DE102016009885A1

DE102016009885A1 - Lichtemittierendes Bauteil

Info

Publication number: DE102016009885A1
Application number: DE102016009885.6A
Authority: DE
Inventors: Max Christian Lemme; Claudia Wickleder
Original assignee: Universitaet Siegen
Current assignee: Lemme Max Christian Prof Dr Ing De
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2018-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Bauteil umfassend eine Ansammlung (3) von Partikeln wenigstens eines durch Elektronenleitung oder Lochleitung anregbaren lumineszenten Stoffes, die zwischen zwei Elektroden (2, 5) angeordnet ist, von denen wenigstens eine für die Emissionswellenlänge der Partikel lichtdurchlässig ist. Die Erfindung betrofft auch ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauteils, bei dem auf eine Elektrode (2) ein flüssiger Film einer Lösungsmittel-basierten Dispersion von Partikeln (3) aus wenigstens einem durch Elektronenleitung oder Lochleitung anregbaren lumineszenten Stoff aufgetragen wird, wonach das Lösungsmittel abdampft und eine feste Schicht von Partikeln (3) auf der Elektrode (2) hinterlässt, die mit einer weiteren Elektrode (5) überdeckt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Bauteil. Bauteile dieser Art sind im Stand der Technik bekannt, z. B. als Leuchtdioden, die auf einer Lichtemission eines elektronisch angeregten Halbleiters beruhen.
Dabei können auf der Basis von Halbleitern oftmals diskrete Wellenlängen erzeugt werden, wohingegen die Erzeugung größerer Spektren, insbesondere die Erzeugung von Weißlicht durch einen Konversionsprozess erfolgt, bei dem zur Lumineszenz fähige Stoffe durch die Emission eines Halbleiters, insbesondere im UV-Bereich, zur Lumineszenz photonisch angeregt werden und Licht auf einer längeren Wellenlänge als die Anregungswellenlänge abstrahlen.
Hierbei wird es als nachteilig empfunden, dass zum einen die Emissionswellenlänge des Halbleiters und die Absorptionsbanden der Konversionsstoffe aneinander angepasst werden müssen und zum anderen die Konversion die Gesamteffizienz eines solchen lichtemittierenden Bauteils verringert.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein lichtemittierendes Bauteil bereitzustellen, das höhere Effizienzen erlaubt, ebenso wie eine Universalität hinsichtlich der erzeugbaren Lichtspektren.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes lichtemittierendes Bauteil eine Ansammlung von Partikeln wenigstens eines durch Elektronenleitung oder Lochleitung anregbaren lumineszenten (elektrolumineszenten) Stoffes umfasst, wobei die Ansammlung zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, von denen wenigstens eine für die Emissionswellenlänge der Partikel lichtdurchlässig ist.
Dabei ist es ein wesentlicher Gedanke der Erfindung, den zur Lumineszenz anregbaren Stoff oder Stoffe in partikulärer Form zwischen zwei Elektroden anzuordnen. Hierdurch wird eine enorme Oberflächenvergrößerung geschaffen gegenüber einem „Bulk”-Material, wodurch eine effizientere Anregung durch größeren Kontakt möglich wird, ebenso wie die Möglichkeit statt eines einzigen Stoffes auch eine partikuläre Mischung von unterschiedlichen Stoffen zwischen den Elektroden vorzusehen, wobei die unterschiedlichen Stoffe bevorzugt unterschiedliche Emissionswellenlängen aufweisen. Besonders hierdurch wird erreicht, nahezu beliebige Emissionsspektren bereitzustellen.
Die Erfindung kann dabei in bevorzugter Ausführung vorsehen, die Partikel durch Nanopartikel auszubilden, die eine Größe kleiner 500 nm, bevorzugt kleiner 100 nm aufweisen. Z. B. können hierdurch die Partikel als dünne, gleichmäßig lumineszierende Filme mit wenig Lichtstreuung genutzt werden, z. B. auf einem Träger aufgebracht werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung kann vorsehen, dass die Ansammlung Partikel, bevorzugt Nanopartikel von mit Seltenerdmetallen, insbesondere Lanthanoiden, bevorzugt mit Cer (Ce) oder Europium (Eu) oder Terbium (Tb) und/oder Übergangsmetalle, bevorzugt Mangan (Mn) dotierten oxidischen und/oder nitridischen und/oder sulfidischen und/oder fluoridischen Wirtsstoffen, insbesondere keramischer Art, aufweist.
Eine Auswahl besonders bevorzugter Stoffe, die in partikulärer Form, besonders nanopartikulärer Form einsetzbar sind, sowie deren jeweilige Emissionswellenlänge ist in der Anlage angegeben. Insbesondere kann durch eine Mischung von Partikeln, insbesondere Nanopartikel einer Auswahl dieser genannten oder auch anderer Stoffe ein Weißlichtspektrum oder generell eine beliebige spektrale Verteilung generiert werden.
Die Erfindung kann vorsehen, dass die Ansammlung von Partikeln, bevorzugt Nanopartikeln ausschließlich nur solche Partikel umfasst, die hergestellt sind aus einer Lösungsmittel-basierten Dispersion von Partikeln nach Abdampfen eines Lösungsmittels. Z. B. können hierdurch die Partikel als eine dünne Schicht ausgebildet werden, bevorzugt dünner als 500 nm. Hierbei können die einzelnen Partikel in einer zueinander losen Anordnung zwischen gegenüberliegenden Elektroden angeordnet sein und nur durch die Elektroden mechanisch umschlossen, also durch diese lagestabil gehalten sein. Es kann auch vorgesehen sein, die Partikel zu einer dichten, zusammenhängenden Schicht abzuscheiden oder zu einem Körper zu sintern oder zumindest mechanisch durch Pressen zu verfestigen.
Die Erfindung kann in anderer Ausführung auch vorsehen, dass die Ansammlung von Partikeln durch in einer elektronenleitenden oder lochleitenden Matrix gebundene Partikel, insbesondere Nanopartikel gebildet wird, insbesondere wobei die Matrix polymer-basiert ausgebildet sein kann, bevorzugt durch Poly-p-Phenylen-Vinylen (PPV) oder Poly-Methylphenyl-Silan (PMPS).
Eine weitere Ausführung kann vorsehen, dass wenigstens eine der beiden Elektroden, bevorzugt beide durch weniger als 10 Monolagen, eines elektronen- oder lochleitenden Stoffes gebildet ist, insbesondere von Kohlenstoff oder Silizium oder Germanium, bevorzugt durch genau nur eine Monolage eines elektronen- oder lochleitenden Stoffes, insbesondere Graphen, Silizen, Germanen.
Die Monolage eines Stoffes, z. B. Graphen kann hier durch einen Transferprozess auf die Ansammlung von Partikeln, bevorzugt Nanopartikel übertragen werden. Vorteile solcher als 2-D-Material bezeichneter Stoffe werden somit ebenso erschlossen, wie die Transparenz bei elektrischer Leitfähigkeit, sowie die Flexibilität.
Insbesondere können Ansammlung von Nanopartikel und Elektroden aus solchen 2-D-Materialien wie z. B. Graphen – auch bei Dicken von mehr als einer Monolage – aufgrund der hervorragenden Stabilität auch in großen Flächen bereit gestellt werden.
Die Erfindung kann weiterhin auch vorsehen, die Elektroden, bevorzugt Graphen mit einer Oberflächenmodifikation bzw. Funktionalisierung zu versehen, z. B. mittels der eine chemische Ankopplung zwischen den Partikeln und den Elektroden unterstützt ist. Bevorzugt dabei ist eine Modifikation der Graphen-Oberflächen mit Carboxyl(COOH)- oder Amino(NH₂)-Gruppen. Andererseits beinhaltet die Erfindung als Alternative zu der Funktionalisierung der Elektroden auch die Oberflächen-Funktionalisierung der Nanopartikel für eine chemische Ankopplung an die Elektroden, bevorzugt ist dabei eine Funktionalisierung mit TEOS (Tetraethylorthosilicat) und/oder APTES((3-Aminopropyl)Trimethoxysilan). Zwischen einer Elektrode und der Ansammlung von Partikel kann auch eine elektrisch koppelnde Schicht angeordnet sein, z. B. tris(8-hydroxyquinolinato)Aluminium (ALQ).
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Anlage und den Figuren gezeigt.
Die 1 visualisiert ein lichtemittierendes Bauteil mit einem unteren Substrat 1, z. B. Glas auf welches eine elektrische Kontaktschicht als Elektrode 2, z. B. aus Graphen aufgetragen ist, wozu ein Transferprozess eingesetzt werden kann, der zur Handhabung von Graphen grundsätzlich bekannt ist. Ebenso ist eine direkte Abscheidung auf dem Substrat möglich, z. B. auch durch eine Drucktechnik, z. B. Tintendrucktechnik mit einer Graphen-Flakes umfassenden Tinte.
Auf die Elektrode wird eine Ansammlung 3 von elektrolumineszenten, dotierten Nanopartikeln angeordnet, wobei die Nanopartikel hier in einer leitfähigen Polymermatrix gebunden sind, z. B. PPV. Auf der Ansammlung ist wiederum eine Elektrode 4 angeordnet, bevorzugt aus einem transparenten Material, z. B. wiederum Graphen.
Die Nanopartikel können ausgewählt sein aus wenigstens einem der Stoffe, die in der Anlage zusammen mit deren Emissionswellenlänge angegeben sind. Mischungen mehrerer dieser Stoffe sind ebenso möglich und sogar bevorzugt.
Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 2 und 4 werden die Nanopartikel elektronisch zur Lumineszenz angeregt und emittieren Licht gemäß der jeweiligen Emissionswellenlänge eines jeden der Partikel.
Gegenüber 1 weist die 2 den Unterschied auf, dass zwischen der Ansammlung und einer Elektrode, hier der oberen Elektrode 4 eine Kontaktschicht 5 vorgesehen ist, um die Elektronenankopplung zwischen Elektrode 4 und der Ansammlung 3 zu verbessern.
SrB₄O₇:Eu²⁺: (360 nm)
SrMgP₂O₇:Eu²⁺: (394 nm)
Ba₃MgSi₂O₈:Eu²⁺: (435 nm)
SrMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺: (465 nm)
BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu²⁺: (452 nm)
BaAl₈O₁₃:Eu²⁺: (480 nm)
(Ba, Sr)₂SiO₄:Eu²⁺: (520–580 nm)
SrSi₂N₂O₂:Eu²⁺: (540 nm)
Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺: (530 nm)
SrGa₂S₄:Eu²⁺: (535 nm)
Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺: (540 nm)
LaPO₄:Ce³⁺, Tb³⁺: (543 nm)
CaSi₂N₂O₂:Eu²⁺: (565 nm)
SrLi₂SiO₄:Eu²⁺: (580 nm)
Ca₂Si₅N₈:Eu²⁺: (610 nm)
Y₂O₃:Eu³⁺: (611 nm)
CaAlSiN₃:Eu²⁺: (650 nm)
CaS:Eu²⁺: (650 nm)
Sr[LiAl₃N₄]:Eu²⁺: (650 nm)
Ba(Si, Al)₅(O, N)₈:Eu²⁺: (ca. 475 nm)
La_xO_ySi₆Al₄N₁₂:Ce³⁺ (2 ≤ x ≤ 8, 3 ≤ x ≤ 12): (465–473 nm)
NaSrBO₃:Ce³⁺: (400 nm)
K₂TiF₆:Mn⁴⁺: (ca 630 nm)
K₂GeF₆:Mn⁴⁺: (ca 630 nm)
K₂SiF₆:Mn⁴⁺: (ca 630 nm)
Na₂TiF₆:Mn⁴⁺: (ca 630 nm)
Na₂GeF₆:Mn⁴⁺: (ca 630 nm)
Na₂SiF₆:Mn⁴⁺: (ca 630 nm)

Claims

Lichtemittierendes Bauteil umfassend eine Ansammlung (3) von Partikeln wenigstens eines durch Elektronenleitung oder Lochleitung anregbaren lumineszenten Stoffes, die zwischen zwei Elektroden (2, 5) angeordnet ist, von denen wenigstens eine für die Emissionswellenlänge der Partikel lichtdurchlässig ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) durch Nanopartikel gebildet sind mit einer Größe kleiner 500 nm, bevorzugt kleiner 100 nm.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansammlung (3) Partikel von mit Seltenerdmetallen, insbesondere Lanthanoiden und/oder Übergangsmetallen, bevorzugt mit Ce, Eu, Tb, Mn dotierten oxidischen und/oder nitridischen und/oder sulfidischen und/oder fluoridischen Wirtsstoffen aufweist.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansammlung (3) eine Mischung von Partikeln unterschiedlicher Stoffe ist, insbesondere solcher, die unterschiedliche Emissionswellenlängen aufweisen.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansammlung (3) von Partikeln ausschließlich nur solche Partikel umfasst, die aus einer Lösungsmittel-basierten Dispersion von Partikeln nach Abdampfen eines Lösungsmittels hergestellt sind.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansammlung (3) von Partikeln durch in einer elektronenleitenden oder lochleitenden Matrix gebundene Partikel gebildet wird, insbesondere eine polymer-basierte Matrix, bevorzugt PPV oder PMPS.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Elektroden (2, 5), bevorzugt beide durch weniger als 10 Monolagen, eines elektronen- oder lochleitenden Stoffes gebildet ist, insbesondere von Kohlenstoff oder Silizium oder Germanium, bevorzugt durch genau nur eine Monolage eines elektronen- oder lochleitenden Stoffes, insbesondere Graphen, Silizen, Germanen.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3), bevorzugt Nanopartikel eine Oberflächenmodifikation aufweisen, mittels der eine Ankopplung zwischen den Partikeln (3) und den Elektroden (2, 5) unterstützt ist.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2, 5) eine Oberflächenmodifikation aufweisen, mittels der eine Ankopplung zwischen den Partikeln und den Elektroden unterstützt ist.
Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauteils, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Elektrode (2) ein flüssiger Film einer Lösungsmittel-basierten Dispersion von Partikeln (3) aus wenigstens einem durch Elektronenleitung oder Lochleitung anregbaren lumineszenten Stoff aufgetragen wird, wonach das Lösungsmittel abdampft und eine feste Schicht von Partikeln (3) auf der Elektrode (2) hinterlässt, die mit einer weiteren Elektrode (5) überdeckt wird.