表面处理提高绿色OLED外量子效率研究

周军红,韩绍虎,周登锦,吴忠杰,吴江宏,陆国权,罗旭东

（1.广东省计量科学研究院，广东 广州 510405；2.华南理工大学，广东 广州 510641）

表面处理提高绿色OLED外量子效率研究

周军红1,韩绍虎2,周登锦1,吴忠杰1,吴江宏1,陆国权1,罗旭东1

（1.广东省计量科学研究院，广东 广州 510405；2.华南理工大学，广东 广州 510641）

该文通过喷砂打磨技术使器件的表面粗糙化，有效地压制了玻璃层内的光波导，促进光子在玻璃-空气界面的散射，大幅度提高了有机绿色发光器件的输出耦合效率。有机绿色电致发光器件的流明效率、外量子效率分别提高到44.9cd·A-1、15.4%，提高率达到54.0%。当粗糙度介于1～4μm之间时，器件的输出耦合效率提高率随着表面粗糙度的减小而提高。同时，粗糙表面对发光器件的朗伯体特性没有带来任何影响。

有机绿色电致发光器件；输出耦合效率；外量子效率；喷砂打磨

0 引 言

有机电致发光器件（OLED）因其在新型显示、大面积白光照明及背光源等领域的潜在应用而受到科学界、工业界广泛而深入地研究[1-7]。但是OLED在背光源及白光照明领域由于出光率等因素的影响而任重道远。对于有机电致发光器件白光的获得，通常可以通过红、绿、蓝三基色共混而得到。所以，要实现OLED在白光照明及背光源领域的商业化，提高红、绿、蓝三基色的发光性能是关键，而作为人眼最敏感的绿光发光性能的提高，对于由红、绿、蓝三基色组合而成的白光发光体系来讲则特别重要。换言之，只要绿光成分输出耦合效率得到大幅度的提高，就能够使白光器件整体输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）作为空穴传输材料及电子传输材料OXD-7的混合主体掺杂磷光绿光材料合成理想的有机绿光发光器件。在此基础上，通过表面喷砂打磨工艺大幅度提高了该绿光发光器件的发光性能，且没有对该发光器件的发光光谱、朗伯体特性产生影响。

1 基本原理

器件的输出耦合效率（ηOUT）是外量子效率与内量子效率的比值[7]，它决定了OLED器件在前向逃逸光子的多少。对于具有光滑玻璃表面的器件，光的输出耦合效率可通过式（1）计算[8]：

其中，n是基板的折射因子。取玻璃的折射因子为1.5，那么ηOUT大约等于0.33，这意味着发光层中产生的光子超过2/3的部分因为全反射而被限定在器件内部并损失掉。

为了提高绿光器件的光输出耦合效率，找到了一个新颖的工艺：通过对器件表面喷砂打磨使器件的表面由光滑变粗糙，来改变光在玻璃空气界面的入射角，从而提供更多的光子从前向方向上逃逸出去的机会（见图1）。

图1 喷砂打磨工艺及光在不同粗糙表面的WOLED器件内传播的描述

2 实验与方法

绿光发光器件的结构、制作过程、发光材料的分子结构及器件结构在早期的文献中有详细的描述[9-10]。实验中用到的所有化学材料都是购买而得，其中PEDOT：PSS购于德国拜尔公司（H.C.Stark，Inc.），PVK购于Aldrich，Ir（mppy）3购于美国染料公司。实验中的电流密度（J）-电压（U）-亮度（L）特性曲线由Keithley 236源及硅光二极管共同完成，数据的校正由Chroma Meter CS-2000（Konica Minolta）完成。器件的电致发光光谱及CIE坐标由PR-705 SpectraScan Spectrophotometer（Photo Research）采集得到。

喷砂技术广泛用于建材的打磨、艺术品的制备及表面清洁等方面。在信息显示领域，喷砂打磨作为一个成本低廉、可控的技术被用于等离子平板显示屏相关方面的制备。

为了精确地描述喷砂打磨后器件表面的粗糙特性，引入国际通用的描述粗糙特性的标准参数平均粗糙度（Ra）来描述不同工艺条件下的表面粗糙形貌。粗糙度定义为在一给定的长度内表面轮廓偏离平均线的算术平均值[11]。本文实验中粗糙度Ra由激光共聚焦扫描显微镜（OLYMPUS-OLS 4000）采集得到。

喷砂打磨技术对器件表面形貌的修饰形式多样、方法灵活，施加的空气压力、喷射频率、砂粒的粒径、喷射的角度及喷枪与基板的距离等都会对最终的表面形貌产生影响。在实验过程中，设定了喷嘴与玻璃衬底的距离为10cm；喷射的角度为零度（喷嘴垂直于玻璃基板的方向）；空气的压强为3.92×104Pa；喷射的频率为1Hz。虽然设定了以上参数，但通过改变白刚玉砂粒的大小型号（一般介于20～60μm之间）来实现对器件表面形貌具体化、可重复化的改变。喷砂机从吉川国际（香港）公司购买，型号为6090B非标准型。白刚玉砂从郑州峰大公司（中国）购买。

3 结果与讨论

3.1 发光性能的对比

为了研究打磨对绿光器件发光性能的影响，在相同的条件下制备了一批绿光器件，器件结构、制备方案等在实验部分有详细的说明。一部分器件进行玻璃表面粗糙化处理，而另一部分器件则保留光滑的玻璃表面，不进行打磨处理。经过性能测试，没有经过打磨的绿光器件，其最大发光亮度为51060cd·m-2；器件的电流密度为5.6mA·cm-2时，流明效率及外量子效率达到最大分别为29.2cd·A-1、10.0%。而通过喷砂打磨引入粗糙表面的绿光器件发光性能得到了大幅度提高，其最大发光亮度达到71 255 cd·m-2；与此同时，最大流明效率及最大外量子效率分别达到44.9cd·A-1、15.4%，此时器件的电流密度为9.3mA·cm-2，具体的数据见表1。通过比较，表面喷砂打磨处理分别将绿光器件的最大发光亮度、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从没有表面粗糙化处理时的10.0%提高到15.4%。

表1 器件性能对比1)

通过详细地对比打磨与没有打磨器件的电流密度（J）-电压（U）-亮度（L）特征曲线图2（a）所示，很

明显G1与G2的电流密度（J）-电压（U）特征曲线几乎是重合在一起的，由此说明两器件的载流子注入及输运情况是一致的，从而可以明确两器件的外量子效率大幅度提高完全是因为光的输出耦合效率提高而决定的。经过喷砂打磨粗糙化处理后的器件起亮电压（器件发光亮度达到1cd·m-2时的电压）要比没有经过喷砂打磨后的器件低（表1），说明粗糙的表面更有利于光子的出射，从而提高器件的输出耦合效率，同时低的工作电压也有助于器件降低能耗。图2（b）、图2（c）分别给出了G1、G2器件流明效率及外量子效率随电流密度的变化情况。图2（d）是两器件归一化的发光光谱，很明显光谱没有发生任何变化。

3.2 粗糙表面对器件朗伯体特性的影响

对于照明光源而言，朗伯发光体是必需的发光特性。研究证明光滑表面的有机电致发光器件（OLED）是理想的朗伯发光体[8]，而表面喷砂打磨工艺对OLED发光器件朗伯体发光特性带来的影响将直接影响该工艺的实际应用。为此，对经过表面喷砂打磨处理后的绿光OLED进行了朗伯体特性的测试如图3所示。红色的虚线表示理想朗伯发光体的特性曲线；黑色的圆圈表示喷砂打磨后OLED的特性曲线。描述了不同角度下亮度的测试过程，其中顺时针方向为负角度方向，逆时方向为正角度方向，零度方向代表OLED发光平面的法线方向。理想的朗伯发光体（也称余弦发射体）偏离法线方向不同角度下的发光强度与法线方向的发光强度之间存在如下关系[12]：

式中：L0——法线方向的发光强度；

L（θ）——偏离法线θ角度下的发光强度。

很明显经过喷砂打磨后器件的发光强度随角度的变化曲线与理想朗伯发光体的特性曲线很好地吻合，说明粗糙的发光表面并没有对器件的朗伯体特性带来影响，喷砂打磨后器件依然是理想的朗伯发光体。

3.3 不同的表面粗糙度对输出耦合效率提高率的影响

图2 器件G1与G2的发光性能对比

图3 归一化的发光强度随视角的变化情况

图4 外量子效率提高率随器件表面粗糙度的变化情况

为了最大化地提高绿光OLED器件的输出耦合效率，采用不同型号的砂粒对同一批器件进行表面喷砂打磨处理。在现有的实验室条件下，在粗糙度为1.511μm情况下实现了绿光OLED器件输出耦合效率的最大提高率（图4），达到54.0%。早期的研究中已经证明，如果器件表面的散射媒介尺寸达到透射光波长的一半，那么对应的透射光将实现最大的输出耦合效率[13]。将这一结论应用到本文工作中可以得出，如果能够通过喷砂打磨工艺实现绿光OLED表面粗糙度达到绿光发射峰对应波长512 nm的一半（即256nm），那么器件的外量子效率将达到最大，但这对砂粒及喷砂机都将有特殊的要求。

4 结束语

通过喷砂打磨技术对OLED绿光器件出光表面实现了粗糙化处理。粗糙表面成功地压制了绿光OLED器件玻璃层内的光波导，有效地促进了光子在玻璃-空气界面的出射，大大地提高了绿光OLED器件的输出耦合效率。当粗糙度介于1～4μm范围时，器件的外量子效率提高率随着粗糙度的减小而提高，而且在粗糙度为1.511 μm时绿光OLED器件的外量子效率提高率达到最大值。粗糙化处理对器件的发光光谱、朗伯发光体等特性都没有造成任何影响，喷砂打磨技术操作方便、灵活，适用于大面积照明器件。

[1]Tang C W，VanSlyke S A.Organic electroluminance diodes[J].Appl Phys Lett，1987（51）：913-915.

[2]Burroughes J H，Bradley D D C，Brown A R，et al. Light-emitting diodes based on conjugated polymers[J]. Nature，1990（347）：539-541.

[3]Kido J，Kimura M，Nagai K.Multilayer white lightemitting organic electroluminescent device[J].Science，1995（267）：1332-1334.

[4]D’Andrade B W，Forrest S R.White organic lightemitting devices for solid-state lighting[J].Adv Mater，2004（16）：1585-1595.

[5]Misra A，Kumar P，Kamalasanan M N，et al.White organic LEDs and their recent advancements[J].Semicond Sci Technol，2006（21）：35-47.

[6]Xiong Y，Xu W，Li C，et al.Utilizing white OLED for full color reproduction in flat panel display[J].Org Electron，2008（9）：533-538.

[7]Zhou J，Ai N，Wang L，et al.Roughening the white OLED substrate’s surface through sandblasting to improve the external quantum efficiency[J].Org Electron，2011（12）：648-653.

[8]Kim J S，Ho P K H，Greenham N C，et al.Elecroluminescence emission pattern of organic light-emitting diodes:lmplication for device efficiency calculations[J].J Appl Phys，2000（88）：1073-1081.

[9]Wang L，Jiang Y，Luo J，et al.Highly efficient and color-stable deep-blue organic light-emitting diodes based on a solution-processible dendrimer[J].Adv Mater，2009（21）：4854-4858.

[10]Wu H，Zhou G，Zou J，et al.Efficient polumer whitelight-emitting devices for solid-state lighting[J].Adv Mater，2009（21）：4181-4184.

[11]ANSI B46.1.Surface Texture（Surface Roughness Waviness and Lay）[J].American Society of Mechanical Engineers，2002.

[12]Freeman M H，Hull C C.Optics[M].11th edition.New York：Butterworth-Heinemann，2003.

[13]Schnitzer I，Yablonovitch E，Caneau C，et al.30% external quantum efficiency from surface textured,thinfilm light-emitting diodes[J].Appl Phys Lett，1993（63）：2174-2176.

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

国家质量监督检验检疫总局科研项目（201310006-03）广东省质量技术监督局科研项目（2013ZJ04）

周军红（1980-），男，湖北天门市人，工程师，博士，主要从事LED/OLED/太阳能光伏领域计量检测技术的研究。