DE10312219A1 - Organische Leuchtdiode mit verbesserter Lichtauskopplung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine organische Leuchtdiode (OLED), bei der die Extraktionseffizienz, also die Wahrscheinlichkeit, mit der ein erzeugtes Photon aus der Diode ausgekoppelt und damit nachgewiesen werden kann, verbessert ist. Dies wird durch Einbringen einer Lichtauskopplungsstrukturschicht zwischen dem Substrat und der Anode erreicht.

Description

• Die Erfindung betrifft eine organische Leuchtdiode (OLED) bei der die Extraktionseffizienz, also die Wahrscheinlichkeit, mit der ein erzeugtes Photon aus der Diode ausgekoppelt und damit zur Helligkeit beitragen kann, verbessert ist.
• Bekannt sind OLED mit verbesserter Effizienz beispielsweise aus der Veröffentlichung von G. Gu, et. al.: High-exteznal-quantum-efficiency organic light-emitting-devices in "Optics Letters", Vol. 22, No. 6, p. 396, aus dem Jahre 1997, Die darin beschriebene Methode zur Effizienzsteigerung basiert auf sog. Mesa-Strukturen. Darunter werden Strukturen aus Pyramiden- bzw. Kegelstumpfen bezeichnet, die als Reflektoren für seitlich ausgestrahlte Emission dienen. Die Leuchtfläche befindet sich dabei auf der flachen oberen Stumpfseite. Nachteile dieses Verfahrens sind:
• – Die verwendeten Strukturen werden direkt in das Substrat eingebracht. Dies lässt sich bei Verwendung von Glassubstraten nur mit großem Aufwand bzw. Einsatz von hochgiftigen Stoffen (Flusssäure) realisieren.
• – Die Mesastrukturen umschließen jeweils ein Pixel. Um Strukturen mit einem geeigneten Aspektverhältnis zu erzeugen, muss die Strukturtiefe mindestens einige 10μm betragen. Solche Strukturen lassen sich nicht oder nur mit großem Aufwand photolithographisch herstellen.
• – Die aktive Leuchtfläche bedeckt nur einen geringen Teil der zur Verfügung stehenden Fläche.
• Darüber hinaus sind aus der US 5,834,893 Mesa-Strukturen an invertierten OLEDs bekannt. Die hier beschriebenen Strukturen zur Verbesserung der Auskoppeleffizienz basieren auf einem invertierten OLED-Aufbau, d.h. die transparente Anode wird als letzte Schicht abgeschieden. Die OLEDs befinden sich in Substrat-Vertiefungen die als Reflektoren dienen, analog zum oben geschilderten Aufbau.
• Diese Technik hat folgende Nachteile:
• – Für Passiv-Matrix-Displays stellt der inverse Aufbau einer OLED z.Zt. eine große Herausforderung dar. Es noch kein technisch brauchbares Verfahren verfügbar, da das gebräuchliche Anodenmaterial ITO i.d.R. bei Abscheidung bzw. Strukturierung zu einer Schädigung der darunter liegenden organischen Schichten führt.
• Auch korrugierte (wellenförmige) Organik-Schichten (J. M. Lupton, et. al.: Bragg scattering from periodically microstructured light emitting diodes, Appl. Phys. Lett. 77 (21), p. 3340, 2000) werden als Möglichkeit zur Verbesserung der Extraktionseffizienz beschreiben.
• Bei diesem Experiment wurde eine polymere LED auf einer eindimensional-periodischen Struktur mit einer Periode von 388 nm und Tiefen von 10–100 nm aufgebracht. Die Struktur wirkt als Bragg-Reflektor und führt wiederum zu einer Streuung von optischen Moden im Emittermaterial.
• Nachteile bei dieser Verfahrensweise sind:
• – Die Periodizität der Struktur führt zu einer starken Winkeldispersion. Bei Anzeigeelementen wird jedoch ein vom Betrachtungswinkel unabhängiger Farbeindruck gefordert.
• – Als Anode wurde eine dünne Goldschicht (15 nm) benutzt, die trotz der geringen Schichtdicke bereits eine starke Absorption aufweist. Eine Übertragung der Korrugation auf das sonst als Standardanode gebräuchliche ITO erscheint aufgrund der größeren ITO-Schichtdicken und hoher Prozesstemperaturen schwer realisierbar.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine OLED mit herkömmlichem, also nicht invertiertem Aufbau zur Verfügung zu stellen, die eine deutlich gesteigerte Extraktionseffizienz zeigt.
• Gegenstand der Erfindung ist eine OLED, ein Substrat, darauf eine erste positive und transparente Elektrode (Anode) anschließend zumindest eine emittierende Schicht aus vorwiegend organischem Material und wiederum anschließend eine negative reflektierende Elektrode (Kathode) umfassend, wobei zwischen der unteren ersten Elektrode und dem Substrat und/oder in das Substrat integriert zumindest eine Lichtauskopplungsstrukturschicht angeordnet ist.
• Die Steigerung der Extraktionseffizienz wird durch Einbringen zumindest einer Lichtauskopplungsstrukturschicht, zwischen Substrat und erster Elektrode und/oder in das Substrat integriert, realisiert. Zur Generierung bestimmter Farben bzw. von Vollfarbigkeit lassen sich OLEDs auch mit Farbfilterstrukturen kombinieren. Diese werden in der Regel zwischen dem Substrat und der ersten positiven Elektrode (ITO-Rnode) eingebracht und beispielsweise mit einem organischen Planarisierungsmaterial abgedeckt, bevor die ITO-Elektrode aufgebracht wird. Die Lichtauskopplungsstrukturschicht lässt sich insbesondere gut mit einem derartigen Farbfilteraufbau kombinieren und/oder in einen Farbfilter direkt integrieren.
• Dabei ist die Strukturauflösung der Lichtauskopplungsstrukturschicht, das heißt der Abstand zwischen zwei Strukturmerkmalen und/oder die Größe eines Strukturmerkmals, kleiner/gleich ein Pixel, bevorzugt kleiner als ein Pixel und insbesondere bevorzugt im Bereich von 1–50 μm.
• Die einzelnen Strukturen der Lichtauskopplungsstrukturschicht können in das Substrat eingearbeitet oder auf diesem strukturiert werden (z.B. photolithographisch). Dazu wird beispielsweise auf einem Substrat eine oder mehrere strukturierte Schicht(en) eines Photoresist aufgebracht, auf der dann die transparente Elektrode, die organische(n) Schicht(en) und die zweite Elektrode aufgebracht werden. Der gesamte Aufbau wiederholt dann gegebenenfalls, also wenn keine Planisierungss chicht eingebracht wird, die Strukturierung der Photoresistschicht.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Strukturen der Lichtauskopplungsstrukturschicht nicht periodisch.
• Nach einer Ausführungsform kann die Auskopplungseffizienz durch eine weitere Schicht zwischen Substrat und Struktur optimiert werden. Der Brechungsindex dieser Schicht sollte kleiner sein als der der beiden angrenzenden Schichten. Dies führt zu einer größeren Wahrscheinlichkeit der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Lichtauskopplungsstrukturschicht und Niedrig-Index-Schicht. Auf diese Weise reflektiertes Licht kann wiederum an der schrägen Kathodenfläche reflektiert und damit ausgekoppelt werden.
• Es kann auch eine Planarisierung der Lichtauskopplungsstrukturschicht erfolgen. Für die Planarisierung geeignete Materialien sind aus der Mikroelektronik bekannt und können entweder vorwiegend aus organischem oder anorganischem Material sein. Sie lassen sich mittels aus der Mikroelektronik bekannter Prozesse wie beispielsweise Spincoaten, Rakeln und/oder Aufdampfen applizieren. Möglich ist auch ein großflächig strukturiertes Aufbringen mittels eines geeigneten Druckprozesses. Um einen optischen Kontrast zu erreichen, unterscheidet sich der Brechungsindex der Planarisierung von demjenigen der Lichtauskopplungsstrukturschicht. Alternativ kann zwischen beiden eine zusätzliche Schicht mit höherem oder niedrigeren Brechungsindex oder eine semitransparente Metallschicht eingefügt werden. Vorteilhaft ist eine Planarisierung mit hohem Brechungsindex, um eine möglichst effiziente Einkopplung des Lichts aus dem OLED-Material in die Planarisierungsschicht zu erreichen.
• Die Auskopplungsstrukturen (oder einfach "Strukturen") der Lichtauskopplungsstrukturschicht können miteinander verbunden oder einzeln ausgeführt werden. Die Strukturen können perio disch oder nicht periodisch sein. Die Strukturen können beispielsweise kegelförmig, tropfenförmig, pyramidisch oder polygonal sein.
• Als Substratmaterialien kommen Glas, Kunststoff, Kunststoff/Keramik- sowie Kunststoff/Glas-Verbünde in Frage. Besonders geeignete Substrate sind Kunststofffolien, insbesondere flexible Folien, da sich die erfindungsgemäßen Strukturen bei der Folienherstellung besonders leicht durch einfache Formprozesse wie beispielsweise Prägen generieren lassen.
• Für die beispielhafte Ausführung der Erfindung werden im folgenden fünf Figuren beschrieben.
• 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Substrat 1, beispielsweise ein Glassubstrat, mit einer Lichtauskopplungsstrukturschicht 2, die mittels eines geeigneten und bekannten, beispielsweise photolithographischen Prozesses hergestellt wurde und mit periodischen oder nicht-periodischen (statistisch verteilten) Strukturen versehen ist. Darauf wird eine OLED aufgebaut, die in allen Schichten die Strukturen wiedergibt. Auf die Lichtauskopplungsstrukturschicht folgt die erste Elektrode, die transparente Anode 3, beispielsweise aus ITO (Indium Tin Oxide). Auf die Anode Folgt zumindest eine organische aktive Schicht 4 auf der dann die, beispielsweise zuletzt abgeschiedene und/oder metallische, Kathode 5 zu liegen kommt, die wiederum eine strukturierte, nicht-planare, Form hat.
• Der Schichtaufbau ist beispielsweise folgender: 80nm PEDOT (Lochtransportmaterial), 60nm Polyfluoren-Derivat (Emittermaterial), 5nm Kalzium, 200nm Aluminium. Wie in 6 ersichtlich, ergibt sich eine deutlich gesteigerte Effizienz (+41% bei 10mA/cm²) (Linie mit den ausgefüllten Kästchen "structured device") im Vergleich zu den auf dem selben Substrat prozessierten Referenzdioden (gezeigt durch die Linie mit den leeren Kästchen "reference"). Des weiteren ist zu be obachten, dass die Emission hauptsächlich an den Rändern der Strukturen auftritt, vergleiche dazu 7, die eine mikroskopische Aufnahme einher strukturierten OLED im Betrieb zeigt. Die strukturierten Bereiche sind an der Helligkeit erkennbar (generell erhöhte Leuchtdichte) und insbesondere fallen die noch helleren Ränder auf.
• Die Pfeile 7 in 1 geben einen beispielhaften Strahlengang eines emittierten Photons wieder.
• Die Nicht-Planarität der oberen Elektrode oder Kathode 5 kann zur Reflexion von seitlich aus der OLED abgestrahlten Photonen dienen. Diese werden in Vorwärtsrichtung umgelenkt und zumindest teilweise ausgekoppelt. Im Ganzen führen reflektorartige Strukturen der Lichtauskopplungsstrukturschicht 2 zur Auskopplung von ansonsten wellengeleiteten Photonen.
• Vorteilhaft sind Auskopplungsstrukturen, die aus einem Material mit einem hohem Brechungsindex bestehen. Er sollte größer sein als der der darüber angeordneten funktionellen organischen Materialien, also bevorzugt größer 1,6 und besonders bevorzugt größer 1,8 und insbesondere bevorzugt größer 2,0 sein, um die Lichteinkopplung aus den aktiven organischen Schichten möglichst effizient zu gestalten.
• Organische Materialien mit hohem Brechungsindex zeichnen sich in der Regel durch hohe Polarisierbarkeit aus. Daher sind Materialien mit einem Brechungsindex größer 1,6 die hier vorteilhafterweise als Lichtauskopplungsstrukturschicht eingesetzt werden, besonders hocharomatische Polymersysteme wie beispielsweise aromatische Polyepoxide, Polyimide und/oder aromatische heterocyclische Polymere oder beliebige Mischungen daraus. Im Allgemeinen führt Substitution mit schweren Atomen, wie beispielweise mit Halogenen, zu hohen Brechungsindizes.
• 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie 1 mit dem Unterschied, dass zwischen dem Substrat 1 und der Lichtauskopplungsstrukturschicht 2 eine Niedrig-Index-Schicht 6 angeordnet ist, durch die die Auskopplungseffizienz zwischen Substrat und Struktur weiter optimiert wird. Der Brechungsindex dieser Schicht 6 ist bevorzugt kleiner als der der beiden angrenzenden Schichten Substrat 1 einerseits und Lichtauskopplungsstrukturschicht 2 andererseits. Dies führt zu einer größeren Wahrscheinlichkeit der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Auskopplungsstruktur 2 und Niedrig-Index-Schicht 6. Auf diese Weise reflektiertes Licht kann wiederum an der schrägen Kathodenfläche 5 reflektiert und damit ausgekoppelt werden.
• 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Lichtauskopplungsstrukturschicht 2 in eine weitere Schicht 8 eingebettet ist. Diese Planarisierung kann mit verschiedenen Materialien erfolgen, die bevorzugt aus der Mikroelektronik bekannt und organisch und/oder anorganischen Ursprungs sind. Beispiele für geeignete Planarisierungsmaterialien sind Polyepoxide, Novolackharze, Phenolharze, Polyimide oder Polyacrylate. Bevorzugt erfolgt die Planarisierung mit einer Hoch-Index-Schicht, also insbesondere vorteilhafterweise mit einem Material der oben beschriebenen Substanzklassen, dessen Brechungsindex größer/gleich 1,6 ist.
• In der 3 wird eine Lichtauskopplungsstrukturschicht 2 gezeigt, die im wesentlichen einzelne Kegelstümpfe 2 umfasst. Eine derartige Lichtauskopplungsstrukturschicht 2 kann mittels eines geeigneten photolithographischen Prozesses hergestellt werden, so dass nach der Entwicklung nur noch freistehende Inseln der ursprünglich aufgebrachten Schicht 2 erhalten bleiben.
• 4 zeigt im wesentlichen den aus 3 bekannten Aufbau mit der aus 2 bekannten Niedrig-Index-Schicht 6.
• Die Auskoppeleffizienz wird durch eine Niedrig-Index-Schicht 6 zwischen Substrat und Struktur und/oder Hochindex-Schicht oder Planarisierungsschicht 8 analog zu 2 optimiert. In 5 schließlich wird gezeigt, wie die Reihenfolge der Prozessierung von Niedrig-Index-Schicht 6 und Lichtauskopplungsstrukturschicht 2 vertauscht werden kann. Die Niedrig-Index-Schicht 6 liegt zwischen Substrat 1 und Hoch-Index-Schicht 8 aber über der Lichtauskopplungsstrukturschicht 2.
• Die Ausführungsbeispiele können beispielsweise auch so miteinander kombiniert werden, dass die Auskopplungsstrukturen nur teilweise planarisiert werden.
• Die 6 und 7 schließlich zeigen, wie die Effizienz dieser OLEDs gesteigert wird und dass die Emission hauptsächlich an den Rändern der Strukturen auftritt.
• Quantenmechanische Berechnungen zeigen, dass aus einem herkömmlichen OLED-Bauteil ohne zusätzliche Maßnahmen zur Lichtauskopplung ca. 50% bis 80% der Photonen durch Emissionsunterdrückung und Totalreflexion verloren gehen (M.H. Lu and J.C. Sturm, Optimization of external coupling and light emission in organic light-emitting devides: modelling and experiment, J. Appl Phys., 91 (2), p. 595, 2002). Dies verdeutlicht den besonderen Vorteil der Erfindung, die durch die verbesserte Auskopplung von Licht aus dem Bauteil bewirkt, dass ein großer Teil der ansonsten durch Wellenleitung verlorenen Photonen für eine Effizienzsteigerung der OLED genutzt werden kann. Die Auskopplung lässt sich mit der Erfindung um mindestens einen Faktor 1,4 steigern. Die daraus resultierende erhöhte Bauteileffizienz, bedeutet niedrigere Betriebsspannung und damit auch eine längere Lebensdauer.
• Die Erfindung betrifft eine organische Leuchtdiode (OLED) bei der die Extraktionseffizienz, also die Wahrscheinlichkeit, mit der ein erzeugtes Photon aus der Diode ausgekoppelt und damit nachgewiesen werden kann, verbessert ist. Dies wird durch Einbringen einer Lichtauskopplungsstrukturschicht zwischen dem Substrat und der Anode erreicht.

Claims (8)

1. Organische Leuchtdiode, ein Substrat, darauf eine erste positive und transparente Elektrode (Anode), anschließend zumindest eine aktive Schicht aus vorwiegend organischem Material und wiederum anschließend eine negative reflektierende Elektrode (Kathode) umfassend, wobei zwischen der unteren ersten Elektrode und dem Substrat und/oder in das Substrat integriert zumindest eine Lichtauskopplungsstrukturschicht angeordnet ist.
2. Organische Leuchtdiode nach Anspruch 1, wobei die Lichtauskopplungsstrukturschicht mit einem Farbfilter kombiniert ist und/oder in einen Farbfilter integriert ist.
3. Organische Leuchtdiode, bei der die Lichtauskopplungsstrukturschicht zumindest zum Teil planarisiert ist.
4. Organische Leuchtdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Substrat und der ersten Elektrode zumindest teilweise eine Niedrig-Index-Schicht angeordnet ist.
5. Organische Leuchtdiode nach Anspruch 3, bei der die Niedrig-Index-Schicht zumindest zum Teil zwischen der Lichtauskopplungsstrukturschicht und der ersten Elektrode angeordnet ist.
6. Organische Leuchtdiode nach Anspruch 3, bei der die Niedrig-Index-Schicht zumindest zum Teil zwischen dem Substrat und der Lichtauskopplungsstrukturschicht angeordnet ist.
7. Organische Leuchtdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, die noch eine Hoch-Index-Schicht zwischen dem Substrat und der ersten Elektrode umfasst.
8. Organische Leuchtdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Lichtauskopplungsstrukturschicht einen Brechungsindex von größer 1,6 hat.