提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)及方法，在光源側(cè)與外部介質(zhì)側(cè)之間具有介質(zhì)層，介質(zhì)層中設(shè)有用于改變光傳播方向的微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)呈球狀或棒狀或錐狀，微結(jié)構(gòu)是內(nèi)部為空氣外部為介質(zhì)層的微型結(jié)構(gòu)，或者微結(jié)構(gòu)是由同一種介質(zhì)組成但改變其內(nèi)部晶格排列狀況的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出與介質(zhì)層中其它位置不同的折射率分布。在介質(zhì)層內(nèi)部實現(xiàn)微光學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，微光學(xué)結(jié)構(gòu)改變光在介質(zhì)中的傳播路徑，避免全反射現(xiàn)象的發(fā)生，使得由于全反射而無法被利用的光能被利用起來，光經(jīng)由介質(zhì)而耦合出光的效率增加，顯著提高了光能量的利用率。
【專利說明】提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今在顯示和照明領(lǐng)域中，光源的出光效率在很大程度上影響電子設(shè)備的使用時間，對于移動設(shè)備來說，更是明顯。在眾多發(fā)光光源中，發(fā)光二極管(LED)和有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)逐步替代了先前的冷陰極管(CCFL)等發(fā)光器件，成為市場的主流光源。其中有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)為一種薄膜發(fā)光裝置，通過在發(fā)光體的兩端施加一定的電壓，使得發(fā)光材料中的電子和空穴不斷復(fù)合而發(fā)光。其應(yīng)用的領(lǐng)域可以從照明一直延伸到顯示等各個領(lǐng)域，是個非常有前景的技術(shù)。OLED的出光效率一直是該技術(shù)研究的重點之一，OLED的總出光效率由內(nèi)量子效率和外量子效率共同決定，近些年來，關(guān)于OLED的內(nèi)量子效率已經(jīng)能實現(xiàn)接近100%的效率，而外量子效率還局限于較低的20%左右。光在OLED中被捕獲在三種模態(tài)(表面等離子體模態(tài)、波導(dǎo)模態(tài)、襯底模態(tài))中而不能稱合出OLED器件之外。對于OLED來說當(dāng)今提高外萃取效率的方法大致分為幾種:①排布微透鏡陣列于襯底玻璃外表面；②粗糙化玻璃襯底外表面；③在玻璃內(nèi)表面與ITO之間填充或生長某種物質(zhì)或材料。第①種方案會改變光源原本朗伯分布的情況，改變發(fā)散角，如果用于顯示會有圖像模糊的情況，第②種方案并不適用于顯示，因為在不點亮像素情況下屏幕會有散射現(xiàn)象，第③種方案需要改變當(dāng)前OLED制造的工藝流程，并不適用于大規(guī)模制造。另一方面，發(fā)光二極管(LED)是由II1-1V族化合物,如GaAs (砷化鎵)、GaP (磷化鎵)、GaAsP (磷砷化鎵)等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。在一定條件下，它具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光。LED的總出光效率同樣由內(nèi)量子效率和外量子效率共同決定，內(nèi)量子效率在最佳條件下可以大于50 %，而外量子效率僅有0.1 %?0.7 %。用折射率高的介質(zhì)包裹發(fā)光芯片，則外量子效率可以提高到20% -30%。對于LED來說，提取外萃取效率的方法一般為改變封裝發(fā)光芯片的高折射率材質(zhì)的形狀，破壞全反射，或使用反射杯來提高利用率。其問題在于會改變原本芯片發(fā)光的朗伯分布的光的發(fā)散角度，存在角亮度發(fā)光不均勻的問題，同時由于改變了 LED外部的封裝形狀，使得LED的體積有所增大不利于提高系統(tǒng)的集成度。
[0003]當(dāng)發(fā)光層需要通過某種材料或介質(zhì)耦合至外部時，由于光傳輸介質(zhì)與耦合至外部的介質(zhì)和光源本身所處介質(zhì)存在折射率差，在各個介質(zhì)分界面上會有全反射現(xiàn)象的發(fā)生，而這個現(xiàn)象會使得光反射回光源所在介質(zhì)或局限在光所需穿透的介質(zhì)層中，無法耦合至外部介質(zhì)(例如空氣)，從而導(dǎo)致這部分光能量的損失。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)及其方法。
[0005]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，特點是:在光源側(cè)與外部介質(zhì)側(cè)之間具有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中設(shè)有用于改變光傳播方向的微結(jié)構(gòu)。
[0007]進(jìn)一步地，上述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其中，所述微結(jié)構(gòu)呈球狀或棒狀或錐狀。
[0008]更進(jìn)一步地，上述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其中，所述微結(jié)構(gòu)是內(nèi)部為空氣外部為介質(zhì)層的微型結(jié)構(gòu)。
[0009]更進(jìn)一步地，上述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其中，所述微結(jié)構(gòu)是由同一種介質(zhì)組成但改變其內(nèi)部晶格排列狀況的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出與介質(zhì)層中其它位置不同的折射率分布。
[0010]更進(jìn)一步地，上述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其中，所述微結(jié)構(gòu)由脈沖激光在介質(zhì)層內(nèi)部雕刻形成。
[0011 ] 更進(jìn)一步地，上述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其中，所述微結(jié)構(gòu)沿長度方向延伸至介質(zhì)層表面。
[0012]更進(jìn)一步地，上述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其中，所述光源側(cè)的折射率為nl，介質(zhì)層的折射率為n2，外部介質(zhì)側(cè)的折射率為n3，nl Φ n2, n2 ^ n3。
[0013]本發(fā)明提高光萃取效率的方法，光從光源側(cè)入射至介質(zhì)層，經(jīng)介質(zhì)層耦合至外部介質(zhì)側(cè)的過程中，介質(zhì)層中的微結(jié)構(gòu)改變光的傳播方向，使光能滿足出射條件即出射角小于臨界角，因此光能耦合至外部介質(zhì)中。
[0014]再進(jìn)一步地，上述的提高光萃取效率的方法，其中，所述光源側(cè)的折射率為nl，介質(zhì)層的折射率為n2，外部介質(zhì)側(cè)的折射率為n3，滿足nl幸n2, n2 ^ n3。
[0015]本發(fā)明技術(shù)方案突出的實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在:
[0016]①本發(fā)明在介質(zhì)層內(nèi)部實現(xiàn)微光學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，微光學(xué)結(jié)構(gòu)改變光在介質(zhì)中的傳播路徑，避免全反射現(xiàn)象的發(fā)生，使得由于全反射而無法被利用的光能被利用起來，大幅提高了光能量的利用率；
[0017]②只針對光傳輸?shù)慕橘|(zhì)層進(jìn)行設(shè)計，在不改變光所需穿透介質(zhì)形狀的基礎(chǔ)上顯著提高出光耦合效率，并不會改變目前制作光電器件的工藝流程；
[0018]③非常適合大面積化和工業(yè)量產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會效應(yīng)顯著，堪稱是具有新穎性、創(chuàng)造性、實用性的好技術(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明:
[0020]圖1:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明提出一種新設(shè)計方法，旨在減少光能量限制在各個模態(tài)中的比例，從而提高整體發(fā)光效率。
[0022]如圖1所示，提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，在光源側(cè)I與外部介質(zhì)側(cè)3之間具有介質(zhì)層2，介質(zhì)層2中設(shè)有用于改變光傳播方向的微結(jié)構(gòu)4。
[0023]微結(jié)構(gòu)4呈球狀或棒狀或錐狀等，可以采用多種手段實現(xiàn)制作微結(jié)構(gòu)，比如脈沖激光在介質(zhì)層內(nèi)部雕刻形成，形成微結(jié)構(gòu)的方式并不局限于脈沖激光一種，還可通過在制作玻璃的時候預(yù)留微結(jié)構(gòu)的空間，在制作時就一并完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
[0024]微結(jié)構(gòu)4是內(nèi)部為空氣外部為介質(zhì)層的微型結(jié)構(gòu)，或者，微結(jié)構(gòu)4是由同一種介質(zhì)組成但改變其內(nèi)部晶格排列狀況的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出與介質(zhì)層中其它位置不同的折射率分布。
[0025]微結(jié)構(gòu)4的長度可以設(shè)計成延伸至介質(zhì)層表面或僅在介質(zhì)層內(nèi)部，不破壞介質(zhì)層表面形貌。微結(jié)構(gòu)的形狀及長度可以通過不同的技術(shù)手段進(jìn)行控制(比如調(diào)整激光器發(fā)射光的波長、脈沖頻率、持續(xù)時間、單次脈沖的能量大小等)。根據(jù)不同的需求，微結(jié)構(gòu)的排布可以是隨機(jī)的，也可以是按照陣列方式排布，甚至微結(jié)構(gòu)在介質(zhì)層中的深度位置也可以做各種靈活的排布和改變。
[0026]具體應(yīng)用時，光從光源側(cè)I入射至介質(zhì)層2，經(jīng)介質(zhì)層2耦合至外部介質(zhì)側(cè)3的過程中，介質(zhì)層2中的微結(jié)構(gòu)4改變光的傳播方向，使光能滿足出射條件即出射角小于臨界角，因此光能耦合至外部介質(zhì)中。在介質(zhì)層內(nèi)部實現(xiàn)微光學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，微光學(xué)結(jié)構(gòu)能夠破壞光在介質(zhì)中的傳播路徑，避免全反射現(xiàn)象的發(fā)生，使得由于全反射而無法被利用的光能被利用起來，光經(jīng)由介質(zhì)而耦合出光的效率增加。
[0027]光源側(cè)代表光從該側(cè)入射至介質(zhì)層中，并不表示介質(zhì)層必須緊貼光源側(cè)，可以是光源緊貼介質(zhì)層，也可以是光源經(jīng)過該層的介質(zhì)進(jìn)入上一層介質(zhì)層，其中該層的折射率為nl,光需穿透的介質(zhì)層的折射率為n2,外部介質(zhì)側(cè)的折射率為n3, nl幸n2, n2彡n3。一般情況下，光源經(jīng)過介質(zhì)層耦合至外部介質(zhì)的過程，光線會在介質(zhì)分界面上發(fā)生全反射現(xiàn)象，光就會無法耦合至外部介質(zhì)，能量會損耗掉。而本發(fā)明對介質(zhì)層進(jìn)行了設(shè)計，使介質(zhì)層中具有一些微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)破壞光的原本傳播方向，破壞了全反射效應(yīng)，使得光能滿足出射條件(出射角小于臨界角)，因此光能耦合至外部介質(zhì)中，提高了光能量的利用率。
[0028]微結(jié)構(gòu)的密度對最終耦合出的光能量的多少有影響，光被耦合出的數(shù)量的大小隨著微結(jié)構(gòu)密度的增加而逐漸增加，但當(dāng)微結(jié)構(gòu)密度增大到某一程度時，被耦合出的光線能量無法再增加逐漸會達(dá)到一個飽和的程度，因此微結(jié)構(gòu)的密度有最優(yōu)化的值。微結(jié)構(gòu)處于介質(zhì)中的深度位置對出光能量的大小影響不敏感。微結(jié)構(gòu)排布的形狀在接近均勻排布的情況下對出光能量的大小影響不敏感。微結(jié)構(gòu)的形狀會改變出光的形貌，若為錐狀結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致光型比較集中，若為圓形，會導(dǎo)致光型比較發(fā)散。微結(jié)構(gòu)的形狀、排布、密度等不會導(dǎo)致光譜的譜線發(fā)生漂移。
[0029]綜上所述，本發(fā)明只針對光傳輸?shù)慕橘|(zhì)層進(jìn)行設(shè)計，在不改變光所需穿透介質(zhì)形狀的基礎(chǔ)上大幅提高出光耦合效率，并不會改變目前制作光電器件的工藝流程，非常適合大面積化和工業(yè)量產(chǎn)，具有較高的實用性和經(jīng)濟(jì)價值。
[0030]需要理解到的是:以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于:在光源側(cè)與外部介質(zhì)側(cè)之間具有介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中設(shè)有用于改變光傳播方向的微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述微結(jié)構(gòu)呈球狀或棒狀或錐狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述微結(jié)構(gòu)是內(nèi)部為空氣外部為介質(zhì)層的微型結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述微結(jié)構(gòu)是由同一種介質(zhì)組成但改變其內(nèi)部晶格排列狀況的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出與介質(zhì)層中其它位置不同的折射率分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述微結(jié)構(gòu)由脈沖激光在介質(zhì)層內(nèi)部雕刻形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述微結(jié)構(gòu)沿長度方向延伸至介質(zhì)層表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述介質(zhì)層的材質(zhì)是玻璃或PC膜或PE或PMMA。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光萃取效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述光源側(cè)的折射率為nl，介質(zhì)層的折射率為n2，外部介質(zhì)側(cè)的折射率為n3，nl Φ η2，η2彡η3。
9.權(quán)利要求1所述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)提高光萃取效率的方法，其特征在于:光從光源側(cè)入射至介質(zhì)層，經(jīng)介質(zhì)層耦合至外部介質(zhì)側(cè)的過程中，介質(zhì)層中的微結(jié)構(gòu)改變光的傳播方向，使光能滿足出射條件即出射角小于臨界角，因此光能耦合至外部介質(zhì)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的提高光萃取效率的方法，其特征在于:所述光源側(cè)的折射率為nl，介質(zhì)層的折射率為n2，外部介質(zhì)側(cè)的折射率為n3，滿足nl幸n2，n2 ^ n3。
【文檔編號】H01L51/52GK104466019SQ201410691916
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】王祎君, 陸建鋼, 謝漢萍 申請人:上海交通大學(xué)