DE10351822A1 - OLED-Bauelement und Display auf Basis von OLED-Bauelementen mit verbesserter Effizienz - Google Patents

OLED-Bauelement und Display auf Basis von OLED-Bauelementen mit verbesserter Effizienz Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein OLED-Bauelement, aufweisend ein Substrat (1), eine Anode (2), organisches Emittermaterial (4) und eine Kathode (5) und ein Display auf Basis von OLED-Bauelementen. DOLLAR A Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein OLED-Bauelement sowie ein Display auf Basis von OLED-Bauelementen mit einer höheren Lebensdauer und einer höheren Effizienz im Vergleich zu OLED-Bauelementen bzw. Displays auf Basis von OLED-Bauelementen nach dem Stand der Technik anzugeben. Hierdurch soll insbesondere die Energieaufnahme des OLED-Bauelementes bzw. des Displays gesenkt werden. DOLLAR A Dadurch, dass zwischen Anode (2) und organischem Emitter-Material (4) eine Schicht (6) aus einem ionenkomplexierenden Material angeordnet wird, kann sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer eines OLED-Bauelementes, vorzugsweise eines OLED-Bauelementes auf polymerer Basis, überraschenderweise signifikant erhöht werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein OLED-Bauelement und ein Display auf Basis von OLED-Bauelementen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 17.
  • Das Grundprinzip, welches den OLED Bauelementen (organic light emitting device) zugrunde liegt, ist die Elektrolumineszenz. Hier werden durch geeignete Kontakte Elektronen und Defektelektronen (Löcher) in ein halbleitendes Material injiziert. Bei der Rekombination treffen ein Elektron und ein Defektelektron aufeinander und es entsteht ein elektrisch neutrales, aber angeregtes Molekül, welches, z.B. aus der Materialklasse der Polyfluorene stammend, unter Lichtaussendung in seinen Grundzustand zurückkehrt. Als organische Emittermaterialien sind verschiedene, organische Verbindungen bekannt, welche sich in niedermolekulare (SM-OLED) und polymere (pLED) organische Verbindungen unterteilen lassen.
  • Ein OLED-Bauelement muss für einen effizienten Betrieb verschiedene Eigenschaften, wie z. B. Elektronen-, Lochleitung und Lichtemission, aufweisen. Dabei wird die Effizienz durch das Verhältnis von ausgesendetem Licht pro injiziertem Ladungsträger definiert. Die meisten der verwendeten Materialien erfüllen nur eine der vorgenannten Eigenschaften (Elektronen-, Lochleitung, Lichtemission) in befriedigendem Maße. Zur Verbesserung der Effizienz ist es daher bekannt, Vielschichtbauelemente zu verwenden, in denen unterschiedliche Schichten kombiniert werden. So besitzt beispielsweise eine Schicht eine herausragende Funktion bzgl. der Lochleitung, während eine andere Schicht die Funktion der Elektronenleitung besser erfüllt. Diese unterschiedlichen Schichten werden im OLED Bauelement in einer bestimmten, der Energieeffizienz des Bauelementes zuträglichen Weise angeordnet.
  • Der Einsatz spezieller Schichten zur Erhöhung der Effizienz von OLED Bauelementen ist aus den unterschiedlichsten Veröffentlichungen bekannt.
  • US 4,885,211 beschreibt die Erhöhung der Effizienz eines SM-OLED-Bauelements durch Verbesserung der Elektroneninjektion der Kathode. Ein gleicher Ansatz ist in Appl. Phys. Lett., 1991, 58, 1992 (Heeger et. al.) beschrieben. Dabei wird insbesondere die Verwendung von Metallen mit einer geringen Austrittsarbeit als Kathode zur Erhöhung der Effizienz vorgeschlagen.
  • US 5,061,569 beschreibt die Erhöhung der Effizienz eines SM-OLED Bauelementes durch verbesserte Lochinjektion und verbesserten Lochtransport. Dieses wird durch die Verwendung einer speziellen, aus tertiären Aminen bestehenden Schicht erreicht, wodurch eine verbesserte Lochinjektion und Lochleitung durch den Abbau von Energiebarrieren innerhalb des OLED Bauelementes erreicht werden soll.
  • WO 2003001569 A2 (Princeton University) beschreibt eine OLED mit einem Aufbau Anode/polymere Lochtransport- und lichtemittierende Schicht/Small Molecule (kurzkettige Moleküle) Exiton blockierende Schicht/Small Molecule Elektronenleitende Schicht/Kathode. Dabei wird Polyvinylkarbazol (PVK) als Lochleiter verwendet. Die PVK- Schicht ist dotiert mit im grünen, roten bzw. blauen Spektralbereich lichtemittierenden Farbstoffen, um ein Vollfarbenanzeigeelement zu erhalten. Weiterhin ist der Einsatz einer exitonenblockierenden Schicht beschrieben, welche aus kurzkettigen Molekülen besteht und zwischen der PVK-Schicht und der Kathode angeordnet ist.
  • Nachteilig an den vorgenannten OLED-Bauelementen ist trotz der vorgeschlagenen Schichten zur Effizienzerhöhung deren niedrige Lebensdauer sowie deren niedrige Effizienz, welche zu einer (unerwünscht) hohen Energieaufnahme bei vorgegebener Helligkeit des OLED Bauelements führt.
    •
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein OLED-Bauelement sowie ein Display auf Basis von OLED-Bauelementen mit einer höheren Lebensdauer und einer höheren Effizienz im Vergleich zu OLED-Bauelementen bzw.. Displays auf Basis von OLED-Bauelementen nach dem Stand der Technik anzugeben. Hierdurch soll die Energieaufnahme des OLED-Bauelementes bzw. des Displays gesenkt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß. gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 (OLED-Bauelement) und die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 17 (Display) im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Dadurch, dass zwischen Anode und Kathode eine Schicht aus einem ionenkomplexierenden Material angeordnet wird, kann sowohl die Effizienz als auch Lebensdauer eines OLED-Bauelementes, vorzugsweise eines OLED-Bauelementes auf polymerer Basis, überraschenderweise signifikant erhöht werden. Vorzugsweise wird die Schicht aus einem ionenkomplexierenden Material zwischen Anode und organischem Emittermaterial angeordnet.
  • Die real an OLED Bauelementen gemessene Effizienz ist deutlich geringer als die theoretisch mögliche Effizienz. Grund dafür ist unter Anderem, dass zwar ausreichend Elektronen und Löchern in das Bauelement injiziert werden, diese Ladungen aber teilweise in sogenannten "Traps" gefangen sind und somit nicht mehr zur Bildung von Elektronen-Lochpaaren (Exitonen) zur Verfügung stehen. Weiterhin wird die Effizienz eines Bauelementes nach dem Stand der Technik dadurch verringert, daß zwar Elektronen-Lochpaare gebildet werden, diese aber nur teilweise unter Aussendung von Licht zerfallen. Ein gewisser Teil der Elektronen-Lochpaare zerfällt strahlungslos und trägt somit nicht zur Elektrolumineszenz bei. Eine Ursache sowohl für die Trapbildung als auch für die strahlungslose Rekombination können Schwermetallionen sein, die sich im Polymerfilm des OLED Bauelementes anreichern. Eine mögliche Quelle für diese Schwermetallionen kann das als Anode verwendete Indium-Zinn-Oxid darstellen. Als weitere Quellen kommen die Metallkathode als auch Verunreinigungen der organischen Ausgangsmaterialien z.B. des zur Lochleitung verwendeten PDOT:PSS (Poly(Ethylendioxythiophen)-Polystyrolsulfonsäure) als auch der Licht emittierenden Polymere (PPV oder PFO) in Betracht.
  • Daher wird zur Vermeidung von strahlungslos zerfallenden Exitonen oder von in Traps gefangenen Ladungen eine Schicht aus einem ionenkomplexierenden Material vorgeschlagen, welche zwischen Anode und Kathode, vorzugsweise zwischen Anode und organischem Emittermaterial angeordnet ist. Dadurch werden die Effizienz des Bauelementes verringernde Ionen durch eine chemische Reaktion (mit einem sogenannten Komplexbildner) an diese angelagert und sind somit nur noch eingeschränkt mobil.
  • Hierdurch wird es erfindungsgemäß erreicht, dass (nicht völlig zu vermeidende) Verunreinigungen der für das OLED Bauelement verwendeten Materialien durch die erfindungsgemäße Schicht aus einem ionenkomplexierenden Material zumindest teilweise an diese Schicht angelagert werden und somit bezüglich ihrer negativen Wirkungen auf die Effizienz und die Lebensdauer des OLED Bauelements unschädlich gemacht werden können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante stammt die Schicht aus einem ionenkomplexierenden Material aus der Materialklasse der komplexbildenden Ionophore. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante stammt die Schicht aus einem ionenkomplexierenden Material aus der Materialklasse der Kronenether oder aus der Materialklasse der Zeolite.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist das erfindungsgemäße OLED Bauelement neben dem zwischen Anode und Kathode angeordneten organischen Emittermaterial (wobei Anode/organischen Emittermaterial/Kathode vorzugsweise anodenseitig auf einem Substrat angeordnet sind) eine Lochtransportschicht auf, welche vorzugsweise zwischen Anode und organischem Emittermaterial angeordnet ist. Die Lochtransportschicht besteht vorzugsweise aus Polyethylendioxythiophen-Polysterolsulfonsäure.
  • Die Schicht aus einem ionenkomplexierenden Material ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante zwischen Anode und Lochtransportschicht oder zwischen Lochtransportschicht und dem organischen Emittermaterial angeordnet.
  • Die Kathode ist vorzugsweise als eine aus mehreren Metallen gebildete Kathodenschicht ausgebildet. Dabei weist die Kathode vorzugsweise Materialien wie Aluminium, Silber Ytterbium und/oder Calcium und die Anode vorzugsweise Indium-Zinnoxid (ITO) auf. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Kathode aus Aluminium/Calcium oder Aluminium/Calcium/Lithiumfluorid.
  • Das organische Emittermaterial stammt vorzugsweise aus den Materialklassen der Polyphenylenvinylene oder Polyfluorene. Die Lochtransportschicht weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 30 nm und 150 nm, die Schicht aus einem ionenkomplexierenden Material vorzugsweise eine Dicke zwischen 5 nm und 15 nm und das organische Emittermaterials vorzugsweise eine Dicke zwischen 50 nm und 120 nm auf.
  • Ein erfindungsgemäßes Display auf Basis organischer Leuchtdioden (OLED) ist durch mindestens ein erfindungsgemäßes OLED-Bauelement gekennzeichnet.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1: ein erfindungsgemäßes OLED-Bauelement in schematischer, geschnittener Darstellung mit einer zwischen Lochtransportschicht und organischem Emittermaterial angeordneten Schicht aus einem ionenkomplexierenden Material und
  • 2: ein erfindungsgemäßes OLED-Bauelement in schematischer, geschnittener Darstellung mit einer zwischen Anode und Lochtransportschicht angeordneten Schicht aus einem ionenkomplexierenden Material.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes OLED-Bauelement, bestehend aus einem Substrat 1, einer darüber angeordneten Anode 2, einer darauf angeordneten Lochtransportschicht 3, einer darauf angeordneten Schicht 6 aus einem ionenkomplexierenden Material, darauf angeordnetem organischem Emitter material 4 und einer darüber angeordneten Kathode 5. Das erfindungsgemäße OLED-Bauelement wird auf einem Glassubstrat 1 aufgebaut, das mit einer transparenten leitfähigen Schicht (Anode 2) aus Indium-Zinnoxid (ITO) beschichtet ist. Die ITO Schichtdicke beträgt 100 nm, die elektrische Leitfähigkeit ist kleiner als 20 Ω. Auf die ITO-Schicht (Anode 2) wird durch Aufschleudern eine Lochtransportschicht 3 (HTL) aufgebracht. Diese besteht aus Poly(Ethylendioxythiophen)-Polystyrolsulfonsäure (PDOT:PSS). Im Ausführungsbeispiel wurde eine 50 nm dicke Lochtransportschicht 3 durch Aufschleudern mittels eines Spin coaters bei 1000 rpm aufgebracht. Das Substrat 1 wurde nach der PDOT:PSS-Beschichtung für 10 min auf 200 °C unter Verwendung einer Heizplatte getrocknet.
  • In einem nächsten Schritt wird Kronenether als Schicht 6 aus einem ionenkomplexierenden Material mittels Spin coating aufgebracht. Dazu wird eine 0.5%tige (Massenprozent) Lösung von 18-Crown-5 (1,4,7,10,13-Pentaoxazyclopentadekan) in Essigsäurebutylester (p.A.) unter Rühren erzeugt. Diese Lösung wird bei 5000 rpm auf das mit PDOT:PSS beschichtete Substrat 1 aufgeschleudert, um eine 10 nm dicke Schicht zu erzeugen. Das Substrat 1 (mit den darauf aufgebrachten Schichten 2, 3 und 6) wird anschließend bei 100 °C für 10 Minuten getrocknet.
  • Auf das wie vorbeschrieben präparierte Substrat 1 wird ebenfalls durch Aufschleudern aus der Lösung ein Emitterpolymer 4 aufgebracht. Als Polymer 4 wird ein Polyfluorene verwendet. Als Lösungsmittel wird wasserfreies iso-Xylol verwendet. Im Ausführungsbeispiel wird eine 70 nm dicke Schicht durch Aufschleudern einer 1,5%igen Lösung bei 1600 rpm erzeugt. Das Substrat 1 (mit den darauf aufgebrachten Schichten 2, 3, 6 und 4) wird anschließend bei 160 °C unter einer Innertgas Atmosphäre (Stickstoff) auf einer Heizplatte für 30 min erwärmt.
  • Anschließend wird die Mehrschichtkathode 5 durch thermisches Verdampfen erzeugt. In einem ersten Schritt wird eine 1 nm dicke Schicht Lithiumfluorid durch thermisches Verdampfen erzeugt. In einem zweiten, unmittelbar folgenden Schritt wird eine 10 nm dicke Kalziumschicht ebenfalls durch thermisches Verdampfen erzeugt. Die aktive Struktur wird abgeschlossen durch einen reflektiven Metallkontakt, der ebenfalls durch thermisches Aufdampfen im Hochvakuum abgeschieden wird. Geeignete Metalle umfassen Aluminium oder Silber.
  • Die Struktur wird nachfolgend durch eine Glasverkapselung gegen Umwelteinflüsse geschützt.
  • Bei dem erzeugten OLED Bauelement wird aufgrund der Schicht 6 aus einem ionenkomplexierenden Material die Eintragung von Ionen in das lichtemittierende Polymermaterial 4 verhindert bzw. unterdrückt, weshalb die Bauelemente-Effizienz gesteigert werden kann. Ionen werden unerwünschter Weise durch Migration (Wanderung von geladenen Teilchen im elektrischen Feld) oder Diffusion (Wanderung von Teilchen innerhalb eines Konzentrationsgradienten) in das licht emittierende Polymer 4 eingetragen. Überraschenderweise kann die Effizienz (Verhältnis von vom Bauelement ausgesendete Lichtmenge zum dafür eingesetzten Strom) als auch die Lebensdauer (Intensitätsstabilität des vom Bauelement ausgesendeten Lichtes während der Betriebszeit) dadurch gesteigert werden, daß eine zusätzliche dünne Schicht 6 von Ionen komplexierenden Materialien eingebracht wird.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes OLED-Bauelement, bestehend aus einem Substrat 1, einer darüber angeordneten Anode 2, einer darauf angeordneten Schicht 6 aus einem ionenkomplexierenden Material, einer darauf angeordneten Loch transportschicht 3, darauf angeordnetem organischem Emittermaterial 4 und einer darüber angeordneten Kathode 5. Im Unterschied zu 1 ist die Schicht 6 aus einem ionenkomplexierenden Material nicht zwischen Lochtransportschicht 3 und dem organischem Emittermaterial 4, sondern zwischen Anode 2 und der Lochtransportschicht 3 angeordnet.
  • Für die nach 1 und 2 beschriebenen Anordnungen wird eine deutliche Steigerung der maximalen Anzeigeelementeeffizienz erreicht. Experimentell konnte eine Steigerung von 30 % bis 100 % im Vergleich zu unter identischen Bedingungen hergestellten pLED Anzeigeelementen, welche keine erfindungsgemäße ionenkomplexierende Schicht 6 aufwiesen, erreicht werden. Eine höhere Effizienz führt direkt zu einer geringeren Leistungsaufname von pLED verwendenden elektrischen Geräten.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Effizienz der erfindungsgemäßen pLED Anzeigeelementen bereits kurz nach Erreichen der Einsatzspannung (2 bis 3V) nahezu ihren Maximalwert erreicht. Bei pLED Anzeigeelementen nach dem Stand der Technik steigt die Effizienz bei Überschreiten der Einsatzspannung deutlich langsamer an und erreicht ihr Maximum erst bei höheren Betriebsspannungen (6 bis 8V). Die hohe Effizienz bei Spannungen nahe der Einsatzspannung (3 bis 5V) ist für die Leistungsbilanz von Aktiv Matrix pLED Bildschirmen von großer Bedeutung, da sich die Betriebsspannung der pLED Bildpunkte in diesem Bereich befindet. Somit kann durch die beschriebene Erfindung die Leistungsaufnahme solcher Aktiv Matrix pLED Bildschirme vorteilhaft verringert werden. Eine geringere Leistungsaufnahme ist insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten wie Mobiltelephonen von besonderem Interesse.
  • Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, dass die Lebensdauer der pLED Bauelemente durch Verwendung der erfindungsgemäßen Schicht 6 gesteigert werden kann. Für ein im Ausführungsbeispiel beschriebenes Anzeigeelement konnte die Lebensdauer (definiert als Abfall der Helligkeit auf 50 % des Anfangswertes (1000 cd/m2 in diesem Fall) bei Konstant-Strom-Betrieb) um 30 % verlängert werden, verglichen mit einem Anzeigeelement nach Stand der Technik. Eine Erhöhung der Betriebsstabilität der pLED Anzeigeelemente ist von entscheidender Bedeutung für deren Umsetzung in kommerzielle Produkte.
  • Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele, vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
    • 1
    Substrat
    2
    Anode
    3
    Lochtransportschicht
    4
    organisches Emittermaterial
    5
    Kathode
    6
    ionenkomplexierende Schicht

Claims (17)

  1. OLED-Bauelement aufweisend ein Substrat (1), eine Anode (2), organisches Emittermaterial (4) und eine Kathode (5), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Anode (2) und Kathode (5) eine Schicht (6) aus einem ionenkomplexierenden Material angeordnet ist.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Anode (2) und organischem Emittermaterial (4) eine Schicht (6) aus einem ionenkomplexierenden Material angeordnet ist.
  3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (6) aus einem ionenkomplexierenden Material aus der Materialklasse der komplexbildenden Ionophore stammt.
  4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (6) aus einem ionenkomplexierenden Material aus der Materialklasse der Kronenether oder aus der Materialklasse der Zeolite stammt.
  5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Anode (2) und organischem Emittermaterial (4) eine Lochtransportschicht (3) angeordnet ist.
  6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochtransportschicht (3) aus Poly(Ethylendioxythiophen)-Polystyrolsulfonsäure besteht.
  7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochtransportschicht (3) eine Dicke zwischen 30 nm und 150 nm aufweist.
  8. Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochtransportschicht (3) zwischen der Anode (2) und der Schicht (6) aus einem ionenkomplexierenden Material oder zwischen der Schicht (6) aus einem ionenkomplexierenden Material und dem organischen Emittermaterial (4) angeordnet ist.
  9. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organischen Emittermaterial (4) aus den Materialklassen der Poly(phenylenvinylen)e oder der Polyfluorene ausgewählt ist.
  10. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organischen Emittermaterial (4) eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 120 nm aufweist.
  11. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (5) aus Aluminium, Silber, Ytterbium und/oder Calcium und die Anode (2) aus Indium-Zinnoxid (ITO) besteht.
  12. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen organischem Emittermaterial (4) und Kathode (5) eine Schicht eines Alkali- oder Erdalkalifluorids angeordnet ist.
  13. Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eines Alkali- oder Erdalkalifluorids zumindest teilweise die Kathode (5) ausbildet.
  14. Bauelement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalifluorid Lithiumfluorid ist.
  15. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (6) aus einem ionenkomplexierenden Material eine Dicke zwischen 5 nm und 15 nm aufweist.
  16. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Verkapselung aufweist.
  17. Display auf Basis organischer Leuchtdioden gekennzeichnet durch mindestens ein Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
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