DE60306720T2

DE60306720T2 - Oled-flächenbeleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60306720T2
Application number: DE60306720T
Authority: DE
Inventors: Ronald Steven Rochester Cok
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Global OLED Technology LLC
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2023-05-17
Also published as: TW200400658A; EP1367674B1; EP1367674A1; US6565231B1; JP2004031341A; CN100409723C; TWI277229B; KR20030091809A; CN1462162A; DE60306720D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung organischer Leuchtdiodenvorrichtungen für die Flächenbeleuchtung.
Aus Leuchtdioden hergestellte Halbleiterbeleuchtungsvorrichtungen werden für Anwendungen immer wichtiger, die robust und langlebig sein sollen. Beispielsweise kommen Halbleiter-LEDs heute in zahlreichen Automobilanwendungen zum Einsatz. Diese Vorrichtungen werden üblicherweise durch Kombination mehrerer kleiner LED-Vorrichtungen gebildet, die eine Punktlichtquelle in ein einzelnes Modul zusammen mit Glaslinsen bilden, die derart ausgelegt sind, dass sie das Licht wie für eine bestimmte Anwendung gewünscht steuern (siehe beispielsweise WO99/57945, veröffentlicht am 11. November 1999). Diese Vielzahl von Vorrichtungen ist teuer und aufwändig zu fertigen und in Einflächenbeleuchtungsvorrichtungen zu integrieren. Außerdem liefern LED-Vorrichtungen Punktlichtquellen, von denen eine Vielzahl für die Flächenbeleuchtung verwendet wird.
Organische Leuchtdioden (OLEDs) werden durch Auftragen von organischen Halbleitermaterialien zwischen Elektroden auf einem Substrat hergestellt. Dieser Prozess ermöglicht die Schaffung von Lichtquellen mit einer erweiterten Flächenausdehnung auf einem einzelnen Substrat. In der Technik wird die Verwendung von Elektrolumineszenzmaterialien als Nebenprodukt der konventionellen Beleuchtung beschrieben (z.B. US-A-6,168,282 erteilt am 2. Januar 2001 an Chien). In diesem Fall ist dies wegen der begrenzten Lichtabgabe des Elektrolumineszenzmaterials für eine Primärbeleuchtung nicht geeignet.
EP1120838A2 , erteilt am 1. August 2001, beschreibt ein Verfahren zur Anordnung mehrerer organischer Leuchtvorrichtungen auf einem Trägersubstrat, um eine Lichtquelle zu erzeugen, wobei sich erste und zweite elektrische Kontakte der Vorrichtung aus den Elektroden der Leuchtvorrichtung in das Trägersubstrat erstrecken. Dieser Ansatz zur Anordnung mehrerer Lichtquellen auf einem Substrat erhöht die Komplexität und somit die Fertigungskosten der Flächenbeleuchtungslichtquelle. Außerdem lässt sich bei dieser Konstruktion die Vielzahl der Substrate nicht ohne weiteres vom Verbraucher ersetzen, wenn sie ausfallen sollten. Jede Leuchtvorrichtung muss vom Verbraucher bei minimalen Kosten einfach und sicher ausgetauscht werden können.
Es besteht daher Bedarf nach einer verbesserten, auswechselbaren OLED-Flächenbeleuchtungsvorrichtung mit einer einfachen Konstruktion, die ein einzelnes Substrat verwendet und mit der bestehenden Beleuchtungsinfrastruktur kompatibel ist.
Diese Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung gelöst durch Bereitstellen einer Halbleiterbeleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten eines Bereichs, mit einer Vielzahl von Lichtquellen, von denen jede ein Substrat umfasst, eine organische Leuchtdiodenschicht (OLED), die sich auf dem Substrat befindet und erste und zweite Elektroden aufweist zum Übertragen elektrischer Energie auf die OLED-Schicht; eine verkapselnde Abdeckung auf der OLED-Schicht; und erste und zweite Leiter, die auf dem Substrat angeordnet und mit den ersten und zweiten Elektroden elektrisch verbunden sind und sich über die verkapselnde Abdeckung hinaus erstrecken, um mittels einer externen Energiequelle elektrischen Kontakt mit den ersten und zweiten Elektroden herzustellen; und einen Beleuchtungssockel zum entnehmbaren Aufnehmen und Haltern der Vielzahl von Lichtquellen, wobei der Sockel eine Vielzahl erster elektrischer Kontakte aufweist zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit den ersten und zweiten Leitern der Lichtquellen, und zweite elektrische Kontakte zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einer externen Energiequelle und einem Verfahren nach Anspruch 2.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass sie eine Vorrichtung zusammen mit preisgünstigen, langlebigen, hocheffizienten Lichtquellen bereitstellt, die auswechselbar sind und die mit der bestehenden Beleuchtungsinfrastruktur und deren Anforderungen kompatibel sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Schnittansicht einer konventionellen OLED-Beleuchtungsvorrichtung;
2 eine perspektivische Ansicht einer für die vorliegende Erfindung geeigneten Lichtquelle;
3 eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine perspektivische Ansicht einer für die vorliegende Erfindung geeigneten alternativen Lichtquelle;
5 eine Draufsicht eines Beleuchtungssockels zur Verwendung mit der in 4 gezeigten Lichtquelle gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine perspektivische Ansicht einer für die vorliegende Erfindung geeigneten alternativen Lichtquelle;
7 eine perspektivische Ansicht einer für die vorliegende Erfindung geeigneten alternativen Lichtquelle;
8 eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10A–D perspektivische Ansichten einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11A–C Draufsichten einer Beleuchtungsvorrichtung mit Lichtquellen, die in einer Vielzahl von fächerförmigen Konfigurationen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
12 eine Draufsicht einer Beleuchtungsvorrichtung mit Lichtquellen, die in einer Pyramidenanordnung angeordnet sind;
13 eine perspektivische Ansicht eines Beleuchtungssockels mit dekorativen Kanälen zur Aufnahme der Kanten von Lichtquellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
14 eine Schnittansicht einer OLED-Lichtquelle nach dem Stand der Technik.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Figuren nicht maßstäblich sind, da die einzelnen Schichten zu dünn sind, und da die Dickenunterschiede der verschiedenen Elemente zu groß sind, um eine maßstäbliche Darstellung zu ermöglichen.
Es ist schwierig, große, flache Flächenbeleuchtungsvorrichtungen herzustellen. Große Substrate erfordern Fertigungseinrichtungen, die in der Lage sind, große Substrate zu handhaben, und erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Defekten durch Handhabung, Verwendung oder Umwelteinwirkung. Im Unterschied dazu erfordert die Verwendung mehrerer kleinerer auswechselbarer Elemente innerhalb einer einzigen Fassung weniger teure Materialien und einfachere Fertigungsprozesse und ist zudem robuster gegenüber Defekten, da der Defekt eines einzelnen Elements nicht den Ausfall der gesamten Flächenbeleuchtungsvorrichtung verursacht und da ein einzelnes Element zu geringeren Kosten ausgewechselt werden kann. Außerdem lassen sich mehrere kleinere Elemente schneller transportieren. Dieser konstruktive Ansatz erfordert jedoch die Verwendung von Sockeln, die in der Lage sind, mehrere Anzeigeelemente einwandfrei auszurichten, darauf zuzugreifen und diese mit Strom zu versorgen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer OLED-Lichtquelle nach dem Stand der Technik mit einer organischen Leuchtschicht 12, die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, also einer Kathode 14 und einer Anode 16. Die organische Leuchtschicht 12 strahlt Licht ab, wenn Spannung von einer Stromquelle 18 über den Elektroden angelegt wird. Die OLED- Lichtquelle 10 umfasst typischerweise ein Substrat 20, wie beispielsweise Glas oder Kunststoff. Es sei darauf hingewiesen, dass die relative Lage der Anode 16 und der Kathode 14 in Bezug zum Substrat umgekehrt sein kann. Der Begriff OLED-Lichtquelle bezieht sich auf die Kombination aus der organischen Leuchtschicht 12, der Kathode 14, der Anode 16 und anderer nachstehend beschriebener Schichten.
Wie in 2 gezeigt, umfasst eine OLED-Lichtquelle 10, die erfindungsgemäß zur Verwendung mit der Beleuchtungseinrichtung geeignet ist, ein Substrat 20, wobei das Substrat einen Zungenabschnitt 21 bildet. Eine organische Leuchtschicht 12 ist zwischen einer Kathode 14 und einer Anode 16 angeordnet. Eine verkapselnde Abdeckung 22 ist über der Lichtquelle 10 auf dem Substrat 20 angeordnet.
Die Abdeckung 22 kann ein separates Element sein, wie eine hermetisch abgedichtete Deckplatte, die über den Schichten 12, 14 und 16 befestigt ist, oder sie kann über den Schichten 12, 14 und 16 als zusätzliche Schicht aufgetragen sein. Die organische Leuchtschicht 12 erstreckt sich durchgehend über dem Substrat, um eine durchgehende Leuchtfläche zu bilden. Erste und zweite Leiter 24, 26, die auf dem Substrat 20 angeordnet sind, sind mit den ersten und zweiten Elektroden 14 bzw. 16 elektrisch verbunden und erstrecken sich auf dem Zungenabschnitt 21 über die verkapselnde Abdeckung 22 hinaus, um mittels einer (nicht gezeigten) externen Energiequelle elektrischen Kontakt mit den ersten und zweiten Elektroden herzustellen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet der Zungenabschnitt 21 ein Ausrichtungsmerkmal, wie etwa die Stufe 28, um zu gewährleisten, dass die Beleuchtungsquelle in einen (nachstehend beschriebenen) Beleuchtungssockel in der richtigen Ausrichtung eingesetzt wird. Um Licht von der OLED-Lichtquelle 10 abstrahlen zu können, sind das Substrat 20, die Elektroden 14 und 16 sowie die Abdeckung 22 transparent. In Anwendungen, bei denen es nicht erforderlich ist, Licht von beiden Seiten des Substrats abzustrahlen, können entweder das Substrat, die Abdeckung, die Anode oder die Kathode oder mehrere dieser Komponenten opak oder reflektierend sein. Die Abdeckung und/oder das Substrat können zudem Lichtdiffusoren sein.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vielzahl von Lichtquellen 10 in einem Beleuchtungssockel 34. Der Beleuchtungssockel 34 umfasst eine Vielzahl von Öffnungen 36 zur Aufnahme der jeweiligen Zungenabschnitte 21 der Lichtquellen 10 und umfasst einen Satz aus ersten elektrischen Kontakten 40, die in den Öffnungen 36 angeordnet sind, um eine elektrische Verbindung zu den ersten und zweiten Leitern 24 und 26 jeder Lichtquelle 10 herzustellen. Der Beleuchtungssockel 34 umfasst zudem zweite elektrische Kontakte 38, die elektrisch mit den ersten elektrischen Kontakten 40 verbunden sind, um eine elektrische Verbindung zu einer (nicht gezeigten) externen Stromquelle herzustellen.
In den Öffnungen 36 können doppelte erste elektrische Kontakte vorgesehen werden, so dass der Zungenabschnitt 21 (für den Fall, dass er über kein Ausrichtungsmerkmal 28 verfügt) in beliebiger Ausrichtung in die Öffnungen 36 eingesetzt werden kann und dennoch einen einwandfreien Kontakt zur externen Stromquelle herstellt. Die Lichtquelle 10 wird physisch in den Beleuchtungssockel 34 eingesetzt oder aus diesem herausgenommen, indem der Zungenabschnitt des Substrats in den Beleuchtungssockel 34 gedrückt oder aus diesem herausgezogen wird. Die Lichtquelle 10 und der Beleuchtungssockel 34 sind vorzugsweise mit einer (nicht gezeigten) Arretierung versehen, um die Lichtquelle 10 in dem Beleuchtungssockel 34 zu halten.
Die Lichtquelle 10 kann ausgewechselt werden, in dem man sie aus dem Beleuchtungssockel 34 physisch entnimmt, wobei die Lichtquelle 10 aus dem Beleuchtungssockel 34 herausgezogen und eine Ersatzlichtquelle 10 einwandfrei ausgerichtet in den Beleuchtungssockel 34 eingesetzt wird. Der Beleuchtungssockel 34 ist mithilfe bekannter Techniken so konstruiert, dass die Lichtquelle nicht von hinten in den Sockel eingesetzt werden kann. Die Beleuchtungsvorrichtung ist auf die Benutzung durch Verbraucher ausgelegt.
Der Beleuchtungssockel kann einen Stromwandler 42 umfassen, der den elektrischen Strom von der externen Stromquelle in eine zur Speisung der OLED-Lichtquelle 10 geeignete Form umwandelt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die externe Stromquelle eine Standardstromquelle, beispielsweise der übliche Haus- und Bürostrom mit Spannungen von 110 V in den USA und von 220 V in Großbritannien. Weitere Standards sind 24 V Gleichspannung, 12 V Gleichspannung oder auch 6 V Gleichspannung, beispielsweise für den Einsatz in Fahrzeugen.
Die OLED-Lichtquelle 10 benötigt ggf. eine gleichgerichtete Spannung mit einer bestimmten Wellenform und Größe; der Wandler 42 kann diese Wellenform mittels konventioneller Stromreglerschaltungen bereitstellen. Diese Wellenform kann die organischen Leuchtmaterialien periodisch umgekehrt vorspannen, um die Lebensdauer der OLED-Materialien in der Lichtquelle 10 zu verlängern. Der Wandler 42 ist vorzugsweise in dem Beleuchtungssockel 34 angeordnet, wie in 3 gezeigt. Der Beleuchtungssockel 34 kann zudem einen Schalter 35 zur Stromregelung der Lichtquelle 10 umfassen.
4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Lichtquelle, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, worin das Substrat 20 einen langgestreckten dünnen Körperabschnitt mit zwei Zungen 21 und 21' aufweist, die jeweils an gegenüberliegenden Enden des Körperabschnitts angeordnet sind und wobei einer der Leiter 24 und 26 auf jeder Zunge angeordnet ist. Wie in 5 gezeigt, umfasst ein Beleuchtungssockel 34 eine Vielzahl von Öffnungen 36 und 36' zur Aufnahme und Halterung der jeweiligen Zungen der in 4 gezeigten Lichtquellen. Die Lichtquellen können in dem Sockel mittels Arretierungen oder Klemmen 39 gehaltert werden.
6 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbaren Lichtquelle 10, wobei das Substrat 20 keinen Zungenabschnitt umfasst, und wobei die ersten und zweiten Leiter an der Kante des Substrats 20 angeordnet sind. Die Lichtquelle 10 umfasst ein Substrat 20 mit ersten und zweiten Leitern 24 und 26, die sich an der Kante des Substrats 20 befinden. 7 zeigt eine weitere alternative Anordnung, worin die ersten und zweiten Leiter 24 und 26 an gegenüberliegenden Kanten des Substrats 20 angeordnet sind. Die Lichtquelle 10 strahlt Licht ggf. von nur einer Seite ab (z.B. von der Seite, die dem Beleuchtungssockel abgewandt ist), wobei sich die ersten und zweiten Leitern auf der gegenüberliegenden Seite befinden.
Das Substrat 20 kann entweder starr oder flexibel sein. Starre Substrate, wie Glas, bieten eine höhere bauliche Festigkeit und können, abgesehen von rechtwinkligen Formen, eine Vielzahl von Formen aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist zudem mit einem flexiblen Substrat verwendbar, wie beispielsweise Kunststoff, das in eine Vielzahl von Formen gebogen werden kann. Für den Fall, dass das Substrat flexibel ist, kann der Beleuchtungssockel 34 einen Träger zur Halterung des Substrats in einer gewünschten Konfiguration beinhalten; beispiels weise zeigt 7 eine Vielzahl von Lichtquellen 10, die zylinderförmig gebogen sind und von dem Beleuchtungssockel 34 gehaltert werden. Über Kontakte in den Öffnungen 36 des Beleuchtungssockels 34 wird elektrischer Strom an den Beleuchtungssockel angelegt und zu den Lichtquellen 10 geleitet.
Mithilfe mehrerer Lichtquellen in einem einzelnen Beleuchtungssockel lässt sich eine große Vielzahl dekorativer und spezieller Effekte erzeugen. Eine gerichtete Beleuchtung lässt sich problemlos erreichen, indem rechtwinklige Substrate so angeordnet werden, dass sie eine gemeinsame Kante bilden (durch Berührung oder Beinahberührung). 8 zeigt einen Beleuchtungssockel 34, der mehrere Öffnungen 36 für eine Vielzahl in Reihe angeordneter Lichtquellen 10 aufweist. Die Lichtquellen verfügen über eine Kante, die die benachbarten Lichtquellen berührt oder beinah berührt und in einer gemeinsamen Ebene liegen. In einem einzelnen (nicht gezeigten) Sockel können mehrere Reihen von Lichtquellen vorhanden sein. Die nicht gemeinsamen Kanten bilden eine Linie (wie in 8) oder die Kanten eines offenen Polygons, wie in 3 gezeigt. In der in 3 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung kann das Licht abgestrahlt und von der Innenseite des Winkels reflektiert oder von der Außenseite des Winkels abgestrahlt werden. Dieses Konzept lässt sich in einem geschlossenen Polygon erweitern, wie in 9 gezeigt (wobei eine Lichtquelle zur besseren Übersichtlichkeit weggelassen wurde), wobei die Lichtquellen Licht von der Innenseite des geschlossenen Polygons oder von der Außenseite oder von beiden Seiten abstrahlen können.
Alternativ hierzu können mehrere Reihen von Lichtquellen in einem Winkel zueinander ausgerichtet sein, wie in 10A–D gezeigt. Die Lichtquellen 10 können mit einer reflektierenden Rückseite versehen sein. Das von jeder Lichtquelle 10 abgestrahlte Licht kann von den anderen reflektiert werden, wodurch sich die Öffnung reduzieren lässt, aus der Licht von den Lichtquellen abgestrahlt wird. In diesem Fall werden Lichtquellen 10 mit reflektierenden Rückseiten bevorzugt. Wie in 10A gezeigt, lassen sich Substrate mit einer Zunge 21 von halber Breite der Lichtquelle 10 paarweise kombinieren (siehe 10B), wobei jedes Substrat in einer anderen Ebene liegt, aber auf dem Substrat eine gemeinsame Kante 62 neben dem Zungenabschnitt 21 bildet. Wie in 10C gezeigt, können die Paare in einem Winkel in einen einzelnen Beleuchtungssockel 34 eingesetzt werden. Diese Lichtquellenpaare lassen sich entlang der Länge eines langgestreckten Beleuchtungssockels 34 replizieren, um eine Beleuchtungsvorrichtung von gewünschter Länge bereitzustellen (siehe 10D), wobei die Lichtquellen den Beleuchtungssockel umgeben. Eine Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen der in 10A–D gezeigten Art kann in einem Array vorgesehen werden, um eine Fläche zu bilden, beispielsweise in einer abgehängten Decke. Dadurch entsteht ein nahezu flacher Flachplatten-Flächenleuchtkörper. Der Winkel, in dem die Paare angeordnet sind, bestimmt die Bauhöhe der Beleuchtungsöffnung, die Tiefe der Flachplatte und die Breite der Reihe. Durch eine fingerartige Anordnung der Lichtquellen werden die Sockel verdeckt. Jedes Element jedes Paars lässt sich in dem Sockel im Falle eines Defekts problemlos auswechseln. Indem die Lichtquellen untereinander parallel angeschlossen sind, entsteht ein robuster Beleuchtungssockel mit hoher Praxistauglichkeit.
11A, B und C zeigen in einem alternativen Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Lichtquellen 10, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, so dass die Zungen zu einer gemeinsamen Mitte 64 zeigen. Wenn die Lichtquellen 10 trapezförmig ausgebildet sind, können die Kanten benachbart sein, so dass die Außen- und Innenkanten der Substrate ein Trapez bilden und die lichtabstrahlenden Flächen benachbart sind, wie in 11C gezeigt.
Wenn die Lichtquellen jeweils leicht in einer gemeinsamen Richtung geneigt sind, bilden die Lichtquellen einen Fächer und lassen sich um einen gemeinsamen Punkt drehen, um eine Fächerfunktion wahrzunehmen.
Die Lichtquellen können zudem so ausgerichtet sein, dass die Außenkante jedes Substrats ein reguläres Polygon in einer gemeinsamen Ebene bildet und die Substrate selbst in einem gemeinsamen Winkel zur Ebene liegen, um eine dreidimensionale Form zu bilden, wie beispielsweise einen in 12 gezeigten Polygonkegel. Wenn die Lichtquellen trapezförmig sind, können die Seitenkanten zusammentreffen, um eine geschlossene Struktur zu bilden, von deren einem Ende Licht abgestrahlt wird, während die Zungen an dem anderen Ende in den Beleuchtungssockel eingreifen.
Drei Substrate lassen sich zudem so anordnen, dass jedes Substrat in einer anderen Ebene orthogonal zu der anderen liegt, um einen Eckwürfel zu bilden. Wenn Lichtquellen mit einer reflektierenden Rückseite ausgestattet sind, kann das zum Eckwürfel abgestrahlte Licht von dort zurückgeworfen werden, woher es kam.
Bei den in 13 gezeigten Beleuchtungssockel berühren sich die Kanten der Lichtquellen einander (oder beinahe) in einer gemeinsamen Linie, wobei die Sockel dekorative Kanäle 48 umfassen können, ähnlich wie Buntglas, die das ästhetische Erscheinungsbild verbessern, um die Substrate in Ausrichtung zu halten. Die in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Lichtquellen können auch mit dekorativen Substraten oder verkapselnden Abdeckungen versehen werden, oder sie können bemalt sein oder aus farbigen Materialien zusammengesetzt sein, um das Aussehen von Buntglas zu erhalten. Alternativ hierzu können Muster in die Oberflächen der Substrate und/oder Abdeckungen geschnitten oder geätzt werden, um ansprechende Muster, grafische Elemente, wie Logos oder Bilder, oder lichtbrechende Eigenschaften vorzusehen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die OLED-Schicht organische Leuchtdioden (OLEDs), die aus OLEDs mit kleinen Molekülen zusammengesetzt sind, wie beispielsweise, aber nicht abschließend, in US-A-4,769,292 beschrieben, erteilt am 6. September 1988 an Tang et al., sowie in US-A-5,061,569, erteilt am 29. Oktober 1991 an VanSlyke et al.
Weitere Details in Bezug auf OLED-Materialien und deren Bauweise werden nachstehend beschrieben.
Es gibt zahlreiche Konfigurationen von OLED-Elementen, in denen die vorliegende Erfindung erfolgreich praktisch verwertbar ist. Eine typische, nicht als einschränkend zu verstehende Struktur wird in 14 gezeigt und umfasst eine Anodenschicht 103, eine Lochinjektionsschicht 105, eine Lochtransportschicht 107, eine Leuchtschicht 109, eine Elektronentransportschicht 111 und eine Kathodenschicht 113. Diese Schritte werden nachfolgend detaillierter beschrieben. Die gesamte kombinierte Dicke der organischen Schichten ist vorzugsweise kleiner als 500 nm. Zur Ansteuerung des OLED-Elements ist eine Spannungs/Stromquelle 250 und zur Herstellung des elektrischen Kontakts mit der Anode und der Kathode ist eine leitende Verdrahtung 260 erforderlich.
Das Substrat 20 ist vorzugsweise lichtdurchlässig, kann aber auch opak oder reflektierend sein. In diesem Fall sind beispielsweise, aber nicht abschließend, Glas, Kunststoff, Halbleitermaterialien, Keramik und Leiterplattenmaterialien verwendbar.
Die Anodenschicht 103 ist gegenüber dem von der OLED-Schicht oder von den OLED-Schichten abgestrahlten Licht vorzugsweise transparent oder im Wesentlichen transparent. In der vorliegenden Erfindung verwendete, übliche transparente Anodenmaterialien sind Indium-Zinnoxid (ITO) und Indium-Zinkoxid (IZO) und Zinnoxid, aber es sind auch andere Metalloxide verwendbar, beispielsweise, aber nicht abschließend, aluminium- oder indiumdotiertes Zinkoxid, Magnesium-Indiumoxid und Nickel-Wolframoxid. Neben diesen Oxiden können Metallnitride, wie Galliumnitrid und Metallselenide, wie Zinkselenid, und Metallsulfide, wie Zinksulfid, in der Schicht 103 verwendet werden. Wenn die Anode nicht transparent ist, sind die Durchlässigkeitseigenschaften der Schicht 103 unwesentlich, so dass jedes leitende Material verwendbar ist, ob transparent, opak oder reflektierend. Leiter für diese Anwendung sind beispielsweise, aber nicht abschließend, Gold, Iridium, Molybdän, Palladium und Platin. Typische Anodenmaterialien, ob lichtdurchlässig oder nicht, haben eine Austrittsfunktion von 4,1 eV oder höher. Die gewünschten Anodenmaterialien werden üblicherweise mithilfe geeigneter Mittel, wie beispielsweise durch Aufdampfen, Kathodenzerstäubung, chemisches Aufdampfen oder elektrochemische Mittel aufgebracht. Anoden können mithilfe bekannter fotolithografischer Verfahren strukturiert werden.
Es ist häufig sinnvoll, eine Lochinjektionsschicht 105 zwischen der Anode 103 und der Lochtransportschicht 107 vorzusehen. Das Lochinjektionsmaterial kann dazu dienen, die Filmbildungseigenschaft nachfolgender organischer Schichten zu verbessern und die Injektion von Löchern in der Lochtransportschicht zu ermöglichen. Geeignete Materialien zur Verwendung in der Lochinjektionsschicht sind beispielsweise, aber nicht abschließend, Porphyrinverbindungen, wie in US-A-4,720,432 beschrieben, sowie mittels Plasmaabscheidung aufgebrachte Fluorkohlenstoffpolymere, wie in US-A-6,208,075 beschrieben. Alternative Lochinjektionsmaterialien, die in Elektrolumineszenzvorrichtungen verwendbar sind, werden in EP 0 891 121 A1 und EP 1 029 909 A1 beschrieben.
Die Lochtransportschicht 107 enthält mindestens eine lochtransportierende Verbindung, z.B. ein aromatisches, tertiäres Amin, wobei das letztere als eine Verbindung zu verstehen ist, die mindestens ein dreiwertiges Stickstoffatom enthält, das nur an Kohlenstoffatome gebunden ist, von denen mindestens eines ein Mitglied eines aromatischen Rings ist. In einer Form kann das aromatische, tertiäre Amin ein Arylamin sein, wie ein Monoarylamin, Diarylamin, Triarylamin oder ein polymeres Arylamin. Beispiele monomerer Triarylamine werden von Klupfel et al in US-A-3,180,730 gezeigt. Andere geeignete Triarylamine, die durch ein oder mehrere Vinylradikale substituiert werden und/oder mindestens eine aktive wasserstoffhaltige Gruppe enthalten, werden von Brantley et al in US-A-3,567,450 und US-A-3,658,520 beschrieben. Eine bevorzugte Klasse aromatischer tertiärer Amine enthält mindestens zwei aromatische tertiäre Aminreste, wie in US-A-4,720,432 und US-A-5,061,569 beschrieben. Geeignet sind beispielsweise, aber nicht abschließend folgende aromatische tertiäre Amine:
1,1-Bis(4-Di-p-Tolylaminophenyl)cyclohexan
1,1-Bis(4-Di-p-Tolylaminophenyl)-4-Phenylcyclohexan
4,4'-Bis(diphenylamino)quadriphenyl
Bis(4-Dimethylamino-2-Methylphenyl)-Phenylmethan
N,N,N-Tri(p-Tolyl)amin
4-(Di-p-Tolylamin)-4'-[4(Di-p-Tolylamin)-styryl]stilben
N,N,N',N'-Tetra-p-Tolyl-4-4'-Diaminobiphenyl
N,N,N',N'-Tetraphenyl-4,4'-Diaminobiphenyl
N,N,N',N'-Tetra-1-Naphthyl-4,4'-Diaminobiphenyl
N,N,N',N'-Tetra-2-Naphthyl-4,4'-Diaminobiphenyl
N-Phenylcarbazol
4,4'-Bis[N-(1-Naphthyl)-N-Phenylamino]biphenyl
4,4'-Bis[N-(1-Naphthyl)-N-(2-Naphthyl)amino]biphenyl
4,4''-Bis[N-(1-Naphthyl)-N-Phenylamino]p-Terphenyl
4,4'-Bis[N-(2-Naphthyl)-N-Phenylamino]biphenyl
4,4'-Bis[N-(3-Acenaphthenyl)-N-Phenylamino]biphenyl
1,5-Bis[N-(1-Naphthyl)-N-Phenylamino]naphthalen
4,4'-Bis[N-(9-Anthryl)-N-Phenylamino]biphenyl
4,4''-Bis[N-(1-Anthryl)-N-Phenylamino]-p-Terphenyl
4,4'-Bis[N-(2-Phenanthryl)-N-Phenylamino]biphenyl
4,4'-Bis[N-(8-Fluoranthenyl)-N-Phenylamino]biphenyl
4,4'-Bis[N-(2-Pyrenyl)-N-Phenylamino]biphenyl
4,4'-Bis[N-(2-Naphthacenyl)-N-Phenylamino]biphenyl
4,4'-Bis[N-(2-Perylenyl)-N-Phenylamino]biphenyl
4,4'-Bis[N-(1-Coronenyl)-N-Phenylamino]biphenyl
2,6-Bis(di-p-Tolylamino)naphthalen
2,6-Bis[di-(1-Naphthyl)amino]naphthalen
2,6-Bis[N-(1-Naphthyl)-N-(2-Naphthyl)amino]naphthalen
N,N,N',N'-Tetra(2-Naphthyl)-4,4''-Diamino-p-Terphenyl
4,4'-Bis{N-Phenyl-N-[4-(1-Naphthyl)-Phenyl]amino}biphenyl
4,4'-Bis[N-Phenyl-N-(2-Pyrenyl)amino]biphenyl
2,6-Bis[N,N-Di(2-Naphthyl)amin]fluoren
1,5-Bis[N-(1-Naphthyl)-N-Phenylamino]naphthalen
Eine weitere Klasse verwendbarer Lochtransportmaterialien umfasst polyzyklische, aromatische Verbindungen, wie in EP 1 009 041 beschrieben. Außerdem sind polymere Lochtransportmaterialien verwendbar, wie Poly(N-Vinylcarbazol) (PVK), Polythiophene, Polypyrrol, Polyanilin und Copolymere, wie Poly(3,4-Ethylendioxythiophen)/Poly(4-Styrolsulfonat), auch als PEDOT/PSS bezeichnet.
Wie ausführlicher in US-A-4,769,292 und US-A-5,935,721 beschrieben, umfasst die Leuchtschicht (LEL) 109 des organischen Elektrolumineszenzelements ein lumineszierendes oder fluoreszierendes Material, in dem Elektrolumineszenz als Ergebnis der Rekombination von Elektronen-/Lochpaaren in diesem Bereich entsteht. Die Leuchtschicht kann sich aus einem einzelnen Material zusammensetzen, besteht üblicherweise aber aus einem Wirtsmaterial, das mit einer oder mehreren Gastverbindungen dotiert ist, wobei Lichtemissionen primär von der Dotierung stammen und eine beliebige Farbe aufweisen können. Die Wirtsmaterialien in der Leuchtschicht können ein Elektronentransportmaterial sein, wie nachfolgend definiert, ein Lochtransportmaterial, wie zuvor definiert, oder ein anderes Material oder eine Kombination von Materialien, die die Loch-/Elektronen-Rekombination unterstützen. Die Dotierung ist üblicherweise aus stark fluoreszierenden Farbstoffen gewählt, aber es sind auch phosphoreszierende Verbindungen verwendbar, z.B. Übergangsmetallkomplexe, wie in WO 98/55561, WO 00/18851, WO 00/57676 und WO 00/70655 beschrieben. Die Dotierungen werden typischerweise mit 0,01 bis 10 Gew.-% in dem Wirtsmaterial aufgetragen. Iridiumkomplexe aus Phenylpyridin und dessen Derivaten sind besonders geeignete Lumineszenzdotierungen. Polymermaterialien, wie Polyfluorene und Polyvinylarylene (z.B. Poly(p-Phenylenvinylen), PPV) sind ebenfalls als Wirtsmaterial verwendbar. In diesem Fall können kleine Moleküldotierungen molekular in dem polymeren Wirtsmaterial dispergiert sein, oder die Dotierung kann dem Wirtspolymer durch Copolymerisation einer kleineren Komponente zugesetzt werden.
Eine wichtige Beziehung zur Wahl eines Farbstoffs als Dotierungsmittel ist ein Vergleich des Energielückenpotenzials, das als die Energiedifferenz zwischen der höchst besetzten Molekülorbitale und der niedrigst besetzten Molekülorbitale des Moleküls definiert ist. Damit ein effizienter Energietransfer von dem Wirt zum Dotierungsmolekül erfolgen kann, ist es notwendig, dass die Energielücke der Dotierung kleiner als die des Wirtsmaterials ist.
Geeignete Wirts- und Leuchtmoleküle sind beispielsweise, aber nicht abschließend, die in den Anmeldungen US-A-4,769,292, US-A-5,141,671, US-A-5,150,006, US-A-5,151,629, US-A-5,405,709, US-A-5,484,922, US-A-5,593,788, US-A-5,645,948, US-A-5,683,823, US-A-5,755,999, US-A-5,928,802, US-A-5,935,720, US-A-5,935,721 und US-A-6,020,078 beschriebenen.
Metallkomplexe aus 8-Hydroxychinolin und ähnliche Oxinderivate bilden eine Klasse der verwendbaren Hostverbindungen, die Elektrolumineszenzanwendungen ermöglichen und dafür besonders geeignet sind. Verwendbare Oxinoid-Chelatverbindungen sind beispielsweise folgende:

CO-1: Aluminiumtrisoxin [alias Tris(8-chinolinolat)aluminium(III)]
CO-2: Magnesiumbisoxin [alias Bis(8-chinolinolat)magnesium(II)]
CO-3: Bis[benzo{f}-8-chinolinolat]zink(II)
CO-4: Bis(2-Methyl-8-Chinolinolat)aluminium(III)-μ-Oxo-bis(2-Methyl-8-Chinolinolat)aluminium(III)
CO-5: Indiumtrisoxin [alias Tris(8-Chinolinolato)indium]
CO-6: Aluminumtris(5-Methyloxin) [alias Tris(5-Methyl-8-Chinolinolat)aluminium(III)]
CO-7: Lithiumoxin [alias (8-Chinolinolat)lithium(I)]
CO-8: Galliumoxin [alias Tris(8-Chinolinolat)gallium(III)]
CO-9: Zirconiumoxin [alias Tetra(8-Chinolinolat)zirconium(IV)]

Andere verwendbare Wirtsmaterialien sind beispielsweise, aber nicht abschließend: Derivate von Anthracen, z.B. 9,10-Di-(2-Naphthyl)anthracen und Derivate davon, Distyrylarylenderivate, wie in US-A-5,121,029 beschrieben, und Benzazolderivative, z.B. 2,2',2''-(1,3,5-Phenylen)tris[1-Phenyl-1H-Benzimidazol].
Geeignete fluoreszierende Dotierungen sind beispielsweise, aber nicht abschließend, Derivate von Anthracen, Tetracen, Xanthen, Perylen, Rubren, Coumarin, Rhodamin, Chinacridon, Dicyanmethylenpyranverbindungen, Thiopyranverbindungen, Polymethinverbindungen, Pyrilium- und Thiapyriliumverbindungen, Fluorenderivate, Periflanthenderivate und Carbostyrylverbindungen.
Bevorzugte Dünnfilmmaterialien zur Verwendung in der Herstellung der Elektronentransportschicht 111 der erfindungsgemäßen organischen EL-Elemente sind Metallchelat-Oxinverbindungen, einschließlich der Chelate von Oxin selbst (auch als 8-Chinolinol oder 8-Hydroxychinolin bezeichnet). Derartige Verbindungen tragen zur Injektion und zum Transport von Elektronen bei, weisen eine hohe Leistungsfähigkeit auf und lassen sich leicht in Form von Dünnfilmen herstellen. Beispielhafte Oxinoidverbindungen wurden vorstehend aufgeführt.
Andere Elektronentransportmaterialien umfassen verschiedene Butadienderivate, wie in US-A-4,356,429 beschrieben, sowie verschiedene heterozyklische optische Aufheller, wie in US-A-4,539,507 beschrieben. Benzazole und Triazine sind ebenfalls geeignete Elektronentransportmaterialien.
In einigen Fällen können die Schichten 111 und 109 wahlweise zu einer einzelnen Schicht zusammengeführt werden, die gleichzeitig für Lichtemission und Elektronentransport dient. Diese Schichten können in kleinmolekularen OLED-Systemen sowie in polymeren OLED-Systemen zusammengeführt werden. Beispielsweise ist es in polymeren Systemen üblich, eine Lochtransportschicht einzusetzen, beispielsweise PEDOT-PSS mit einer polymeren Lichtemissionsschicht, wie PPV. In diesem System dient PPV als Funktion zur Unterstützung von Lichtemission und Elektronentransport.
Vorzugsweise ist die Kathode 113 transparent und kann nahezu jedes leitende, transparente Material umfassen. Alternativ hierzu kann die Kathode 113 opak oder reflektierend sein.
Geeignete Kathodenmaterialien haben gute filmbildende Eigenschaften, um einen guten Kontakt mit der zugrundeliegenden organischen Schicht herzustellen, ermöglichen die Elektroneninjektion bei niedriger Spannung und weisen eine gute Stabilität auf. Geeignete Kathodenmaterialien enthalten oft ein Metall oder eine Metalllegierung mit niedriger Austrittsarbeit (< 4,0 eV). Ein bevorzugtes Kathodenmaterial besteht aus einer Mg:Ag Legierung, wobei der Prozentsatz des Silbers im Bereich von 1 bis 20% liegt, wie in US-A-4,885,221 beschrieben. Eine weitere geeignete Klasse an Kathodenmaterialien sind Doppelschichten, die eine dünne Elektroneninjektionsschicht (EIL) und eine dickere Schicht aus leitendem Metall umfassen. Die EIL befindet sich zwischen der Kathode und der organischen Schicht (z.B. ETL). Hier umfasst die EIL vorzugsweise ein Metall oder ein Metallsalz mit niedriger Austrittsarbeit und wenn dies so ist, braucht die dickere Leitschicht keine niedrige Austrittsarbeit aufzuweisen. Eine derartige Kathode umfasst eine dünne Schicht aus LiF, gefolgt von einer dickeren Schicht aus Al, wie in US-A-5,677,572 beschrieben. Weitere geeignete Kathodenmaterialien umfassen beispielsweise, aber nicht abschließend, solche, die in US-A-5,059,861, 5,059,862 und 6,140,763 beschrieben werden.
Wenn die Kathodenschicht 113 transparent oder nahezu transparent ist, müssen die Metalle dünne oder transparente leitende Oxide sein oder eine Kombination aus diesen Materialen aufweisen. Optisch transparente Kathoden werden detaillierter in US-A-4,885,211; US-A-5,247,190, JP 3,234,963 ; US-A-5,703,436; US-A-5,608,287; US-A-5,837,391; US-A-5,677,572; US-A-5,776,622; US-A-5,776,623; US-A-5,714,838; US-A-5,969,474; US-A-5,739,545; US-A-5,981,306; US-A-6,137,223; US-A-6,140,763; US-A-6,172,459, EP 1 076 368 sowie in US-A-6,278,236 beschrieben. Kathodenmaterialien werden in der Regel durch Aufdampfen, Kathodenzerstäubung oder chemisches Aufdampfen aufgebracht. Bei Bedarf kann die Strukturierung mittels zahlreicher bekannter Verfahren erfolgen, beispielsweise, aber nicht abschließend, durch Maskenabscheidung, durch integrierte Schattenmaskierung, wie in US-A-5,276,380 und EP 0 732 868 beschrieben, durch Laserablation und durch selektives chemisches Aufdampfen.
Die zuvor genannten organischen Materialien werden durch ein Dampfphasenverfahren, wie Sublimation, aufgebracht, können aber auch aus einer Flüssigkeit, beispielsweise einem Lösungsmittel mit einem optionalen Bindemittel zur Verbesserung der Filmbildung aufgebracht werden. Wenn es sich bei dem Material um ein Polymer handelt, ist die Aufbringung aus einem Lösungsmittel sinnvoll, aber es sind auch andere Verfahren verwendbar, wie Kathodenzerstäubung oder thermische Übertragung aus einem Geberbogen. Das Material kann durch Sublimation aus einem Sublimatorschiffchen aufgedampft werden, das oft ein Tantalmaterial umfasst, wie z.B. in US-A-6,237,529 beschrieben, oder es kann zunächst auf eine Geberfolie aufgetragen und in Substratnähe sublimiert werden. Schichten, die eine Materialmischung enthalten, können separate Sublimatorschiffchen verwenden, oder die Materialien können vorgemischt und aus einem einzelnen Schiffchen oder einer Geberfolie aufgetragen werden. Die Abscheidung lässt sich auch mittels thermischer Farbstoffübertragung von einer Geberfolie erreichen (siehe US-A-5,851,709 und 6,066,357) sowie durch Tintenstrahlverfahren (siehe US-A-6,066,357).
Die erfindungsgemäßen OLED-Vorrichtungen verwenden verschiedene bekannte optische Effekte, um deren Eigenschaften bei Bedarf zu verbessern. Dies umfasst die Optimierung der Schichtendicke zur Erzielung einer maximalen Lichtdurchlässigkeit, die Bereitstellung dielektrischer Spiegelstrukturen, das Ersetzen reflektierender Elektroden mit lichtabsorbierenden Elektroden oder die Bereitstellung farbiger Neutraldichte- oder Farbumkehrfilter über der Vorrichtung. Filter können insbesondere über der Abdeckung des Substrats oder als Teil der Abdeckung oder des Substrats vorgesehen werden.

Claims

Halbleiterbeleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten eines Bereichs, mit: a) einer Vielzahl von Lichtquellen (10), von denen jede umfasst: i) ein Substrat (20); ii) eine organische Leuchtdiodenschicht (OLED) (12), die sich auf dem Substrat befindet und erste und zweite Elektroden (14, 16) aufweist zum Übertragen elektrischer Energie auf die OLED-Schicht; iii) eine verkapselnde Abdeckung (22) auf der OLED-Schicht; und iv) erste und zweite Leiter (24, 26), die auf dem Substrat angeordnet und mit den ersten und zweiten Elektroden elektrisch verbunden sind und sich über die verkapselnde Abdeckung hinaus erstrecken, um mittels einer externen Energiequelle elektrischen Kontakt mit den ersten und zweiten Elektroden herzustellen; und b) einem Beleuchtungssockel (34) zum entnehmbaren Aufnehmen und Haltern der Vielzahl von Lichtquellen, wobei der Sockel eine Vielzahl erster elektrischer Kontakte (40) aufweist zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit den ersten und zweiten Leitern der Lichtquellen, und zweite elektrische Kontakte (38) zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einer externen Energiequelle.
Verfahren zum Beleuchten eines Bereichs mit einer abgehängten Decke, mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Halbleiterbeleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten eines Bereichs, mit einer Vielzahl von Lichtquellen (10), von denen jede ein Substrat (20) umfasst, eine organische Leuchtdiodenschicht (OLED) (12), die sich auf dem Substrat befindet und erste und zweite Elektroden (14, 16) aufweist zum Übertragen elektrischer Energie auf die OLED-Schicht; eine verkapselnde Abdeckung (22) auf der OLED-Schicht; und erste und zweite Leiter (24, 26), die auf dem Substrat angeordnet und mit den ersten und zweiten Elektroden elektrisch verbunden sind und sich über die verkapselnde Abdeckung hinaus erstrecken, um mittels einer externen Energiequelle elektrischen Kontakt mit den ersten und zweiten Elektroden herzustellen; und einen Beleuchtungssockel (34) zum entnehmbaren Aufnehmen und Haltern der Vielzahl von Lichtquellen, wobei der Sockel eine Vielzahl erster elektrischer Kontakte (40) aufweist zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit den ersten und zweiten Leitern der Lichtquellen, und zweite elektrische Kontakte (38) zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einer externen Energiequelle; und b) Abhängen der Beleuchtungsvorrichtung von der abgehängten Decke.