DE2545784A1

DE2545784A1 - Strahlungsquellen

Info

Publication number: DE2545784A1
Application number: DE19752545784
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: UK Secretary of State for Industry
Current assignee: UK Secretary of State for Industry
Priority date: 1974-10-15
Filing date: 1975-10-13
Publication date: 1976-07-01
Also published as: BE834550A; FR2288399A1; NL7512047A; JPS5164885A; US3995299A; FR2288399B3

Description

Secretary of State for Industry in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, LONDON, Großbritannien

Strahlungsquellen

Die Erfindung bezieht sich auf Strahlungsquellen, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf als Leuchtdioden (LED, light emitting diodes) bekannte Strahlungsquellen.

Leuchtdioden-Lichtquellen werden üblicherweise aus anorganischen Halbleitermaterialien wie Galliumphosphid oder Galliumphosphid-arsenid hergestellt. Derartige Materialien sind jedoch nur in aufwendiger und mit hohen Kosten verbun-

und

dener Weise zu synthetisieren /müssen üblicherweise in einkristalliner Form sowie in hoher Reinheit vorliegen. Experimentelle Leuchtdioden wurden ferner auch mit organischen kristallinen Materialien wie beispielsweise AnthraCen hergestellt, die jedoch ebenfalls zu teuer sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsquelle anzugeben, die die Nachteile der bisherigen Strahlungsquellen nicht aufweist und auf einem neuen Prinzip beruht.

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Die Aufgabe wird durch eine Strahlungsquelle gelöst, die eine Leuchtdiode darstellt oder auf einer Leuchtdiode ähnlichen physikalischen Prinzipien beruht und unter erheblich niedrigerem Kostenaufwand als konventionelle Leuchtdioden hergestellt werden kann, wobei die Farbe des emittierten Lichts innerhalb eines beträchtlichen Bereichs frei gewählt und vorbestimmt werden kann; dabei sind einige Farben zugänglich, die - wenn überhaupt - mit herkömmlichen Balbleiter-Leuchtdioden nicht leicht erzielt werden können.

Der Ausdruck "lumineszierend' umfaßt im hier verwendeten Sinne sowohl 'fluoreszierend' als auch 'phosphoreszinierend'.

Die Erfindung gibt im allgemeineren Sinne eine Strahlungsquelle an, die aus einer Schicht eines amorphen oder überwiegend amorphen Polymermaterials mit merklicher elektrischer Ladungsbewegliichkeit und niedrigem Ionisationspotential, einem starken Elektronendonor, einem starken Elektronenakzeptor und vorzugsweise zumindest einem lumineszierenden Additiv besteht, wobei elektrische Anschlüsse vorgesehen sind, durch die ein elektrischer Strom durch die Dicke der Schicht zur Anregung von Strahlung daraus geleitet werden kann.

Entsprechend einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung stellt die Schicht einen dünnen, durchscheinenden Film aus einem zumindest überwiegend amorphen Polymermaterial dar, das zumindest ein lumineszierendes Additiv enthält und eine zur Anionenbildung hinreichend hohe Elektronenaffinität besitzt;

der starke Elektronendonor steht mit einer Seite des Polymerfilms in Kontakt und befindet sich zumindest teil-

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weise in einer ersten elektrischjleitenden Schicht, die eine durch Reaktion des Elektronendonors mit dem Polymer gebildete Anionenschicht darstellt, wobei der Elektronendonor hinreichend stark ist, um einen zumindest virtuell vollständigen Elektronenübergang auf das Poly- · mer und/oder das Additiv zu ermöglichen;

der starke Elektronenakzeptor steht in Kontakt mit der anderen Seite des Polymerfilms und befindet sich in einer zweiten elektrisch leitenden Schicht, die eine durch Reaktion des Elektronenakzeptors mit dem Polymer gebildete Kationenschicht darstellt, wobei der Elektronenakzeptor stark genug ist, um einen zumindest virtuell vollständigen Abzug von Elektronen von dem Polymer und/oder dem Additiv zu ermöglichen,

wobei zumindest eine der elektrisch leitenden Schichten durchscheinend bzw. durchsichtig ist, die Anionen- und/oder Kationenschicht eine Ladungsinjektorschicht gegenüber dem ,' Polymermaterial darstellen und

im Betrieb beim Fließen eines elektrischen Stroms in geeigneter Richtung in Serie durch die elektrisch leitenden Schichten und den Polymerfilm von der Strahlungsquelle Licht emittiert wird.

Das amorphe Pölymermaterial besitzt wünschenswerterweise hohe Transferwirksamkeit für die Übertragung der Anregungsenergie vom Polymer auf das lumineszierende Additiv.

Zu den erfindungsgemäß verwendbaren lumineszierenden Additiven gehören beispielsweise Perylen, Tetraphenylbutadien und Acridinorangej diese Additive können sowohl allein als auch zu mehreren in den Strahlungsquellen verwendet werden. Dabei kann E/nergie von einem lumineszierenden Additiv zu einem anderen übertragen werden.

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Der Elektronendonor ist vorzugsweise ein Alkalimetall wie Kalium, Rubidium oder Cäsium und steht in innigem Kontakt mit dem dünnen durchscheinenden Film.

Der Elektronenakzeptor ist günstigerweise ein Metallsalz oder ein anderer Elektronenakzeptor, der hinreichend stark ist, um zumindest einen virtuell vollständigen Elektronenabzug vom Polymer zu ermöglichen.

Als Metallsalz eignet sich beispielsweise Antimonpentachlorid.

Das amorphe Polymermaterial des dünnen durchscheinenden Films kann beispielsweise aus Polyvinylcarbazol einer Dicke von etwa 0,5 bis etwa 1,5 Mikrometer bestehen. Besonders wenn der Elektronendonor ein Alkalimetall ist, wird die Strahlungsquelle in' eine chemisch inerte Umgebung eingebracht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine erfindungsgemäße Leuchtdiode (IED) im Querschnitt darstellt.

Die erfindungsgemäße Leuchtdiode kann auf einer Platte aus durchsichtigem, elektrisch leitendem Glas 10 aufgebaut werden, wobei die Glasplatte günstigerweise als ein elektrischer Anschluß an die Leuchtdiode dient. Geeignete Materialien für die Glasplatte sind im Handel beispielsweise unter der Bezeichnung 'Baltracon' (RTM) erhältlich. Auf der Glasplatte 10 und in elektrischem Kontakt damit befindet sich eine Schicht 12 eines innigen Gemischs aus Polyvinylcarbazol und Antimonpentachlorid im Mengenverhältnis von etwa 4:1. Dieses Gemisch hat die Eigenschaft eines positiven Ladungsinjektors gegenüber dem Polyvinylcarbazol. Es ist durchscheinend und weist in der angewandten

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Dicke eine grünliche Färbung auf; die angewandte Dicke ist nicht kritisch und liegt günstigerweise im Bereich von etwa 1 bis etwa 2 Mikrometer. Angrenzend an die Schicht 12 befindet sich ein Film 14 des transparenten und zumindest überwiegend amorphen Polymermaterials mit einem lumineszierenden Additiv; im vorliegenden Beispiel besteht das Polymermaterial aus Polyvinylcarbazol und das lumineszierende Additiv aus Perylen. Der Film besitzt günstigerweise eine Dicke im Bereich von 0,5 bis etwa 1,5 /u. -

Auf der anderen Seite des Films 14 befindet sich eine Schicht 16, die negative Ladungsinjektoreigenschaften besitzt. Diese Schicht wird durch Aufgießen einer Menge Cäsium 18, das einen nur geringfügig oberhalb der üblichen Raumtemperatur liegenden Schmelzpunkt von 28,5 C aufweist, auf die Oberfläche des Films 14 hergestellt. Das Cäsium liefert Elektronen an das Polyvinylcarbazol des Films 14, wodurch Polymeranionen entstehen und in derselben Weise auch zusätzliche Ionen gebildet werden können, wodurch eine anionische Elektrodenschicht aufgebaut wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Ladungs in j ekt orwirkung der Anionensohicht in die Schicht 14 gering, mit anderen Polymermaterialien können jedoch auch beträchtlich größere Ladungsinjektorwirkungen in derartige Schichten erzielt werden.

Nach dem Aufgießen erhärtet das Cäsium, wobei es zur Lokalisierung während des flüssigen Zustande in einen kleinen Messingring 20 eingegossen wird. Der Messingring dient ferner auch als günstiger elektrischer Anschluß durch die Cäsiummasse 18 zur negativen Ladungsinjektorschicht 16.

Zur Vermeidung chemischer Nebenreaktionen des Cäsiums wie beispielsweise Oxidation wird eine chemisch inerte Um-

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gebung innerhalb einer Ummantelung 22 vorgesehen; trockener Stickstoff stellt dabei eine geeignete inerte Substanz dar, mit der eine derartige Ummantelung gefüllt werden kann.

Im Betrieb fließt ein elektrischer Strom durch die Leuchtdiode, wobei die Glasplatte die Anode und der Messingring die Kathode darstellen; wenn die Leuchtdiode vorwärtsgepolt ist, wird daraufhin Licht erzeugt, wobei die Farbe des Lichts mit dem hier verwendeten Perylen als lumineszierendem Additiv liberwiegend blaugrün ist. Das Licht tritt dabei durch das leitende Glas hindurch aus. Wenn die elektrische Polung umgekehrt wird, wird im wesentlichen kein Licht beobachtet; es fließt zwar noch ein nennenswerter Strom, der aber bei derselben angelegten Spannung kleiner ist als der Strom bei normaler Polung.

Die Erfindung wurde oben anhand eines Beispiels unter Verwendung eines Films aus Polyvinylcarbazol mit Perylen als lumineszierendem Additiv erläutert. Hierzu ist festzustellen, daß die Polymerschicht in der Leuchtdiode lediglich deswegen elektrisch leitend ist, weil in sie von der Anionen- und/oder Kfctionensehicht elektrische Ladungen injiziert werden. Beim Fehlen einer derartigen Ladungsinjektion stellen solche Polymerschichten im allgemeinen gute Isolatoren dar. Erfindungsgemäß können entsprechend auch andere Polymermaterialien unter der Voraussetzung eingesetzt werden, daß sie bestimmte Eigenschaften -con Polyvinylcarbazol aufweisen, d. h. ein niedriges Ionisationspotential (zur Kationenbildung), eine ausreichend hohe Elektronenaffinität im festen Zustand (zur Anionenbildung) sowie eine ausreichend große Ladungsträgerbeweglichkeit

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(etwa 10 cm ».V · s oder höher) für positive und/oder negative Ladungen. Andere wünschenswerte Eigenschaften sind eine

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hohe Lumineszenzwirksamkeit oder eine hohe Wirksamkeit bei der Übertragung von A nregungs energie auf lumineszierende Additive sowie die Fähigkeit zur Bildung qualitativ hochwertiger Filme von angemessener mechanischer Festigkeit.

Neben Perylen können auch andere Additive erfindungsgemäß verwendet werden, beispielsweise Tetraphenylbutadien und Acridinorange. Tetraphenylbutadien und Acridinorange können beispielsweise zusammen eingesetzt werden, wodurch eine fast weiße Emission erzielt wird. Die Emissionsfarbe kann allgemein durch Verwendung von Additiven in verschiedenen Kombinationen und Konzentrationen unter der Voraussetzung gewählt werden, daß diese sämtlich die Anregung vom amorphen Polymerfilm oder einem anderen Additiv aufzunehmen in der Lage sind und in die Strahlungsquelle ohne chemische Zersetzung eingebracht werden können.

Zur Erzeugung der Elektronendonorschicht können auch andere Alkalimetalle als Cäsium, beispielsweise Kalium oder Rubidium, eingesetzt werden. Zur Vermeidung unerwünschter chemischer Reaktionen des Alkalimetalls ist in jedem Fall der Betrieb in einer inerten Umgebung erforderlich.

Das Antimonpentachlorid in der Kationenschicht kann beispielsweise durch Aluminiumchlorid (AlCl,) ersetzt werden, was sich jedoch aufgrund von Schwierigkeiten bei der Schichtbildung als weniger zufriedenstellend erwies als die A nt imonv erb indung.

Die Erfindung wurde -anhand des Beispiels einer Vorrichtung erläutert, bei der das amorphe Polymermaterial eine oder mehrere lumineszierende Additive enthält; Lumineszenz

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kann ferner auch mit einigen Polymeren sogar ohne Gegenwart von Additiven erzeugt werden, wobei die Farbe der Strahlung von der Art des Polymeren und nicht von der oben erwähnten Auswahl abhängt. Eine andere erfindungsgemäße Weiterbildung kann davon ausgehen, daß der Film aus dem amorphen Polymer für sich auf verschwindende Dicke verringert wird und die zwei verschiedenen elektrisch leitenden Schichten dann in direkten Kontakt gelangen, wodurch eine Zwei-Schichten-Anordnung erzielt wird, die bei einer Spannung arbeitet, die mit der zahlreichen herkömmlicher Halbleitervorrichtungen vergleichbar ist. In einer oder beiden elektrisch leitenden Schichten muß dabei ein lumineszierendes Additiv anwesend sein.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung werden die beiden elektrisch leitenden Schichten gemischt, wodurch eine Ein-Schicht-Anordnung gebildet wird. Diese einzige kombinierte Schicht besteht aus einer großen Zahl sehr kleiner, statistisch orientierter Dioden, wobeisich ein kleiner Teil der einen injizierenden Schicht in unmittelbarer Nachbarschaft eines kleinen Teils der anderen Schicht befindet. Eine derartige Ein-Schicht-Anordnung kann durch Anlegen einer Wechselspannung betrieben werden, da die sahr kleinen Dioden über die Dicke der Schicht hin in im wesentlichen gleicher Anzahl in entgegengesetzten Richtungen orientiert sind.

Claims

Patentansprüche

\^ly Strahlungsquelle, gekennzeichnet durch eine Schicht (14) eines amorphen oder vorwiegend amorphen Polymermaterials mit geeigneter elektrischer Ladungsbeweglichkeit und niedrigem Ionisationspotential, einen starken Elektronendonor (18), einen starken Elektronenakzeptor (12) sowie elektrische Zuleitungen, mit denen ein elektrischer Strom durch die Dicke der Schicht (14) zur Anregung von Strahlung aus der Strahlungsquelle hindurchgeleitet werden kann.

2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Polymermaterial zumindest ein lumineszierendes Additiv befindet.

J5. Strahlungsquelle nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch:

eine Schicht (14) aus einem dünnen, durchscheinenden Film aus einem zumindest überwiegend amorphen Polymermaterial, das eine zur Anioneribildung hinreichend hohe Elektronenaffinität besitzt;

einen mit einer Seite des Polymerfilms (14) in Kontakt stehenden Elektronendonor, der sich zumindest teilweise in einer ersten elektrisch leitenden Schicht (l6)befindet,die eine durch Reaktion des Elektronendonors (18) mit dem Polymer gebildete Anionenschicht darstellt, wobei der Elektronendonor (18) stark genug ist, um einen zumindest virtuell vollständigen Elektronenübergang auf das Polymer und/oder das Additiv zu ermöglichen;

einen starken Elektronenakzeptor (12) im Kontakt mit der anderen Seite des Polymerfilms und in einer zweiten elektrisch leitenden Schicht, die eine durch Reaktion des Elektronenakzeptors mit dem Polymer gebildete Kationenschicht darstellt, wobei der Elektronenakzeptor (12) stark genug ist,

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inn einen zumindest virtuell vollständigen Abzug von Elektronen von dem Polymer und/oder dem Additiv zu ermöglichen,

wobei zumindest eine der elektrisch leitenden Schichten durchsichtig oder durchscheinend ist und die Anionen- und/oder Kationenschicht eine Ladungsinjektorschicht gegenüber dem Polymer material (14) darstellen und

im Betrieb beim Fließen eines elektrischen Stroms in geeigneter Richtung in Serie durch die elektrisch leitenden Schichten und den Polymerfilm von der Strahlungsquelle Licht emittiert wird.

4. Strahlungsquelle nach Anspruch 2 oder Z>> dadurch gekennzeichnet, daß eine hohe tibertragungswirksamkeit für die Anregungsenergie vom Polymer auf das lumines zier ende Additiv vorliegt.

5. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsenergie von einem lumineszierenden Additiv auf ein anderes lumineszierendes Additiv übertragen wird.

6. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß das lumineszierende Additiv unter Perylen, Tetraphenylbutadien und Acridinorange ausgewählt ist.

7. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronendonor (18) ein Älkalir metall ist.

8. Strahlungsquelle nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall unter Kalium, Rubidium und Cäsium ausgewählt ist.

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9. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenakzeptor (12) ein Metallsalz ist.

10. Strahlungsquelle nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet,daß das Metallsalz Antimonpentachlorid ist.

11. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 2-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial Polyvinylcarbazol ist.

12. Strahlungsquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerfilm (14) eine Dicke im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 1,5 Mikrometer aufweist.

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11. 11. 1975

Neuer Anspruch

13. Strahlungsquelle'nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich in einer chemisch inerten Umgebung ^:(22) befindet.

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