JP5409392B2 - 色変換が行われるｏｌｅｄ - Google Patents

Description

本願は、ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００７００９５３０．０号の優先権を主張するものであり、その開示内容は、引用によって本願発明の開示内容に含まれるものとする。

本発明は、色変換層を有する次のような有機発光ダイオード‐ＯＬＥＤ（organic light emitting diode）‐に関する。すなわち、当該ＯＬＥＤによって生成された第１波長の１次放射をより長い第２の波長の放射に変換するための色変換層を有する有機発光ダイオードに関する。前記第２波長の放射はとりわけ光であり、とりわけ照明エレメントまたはディスプレイとして使用できるような放射である。

色変換層を使用することは、ＯＬＥＤによって生成された通常は単色の１次放射から所望の光色ないしは混合光のスペクトルを生成する公知の手法である。その目的はたとえば、とりわけ昼光に近い白色光であって、照明用に最も適した白色光を生成することである。

ＬＥＤでは、該ＬＥＤの１次放射を吸収してより長波長の２次放射を生成することができる色素を含む色変換層が公知である。このような色素はポリマー層中に分散されている。２次放射の放出波長が適切に選択された３つの色変換層ないしはそれに適した色素を組み合わせることにより、これらの放出波長の混色によって昼光に近づけることができる。その際には、個々の色変換層の厚さと、該色変換層中に分散される色素の濃度とを適切に選択する必要もある。

しかし、このような公知の色変換層をＯＬＥＤにおいて使用する際には、該色変換層の色素およびポリマーマトリクスによってさらに別の高感度の材料が該ＯＬＥＤに組み込まれ、この素子の寿命がさらに低減されるか、ないしは有機成分の分解によって発光強度の低下が加速されるという欠点が存在する。さらに、異なる色変換層が異なって経時変化することにより、得られる全放出スペクトルの不所望の色変化が早期に発生してしまう。

本発明の課題は、上記の欠点を回避する、色変換層を有するＯＬＥＤを提供することである。

本発明では前記課題は、請求項１記載の特徴を有するＯＬＥＤによって解決される。後続の請求項に、本発明の有利な実施形態が示されている。

ここでは、量子ドットを有する少なくとも１つの色変換層を備えたＯＬＥＤを提案する。

量子ドットは、無機物であり、通常は湿度および酸素に影響を受けないという利点を有する。また量子ドットは、経時変化を受けず光化学的にも安定した、定義された放出波長を有する。また量子ドットは、色素を有する色変換層と比較して、吸収帯域が１次放射に対して格段に広く、青色ＯＬＥＤの領域にある比較的短波長の放射を実際にすべて吸収するという利点も有する。さらに、量子ドットは簡単に加工することができ、製造時には量子ドットの放出長および放出帯域の幅を任意に補整および調整することができる。また、量子ドットは容易に加工することができ、市販で入手可能である。

すなわちここでは、少なくともアノードとカソードと、該アノードとカソードとの間に配置された機能層とを有する層構成体が基板上に配置されたＯＬＥＤを提供する。アノードおよびカソードから選択された少なくとも１つの電極は、前記機能層によって放出された光に対して透過性であり、前記層構成体の光放出面‐エミッション面‐に配置される。量子ドットを有する前記少なくとも１つの色変換層は、前記層構成体の上側または下側のエミッション面に配置されている。

前記少なくとも１つの色変換層は少なくとも１種類の量子ドットを有するが、有利には、放出波長が異なる３つの量子ドットを有する。これらの放出波長は、加算されて得られる全体の放出スペクトルが白色光に近づくように選択することができる。このようにして、照明用に非常に適したＯＬＥＤを得ることができる。

量子ドットを、たとえば有機ポリマーを含む透明なマトリクス中に分散させることができる。また、ナノ粒子またはナノ粒子の懸濁体として形成された量子ドットを、色変換層の成膜に直接使用することもできる。機械的な保護を行うために、色変換層のナノ粒子に、ポリマー層または膜または透明な固体材料を含む被覆部を設けることができる。

このような層構成体を支持する基板を透明な基板とし、エミッション面に配置することができる。その際には、色変換層を基板上に直接設けることができ、直接設けるのが有利である。このことは、基板の面であって前記層構成体を向いている面で行うか、または、該層構成体に対向する面で行うことができる。後者の利点は、ＯＬＥＤの電極ないしは機能層と色変換層とが直接接触せず、色変換層を層構成体の製造後に初めて設けることにより、層を設ける際にとりわけ透明な電極にさらされないようにするという条件を満たさなくてもよいことである。

また、エミッション面が層構成体の基板に対向する面に相応し、色変換層は透明な電極に配置される構成も可能である。このことは問題にはならない。というのも、量子ドットを含む色変換層の成膜は室温で行うことができ、層構成体に損傷がなく、とりわけ有機機能層のいずれにも損傷がないように行うことができるからである。

有利には、ＯＬＥＤのエミッション面に被覆部を設け、このエミッション面をとりわけ封止し、色変換層をこの被覆部に設ける。このことは、封止前に被覆部の内側または外側で選択的に行うか、または、封止後に外側にのみ行うことができる。

有利には、基板および／または被覆部はガラス層を含む。ガラスの利点は、放出される放射に対して透明であり、低コストであり、容易に加工することができ、拡散に対して封止されており、十分に機械的に安定的であるということである。場合によっては、基板および被覆部のうち少なくとも１つは付加的に別の層を含むことができ、たとえば多層積層体として構成することができる。基板および被覆部の少なくとも１つは、ＯＬＥＤから放射された光に対して少なくとも部分的に透過性である。

しかし基板は、とりわけ層構成体のエミッション面に配置されていない場合、任意の固体材料とすることができ、この固体材料は、場合によってはフレキシブル材料とすることができる。

その逆に、ＯＬＥＤを設ける表面をほぼ任意に選択することができ、この表面は湾曲した表面とすることができる。またこの表面を、個別に取扱うことができる部品とすることもできる。

ＯＬＥＤを任意の大きさの基板面に対して、無段階にスケーリングすることができる。輪郭を任意の形状で形成し、所与の用途に適合することができ、たとえば方形、多角形、円等の幾何学的に規則的な形状をとるか、輪郭を任意に不規則にすることができる。

被覆部と基板との間に、ＯＬＥＤの光放射活性面の上方または隣に空洞を閉じ込め、この空洞内にゲッタ材料を配置することができる。このゲッタ材料は、湿気の侵入時および／または酸素の侵入時に発光エレメントないしはＯＬＥＤの損傷を阻止するか、または少なくとも比較的長い時間にわたって遅延することができるように選定される。それゆえゲッタ材料は、酸素および／または湿気を吸収ないしは結合するのに適した材料でなければならず、相応に選択される。

また、ゲッタ材料を空洞なしで、層構成体に直接設けることもできる。

被覆部は、片側で支持されて層構成体の上方に張ることができ、ＯＬＥＤの活性領域の外側でのみ基板に結合することができ、たとえばシール材または接着材によって結合することができる。

活性面が比較的大きい場合、被覆部を層構成体で支持することもできる。その際には、活性面全体を被覆部の支持に使用することができる。このような層構成体の表面に全面で、接着材層またはシール材または絶縁性材料を設け、被覆部に接着することもできる。

また、ベース面が比較的小さい少なくとも１つの支持エレメントを層構成体と被覆部との間に設けることもできる。有利には、支持エレメントと層構成体との間の前記少なくとも１つの支持エレメントの領域にバッファ層を設けることにより、該層構成体に及ぼされる支持力によって該層構成体が損傷されるのが回避されるようにする。前記バッファ層はとりわけ軟質に形成されているか、または低い弾性率で弾性に形成されている。

以下で、本発明を実施例および付属の図面に基づき詳細に説明する。図面の各図は本発明を図解するために使用されるだけであり、概略的に示されているだけであり、実際の比率どおりには示されていない。

色変換層を有するＯＬＥＤを示す。 色変換層を有する別のＯＬＥＤを示す。 色変換層を有する別のＯＬＥＤを示す。 色変換層を有する別のＯＬＥＤを示す。 色変換層を有する別のＯＬＥＤを示す。 色変換層を有する別のＯＬＥＤを示す。 色変換層を有する別のＯＬＥＤを示す。 ＯＬＥＤに使用可能な層構成体を示す。 ＯＬＥＤに使用可能な層構成体を示す。 複数の部分層から構成される色変換層を含む層構成体を示す。

図１は、基板ＳＵ上に設けられた層構成体ＳＡとして構成された、公知のＯＬＥＤを示す。シール材ＤＭによって被覆部ＡＤがＯＬＥＤの上側に配置されており、層構成体にこのシール材が被覆されている。さらに付加的に、ＯＬＥＤは色変換層ＦＫＳを有し、該色変換層ＦＫＳは基板ＳＵの下面に直接設けられている。基板ＳＵはここでは透明に形成されているので、光放出面を形成する。

図２に同様のＯＬＥＤが示されており、このＯＬＥＤでは図１との相違点として、色変換層ＦＫＳが被覆部ＡＤ上に設けられている。この被覆部ＡＤはここでは透明であり、光放出面を形成する。

図３に、公知の別の次のような装置、すなわち、被覆部ＡＤがキャップ状に形成されており、層構成体ＳＡを無接触で被覆する装置が示されている。シール材ＤＭはここでは、基板ＳＵに載置される被覆部ＡＤの載置領域に限定される。被覆部ＡＤの内側にゲッタ材料ＧＥを設けることができる。さらに、ここでは透明に形成された被覆部ＡＤの上面に色変換層ＦＫＳが配置される。

図４は、図３と同様に構成されたＯＬＥＤを示す。このＯＬＥＤでは図３と異なる点として、色変換層ＦＫＳは基板ＳＵの下面に配置されており、該基板はここでは透明であり、光放出面を形成する。層構成体ＳＡ上に空洞を形成する被覆部ＡＤの内側に、ゲッタ材料ＧＥを設けることができる。

図５は、図４と同様に構成されたＯＬＥＤを示す。このＯＬＥＤでは図３と異なる点として、色変換層ＦＫＳは基板ＳＵの上面に配置されており、該基板はここでは透明であり、光放出面を形成する。被覆部ＡＤの内側にゲッタ材料ＧＥを設けることができる。

図６および図７に、色変換層ＦＫＳが層構成体ＳＡに直接設けられているＯＬＥＤが示されている。図６には、色変換層ＦＫＳに直接設けられた被覆部ＡＤが示されており、図７には、被覆部の下方に層構成体ＳＡを閉じ込める空洞が示されている。１つの構成では、色変換層ＦＫＳと被覆部ＡＤとの間に、図６と同様にさらに１つの封止層または付着層（図示されていない）を設けることができる。

図８に、ＯＬＥＤの公知の実施可能な構成が示されている。このＯＬＥＤの層構成体ＳＡは、動作中に電磁放射を放出する活性領域を有する有機機能層ＰＳを有するか、またはこのような活性領域を有する少なくとも１つの有機層を含む層列を有することができる。これは、少なくとも１つの色素を含む層であるか、または稀に、１つの色素のみから成る層である。

さらにＯＬＥＤは、基板ＳＵ表面上に設けられた第１の電極Ｅｌを有することができ、また、該層構成体ＳＡに第２の電極ＥＳを有することもできる。その際には、活性領域を有する（複数の）機能層を第１の電極と第２の電極との間に配置することができる。有利には、透明な基板ＳＵの表面上に設けられた第１の電極Ｅｌはアノードであり、第２の電極はカソードである。この第２の電極は、透明に形成された電極である必要はない。

これらの電極は、ＯＬＥＤのベース面に相応する１つの所属のベース面を有することができ、このベース面は、ＯＬＥＤが活性面（ベース面）全体で光を放出するようにそれぞれ１つの給電線路だけで駆動制御することができる。

また、１つの電極のみを構造化によってより小さい部分面に分割するか、または双方の電極を構造化によってより小さい部分面に分割することもできる。その際には、これらの部分面を電気的に分離することもできる。所望の相応の部分面が得られるように、ＯＬＥＤの層構成体全体を構造化することもできる。

独立して駆動制御可能な部分面に構造化されたＯＬＥＤは、異なる色変換層を有する部分面を有することもできる。画一的に放出する面の他に、異なって放出する複数の部分面から多色の全体面を生成することができ、このような多色の全体面によって、画像、シンボルおよびパターンの表示が可能になる。

透明な第１の電極Ｅｌはアノードとして形成することにより、正電荷または「正孔」を注入する材料として使用することができ、このような第１の電極Ｅｌはたとえば透明導電性酸化物を含むか、または透明導電性酸化物から構成することができる。透明導電性酸化物（transparent conductive oxides、略して「ＴＣＯ」）は透明な導電性材料であり、通常、例えば酸化亜鉛、酸化錫、酸化カドミウム、酸化チタン、酸化インジウムまたはインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの金属酸化物である。ＺｎＯ，ＳｎＯ_２またはＩｎ_２Ｏ_３などの２成分の金属酸素化合物のほか、Ｚｎ_２ＳｎＯ_４，ＣｄＳｎＯ_３，ＺｎＳｎＯ_３，ＭｇＩｎ_２Ｏ_４，ＧａＩｎＯ_３，Ｚｎ_２Ｉｎ_２Ｏ_５またはＩｎ_４Ｓｎ_３Ｏ_１２などの３成分の金属酸素化合物や、種々の透明導電性酸化物の混合物もＴＣＯ群に属する。さらに、ＴＣＯは必ずしも化学量論的な組成に相応しなくてはならないわけではなく、ｐ型ドーピングまたはｎ型ドーピングとすることもできる。択一的または付加的に、第１の電極は金属を含むこともでき、たとえば銀を含むこともできる。

透明でないカソードは、電極の出射の動きが小さい金属または合金から構成することができ、たとえばアルミニウム、バリウム、ルテニウム、インジウム、銀、金、マグネシウム、カルシウムまたはリチウムを含むか、またはこれらの化合物、組み合わせおよび合金を含むことができる。

図８に示された層構成体ＳＡは反転することができ、第１の電極Ｅｌは透明でないカソードを形成し、第２の電極Ｅ２はエミッション面に透明なカソードを形成するように構成することができる。

第１の電極および第２の電極は「正孔」ないしは「電子」を活性領域に注入し、この「正孔」および「電子」はここで、励起状態を形成して再結合する。そのエネルギーは機能層ＦＳの色素に伝導され、色素は電子的な励起状態になり、電磁放射ないしは光を放出して、より低いエネルギー状態になるかまたは基本状態になる。

図９に、さらに詳細な層構成体ＳＡが示されており、同図ではアノード（第１の電極Ｅ１）と機能層ＦＳとの間に正孔伝導層ＬＴＳが示されており、機能層とカソード（第２の電極Ｅ２）との間に電子輸送層または電子注入層ＥＴＳが配置されている。機能層ＦＳと正孔伝導層ＬＴＳとの間に別の層を設け、正孔に対する注入障壁を低減するのに使用することができる。

保護層として使用し、かつ電子に対する注入障壁の低減に使用するために、カソードと電子輸送層ＥＴＳとの間に、ＬｉＦまたはＣｓＦから成る薄層を蒸着形成することもできる。

図１０に、複数の部分層から構成された色変換層ＦＫＳの実施可能な構成が示されている。たとえば層構成体ＳＡの上方または下方に直接配置される色変換層ＦＫＳは、ここでは、赤色を放出する量子ドットを有する第１の部分層ＴＳ１を含む。その上（またはその下）に配置された第２の部分層ＴＳ２は、橙色を放出する量子ドットを有する。その上（またはその下）に配置された第３の部分層ＴＳ３は、緑色を放出する量子ドットを有する。

色変換層ＦＫＳの部分層ＴＳは、ポリマーマトリクス中の分散物として設けることもでき、このポリマーマトリクスは、場合によっては被着後に硬化される。また、量子ドットのナノ粒子を、溶剤中の懸濁物として被着することにより、該溶剤の蒸発後にはナノ粒子の層だけが残留し、この層が部分層を形成することもできる。

このような分散物または懸濁物は、遠心力コーティングによって被着することができる。マトリクス中または溶剤中のナノ粒子の分散度は、量子ドットが埋め込まれる表面積に依存する。たとえば、トリフェニルホスファイトに埋め込まれる量子ドットはアセトニトリルに可溶であり、トリ‐ｎ‐オクチルホスフィンに埋め込まれる量子ドットは非極性マトリクスに可溶ないしは分散可能であるか、またはこのような溶剤に可溶ないしは分散可能である。適しているのはたとえばトルオルである。

被着法として遠心力コーティング法を使用することにより、所要数の部分層ＴＳｎ（ｎ＞１）を危険なしで相互に直接重ねて被着することができ、その際には下方の部分層を損傷することがない。

量子ドットはナノスコープ構造を有し、たいていは半導体材料（たとえばＩｎＧａＡｓ，ＣｄＳｅまたはＧａＩｎＰ／ＩｎＰ）から成る。量子ドット中の電荷担体（電子、正孔）は３つの空間的次元すべてにおいて、該電荷担体のエネルギーが連続値をとらなくなり離散値のみをとるように制限される。

このエネルギーないしは量子ドットの離散的なエネルギーレベルの差が、量子ドットの放出波長を決定する。

その際には、量子ドットの放出波長は量子ドットの大きさに依存する。量子ドットは狭いガウス的な放出帯域を示し、この放出帯域は、たとえば２ｎｍの直径のＣｄＳｅナノ粒子では、５２０ｎｍの最大値を有する。それに対し、６ｎｍの直径を有する同じナノ粒子は、６４０ｎｍの最大エミッションを示す。つまり、量子ドットを所定の放出波長にオーダーメイドして形成することができる。このことは、色素を含む次のような色変換層と比較して、すなわち、各部分層ごとにまずは波長に合った適正な色素を見つけなければならない色変換層と比較して、すなわち、異なって吸収する３つの異なる色素を見つけなければならない色変換層と比較してさらに有利である。

部分層（支持基板）中の量子ドットの粒子の粒径の分布が狭い場合、このような部分層によって狭い放出帯域を実現することができ、たとえば、４０ｎｍ未満のＦＷＨＭ幅（full width at halfmaximum）を有する放出帯域を実現することができる。

それに対し、量子ドットの直径に対する該量子ドットの吸収スペクトルの依存性は小さいので、色変換層ＦＫＳの部分層ＴＳ中のすべての異なる量子ドットを等しい波長で励起することができる。励起波長は有利には、約３００〜４５０ｎｍの青色で選択される。その理由は単に、青色は色変換層によって、すべての他のより長波長の色に変換できるからである。

色変換層ＦＫＳないしは該色変換層ＦＫＳの各部分層ＴＳの厚さは、遠心力コーティング法のパラメータによって簡単に調整できるので、所望の混色を部分層の個々の放出波長から精確に調整して得ることもできる。

幾つかの実施例にのみ基づいて説明した本発明は、上記の実施形態に限定されない。むしろ、各図に示された個々の特徴を、他の図に示された特徴と組み合わせることができる。層構成体ＳＡの詳細、被覆部ＡＤの詳細、基板ＳＵの種類および形態、およびサイズ比率は、図中に示された実施形態と異なることができる。本発明によるＯＬＥＤの個々の要素に関して材料に関する記載がなされている場合、この記載が本発明を限定することはない。とりわけ、本装置が公知の装置と一致する場合には、本装置の個々の構成要素に関し、相応の公知の材料を使用することができる。

ＯＬＥＤを照明用に、主に白色混色で放出するために使用することができる。また、色変換層ないしは該色変換層の部分層によって、たとえば装飾用途または表現イメージをＯＬＥＤによって生成するように、別の合成光色を生成することもできる。異なる色変換層によって生成された異なる光色を放出し個別に駆動制御される部分面を有する構造化されたＯＬＥＤによって、多色およびアニメーションの光作用を実現することもできる。

Claims (9)

1. 少なくともアノードとカソードと、該アノードと該カソードとの間に配置された機能層（ＦＳ）とから成る層構成体（ＳＡ）を有するＯＬＥＤにおいて、
   前記層構成体（ＳＡ）は基板（ＳＵ）上に配置されており、
   前記アノードおよびカソードから選択された少なくとも１つの電極（Ｅ）は、前記機能層から放出された光に対して透過性であり、前記層構成体のエミッション面に配置されており、
   前記層構成体の上側または下側の前記エミッション面に、色変換層（ＦＫＳ）として使用され量子ドットを含む層が配置されており、
   前記色変換層（ＦＫＳ）は、放出波長が異なる３つの量子ドットを有し、該３つの量子ドットの加算された全体放出スペクトルは白色光であり、
   前記機能層（ＦＳ）は前記基板（ＳＵ）と被覆部（ＡＤ）との間に配置されており、前記色変換層（ＦＫＳ）は該被覆部（ＡＤ）に設けられているか、または、前記機能層（ＦＳ）に対向する表面に設けられており、
   前記色変換層（ＦＫＳ）と前記機能層（ＦＳ）との間に空洞が形成されており、
   前記色変換層（ＦＫＳ）は少なくとも３つの部分層（ＴＳ）によって構成されており、前記少なくとも３つの部分層（ＴＳ）は相互に重なって配置されており、
   前記各部分層（ＴＳ）はそれぞれ１種類の量子ドットを有し、各種類の量子ドットにはそれぞれ放出波長が割り当てられており、
   前記色変換層（ＦＫＳ）の少なくとも３つの部分層に設けられた量子ドットの放出波長は相互に異なる
   ことを特徴とする、ＯＬＥＤ。
2. 前記被覆部（ＡＤ）はキャップ状に形成されており、かつ前記層構成体（ＳＡ）を無接触で覆い、
   前記被覆部（ＡＤ）と前記基板（ＳＵ）との間のシール材（ＤＭ）は、該基板（ＳＵ）上における該被覆部（ＡＤ）の載置領域に限定されている、請求項１記載のＯＬＥＤ。
3. 前記量子ドットは透明なマトリクス中に分散されている、請求項１または２記載のＯＬＥＤ。
4. 前記量子ドットは、有機ポリマーから成る透明マトリクス中に含まれる、請求項１から３までのいずれか１項記載のＯＬＥＤ。
5. 前記量子ドットはナノ粒子層として設けられ、該量子ドットには透明な保護層が被覆される、請求項１から４までのいずれか１項記載のＯＬＥＤ。
6. 前記層構成体（ＳＡ）は前記基板（ＳＵ）と前記被覆部（ＡＤ）との間に封止されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のＯＬＥＤ。
7. 前記基板（ＳＵ）および前記被覆部（ＡＤ）はガラス層を含む、請求項６記載のＯＬＥＤ。
8. 前記色変換層（ＦＫＳ）は、前記被覆部（ＡＤ）の前記層構成体（ＳＡ）を向く内側面に設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のＯＬＥＤ。
9. 前記色変換層（ＦＫＳ）中に前記量子ドットのナノ粒子が、ナノ粒子層としてのみ形成されている、請求項１または２記載のＯＬＥＤ。

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