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EP1552569A2 - Lichtemittierende anordnung - Google Patents

Lichtemittierende anordnung

Info

Publication number
EP1552569A2
EP1552569A2 EP03795765A EP03795765A EP1552569A2 EP 1552569 A2 EP1552569 A2 EP 1552569A2 EP 03795765 A EP03795765 A EP 03795765A EP 03795765 A EP03795765 A EP 03795765A EP 1552569 A2 EP1552569 A2 EP 1552569A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
doped
layers
printed circuit
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03795765A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Leo
Jan Blochwitz-Nimoth
Martin Pfeiffer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NovaLED GmbH
Original Assignee
NovaLED GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NovaLED GmbH filed Critical NovaLED GmbH
Publication of EP1552569A2 publication Critical patent/EP1552569A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K77/00—Constructional details of devices covered by this subclass and not covered by groups H10K10/80, H10K30/80, H10K50/80 or H10K59/80
    • H10K77/10—Substrates, e.g. flexible substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0313—Organic insulating material
    • H05K1/0353—Organic insulating material consisting of two or more materials, e.g. two or more polymers, polymer + filler, + reinforcement
    • H05K1/0366—Organic insulating material consisting of two or more materials, e.g. two or more polymers, polymer + filler, + reinforcement reinforced, e.g. by fibres, fabrics
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the invention relates to a light-emitting arrangement consisting of a printed circuit board and a light-emitting component with organic layers, in particular organic light-emitting diodes according to the preamble of claim 1.
  • Candidates for the realization of large-area displays consist of a sequence of thin (typically 1 to 1 ⁇ m) layers of organic materials, which are preferably vapor-deposited in a vacuum or spun on or printed in their polymeric form. After electrical contact through metal layers, they form a variety of electronic or optoelectronic components, such as Diodes, light emitting diodes,
  • OLEDs Light-emitting diodes
  • organic-based components compared to conventional inorganic-based components (semiconductors such as silicon, gallium arsenide) is that it is possible to produce very large-area display elements (screens, screens).
  • the organic raw materials are relatively inexpensive compared to the inorganic materials (low material and energy expenditure). On top of that, due to their low process temperature compared to inorganic materials, these materials can be applied to flexible substrates, which opens up a whole range of new applications in display and lighting technology.
  • Common components are an arrangement of one or more of the following Layers represent: a) carrier, substrate, b) base electrode, hole injecting (positive pole), transparent, c) hole injecting layer, d) hole transporting layer (HTL), e) light emitting layer (EL), f) electron transporting layer ( ETL), g) electron-injecting layer, h) top electrode, usually a metal with low work function, electron-injecting (negative pole), i) encapsulation, to exclude environmental influences.
  • Layers represent: a) carrier, substrate, b) base electrode, hole injecting (positive pole), transparent, c) hole injecting layer, d) hole transporting layer (HTL), e) light emitting layer (EL), f) electron transporting layer ( ETL), g) electron-injecting layer, h) top electrode, usually a metal with low work function, electron-injecting (negative pole), i) encapsulation, to exclude environmental influences.
  • the light emerges through the transparent base electrode and the substrate, while the cover electrode consists of non-transparent metal layers.
  • Common materials for hole injection are almost exclusively indium tin oxide (ITO) as an injection contact for holes (a transparent degenerate semiconductor).
  • ITO indium tin oxide
  • Materials such as aluminum (AI), AI in combination with a thin layer of lithium fluoride (LiF), magnesium (Mg), calcium (Ca) or a mixed layer of Mg and silver (Ag) are used for electron injection.
  • the light emission not take place towards the substrate, but through the cover electrode.
  • a particularly important example of this are, for example, displays or other lighting elements based on organic light-emitting diodes which are built up on non-transparent substrates such as printed circuit boards. Since many applications combine several functionalities such as electronic components, keyboards and display functions, it would be extremely advantageous if they could all be integrated on the circuit board with as little effort as possible. Printed circuit boards can be fully automatically populated with high throughput, which means enormous cost savings in the production of a large-area integrated display.
  • circuit boards in the sense of the present invention we mean all devices or substrates in which other functional components than the OLEDs in can be integrated in a simple manner (for example by bonding, soldering, gluing, plug connections).
  • These can be conventional circuit boards, but also ceramic circuit board-like substrates on one side of which the OLEDs and on the other side and electrically connected to the OLED are various electrical functional elements.
  • the substrates similar to printed circuit boards can be flat but also curved.
  • cover electrode is the cathode
  • cover electrode is the cathode
  • a transparent contact material e.g. ITO or zinc doped indium oxide (e.g., US Patent No. 5,703,436 (SR Forrest et al.), Filed on March 6, 1996; US Patent No. 5,757,026 (SR Forrest, et al.), Filed on April 15, 1996; US Patent No. 5,969,474 (M. Arai), filed October 24, 1997).
  • Atoms of the first main group in the electron injecting layer on the cathode are poorly suited for electron injection, which increases the operating voltages of such an LED.
  • the addition of Li or similar atoms on the other hand leads to instabilities of the component due to the diffusion of the atoms through the organic layers.
  • the alternative option to the transparent cathode is to reverse the order of the layers, that is, to make the hole-injecting transparent contact (anode) as the cover electrode.
  • the implementation of such inverted structures with the anode on the LED presents considerable difficulties in practice. If the layer sequence is completed by the hole-injecting layer, then it is necessary to apply the usual material for hole injection, indium tin oxide (or an alternative material) to the organic layer sequence (e.g. US Pat. No. 5,981,306 (P. Burrows et al., Filed September 12, 1997). This usually requires process technologies that are poorly compatible with the organic layers and may lead to damage.
  • inverted OLED on many non-transparent substrates
  • efficient electron injection typically requires materials with a very low work function.
  • this can be circumvented in part by introducing intermediate layers such as LiF between the electrode and the electron-conducting layer (Hung et al. 1997 US5677572, Hung et al. Appl. Phys. Lett. 70, 152 (1997)).
  • intermediate layers such as LiF between the electrode and the electron-conducting layer
  • these intermediate layers only become effective if the electrode is subsequently evaporated (M.G. Mason, J. Appl. Phys. 89, 2756 (2001)).
  • the contact metals commonly used on printed circuit boards do not allow efficient electron injection due to their larger work functions or are not suitable for charge carrier injection due to the formation of an oxide layer.
  • OLEDs are very sensitive to the normal atmosphere, especially oxygen and water. In order to prevent rapid degradation, a very good seal is essential. This is not guaranteed with a printed circuit board (permeability rates for water and oxygen of less than 10 "4 grams per day and square meter are required).
  • the object of the present invention is to provide a printed circuit board with a display or lighting function based on organic light-emitting diodes, the light emission being intended to take place with high power efficiency and durability (high stability).
  • the compatibility of the organic light-emitting diodes is achieved by a suitable novel layer sequence according to claim 1.
  • a thin, highly doped organic intermediate layer is used, which ensures efficient injection of charge carriers, a layer being used in the sense of the invention which forms a morphology with crystalline components.
  • An organic intermediate layer with a high glass transition temperature can then be used for smoothing, which in turn is doped for efficient injection and for producing a high conductivity.
  • the layer structure can be similar to that of a conventional (anode on the substrate side) or inverted (cathode on the substrate side) organic light-emitting diode.
  • a preferred embodiment for an inverted OLED with doped transport layers and block layers is described, for example, in German patent application DE 101 35 513.0 (2001), X. Zhou et al., Appl. Phys. Lett. 81, 922 (2002). It is also advantageous to use a highly doped protective layer before the transparent anode (or cathode in the case of a normal layer structure) is applied to the component.
  • Doping in the sense of the invention means the addition of organic or inorganic molecules to increase the conductivity of the layer.
  • acceptor-like molecules are used for the p-doping of a hole transport material and donor-like molecules for the n-doping of the electron transport layer. This is shown in detail in patent application DE 10 13 551.3.
  • Vias are necessary for the electrical connection of the individual OLED contacts on one side of the substrate (e.g. printed circuit board) to the electronic components mounted on the other side of the substrate (e.g. printed circuit board). These are to be carried out using known technology.
  • Heating the OLED and the substrate is not a problem in the solution proposed here, since the doped layers are very stable against heat development and can also dissipate them very well. Heat sinks as described in US 6201346 are therefore not necessary.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a light-emitting arrangement according to the invention with a layer sequence of an inverted doped OLED with a protective layer
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a light-emitting arrangement according to the invention with a structure of an OLED with an anode arranged at the bottom on a non-transparent substrate,
  • Figure 3 shows a third embodiment of a light-emitting arrangement according to the invention as in Figure 2 without a separate smoothing layer
  • Figure 4 shows a fourth exemplary embodiment of a light-emitting arrangement according to the invention as in Figure 2 with a combined hole-injecting and hole-transporting layer.
  • an advantageous embodiment of a structure of an inventive representation of an organic light-emitting diode (in inverted form) on a printed circuit board includes the following layers if the printed circuit board material as such already has a sufficiently low permeability to oxygen and water, or by other means it has:
  • - thinner electron-side block layer 6 made of a material whose band layers match the band layers of the layers surrounding them
  • hole-side block layer 8 (typically thinner than layer 7) made of a material whose band layers match the band layers of the layers surrounding them
  • Electron-side block layer 28 (typically thinner than layer 7) made of a material, the band layers of which match the band layers of the layers surrounding them
  • Protective layer 30 (typically thinner than layer 7), morphology with a high crystalline content, highly n-doped
  • thinner hole-side block layer 26 made of a material whose band layers match the band layers of the layers surrounding them
  • thinner block layer 26 on the hole side made of a material whose band layers match the band layers of the layers surrounding them, light-emitting layer 27,
  • block layer 28 on the electron side (typically thinner than layer 27) made of a material whose band layers match the band layers of the layers surrounding them,
  • Protective layer 30 (typically thinner than layer 27), morphology with a high crystalline content, highly n-doped
  • the dopants can be organic or inorganic molecules.
  • a solution for a structure with an inverted layer sequence is to be specified here.
  • electroluminescent and electron-conducting layer 20nm Alq 3 ,
  • 50th protective layer 20 nm zinc phthalocyanine, multicrystalline, 50: 1 doped with F -TCNQ, alternatively: 20 nm pentacene, multicrystalline, 50: 1 doped with F -TCNQ,
  • layer 45 acts as an electron conductor and as a block layer.
  • the doped electron-conducting layers (43, 44) were doped with a molecular dopant (cesium). In the following example, this doping is carried out with a molecular dopant:
  • Electrode copper (cathode) 43.5nm Alq3 (aluminum tris-quinolate), doped with pyronine B 50: 1
  • Electroluminescent and electron-conducting layer are 47. Electroluminescent and electron-conducting layer:
  • p-doped layer lOOnm Starburst 2-TNATA 50: 1 doped with F 4 -TCNQ,
  • 50th protective layer 20 nm zinc phthalocyanine, multicrystalline, 50: 1 doped with F -TCNQ, alternatively: 20 nm pentacene, multicrystalline, 50: 1 doped with F 4 -TCNQ,
  • the mixed layers (43, 44, 49.50) are produced in a vapor deposition process in vacuo in mixed evaporation.
  • such layers can also be produced by other methods, e.g. vaporization of the substances onto one another with subsequent possibly temperature-controlled diffusion of the substances into one another; or by other application (e.g. spin coating or printing) of the already mixed substances in or outside the vacuum.
  • the dopant must still be activated during the manufacturing process or in the layer by suitable physical and / or chemical measures (eg light, electrical, magnetic fields).
  • the layers (45), (47), (48) were also evaporated in vacuo , but can also be made differently, e.g. by hurling on inside or outside the vacuum.
  • Sealing layers can also be used.
  • An example of this is the sealing by means of SiOx layers (silicon oxide), produced by means of plasma glazing (CVD process, 'chemical vapor deposition' process) of SiO x layers, which has properties comparable to colorlessness and transparency to the glass.
  • Nitrogen oxide layers (NOx) can also be used, which are also produced by a plasma-assisted process. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electroluminescent Light Sources (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Anordnung, bestehend aus einer Leiterplatte und einem lichtemittierenden Bauelement mit organischen Schichten. Das Bauelement weist wenigstens eine Ladungsträgertransportschicht für Elektronen bzw. Löcher aus einem organischen Material (5, 9, 25, 29, 45, 49) und eine Licht emittierenden Schicht aus einem organischem Material (7, 27, 47) auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass die organische Schichtenfolge auf einer Leiterplatte als Substrat aufgebracht ist und mit mindestens einer dotierten Transportschicht zur Verbesserung der Elektronen- bzw. Löcherinjektion versehen ist. Weiterhin können Schichten zur Verbesserung der substratseitigen Elektronen- oder Löcherinjektion (3, 23, 43) und Glättungsschichten (4, 24) eingesetzt werden.

Description

Lichtemittierende Anordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Anordnung, bestehend aus einer Leiterplatte und einem lichtemittierenden Bauelement mit organischen Schichten, insbesondere organische Leuchtdiode nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Organische Leuchtdioden sind seit der Demonstration niedriger Arbeitsspannungen von Tang et al. 1987 [C.W. Tang et al., Appl. Phys. Lett. 51 (12), 913 (1987)] aussichtsreiche
Kandidaten für die Realisierung großflächiger Displays. Sie bestehen aus einer Reihenfolge dünner (typischerweise lnm bis lμm) Schichten aus organischen Materialien, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder in ihrer polymeren Form aufgeschleudert oder gedruckt werden. Nach elektrischer Kontaktierung durch Metallschichten bilden sie vielfältige elektronische oder optoelektronische Bauelemente, wie z.B. Dioden, Leuchtdioden,
Photodioden und Transistoren, die mit ihren Eigenschaften den etablierten Bauelementen auf der Basis anorganischer Schichten Konkurrenz machen. Im Falle der organischen
Leuchtdioden (OLEDs) wird durch die Injektion von Ladungsträgern (Elektronen von der einen, Löcher von der anderen Seite) aus den Kontakten in die dazwischen befindlichen organischen Schichten infolge einer äußeren angelegten Spannung, der folgenden Bildung von
Exzitonen (Elektron-Loch-Paaren) in einer aktiven Zone und der strahlenden Rekombination dieser Exzitonen, Licht erzeugt und von der Leuchtdiode emittiert.
Der Vorteil solcher Bauelemente auf organischer Basis gegenüber den konventionellen Bauelementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) besteht darin, dass es möglich ist, sehr großflächige Anzeigeelemente (Bildschirme, Screens) herzustellen. Die organischen Ausgangsmaterialien sind gegenüber den anorganischen Materialien relativ preiswert (geringer Material- und Energieaufwand). Obendrein können diese Materialien aufgrund ihrer gegenüber anorganischen Materialien geringen Prozesstemperatur auf flexible Substrate aufgebracht werden, was eine ganze Reihe von neuartigen Anwendungen in der Display- und Beleuchtungstechnik eröffnet.
Übliche Bauelemente stellen eine Anordnung aus einer oder mehrerer der folgenden Schichten dar: a) Träger, Substrat, b) Basiselektrode, löcherinjizierend (Pluspol), transparent, c) Löcher injizierende Schicht, d) Löcher transportierende Schicht (HTL), e) Licht emittierende Schicht (EL), f) Elektronen transportierende Schicht (ETL), g) Elektronen injizierende Schicht, h) Deckelektrode, meist ein Metall mit niedriger Austrittsarbeit, elektroneninjizierend (Minuspol), i) Kapselung, zum Ausschluss von Umwelteinflüssen.
Dies ist der allgemeinste Fall, meistens werden einige Schichten weggelassen (außer b, e und h), oder aber eine Schicht kombiniert in sich mehrere Eigenschaften.
Der Lichtaustritt erfolgt bei der beschriebenen Schichtfolge durch die transparente Basiselektrode und das Substrat, während die Deckelektrode aus nicht transparenten Metallschichten besteht. Gängige Materialien für die Löcherinjektion sind fast ausschließlich Indium-Zinn-Oxid (ITO) als Injektionskontakt für Löcher (ein transparenter entarteter Halbleiter). Für die Elektroneninjektion kommen Materialien wie Aluminium (AI), AI in Kombination mit einer dünnen Schicht Lithiumfluorid (LiF), Magnesium (Mg), Kalzium (Ca) oder eine Mischschicht aus Mg und Silber (Ag) zum Einsatz.
Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, dass die Lichtemission nicht zum Substrat hin, sondern durch die Deckelektrode erfolgt. Ein besonders wichtiges Beispiel hierfür sind z.B. Displays oder andere Leuchtelemente auf der Basis organischer Leuchtdioden, die auf intransparenten Substraten wie beispielsweise Leiterplatten aufgebaut werden. Da viele Anwendungen mehrere Funktionalitäten wir beispielsweise elektronische Bauelemente, Tastaturen und Displayfunktionen vereinen, wäre es außerordentlich vorteilhaft, wenn diese alle mit möglichst geringem Aufwand auf der Leiterplatte integriert werden könnten. Leiterplatten können mit hohem Durchsatz vollautomatisch bestückt werden, was enorme Kosteneinsparungen bei der Produktion eines großflächigen integrierten Displays bedeutet. Unter Leiterplatten im Sinne der hier vorliegenden Erfindung verstehen wir also alle Vorrichtungen bzw. Substrate, bei denen andere Funktionelle Bauelemente als die OLEDs in einfacher Weise (z.B. durch Bonden, Löten, Kleben, Steckverbindungen) integriert werden können. Dies können herkömmliche Leiterplatten sein, aber auch keramische Leiterplattenähnliche Susbtrate auf deren einer Seite sich die OLEDs und auf deren anderer Seite und elektrisch verbunden mit den OLED sich verschiedene elektrische Funktionselemente befinden. Die Leiterplattenähnlichen Substrate können flach aber auch gebogen ausgeführt sein.
Die hierfür notwendige Emission durch die Deckelektrode kann für die oben beschriebene Reihenfolge der organischen Schichten (Deckelektrode ist die Kathode) dadurch erreicht werden, dass eine sehr dünne herkömmliche Metallelektrode aufgebracht wird. Da diese bei einer Dicke, welche hinreichend hohe Transmission aufweist, noch keine hohe Querleitfähigkeit erreicht, muss darauf noch ein transparentes Kontaktmaterial aufgebracht werden, z.B. ITO oder Zink dotiertes Indium-Oxid (z.B. US Patent Nr. 5,703,436 (S.R. Forrest et al.), eingereicht am 6.3.1996; US Patent Nr. 5,757,026 (S.R. Forrest et al.), eingereicht am 15.4.1996; US Patent Nr. 5,969,474 (M. Arai), eingereicht am 24.10.1997). Weitere bekannte Realisierungen dieser Struktur sehen eine organische Zwischenschicht zur Verbesserung der Elektronen-Injektion vor (z.B. G. Parthasarathy et al., Appl. Phys. Lett. 72, 2138 (1997); G. Parthasarathy et al., Adv. Mater. 11, 907 (1997)), welche teilweise durch Metallatome wie Lithium dotiert sein kann (G. Parthasarathy et al., Appl. Phys. Lett., 76, 2128 (2000)). Auf diese wird dann eine transparente Kontaktschicht (meistens ITO) aufgebracht. Allerdings ist ITO ohne Beimischung von Lithium o.a. Atomen der ersten Hauptgruppe in die Elektroneninjizierende Schicht an der Kathode schlecht zur Elektroneninjektion geeignet, was die Betriebsspannungen einer solchen LED erhöht. Die Beimischung von Li oder ähnlichen Atomen führt auf der anderen Seite zu Instabilitäten des Bauelementes wegen Diffusion der Atome durch die organischen Schichten.
Die alternative Möglichkeit zur transparenten Kathode besteht im Umkehren der Schichtreihenfolge, also der Ausführung des löcherinjizierenden transparenten Kontaktes (Anode) als Deckelektrode. Die Realisierung solcher invertierter Strukturen mit der Anode auf der LED bereitet in der Praxis jedoch erhebliche Schwierigkeiten. Wenn die Schichtfolge durch die löcherinjizierende Schicht abgeschlossen wird, so ist es erforderlich, das gebräuchliche Material für die Löcherinjektion, Indium-Zinn-Oxid (oder ein alternatives Material), auf die organische Schichtfolge aufzubringen (z.B. US Patent Nr. 5,981,306 (P. Burrows et al.), eingereicht am 12.9.1997). Dies verlangt meist Prozeßtechnologien, die mit den organischen Schichten schlecht verträglich sind und unter Umständen zur Beschädigung führen.
Ein entscheidender Nachteil der invertierten OLED auf vielen intransparenten Substraten ist die Tatsache, dass effiziente Elektronen-Injektion typischischerweise Materialien mit sehr niedriger Austrittsarbeit verlangt. Bei nichtinvertierten Strukturen kann dies teilweise dadurch umgangen werden, dass zwischen der Elektrode und der elektronenleitenden Schicht Zwischenschichten wie LiF eingebracht werden (Hung et al. 1997 US5677572, Hung et al. Appl. Phys. Lett. 70, 152 (1997)). Es wurde jedoch gezeigt, dass diese Zwischenschichten nur wirksam werden, wenn die Elektrode anschließend aufgedampft wird (M.G. Mason, J. Appl. Phys. 89, 2756 (2001)). Damit ist ihre Verwendung bei invertierten OLEDs nicht möglich. Dies betrifft insbesondere auch invertierte Strukturen, welche auf Leiterplatten aufgebracht werden. Die auf Leiterplatten üblichen Kontaktmetalle (Kupfer, Nickel, Gold, Palladium, Zinn und Aluminium) erlauben aufgrund Ihrer größeren Austrittsarbeiten keine effiziente Elektroneninjektion bzw. sind wegen der Bildung einer Oxidschicht nicht zur Ladungsträgerinjektion geeignet.
Eine weitere Problematik bei der Realisierung von organischen Leuchtdioden besteht in der vergleichsweise großen Rauhigkeit von Leiterplatten. Dies führt dazu, dass häufig Defekte auftreten, da in den organischen Leuchtdioden an Stellen mit geringerer Schichtdicke Feldspitzen und Kurzschlüsse auftreten. Das Kurzschluss-Problem Hesse sich durch OLEDs mit dicken Transportschichten lösen. Dies führt aber im Allgemeinen zu einer höheren Betriebsspannung und verringerter Effizienz der OLED.
Eine weitere Problematik bei der Realisierung einer organischen Leuchtdiode oder eines organischen Displays auf einer Leiterplatte ist die Abdichtung der OLED zum Substrat hin. OLED sind gegen die Normalatmosphäre, insbesondere gegen Sauerstoff und Wasser sehr emfindlich. Um eine schnelle Degradation zu verhindern, ist eine sehr gute Abdichtung unabdingbar. Dies ist bei einer Leiterplatte nicht gewährleistet (Permeabilitätsraten für Wasser und Sauerstoff von unter 10"4 Gramm pro Tag und Quadratmeter sind erforderlich).
In der Literatur sind schon Verbindungen von organischen Leuchtdioden und Leiterplatten, auf denen sich die Treiberchips zum Ansteuern der OLEDs befinden, vorgeschlagen worden. Ein Ansatz ist der von Chingping Wei et al. (US 5703394, 1996; US 5747363, 1997, Motorola Inc.), Juang Dar-Chang et al. (US 6333603, 2000) und E.Y. Park (US 2002/44441, 2001) vorgeschlagene, bei dem das Substrat auf dem die OLEDs hergestellt werden und die Leiterplatte auf dem sich die elektrischen Bauteile zum Ansteuern der OLEDs befinden zwei getrennte Teile sind und diese nachher miteinander verbunden werden.
In der Patentanmeldung von Kusaka Teruo (US 6201346, 1998, NEC Corp.) wird die Verwendung von ,Heat sinks' (also Wärmeableitenden Elementen) auf der Rückseite der Leiterplatte (auf der Vorderseite befinden sich die OLEDs) während der Herstellung der OLEDs vorgeschlagen. Diese Heat Sinks sollen ein Aufheizen der OLED und des Substrates während des Herstellungsprozesses der OLED verhindern.
Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, eine Leiterplatte mit Display- oder Leuchtfunktion auf Basis organischer Leuchtdioden anzugeben, wobei die Lichtemission mit hoher Leistungseffizienz und Langlebigkeit (hohe Stabilität) erfolgen soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in dem Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die Kompatibilität der organischen Leuchtdioden wird durch eine geeignete neuartige Schichtenfolge gemäß Anspruch 1 erreicht. Hierzu wird eine dünne hochdotierte organische Zwischenschicht verwendet, die für eine effiziente Injektion von Ladungsträgern sorgt, wobei im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Schicht verwendet wird, die eine Morphologie mit kristallinen Anteilen bildet. Anschließend kann zur Glättung eine organische Zwischenschicht mit hoher Glastemperatur verwendet werden, wobei diese wiederum zu effizienten Injektion und zur Herstellung einer hohen Leitfähigkeit dotiert ist. Im folgenden kann der Schichtaufbau einer konventionellen (Anode auf der Substratseite) oder invertierten (Kathode auf der Substratseite) organischen Leuchtdiode gleichen.
Eine bevorzugte Ausführung für eine invertierte OLED mit dotierten Transportschichten und Blockschichten ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 101 35 513.0 (2001), X. Zhou et al., Appl. Phys. Lett. 81, 922 (2002) gegeben. Vorteilhaft ist ebenfalls die Verwendung einer hochdotierten Schutzschicht bevor die transparente Anode (oder Kathode bei normalem Schicht-Aufbau) auf das Bauelement aufgebracht wird. Unter Dotierung im Sinne der Erfindung verstehen wir die Beimischung von organischen oder anorganischen Molekülen zur Steigerung der Leitfähigkeit der Schicht. Dazu werden für die p-Dotierung eines Löchertransportmaterials Akzeptorartige Moleküle und für die n-Dotierung der Elektronentransportschicht Donatorartige Moleküle verwendet. Dies ist in der Patentanmeldung DE 10 13 551.3 ausführlich dargestellt.
Zur elektrischen Verbindung der einzelnen OLED-Kontakte auf der einen Seite des Substrates (z.B. Leiterplatte) mit den auf der anderen Seite des Substrates (z.B. Leiterplatte) aufgebrachten Elektronikbausteinen sind Durchkontaktierungen notwendig. Diese sollen in bekannter Technik ausgeführt werden.
Ein Aufheizen der OLED und des Substrates stellt bei der hier vorgeschlagenen Lösung kein Problem dar, da die dotierten Schichten sehr stabil gegenüber Wärmeentwicklung sind und diese auch sehr gut ableiten können. Heat Sinks wie in US 6201346 beschrieben sind daher nicht notwendig.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen mit Materialien noch näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnung zeigt:
Bild 1 eine erstes Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäßen lichtemittierenden Anordnung mit einer Schichtfolge einer invertierten dotierten OLED mit Schutzschicht,
Bild 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Anordnung mit einer Struktur einer OLED mit einer unten angeordneten Anode auf nichttransparenten Substrat,
Bild 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Anordnung wie in Bild 2 ohne eine separate Glättungsschicht und Bild 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Anordnung wie in Bild 2 mit einer zusammengefassten Löcher injizierenden und Löcher transportierenden Schicht.
Wie in Bild 1 dargestellt, beinhaltet eine vorteilhafte Ausführung einer Struktur einer erfindungsgemäßen Darstellung einer organischen Leuchtdiode (in invertierter Form) auf einer Leiterplatte beinhaltet folgende Schichten, wenn das Leiterplattenmaterial als solches bereits eine genügend geringe Permeabilität gegenüber Sauerstoff und Wasser aufweist, oder durch andere Mittel diese aufweist:
- Leiterplatte 1
- Elektrode 2 aus einem in der Leiterplattenfertigung üblichen Material (Kathode=Minuspol) - n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht 3
- n-dotierte Glättungsschicht 4
- n-dotierte Elektronentransportschicht 5
- dünnere elektronenseitige Blockschicht 6 aus einem Material dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt - löcherseitige Blockschicht 8 (typischerweise dünner als Schicht 7) aus einem Material, dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt
- p-dotierte Löcher injizierende und transportierende Schicht 9
- Schutzschicht 10 (typischerweise dünner als Schicht 7), Morphologie mit hohem kristallinem Anteil, hoch p-dotiert - Schutzschicht 10 (typischerweise dünner als Schicht 7), Morphologie mit hohem kristallinem Anteil, hoch p-dotiert
- Schutzschicht 10 (typischerweise dünner als Schicht 7), Morphologie mit hohem kristallinem Anteil, hoch p-dotiert
- Elektrode 11, löcherinjizierend (Anode = Pluspol), vorzugsweise transparent - Kapselung 12, zum Ausschluss von Umwelteinflüssen Eine vorteilhafte Ausführung einer Struktur einer erfindungsgemäßen OLED mit der üblichen Schichtfolge (Anode unten auf nichttransparentem Substrat) ist in Bild 2 dargestellt:
- Leiterplatte 21
- Elektrode 22 aus einem in der Leite lattenfertigung üblichen Material (Anode=Plusρol) - p-dotierte Löcher injizierende und transportierende Schicht 23
- p-dotierte Glättungsschicht 24
- p-dotierte Löchertransportschicht 25
- dünnere löcherseitige Blockschicht 26 aus einem Material dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt - lichtemittierende Schicht 27
- elektronenseitige Blockschicht 28 (typischerweise dünner als Schicht 7) aus einem Material, dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt
- n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht 29
- Schutzschicht 30 (typischerweise dünner als Schicht 7), Morphologie mit hohem kristallinem Anteil, hoch n-dotiert
- Elektrode 31, elektroneninjizierend (Kathode=Minuspol), vorzugsweise transparent
- Kapselung 32, zum Ausschluß von Umwelteinflüssen
Es ist auch im Sinne der Erfindung, wenn die jeweilige Glättungsschicht 4 oder 24 weggelassen wird oder aus einem zum Material der entsprechenden injizierenden Schicht 3 oder 23 oder der entsprechenden transportierenden Schichten 5 oder 25 und 6 oder 26 identischen oder ähnlichen Material besteht. Eine solche vorteilhafte Ausführung ist in Bild 3 dargestellt:
- Leiterplatte 21
- Elektrode 22 aus einem in der Leiterplattenfertigung üblichen Material (Anode=Pluspol)
- p-dotierte Löcher injizierende und transportierende Schicht 23, - p-dotierte Löchertransportschicht 25
- dünnere löcherseitige Blockschicht 26 aus einem Material dessen Bandlagen zu denBandlagen der sie umgebenden Schichten passt
- lichtemittierende Schicht 27 - elektronenseitige Blockschicht 28 (typischerweise dünner als Schicht 27) aus einem
Material, dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt,
- n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht 29,
- Schutzschicht 30 (typischerweise dünner als Schicht 27), Morphologie mit hohem kristallinem Anteil, hoch n-dotiert - Elektrode 31, elektroneninjizierend (Kathode=Minuspol), vorzugsweise transparent,
- Kapselung 32, zum Ausschluß von Umwelteinflüssen.
Ein invertierter Schichtaufbau mit dann zwei Elektronentransportschichten ist analog aufgebaut.
Unter Umständen kann die Löcherinjizierende Schicht und die Löchertransportierende Schicht auch zusammengefasst werden. Eine solche vorteilhafte Ausführung ist in Bild 4 dargestellt:
- Leiterplatte 21 - Elektrode 22 aus einem in der Leiterplattenfertigung üblichen Material
(Anode=Pluspol)
- p-dotierte Löcher injizierende und transportierende Schicht 23,
- dünnere löcherseitige Blockschicht 26 aus einem Material dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt, - lichtemittierende Schicht 27,
- elektronenseitige Blockschicht 28 (typischerweise dünner als Schicht 27) aus einem Material, dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt,
- n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht 29,
- Schutzschicht 30 (typischerweise dünner als Schicht 27), Morphologie mit hohem kristallinem Anteil, hoch n-dotiert
- Elektrode 31, elektroneninjizierend (Kathode=Minuspol), vorzugsweise transparent
- Kapselung 32, zum Ausschluß von Umwelteinflüssen Ein invertierter Schichtaufbau mit dann nur einer Elektronentransportschicht analog aufgebaut.
Weiterhin ist es auch im Sinne der Erfindung, wenn nur eine Seite (löcher- oder elektronenleitende) dotiert sein. Die molaren Dotierungskonzentrationen liegen typischerweise im Bereich von 1:10 bis 1:10000. Falls die Dotanden wesentlich kleiner sind als die Matrixmoleküle, können in Ausnahmefällen auch mehr Dotanden als Matrixmoleküle in der Schicht sein (bis 5:1). Die Dotanden können organische oder anorganische Moleküle sein.
Nachfolgend sind weitere Ausführungsbeispiele ohne Zeichmmgen angegeben.
Als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel soll hier eine Lösung für einen Aufbau mit invertierter Schichtfolge angegeben werden.
Fünftes Ausführungsbeispiel :
41. Substrat (Leiterplatte)
42. Elektrode: Kupfer (Kathode)
43. 5nm Alq3 (Aluminium-tris-quinolate), dotiert mit Cäsium 5:1 44. 40nm Bathophenanthrolin (Bphen), dotiert mit Cäsium 5:1 45. 5 nm BPhen, undotiert
47. elektrolumineszierende und elektronenleitende Schicht: 20nm Alq3,
48. löcherseitige Blockschicht: 5nm Triphenyldiamin (TPD), 49. p-dotierte Schicht: lOOn Starburst 2-TNATA 50:1 dotiert mit F4-TCNQ,
50. Schutzschicht: 20nm Zink-Phthalocyanin, multikristallin, 50:1 dotiert mit F -TCNQ, alternativ: 20 nm Pentacen, multikristallin, 50:1 dotiert mit F -TCNQ,
51. transparente Elektrode (Anode): Indium-Zinn-Oxid (ITO).
Hier wirkt die Schicht 45 als Elektronenleitende und als Blockschicht. Im Beispiel 6 wurden die dotierten Elektronenleitenden Schichten (43,44) mit einem molekularen Dotanden (Cäsium) dotiert. Im folgenden Beispiel wird diese Dotierung mit einem molekularen Dotanden vorgenommen: Sechstes Ausführungsbeispiel:
41. Substrat (Leiterplatte)
42. Elektrode: Kupfer (Kathode) 43.5nm Alq3 (Aluminium-tris-quinolate), dotiert mit Pyronin B 50:1
44.40nm Bathophenanthrolin (Bphen), dotiert mit Pyronin B 50:1
45.5 nm BPhen, undotiert
47. elektrolumineszierende und elektronenleitende Schicht:
20nm Alq3, 48. löcherseitige Blockschicht: 5nm Triphenyldiamin (TPD),
49. p-dotierte Schicht: lOOnm Starburst 2-TNATA 50:1 dotiert mit F4-TCNQ,
50. Schutzschicht: 20nm Zink-Phthalocyanin, multikristallin, 50:1 dotiert mit F -TCNQ, alternativ: 20 nm Pentacen, multikristallin, 50:1 dotiert mit F4-TCNQ,
51. transparente Elektrode (Anode): Indium-Zinn-Oxid (ITO).
Die gemischten Schichten (43,44,49,50) werden in einem Aufdampfprozeß im Vakuum in Mischverdampfung hergestellt. Prinzipiell können solche Schichten auch durch andere Verfahren hergestellt werden, wie z.B. einem Aufeinanderdampfen der Substanzen mit anschließender möglicherweise temperaturgesteuerter Diffusion der Substanzen ineinander; oder durch anderes Aufbringen (z.B. Aufschleudern oder Drucken) der bereits gemischten Substanzen im oder außerhalb des Vakuums. Unter Umständen muss der Dotand während des Herstellungsprozesses oder in der Schicht durch geeignete physikalische und/oder chemische Massnahmen (z.B. Licht, elektrische, magnetische Felder) noch aktiviert werden Die Schichten (45), (47), (48) wurden ebenfalls im Vakuum aufgedampft, können aber auch anders hergestellt werden, z.B . durch Auf schleudern innerhalb oder außerhalb des Vakuums.
Es können auch Abdichtschichten Verwendung finden. Ein Beispiel hierzu ist die Abdichtung mittels SiOx-Schichten (Siliziumoxid), hergestellt durch eine Plasmaglasur (CVD- Verfahren, , chemical vapour deposition' - Verfahren) von SiOx- Schichten erreicht werden, die vergleichbare Eigenschaften wie Farblosigkeit und Transparenz zum Glas besitzt. Ebenso können Stickoxid-Schichten (NOx) Verwendung finden, die ebenso durch ein plasmaunterstütztes Verfahren hergestellt werden. Bezugszeichenliste
1 Leiterplatte,
2 Elektrode (Kathode=Minuspol), 3 n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht,
4 n-dotierte Glättungsschicht
5 n-dotierte Elektronentransportschicht
6 elektronenseitige Blockschicht
7 lichtemittierende Schicht, 8 löcherseitige Blockschicht
9 9p-dotierte Löcher injizierende und transportierende Schicht,
10 Schutzschicht
11 Elektrode, löcherinjizierend (Anode=Pluspol)
12 Kapselung 21 Leiterplatte
22 Elektrode (Anode=Plusρol),
23 p-dotierte Löcher injizierende und transportierende Schicht,
24 p-dotierte Glättungsschicht
25 p-dotierte Löchertransportschicht 26 löcherseitige Blockschicht
27 lichtemittierende Schicht,
28 elektronenseitige Blockschicht
29 n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht
30 Schutzschicht 31 Elektrode (Kathode=Minusρol)
32 Kapselung

Claims

Patentansprüche
1. Lichtemittierende Anordnung bestehend aus einer Leiterplatte und einem lichtemittierenden Bauelement mit organischen Schichten, insbesondere organische Leuchtdiode, bestehend aus wenigstens einer Ladungstragertransportschicht für
Elektronen bzw. Löcher aus einem organischen Material (5,9,25,29,45,49) und einer Licht emittierenden Schicht aus einem organischem Material (7,27,47), dadurch gekennzeichnet, dass das lichtemittierende Bauelement eine dotierte Transportschicht aufweist, die mit dem Kontaktmaterial der Leiterplatte (2,22,42) verbunden ist, wobei die Dotierung im Falle einer Löchertransportschicht (23) zunächst dem
Leiterplattenkontaktmaterial (22) aktzeptorartig und im Falle einer Elektronentransportschicht (3,43) zunächst dem Leiterplattenkontaktmaterial (2,42) donatorartig dotiert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dotierte Injektions- und Transportschicht (3,23,43) und der Kontaktschicht der Leiterplatte (2,22,42) eine oder mehrere weitere dotierten Transportschichten (4,5,24,25,44,45) aufgebracht sind.
3. Anordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dotierten Injektions- und Transportschicht (3,23,43) und der substratseitigen Transportschicht (5,25,45) eine dotierte Glättungsschicht (4,24,44) aus einem Material mit hoher Glastemperatur aufgebracht ist
4. Anordnung nach Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der
Schichten: substratseitige Injektions-und Transportschicht (3,23,43), Glättungsschicht (4,24,44) und substratseitige Transportschicht (5,25,45) dotiert ist und diese die dickste der beteiligten substratseitigen Transportschichten ist.
5. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die molare
Konzentration der Beimischung in den dotierten Injektions- und Transportschichten (3,23,43), der Glättungsschicht (4,24,44), und den Transportschichten (5,9,25,29,45,49) im Bereich 1:100.000 bis 5:1 bezogen auf das Verhältnis Dotierungsmoleküle zu Hauptsubstanzmoleküle liegt.
6. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (11) transparent oder semitransparent und mit einer Schutzschicht (12) versehen ist.
7. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Substrat abgewandte Kontaktschicht (11) metallisch und semitransparent ist.
8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass über der semitransparenten Metallschicht eine weitere transparente Kontaktschicht zur Querleitung aufgebracht ist
9. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte ein beliebiges Substrat ist, bei dem die lichtemittierenden Bauelemente mit elektrischen funktionalen Bauelementen kombiniert und elektrisch verbunden werden werden, wobei die elektrischen Bauelemente nicht direkt auf dem Substrat hergestellt werden.
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