DE10311097A1 - Organische lichtemittierende Diode (OLED) und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Organische lichtemittierende Diode (OLED) und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine organische lichtemittierende Diode (OLED) und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
- Das Verfahren kann zur Herstellung von Vollfarben-Bildschirmen auf Basis polymerer OLEDs (organic light emitting diodes) dienen.
- OLED für die Realisierung von Bildschirmen unterteilt man in zwei Klassen, basierend zum einen auf niedermolekularen Emittern, sogenannte organic-light emitting-diodes (OLEDs), zum anderen bilden polymere, hochmolekulare Emitter, sogenannte polymere OLEDs die Basis zum Aufbau von Bildschirmen.
- Hochmolekulare OLED sind so aufgebaut, dass zwischen zwei Elektroden, Anode und Kathode, eine Lochtransportschicht (HTL - hole transport layer) und eine Emissionsschicht eingebracht werden. HTL-Schicht und Emissionsschicht bestehen aus einem organischen Polymer. Die OLED erfordern nur eine geringe Betriebsspannung, verbrauchen wenig Energie und lassen sich leicht als Vollfarben-Bildschirme herstellen.
- Die organischen Schichten, sowohl als aktive als auch als passive Matrix auf Basis polymerer Leuchtdioden (polymere OLEDs), werden nach dem Stand der Technik mit Drucktechniken wie dem Tintenstrahldrucken hergestellt.
- In diesem bekannten Verfahren werden die lichtemittierenden Polymere zu einer sogenannten Tinte gelöst. Diese Polymertinte wird dann durch einen Tintenstrahldruckkopf auf ein Substrat gedruckt.
- Dieses Substrat besteht, im einfachsten Falle eines passiven Matrix-Bildschirms, aus einem transparenten Grundkörper, z. B. aus Glas oder aus Plastik. Dieses Glassubstrat ist mit einer stromleitenden Substanz beschichtet, z. B. einem transparenten leitenden Material wie Indium-Zinn-Oxid (ITO).
- In einem nächsten Schritt wird auf das stromleitende Substrat eine organische Schicht (HTL: hole transport layer), wie z. B. PEDOT (Poly-(2,4)-Ethylen-dioxythiophen) oder PANI (Polyanilin), durch Tintenstrahldrucken oder Schleudern aufgebracht.
- Auf diese organische Schicht wird dann in dem oben genannten Tintenstrahldruckverfahren das lichtleitende Polymer aufgedruckt.
- Um einen vollfarbigen Bildschirm zu erhalten, wird ein rot emittierendes, ein grün emittierendes und ein blau emittierendes Polymer auf die organische Schicht (HTL) aufgedruckt. Anschließend wird eine Kathode, z. B. aus einer Schicht Kalzium und einer Schicht Aluminium, auf diese Emissionsschicht aufgedampft.
- Letztlich wird das gesamte Bauelement verkapselt. Die Kathode und die Anode werden dann an eine Treiberelektronik angeschlossen.
- Um die Polymere in definierte Pixel in Form von Gitter- oder Linien-Rastern zu drucken, werden diese durch eine organische oder anorganische Substanz, z. B. einen Photolack, strukturiert. Diese Photolackstruktur bildet die Umrandung der Pixel und/oder, sofern Linien gedruckt werden, die linke und rechte Begrenzung der Linien aus. Typischerweise sind diese Photolackstrukturen ca. 100 nm bis 4000 nm hoch.
- Um das Drucken effektiv zu gestalten, kommen sogenannte Mehrkanaldruckköpfe zum Einsatz. Mit diesen Druckköpfen kann man simultan eine große Anzahl von Pixeln in mehrere Linien drucken. Dabei werden mehrere Düsen des Druckkopfes angesteuert. Bei einem Piezo-betriebenen Druckkopf werden dabei z. B. die Piezoaktuatoren verschiedener Düsen angesteuert und somit die Tropfenbildung aus diesen verschiedenen Düsen angeregt. Zum Drucken wird dann das Substrat mit konstanter Geschwindigkeit gegenüber dem Druckkopf verfahren. Dabei werden auf dem Substrat entsprechend der Anzahl der aktiven Düsen des Druckkopfes Linien oder Gitter gedruckt. Idealerweise werden diese Linien in die durch z. B. Photolack vorstrukturierten Kanäle gedruckt. Diese Photolackstruktur gewährleistet, dass Polymertinte nicht in die benachbarten Kanäle fließt.
- Die Herstellung von organischen Leuchtdioden auf polymerer Basis ist in den Patenten EP 0423283 und WO 9013148 beschrieben.
- Die Herstellung von OLEDs durch Druckverfahren, wie Tintenstrahldrucken, ist in den Patenten EP 0908725, EP 0940796, EP 0940797, EP 0989778, WO 9943031, WO 9966483, WO 9828946, US 6087196, WO 0012226, WO 0019776 beschrieben.
- Die Herstellung von Photolackstrukturen ist in EP 0996314 A1 beschrieben.
- Durch die Begrenzung der verschiedenen Reihen oder Spalten eines Vollfarben-Bildschirms durch z. B. Photolack ist es gewährleistet, dass in die vorstrukturierten Kanäle sowohl HTL- Tinte als auch Polymertinte gedruckt werden kann. Damit kann rot, grün und blau emittierendes Polymer nebeneinander linien- oder gitterförmig gedruckt werden, ohne dass Polymer in die benachbarten Kanäle fließt und sich die Farben vermischen. Diese begrenzenden Photolackstrukturen bilden also die Kanäle aus, d. h. sie formen Linienstrukturen auf dem Substrat, das dann zum Vollfarben-Bildschirm aufgebaut wird, und besitzen eine bestimmte Höhe, so dass gewährleistet wird, dass keine Tinte über diese Photolackbarriere in die benachbarten Linien fließen kann. Da diese Kanäle an den vorderen und hinteren Rändern offen sind, d. h. die Photolackstrukturen, so wie sie derzeit verwendet werden, begrenzen die Kanäle nur seitlich, kann die HTL- und die Polymer Tinte jedoch leicht nach vorn und hinten aus den Kanälen auslaufen. Somit ist das Tintenvolumen in den Kanälen am vorderen und hinteren Rand geringer als in Bereichen in der Mitte der Kanäle. Der negative Effekt dabei ist, dass der getrocknete HTL- und Polymerfilm dann Schichtdicken-Inhomogenitäten am vorderen und hinteren Rand bildet, die auch in der Elektrolumineszenz-Emission sichtbar werden. Dies kommt dadurch zustande, dass die Schichtdicken des HTL- und Polymerfilms graduell dünner werden, was direkt mit dem Auslaufen der HTL- und Polymertinten aus den Kanälen zusammenhängt.
- Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine OLED und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, bei denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und bei denen gewährleistet wird, dass die HTL- oder Polymertinte aus den Kanälen nicht auslaufen kann und die HTL- oder Polymerfilme eine homogene Schichtdicke aufweisen.
- Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Die OLED besteht aus
einem Substrat, auf das eine erste strukturierte Elektrode aufgebracht ist,
einer Isolierschicht mit vorbestimmter Struktur, die auf die erste Elektrode aufgebracht ist,
einer organischen Polymerschicht mit einer Struktur, die durch die Isolierschicht vorgegeben ist,
und einer zweiten Elektrode, die auf die Polymerschicht aufgebracht ist. - Erfindungsgemäß sind an den offenen Enden der Strukturen, die durch die Isolierschicht gebildet werden, Auslaufsperren eingebracht.
- In bevorzugter Weise besteht die Isolierschicht aus einer ersten Isolierschichtlage, die auf die erste Elektrode aufgebracht ist und Öffnungen aufweist, die die erste Elektrode teilweise freilassen, und einer zweiten Isolierschichtlage über der ersten Isolierschichtlage, deren Form durch die erste Isolierschichtlage bestimmt ist.
- Zweckmäßig haben die Auslaufbarrieren die Form eines Quaders, eines Zylinders oder einer Pyramide aufweist.
- Ebenso zweckmäßig ist die Breite der Auslaufbarrieren gleich oder kleiner als die Breite der zweiten Isolierschichtlage. Die Auslaufbarriere sollten mindestens etwa 50 nm hoch sein oder mindestens etwa 1 µm hoch, aber kleiner als die Isolierschicht sein.
- Das Verfahren zur Herstellung der OLED erfolgt mit den Schritten:
Aufbringen einer ersten strukturierten Elektrode auf ein Substrat,
Aufbringen einer Isolierschicht mit vorbestimmter Struktur auf die erste Elektrode, so dass Kanäle entstehen,
Aufbringen einer organischen Polymerschicht mit einer Struktur, die durch die Isolierschicht vorgegeben ist,
Aufbringen einer zweiten Elektrode auf die Polymerschicht,
wobei erfindungsgemäß vor dem Aufbringen der organischen Polymerschicht an den offenen Enden der Strukturen, die durch die Isolierschicht gebildet werden, Auslaufbarrieren eingebracht werden. - Durch das Einbringen einer Auslaufbarriere wird das Auslaufen der HTL- und Polymertinten aus den Kanälen verhindert. Dies wird durch das Aufbringen einer Struktur auf das zu bedruckende Substrat erreicht.
- Die OLED nach der Erfindung haben den Vorteil, dass die Dickenabweichung in den Kanälen kleiner ist als ±10%, verglichen mit bisherigen OLED, bei denen sie bis zu 50% beträgt.
- Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens an einer passiven Matrix einer polymeren OLED beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
- Fig. 1 eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein Passiv-Matrix-Substrat für ein polymeres OLED-Display in dem Stadium, in welchem die erste Elektrode und zwei Isolierschichtlagen, die die Kanalstruktur für die HTL- und Emissionsschicht bilden, aufgebracht sind,
- Fig. 2 eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein Passiv-Matrix-Substrat für ein polymeres OLED-Display entsprechend Fig. 1 in dem Stadium, in welchem HTL und Polymertinte aufgedruckt sind,
- Fig. 3 eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein Passiv-Matrix-Substrat für ein polymeres OLED-Display nach der Erfindung in dem Stadium, in welchem HTL und Polymertinte aufgedruckt sind,
- Fig. 4 eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein Passiv-Matrix-Substrat für ein polymeres OLED-Display entsprechend Fig. 3, zusätzlich mit einer als zweite Elektrode fungierenden Metallschicht und
- Fig. 5 eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein Passiv-Matrix-Substrat für ein polymeres OLED-Display entsprechend Fig. 4, zusätzlich mit einer Verkapselung versehen.
- In den Figuren werden die wichtigsten Schritte zur Anfertigung eines OLED Bildschirms nach der Erfindung mit einer Auslaufsperre und vergleichsweise nach dem Stand der Technik ohne Auslaufsperre dargestellt.
- Das Verfahren nach der Erfindung zum Verhindern des Auslaufens von HTL- und Polymertinten in durch Tintenstrahldrucken hergestellten polymeren OLED wird am Beispiel einer Passiv- Matrix einer Polymer-OLED beschrieben.
- Die Herstellung der Diode erfolgt nach bekannten Verfahren, beispielsweise durch Piezo-Tintenstrahldrucken auf einem Substrat 1.
- In Fig. 1 sind die ersten Verfahrensschritte gezeigt. Auf dem Substrat 1 befindet sich eine erste Elektrode 2, z. B. aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), welche sowohl strukturiert als auch unstrukturiert sein kann. Das Substrat 1 besteht im allgemeinen aus einer Glasplatte.
- Der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektroden 2 beträgt typischerweise 80 µm.
- Eine erste Isolierschichtlage 3, bestehend aus organischem oder anorganischem Isoliermaterial, z. B. Acryl-Photolack, wird durch bekannte Verfahren wie spin coating in Gitter- oder Linienform und anschließende Belichtung und Entwicklung so strukturiert, dass definierte Bereiche auf der Elektrode 2 von dieser Isolierschichtlage 3 nicht bedeckt werden. So wird die Fläche eines aktiv emittierenden Pixels begrenzt. Sind die Pixel linienförmig, bildet die Isolierschichtlage 3 die linke und rechte Begrenzung der Linien.
- Diese Isolierschichtlage 3 hat eine typische Dicke von 100 bis 500 nm. Die freibleibende Fläche ist rund (ein typischer Radius r ist ca. 20 µm) oder rechteckig (typische Fläche von 40 × 140 µm) ausgebildet.
- In einem nächsten Schritt wird eine zweite Isolierschichtlage 4 eines Photolackes, z. B. Acryl-Photolack durch bekannte Verfahren wie spin coating und anschließende Belichtung und Entwicklung so strukturiert, dass quaderförmige Strukturen entstehen. Typische Dimensionen dieser Quader sind Höhe 1 bis 5 µm, Breite 5 bis 20 µm und Länge im Bereich mehrerer Millimeter bis Zentimeter, abhängig von der Länge der Diode. Diese Quader sind parallel zueinander angeordnet. Weiterhin sind die Quader parallel zu und mittig zwischen einer Reihe von freibleibenden ITO-Flächen der Elektroden 2 positioniert. Die Isolierschichtlagen 3 und 4 bilden so Öffnungen 31 und Kanäle 40, das heißt, es wird eine Kanalstruktur für die aufzubringende HTL-Schicht 5 (HTL-Tinte) und Polymerschicht 6 (Polymertinte) gebildet, wie Fig. 2 zeigt. Die Kanäle 40 begrenzen die einzelnen Spalten der roten, grünen und blauen Unterpixel und verhindern, dass Tinte in die benachbarten Kanäle 40 fließt.
- Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, sind die Kanäle 40 an den vorderen und hinteren Enden 41, 42 offen. Die Isolierschichtlagen 3 und 4 bilden lediglich eine seitliche Begrenzung. HTL-Tinte und Polymer-Tinte kann an den vorderen und hinteren Rändern leicht auslaufen. Die Tintenmenge ist an den Rändern dann dünner als in der Mitte der Kanäle 40. Nach der Trocknung zeigen die HTL-Schicht 5 und Emissionsschicht 6 deshalb Unregelmäßigkeiten an den Rändern.
- Wie Fig. 3 zeigt, sind an den vorderen und hinteren Enden dieser Kanäle 40 erfindungsgemäß Auslaufbarrieren 8, beispielsweise aus einer Photolackstruktur, aufgebracht. Die Auslaufbarrieren 8 haben eine bestimmte Höhe, die der Höhe der Kanäle entsprechen kann, jedoch nicht zwingend die gleiche Höhe haben muss.
- Die Höhe und Breite der Auslaufbarrieren 8 kann individuell angepasst werden. Dabei ist zu beachten, dass die Breite einer Auslaufbarriere 8 möglichst geringer als die gesamte Breite der zu bedruckenden Linie ist. Dies ist vorteilhaft, weil in einem weiteren Fabrikationsschritt eine aus Metallschichten gebildete zweite Elektrode 10 über die gedruckten Polymere beschichtet wird (Fig. 4).
- Beträgt die Höhe der HTL-Schicht 5 beispielsweise ca. 50 nm und die Höhe der Polymerschicht 6 ca. 100 nm, sollte die Höhe der Auslaufbarrieren 8 mindestens 50 nm sein.
- Als Beispiel ist die Höhe H der Auslaufbarrieren 8 in Fig. 3 größer als 1 µm, aber nicht größer als die Isolierschichtlage 4. Sie kann so zwischen 1 und 5 µm liegen. Die Länge V der Auslaufbarrieren 8 kann 5 bis 20 µm betragen. Die Breite W der Auslaufbarrieren 8 kann größer oder gleich 5 µm, aber kleiner als der Abstand a zwischen zwei benachbarten Quadern der Isolierschichtlage 4 sein. Wenn die Auslaufbarrieren 8 abgerundet sind und einen Durchmesser D aufweisen, sollte 1 µm ≤ H ≤ 5 µm und 5 µm ≤ D < a gelten (nicht gezeigt).
- Die zweite Elektrode 10 besteht üblicherweise aus einem Metallfilm mit einer Schichtdicke von 50 nm bis wenigen µm. Dieser Metallfilm wird außerhalb der bedruckten Linien an einen Treiber (nicht dargestellt) kontaktiert. Würde nun dieser Metallfilm an der Kante der Auslaufbarriere 8 enden, dann bestünde kein Kontakt zu der bedruckten Linie, damit wäre ein Verlust der Emission aus dieser Linie verbunden, die Linie würde als fehlerhafte schwarze Linie auf dem Bildschirm zu sehen sein. Da man aber die Auslaufbarriere 8 so gestalten kann, dass ein Bereich zwischen Kanal 40 und Auslaufbarriere 8 frei bleibt, kann dort der Metallfilm nicht abreißen und der Kontakt zwischen Treiber und gedruckter Linie gewährleistet werden. Die Tinte kann aus den Kanälen nicht auslaufen, da die Oberfläche der Auslaufbarriere 8 so behandelt werden kann, dass aufgrund des Kontaktwinkels von > 30° zwischen Tinte und Auslaufbarriere 8 ein Entweichen zwischen Isolierschichtlage 4 und Auslaufbarriere 8 nicht möglich ist, z. B. durch Plasmabehandlungen.
- Die Auslaufbarrieren 8 befinden sich am Anfang und am Ende jeweils zwischen zwei aus Photoresist-Quaderstrukturen (P/R Quader) der Isolierschichtlage 4 gebildeten Linien und bilden somit eine untere und obere Begrenzung der Kanäle 40. Dabei grenzen die Auslaufbarrieren 8 nicht direkt an die benachbarten P/R Quader, sondern lassen einen Abstand 9 (Fig. 3). Weiterhin befinden sich die Auslaufbarrieren 8 in einem Abstand zur nächstgelegenen Elektrode 2 im jeweiligen Kanal 40 von mindestens einem Tropfendurchmesser der Tinten (HTL-Schicht 5 und Emissionsschicht 6).
- Um die abstoßende Wirkung der Kanalwände als auch der Auslaufbarrieren 8 gegenüber der HTL- und der Polymertinte zu erzeugen, wird das beschriebene Substrat 1 in einem nächsten Schritt oberflächenbehandelt. Dabei wird die abstoßende Wirkung durch eine Mikrowellenplasmabehandlung in einem CF4/O2- Gasgemisch während einer Zeit von vorzugsweise 30 bis 120 Sekunden erreicht.
- Die HTL- und Polymerschichten 5, 6 werden durch bekannte Techniken wie Piezotintenstrahldrucken aufgebracht. Dabei wird der Tintenstrahlkopf derart gegenüber dem Substrat 1 positioniert, dass der erste Tropfen 7 HTL- bzw. Polymertinte in die Mitte eines Kanals 40 in einem Abstand von 1 x Tropfendurchmesser von der oberen Auslaufbarriere 8 positioniert wird (Fig. 2, 3). Durch kontinuierliches Drucken und Verschieben des Substrates 1 gegen den Kopf wird der Kanal mit der jeweiligen Tinte gefüllt. Das Drucken wird eingestellt, wenn der letzte Tropfen 7 einen Abstand von 1 x Tropfendurchmesser von der unteren Auslaufbarriere 8 hat.
- Zwischen dem Auftragen der beiden Tinten wird das Substrat 1 einer Wärmebehandlung (typischerweise 10 min bei 130°C in einem Ofen) unterzogen, um die HTL-Schicht 5 zu trocknen.
- In einem nächsten Schritt wird das bedruckte Substrat 1 mit den Metallschichten der Elektrode 10, zum Beispiel aus Kalzium/Aluminium, durch bekannte Verfahren wie thermisches Verdampfen in einer typischen Schichtdicke von 1-100 nm (Ca) und 200-2000 nm (Al) bedampft (Fig. 4).
- Abschließend wird das Substrat 1 durch bekannte Techniken wie Verkleben mit einer Glasplatte 11 so verkapselt, dass der Zutritt von Sauerstoff, Wasser und anderen die Funktion der polymeren OLED einschränkenden Materialien verhindert wird (Fig. 5).
- Zum Nachweis der Eignung und Wirksamkeit des Verfahrens nach der Erfindung wurden die unter Verwendung von Auslaufbarrieren hergestellten Polymer-OLED den nachfolgend beschriebenen Tests unterzogen:
- - Schichtdickenmessung innerhalb eines Kanals: Durch Schichtdickenmessung (z. B. unter Verwendung eines Profilometers) wird die Dicke der HTL und der Polymerfilmdicke am Rand der Kanäle sowie in Bereichen in einem größeren Abstand zu den Kanälen gemessen. Aus einer im gesamten Kanal nur leicht variierenden (±10%) Schichtdicke kann der positive Einfluss der Auslaufsperre geprüft werden. Ohne Auslaufsperre hat man eine Schichtdickenvariation in den äußeren Bereichen von bis zu 50%.
- - Messung der ortsaufgelösten Elektrolumineszenz-Intensität: Da die Intensität der Elektrolumineszenz bei gleicher angelegter Spannung bzw. Strom empfindlich von der HTL- und Polymerfilmdicke abhängig ist, wird die Wirksamkeit der Auslaufsperren durch Messen der Elektrolumineszenz- Intensität innerhalb eines Kanals geprüft. Auch hier kann man eine Verbesserung der Homogenität im oben genannten Bereich feststellen.
2 Erste Elektrode
3 Erste Isolierschichtlage
4 Zweite Isolierschichtlage
5 HTL-Schicht
6 Polymer-Schicht
7 Tropfen einer Polymertinte Auslaufbarriere
9 Abstand zwischen Auslaufbarriere und zweiter Isolierschichtlage
10 Zweite Elektrode
11 Glasplatte (Verkapselung)
31 Öffnungen
40 Kanäle
41 Hinteres Ende eines Kanals
42 Vorderes Ende eines Kanals
a Abstand zwischen benachbarten Photolackschichten (P/R-Quader)
W Breite einer Auslaufbarriere
V Länge einer Auslaufbarriere
H Höhe einer Auslaufbarriere
D Durchmesser einer Auslaufbarriere
Claims (9)
einem Substrat (1), auf das eine erste strukturierte Elektrode (2) aufgebracht ist,
einer Isolierschicht mit vorbestimmter Struktur, die auf die erste Elektrode (2) aufgebracht ist,
einer organischen Polymerschicht mit einer Struktur, die durch die Isolierschicht vorgegeben ist,
einer zweiten Elektrode (10), die auf die Polymerschicht aufgebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, dass an den offenen Enden (41, 42) der Strukturen, die durch die Isolierschicht gebildet werden, Auslaufsperren (8) eingebracht sind.
Aufbringen einer ersten strukturierten Elektrode auf ein Substrat,
Aufbringen einer Isolierschicht mit vorbestimmter Struktur auf die erste Elektrode, so dass Kanäle entstehen,
Aufbringen einer organischen Polymerschicht mit einer Struktur, die durch die Isolierschicht vorgegeben ist, Aufbringen einer zweiten Elektrode auf die Polymerschicht,
dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der organischen Polymerschicht an den offenen Enden der Strukturen, die durch die Isolierschicht gebildet werden, Auslaufbarrieren eingebracht werden.
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