ES2251618T3 - Dispositivo de emision de luz electroluminiscente. - Google Patents
Dispositivo de emision de luz electroluminiscente.Info
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Abstract
Dispositivo de emisión de luz electroluminiscente, particularmente para su utilización como fuente de luz blanca, que contiene: - un sustrato (4) transparente, formado como vidrio dispersor, - al menos una primera capa de electrodo (7) transparente aplicada sobre el sustrato (4), - el número de capas de emisor de luz (1, 2, 3) electroluminiscentes, las cuales están dispuestas lateralmente una junto a otra sobre la primera capa de electrodo (7) y a partir de cuya radiación de emisión se puede generar luz blanca mediante una mezcla de colores aditiva, y - al menos una segunda capa de electrodo (5), la cual está aplicada sobre las capas de emisor de luz (1, 2, 3), caracterizado porque, - la extensión lateral y/o la distancia lateral de las capas de emisor de luz (1, 2, 3) miden al menos 100 ìm, - el vidrio dispersor es un vidrio opalescente o un sustrato de material sintético con unos centros dispersores empotrados y su espesor es mayor que la longitud de dispersión media de los haces de radiación que hay que mezclar de las capas de emisor de luz (1, 2, 3) y al menos es tan grande como la distancia de las capas de emisor de luz (1, 2, 3), de manera que - los haces de radiación emitidos por las capas de emisor de luz (1, 2, 3) se superponen, al menos parcialmente, sobre la superficie del lado de salida de la luz del sustrato (4).
Description
Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente.
La presente invención se refiere al campo de los
dispositivos de emisión de luz electroluminiscentes y
particularmente a un dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según el preámbulo de la reivindicación 1, el
cual se puede utilizar como fuente de luz blanca.
En el empeño de sustituir las fuentes de luz
blanca convencionales sobre la base de lámparas de incandescencia o
halógenas se han desarrollado en el pasado diferentes conceptos.
El concepto que más ha avanzado se basa en un LED
semiconductor sobre la base de GaN o InGaN, el cual está empotrado
al menos parcialmente en un material de resina de moldeo
transparente, en el cual está contenida una sustancia de conversor
para una conversión de longitud de onda, al menos parcial, de la luz
emitida por el LED. Preferentemente, el LED presenta al mismo tiempo
un gran número de zonas emisoras de luz, con las cuales se genera un
espectro de emisión de luz de banda relativamente ancha,
energéticamente por encima del espectro de emisión de la sustancia
de conversor. La luz emitida por el LED de GaN en la banda de
longitudes de onda azul o UV es transformada durante el paso a
través de la masa de resina de moldeo, al menos parcialmente, por
la sustancia de conversor en luz de una longitud de onda en la banda
espectral amarilla, de manera que mediante una mezcla de colores
aditiva se genera luz blanca. Sobre la base de este concepto,
recientemente introducido en el mercado fuentes de luminiscencia de
pequeño formato tales como linternas de bolsillo y similares. Estos
productos adolecen, sin embargo, todavía de diferentes
inconvenientes. Por un lado, la curva de emisión de luz espectral de
estas fuentes de luz blanca no es todavía óptima, de manera que se
da en muchas ocasiones la impresión fisiológico-óptica de una fuente
de luz blanca - al menos no bajo todos los ángulos de observación.
Además, la luminosidad de las fuentes de luz blanca que se pueden
fabricar según este concepto es limitada debido a la potencia
luminosa todavía demasiado pequeña de los LED de GaN y la necesaria
conversión de la luz. Por ello no cabe esperar en un futuro próximo
fuentes de luz blanca de gran superficie con gran luminosidad según
este concepto.
Otro concepto para la fabricación de fuentes de
luz blanca se basa la integración monolítica de varias capas de
semiconductor y las correspondientes transiciones pn en un sustrato,
donde los materiales semiconductores están montados de tal manera
que en las transiciones pn se genera, mediante inyección de
corriente, luz con diferentes longitudes de onda. En el documento
US-A-6 163,038 se describe una
fuente de luz blanca de este tipo sobre la base del sistema de
material GaN. En dos formas de realización se describen elementos,
en los cuales se genera una secuencia de capas de semiconductor con
tres transiciones pn, las cuales emiten luz con longitudes de onda
de los colores complementarios rojo, verde y azul, con lo cual se
engendra el efecto óptico de una fuente de luz blanca. Este
concepto tiene la ventaja de que, en principio, puede generar luz de
colores secundarios de cualquier color, con lo que resulta n un gran
número de aplicaciones en el campo de los dispositivos de indicación
e iluminación. Con elementos de este tipo no será tampoco, sin
embargo, posible fabricar dispositivos de iluminación luminosos y de
gran superficie con unos costes asumibles.
Otro concepto para fuentes de luz blanca se basa
en diodos luminiscentes orgánicos (OLED) los cuales se han
desarrollado rápidamente en los últimos tiempos y se utilizan ya
comercialmente en dispositivos de indicación para vehículos
automóviles. Los diodos luminiscentes orgánicos pueden generar luz
blanca de manera relativamente sencilla, dado que debido a la gran
diversidad de sustancias orgánicas se pueden unir diferentes
emisores, para generar luz blanca. En el documento DE 199 16 745 A1
se describe un diodo emisor de luz con sustancias emisoras de luz
para la generación de luz con colores secundarios, en el cual está
dispuesta una capa que contiene sustancias orgánicas de emiten luz
entre dos capas de electrodo y dos portadores de sustrato, donde uno
de los portadores puede estar formado por un vidrio dispersor. La
capa de emisor de luz orgánica presenta una estructura de tiras en
la cual están dispuestos alternados al menos dos tipos de tiras y
las tiras de un tipo presentan en cada caso sustancias orgánicas
emisoras de luz, las cuales emiten luz de un color concreto, donde
las tiras de un tipo son controladas conjuntamente. Las sustancias
orgánicas emisoras de luz de los dos o tres tipos de tiras están
elegidas de tal manera que, con un control adecuado de la mezcla de
la luz emitida de las tiras, resulta luz blanca. Una desventaja del
elemento descrito en la forma de realización consiste si embargo en
que la anchura de la tiras de las capas de emisor de luz es tan
pequeña que la estructura de tiras no se puede resolver ya en caso
de contemplación normal con el ojo humano, con lo que la fabricación
del elemento se hace relativamente compleja.
Por lo tanto la presente invención se plantea el
problema de proponer un dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente con el cual se pueda generar luz visible de
diferentes longitudes de onda y se pueda mezclar de manera aditiva y
que se pueda fabricar de manera económica. El dispositivo de emisión
de luz luminiscente debe poder utilizarse en especial como fuente de
luz blanca.
El problema se resuelve con las características
de la parte caracterizadora de la reivindicación 1.
La presente invención parte de una dispositivo de
emisión de luz como el que se ha descrito con anterioridad en el
documento DE 199 16 745 mencionado y en el cual las capas de emisor
de luz están dispuestas, en forma de una estructura de tiras,
alternadas lateralmente unas junto a otras entre las capas de
electrodo. La presente invención se basa en el conocimiento esencial
de que no es imprescindiblemente necesario, para la mezcla de
colores aditiva de los haces de radiación emitidos por las tiras de
emisor de luz, prever una estructuración microscópica de la
estructura de tiras. Más bien es una característica esencial de la
presente invención el que la extensión lateral y/o la distancia
lateral de las capas de emisor de luz entre sí esté en un orden de
magnitud que se puede resolver por simple contemplación con el ojo
humano. Para la mezcla de colores de los haces de radiación emitidos
por las capas de emisor de luz es necesario entonces que el espesor
del sustrato formado como vidrio dispersor se elija de tal manera
que los haces de radiación emitidos por las capas de emisor de luz
se superpongan, al menos parcialmente, sobre la superficie del lado
de salida de la luz del sustrato. El sustrato debe por lo tanto ser
al menos tan grueso como para que los haces de radiación
individuales que hay que mezclar experimenten, durante el paso a
través del sustrato, una propagación de dispersión suficiente.
Por consiguiente no se necesitan pasos de
enmascaramiento y estructuración complejos, como los que se conocen
de la microelectrónica, para fabricar un dispositivo de emisión de
luz electroluminiscente según la invención. Pueden estar previstas
unas extensiones laterales macroscópicas de las capas de emisor de
luz la cuales se pueden fabricar mediante medidas de estructuración
sencillas.
Un valor estándar para la resolución del ojo
humano conocido es 1 minuto de ángulo = 1/60 grados. Para una
distancia de contemplación de 1 m respecto de las capas de emisor de
luz esto corresponde a 0,29 mm. Si se adopta una distancia de
contemplación de 30 cm, entonces resulta una resolución de
aproximadamente 100 \mum. Como límite inferior con sentido para
dimensiones laterales de las capas de emisión de luz resolubles
todavía para el ojo humano se puede tomar, por consiguiente, un
valor de aproximadamente 100 \mum para la distancia lateral y/o la
anchura de las capas de emisor de luz en forma de tira.
Con respecto al espesor del sustrato formado como
vidrio dispersor éste debería ser mayor, preferentemente claramente
mayor, que la longitud de dispersión media para los haces de
radiación emitidos por las capas de emisor de luz en el vidrio
dispersor. Por longitud de dispersión se puede entender aquí, en una
definición algo simplificada, la longitud del recorrido libre medio
que un fotón de una frecuencia dada recorre antes de variar su
dirección a causa de una dispersión. Un vidrio dispersor con
propiedades dispersantes relativamente fuertes posee por
consiguiente una longitud de dispersión correspondientemente corta,
de manera que el espesor del vidrio dispersor puede ser
dimensionada correspondientemente más pequeño que en un vidrio
dispersor con propiedades dispersantes menos fuertes. Para llegar a
la superposición suficiente de los diferentes haces de radiación
debería jugar además para el espesor del vidrio dispersante un papel
la distancia de las capas de emisor de luz. Preferentemente, el
espesor del vidrio dispersor debería ser elegido, además del
criterio mencionado más arriba, al menos aproximadamente igual de
grande que la distancia de las capas de emisor de luz.
Las capas de emisor de luz están fabricadas al
mismo tiempo preferentemente, de forma en sí conocida, con
materiales orgánicos. Como se ha demostrado experimentalmente hace
poco se pueden separar para ello de tal manera materiales orgánicos
adecuados, que mediante dos electrodos que inyecten electrones o
huecos pueden entrar portadores de carga en las capas orgánicas y,
por consiguiente, se forma un diodo luminiscente orgánico
(OLED).
Están previstos dos o más tipos diferentes de
capas de emisor de luz con diferentes espectros de emisión, mediante
cuya mezcla se puede generar luz blanca. Puede estar previsto que a
ambos lados de las capas de emisor de luz se extiendan dos capas de
electrodo desestructuradas, de manera que las capas de emisor de luz
sean controladas permanentemente de forma conjunta. Sin embargo en
este caso no se puede tener en cuenta el hecho de que los diferentes
materiales orgánicos de las capas de emisor de luz están sometidos a
tiempos de envejecimiento diversos de manera que con el paso del
tiempo se pierde la impresión óptica de una fuente de luz blanca,
dado que una de las capas de emisor de luz pierde su intensidad
luminosa más rápidamente que las restantes.
Una forma de realización ventajosa preve por ello
que sobre un lado de las capas de emisor de luz esté dispuesto de
tal manera un gran número de electrodos que las capas de emisor de
luz con espectro de emisión diferente se puedan controlar por
separado unas de otras y las que tienen el mismo espectro de emisión
se puedan controlar conjuntamente. Por consiguiente, durante la
utilización se puede compensar correspondientemente la intensidad
luminosa perdida, en su caso por un tipo de capas de emisor de luz,
mediante una carga con una tensión aumentada. Independientemente de
esta problemática relativa a los tiempos de envejecimiento
diferentes de los materiales orgánicos, esta forma de realización se
puede utilizar para controlar, según deseos individuales, la
coloración de un dispositivo de iluminación formado por la fuente de
luz blanca, es decir, por ejemplo dentro del espectro de luz blanca
destacar más o menos la componente roja o azul del color.
En una forma de realización sencilla, la cual se
puede utilizar por ejemplo para LED de luz blanca de pequeño
formato, puede estar previsto que los espectros de emisión previstos
para la mezcla de luz sean representados únicamente en cada caso por
una capa de emisor de luz. Sin embargo, se pueden concebir también
unas formas de realización, en especial para dispositivos de
iluminación de gran superficie, en las cuales los espectros de
emisión estén representados en cada caso por un gran número de capas
de emisor de luz. Si las capas de emisor de luz están estructuradas
en forma de tira entonces las capas de emisor de luz pueden, en este
caso, estar dispuestas de acuerdo con su espectro de emisión en un
orden alternado.
Sin embargo, no es parte integrante necesaria de
la invención el que las capas de emisor de luz estén estructuradas
en forma de tiras. Las capas de emisor de luz pueden más bien estar
dispuestas también como capas laterales, puntuales o circulares,
unas junto a otras. En especial cuando las capas de emisor de luz
están formadas, en cuanto a sus espectros de emisión, por capas de
emisor de luz que emiten en rojo, verde y azul, las capas de emisor
de luz pueden estar dispuestas en forma de un triplete de colores,
formado por tres capas de emisor de luz en forma de puntos
circulares, como se conoce en sí de la técnica de pantallas de
imagen en color. En una forma de realización de este tipo se puede
tomar, con respecto al criterio de la resolubilidad con el ojo
humano, como límite inferior para el diámetro de las capas
circulares y/o para la distancia mutua entre sus puntos centrales
asimismo un valor de aprox. 100 \mum.
Una forma de realización ventajosa preve tres
tipos de capas de emisión de luz, cuyos espectros de emisión
esencialmente monocromáticos presentan en cada caso máximos en la
banda de longitudes de onda roja, verde y azul. Mediante la mezcla
de los tres colores complementarios se genera luz blanca, cuando es
emitida con la misma luminosidad por las capas de emisor de luz.
Sin embargo, puede estar previsto también
utilizar únicamente dos tipos de capas de emisor de luz, cuyos
espectros de emisión presenten en cada caso máximos en la banda de
longitudes de onda amarilla y azul, donde la capa de emisor de luz
amarilla debe ser ajustada con una intensidad luminosa más alta.
Asimismo se puede concebir la utilización de más
de tres tipos de capas de emisor de luz con espectros de emisión
diferentes, para hacer posible una adaptación lo más óptima posible
del espectro de luz blanca a la luz diurna.
A continuación se explica con mayor detalle, a
partir de las figuras, una forma de realización del dispositivo de
emisión de luz según la invención. En los dibujos, las figuras
muestran:
la Fig. 1 muestra una vista lateral o en sección
de una fuente de luz blanca según la invención;
la Fig. 2 muestra una vista superior sobre la
fuente de luz blanca de la Fig. 1.
En las Figuras está representada una forma de
realización que consta de tres capas emisor de luz que emiten con
colores diferentes. Las capas de emisor de luz están formadas por
LED orgánicos.
Sobre un sustrato 4 dispersor de luz el cual, por
ejemplo, puede estar formado por un vidrio opalescente o un sustrato
de material sintético con centros dispersores empotrados, se aplica
una primera capa de electrodo 7 transparente. La capa de electrodo 7
puede estar formada, por ejemplo, por una capa de ITO (óxido de
indio cinc).
A continuación se aplican sobre la primera capa
de electrodo 7, una tras otra, capas de emisor de luz 1, 2 y 3 en
forma de tira. La capas de emisor de luz 1, 2 y 3 constan en cada
caso de una secuencia de capas de materiales orgánicos dopados n y
p, de manera que dentro de la secuencia de capas se forma una
transición pn. Los materiales orgánicos están elegidos de tal manera
que la primera capa de emisor de luz 1 tiene un máximo de emisión
para una longitud de onda en la banda roja del espectro, la segunda
capa de emisor 2 tiene un máximo para una longitud de onda en la
banda verde del espectro y la tercera capa de emisor de luz 3 tiene
un máximo de emisión para una longitud de onda en la banda azul del
espectro.
Las capas de emisor de luz 1, 2 y 3 en forma de
tira se pueden percibir a simple vista sobre el sustrato 4 y
presentan, por ejemplo, una anchura de banda de aproximadamente 1
mm.
A título de ejemplo se ha representado el haz de
radiación emitido por la primera capa de emisor de luz 1. Para la
mezcla de colores y la generación de luz blanca es importante que la
propagación de dispersión lateral media de la luz emitida sea
claramente mayor que la anchura de las capas de emisor de luz en
forma de tira. Únicamente cuando se produce sobre la superficie del
lado de salida de la luz opuesta a las capas de emisor de luz del
sustrato 4 una superposición suficiente de los haces de radiación
emitidos por las capas de emisor de luz 1, 2 y 3 se percibe el
dispositivo de emisión de luz durante la utilización como fuente de
luz blanca por parte de un observador.
Sobre la superficie del lado posterior de las
capas de emisor de luz 1, 2 y 3 en forma de tira se aplican en cada
caso capas de electrodo 8. Sobre la totalidad de la estructura se
aplica, finalmente, una capa reflectante 5, la cual se ocupa de que
la luz emitida por las transiciones pn de las capas de emisor de luz
1, 2 y 3 en dirección hacia atrás sea reflejada hacia delante en
dirección hacia el sustrato 4. La capa reflectante 5 puede estar
realizada como capa metálica o dieléctrica. A continuación se pueden
tender alambres de suministro 6 (no representados en la Fig. 1)
hacia cada uno de los tres OLED y ser conectados en cada caso con
las capas de electrodo 8. A través de los alambres de suministro 6
los OLED pueden ser cargados con tensiones diferentes a partir de
fuentes de tensión, cuyo polo contrario común está conectado con la
primera capa de electrodo 7.
En el ejemplo de forma de realización mostrado
está representado cada tipo de emisión únicamente por una capa de
emisor de luz. Para el caso de que se desee una mayor luminosidad
y/o una mayor superficie de iluminación se pueden aplicar más tiras
de capas de emisor de luz en orden alternado de su tipo
espectral.
Claims (12)
1. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente, particularmente para su utilización como fuente
de luz blanca, que contiene:
- -
- un sustrato (4) transparente, formado como vidrio dispersor,
- -
- al menos una primera capa de electrodo (7) transparente aplicada sobre el sustrato (4),
- -
- el número de capas de emisor de luz (1, 2, 3) electroluminiscentes, las cuales están dispuestas lateralmente una junto a otra sobre la primera capa de electrodo (7) y a partir de cuya radiación de emisión se puede generar luz blanca mediante una mezcla de colores aditiva, y
- -
- al menos una segunda capa de electrodo (5), la cual está aplicada sobre las capas de emisor de luz (1, 2, 3),
caracterizado porque,
- -
- la extensión lateral y/o la distancia lateral de las capas de emisor de luz (1, 2, 3) miden al menos 100 \mum,
- -
- el vidrio dispersor es un vidrio opalescente o un sustrato de material sintético con unos centros dispersores empotrados y su espesor es mayor que la longitud de dispersión media de los haces de radiación que hay que mezclar de las capas de emisor de luz (1, 2, 3) y al menos es tan grande como la distancia de las capas de emisor de luz (1, 2, 3), de manera que
- -
- los haces de radiación emitidos por las capas de emisor de luz (1, 2, 3) se superponen, al menos parcialmente, sobre la superficie del lado de salida de la luz del sustrato (4).
2. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según la reivindicación 1, caracterizado
porque las capas de emisor de luz (1, 2, 3) están realizadas con
material orgánico.
3. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque una pluralidad de primeros y /o segundos
electrodos (7, 5) están dispuestos de tal manera que las capas de
emisor de luz (1, 2, 3) con espectro de emisión diferente se pueden
controlar por separado entre sí y aquéllas que tienen el mismo
espectro de emisión se pueden controlar conjuntamente.
4. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque los espectros de emisión proporcionados
están representados en cada caso únicamente por una capa de emisor
de luz (1, 2, 3).
5. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque los espectros de emisión proporcionados
son proporcionados en cada caso por un gran número de capas de
emisor de luz.
6. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque las capas de emisor de luz (1, 2, 3)
presentan forma de tira y están dispuestas paralelas entre sí.
7. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según una de las reivindicaciones 5 y 6,
caracterizado porque las capas de emisor de luz están
dispuestas de acuerdo con su espectro de emisión en orden
alternado.
8. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque presenta tres tipos de capas de emisor
de luz (1, 2, 3) cuyos espectros de emisión presentan en cada caso
máximos en la banda de longitudes de onda roja, verde y azul.
9. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según una de las reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado porque dos tipos de capas de emisor de luz
cuyos espectros de emisión presentan en cada caso máximos en la
banda de longitudes de onda amarilla y azul.
10. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque las capas de emisor de luz (1, 2, 3)
están provistas, sobre su superficie alejada del sustrato (4), de
una capa reflectante (5).
11. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según la reivindicación 10, caracterizado
porque la segunda capa de electrodo sirve al mismo tiempo como capa
reflectante.
12. Dispositivo de emisión de luz
electroluminiscente según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque la primera capa de electrodo (7) es una
capa de ITO aplicada sobre el sustrato (4).
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