DE102008039756A1

DE102008039756A1 - Beleuchtungselement und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE102008039756A1
Application number: DE102008039756A
Authority: DE
Inventors: Stefan Prof. Dr. Kaskel; Christian Schrage
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft Beleuchtungselemente und ein Verfahren zur Herstellung dieser Beleuchtungselemente. Aufgabe der Erfindung ist es, Beleuchtungselemete zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig herstellbar sind, eine über die Fläche homogene Beleuchtung erreichen und effizient betrieben werden können. Bei einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement ist eine leuchtende Schicht, die mit einem für Elektrolumineszenz geeigneten Stoff gebildet ist, zwischen zwei flächigen Elektroden ausgebildet. Die Elektroden sind in an sich bekannter Weise an eine elektrische Wechselspannungsquelle angeschlossen. Zumindest eine der Elektroden kann dabei auf einem Substrat ausgebildet sein. In jedem Fall ist mindestens eine der beiden Elektroden mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, mit Graphen oder mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen gebildet. Dabei ist die Schichtdicke für diese Elektrode so gewählt, dass optische Transparenz gegeben ist, so dass durch Elektrolumineszenz hervorgerufene elektromagnetische Strahlung durch diese Elektrode hindurch emittiert und zu Beleuchtungszwecken genutzt werden kann. Die Schichtdicke soll dabei aber so groß sein, dass ein spezifischer elektrischer Widerstand bzw. eine elektrische Leitfähigkeit vorhanden ist, die Elektrolumineszenz der leuchtenden Schicht hervorrufen kann.

Description

Die Erfindung betrifft Beleuchtungselemente und ein Verfahren zur Herstellung dieser Beleuchtungselemente. Sie sind für eine großflächige homogene Beleuchtung über die nutzbare Fläche geeignet.
Die erfindungsgemäßen Beleuchtungselemente können ähnlich wie an sich bekannte lichtemittierende Dioden (LED) oder auch organische Leuchtdioden (OLED's) eingesetzt werden. Dabei ist es bekannt flächige für die Beleuchtung nutzbare Bereiche mit optisch transparenten Elektroden zu versehen. Bevorzugt werden dabei Indium-Zinn-Oxid (ITO) aber auch andere elektrisch leitende Oxide eingesetzt. Üblicherweise werden Kompromisse bezüglich der optischen Transparenz der für die Elektroden eingesetzten Stoffe und ihrer jeweiligen elektrischen Leitfähigkeit eingegangen. Es kommt daher dazu, dass die für die Beleuchtung nutzbare Fläche elektromagnetische Strahlung nicht homogen emittiert und Flächenbereiche in Folge des elektrischen Widerstands der flächigen Elektroden dunkler und andere dagegen heller erscheinen.
Außerdem leidet die Effizienz, da Emissionsverluste durch reduzierte optische Transparenz der Elektrodenwerkstoffe in Kauf genommen werden müssen.
Häufig treten auch Wechselwirkungen zwischen Elektroden- und leuchtenden Stoffen auf, die ebenfalls zu Verlusten führen können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Beleuchtungselemente zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig herstellbar sind, eine über die Fläche homogene Beleuchtung erreichen und effizient betrieben werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Beleuchtungselement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16 hergestellt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement ist eine leuchtende Schicht, die mit einem für Elektrolumineszenz geeigneten Stoff gebildet ist, zwischen zwei flächigen Elektroden ausgebildet. Die Elektroden sind in an sich bekannter Weise an eine elektrische Wechselspannungsquelle angeschlossen. Zumindest eine der Elektroden kann dabei auf einem Substrat ausgebildet sein. In jedem Fall ist mindestens eine der beiden Elektroden mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, mit Graphen oder mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen gebildet. Dabei ist die Schichtdicke für diese Elektrode so gewählt, dass optische Transparenz gegeben ist, so dass durch Elektrolumineszenz hervorgerufene elektromagnetische Strahlung durch diese Elektrode hindurch emittiert und zu Beleuchtungszwecken genutzt werden kann. Die Schichtdicke soll dabei aber so groß sein, dass ein spezifischer elektrischer Widerstand bzw. eine elektrische Leitfähigkeit vorhanden ist, die Elektrolumineszenz der leuchtenden Schicht hervorrufen kann.
Vorteilhaft kann es dabei auch sein, beide für ein Beleuchtungselement erforderlichen Elektroden mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen zu bilden, so dass elektromagnetische Strahlung an beiden Oberflächen des Beleuchtungselements emittiert werden kann.
Für die leuchtende Schicht können bekannte für Elektrolumineszenz geeignete Stoffe eingesetzt werden, wie dies z. B. ZnS:Cu ist. Er kann dabei mit Al³⁺ oder Cl^– co-dotiert sein. Als geeignete Stoffe kommen aber auch ZnS:Cu,Al,Cl, ZnS:Cu,Mn,Cl, ZnS:Cu,I, ZnS:Tb, ZnS:Tm, ZnS:Er, ZnS:Nd, ZnS:Sm, ZnS:Ag, CaS:Ce,Cl, CaS:Eu,Cl oder SrS:Ce,Cl in Frage.
Die leuchtende Schicht muss nicht vollständig aus einem geeigneten Stoff gebildet sein. Ein solcher Stoff kann auch in eine Matrix, beispielsweise einem Polymer eingebettet sein, wobei der Anteil eines für Elektrolumineszenz geeigneten Stoffs bei mindestens 5 Masse-% in der leuchtenden Schicht gehalten sein sollte. Für eine Matrix können Polymere eingesetzt werden, die einen ausreichend hohen spezifischen e lektrischen Widerstand aufweisen, um einen Fluss von elektrischem Strom durch die leuchtende Schicht zu vermeiden. Das durch die elektrische Wechselspannung angeregte elektrische Wechselfeld kann dadurch homogen ausgebildet und die Anregung der leuchtenden Schicht über die Fläche homogen erreicht werden. Der jeweilige für die Wechselfeldelektrolumineszenzanregung geeignete Stoff sollte sich im Polymer homogen verteilen oder dispergieren lassen. Als Polymermatrix eignen sich Acrylate, Silicone, Urethane, Polyamide oder Polyolefine.
Neben mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWCNT) können bevorzugt aber auch einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWNT) für die Ausbildung von Elektroden eingesetzt werden, da mit diesen das Verhältnis der erreichbaren optischen Transparenz zur elektrischen Leitfähigkeit besser ist, also dünnere Schichten für Elektroden den gleichen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen, als vergleichbare mit mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgebildete Elektroden. Auch die Haftung der einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist besser.
Die Schichtdicke von Elektroden, die mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen gebildet sind, sollten im Bereich 15 bis 150 nm, bevorzugt im Bereich 20 bis 30 nm gehalten sein. Bei ggf. noch vertretbaren Transmissionsverlusten kann die Schichtdicke aber auch bis zu 200 nm betragen.
Auf einem Substrat können natürlich auch mehrere Beleuchtungselemente vorhanden sein, die dann auch unterschiedliche für Elektrolumineszenz geeignete Stoffe aufweisen können, so dass elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge emittiert werden kann. Allein oder zusätzlich können dabei auch leuchtende Flächen mit voneinander abweichenden Anteilen an für Elektrolumenszenz geeigneten Stoffen enthalten sein. Es können aber auch variable Schichtdicken von optisch transparenten Elektroden, die mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen gebildet sind oder solche die mit einwandigen und solche die mit mehrwandigen gebildet sind, vorhanden sein. In Elektroden können auch Flächenbereiche vorhanden sein, die unterschiedliche Anteile an Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen aufweisen. Der Anteil und die Schichtdicken können so lokal differenziert sein, so dass ein über die gesamte leuchtende Fläche uneinheitlicher Eindruck erzeugt werden kann. So können z. B. Symbole oder Piktogramme dargestellt werden.
Für eine elektrische Kontaktierung ist es vorteilhaft, die Fläche von Elektroden größer zu wählen, als die den Elektroden zugeordnete leuchtende Schicht. Elektroden sind dann im äußeren Randbereich nicht von der leuchtenden Schicht überdeckt und so ist dieser Bereich der Elektroden für den Anschluss an eine elektrische Wechselspannungsquelle frei gehalten. Solche freien Randbereiche können an sich gegenüberliegenden Seite der leuchtenden Schicht eines Beleuchtungselementes angeordnet sein. Bei mehreren Beleuchtungselementen auf einem Substrat können damit auch elektrische Parallel- oder Reihenschaltungen ausgebildet werden.
Mindestens ein Substrat kann dabei optisch transparent sein, um durch dieses durch Elektrolumineszenz hervorgerufene elektromagnetische Strahlung emittieren zu können. Eine oder mehrere leuchtende Schichten können an beiden Oberflächen mit optisch transparenten Substraten eingeschlossen sein. Substrate können auch flexibel verformbar und beispielsweise aus geeigneten Kunststofffolien hergestellt worden sein.
Die erfindungsgemäßen Beleuchtungselemente können so hergestellt werden, indem eine eigentlich beliebige Elektrode, mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit auf einem Substrat als Fläche aufgebracht wird. Metalle können hierzu beispielsweise in Dünnschichttechnologie (z. B. PVD, CVD) aufgebracht werden.
Auf dieser Elektrode wird dann die eigentlich leuchtende Schicht mit dem für Wechselfeldelektrolumineszenzanregung geeigneten Stoff aufgebracht und als äußere Elektrode dann eine Schicht, die mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen gebildet ist, aufgetragen. Bevorzugt ist es, beide Elektroden mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen auszubilden.
Für den Auftrag wird bevorzugt eine wässrige Dispersion, in der Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen enthalten sind, eingesetzt. Der Auftrag kann in geeigneter Form, wie z. B. Airbruschtechnik erfolgen. Es sind aber auch andere Verfahren, wie z. B. Tauch-, Schleuderbeschichtung, Tintenstrahl-, Sieb, oder Tampondruck einsetzbar. Dabei sollte die Schichtdicke, den optischen und elektrischen Anforderungen des Beleuchtungselements Rechnung tragend, gewählt werden. Dabei sollte auch berücksichtigt werden, um welche Art von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, ein- oder mehrwandige oder es sich nur um Graphen bzw. ein Gemisch handelt, da unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten damit erreicht werden können.
Nach dem Auftrag wird eine solche Schicht für Elektroden getrocknet. Zur Beschleunigung der Trocknung kann das Substrat vorab erwärmt werden. Die Erwärmung von Substraten kann dabei bis in die Nähe der Temperatur erfolgen, bei der der Substratwerkstoff noch temperaturbeständig ist. Die Gewählte Beschichtungstemperatur richtet sich dabei nach dem Siedepunkt des eingesetzten Dispersionsmittels und sollte mindestesn bei diesem liegen. Für die Herstellung optisch transparenter Elektroden mit elektrisch leitenden Oxiden, wie ITO sind aber deutlich höhere Temperaturen erforderlich, was die Auswahl einsetzbarer Substrate deutlich einschränkt.
Günstig ist es, eine so ausgebildete Elektrode einer Reinigung zu unterziehen. Hierfür kann die Schicht mit Ethanol gewaschen und dadurch gereinigt werden.
In der für die Ausbildung von optisch transparenten Elektroden einsetzbaren Dispersion kann zusätzlich Dodecylbenzolsulfonsäure mit einem Natriumsalz dieser Säure enthalten sein. Als Stabilisatoren können aber auch Natriumdodecylsulfat, Natriumdodecylsulfonat, Dodecyltrimethylammoniumbromid, Cetrimethylammoniumbromid, Polystyrolsulfonat Natriumsalz, Polyvinylpyrrolodin, Polyoxyethylenstearylether, Polyoxyethylen(20)stearylether, Polyoxyethylen(100)stearylether, Polyethylenglycol-para-(1,1,3,3-tetramethylbuthyl)phenylether, Polyoxyethylen-sorbitan-monolaurat oder Blockpolymere mit in unterschiedlichen Verhältnissen enthaltenen Ethylenoxid und Propylenoxid enthalten sein. Der in der Dispersion enthaltene Anteil dieser Zusätze kann bei ca. 1 Masse-% liegen.
An Stelle von Wasser können aber auch organische Flüssigkeiten gewählt werden. Bei Einsatz von Alkohol können fluorierte Kohlenstoff-Nanoröhrchen und bei anderen organischen Flüssigkeiten hydrophobisierte Kohlenstoff-Nanoröhrchen bevorzugt für die Herstellung der Dispersion eingesetzt werden.
Bei der Herstellung der Dispersion sollte darauf geachtet werden, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen homogen verteilt enthalten sind und keine Agglomerate oder Cluster von Kohlenstoff-Nanoröhrchen verblieben sind. Hierfür können Ultraschallbäder und allein oder zusätzlich noch in ein Bad einsetzbare Ultraschall emittierende Elemente, wie Ultraschallfinger eingeführt werden.
Für den Auftrag der eigentlich leuchtenden Schicht kann ein Gemisch, in dem neben einem Polymer, wie z. B. Acrylate, ein für Elektroluminszenzanregung geeigneter Stoff enthalten sind, eingesetzt werden. Ein solcher Leuchtstoff kann beispielsweise ZnS:Cu sein, das mit 5 bis ca. 30 Masse-% in der leuchtenden Schicht enthalten ist.
Für die Ausbildung erfindungsgemäßer Beleuchtungselemente können optisch transparente Elektroden aber auch so ausgebildet sein, dass eine Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen enthaltende Paste mit einem Polymer hergestellt und dann auf ein Substrat oder eine leuchtende Schicht für die Ausbildung der Elektrode aufgetragen wird. Danach kann diese getrocknet, ausgehärtet bzw. auspolymersiert werden. Dabei können optisch transparente Polymere mit für die Verarbeitung und den Auftrag geeigneter Viskosität, wie Z. B. PMMA oder Polyaurylacrylat, eingesetzt werden. Die elektrische Leitfähigkeit kann durch die Perkolation von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, bei ausreichend hohen Anteilen der Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder von Graphen gesichert werden. Dies sind einige Milligram pro Gramm Polymer. Es können auch e lektrisch leitende Polymere, wie z. B. PEDOT:PSS eingesetzt werden. Elektroden mit Polymeren erreichen eine höhere Haftfestigkeit.
Erfindungsgemäße Elektroden können auch mit Indium-Zinn-Oxid ausgebildet werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit von Beleuchtungselementen erhöht werden. Kommt es zu einem Bruch, kann die elektrische Leitfähigkeit allein mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufrecht erhalten werden.
Die Transmission zumindest teilweise im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts sollte mindestens 80% und die elektrische Leitfhähigkeit im Bereich 0,001 bis 200 kΩ/sq liegen.
Die Elektrolumineszenz kann bei elektrischen Spannungen im Bereich 100 bis 350 V und Frequenzen im Bereich 50 bis 1000 Hz angeregt werden.
Zwischen Elektroden und leuchtender Schicht oder Substrat können zusätzliche dielektrische Schichten ausgebildet sein, um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Auch diese Zwischenschichten sollten optisch transparent sein. Sie können beispielsweise mit PMMA oder einem transparenten Nanokomposit (Bariumtitanatnanopartikel in einer Polymermatrix) ausgebildet werden. Sie müssen nur einen ausreichend hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen. Ihre Schichtdicke kann im Bereich bis zu 100 μm liegen.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1a bis f in schematischer Form Beispiele erfindungsgemäßer Beleuchtungselemente in einer Drauf- und einer Seitenansicht;
2 Transmissionsspektren für Glassubstrate mit und ohne aufgetragenem Ruß;
3 Transmissionsspektren für Glassubstrat mit einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei unterschiedlichen Flächenwiderständen;
4 Transmissionsspektren für Glassubstrat mit mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei unterschiedlichen Flächenwiderständen;
5 die Transmission bei einer Wellenlänge von 600 nm für Schichtdicken von mit einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildeten Elektroden;
6 die Abhängigkeit des Flächenwiderstandes von der Schichtdicke von mit einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildeten Elektroden;
7 die Transmission bei der Wellenlänge 600 nm für mit einwandigen und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildeten Elektroden bei unterschiedlichen Flächenwiderständen;
8 Lumineszenzintensitäten von Beleuchtungselementen, die mit einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildet sind, in Abhängigkeit der Transmission bei der Wellenlänge 600 nm und des Anteils an für Elektrolumineszenzanregung geeignetem Stoff in leuchtender Schicht;
9 Lumineszenzintensitäten von Beleuchtungs elementen, die mit Elektroden, die mit mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildet sind, in Abhängigkeit der Transmission bei der Wellenlänge von 600 nm und
10 Transmissionsspektren eines mit Elektroden aus Indium-Zinn-Oxid auf Glassubstrat und eines erfindungsgemäßen Beleuchtungselements mit flexiblem Substrat.
Mit 1a bis f sollen in schematischer Form Beispiele erfindungsgemäßer Beleuchtungselemente gezeigt werden. Dabei wird mit der jeweils oben angeordneten Draufsicht und der unten dargestellten Seitenansicht deutlich, dass die Elektroden 1 und 2 eine größere Fläche als die leuchtende Schicht 3 einnehmen können.
Bei Beispiel nach 1a sind an den nach außen weisenden Oberflächen der Elektroden 1 und 2 jeweils ein optisch transparentes Substrat 4 und 5 aus Glas angeordnet. Dabei sind die Substrate 4 und 5 so angeordnet und gestaltet, dass eine elektrische Kontaktierung der Elektroden 1 und 2 einfach möglich ist. Eine elektrische Kontaktierung kann in nicht dargestellter Form auch mittels Durchbrechungen, die in den Substraten 4 und 5 ausgebildet und dann bis zu den Elektroden 1 und 2 geführt sind, erreicht werden.
Bei dem in 1b gezeigten Beispiel sind im Gegensatz zum Beispiel nach 1a zusätzlich zwischen Substraten 4 und 5 und den Elektroden 1 und 2 jeweils eine dielektrische Schicht aus PMMA ausgebildet.
In 1c ist ein Beispiel, bei dem auf einer Fo lie als flexibles Substrat 8 eine Elektrode 2, auf der Elektrode 2 eine leuchtende Schicht 3 und auf dieser eine zweite Elektrode 1 ausgebildet sind, gezeigt.
Bei dem in 1d gezeigten Beispiel sind im Vergleich zum Beispiel nach 1c eine dielektrische Schicht 7 zwischen flexiblem Substrat 8 und Elektrode 2 und eine weitere dielektrische Schicht 6 zwischen der zweiten Elektrode 1 und der leuchtenden Schicht 3 ausgebildet worden.
Bei den beiden in den 1e und f gezeigten Beispielen sind keine Substrate vorhanden. So zeigt 1e ein Beispiel bei dem die beiden Elektroden 1 und 2 die leuchtende Schicht 3 überdecken. Beim Beispiel nach 1f sind zwischen den Elektroden 1 und 2 und der leuchtenden Schicht 3 jeweils eine dielektrische Zwischenschicht 6 und 7 ausgebildet.
Für die Herstellung von Beleuchtungselementen ohne Substrate können temporäre Substrate (z. B. Gläser, Objektträger) eingesetzt werden, auf denen eine Schichtausbildung erfolgt, die später wieder von einem temporären Substrat entfernt werden kann. Beleuchtungselemente ohne Substrat sind flexibel verformbar und weisen eine ausreichende Festigkeit durch die enthaltenen polymeren Bestandteile auf.
Für die Untersuchungen wurden so ausgebildete erfindungsgemäße Beleuchtungselemente und auch Vergleichsbeispiele, die analog ausgebildet waren, eingesetzt.
Mit dem in 2 gezeigten Diagramm kann erkannt werden, dass Elektroden aus Russ, der unter der Handelsbezeichnung Printex XE2 erhältlich ist, bei un terschiedlichen Schichtdicken und demzufolge auch unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten, die optische Transparenz im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts erheblich reduziert ist. Der obere Kurvenverlauf gibt die Transparenz eines Glassubstrats wieder, auf dem Vergleichselektroden aufgebracht waren. Der mittlere Kurvenverlauf gilt für aus Russ ohne bzw. mit zu kleiner elektrischer Leitfähigkeit und der untere Kurvenverlauf gilt für Russ mit einem elektrischen Widerstand von 100 kΩ/sq. Solche mit Russ gebildeten Elektroden weisen eine geringe Haftung und außerdem eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit bei einer nutzbaren optischen Transparenz im interessierenden Wellenlängenbereich auf.
Die 3 und 4 zeigen Transmissionsspektren, die die Abhängigkeit der optischen Transparenz für unterschiedliche mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen für Elektroden und einem Substrat bei Wellenlängen im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts wiedergeben. Dabei sind Elektroden, die mit einwandigen (3) und die mit mehrwandigen (4) Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildet sind, berücksichtigt. Der oberste Kurvenverlauf gibt in beiden Fällen die Transparenz der eingesetzten Substrate aus Glas wieder. Die darunter verlaufenden Kurven repräsentieren unterschiedliche Flächenwiderstände, die von oben nach unten kleiner werden. Der elektrische Widerstand reduziert sich aber bei den Elektroden mit steigender Schichtdicke. Im Vergleich zu Referenzrußen ergibt sich eine deutlich verbesserte Leitfähigkeit.
Mit den in 5 und 6 gezeigten Diagrammen soll der Zusammenhang der Transmission von Schichtdicken und Flächenwiderständen der Elektroden verdeutlicht werden. Hier ist dies für die Wellenlänge 600 nm in 5 und in 6 für den Flächenwiderstand berücksichtigt.
Die 7 betrifft das Verhältnis der Transmission bei der Wellenlänge 600 nm in Bezug zum Flächenwiderstand für mit einwandigen und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildeten Elektroden.
Das in 8 gezeigte Diagramm soll den Zusammenhang der Intensität emittierter elektromagnetischer Strahlung mit Elektroden, die mit SWCNT und als Vergleich mit solchen aus ITO gebildet waren, wiedergeben. In den leuchtenden Schichten waren unterschiedliche Anteile an ZnS:Cu enthalten. Die Beleuchtungselemente wurden mit einer elektrischen Wechselspannung von 250 V bei einer Frequenz von 400 Hz betrieben. Die Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik ist so erheblich.
Dieser analoge Sachverhalt geht aus dem in 9 gezeigten Diagramm für MWCNT im Vergleich zu Elektroden aus ITO hervor.
Mit dem in 10 gezeigten Diagramm soll das Transmissionsverhalten eines mit Indium-Zinn-Oxid beschichteten Glassubstrats im Vergleich mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement, das mit zwei Elektroden, die mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildet waren, einer leuchtenden Schicht und einer 250 μm Dicken Folie aus Polycarbonat hergestellt war, vergleichen.
Neben Glassubstraten und solchen aus Polyethylen, die bereits erwähnt worden sind, kann aber auch Polycarbonat eingesetzt werden. So kann eine solche Folie mit einer Dicke von 250 μm bei der Erfindung einge setzt werden. Der Erweichungspunkt dieser Folie liegt bei 150°C. Dadurch kann der Auftrag der Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthaltenden Dispersion problemlos bei Temperaturen um 110°C durchgeführt werden, wodurch die Entfernung der Flüssigkeit deutlich beschleunigt werden kann.
Für die Ausbildung einer leuchtenden Schicht kann eine Mischung von 30 Masse-% ZnS:Cu mit Rest Polymermatrix eingesetzt werden. Auf der leuchtenden Schicht kann dann wieder eine Elektrode mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen in bereits beschriebener Art aufgetragen und getrocknet sowie ggf. gereinigt werden.
Ein solches Beleuchtungselement kann auch in gebogenem Zustand genutzt werden, ohne dass es beschädigt wird oder seine Eigenschaften beeinträchtigt werden.

Claims

Beleuchtungselement bei dem zwischen zwei flächigen Elektroden (1, 2), eine mit einem für Wechselfeldelektrolumineszenzanregung geeigneten Stoff gebildete leuchtende Schicht (3) angeordnet ist und dabei mindestens eine der Elektroden (1, 2) als eine optisch transparente Schicht mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen gebildet ist.
Beleuchtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (1, 2) mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen gebildet sind.
Beleuchtungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (1, 2) mit einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildet ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (1, 2) auf einem Substrat (4, 5, 8) oder einer auf einem Substrat (4, 5, 8) ausgebildeten dielektrischen Zwischenschicht (6, 7) ausgebildet ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Elektroden (1, 2) eine Schichtdicke im Bereich 15 bis 200 nm aufweist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (1, 2) mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Indium-Zinn-Oxid gebildet ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Elektroden (1, 2) größer als die Fläche der leuchtenden Schicht (3) ist, und im freien nicht von der leuchtenden Schicht (3) überdeckten Randbereich der Elektroden (1, 2) eine elektrisch leitende Kontaktierung für den Anschluss an eine elektrische Wechselspannungsquelle vorhanden ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einer Elektrode (1, 2) und leuchtender Schicht (3) eine dielektrische Zwischenschicht (6, 7) ausgebildet und/oder eine dielektrische Schicht (6, 7) auf mindestens einer Elektrode (1, 2) ausgebildet ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (1, 2) mit einem optisch transparenten Polymer gebildet ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (4, 5, 8) optisch transparent ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungselement, zumindest im Bereich der leuchtenden Schicht (3), an beiden Oberflächen mit einem optisch transparenten Substrat (4, 5) eingeschlossen ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Substrat (8) flexibel verformbar ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an in einer Elektrode (1, 2) enthaltenen Kohlenstoff-Nanoröhren und/oder Graphen lokal differenziert ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke von Elektroden (1, 2) lokal differenziert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Beleuchtungselements nach einem der vorherhegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ausbildung mindestens einer optisch transparenten Elektrode (1, 2) eine mit einer Flüssigkeit, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen gebildete Dispersion auf eine leuchtende Schicht (3), die mit einem für Elektrolumineszenz geeigneten Stoff gebildet ist, aufgetragen und anschließend bei erhöhter Temperatur getrocknet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Beleuchtungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem isolierenden oder leitfähigen Polymer, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphen gebildete Paste auf eine leuchtende Schicht (3), die mit einem für Elektrolumineszenz geeigneten Stoff gebildet ist, aufgetragen und anschließend bei erhöhter Temperatur getrocknet oder ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildete(n) Elektrode(n) (1, 2) nach der Trocknung durch Waschen mit Ethanol gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Dispersion zusätzlich Dodecylbenzolsulfonsäure und ein Natriumsalz dieser Säure, Natriumdodecylsulfat, Natriumdodecylsulfonat, Dodecyltrimethylammoniumbromid, Cetrimethylammoniumbromid, Polystyrolsulfonat Natriumsalz, Polyvinylpyrrolodin, Polyoxyethylenstearylether, Polyoxyethylen(20)stearylether, Polyoxyethylen(100)stearylether, Polyethylenglycol-para-(1,1,3,3-tetramethylbuthyl)phenylether, Polyoxyethylen-sorbitan-monolaurat oder Blockpolymere aus Ethylenoxid und Propylenoxid als Stabilisator enthalten ist/sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13, 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion mittels Airbrusch, Tauch-, Schleuderbeschichtung, Tintenstrahl-, Sieb, oder Tampondruck aufgebracht wird.