-
Die
Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Bauelement mit einer Anordnung
organischer Schichten, insbesondere organische Leuchtdiode.
-
Organische
Leuchtdioden („Organic
Light Emitting Diodes" – OLED)
sind in letzter Zeit intensiv untersucht worden, da sie interessante
Anwendungsmöglichkeiten
in Flachdisplays und für
Beleuchtungszwecke anbieten. Organische Leuchtdioden bestehen gewöhnlich aus
einem Glassubstrat, auf den ein transparenter Leiter (meist Indiumzinnoxyd,
ITO) aufgebracht wird. Anschließend
werden eine oder mehrere organische Schichten mit einer Dicke von
etwas 100 nm aufgebracht, abgeschlossen durch eine meist metallische
Kathode. Wird eine geeignete Spannung angelegt, so emittiert die
organische Schicht Licht. Interessant an organischen Leuchtdioden
sind die Möglichkeit,
die Leuchtdioden preisgünstig
auf großer
Fläche
aufzubringen, die hohe Schaltgeschwindigkeit, sowie die vergleichsweise
hohe Effizienz der Lichtemission. Aus diesen Gründen sind bereits kommerziell
erfolgreiche Displays auf Basis organischer Leuchtdioden erhältlich.
-
Eine
weitere, zukünftig
mögliche
Anwendung von organischen Leuchtdioden betrifft die Beleuchtung. Hierbei
sind homogene hohe Leuchtdichten auf vergleichsweise großen Flächen erforderlich.
Um mit existierenden Konzepten wie Leuchtstofflampen konkurrieren
zu können,
sind weiße
Emitter mit möglichst
hoher Effizienz (>501m/W)
anzustreben.
-
Ein
wesentlicher Nachteil der bisher realisierten organischen Leuchtdioden
ist jedoch, dass der überwiegende
Teil des entstehenden Lichts nicht aus der Schichtstruktur ausgekoppelt
wird, sondern im Bauteil bleibt und letztlich verloren geht. Nach
dem bisher bekannten Stand der Literatur (Lu et al, J.Appl.Phys.
91 , 595 (2002)) wird in einer üblichen
planaren OLED-Struktur
nur etwa 20 % des entstehenden Lichts ausgekoppelt. Etwa 30 % des
entstehenden Lichts werden beim Austritt aus dem Glassubstrat total
reflektiert und laufen dann durch das Substrat („Substratmoden"). Weitere 50 % laufen
als Wellenleitermode in dem Schichtsystem Anode-Organik; meist Indiumzinnoxyd-Organik
(„ITO-Organik-Moden"). Die exakte Verteilung
der genannten Anteile hängt
von der genauen Struktur der Bauelemente ab und ist bis heute nicht
vollständig
bekannt. Dennoch kann davon ausgegangen werden, dass die genannte
Verteilung annähernd
die physikalische Realität beschreibt
und deswegen etwa 80 % des im Bauelement entstandenen Lichts nicht
in Vorwärtsrichtung
nach außen
ausgekoppelt wird, sondern in internen Moden verbleibt und damit
für die
Anwendung verloren geht.
-
Prinzipiell
sind drei Möglichkeiten
bekannt, die Lichtauskopplung aus organischen Leuchtdioden zu erhöhen: i)
mittels Aufbringen von periodischen Strukturen oder Aufrauhen des
Substrats kann die Auskopplung von Substratmoden erreicht werden,
(ii) mittels Einbringen einer Zwischenschicht mit sehr niedrigem
Brechungsindex kann die Auskopplung verbessert werden, und (iii)
mittels Einbringen einer periodischen Struktur in den Schichtaufbau
der OLED-Struktur
können
die Wellenleitermoden nach außen
ausgekoppelt werden.
-
In
der Literatur sind bereits eine große Anzahl von Arbeiten zur
Verbesserung der Auskopplung bekannt. So beschreiben einige Arbeiten
das einfache Aufrauhen des Substrats; weitere Arbeiten befassen
sich mit dem Aufbringen von Linsen oder periodischen Anordnungen
von Linsen auf das Substrat (Möller
et al., J.Appl.Phys. 91, 3324 (2002)). Die Verbesserung der Auskopplung
mittels Einbringen einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex wurde
ebenfalls demonstriert (Tsutsui et al., Adv. Mat. 13, 1149 (2001)).
Eine Reihe von Dokumenten bezieht sich auch auf das Einbringen einer
periodischen Struktur (
US 6,630,684 ;
US 6,476,550 ; US 2001/0033135
A1; US 2004/0027062 A1)
-
Alle
diese Methoden haben jedoch verschiedene Nachteile. So können die
periodischen Strukturen das Substrat oder die Aufrauhung nur die
Auskopplung der Moden aus dem Substrat bewerkstelligen. Da diese nur
etwa 30 % der Intensität
aufnehmen, ist damit von vornherein nur eine mäßige Verbesserung gegenüber einer
Struktur ohne Auskopplungmethoden gegeben. Weiterhin führen diese
Strukturen dazu, dass in Displays mit sehr kleinen Bildelementen
(Pixel) eine örtliche
Unschärfe
entsteht und dadurch eine Verwendung dieser verbesserten Auskopplung
in Displays nicht mehr möglich
ist. Weiterhin erzeugen solche Strukturen nichtplanare Oberflächen, was
in vielen Fällen
unerwünscht
ist.
-
Das
Verwenden von Schichten mit niedrigem Brechungsindex hat ebenfalls
Nachtteile. Solche Schichten werden meist in Form poröser Materialien
realisiert, was zu Instabilitäten
führen
kann. Weiterhin können Sauerstoff
und Wasser leicht durch solche Schichten diffundie ren, was aufgrund
der hohen Empfindlichkeit der OLED gegen diese Substanzen von Nachteil
ist.
-
Das
Einbringen von periodischen Strukturen in die aktiven Schichten
von OLED hat aus den oben genannten Gründen die besten Aussichten
für die
Erhöhung
der Effizienz: In einer üblichen,
zum Substrat hin emittierenden OLED werden etwa 50% des entstehenden
Lichts in die Organik/Substrat-Moden eingekoppelt. Allerdings haben
die bisher vorgestellten Ansätze,
wie die periodische Strukturierung des Substrats, empfindliche Nachteile,
da OLED aufgrund ihrer geringen Schichtdicke auf sehr glatten Substraten
aufgebaut werden müssen.
Deswegen ist es notwendig, die periodische Struktur anschließend wieder
sehr gut zu planarisieren.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein lichtemittierendes Bauelement zu schaffen,
bei dem die Möglichkeiten
zur Variation der optischen Eigenschaften erweitert und vereinfacht
umsetzbar sind.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein lichtemittierendes Bauelement nach dem unabhängige Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
-
Holographische
Schichten haben eine Reihe von Vorteilen: Zum einen sind in holographischen Schichten
mit relativ einfachen Mitteln regelmäßige periodische optische Strukturen
herstellbar. Zum zweiten können
diese Strukturen hergestellt werden, ohne dass es zu einer signifikanten
Aufrauhung der Schichten kommt. Zum dritten ist es in holographischen
Strukturen vergleichsweise einfach möglich, mittels Überlagerung
mehrerer Lichtwellen beim Schreiben der Hologramme auch komplexe
Anordnungen von Brechungsindex-Variationen zu realisieren, durch
die die Auskopplung verbessert werden kann.
-
Die
einfachste Variante ist im Prinzip ein eindimensionales laterales
Gitter, das allerdings nur beschränkt effizient ist, da im wesentlichen
nur Moden in Laufrichtung senkrecht zu den Streifen des Gitters
beeinflusst werden. Der nächst
komplexere Schritt ist ein zweidimensionales Gitter, das z.B. durch
die Überlagerung
jeweils zweiter Laser senkrecht zueinander erzeugt werden kann.
In diesem Fall werden Moden in beide laterale Richtungen beeinflusst.
In weiteren Ausführungen
kann fast jede beliebige zweidimensional-periodische Anordnung verwirklicht
werden; in dickeren holographischen Schichten können auch dreidimensionale Strukturen
realisiert werden. Der Vorteil einer dreidimensionalen abbildenden
Struktur liegt darin, dass ein Beugungseffekt dadurch in der Wellenlänge selektiv
wird. Dies kann in organischen Leuchtdioden zum Beispiel sehr vorteilhaft
verwendet werden, um die Farbkoordinaten der OLED für Displayanwendungen
oder für
besondere Beleuchtungsanwendungen zu optimieren. Wie im Folgenden
noch beschrieben, ist es damit auch möglich, Emitter zu realisieren,
die in verschiedene Richtungen verschiedene Farben emittieren.
-
Ein
wesentlicher Vorteil einer holographischen Abbildung im Vergleich
zu einfachen Gitterstrukturen liegt insbesondere darin, dass hierbei
beugende Strukturen so gebildet werden, dass eine gewähltes optische Eingangssignal,
beispielsweise eine Substratmode für einen vorgegebenen Winkel,
definiert in ein Ausgangssignal, beispielsweise eine externe Mode
in Form einer ebenen Welle in senkrechter Richtung, umgewandelt wird,
ohne dass die für
einfache Gitter unvermeidliche Beugung in mehrere Ordnungen in eine
andere Richtung auftritt. Letztlich kann der holographische Ansatz
als eine Rekonstruktion von Huygensschen Elementarwellen verstanden
werden, so dass im Prinzip interne Moden der OLED in nahezu beliebiger
Weise in den externen Halbraum übergeleitet.
Beispielsweise ist es möglich,
eine Kugelwelle zu erzeugen, die an einem Punkt zu einem Fokus führt, oder
ein holographisches Lichtobjekt im Raum zu erzeugen.
-
Die
beschrieben Vorteile der Nutzung einer oder mehrerer holographischer
Schichten ergeben sich bei Verwendung beliebiger organischer Leuchtdioden.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines lichtemittierenden Bauelements mit
einer Anordnung organischer Schichten und einer holographischen
Schicht in einer ersten Ausführungsform;
-
2 eine
schematische Darstellung eines lichtemittierenden Bauelements mit
einer Anordnung organischer Schichten und einer holographischen
Schicht in einer zweiten Ausführungsform;
-
3 eine
schematische Darstellung eines lichtemittierenden Bauelements mit
einer Anordnung organischer Schichten und einer holographischen
Schicht in einer dritten Ausführungsform;
-
4 Beispiel
für den
Aufbau der Anordnung zur Belichtung der holographischen Schicht;
-
5 eine
grafische Darstellung des Emissionsverhaltens einer organischen
Leuchtdiode mit und ohne holographische Schicht und
-
6 eine
schematische Darstellung einer Anordnung, bei der drei Objektstrahlen
(O1, O2, O3) und ein Referenzstrahl (R) vorgesehen
sind.
-
Eine
Ausführung
der vorgeschlagenen Anordnung umfaßt eine durch das Substrat
emittierenden organischen Leuchtdiode, bei der auf der von der Leuchtdiode
abgewandten Seite des Substrats ein holographischer Film aufgebracht
wurde, indem zum Beispiel ein Gitter einbelichtet wurde. Die im
Substrat hin und her laufenden optischen Moden werden an diesem
Gitter gebeugt und hierdurch bei einer ersten oder bei darauffolgenden
Reflexionen in einen Winkelbereich gebeugt, der schließlich als
externe Mode ausgekoppelt werden kann.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung für
einen Aufbau eines lichtemittierenden Bauelements mit einer holographischen
Schicht. In 1 sind gezeigt: eine holographische
Schicht 1, einen Träger/Substrat 2, eine
Basiselektrode 3 (Löcher
injizierend; Pluspol), die transparent ausgeführt ist, eine Anordnung organischer Schichten 4,
die in dem Ausführungsbeispiel
eine Löcher
injizierende Schicht, eine Löcher
transportierende Schicht (HTL), eine Licht emittierende Schicht
(EL), eine Elektronen transportierende Schicht (ETL) und eine Elektronen
injizierende Schicht umfaßt,
und eine Deckelektrode 5, die aus einem Metall mit niedriger
Austrittsarbeit gebildet sein kann (Elektronen injizierend; Minuspol).
Des weiteren kann eine Kapselung (nicht dargestellt) zum Ausschluß von Umwelteinflüssen vorgesehen
sein. Es können
Schichten weggelassen werden, außer die Basiselektrode 3,
die Licht emittierende Schicht (EL) und die Deckelektrode 5.
Es kann auch vorgesehen sein, daß mehrere Schichten zu einer
Schicht zusammengefaßt
sind.
-
Die
vorgesehene Nutzung einer oder mehrerer holographischer Schichten
kann in Verbindung mit organischen Leuchtdioden beliebiger Art erfolgen,
insbesondere auch mit einer OLED, die über eine oder mehrere dotierte
Transportschichten verfügt,
wie als solche bekannt sind. Ebenfalls genutzt werden können ein oder
mehrere holographische Schichten für organische Leuchtdioden,
die vom Substrat weg oder in beide Richtungen emittieren. Hierbei
kann die holographische Schicht 1 zwischen dem Substrat 2 und
dem substratnahen Kontakt (Basiselektrode 3) angeordnet
sein, wie dies in 2 gezeigt ist.
-
Alternativ
kann die holographische Schichte jedoch auch auf den semitransparenten,
vom Substrat abgewandten Kontakt aufgebracht werden, was in 3 gezeigt
ist. In 3 sind dargestellt: ein Träger/Substrat 20,
eine substratnahe Kontaktschicht 21, ein organisches Schichtsystem 22,
eine substratferne Kontaktschicht 23 und eine holographische
Schicht 24.
-
Im
folgenden wird ein Beispiel der Steuerung der Emission einer Leuchtdiode
erläutert.
Hierfür
wurde ein Hologramm belichtet, das einen senkrecht zum Substrat
eintretenden Objektstrahl mit einem zweiten Referenzstrahl überlagert,
der über
ein Prisma unter einem Winkel eingekoppelt wurde, der bei umgekehrter Strahlrichtung
im planaren Substrat bereits der Totalreflektion unterliegen würde. 4 zeigt
den Aufbau der Anordnung zur Belichtung der holographischen Schicht.
Der Lichtaustritt einer Leuchtdiode lässt sich auch durch Hologramme
steuern, die durch Überlagerung
von mehren Wellen, in 6 mit 4 Wellen (R,
O1, O2, O3) dargestellt, gewonnen werden. Auch Hologramme
solchen Rotationskörpern,
die entstehen wenn den Pyramidenstumpf in 6 durch
einen Kegelstumpf ersetzt, also statt mit 3 Objektstrahlen
O1 bis O3 mit einer
nichtebenen Objektwelle arbeitet, deren Normale einen Kegel beschreibt,
tragen dazu bei, Licht aus internen Moden in externe zu überführen.
-
5 zeigt
die Emissionverteilung einer organischen Leuchtdiode ohne (gepunktete
Linie) und mit (durchgezogene Linie) holographischem Gitter. Das
Gitter wurde dabei mit Indexflüssigkeit
auf der Substratseite angebracht. Ohne Gitter zeigt die Leuchtdiode
als Funktion des Winkels eine leicht ansteigende Intensität, folgt
also nur annähernd
der für
leuchtdioden meist angenommen Lambert-Verteilung, die zu einer konstanten Intensität korrespondieren
würde.
Mit dem holographischen Gitter hat die Leuchtdiode in vertikaler
Richtung eine starke Überhöhung der
Intensität:
Offensichtlich bildet das Hologramm Intensität aus den Substratmoden in
Richtung des Objektstrahls ab. Damit ist gezeigt, dass die abbildende
Wirkung für
Substratmoden gegeben ist.
-
Aus
diesen Ergebnissen folgt, dass mittels geeigneter Belichtung des
Hologramms im Prinzip alle Substratmoden ausgekoppelt werden können. Diese
Moden sind bei einer üblichen
OLED mit planarem Aufbau auf den Winkelbereich zwischen etwa 36
bis etwa 62 Grad gegenüber
der Normalen (Lu et al., J.Appl.Phys. 91, 595 (2002)) verteilt.
Wenn diese Moden senkrecht ausgekoppelt werden sollen, so kann bei
der Belichtung des Hologramms der Objektstrahl senkrecht gehalten
werden. Der Referenzstrahl kann dann im angegebenen Winkelbereich
in Schritten erhöht
werden, um eine Superposition holographischer Abbildungen für alle Substratmoden
zu erreichen. Wenn eine breitere Auskopplung in Vorwärtsrichtung
erzielt werden soll, so kann ebenfalls eine Superposition mehrerer
holographischer Abbildungen erstellt werden, bei denen Objekt- und
Referenzstrahl in Schritten variiert werden. Wie aus 5 ersichtlich
ist, wird beim hier gewählten
Ausführungsbeispiel
eine Halbwertsbreite von etwa 10 Grad emittiert. Das bedeutet, dass
für diesen
Fall eine ähnliche
Schrittweite gewählt
werden könnte.
-
Mit
dieser Anordnung ist es allerdings auch möglich, organische Leuchtdioden
zu realisieren, die gezielt in eine bestimmte Richtung emittieren.
Dies wird ganz einfach dadurch realisiert, dass der Objektstrahl
in diese Richtung gewählt
wird und durch geeignete Wahl der Richtung der Referenzstrahls möglichst
viele Moden in diese Richtung gelangen. Zusätzlich kann man zum Beispiel
mittels eines Substrats mit hohem Brechungsindex, die externen Moden
der OLED unterdrücken,
so dass der Kontrast einer solchen Abbildung angehoben wird.
-
Weiterhin
ist es möglich,
mit Hilfe geeigneter Wahl der holographischen Schicht die Farbkoordinaten einer
organischen Leuchtdiode zu beeinflussen: Wird zum Beispiel ein blauer
Emitter verwendet, der zu starke Grünanteile hat und dadurch einen
weißlich-blauen
Farbeindruck erzeugt, so kann die holographische Struktur mit einer
Wellenlänge
geschrieben werden, die zu einer zusätzlichen Auskopplung des tiefblauen
Anteils führt. Hierdurch
wird an der entstehenden dreidimensionalen Struktur bevorzugt diese
Komponente abgelenkt und erzeugt eine geeignetere Farbkoordinate
in Vorwärtsrichtung.
In ähnlicher
Weise kann vorgesehen sein, eine organische Leuchtdiode auszubilden,
die in verschiedene Richtungen verschiedene Spektren abstrahlt,
zum Beispiel für
spezielle Beleuchtungszwecke.
-
Neben
den bisher erwähnten
Hologrammen, die teilweise transparent sind und in der Regel in
transmissiver Weise benutzt werden, können auch reflektive Hologramme
benutzt werden.
-
Diese
Hologramme können
auf besonders einfache Weise, zum Beispiel mittels Prägen, hergestellt werden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise das reflektive
Hologramm bei einer vom Substrat weg emittierenden OLED unter dem
semitransparenten Substratkontakt angeordnet werden; alternativ
oder zusätzlich
kann das Hologramm auch auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats
angebracht werden.
-
Wie
erwähnt,
können
mit der beschriebenen Anordnung die in das Substrat eingekoppelten
Moden in externe Moden umgewandelt werden. Strahlen, die noch weiter
von der Normalen emittiert werden, können nur in die ITO-Organik-Moden
eingekoppelt werden. Sollen diese ITO-Organik-Moden ausgekoppelt
werden, so sind andere Überlegungen
anzustellen. Während
die Substratmoden quasi-kontinuierlich über alle Winkel verteilt sind,
sind die ITO-Organik
Moden auf wenige Winkel beschränkt.
Für dünne OLED-Strukturen
erwartet man, dass nur die Grundmode erlaubt ist, für dickere
Strukturen sollte jeweils die zweite TE- und TM-Mode existieren
(T. Fuhrmann et al., Organic Electronics 4, 219 (2003)).
-
Um
eine solche Mode auszukoppeln, kann die aus der Filmwellentheorie
bekannte Bragg-Beugung höherer Ordnung
genutzt werden (Ebeling, „Integrierte
Optoelektronik",
Springer Verlag Berlin Heidelberg New York, 2. Aufl. 1992, S. 67).
Danach muß die
Periode des in die Struktur integrierten Gitters K für die Beugung in
der Ordnung j folgender Gleichung genügen:
wobei θ
m der Winkel der m-ten Mode ist, k deren
Wellenvektor und n
f der Brechungsindex des
Films. Speziell für
j=2 ist es möglich,
in eine Mode einzukoppeln, die senkrecht zum Substrat nach außen emittiert
wird. Allerdings muss eine periodische Struktur dieses Wellenvektors
so in der organischen Leuchtdiode angebracht werden, dass die Substratmode
in dieser Struktur noch ausreichend Intensität hat. Dies sollte bei einer
Anbringung zwischen ITO und Substrat der Fall sein, da hier der
evaneszente Anteil der Filmwelle noch signifikant ist (T. Fuhrmann
et al., Organic Electronics 4, 219 (2003)).
-
Die
Nutzung von holographischen Filmen in organischen Leuchtdioden bietet
weitere interessante Möglichkeiten
für spezielle
Displays. So ist es möglich,
durch Überlagerung
zweier holographischer Abbildungen einen stereoskopischen Eindruck
zu erzeugen. Werden diese beiden Bilder von einer als Display pixelierten
OLED erzeugt, so kann durch Belichtung der holographischen Bilder
mit verschiedenen Wellenlängen
erreicht werden, dass das Licht verschiedenfarbig emittierender
Segmente des Displays jeweils von einem der beiden Hologramme gebeugt
wird. Hierdurch ist eine sehr einfache Möglichkeit für ein holographisches 3D-Display
geschaffen.
-
Schließlich soll
noch auf die Möglichkeit
hingewiesen werden, ein Transferhologramm zu verwenden, das heißt ein Hologramm
eines Hologramms. Hierdurch kann erreicht werden, dass die beugende
Ebene virtuell realisiert ist und bei einer Aufbringung des Substrats
in die aktive Schicht der OLED gelegt werden kann.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung
sein.
