论文总字数：14473字

目 录

一、绪论 4

1.1 OLED的基本介绍 4

1.1.1 OLED研究进程 4

1.1.2 OLED工作原理 4

1.2 光取出技术 5

1.2.1 光取出原理 5

1.2.2 微透镜技术 6

1.2.3 涂布散射层 7

1.2.4 纳米图案与纳米多孔膜 8

1.3 研究意义和主要工作 9

1.3.1 课题的研究意义与目的 9

1.3.2 课题研究原理和主要工作 9

二、微透镜结构的数值模拟方法 11

2.1 时域有限差分的基本算法 11

2.1.1 麦克斯韦旋度方程 11

2.1.2 麦克斯韦旋度方程的差分形式 12

2.2 FDTD软件介绍 14

2.2.1 FOTD solution简介 14

2.2.2 FDTD solution拟真步骤 14

三、微透镜结构对OLED光取出率的影响 17

3.1 占空比对光取出率的影响 19

3.2 透镜尺寸对光取出率的影响 21

3.3 透镜形状对光取出率的影响 23

3.4 综合分析 24

四、总结与展望 28

4.1 总结 28

4.2 展望 28

参考文献： 29

致谢 30

摘 要

耿超

摘要：有机发光二极管(OLED)由于它具有器材厚度薄、可视角度宽、材料柔性好等特点，在信息显示与固态照明领域有着巨大的发展前景，得到了国内外众多研究学者的广泛关注。但由于收到寿命、成本及效率方面的制约，其一直没有能得到普及推广应用。基于目前OLED内量子效率达到近100%，几乎已是理论的极限值，而外量子效率却相反，只有20%左右，本文将通过时域有限差分法软件FDTD solution来讨论微透镜技术对OLED光取出技术的影响。本文着重选取了微透镜的占空比、尺寸和形状这三个参数进行拟真实验，分析从不同的入射角入射时在可见光范围内微透镜结构对光取出率的影响。

关键词：有机发光二极管，光取出，微透镜，FDTD数值仿真

ABSTRACT

Geng Chao

School of Physics and Optoelectronic Engineering, NUIST, Nanjing 21004, China

Abstract: Organic light emitting diode (OLED) has a great development prospect in the information display and solid state lighting field due to its wide viewing angle, thin thickness, fast response, flexible and active luminescence characteristics, so it has received lots of attention from scholars . But so far, due to the constraints in life, cost and efficiency, it has not been able to achieve universal application. Based on the current internal quantum efficiency of OLED reached nearly 100%, almost the theoretical limit, external quantum efficiency, on the contrary, is only about 20%. In this paper, we will discuss the effect of micro lens to OLED light extraction efficiency via the FDTD solution. In this paper, we chose three parameters, the microlensing duty ratio, the size and the shape of micro lens to study and the effect of the micro lens structure on the light extraction rate is analyzed from different incident angles.

Key words: Organic light emitting diode (OLED), light extraction efficiency, micro lens, FDTD solution.

一、绪论

OLED的基本介绍

OLED研究进程

有机发光二极管由于它具有器材厚度薄、可视角度宽、材料柔性好等优点^[4]，在信息显示与固态照明领域有着巨大的发展前景，得到了世界各地学者的密切关注。Pope等在1963年首度发现蒽具有电致发光现象, 在之后的30年里, OLED 已然被视作照明与显示领域的下一任继任者。但由于光取出率的制约，仍未能实现普及化应用。

Tang 和 Van Slyke在1987 年首先制成了高效率的有机发光器件，进而提出EL器件的概念。同时通过加入电子传输层和空穴传输层，使外量子效率大为提高，亮度也突破许多。最重要的是他们还提出了异质结的概念，其由有机电子传输层与空穴传输层组成，能够提高器材两级注入的电子、空穴有较高的重合效率。这就使器件仅需 10V 直流电压驱动。他们研究的这一结果，让人们看到有机电致发光器件的实际应用成为可能，为有机电致发光研究开创了一个新的繁荣期。接下来OLED进入了快速发展阶段。

1990 年，剑桥大学的 Burroughes等研制出了第一个以高分子发光材料聚对苯乙烯为基底的电发光二极管。这一成果表明聚对苯乙烯在单层器件里，由于其不错的发光效率，是很理想的发光材料。

之后Forrest 等人于1997 年又发现了磷光电致发光现象。自从磷光现象被发现后，内量子效率几乎能够达到理论的极限值。所以说由于使用了多层结构与新的发光材料，加快了OLED的实用推广进程。

1998 年，Baldo、Forrest等^[4]制成功地以磷光电致现象为基础，做出了首个磷光电致发光器件。此器件的内量子效率近乎理论上的100%。^[4][4]

从上面对有机电致发光技术的发展历程中，可以看到OLED技术一直在逐步地发展着。 Tang 等人公布其研究成果之后，OLED的发展尤为显著。在 1987年到1998年之间，OLED与三重态的磷光 OLED的研究成果无疑具有着不可比拟的意义的。这充分地说明了OLED已经完成了初期的准备，相关研究日趋成熟，并进入了发展黄金时期。

OLED工作原理

典型OLED 期间的结构如图 1.1所示^[11]，可以看出它是在两个电极之间加入几种不同的有机半导体材料组成。其中，阳极一般选用透明导电材料，常用的是铟锡氧化物材料，而阴极则常选用反射率较为不错的金属，常用的材料是金属铝。如下图所示，空穴传输层放置在材料阳极上，接着是发光层，再上面是电子传输层。

其中，发光层是往基底中掺入合适的发光材料，基底有能传导电子、空穴的材料组成。许多的OLED器件往往要采用一些复杂的多的结构，例如有的OLED所涉及的有机物材料就高达7层！同时，OLED某层材料也不单纯的是同种材料构成，例如电子传输层大范围的来讲可以包含电子注入层、电子传输层及空穴阻挡层；而空穴传输层广义的说，也是包含空穴注入层、电子阻挡层和空穴传输层的。当器件通电后，电子和空穴二者经过ETL和HTL层，在EML层相遇，产生电子-空穴对（激子）。最后，激发态的激子释放出光子，即产生我们的可见光。

图1.1

光取出技术

光取出原理

下面主要介绍OLED期间的发光原理。如上节所述，电子和空穴分别在器件通电后，通过阴极与阳极，在发光层相遇形成电子-空穴对（激子）。最后，激发态的激子释放出光子形成可见光。但由于从器材里所发射出来的光线，其光路并不固定，也就是说各个出射角度的光都有，这就造成了出射角大于材料全反射角的光线被困在了器件内部，如图1.2所示。三种波导模式中，显然是要增强外部模式的占比，减少基底波导与有机层波导的光量占比。另外，由于基底是二氧化硅，与有机材料的折射率不一样，所以光线有又相当的一部分在此处会发生全反射，使得发射的光中仅仅有少部分能最终从基底射出，光量大部分或是从器件边缘射出，或是白白地在基地内部损耗掉。依次用下面三个公式可以计算出基底射出的、损耗在基底内的以及ITO有机层中的光量的占比：

(1.1)

(1.2)

(1.3)

其中，为有机材料的折射率，为有机层-空气界面及有机层-基底界面之间的临界角。 由上述光学计算公式， OLED器件中外部模式所占光量为20%，基底波导模式占了30%，最大一部分是ITO /有机层波导模式,所占比例高达50%！由此可见，我们所期望的，也就是最终能够从基底发出的光只占到了20%！，这根本就远远无法满足照明以及显示领域应用的需要。 从计算结果也可以看出，激子产生的光大部分无法从基底射出，这是限制OLED发光效率提高的最主要因素。 因此许多研究者将研究重点转移到探索如何提高光取出效率的方法上面来。

图1.2

微透镜技术

在基底表面加上微透镜阵列可以提高光取出效率。如图1.3（a）所示，原理是加入微透镜后能够减少了全反射现象。Moller等人利用如图1.3(b)所示直径为10 的聚二甲基硅氧烷微透镜，将外量子效率从9.5% 提高到了 14.5%，而且视角也得到了明显改善了^[2]。

图1.3 （a）微透镜提高光取出率的示意图 （b）PDMS微透镜阵列

在显示领域应用微透镜技术，必定需要缩小透镜的尺寸，并且将其阵列化排列。 这也就意味着透镜与基底要保证较高精度的对位，并且基底在尺寸上要保持低于0.5mm的厚度，不然必定会导致相邻像素之间相互干扰现象的出现。曾经位于日本的一家电气公司就成功地在白色有机电致发光面板表面加入间距为20um、厚度为150um 的棱锥形微透镜，生产出了正面亮度高达5000的发光面板，其发光效率比之前的OLED产品提高了 1.7倍。但归根结底由于生产成本较高，该方法一直未被用于量产.

涂布散射层

涂布散射层技术是借助散射膜，以回收利用困在器材内部的光，并且由于光子在器件内部的轨道是随机的，这也就使得在基底与空气的临界面上发生全反射的光有相当大的一部分能够改变出射角方向，出射到空气中来，增加外部模式的出光量。

Shiang和Duggal等人，在散射层设计理论方面做出了相当大的贡献。他们的做法是将高折射率的小球，分别以不同的浓度混入了PDMS(n=1.42)薄膜中，这层膜的厚度一般只有数毫米。实验取得了相当好的结果，其将OLED的光取出效率提高了约 40%。日本的研究员Yamasaki 等人在2000 年左右，把周期性排布的硅纳米颗粒阵列添加到OLED的背面以及内部作为散射层，如图 1.4所示。此法可以相当有效地把基底和 ITO/有机层中的光再次释放出来，进而成功地达到提高器件光取出效率的目的。

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