利用自組裝微小透鏡陣列增加有機發(fā)光二極體的光耦合效

1、利用自組裝微小透鏡陣列增加有機發(fā)光二極體的光耦合效率甘惠君1 王文生1 黃文奎2 陳方中11交通大學顯示科技研究所 2交通大學光電研究所E-mail:.tw摘要微透鏡陣列己被使用來增加有機發(fā)光二極體的發(fā)光效率。微小透鏡陣列是利用微接觸印刷定義疏水性區(qū)域後在旋轉(zhuǎn)塗佈透鏡材料（NOA65）。藉由基板親疏水性的不同，使NOA65自動聚集在親水區(qū)域而形成透鏡。最後將微小透鏡陣列貼附在有機發(fā)光二極體上，經(jīng)過量測確定微小透鏡陣列可以增加發(fā)光效率並和模擬結(jié)果相似。關(guān)鍵詞：微小透鏡陣列、微接觸印刷、有機發(fā)光二極體AbstractOne method to enhance

2、the light out-coupling efficiency of organic light emitting diodes (OLEDs) by incorporating microlenses arrays (MLAs) is demonstrated. The MLAs made of prepolymer NOA65 were fabricated on the substrate pre-patterned by microcontact printing of hydrophobic self-assembled monolayers (SAMs). Due to the

3、 hydrophobic effect, the lens material was self-organized on the hydrophilic regions. After assembling the MLA onto the OLED, the optical measurement shows that the light out-coupling efficiency of an OLED with MLAs is improved. The results are also comparable with that from simulation.Keywords: mic

4、rolenses array、microcontact print, organic light-emitting diodes1. 前言微透鏡陣列(microlenses arrays)已被廣泛地應用於各種光電元件之中，像是平面顯示器、光偵測器以及太陽能電池等。目前已經(jīng)有一些技術(shù)成功的被應用於微小透鏡陣列的製作，像是噴墨列印(ink-jet printing)1，熱壓成形(hot embossing)2，以及雷射光刻 (laser direct writing)3，但這些都需要複雜的機器與製程。本論文利用微接觸印刷(micro-contact printing)方法塗佈自組裝單分子層(sel

5、f-assemble monolayers, SAMs)，將玻璃基板的表面定義為親水性以及疏水性，然後將微透鏡陣列材料旋轉(zhuǎn)塗佈在基板之上，因為微透鏡材料為親水性，材料會聚集在親水性的基板表面，並藉由表面張力的作用形成球狀，最後照射紫外光加以固化即完成微透鏡陣列之製作4。決定有機發(fā)光二極體效率的重要因素之一為光耦合效率（cp,ext），其為光耦合出元件的效率。增加有機發(fā)光二極體的光耦合效率的方法有許多，像是加擴散層、改變基板結(jié)構(gòu)5、利用矽做成的微小球體做為散射材料6等等，大多都是以破壞元件內(nèi)的全反射，把元件的光導出來為基礎(chǔ)，至於本篇是利用微小透鏡陣列來改變基板結(jié)構(gòu)以破壞玻璃基板跟空氣間的全反射，

6、依照模擬結(jié)果最多可將光耦合效率提高約60。2. 實驗2.1模擬 利用光學軟體Tracepro做微小透鏡陣列的模擬，用來預測不同大小的透鏡和不同的透鏡間距離所能增加光耦合效率的大小，以期可以得到最大增益的組合。模擬條件在光源設(shè)定方面，設(shè)定為平面光源且場形為Lambertian，面積10mm2，之後在平面光源上加上微小透鏡陣列，其中玻璃和透鏡的折射率分別為1.51872和1.524，最後設(shè)定一偵測面在透鏡上。而透鏡直徑分別設(shè)定為50m、75m和100m，而透鏡間距為5m、10m 和15m，如圖1.所示。除此之外並設(shè)定了不同的接觸角（contact angle）對光耦合效率的影響。detectorG

7、lass 0.2mmsource圖1.模擬設(shè)定模擬結(jié)果以透鏡大小為50m為例，如圖2.所示，其橫座標為不同的接觸角，縱座標為增加的效率，效率算法為式1，其中B1為加了透鏡所得的光電流，B0為未加透鏡之光電流。結(jié)果顯示當透鏡形狀為半球體且間距為5m可以增加最多效率，約增加60%。(1)圖3.表示不同透鏡所增加的效率作比較，透鏡為半圓，透鏡直徑分別為50m、75m和100m，透鏡間距為5m、10m和15m。圖中橫軸為填充率，其填充效率的算法為式2，其中Areacir與Areasqr如圖4所示。(2)圖2.不同接觸角增加不同效率，其中透鏡直徑50m，透鏡間距分別為5m、10m、15m圖3. 不同透鏡

8、直徑與間距所增加不同的效率透鏡直徑r透鏡間距rAreasqrAreacir圖4.fill factor說明由圖3.可以看出當透鏡間距為5m且透鏡直徑為100m可以增加最多效率，當透鏡的填充率越高表示越大面積有透鏡可以將光導出。2.2實驗為了製造擁有好的一致性微小透鏡陣列，我們利用噴嘴塗佈透鏡的材料並且用旋轉(zhuǎn)塗佈來控制薄膜厚度。圖5.說明微小透鏡陣列的製造流程。主要是利用自組裝薄膜（Self-Assembled monolayer,SAMs）做微接觸印刷來定義疏水性區(qū)域的圖形。在微接觸印刷中所利用的印章材料為聚二甲基矽氧烷(poly (dimethylsiloxane),PDMS)，印章上的圖案

9、是從矽做成的模型中複製下來的。利用黃光微影方式在矽基板上做出不同類型且高2m的柱子來當作模型。在傳統(tǒng)的選擇性表面處理的實驗中，把PDMS的印章浸泡在溶有FDTS的溶劑中數(shù)秒。接著拿出印章後用氮氣槍吹乾再將印章和經(jīng)過UV-ozone處理過的玻璃基板接觸後，在印章上加上20gw的壓力持續(xù)數(shù)秒鐘。因為經(jīng)過UV-ozone處理過的玻璃展現(xiàn)出高度的可濕性(wetability)，其接觸角小於5度。而FDTS所形成的SAMs擁有非常低的表面能因此其接觸角大於110度。所以基板的表面特性便被區(qū)分成：經(jīng)過UV-ozone處理後為親水性，而SAMs處理後為疏水性。因為要折射率匹配所以使用了NOA65為微小透鏡的

10、材料，而塗佈方式是用噴嘴把NOA65塗佈在表面上。因為SAMs所造成的疏水性表面擁有不佳的附著力，所以NOA65會因為表面張力而自我聚集成半球體的微小透鏡。最後照UV光5分鐘後即固化形成微透鏡。圖5.微小陣列透鏡製作過程下圖6是以掃瞄式電子顯微鏡（SEM）所拍攝出來的微透鏡圖，其中透鏡直徑100m，間距15m，和我們所使用的PDMS印章圖形相同。圖6.微小陣列透鏡的SEM圖，透鏡直徑100m，透鏡間距15m。接著利用NOA65把做好的微小透鏡陣列貼附在有機發(fā)光二極體之玻璃基板（有機發(fā)光二極體的結(jié)構(gòu)如圖7），利用光偵測器偵測其光電流，最後和沒加透鏡的光電流作比較。圖7.有機發(fā)光二極體的結(jié)構(gòu)3.

11、結(jié)果與討論圖8.為模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較圖，透鏡大小為50m，橫軸為填充係數(shù)，縱軸為增加的效率。由圖8.可以看出實驗結(jié)果跟模擬結(jié)果趨勢相似，但是所增加的效率略微不同，可能的原因有貼上透鏡時所用的UV膠（NOA65）厚度與預設(shè)值不同，或是所貼附的透鏡有缺陷，例如兩三個透鏡相連在一起使透鏡變大，如前文所述大透鏡所增加的效率較大，因此導致實驗所增加的效率略微高於模擬結(jié)果。圖8.模擬與實驗之比較由上述之實驗結(jié)果，驗證了模擬的可信度，因此可以藉由模擬得到最佳的透鏡大小與排列，再應用在元件上，以優(yōu)化元件特性。綜上所述，我們已製作了自組裝微小透鏡陣列，並利用此微透鏡增加了有機發(fā)光二極體的光偶合效率。我們也利

12、用簡單的模擬得到了與實驗相近的結(jié)果，從模擬結(jié)果可推知，若透鏡之接觸角可達到90度，可將光耦合效率提高約60。4. 致謝感謝中華民國國家科學委員會對本計劃之贊助。5. 參考文獻1 D. L. Macfarlane, V. Narayan, J. A. Tatum, W. R. Cox, T. Chen, and D. J. Hayes, "Microjet Fabrication Of Microlens Arrays", Ieee Photonics Technology Letters, 6, pp. 1112-1114 (1994).2 N. S. Ong, Y. H.

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