DE19502541A1

DE19502541A1 - Elektrolumineszierendes System

Info

Publication number: DE19502541A1
Application number: DE19502541A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Hueppauff; Dieter Prof Dr Fenske; Guenter Prof Dr Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-01-27
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 1996-08-08
Also published as: EP0753035A1; WO1996023044A1; JPH09511094A; US5767622A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektroiumineszierendes System mit einer unter Anlegen einer elektrischen Spannung lichtemittierenden Substanz.

Stand der Technik

Elektrolumineszierende Systeme sind bekannt. In die sen werden entweder anorganische oder organische Substanzen verwendet, die mittels einer elektrischen Spannung zum Aussenden von Lichtstrahlen anregbar sind. Als anorganische Substanzen werden beispiels weise einkristalline III-V- oder II-IV-Halbleiter und pulverförmige ZnS-Verbindungen eingesetzt, die unter schiedlich dotiert sein können. Bei diesen elektro lumineszierenden anorganischen Systemen ist nachtei lig, daß als Betriebsspannung hohe Wechselspannungen zur Verfügung stehen müssen. Sollen diese elektro lumineszierenden anorganischen Systeme beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Beleuchtung von Anzeige instrumenten eingesetzt werden, muß die im Kraft fahrzeug als Gleichspannung vorhandene Batterieladung entsprechend gewandelt werden. Diese Spannungswand lung ist einerseits sehr aufwendig und erfordert darüber hinaus durch das Betreiben mit hohen Wechsel spannungen einen zusätzlichen elektromagnetischen Verträglichkeitsschutz für weitere elektronische Systeme des Kraftfahrzeuges.

Weiterhin ist es bekannt, elektrolumineszierende or ganische Substanzen, beispielsweise Polymere, Farb stoffe, mit Molekülen dotierte Polymere und Polymer blends einzusetzen. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß die organischen Substanzen eine unzureichende Langzeitstabilität, insbesondere eine thermische und/oder chemische Stabilität, aufweisen. Somit ist ein Einsatz von elektrolumineszierenden Systemen mit organischen Substanzen in der praktischen Anwendung, beispielsweise bei der Beleuchtung von Anzeigeinstru menten in Kraftfahrzeugen, nicht möglich.

Vorteile der Erfindung

Das elektrolumineszierende System mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vor teil, daß in einfacher Weise ein kostengünstig her stellbares und vielseitig einsetzbares elektrolumi neszierendes System erzielbar ist. Dadurch, daß die lichtemittierende Substanz von anorganischen Parti keln gebildet wird, die über organische Abstandshal ter miteinander verbunden sind, ist es vorteilhaft möglich, eine lichtemittierende Substanz zu erzielen, bei der die gewünschten elektrischen, elektronischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften gezielt er reichbar sind. Durch die über die organischen Ab standshalter miteinander verbundenen anorganischen Partikel wird ein binäres System geschaffen, bei dem die anorganischen Partikel die Elektronenleitfähig keit der lichtemittierenden Substanz übernehmen, wäh rend die organischen Abstandshalter die mechanische Stabilisierung der lichtemittierenden Substanz und die Erzeugung der Lichtstrahlung übernehmen. Hier durch werden idealerweise die Eigenschaften der anor ganischen Partikel mit denen der organischen Ab standshalter miteinander kombiniert, so daß durch eine Optimierung sowohl der anorganischen Partikel als auch der organischen Abstandshalter auf ihren speziellen Einsatzzweck lichtemittierende Substanzen erzielbar sind, die eine hohe thermische und/oder chemische Stabilität und eine hohe Quantenausbeute bei der Elektrolumineszenz aufweisen. Durch gezielten Einbau von funktionellen Gruppen in die organischen Abstandshalter kann die Wahrscheinlichkeit für eine strahlende Rekombination von Elektronen und Löchern gezielt beeinflußt werden, so daß eine hohe Licht ausbeute mit der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Substanz erzielbar ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor gesehen, daß die organischen Abstandshalter von einer organischen Umhüllung, vorzugsweise einer organischen Ligandenhülle, gebildet werden. Durch die organische Ligandenhülle wird die Positionierung der anorgani schen Partikel innerhalb der lichtemittierenden Substanz bestimmt, da die Ligandenhüllen unterein ander eine chemische Verbindung eingehen, die die me chanische Stabilität der Substanz und damit die Lage der anorganischen Partikel bestimmt. Durch die Wahl einer Dicke der Ligandenhülle, mit der die anorga nischen Partikel umgeben sind, sind die Abstände der anorganischen Partikel zueinander einstellbar. Durch die Wahl des Abstandes der anorganischen Partikel ist ein sogenanntes Tunneln von Elektronen durch die Li gandenhülle einstellbar. Die Dicke der Ligandenhülle ist vorzugsweise so gewählt, daß die Elektronen leitung durch die lichtemittierende Substanz mittels der anorganischen Partikel gewährleistet wird, wobei die Elektronen durch die Ligandenhülle tunneln. Die Ligandenhülle aus organischen Substanzen besitzt eine hohe Beweglichkeit für Löcher, so daß diese dich in nerhalb der Ligandenhülle bewegen können. Diese sich hieraus ergebende Tunnelleitfähigkeit gewährleistet den Stromfluß durch die anorganischen Partikel, ob wohl diese aufgrund der sie umgebenden organischen Umhüllung beabstandet zueinander angeordnet sind.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die organischen Ligandenhüllen um die anorganischen Partikel mittels organischer Mole külketten miteinander verbunden sind. Hierdurch er gibt sich eine Vernetzung der anorganischen Partikel innerhalb der lichtemittierenden Substanz, wobei der Abstand der anorganischen Partikel untereinander durch eine Anzahl von Atomen der jeweiligen Molekül ketten einstellbar ist. Hierdurch ist sehr vorteil haft durch die Zahl der Atome innerhalb der Mole külketten, das heißt, ob der Abstand zwischen zwei benachbarten anorganischen Partikeln größer oder kleiner ist, die Tunnelleitfähigkeit zwischen den an organischen Partikeln einstellbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein elektrolumineszierendes System in einer ersten Ausführungsvariante;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein elektrolumineszierendes System in einer zweiten Ausführungsvariante und

Fig. 3 Beispiele für verwendete organische Molekülketten.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist ein allgemein mit 10 bezeichnetes elektrolumineszierendes System dargestellt. Die Dar stellung zeigt ausschnittsweise schematisch einen Schnitt durch ein System 10. Das System 10 besitzt eine lichtemittierende Substanz 12, die zwischen einer ersten Elektrode 14 und einer zweiten Elektrode 16 angeordnet ist. Die Elektroden 14 und 16 sind flächenhaft ausgebildet, so daß die sich zwischen den Elektroden 14 und 16 befindlichen lichtemittierenden Substanzen 12 ebenfalls flächig zwischen den Elek troden 14 und 16 ausgebildet ist. Die Elektroden 14 und 16 sind mit einer Spannungsquelle 18 verbunden, die beispielsweise die Batterie eines Kraftfahrzeugs sein kann. Eine erste Elektrode 14 ist hierbei mit Masse und eine zweite Elektrode 16 mit dem Pluspol verbunden. Das aus den Elektroden 14 und 16 und der Substanz 12 bestehende Schichtenaufbau ist auf einem Träger 20 angeordnet.

Die lichtemittierende Substanz 12 besteht aus anorga nischen Partikeln 22, die jeweils mit einer orga nischen Ligandenhülle 24 umgeben sind. Anhand der stark vereinfachten Darstellung wird deutlich, daß jeder der anorganischen Partikel die Ligandenhülle 24 aufweist. Hiermit wird sichergestellt, daß die anor ganischen Partikel 22 sich untereinander nicht direkt berühren können. Die Ligandenhüllen 24 bilden somit einen Abstandshalter 26 zwischen den anorganischen Partikeln 22. Je nach Dicke der Ligandenhülle 24 ist der Abstand zwischen zwei benachbarten anorganischen Partikeln 22 mehr oder weniger groß. Die Ligandenhül len 24 sind in der Regel wenige Atomlagen starke organische Verbindungen.

Die anorganischen Partikel 22 können beispielsweise von elektrisch leitenden Clustern gebildet sein. Die Cluster können sowohl Halbleitercluster (beispiels weise CdTe, CdSe, . . . ) oder Metallcluster (bei spielsweise Gold, Palladium, Platin, Nickel, . . . ) sein. Die Cluster beziehungsweise die anorganischen Partikel liegen mit einer Korngröße im Nanobereich vor. Die organische Ligandenhülle 24 kann beispielsweise aus organischen Verbindungen mit aus gedehnten π-Systemen bestehen. Die einzelnen Ligan denhüllen 24 um die einzelnen anorganischen Partikel 22 gehen untereinander eine chemische Verbindung, beispielsweise durch eine Polymerisation ein. Durch die geringe Korngröße der anorganischen Partikel im Nanobereich besitzt die lichtemittierende Substanz 12 einen hohen Füllgrad (Packungsdichte), so daß eine Vielzahl von chemischen Verbindungen innerhalb der Substanzen 12 zwischen den einzelnen Ligandenhüllen 24 besteht. Hierdurch ist eine große mechanische Stabilität der lichtemittierenden Substanzen 12 gege ben. Die anorganischen Partikel 22 werden somit durch die Ligandenhüllen 24 innerhalb der Substanz 12 sta bilisiert.

Die erste Elektrode 14 besteht aus einem Material mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit. Die Elektrode 14 kann aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, oder einer Metallegierung bestehen, deren Elektronenaus trittsarbeit kleiner als 4,5 eV ist. Die zweite Elektrode 16 besteht aus einem Material mit hoher Elektronenaustrittsarbeit. Die Elektrode 16 kann bei spielsweise aus einem optisch transparenten Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Indium-Zinnoxid ITO bestehen, das eine Elektro nenaustrittsarbeit von größer als 4,5 eV aufweist.

Der Träger 20 besteht aus einem optisch transparenten Substrat. Der Träger 20 ist ebenfalls wie die Elek troden 14 und 16 sowie das Substrat 12 flächenhaft ausgebildet und flexibel.

Das in Fig. 1 gezeigte System 10 übt folgende Funktion aus:
Nach Verbinden der Spannungsquelle 18 mit den Elek troden 14 und 16, beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Schaltelement, fließt zwischen den Elektroden 14 und 16 über die lichtemittierende Substanz 12 ein Strom. Die elektrische Leitfähigkeit der lichtemittierenden Substanz 12 ergibt sich durch die hohe Elektronenleitfähigkeit der anorganischen Partikel 22. Die Ligandenhüllen 24 um die einzelnen anorganischen Partikel 22 bilden eine Potential barriere, die eine sogenannte Tunnel-Leitfähigkeit aufweist. Als Tunnel-Leitfähigkeit wird die Leit fähigkeit von Elektronen beziehungsweise Löchern zwi schen den benachbarten anorganischen Partikeln 22 be zeichnet. Die Tunnel-Leitfähigkeit wird wesentlich durch den von der Dicke der Ligandenhülle 24 vor gegebenen Abstand der anorganischen Partikel 22 be stimmt. Durch das Verbinden des Pluspols der Span nungsquelle 18 wirkt die zweite Elektrode 16 als löcherinjizierende Elektrode für die lichtemittieren de Substanz 12, während die mit Masse verbundene Elektrode 14 als elektroneninjizierende Elektroden geschaltet ist. Da die organische Ligandenhülle 24 eine hohe Beweglichkeit für Löcher aufweist, wird das Tunneln der Elektroden durch die Ligandenhüllen 24 ermöglicht, so daß insgesamt eine Elektronenleitfä higkeit der lichtemittierenden Substanz 12 gegeben ist.

Die organischen Ligandenhüllen 24 weisen hier nicht näher zu betrachtende funktionelle Gruppen auf, die einerseits Haftstellen für die Polymerisation der einzelnen Ligandenhüllen 24 untereinander bilden und andererseits Rekombinationszentren für sogenannte Exitionen bilden. Hierdurch kommt es während der Elektronenleitung durch die lichtemittierende Substanz 12 zu einer strahlenden Rekombination inner halb der Rekombinationszentren, so daß die lichtemit tierende Substanz 12 Licht abstrahlen kann. Diese strahlende Rekombination innerhalb der lichtemittie renden Substanz 12 kann durch die optisch transparen te Elektrode 16 und den optisch transparenten Träger 20 nach außen abgestrahlt werden, so daß das in Fig. 1 dargestellte elektrolumineszente System 10 als Leuchtquelle dienen kann.

Die im Ausführungsbeispiel erwähnte Zusammensetzung der lichtemittierenden Substanz 12 ist lediglich bei spielhaft. Insgesamt ist die Materialwahl der anorga nischen Partikel 12 und der organischen Ligandenhülle 24 darauf abzustimmen, daß eine hohe Elektronenleit fähigkeit in den anorganischen Partikeln 22 und eine hohe Löcherleitfähigkeit in der Ligandenhülle 24 ge geben ist. Andererseits kann auch innerhalb der an organischen Partikel 22 eine hohe Löcherleitfähigkeit und in der organischen Ligandenhülle 24 eine hohe Elektronenleitfähigkeit gegeben sein. Die organische Ligandenhülle 24 besitzt eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine strahlende Rekombination von Elektronen und Löchern, so daß es zu einer hohen Quantenausbeute bei der Elektrolumineszenz des gesamten Systems 10 kommt. Darüber hinaus wird eine mechanische, thermische und chemische Stabilität der lichtemittierenden Substanz 12 durch die Funktionsaufteilung zwischen den anorga nischen Partikeln 22 und den Ligandenhüllen 24 er reicht. Die wechselseitige Beeinflussung der anorga nischen Partikel 22 und der Ligandenhüllen 24 be wirkt, daß die Elektronenleitung der lichtemittieren des Substanz 12 durch die anorganischen Partikel 22 getragen wird, während sich die organischen Liganden hüllen nur unmittelbar vor der Rekombination in einem angeregten Zustand befinden. Hierdurch kommt es zu einer wesentlich erhöhten Langzeitstabilität der or ganischen Ligandenhüllen 24, so daß eine thermische und chemische Stabilität (insbesondere Oxidation) für einen langen Zeitraum gegeben ist.

Das in Fig. 1 gezeigte System 10 eignet sich somit ausgezeichnet als Leuchtquelle. Durch die flächen hafte Herstellung des Systems 10 kann im Prinzip jede beliebige Leuchtquelle aus dem System 10 mittels me chanischer Arbeitsverfahren, beispielsweise Stanzen, Schneiden usw., herausgebildet werden. Durch Wahl der organischen Verbindungen in den Ligandenhüllen kann das Farbspektrum der lichtemittierenden Substanz 12 eingestellt werden.

In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsvariante eines elektrolumineszierenden Systems 10 gezeigt.

Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Zusätzlich zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung der anorganischen Partikel 22 und der Ligandenhülle 24 innerhalb der lichtemittierenden Substanz 12 sind hier zwischen den Ligandenhüllen 24 Molekülketten 28 angeordnet. Die Molekülketten 28 zwischen den ein zelnen Ligandenhüllen 24 bilden somit eine Vernetzung für die anorganischen Partikel 22 innerhalb der lichtemittierenden Substanz 12. Die Molekülketten 28 können beispielsweise, wie in Fig. 3 näher gezeigt, aromatische Diamine (obere Darstellung) oder Tri phenylamindimere (untere Darstellung) sein. Die Mole külketten 28 können hierbei eigenständige funk tionelle Substituenten aufweisen. Eine Länge der Mo lekülketten 28 ist durch eine Anzahl der Atome, die jede der Molekülketten 28 aufweist, einstellbar. So mit kann über die Anzahl der Atome innerhalb der Molekülketten 28 der Abstand der anorganischen Par tikel 22 zueinander eingestellt werden. Über die Variabilität des Abstandes der anorganischen Partikel 22 kann die Tunnel-Leitfähigkeit zwischen den anor ganischen Partikeln 22 beeinflußt werden, indem die Tunnel-Wahrscheinlichkeit der Elektronen durch die Ligandenhülle 24 beeinflußbar ist. Insgesamt kann so mit die lichtemittierende Substanz 12 auf eine mög lichst hohe Lichtausbeute optimiert werden.

Anhand der Ausführungsbeispiele wird deutlich, daß es in einfacher Weise möglich ist, kostengünstig groß flächige elektrolumineszierende Systeme 10 zu schaf fen, die neben einer hohen Lichtausbeute eine große Stabilität und zwar sowohl in mechanischer, thermi scher und chemischer Hinsicht besitzen.

Claims

1. Elektrolumineszierendes System mit einer unter An legen einer elektrischen Spannung lichtemittierenden Substanz, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemit tierende Substanz (12) von anorganischen Partikeln (22) gebildet wird, die über organische Abstands halter (26) miteinander verbunden sind.

2. Elektrolumineszierendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (26) von einer organischen Umhüllung der anorganischen Partikel (22) gebildet werden.

3. Elektrolumineszierendes System nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung von einer organischen Ligandenhülle (24) gebildet wird.

4. Elektrolumineszierendes System nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ligandenhülle (24) funktionelle Gruppen für eine strahlende Rekombination enthält.

5. Elektrolumineszierendes System nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ligandenhülle (24) aus organischen Verbindungen mit einem ausgedehnten π-System besteht.

6. Elektrolumineszierendes System nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Ligandenhüllen (24) Molekülketten (28) angeordnet sind.

7. Elektrolumineszierendes System nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Molekülketten (28) funktionelle, eigenständige Substituenten enthalten.

8. Elektrolumineszierendes System nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Anzahl von Atomen in den Molekülketten (28) ein Abstand der anorganischen Partikel (22) zuein ander einstellbar ist.

9. Elektrolumineszierendes System nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Substanz (12) im wesentlichen flächenhaft zwischen zwei Elektroden (14, 16) ange ordnet ist.

10. Elektrolumineszierendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Elektrode (14) aus einem Material mit niedriger Elektronenaustrittsarbeit, insbesondere kleiner als 4,5 eV, besteht.

11. Elektrolumineszierendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Elektrode (16) aus einem Material mit ho her Elektronenaustrittsarbeit, insbesondere größer als 4,5 eV, besteht.

12. Elektrolumineszierendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (14, 16) aus einem optisch transparenten Material besteht.

13. Elektrolumineszierendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus den Elektroden (14, 16) und der lichtemit tierenden Substanz (12) bestehende Schichtsystem auf einem Träger (20) angeordnet ist.

14. Elektrolumineszierendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) aus einem optisch transparenten Ma terial besteht.

15. Elektrolumineszierendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) flexibel ist.