DE102004023221B4 - Organische Leuchtdiode mit verbesserter Lebensdauer - Google Patents
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Abstract
Durch
die vorliegende Erfindung wird erstmals eine OLED offenbart, in
der durch geschickte Anbringung zumindest einer Schicht aus einem
Co-Polyarylboranpolymer zwischen die Kathode und die Emitterschicht
und/oder zwischen die Anode und die Emitterschicht die Lebensdauer
einer OLED enorm gesteigert wird. Dies gelingt, weil das Co-Polyarylboranpolymer
sich sowohl als lockblockende als auch als elektronenanziehende
Zwischenschicht einsetzen lässt.
Durch den Einsatz zumindest einer solchen Schicht kann insbesondere
der Bereich, in dem Rekombination stattfindet, und die Balance der
Ladungsträger
einer OLED besser kontrolliert und gesteuert werden.
Description
- Die Erfindung betrifft eine organische Leuchtdiode, insbesondere eine mit einer neuartigen Zwischenschicht, die entweder zwischen dem Emitter und der Kathode oder zwischen dem Emitter und der Anode oder einer anderen organischen aktiven Schicht angeordnet sein kann.
- Bekannt sind organische Leuchtdioden (OLED), die in ein paar ausgewählten Farben von orange bis grün bereits eine erste Kommerzialisierung der Technik durchgesetzt haben. Der limitierende Faktor der wirtschaftlichen Umsetzung der OLED-Technologie ist jedoch immer noch deren begrenzte Betriebslebensdauer, die momentan im Bereich von 20,000 Stunden jährlich (für GELB) liegt. Sobald es gelingt, die (Betriebs)-Lebensdauer der Geräte zu erhöhen, könnten die OLEDs Bauelemente und Displays in ganz neue Anwendungsgebieten eingesetzt werden, beispielsweise in der Automobilindustrie oder ähnlichem. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere wünschenswert, langlebige OLED Bauelemente auf der Basis blauer oder weißer Emittermaterialien zu schaffen.
- Im Allgemeinen wird die Lebensdauer der OLEDs durch die Betriebsbedingungen wie Spannung, Stromstärke und/oder Temperatur bestimmt, die andererseits die Leuchtkraft der Diode beeinflussen. Die Lichtemission bei OLEDs ist immer das Ergebnis der Rekombination positiver und negativer Ladungen und/oder Ladungsträger, die durch das Bauelement transportiert wurden. Die Stabilität des Emittermaterials im Hinblick auf Oxidation durch die positiven Ladungsträger und Reduktion durch die negativen Ladungsträger ist oft der limitierende Faktor für die Lebensdauer des gesamten Bauelements. Deshalb ist es besonders wichtig die Balance zwischen den positiven und negativen Ladungsträgern zu halten und die Lage des Be reichs, in dem die Rekombination stattfindet, möglichst optimal zu wählen.
- In einer typischen "small-molecule" OLED ("small-molecule" steht hier für Materialien aus Einzelmolekülen, im Gegensatz zu den Polymeren, die bevorzugt durch Aufdampfen, Aufsputtern etc aufgebracht werden, weniger durch spin coating oder ähnliches) gibt es mehrere Zwischenschichten zusätzlich zu der aktiven Schicht (oder den aktiven Schichten) und den Elektroden. Die Zwischenschichten dienen beispielsweise dazu, den Bereich, in dem Rekombination stattfindet, innerhalb der aktiven Schicht zu halten, jedenfalls entfernt von den Elektroden; und die Zahl der Ladungsträger auszugleichen wenn eine Ladung überkompensiert wird.
- Aus der
DE 102 49 723 A1 ist ein konjugiertes Polymer bekannt, das Arylamin-Einheiten umfasst und dessen Einsatz in Passiv-Matrix-Displays zur Verbesserung der Effizienz bei hohen Leuchtdichten führt. Die dort eingesetzten Triarylboranverbindungen sind alle niedermolekular und nicht polymer verbunden oder vernetzt. - Trotz der Nebenschichten ist es bislang nicht gelungen, die Lebensdauer deutlich zu erhöhen.
- Aufgabe der Erfindung ist daher, eine OLED zu schaffen, die durch geschickte Anordnung und/oder Auswahl zumindest einer Zwischenschicht eine verlängerte Lebensdauer hat.
- Gegenstand der Erfindung ist eine Organische Leuchtdiode (OLED), ein Substrat, darauf eine untere Elektrode, darauf zumindest eine organische aktive Schicht und eine obere Gegenelektrode umfassend, wobei zumindest eine Zwischenschicht aus einem polymeren Triarylboran zwischen einer der organischen aktiven Schicht(en) und der Anode und/oder zwischen einer der organischen aktiven Schicht(en) und der Kathode und direkt im Anschluss an die emittierende Schicht angeordnet ist.
- Triarylborane, die sich gemäß der Erfindung für den Einsatz in einer Zwischenschicht eignen, wurden von der Anmelderin bereits in früheren Dokumenten wie beispielsweise der
DE 10 2004 001 865 A1 beschrieben. - Vorzugsweise wird dabei ein Co-polyarylboran des Typs K eingesetzt,wobei Folgendes gilt:
x, y und z sind molare Teile von Komponenten und ergeben in Summe gleich 1, wobei zwei der Indizes x, y und z auch den Wert 0 haben können,
an den Enden sind Wasserstoff-Atome gebunden,
Arn steht für die jeweilige Arylenkomponente, -Ar1- und/oder -Ar2- und/oder -Ar3- im Copolymer,
dabei stehen Ar1 und Ar2 für Komponenten mit einer bivalent konjugativ verbindenden ein- oder mehrkernigen, aromatischen und/oder heteroaromatischen Arylenstruktur, wobei Ar1 für eine Komponente steht, deren π-Elektronendichte gleich oder größer als die von Benzol ist und Ar2 für eine Komponente, die lochtransportfähig ist,
Ar3 steht für eine Komponente mit einer beliebigen bivalent konjugativ verbindenden ein- oder mehrkernigen heteroaromatischen Arylenstruktur geringer π-Elektronendichte, die gleich oder kleiner als die des Benzols ist,
wobei die π-Elektronendichte von Ar3 in jedem Fall kleiner als die von Ar1 ist,
und
R steht für einen Rest mit Arylstruktur, der je nach beabsichtigter Konjugation des Polyborans R einen heteroaromatischen und/oder einen (homo)-aromatischen Arylrest umfasst, - – der donorfrei ist, wobei eine Konjugation im Polyboran K durch Anlegen eines elektrischen Feldes ausgebildet werden kann, und/oder
- – bei dem mindestens eine zusätzliche Donorfunktion substituiert ist (intrinsische Konjugationsausbildung) und/oder
- – dessen Wasserstoffatome auch beliebig durch einen oder mehrere verzweigte oder unverzweigte Alkylreste oder Alkoxyreste R*, substituiert sein können. Dabei kann es sich bei dem Material um ein sogenanntes „Blend", also eine Mischung mehrerer Polymere, handeln, das mehrere Bestandteile umfasst.
- Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Triarylboran der Zwischenschicht, die zwischen der organischen aktiven Schicht und der Kathode angeordnet ist, aus einem Triarylboran mit Substituenten, die elektronenschiebend sind, also Donoreigenschaften besitzen. Beispielhaft genannt seien folgende Strukturen: Interlayer zwischen Emitter und Kathode:mit R1: Arylen, Hetarylen
mit R2: Aryl oder Donor-hetaryl/aryl-substituent
z.B.: R1 und R2 Arylz.B.: R1 und R2 Donor-hetaryl/aryl-substituent - Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Triarylboran der Zwischenschicht, die zwischen der organischen aktiven Schicht und der Anode angeordnet ist aus einem Triarylboran, das keine Substituenten und insbesondere keine Donorsubstituenten hat, sondern eher elektronenziehend wirkt. An dieser Stelle sollen die Elektronen abgefangen werden, deshalb werden an dieser Stelle beispielsweise Triarylborane der folgenden Strukturen eingesetzt: Interlayer zwischen Pedot und Emitter:mit R1: Arylen, Hetarylen
mit R2: Aryl
z.B.: -
- Diese Co-Polyarylborane können sowohl als Elektronentransportmaterial also auch als „lochblockende" Materialien eingesetzt werden, also sowohl negative als auch positive Ladungen transportieren. Entsprechend können sie zwischen der Anode und der organischen aktiven, also emittierenden Schicht und/oder zwischen der Kathode und der organischen aktiven, also emittierenden Schicht angeordnet werden.
- Der wesentliche Vorteil der Co-Polyarylborane in dem Zusammenhang ist, dass sie sehr gute Elektronentransporteigenschaften haben und Elektronen von dort aus gut in die üblichen Materialien für die organische aktive Schicht injiziert werden können, da die energetischen Niveaus der Orbitale gut harmonieren. Das LUMO- Niveau der Co-Polyarylborane liegt typischerweise zwischen –2eV und –4eV. Auf der anderen Seite werden positive Ladungstransporter (kurz "Löcher" genannt) effizient von der Seite geblockt, weil das HOMO Niveau der Co-Polyarylborane niedriger ist als das der meisten Materialien, die für organische aktive Schichten eingesetzt werden. Insofern verhindert Co-Polyarylboran die Rekombination der Ladungen nicht nur innerhalb der aktiven Schicht sondern überhaupt abseits, also in gewisser Distanz zur Kathode.
- Der Distanz des Rekombinationsbereichs zur Kathode entspricht die Dicke der jeweiligen Schicht, die im Allgemeinen zwischen 3 bis 50 nm, insbesondere zwischen 5 und 45 und insbesondere zwischen 15 und 35 nm liegt.
- Des weiteren können die Co-Polyarylborane für den Spezialfall der OLEDs, die gepulst betrieben werden (beispielsweise in Passiv Matrix Displays) gut als Elektronen-Getter-Materialien eingesetzt werden. Dieser Effekt kann durch die energetische Lage der Moleküle allein nicht erklärt werden, da es sich um einen dynamischen Effekt handelt.
- Es wurde jedoch gezeigt, dass die Co-Polyarylborane als Materialien für die organisch aktive Schicht, also als Emittermaterial, (wenn keine Donorsubstituenten am Co-Polyarylboran gebunden sind) eine sehr langsame Aufladung mit Elektronen zeigen. Dies wird vermutlich darauf zurückgeführt, dass diese Borverbindungen sowohl Elektronenmangelverbindungen als auch nicht konjugierten Verbindungen sind und mit Elektronen geladen werden müssen, bevor sie leitend werden.
- Dieser Effekt wird gemäß der Erfindung genutzt, indem eine Zwischenschicht aus dem Co-Polyarylboranpolymer zwischen der Lochtransport- und der organisch aktiven (Emitter)Schicht eingeführt wird, die geradezu als Kondensatorschicht wirkt, weil sie sich wie ein Kondensator mit Elektronen auflädt. In dem Fall ist ein Co-Polyarylboranpolymer bevorzugt, das keine Donorsubstituenten hat und elektronenziehend wirkt.
- Dieser Effekt kann jedoch nur bei gepulst betriebenen OLEDs gewinnbringend eingesetzt werden, weil es ein dynamischer Effekt ist, aber in dem Fall werden nach jedem kurzen Puls eines beispielsweise mit Wechselstrom betriebenen Displays die Elektronen vor dem Eindringen in die Lochtransportschicht gehindert. Dadurch kann enormer Schaden an der Lochtransportschicht vermieden werden, weil die meisten Materialien für die Lochtransportschicht nicht stabil gegenüber Reduktion durch freie Elektronen sind. Insofern dient der Einsatz der Co-Polyarylboranpolymer Schicht der Verlängerung der Lebensdauer der OLED.
- Die organische aktive Schicht kann entweder eine organische halbleitende Schicht und/oder eine organische Lichtemittierende Schicht sein. Als organisches Material wird hier jede Art von Material bezeichnet mit Ausnahme der traditionellen anorganischen Halbleitermaterialien, also Silizium, Gallium-Arsenid und/oder Mischungen davon enthaltenden Materialien.
- Durch die vorliegende Erfindung wird erstmals eine OLED offenbart, in der durch geschickte Anbringung zumindest einer Schicht aus einem Co-Polyarylboranpolymer zwischen die Kathode und die Emitterschicht und/oder zwischen die Anode und die Emitterschicht die Lebensdauer einer OLED enorm gesteigert wird. Dies gelingt, weil das Co-Polyarylboranpolymer sich so wohl als lochblockende als auch als elektronenanziehende Zwischenschicht einsetzen lässt. Durch den Einsatz zumindest einer solchen Schicht kann insbesondere der Bereich, in dem Rekombination stattfindet und die Balance der Ladungsträger einer OLED besser kontrolliert und gesteuert werden.
- Die erfindungsgemäß ausgeglichene Anzahl an positiven und negativen Ladungsträgern führt zu einer verbesserten Stabilität des Emittermaterials sowie die erfindungsgemäße Einführung eines Lochblockers zwischen den Emitter und der Elektrode zu einem besseren Lichteffekt führt. Schließlich kann mit Hilfe der Erfindung auch noch erreicht werden, dass die Lebensdauer des lochtransportierenden Materials während des Betriebs gesteigert wird, weil die Elektronen in einer Zwischenschicht zwischen dem Lochtransporter und dem Emitter aufgefangen werden.
Claims (4)
- Organische Leuchtdiode (OLED), ein Substrat, darauf eine untere Elektrode, darauf zumindest eine organische aktive Schicht und eine obere Gegenelektrode umfassend, wobei zumindest eine Zwischenschicht aus einem polymeren Triarylboran zwischen einer der organischen aktiven Schicht(en) und der Anode und/oder zwischen einer der organischen aktiven Schicht(en) und der Kathode und direkt im Anschluss an die emittierende Schicht angeordnet ist.
- OLED nach Anspruch 1, wobei das Triarylboran einer Zwischenschicht, die zwischen der emittierenden Schicht und der Kathode angeordnet ist Substituenten hat, die elektronenschiebend sind, also Donoreigenschaften besitzen.
- OLED nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei das Triarylboran einer Zwischenschicht, die zwischen der emittierenden Schicht und der Anode oder einer organischen aktiven Schicht angeordnet ist ein Triarylboran, das keine Substituenten hat und/oder elektronenziehend wirkt, umfasst.
- OLED nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Triarylboran, ein Co-polyarylboran des Typs K ist,wobei Folgendes gilt: x, y und z sind molare Teile von Komponenten und ergeben in Summe gleich 1, wobei zwei der Indizes x, y und z auch den Wert 0 haben können, an den Enden sind Wasserstoff-Atome gebunden, Arn steht für die jeweilige Arylenkomponente, -Ar1- und/oder -Ar2- und/oder -Ar3- im Copolymer, dabei stehen Ar1 und Ar2 für Komponenten mit einer bivalent konjugativ verbindenden ein- oder mehrkernigen, aromatischen und/oder heteroaromatischen Arylenstruktur, wobei Ar1 für eine Komponente steht, deren π-Elektronendichte gleich oder größer als die von Benzol ist und Ar2 für eine Komponente, die lochtransportfähig ist, Ar3 steht für eine Komponente mit einer beliebigen bivalent konjugativ verbindenden ein- oder mehrkernigen heteroaromatischen Arylenstruktur geringer π-Elektronendichte, die gleich oder kleiner als die des Benzols ist, wobei die π-Elektronendichte von Ar3 in jedem Fall kleiner als die von Ar1 ist, und R steht für einen Rest mit Arylstruktur, der je nach beabsichtigter Konjugation des Polyborans R einen heteroaromatischen und/oder einen (homo)-aromatischen Arylrest umfasst, – der donorfrei ist, wobei eine Konjugation im Polyboran K durch Anlegen eines elektrischen Feldes ausgebildet werden kann, und/oder – bei dem mindestens eine zusätzliche Donorfunktion substituiert ist (intrinsische Konjugationsausbildung) und/oder – dessen Wasserstoffatome auch beliebig durch einen oder mehrere verzweigte oder unverzweigte Alkylreste oder Alkoxyreste R*, substituiert sein können. Dabei kann es sich bei dem Material um ein sogenanntes „Blend", also eine Mischung mehrerer Polymere, handeln, das mehrere Bestandteile umfasst.
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