Leuchtmodul mit optimierter Kontaktierung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmodul gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, welches zwei plattenförmige Elektroden sowie ein zwischen den beiden Elektroden angeordnetes aktives Material aufweist. Insbesondere kann es sich bei dem Leuchtmodul um eine OLED- (Organic Light Emitting Diode) Struktur oder um eine QLED- (Quantum-dot Light Emitting Diode) Struktur handeln. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine sogenannte organische Solarzelle.
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) auf Halbleiterbasis, 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 so genannte Dünnfilmbauelemente dar. Üblicherweise sind hierbei auf einem Glasträger, dem so genannten Substrat, sehr dünne Schichten angeordnet, wobei die einzelnen Schichten dabei lediglich wenige Nanometer dick sein können. Im Falle einer organischen LED sind beispielsweise zwei Elektrodenschichten vorgesehen, zwischen denen eine oder mehrere Schichten organischen Materials angeordnet sind. Bei Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Elektrodenschichten emittiert das organische Material
Licht, welches dann über die Fläche der Anordnung hinweg abgestrahlt werden soll. Zwangsläufig bedeutet dies, dass eine der beiden Elektrodenschichten, üblicherweise diejenige, die auf dem Glasträger angeordnet ist, transparent ausgebildet sein muss. Zum Bilden einer derartigen transparenten Elektrode wird meist ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO), beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO) eingesetzt.
Strukturen dieser Art stellen sogenannte stromgetriebene Bauelemente dar, d.h., Licht wird durch Anlegen einer Spannung an die beiden Elektrodenschichten in dem organischen Material generiert. Um eine gleichmäßige und effiziente Lichtabgabe zu erzielen, ist dementsprechend eine homogene Stromverteilung über die gesamte Fläche des Elements hinweg wünschenswert. Dies stellt allerdings insofern ein Problem dar, als die oben erwähnten Materialien zum Realisieren transparenter Elektroden zwar grundsätzlich stromleitend sind, allerdings eine verhältnismäßig geringe Leitfähigkeit aufweisen. Dies führt dazu, dass allein durch den Einsatz entsprechender Materialien nur eine sehr begrenzte Homogenität beim Stromfluss und damit beim Erzeugen des Lichts erzielt werden kann.
Zur Verbesserung der schlechten Leitfähigkeit der transparenten Elektrode wird meist eine zusätzliche strukturierte Metallschicht auf die transparente Elektrode aufgebracht. Diese Schicht besteht in der Regel aus mehreren Bahnen, welche eine so genannte Gridstruktur bilden und eine deutlich höhere Leitfähigkeit als das Material der transparenten Elektrode aufweisen. Hierdurch kann der Stromfluss über die Fläche hinweg verbessert werden, da die Metallbahnen als Bypass für den Stromfluss wirken. Diese Metallschicht bzw. Gridstruktur wird dabei an der Längs- oder Stirnseite der Anordnung kontaktiert, damit über die gesamte Länge der Struktur hinweg Strom in die Elektrodenschicht eingeleitet werden kann. Es bildet sich in diesem Fall ein elektrisches Gleichgewicht des Stromflusses aus, welches allerdings nicht linear über die gesamte Fläche hinweg ist. Stattdessen bilden sich Gebiete mit erhöhter
Stromdichte, was wiederum der Homogenisierung der Lichtabgabe entgegenwirkt, da eine erhöhte Stromdichte gleichbedeutend mit einer lokal erhöhten Lichterzeugung ist.
Eine vergleichbare Problematik ergibt sich auch bei den bereits erwähnten organischen Solarzellen. Auch in diesem Fall ist organisches Material zwischen zwei
plattenförmigen Elektrodenschichten angeordnet, wobei dieses organische Material
nunmehr einfallendes Licht in Ladungsträger umsetzt, welche letztendlich einen Stromfluss zwischen den beiden Elektroden bewirken. Wiederum muss zumindest eine Elektrode lichtdurchlässig sein und besteht dementsprechend wiederum aus den oben genannten Materialien, welche eine verhältnismäßig geringe Leitfähigkeit aufweisen. Auch bei derartigen organischen Solarzellen kommen dementsprechend Gridstrukturen zum Einsatz, die allerdings wiederum bislang nur bedingt einen homogenen
Stromfluss über die gesamte Fläche hinweg bewirken.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabenstellung zugrunde, eine Verbesserung für die bislang bekannten Lösungen vorzuschlagen, mit denen eine weiter verbesserte Homogenisierung des Stromfiusses über die Fläche eines derartigen Leuchtmoduls bzw. einer organischen Solarzelle hinweg erzielt werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Leuchtmodul bzw. eine organische Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, die das Grid bildenden Leiterbahnen derart auszugestalten bzw. an das Material der transparenten Elektrode zu koppeln, dass diese Leiterbahnen lediglich abschnittsweise mit dem
Elektrodenmaterial verbunden sind. Anders ausgedrückt sind die Leiterbahnen über gewisse Abschnitte hinweg von dem Elektrodenmaterial getrennt, was dazu führt, dass die sich bei den bislang bekannten Lösungen ergebenden Ungleichgewichte beim Einkoppeln des Stroms vermieden werden können. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass auf die bislang bekannten
Technologien zum Erstellen von QLEDs oder OLEDs bzw. von organischen
Solarzellen zurückgegriffen werden kann und ein optimierter, also gleichmäßigerer Stromfluss ohne hohen Zusatzaufwand erzielt werden kann. Erfindungsgemäß werden deshalb ein Leuchtmodul oder eine organische Solarzelle vorgeschlagen, welche zwei plattenförmige Elektroden sowie ein zwischen den Elektroden angeordnetes aktives Material aufweisen. Eine der beiden Elektroden besteht dabei aus einem transparenten Material und ist ergänzend mit einer
Gridstruktur versehen, welche zumindest eine metallische Leiterbahn aufweist, die an
der Oberfläche oder in dem Material der transparenten Elektrode verläuft.
Erfindungsgemäß ist die Leiterbahn lediglich abschnittsweise mit dem
Elektrodenmaterial verbunden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann insbesondere vorgesehen sein, dass sich die Leiterbahn der Gridstruktur von einem seitlichen Anschlussbereich der Elektrode in einen zentraleren Bereich hinein erstreckt, wobei der dem Anschlussbereich näher liegende Abschnitt der Leiterbahn von dem Elektrodenmaterial getrennt ist. Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch der Endbereich der Leiterbahn von dem
Elektrodenmaterial getrennt sein, sodass eine Verbindung lediglich in einem mittleren Bereich der Leiterbahn vorliegt. Vorzugsweise weist das Grid mehrere Leiterbahnen auf, welche z.B. gitterartig angeordnet sind und sich in parallelen Linien über die Fläche des Leuchtmoduls bzw. der organischen Solarzelle hinweg erstrecken. Das Trennen der Leiterbahnen von dem Elektrodenmaterial über gewisse Abschnitte hinweg kann dabei insbesondere dadurch erfolgen, dass Einschnitte in das
plattenförmige Elektrodenmaterial vorgenommen werden. Dies kann in einfacher Weise mit Hilfe eines Lasers oder auch in konventioneller Weise, z.B. lithographisch erfolgen, sodass also der Aufwand zum Realisieren der erfindungsgemäßen Lösung äußerst gering ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Leuchtmodul kann es sich wie bereits erwähnt um eine organische LED oder eine um QLED handeln. Die erfindungsgemäße Kopplung zwischen Gridstruktur und transparenter Elektrode wirkt sich allerdings - wie bereits erwähnt - auch bei organischen Solarzellen in vorteilhafter Weise aus.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: Figur 1 und 2 schematische Darstellungen einer aus dem Stand der Technik bekannten OLED-Struktur ohne Metallgrid;
Figur 3 die Aufsicht auf eine aus dem Stand der Technik bekannte OLED-Struktur, bei der ein Metallgrid zur Verbesserung des Stromflusses zum Einsatz kommt;
Figur 4 eine erste erfindungsgemäße Variante zur abschnittsweisen
Kopplung zwischen transparenter Elektrode und Metallgrid;
Figur 5 eine zweite erfindungsgemäße Variante; Figur 6 eine dritte erfindungsgemäße Variante;
Figuren 7a und 7b eine erste Möglichkeit zum abschnittsweisen Ankoppeln bzw.
Trennen von Metallgrid und Elektrode und Figuren 8 a und 8b eine zweite Variante zum abschnittsweisen Ankoppeln bzw.
Trennen von Metallgrid und Elektrode.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem soll zunächst anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert werden. Figuren 1 und 2 zeigen hierbei eine Schnittdarstellung bzw. eine Aufsicht auf eine aus dem Stand der Technik bekannte klassische organische LED, wobei in diesem Fall zunächst kein zusätzliches Metallgrid zur Verbesserung des gleichmäßigen Stromflusses zum Einsatz kommt.
Entsprechend der Schnittdarstellung von Figur 1 besteht der übliche Aufbau einer OLED oder QLED darin, dass auf einem Trägersubstrat 5, das üblicherweise durch eine Glasplatte gebildet ist, eine Schichtanordnung bestehend aus zwei Elektroden 12 und 13 angeordnet ist, wobei sich zwischen den beiden Elektroden 12, 13 ein aktives Material 14 befindet. Im Falle einer OLED besteht dieses aktive Material 14 aus ein oder mehreren Schichten organischen Materials, welche derart sind, dass beim Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Elektroden 12 und 13 Licht generiert wird. Dieses wird in der Regel über die untere Elektrodenschicht 12 und das
Trägersubstrat 5 abgestrahlt, was bedeutet, dass die Elektrode 12 zwangsläufig transparent ausgebildet sein muss. Sie besteht dementsprechend üblicherweise aus
einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO), wobei üblicherweise Indium-Zinn-Oxid (ITO) zum Einsatz kommt.
Der Aufbau einer organischen Solarzelle ist im Prinzip identisch. Auch in diesem Fall sind üblicherweise auf einem transparenten Trägersubstrat zwei Elektroden angeordnet, zwischen denen sich organisches Material befindet. Im Falle einer Solarzelle handelt es sich bei dem organischen Material insbesondere um zwei Schichten, die einen sog. Elektronendonator sowie einen Elektronenakzeptor bilden. Bei Einfall von Licht in diesen Bereich werden Ladungsträger generiert, die dann für einen Stromfluss zwischen den beiden Elektrodenschichten sorgen. Auch hier ist erforderlich, dass für einen effizienten Lichteinfall eine der beiden Elektroden lichtdurchlässig bzw. transparent ausgebildet sein muss, was wiederum bedeutet, dass die oben erwähnten transparenten leitfähigen Materialien zum Einsatz kommen. Eine Ansicht der Unterseite der OLED-Struktur von Figur 1 ist in Figur 2 gezeigt, wobei hier auf die Darstellung des Trägersubstrats verzichtet wurde. Erkennbar ist hierbei die flächige transparente Elektrodenschicht 12, welche seitlich über einen sich über die gesamte Breite der Struktur erstreckenden Kontakt 10 elektrisch
angeschlossen wird. An der gegenüberliegenden Seite ist der Anschluss 13a für die Elektrode 13 dargestellt, der für die vorliegende Erfindung allerdings keine weitere Relevanz besitzt. Üblicherweise besteht die obere Elektrode 13 aus einer dünnen Metallschicht, welche aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit keine Probleme im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit des Stromflusses durch die Anordnung über ihre Fläche hinweg gesehen darstellt.
Wird bei der Anordnung gemäß Figur 2 eine Spannung angelegt, um einen Stromfluss durch das organische Material hinweg zu erzielen und dementsprechend Licht zu generieren, so ergibt sich aufgrund der geringen Leitfähigkeit des Materials für die transparente Elektrode 12 kein gleichmäßiger Stromfluss über die Fläche hinweg. Stattdessen liegen im Bereich nahe des Anschlusses 10 deutlich höhere Stromdichten vor, während hingegen am gegenüberliegenden Endbereich der Anordnung nahezu kein Strom mehr fließt. Dies hat zur Folge, dass über die Fläche des Leuchtmoduls hinweg gesehen ungleichmäßig Licht erzeugt und abgestrahlt wird.
Aus dem Stand der Technik ist deshalb zur Verbesserung des Stromfiusses die in Figur 3 dargestellte Lösung bekannt, bei der die Elektrode 12 zusätzlich mit einer
Gridstruktur versehen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die
Gridstruktur lediglich aus einer Bahn 11 , welche durch einen metallischen Leiter mit hoher Leitfähigkeit gebildet ist, der unmittelbar mit dem seitlichen Anschluss 10 verbunden und über seine Länge hinweg leitend an das Elektrodenmaterial gekoppelt ist. Der Einsatz dieser Gridstruktur führt dazu, dass der Stromfiuss besser über die Fläche der Elektrode 12 hinweg verteilt wird. Da allerdings der Strom sich über die gesamte Länge der Leiterbahn hinweg verteilt, tritt auch hier der Effekt auf, dass am Endbereich 1 lb der Leiterbahn 11 nahezu kein bzw. lediglich ein geringer Stromfiuss vorliegt, während hingegen wiederum höhere Stromstärken im unmittelbar an den Kontakt 10 angerenzenden Bereich I Ia vorliegen. Nach wie vor kann also auch hier keine optimale gleichmäßige Stromverteilung über die gesamte Fläche der Elektrode 12 hinweg erzielt werden, auch wenn bereits gewisse Verbesserungen z.B. der
Variante der Figuren 1 und 2 vorliegen, bei denen kein Metallgrid zum Einsatz kommt.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die Stromverteilung über die gesamte Fläche hinweg deutlich verbessert. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass eine elektrische Anbindung des Metallgrids an das Elektrodenmaterial lediglich
abschnittsweise erfolgt. Dieser Gedanke soll nachfolgend zunächst grundsätzlich anhand der Figuren 4 bis 6 erläutert werden.
Eine erste denkbare Ausführungsform der Erfindung ist dabei in Figur 4 dargestellt. Dabei ist vorgesehen, dass die Leiterbahn 11 des Metallgrids lediglich in einem von dem Anschluss 10 entfernter liegenden Bereich 1 lb mit dem Material der Elektrode 12 verbunden ist. Der sich in der Nähe des Anschlusses 10 befindende Bereich I Ia hingegen ist von dem Elektrodenmaterial getrennt, was mit Hilfe einer später noch näher beschriebenen Trennung 1 la bzw. Unterteilung des Elektrodenmaterials erzielt wird. In diesem Fall wird also mit Hilfe des Grids Strom erst in dem entfernter liegenden Bereich I Ib der Leiterbahn 11 auf die Fläche der Elektrode 12 verteilt.
Die Wirkung des Grids ist dementsprechend bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel auf von dem Anschluss 10 entfernter liegende Bereiche der Elektrode 12 beschränkt. Die dem Anschluss 10 näher liegenden Bereiche der
Elektrode 12 hingegen erhalten unmittelbar über diesen Anschluss 10 Strom. Aus dem Verhältnis der Länge der Leiterbahn 11 und dem nicht unmittelbar mit der Elektrode 12 gekoppelten Bereich 1 la kann dann eine entsprechende Einstellung bezüglich der Wirkung des Metallgrids vorgenommen werden. Es kann also gezielt Einfiuss auf die Leuchtdichte der Struktur genommen werden, wobei insbesondere selbstverständlich die Möglichkeit besteht, Inhomogenitäten auszugleichen und über die gesamte Fläche hinweg eine homogene Lichtabgabe zu erzielen.
Eine Weiterbildung des Gedankens von Figur 4 ist in Figur 5 dargestellt, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. In diesem Fall ist auch der abschließende Endbereich 11c der Leiterbahn 11 aufgrund einer Trennung bzw.
Isolierung 12c von dem Elektrodenmaterial 12 getrennt, so dass lediglich eine
Anbindung zwischen Leiterbahn 11 und Elektrode 12 im mittleren Bereich I Ib vorliegt. Dieses Beispiel verdeutlicht, dass die Möglichkeit besteht, gezielt lediglich über bestimmte Abschnitte hinweg eine Kopplung zwischen Gridstruktur und
Elektrodenmaterial vorzunehmen.
Die Ankopplung des Metallgrids an die Elektrode 12 kann dabei beliebig komplex ausgestaltet werden, um den Stromfluss optimal über die gesamte Fläche der Elektrode 12 hinweg einzustellen. Mit Hilfe von elektrischen Berechnungen oder Simulationen kann dabei eine optimale Struktur für jede Fläche gefunden werden, wobei eine weitere denkbare Möglichkeit in Figur 6 dargestellt ist. Das Grid besteht hierbei aus mehreren parallel zueinander verlaufenden Leiterbahnen 11 , die allerdings wiederum lediglich in ihren von dem Anschluss 10 entfernter liegenden Bereichen mit dem Elektrodenmaterial gekoppelt sind. Ein derartiges Gitter stellt in der Regel die optimale Form für ein Grid dar, um über die gesamte Fläche hinweg einen
gleichmäßigen Stromfluss zu erzielen. Dies wird durch die erfindungsgemäße lediglich abschnittsweise Kopplung zwischen der Gridstruktur und dem Elektrodenmaterial zusätzlich optimiert.
Die lediglich abschnittsweise Ankopplung der Gridstruktur an die transparente Elektrode kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Nachfolgend sollen zwei bevorzugte Varianten hierfür erläutert werden, die sich dadurch auszeichnen, dass der hiermit verbundene Aufwand verhältnismäßig gering ist und insbesondere auf
vorhandene Technologien zum Herstellen von OLEDs zurückgegriffen werden kann. Diese Varianten unterscheiden sich hierbei in erster Linie darin, in welcher Weise das Metallgrid in die Anordnung integriert wird. Während des Herstellungsprozesses wird dabei in der Regel zunächst die transparente Elektrode 12 strukturiert, da sie den späteren Bereich der Leuchtfläche der OLED definiert. Ebenfalls werden die Metallisierungen für die Kontakte der Elektroden strukturiert. Bei der Anordnung bzw. Herstellung des Metallgrids existieren im
Wesentlichen zwei Varianten, wobei die Leiterbahnen des Grids entweder unterhalb der transparenten Schicht bzw. in dem Elektrodenmaterial oder oberhalb hiervon angeordnet sind.
Figur 7a zeigt hierbei zunächst eine Variante, bei der die Leiterbahn 11 oberhalb der Elektrode 12 angeordnet ist. Um lokale hohe Stromdichten zu vermeiden, wird hierbei die Leiterbahn 11 durch ein nicht-leitendes Material 20„passiviert". Dieses nichtleitende Material 20 trennt also die Leiterbahn 11 von dem umgebenden organischen Material 14 bzw. verhindert einen unmittelbaren Kontakt zwischen Leiterbahn 11 und organischem Material 14, lässt allerdings selbstverständlich eine Verbindung zwischen Leiterbahn 11 und Elektrode 12 zu. Bei der Herstellung werden also zunächst auf die Elektrode 12 die Leiterbahn 11 und anschließend das nicht-leitende Material 20 aufgebracht. Anschließend erfolgt das Aufbringen des organischen Materials 14.
Um nunmehr entsprechend der vorliegenden Erfindung lediglich abschnittsweise eine Ankopplung zwischen Leiterbahn 11 und Elektrode 12 vorzunehmen, muss lediglich in denjenigen Bereichen, in denen eine unmittelbare Verbindung zwischen Leiterbahn 11 und Elektrode 12 nicht gewünscht ist, eine Trennung des Elektrodenmaterials unterhalb des entsprechenden Bereichs vorgenommen werden, wie dies Figur 7b zeigt. Derartige Trennungen bzw. Einschnitte 40 können in einfacher Weise über
Ätzprozesse oder Laserablation bzw. andere geeignete Verfahren vorgenommen werden, ohne dass dies mit einem großen Aufwand verbunden ist.
Bei einer zweiten Variante ist die Leiterbahn unterhalb der transparenten Elektrode 12 angeordnet bzw. wie in Figur 8b dargestellt in diese eingebettet. Üblicherweise wird dies dadurch erzielt, dass zunächst auf dem in Figur 1 dargestellten Glassubstrat 5 eine
Gridstruktur angeordnet wird und dann das Material der transparenten Elektrode 12 abgeschieden wird. Um wiederum erfindungsgemäß lediglich eine abschnittsweise Ankopplung zwischen Gridstruktur bzw. Leiterbahn 11 und Elektrode 12 zu erzielen, werden auch in diesem Fall dann in den entsprechenden Bereichen Einschnitte 40 in das Elektrodenmaterial eingebracht, um die gewünschte Teilung bzw. Trennung zu erzielen. Anschließend erfolgt wiederum eine Passivierung aus geeignetem, also isolierendem Material 20 im Bereich oberhalb der Leiterbahn 11 und das
abschließende Aufbringen des organischen Materials 14. Bei beiden dargestellten Varianten kann also die erfindungsgemäße Lösung sehr einfach realisiert werden. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, dass die abschnittsweise Kopplung zwischen Metallgrid und Elektrodenmaterial durch sehr einfache
Maßnahmen erzielt werden kann und insbesondere das Aufbringen zusätzlicher Schichten oder dergleichen nicht erforderlich ist. Trotz allem können hierbei auch sehr komplexe Systeme realisiert werden, welche in ihrer Länge, Form und Lage der Strukturierungen frei variiert werden können.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann also in verhältnismäßig einfacher Weise die Effizienz von flächigen Leuchtmodulen, insbesondere von OLEDs oder QLEDs deutlich gesteigert werden. Auch organische Solarzellen können mit Hilfe der abschnittsweisen Kopplung zwischen Gridstruktur und Elektrodenmaterial im Hinblick auf ihre Effizienz verbessert werden.