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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine organische elektrolumineszierende Vorrichtung sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Hintergrund der Erfindung
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Organische elektrolumineszierende Vorrichtungen sind z. B. aus der
PCT/WO/13148 und der
US4539507 bekannt. Beispiele für solche Vorrichtungen sind in
1 und
2 dargestellt. Solche Vorrichtungen umfassen im Allgemeinen: ein Substrat
2, eine erste Elektrode
4 auf dem Substrat
2 zur Injektion von Ladung einer ersten Polarität, eine zweite Elektrode
6 auf der ersten Elektrode
4 zur Injektion von Ladung einer zweiten, der ersten Polarität entgegen gesetzten Polarität, eine organische Lichtemissionsschicht
8 zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und ein Einbettmaterial
10 auf der zweiten Elektrode
6. In einer in
1 dargestellten Anordnung sind das Substrat
2 und die erste Elektrode
4 lichtdurchlässig, damit das von der organischen Lichtemissionsschicht
8 emittierte Licht hindurchtreten kann. Eine solche Anordnung ist als organischer elektrolumineszierender Bottom-Emitter bekannt. In einer anderen, in
2 dargestellten Anordnung sind die zweite Elektrode
6 und das Einbettmaterial
10 lichtdurchlässig, damit das von der organischen Lichtemissionsschicht
8 emittierte Licht hindurchtreten kann. Eine solche Anordnung ist als organischer elektrolumineszierender Top-Emitter bekannt.
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Variationen der zuvor beschriebenen Strukturen sind bekannt. Die erste Elektrode kann die Anode und die zweite Elektrode die Kathode sein. Alternativ kann die erste Elektrode die Kathode und die zweite Elektrode die Anode sein. Zwischen den Elektroden und der organischen Lichtemissionsschicht können sich weitere Schichten zur Unterstützung von Ladungsinjektion und -transport befinden. Das organische Material in der Lichtemissionsschicht kann ein kleines Molekül, ein Dendrimer oder ein Polymer sein und phosphoreszierende und/oder fluoreszierende Komponenten umfassen. Die Lichtemissionsschicht kann eine Mischung von Materialien umfassen, z. B. Emissions-, Elektronentransport- und Lochtransportkomponenten. Diese können als ein Molekül oder als separate Moleküle vorliegen.
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Die 3(a) und 3(b) zeigen kompliziertere Strukturvarianten organischer elektrolumineszierender Vorrichtungen.
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Der in 3(a) dargestellte Bottom-Emitter umfasst: ein Substrat 12 (z. B. Glas), eine lichtdurchlässige Anode 14 (z. B. ITO), eine Lochinjektionsschicht 16 (z. B. PEDT), eine Lochtransportschicht 18 (z. B. aus einem triarylaminhaltigen Polymer), eine Emissionsschicht 20 (z. B. aus einem elektrolumineszierenden Polymer) und eine reflektierende Kathodenstruktur aus einer Elektroneninjektionsschicht mit einer niedrigen Austrittsarbeit 22 (z. B. Barium) und einer reflektierenden Schicht 24 (z. B. Al).
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Der in
3(b) dargestellte Top-Emitter umfasst: ein Substrat
26 (z. B. Glas), eine reflektierende Schicht
28 (z. B. Al oder eine Ag-Legierung), eine Anode
30 (z. B. ITO), eine Lochinjektionsschicht
32 (z. B. PEDT), eine Lochtransportschicht
34, eine Emissionsschicht
36 (z. B. aus einem elektrolumineszierenden Polymer) und eine lichtdurchlässige Kathodenstruktur aus einer Elektroneninjektionsschicht mit einer niedrigen Austrittsarbeit
38 (z. B. Barium), einer Pufferschicht
40, z. B. Wolframoxid, wie in der
WO2008/029103 offenbart, und einer lichtdurchlässigen leitenden Schicht
42 (z. B. ITO).
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Durch Bereitstellung einer Anordnung von Vorrichtungen des oben beschriebenen Typs lässt sich ein Display mit einer Vielzahl emittierender Pixel herstellen. Für ein monochromes Display können die Pixel vom selben Typ sein, für ein mehrfarbiges Display können sie unterschiedliche Farben haben.
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Ein Problem bei organischen elektrolumineszierenden Vorrichtungen ist, dass ein Großteil des von dem organischen Lichtemissionsmaterial in der organischen Lichtemissionsschicht emittierten Lichts nicht aus der Vorrichtung austritt. Das Licht kann durch interne Reflexion, Hohlraumeffekte, Wellenleitung, Absorption und dergleichen in der Vorrichtung verloren gehen. Es ist z. B. davon auszugehen, dass das Licht von der elektrolumineszierenden Schicht über einen Winkelbereich in Relation zur Vorrichtungsebene emittiert wird. Licht, dass in einem flachen Winkel auf eine Grenzfläche in der Vorrichtung trifft, kann intern reflektiert werden. Zwischen den beiden reflektierenden Grenzflächen in der Vorrichtung kann ein optischer Hohlraum entstehen.
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Die Hohlraumeffekte, die in einer organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung aufgrund reflektierender Metallschichten und Grenzflächen zwischen den Schichten mit sehr unterschiedlichen Brechungsindices (z. B. ITO gegenüber Luft in der Top-Emitter-Struktur) erzeugt werden können, führen unter Umständen zu einer schlechten optischen Extraktion (auch wenn der Hohlraum andererseits zur Verbesserung der Lichtextraktion optimiert werden kann). Es können destruktive Interferenzmodi entstehen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Lichtleistung der organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung verringert wird; in einigen Fällen sind Interferenzstreifen offenkundig. Phänomene, die zu einer schlechten Lichtextraktion führen, sind z. B. in der
US 7,276,848 näher beschrieben.
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4 veranschaulicht, wie das Licht an Grenzflächen in einer organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung reflektiert werden kann. 4(a) entspricht der zuvor beschriebenen, in 3(a) dargestellten Bottom-Emitter-Struktur. 4(b) entspricht der zuvor beschriebenen, in 3(b) dargestellten Top-Emitter-Struktur. Zwecks Übersichtlichkeit sind die Schichten mit denselben Positionsnummern nummeriert wie in 3.
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Wie aus 4(a) ersichtlich, werden in einem Bottom-Emittier typischerweise mehr als 85% des emittierten Lichts, das auf die reflektierende Kathode fällt, nach unten reflektiert. Typischerweise werden etwa 2% von der PEDT/ITO-Grenzfläche zurückreflektiert und typischerweise werden etwa 2% von der ITO/Glas-Grenzfläche zurückreflektiert.
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Wie aus 4(b) ersichtlich, werden in einem Top-Emittier typischerweise mehr als 90% des emittierten Licht, das auf die reflektierende Anodenschicht fällt, nach oben reflektiert. Typischerweise werden etwa 2% von der ITO/PEDT-Grenzfläche ebenfalls nach oben reflektiert. 0 bis 85% des Lichts werden jedoch von der Ba/Puffer-Grenzfläche in der Kathodenstruktur reflektiert und typischerweise 11% werden von der ITO/Luft-Grenzfläche auf der Oberseite der Vorrichtung reflektiert.
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Weitere Verluste in Top-Emitter-Strukturen entstehen aufgrund der Tatsache, dass der Unterschied zwischen den Brechungsindices an der ITO/Luft-Grenzfläche größer ist als der an der Grenzfläche zwischen ITO und der Elektroneninjektionselektrode. Darüber hinaus führt die reflektierende Anodenschicht zur Bildung von Resonanzmodi einer größeren Intensität als bei Bottom-Emittern.
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Die optische Extraktion in einer organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung ist ein entscheidendes Element zur Verbesserung des Wirkungsgrades und der Bildqualität eines Displays. Zwar kann der interne Wirkungsgrad einer organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung durch die Entwicklung neuer Emittermaterialien verbessert werden, doch unter Umständen geht ein erheblicher Anteil des in der Emissionsschicht erzeugten Lichts durch die schlechte optische Extraktion verloren.
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Eine Möglichkeit, die aus einer organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung austretende Lichtmenge zu erhöhen, ist der Einbau eines oder mehrerer optischer Streuungselemente in die Struktur der Vorrichtung, um die interne Reflexion des Lichts in der Vorrichtung zu beheben bzw. erheblich zu reduzieren und so den externen Wirkungsgrad der Vorrichtung zu verbessern.
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Techniken wie das Hinzufügen von Lichtstreuungselementen oder Mikrolinsen-Arrays in organischen elektrolumineszierenden Vorrichtungen werden im Stand der Technik bereits zur Verbesserung der Lichtextraktion eingesetzt.
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Die
US 5,955,837 offenbart eine organische elektrolumineszierende Vorrichtung mit einer Lichtstreuungsschicht aus einer Schicht anorganischer Partikel, z. B. einer Monoschicht aus TiO
2-Partikeln.
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Die
US 2007/0108900 offenbart eine organische elektrolumineszierende Vorrichtung mit einer Lichtstreuungsschicht, die aus einer aufgerauten Glasoberfläche, einer Schicht aus lichtdurchlässigen Partikeln, einem Polymerfilm mit einer Dispersion anorganischer Partikel oder einem Copolymerfilm mit mehreren Phasen ausgewählt ist.
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Die
US 7,276,848 offenbart eine organische elektrolumineszierende Vorrichtung mit einer Lichtstreuungsschicht, die aus einer aufgerauten Glasoberfläche, einer Schicht aus anorganischen Partikeln und einem Polymerfilm mit einer Dispersion anorganischer Partikel ausgewählt ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine organische elektrolumineszierende Vorrichtung bereitzustellen, die eine zu den zuvor beschriebenen Schichten alternative Lichtstreuungsschicht umfasst. Es ist ein Ziel bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, eine organische elektrolumineszierende Vorrichtung mit einem Lichtstreuungsmaterial bereitzustellen, das leicht herzustellen und unter Anwendung von Abscheidungstechniken, die bereits bei der Herstellung organischer elektrolumineszierender Vorrichtungen eingesetzt werden, problemlos zu einer Schicht einer organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung verarbeitet werden kann, ohne dass andere Schichten der organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung beschädigt werden. Es ist ein weiteres Ziel bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, eine organische elektrolumineszierende Vorrichtung mit einer Lichtstreuungsschicht bereitzustellen, deren Streuungseigenschaften leicht ausgewählt und sogar in-situ je nach der für eine bestimmte Struktur oder einen bestimmten Anwendungszweck der Vorrichtung gewünschten Streuungsmenge angepasst werden können.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine organische elektrolumineszierende Vorrichtung bereitgestellt, die eine Lichtstreuungsschicht aus einem in einem Polymer dispergierten Flüssigkristall (PDLC) umfasst.
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PDLCs sind bekannt. Sie umfassen eine Polymermatrix mit einer darin befindlichen Dispersion aus Flüssigkristalltröpfchen. Im Stand der Technik werden PDLCs als Lichtverschlüsse verwendet, indem sie zwischen zwei Elektroden angeordnet eine Zelle bilden. Wird an die Zelle keine Spannung angelegt, sind die Flüssigkristallmoleküle in den Tröpfchen nicht einheitlich ausgerichtet und das auf die Zelle treffende Licht wird entsprechend dem Brechungsindex der Polymermatrix und dem Brechungsindex des nicht ausgerichteten Flüssigkeitskristalls, der sich von dem der Polymermatrix unterscheidet, beeinträchtigt. Das Licht wird aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindices der zufällig ausgerichteten Flüssigkristalle und der Polymermatrix an der Grenzfläche zwischen den Tröpfchen und der Polymermatrix gestreut. Die Zelle erscheint in diesem Zustand lichtundurchlässig bzw. trüb. Wird an die Zelle eine Spannung angelegt, sind die Flüssigkristallmoleküle in den einzelnen Tröpfchen entsprechend dem angelegten Feld ausgerichtet. Der Brechungsindex der Flüssigkristallmoleküle in Richtung des angelegten Feldes wird durch die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle verändert. Die Polymermatrix- und Flüssigkristallmaterialien werden so ausgesucht, dass im ausgerichteten Zustand der Brechungsindex des Flüssigkristalls in Ausrichtungsrichtung gleich dem Brechungsindex der Polymermatrix ist. Somit wird das auf den PDLC in Ausrichtungsrichtung fallende Licht nicht gestreut und die Zelle erscheint lichtdurchlässig bzw. im Wesentlichen lichtdurchlässig. Somit können diese PDLCs als Sichtschutzfenster dienen, das zwischen einem lichtdurchlässigen und einem lichtundurchlässigen Zustand umgeschaltet werden kann. Wird eine adressierbare Anordnung solcher Zellen mit einer Hintergrundbeleuchtung versehen, lässt sich eine Display-Vorrichtung ähnlich wie ein herkömmliches Flüssigkristall-Display herstellen. Die umschaltbare Lichtstreuungseigenschaft der PDLCs zur Verwendung als Lichtverschluss wird z. B. in
Montgomery et. al., "Light scattering from polymer-dispersed liquid crystal films: Droplet size effects", J. Chem. Phys. 69 (3), 1991 und
West et. al., "Haze-free polymer dispersed liquid crystals utilizing linear polarizers", Appl. Phys. Lett. 61 (17), 1992 diskutiert.
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Es ist außerdem aus der
JP 2006/276089 bekannt, eine PDLC-Lichtverschlusszelle in eine organische elektrolumineszierende Display-Vorrichtung zu integrieren. Dieses Dokument bezieht sich auf das Problem, dass während des Betriebs Umgebungslicht von den nicht emittierenden Pixeln des Displays zurückreflektiert wird. Zur Lösung dieses Problems werden angrenzend an die Anordnung Licht emittierender Pixel adressierbare PDLC-Zellen bereitgestellt, so dass das Licht je nach Bedarf blockiert oder weitergeleitet werden kann. Ein Nachteil dieser Anordnung ist jedoch, dass für einen von den organischen elektrolumineszierenden Pixeln unabhängigen Antrieb der PDLC-Zellen weitere Elektroden und Antriebsstromkreise in die Vorrichtung integriert werden müssen, was die Struktur der Vorrichtung verkompliziert.
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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Anwendungszwecken eines PDLC insofern, dass die vorliegende Anmeldung kein Umschalten des PDLC zwischen ausgerichteten und nicht ausgerichteten Zuständen erfordert. Das PDLC soll zur Lichtstreuung vielmehr in mehr oder weniger demselben Zustand verbleiben, um die interne Reflexion und/oder Hohlraumeffekte und damit die Lichtleistung der Vorrichtung zu reduzieren.
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Angesichts der oben genannten Fakten wird entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine organische elektrolumineszierende Vorrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: ein Substrat, eine erste Elektrode auf dem Substrat zur Injektion von Ladung einer ersten Polarität, eine zweite Elektrode über der ersten Elektrode zur Injektion von Ladung einer zweiten, der ersten Polarität entgegen gesetzten Polarität, eine organische elektrolumineszierende Schicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und eine Schicht aus in einem Polymer dispergierten Flüssigkristallen (PDLC), wobei die PDLC-Schicht keine eine umschaltbare PDLC-Zelle bildenden eigenen Elektroden und Antriebsstromkreise aufweist.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass eine PDLC-Schicht als Lichtstreuungsschicht zur Erhöhung der Lichtleistung einer organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung in ähnlicher Weise auch bei einem eine Dispersion anorganischer Partikel enthaltenden Polymerfilm, wie er in den im Abschnitt Hintergrund diskutierten Anordnungen aus dem Stand der Technik offenbart wird, angewandt werden kann. PDLC-Schichten lassen sich leicht herstellen und unter Anwendung von Abscheidungstechniken, die bereits bei der Herstellung organischer elektrolumineszierender Vorrichtungen eingesetzt werden, problemlos zu einer Schicht einer organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung verarbeiten, ohne dass andere Schichten der organischen elektrolumineszierenden Vorrichtung beschädigt werden. Weiterhin lassen sich die Lichtstreuungseigenschaften einer PDLC-Schicht leicht auswählen und sogar in-situ je nach der für eine bestimmte Struktur oder einen bestimmten Anwendungszweck der Vorrichtung gewünschten Streuungsmenge anpassen.
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Die PDLC-Schicht kann so hergestellt werden, dass sie für das von der organischen elektrolumineszierenden Schicht emittierte Licht durchlässig bzw. im Wesentlichen durchlässig ist. Die PDLC-Schicht entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lässt sich so konstruieren, dass sichergestellt ist, dass die Streuungsmenge ausreicht, um die interne Reflexion und Hohlraumeffekte zu reduzieren, gleichzeitig aber nicht so hoch ist, dass sie die Schicht lichtundurchlässig oder trüb macht.
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Es gibt mehrere Möglichkeiten sicherzustellen, dass die Streuungsmenge ausreicht, um die interne Reflexion und Hohlraumeffekte zu reduzieren, gleichzeitig aber nicht so hoch ist, dass sie die Schicht lichtundurchlässig oder trüb macht. Der Grund hierfür ist, dass die Menge des durch den PDLC gestreuten Lichts von einer Reihe verschiedener Parameter abhängt, die so angepasst werden können, dass der gewünschte Effekt erzielt wird. Zu diesen Parametern gehören: der Grad der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in dem PDLC, die Dicke der PDLC-Schicht, die Größe der Flüssigkristalltröpfchen in dem PDLC, der Volumenanteil der Flüssigkristalltröpfchen in der Polymermatrix sowie der mittlere Unterschied zwischen den Brechungsindices der Flüssigkristalltröpfchen und der Polymermatrix bei einem bestimmten Ausrichtungsgrad.
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Dementsprechend bestehen mindestens folgende Möglichkeiten und Kombinationen davon, den gewünschten funktionellen Effekt zu erzielen, nämlich das von der organischen elektrolumineszierenden Schicht emittierte Licht in ausreichenden Mengen zu streuen, um die interne Reflexion und Hohlraumeffekte zu reduzieren, gleichzeitig das Licht aber nicht so stark zu streuen, dass die Schicht lichtundurchlässig oder trüb wird.
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1. Anpassen der Dicke der PDLC-Schicht
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Die PDLC-Schicht kann so dünn hergestellt werden, dass sie für das von der organischen elektrolumineszierenden Schicht emittierte Licht durchlässig bzw. im Wesentlichen durchlässig ist. Die PDLC-Schicht ist vorzugsweise dünner als 10 μm, noch bevorzugter dünner als 6 μm, noch bevorzugter dünner als 3 μm und am bevorzugtesten dünner als 2 μm. Wird die Schicht in Relation zu der Wellenlänge des von der organischen elektrolumineszierenden Schicht emittierten Lichts zu dünn, wird das Licht nicht oder nur wenig gestreut. Ist eine effiziente Lichtstreuung über das gesamte sichtbare Spektrum (z. B. rot, grün und blau emittierende Pixel) erforderlich, besitzt die PDLC-Schicht vorzugsweise eine Dicke von 0,7 μm oder mehr, noch bevorzugter 1 μm oder mehr (z. B. im Bereich von 1 bis 2 μm). Da jedoch in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine effiziente Lichtstreuung über das gesamte sichtbare Spektrum nicht notwendigerweise erforderlich ist, kann eine dünnere PDLC-Schicht bereitgestellt werden, die z. B. weniger als 1 μm, weniger als 0,7 μm und sogar nur etwa 0,5 μm dick ist. Solche ultradünnen PDLC-Schichten streuen rotes und grünes Licht nicht effizient. Sie streuen jedoch blaues Licht. Dies ist für organische elektrolumineszierende Vorrichtungen besonders vorteilhaft, da die Lebensdauer blauer organischer elektrolumineszierender Materialien erheblich kürzer ist als die roter und grüner organischer elektrolumineszierender Materialien. Die Lebensdauer blau emittierender Pixel ist somit ein begrenzender Faktor für die Lebensdauer organischer elektrolumineszierender Displays. Wird die Lichtleistung des blauen Lichts in einem organischen elektrolumineszierenden Display mittels einer ultradünnen PDLC-Schicht erhöht, können die blauen Pixel behutsamer angetrieben werden, so dass die Lebensdauer der blauen Pixel und damit die Lebensdauer des Display erhöht wird. Somit ist entsprechend bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine ultradünne PDLC-Schicht in eine organische elektrolumineszierende Vorrichtung integriert, um die Lebensdauer blau emittierender Pixel darin zu verlängern.
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2. Anpassen der Größe der Flüssigkristalltröpfchen in der PDLC-Schicht
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Die Tröpfchengröße kann so klein gemacht werden, dass die PDLC-Schicht für das von der organischen elektrolumineszierenden Schicht emittierte Licht durchlässig bzw. im Wesentlichen durchlässig ist. Die Größe der Flüssigkristalltröpfchen innerhalb einer PDLC-Schicht variiert. Die Größenverteilung der Tröpfchen hängt vom Herstellungsprozess ab. Vorzugsweise weisen mindestens 50%, noch bevorzugter mindestens 70% und noch bevorzugter mindestens 90% der Tröpfchen einen Durchmesser von 2 μm oder weniger auf. Wie zuvor im Zusammenhang mit der Schichtdicke diskutiert, wird das Licht nicht oder nur wenig gestreut, wenn der Durchmesser der Tröpfchen in Relation zu der Wellenlänge des von der organischen elektrolumineszierenden Schicht emittierten Lichts zu klein wird. Ist eine effiziente Lichtstreuung über das gesamte sichtbare Spektrum (z. B. für rot, grün und blau emittierende Pixel) erforderlich, beträgt der Tröpfchendurchmesser vorzugsweise 0,7 μm oder mehr (z. B. mindestens 50%, 70% bzw. 90% der Tröpfchen im Bereich von 1 bis 2 μm). Da jedoch, wie zuvor im Zusammenhang mit der Schichtdicke diskutiert, in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine effiziente Lichtstreuung über das gesamte sichtbare Spektrum nicht notwendigerweise erforderlich ist, kann eine PDLC-Schicht mit kleineren Flüssigkristalltröpfchen bereitgestellt werden, wobei 50%, 70% bzw. 90% der Tröpfchen einen Durchmesser von z. B. weniger als 1 μm, weniger als 0,7 μm und sogar nur etwa 0,5 μm aufweisen. Eine PDLC-Schicht aus solch ultrakleinen Tröpfchen streut rotes und grünes Licht nicht effizient. Sie streut jedoch blaues Licht und kann der Verlängerung der Lebensdauer blau emittierender Pixel dienen.
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In einer Anordnung können Schichtdicke und Tröpfchengröße so ausgewählt werden, dass eine PDLC-Schicht aus einer Monoschicht von Tröpfchen entsteht. Die PDLC-Schicht kann sogar so abgeschieden werden, dass nicht kugelförmige Tröpfchen entstehen, z. B. durch Verdichten, wobei oval geformte Tröpfchen entstehen, die breiter sind als hoch. Diese Anordnung kann zu einer dünneren PDLC-Schicht führen. In diesem Fall sollten die zuvor diskutierten Bandbreiten für den Durchmesser der Tröpfchen auf die Breite der Tröpfchen in der Vorrichtungsebene angewandt werden.
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3. Anpassen des Volumenanteils der Flüssigkristalltröpfchen in der PDLC-Schicht
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Der Volumenanteil sollte so klein sein, dass die PDLC-Schicht für das von der organischen elektrolumineszierenden Schicht emittierte Licht durchlässig bzw. im Wesentlichen durchlässig ist. Eine Reduktion des Volumenanteils der Flüssigkristalltröpfchen führt im Allgemeinen zu einer Verringerung der Lichtstreuungsmenge. Der Volumenanteil kann so ausgewählt werden, dass eine ausreichende Streuung sichergestellt ist, um die interne Reflexion und/oder Hohlraumeffekte zu reduzieren, das Licht aber nicht so stark gestreut wird, dass die Schicht lichtundurchlässig oder trüb wird. Typische Werte für den Volumenanteil von Flüssigkristalltröpfchen im PDLC liegen im Bereich von 5 bis 50%.
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4. Anpassen der unterschiedlichen Brechungsindices von Flüssigkristall- und Polymermatrixmaterialien
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Je größer der Unterschied zwischen den Brechungsindices der Flüssigkristall- und Polymermatrixmaterialien ist, umso stärker ist die Lichtstreuung. Die Materialien können so ausgewählt werden, dass der Unterschied zwischen den Brechungsindices so groß ist, dass eine ausreichende Streuung sichergestellt ist, um die interne Reflexion und/oder Hohlraumeffekte zu reduzieren, das Licht aber nicht so stark gestreut wird, dass die Schicht lichtundurchlässig oder trüb wird. Typischerweise ist der Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials im ausgerichteten Zustand bei Lichtverschlussanwendungszwecken gleich oder im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex des Polymermatrixmaterials in Ausrichtungsrichtung, wohingegen sich der Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials im nicht ausgerichteten Zustand erheblich von dem Brechungsindex der Polymermatrix unterscheidet. Da sich die vorliegende Erfindung auf die Lichtstreuung bezieht, ist dieses recht strenge Erfordernis keine Notwendigkeit. Der Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials im ausgerichteten Zustand kann sich von dem Brechungsindex des Polymermatrixmaterials unterscheiden; es kann z. B. ein Unterschied zwischen den Brechungsindices von > 0,1 bzw. > 0,2 bei 20° bestehen. In ähnlicher Weise muss der Unterschied zwischen den Brechungsindices des Flüssigkristallmaterials im nicht ausgerichteten Zustand und der Polymermatrix entsprechend bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht so groß sein wie bei Lichtverschlussanordnungen, z. B. < 0,2 bzw. < 0,1 bei 20°C (auch wenn der Unterschied zwischen den Brechungsindices bei dünneren Filmen größer sein sollte). Hierdurch wird die Bandbreite der erfindungsgemäß einsetzbaren Flüssigkristallmaterialien erhöht.
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Da die Flüssigkristallmoleküle in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht zwischen ausgerichteten und nicht ausgerichteten Zuständen umschaltbar sein müssen, kann die Viskosität des Flüssigkristallmaterials höher sein als bei Lichtverschlussanordnungen, die für die Umschaltbarkeit eine relativ geringe Viskosität benötigen. Auch hierdurch wird die Bandbreite der erfindungsgemäß einsetzbaren Flüssigkristallmaterialien erhöht. Je nach Herstellungsverfahren muss die Viskosität des Flüssigkristallmaterials unter Umständen so gering sein, dass eine Phasentrennung des Flüssigkristallmaterials von dem Polymermatrixmaterial möglich ist, damit Tröpfchen einer geeigneten Größe entstehen. Typischerweise liegt die Viskosität des Flüssigkristalls im Bereich von 60 bis 90 cP bei 20°C.
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Angesichts dessen, dass die Flüssigkristallmoleküle in der fertigen Vorrichtung nicht umschaltbar sein müssen, kann der Flüssigkristall entsprechend einer Möglichkeit bei 20°C sogar fest sein. Der PDLC kann bei höheren Temperaturen erzeugt werden, bei denen der Flüssigkristall eine separate Phase bilden und Tröpfchen einer geeigneten Größe erzeugen kann; nach dem Abkühlen ist die Anordnung der Flüssigkristallmoleküle in dem PDLC unter normalen Betriebsbedingungen der Vorrichtung eingefroren. in einer Ausführungsform kann die PDLC-Schicht zur Verflüssigung der Tröpfchen erwärmt, mit einer Elektrode zur Ausrichtung der Tröpfchen versehen und anschließend abgekühlt werden, um die aktuelle Ausrichtung einzufrieren. Die Elektrode wird vor oder nach dem Abkühlen der Schicht entfernt.
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Vorzugsweise ist die organische elektrolumineszierende Vorrichtung ein Top-Emitter (lichtdurchlässige Kathode) mit einer PDLC-Schicht auf der lichtdurchlässigen Kathode. Wie in 4(a) und 4(b) dargestellt, hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass der Lichtverlust infolge interner Reflexion und verlustreicher Hohlraummodi in Top-Emittern größer ist als in Bottom-Emittern.
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Vorzugsweise ist die erste Elektrode eine Anode und die zweite Elektrode eine Kathode. Die Kathode kann eine Schicht aus einem Elektroneninjektionsmaterial, z. B. einem Metall (z. B. Barium) oder einer Metallverbindung (z. B. Lithiumfluorid) einer geringen Austrittsarbeit (weniger als 3,5 eV, vorzugsweise weniger als 3 eV) mit einer darauf befindlichen Metalldeckschicht, z. B. einem Metall einer hohen Austrittsarbeit (> 3,5 eV, vorzugsweise > 4 eV) wie Aluminium umfassen. Die Schicht aus dem Elektroneninjektionsmaterial ist vorzugsweise dünner als 10 nm und noch bevorzugter etwa 5 nm dick. Eine solche Kathode ist typischerweise reflektierend, die Kathode kann aber auch lichtdurchlässig sein, wenn die Elektroneninjektionsschicht und die Deckschicht beide ausreichend dünn sind, z. B. im Bereich von 5 bis 10 nm. Eine andere Kathode besteht aus einer Bariumschicht mit einer darauf befindlichen Silberschicht. Diese Schichten sind vorzugsweise jeweils dünner als 10 nm und noch bevorzugter jeweils etwa 5 nm dick. Diese Kathode ist lichtdurchlässiger als die zuvor genannte Barium/Aluminium-Anordnung. Eine weitere lichtdurchlässige Kathodenstruktur umfasst eine Elektroneninjektionsschicht und eine Deckschicht aus einem lichtdurchlässigen leitenden Oxid, insbesondere Indiumzinnoxid (ITO). In diesem Fall wird vorzugsweise eine Sputterbarriereschicht zwischen der ITO-Schicht und den darunter liegenden Schichten der Vorrichtung bereitgestellt, um Sputterschäden der darunter liegenden Schichten zu verhindern. Eine geeignete Sputterbarriere sollte auch eine effiziente Elektroneninjektion erlauben und kann eine anorganische Schicht, z. B. ein Metallselenid oder -sulphid (z. B. ZnS oder ZnSe) oder eine organische Schicht, insbesondere eine dotierte Schicht wie z. B. eine mit einem Metall dotierte Fullerenschicht sein. Zwischen der/den organischen Schicht(en) der Vorrichtung und der Sputterbarriereschicht kann sich eine dünne, lichtdurchlässige Elektroneninjektionsschicht wie z. B. eine Schicht aus einem Metall einer geringen Austrittsarbeit (z. B. einem Erdalkalimetall) oder einem Metalloxid oder Metallfluorid befinden.
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Die PDLC-Streuungsschicht kann je nach Emissionsfarbe der organischen elektrolumineszierenden Schicht angepasst werden. In einem Vollfarben-Display können auf Wunsch verschiedene PDLC-Strukturen für Pixel unterschiedlicher Farbe bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise werden die organische elektrolumineszierende Schicht und/oder die PDLC-Schicht aus einer Lösung abgeschieden, z. B. mittels Tintenstrahldrucken oder Schleuderbeschichten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anschließend erfolgt die Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausschließlich anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
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1 eine bekannte Struktur eines organischen elektrolumineszierenden Bottom-Emitters darstellt;
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2 eine bekannte Struktur eines organischen elektrolumineszierenden Top-Emitters darstellt;
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die 3(a) und 3(b) weitere bekannte Strukturen organischer elektrolumineszierender Bottom-Emitter bzw. organischer elektrolumineszierender Top-Emitter darstellen;
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die 4(a) und 4(b) darstellen, wie emittiertes Licht innerhalb der in 3(a) bzw. 3(b) dargestellten Vorrichtungen intern reflektiert wird;
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5 einen organischen elektrolumineszierenden Top-Emitter mit einer PDLC-Lichtstreuungsschicht entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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die 6(a) und 6(b) darstellen, wie Licht in zwei unterschiedlichen PDLC-Lichtstreuungsschichten entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gestreut wird.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
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5 stellt einen organischen elektrolumineszierenden Top-Emitter mit einer PDLC-Lichtstreuungsschicht entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Struktur des Top-Emitters ähnelt der in den 3(b) und 4(b) dargestellten, und für entsprechende Schichten wurden gleiche Positionsnummern verwendet. Die Strukturen der Vorrichtung umfassen: ein Substrat 26 (z. B. Glas), eine reflektierende Schicht 28 (z. B. Al oder eine Ag-Legierung), eine Lochinjektionsschicht 30 (z. B. ITO), eine Lochinjektionsschicht 32 (z. B. PEDT), eine Lochtransportschicht 34 (z. B. aus einem triarylaminhaltigen Polymer), eine Emissionsschicht 36 (z. B. aus einem elektrolumineszierenden Polymer) und eine lichtdurchlässige Kathodenstruktur aus einer Elektroneninjektionsschicht mit einer niedrigen Austrittsarbeit 38 (z. B. Barium), einer Pufferschicht 40 und einer lichtdurchlässigen leitenden Schicht 42 (z. B. ITO).
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In der Anordnung von 5 befindet sich auf der lichtdurchlässigen leitenden Schicht 42 eine PDLC-Lichtstreuungsschicht 44.
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Die 6(a) und 6(b) stellen dar, wie Licht in zwei unterschiedlichen PDLC-Lichtstreuungsschichten entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gestreut wird.
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In der Anordnung von 6(a) wurde der PDLC in einen vollständig ausgerichteten Zustand gebracht. In diesem Fall können die Polymermatrix 46 und das Flüssigkristallmaterial 48 so ausgewählt werden, dass der Brechungsindex des Flüssigkristalls 48 in Ausrichtungsrichtung gleich dem Brechungsindex der Polymermatrix 46 ist, so dass das in Ausrichtungsrichtung emittierte Licht nicht gestreut wird, wohingegen das in andere Winkelrichtungen emittierte Licht gestreut wird. Wie zuvor beschrieben wird das Licht von der elektrolumineszierenden Schicht über einen Winkelbereich in Relation zur Vorrichtungsebene emittiert. Licht, dass in einem flachen Winkel auf eine Grenzfläche in der Vorrichtung trifft, kann intern reflektiert werden. Dieses Licht wird jedoch auch dann durch den PDLC gestreut, wenn der PDLC zur Gänze in einer senkrecht zur Ebene der Vorrichtung verlaufenden Richtung ausgerichtet ist, so dass die interne Reflexion und/oder Hohlraumeffekte verringert werden.
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Alternativ kann der PDLC, wie in 6(b) dargestellt, in nicht ausgerichtetem Zustand vorliegen, wobei das Flüssigkristallmaterial 48 in den einzelnen Tröpfchen in verschiedene Richtungen in der Polymermatrix 46 ausgerichtet ist. In dieser Anordnung wird das von der organischen elektrolumineszierenden Schicht in alle Winkelrichtungen emittierte Licht gestreut.
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Um die beschriebenen Lichtstreuungseigenschaften zu erzielen, ist es wichtig, dass das Gemisch aus dem Polymer und dem Flüssigkristall dergestalt ist, dass der Flüssigkristall gezwungen ist, eine von dem Polymer separate Phase zu bilden, so dass Tröpfchen entstehen. Dies kann z. B. durch Verwendung eines anfänglich mit dem Flüssigkristall homogenisierten Vorstufenpolymers erreicht werden. Anschließend trennt sich die Flüssigkristallphase während einer Umwandlungs- bzw. Trocknungsphase des Polymers ab und es entstehen in dem Polymer dispergierte diskrete Flüssigkristalltröpfchen. Diese Technik ist als polymerisationsinduzierte Phasentrennung (PIPS) bekannt. Der Polymerisationsprozess kann durch Wärme (z. B. ein Epoxidharz/Härter) oder durch UV-Licht (z. B. ein Acrylat) eingeleitet werden. Zur Bildung einer vernetzten Matrix bei Umgebungstemperaturen kann eine Polymermatrix vom UV-vernetzbaren Typ verwendet werden.
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Als spezielles Beispiel werden verbreitet Polymere wie optische Klebstoffe von Norland als Polymermatrix eingesetzt. Diese besitzen typischerweise eine Viskosität von einigen hundert Centipoise und werden durch UV-Strahlung vernetzt. Als Alternative zu hochviskosen optischen Klebstoffen können vernetzbare Polymere wie SU-8 verwendet werden, so dass eine Schleuderbeschichtung möglich ist.
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Verfahren zu Abscheidung flüssiger Phasen zur Bildung der PDLC-Lichtstreuungsschicht werden bevorzugt, da sie mit Verfahren zur Abscheidung flüssiger Phasen, wie sie bei organischen elektrolumineszierenden Vorrichtungen, insbesondere Polymer-Leuchtdioden eingesetzt werden, kompatibel sind. Die
US 6866887 beschreibt z. B. die Bildung eines PDLC-Films mittels Schleuderbeschichten mit einer gesteuerten Verdampfungsgeschwindigkeit zur Erzielung einer Phasentrennung. Darüber hinaus wurde auch das Tintenstrahldrucken von PDLC-Mischungen von Heilmann (
http://www.vtt.fi/liitetiedostot/cluster5_metsa_kemia_ymparisto/IST%20NIP%202005%20Heilmann.pdf) beschrieben. Hier wird der optische Klebstoff 65 von Norland mittels Tintenstrahldrucken aus einer Tinte auf Anisolbasis aufgebracht. Es wurden die Flüssigkristalle E7 und E8 von Merck verwendet.
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Es existiert eine breite Auswahl im Handel erhältlicher Flüssigkristallmoleküle und -mischungen. Eine Reihe organischer Kristallmaterialien kann vorteilhaft sein, vorausgesetzt die Dispersion der organischen Kristalle entspricht vom Umfang her der der Flüssigkristalldomänen. Die Musterbildung auf einer PDLC-Schicht ist mit Hilfe von Techniken wie Ätzen, photolithographischer Musterbildung und Tintenstrahldrucken möglich.
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Zwar wurde die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben, der Fachmann weiß jedoch, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail darin vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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ORGANISCHE ELEKTROLUMINESZIERENDE VORRICHTUNG
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Organische elektrolumineszierende Vorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Substrat, eine erste Elektrode auf dem Substrat zur Injektion von Ladung einer ersten Polarität, eine zweite Elektrode über der ersten Elektrode zur Injektion von Ladung einer zweiten, der ersten Polarität entgegen gesetzten Polarität, eine organische elektrolumineszierende Schicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und eine Schicht aus in einem Polymer dispergierten Flüssigkristallen (PDLC), wobei die PDLC-Schicht keine eine umschaltbare PDLC-Zelle bildenden eigenen Elektroden und Antriebsstromkreise aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 13148 [0002]
- US 4539507 [0002]
- WO 2008/029103 [0006]
- US 7276848 [0009, 0019]
- US 5955837 [0017]
- US 2007/0108900 [0018]
- JP 2006/276089 [0023]
- US 6866887 [0055]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Montgomery et. al., ”Light scattering from polymer-dispersed liquid crystal films: Droplet size effects”, J. Chem. Phys. 69 (3), 1991 [0022]
- West et. al., ”Haze-free polymer dispersed liquid crystals utilizing linear polarizers”, Appl. Phys. Lett. 61 (17), 1992 [0022]
- http://www.vtt.fi/liitetiedostot/cluster5_metsa_kemia_ymparisto/IST%20NIP%202005%20Heilmann.pdf [0055]
