Research on Capping Layer for Top-emitting White OLED Micro-display Performance
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摘要: 采用两种覆盖层CPL(Capping layer)材料Alq3和ZnSe制备了顶发射白光有机电致发光器件TE-OLEDs(Top emitting white organic light-emitting diodes),器件结构为ITO/NPB: LiQ (5%) (10 nm) /TCTA(20nm)/FIrpic+3.5%Ir(ppy)3+0.5%Ir(MDQ)2(acac)(25nm)/TPBI(10nm)/LiF(5nm)/Mg: Ag(10%) (12 nm)/CPL。实验结果表明,Alq3和ZnSe作为CPL可以增强TE-OLED器件的出光和调制光谱特性,并且ZnSe作为覆盖层制备的TE-OLED器件色坐标(CIEX,CIEY)随亮度变化更平稳,表现出良好的色稳定性。进一步,通过改变ZnSe厚度来优化器件,当ZnSe为45 nm时,器件获得了最佳的亮度和电流效率,分别为1461 cd/cm2和7.38 cd/A,色坐标为(0.30,0.33)。
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关键词:
- 顶发射白光微型OLED /
- 覆盖层 /
- 光电特性 /
- 色坐标
Abstract: We prepared top-emitting white organic light-emitting diode (OLED) devices using Alq3 and ZnSe as capping layers (CPLs). The basic structure of the OLED was ITO/NPB: LiQ(5%)(10 nm)/TCTA(20 nm)/FIrpic+3.5%Ir(ppy)3+0.5%Ir (MDQ)2(acac)(25 nm)/TPBI(10 nm)/LiF(5 nm)/Mg: Ag(10%)(12 nm)/ CPL. The brightness and current efficiency of OLED devices fabricated with Alq3 and ZnSe as CPLs are significantly better than those without capping layers. Moreover, the color coordinates (CIEX, CIEY) of the OLED devices prepared with ZnSe CPLs changed more smoothly with brightness, showing good color stability. Further, by changing the ZnSe thickness to optimize the device, when the CPL was 45 nm, the maximum current efficiency and maximum brightness of the device were 7.38 cd/A and 1410 cd/m2, respectively, and the color coordinates were (0.30, 0.33).-
Keywords:
- top emitting white OLED /
- capping layer /
- photoelectric property /
- CIEX /
- CIEY
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0. 引言
有机电致发光器件(Organic light-emitting device, OLED)具有材料选择范围广、功耗低、发光视角宽、色彩丰富,既可实现大面积柔性显示也可实现微型显示等优势,深受大众关注。随着数字化多媒体技术的普及,人们对信息显示设备的要求不断提高,因此,新一代OLED器件在可靠性、色度、对比度和发光效率上仍然面临着解决重大问题的挑战[1-3]。
微型OLED显示是OLED技术的一个重要分支,它指的是显示尺寸在1英寸以内的OLED显示器,具备OLED显示的一切优点之外,还具备超便携性与多功能的高集成度等特点,产品广泛应用于虚拟现实、近眼显示、红外探测、单兵装备等系统以及工业检测、医疗器械、AR/VR/MR、消费电子等领域。为了实现稳定的有源驱动,微型OLED需配置较大的晶体管像素驱动电路,这部分电路会对OLED发光有遮挡,造成开口率下降等不良影响,而顶发射OLED器件的开发很好的解决了这一问题。
顶发射微型OLED发展至今,如何提高它的出光效率一直是科研人员的研究热点。根据文献[4-5]报道,目前,提高OLED出光效率的方法包括:①在出光层表面形成褶皱;②在出光层表面形成光子晶体;③在出光层表面制备微透镜阵列;④添加表面覆盖层;褶皱和光子晶体会影响OLED的辐射光谱角度分布,而制备微透镜阵列的工艺较为复杂;添加表面覆盖层不仅工艺简单,且可有效提高OLED的出光效率,特别是以薄层金属作为阴极的顶发射OLED器件,覆盖层能有效地提高透明阴极的透过率,同时降低反射率[6];并且,合成电介质/阴极/电介质的结构能有效地提取等离子体能量,提高器件的出光效率[7]。TPD[4]、ZnSe [8]、ITO[9]、AlQ3[10]等材料可以被用作为覆盖层材料。其中AlQ3和ZnSe拥有良好的透射性能,同时具有光传输损耗小、折射率均匀、一致性好等特点,并且两种材料生产成本较低、易合成和对环境友好,在OLED器件大批量生产中具有广阔的应用前景。本文以Alq3和ZnSe作为顶发射白光微型OLED的覆盖层,研究其对器件性能的影响。然后通过改变ZnSe的厚度,尝试进一步提高器件的光效。
1. 实验
1.1 器件制备
顶发射白光OLED微型显示器件采用AlQ3和ZnSe作为覆盖层,Mg: Ag合金作为阴极层,TPBI和LiF为电子层,FIrpic+3.5% Ir(ppy)3+0.5% Ir(MDQ) 2(acac)为发光层,NPB: 5% LiQ/TCTA为空穴层。器件结构及其原理型器件发光图如图 1所示。
1.2 性能表征
OLED微型显示器件的电压、亮度、色坐标和电致发光光谱(EL)通过电脑联控的Keithley 2400电源和Research PR655进行测量。测试时,所有器件均处于暗室条件下。
2. 结果与讨论
保持其它结构不变,制备了无CPL,以及Alq3和ZnSe作为CPL的3种顶发射白光微型OLED器件,Alq3和ZnSe厚度为35 nm。图 2(a),(b)为3种器件的电流密度/电压(J-V)特性和亮度/电压(L-V)特性曲线。由图可知,在相同电流密度下,无CPL的器件电压与覆盖层为Alq3和ZnSe的器件相当。这是由于CPL位于阴极层的外部,不会影响器件内部的载流子注入、迁移和激子复合等过程,更多的是影响器件的光学特性[11-12]。相同电压下,器件亮度B(ZnSe)>B(Alq3)>B(无CPL),驱动电压为7 V时,覆盖层为ZnSe的器件亮度可达到6000 cd/cm2,尤其在高电压区域,明显看出有覆盖层的器件对光取出有提高作用。并且器件出光的改善也表现在OLED电流效率和功率效率上,如图 2(c)和表 1所示。
表 1 三种OLED器件的性能参数Table 1. Performance parameters of the deviceDevice Voltage/V Luminance/(cd/m2) CIEX CIEY Current efficiency/(cd/A) Without CPL 4.96 1040 0.35 0.40 5.40 Alq3 4.89 1261 0.29 0.35 6.24 ZnSe 4.53 1410 0.31 0.33 6.75 图 2(d)为3种OLED器件的电致发光光谱,如图所示,无覆盖层的OLED器件蓝光峰强度很低,结合器件亮度低和色坐标偏高(表 1),可以判断器件的蓝光出光不畅,导致器件发光效率低。加入覆盖层后,在器件阴极侧形成电介质层/金属层/电介质层结构,增强了耦合出光,对短波长的透过率增强,器件的蓝光峰得到凸显;且覆盖层为ZnSe的器件光谱与Alq3器件相比,蓝光峰强度较强,黄光峰强度较弱,峰位基本不变。图 3(a),(b)为3种器件色坐标(CIEX,CIEY)随亮度变化的曲线,可以看出覆盖层为ZnSe的器件CIEX,CIEY随亮度变化更稳定,亮度范围在(0~8000 cd/m2)时,(CIEX, CIEY)漂移量最小,表现出良好的色稳定性;且ΔCIE(Y-X)=0.02,更接近标准白光范围。
图 4(a)为不同ZnSe厚度的透过率曲线,图 4(b)为三色光激发下不同ZnSe厚度的透过率变化曲线;由图可知,在可见光波长范围内,不同ZnSe厚度的光透过率不同,从整体看,随着ZnSe厚度的增加,其透过率先增后减,结果符合先前文献报道,光学覆盖层厚度的变化会导致器件顶部透过率呈现周期性的变化[13-14]。35 nm和45 nm的ZnSe在可见光范围内透过率增长趋势较为明显,而55 nm和65 nm的ZnSe透过率变化较小。波长在500 nm之前,60 nm厚度的ZnSe透过率最高,波长大于500 nm,45 nm厚度的ZnSe透过率最高。由图 4(b)可知,随ZnSe厚度的增加,三色光的透过率逐渐接近,65 nm时已基本相同。
进一步,我们将不同厚度的ZnSe作为覆盖层合成到顶发射白光OLED上,探究其对顶发射OLED发光效率和光谱的影响。如表 2所示,随着ZnSe厚度的增加,器件电压基本保持不变。图 5(a)为不同厚度ZnSe器件的发光光谱,随着CPL厚度由0增加到45 nm,蓝光峰强度逐渐升高,而将ZnSe厚度进一步提高,器件的蓝光峰强度又逐渐下降。蓝光的强度也影响了整个器件的亮度和发光效率,结合三色光激发下不同ZnSe厚度的透过率变化曲线(图 4(b))分析,ZnSe厚度从35 nm增加到45 nm,器件的透过率逐渐提高,蓝光峰强度逐渐增强,进而导致微腔效应减弱,ZnSe厚度从45 nm增加到65 nm,器件的透过率又逐渐下降,微腔效应增强[15-16]。这也验证了覆盖层的厚度与OLED器件出光效率关系存在周期性[17],与图 4结果相符。如图 5(b)所示,器件亮度、电流效率随ZnSe厚度的增加先增大后减小,在45 nm时取得最大。无CPL的器件电流效率为5.4 cd/m2,45 nm ZnSe作为CPL的器件电流效率达到7.38 cd/m2,电流效率提升约37%。如图 5(c)所示CIEX,CIEY随ZnSe厚度的增加先减小后增大,ZnSe厚度为45 nm时,器件色坐标接近标准白光0.30,0.33,且CIEX与CIEY差值也相对较小,表明此时微腔光谱与发光材料电致发光光谱重合最好,颜色偏移最小[18-19]。
表 2 不同CPL厚度的OLED器件性能参数Table 2. Performance parameters of the device at various thickness of CPLCPL thickness/nm Voltage/V Luminance/(cd/m2) CIEX CIEY Current efficiency/(cd/A) 0 4.96 1040 0.38 0.41 5.4 25 4.55 1339 0.34 0.35 6.58 35 4.53 1410 0.31 0.33 6.75 45 4.52 1461 0.30 0.33 7.38 55 4.54 1460 0.31 0.35 6.96 65 4.52 1447 0.31 0.38 6.9 3. 结论
Alq3和ZnSe作为CPL制备的顶发射白光OLED器件亮度和电流效率明显优于无CPL的OLED器件,并且ZnSe作为CPL制备的OLED器件色坐标(CIEX,CIEY)随亮度变化更平稳,亮度范围在(0~8000 cd/m2)时,(CIEX,CIEY)漂移量最小,表现出良好的色稳定性;通过优化ZnSe厚度,发现当厚度为45 nm时,器件获得的最大电流效率和最大亮度分别为7.38 cd/A和1461 cd/m2,色坐标为(0.30,0.33)。
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表 1 三种OLED器件的性能参数
Table 1 Performance parameters of the device
Device Voltage/V Luminance/(cd/m2) CIEX CIEY Current efficiency/(cd/A) Without CPL 4.96 1040 0.35 0.40 5.40 Alq3 4.89 1261 0.29 0.35 6.24 ZnSe 4.53 1410 0.31 0.33 6.75 表 2 不同CPL厚度的OLED器件性能参数
Table 2 Performance parameters of the device at various thickness of CPL
CPL thickness/nm Voltage/V Luminance/(cd/m2) CIEX CIEY Current efficiency/(cd/A) 0 4.96 1040 0.38 0.41 5.4 25 4.55 1339 0.34 0.35 6.58 35 4.53 1410 0.31 0.33 6.75 45 4.52 1461 0.30 0.33 7.38 55 4.54 1460 0.31 0.35 6.96 65 4.52 1447 0.31 0.38 6.9 -
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