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Die
Erfindung betrifft Leuchtdiodenelemente mit einer ersten Elektrode,
einer organischen elektrisch leitenden aktiven Zwischenschicht und
einer elektrisch leitenden zweiten Elektrode, die auch als organische
Leuchtdioden (OLED's)
bezeichnet werden. Zumindest eine der beiden Elektroden ist dabei optisch
transparent.
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Dabei
wird elektrischer Strom vom äußeren Rand
eines Leuchtdiodenelementes der ersten Elektrode zugeführt und
der elektrische Stromfluss erfolgt durch eine organische aktive
Zwischenschicht zu der üblicherweise
ebenfalls elektrisch leitenden und aus einem Metall gebildeten zweiten
Elektrode. Dabei tritt emittiertes Licht aus einer optisch transparenten Elektrode
aus und kann für
verschiednen Anwendungen genutzt werden. Die Leuchtdichte ist dabei
von der elektrischen Spannung und dem elektrischen Strom, der zwischen
erster Elektrode und zweiter Elektrode fließt, abhängig.
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Elektrode
und zweiter Elektrode fließt,
abhängig.
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Dies
ist für
eine homogene Emission von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich
des sichtbaren Lichts bei kleinformatigen Leuchtdiodenelementen
eigentlich unproblematisch. Da sich die geringere elektrische Leitfähigkeit
der Werkstoffe, beispielsweise Indium-Zinnoxid, aus denen optisch
transparente Elektroden gebildet sein können, über die Fläche solcher Elektroden nur
geringfügig
aus.
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Bei
großflächigen Leuchtdiodenelementen ist
dies aber problematisch, da der elektrische Stromfluss ausgehend
von einer üblicherweise
am äußeren Rand
ausgebildeten elektrischen Kontaktierung über den optisch transparente
Elektroden bildenden Werkstoff erfolgt und sich dabei der elektrische
Widerstand nachteilig mit wachsendem Abstand von einer am äußeren Rand
ausgebildeten elektrischen Kontaktierung auswirkt. So kann mit wachsendem Abstand
eine reduzierte Leuchtdichte der von einem Leuchtdiodenelement emittierten
elektromagnetischen Strahlung verzeichnet werden. So stellt sich ein
Kontrast zwischen stärker
emittierendem Randbereich und inneren Bereichen ein, der den optischen Gesamteindruck
beeinträchtigt.
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Der
Einfluss der elektrischen Spannung auf die erreichbare Leuchtdichte
ist aber erheblich und eine geringfügige Verkleinerung der elektrischen Spannung
kann die Leuchtdichte emittierter elektromagnetischer Strahlung
bis gegen Null gehend reduzieren. Dieser Sachverhalt kann dem in 2 gezeigten
Diagramm entnommen werden.
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Funktionsprinzipbedingt
ist es aber erforderlich zumindest eine der Elektroden aus optisch
transparenten Werkstoffen zu bilden, um sichtbare elektromagnetische
Strahlung emittieren zu können. Mehr
oder weniger opaque Werkstoffe scheiden daher für die Herstellung von solchen
Elektroden aus.
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Die
Zuführung
elektrischen Stromes zu den Leuchtdiodenelementen kann aber aus
aus technischer Sicht verständlichen
Gründen
immer nur von mindestens einem äußeren Rand
erfolgen und der Einsatz eines mittig angeordneten Kontaktes an
einer optisch transparenten Elektrode ist nicht sinnvoll und vernünftig realisierbar.
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Durch
Simulation konnte ermittelt werden, dass die Leuchtdichte eines
herkömmlichen
Leuchtdiodenelementes in einem Abstand von 40 mm ausgehend vom äußeren Rand
bereits auf 32 % reduziert ist. Dieser Sachverhalt ist aus dem in 3 gezeigten
Diagramm entnehmbar. Dabei wurden für die Werte elektrische Spannung
U, elektrischen Strom I, die elektrische Stromdichte i und die Leuchtdichte
L normierte Werte genutzt. Demzufolge kann der vorab erwähnte Verlust
an Leuchtdichte L bei einer um 26 % reduzierten elektrischen Spannung
bei einem Abstand von 40 mm vom äußeren Rand
erwartet werden, was den optische Gesamteindruck bei großflächigeren
Leuchtdiodenelementen erheblich beeinträchtigt.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung großflächige Leuchtdiodenelemente
mit organischen aktiven Zwischenschichten und mindestens eineroptisch transparenten
Elektrode zur Verfügung
zu stellen, deren Leuchtdichte über
die elektromagnetische Strahlung emittierende Fläche homogener ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem Leucht diodenelement, das die Merkmale des Anspruchs
1 aufweist, gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit
in den untergeordneten Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Die
erfindungsgemäßen Leuchtdiodenelemente
sind dabei in wesentlichen Punkten analog zu herkömmlichen,
also mit erster Elektrode, organischer, aktiver elektrisch leitender
Zwischenschicht und elektrisch leitender zweiter Elektrode ausgebildet.
Zumindest eine der beiden Elektroden ist dabei optisch transparent.
Die laterale Ausdehnung der ersten und/oder zweiten Elektrode, also
die Fläche die
für die
Emission von elektromagnetischer Strahlung genutzt werden kann,
ist dabei größer als
die Dicke des Leuchtdiodenelementes. Dies betrifft insbesondere
die laterale Ausdehnung in eine Richtung ausgehend von einer am äußeren Rand
vorhandenen elektrischen Kontaktierung, über die die Zuführung elektrischen
Stromes erfolgt. Sie kann dabei vielfach größer als die Gesamtdicke eines
Leuchtdiodenelements sein. Es können
Flächen
in Größen oberhalb
10 cm2 sicher mit einer homogeneren Emission
von elektromagnetischer Strahlung über die gesamte nutzbare Fläche berücksichtigt
und ausgenutzt werden.
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Dabei
sind erfindungsgemäß ausgehend
von einer am äußeren Rand
angeordneten elektrischen Kontaktierung elektrische Leiter auf der
Oberfläche einer
der beiden Elektroden geführt,
die dann auch optisch transparent ist/sind. Die elektrischen Leiter überdecken
dabei die Oberfläche
der jeweiligen Elektrode bereichsweise und bilden dabei elektrische Stromzuführungen.
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Es
hat sich dabei herausgestellt, dass durch solche elektrischen Leiter,
die optisch nicht transparent sind bzw. sein müssen, eine homogenere Leuchtdichteverteilung über die
gesamte Fläche
von großen
Elektroden erreichbar ist. Dabei aber der Verlust durch die Abschattung
der optisch nicht transparenten elektrischen Leiter durch verringerte
elektrische Leistungsverluste in etwa kompensiert ist. Je nach Schichtdicke
dieser Leiter und Größe der emittierenden
Fläche
kann die gesamte verfügbare Strahlung
sogar größer sein,
als bei Leuchtdiodenelementen nach dem Stand der Technik und bei
gleicher elektrischer Leistung.
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Dabei
können
elektrische Leiter auf der Oberfläche einer ersten und/oder zweiten
Elektrode so ausgebildet werden, dass sie sich ausgehend vom äußeren Rand
an dem sie elektrisch leitend mit der dort angeordneten elektrischen
Kontaktierung verbunden sind, verkleinern und dadurch die von ihnen überdeckte
Oberfläche
ebenfalls entsprechend verkleinert ist.
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Dies
kann durch eine Vergrößerung der
Abstände
von elektrischen Leitern und/oder der entsprechend geänderten
Länge von
elektrischen Leitern, mit denen diese die Oberfläche der jeweiligen Elektrode überdecken,
erreicht werden.
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Elektrische
Leiter können
aber auch so ausgebildet sein, dass sich die von ihnen überdeckte
Fläche
der jeweiligen Elektrode ausgehend vom jeweiligen äußeren Rand
verkleinert, sie also schmaler werden. Elektrische Leiter können eine
sich in dieser Richtung sich konisch verjüngende Keilform aufweisen,
so dass die überdeckte
Oberfläche
der jeweiligen Elektrode, von in dieser Form ausgebildeten elektrischen
Leitern, ausgehend vom jeweiligen äußeren Rand sich kontinuierlich
verkleinern kann.
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Bei
erfindungsgemäßen Leuchtdiodenelementen
sollten maximal auf 30 %, bevorzugt 10 % der gesamten Oberfläche der
jeweiligen Elektrode von elektrischen Leitern überdeckt sein.
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Elektrische
Leiter können
insbesondere bei in einer lateral langgestreckten Form ausgebildeten optisch
transparenten Elektroden ausgehend von zwei sich gegenüberliegend
angeordneten äußeren Rändern auf
der Oberfläche
ausgebildet sein. Dies ist beispielsweise bei in einer rechteckigen
Form ausgebildeten Leuchtdiodenelementen günstig.
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Die
Erfindung kann aber auch an Leuchtdiodenelementen eingesetzt sein,
die eine unregelmäßige oder
gekrümmte
Randkontur aufweisen, wie sie z.B. als Signalelemente eingesetzt
werden können. Sie
können
die Form bestimmter Zeichen, Symbole oder auch Piktogramme aufweisen.
Dabei kann die jeweilige laterale Ausdehnung von einem Punkt am Rand
unterschiedlich groß sein,
was durch entsprechende lokal differenzierte Ausbildung elektrischer Leiter
berücksichtigt
werden kann. So können
beispielsweise in schmaleren/engeren Bereichen einer Fläche einer
ersten und/oder zweiten optisch transparenten Elektrode keine elektrischen
Leiter vorhanden oder eine geringere Fläche von elektrischen Leitern überdeckt
sein, als in breiteren Bereichen. Dies ist ein Beispiel für die Berücksichtigung
der jeweiligen äußeren Randkontur
von Leuchtdiodenelementen.
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Elektrische
Leiter können
auf der Oberfläche von
E lektroden als dünne
metallische Schichten ausgebildet werden, was sich mit an sich bekannter Technologie
und dem entsprechend lediglich geringfügig erhöhten Fertigungskosten erreichen
lässt.
Dabei sollten Schichtdicken für
elektrische Leiter von mindestens 50 nm, bevorzugt von ca. 100 nm
eingehalten werden, um eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit
zu erreichen. Die Ausbildung der Struktur und der jeweils von elektrischen
Leitern überdeckten
Fläche
kann für
ein jeweiliges Leuchtdiodenelement berechnet werden.
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Elektrische
Leiter können
aber auch in Form eines Netzwerkes oder mit sich verzweigenden Leiterenden
ausgebildet sein, was insbesondere bei stark konturierten äußeren Rändern oder
Randbereichen günstig
sein kann.
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Die
elektrischen Leiter können
aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold oder auch einer Legierung mindestens
eines dieser Metalle gebildet sein.
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Nachfolgend
soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei
zeigen:
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1 in
schematischer Form ein herkömmliches
Leuchtdiodenelement mit elektrischem Stromfluss;
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2 ein
die Abhängigkeit
der Leuchtdichte von einem Leuchtdiodenelement emittierter elektromagnetischer
Strahlung von elektrischer Spannung wieder spiegelndes Diagramm;
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3 ein
Diagramm mit normalisierten Werten für elektrischen Strom, elektrischer
Spannung, elektrischer Stromdichte und Leuchtdichte in Abständen von
einem äußeren Rand
an einem herkömmlichen
Leuchtdiodenelement;
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4 in
schematischer Form eine Möglichkeit
zur Ausbildung erfindungsgemäßer Leuchtdiodenelemente;
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5 ein
Diagramm mit normalisierten Werten für elektrischen Strom, elektrischer
Spannung, elektrischer Stromdichte und Leuchtdichte in Abständen von
einem äußeren Rand
an einem Leuchtdiodenelement nach 4;
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6 in
schematischer Form eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung erfindungsgemäßer Leuchtdiodenelemente;
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7 in
schematischer Form noch eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung erfindungsgemäßer Leuchtdiodenelemente
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8 ein
Diagramm mit normalisierten Werten für elektrischen Strom, elektrischer
Spannung, elektrischer Stromdichte und Leuchtdichte in Abständen von
einem äußeren Rand
an einem Leuchtdiodenelement mit sich ausgehend vom äußeren Rand linear
verjüngenden
elektrischen Leitern, die 24 % der Fläche bedecken und
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9 ein
Diagramm mit normalisierten Werten für elektrischen Strom, elektrischer
Spannung, elektrischer Stromdichte und Leuchtdichte in Abständen von
einem äußeren Rand
an einem Leuchtdiodenelement mit weiter verbesserter Ausbildung
elektrischer Leiter.
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Bei
den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen soll davon
ausgegangen werden, dass lediglich eine erste Elektrode 1 optisch
transparent ist. Es kann aber auch ein Leuchtdiodenelement so ausgebildet
sein, dass die zweite Elektrode 3 allein oder zusätzlich auch
optisch transparent ist und Strahlung dann von der/den jeweiligen
Flächen
einer oder beider Elektroden 1 und 3 emittiert
werden kann.
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Mit 1 soll
in schematischer Form an einem herkömmlichen Leuchtdiodenelement
verdeutlicht werden, wie der elektrische Stromfluss erfolgt. Dabei
ist auf die Darstellung einer elektrischen Kontaktierung an einem
Rand verzichtet worden, die hier am links angeordneten Rand angeordnet
wäre.
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Der
elektrische Strom fließt
vom linken äußeren Rand
durch die erste Elektrode 1 in die hier optisch transparente
erste Elektrode 1 aus Indium-Zinnoxid. Nachfolgend durch
die organische aktive und elektrisch leitende Zwischenschicht 2.
Hier aus mehreren Schichten organischer Verbindungen gebildet. Dies
sind zwei Schichten mit voneinander abweichendem Leitungsmechanismus
(Elektronen- oder Löcherleitung)
und weiteren Schichten, die den Wirkungsgrad auf verschiedene Weise
erhöhen
(z.B. Verringerung der strahlungslosen Rekombination und Verbesserung
der Lichtauskopplung).
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Dann
erfolgt der Rückfluss
des elektrischen Stromes über
eine metallische optisch nicht transparente zweite Elektrode 3 zum äußeren Rand,
wie dies mit den Pfeilen angedeutet ist.
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Das
in 2 gezeigt Diagramm gibt den Einfluss elektrischer
Spannung auf erreichbare Leuchtdichten von in Rede stehenden Leuchtdiodenelementen
wieder. Diese reagieren also auf eine sich verändernde elektrische Spannung
sehr empfindlich.
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Die
in den 3, 5 und 8 gezeigten Diagramme
verdeutlichen die Abhängigkeit
von elektrischem Strom, elektrischer Spannung, elektrischer Stromdichte
und Leuchtdichte vom jeweiligen Abstand zu einem äußeren Rand
von Leuchtdiodenelementen mit dort angeordneter elektrischer Kontaktierung 5,
bei verschiednen Ausführungen
von Leuchtdiodenelementen.
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So
ist dem in 3 dargestellten Diagramm zu
entnehmen, dass bei herkömmlichen
organischen Leuchtdiodenelementen mit sich vergrößerndem Abstand eine erhebliche
Verringerung der Werte einhergeht. So sind die elektrische Spannung
bei einem Abstand von 40 mm um 26 % und die Leuchtdichte dort bereits
auf 32 %, also überproportional
reduziert.
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Bei
dem in 5 gezeigten Diagramm wurden diese Werte für ein Leuchtdiodenelement,
das gemäß 4 ausgebildet
war, berücksichtigt.
Dieses ist der Einfachheit halber so dargestellt, dass lediglich
am hier links angeordneten Rand eine elektrische Kontaktierung 5 vorhanden
ist. Von dieser gehen hier zwei elektrische Leiter 4 aus, überdecken
die erste hier optisch transparente Elektrode 1 und sind
mit dieser elektrisch leitend verbunden. Bei diesem einfachen Beispiel,
dass z.B. bei einer rechteckigen Geometrie einsetzbar ist, können zwei
gleich und parallel zueinander ausgerichtete elektrische Leiter 4 bereits
eine gute Wirkung erzielen.
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In
nicht dargestellter Form kann aber auch eine zweite elektrische
Kontaktierung am hier rechts darge stellten äußeren Rand vorhanden sein,
die mit den hier dargestellten oder zusätzlichen elektrischen Leitern 4 elektrisch
leitend verbunden sein kann.
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Die
elektrischen Leiter 4 waren hier in bekannter Dünnschichttechnik
auf der ersten Elektrode 1 mit einer Schichtdicke von 100
nm aus Aluminium ausgebildet. Es waren 12 % der Oberfläche der
ersten Elektrode 1 von den elektrischen Leitern 4 überdeckt.
Die Verringerung der elektrischen Spannung in einem Abstand von
40 mm ausgehend vom äußeren Rand
betrug lediglich 5 %. Die Leuchtdichte der emittierten elektromagnetischen
Strahlung erreichte dort lokal noch 75%, jeweils normiert in Bezug
zu den Maximalwerten.
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Die
in den 6 und 7 gezeigten möglichen
Ausführungen
können,
auch in weiter angepasster Form der elektrischen Leiter 4 bei
Leuchtdiodenelementen mit differenzierter oder komplizierterer äußerer Randkontur
eingesetzt werden.
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Dabei
ist bei beiden Beispielen hier am linken äußeren Rand eine elektrische
Kontaktierung 5 ausgebildet, die in elektrische Leiter 4 übergeht,
die die Oberfläche
der ersten Elektrode 1 bedecken.
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Beim
Beispiel nach 6 sind zwei elektrische Leiter 4 mit
parallel zueinander ausgerichteter Längsachse ausgebildet, deren
Breite sich ausgehend von der elektrischen Kontaktierung auf der Oberfläche der
ersten Elektrode 1 verkleinert, so dass sie eine Keilform
aufweisen. Wie bereits beim Beispiel nach 4 erwähnt, kann
in nicht dargestellter Form auch am rechten äußeren Rand eine elektrische
Kontaktierung 5 vorhanden sein, von der elektrische Leiter 4 ausgehen
und in Richtung Mitte einer ersten Elekt rode 1 ausgerichtet
sind. Dies kann in Form eines am der in 6 rechts
angeordneten Rand gespiegelten Teiles erfolgen.
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Die
nicht dargestellten elektrischen Leiter 4 können aber
auch mit zu den Dargestellten mit versetzen Längsachsen angeordnet und dann
auch länger
sein als in 6 gezeigt, so dass die von beiden gegenüberliegend
angeordneten Rändern
ausgehenden elektrischen Leiter 4 kammförmig ineinander greifen. Die
elektrischen Leiter 4 so bis über die Mittenachse zwischen
den äußeren Rändern hinausragend
geführt
sein können.
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Beim
In 7 gezeigten Beispiel sind mehrere elektrische
Leiter 4 mit parallel zueinander ausgerichteten Längsachsen
ausgebildet, die jedoch unterschiedliche Längen ausgehend vom äußeren Rand
mit elektrischer Kontaktierung 5 aufweisen. So kann ebenfalls
ein Einfluss auf eine homogenere Leuchtdichteverteilung eines Leuchtdiodenelementes
genommen werden.
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Die
Ausbildung elektrischer Leiter 4 kann auch zusätzlich eine
Variation ihrer Breiten und/oder der Abstände benachbarter elektrischer
Leiter 4 berücksichtigen.
So dass ein oder mehrere elektrische Leiter 4 schmaler
ausgebildet und/oder dichter nebeneinander angeordnet sein können, als
andere elektrische Leiter 4 auf der Oberfläche einer
ersten Elektrode 1.
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Mit
der Erfindung kann der Abfall der elektrischen Spannung ausgehend
vom Rand mit der elektrischen Kontaktierung 5 mit wachsendem
Abstand reduziert werden, so dass bei einem Abstand von 40 mm der
Abfall der elektrischen Spannung lediglich bei ca. 5% und die Leuchtdichte
nahezu konstant gehalten werden kann, so dass die Leuchtdichteverluste
infolge der von elektrischen Leitern 4 überdeckten und abgeschatteten
Oberfläche
(12%) mehr als kompensiert und vor allem eine gleichmäßigere Leuchtdichteverteilung über die
gesamte Fläche
einer ersten Elektrode 1 erreicht werden können.