Leuchtmodul mit optimierter Lichtabgabe
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmodul gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, welches ein plattenförmiges, aktives Elements zur Lichtabgabe aufweist, das auf einem Trägerelement angeordnet ist. Bei dem aktiven Element kann es sich insbesondere um eine OLED-(Organic Light Emitting Diode) Struktur oder um eine QLED- (Quantum-Dot Light Emitting Diode) Struktur handeln.
Die Entwicklung neuartiger Lichtquellen, welche aufgrund ihrer verbesserten
Eigenschaften klassische Lichtquellen wie Glühbirnen oder Leuchtstofflampen ersetzen können, hat in letzter Zeit gravierende Fortschritte erzielt. Neben klassischen lichtemittierenden Dioden (LEDs), welche im Wesentlichen punktförmige
Lichtquellen darstellen, sind dabei insbesondere auch OLEDs oder QLEDs in den
Mittelpunkt der Aufmerksamkeit gerückt, da auf Basis derartiger Strukturen neuartige Flächenlichtelemente verwirklicht werden können. Als flächiger Leuchtkörper mit einer gegenüber einer klassischen LED moderaten Leuchtdichte ist eine OLED oder QLED ideal geeignet für die Herstellung flächiger diffuser Lichtquellen. Die
Anwendungsmöglichkeiten für derartige Lichtquellen sind äußerst vielfältig, weshalb auf diesem Gebiet eine starke Weiterentwicklung in den letzten Jahren stattgefunden hat. Aufgrund ihres Aufbaus weist eine OLED oder QLED die Eigenschaften eines so genannten Lambert 'sehen Strahlers mit einer konstanten Leuchtdichte bei beliebigen Abstrahlwinkeln auf. Dementsprechend eignet sie sich in besonders guter Weise dafür, großflächige Lichtquellen zu bilden.
Organische Leuchtdioden stellen ebenso wie organische Solarzellen sog.
Dünnfilmbauelemente dar. Dabei werden auf einem Glasträger, dem sog. Substrat, sehr dünne Schichten organischen Materials abgeschieden. Die Einzelschichten können dabei lediglich wenige Nanometer dick sein. Handelt es sich um eine organische LED, so bilden die auf dem Substrat aufgebrachten Schichten das oben erwähnte aktive Element und weisen zumindest zwei einander gegenüberliegende Elektrodenschichten auf, zwischen denen ein oder mehrere Schichten organischen Materials angeordnet sind. Bei Anlegen einer Spannung emittiert dieses organische
Material das Licht. Zwangsläufig muss hierbei eine der beiden Elektroden, üblicherweise diejenige, die auf dem Glasträger angeordnet ist, transparent ausgebildet sein. Zum Bilden einer derartigen transparenten Elektrode wird dementsprechend meist ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO), beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO) eingesetzt.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau mit der transparenten Elektrode weisen die organischen Materialien bzw. organischen Schichten ebenso wie die transparente Elektrode eine höhere Brechzahl als der Glasträger bzw. das Substrat auf. Dies kann zu einer Totalreflexion des Lichts an der Grenzfläche zwischen organischer Schicht und Elektrode, insbesondere jedoch an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Substrat bzw. Glasträger führen, wobei derart reflektierte Strahlen dann für die Lichtabgabe nicht mehr nutzbar sind und dementsprechend verloren gehen. Aufgrund dieser Brechzahl-Unterschiede kommt es also zu optischen Verlusten an den Grenzflächen, welche zu einer reduzierten Effizienz der OLED führen. Eine vergleichbare
Problematik ergibt sich auch bei den eingangs erwähnten QLEDs.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabenstellung zugrunde, die
Lichtauskopplung bei derartigen OLED- bzw. QLED-Strukturen zu verbessern, um dementsprechend die Effizienz derartiger Elemente zu steigern.
Die Aufgabe wird durch ein Leuchtmodul, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, sowie durch ein Verfahren zum Bilden eines Leuchtmoduls gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, die transparente Elektrode der OLED-Struktur derart hinsichtlich ihrer Dicke zu gestalten, dass eine optimierte Lichtabgabe erzielt wird. Insbesondere sollen die oben angesprochenen
Totalreflexionen an den Grenzflächen zwischen organischer Schicht und Elektrode bzw. zwischen transparenter Elektrode und Trägersubstrat vermieden werden. Im Gegensatz zu bislang bekannten OLEDs, bei denen die transparente Elektrode als gleichmäßig dicke Schicht ausgeführt war, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Schicht nunmehr periodisch dickenvariierend auszugestalten. Es hat sich gezeigt, dass
in diesem Fall die Lichtstrahlen überwiegend in einem günstigeren Winkel auf die Grenzfläche treffen und dementsprechend die unerwünschten Totalreflexionen vermieden bzw. zumindest teilweise unterdrückt werden können. Erfindungsgemäß wird deshalb ein Leuchtmodul vorgeschlagen, welches ein plattenförmiges, aktives Element aufweist, welches zwei Elektrodenschichten sowie eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete lichtemittierende Schicht aufweist, sowie ein transparentes plattenförmiges Trägerelement, auf dem das aktive Element angeordnet ist, wobei zumindest die dem Trägerelement zugewandte
Elektrodenschicht transparent ist. Ferner ist erfindungsgemäß die transparente Elektrodenschicht derart ausgestaltet, dass sie eine periodisch dickenvariierende Strukturierung aufweist.
Die erfindungsgemäße Strukturierung der Elektrodenschicht wird vorzugsweise während des Anordnens der Elektrodenschicht auf dem Trägerelement vorgenommen. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die transparente Elektrode durch Abscheiden eines entsprechenden Materials auf das Trägerelement aufgebracht wird, wobei dann die Strukturierung durch den Einsatz einer entsprechend gestalteten sog. Schattenmaske erzielt wird. Diese kann bspw. eine Gitterstruktur aufweisen, sodass entlang einer Richtung die Dicke der Elektrodenschicht periodisch variiert. Es handelt sich in diesem Fall um eine sehr einfache Maßnahme um die gewünschte
Strukturierung der Elektrodenschicht zu erzielen, sodass also mit einem
verhältnismäßig geringen Aufwand die Effizienz der OLED oder QLED optimiert werden kann. Die transparente Elektrodenschicht ist in diesem Fall an ihrer dem Trägerelement zugewandten Seite plan ausgebildet bzw. sie liegt flächig an dem Trägerelement an.
Auch die weiteren Schichten des aktiven Elements können durch entsprechendes Aufbringen bzw. Abscheiden auf der transparenten Elektrodenschicht angeordnet werden. Sie weisen hierbei vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Dicke auf bzw. sie folgen der periodisch dickenvariierenden Struktur der transparenten
Elektrode. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass aufgrund der gleichmäßigen Dicke insbesondere des organischen Materials trotz allem über die gesamte Fläche hinweg eine im Wesentlichen gleichmäßig homogene Lichtabgabe erzielt wird.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann auch darin bestehen, dass in die transparente Elektrodenschicht ein sog. Metallgrid eingebettet ist. Es handelt sich hierbei um speziell angeordnete Leiterbahnen bzw. Metallbahnen, durch welche der gleichmäßige Stromfluss über die gesamte Fläche des aktiven Elements hinweg optimiert wird. Dieses Metallgrid gleicht dabei die verhältnismäßig geringe Leitfähigkeit der transparenten Elektrode aus.
Andererseits sind die Metallbahnen bzw. Leiterbahnen des Grids lichtundurchlässig und könnten dementsprechend zu einer Beeinträchtigung der Gleichmäßigkeit der Lichtabgabe des Leuchtmoduls fuhren. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist deshalb vorgesehen, dass die Leiter- bzw. Metallbahnen des Grids genau in denjenigen Bereichen angeordnet sind, in denen die Elektrodenschicht eine höhere Dicke aufweist. Die Elektrodenschicht wirkt aufgrund ihrer variierenden Dicke als linsenartiges optisches Element, welches die Lichtstrahlen leicht umlenkt bzw. derart beugt, dass sich das Metallgrid weniger störend auf die Lichtabgabe auswirkt. D.h., bei dieser bevorzugten Ausfuhrungsform wird einerseits der gleichmäßige Stromfluss und dementsprechend die Lichtabgabe in der organischen Schicht optimiert, andererseits führt die erfindungsgemäße Ausgestaltung der transparenten Elektrodenschicht dazu, dass sich das Metallgrid weniger störend auf die Lichtabgabe auswirkt.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Erstellen eines flächigen
Leuchtmoduls vorgeschlagen, bei dem auf einem transparenten, plattenförmigen Trägerelement ein plattenförmiges aktives Element angeordnet ist, welches zwei Elektrodenschichten sowie eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete lichtemittierende Struktur aufweist, wobei die dem Trägerelement zugewandte
Elektrodenschicht transparent ausgebildet ist und erfindungsgemäß durch Abscheiden auf das Trägerelement derart aufgebracht wird, dass die Schicht eine periodische dickenvariierende Strukturierung aufweist.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmoduls in seitlicher Schnittdarstellung;
Figur 2 eine vorteilhafte Vorgehensweise zum Realisieren der
erfindungsgemäßen Strukturierung der transparenten Elektrode;
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Leuchtmoduls in seitlicher Schnittdarstellung und Figur 4 den Aufbau einer organischen LED entsprechend dem Stand der
Technik.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem soll nachfolgend zunächst anhand von Figur 4 erläutert werden, welche eine OLED-Struktur 1 entsprechend dem Stand der Technik in seitlicher Schnittdarstellung zeigt. Als Träger für die gesamte Struktur 1 dient ein flächiges transparentes Glassubstrat 10, auf dem die weiteren Schichten bzw. Strukturen angeordnet sind. Insbesondere dient das Trägersubstrat 10 als Träger für das sog. aktive Element 5, welches aus mehreren Schichten besteht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind hierbei organische Schichten 12a zwischen zwei Elektroden I Ia und 13a angeordnet. Bei Anlegen einer Spannung an die beiden Elektroden I Ia und 13a erzeugen die organischen Schichten 12a Licht, welches über das
Trägersubstrat 10 abgestrahlt werden soll. Zumindest eine der beiden
Elektrodenschichten I Ia, 13a, im vorliegenden Fall die Elektrode 1 la muss dementsprechend transparent ausgebildet sein und wird üblicherweise flächig auf dem Substrat 10 durch geeignete Verfahren, bspw. durch sog. Sputtern aufgebracht.
Anschließend werden die weiteren Schichten 12a und 13a aufgebracht.
Die Lichtabgabe der dargestellten Struktur erfolgt also dadurch, dass innerhalb der organischen Schichten 12a Licht erzeugt wird und über die transparente Elektrode I Ia und das Trägersubstrat 10 abgestrahlt wird. Als Material für die transparente Elektrode I Ia kommt dabei in der Regel ein transparentes, leitfähiges Oxid (TCO) zum Einsatz, welches allerdings - ebenso wie die organischen Materialien bzw. Schichten - eine höhere Brechzahl als das Substrat 10 aufweist. Lichtstrahlen, die unter ungünstigen Winkeln auf die Grenzfläche zwischen transparenter Elektrode I Ia und Trägersubstrat
11 auftreffen, können dementsprechend totalreflektiert werden und gehen für die gewünschte Lichtabgabe verloren. D.h., bei der in Figur 4 dargestellten und aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltung kann es zu Lichtverlust kommen, der sich negativ auf die Effizienz der gesamten OLED auswirkt.
Um diese Problematik zu umgehen, wird vorgeschlagen, die auf dem Trägersubstrat 10 angeordneten Schichten, insbesondere die transparente Elektrodenschicht entsprechend der Darstellung von Figur 1 auszugestalten. Erkennbar ist, dass in diesem Fall insbesondere die Elektrodenschicht 1 lb nicht mehr als gleichmäßig flache bzw. ebene Schicht ausgestaltet ist sondern stattdessen eine Strukturierung derart aufweist, dass sie in ihrer Höhe bzw. Dicke periodisch variiert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektrodenschicht I Ib insbesondere wellenförmig ausgebildet.
Diese wellige Struktur wird in gleicher Weise auch in die folgenden Schichten, also in die organischen Schichten 12b und die Elektrodenschicht 13b eingeprägt. Dies ergibt sich auch daraus, dass die organischen Schichten 12b weiterhin eine konstante Dicke aufweisen, was insofern von Vorteil ist, als hierdurch die Gleichmäßigkeit beim Generieren des Lichts über die Fläche der OLED-Struktur 1 hinweg beibehalten wird. Die Strukturierung der transparenten Elektrode 1 lb hat dabei zur Folge, dass diese die Lichtstrahlen derart beugt, dass sie unter einem günstigeren Winkel auf die
Grenzfläche zwischen Elektrodenschicht 1 lb und Substrat 10 auftreffen. Der Anteil an Lichtstrahlen, der an dieser Grenzfläche total reflektiert wird, nimmt deutlich ab und die Effizienz der Lichtabgabe wird dementsprechend erhöht. In gleicher Weise wirkt sich die Strukturierung auch günstig auf den Übergang des Lichts von den organischen Schichten 12b auf die Elektrode 1 lb aus. Auch an dieser Grenzfläche könnten aufgrund des Brechzahlunterschieds Totalreflexionen auftreten, sie werden durch die neuartige Strukturierung der Schichten der OLED allerdings zumindest teilweise unterdrückt.
Figur 2 zeigt eine bevorzugte Vorgehensweise zum Ausbilden der erfindungsgemäßen Strukturierung der Elektrodenschicht I Ib. Diese wird üblicherweise durch Abscheiden eines geeigneten Materials - z.B. Indium-Zinn-Oxid (ITO) - auf dem Glassubstrat 10 aufgebracht. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass das Aufbringen mit Hilfe
einer sog. Schattenmaske 30 erfolgt, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel als Gitter mit gleichmäßig voneinander beabstandeten Öffnungen 40 ausgebildet ist. Das Material zum Bilden der transparenten Elektrode I Ib wird nunmehr ausschließlich über diese Öffnungen 40 auf das Glassubstrat 10 abgegeben, wobei bei Wahl eines entsprechenden Abstands zwischen Maske 30 und Glassubstrat 10 dann die sich dargestellte Wellenstruktur ergibt. D.h., auch in Bereichen außerhalb der Öffnungen 40 erfolgt auf dem Glassubstrat 10 das Abscheiden des Elektrodenmaterials, wobei hier dann allerdings eine reduzierte Dicke vorliegt. Durch diese Maßnahme kann also in sehr einfacher aber effizienter Weise die vorteilhafte Strukturierung der
Elektrodenschicht I Ib erzielt werden. Wie bereits erwähnt kann durch entsprechende Wahl der Parameter, also Abstand der Schattenmaske vom Substrat, Größe und Anordnung der Öffnungen das entsprechende Oberflächenprofil der Elektroden 1 lb in gewünschter Weise angepasst werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist in Figur 3 dargestellt. Hierbei wird zur Verbesserung der nach wie vor nur schlechten
Leitfähigkeit der transparenten Elektrode I Ib eine zusätzliche strukturierte
Metallschicht in Form eines sog. Grids eingesetzt. Es handelt sich hierbei um
Leiterbahnen bzw. Metallbahnen 20, die auf der Oberfläche des Trägersubstrats 10 angeordnet und in die Elektrodenschicht I Ib eingebettet sind. Diese Bahnen 20 des Metallgrids sind vorzugsweise gleichmäßig über die Fläche der Struktur verteilt, um einen gleichmäßigen Stromfluss über die gesamte Fläche hinweg zu erzielen und damit die Homogenisierung der Lichtabgabe zu verbessern. Auf der anderen Seite sind derartige Metallbahnen bzw. Leiterbahnen 20
selbstverständlich lichtundurchlässig und könnten sich dementsprechend störend auf die Lichtabgabe der OLED auswirken. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass die wellenartige bzw. periodische Strukturierung der transparenten Elektrodenschicht 1 lb mit der Anordnung der Bahnen des Metallgrids korrespondiert. Mit anderen Worten, die Elektrodenschicht I Ib weist genau in denjenigen Bereichen eine größere Dicke auf, in denen auch die Leiterbahnen 20 des Metallgrids 20 angeordnet sind, wie dies der Schnittdarstellung von Figur 3 entnommen werden kann. In diesem Fall weist also die Strukturierung in Richtung der Leiterbahnen 20 vorzugsweise eine sog.
Translationsinvarianz auf, d.h., die Welligkeit der Schicht ergibt sich lediglich in der
Ebene der Darstellung von Figur 3, in einer Ebene senkrecht hierzu bzw. in Richtung der Leiterbahnen 20 ist die Dicke der Elektrodenschicht 1 lb hingegen unverändert bzw. konstant. Allerdings wäre auch denkbar, die erfindungsgemäße Strukturierung der Elektrodenschicht I Ib zwei-dimensional vorzunehmen, insbesondere in Fällen, in denen kein Metallgrid zum Einsatz kommt. Anstelle eines Gitters als Schattenmaske könnte dann beim Aufbringen des Elektrodenmaterials auf das Substrat eine
Lochmaske oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Der Effekt der Strukturierung der Elektrodenschicht 1 lb ist anhand mehrerer
Lichtstrahlen 60 in Figur 3 gezeigt. Erkennbar ist hierbei, dass aufgrund der
Strukturierung der Elektrodenschicht I Ib diese als Linse wirkt und zwar derart, dass die in die Elektrodenschicht 1 lb eingebetteten Metallbahnen des Grids 20 nur zu einer geringen Abschattung führen. Die Lichtstrahlen 60 werden also derart umgelenkt, dass sie an den Leiterbahnen 20 vorbei aus dem aktiven Element 5 in das Trägersubstrat 10 hineingeführt werden. Durch den Einsatz einer optionalen, zusätzlichen optischen
Schicht 50 an der dem aktiven Element gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats 10 können dann die austretenden Lichtstrahlen derart beeinflusst werden, dass sie im Wesentlichen parallel abgestrahlt werden, wie dies Figur 3 zeigt. Letztendlich wird also hierbei die Effizienz der Lichtabgabe insgesamt nochmals deutlich optimiert, da einerseits mit Hilfe des Grids der gleichmäßige Stromfluss und damit das Generieren von Licht in dem aktiven Element 5 optimiert wird. Auf der anderen Seite verhindert die erfindungsgemäße Strukturierung der transparenten Elektrode einerseits das Abschatten durch das Grid und anderseits den Verlust von Licht aufgrund von
Totalreflexionen.
Abschließend ist anzumerken, dass die erfindungsgemäße Lösung nicht auf organische LEDs beschränkt ist. Eine vergleichbare Problematik ergibt sich auch bei den eingangs erwähnten QLEDs, wobei auch hier durch eine entsprechende Strukturierung der transparenten Elektrode die Lichtabgabe aufgrund einer Unterdrückung von
Totalreflexionen an Grenzflächen optimiert werden kann.