铝(Al)则是用来作为ITO装置及PEDOT装置的阴极。

分子发光薄膜的发光偶极取向，可以经由角度分辨(angle-resolved)以及偏振分辨(polarization-resolved)这两种光激发光(PL)量测方法来取得。而进行量测的样品中，包含了玻璃基板以及15nm厚的CBP，其中CBP掺杂有重量百分比8的Ir(ppy)₂(acac)或Ir(ppy)₃。样品是经由折射率匹配的液体附着至一熔凝硅石半圆柱体棱镜，而样品的激发是经由一个固定45度激发角的325nm线连续波氦镉激光来进行。而样品激发后发光的角度可以经由一个旋转平台来改变。光谱量测的方式，是使用一光纤光谱仪以及用来区别p偏振光以及s偏振光的一偏振光滤镜。在发射的光线中，对应于发光层PL光谱，波長520nm的与角度相关的p偏振光会被检测到。接着，将量测到的与角度相关的p偏振光发光强度，与经由假设不同水平偶极率(Θ_//)所计算取得的发光强度进行比较，便可以得到样品的发光偶极取向(水平偶极率Θ_//)。图4a绘示CBP中掺杂有重量百分比8的Ir(ppy)₂(acac)时的量测值(实验值)与仿真值(计算值)的关系。图4b绘示CBP中掺杂有重量百分比8的Ir(ppy)₃时的量测值(实验值)与仿真值(计算值)的关系。

更进一步来说，图4a中绘示发光层为掺杂重量百分比8的Ir(ppy)₂(acac)的CBP时，量测到p偏振光于520nm的光激发光(PL)强度与发光角度的曲线图。而图4b中发光层为掺杂量百分浓度8的Ir(ppy)3。量测的曲线与不同水平偶极率Θ_//的仿真曲线(如Θ_//等于100％表示为全水平发光偶极子，Θ_//等于67％表示为等向发光偶极子)进行比对。掺杂重量百分比8的Ir(ppy)₂(acac)以及Ir(ppy)₃的CBP，其实验数据分别与水平偶极率Θ_//为76％以及67％的数据相吻合。这些数据均与先前揭露的数值相符合。

在不同的光学仿真装置中，TAPC以及B3PYMPM的厚度具有不同的变化，藉以研究材料层结构对于OLED中，光辐射至外部空气的出光耦合效率(φ_air)与光辐射至基板的基板耦合效率(φ_sub)的影响。此处的光学模型采用了一标准的振荡电偶极模型，用以表示分子电偶极迁移及辐射。透过将振荡电偶极辐射场作平面波模态展开(plane-wave expansion)(其中每一个平面波模式均以其一平面方向上波的向量分量k_t来表示，可以计算取得由一个辐射偶极所产生的全向量电磁场。经由此计算取得的全向量电磁场，可以进一步取得辐射耦合进入不同平面波模式的能量分布，同时也可取得远场辐射的能量分布。假定发光层是由许多个相互不同调的辐射偶极所形成的总和，藉以计算并取得OLED的发光特征。前述多个相互不同调的偶极辐射，并考虑其取向、位置与频率上的不同分布。

出光耦合效率(φ_air)以及基板耦合效率(φ_sub)可以藉由在发光层中定位出发光偶极子，以及考虑全光谱分布的方式(使用发光层的光激发光(PL)光谱)来计算取得。图5a至图5d绘示四种类型的装置中，计算的出光耦合效率(φ_air)与HTL(材料为TAPC)及ETL(材料为B3PYMPM)厚度的关系。四种类型的装置分别为：[ITO，Ir(ppy)₃]装置、[ITO，Ir(ppy)₂(acac)]装置、[PEDOT，Ir(ppy)₃]装置，以及[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置。图5e至图5h分别绘示图5a至图5d的四种类型装置中，计算的基板耦合效率(φ_sub)与HTL(TAPC)及ETL(B3PYMPM)厚度的关系。出光耦合效率(φ_air)以及基板耦合效率(φ_sub)，两者皆显著地受到HTL厚度及ETL厚度的影响，然而其中又以ETL厚度的影响更为明显。

本实施例中，图5a至图5h分别绘示四种类型的装置中计算的出光耦合效率(φ_air)及基板耦合效率(φ_sub)与HTL(材料为TAPC)及ETL(材料为B3PYMPM)厚度的关系。其中图5a为[ITO，Ir(ppy)₃]装置的出光耦合效率(φ_air)；图5b为[ITO，Ir(ppy)₂(acac)]装置的出光耦合效率(φ_air)；图5c为[PEDOT，Ir(ppy)₃]装置的出光耦合效率(φ_air)；图5d为[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置的出光耦合效率(φ_air)；图5e为[ITO，Ir(ppy)₃]装置的基板耦合效率(φ_sub)；图5f为[ITO，Ir(ppy)₂(acac)]装置的基板耦合效率(φ_sub)；图5g为[PEDOT，Ir(ppy)₃]装置的基板耦合效率(φ_sub)；图5h为[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置的基板耦合效率(φ_sub)。图5a至图5h中所绘示的水平虚线，大致上表示各自的最佳HTL(材料为TAPC)厚度。

根据图5d及图5h，[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置具有的最佳出光耦合效率φ_air为约24.9％，此时HTL厚度约20-30nm，ETL厚度约40-50nm；而最佳基板耦合效率φ_sub为约69.4％，此时HTL厚度约20-30nm，ETL厚度约70-80nm。根据图5c及图5g，[PEDOT，Ir(ppy)₃]装置具有的最佳出光耦合效率φ_air为约22.6％，此时HTL厚度约20-30nm，ETL厚度约40-50nm；而最佳基板耦合效率φ_sub为约60.8％，此时HTL厚度约20-30nm，ETL厚度约7-80nm。根据图5b及图5f，[ITO，Ir(ppy)₂(acac)]装置具有的最佳出光耦合效率φ_air为约28.6％，此时HTL厚度约70-80nm，ETL厚度约40-50nm；而最佳基板耦合效率φ_sub为约54.8％，此时HTL厚度约70-80nm，ETL厚度约60nm。根据图5a及图5e，[ITO，Ir(ppy)₃]装置具有的最佳出光耦合效率φ_air为约24.9％，此时HTL厚度约70-80nm，ETL厚度约40-50nm；而最佳基板耦合效率φ_sub为约50.6％，此时HTL厚度约70-80nm，ETL厚度约60-65nm。经由前述结果可以观察到下述几项特征。(1)在ITO装置中，水平倾向的发光材料Ir(ppy)₂(acac)具有高于等向性发光材料Ir(ppy)₃几个百分点的出光耦合效率(φ_air)与基板耦合效率(φ_sub)。这样的特性也可以在PEDOT装置中见到，但其中水平倾向的发光材料Ir(ppy)₂(acac)对于基板耦合效率(φ_sub)的提升更为显著。(2)只要适当地调整HTL及ETL的厚度，即便是使用相同的发光材料，PEDOT装置仍可以达到比ITO装置更高的基板耦合效率(φ_sub)。也许此时出光耦合效率(φ_air)并不是优化的状态，但通常也仅仅会低于ITO出光耦合效率(φ_air)的最佳数值数个百分点而已。(况且此种数个百分点的落差，常只是因为ITO装置与PEDOT装置中辐射至基板的光辐射角向分布不同而产生的影响。此处所提到关于角度分布的不同，将详尽说明于后。)由此可知，水平倾向的发光材料以及低折射率电极，两者均有助于提升基板耦合效率(φ_sub)，但两者中以低折射率电极对于基板耦合效率(φ_sub)的影响更为明显(相较于偶极取向所造成的影响)。尤其是[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置，其可提供大于[ITO，Ir(ppy)₂(acac)]装置超过14％的基板耦合效率(φ_sub)，以及大于[ITO，Ir(ppy)₃]装置超过18％的基板耦合效率(φ_sub)(耦合效率分别为69.4％对54.8％，以及69.4％对51.0％)。更高的基板耦合效率(φ_sub)有助于提升整体OLED光学耦合的效果，因为辐射进入基板的光线，原则上可以更容易被位于基板外侧表面的光学耦合结构(例如附著于基板上的萃取透镜)所萃取出至空气。

值得注意地是，无论是何种形式、何种偶极取向的装置，为了达到最佳基板耦合效率(φ_sub)所需要的ETL厚度，通常大于为了达到最佳出光耦合效率(φ_air)所需要的ETL厚度。这个特征可以经由比对图6a及图6b而得知。图6a及图6b绘示四种类型装置的出光耦合效率(φ_air)及基板耦合效率(φ_sub)分别与ETL厚度的变化关系(亦即图5a至图5h中依照水平虚线的剖面)。其中HTL层(材料为TAPC)大致上为优化的厚度，且厚度均维持不变(PEDOT装置为30nm，ITO装置为80nm)。

图6a绘示四种类型装置的计算的出光耦合效率(φ_air)分别与ETL(材料为B3PYMPM)的厚度变化关系(亦即图5a至图5d中依照水平虚线的剖面)。其中计算的变化关系以线条表示，HTL层(材料为TAPC)大致上为优化的厚度，且厚度均维持不变(PEDOT装置为30nm，ITO装置为80nm)。此外，假定ITO装置及PEDOT装置具备100％水平发光偶极率时计算取得的出光耦合效率(φ_air)，亦绘示于图6a中。图6b绘示四种类型装置的计算的基板耦合效率(φ_sub)分别与ETL(材料为B3PYMPM)的厚度变化关系(亦即图5e至图5h中依照水平虚线的剖面)。其中计算的变化关系以线条表示，HTL层(材料为TAPC)大致上为优化的厚度，且厚度均维持不变(PEDOT装置为30nm，ITO装置为80nm)。此外，假定ITO装置及PEDOT装置具备100％水平发光偶极率时计算取得的基板耦合效率(φ_sub)，亦绘示于图6b中。除此以外，图6a中以符号表示者，是没有附著透镜的OLED进行实验取得的EQE变化关系；图6b中以符号表示者，是附著透镜后的OLED进行实验取得的EQE变化关系。

前述无论是何种形式、何种偶极取向的装置，为了达到最佳基板耦合效率(φ_sub)所需要的ETL厚度，通常大于为了达到最佳出光耦合效率(φ_air)所需要的ETL厚度，这个特征主要是为了符合达到最佳出光耦合效率(φ_air)与最佳基板耦合效率(φ_sub)，两者所需不同的条件。欲达到最佳出光耦合效率(φ_air)，元件内部产生的光线进入空气与基板间界面的逃逸角锥(escape cone)的光学耦合比率必需最大化。此条件或多或少类似于满足沿法线方向的建设性干涉(constructive interference)/微腔谐振(microcavity resonance)所需的条件。然而最佳基板耦合效率(φ_sub)仅要求整体进入基板的比率必需优化，而光线的角向分布(angular distribution)要求较不严格。因此，为了达到最佳出光耦合效率(φ_air)，ETL的一最佳厚度需具备下述条件，其需使发光层至金属电极间的一光往返路径(相变化)大约为(2φ₁+φ_m＝2pπ)。p为0或正整数，φ₁为主发光波长为λ的一光线由所述发光层移动至金属电极时发生的相变化，φ_m为光线由金属电极反射后的相变化。相对地，为了达到最佳基板耦合效率(φ_sub)，ETL的一最佳厚度需具备下述条件，其需使发光层至金属电极间的一光往返路径(相变化)显著地大于(2φ₁+φ_m＝2pπ)。值得注意地是，在图6b中，相较于ITO装置，[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置以及[PEDOT，Ir(ppy)₃]装置两者的基板耦合效率(φ_sub)，随着ETL厚度增加有较为明显的上升斜率，而其上升趋势亦延伸至较大的ETL厚度。而图中亦显示出，[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置的确具有更高的最佳基板耦合效率(φ_sub)。更厚的ETL虽然有助于降低SP模式，但是会增加竞争WG模式。所以只要增加的竞争WG模式不会抵销过SP模式的降低，更厚的ETL便可助于光线耦合进入基板。图7a至图7d绘示四种类型装置分别在不同ETL厚度时(HTL的厚度是不变的)，计算后的模式分布状态。分布状态是以内部产生的辐射耦合到不同模式的比例来表示(其中各模式是以k_t/k₀来表示；其中k₀为自由空间波向量)。图7e绘示四种类型装置中SP模式的比例与不同ETL厚度的关系。图7f绘示四种类型装置中WG模式的比例与不同ETL厚度的关系。

首先可以观察到的是，采用水平倾向的偶极发光材料时，因为材料中主要与SP模式辐射耦合的垂直发光偶极子的比率减少了，因此可以降低SP模式。此点特征可以经由比对图7b与图7a，比对图7d与图7c，以及从图7e的内容观察到SP模式的降低。在习知的ITO装置当中，SP模式会随着ETL厚度增加而降低，然而却会伴随着WG模式的增加，导致基板耦合效率(φ_sub)在较小的ETL厚度时即饱和在较小的峰值。相反地，采用低折射率PEDOT：PSS电极的装置中，不但在ETL厚度较小时WG模式会显著被抑制，同时在ETL厚度增加使SP模式降低时，亦不会伴随WG模式的增加。WG模式的发生以及强度上升的时点，均被延后到更大的ETL厚度时才发生。这解释了基板耦合效率(φ_sub)随着ETL厚度增加而有较为明显的上升斜率，同时可以在更大的ETL厚度时达到明显更高的最佳基板耦合效率(φ_sub)。整体而言，图7a至图7f揭示了高折射率透明电极OLED与低折射率透明电极OLED间辐射行为固有且巨大的差异。

为了实验并验证材料特性及装置结构对于OLED实际发光特性的影响，制备并测试了四种类型装置。前述四种类型装置具有固定且大致上优化的阳极/HTL结构(ITO装置中为80/80nm；PEDOT装置为100/30nm)，但ETL的厚度是具变化而不相同的(例如以30，40-50，60，75，90nm等厚度进行实验及测试)。根据光学仿真，优化ITO装置中HTL(材料为TAPC)的厚度，需要大于优化PEDOT装置中HTL的厚度，例如在本实例中为80nm及30nm。为了确保实验中的装置可以具有相类似的电气特性，在ITO装置中，厚度80nm的TAPC由50nm的p掺杂TAPC与30nm的无掺杂TAPC所组成，其中p掺杂为重量百比3的MoO₃。此外，由于ETL厚度间具有不小的差异，为了确保实验的装置间可以具有相类似的电气特性，其中厚度为x nm的ETL，是由(x-25)nm的n掺杂B3PYMPM以及25nm的无掺杂B3PYMPM所组成，其中n掺杂为百分重量比4的Rb₂CO₃。因此，实验的ITO装置整体来说具有如下的结构：玻璃/ITO(80nm)/p掺杂TAPC(50nm)/TAPC(30nm)/CBP(20nm)/B3PYMPM(25nm)/n掺杂B3PYMPM(x-25)nm/铝(150nm)。其中CBP掺杂重量百分比8的Ir(ppy)₂(acac)或重量百分比8的Ir(ppy)₃。实验的PEDOT装置整体来说具有如下结构：玻璃/双层PEDOT：PSS(100nm)/TAPC(30nm)/CBP(20nm)/B3PYMPM(25nm)/n掺杂B3PYMPM(x-25)nm/铝(150nm)。其中CBP掺杂重量百分比8的Ir(ppy)₂(acac)或重量百分比8的Ir(ppy)₃；此外，PEDOT：PSS作为阳极，并且由厚度75nm的高导电性PEDOT：PSS层与厚度25nm的低导电性PEDOT：PSS层所组成，高导电性层导电率约为900-1000S/cm，用以作为侧向导电用，低导电性层导电率约为0.1S/cm，用以作为电洞注入用。所有位于ITO或PEDOT：PSS上的材料层，均以热蒸镀的方式沈积，并且以遮照(典型地具有1mm²的主动装置区域)的方式来进行图案的定义。此些装置更附著有相对大型的半球形玻璃透镜(直径约为1.5cm)，以利在进行效率量测时，萃取、收集辐射进入基板的整体光量。前述透镜例如是经由折射率匹配液或胶附著至装置上。

图8a绘示所有受测[ITO，Ir(ppy)₂(acac)]与[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置在不具透镜时的电流-电压-亮度(I-V-L)的特性关系。图8d绘示所有受测[ITO，Ir(ppy)₃]及[PEDOT，Ir(ppy)₃]装置在不具透镜时的电流-电压-亮度(I-V-L)的特性关系。前述图式均展现出一致且类似的电流电压特性，显示出这些装置在发光特性上的差异，主要是由不同的光学性质及结构所造成。图8b绘示图8a的所有Ir(ppy)₂(acac)装置在具有透镜以及不具透镜时EQE与亮度的关系。图8c绘示图8a的所有Ir(ppy)₂(acac)装置在具有透镜以及不具透镜时发光流明流明效率(η_L)与亮度的关系。图8d绘示所有受测[ITO，Ir(ppy)₃]与[PEDOT，Ir(ppy)₃]装置在不具透镜时的电流-电压-亮度(I-V-L)之特性关系。图8e绘示图8d的所有Ir(ppy)₃装置在具有透镜以及不具透镜时EQE与亮度的关系。图8f绘示图8d的所有Ir(ppy)3装置在具有透镜以及不具透镜时发光流明效率(η_L)与亮度的关系。所有装置在具有透镜及不具透镜时量测的EQE的峰值，均记录在下表1中。将EQE峰值与绘示于图6a及图6b中的基板耦合效率(φ_sub)与部耦合效率(φ_air)进行比较，同时亦将EQE峰值与记载在表1中的基板耦合效率(φ_sub)与部耦合效率(φ_air)进行比较。前述多种OLED装置的仿真及实验的结果，整理成下表1。

表1

整体来说，不具透镜时量测得的EQE与计算的出光耦合效率(φ_air)相符合，合理的显示出这些装置中良好的内部量子效率，以及光学仿真的有效性。具有透镜时量测得的EQE，同样符合计算的出光耦合效率(φ_air)的趋势，仅有些微因萃取损失(例如透镜表面的菲涅耳反射)所造成的偏差。这些结果符合对于仿真结果的预期，并且可以归纳为下面几种特性：(1)对于典型平面发光装置结构以及平面发光材料，高折射率电极(如ITO)可提供更高的EQE；(2)若使用外部光学耦合手段(例如附著透镜)来有效提升基板的光辐射萃取，当在具有较大发光层至金属层距离的情况下，低反射率电极(如PEDOT：PSS)反而可提供更高的最佳EQE；(3)无论装置类型为何(无论高折射率或低折射率电极、无论是否附著有光学耦合机制)，具有较强水平倾向的发光偶极子的发光层，均可更有益于提升OLED装置的EQE。结合上述，在具有透镜的状况下，具有最佳75nm厚度ETL的[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置，可以提供最高的EQE以及发光流明效率(η_L)，高达64.5％以及283.4lm/W，明显高于最佳[PEDOT，Ir(ppy)₃]装置的57.3％以及250.9lm/W，并且高于最佳[ITO，Ir(ppy)₂(acac)]装置的50.3％以及227.1lm/W，同样也高于[ITO，Ir(ppy)₃]装置的47.4％以及215.8lm/W。此外，前述的最佳[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置亦展现出高于ITO装置达约14-17％的高EQE(如表1中所示)。

图9a至图9e分别绘示具透镜的[PEDOT，Ir(ppy)₂(acac)]装置在不同ETL厚度时，从与法线夹0度、30度以及60度的不同观察角，所测得的电激发光(EL)光谱以及计算得的电激发光(EL)光谱(均相对于0度的强度作归一化)。其中ETL厚度分别为30-90nm不等，测得的电激发光(EL)光谱以标号表示，计算得的电激发光(EL)光谱以曲线表示。图9f绘示具透镜装置在量测的电激发光(EL)强度与计算的电激发光(EL)强度的角向分布以及伯朗分布，其中电激发光(EL)强度均对0度角的发光强度进行归一化，测得的电激发光(EL)强度以标号表示，计算得的电激发光(EL)强度以曲线表示。前述的角向分布及伯朗分布，均可代表基板中以角度分辨量测得到的电激发光(EL)特性。前述量测取得与计算取得的角度分辨电激发光(EL)特性相符合，再一次确认了光学仿真的有效性。如图9f中所示，当ETL厚度增加时，基板中的辐射模式会导向更大的角度。此结果与先前提到，装置中耦合进入基板的整体辐射光谱k_t/k₀＜1.52相符(如图7d所示)。虽然具有透镜的不同装置间发光强度对角度的分布差异相当大，但电激发光(EL)的光谱(也就是光线的颜色)却不会随着角度或ETL厚度发生太大的变化，这点在实际应用上是相当有利的。其应导因于PEDOT装置中的弱微腔效应(microcavity effect)。因为在ITO装置中微腔效应是相对较强的，电激发光(EL)的光谱会随着角度或ETL厚度发生较大的变化。

接着更进一步进行光学的延伸设计及仿真，以在ITO装置及PEDOT装置的发光层具有不同水平偶极率(Θ_//)的条件下，取得基板耦合效率(φ_sub)及出光耦合效率(φ_air)所能达到的最佳值。此处的仿真结果与ETL厚度的变化关系，同样绘示于图6a及图6b中，其中HTL厚度均维持不变。即便在PEDOT装置的最佳出光耦合效率(φ_air)(约36％)低于ITO装置(约39％)的情况下，在较大ETL厚度时，PEDDOT装置仍旧可以取得较高的基板耦合效率(φ_sub)。如图6b中所示，PEDOT装置的最佳基板耦合效率(φ_sub)约为85％，高于ITO装置约69％。由此可知，在理想的内部电激发光(EL)量子效率以及外部光学耦合效率的情况下(趋近100％)，同时采用低折射率电极以及高水平偶极率(Θ_//)的发光材料时，装置可达到高约80％的EQE。

根据上述，业已针对采用传统高折射率ITO电极与低折射率透明PEDOT：PSS电极的OLED，以及针对采用等向性发光材料与采用水平倾向的发光偶极子的OLED，同时针对采用不同多层结构的OLED，详尽地进行了理论与实验的比对分析。藉分析结果可以发现，在使用低折射率电极的装置中，较大的发光层至电极层距离，除了可以抑制波导(WG)模式外，表面电浆(SP)模式也同样可以得到抑制。由于在ITO装置中，较厚的有机材料层会伴随竞争波导模式(competing WG modes)的增加，而使用低折射率材料可以提升抵抗这种问题的能力。因此，相对于使用ITO电极，使用低折射率电极的OLED，可以显著提升其内部光辐射至基板的基板耦合效率(φ_sub)。依据实验结果，当绿色磷光OLED中使用不含ITO的低折射率电极以及水平倾向的偶极发光材料(水平偶极率Θ_//为约76％)时，绿色磷光OLED可经由有效萃取基板内的光辐射，达到高约64％的EQE。前述仿真及设计亦揭示，使用高水平偶极发光材料时可以达到相当高的EQE，高达约80％。其可清楚显示低折射率透明电极与水平偶极发光材料，对于高效率OLED所具有的有益效果。

实施例2

依据上述实施例的一般原则，其他实施例可以有不同的变化及修改。

举例来说，除了实施例1中低折射率的透明电极材料采用聚合物PEDOT：PSS，本实施例可采用其他低折射率(折射率较佳地低于1.7)透明导电材料取代，包括奈米孔洞氧化铟锡(ITO)、奈米孔洞氟掺杂氧化锡(fluorine-doped tin oxide)、奈米孔洞氧化锌铝(aluminum zinc oxide)、奈米孔洞氧化镓锌(gallium zinc oxide)、奈米孔洞氧化锡(tin oxide)、奈米孔洞铌掺杂氧化钛(niobium-dopedtitanium oxide)及上述堆叠或组合的材料。

实施例3

举例来说，实施例1中的基板上所附著的光学耦合透镜可以用其他可附著于基板外侧表面的光学耦合组件来取代，其他光学耦合组件包括棱镜、三角锥、半球透镜、微距透镜片、微透镜片、微棱镜片、微三角锥片、微粒子层、奈米粒子层、微孔洞层、奈米孔洞层、光栅片、散射片、扩散片、孔洞数组(arrays of pores)、裂隙数组(arrays of crevices)、气泡数组(arrays of air bubbles)及真空孔洞数组(arrays of vacuum pores)等。

实施例4

举例来说，实施例1中的基板上所附著的光学耦合透镜，可以通过将基板外侧表面经过一表面处理而形成。表面处理包括粗糙化、分散化及塑形化外表面，以形成棱镜、三角锥、微距透镜、微透镜、微棱镜、微三角锥及光栅等等。

实施例5

本实施例是将实施例1中的电激发光装置进行翻转(inverted)，使得底部的低折射率透明电极作为阴极，而顶部金属电极作为阳极。

实施例6

除了如实施例1所揭露的下发光型(bottom-emitting)有机发光二极管结构，其光由基板及透明电极的一侧发出，本发明实施例中的有机发光二极管可以应用于上发光型结构(top-emitting)，使得其光不由基板的一侧而是由反方向发出。在上发光型有机发光二极管结构中，基板可替换为超基板且设置于低折射率透明电极上。

实施例7

当上述电激发光装置应用于照明或显示设备上，电激发光装置更包括整合于其上的至少一金属汇流线路或至少一金属格栅，其中金属汇流线路及金属格栅皆具有电流传导的高导电性及平均电流分布遍布大区域的特性。

根据上述依照本发明的实施例，本发明提供的电激发光装置具有高度光学耦合效率。电激发光装置包括一基板或超基板(superstrate)、一光学耦合结构、一第一电极、一功能材料堆叠以及一第二电极。基板或超基板具有一外侧表面及相反的一内侧表面。光学耦合结构位于基板或超基板的外侧表面。第一电极设置于基板或超基板的内侧表面。第一电极为透明并且具有小于或等于1.7的一折射率。功能材料堆叠设置于第一电极上，其中功能材料堆叠包括一发光层，发光层包含一发光材料，发光材料具有水平倾向的发光偶极子(相对于材料层表面而言)，且发光材料的一水平发光偶极率大于或等于70％。