OLED微腔设计与优化方法

技术领域

本公开涉及有机发光二极管(OLED)器件，更具体地，涉及用于高角度分辨率、宽视场、多视场显示器的OLED微腔设计工艺。

背景技术

光场显示器提供多个视图，使用户可以在每只眼睛中接收单独的视图。尽管当前的此类显示器提供了有趣的观看体验，但迷人的光场显示器需要非常高的像素密度、视图之间非常低的角度间隔以及大视角。期望用户在观看区域之间经历平滑的过渡，同时保持相邻的视图的独立且可感知的视图。实现这些观看参数的基本要求是控制发射源的输出特性。结合在微腔中的有机发光二极管(OLED)可以控制光谱带宽和所得光的输出角度。

有机发光二极管由涂覆在通常由玻璃制成的基板上的两个电极之间的有机材料薄膜层组成。OLED具有特征性的宽光谱宽度和朗伯强度分布轮廓。设置在阳极和阴极之间的薄膜层通常包括有机空穴注入层(HIL)、有机空穴传输层(HTL)、发射层(EML)、有机电子传输层(ETL)和有机电子注入层中的一个或多个。当分别从阴极和阳极(电极)注入的电子和空穴流过ETL和HTL并在EML中复合时，在OLED器件中会产生光。

一种控制光的输出特性的方法是使用微腔。微腔在两个反射镜之间形成。第一反射镜可以是金属阴极，第二反射镜可以是非吸收材料的分层堆叠。非吸收性材料的分层堆叠称为分布式布拉格反射器(DBR)。DBR是一种光学镜，由以交替的顺序具有不同折射率的多对两个不同电介质层组成。当选择层厚度使得每一层的光程长度为共振波长的四分之一时，通常称为布拉格波长λ

如现有技术中已知的，用于微腔OLED的当前设计过程包括创建初始OLED设计，定义输出特性，设计反射表面，以及确定材料厚度。然后制造并测试OLED。重复该过程，直到从制造的OLED结构获得所需的输出为止。这是耗时且昂贵的过程。

美国专利号6,917,159B2(microcavity OLED device(微腔OLED器件))描述了在OLED内使用微腔来提高效率和输出强度。使用金属镜代替DBR，因为它们易于制造。这导致更大的能量损失和更少的反射率控制。由于两个反射镜都使用金属结构，因此必须是半透明的。这是为了提高OLED上的输出效率并改善色度，但是，为了微调输出参数，半透明电极/反射器的制造需要非常精确才能控制反射率。同样，反射率的最大值比DBR所能达到的最大值低，因为金属会吸收一些能量。

专利公开文本WO2017051298A1(Distributed Bragg Reflector on ColorConversion Layer with Microcavity for Blue OLED Lighting Application(用于蓝色OLED照明应用的具有微腔的色彩转换层上的分布式布拉格反射器))描述了按器件组件分类的制造技术和几何形状。该专利公开仅涉及蓝色OLED的制造和设计。未知的OLED沉积工艺应用于DBR，其结构包括无机层和有机层的组合，以创建具有柔性基板的底部发射器件，并且此处的像素使用无源矩阵进行控制。

美国专利7,489,074(Reducing or Eliminating Color Change forMicrocavity OLED Devices(减少或消除微腔OLED器件的颜色变化))和US 2006/0066220A1(减少或消除随微腔器件的视角的颜色变化)披露了OLED结构底部的多层镜面结构，从而产生底部发射器件。OLED的结构包括在发射层的两侧使用两个电极。所公开的器件包括在基板的前表面上的光调制薄膜，其中之一是重新分布波长的微结构，因此输出的发射光谱具有相同的感知颜色。

发明内容

本发明涉及用于设计和制造用于红色、绿色或蓝色(分别为R，G或B，或共同为RGB)发光的包括金属反射表面的有机发光二极管(OLED)器件的方法，金属反射表面兼作阴极，并具有一个相对的反射面，该反射面包括分布式布拉格反射器(DBR)。举例说明了用于设计和制造配置用于光场显示器的顶部发射微腔OLED的方法，其中DBR设计是特定厚度的电介质材料的交替堆叠，确保微腔的光程长度为设计的波长的四分之一，适用于任何颜色的OLED。

本领域已知的当前微腔OLED设计工艺包括初始OLED设计的创建。然后指定所需的输出特性，设计反射面，定义材料厚度，并制造初始OLED。在测试制成的OLED时，重复该过程，直到所得的制成的OLED产生所需的输出参数为止。在图10中示出了该过程的示意图。本公开提供了一种在制造之前通过执行FDTD仿真来优化微腔OLED的设计的方法，从而消除了迭代制造MCOLED的需要，直到达到期望的设计/性能为止，可实现商业化的制造和应用(见图11)。

根据一个方面，提供了一种微腔OLED，其包括具有底部反射层和分布式布拉格反射器(DBR)顶层的堆叠层结构，底部反射层和DBR顶层配置为创建微腔，包括：

一系列的一个或多个有机层，堆叠在阴极层和阳极层之间以形成顶部发射OLED，以及邻接DBR的任选的填充剂层；其中，DBR顶层配置为与经过调谐以发射与给定颜色相对应的光的波长的顶部发射OLED一起使用，包括交替电介质材料的子层，每个子层的厚度提供的光程长度等于布拉格波长的四分之一。

在微腔OLED的一个实施方案中，布拉格波长不等于OLED经调谐以发射的光的波长。

在微腔OLED的另一实施方案中，DBR由六到十二个交替的电介质材料的子层组成。

在微腔OLED的另一实施方案中，DBR由三对交替的电介质材料组成。

在微腔OLED的另一个实施方案中，交替电介质材料的子层由二氧化钛和二氧化硅制成。

在微腔OLED的另一个实施方案中，DBR由三对交替的二氧化钛和二氧化硅子层组成，具有500nm的布拉格波长，并且其中每个二氧化钛子层约50nm厚并且每个二氧化硅子层约86nm厚。

在微腔OLED的相关实施方案中，OLED发出红色、绿色或蓝色的光。

根据另一方面，提供了获得制造规格并制造特定的微腔OLED的方法，该OLED包括阴极和阳极，有机层设置在阴极和阳极之间，任选的填充剂层和分布式布拉格反射器(DBR)，其中该方法包括以下步骤：

i.对于给定的一组微腔OLED发射特性，计算阴极和DBR的光程长度和镜面反射率近似值；

ii.应用FDTD仿真，以使用光程长度和镜面反射率近似值确定微腔OLED波长所需的镜穿透深度；

iii.应用FDTD仿真以对一个或多个材料层进行参数化以用于在反射层之间形成微腔层；以及

iv.使用FDTD仿真的结果来参数化一个或多个材料层，以确定一个或多个材料层的最佳厚度，从而提供微腔OLED的制造规格。

在该方法的一个实施方案中，一个或多个材料层是有机层。

在该方法的另一实施方式中，一个或多个材料层是阳极层。

在该方法的另一实施方案中，一个或多个材料层是填充剂层。

在该方法的又一实施方案中，应用FDTD仿真以对一个或多个材料层进行参数化的步骤是基于粒子群优化协议的。

在该方法的又一个实施方案中，使用传输矩阵协议来完成所述DBR的镜面反射率的计算。

在该方法的另一个实施方案中，还包括制造指定的微腔OLED的步骤。

在该方法的另一个实施方案中，所述指定的微腔OLED包括被配置为与被调谐以发射与给定颜色相对应的光的波长的OLED一起使用的DBR，所述DBR包括交替电介质材料的子层，并且每个子层的厚度提供的光程长度等于布拉格波长的四分之一。

在该方法的又一个实施方案中，OLED是顶部发射的。

在该方法的又一个实施方案中，OLED发出红色、绿色或蓝色的光。

在该方法的另一个实施方案中，所述DBR由三对交替的二氧化钛和二氧化硅子层组成，具有500nm的布拉格波长，并且其中每个二氧化钛子层约50nm厚并且每个二氧化硅子层约86nm厚。

附图说明

在下面的详细描述中，本发明的这些和其他特征将变得更加明显，在下面的详细描述中参考了附图。

图1：示出了在通过通孔连接的像素电路上方应用微腔OLED结构的光场显示器中使用的方向性像素配置。分布式布拉格反射器(DBR)在OLED材料上方，根据需要由填充剂层隔开，以创建适当的光学腔长度28。

图2：示出了应用在光场显示器中使用的微腔OLED结构的替代的方向性像素配置。

图3：示出了应用在光场显示器中使用的微腔OLED结构的另一种替代的方向性像素配置。

图4：图示了单独的RGB OLED，在OLED材料上方具有公共DBR，根据需要由填充剂层隔开以创建适当的光程长度，对于RGB OLED使用m的模式。

图5：图示了单独的RGB OLED，在OLED材料上方具有公共DBR，根据需要由填充剂层隔开以创建适当的光程长度，对于RG OLED使用m的模式，对于B OLED的m+1的模式。

图6是根据本公开的微腔OLED的示意图，其指示光通过OLED结构。

图7：示出了3对反射镜的反射率与波长的函数关系的图形表示，比较了仿真和实验获得的反射率分布。虚线表示使用传输矩阵近似确定的反射率分布的理论近似。实线表示在硅基板上被空气包围的相同DBR的实验数据。

图8：示出了对于475nm(虚线)，500nm(实线)和525nm(虚线)的布拉格波长λ

图9：图示了设计为布拉格波长为500nm的3周期DBR的理论反射率的图形表示，展示了通过增加折射率对比度获得的增加的反射率和阻带宽度。在所示的图形示例中，n

图10：示出了概述本领域先前已知的微腔OLED的设计过程的过程示意图。

图11A：示出了根据本公开的用于微腔OLED的设计和优化的所提出的方法的过程示意图，其重点在于OLED(有机层)的参数化。

图11B：示出了根据本公开的用于微腔OLED的设计和优化的所提出的方法的替代过程示意图，其重点在于ITO(阳极)的参数化。

图11C：示出了根据本公开的用于微腔OLED的设计和优化的所提出的方法的替代过程示意图，其重点在于填充剂层的参数化。

图12：示出了适用于光场显示器中使用的顶部发射微腔OLED的DBR周期(Λ)结构的范围。

a.图12A：示出了具有周期Λ＝3的本公开的DBR结构。DBR中的层数可以增加，按周期Λ定义，以构成一(14)个高折射率层和一(12)个低折射率层，和/或DBR材料的折射率差可以增加。

b.图12B：示出了具有周期Λ＝3.5的本公开的DBR结构。

c.图12C：示出了具有周期Λ＝4的本公开的DBR结构。

d.图12D：示出了具有周期Λ＝4.5的本公开的DBR结构。

e.图12E：示出了具有周期Λ＝5的本公开的DBR结构。

f.图12F：示出了具有周期Λ＝5.5的本公开的DBR结构。

g.图12G：示出了具有周期Λ＝6的本公开的DBR结构。

图13：示出了标准OLED和基于微腔的OLED的光谱输出的比较。

a.图13A：示出了如实施例1中所述的红色OLED；MCOLED的FWHM为46.7nm，标准OLED的FWHM为87.0nm。

b.图13B：示出了如实施例2中所述的绿色OLED；MCOLED的FWHM为40.4nm，标准OLED的FWHM为101.6nm。

图14：示出了根据本公开的各种实施方案的微腔有机发光二极管(OLED)的图形表示。

具体实施方式

本公开总体上涉及微腔OLED设计方法，包括FDTD优化，以控制光场显示器中光源的发射特性。

根据以下结合附图的详细说明，本发明的各种特征将变得显而易见。本文所公开的微腔OLED设计过程和结构的设计参数、设计方法、构造和使用是参考代表实施方案的各种实施例来描述的，这些实施方案并不旨在限制本文所描述和要求保护的本发明的范围。本发明所属领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以存在可以根据本公开的教导来实践的，本文未公开的本发明的其他变型、实施例和实施方案。发明。

定义

除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。

此处使用的词语“一”或“一个”与术语“包含”结合使用可能表示“一个”，但也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或一个以上”的含义一致。

如本文中所使用的，术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”及其语法变化形式是包括性的或开放式的，并且不排除额外的，未叙述的元件和/或方法步骤。当在本文中与组合物、器件、物品、系统、用途或方法结合使用时，术语“基本上由……组成”表示可以存在另外的元件和/或方法步骤，但是这些增加不会实质性地影响其中所述的组合物、器件、物品、系统、方法或用途起作用的方式。当在本文中与组合物、器件、物品、系统、用途或方法结合使用时，术语“由...组成”排除了附加元件和/或方法步骤的存在。在某些实施方案中，本文描述为包括某些元件和/或步骤的组合物、器件、物品、系统、用途或方法也可以基本上由那些元件和/或步骤组成，而在其他实施方案中由这些元件和/或步骤组成，无论是否特别提及这些实施方案。

如本文所用，术语“约”是指距给定值约+/-10％的变化。应当理解，无论是否特别提及，这种变化总是包含在本文提供的任何给定值中。

除非本文另外指出，否则本文的范围的叙述旨在将范围和落入该范围内的各个值两者传达至与用于表示该范围的数字相同的位置值。

使用任何示例或示例性语言，例如“诸如”、“示例性实施方案”、“说明性实施方案”和“例如”旨在示出或表示与本发明有关的方面、实施方案、变型、元件或特征，而无意于限制本发明的范围。

如本文所使用的，术语“连接”和“被连接”是指本公开的元件或特征之间的任何直接或间接的物理关联。因此，这些术语可以理解为表示部分或完全包含在彼此之内，附接，耦接，布置在上面，连接在一起，与之通信，可操作地关联等的元件或特征，即使存在介于描述为被连接的元件或特征之间的其他元件或特征。

如本文所用，术语“DBR”是指分布式布拉格反射器。分布式布拉格反射器(DBR)是一种光学镜，它由以交替顺序具有不同折射率的多对两个不同电介质层构成[参考文献11]。当选择层厚度使得每一层的光程长度为共振波长的四分之一时，可获得最高的反射率。每层的光程长度为λ

多层镜由适当选择厚度的基本上不吸收材料的交替层组成。通常，每一层的厚度为

如本文所用，术语“ITO”是指氧化铟锡，通常以氧饱和的组合物体现，其配方为74重量％的In，18重量％的O2和8重量％的Sn。ITO由于其合适的导电性而通常被用作OLED结构中的阳极材料，可以通过既定方法进行沉积，并且几乎是透明且无色的，并且是一种可用于根据本公开构造OLED中的阳极层的材料。

如本文所用，术语“像素”是指用于创建显示器的光源和发光机构。

如本文所用，术语“子像素”包括容纳在光学微腔内的发光器件。光学微腔可操作地与多个反射表面相关联以基本准直，操纵或调谐光。反射表面中的至少一个是光传播反射表面，其连接至光学微腔以将光传播出微腔。本公开提供了可单独寻址的红色、绿色和蓝色(RGB)子像素。子像素尺寸减小到从纳米级到几微米的范围，显著小于现有技术中先前已知的像素尺寸。

如本文所用，术语“光场”在基本水平上是指描述穿过空间中的点的，没有遮挡的，在每个方向上流动的光量的函数。因此，光场表示辐射率是自由空间中光的位置和方向的函数。光场可以通过各种渲染过程合成生成，或者可以从光场相机或从光场相机阵列捕获。

如本文所用，术语“光场显示器”是一种器件，该器件根据输入到该器件的有限数量的光场辐射样本来重建光场。辐射样本代表红色、绿色和蓝色(RGB)的颜色分量。为了在光场显示器中进行重构，也可以将光场理解为从二维空间到单个RGB颜色的映射。这四个维度包括显示器的垂直和水平维度，以及分别描述了光场的方向分量的两个维度。光场定义为以下函数：

LF：(x，y，u，v)→(r，g，b)

对于固定的x

如本文所用，术语“FWHM”是指半峰全宽，其是由自变量的两个极值之间的差给出的函数的程度的表达式，在所述极值处因变量等于其最大值的一半。

如本文所用，术语“OLED”是指有机发光二极管，其是在外部电压的施加下发光的光电器件。OLED可分为两大类：由有机小分子制成的OLED和由有机聚合物制成的OLED。OLED是发光二极管，其中发射电致发光层是响应于电流而发光的有机化合物的膜。通常，OLED是固态半导体器件[参考文献14]，包括至少一个设置在阳极和阴极之间并电连接到阳极和阴极的导电有机层。当施加电流时，阳极注入空穴，而阴极将电子注入有机层。注入的空穴和电子各自向带相反电荷的电极迁移。当电子和空穴位于同一分子上时，形成了激子，该激子是具有激发能态的局部电子-空穴对。当激子通过光电发射机制弛豫时会发光。

OLED的类型包括但不限于[参考文献14]

a.有源矩阵OLED(AMOLED)

AMOLED具有完整的阴极层、有机分子层和阳极层。阳极层具有与其平行的薄膜晶体管(TFT)平面，从而形成矩阵。这有助于根据需要将每个像素切换为打开或关闭状态，从而形成图像。因此，无论何时不需要像素或显示器上有黑色图像，像素都会关闭，这会延长器件的电池寿命。这是功耗最低的类型，并且刷新速度更快，这使其也适用于视频。AMOLED的最佳用途是计算机监视器、大屏幕电视和电子标牌或广告牌。

b.顶部发射OLED

顶部发射OLED具有不透明或反射性的基板。顶部发射OLED更适合于有源矩阵应用，因为它们可以更容易地与非透明晶体管背板集成。制造商可以在智能卡中使用顶部发射OLED显示器。

c.底部发光OLED

如果发射的光穿过透明或半透明的底部电极和基板，则OLED将是底部发射的。

如本文所用，术语“微腔”是指通过反射间隔层或光学介质(诸如OLED)的两侧上的面而形成的结构。

如本文所用，术语“微腔OLED”(MCOLED)是指如前所述的OLED的材料，其结合在由两个反射表面限定的微腔中，其中反射表面可以是金属材料，以反射特定范围内的光的这种方式布置的电介质材料，或电介质和金属材料的某种组合。构成OLED的有机材料以材料厚度d

如本文所用，术语“阴极”是指带负电荷的电极，电子通过该带负电荷的电极进入电子器件。

如本文所用，术语“阳极”是指带正电荷的电极，电子通过该带正电荷的电极离开器件。

如本文中所使用的，术语“仿真”指的是某物的计算机模型的产生，特别是出于研究或开发和完善制造规范的目的。时域有限差分(FDTD)方法用于解决电磁学和光子学中的问题，解决复杂几何体中的麦克斯韦方程组。FDTD是时域中一种通用的有限差分方法，它以自然的方式处理非线性材料的特性，并允许用户在很宽的频率范围内测量系统响应。一种可比较的技术是严格耦合波分析(RCWA)，这是一种半分析方法，通常用于解决周期性结构的场衍射问题。RCWA将场分解为一组平面波，用傅立叶空间中的空间谐波之和表示场。RCWA受益于降低的仿真复杂性和时间，但对于更复杂的几何形状却不准确。

如本文所用，术语“反射镜”是指以这样的方式反射光的物体，即对于某些波长范围内的入射光，反射光保留了原始光的许多或大部分详细物理特性，称为镜面反射。如果两个或两个以上的反射镜完全平行对齐并且彼此面对，可以产生无限的反射倒影，称为无穷大镜面效果。

如本文中所使用的，术语“亚表面”被定义为依赖于亚波长谐振器来修改界面的光学响应的薄光学部件。这种共振特性会在入射波前引入突然的相移，从而有可能使散射的波前成型[参考文献15]。任何所需的功能都需要在分隔界面的多个光路和所需波前之间进行相长干涉。

如本文中所使用的，术语“透射率”被定义为每入射光透射的光的百分比。

如本文中所使用的，术语“波长”是在波中的两个相同的波峰(高点)或波谷(低点)之间的距离的度量，是诸如光或声音的行进能量的重复模式。

预期本领域技术人员可以按原样或通过做出这样的变型或等同方案来实施本文公开的组合物、器件、制品、方法和用途的任何实施方案，而不脱离本发明的范围和精神。

OLED的设计考虑事项-材料

如图14所示，有机发光二极管(OLED)结构通常包括：由玻璃制成的基板38；由ITO18制成的透明阳极，其中ITO的折射率(n)约为1.8；空穴传输层(HTL)22，其折射率(n)约为1.5；电子传输层(ETL)26以及发射层(EML)24，n值约为1.7；以及阴极。为每个组件选择材料以达到所需的n值。

电子传输层(ETL)26可以是可以促进电子从相关电极传输到发射层的任何基本上透明的材料。这种材料的示例包括2-(4-联苯基)-5-苯基-1,3,4-恶二唑(PBD)，丁烯基PBD，或掺杂在惰性聚合物如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或聚(碳酸酯)中的上述任何一种材料。

发射层(EML)24材料包括Alq、芳烃、聚(亚苯基亚乙烯基)、恶二唑和二苯乙烯衍生物。EML 24材料任选地可以是掺杂有发光材料的稳定的非发光主体材料，该发光材料的能隙小于EML 24材料的主要成分的能隙。

空穴传输层(HTL)22可以是能够促进将空穴传输到发生电子-空穴复合的EML 24层的任何基本透明的材料。合适的材料的示例是二胺(例如，N，N′-二苯基-N，N′-双(3-甲基苯基)-1，1′-联苯基-4，4′-二胺)和聚(亚苯基亚乙烯基)。

阳极18通常是铟锡氧化物(ITO)或导电聚合物，例如掺杂的聚苯胺，或金属(例如，Au或Al)的薄层(例如，约10nm)，并且可以是未图案化或图案化的(例如，图案化成行或列)。

填充剂层16可以是在制造和操作条件下化学稳定并且可以通过适当技术进行图案化的任何基本上透明的材料。示例性的填充材料是透明聚合物(例如，聚酰亚胺)或透明无机电介质(例如，Si

在OLED的顶部发射配置中，基板38不需要是透明的。它可以是金属(具有适当的绝缘体)或半导体，例如硅。

微腔OLED设计因素和配置

创建模仿现实世界的3D显示的路径包括减小源尺寸。无机发光二极管(LED)由于包括制造挑战和与量子限制相关的能带结构变化在内的若干障碍，不适合小型化至亚微米范围。另一方面，有机发光二极管(OLED)提供了一种可能的选择，因为它们的非晶结构不受量子限制的约束[01]。此外，已经制造出直径小于100nm的OLED，并表现出与大面积OLED相似的性能[02]。

微腔OLED(MCOLED)的光谱变窄、强度增强和发射轮廓修改是平面微腔器件自发发射的充分报道的结果。影响微腔性能的三个主要设计变量是顶面和底面的反射率以及光程长度。因此，通过具体地固定反射表面之间的距离，对于反射镜之一获得高反射率值并且精细地控制相对的反射镜的反射率，可以精细地调节每个OLED的输出。在本公开中，阴极30既充当微腔结构中的底部反射表面，又充当基础电触点，如图14所示。上部反射表面由一系列交替的高折射率电介质层14和低折射率电介质层12构成，称为分布式布拉格反射器(DBR)。选择DBR以允许调整输出参数，因为构成材料的折射率特性和电介质层对的数量会改变电介质层反射镜的峰值反射率和反射率分布，并且具有在可见光谱中不吸收的额外好处。

有机发光二极管由一对电极之间的多个有机材料层组成，从而导致特征性的宽的光谱宽度和朗伯强度分布发射。虽然这些发射特性对于标准显示解决方案可能是理想的，但仍需要能够使用微腔效应为光场显示器定制器件的光学特性的能力。

对于复杂的MCOLED设计，在设计阶段实施优化方法会导致MCOLED结构的制造，且其设计偏差会减小。这减少了生产具有所需输出的MCOLED所需的重新设计和后续制造过程。

例如，本公开的实施方案包括用于R、G和B子像素的公共DBR结构。设计DBR是为了使反射率在微腔中产生最佳的光程长度L

在本公开中，详细描述了基于微腔的OLED的开发和所得的基于微腔的OLED。总结了用于在峰值发射波长下定义OLED初始结构的理论设计变量。详细介绍了用于优化微腔中光程长度的FDTD仿真。提出了基于FDTD模拟的规格的预制MCOLED，并将其与未结合在微腔中的OLED以及FDTD模拟结果进行了比较。

时域有限差分(FDTD)是最新的时域技术，其中单个仿真可以包含多个频点，从而能够在较宽的波长范围内分析和优化器件设计。FDTD方法的当前应用包括图像传感器、太阳能电池和超材料的设计。对于OLED设计，当前将FDTD解决方案并入设计过程中，以通过优化提取层来提高输出效率，并定义层厚度以避免基于微腔的影响，这是不希望的。

图10示出了本领域先前已知的用于设计微腔OLED(MCOLED)的方法。该过程包括创建初始OLED设计42，定义所需的输出特性44，反射表面46的设计，以及材料厚度48的定义。本领域中的下一步是制造MCOLED 64。一旦制造完成，微腔OLED将进行测试，并且该过程从42开始重复进行直至制造，直到获得所需的输出为止。

图11示出了根据本公开的用于微腔OLED的设计和优化的所提出的方法的过程示意图。此方法包括创建初始OLED设计42，定义所需的输出特性44，以及设计反射表面46。

对于本公开(图11)和如本领域先前已知的具有DBR结构的微腔OLED的设计(图10)，初始OLED设计42的创建需要考虑理论设计变量。

理论设计变量

当在两个反射表面之间放置发光材料时，状态的自发发射光子密度会重新分布，从而导致垂直方向的发射强度增强以及发射光谱变窄[参考文献12]。当总光程长度L

其中m是一个正整数，而λ

发射特性

由于微腔导致的减小的角展度可以近似为

同样，将输出频谱的FWHM确定为

其中R

分布式布拉格反射器

当选择层厚度d

其中λ

其中，n

其中n

光程长度

微腔的总光程长度表示为

L

进入DBR的穿透深度L

其中n

并且，到金属阴极的穿透深度为

其中Φ

其中，n

图1-6中的DBR结构显示了低折射率的电介质材料12和高折射率的电介质材料14的交替层对。填充剂层16上方的DBR的第一层可以是具有低折射率的材料12或折射率较高的材料14。

图12A-G示出了本公开的DBR结构，其周期范围为Λ＝3-6，以0.5为增量。可以增加以周期Λ定义的DBR中的层数，其构成一个高折射率层14和一个低折射率层14，和/或可以增加DBR材料的折射率差。可以这样排列对的顺序，使得具有低折射率的材料12形成DBR叠层的底层，而具有较高折射率的材料层14位于顶部，或者相反，可以将对布置成使得具有高折射率的材料14形成DBR叠层的底层，而具有低折射率的材料层12位于顶部。

如图10所示，如本领域先前所知，一旦确定了理论设计变量42-46，就定义了材料厚度48，并制造了MCOLED结构64。然后测试该结构并将其与设计要求进行比较。理论设计变量被重新计算42-48，并且随后的MCOLED结构被制造64，直到获得期望的输出。

在本公开中，引入了优化方法的添加以减少理论设计变量的重新计算，并继而在实现具有所需设计规格的结构之前最小化所制造的MCOLED的数量。该优化方法在图11A-C中示出。创建(构思)MCOLED结构52并将其实施到FDTD仿真的设置中54。

设计方法论

对于一般的MCOLED设计，其中λ

最初，使用理论设计方法，使用一系列近似值来估计光程长度和镜面反射率。OLED设计被指定42，其包含一组材料厚度48，其在等式(8)中用于确定OLED材料中的光程长度。假设使用与微腔设计中的该OLED设计中相同的金属阴极，则可以使用等式(10)计算出穿透深度50。与OLED设计42相比，在微腔设计中阴极的厚度显著增加，以防止不希望的透射。估计微腔中光程长度的最后一步是进入DBR 50的穿透度，可以近似为λ

定义MCOLED所需的发射特性将确定顶部反射镜46和底部反射镜46的反射率。在使用金属反射镜的情况下，由于吸收，反射率值被限制在上限。使用等式(2)和/或等式(3)，可以确定DBR的最小反射率。了解最小反射率后，可使用基于MATLAB或其他合适软件基于传输矩阵方法(协议)创建的脚本来确定DBR的反射率分布。传输矩阵法使用麦克斯韦方程的连续性条件来确定反射率分布，从而分析通过周期性介质的电磁传播。图7和图8均显示了此定制脚本的输出示例。

图8示出了对于475nm(虚线)、500nm(实线)和525nm(虚线)的布拉格波长λ

使用DBR 46的最终设计，必须确定MCOLED在设计波长处的穿透深度λ

考虑到OLED结构中发射层的整个波长范围，采用了粒子群优化方法来确定最终的MCOLED结构。使用自定义脚本创建MCOLED结构，在FDTD Solutions创建了用于确定每个微腔OLED 62所需的光程长度的优化56-60。该脚本将每个层厚度56-60创建为变量，然后可以通过模拟软件对其进行优化62。每种材料的折射率和消光系数最初是通过椭圆偏振法测量的，和/或由材料供应商提供的，然后输入到仿真中以确保准确的结果。应当注意，有许多方法可以优化结构，包括在阳极结构60上添加填充剂层，该填充剂层可以更改以调整光程长度，类似地可以使用改变阳极厚度58，或调整一个或全部OLED材料厚度56。

图11A示出了对OLED材料56进行参数化的过程，因此该模型扫描有机材料的厚度并测量整个波长上的所得强度。使用了两个品质因数：一个是最大化预定义谐振波长的强度，另一个是结合所有波长的强度。当强度高于共振波长的FWHM时，它还会最小化最大最小波长范围。

两种方法均已使用，有限的比较表明两种方法的结果均一致。来自该仿真的期望结果微调了OLED叠层56中的材料的厚度，以最大化输出强度并减小光谱带宽。

一旦完成参数厚度的优化62，就制造MCOLED并进行测试64。如图11所示，这种微腔OLED设计方法允许在制造64之前对结构进行优化54-62，以避免OLED结构的多个重新设计序列42-52和制造64。

图11B是图11A的替代过程实施方案，其示出了根据本公开的用于微腔OLED的设计和优化的所提出方法的过程示意图。该图说明了将铟锡氧化物(ITO)58参数化的过程，因此该模型将扫描ITO层的厚度并测量整个波长上的最终强度。

图11C是图11A和图11B的替代过程实施方案，其示出了根据本公开的用于微腔OLED的设计和优化的所提出方法的过程示意图。图11C示出了对填充剂层60进行参数化的过程，因此模型扫描了填充剂层的厚度并测量了整个波长上的最终强度。

实验结果

为了确认在图11的步骤52中使用的传递矩阵模型脚本，在硅上制作了一个3周期的DBR，如图7所示。将所得DBR的测得的反射率分布与理论确定的分布作图，显示出很好的一致性。测得的阻带宽度约为240nm，最大反射率超过98％。

具有微腔的红色和绿色OLED的最终光谱输出分别显示在图13A和13B中。OLED的光谱输出是使用Ocean Optics STS光谱仪记录的。通过将高斯函数拟合到收集的数据并计算FWHM，可以确定每条曲线的FWHM值。绿色OLED的FWHM减小了2.5倍以上，从101.6nm减小到40.4nm。类似地，FWHM减小了近2倍，从87.0nm减小到46.7nm。根据实施例1和实施例2中给出的设计实施例，在图13A和图13B中绘制了优化的MCOLED的最终发射光谱。

用于光场显示器的微腔OLED结构

微腔OLED器件是指由两个反射面或反射镜约束的OLED结构的材料。与通过吸收而获得最大反射率的金属反射镜相比，可以调整分布式布拉格反射器DBR的反射率，从而允许设计者调整微腔的输出特性。通过微调DBR结构以获得MCOLED的最佳光程长度，该器件的微腔效应对于光场显示器的使用是有利的。对于基于超表面或衍射的光学元件，这是每个OLED的输出光谱的减少。对于折射透镜，是输出角度的减小，因此是对强度分布的控制。

可以考虑将MCOLD的不同配置与DBR耦合使用，以用于不同的应用。这些配置中的每一个将具有其自己的特定设计要求，可以使用本公开的FDTD仿真方法来仿真它们。

图1图示出说明性实施方案，其中每个子像素由单个专用像素驱动器电路驱动。例如，图1示出了驱动三个分离的子像素16-30的三个分离的像素驱动电路32；在图示中，相同的元件用R，G和B表示，并且对附图中的数字元件的引用指的是每个相同的元件，因为它们都以相同的方式工作。

如图1所示，诸如TFT底板的像素驱动器电路32通过基板38中的通孔34连接到阴极30。阴极兼作光学微腔反射表面之一。在阴极的顶部上是电子传输层26、发射层24、空穴传输层22、空穴注入层20、阳极18和填充剂层16；这些元件包括三个OLED。在填充剂层16的顶部是分布式布拉格反射器(DBR)，其光传播的反射表面由电介质层组成，该电介质层在低折射率12和高折射率14之间交替。光学微腔的长度显示为Li，连接的DBR的厚度显示为d

图2示出了另一实施方案，其中一个像素驱动电路驱动多个子像素。这样的配置可以用于但不限于灰度显示。例如，图2示出了一个像素驱动电路40，其驱动三个独立的子像素16-30；在图示中，相同的元件用R，G和B表示，并且对附图中的数字元件的引用指的是每个相同的元件，因为它们都以相同的方式工作。

如图2所示，像素驱动电路40通过基板38中的通孔34连接到阴极30。阴极兼作多个反射表面之一。在阴极的顶部上是电子传输层26、发射层24、空穴传输层22、空穴注入层20、阳极18和填充剂层16；这些元件包括三个OLED。在填充剂层16的顶部是DBR，其由在低折射率12和高折射率14之间交替的电介质层组成。光学微腔的长度示为Li，连接的DBR的厚度示为d

图3示出了另一实施方案，其中一个像素驱动电路驱动多个子像素16-30，这些子像素共享一个或多个光学微腔光传播反射表面。这样的配置可以用于但不限于灰度显示。例如，图3示出了一个像素驱动电路40，其驱动共享反射表面12-14的三个分离的子像素；在图示中，相同的元件用R，G和B表示，并且对附图中的数字元件的引用指的是每个相同的元件，因为它们都以相同的方式工作。

如图3所示，像素驱动电路40通过基板38中的通孔34连接到阴极30。阴极兼作为多个反射表面之一。在阴极的顶部上是电子传输层26、发射层24、空穴传输层22、空穴注入层20、阳极18和填充剂层16；这些元件包括三个OLED。在三个单独的填充剂层16的顶部是单个共享的DBR，该DBR由电介质层组成，电介质层在低折射率12和高折射率14之间交替。光学微腔的长度显示为L

图4示出了多个子像素，但是这些子像素共享一个或多个光学微腔光传播反射表面。这样的配置可以用于但不限于灰度显示。例如，图4示出了三个单独的子像素，它们共享一个反射表面12-14。在图示中，相同的元件用R，G和B表示，并且对附图中的数字元件的引用指的是每个相同的元件，因为它们都以相同的方式工作。子像素按比例缩放以代表其各自的波长λ

如图4所示，阴极兼作多个反射表面之一。在阴极的顶部上是电子传输层26、发射层24、空穴传输层22、空穴注入层20、阳极18和填充剂层16；这些元件包括三个OLED。在三个分开的填充剂层16的顶部是单个共享的DBR，其由在低折射率12和高折射率14之间交替的电介质层组成。光学微腔的长度显示为L

图5示出了多个子像素，但是这些子像素共享一个或多个光学微腔光传播反射面。这样的配置可以用于但不限于灰度显示。例如，图4示出了三个单独的子像素16-30，它们共享一个反射表面12-14。在图示中，相同的元件用R，G和B表示，并且对附图中的数字元件的引用指的是每个相同的元件，因为它们都以相同的方式工作。子像素按比例缩放以代表其各自的波长λ

如图5所示，阴极兼作多个反射表面之一。在阴极的顶部上是电子传输层26、发射层24、空穴传输层22、空穴注入层20、阳极18和填充剂层16；这些元件包括三个OLED。在三个单独的填充剂层16的顶部是一个共享的DBR，该DBR由电介质层组成，电介质层在低折射率12和高折射率14之间交替。光学微腔的长度显示为L

图6示出了包括发光区域(也称为OLED)和DBR的OLED器件的示意图。本领域技术人员将理解，DBR可以用于增加上方向的反射率。但是，图7的配置的DBR会导致一个更窄，更合适的波长峰。发光区域可以包括阳极18、阴极30、电子传输层26、发射层24、空穴传输层22、空穴注入层20和填充剂层16。与发光区域相关的DBR结构包括堆叠的电介质材料对；具有低折射率的层12和具有较高折射率的层14。图6还可以示出DBR结构，其中可以将交替的电介质材料的顺序与第一层颠倒，填充剂层16是具有较高折射率的材料14。

有机发光二极管的发射理论基于空穴中电子的注入，而空穴是来自阳极18和阴极30的。在EML 24中重新结合后，能量转移到可见光中。至少部分由于反射阴极30和阳极18之间的微腔效应，发光区域可提供窄的发射光谱带。与常规的ITO阳极相比，该微腔效应和所得的窄发射光谱可有助于有效的磷光体激发。箭头描述了光通过OLED结构和DBR的路径方向。

图9展示了设计为布拉格波长为500nm的3周期DBR的理论反射率的图形表示，展示了通过增加折射率对比度而获得的增加的反射率和阻带宽度。在所示的图形实施例中，设置为1.445，并且在1.8-2.8的范围内变化。

实施例

实施例1：

对于MCOLED的设计，考虑红色OLED的实施例，其中＝630nm，其中整个设计包含在RGB子像素之间连续且λ

初始红色OLED设计42包含30nm Alq3、30nm Alq3掺杂2％w/w的红荧稀，20nm NPD和30nm m-MTDATA，ITO阳极和铝阴极，1nm厚的LiF涂层。因此，根据式(8)，L

DBR的反射光谱的阻带宽度必须等于红色、绿色和蓝色OLED的全部输出。尽管许多材料可用于DBR，但是TiO

根据等式(10)，发现铝阴极在λ

为了找到在λ

使用L

通过定义用于λ

为了制造MCOLED 64，DBR通过溅射沉积在玻璃基板上，然后是ITO。然后将OLED材料、LiF和铝蒸发以最终确定OLED。通常，在阴极之后添加一些额外的封盖。使用相同的过程来创建OLED，减去DBR的沉积。

为了制造顶部发射的MCOLED 64，可以使用与前述类似的工艺，其中可以使用硅、玻璃或其他基板。使用蒸发来沉积OLED的金属阴极和有机材料。随后溅射ITO阳极和DBR材料。

实施例2：

对于MCOLED的设计，考虑绿色OLED的实施例，其中＝540nm，其中总体设计包含在RGB子像素之间连续且λ

最初的绿色OLED设计42包含50nm的Alq3、20nm的NPD和30nm的m-MTDATA，阳极为45nm ITO，根据等式(8)得出L

根据等式(10)，发现铝阴极在λ

为了找到λ

使用L

通过定义用于λ

本说明书中引用的所有专利、专利申请、出版物和数据库条目的公开内容均通过引用整体结合到本文中，其程度就好像每个此类单独的专利、专利申请、出版物和数据库条目均被明确地和单独地指示为通过引用并入。

尽管已经参考某些特定实施方案描述了本发明，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，其各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。对本领域技术人员显而易见的所有这些修改都旨在包括在所附权利要求的范围内。

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