CN101040397A - 电致发光光源 - Google Patents
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Abstract
一种电致发光光源，其包括具有施加的层结构的基板(1)，所述层结构包括第一子层结构、第二子层结构(2)、以及第三子层结构(3)，该第一子层结构包括作为阳极(3)的至少一个电极、作为阴极(7)的一个电极、以及位于此二者之间用于发光的电致发光层(5)，其中两个电极中之一被设置用于反射光而另一个电极被设置用于透射光，所述第二子层结构(2)与用于透射的电极相邻，所述第二子层结构(2)包括至少一个用于部分反射光的半透明层，所述第三子层结构(3)如从光的发射方向所看到那样被设置在第二子层结构的后面，所述第三子层结构包括具有粒子(10)的一个层(9)，用于吸收在阈值波长之下的波长的一些光、用于发射在阈值波长之上的波长的光、和用于散射未被吸收的光。结果，在微腔布置的情况下发射的角度相关性被补偿且利用在更长波长的吸收和再发射在发射中向更短波长的移动被用于改善色彩再现。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有微腔布置的电致发光光源。
背景技术
包含电致发光薄层(EL光源)的光源都存在着这样的问题：在发光层中各向同性地产生的一些光在从光密介质(折射率n1)至光疏介质(折射率n2＜n1)的界面处因为全反射而不能向外界发射。由于光谐振腔，即所谓的微腔布置，受全反射控制的光的百分比可以被减少从而可以提高光源的效率。在这种情况下，微腔布置包括两个反射镜，在两个反射镜之间设置一个电致发光层(EL层)用于以波长L发射具有最大强度的光。如果两个反射镜之间的距离(＝微腔长度)大约相当于被发射的光的波长L，那么光不再被各向同性发射而是在反射镜的方向上被发射，优选地以小于全反射角的入射角发射。
文献US 5405710描述了一种在平板屏幕或LED打印机中使用的电致发光光源的微腔布置。在这种情况下，层设置是以这样的方式构造的：空间分离的区域被提供用于产生不同的颜色，并且其中微腔长度局部地适于相应的波长。这些微腔布置的一个严重的缺点是已知的发射的角度相关性强度(法布里-珀罗效应)。
文献EP 0683623描述了用于非结构化的、多色彩发射的、有机电致发光层的微腔布置，用于同时增加不同波长的效率。在这种情况下，微腔长度不对应于单独波长而是相当于必须非常精确地适于所发射的射线的波长以能够实现光输出的提高的折衷波长。因为微腔长度不可能对所有的发射波长都是最佳的，所以要被发射的不同波长范围的数越大，在光输出方面所得到的提高越小。在文献EP 0683623中通过包含嵌入在透明基板中的泡沫石英玻璃的粒子的散射层或者包含具有粗糙表面的透明基板的散射层至少极大地减少了发射的角度相关性强度的缺点。关于微腔布置的技术细节，将参照文献EP 0683623，其由此结合在本申请中。然而，微腔布置的另一个严重缺点----发射线向短波长的移动以及色彩再现的相关联的恶化----仍然存在于这样的微腔布置中。
通过粒子进行光的转换，即一个波长的光的吸收以及具有较长波长的光的随后再发射，形成现有技术的一部分；例如，在荧光灯中，粒子层被用于将紫外光谱区的光转换成可见光谱区的光。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有微腔布置的高效电致发光光源，用于发射具有改善的色彩再现的白光同时避免不利的微腔效应，所述光源被低成本地产生。
该目的是由这样的电致发光光源达到的：该电致发光光源包括：施加到基板(1)上的层结构，所述层结构包括：(a)第一子层结构，包括作为阳极(3)的至少一个电极、作为阴极(7)的一个电极、以及位于二者之间用于发光的电致发光层(5)，其中两个电极中之一被设置用于反射光而相应的另一个电极被设置用于透射光，(b)第二子层结构(2)，其与设置用于透射的电极相邻，所述第二子层结构包括用于部分反射光的至少一个半透明层，以及(c)第三子层结构(3)，如从光的发射方向所看到的，其被设置在第二子层结构的后面，所述第三子层结构包括具有粒子(10)的至少一个层(9)，用于吸收在阈值波长之下的波长的一些光、用于发射在阈值波长之上的波长的光、及用于散射未被吸收的光。第三子层结构在一个层中结合了通过光散射利用未被吸收光的均匀分布对具有微腔布置的EL光源的角度相关性强度和色彩分布的补偿、和通过吸收一些光然后以较长波长的光再发射来提高发射特性(如色彩再现、彩点(color point)以及亮度)，其中所述吸收和再发射可以根据想要的特性通过选择粒子材料而被设定。
在这种情况下，第一和第二子层一起形成微腔布置。这里，电致发光层可以包括有机的或无机的材料以及由一个或多个单独层组成。微腔布置发光的方向被称为光的发射方向。
在下文，达到所用的吸收带中的吸收强度的20％的波长将被称为用于吸收的阈值波长。术语“吸收带”是基于固体的能带模型且指的是通过光吸收而激发电子的能带。
有利的是，如从光的发射方向所看到，第三子层结构被施加到基板的尾侧。在这种情况下，第三子层结构不必与基板光学去耦，以便保持微腔布置的积极效果，而且这在第三子层结构的生产与稳定性方面也是有利的。
有利的是，第三子层结构，尤其是粒子的体积百分比、粒子的最小直径、以及第三子层结构的厚度，被配置成使得光以非定向的方式从所述层出射。仅仅用这种方式可以有效地补偿微腔布置中角度相关性发射的效应。
为了达到这个目的，有利的是，第三子层结构的粒子的体积百分比在5％与60％之间，以便确保充分的散射。
另外，有利的是，第三子层结构的粒子具有大于0.5μm的直径。在较小粒子的情况下，吸收与后向散射的比率是非常不利的。
如果第三子层结构被配置成未被吸收的光的路径长度平均起来相当于所述层厚度的两倍，则这是非常有利的。适当长的路径长度保证平均起来每条光线至少发生一个散射事件从而保证足够的光散射，以便补偿微腔布置中的角度相关性发射。然而，这里所述层厚度是粒子大小以及体积分数的函数。最小的层厚度例如随着第三子层结构上的粒子的体积分数的增加而减小，这是因为由于每层体积的增加的散射而延长了路径长度。
另外，有利的是，电致发光层以第一和/或第二波长以相应的最大强度发光，其中第一波长短于第二波长。作为例子，为产生白光而遗漏的光谱成分可以通过适当的粒子发射而被添加。在这方面，电致发光层不必在三个或更多个光谱区发光。因此多色彩微腔布置的长度在这种情况下和在具有两个以上发射区的发射器的情况下相比可以以更优化的方式来选择。
如果电致发光层在蓝色和红色光谱区发光则这是非常有利的。发射波长向较短波区域的移动的微腔效应由于在第三子层结构中缺乏吸收而仍然保持在红色光谱区中。用这种方式，亮度(光亮度)随着视觉灵敏度曲线而增加。在蓝色光谱区中的发射允许光吸收位于最短波可见光谱区，而且这使得通过粒子产生该光谱的任何可见成分。
特别有利地，粒子的阈值波长短于第一波长，即电致发光层的最短波发射，因为通过可以由第三子层结构的材料的选择而设定的吸收和再发射滤出短波光谱区导致色彩再现的提高，尤其如果第一波长位于蓝色光谱区。
如果第三子层结构包含至少在第一光谱区和第二光谱区分别发射的至少第一粒子和第二粒子，所述第二光谱区与第一光谱区不同，则这是更有利的。作为例子，产生白光可以通过在短波蓝色光谱区吸收而在黄色光谱区或在绿和红色光谱区再发射而实现。利用第一和第二粒子的适当选择以及混合比率，发射特性例如，色彩再现、彩点和亮度可以适于电致发光光源的要求。
附图说明
下面将参照附图中所示的实施例的例子进一步描述本发明，但是本发明并受此限制。
图1示出了没有微腔布置的电致发光光源的发射到玻璃基板中的功率作为波长的函数以及作为相对于玻璃基板上的垂直线的发射角的函数。
图2示出了具有微腔布置的电致发光光源的层系统。
图3示出了关于具有微腔布置的电致发光光源，发射到玻璃基板中的功率作为波长的函数以及作为相对于玻璃基板上的垂直线的发射角的函数。
图4示出了根据本发明的具有微腔布置以及第三子层结构的电致发光光源的层系统。
图5示出了具有两种驻波模式的微腔的示意图。
具体实施方式
电致发光光源通常包含施加到平坦透明基板1(玻璃或聚合物)的层结构，所述层结构包含设置于阳极3与阴极7之间的有机或无机电致发光层5(EL层)。EL层也可以由许多子层组成。由具有低功函数的材料制成的电子注入层6可以附加地设置在阴极与EL层之间。空穴传输层4可以附加地设置于阳极与EL层之间。根据所发射的光被耦合出的方向(底部发射器：经基板发射，顶部发射器：远离基板发射，在这种情况下经过阴极7)，或者阴极7或者阳极3由反射材料制成。反射电极可以本身是反射性的或者附加地具有反射层结构。因此，相应的其它电极由透明材料制成。层3至7在这个文本中被称为第一子层结构。
图1示出了这种没有微腔布置的电致发光光源(底部发射器)的典型发射特性，作为波长和发射角的函数。在每种情况下显示的线代表相同功率的线。如图1中可以见到的，大量功率是以相对于玻璃基板的垂直线＞41°的角(＝在玻璃中全反射的角)发射的。该功率因为发生的全反射而不能从EL光源耦合出。
图2示出了具有微腔布置的EL光源的层结构。在这种光源中，电致发光层5设置在反射电极7(第一反射镜)与部分反射层2(第二反射镜)之间。微腔布置形成光谐振器，结果由电致发光层发射的光主要以相对于基板的垂直线的小角度发射。为了获得尽可能最佳的谐振器，第一与第二反射镜之间的距离8(微腔长度)对应于由EL层发射的光的最大强度的波长。在经基板发射的情况下，半透明的第二反射镜可以设置在透明电极与EL层之间或者设置在透明电极与基板(底部发射器)之间或者设置在阴极(顶部发射器)上。第一与第二反射镜可以由一层组成或者由具有交替的折射率的层包组成。
图3示出具有微腔布置的EL光源(底部发射器)的发射特性。这里，发射到玻璃基板中的功率被显示作为波长和发射角的函数。在每种情况下显示的线是等功率的线。由EL层发射的光不再是各向同性地被发射而是优选地在反射镜的方向被发射。如从图3中所能看到的，差不多没有功率是以相对于玻璃基板的垂直线＞41°角(＝在玻璃中全反射的角)发射的。虽然微腔对光源的效率产生非常有利的影响，但是图3清楚地表明了微腔布置的不利之处，(a)发射强度的相当大的角度相关性以及(b)强度向较短波长的移动。
虽然光/无源散射层对具有微腔布置的EL光源的发射强度的角度相关性具有积极的影响，但对发射中向较短波长移动的影响没有变化。而这种在发射强度方面的移动非常希望在红色光谱区中，但对于发射白光的EL光源中的相同影响则由于波长移动同样发生在蓝色光谱区中而导致色彩再现恶化。通过视觉灵敏度曲线(V(λ)曲线，比较DIN 5031)给出了想要的发射强度在红色光谱范围中的移动。因为视觉灵敏度在朝向较长波长的600nm以上极大地减少，所以由人们所感受到的亮度通过向较短波长移动红光发射特性可以得到相当大的改善，而没有减少光源的红色强度。然而，随着波长的移动，仅仅一些功率被移向较短波长，如从图3中所能看到的。
图4示出了根据本发明的具有微腔布置以及具有第三子层结构9的电致发光光源的层结构，其中第三子层结构，如在光的发射方向上所看到的，被施加到基板的后侧。第三子层结构包含用于吸收以阈值波长以上的波长发射的光以及用于散射阈值波长以下的光的粒子10。在这种情况下，磷粒子10被嵌入在由无源载体材料(粘结剂)制成的基质中。粒子在该层中的体积百分比优选地在5％和30％之间。利用该体积百分比，实现了光的充分吸收同时具有实用的层厚度。粒子直径不能小于500nm，这是因为否则吸收与后向散射之间的比率变得非常不利。然后，所吸收的光以取决于粒子10的类型的更长的波长各向同性地发射(发射过程)。随后由粒子层9发射的光理想地以余弦方式(朗伯)分布。第三层的优选层厚度也取决于单独粒子10的散射行为和取决于其体积分数以及取决于因此所确定的层9中的被散射的光的路径长度。被散射光线的路径长度平均起来应相当于层厚度的至少两倍，以便补偿发射的角度相关性的微腔效应。这样的第三子层结构的典型厚度位于数十μm的范围内。利用该第三子层结构，一方面当使用微腔布置(比较图3)时发射强度的相当大的角度相关性仍然通过散射及各向同性的再发射而被防止。另一方面，附加地改变了发射光谱(例如白色EL光源的发射光谱)，通过对光谱的最短波长成分的吸收以及期望的较长波长的再发射，用这样的方式使得EL光源的发射特性，例如其色彩再现、效率和/或产生条件可以附加地被改善/简化。
在另一实施例中，第三子层结构也可以被设置在基板与半透明的第二反射镜2之间。在这种情况下，第三子层结构与基板的光耦合可以最好是非常低的，以便保持利用微腔布置改善光发射的效果。通过多孔粒子层实现了非常低的光耦合，而不需要围绕这些粒子的载体材料，其中在这种情况下有利的是在第三散射层与电极之间的界面处附加地施加一个平滑的且促进粘附的中间层。这些粒子在这样的多孔层中的体积百分比可以达到60％。
在一个优选的实施例中，可以利用在蓝色光谱区中发光的EL层5来生成高效、均匀的白色EL光源。改善的光输出通过由微腔布置优化的光发射来实现。对于仅具有一个发射波长的EL层5，微腔长度8可以以最佳方式来设定。从而对于这种EL光源，因全反射而产生的光损失被最小化。同时，通过在粒子10处散射光的未被吸收的部分而避免了发射的破坏性的角度相关性。为产生均匀的白色光而遗漏的光通过吸收被发射的蓝色光的短波成分以及随后的在黄色光谱区中各向同性的再发射来产生。
在进一步优选的实施例中，第三子层结构可以附加地具有第二类粒子，该第二类粒子具有相同的吸收波长但具有不同的再发射波长，以便进一步改善色彩再现。假设相同的粒子大小及分布，由此散射特性保持不受影响。白光可以例如用EL层的蓝光发射以及具有在绿色和红色光谱区发射的第一和第二粒子来生成。
在另一个优选实施例中，与图5比较，利用在蓝色光谱区或在蓝色和红色光谱区中进行发射的EL光源(例如具有适当掺杂的有机EL层)，根据文献EP 0683623的多色彩微腔布置可以根据本发明被生成用于提供具有改善的色彩再现及效率提高的高效、白色EL光源。可以通过适当地选择粒子10来适当地设定色彩再现及彩点。由于由这些粒子可能产生的发射的光谱区数目的减少，微腔长度8必须对仅仅一个或两个波长(驻波51和52的模式，例如对于蓝色和红色光谱区的)以同时发生的方式被优化。与例如在三个不同波长的情况下相比较，这导致在微腔长度8方面的更好的折衷，从而通过更好的微腔效应导致了光发射增加。
为了生成电极材料、第二层结构和无机EL层，通常利用真空方法来制造，如涂敷、溅射、和/或化学方法如CVD(化学气相沉积)。对于有机EL层，利用涂敷或湿法化学方法，例如用液体有机溶液喷射要被涂敷的结构然后烘烤该溶剂。在通过旋转基板而分布材料的情况下，使用术语旋涂。
第三子层结构9通常涂有粘结剂，该粘结剂完全地或部分地填充在粒子10之间的空间。作为例子，丙烯酸盐、聚硅氧烷、硅酮或溶胶-凝胶材料可以用作粘结剂。如果粘结剂的折射率大于或等于基板的折射率，则这是有利的。可以用各种方法来施加粒子10及粘结剂材料的悬浮物，如印刷、喷射、刮刀涂覆或旋涂。根据沉积方法，生成具有所要求的特性的悬浮物。作为例子，关于丝网印刷浆，12g的粒子粉末被混合到浆液中，该浆液包含100g的萜品醇与重量占5％的乙基纤维素N100和2.6g的Modaflow触变剂。粒子粉末可以包含第一粒子或包含第一、第二和可能的其它粒子的混合物。
实施例的第一例子：在第三子层结构中具有YAG:Ce粒子的蓝色发光有机电致发光光源
层厚度 材料
100nm 反射性的铝阴极
LiF电子注入层
8-羟基喹啉(Alq)构成的电子传输层
Alq(例如掺杂有苝(pyrylene)(蓝色))构成的发射层
胺(如TPD)构成的空穴传输层
120nm ITO构成的透明阳极
143nm SiO2
46nm TiO2
384nm SiO2
137nm TiO2
玻璃基板
3Oμm YAG:Ce粒子层，平均粒子直径5μm
通过发射的蓝光的混合和对蓝光的短波成分的吸收以及在黄色光谱区中的再发射来生成白光。为了进一步改善发射特性，粒子层除了YAG:Ce粒子以外还可以包含20％的粒子CaS:Eu。YAG:Ce在460nm的蓝色区吸收，而CaS:Eu吸收在约580nm以下。SiO2/TiO2层结构形成微腔布置的第二反射镜，并且在本文中被称为第二子层结构。
实施例的第二个例子：在第三子层结构中具有CaS:Eu/SrGa2S4:Eu粒子的蓝色发光有机电致发光光源
层厚度 材料
100nm 反射性的铝阴极
LiF电子注入层
8-羟基喹啉(Alq)构成的电子传输层
Alq(例如掺杂有苝(蓝色))构成的发射层
胺(如TPD)构成的空穴传输层
120nm ITO构成的透明阳极
143nm SiO2
46nm TiO2
384nm SiO2
137nm TiO2
玻璃基板
20μm CaS:Eu/SrGa2S4:Eu粒子层，平均粒子直径5μm
通过发射的蓝光的混合和对蓝光的短波成分的吸收以及在绿色(SrGa2S4:Eu)光谱区以及红色(CaS:Eu)光谱区中的再发射来生成白光。作为对上述粒子材料的替选方案，吸收阈值波长≤430nm的BaMg2Al16O27:Eu，Mn(绿光发射)Mg4GeO5.5F:Mn(红光发射)也将是可能的。粒子层厚度以及发射红光和发射绿光的粒子的混合物将被设定，以便与有机EL层的发射光一起，设定期望的白色彩点。SiO2/TiO2层结构形成微腔布置的第二反射镜，并且在本文中被称为第二子层结构。
实施例的第三个例子：在第三子层结构中具有SrGa2S4:Eu粒子的蓝色发光及红色发光有机电致发光光源
层厚度 材料
100nm 反射性的铝阴极
LiF电子注入层
8-羟基喹啉(Alq)构成的电子传输层
Alq(例如掺杂有苝(蓝色)和DCM(红色))构成的发射层
胺(如TPD)构成的空穴传输层
120nm ITO构成的透明阳极
143nm SiO2
46nm TiO2
384nm SiO2
137nm TiO2
玻璃基板
20μm SrGa2S4:Eu粒子层，平均粒子直径5μm
通过发射的蓝光与红光的混合和对蓝光的吸收以及在绿色(SrGa2S4:Eu)光谱区中的再发射来生成白光。作为对SrGa2S4:Eu的替选方案，使用吸收阈值波长≤430nm的BaMg2Al16O27:Eu，Mn(绿光发射)的粒子也是可能的。SiO2/TiO2层结构形成微腔布置的第二反射镜，并且在本文中被称为第二子层结构。
用于吸收在短于430nm的波长的光以及再发射光的另外的有利材料是ZnS:Ag(蓝光发射)或SrAl2O4:Eu(绿光发射)。如果必要的话，在较长波蓝色光谱区进行发射的材料也可以被添加到第三子层结构中，以便在高吸收的情况下放大蓝色光谱成分。
参照附图和说明书所解释说明的实施例仅仅是电致发光光源的例子，而不应理解为将权利要求限定为这些例子。同样由下面权利要求的保护范围所覆盖的可替换的实施例对于本领域的技术人员来说也是可能的。从属权利要求的数目并不意在暗示权利要求的其它组合也不代表有利的实施例。
Claims (10)
1.一种电致发光光源，包括施加到基板(1)上的层结构，所述层结构包括：
第一子层结构，其包括作为阳极(3)的至少一个电极、作为阴极(7)的一个电极、以及位于此二者之间用于发光的电致发光层(5)，其中两个电极中之一被设置用于反射光而相应的另一个电极被设置用于透射光，
第二子层结构(2)，其与用于透射的电极相邻，所述第二子层结构包括用于部分反射光的至少一个半透明层，以及
第三子层结构(3)，如从光的发射方向所看到的，其被设置在第二子层结构的后面，所述第三子层结构包括具有粒子(10)的至少一个层(9)，用于吸收在阈值波长之下的波长的一些光、用于发射在阈值波长之上的波长的光、和用于散射未被吸收的光。
2.根据权利要求1所述的电致发光光源，其特征在于如从光的发射方向所看到，所述第三子层结构(9)被施加到基板(1)的尾侧。
3.根据权利要求1或2所述的电致发光光源，其特征在于所述第三子层结构，尤其是粒子的体积百分比、粒子的最小直径以及第三子层结构的厚度被配置成使得光以非定向的方式从所述层出射。
4.根据权利要求3所述的电致发光光源，其特征在于第三子层结构(9)的粒子(10)的体积百分比在5％与60％之间。
5.根据权利要求3或4所述的电致发光光源，其特征在于第三子层结构(9)的粒子(10)具有大于0.5μm的直径。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的电致发光光源，其特征在于第三子层结构被配置成未被吸收的光的平均路径长度对应于所述层厚度的两倍。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电致发光光源，其特征在于电致发光层以在第一和/或第二波长的相应最大强度发光，其中第一波长短于第二波长。
8.根据权利要求7所述的电致发光光源，其特征在于第一波长位于蓝色光谱区，第二波长位于红色光谱区。
9.根据权利要求7或8所述的电致发光光源，其特征在于阈值波长短于第一波长，尤其是当第一波长位于蓝色光谱区时。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的电致发光光源，其特征在于第三子层结构包含至少在第一光谱区和与第一光谱区不同的第二光谱区分别进行发射的至少第一粒子和第二粒子，所述第一光谱区尤其是黄色或绿色光谱区，所述第二光谱区尤其是红色光谱区。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101208 Termination date: 20150929 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |