WO2007059945A1 - Licht emittierendes bauteil - Google Patents

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WO2007059945A1
WO2007059945A1 PCT/EP2006/011201 EP2006011201W WO2007059945A1 WO 2007059945 A1 WO2007059945 A1 WO 2007059945A1 EP 2006011201 W EP2006011201 W EP 2006011201W WO 2007059945 A1 WO2007059945 A1 WO 2007059945A1
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light
layer region
electrode
emitting
emitting layer
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Ansgar Werner
Martin Vehse
Philipp Wellmann
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NovaLED GmbH
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Definitions

  • All of these components have the common feature that organic components emitting red, green and blue light are arranged side by side on a common substrate.
  • the driver electronics required for displays can already be integrated on the substrate; in any case, prestructured contacts must be provided for the individual OLED pixels and leads are formed on the substrate. Different organic layers having different functions are deposited on this base contact of each pixel and a second contact is subsequently applied thereto.
  • the substrate material it is not necessary for the top emitting OLED that the substrate material be transparent.
  • the material applied to the substrate material should brought electrode to be highly reflective.
  • a transparent or semi-transparent electrode for example a layer of ITO or a thin metal layer, is applied to the subsequent organic layers.
  • the individual stacks of organic layers in the organic components must be matched to the respective emission color.
  • the stack of organic layers for the red, green and blue OLEDs should differ only in one layer.
  • the thicknesses of the remaining layer regions outside the light-emitting layer region namely for the electron-transporting and the hole-transporting layer region, are the same for all organic components. This simplifies the production of the component based on organic components, since complex masking steps are only necessary for the deposition of the light-emitting layer region, but not for the other functional layers in the respective stack of organic layers.
  • Stack of organic layers between the emission zone and the surface of the electrode / counter electrode facing the light-emitting layer region changes from the dielectric electrode material, where ⁇ (min) ⁇ n " ⁇ n (max).
  • the light-emitting layer regions for organic components which emit light of different colors can each be formed on the basis of a matrix material which is transporting holes and / or electrons.
  • ii d i e be the real part of the refractive index for the dielectric electrode.
  • the phase jump of the light wave generated in the light-emitting region is between 0 and ⁇ / 2 in the case of reflection at the dielectric electrode, In this case constructive interference occurs in a distance region L d between the emission zone and the surface of the dielectric electrode facing the stack of organic layers, which can be described as follows:
  • n ⁇ rg is the real part of the refractive index of the organic layer area at the emission wavelength ⁇ max is, the side facing between the emission zone and the organic layers of the stack surface of the dielectric electrode.
  • the stack of organic layers is deposited on a glass substrate with a 90 nm thick ITO base contact.
  • Typical penetration depths in the Al cover contact used as an electrode are about 30 nm. This results in the following distance ranges of the emission zone to ITO electrode and the metal electrode using the relationships given above: -
  • the emission zone in the layer arrangement of the organic device for generating red light with an emission maximum at 620nm must be a distance to ITO electrode between 50nm and 120nm and have a distance to the metal electrode between 55nm and 100nm.
  • a uniform thickness can now be defined in one component for both the electron-transporting layer region and the hole-transporting layer region for all bottom-emitting OLEDs which emit light in the three primary color regions, and then the microcavity can be optimized by means of suitable selection of the light-emitting layer, in which example a 90 nm thick ITO base contact is formed.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a layer arrangement for an organic light-emitting diode
  • 2a shows a graph of the standardized luminance in the form of percentage height lines for a blue bottom-emitting OLED as a function of a thickness of an electron-transporting layer region and a thickness of a hole-transporting layer region;
  • 2b shows a graph of the normalized luminance in the form of percentage contour lines for a green bottom-emitting OLED as a function of the thickness of the electron-transporting layer region and the thickness of the hole-transporting layer region;
  • 2 c shows a graph of the normalized luminance in the form of percentage contour lines for a red bottom-emitting OLED organic layer in dependence speed of the thickness of the electron-transporting layer region and the thickness of the hole-transporting layer region;
  • Fig. 4b is a plot of relative current efficiency for a pin type green organic light emitting diode at 100 cd / m 2 and 1000 cd / m 2 ;
  • FIG. 1 is a schematic representation of a layer arrangement 100 for an organic light-emitting diode which includes a substrate 110, a base electrode 120 arranged thereon, a layer region 130 transporting a charge carrier, a light-emitting layer region 140 having an emission zone 141, a further layer region 150 transporting a charge carrier Cover electrode 160 includes.
  • 2a, 2b and 2c show a graph of the luminance in the form of contour lines for a blue, green or red light-emitting layer in a bottom-emitting OLED as a function of a thickness of an electron-transporting layer region and a thickness of a hole-transporting layer region ,
  • FIG. 2 a shows the normalized luminances for a blue bottom emitting OLED as percentage contour lines, wherein the stack of organic layers is arranged between an ITO electrode and an aluminum electrode. Furthermore, the area given by the above-described formation rule is shown as a dotted line. It turns out that the emission zone must have a distance of 20 nm to 80 nm to the ITO electrode and 30 to 75 nm to the aluminum electrode in order to achieve 90% of the maximum luminance.
  • the material of the stack of organic layers in the layer area between the emission zone and the ITO electrode is hole transporting and the material of the organic layer stack in the layer area between the emission zone and the aluminum electrode is electron transporting.
  • the thickness of the light-emitting layer must be taken into account in the distance measurement to the aluminum electrode. With a 15 nm thick light-emitting layer, an optimum thickness of the electron-transporting layer region of 35 nm and an optimum thickness of the hole-transporting layer region of 75 nm are obtained.
  • the thicknesses of the charge carrier transport layers are subsequently kept constant for the red or green light-emitting organic components.
  • the thickness and the charge carrier transporting property, namely electron transporting or hole transporting formation, of the respective red and green light emitting layer is varied to tune the microcavity to the respective color to achieve at least 90% of the maximum luminance.
  • hole-transporting materials for the light-emitting layers are used instead of the electron-transporting light-emitting materials, another microcavity with different layer thicknesses has to be used in order to achieve the maximum luminance for the three emitter systems and satisfactory color coordinates in the blue.
  • the selected microcavity, the respective thickness of the light-emitting layer (d E - L ), the charge carrier transport property (LTE), the calculated color coordinates and percent of normalized luminances are listed in Table 1 below.
  • the data relate to a bottom-emitting OLED in various designs with a 90nm thick ITO ground electrode and a 100 nm thick aluminum cover electrode.
  • ETL and HTL denote the thickness of an electron transport layer and a hole transport layer in the stack of organic layers.
  • the optimization is carried out by varying the thickness of the light-emitting layer with different charge carrier transport properties and using double-layered light-emitting layers.
  • a common thickness for both the electron transport layer and the hole transport layer can now be defined as top emitting OLEDs in a component that emit blue, green, or red light, so that subsequently the microcavity can be optimized by suitably selecting the thickness of the respective light-emitting layer and its charge carrier transport property.
  • Typical penetration depths into the aluminum base electrode are about 30nm, and for the Cr cover electrode, the value is about 55nm. For reasons of standardization, the depth of penetration into the bulk material is used when calculating the penetration depth into the thin Cr cover electrode, even if this contact is only 20 nm thin.
  • the normalized luminances of the three primary colors can now be calculated as a function of the distance to the respective electrodes.
  • the normalized luminances are shown in the form of percentage contour lines.
  • the limit values for the thickness of the hole-transporting region and the thickness of the electron-transporting region resulting from the above-described constitutional law are shown as a dotted line.
  • the thickness of the light-emitting layer for the distance to the aluminum electrode must be taken into account.
  • an optimum thickness for the electron transport layer, including any further organic layers on this side of the emission zone, of 35 nm and an optimum thickness for the hole transport layer, including any further organic layers on this side of the emission zone from 50nm.
  • the thicknesses of the charge carrier transport layers are again kept constant for the red light emitting device and the green light emitting device, and the red and green light emitting layers are varied to tune the microcavity to the particular color at least 90% of the maximum luminance can be achieved.
  • a glass substrate coated with ITO is first of all structured and cleaned.
  • the thickness of the ITO layer serving as an electrode is about 90 nm with a sheet resistance of about 20 ⁇ / sq.
  • Subsequent layers were applied successively by thermal evaporation in vacuo, whereby the vacuum was not broken. The following layers were applied:
  • Electron transport layer 6) 1 OOnm aluminum as a cathode;
  • red-l, 3,5-tri (phenyl-2-benzimidazole) -benzene tris (1-phenylisoquinoline) iridium (III) (TPBI: ADS068RE) / 45 nm (electron transporting ); Green - TPBI: Ir (ppy) 3/25 nm (electron-transporting) and blue - 9,10-bis (9,9-spiro bifluoren-2-yl) anthracene (S-ANT) / 20 nm (electron transporting ).
  • FIG. 4a shows the relative current efficiency for a red pin OLED.
  • Transport layer for a layer thickness of 75 nm for the Löchertransp ⁇ rt Anlagen and 35nm for the Elektroncn- results in 95.6% and 94.0% of the maximum current efficiency of 100 cd / m 2 and 1000 cd / m 2.
  • FIG. 4b shows the relative current efficiency for a green pin OLED. With a layer thickness of 75 nm for the hole transport layer and of 35 nm for the electron transport layer for maximum current efficiency, values of 94.7% and 94.5% are obtained.
  • FIG. 4c shows the relative current efficiency for a blue pin OLED.
  • maximum current efficiencies 98.1% and 96.5% for 100 cd / m 2 and 1000 cd / m 2 are achieved.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Licht emittierendes Bauteil, insbesondere auf eine Anzeige- oder Beleuchtungseinrichtung, mit mehreren organischen Bauelementen, die Licht unterschiedlicher Farbe aussendend gebildet sind. Jedes organische Bauelement umfasst eine E-lektrode, eine Gegenelektrode und einen Stapel organischer Schichten mit einem Löcher transportierenden Schichtbereich und einem Elektronen transportierenden Schichtbereich, welche jeweils für alle der mehreren organischen Bauelemente gleiche Dicken aufweisen, sowie einem Licht emittierenden Schichtbereich. Der Licht emittierende Schichtbereich umfasst eine Emissionszone, welche zu einer Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode einen Abstand aufweist, der für alle organischen Bauelemente in einem Schichtdickenbereich liegt. Der Schichtdickenbereich ist abhängig vom Material der Elektrode / Gegenelektrode, von einer Emissionswellenlänge eines Intensitätsmaximums eines Photolumineszenzspektrums des Licht emittierenden Schichtbereiches und vom Brechungsindex bei der Emissionswellenlänge für einen Bereich des Stapels organischer Schichten zwischen der Emissionszone und der dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode. Ist die Elektrode / Gegenelektrode aus einem dielektrischen Elektrodenmaterial, so hängt der Abstand ferner von der Dicke des dielektrischen Elektrodenmaterials und von dessen Brechungsindex bei der Emissionswellenlänge ab.

Description

Licht emittierendes Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Licht emittierendes Bauteil, insbesondere Anzeige- oder Beleuchtungseinrichtung, mit mehreren organischen Bauelementen, die Licht unterschiedlicher Farbe aussendend gebildet sind.
Stand der Technik
Organische Bauelemente, insbesondere in Form organischer Leuchtdioden, die auch als OLEDs (OLED - „Organic Light Emitting Diode") bezeichnet werden, gewinnen in den letzten Jahren verstärkt an Aufmerksamkeit aufgrund ihres hohen Potentials für Anwendungen im Bereich der Beleuchtung und der Displaytechnologie. Hierbei sind unterschiedliche Aspekte organischer Leuchtdioden von Bedeutung, unter anderem ihr Potential für hohe Leistungseffizienzen, ihre brillanten Farben, der starke Hell-Dunkel-Kontrast, schnelle Schaltzeiten und große Füllfaktoren um nur einige Vorteile gegenüber der bisher verbreiteten LCD- Technologie zu nennen. Insbesondere bieten OLEDs in der Display- oder Anzeigetechnologie grundsätzlich neue Ansätze und Möglichkeiten bei der Realisierung von Aktiv- und Passivmatrixanzeigen.
Weiterhin bietet die Kombination von roten, grünen und blauen OLEDs die Basis für eine ganze Anzahl von Bauelementen. So kann beispielsweise mittels linienfÖrmiger Anordnung von OLEDs in den drei Grundfarben und der Verwendung einer Streuscheibe eine Lichtquelle mit einstellbarer Farbe hergestellt werden (siehe EP 1 425 803 Al, DE 101 45 492 Al). Mit Hilfe der individuellen Einstellung der Helligkeit der unterschiedlichen Grundfarben kann jede beliebige Farbe, die im durch die Grundfarben aufgespannten CIE Farbdreieck liegt, erzeugt werden. Neben der Verwendung der OLED als Flächenstrahler zur Beleuchtung, wird jedoch das Hauptverwendungsgebiet der OLED nach wie vor die Realisierung von vollfarbigen organischen Displays / Anzeigen gesehen.
Alle diese Bauelemente haben die Gemeinsamkeit, dass organische Bauelemente, die rotes, grünes und blaues Licht emittieren, nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden. Auf dem Substrat kann die für Displays notwendige Treiberelektronik bereits integriert sein, auf jeden Fall müssen für die einzelnen OLED-Pixel vorstrukturierte Kontakte und Zuleitungen auf dem Substrat gebildet sein. Auf diesen Grundkontakt eines jeden Pixels werden unterschiedliche organische Schichten mit verschiedenen Funktionen abgeschieden und im Anschluss daran ein zweiter Kontakt aufgebracht.
Die Abstimmung des Stapels organischer Schichten auf die Wellenlänge des zu emittierenden Lichts der OLED hat einen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz der jeweiligen OLED. Eine falsche Wahl der organischen Schichtdicken führt dazu, dass die Lage einer Emissionszone, nämlich des Bereiches, in welchem die Ladungsträger (Elektronen, Löcher) unter Abgabe von Licht rekombinieren, nicht auf eine Mikrokavität, d.h. den Abstand zwischen zwei, reflektierenden Grenzflächen zwischen denen der Stapel organischer Schichten angeordnet ist, abgestimmt ist. Die Emissionszone ist innerhalb eines Licht emittierenden Schichtbereiches des Stapels organischer Schichten gebildet. Generell findet die Lichtemission nicht homogen über die Licht emittierende Schicht verteilt statt, sondern je nach Ladungsträgergleichgewicht, in der schmalen Emissionszone. Aufgrund einer falschen Wahl der Mikrokavi- tat kann sich eine Verschlechterung der Auskopplung des erzeugten Lichtes ergeben, was wiederum zu drastische Einbußen in der Effizienz des organischen Bauelementes führt und das gewählte Lumineszenzspektrum verfälschen kann.
Es lassen sich prinzipiell zwei unterschiedliche Bauformen von OLEDs unterscheiden: So genannte „top-emittierende" und „bottom-emittierende" OLEDs. Bei den bottom-emittieren- den OLEDs strahlt das von der OLED emittierte Licht durch ein transparentes Substrat hindurch, auf welches das organische Bauelement aufgebracht ist. Bei top-emittierenden OLEDs strahlt das emittierte Licht in die vom Substrat abgewandte Richtung.
Eine typische Bauform der bottom-emittierenden OLED besteht aus einem transparenten Substratmaterial, zum Beispiel Glas, das mit einer transparenten oder semitransparenten Elektrode, die beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) besteht, beschichtet wird. Darauf werden die organischen Schichten abgeschieden, und anschließend wird eine reflektierenden Elektrode aufgebracht, die insbesondere als Metallschicht aus Al, Au, Ag, Mg, oder dergleichen ge- bildet wird.
Bei der top-emittierenden OLED ist es nicht notwendig, dass das Substratmaterial transparent ist. Um eine möglichst hohe Effizienz zu erzielen, sollte die auf das Substratmaterial aufge- brachte Elektrode hoch reflektierend sein. Auf die darauf folgenden organischen Schichten ist eine transparente oder semitransparente Elektrode, beispielsweise eine Schicht aus ITO oder eine dünne Metallschicht, aufgebracht.
Die organischen Schichten erfüllen unterschiedliche Funktionen, die zum Betrieb des organischen Bauelementes erforderlich sind. Sie dienen als Injektions- und Transportschichten für Ladungsträger, nämlich Elektronen und Löcher. In der Emissionszone in einem Licht emittierenden Schichtbereich wird durch Rekombination der Ladungsträger unter Aussendung von Photonen Licht erzeugt.
Zwei unterschiedliche organische Schichten sind die Minimalanforderung für eine OLED, bei der die Emissionszone an eine bestimmte Position im Stapel organischer Schichten geschoben werden kann. In diesem Fall finden die Injektion und der Transport von Ladungsträgern einer Polarität, sowie die Lichtemission in jeweils einer Schicht statt. In technisch anspruchsvolle- ren organischen Bauelementen werden diese Aufgaben von unterschiedlichen Schichten übernommen, um die Ladungsträgertransportschichten und die Licht emittierende Schicht getrennt voneinander optimieren zu können. Besonders im Falle von dotierten Transportschichten ist es vorteilhaft, weitere Zwischenschichten zwischen Transport- und Emissionsschicht einzufügen, um verschiedene nichtstrahlende Rekombinationsmöglichkeiten auszuschließen und so die Effizienz zu verbessern (DE 100 58 578 C2).
Es ist bekannt, dass bei einem RGB-System (RGB - Rot-Grün-Blau) die einzelnen Stapel organischer Schichten in den organischen Bauelementen auf die jeweilige Emissionsfarbe abgestimmt werden müssen. Hierbei ist es wünschenswert, die Schichtdicken möglichst vieler Schichten im jeweiligen Stapel organischer Schichten der unterschiedlich farbigen OLEDs gleich auszuführen, um sich unnötige Maskenschritte bei der Prozessierung zu ersparen. Im Idealfall sollte sich der Stapel organischer Schichten für die rote, grüne und blaue OLED nur in einer Schicht unterscheiden.
Ein möglicher Ansatz hierfür ist eine Vorstrukturierung des Substrates, bei der eine zusätzliche Zwischenschicht als Abstandhalter auf das Substrat aufgebracht wird (US 5,554,91 1 B2). Hieraus resultiert jedoch eine umständliche Prozessierung des Substrats und eine unebene Grundfläche, was zu Problemen bei der Display- / Anzeigen-Fertigung fuhren kann. Der am häufigsten verwendete Ansatz ist es, die Dicke der Transportschichten zu variieren und somit die Emissionszone an die optimale Position zu schieben. Hierdurch kann neben einer Effizienzsteigerung auch eine Verbesserung der Farbreinheit erzielt werden (US 2003 / 0075714 Al). Dies gewährleistet zwar eine ideale Abstimmung der Mikrokavität auf das E- missionsspektrum, hat aber den Nachteil, dass für jede Farbe ein anderer Stapel organischer Schichten gewählt werden muss. Da dies in der Displayproduktion sehr aufwendig ist, muss dann doch auf eine gemeinsame optische Mikrokavitätslänge für alle drei Grundfarben zurückgegriffen werden, bei der ein vertretbarer Kompromiss für die einzelnen Farben erzielt wird, wie in dem Dokument EP 1 154 676 Al vorgeschlagen wird.
Oft wird als Kompromiss auch eine zusätzliche Zwischenschicht eingefügt, mit der die Mikrokavität so gut wie möglich auf die jeweilige Emissionsfarbe abgestimmt wird. Auch dies setzt wieder einen zusätzlichen Maskierungsschritt voraus. Bei dieser Zusatzschicht kann es sich sowohl um zusätzliche Injektions-, Transport- oder Emitterschichten handeln (US 5,554,911 B2, US 6,541,130 B2 oder US 6,861 ,800 B2).
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Vereinheitlichung des OLED-Stapels dadurch zu erreichen, dass nicht drei unterschiedliche Emittermaterialien in dem jeweiligen Licht emittieren- den Schichtbereich für die Grundfarben verwendet werden, sondern für die unterschiedlichen Farbpixel einheitliche, spektral breitbandige Emittermaterialien zu wählen und die farbliche Selektion lediglich mittels Abstimmung der Mikrokavität mit Hilfe einer Zusatzschicht auszuführen (US 5,554,91 1 B2 oder US 6,861 ,800 B2)
In den meisten Fällen wird jedoch versucht, das Problem dadurch zu umgehen, dass bei einem RGB-System nur der Stapel organischer Schichten für die Farbe mit der geringsten Effizienz optimiert wird. Zu Verminderung der Effizienzverluste, die sich bei dieser Struktur für die beiden anderen Farben ergeben, wird dann versucht, diese mittels einer zusätzlichen Auskopplungsschicht außerhalb des organischen Bauelementes zu minimieren. Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Licht emittierendes Bauteil mit mehrerer organischen Bauelementen, die Licht unterschiedlicher Farbe aussendend gebildet sind, zu schaffen, bei dem für verschiedenfarbige organische Bauelemente eine hohe Effizienz der Lichterzeugung und der Lichtauskopplung erreicht ist und welches mit verminderten Aufwand herstellbar ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch ein Licht emittierendes Bauteil nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelost
Die Erfindung umfasst den Gedanken, ein Licht emittierendes Bauteil mit mehrerer organischen Bauelementen vorzusehen, die Licht unterschiedlicher Farbe aussendend gebildet sind, wobei die mehreren organischen Bauelemente jeweils einen zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode angeordneten Stapel organischer Schichten aufweisen, welcher einen Locher transportierenden Schichtbereich, einen Elektronen transportierenden Schichtbereich und einen zwischen dem Locher transportierenden und dem Elektronen transportierenden Schichtbereich gebildeten Licht emittierenden Schichtbereich umfasst, eine Dicke des Locher transportierenden und eine Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches die jeweils für alle der mehreren organischen Bauelemente gleich ist, und der Licht emittierende Schichtbereich eine Emissionszone umfasst,
und wobei
a) für einen Abstand LM zwischen der Emissionszone und einer dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberflache der Elektrode / Gegenelektrode für alle der mehreren organischen Bauelemente gilt
LM < LMmax = Lmet + 0 1 * Lmet
LM ^* LMΠHΠ = (Lmet - Lpen) ~ 0 1 (Lmet - Lpen)
mit Lpen = ln( 100) * λmax / (4π * kmet) Lmel = (m + l / 2) * λmax / (2 O m = 0, l, 2, ...,
wenn die Elektiode / Gegeneiektrode aus einem metallischen Elektrodenmaterial ist, wo- bei λmax die Emissionswellenlänge eines Intensitätsmaximums eines Photolumins- zenzspektrums für den Licht emittierenden Schichtbereich, n^r, der Realteil des Brechungsindex bei der Emissionswellenlänge λmax für einen Bereich des Stapels organischer Schichten zwischen der Emissionszone und der dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode aus dem metallischen Elektro- denmaterial und kmet der Imaginärteil des Brechungsindex des metallischen Elektrodenmaterials bei der Emissionswellenlänge λmax sind;
und wobei weiterhin
b) für ein Abstand LQ zwischen der Emissionszone und der dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode für alle der mehreren organischen Bauelemente gilt:
LD < Lomax = Lp./2 + (λmax/(π*555nm) * Lpi/2 LD > Lomm = L0 - (λmax/(π*555nm) * L0
mit Lo = ((m+1 ) * λmax / 2 - Ldie * iW / no D rg
L pi/2 = (m+ l / 2) * λmax / (2 * no D rg), m = 0, 1, 2, ...,
wenn die Elektrode / Gegenelektrode aus einem dielektrischen Elektrodenmaterial ist, wobei Ldie eine Schichtdicke der dielektrischen Elektrode / Gegenelektrode, n^e der Realteil des Brechungsindex bei der Emissionswellenlänge λmax für das dielektrische Elektrodenmaterial und n^rg der Realteil des Brechungsindex bei der Emissionswellenlänge λmax für einen Bereich des Stapels organischer Schichten zwischen der Emissionszone und der dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode aus dem dielektrischen Elektrodenmaterial sind. Mit der Erfindung ist die Möglichkeit geschaffen, mittels definierter Abstimmung der Schichtdicke des Licht emittierenden Schichtbereiches eine Optimierung der Lichtauskopplung für verschiedenfarbige organische Bauelemente zu erzielen, insbesondere rote, grüne und blaue OLED-Strukturen. Es wird die Lichtauskopplung für Anzeige- oder Beleuchtungsanwendungen für alle implementierten Farben optimiert, ohne dass eine weitere Auskopplungsmaßnahme außerhalb des jeweiligen Stapels organischer Schichten hierbei erforderlich ist. Die Dicken der restlichen Schichtbereiche außerhalb des Licht emittierenden Schichtbereiches, nämlich für den Elektronen transportierenden und den Löcher transportierenden Schichtbereich, sind für alle organischen Bauelemente gleich. Dies vereinfacht die Herstellung des auf organischen Bauelementen basierenden Bauteils, da aufwendige Maskierungsschritte nur für die Abscheidung des Licht emittierenden Schichtbereiches notwendig sind, nicht aber für die anderen Funktionsschichten im jeweiligen Stapel organischer Schichten.
Der Licht emittierende Schichtbereich kann Elektronen und / oder Löcher transportierend ausgeführt sein, indem ein oder mehrere Materialien verwendet werden, die als Ladungsträger Elektronen und / oder Löcher transportieren.
Bei einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der maximale Abstand LMmax unter Verwendung eines niedrigsten Brechungsindex «^ (min) für den Stapel organischer Schichten und der minimale Abstand LMmin unter Verwendung eines höchsten Brechungsindex n% (max) für den Stapel organischer Schichten wie folgt ermittelt werden:
LM < LMmax = (m + 1 / 2) * λmax / (2 * no M rg (min)) + 0.1 * (m + l / 2) * λmax/ (2 * /ι£_(min)), m = 0, 1, 2, ...,
LM > LMmin = ((m + 1 / 2) * λmax / (2 * n"rg (max)) - Lp6n)
- 0.1 * ((m + 1 / 2) * λmax / (2 * nlg (max)) - Lpen)
mit Lpen = ln( 100) * λmax / (4π * kmet), wenn sich der Brechungsindex n bei der Emissionswellenlänge λmax für den Bereich des
Stapels organischer Schichten zwischen der Emissionszone und der dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode aus dem metallischen Elεktrodεnmaterial ändert, wobei «^ (min) < n" < nζ' (max) gilt.
Bei einer weiteren Fortbildung kann vorgesehen sein, dass der maximale Abstand Lomax unter Verwendung eines niedrigsten Brechungsindex n^ (min) des Stapels organischer Schichten und der minimale Abstand LDmin unter Verwendung eines höchsten Brechungsindex n^rg
(max) für den Stapel organischer Schichten wie folgt ermittelt werden:
LD < Lomax = Lpi/2 + (λmax/(π*555nm) * Lpi/2 L0 > LDmin = L0 - (λmax/(π*555nm) * L0
mit L0 = ((m+1) * λmax / 2 - Ldie * ndie) / no D r% (max) Lpi/2 = (m+ 1 / 2) * λmax/ (2 * /i^ (min)), m = 0, 1, 2, ...,
wenn sich der Brechungsindex n°g bei der Emissionswellenlänge λmax für den Bereich des
Stapels organischer Schichten zwischen der Emissionszone und der dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode aus dem dielektri- sehen Elektrodenmaterial ändert, wobei «^ (min) < n„ < n^ (max) gilt.
Um eine möglichst große Flexibilität bei der Optimierung der Schichtdicken des Elektronen transportierenden Schichtbereiches und des Löcher transportierenden Schichtbereiches zu erhalten, kann eine Fortbildung der Erfindung vorsehen, den Elektronen transportierenden Schichtbereich und / oder den Löcher transportierenden Schichtbereich vollständig oder teilweise aus dotierten Schichten zu bilden. Die Dotierung erhöht die Leitfähigkeit eines dotierten Teils der jeweiligen Schichtbereiche, derart, dass bei Variation der Schichtdicke eines dotierten Teils die zum Ladungsträgertransport benötigte Spannung nicht oder nur unwesentlich erhöht wird. Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, die Menge des abgestrahlten Lichts mit Hilfe weiterer Maßnahmen zusätzlich gesteigert werden, beispielsweise mittels einer oder mehrerer Auskoppel schichten auf dem Substrat und / oder einer transparenten Deckelektrode. Vorteilhaft werden die hierfür benötigten zustätzlichen Strukturen ebenfalls für die verschie- denen, Licht unterschiedlicher Farbe aussendenden Bauelemente in jeweils gleicher Art ausgeführt.
Sowohl für die bottom- als auch für die top-emittierende OLED wird mittels der beiden Elektroden, die den Stapel organischer Schichten einschließen, eine Mikrokavität gebildet. Dies lässt sich mittels bloßer Betrachtung der Variation des Brechungsindex in den einzelnen Schichten verstehen. Die optische Länge dieser Mikrokavität ist im Regelfall kürzer als die Wellenlänge des im Licht emittierenden Schichtbereich erzeugten Lichtes und auch kürzer als die Kohärenzlänge. Aus diesem Grunde spielen durch den Schichtstapel verursachte Interferenzeffekte bei der Ausbreitung und der Auskopplung des Lichtes eine entscheidende Rolle. Auch wenn in Ausnahmefällen die optische Länge der Mikrokavität größer als die Wellenlänge des emittierten Lichts ist, kann Interferenz auftreten.
Die Vorteile der Erfindung ergeben sich auch, wenn das Bauteil neben den organischen Bauelementen, die gemäß den obigen Definitionen gebildet sind, zusätzlich organische Bauele- mente umfaßt, für die die Lage der Emissionszone nicht erfüllt sind. Bei dem Bauteil weisen jedoch weiterhin alle organischen Bauelemente eine einheitliche Dicke des Löcher transportierenden und eine einheitliche Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches auf, wobei sich diese beiden Dicken selbstverständlich unterscheiden können.
Wenn die Emissionszone an der Grenze des Licht emittierenden Schichtbereiches zu dem Elektronen transportierenden Schichtbereiche gebildet ist, entspricht die Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches der Dicke, die sich aus der Elektrontransportschicht und weiteren Schichten benachbart zu der Elektrontransportschicht ergibt. In gleicher Weise entspricht die Dicke des Löcher transportierenden Schichtbereiches der Dicke, die sich aus der Löchertransportschicht und weiteren Schichten benachbart zu der Löchertransportschicht ergibt, wenn die Emissionszone an der Grenze des Licht emittierenden Schichtbereiches zu dem Löcher transportierenden Schichtbereiche gebildet ist. Für ein Emittermaterial, welches Licht einer bestimmten Wellenlänge emittiert, gibt es hinsichtlich der Effizienz der Lichtverwertung durch Lichtauskopplung eine optimale Position der Emissionszone innerhalb des Licht emittierenden Schichtbereiches. Allein durch die Position der Emissionszone wird die Abstrahlcharakteristik des organischen Bauelementes opti- miert und so möglichst viel Licht ausgekoppelt, was zu einer signifikanten Effizienzverbesserung im Vergleich zu einem nicht optimierten Bauelement führt. Der jeweilige optimale Aufbau der Schichten hängt vom Reflexionsvermögen, der Absorption und den Brechungsindizes der Materialien der Elektroden, des Substrats und der einzelnen Schichten im Stapel organischer Schichten sowie von dem Spektrum des mittels Ladungsträgerrekombination erzeugten Lichtes ab. Daraus ergibt sich, dass der Aufbau des Schichtstapels und die optimale Position der Emissionszone in der Mikrokavität für unterschiedlich organische Bauelemente, welche Licht der drei Grundfarben emittieren, verschieden sind.
Mit Hilfe der Transfermatrix-Theorie (siehe O. S. Heavens: Optical Properties of Thin Solid Films, Dover Publications Inc., 1991) lassen sich optimalen Abstände der Emissionszone zu den beiden Elektroden für alle organischen Bauelemente ermitteln, die Licht unterschiedlicher Farben emittieren. Als Beispiel sei hier die optimale Position der Emissionszone für rote, grüne und blaue bottom-emittierende OLEDs auf Glassubstraten mit einem 90nm dicken Grundkontakt aus ITO und einer lOOnm dicken Metallelektrode aus Aluminium angeführt: Bei ei- nem rotem Emittermaterial mit einem Emissionsmaximum bei 620nm sollte die Emissionszone einen Abstand von 85nm zur ITO Schicht und von 75nm zum Metallkontakt haben. Bei einem grünen Emittermaterial mit einem Emissionsmaximum bei 51 1nm sollte die Emissionszone einen Abstand von 60nm zur ITO-Schicht und von 65nm zum Metallkontakt haben. Bei einem blauen Emitter mit einem Emissionsmaximum bei 450nm sollte die Emissionszone einen Abstand von 50nm oder 195nm (2. Maximum) zur ITO-Schicht und von 60nm (1. Maximum) zum Metallkontakt haben.
Eine zusätzliche Komplikation ergibt sich bei dem blauen Emittermaterialien dadurch, dass die erzielte Leuchtdichte für die oben genannten Abstände zwar optimal ist, die Farbkoordina- ten jedoch stark ins Grüne schieben (x > 0.16; y > 0.20). Die Ursache hierfür ist die zunehmende Empfindlichkeit des menschlichen Auges beim Verschieben des Lichtspektrums in Richtung von 550nm aufgrund des Einflusses der Mikrokavität. Für viele Anwendungen wird jedoch eine gesättigte Blaukomponente benötigt. Deutlich bessere Farbkoordinaten (x=0.14; y=0.20), bei vertretbaren Effizienzeinbußen, ergeben sich bei einem Abstand von 35nm oder 160nm (2. Maximum) zur ITO-Schicht und von 60nm zum Metallkontakt.
Die Erfindung ermöglicht in einer Ausführungsform eine einfache Produktion von vollfarbi- gen OLED-Displays oder -Beleuchtungseinrichtungen, bei denen die roten, grünen und blauen organischen Bauelemente aus den selben Materialien und mit den selben Schichtdicken hergestellt sind. Damit die gewünschte Farbe des einzelnen Pixel realisiert werden kann, muss lediglich das Material der Licht emittierenden Schicht variiert werden. Das bedeutet, dass eine Maskierung der unterschiedlich Farbpixel lediglich während der Herstellung der drei Licht emittierenden Schichten notwendig ist, während die restlichen organischen Schichten ohne separate Maskierungsschritte mit einem hohen Durchsatz hergestellt werden können. Hierbei kann dann auch die Schichtdicke der Licht emittierenden Schicht für die jeweilige Farbe an- gepasst werden.
Beispielsweise wird eine Mischschicht aus 4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine (TCTA) und tris(2-phenylpyridine) iridium (Ir(ppy)3). die als grüne Licht emittierende Schicht verwendet werden kann, vorzugsweise Löcher transportieren, d.h. die Licht emittierende Schicht ist Löcher transportierend gebildet, während eine grüne Licht emittierende Schicht aus Tris- (8-hydroxyquinolin) Aluminium (AIq) ausschließlich Elektronen leitende Eigenschaften hat, d.h. die Licht emittierende Schicht ist Elektronen transportierend gebildet. Für die Lage der Emissionszone innerhalb der Licht emittierenden Schicht bedeutet dies, dass die Ladungsträgerrekombination im ersten Fall (TCTA) im Bereich der Grenzschicht zum Elektronen transportierenden Schichtbereich liegt und im zweiten Fall (AIq) im Bereich der Grenzschicht zum Löcher transportierenden Schichtbereich stattfinden wird. Hierdurch kann mit der richtigen Wahl der Ladungsträgertransporteigenschaft und der Dicke der Licht emittierenden Schicht die Rekombinationszone der Ladungsträger, nämlich die Emissionszone, an die optimale Position im Stapel organischer Schichten geschoben werden und so die Lichtauskopplung aus der Mikrokavität auf die jeweils gewünschte Farbe abgestimmt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Abstimmung der Emissionszone auf die Mikrokavität bietet der Einsatz einer Kombination von vorzugsweise Löcher und vorzugsweise Elektronen transportierenden Licht emittierenden Schichten (DE 102 24 021 Al, EP 1 508 176 A2). Wird von den oben erwähnten optimalen Positionen der Emissionszone in der Mikrokavität ausgegangen, so hätte das im Regelfall extrem dicke Licht emittierende Schichten zur Folge. Weiterhin lässt sich die Löchertransportschicht der grünen OLED nicht optimieren und würde dadurch deutlich an Effizienz einbüßen. Der OLED-Stapel auf einem Glassubstratεn mit einer 90nm dicken ITO-Grundelektrode würde eine Löchertransportschicht (HTL) von 85nm und eine Elektronentransportschicht (ETL) von 50nm aufweisen: Die Elektronen leitende, rotes Licht emittierende Schicht mit einem Emissionsmaximum bei 62Ünm müsste 15nm dick sein. Die grünes Licht emittierende Schicht mit einem Emissionsmaximum bei 51 lnm ist vorzugsweise eine Doppelemitterschicht bestehend aus einer 5nm dicken Elektronen leitenden Schicht und einer 15nm dicken Löcher leitenden Schicht. Die Löcher leitende, blaues Licht emittierende Schicht mit einem Emissionsmaximum bei 450nm müsste mindestens 75nm dick sein (2. Maximum mit guten Farbkoordinaten).
Eine deutlich bessere Lösung ist es, die Mikrokavität der OLED nicht auf die oben angegebe- nen optimierten Schichtdicken der drei einzelnen Grundfarben zu optimieren, sondern einen Mikrokavitätsbereich auszuwählen, in dem die OLED noch 90% ihrer maximalen Effizienz aufweist. Dieser Bereich lässt sich sehr genau mit Hilfe der Transfermatrix-Theorie für die drei Grundfarben als Funktion des Abstandes zu den jeweiligen Elektroden bestimmen. Dieser Schichtdickenbereich läßt sich mittels der folgenden Bildungsvorschriften beschreiben.
Zunächst wird auf den Abstand der Emissionszone zu einer Elektrode aus einem Metall eingegangen.
Hierbei besteht der folgende Zusammenhang. Da der Phasensprung einer emittierten Licht- welle bei einer Reflexion an der Metallelektrode in guter Näherung π / 2 beträgt, tritt in diesem Fall konstruktive Interferenz bei einem Abstand Lmet zwischen der Emissionszone und der dem Stapel organischer Schichten zugewandten Oberfläche der Metallelektrode auf. Es gilt:
Lmet= (m + l / 2) * λmax / (2 * n£) mit m = 0, 1, 2, ...,
λmax die Emissionswellenlänge eines Intensitätsmaximums eine Elektrolumineszenzspektrums für den Licht emittierenden Schichtbereich und n„rg der Realteil des Brechungsindex bei der Emissionswellenlänge λmax für einen organischen Schichtbereich zwischen der Emissionszone und der dem Stapel organischer Schichten zugewandten Oberfläche der Metallelektrode sind. Die ganze Zahl m gibt die jeweilige Ordnung der Interferenz an.
Im einfachsten Fall werden Schichtdicken verwendet, die die Bedingung der nullten Ordnung erfüllen, wobei höhere Ordnungen nicht ausgeschlossen werden. Es ist weiterhin zu beachten, dass abhängig von den Absorptionseigenschaften des Metalls der Elektrode die Lichtwelle bis zu einer gewissen Tiefe in die Elektrode eindringen kann. Eine solche Eindringtiefe Lpen bis zu einer Abnahme der Feldstärke des Lichtfeldes auf 1 / 100 wird durch den folgenden Zu- sammenhang gegeben:
Lpen = In(IOO) * λmax / (4π * kmet),
wobei kmet der Imaginärteil des Brechungsindex der Metallelektrode bei der Emissionswellen- länge λmax ist.
Hieraus ergeben sich als obere und untere Grenze des Schichtdickenbereiches LMΠMX und LMmin zwischen Emissionszone und der dem Stapel organischer Schichten zugewandten Oberfläche der Elektrode aus Metall:
LMmax ~ Lmet + 0. 1 Lmet l^Mmin "" (J-^met " ^pen) ~ 0. 1 (lernet " i^penj-
Die Licht emittierenden Schichtbereiche für organische Bauelemente, die Licht verschiedener Farben abgeben, können jeweils auf Basis eines Matrixmaterials gebildet sein, welches Löcher und / oder Elektronen transportierend ist.
Nachfolgend wird auf den Abstand der Emissionszone zu einer Elektrode aus einem dielektrischen Material eingegangen, beispielsweise ITO.
iidie sei der Realteil des Brechungsindex für die dielektrische Elektrode. Es bestehen die folgenden Zusammenhänge. Da der Phasensprung der im Licht emittierenden Bereich erzeugten Lichtwelle bei einer Reflexion an der dielektrischen Elektrode zwischen 0 und π / 2 beträgt, tritt in diesem Fall konstruktive Interferenz in einem Abstandsbereich Ld zwischen der Emissionszone und der dem Stapel organischer Schichten zugewandten Oberfläche der dielektrischen Elektrode auf, der sich wie folgt beschreiben lässt:
Figure imgf000016_0001
;
mit:
L0 = ((m+1) * λmax / 2 - Ld,c * ndie) / no D rg Lp,/2 = (m + l / 2) * λmax / (2 * no D ιg ) mit m = 0, 1, 2, ...,
wobei n^rg der Realteil des Brechungsindex des organischen Schichtbereiches bei der Emissionswellenlänge λmax ist, der zwischen der Emissionszone und der dem Stapel organischer Schichten zugewandten Oberfläche der dielektrischen Elektrode liegt.
Einen nicht zu vernachlässigbaren Einfluss haben die Dicke der verwendeten dielektrischen Elektrode Ldie und der Realteil des Brechungsindex nd,e der dielektrischen Elektrode bei der Emissionswellenlänge λmax. Hieraus ergeben sich als obere und untere Grenze des Schichtdickenbereiches Lomax und Lomin zwischen der Emissionszone und der dem Stapel organischer Schichten zugewandten Oberfläche der dielektrischen Elektrode:
LDmaχ = Lp172 + (λmax/(π*555nm) * Lp172 Lomm = L0 - (λmax/(π*555nm) * L0
Im folgenden Beispiel sei für eine bottom-emittierende OLED der Stapel organischer Schichten auf einem Glassubstrat mit einem 90nm dicken ITO-Grundkontakt aufgebracht. Typische Eindringtiefen in den als Elektrode dienenden Al-Deckkontakt liegen bei etwa 30nm. Hieraus ergeben sich unter Verwendung der oben angegebenen Beziehungen folgende Abstandsbereiche der Emissionszone zur ITO-Elektrode und zur Metallelektrode: - Die Emissionszone in der Schichtanordnung des organischen Bauelementes zum Erzeugen von rotem Licht mit einem Emissionsmaximum bei 620nm muss eine Abstand zur ITO-Elektrode zwischen 50nm und 120nm und eine Abstand zur Metallelektrode zwischen 55nm und lOOnm aufweisen.
Die Emissionszone in der Schichtanordnung des organischen Bauelementes zum Erzeugen von grünem Licht mit einem Emissionsmaximum bei 51 1nm muss eine Abstand zur ITO-Elektrode zwischen 35nm und 95nm und eine Abstand zur Metallelektrode zwischen
40nm und 80nm aufweisen.
Die Emissionszone in der Schichtanordnung des organischen Bauelementes zum Erzeugen von blauem Licht mit einem Emissionsmaximum bei 450nm muss eine Abstand zur ITO-Elektrode zwischen 20nm und 80nm und eine Abstand zur Metallelektrode zwischen 3 Onm und 75 nm aufwei sen .
Unter Berücksichtigung der vorgenannten Abstandsbereiche für die drei Grundfarben, kann nun jeweils eine einheitliche Dicke sowohl für den Elektronen transportierenden Schichtbereich als auch für den Löcher transportierenden Schichtbereich für alle bottom-emittierenden OLEDs, die Licht in den drei Grundfarbbereichen abgeben, in einem Bauteil definiert und anschließend die Mikrokavität mittels geeigneter Auswahl der Licht emittierenden Schicht optimiert werden, wobei in diesem Beispiel ein 90nm dicker ITO-Grundkontakt gebildet ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung einer Schichtanordnung für eine organische Leuchtdiode; Fig. 2a eine grafische Darstellung der normierten Leuchtdichte in Form prozentualer Hö- henlinien für eine blaue bottom-emittierende OLED in Abhängigkeit von einer Dicke eines Elektronen transportierenden Schichtbereiches und einer Dicke eines Löcher transportierenden Schichtbereiches;
Fig. 2b eine grafische Darstellung der normierten Leuchtdichte in Form prozentualer Höhenlinien für eine grüne bottom-emittierende OLED in Abhängigkeit von der Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches und der Dicke des Löcher transportierenden Schichtbereiches;
Fig. 2 c eine grafische Darstellung der normierten Leuchtdichte in Form prozentualer Höhenlinien für eine rote bottom-emittierende OLED organische Schicht in Abhängig- keit von der Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches und der Dicke des Löcher transportierenden Schichtbereiches;
Fig. 3 a eine grafische Darstellung der normierten Leuchtdichte in Form prozentualer Höhenlinien für eine blaue top-emittierende OLED in Abhängigkeit von der Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches und der Dicke des Löcher transportierenden Schichtbereiches;
Fig. 3b eine grafische Darstellung der normierten Leuchtdichte in Form prozentualer Höhenlinien für eine grüne top-emittierende OLED in Abhängigkeit von der Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches und der Dicke des Löcher transpor- tierenden Schichtbereiches;
Fig. 3c eine grafische Darstellung der normierten Leuchtdichte in Form prozentualer Höhenlinien für eine rote top-emittierende OLED in Abhängigkeit von der Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches und der Dicke des Löcher transportierenden Schichtbereiches; Fig. 4a eine grafische Darstellung der relativen Stromeffizienz für einen rote organische Leuchtdiode vom pin-Typ bei 100 cd/m2 und 1000cd/m2;
Fig. 4b eine grafische Darstellung der relativen Stromeffizienz für einen grüne organische Leuchtdiode vom pin-Typ bei 100 cd/m2 und 1000cd/m2; und
Fig. 4c eine grafische Darstellung der relativen Stromeffizienz für einen blaue organische Leuchtdiode vom pin-Typ bei 100 cd/m2 und 1000cd/m2.
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schichtanordnung 100 für eine organische Leuchtdiode, welche ein Substrat 1 10, ein hierauf angeordnete Grundelektrode 120, einen Ladungsträger transportierenden Schichtbereich 130, einen Licht emittierenden Schichtbereich 140 mit einer Emissionszone 141, einen weiteren Ladungsträger transportierenden Schichtbereich 150 und eine Deckelektrode 160 umfasst.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele für Licht emittierende Bauteile mit mehrerer organischen Bauelementen erläutert, die Licht unterschiedlicher Farbe aussendend gebildet sind. Hierbei weisen die mehreren organischen Bauelemente üblicherweise jeweils einen zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode angeordneten Stapel organischer Schichten auf, welcher einen Löcher transportierenden Schichtbereich, einen Elektronen transportierenden Schichtbereich und einen zwischen dem Löcher transportierenden und dem Elektronen transportierenden Schichtbereich gebildeten Licht emittierenden Schichtbereich umfasst. Eine Dicke des Löcher transportierenden und eine Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches jeweils für alle der mehreren organischen Bauelemente sind gleich ist. In dem Licht emittierenden Schichtbereich ist eine Emissionszone gebildet, in welcher die Ladungsträger, nämlich Elektronen und Löcher, unter Abgabe von Licht rekombinieren.
Zunächst wird eine Optimierung der Schichtanordnung basierend auf einer reinen Variation der Schichtdicke einer Licht emittierenden Schicht für alle drei Grundfarben erläutert, wobei die Licht emittierende Schicht aus einem Elektronen transportierenden Material besteht. Hier- bei handelt es sich um die Matrix für das Licht emittierende Schicht bildende Material, in welches ein oder mehrere Emittersysteme eingelagert sind.
Die Fig. 2a, 2b und 2c zeigen eine grafische Darstellung der Leuchtdichte in Form von Höhenlinien für eine blaue, grüne oder rote Licht emittierende Schicht in einer bottom- emittierenen OLED in Abhängigkeit von einer Dicke eines Elektronen transportierenden Schichtbereiches und einer Dicke eines Löcher transportierenden Schichtbereiches.
Mit Hilfe der Transfermatrix-Theorie lassen sich normierte Leuchtdichten der drei Grundfarben als Funktion des Abstands zu den jeweiligen Elektroden berechnen. In Fig. 2a sind die normierten Leuchtdichten für eine blaue bottom-emittierende OLED als prozentuale Höhenlinien dargestellt, wobei der Staple organischer Schichten zwischen einer ITO-Elektrode und einer Aluminium-Elektrode angeordnet ist. Weiterhin ist der sich aus der oben beschriebenen Bildungsvorschrift gegebene Bereich als gepunktete Linie eingezeichnet. Es ergibt sich, dass die Emissionszone einen Abstand von 20nm bis 80nm zur ITO-Elektrode und 30 bis 75nm zur Aluminium-Elektrode aufweisen muss, um noch 90% der maximalen Leuchtdichte zu erzielen. Das Material des Stapels organischer Schichten in dem Schichtbereich zwischen der Emissionszone und der ITO-Elektrode ist Löcher transportierend und das Material des Stapels organischer Schichten in dem Schichtbereich zwischen der Emissionszone und der Aluminium-Elektrode ist Elektronen transportierend.
Die Wahl des Abstandes der Emissionszone von den beiden Elektroden ist bei blauen Emittersystemen mit besonderer Sorgfalt zu betrachten, da sich die Wahl des Abstandes nicht nur auf die Leuchtdichte auswirkt, sondern auch Einfluss auf die erzielten Farbkoordinaten hat. Bei roten und grünen Emittersystem ist der Einfluss auf die Farbkoordinaten wesentlich geringer. Aus diesem Grunde ist es von Vorteil, bei der Optimierung der Mikrokavität mit dem blaues Licht emittierenden organischen Bauelementen zu beginnen. Eine Mikrokavität mit der bei 92% der maximalen Leuchtdichte vertretbare blaue Farbkoordinaten von (x=0.14 / y=0.20) erzielt werden können, ist gegeben, wenn die Emissionszone zur ITO-Elektrode einen Abstand von 75nm und zur Aluminium-Elektrode einen Abstand von 50nm hat. Da es sich bei dem Material für das blaue Emittersystem um ein Elektronen transportierendes Material handelt, muss die Dicke der Licht emittierenden Schicht bei der Abstandsbemessung zur A- luminium-Elektrode mit berücksichtigt werden. Bei einer 15nm dicken Licht emittierenden Schicht ergeben sich dann eine optimale Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches von 35nm und eine optimale Dicke des Löcher transportierenden Schichtbereiches von 75nm.
Die Dicken der Ladungsträgertransportschichten, einschließlich möglicher Zwischenschich- ten, wird anschließend für die rotes oder grünes Licht emittierenden organischen Bauelemente konstant gehalten. Die Dicke und die Ladungsträgertransporteigenschaft, nämlich Elektronen transportierende oder Löcher transportierende Ausbildung, der jeweiligen Licht emittierende Schicht für rotes und grünes Licht wird variiert, um die Mikrokavität auf die jeweilige Farbe so abzustimmen, dass mindestens 90% der maximalen Leuchtdichte erreicht wird.
Wie in Fig. 2b dargestellt, werden mindestens 90% der maximalen Leuchtdichte beispielsweise für eine grünes Licht emittierende, Elektronen transportierende Schicht erreicht, wenn deren Dicke 20nm beträgt. Mit dieser Dicke kann 96% der maximalen Leuchtdichte mit Farbkoordinaten von (x=0.28 / y=0.63) erzielt werden. Für eine rotes Licht emittierende, Elektro- nen transportierende Schicht mit einer Dicke 45nm können beispielsweise 92% der maximalen Leuchtdichte mit Farbkoordinaten von (x=0.68 / y=0.32) erzielt werden, wie sich aus Fig. 2c ergibt.
Werden anstelle der Elektronen transportierenden Licht emittierenden Materialien Löcher transportierende Materialien für die Licht emittierenden Schichten verwendet, so muss eine andere Mikrokavität mit anderen Schichtdicken verwendet werden, um die maximalen Leuchtdichten für die drei Emittersysteme und zufriedenstellende Farbkoordinaten im Blauen zu erreichen. Gleiches gilt bei der Verwendung von Licht emittierenden Schichten mit unter- schiedlichen Ladungsträgertransporteigenschaften und beim Einsatz von mehrschichtigen Licht emittierenden Schichten.
Die gewählte Mikrokavität, die jeweilige Dicke der Licht emittierenden Schicht (dE-L), die Ladungsträgertransporteigenschaft (LTE), die berechneten Farbkoordinaten und Prozente der normierten Leuchtdichten sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgelistet. Die Angaben betreffen eine bottom-emittierende OLED in verschiednen Ausführungen mit einer 90nm dicken ITO-Grundelektrode und einer lOOnm dicken Aluminium-Deckelektrode. ETL und HTL bezeichnen die Dicke einer Elektronentransportschicht und einer Löchertransportschicht im Stapel organischer Schichten.
Tabelle 1
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Figure imgf000022_0001
Im Folgenden wird als weiteres Ausführungsbeispiel eine Optimierung einer top-emittieren- den OLED mit einer 1 OOnm dicken Aluminium-Grundelektrode und einer 20nm dünnen Cr- Deckelektrode erläutert.
Die Optimierung erfolgt mittels Variation der Dicke der Licht emittierende Schicht mit unterschiedlichen Ladungsträgertransporteigenschaften und Verwendung von doppelschichtigen Licht emittierenden Schichten. Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Bildungsvor- Schriften für die Abstandsbereiche für die drei Grundfarben, kann nun eine gemeinsame Dicke sowohl für Elektronentransportschicht und als auch die Löchertransportschicht topemittierende OLEDs in einem Bauteil, welche blaues, grünes oder rotes Licht emittieren, definiert werden, so dass anschließend die Mikrokavität mittels geeigneter Auswahl der Dicke der jeweiligen Licht emittierenden Schicht und deren Ladungsträgertransporteigenschaft op- timiert werden kann. Typische Eindringtiefen in die Aluminium-Grundelektrode betragen etwa 30nm, und bei der Cr-Deckelektrode beträgt der Wert etwa 55nm. Aus Gründen der Vereinheitlichung wird bei der Berechnung der Eindringtiefe in die dünne Cr-Deckelektrode die Eindringtiefe in das Volumenmaterial verwendet, auch wenn dieser Kontakt nur 20nm dünn ist.
Mit Hilfe der Transfermatrix-Theorie lassen sich nun die normierten Leuchtdichten der drei Grundfarben als Funktion des Abstandes zu den jeweiligen Elektroden berechnen. In den Fig. 3a, 3b und 3c sind die normierten Leuchtdichten in Form prozentualer Höhenlinien dargestellt. Weiterhin ist der sich aus der oben beschriebenen Bildungsvorschrift ergebende Grenzwerte für die Dicke des Löcher transportierenden Bereiches und die Dicke des Elektronen transportierenden Bereiches als gepunktete Linie eingezeichnet. Eine Mikrokavität, mit der bei 98% der maximalen Leuchtdichte vertretbare blaue Farbkoordinaten von (x=0.13 / y=0.20) erzielt werden können, ist gegeben, wenn die Emissionszone bei dem blaues Licht emittierenden Stapel organischer Schichten mit einem Emissionsmaximum bei 450nm einen Abstand von 50nm zur Aluminium-Elektrode und eine Abstand von 45nm zur Cr-Elektrode hat.
Bei Wahl eines Elektronen transponierenden Materials für die Licht emittierende Schicht muss, wie aus Fig. 3a hervorgeht, die Dicke der Licht emittierenden Schicht für den Abstand zur Aluminium-Elektrode mit berücksichtigt werden. Bei einer lOnm dicken Licht emittie- renden Schicht ergibt sich somit eine optimale Dicke für die Elektronentransportschicht, einschließlich eventueller weiterer organischer Schichten auf dieser Seite der Emissionszone, von 35nm und eine optimale Dicke für die Löchertransportschicht, einschließlich eventueller weiterer organischer Schichten auf dieser Seite der Emissionszone, von 50nm. Die Dicken der Ladungsträgertransportschichten, einschließlich weiterer möglicher Zwischenschichten, wird wieder für das rotes Licht emittierende Bauelement und das grünes Licht emittierende Bauelement konstant gehalten, und die rotes und die grünes Licht emittierende Schicht werden variiert, um die Mikrokavität auf die jeweilige Farbe so abzustimmen, dass mindestens 90% der maximalen Leuchtdichte erreicht werden.
Wie sich aus Fig. 3b ergibt, wird dieses für eine doppelschichtige, grünes Licht emittierende Schicht mit einem Emissionsmaximum bei 511nm erreicht, wenn die Dicke der Elektronen transportierend gebildeten, Licht emittierenden Schicht 1 Onm und die der Löcher transportierend gebildeten, Licht emittierenden Schicht 5nm betragen. Mit dieser Dicke können 98% der maximalen Leuchtdichte mit Farbkoordinaten von (x=0.23 / y=0.66) erzielt werden.
Für eine 40nm dicke und rotes Licht emittierende Schicht mit einem Emissionsmaximum bei 620nm, die Elektronen transportierend gebildet ist, können 92% der maximalen Leuchtdichte mit Farbkoordinaten von (x=0.68 / y=0.32) erzielt werden, wie sich aus Fig. 3c ergibt.
Obwohl die hier aufgezeigten Beispiele sich ausschließlich auf das erste Interferenzmaximum nicht invertierter OLEDs beziehen, lässt sich dasselbe Prinzip auch für höhere Maxima und invertierte OLEDs anwenden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bauteils mit mehreren organischen, jeweils als eine OLED ausgeführten Bauelementen zunächst ein mit ITO beschichtetes Glassubstrat strukturiert und gereinigt. Die Dicke der ITO-Schicht, die als Elektrode dient, beträgt etwa 90nm bei einem Flächenwiderstand von etwa 20Ω/sq. Hierauf folgende Schichten wurden nacheinander mittels thermischen Verdampfens im Vakuum aufgebracht, wobei das Vakuum nicht gebrochen wurde. Es wurden die folgenden Schichten aufgebracht:
1) 70nm bis 95nm N,N,N',N'-Tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidin (MeO-TPD) dotiert mit 2,3,5,6-Tetrafiuoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethan (F4-TCNQ) im molekularen Ver- hältnis von 50: 1 als p-dotierte Löchertransportschicht;
2) lOnm 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-diphenylamino)-9,9'-spirobifluoren (Spiro-TAD) als Zwischenschicht;
3) Licht emittierende Schicht (mit rotem, grünem oder blauem Emittersystem);
4) 1 Onm Bathophenanthrolin (Bphen) als Zwischenschicht; 5) 25nm bis 45nm Bphen dotiert mit Cs im molekularen Verhältnis von 1 : 1 als n-dotierte
Elektronentransportschicht; 6) 1 OOnm Aluminium als Kathode;
Für die Licht emittierenden Schichten wurden die folgenden Materialien verwendet: Rot - l,3,5-tri(phenyl-2-benzimidazol)-benzen: tris(l-phenylisoquinolin) iridium (III) (TPBI:ADS068RE) / 45nm (Elektronen transportierend); Grün - TPBI:Ir(ppy)3 / 25 nm (E- lektronen transportierend) und Blau - 9,10-bis (9,9-spiro bifluoren-2-yl) anthracen (S-ANT)/ 20 nm (Elektronen transportierend).
Diese organischen Bauelemente, welche rotes, grünes oder blaues Licht emittieren, weisen ein jeweiliges Emissionsmaximum bei etwa 620nm, 51 lnm und 450nm auf. Bei einer angelegten Spannung von 3.V, 2.7V und 3.6 V beträgt die Emissionshelligkeit bei Messung durch die ITO-Grundelektrode hindurch 1000cd/m2.
Um die mittels der oben angegebenen Bildungsvorschriften ermittelten Werte (vgl. Tabellel) zu überprüfen, wurden die Bauelement mit der vorangehend beschriebenen Struktur untersucht. Für alle drei Bauelemente wurde eine Schichtdickenvariation von 70nm bis 95nm für die Löchertransportschicht und von 25nm bis 45nm für die Elektronentransportschicht gefer- tigt. Wie mit Hilfe der Transfermatrix-Theorie berechnet, ergibt sich für alle drei Farben bei einer Schichtdicke von 75nm für die Löchertransportschicht und von 35nm für die Elektro- nentransportschicht ein Wert von deutlich über 90% der maximalen Effizienz. Dies gilt sowohl bei einer Helligkeit von 100 cd/m2 als auch bei einer Helligkeit von 1000cd/m2.
In Fig. 4a ist die relative Stromeffizienz für einen rote pin-OLED dargestellt. Für eine Schichtdicke von 75nm für die Löchertranspυrtschicht und von 35nm für die Elektroncn- transportschicht ergeben sich 95.6 % und 94.0 % der maximalen Stromeffizienz für 100cd/m2 und 1000cd/m2.
In Fig. 4b ist die relative Stromeffizienz für eine grüne pin-OLED dargestellt. Hierbei ergeben sich bei einer Schichtdicke von 75nm für die Löchertransportschicht und von 35nm für die Elektronentransportschicht für die maximale Stromeffizienz Werte von 94.7% und 94.5%.
In Fig. 4c ist die relative Stromeffizienz für eine blaue pin-OLED dargestellt. Für eine Schichtdicke von 75nm für die Löchertransportschicht und von 35nm für die Elektronentransportschicht werden maximale Stromeffizienzen von 98.1% und 96.5% für 100cd/m2 und 1000cd/m2 erreicht.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
1. Licht emittierendes Bauteil, insbesondere Anzeige- oder Beleuchtungseinrichtung, mit mehreren organischen Bauelementen, die Licht unterschiedlicher Farbe aussendend ge- bildet sind, wobei:
- die mehreren organischen Bauelemente jeweils eine zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode angeordneten Stapel organischer Schichten aufweisen, welcher einen Löcher transportierenden Schichtbereich, einen Elektronen transportierenden Schichtbereich und einen zwischen dem Löcher transportierenden und dem Elektronen transportierenden Schichtbereich gebildeten Licht emittierenden Schichtbereich um- fasst;
- eine Dicke des Löcher transportierenden und eine Dicke des Elektronen transportierenden Schichtbereiches jeweils für alle der mehreren organischen Bauelemente gleich ist; und - der Licht emittierende Schichtbereich eine Emissionszone umfasst;
und wobei
a) für einen Abstand LM zwischen der Emissionszone und einer dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode für alle der mehreren organischen Bauelemente gilt:
LM ^ LMmax = Lmet + U. 1 Lmet
Figure imgf000026_0001
mit Lpeπ = ln( 100) * λmax / (4π * kmet)
Lmet = (m + l / 2) * λmax / (2 * no M r% \ m = 0, 1, 2, ...,
wenn die Elektrode / Gegenelektrode aus einem metallischen Elektrodenmaterial ist, wobei λmaχ die Emissionswellenlänge eines Intensitätsmaximums eines Photolumineszenzspektrums des Licht emittierenden Schichtbereiches, n^rg der Realteil des Brechungsindex bei der Emissionswellenlänge λmax für einen Bereich des Stapels organi- scher Schichten zwischen der Emissionszone und der dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode aus dem metallischen Elektrodenmaterial und kmet der Imaginärteil des Brechungsindex des metallischen Elektrodenmaterials bei λmax sind;
und wobei weiterhin
b) für ein Abstand LD zwischen der Emissionszone und der dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode für alle der mehreren organischen Bauelemente gilt:
LD < LDmax = Lp,/2 + (λmax/(π*555nm)) * Lpl/2 L0 > LDmm = L0 - (λmax/(π*555nin)) * L0
mit L0 = ((m+1 ) * λmax / 2 - Ldie * ndie) / norg
L pi/2 = (m+ 1 / 2) * λmax/ (2 * no D r%), m = 0, 1 , 2, ...,
wenn die Elektrode / Gegenelektrode aus einem dielektrischen Elektrodenmaterial der Dicke Ldie ist, wobei n^e der Realteil des Brechungsindex bei der Emissionswellenlän- ge λmax für das dielektrische Elektrodenmaterial und no D rg der Realteil des Brechungsindex bei der Emissionswellenlänge λmax für einen Bereich des Stapels organischer Schichten zwischen der Emissionszone und der dem Licht emittierenden Schichtbereich zugewandten Oberfläche der Elektrode / Gegenelektrode aus dem dielektrischen Elektrodenmaterial sind.
2. Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass für zumindest einen Teil der mehreren organischen Bauelemente, welche Licht einer ersten Farbe abgeben, ein o- der mehrere Matrixmaterialien in dem Licht emittierenden Schichtbereich Elektronen transportierend sind.
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass für zumindest den Teil der mehreren organischen Bauelemente, welche Licht der ersten Farbe abgeben, die Emissi- onszone in einem Grenzflächenbereich zwischen dem Löcher transportierenden Schichtbereich und dem Licht emittierenden Schichtbereich gebildet ist.
4. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen Teil der mehreren organischen Bauelemente, welche Licht einer zweiten Farbe abgeben, ein oder mehrere Matrixmaterialien in dem Licht emittierenden Schichtbereich Löcher transportierend sind.
5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest den Teil der mehreren organischen Bauelemente, welche Licht der zweiten Farbe abgeben, die Emissionszone in einem Grenzflächenbereich zwischen dem Elektronen transportierenden Schichtbereich und dem Licht emittierenden Schichtbereich gebildet ist.
6. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest den Teil der mehreren organischen Bauelemente, welche Licht der zweiten Farbe abgeben, ein oder mehrere weitere Matrixmaterialien in dem Licht emittierenden Schichtbereich Elektronen transportierend sind.
7. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest ein Teil der mehreren organischen Bauelemente der Licht emittierende Bereich mehrschichtig ausgeführt ist.
8. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronen transportierende Schichtbereich eine dotierte Elektronentransportschicht umfasst.
9. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Löcher transportierende Schichtbereich eine dotierte Löchertransportschicht umfasst.
10. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren organischen Bauelemente jeweils als ein top-emittierendes Bauelement ausgeführt sind.
11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren organischen Bauelemente jeweils als ein bottom-emittierendes Bauelement ausgeführt sind.
12. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Licht emittierende Schichtbereich Elektronen und / oder Löcher transportierend ausgeführt ist.
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