DE10140991C2 - Organische Leuchtdiode mit Energieversorgung, Herstellungsverfahren dazu und Anwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine organische Licht emittierende Diode (OLED) oder auch Leuchtdiode genannt, die zumindest ein Substrat, eine Anode, eine Emitterschicht und eine Kathode umfasst mit einer neuartigen Energieversorgung.

Es sind Leuchtdioden bekannt, die durch Anlegen einer Span­ nung Lumineszenz bei gleichzeitigem Stromfluss zeigen. Nach­ teilig an den bisher bekannten OLEDs ist, dass sie ihre Ener­ gie ausschließlich über eine externe elektrische Leistungs­ versorgung erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine OLED mit einem integrier­ ten Energieträger zu schaffen, so dass die OLED mobil, d. h. zumindest teilweise unabhängig von einer Spannungsquelle be­ trieben werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist eine Schichtanordnung aus

• - einer organischen Licht emittierenden Diode (OLED), die zumindest ein Substrat, eine Anode, eine organische Emit­ terschicht und eine Kathode umfaßt, und
• - einem organischen, semitransparenten, photovoltaischen Element als Energieträger, wobei, entweder durch Schaltung und/oder durch Umwelteinfluss die OLED durch den Energie­ träger mit einer Spannung versorgbar ist.

Außerdem sind Gegenstand der Erfindung Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Schichtanordnung aus einer OLED und in­ tegriertem Energieträger und schließlich sind Gegenstand der Erfindung die Verwendungen solcher Schichtanordnungen in Dis­ plays und/oder in electronic paper, wie sie beispielsweise in "Rubber Stamping for Plastic Electronics and fiber Optics" von John A. Rogers in MRS (Materials Research Society) Bulletin/July 2001 Seiten 530 bis 532 beschrieben sind.

Als Energieträger kann ein Energiespeicher, wie z. B. von der Art einer Batterie oder Akku und/oder ein Energiewandler wie z. B. eine photovoltaische Zelle (= Solarzelle) zum Einsatz kommen.

Als Umwelteinfluss kann beispielsweise Strahlung (insbesonde­ re Lichtstrahlung im sichtbaren Spektrum wie z. Bsp. erzeugt von gängigen Beleuchtungskörpern oder auch durch Sonnenstrah­ lung), Wärme, Druck oder eine Schallquelle eingesetzt werden.

Nach einer Ausgestaltung der OLED wirkt der Energieträger, z. B. die photovoltaische Zelle so, dass sie gleichzeitig ein Photodetektor ist, der erkennt, wann z. B. das Handy aus der Tasche genommen und/oder die Handyklappe geöffnet wurde. Hier kann z. B. ein Netzbetreiber des Handys, der relativ viel Strom braucht, erst dann eingespielt werden, wenn die Umge­ bungshelligkeit entsprechend ist. Wenn das Handy im Licht ist, aber nicht in Betrieb, liefert die Solarzelle die Ener­ gie und das Signal, um den Netzbetreiber bei Bedarf auf das Display einzuspielen.

Mittels einer Schaltung kann der Energieträger, der zumindest auch als Energiespeicher wirken müsste, zugeschaltet oder ab­ geschaltet werden.

Da für den Betrieb einer OLED nur niedrige Energiemengen er­ forderlich sind, kann die elektrische Leistung, zum Teil oder auch im Ganzen über photovoltaische Zellen als Energiewandler erzeugt werden. Dabei empfehlen sich semitransparente photo­ voltaische Elemente, die auf der transparenten Seite der OLED angeordnet werden können und zwar so, dass beispielsweise die gesamte Fläche der OLED zur Energiewandlung nutzbar gemacht wird.

Semitransparente photovoltaische Elemente haben bevorzugt eine photoaktive Schicht, die nicht auf Silizium basiert son­ dern die auf der Basis von organischem Material aufgebaut ist.

Eine geeignete photoaktive Schicht (Layer) ist unter anderem aus der US 5,454,880 und der US 5,331,183 bekannt und kann eine oder mehrere halbleitende Kunststoffe, die monomer, oli­ gomer und/oder polymer vorliegen können, sowie anorganische Teilchen und/oder Nanoteilchen umfassen. Es kann eine Mi­ schung aus 2 oder mehreren konjugierten organischen Kunst­ stoffen, anorganischen Teilchen und/oder Nanoteilchen mit ähnlichen oder unterschiedlichen Elektronenaffinitäten und/oder mit ähnlichen oder unterschiedlichen Bandlücken vor­ liegen.

Dünne Schichten von organischen Molekülen, Oligomeren und mo­ lekularen Mischungen können beispielsweise durch thermische Verdampfung, chemical/physical Vapor deposition (CVD) erzeugt werden.

Dünne Schichten von konjugierten Polymeren und Mischungen mit konjugierten Polymeren können durch Spincoaten (Lösungs­ schleudern), aber auch durch andere gängige Druckmethoden wie z. Bsp. Siebdruck, Tintenstrahldrucken, Flexodruck, Tief­ druck, Hochdruck, Flachdruck (oder andere/ähnliche Lösungs­ mittelabscheidungsprozesse) erzeugt werden. Wenn Polymere verwendet werden, können diese Schichten auch auf flexible Substrate abgeschieden werden.

Beispiele typischer halbleitender konjugierter Polymere bein­ halten Polyacetylene (PA) und Derivate davon, Polyisothia­ naphtene (PITN) und Derivate davon, Polythiophene (PT) und Derivate davon, Polypyrrole (PPr) und Derivate davon, Po­ ly(2,5-theinylenevinylene) (PTV) und Derivate davon, Po­ lyfluorene (PF) und Derivate davon, Poly(p-phenylene) (PPP) und Derivate davon, Poly(phenylene vinylene) (PPV) und Deri­ vate davon, als auch Polyquinoline und Derivate davon, Poly­ karbzole und Derivate davon, halbleitendendes Polyanilin (Leukoemeraldine und/oder Leukoemeraldine Base).

Beispiele für Akzeptoren in Donor/Akzeptor Polymermischungen schließen ein, aber sind nicht limitiert auf Poly­ (cyanophenylenevinylene), Fullerene wie C60 und dessen funk­ tionelle Derivate (wie PCBM, PCBR) und organische Moleküle, organometallische Moleküle oder inorganische Nanoteilchen (wie z. Bsp. CdTe, CdSe, CdS, CIS).

Des weiteren können verwendete Solarzellen auch in zwei sepa­ raten Schichten aufgebaut werden, in denen der Donor vom Ak­ zeptor räumlich getrennt ist (z. Bsp: PT/C60 oder PPV/C60)

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die OLED eine Schicht aus semitransparenten photovoltaischen Ele­ menten, wobei eine der Elektroden der OLED auch dem photovol­ taischen Element als Elektrode dient. Dabei werden nicht nur Herstellungskosten gespart, weil die Herstellung einer Elekt­ rodenschicht für das photovoltaische Element entfällt, son­ dern es wird auch der Material- und Platzbedarf für den Ener­ giewandler erniedrigt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energieträger transparent oder zumindest semitransparent. Wenn der Energie­ wandler photovoltaische Zellen umfasst und/oder transparent bzw. semitransparent ist, dann empfiehlt sich eine Anordnung des Energiewandlers innerhalb der OLED so, dass der Energie­ wandler auf der der Lichtquelle zugewandten Seite der emit­ tierenden Schicht der OLED angebracht ist, so dass keine Be­ einträchtigung der Strahlung auf die photovoltaischen Zellen entsteht.

Als Anode für eine OLED wird beispielsweise das transparente ITO (Indium-Zinn-Oxid) oder Gold (Au) verwendet.

Bevorzugt hat die OLED noch eine Lochtransportschicht. Dafür wird beispielsweise eine Schicht von leitfähigem, semitrans­ parentem PANI und/oder PEDOT/PSS verwendet.

Als Emitterschicht und/oder Elektronenleitschicht wird bei­ spielsweise PPV und/oder PF sowie deren Derivate verwendet.

Als Kathode wird beispielsweise Ca, Sm, Y, Mg, Ak, In, Cu, Ag, Au, LiF/Al, LiF/Ca verwendet.

Bevorzugt hat die OLED noch eine Verkapselung. Dazu dient beispielsweise eine Glasschicht die mit der OLED (Solarzelle) verklebt, laminiert etc. wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform gibt es zwischen der OLED und der zumindest einen Solarzelle eine semitransparente Isolationsschicht. Diese Schicht kann neben der Verkapselung und elektrischen Isolation auch noch andere Funktionalitäten haben, z. B. Suaerstoff- und/oder Wasserstabilisatoren, Pola­ risatoren für OLEDs Farbfilter, Antireflexionsschicht für OLED und/oder Solarzellen, Brechungsindexmatcher etc.

Da es bei den OLED Displays öfters Schwierigkeiten gibt, rei­ ne Farben zu erhalten, können die Solarzellen auch als Farb­ filter eingesetzt werden, um aus der gesamten OLED Emission den störenden Teil herauszufiltern.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einiger Figuren erläutert, die bevorzugte Ausführungsbeispiele mit zumindest einem photovoltaischen Element als Energiewandler zeigen.

Fig. 1 bis 6 zeigen die Kombination einer OLED mit einer semitransparenten Solarzelle.

In Fig. 1 erkennt man die Kombination einer OLED 1 mit einer semitransparenten Solarzelle 2, bei der sowohl die Solarzelle 2 als auch die OLED 1 separat produziert werden. Von unten nach oben erkennt man das Substrat 3 (beispielsweise Glas o­ der eine flexible Folie) mit einem Spacer 4 oder Abstandshal­ ter. Durch dieses Substrat dringt der Lichteinfall (Pfeile 9 und in umgekehrter Richtung die Emission der OLED, angedeutet durch die Pfeile 10. Auf diesem Substrat 3 befindet sich die positive Elektrode, die Anode 8, die z. B. aus ITO (indium tin oxide, d. h. Indium Zinn Oxid) sein kann, auf der Anode 8 die semitransparente photoaktive Schicht 7 der Solarzelle 2 (den Absorber) und die Kathode 5, die z. B. aus Calzium (Ca) sein kann. Die Solarzelle 2 wird durch die semitransparente Isola­ tionsschicht 11 versiegelt. Spacer 4 schützen die Kathode 5 vor Beschädigung. Die semitransparente Isolationsschicht 11 dient der OLED 1 als Substrat. Darauf wird die OLED 1 aufge­ baut: Zu erkennen ist wieder von unten nach oben zunächst die Anode 8, dann die photoaktive Schicht der OLED 6 (der Emit­ ter), darauf die Kathode 5 und schließlich die Verkapselung oder Versiegelung 12, die z. B. aus Glas ist.

Die OLED 1 kann dann zum Beispiel versiegelt werden und die semitransparente Isolationsschicht 11 (oder das Substrat 11) der OLED 1 wiederum dient als Versiegelung für die Solarzelle 2.

Fig. 2 gleicht der Fig. 1 weitgehend. Zu sehen ist die Kom­ bination einer OLED 1 mit einer semitransparenten Solarzelle 2, bei der sowohl die Solarzelle 2 als auch die OLED 1 auf dem gleichen Substrat, der semitransparenten Isolations­ schicht 11, die dann beidseitig beschichtet ist, produziert werden. Die OLED 1 und auch die Solarzelle 2 können dann se­ parat versiegelt werden. An die semitransparente Isolations­ schicht 11 grenzen dabei beidseitig die Anoden 8 der beiden Bauelemente OLED 1 und Solarzelle 2 an, darauf jeweils deren photoaktive Schichten 6 und 7 und daran schließen deren Ka­ thoden 5 an.

Fig. 3 zeigt einen Aufbau, bei dem über eine Verbindungs­ elektrode oder Ableitungselektrode 13 die OLED 1 selbsttra­ gend auf der oberen Versiegelungsschicht 12, die z. B. aus Glas sein kann, aufgebracht ist. Die OLED 1 wird auf die Ab­ leitungselektrode 13, die z. B. eine Silberpaste, ein Alumini­ um-Klebestreifen, ein Carbon Black oder eine sonstige Zwischenschicht sein kann, durch Drucken Kleben etc. aufge­ bracht. An die Verbindungs- oder Ableitungselektrode 13 schließt sich wie bei den Fig. 1 und 2, die Kathode 5, die photoaktive Schicht 6 und die semitransparente Isolations­ schicht 11, die ein dünnes Substrat ist, das auch flexibel sein kann, an. Die Isolationsschicht 11 kann hier auch als planarization Layer bezeichnet werden.

Durch die Spacer 4 wird die selbsttragende OLED 1 von der un­ teren semitransparenten Solarzelle 2 getrennt. Der Aufbau der semitransparenten Solarzelle 2 entspricht dem aus Fig. 1.

Hier sieht man die Kombination einer OLED 1 mit einer semi­ transparenten Solarzelle 2, bei der die Solarzelle 2 separat produziert wird. Die OLED 1 kann entweder auf einem optiona­ len eigenen Substrat 12 produziert und versiegelt werden und dann mit der Verbindungselektrode 13, die gleichzeitig auch eine Ableitungselektrode ist, verbunden werden oder die bei­ den einzelnen Elemente werden miteinander durch die Spacer 4 versiegelt.

Das in Fig. 4 gezeigte Beispiel ähnelt wieder in wesentli­ chen Teilen dem Aufbau aus Fig. 1, wobei mittig als Substrat der OLED 1 und Verkapselung der Solarzelle 2 ein dünnes Sub­ strat gezeigt wird, das optional auch mit einer Getter Funk­ tion ausgestattet sein kann. Dies ist die Kombination einer OLED 1 mit einer semitransparenten Solarzelle 2, bei der die Solarzelle 2 separat produziert wird. Die OLED 1 wird z. Bsp in umgekehrter Reihenfolge aufgebaut. Die beiden einzelnen Elemente werden miteinander versiegelt.

In Fig. 5 werden Elemente, die aus den Fig. 3 und 4 be­ kannt sind, verbunden. Hier können die Einzelelemente OLED 1 und Solarzelle 2 optional monolithisch miteinander aufgebaut werden. Zuerst wird die Solarzelle 2 auf dem Substrat 3, das mit der Anode 8 beschichtet ist, gefertigt und mit einer se­ mitransparenten Isolatorschicht 11, die ein optionaler planarization Layer und/oder ein dünnes Substrat das auch flexibel und/oder mit Getter Funktion sein kann, versiegelt. Auf diese Schicht 11 wird die OLED 1 aufgebaut. Der gesamte Aufbau, der die OLED 1 und die Solarzelle 2 umfasst, wird zum Schluss mittels einer passenden Verbindungselektrode 13 versiegelt. Ebenso ist denkbar, dass die semitransparente Isolations­ schicht 11 weggelassen wird und die OLED 1 auf der Anode 8 der Solarzelle 2 aufgebaut wird. OLED 1 und Solarzelle 2 nut­ zen dann die gleiche Elektrode. Diese Ausführungsform zeich­ net sich durch besondere Kompaktheit aus.

Die semitransparente Isolationsschicht 11 erlaubt auch, die beiden Zellen einzeln zu fertigen und dann mit Hilfe dieser Schicht 11 zu verkleben.

In Fig. 6 wird eine Ausführungsform gezeigt, die dem aus Fig. 5 bis auf die Anordnung der Verbindungselektrode 13 gleicht. Hier ist die Verbindungselektrode 13 zwischen der Solarzelle 2 und dem Substrat 3, durch das die Emission der OLED 10 und die Strahlung 9 für die Solarzelle 2 tritt, ange­ ordnet.

Es handelt sich also um die Kombination einer OLED 1 mit ei­ ner semitransparenten Solarzelle 2 bei der die Einzelelemente monolithisch miteinander aufgebaut werden (vgl. Fig. 5). Nur erfolgt hier der Aufbau in umgekehrter Reihenfolge. Zuerst wird die OLED 1 auf einem passenden Substrat gefertigt, mit einer (optionalen) semitransparenten Isolatorschicht 11 pas­ siviert oder versiegelt, wobei auf der optionalen Isolator­ schicht 11 oder auf der Anode 8 der OLED 1 die Solarzelle 2 aufgebaut wird. Das ganze Bauelement wird zum Schluss mittels einer passenden Verbindungselektrode 13 versiegelt.

Die optionale Isolationsschicht 11 erlaubt auch, die OLED 1 und die Solarzelle 2 einzelnen zu fertigen und dann mit Hilfe der Isolationsschicht 11 zu verkleben.

Es ist wieder denkbar, dass die semitransparente Isolations­ schicht 11 weggelassen wird und die OLED 1 auf der Anode 8 der Solarzelle 2 aufgebaut wird. OLED 1 und Solarzelle 2 wür­ den wieder die gleiche Anode 8 nutzen.

Die funktionierende OLED kann zudem noch mehrere Module um­ fassen, so wird eine Steuerelektronik in den meisten Fällen unumgänglich sein, ebenso werden vermutlich mehrere Solarzel­ len verschaltet, um die nötige Betriebsspannung zu liefern, die Solarzelle(n) kann aber auch in Kombination mit anderen Energieträgern zur Betriebsspannung beitragen.

Generell kann die semitransparente Isolationsschicht 11 in diesen Strukturen die verschiedensten Funktionalitäten haben. Sie kann einen Sauerstoff- und/oder Wasser-Stabilisatoren, Polarisator(en) für OLEDs, eventuell auch Farbfilter, Antire­ flexionsschichten für OLEDs oder Solarzellen und/oder Bre­ chungsindexmatcher für Solarzellen und/oder OLEDS etc umfas­ sen.

Obwohl in den Figuren nur Solarzellen als Energieträger be­ schrieben sind, soll die Erfindung keineswegs auf diese Art der Energieträger beschränkt werden, vielmehr sind Energie­ speicher wie Akkus durchaus auch als bevorzugte Ausführungs­ formen zu beschreiben.

Die Zuteilung von Kathode/Anode in den Beispielen ist ebenso lediglich zufällig und soll den Umfang der Erfindung, die hier unter Schutz gestellt werden soll, nicht beschränken. Es ist dem Fachmann klar, dass ein funktionstüchtiges Device auch mit umgeänderter Elektrodenwahl zu erhalten ist.

Ebenso soll die hier gezeigte Anordnung Lichtquelle - semitransparente Solarzelle - OLED nicht beschränkend wirken, sondern es ist durchaus auch ein Aspekt der Erfindung, dass die OLED semitransparent gefertigt wird und der Energieträger nicht transparent ist und hinter der OLED angeordnet.

Die Erfindung betrifft eine organische Licht emittierende Di­ ode (OLED) oder auch Leuchtdiode genannt, die zumindest ein Substrat, eine Anode, eine Lochtransportschicht, eine emit­ tierende Schicht, eine Kathode und eine Verkapselung umfasst. Es wird vorgeschlagen, dass in die OLED ein Energieträger in­ tegriert wird, über den die Spannung, die die OLED zum Leuch­ ten bringt geliefert wird. Der Energieträger kann eine Batte­ rie (Energiespeicher) oder ein Energiewandler (photovoltai­ sches Element) sein.

Claims (10)

1. Schichtanordnung aus einer organischen Licht emittieren­ den Diode (OLED), die zumindest ein Substrat, eine Anode, eine organische Emitterschicht und eine Kathode umfasst, und einem organischen, semitransparenten, photovol­ taischen Element als Energieträger, wobei entweder durch Schaltung und/oder durch Umwelteinfluss die OLED durch den Energieträger mit einer Spannung versorgbar ist.

2. Schichtanordnung nach Anspruch 1, bei der die OLED semit­ ransparent ist.

3. Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Energieträger eine Elektrode der OLED mitnutzt.

4. Schichtanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine semitransparente Isolationsschicht die OLED und den Energieträger trennt.

5. Schichtanordnung nach Anspruch 4, bei der die semitrans­ parente Isolationsschicht noch folgende Funktionalitäten erfüllt:
Sauerstoff- und/oder Wasserstabilisator, Polarisator, Antirefelxionsschicht und Brechungsindexmatcher.

6. Schichtanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Energieträger auf der Seite der emittierenden Schicht der OLED angeordnet ist, die zu einer zur Erzeu­ gung von Energie genutzten Lichtquelle zeigt.

7. Verfahren zur Herstellung einer Schichtanordnung aus ei­ ner OLED, die zumindest ein Substrat, eine Anode, eine Emitterschicht und eine Kathode umfasst und einer Solar­ zelle als Energieträger, zumindest folgende Arbeitsschritte umfas­ send:

• - Aufbau einer Solarzelle auf einem Substrat,
• - Aufbau einer OLED auf einem weiteren Substrat
• - Verbindung der beiden Elemente so, dass das Substrat der OLED als Verkapselung der Solarzelle dient.

8. Verfahren zur Herstellung einer Schichtanordnung aus ei­ ner OLED, die zumindest ein Substrat, eine Anode, eine Emitterschicht und eine Kathode umfasst und einer Solar­ zelle als Energieträger, zumindest folgende Arbeits­ schritte umfassend:

• - Aufbau einer Solarzelle auf einem Substrat,
• - Verkapselung der Solarzelle
• - Aufbau einer OLED auf der Verkapselung der Solarzelle, Verkapselung der kombinierten Solarzelle und OLED.

9. Verfahren zur Herstellung einer Schichtanordnung aus ei­ ner OLED, die zumindest ein Substrat, eine Anode, eine Emitterschicht und eine Kathode umfasst und einer Solar­ zelle als Energieträger, zumindest folgende Beschichtun­ gen umfassend:
auf ein Substrat wird eine negative Elektrode (Katho­ de),
auf die Kathode wird eine photoaktive Schicht für eine Solarzelle,
auf die photoaktive Schicht wird eine positive Elektro­ de (Anode),
auf die Anode eine photoaktive Schicht einer OLED,
auf die photoaktive Schicht eine negative Elektrode und auf diese Schicht eine Verkapselung aufgebracht.

10. Verwendung einer Schichtanordnung nach einem der vorste­ henden Ansprüche in einem Display und/oder in einem "electronic paper".