DE102011053902B4

DE102011053902B4 - Verfahren zum Betreiben einer lichtemittierenden Vorrichtung und Anordnung

Info

Publication number: DE102011053902B4
Application number: DE102011053902.6A
Authority: DE
Inventors: Sven Murano; Torsten Coym; Oliver Langguth
Original assignee: NovaLED GmbH
Current assignee: NovaLED GmbH
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2031-09-24
Also published as: DE102011053902A1; WO2013041088A3; WO2013041088A2; US20140225523A1; CN103947288A

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer lichtemittierenden Vorrichtung, wobei bei dem Verfahren: – ein gepulster Strom mit einer Pulsfrequenz von einer Treiberschaltung (4) erzeugt wird, die einen zur Strompulsung Taktsignale bereitstellenden Taktgeber aufweist, und – eine lichtemittierende Vorrichtung, die funktionell an die Treiberschaltung (4) koppelt und die mit einer oder mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) gebildet ist, mit dem gepulsten Strom mit einer Pulsfrequenz von etwa 10 kHz bis etwa 100 kHz beaufschlagt wird, wobei gilt: T_PWM < (T_Anstieg + T_Abfall) und wobei T_PWM die Impulslänge für die vom Taktgeber der Treiberschaltung (4) erzeugten Taktsignale und T_Anstieg sowie T_Abfall die Impulsanstiegs- und die Impulsabfallzeit für die an der einen oder den mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) anliegenden Stromimpulse angeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer lichtemittierenden Vorrichtung, die mit einer oder mehreren organischen lichtemittierenden Dioden gebildet ist, sowie eine Anordnung mit einer solchen Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Derartige lichtemittierende Vorrichtungen können in unterschiedlichen Ausgestaltungsvarianten zur Anwendung kommen, wozu insbesondere als Beleuchtungseinrichtung ausgebildete lichtemittierende Vorrichtungen gehören. In diesem Zusammenhang gewinnen organische lichtemittierende Dioden (OLED) zunehmend an Bedeutung. Ähnlich wie anorganische lichtemittierende Dioden (LED) werden OLEDs stromgetrieben angesteuert. Allerdings gibt es auch einige fundamentale Unterschiede hinsichtlich der Bedürfnisse und der Eigenschaften zwischen diesen Arten von lichtemittierenden Dioden. Dieses ist der Grund dafür, dass für lichtemittierende Vorrichtungen mit organischen lichtemittierenden Dioden speziell eingerichtete Treibereinrichtungen notwendig sind.
LEDs werden üblicherweise mittels eines gepulsten Stromes betrieben, wobei mittels der Pulsweite die Helligkeit der LEDs gesteuert wird. Eine Variation des Treiberstromes ist jedoch in marktüblichen LED-Treibern nicht vorgesehen. Für den Betrieb von OLEDs können LED Treiber grundsätzlich verwendet werden, allerdings kann sich für die OLED die Helligkeitsregelung mittels PWM (Pulsweitenmodulation) nachteilig auf die Lebensdauer auswirken, da die OLEDs bei effektiv höheren Helligkeiten betrieben und die Alterung von OLEDs exponentiell mit der Helligkeit zunimmt.
LED-Treiber sind darüber hinaus auch nur mit einigen marktüblichen Nennströmen erhältlich, was unter anderem durch die Binning-Prozeduren in der LED-Industrie bedingt ist.
Der Betriebsstrom für OLEDs skaliert jedoch mit der aktiven Leuchtfläche, welche je nach Anwendung sehr variabel sein kann. Insofern ist es wünschenswert, OLED-Treiber so auszugestalten, dass sie je nach größe der OLED diese mit einem unterschiedlichen Strom beaufschlagen können.
Aus dem Dokument US 2011/0140626 A1 ist eine elektronische Treibereinrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer organischen Licht emittierenden Diode bekannt. Die Treibereinrichtung weist eine Steuereinrichtung auf, die konfiguriert ist, einen gepulsten Strom mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 100 Hz bis 2 kHz zu erzeugen.
Weitere Treiber- und Steuereinrichtungen sowie Verfahren zum Ansteuern von OLEDs sind in den Dokumenten US 2009/0079355 A1 , US 2009/0295778 A1 und US 2008/0258695 A1 offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Treibertechnologien für eine lichtemittierende Vorrichtung mit einer oder mehreren lichtemittierenden organischen Dioden anzugeben. Die organischen lichtemittierenden Dioden sollen effizienter betreibbar sein. Darüber hinaus soll die Lebensdauer der lichtemittierenden Vorrichtung optimiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer lichtemittierenden Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist eine Anordnung nach dem unabhängigen Anspruch 9 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Verfahrens zum Betreiben einer lichtemittierenden Vorrichtung, wobei bei dem Verfahren ein gepulster Strom mit einer Pulsfrequenz von einer Treiberschaltung erzeugt wird, die einen zur Strompulsung Taktsignale bereitstellenden Taktgeber aufweist, und eine lichtemittierende Vorrichtung, die funktionell an die Treiberschaltung koppelt und die mit einer oder mehreren organischen lichtemittierenden Dioden gebildet ist, mit dem gepulsten Strom mit einer Pulsfrequenz von etwa 10 kHz bis etwa 100 kHz beaufschlagt wird, wobei gilt: T_PWM < (T_Anstieg + T_Abfall) und wobei T_PWM die Impulslänge für die vom Taktgeber der Treiberschaltung erzeugten Taktsignale und T_Anstieg sowie T_Abfall die Impulsanstiegs- und die Impulsabfallzeit für die an der einen oder den mehreren organischen lichtemittierenden Dioden anliegenden Stromimpulse angeben.
Weiterhin ist eine Anordnung mit den folgenden Merkmalen geschaffen:

– eine lichtemittierende Vorrichtung, die mit einer oder mehreren organischen lichtemittierenden Dioden gebildet ist, und
– eine Treiberschaltung, die einen zur Strompulsung Taktsignale bereitstellenden Taktgeber aufweist und funktionell an die lichtemittierende Vorrichtung koppelt, derart, dass im Betrieb die lichtemittierende Vorrichtung mit einem von der Treiberschaltung erzeugten, gepulsten Strom mit einer Pulsfrequenz von etwa 10 kHz bis etwa 100 kHz beaufschlagt wird,

Das vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben der organischen lichtemittierenden Dioden in der lichtemittierenden Vorrichtung entspricht einem Betrieb mit einem hochfrequenten gepulsten Strom, wobei die organischen lichtemittierenden Dioden als Tiefpass für die Pulsfrequenz des gepulsten Stromes wirken. Hierdurch werden hochfrequente Stromsignalanteile herausgefiltert. Der effektive Stromfluss an den organischen lichtemittierenden Dioden entspricht dann in etwa dem Tastverhältnis, also dem Quotienten aus Impulslänge und Impulsperiodendauer. Mittels Variation des Tastverhältnisses lässt sich auf diese Weise ein beliebiger mittlerer Stromfluss durch die organischen lichtemittierenden Dioden einstellen und regeln. Es sinken die Energieverluste im Betrieb. Darüber hinaus verlängert sich die Lebensdauer der organischen lichtemittierenden Dioden.
Die vorgeschlagenen Technologien eignen sich insbesondere für lichtemittierende Vorrichtungen, bei denen großflächige organische lichtemittierende Dioden zum Einsatz kommen. Hierzu gehören organische lichtemittierende Dioden mit einer Größe zwischen 1 und 1000 cm², insbesondere für Beleuchtungsanwendungen. Auch Größen von bis zu 1 m² können vorgesehen sein. Die organische lichtemittierende Diode kann hierbei unterstrukturiert sein und aus seriell und/oder parallel geschalteten Sub-Dioden bestehen. Betrieben wird eine solche organische lichtemittierende Diode aber wie eine einzige sehr große organische lichtemittierende Diode. Eine getrennte Ansteuerung der Sub-Dioden ist regelmäßig nicht vorgesehen.
Der Betriebsstrom der OLED hängt sowohl von der OLED-Architektur, zum Beispiel der Ausführung als gestapelte und ungestapelte OLED, als auch von der Bauteilfläche ab. Insofern hat die Erfindung für OLEDs den Vorteil, dass ein großer Strombereich mit der Treiberelektronik abgedeckt werden kann. Dies ist bei anderen Lösungsansätzen unter Umständen relativ komplex und würde zum Beispiel die Konstruktion von Stromquellen mit kaskadierten oder Mehrphasen-Stromtreibern erfordern, was nicht nur zu erhöhten Bauteilkosten sondern auch zu einem größeren Platzbedarf und als Folge nochmals höheren Boardkosten führt, da die Stromquellen mehrfach aufgebaut werden. Bei Mehrphasen-Treiber werden mehrere parallel geschaltete Treiber, die bei Bedarf eingeschaltet werden, verwendet. Nicht benötigte Treiber werden dann komplett abgeschaltet und benötigen keine Leistung mehr, was zur Effizienzverbesserung beiträgt. Die alternative Regelung der Stromstärke über einstellbare Ballastwiderstände oder Linearregler hingegen würde einen großen Leistungsverlust bedingen und insofern nicht den hohen Ansprüchen des Beleuchtungsmarktes an Energieeffizienz genügen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der gepulste Strom mittels der Treiberschaltung als gepulster Sollstrom in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebsparametern geregelt erzeugt wird, die für die eine oder die mehreren organischen lichtemittierenden Dioden zunächst bestimmt und dann in der Treiberschaltung bereitgestellt werden. Die Regelung auf Basis der Betriebsparameter kann beispielsweise dadurch ausgeführt werden, dass das Tastverhältnis, also der Quotient aus Impulslänge und Impulsperiodendauer, für die erzeugten Stromimpulse mittels der Treiberschaltung anwendungsabhängig geregelt und eingestellt wird. Die Regelung des Tastverhältnisses kann in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebsparametern erfolgen. Hierzu gehören zum Beispiel ein Anstieg, eine Abfallzeit, ein mittlerer Strom und die Lichtemission der organischen lichtemittierenden Diode. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein mittlerer Strom für den an der einen oder den mehreren organischen lichtemittierenden Dioden anliegenden gepulsten Strom bestimmt und als Betriebsparameter in der Treiberschaltung bereitgestellt wird. Der mittlere Strom ergibt sich wie folgt:
Delta_T ist eine komplette Periode. Das Integral kann auch eine diskrete Summe sein.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass aus dem mittleren Strom eine Stromdichte für die eine oder die mehreren organischen lichtemittierenden Dioden bestimmt und als Betriebsparameter in der Treiberschaltung bereitgestellt wird. Die Stromdichte j ergibt sich aus dem mittleren Strom I: j = I/A, wobei A die Gesamtfläche für die eine oder die mehreren organischen lichtemittierenden Dioden ist.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass eine flächige Ausdehnung für die eine oder die mehreren organischen lichtemittierenden Dioden bestimmt und als Betriebsparameter in der Treiberschaltung bereitgestellt wird. Die Bestimmung der flächigen Ausdehnung der organischen lichtemittierenden Dioden kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass zur Bestimmung der flächigen Ausdehnung der organischen lichtemittierenden Dioden diese zunächst mit einem konstanten Strom beaufschlagt werden, um die Zeit bis zum Erreichen einer Schwellspannung zu messen, die kleiner ist als die Einsatzspannung der organischen lichtemittierenden Diode. Aus dieser Schwellspannung wird auf eine elektrische Kapazität der Dioden oder der Diodenanordnung geschlossen. Hieraus wird anschließend ein Maß für die flächige Ausdehnung der organischen lichtemittierenden Dioden bestimmt. Hierbei wird die Zeit bis zum Erreichen der Schwellspannung gemessen. Diese Art kapazitive Bestimmung der flächigen Ausdehnung der organischen lichtemittierenden Dioden kann beispielsweise bei einem ersten Einschalten der lichtemittierenden Vorrichtung ausgeführt werden, so dass basierend auf dieser Flächenbestimmung anschließend die organischen lichtemittierenden Dioden betrieben werden kann.
Eine elektrische Sperrschichtkapazität Css ergibt sich wie folgt:
wobei V₁ die Schwellspannung angibt. Es gilt: V₁ < Vth (Einsatzspannung). Die Sperrschichtkapazität ist ein Maß für die Fläche der organischen lichtemittierenden Diode. Die Sperrschichtkapazität kann nur im Sperrbereich oder Rückwärtsbetrieb der organischen lichtemittierenden Diode charakterisiert werden.
Zur Messung werden ein konstanter Strom an die organische lichtemittierende Diode angelegt und die Zeit gemessen bis die Schwellspannung V₁ erreicht wird. Alternativ wird der Strom bis zum Erreichen der Schwellspannung V₁ integriert. Aus der so erhaltenen Ladungsmenge und der Schwellspannung V₁ kann nach der obigen Formel die Kapazität berechnet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der eine oder die mehreren Betriebsparameter während des Betriebs der lichtemittierenden Vorrichtung bestimmt werden. Alternativ oder ergänzend zur Bestimmung der Betriebsparameter, die dann zur Regelung der Erzeugung des gepulsten Stromes verwendet werden, während des bestimmungsgemäßen Betriebs der lichtemittierenden Vorrichtung können ein oder mehrere Betriebsparameter losgelöst vom Betrieb der lichtemittierenden Vorrichtung (vorab) bestimmt werden. Handelt es sich bei der lichtemittierenden Vorrichtung beispielsweise um eine Beleuchtungseinrichtung, kann das Bestimmen eines oder mehrerer Betriebsparameter alternativ oder ergänzend auch in einem Nicht-Beleuchtungszustand der organischen lichtemittierenden Dioden ausgeführt werden.
Die Pulsfrequenz ist vorzugsweise nicht größer als die Frequenz des Schaltwandlers (die Frequenz der Treiberschaltung), bevorzugt nicht größer als 1/10 der Frequenz des Schaltwandlers, also des Konstantstromtreibers für den Betrieb der einen oder der mehreren organischen lichtemittierenden Dioden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die eine oder die mehreren organischen lichtemittierenden Dioden jeweils eine lichtemittierende organische Diode verwendet wird, die wenigstens eine elektrisch dotierte Ladungsträgertransportschicht aufweist. Im Fall von organischen lichtemittierenden Dioden ohne elektrische Dotierung ist die elektrische Kapazität der Bauelemente geringer, was zu einer kürzeren Zeitkonstante beim Laden und beim Entladen der organischen lichtemittierenden Diode und zu einer höheren Frequenz führt, wenn die elektrisch undotierten Dioden mit einer vergleichbaren Treiberschaltung betrieben werden. Höhere Pulsfrequenzen für den gepulsten Strom bedeuten größere Schaltverluste und hierdurch eine niedrigere Gesamteffizienz. Die Nutzung von elektrisch dotierten organischen lichtemittierenden Dioden hat als den Vorteil einer Effizienzerhöhung. Bei gleicher Pulsfrequenz des gepulsten Stromes führt die elektrischen Dotierung zu einer Lebensdauererhöhung, da die Schwankung des gepulsten Stromes in den Schaltphasen bei dotierten Dioden geringer ausfällt und hierdurch die maximale Helligkeit, welche die Lebensdauer beeinflusst, auch geringer ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die lichtemittierende Vorrichtung als Beleuchtungseinrichtung betrieben wird, bei der von der einen oder den mehreren organischen lichtemittierenden Dioden eine lichtemittierende Beleuchtungsfläche gebildet wird. Hierbei ist die Verwendung des Verfahrens bei Beleuchtungseinrichtungen mit großflächigen Beleuchtungsflächen bevorzugt.
In Verbindung mit der Anordnung, welche die lichtemittierende Vorrichtung mit der einen oder den mehreren organischen lichtemittierenden Dioden sowie die Treiberschaltung umfasst, können vorteilhafte Ausgestaltungen den vorangehenden Verfahrensausführungen entsprechend vorgesehen sein.
Die Steuereinheit weist einen Mikrocontroller auf, bei dem es sich auch um einen FPGA („Field Programmable Gate Array”) oder einen ähnlichen programmierbaren Logikbaustein handelt, die als Mikrocontroller fungieren.
In einer Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass organische lichtemittierende Dioden mit einem Passivierungsbereich eingesetzt werden. Dies sind organische lichtemittierende Dioden, welche zwischen den Elektroden in Teilbereichen eine isolierende Schicht aufweisen, die die (lichtemittierende) Wirkung der organischen lichtemittierenden Diode in diesem Bereich verhindert. Hierdurch kann zum Beispiel ein Muster erzeugt werden. Die organischen lichtemittierenden Dioden mit dem Passivierungsbereich können in zwei Varianten eingestuft werden und mit dem Treiber angesteuert werden:

i) Die Passivierung kann so dick sein, dass die elektrische Kapazität im Passivierungsbereich nicht die Kapazität der Beleuchtungsfläche der organischen lichtemittierenden Diode (aktive Fläche) verfälscht. Die Kapazität kann ausgerechnet werden mittels Gleichungen für einen Plattenkondensator. Die elektrische Kapazität des Passivierungsbereiches sollte weniger als 10% der gesamten gemessenen elektrischen Kapazität betragen. Weil die gemessene Kapazität proportional zur aktiven Fläche ist, müssen an der Treiberschaltung und am Steuerverfahren keine Veränderungen vorgenommen werden.
ii) Die Passivierung ist so dünn, dass die gesamt gemessene elektrische Kapazität verändert wird. In diesem Fall müssen zur Berechnung der passivierten Fläche zwei Werte in der Treiberschaltung hinterlegt werden, die aus der maximal nicht passivierten Fläche, den Dicken der undotierten Schicht und der Dicke der Passivierung berechnet werden. Mit diesen Werten lässt sich die aktive Fläche der organischen lichtemittierenden Diode aus der gemessenen Kapazität bestimmen. Zum Betrieb der Treiberschaltung muss diese Fläche dann berücksichtigt werden.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Treiberschaltung, die funktionell an eine organische lichtemittierende Diode gekoppelt ist,
2 eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei der die Anordnung aus 1 ergänzt ist um eine Messeinrichtung zum Bestimmen des mittleren Stromes an der organischen lichtemittierende Diode,
3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Tastverhältnisses für den gepulsten Strom,
4 eine graphische Darstellung für die Luminanz in Abhängigkeit vom Tastverhältnis für verschiedene Pulsfrequenzen des gepulsten Stromes,
5 eine graphische Darstellung des zeitlichen Stromverlaufes für verschiedene Tastverhältnisse bei einer Pulsfrequenz von 500 Hz,
6 eine graphische Darstellung des zeitlichen Stromverlaufes für verschiedene Tastverhältnisse bei einer Pulsfrequenz des gepulsten Stromes von 10 kHz,
7 eine graphische Darstellung für den CIE-Wert sowie die Luminanz in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz des gepulsten Stromes bei einen konstanten Tastverhältnis von 25%,
8 eine graphische Darstellung für das Einschaltverhalten von organischen lichtemittierende Dioden im Konstantstrombetrieb, wobei die Spannung in Abhängigkeit von der Zeit für verschiedene organische lichtemittierende Dioden gezeigt ist,
9 eine schematische Darstellung eines Schichtstapels einer organischen lichtemittierenden Diode mit einer dicken Passivierungsschicht im Querschnitt und
10 eine schematische Darstellung eines Schichtstapels einer organischen lichtemittierenden Diode mit einer dünnen Passivierungsschicht im Querschnitt.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Mikrocontroller 1 und einem Impulsbreiten-Controller 2, dessen Ausgang an eine organische lichtemittierende Diode 3 koppelt. Der Mikrocontroller 1 und der Impulsbreiten-Controller 2 bilden eine Treiberschaltung 4, mit der ein gepulster Strom erzeugt wird, welcher im Betrieb auf die organische lichtemittierende Diode 3 gekoppelt wird. Gemäß der Darstellung in 1 erfolgt über eine Rückkopplungsleitung 5 eine Rückkopplung des Ausgangs des Impulsbreiten-Controllers 2 auf den Mikrocontroller 1. Die Rückkopplung dient einer Messung, die verwendet werden kann, um die Kapazität oder den momentanen Strom zu bestimmen.
2 zeigt eine schematische Anordnung, bei der die Anordnung aus 1 um eine Messschaltung 6 ergänzt ist, mit der im Betrieb ein mittlerer Strom an der organischen lichtemittierenden Diode 3 gemessen wird, indem der mittlere Strom über einen Widerstand 7 abgegriffen wird. Die Messeinrichtung 6 koppelt, wie auch die Rückkopplungsleitung 5, an den Eingang des Mikrocontrollers 1. In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass bei der Anordnung aus 2 die Rückkopplungsleitung 5 weggelassen ist.
Mit Hilfe der in 2 dargestellten Anordnung wird der im Betrieb an der organischen lichtemittierenden Diode 3 gemessene mittlere Strom als Betriebsparameter in dem Mikrocontroller 1 bereitgestellt, so dass hiervon abhängig die Erzeugung des gepulsten Stromes in der Treiberschaltung 4 geregelt werden kann. In einer Ausführung wird beim Einschaltvorgang die organische lichtemittierende Diode 3 vermessen. Dann werden anhand einer Tabelle, die im Mikrocontroller 1 hinterlegt ist und eine vorher bestimmte Zuordnung zwischen möglichen Messwerten einerseits und jeweils zugehörigen Betriebsparametern andererseits enthält, die Betriebsparameter bestimmt. Es erfolgt bei dieser Ausführung keine stetige Regelung, sondern nur eine Steuerung unter Zuhilfenahme der anfänglich ermittelten Parameter. In einer anderen Ausführung wird das Tastverhältnis während des Betriebs angepasst, um den mittleren gewünschten Betriebsstrom zu bestimmen. Dieser kann direkt gemessen und im Mikrocontroller gemittelt werden, oder die Mittelung erfolgt über einen Tiefpass zwischen der Messeinrichtung 6 und dem Mikrocontroller 1.
Zur Regelung des mit der Treiberschaltung 4 erzeugten gepulsten Stromes kann beispielsweise das Tastverhältnis, welches auch als duty cycle bezeichnet wird, variiert werden. 3 zeigt eine schematische Darstellung hierzu. Das Tastverhältnis bestimmt sich aus dem Quotienten von Impulslänge und Impulsperiodendauer. In der graphischen Darstellung in 3 bedeutet dies das Verhältnis von Impulsdach 30 und Impulsboden 31. Schematisch in 3 ebenfalls dargestellt sind die Kenngrößen T_Anstieg und T_Abfall, also die Impulsabschnitte vom Impulsboden zum Impulsdach sowie die Rückkehr vom Impulsdach zum Impulsboden gezeigt.
Durch eine Variation des Tastverhältnisses lässt sich in diesem Fall direkt ein beliebiger mittlerer Stromfluss in der organischen lichtemittierenden Diode 3 realisieren. Marktübliche LED Treiber stellen einen Konstantstrom zur Verfügung und verwenden typischerweise Schaltfrequenzen von 100 Hz bis wenigen kHz zur Modulation dieses Stromsignals. Als Folge wirkt in der organischen lichtemittierenden Diode 3 der eingestellte Stromwert, der damit unter anderem Farbe und Homogenität bestimmt. In Audioanwendungen sind Verstärker der Klasse D (auch „Digitalverstärker” genannt) bekannt, die mit Schaltfrequenzen von 48 kHz arbeiten und hohe Ausgangsleistungen bis 500 W beim Treiben von großen ohmschen Lasten aufweisen.
Die elektrische Kapazität der organischen lichtemittierenden Diode 3 kann in einem einfachen Model als ein Plattenkondensator beschrieben werden, wobei der Plattenabstand durch die Dicke der elektrisch undotierten organischen Schichten des Schichtstapels in der Diode gegeben ist und die Fläche der Platten durch die aktive Fläche der organischen lichtemittierenden Diode 3. Insbesondere für elektrisch dotierte OLEDs, also Dioden mit einer oder mehreren elektrisch dotierten Bereichen im Stapel organischen Schichten, ist die Kapazität der organischen lichtemittierenden Dioden 3 besonders hoch, da durch die Verwendung dotierter Ladungstransportschichten die intrinsische Schichtdicke und somit der Abstand der Kondensatorplatten sehr gering ist. Mit aktiven Flächen von organischen lichtemittierenden Dioden für Beleuchtungsanwendungen von etwa 25...150 cm² ergeben sich je nach Schichtstapelaufbau Kapazitätswerte von C ≈ 1...10 μF. Bei Annahme von Zuleitungswiderständen von R ≈ 1...10 Ω ergeben sich dann Zeitkonstanten in der Größenordnung von τ ≈ 1...100 μs.
Ein passiver Tiefpass 1. Ordnung hat damit Grenzfrequenzen im Bereich f ≈ 1.6...160 kHz. Daraus ergeben sich sinnvolle Schaltfrequenzen von etwa 200 kHz bis 10 MHz um eine ausreichende Dämpfung der hochfrequenten Signalanteile zu erzielen und nur den Gleichanteil in der organischen lichtemittierenden Diode 3 wirken zu lassen. Im Fall undotierter organischen lichtemittierenden Dioden 3 ist die Kapazität deutlich geringer, was dann zu einer viel kürzeren Zeitkonstante und höherer Frequenz führt. Dort werden Frequenzen von 500 kHz und höher benötigt. Da höhere Frequenzen mehr Schaltverluste und damit eine niedrigere Gesamteffizienz bedeuten, ist die elektrische Dotierung ein Vorteil für eine Effizienzerhöhung. Bei gleicher Frequenz führt Dotierung zu einer Lebensdauererhöhung, da der Stromripple (Schwankung des Stroms in den Schaltphasen) bei dotierten organischen lichtemittierenden Dioden 3 geringer ausfällt und damit die maximale Helligkeit, welche die Lebensdauer beeinflusst, auch geringer ist.
4 zeigt eine graphische Darstellung für die Luminanz in Abhängigkeit vom Tastverhältnis für verschiedene Pulsfrequenzen des gepulsten Stromes. Bei einer Pulsfrequenz von 500 Hz des mit der Treiberschaltung 4 erzeugten gepulsten Stromes hängt die Luminanz linear vom Tastverhältnis ab. Bei einer Pulsfrequenz von 10 kHz ändert sich die Luminanz in Abhängigkeit vom Tastverhältnis. Dieses wurde in einem Bereich des Tastverhältnisses von etwa 15% bis etwa 30% beobachtet. Außerhalb dieses Bereiches des Tastverhältnisses war die Luminanz im Wesentlichen gleichbleibend.
5 zeigt eine graphische Darstellung des zeitlichen Stromverlaufes für verschiedene Tastverhältnisse bei einer Pulsfrequenz von 500 Hz. 5 zeigt einen üblichen Betriebsmodus für gedimmte organische und anorganische Leuchtdioden. Deutlich können die Anstiegs- und die Abfallzeit erkannt werden. Da sich dies störend auf einen einfach Betrieb, bei dem das Tastverhältnis direkt proportional zur Leuchtdichte ist, auswirkt, wird im Stand der Technik versucht, eine niedrige Pulsfrequenz zu wählen, um den Einfluss von Anstiegs- und Abfallzeit zu reduzieren.
6 zeigt eine graphische Darstellung des zeitlichen Stromverlaufes für verschiedene Tastverhältnisse bei einer Pulsfrequenz des gepulsten Stromes von 10 kHz. Die Periodendauer ist hier kleiner als die Anstiegs- und die Abfallzeit zusammen, und es wird bei einem Tastverhältnis von 20% weder der Strom Null noch wird der Maximalwert erreicht. Es entsteht ein sägezahnförmiger Stromfluss. Der geringere Maximalwert wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der organischen lichtemittierenden Diode aus.
7 zeigt eine graphische Darstellung für den CIE-Wert sowie die Luminanz in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz des gepulsten Stromes bei einen konstanten Tastverhältnis von 25%. Es wurde festgestellt, dass bei Frequenzen oberhalb von 500 Hz die Luminanz und der Farbwert nicht mehr konstant sind.
8 zeigt eine graphische Darstellung für das Einschaltverhalten von organischen lichtemittierende Dioden im Konstantstrombetrieb, wobei die Spannung in Abhängigkeit von der Zeit für verschiedene organische lichtemittierende Dioden gezeigt ist.
Aus den experimentell ermittelten Werten kann das Verhältnis der aktiven Fläche zur Gesamtfläche der organischen lichtemittierenden Diode ermittelt werden:
wobei C_gemessen eine im Messzyklus bestimmte Sperrschichtkapazität der organischen lichtemittierenden Diode, d die Gesamtdicke der undotierten Schichten zwischen Elektroden der organischen lichtemittierenden Diode, d_Passivierung die Dicke einer Passivierungsschicht der organischen lichtemittierenden Diode, A die Gesamtfläche der organischen lichtemittierenden Diode (Summe aus aktiver Leuchtfläche und passivierter nicht leuchtender Fläche), ε₀ die Dielektrizitätskonstante und ε_r die relative Dielektrizitätskonstante bezeichnen.
I_Verhältnis gibt das Verhältnis der aktiven Fläche zur Gesamtfläche der organischen lichtemittierenden Diode an, welches auf den auszugebenden Strom angewendet werden muss, um die gleiche Helligkeit zu erreichen, die eine nicht passivierte organische lichtemittierende Diode erreichen würde. Der Strom ist proportional zur aktiven (leuchtenden) Fläche der organischen lichtemittierenden Diode. Referenz ist die maximale Fläche. Der Quotient ”gemessene Fläche”/”maximale Fläche” wird mit dem gewünschten Strom multipliziert, welcher an die maximale Fläche angelegt würde.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtstapels einer organischen lichtemittierenden Diode mit einer dicken Passivierungsschicht im Querschnitt. Der Schichtstapel der organischen lichtemittierenden Diode umfasst eine Top-Elektrode 91, eine dotierte Transportschicht 92, mindestens eine undotierte Schicht 93, eine weitere dotierte Transportschicht 94, eine Passivierungsschicht 95, eine Grundelektrode 96 und ein Substrat 97. Auf der linken und der rechten Seite sind aktive Bereiche 98, 100 der organischen lichtemittierenden Diode gebildet, während der Bereich 99 dazwischen nicht aktiv ist.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtstapels einer organischen lichtemittierenden Diode mit einer dünnen Passivierungsschicht im Querschnitt. Der Schichtstapel der organischen lichtemittierenden Diode umfasst eine Top-Elektrode 101, eine dotierte Transportschicht 102, mindestens eine undotierte Schicht 103, eine weitere dotierte Transportschicht 104, eine Passivierungsschicht 105, eine Grundelektrode 106 und ein Substrat 107. Auf der linken und der rechten Seite sind aktive Bereiche 108, 200 der organischen lichtemittierenden Diode gebildet, während der Bereich 109 dazwischen nicht aktiv ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer lichtemittierenden Vorrichtung, wobei bei dem Verfahren: – ein gepulster Strom mit einer Pulsfrequenz von einer Treiberschaltung (4) erzeugt wird, die einen zur Strompulsung Taktsignale bereitstellenden Taktgeber aufweist, und – eine lichtemittierende Vorrichtung, die funktionell an die Treiberschaltung (4) koppelt und die mit einer oder mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) gebildet ist, mit dem gepulsten Strom mit einer Pulsfrequenz von etwa 10 kHz bis etwa 100 kHz beaufschlagt wird, wobei gilt: T_PWM < (T_Anstieg + T_Abfall) und wobei T_PWM die Impulslänge für die vom Taktgeber der Treiberschaltung (4) erzeugten Taktsignale und T_Anstieg sowie T_Abfall die Impulsanstiegs- und die Impulsabfallzeit für die an der einen oder den mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) anliegenden Stromimpulse angeben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Strom mittels der Treiberschaltung (4) als gepulster Sollstrom in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebsparametern geregelt erzeugt wird, die für die eine oder die mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) zunächst bestimmt und dann in der Treiberschaltung bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Strom für den an der einen oder den mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) anliegenden gepulsten Strom bestimmt und als Betriebsparameter in der Treiberschaltung bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem mittleren Strom eine Stromdichte für die eine oder die mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) bestimmt und als Betriebsparameter in der Treiberschaltung (4) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine flächige Ausdehnung für die eine oder die mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) bestimmt und als Betriebsparameter in der Treiberschaltung (4) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Betriebsparameter während des Betriebs der lichtemittierenden Vorrichtung bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die eine oder die mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) jeweils eine lichtemittierende organische Diode verwendet wird, die wenigstens eine elektrisch dotierte Ladungsträgertransportschicht aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Vorrichtung als Beleuchtungseinrichtung betrieben wird, bei der von der einen oder den mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) eine lichtemittierende Beleuchtungsfläche gebildet wird.
Anordnung, mit: – einer lichtemittierenden Vorrichtung, die mit einer oder mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) gebildet ist, und – einer Treiberschaltung (4), die einen zur Strompulsung Taktsignale bereitstellenden Taktgeber aufweist und funktionell an die lichtemittierende Vorrichtung koppelt, derart, dass im Betrieb die lichtemittierende Vorrichtung mit einem von der Treiberschaltung (4) erzeugten, gepulsten Strom mit einer Pulsfrequenz von etwa 10 kHz bis etwa 100 kHz beaufschlagt wird, wobei die Treiberschaltung (4) konfiguriert ist, den gepulsten Strom derart zu erzeugen, dass gilt: T_PWM < (T_Anstieg + T_Abfall), wobei T_PWM die Impulslänge für die vom Taktgeber der Treiberschaltung (4) erzeugten Taktsignale und T_Anstieg sowie T_Abfall die Impulsanstiegs- und die Impulsabfallzeit für die an der einen oder den mehreren organischen lichtemittierenden Dioden (3) anliegenden Stromimpulse angeben.