WO2017013255A1 - Optoelektronisches bauteil und verfahren zum betrieb eines optoelektronischen bauteils - Google Patents

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WO2017013255A1
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light
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Daniel Riedel
Carola Diez
Arne FLEISSNER
Ulrich Niedermeier
Dominik Pentlehner
Andreas Rausch
Nina Riegel
Johannes Rosenberger
Thomas Wehlus
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    • H10K50/844—Encapsulations

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component and to a method for operating an optoelectronic component.
  • temperature sensors can be used to control the operating current as a function of the
  • Heatsinks or fans are attached to the component and thus significantly determine the external appearance of the component.
  • the invention is based on the object
  • An optoelectronic component comprises a light
  • the optoelectronic component has a
  • Temperature sensor can be dispensed with.
  • the electrothermal protection element automatically regulate the operation of the component, in particular the light emission on
  • Operating current to the stack of layers is controlled in dependence on the temperature in the layer stack. In addition to extending the life of the component can also
  • the light-emitting layer stack comprises organic layers.
  • the optoelectronic component is advantageously designed as an OLED.
  • the layer stack comprises an active zone and is advantageously arranged on a substrate in the component.
  • the electrothermal protective element and the Light emitting layers stack together on one
  • Encapsulation covered The encapsulation acts as a cover of the component and fixes the electrothermal protection element and the light
  • the encapsulation may be formed as a transparent encapsulation and constitute an outer surface of the optoelectronic component.
  • the electrothermal protective element can
  • a heat-conducting element is disposed between the
  • Electro-thermal protection element and the light-emitting layer stack are mechanically fixed in the optoelectronic device.
  • the heat-conducting element is advantageously in direct contact with the layer stack and with the electro-thermal protection element. In this way, the heat conduction from the stack of layers to the electrothermal
  • Protective element can be improved.
  • the forwarded to the electrothermal protective element heat advantageously causes the voltage applied to the electrothermal protective element
  • the temperature-dependent resistance at electrothermal protective element can be regarded as a measure of the temperature at the light-emitting layer stack and the operation, if appropriate, of the electrothermal
  • the thermally conductive element is preferably on the substrate and in the lateral direction, parallel to a
  • the heat-conducting element is preferably formed as a layer.
  • the layer has
  • a height measured from the substrate that is substantially the height of the light-emitting
  • Layer stack and / or the height of the electrothermal protective element corresponds. "Essentially” may mean that a height difference is at most 20% or at most 10% of the amount of light-emitting
  • the thermally conductive element has, for example, side surfaces which extend transversely to the main extension planes of the substrate. Preferably, at least 30% or at least 50% or at least 80% of the side surfaces of the heat-conducting element are in direct mechanical contact with the light-emitting layer stack and the electro-thermal protection element.
  • the thermally conductive element preferably comprises or consists of a thermally conductive material having a thermal conductivity of at least 40 W / (m-K) or at least 100 W / (m-K).
  • the heat-conducting element comprises or consists of steel or copper or silver or aluminum or a other metal.
  • a material of the heat-conducting element are thermal pastes or graphite or graphene or silicon carbide or ceramics.
  • the electrothermal protective element comprises a PTC thermistor switch which is connected in series with the layer stack.
  • a PTC thermistor switch is characterized in that it is electrically conductive in the event that a
  • Temperature of the PTC switch is less than a predetermined temperature value. It is advantageous
  • PTC thermistor switch conductive for temperatures of less than 120 ° C, preferably less than 100 ° C, and more preferably less than 85 ° C.
  • the PTC switch has a
  • the PTC thermistor switch may comprise, for example, a polycrystalline barium titanate ceramic, in particular BaTiO 3, wherein the ceramic may be p-doped or n-doped.
  • the series circuit can, for example by means of interconnects on or in the substrate, within the optoelectronic
  • Protection element and the layer stack can also partially adjoin the heat-conducting element, so are in direct mechanical contact with this.
  • the interconnects of the thermally conductive element can also partially adjoin the heat-conducting element, so are in direct mechanical contact with this.
  • the PTC switch is set up, in the operation of the light-emitting layer stack, in the event of a limit temperature T cr i t being exceeded
  • PTC thermistor switch are regulated, this is advantageously connected in a row with the stack of layers, so that the light emission at the layer stack is advantageously dimmed or adjusted when a threshold temperature T cr i t is exceeded at the PTC switch.
  • T cr i t threshold temperature
  • the electrothermal protective element comprises a thermistor switch which is connected in parallel to the layer stack.
  • a thermistor switch is characterized in that it is electrically conductive in the event that a
  • Temperature of the thermistor switch is higher than one
  • Thermistor switch conductive for temperatures greater than 120 ° C, preferably greater than 100 ° C, and more preferably greater than 85 ° C.
  • the thermistor switch has a
  • Temperature-dependent electrical resistance which decreases with increasing temperature. When a critical temperature at the thermistor switch is exceeded, the parallel circuit and the rising electrical
  • the thermistor switch can, for example
  • the conductivity of the layer stack can advantageously be influenced by a material thickness of the material used in the thermistor.
  • the parallel circuit can, for example by means of
  • the thermistor switch is set up in the operation of the light-emitting layer stack, in the event of a limit temperature T cr i t being exceeded
  • Thermistor switch one through the light-emitting
  • Limit temperature T cr i t is exceeded at the thermistor switch.
  • the electrical conductivity of the thermistor improves and it opens in parallel to the stack of layers another current path through which the current parallel to the
  • Layer stack can be bypassed.
  • the layer stack acts as a diode, so that essentially no current flows through the layer stack when a minimum voltage required at the stack of layers during operation of the layer stack is not reached.
  • the critical temperature is for example between 40 ° C and 85 ° C or between 85 ° C and 100 ° C or between 100 ° C and 120 ° C.
  • the current flow through the light-emitting layer stack for example, by at least 50% or at least 80% or at least 90% or in order
  • the layer stack comprises the electrothermal protection element in the form of a switch layer, which is integrated in the layer stack.
  • Switch layer which acts as an electro-thermal protection element, the optoelectronic component, advantageously an OLED, the own shutdown itself initiate, as soon as critical heating of the layer stack is reached.
  • the switch layer at any point between a
  • Anode contact and a cathode contact of the layer stack are integrated into the layer stack. This can be beneficial to external circuits for dimming the
  • the design of the optoelectronic device can be maintained.
  • a layer stack with an integrated switch layer may advantageously also be provided with further, advantageously in the
  • PTC thermistor and / or thermistor switch in series and / or connected in parallel.
  • a charge carrier mobility of the optoelectronic component is a charge carrier mobility of the optoelectronic component.
  • the switch layer is designed such that a minimum voltage U m i n required for operating the layer stack in the switch layer increases with increasing temperature of the switch layer.
  • the charge carriers may be
  • Switch layer at high temperatures only slightly electrically conductive, advantageously insulating.
  • a limit value for the temperature can be determined for the material used in the switch layer, above which the
  • the critical temperature can be adapted to a predetermined limit value. Above the limit, therefore, the operation of the component is automatically switched off. As soon as the temperature on the layer stack falls below the limit value again by cooling, the applied voltage advantageously suffices again to put the layer stack back into operation so that it can emit light again.
  • the temperature of the layer stack is advantageously made up of the ambient temperature and the self-heating of the
  • the emission at the layer stack is advantageously switched off and the temperature of the layer stack fits again to the ambient temperature, since the
  • the switch layer comprises a thermal material.
  • Thermal material with a high charge-carrier mobility is converted into a material with low charge-carrier mobility. If a switch layer in a light-emitting
  • Layer stack has such a thermal material with a decreasing charge carrier mobility when heated, which increases the operation required for the layer stack
  • the switch layer comprises
  • thermal material which consists of several species present in a temperature-dependent equilibrium.
  • the thermal material it may be in the
  • Hole transport layer as well as an electron transport layer can be formed as a switch layer.
  • the switch layer is designed such that the minimum voltage U m i n exponentially with the temperature of
  • the proportion of altered material fractions in a layer of thermal material can change exponentially with temperature (Arrhenius activation).
  • Arrhenius activation For a material, for example, with high electron mobility at low temperature, change with increasing
  • the electrothermal protection element reduces or intercepts a light emission at the light emitting
  • emitting layer stack exceeds a threshold temperature T cr i t .
  • a temperature sensor is advantageously not necessary to adjust the operation of the stack of layers.
  • the limit temperature T cr i t is advantageously not necessary to adjust the operation of the stack of layers.
  • the electrothermal protection element automatically regulate the operation of the component, in particular dimming or switching off the light emission at the stack of layers. This is advantageously achieved in that the electrical regulation of the component, for example the application of an operating current to the layer stack, is controlled as a function of the temperature in the layer stack.
  • FIGS. 1a and 2a show a schematic plan view of an optoelectronic component with an electrothermal protective element.
  • Figures lb and 2b show a typical course of electrical resistance of the electrothermal
  • FIG. 3a shows a schematic side view of a layer stack with a switch layer.
  • FIG. 3b shows an exemplary example
  • Load carrier transport of a thermal material as a function of the temperature is
  • FIG. 3c shows a profile of a minimum voltage for operating a layer stack with a switch layer as a function of the temperature. Identical or equivalent elements are each provided with the same reference numerals in the figures. The components shown in the figures and the
  • Size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale.
  • the figure la shows schematically a top view of an optoelectronic device 10.
  • a light-emitting layer stack 1 and an electro-thermal protection element 3 are arranged together and internally in
  • the electrothermal protective element 3 of FIG. 1a is advantageously a
  • the PTC thermistor switch which is connected in series with the layer stack 1.
  • the PTC thermistor switch can
  • the substrate 5 For example, be laterally spaced on the substrate 5 to the layer stack 1 applied.
  • an anode contact 5a and a cathode contact 5b for external contacting are arranged on the substrate 5, with which the PTC thermistor switch and the layer stack 1 are advantageously connected in series.
  • a thermally conductive element 9 is arranged on the substrate 5 together with the electrothermal protective element 3 and the layer stack 1.
  • the thermally conductive element 9 is located between the layer stack 1 and the electro-thermal protection element 3 and is in direct contact with both, so that the heat of the layer stack 1 can advantageously be forwarded well to the PTC thermistor switch.
  • An encapsulation 8 covers the layer stack 1
  • the electro-thermal protection element 3 and the substrate 5 and encapsulates the individual components to form an optoelectronic component 10.
  • the figure lb shows a dependence of the electrical
  • Resistor R of a PTC thermistor switch from the temperature T at the PTC thermistor switch for three different
  • PTC thermistor switches Rl, R2 and R3 For the PTC thermistor switch Rl rises from a critical temperature T cr i t of 40 C, the electrical resistance steeply. For the PTC switches R2 and R3, the resistance rises sharply at 60 ° C or 120 ° C. Before the rise, the resistance remains largely constant with the rise in temperature.
  • FIG. 2a schematically shows a plan view of an optoelectronic component 10 similar to FIG. 1a.
  • Conductors interconnected on the substrate 5, wherein it is in the Figure 2a in the electrothermal protective element 3rd is advantageous to a thermistor switch, which is connected in parallel with the layer stack 1.
  • a thermally conductive element 9 is common with the
  • Electro-thermal protection element 3 and the layer stack 1 on the substrate 5 is arranged.
  • the thermally conductive element 9 is located between the layer stack 1 and the thermistor switch and is in direct contact with both, so that the heat of the layer stack 1 can advantageously be forwarded well to the thermistor switch.
  • Encapsulation 8 (striped representation) covers the
  • FIG. 2b shows a dependence of the electrical
  • Resistor R of a thermistor switch from the temperature T at the thermistor switch for two different
  • Thermistor switch Hl and H2 in comparison with a
  • FIG. 3a shows a schematic side view of a
  • Layer stack 1 which comprises a switch layer 4.
  • the layer stack 1 furthermore comprises a first contact 1b, a second contact 1c and, for example, one
  • the emission unit ld can advantageously be designed as an active zone.
  • the layer stack 1 furthermore comprises an electron transport layer ET and a hole transport layer HT, wherein the Emission unit ld is disposed between the electron transport layer ET and the hole transport layer HT.
  • the switch layer 4 may be the
  • FIG. 3b shows a change in the proportion of a
  • Cargo carrier transport changed. For example, changes in a layer of thermal material with increasing
  • Charge carrier transport of the entire layer decreases exponentially with increasing temperature for the first species and increases exponentially with increasing temperature for the second species.
  • a critical temperature T cr i t Above a critical temperature T cr i t ,
  • FIG. 3c shows an increase of the minimum voltage U m i n with the temperature T. If the minimum voltage U m i n reaches a limit value U 1 at a critical temperature T cr i t , the operation at the layer stack is automatically switched off.
  • the voltage waveform of the minimum voltage U m i n is exponentially increasing with increasing temperature.
  • the critical temperature is advantageously 80 ° C.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauteil angegeben, wobei das optoelektronische Bauteil (10) einen Licht emittierenden Schichtenstapel (1), und ein elektrothermisches Schutzelement (3) umfasst, welches im Bauteil (10) mit dem Schichtenstapel (1) verschaltet ist und einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Bauteil und Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Bauteils
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauteil und ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Bauteils.
Um optoelektronische Bauteile, insbesondere OLEDs, vor einer Schädigung des Materials durch Überhitzung während des
Betriebes zu schützen, können Temperatursensoren eingesetzt werden, um den Betriebsstrom in Abhängigkeit von der
gemessenen Temperatur zu regeln. Weiterhin werden Ansätze zur aktiven Kühlung während des Betriebes verfolgt, wobei
Kühlkörper oder Ventilatoren am Bauteil angebracht werden und so wesentlich die äußere Erscheinungsform des Bauteils bestimmen .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
optoelektronisches Bauteil mit einem verbesserten
integrierten Überhitzungsschutz für ein optoelektronisches Bauteil anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Erzeugnis und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein optoelektronisches Bauteil umfasst einen Licht
emittierenden Schichtenstapel und ein elektrothermisches Schutzelement, welches im Bauteil mit dem Schichtenstapel verschaltet ist und einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist . Mit einem in das Bauteil integrierten elektrothermischen Schutzelement weist das optoelektronische Bauteil einen
Überhitzungsschutz auf, wodurch vorteilhaft auf einen
Temperatursensor verzichtet werden kann. Ein Betrieb des
Schichtenstapels oberhalb einer kritischen Temperatur kann zu irreversiblen Schäden an aktiven Bereichen des
Schichtenstapels führen. Dies kann vorteilhaft verhindert werden, da das elektrothermische Schutzelement den Betrieb des Licht emittierenden Schichtenstapels verringert oder einstellt, sobald eine kritische Erhitzung des
Schichtenstapels überschritten wird. Dadurch kann die
Lebensdauer des Bauteils verlängert werden. Vorteilhaft kann das elektrothermische Schutzelement den Betrieb des Bauteils automatisch regeln, insbesondere die Lichtemission am
Schichtenstapel dimmen oder ausschalten. Dies wird
vorteilhaft dadurch erzielt, dass die elektrische Regelung des Bauteils, beispielsweise das Anliegen eines
Betriebsstroms an dem Schichtenstapel, in Abhängigkeit von der Temperatur im Schichtenstapel gesteuert wird. Neben der Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils kann auch
vorteilhaft ein Totalausfall des Bauteils vermieden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst der Licht emittierende Schichtenstapel organische Schichten.
Das optoelektronische Bauteil ist vorteilhaft als OLED ausgebildet. Der Schichtenstapel umfasst eine aktive Zone und ist vorteilhaft auf einem Substrat im Bauteil angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils sind das elektrothermische Schutzelement und der Licht emittierende Schichtenstapel gemeinsam auf einem
Substrat angeordnet und werden von einer gemeinsamen
Verkapselung überdeckt. Die Verkapselung wirkt als Abdeckung des Bauteils und fixiert das elektrothermische Schutzelement und den Licht
emittierenden Schichtenstapel mechanisch im Bauteil. Die Verkapselung kann als ein transparenter Verguss ausgebildet sein und eine Außenfläche des optoelektronischen Bauteils darstellen. Das elektrothermische Schutzelement kann
gemeinsam mit dem Schichtenstapel auf dem Substrat
angeordnet, vorteilhaft aufgebracht, werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist ein wärmeleitendes Element zwischen dem
Schichtenstapel und dem elektrothermischen Schutzelement gemeinsam auf dem Substrat angeordnet.
Das wärmeleitende Element kann vorteilhaft von der
Verkapselung überdeckt werden und gemeinsam mit dem
elektrothermischen Schutzelement und dem Licht emittierenden Schichtenstapel mechanisch im optoelektronischen Bauteil fixiert werden. Das wärmeleitende Element ist vorteilhaft in einem direkten Kontakt mit dem Schichtenstapel und mit dem elektrothermischen Schutzelement. Auf diese Weise kann die Wärmeleitung vom Schichtenstapel zum elektrothermischen
Schutzelement verbessert werden. Die an das elektrothermische Schutzelement weitergeleitete Wärme bewirkt vorteilhaft, dass die am elektrothermischen Schutzelement anliegende
Temperatur, vorteilhaft die vom elektrothermischen
Schutzelement angenommene Temperatur, größtenteils der
Temperatur des Licht emittierenden Schichtenstapels
entspricht. Daher kann der temperaturabhängige Widerstand am elektrothermischen Schutzelement als Maß für die Temperatur am Licht emittierenden Schichtenstapel angesehen werden und der Betrieb gegebenenfalls vom elektrothermischen
Schutzelement geregelt werden.
Das wärmeleitende Element ist bevorzugt auf dem Substrat und in lateraler Richtung, parallel zu einer
Haupterstreckungsebene des Substrats, zwischen dem
elektrothermischen Schutzelement und dem Licht emittierenden Schichtenstapel angeordnet. Das wärmeleitende Element ist bevorzugt als Schicht ausgebildet. Die Schicht hat
beispielsweise eine Höhe vom Substrat aus gemessen, die im Wesentlichen der Höhe des Licht emittierenden
Schichtenstapels und/oder der Höhe des elektrothermischen Schutzelements entspricht. „Im Wesentlichen" kann dabei bedeuten, dass eine Höhendifferenz höchstens 20 % oder höchstens 10 % der Höhe des Licht emittierenden
Schichtenstapels und/oder der Höhe des elektrothermischen Schutzelements beträgt.
Das wärmeleitende Element weist beispielsweise Seitenflächen auf, die quer zu der Haupterstreckungseben des Substrats verlaufen. Bevorzugt sind zumindest 30 % oder zumindest 50 % oder zumindest 80 % der Seitenflächen des wärmeleitenden Elements in direktem mechanischem Kontakt mit dem Licht emittierenden Schichtenstapel sowie dem elektrothermischen Schutzelement .
Das wärmeleitende Element umfasst oder besteht bevorzugt aus einem wärmeleitenden Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest 40 W/ (m-K) oder zumindest 100 W/ (m-K) .
Beispielsweise umfasst oder besteht das wärmeleitende Element aus Stahl oder Kupfer oder Silber oder Aluminium oder einem anderen Metall. Auch möglich für ein Material des wärmeleitenden Elements sind Wärmeleitpasten oder Graphit oder Graphen oder Siliziumcarbid oder Keramiken. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst das elektrothermische Schutzelement einen Kaltleiterschalter, welcher in Reihe zum Schichtenstapel geschaltet ist. Ein Kaltleiterschalter (PTC) zeichnet sich dadurch aus, dass er elektrisch leitfähig ist für den Fall, dass eine
Temperatur des Kaltleiterschalters geringer ist als ein vorbestimmter Temperaturwert. Vorteilhaft ist der
Kaltleiterschalter leitfähig für Temperaturen von weniger als 120 °C, bevorzugt von weniger als 100 °C, und besonders bevorzug von weniger als 85 °C.
Mit anderen Worten weist der Kaltleiterschalter einen
temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf, wobei bei einer Überschreitung einer kritischen Temperatur, der
Kaltleiterschalter durch die Reihenschaltung und den
ansteigenden elektrischen Widerstand einen Stromfluss durch den Schichtenstapel regelt. Der Kaltleiterschalter kann beispielsweise eine polykristalline Bariumtitanat-Keramik, insbesondere BaTi03, umfassen, wobei die Keramik p-dotiert oder n-dotiert sein kann.
Die Reihenschaltung kann, beispielsweise mittels Leiterbahnen an oder im Substrat, innerhalb des optoelektronischen
Bauteils realisiert sein.
Die Leiterbahnen zwischen dem elektrothermischen
Schutzelement und dem Schichtenstapel können ebenfalls teilweise an das wärmeleitende Element angrenzen, also mit diesem in direktem mechanischen Kontakt stehen. Alternativ sind die Leiterbahnen von dem wärmeleitenden Element
beabstandet, zum Beispiel im Substrat eingebettet, sodass keine Wärme von dem wärmeleitenden Element auf die
Leiterbahnen übertragen und von diesen abtransportiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist der Kaltleiterschalter dazu eingerichtet, im Betrieb des Licht emittierenden Schichtenstapels, für den Fall des Überschreitens einer Grenztemperatur Tcrit am
Kaltleiterschalter, einen durch den Licht emittierenden
Schichtenstapel fließenden Strom zu verringert oder zu unterbrechen .
Mittels dem Kaltleiterschalter kann der Stromfluss am
Schichtenstapel in Abhängigkeit von der Temperatur am
Kaltleiterschalter geregelt werden, wobei dieser vorteilhaft in einer Reihe mit dem Schichtenstapel geschaltet ist, so dass die Lichtemission am Schichtenstapel vorteilhaft gedimmt oder eingestellt wird, wenn eine Grenztemperatur Tcrit am Kaltleiterschalter überschritten wird. Um bei steigendem Widerstand eines Kaltleiterschalters den Strom durch den Schichtenstapel zu verringern, muss die Spannung am
Schichtenstapel konstant gehalten werden. Dies kann
vorteilhaft mit einer Nachjustierung an einer Spannungsquelle erfolgen, an welche das optoelektronische Bauteil
angeschlossen ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst das elektrothermische Schutzelement einen Heißleiterschalter, welcher parallel zum Schichtenstapel geschaltet ist. Ein Heißleiterschalter (NTC) zeichnet sich dadurch aus, dass er elektrisch leitfähig ist für den Fall, dass eine
Temperatur des Heißleiterschalters höher ist als ein
vorbestimmter Temperaturwert. Vorteilhaft ist ein
Heißleiterschalter leitfähig für Temperaturen von größer als 120 °C, bevorzugt von größer als 100 °C, und besonders bevorzugt von größer als 85 °C.
Mit anderen Worten weist der Heißleiterschalter einen
temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf, welcher mit steigender Temperatur absinkt. Bei einer Überschreitung einer kritischen Temperatur am Heißleiterschalter kann durch die Parallelschaltung und den ansteigenden elektrischen
Widerstand ein Stromfluss durch den Schichtenstapel geregelt werden. Der Heißleiterschalter kann beispielsweise
polykristalline Bariumtitanat-Keramiken umfassen. Hierbei kann vorteilhaft die Leitfähigkeit des Schichtenstapels durch eine Materialdicke des im Heißleiter verwendeten Materials beeinflusst werden.
Die Parallelschaltung kann, beispielsweise mittels
Leiterbahnen an oder im Substrat, innerhalb des
optoelektronischen Bauteils realisiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist der Heißleiterschalter dazu eingerichtet, im Betrieb des Licht emittierenden Schichtenstapels, für den Fall des Überschreitens einer Grenztemperatur Tcrit am
Heißleiterschalter, einen durch den Licht emittierenden
Schichtenstapel fließenden Strom über den Heißleiterschalter umzulenken und den Strom am Schichtenstapel zu verringern. Mittels dem vorteilhaft parallel zum Schichtenstapel
geschalteten Heißleiterschalter kann der Stromfluss am
Schichtenstapel in Abhängigkeit von der Temperatur so
geregelt werden, dass die Lichtemission am Schichtenstapel vorteilhaft gedimmt oder eingestellt wird wenn eine
Grenztemperatur Tcrit am Heißleiterschalter überschritten wird. Bei sinkendem elektrischen Widerstand des Heißleiters verbessert sich die elektrische Leitfähigkeit des Heißleiters und es öffnet sich in Parallelschaltung zum Schichtenstapel ein weiterer Strompfad, durch welchen der Strom parallel am
Schichtenstapel vorbeigeleitet werden kann. Vorteilhaft wirkt der Schichtenstapel wie eine Diode, so dass im Wesentlichen kein Strom durch den Schichtenstapel fließt, wenn eine im Betrieb des Schichtenstapels benötigte Mindestspannung am Schichtenstapel unterschritten wird.
Die kritische Temperatur beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 40 °C und 85 °C oder zwischen 85 °C und 100 °C oder zwischen 100 °C und 120 °C. Beim Überschreiten der kritischen Temperatur wird der Stromfluss durch den Licht emittierenden Schichtenstapel zum Beispiel um zumindest 50 % oder um zumindest 80 % oder um zumindest 90 % oder um
zumindest 95 % reduziert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst der Schichtenstapel das elektrothermische Schutzelement in Form einer Schalterschicht, welche in den Schichtenstapel integriert ist. Mittels der in den Schichtenstapel integrierten
Schalterschicht, welche als elektrothermisches Schutzelement wirkt, kann das optoelektronische Bauteil, vorteilhaft eine OLED, die eigene Abschaltung selbst initiieren, sobald eine kritische Erwärmung des Schichtenstapels erreicht ist.
Vorteilhaft kann bei der Herstellung des Schichtenstapels die Schalterschicht an beliebiger Stelle zwischen einem
Anodenkontakt und einem Kathodenkontakt des Schichtenstapels in den Schichtenstapel integriert werden. Dadurch kann vorteilhaft auf externe Schaltungen zum Dimmen des
emittierten Lichts oder Abschalten des optoelektronischen Bauteils sowie auf aktive Kühlungsmittel wie beispielsweise externe Kühlkörper oder Ventilatoren verzichtet werden.
Folglich kann vorteilhaft das Design des optoelektronischen Bauteils beibehalten werden.
Ein Schichtenstapel mit einer integrierten Schalterschicht kann vorteilhaft auch mit weiteren, vorteilhaft in dem
Bauteil intern angeordneten, elektrothermischen
Schutzelementen verschaltet werden. So kann der
Schichtenstapel mit einer integrierten Schalterschicht mit einem auf dem gemeinsamen Substrat angeordneten
Kaltleiterschalter und/oder Heißleiterschalter in Reihe und/oder parallel verschaltet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils nimmt eine Ladungsträgermobilität der
Schalterschicht mit steigender Temperatur der Schalterschicht ab .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist die Schalterschicht so ausgebildet, dass in der Schalterschicht eine zum Betrieb des Schichtenstapels benötigte Mindestspannung Umin mit steigender Temperatur der Schalterschicht ansteigt. Je nach Material kann es sich bei den Ladungsträgern um
Elektronen oder Löcher handeln. Folglich wirkt die
Schalterschicht bei hohen Temperaturen nur schwach elektrisch leitfähig, vorteilhaft isolierend. Hierdurch kann für das in der Schalterschicht angewandte Material ein Grenzwert für die Temperatur bestimmt werden, oberhalb dessen der
Schichtenstapel bei einer vorgegebenen Betriebsspannung kein Licht mehr emittiert. Als Konsequenz der sinkenden
Ladungsträgermobilität steigt vorteilhaft eine
Mindestspannung Umin am Schichtenstapel, welche benötigt wird, damit sich die Ladungsträger noch durch die Schalterschicht bewegen können, signifikant an. Dadurch ergibt sich ein
Anstieg der zum Betrieb des Schichtenstapels benötigten
Mindestspannung Umin mit sinkender Ladungsträgermobilität und damit steigender Temperatur am Schichtenstapel. Folglich ist es vorteilhaft nicht notwendig, die Temperatur am
Schichtenstapel zu messen und mittels einer externen
Schaltung den Stromfluss durch den Schichtenstapel zu
unterbrechen .
Mittels der Materialzusammensetzung der Schalterschicht kann die kritische Temperatur an einen vorgegebenen Grenzwert angepasst sein. Oberhalb des Grenzwertes wird demnach der Betrieb des Bauteils automatisch abgeschaltet. Sobald durch Abkühlung die Temperatur am Schichtenstapel wieder unter den Grenzwert fällt, reicht vorteilhaft die angelegte Spannung wieder aus um den Schichtenstapel wieder in Betrieb zu nehmen, so dass dieser wieder Licht emittieren kann. Die Temperatur des Schichtenstapels setzt sich vorteilhaft aus der Umgebungstemperatur und der Eigenerwärmung des
Schichtenstapels zusammen. Übersteigt die Temperatur einen Grenzwert, wird die Emission am Schichtenstapel vorteilhaft ausgeschaltet und die Temperatur des Schichtenstapel passt sich wieder der Umgebungstemperatur an, da der
Schichtenstapel keine Eigenerwärmung mehr produziert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils umfasst die Schalterschicht ein Thermomaterial .
Bei Thermomaterialien handelt es sich vorteilhaft um
Materialien, welche bei Temperaturänderung ihre Struktur reversibel mit der Temperatur verändern. Daraus resultieren Änderungen beispielsweise in Absorptionseigenschaften und der Ladungsträgermobilität des Materials. Es ist beispielsweise möglich, dass sich bei steigender Temperatur ein
Thermomaterial mit einer hohen Ladungsträgermobilität in ein Material mit geringer Ladungsträgermobilität umwandelt. Falls eine Schalterschicht in einem Licht emittierenden
Schichtenstapel ein solches Thermomaterial mit einer bei Erwärmung sinkenden Ladungsträgermobilität aufweist, steigt die zum Betrieb des Schichtenstapels benötigte
Mindestspannung Umin an. Die Schalterschicht umfasst
vorteilhaft ein Thermomaterial, welches aus mehreren, in einem temperaturabhängigen Gleichgewicht vorliegenden Spezies besteht. Je nach Thermomaterial kann es sich bei den
Ladungsträgern, deren Mobilität sich mit der Temperatur verändert, um Elektronen oder Löcher handeln. Bei Umkehr des Temperaturverlaufs ist der Prozess reversibel und das
Material mit der geringen Ladungsträgermobilität wandelt sich wieder in ein Material mit hoher Ladungsträgermobilität um, wobei die Mindestspannung Umin zum Betrieb des
Schichtenstapels sinkt.
Mittels eines Thermomaterials kann vorteilhaft eine
Lochtransportschicht wie auch eine Elektronentransportschicht als Schalterschicht ausgebildet werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauteils ist die Schalterschicht so ausgebildet, dass die Mindestspannung Umin exponentiell mit der Temperatur der
Schalterschicht ansteigt.
Der Anteil an veränderten Materialanteilen in einer Schicht aus Thermomaterial kann sich beispielsweise exponentiell mit der Temperatur verändern (Arrhenius-Aktivierung) . Für ein Material, beispielsweise mit hoher Elektronenmobilität bei niedriger Temperatur, verändern sich mit steigender
Temperatur Bereiche des Thermomaterials so, dass der Anteil am Ladungsträgertransport im Thermomaterial durch bereits strukturveränderte Anteile des Materials exponentiell mit der Temperatur ansteigt. Mit anderen Worten wächst mit der
Temperatur die Anzahl der bereits strukturveränderten
Bereiche an, welche eine geringe Elektronenmobilität
aufweisen. Vorteilhaft ergibt sich dadurch auch ein
exponentieller Anstieg der Mindestspannung Umin .
Bei einem Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Bauteils verringert oder unterbricht das elektrothermische Schutzelement eine Lichtemission am Licht emittierenden
Schichtenstapel, falls eine Temperatur des Licht
emittierenden Schichtenstapels eine Grenztemperatur Tcrit übersteigt .
Vorteilhaft ist die Spannung am Schichtenstapel der
charakteristische Parameter zum Abschalten des Betriebs des Licht emittierenden Schichtenstapels. Ein Temperatursensor ist dabei vorteilhaft nicht notwendig, um den Betrieb am Schichtenstapel einzustellen. Die Grenztemperatur Tcrit
beträgt beispielsweise 80 °C. Vorteilhaft kann das elektrothermische Schutzelement den Betrieb des Bauteils automatisch regeln, insbesondere die Lichtemission am Schichtenstapel dimmen oder ausschalten. Dies wird vorteilhaft dadurch erzielt, dass die elektrische Regelung des Bauteils, beispielsweise das Anliegen eines Betriebsstroms an dem Schichtenstapel, in Abhängigkeit von der Temperatur im Schichtenstapel gesteuert wird. Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus dem im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Die Figuren la und 2a zeigen eine schematische Draufsicht auf ein optoelektronisches Bauteil mit einem elektrothermischen Schutzelement .
Die Figuren lb und 2b zeigen einen typischen Verlauf eines elektrischen Widerstands des elektrothermischen
Schutzelements in Abhängigkeit von der Temperatur.
Die Figur 3a zeigt eine schematische Seitenansicht eines Schichtenstapels mit einer Schalterschicht. Die Figur 3b zeigt einen beispielhaften
Ladungsträgertransport eines Thermomaterials in Abhängigkeit von der Temperatur.
Die Figur 3c zeigt einen Verlauf einer Mindestspannung zum Betrieb eines Schichtenstapels mit einer Schalterschicht in Abhängigkeit von der Temperatur. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die in den Figuren dargestellten Bestandteile sowie die
Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Die Figur la zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein optoelektronisches Bauteil 10. Auf einem Substrat 5 sind gemeinsam ein Licht emittierender Schichtenstapel 1 und ein elektrothermisches Schutzelement 3 angeordnet und intern im
Bauteil 10 mittels elektrischer Leiterbahnen auf dem Substrat 5 verschaltet. Bei dem elektrothermischen Schutzelement 3 der Figur la handelt es sich vorteilhaft um einen
Kaltleiterschalter, welcher mit dem Schichtenstapel 1 in Reihe geschaltet ist. Der Kaltleiterschalter kann
beispielsweise auf dem Substrat 5 lateral beabstandet zum Schichtenstapel 1 aufgebracht werden.
Weiterhin sind auf dem Substrat 5 ein Anodenkontakt 5a und ein Kathodenkontakt 5b zur externen Kontaktierung angeordnet, mit welchem der Kaltleiterschalter und der Schichtenstapel 1 vorteilhaft in Reihe geschaltet sind.
Weiterhin ist ein wärmeleitendes Element 9 gemeinsam mit dem elektrothermisches Schutzelement 3 und dem Schichtenstapel 1 auf dem Substrat 5 angeordnet. Das wärmeleitende Element 9 befindet sich dabei zwischen dem Schichtenstapel 1 und dem elektrothermischen Schutzelement 3 und ist mit beiden in direktem Kontakt, so dass die Wärme des Schichtenstapel 1 vorteilhaft gut an den Kaltleiterschalter weitergeleitet werden kann. Eine Verkapselung 8 überdeckt den Schichtenstapel 1
(gestreifte Darstellung) , das elektrothermische Schutzelement 3 und das Substrat 5 und verkapselt die Einzelbauteile zu einem optoelektronischen Bauteil 10.
Die Figur lb zeigt eine Abhängigkeit des elektrischen
Widerstands R eines Kaltleiterschalters von der Temperatur T am Kaltleiterschalter für drei verschiedene
Kaltleiterschalter Rl, R2 und R3. Für den Kaltleiterschalter Rl steigt ab einer kritischen Temperatur Tcrit von 40 C der elektrische Widerstand steil an. Bei den Kaltleiterschaltern R2 und R3 steigt der Widerstand bei 60 °C bzw. bei 120 °C steil an. Vor dem Anstieg bleibt der Widerstand größtenteils konstant mit dem Anstieg der Temperatur.
Wird ein Kaltleiterschalter mit solcher Charakteristik gemäß der Figur la in Reihe mit einem Schichtenstapel, vorteilhaft einer OLED, geschaltet und die Spannung an der OLED konstant gehalten, etwa durch eine externe Spannungsquelle, verringert sich der Strom, mit welchem der Schichtenstapel betrieben wird. Dadurch wird eine OLED automatisch gedimmt oder
ausgeschaltet, falls die Temperatur eine kritische Temperatur Tcrit übersteigt, oberhalb welcher der elektrische Widerstand steil ansteigt.
Die Figur 2a zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein optoelektronisches Bauteil 10 ähnlich der Figur la. Auf einem Substrat 5 sind gemeinsam ein Licht emittierender
Schichtenstapel 1 und ein elektrothermisches Schutzelement 3 angeordnet und intern im Bauteil 10 mittels elektrischer
Leiterbahnen auf dem Substrat 5 verschaltet, wobei es sich in der Figur 2a bei dem elektrothermischen Schutzelement 3 vorteilhaft um einen Heißleiterschalter handelt, welcher mit dem Schichtenstapel 1 parallel geschaltet ist.
Ein wärmeleitendes Element 9 ist gemeinsam mit dem
elektrothermischen Schutzelement 3 und dem Schichtenstapel 1 auf dem Substrat 5 angeordnet. Das wärmeleitende Element 9 befindet sich dabei zwischen dem Schichtenstapel 1 und dem Heißleiterschalter und ist mit beiden in direktem Kontakt, so dass die Wärme des Schichtenstapel 1 vorteilhaft gut an den Heißleiterschalter weitergeleitet werden kann. Eine
Verkapselung 8 (gestreifte Darstellung) überdeckt den
Heißleiterschalter 3, das Substrat 5 und den Schichtenstapel 1, welcher vorteilhaft als OLED ausgebildet ist. Die Figur 2b zeigt eine Abhängigkeit des elektrischen
Widerstands R eines Heißleiterschalters von der Temperatur T am Heißleiterschalter für zwei verschiedene
Heißleiterschalter Hl und H2 im Vergleich mit einem
Kupferdraht K. Bei steigender Temperatur nähern sich die elektrischen Widerstände der Heißleiterschalter Hl und H2 asymptotisch einem Mindestwert an. In Parallelschaltung mit dem Schichtenstapel öffnet sich dadurch bei höheren
Temperaturen ein paralleler Strompfad und der Strom am
Schichtenstapel der Figur 2a kann verringert werden.
Die Figur 3a zeigt in schematischer Seitenansicht einen
Schichtenstapel 1, welcher eine Schalterschicht 4 umfasst. Der Schichtenstapel 1 umfasst weiterhin einen ersten Kontakt lb, einem zweiten Kontakt lc und beispielsweise eine
Emissionseinheit ld. Die Emissionseinheit ld kann vorteilhaft als aktive Zone ausgebildet sein. In der Figur 3a umfasst der Schichtenstapel 1 weiterhin eine Elektronentransportschicht ET und eine Löchertransportschicht HT, wobei die Emissionseinheit ld zwischen der Elektronentransportschicht ET und der Löchertransportschicht HT angeordnet ist. Bei der Schalterschicht 4 kann es sich um die
Elektronentransportschicht und/oder um die
Löchertransportschicht handeln.
Die Figur 3b zeigt eine Änderung des Anteils eines
Thermomaterials , welches mit steigender Temperatur T seine Struktur und den damit bedingten Grad des
Ladungsträgertransportes verändert. Beispielsweise verändert sich in einer Schicht aus Thermomaterial mit steigender
Temperatur ein Teil des Materials von einer ersten Spezies Ml mit einer hohen Lochmobilität in eine zweite Spezies M2 mit einer geringen Lochmobilität. Der Anteil am
Ladungsträgertransport der gesamten Schicht verringert sich für die erste Spezies exponentiell mit steigender Temperatur und steigt für die zweite Spezies exponentiell mit steigender Temperatur. Oberhalb einer kritischen Temperatur Tcrit ,
beispielsweise von 80 °C, ist der Anteil des
Ladungsträgertransports durch die zweite Spezies M2 so groß, dass eine anfangs an der Schicht angelegte Spannung nicht mehr ausreicht, damit die Schicht in für einen OLED-Betrieb ausreichendem Maße elektrisch leitend wirkt. Die Figur 3c zeigt einen Anstieg der Mindestspannung Umin mit der Temperatur T. Erreicht die Mindestspannung Umin einen Grenzwert Ul bei einer kritischen Temperatur Tcrit , wird der Betrieb am Schichtenstapel automatisch abgeschaltet. Der Spannungsverlauf der Mindestspannung Umin ist exponentiell ansteigend mit steigender Temperatur. Bei einer OLED beträgt die kritische Temperatur vorteilhaft 80 °C. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2015 112 048.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
1 Licht emittierender Schichtenstapel lb erster Kontakt
lc zweiter Kontakt
ld Emissionseinheit
3 elektrothermisches Schutzelement
4 Schalterschicht
5 Substrat
5a Anodenkontakt
5b Kathodenkontakt
8 Verkapselung
9 wärmeleitendes Element
10 optoelektronisches Bauteil
Hl, H2 Heißleiterschalter
K Kupferdraht
Ml erste Spezies
M2 zweite Spezies
R, elektrischer Widerstand
Rl, R2 Kaitleiterschalter
T Temperatur
Ul Grenzwert

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauteil (10) umfassend
- einen Licht emittierenden Schichtenstapel (1), und
- ein elektrothermisches Schutzelement (3) , welches im Bauteil (10) mit dem Schichtenstapel (1) verschaltet ist und einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist.
2. Optoelektronisches Bauteil (10) nach Anspruch 1, wobei
- das elektrothermische Schutzelement (3) einen
Kaltleiterschalter und/oder einen Heißleitschalter umfasst ,
- der Kaltleitschalter in Reihe zum Schichtenstapel (1) geschaltet ist,
- der Heißleitschalter parallel zum Schichtenstapel (1) geschaltet,
- das elektrothermische Schutzelement (3) eine
Lichtemission am Licht emittierenden Schichtenstapel (1) verringert oder unterbricht, falls eine Temperatur des Licht emittierenden Schichtenstapels (1) eine
Grenztemperatur Tcrit übersteigt.
3. Optoelektronisches Bauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Licht emittierende Schichtenstapel (1) organische Schichten umfasst.
4. Optoelektronisches Bauteil (10) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das elektrothermische Schutzelement (3) und der Licht emittierende Schichtenstapel (1) gemeinsam auf einem Substrat (5) angeordnet sind und von einer gemeinsamen Verkapselung (8) überdeckt werden. Optoelektronisches Bauteil (10) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem ein wärmeleitendes Element (9) zwischen dem Schichtenstapel (1) und dem elektrothermischen
Schutzelement (3) gemeinsam auf dem Substrat (5) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauteil (10) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das elektrothermische Schutzelement (3) einen Kaltleiterschalter umfasst, welcher in Reihe zum
Schichtenstapel (1) geschaltet ist.
Optoelektronisches Bauteil (10) nach Anspruch 6, bei dem der Kaltleiterschalter dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Licht emittierenden Schichtenstapels (1), für den Fall des Überschreitens einer
Grenztemperatur Tcrit am Kaltleiterschalter, einen durch den Licht emittierenden Schichtenstapel (1) fließenden Strom zu verringern oder zu unterbrechen.
Optoelektronisches Bauteil (10) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das elektrothermische Schutzelement (3) einen Heißleiterschalter umfasst, welcher parallel zum
Schichtenstapel (1) geschaltet ist.
Optoelektronisches Bauteil (10) nach Anspruch 8, bei dem der Heißleiterschalter dazu eingerichtet ist, im Betrieb des Licht emittierenden Schichtenstapels (1), für den Fall des Überschreitens einer
Grenztemperatur Tcrit am Heißleiterschalter, einen durch den Licht emittierenden Schichtenstapel (1) fließenden Strom über den Heißleiterschalter umzulenken und den Strom am Schichtenstapel (1) zu verringern.
Optoelektronisches Bauteil (10) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Schichtenstapel (1) das elektrothermische Schutzelement (3) in Form einer Schalterschicht (4) umfasst, welche in den Schichtenstapel (1) integriert ist .
Optoelektronisches Bauteil (10) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem eine Ladungsträgermobilität der Schalterschicht (4) mit steigender Temperatur der Schalterschicht (4) abnimmt .
Optoelektronisches Bauteil (10) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Schalterschicht (4) so ausgebildet ist, dass in der Schalterschicht (4) eine zum Betrieb des Schichtenstapels (1) benötigte Mindestspannung Umin mit steigender Temperatur der Schalterschicht (4) ansteigt.
Optoelektronisches Bauteil (10) nach einem der
Ansprüche 10 bis 12,
bei dem die Schalterschicht (4) ein Thermomaterial umfasst .
Optoelektronisches Bauteil (10) nach Anspruch 12, bei dem die Schalterschicht (4) so ausgebildet ist dass die Mindestspannung Umin exponentiell mit der
Temperatur der Schalterschicht (4) ansteigt. Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Bauteils
(10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14,
bei dem das elektrothermische Schutzelement (3) eine Lichtemission am Licht emittierenden Schichtenstapel
(1) verringert oder unterbricht, falls eine Temperatur des Licht emittierenden Schichtenstapels (1) eine
Grenztemperatur Tcrit übersteigt.
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