WO2008061524A2 - Beleuchtungselement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Beleuchtungselemente und Ver- fahren zu ihrer Herstellung. Dabei sollen insbesondere großflächige Beleuchtungselemente auf der Basis organischer Leuchtdioden zur Verfügung gestellt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, Beleuchtungselemente, die über die gesamte mögliche Fläche elektromagnetische Strahlung homogen emittieren, zur Verfügung zu stellen. Erfindungsgemäß sind die organischen Leuchtdioden mit einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht überdeckt. Auf der Zwischenschicht ist eine elektrisch leitende Metallschicht ausgebildet, die mit durch die Zwischenschicht geführten Kontaktelementen eine elektrisch leitende Verbindung zur Grundelektrode bildet.

Description

Beleuchtungselement und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft Beleuchtungselemente und Ver- fahren zu ihrer Herstellung. Dabei sollen insbesondere großflächige Beleuchtungselemente auf der Basis organischer Leuchtdioden zur Verfügung gestellt werden.

Es ist bekannt, dass die Eigenschaften von organischen Leuchtdioden (OLED' s) auch prädestiniert sind, um flächige diffus Leuchtende Lichtquellen einsetzen zu können, die einen geringen Elektroenergiebedarf aufweisen.

Die jeweilige Leuchtdichte oder Beleuchtungsstärke von organischen Leuchtdioden wird deutlich von der elektrischen Stromdichte beeinflusst. Es ist daher eine homogene Verteilung des elektrischen Stromes über die Fläche einer organischen Leuchtdiode er- wünscht. Dem stehen aber der relativ hohe spezifische elektrische Widerstand und die begrenzte elektrische Leitfähigkeit der optisch transparenten und dabei auch elektrisch leitenden Stoffe, die eine der beiden Elektroden einer organischen Leuchtdiode bilden, entgegen. Dies sind bisher üblicherweise sehr dünne Metallschichten oder auch leitfähige Oxide (TCO) , wie z.B. Indium-Zinn-Oxid (ITO) .

Über diese Elektrode, die als Anode geschaltet ist, kann wegen ihrer optischen Transparenz, die von der zwischen den Elektroden ausgebildeten organischen Schicht emittierte elektromagnetische Strahlung austreten und für Beleuchtungszwecke genutzt werden.

Ein üblicher Aufbau organischer Leuchtdioden beinhalte eine optisch transparente Grundelektrode aus Indium-Zinn-Oxid, die mit einer Dicke von ca. 100 nm, auf einem Glassubstrat ausgebildet worden ist . Darauf wird eine geeignete organische Schicht, die wiederum aus bis zu sieben Einzelschichten gebildet sein kann, mit einer Dicke von ca. 100 bis 200 nm und auf dieser wieder eine weitere Elektrode aus einem Metall (in der Regel Aluminium) , als Kathode mit eine Dicke von üblicherweise 500 nm ausgebildet. Letztere ist dabei nicht mehr optisch transparent.

Für die Zufuhr von elektrischem Strom erfolgt die elektrische Kontaktierung mit einer elektrischen Spannungsquelle vom äußeren Rand aus. Dies ist insbesondere dadurch begründet, dass die für die Emission der elektromagnetischen Strahlung nutzbare Fläche möglichst vollständig ausgenutzt werden soll. Dabei wirkt sich aber der im Verhältnis hohe elektrische Widerstand der Grundelektrode nachteilig aus. So ist mit wachsendem Abstand von am äußeren Rand positio- nierten Anschlusskontaktierungen eine Reduzierung des elektrischen Stromes zu verzeichnen, was wiederum dazu führt, dass bei kleinerem elektrischen Strom an entsprechenden Positionen, die Leuchtdichte der emit- tierten elektromagnetischen Strahlung ebenfalls reduziert ist. Dies führt zu Inhomogenitäten bei der Beleuchtung, denen wenn überhaupt nur aufwendig entgegengewirkt werden kann. Bei erhöhter elektrischer Leistung, also größeren elektrischen Strömen wird aber die Lebensdauer einer organischen Leuchtdiode verkürzt .

Außerdem wurde die nutzbare Fläche einer organischen Leuchtdiode auf ca. 50*50 mm begrenzt. Größere Be- leuchtungselemente wurden daher mit einer Mehrzahl organischer Leuchtdioden gebildet, die wiederum nicht leuchtende Ränder zwischen den einzelnen organischen Leuchtdioden wegen der Anschlusskontakte aufwiesen, die ebenfalls nicht genutzt werden können.

Dieser Nachteil tritt aber auch solchen organischen Leuchtdioden auf, bei denen Metallgitter oder -netze in der Grundelektrode eingefügt worden sind, über die der elektrische Widerstand reduziert werden sollte. Solche Metallgitter sind aber ebenfalls optisch nicht transparent und beeinträchtigen die optischen Eigenschaften von in Rede stehenden Beleuchtungselementen mit organischen Leuchtdioden.

Organische Leuchtdioden mit elektrischen Anschlusskontakten am äußeren Rand bereiten aber auch Probleme wegen der Sauerstoff- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit der elektromagnetische Strahlung emittierenden Stoffe. Dies erfordert eine Dichte Verkapselung und in der Regel auch ein darin mit eingeschlossenes Trocknungsmittel . Aus EP 1 120 838 A2 ist es bekannt elektrische Anschlusskontakte durch die Grundelektrode innerhalb der für die Emission nutzbaren Fläche anzuordnen. Dies führt aber wieder zu Verlusten der effektiv nutzbaren Leuchtfläche und außerdem zu einer aufwendigen Herstellung. Auch in dieser Form ist die nutzbare Gesamtfläche einer organischen Leuchtdiode begrenzt .

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Beleuchtungselemente, die über die gesamte mögliche Fläche elektromagnetische Strahlung homogen emittieren, zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Beleuchtungs- elementen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Sie können mit einem Verfahren nach Anspruch hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement ist mindestens eine organische Leuchtdiode, mit Deck- elektrode, organischer Schicht und Grundelektrode vorhanden. Diese können als Schichten mit den üblicherweise verwendeten Stoffen ausgebildet sein. Die Grundelektrode kann dabei auf einem optisch transparenten Substrat und die anderen Elemente der organi- sehen Leuchtdiode (n) ebenfalls als Schichten darauf ausgebildet sein.

Oberhalb der Deckelektrode ist aber eine zusätzliche Zwischenschicht, die elektrisch nicht leitend bzw. sehr hochohmig ist, als Isolator ausgebildet. Auf der Zwischenschicht ist wiederum eine Metall- schicht mit deutlich größerer Dicke ausgebildet. Die Metallschicht kann an eine elektrische Stromquelle angeschlossen werden. Der elektrische Stromfluss er- folgt dann von der Metallschicht über elektrisch leitende Kontaktelemente, wobei mindestens ein solches Kontaktelement vorhanden sein soll, zur Grundelektrode.

Die Deckelektrode kann entweder am äußeren Rand oder auch analog zur Grundelektrode mit weiteren Kontakt- elementen versehen sein, die an eine in geeigneter Form dann strukturierte Metallschicht separat und elektrisch isoliert an diese an den jeweils anderen Pol der elektrischen Stromquelle angeschlossen werden kann.

Um Kontaktelemente zu Grund- und/oder Deckelektrode zu führen, ist es erforderlich zumindest die Zwi- schenschicht zu strukturieren, um Durchführungen (Vi- as) für Kontaktelemente zu bilden. Die Kontaktelemen- te können aus elektrisch leitendem Metall gebildet werden. Dabei besteht die Möglichkeit die Kontaktelemente gemeinsam mit Ausbildung der Metallschicht, al- so aus dem gleichen Metall in einem Herstellungsschritt auszubilden. In einer weiteren Alternative kann auch ein Metall lokal gezielt in durch Werkstoffabtrag erhaltene Durchführungen, durch die Zwischenschicht, gesondert eingebracht werden.

Eine elektrisch nicht leitende Zwischenschicht kann aus einem geeigneten Stoff in einer Schicht aber auch als Mehrschichtaufbau mit mindestens zwei Schichten ausgebildet sein. Bevorzugt weist eine Zwischen- schicht die Eigenschaften einer Sauerstoff- und/oder Wasserbarriere auf. Bei mehreren Schichten kann der jeweilige eine Einzelschicht bildende Stoff zumindest eine dieser Eigenschaften aufweisen.

Die Zwischenschicht kann mit zumindest einem der fol- genden Stoffe gebildet werden: einem Nitrid, einem Oxid, einem Polymer, z.B. Acrylat .

Die Metallschicht sollte aus einem Metall und auch mit einer Schichtdicke ausgebildet werden, mit der vorteilhaft ein elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1 Ω/square erreicht werden kann.

Die Kontaktelemente sollten einen spezifischen elektrischen Widerstand von unterhalb 100 mΩcm aufweisen.

Um eine homogene Beleuchtung über die nutzbare Fläche zu erreichen, sollten mehrere mit der Grundelektrode verbundene Kontaktelemente in regelmäßiger Anordnung vorhanden sein. Sie können bevorzugt äquidistant zu- einander und/oder zum jeweiligen äußeren Rand angeordnet sein.

Die Kontaktierung der Grundelektrode mit Kontaktelementen sollte so erfolgen, dass die Summe der Fläche, mit der Kontaktelemente mit der Grundelektrode elektrisch leitend verbunden sind, mindestens 10 % der Gesamtfläche der Grundfläche ausmacht.

Bei der Erfindung ist der elektrische Widerstand nicht durch die Anschlusskontakte und den elektrischen Flächenwiderstand der Grundelektrode begrenzt, sondern ist vom Flächenwiderstand der Metallschicht begrenzt. Hier spielt die Schichtdicke eine Rolle und so kann die Metallschicht mit größerer Schichtdicke ausgebildet oder gar als metallische Platte oder dichte Folie ausgebildet sein. Dies erschließt auch die Möglichkeit, dass sie eine Verkapselung bilden und vor Sauerstoff- und Feuchtigkeitseinfluss schützen kann.

Es ist auch eine direkte Kontaktierung von der Seite der Metallschicht möglich. Dadurch können randfreie organische Leuchtdioden zur Verfügung gestellt werden, so dass mehrere dicht beieinander liegende organische Leuchtdioden ein großflächiges Beleuchtungs- element bilden können, ohne dass dies bei der Beleuchtung zu erkennen ist, dass mehrere organische Leuchtdioden vorhanden sind.

Vorteilhaft kann der effektive elektrische Reihenwi- derstand in der transparenten Grundelektrode reduziert werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 ein Beispiel eines Beleuchtungselementes nach der Erfindung mit einer Kontaktierung der Grundelekt- rode ;

Figur 2 ein Beispiel mit einer Kontaktierung der Grund- und Deckelektrode und

Figur 3 eine rückseitige Ansicht auf eine Metall- Schicht, wie sie beim Beispiel nach Figur 2 realisiert ist.

In Figur 1 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Beleuchtungselementes in einer Schnittdarstellung ge- zeigt. Dabei wurde auf einem Substrat 10 aus Glas eine optisch transparente Grundelektrode 20 aus Indium- Zinn-Oxid oder auch Zinkoxid abgeschieden. Auf dieser wurden bei diesem Beispiel vier organische Schichten 30, die bei elektrischem Stromfluss elektromagnetische Strahlung emittieren, mit mindestens einem hier- für bekannten organischen Stoff ausgebildet.

Auf denen wieder in ebenfalls an sich bekannter Form die optisch nicht transparenten Deckelektroden 40 aus einem Metall in strukturierter Form unter Nutzung von Schattenmasken abgeschieden.

Auf diese wurde eine über die gesamte Oberfläche und auch über den äußeren Rand eine Zwischenschicht 50 aus einem elektrisch isolierenden Stoff aufgebracht. Die Zwischenschicht 50 kann dabei, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits angesprochen auch aus mehreren unterschiedlichen Einzelschichten, als Mehrschichtaufbau ausgebildet werden. Dies können anorganische Stoffe, wie z.B. PE- Nitrid oder PE-Oxid sein.

Die Zwischenschicht 50 kann aber auch aus organischen und/oder anorganischen Einzelschichten gebildet sein. Dabei kann sie auch die Funktion einer Sauerstoff - und/oder Wasserbarriere erfüllen. Außerdem kann dann die Metallschicht 60 unter dem Einfluss normaler Umgebungsatmosphärenbedingungen ausgebildet werden und auf Vakuumbedingungen oder eine inerte Atmosphäre verzichtet werden.

Vor der Ausbildung der Metallschicht 60 ist jedoch eine Strukturierung der Zwischenschicht 50 durchzuführen, um Durchführungen für Kontaktelement 61 bis hin zur Grundelektrode 20 auszubilden. Dies kann durch ein Ätzverfahren auch plasmaunterstützt er- reicht werden, wobei auch hier Schattenmasken zum Einsatz kommen können. Die Kontaktelemente 61 können in einem gesonderten Verfahrensschritt aber auch gleichzeitig mit der Ausbildung der Metallschicht 60 aus dem gleichen Metall mit ausgebildet werden. Dies kann mit ausreichender Schichtdicke in einem Dünnschichtverfahren (CVD, bevorzugt PVD) aber auch galvanisch erreicht werden.

Sowohl die Metallschicht 60, wie auch die Kontaktelemente 61 weisen eine höhere elektrische Leitfähig- keit, als der die optisch transparente Grundelektrode 20 bildende Stoff auf. Dadurch kann deren elektrischer Anschlusswiderstand verringert werden, ohne deren optische Transparenz über die elektromagnetische Strahlung emittierende Fläche zu beeinflussen. Die Kontaktierung der Grundelektrode 20 erfolgt dabei an mehreren Positionen, wie aus Figur 1 erkennbar wird.

In Figur 2 ist ein weiteres Beispiel gezeigt, bei dem zusätzlich Kontaktelemente 62 von der Metallschicht 60 zu Deckelektroden 40 ausgebildet worden sind. Dabei wird im Wesentlichen, wie beim Beispiel nach Figur 1 vorgegangen. Lediglich die Strukturierung der Zwischenschicht 50 für die Ausbildung der Zuführungen zu Deckelektroden 40 ist etwas anders und es ist auch eine Strukturierung der Metallschicht 60 erforderlich, um eine elektrische Trennung der Metallschicht 60 in Bereichen, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Metallschicht 60 und Grundelektrode 20 über Kontaktelemente 61 und Bereichen die eine elekt- risch leitende Verbindung zwischen Metallschicht 60 und Deckelektroden 40 über Kontaktelemente 62 herstellen, zu erreichen.

Mit einer solchen Ausführungsform und der Möglichkeit der elektrischen Kontaktierung von organischen

Leuchtdioden von deren rückseitiger Fläche erschließt sich die Möglichkeit die gesamte rückseitige Fläche für die elektrische Anschlusskontaktierung und die dieser gegenüberliegende vorderseitige Fläche für die Emission elektromagnetischer Strahlung nutzen zu kön- nen. Ein nicht nutzbarer äußerer Rand ist an einer organischen Leuchtdiode dann nicht mehr vorhanden. Die Ränder oder Grenzen von nebeneinander an einem Beleuchtungselement angeordneten organischen Leuchtdioden sind sehr schmal und üben daher nahezu keinen Einfluss auf das optische Erscheinungsbild, bei der Emission elektromagnetischer Strahlung zu Beleuchtungszwecken, mehr aus. Es können so sehr großflächige homogen über die Fläche leuchtende Beleuchtungselemente zu Verfügung gestellt werden.

Eine rückseitige Ansicht eines solchen Beleuchtungselementes mit vier einzelnen Elementen ist in Figur 3 gezeigt. Dabei kann eine oder es können auch mehrere organische Leuchtdioden an einem dieser Elemente vor- handen sein und nebeneinander bzw. in Form eines Ar- rays angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche

1. Beleuchtungselement, das mit mindestens einer elektromagnetische Strahlung emittierenden orga- nischen Leuchtdiode gebildet ist; dabei eine

Grundelektrode aus einem optisch transparenten elektrisch leitenden Stoff, mit mindestens einer elektrisch leitenden organischen Schicht und diese mit einer elektrisch leitenden Deckelekt- rode die organische Leuchtdiode (n) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die organische (n) Leuchtdiode (n) mit einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht (50) oberhalb der Deckelektrode (40) überdeckt und auf der Zwischenschicht (50) eine elektrisch leitende Metallschicht (60) ausgebildet ist, die mit durch die Zwischenschicht (50) geführten Kontaktelementen (61) eine elektrisch leitende Verbindung zur Grundelektrode (20) bildet.

2. Beleuchtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Leuchtdiode auf einem optisch transparenten Substrat (10) ausgebildet ist.

3. Beleuchtungselement nach Anspruch 1 oder 2, da- durch gekennzeichnet, dass Grundelektrode (20),

Deckelektrode (40) und Kontaktelement (e) (61) mittels der Zwischenschicht (50) elektrisch isoliert sind.

4. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die

Zwischenschicht (50) aus mindestens zwei Einzelschichten gebildet ist.

5. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (50) eine Sauerstoff- und/oder Wasserbarriere bildet.

6. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (50) mit mindestens einem Stoff, der ausgewählt ist aus einem Nitrid, Oxid oder Polymer gebildet ist .

7. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (60) eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1 Ω/square aufweist .

8. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Kontaktelment (e) (61) einen spezifischen elektrischen Widerstand unterhalb 1 mΩcm aufweist/aufweisen.

9. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die

Metallschicht (60) so strukturiert ist, dass von ihr weitere Kontaktelemente (62) durch die Zwischenschicht (50) zu Deckelektroden (40) geführt sind und ein elektrischer Stromfluss zwischen Deckelektroden (40) und Grundelektrode (20) erfolgt.

10. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kontaktelemente (61) äquidistant zueinander und zum äußeren Rand angeordnet sind.

11. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Fläche, mit der Kontaktelemente (61) mit der Grundelektrode (20) elektrisch leitend verbunden sind, mindestens 10 % der Gesamtfläche der Grundelektrode (20) ausmacht.

12. Verfahren zur Herstellung von Beleuchtungselementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem optisch transparenten Substrat (10) mindestens eine Schicht eines optisch transparenten elektrisch leitenden Stoffs zur Ausbildung mindestens einer

Grundelektrode (20) ausgebildet wird; auf der/den Grundelektrode (n) (20) eine Schicht (30) aus organischem elektrisch leitenden und bei angelegter elektrischer Spannung elektromag- netische Strahlung emittierenden Stoff ausgebildet und auf dieser organischen Schicht (30) Deckelektroden (40) und darauf eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (50) ausgebildet werden; durch die Zwischenschicht (50) und die organische Schicht (30) wird mindestens eine Durchführung ausgebildet und die Zwischenschicht (50) mit einer Metallschicht (60) beschichtet und dabei oder vorab über die Durchführung (en) elekt- risch leitende Kontaktelemente (61) von der Metallschicht (60) bis zur Grundelektrode (20) ausgebildet .

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (60) mit einem Dünn- schichtverfahren oder galvanisch ausgebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (50) aus mindestens zwei Einzelschichten gebildet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht

(50) oder mindestens eine ihrer Einzelschichten durch ein physikalisches Schichtabscheidungsver- fahren ausgebildet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktelemente

(61, 62) bei Ausbildung der Metallschicht (60) mit ausgebildet werden.