(57)【要約】  本発明は、２つの電極層２，４の間に挟まれた少なくとも１つの発光材料層３、特に有機発光材料を有するＬＥＤ光源に関する。電極層２，４のうち少なくとも１つは、電極セグメント５のパターンを形成するように構造化され、各電極セグメント５は、電極セグメント５の間の電気的ヒューズとして機能するように設計された直接的電気接続６を介して少なくとも３つの最も近い近隣電極セグメント５と接触する。本発明は、大きな発光面積の欠陥の危険性のない、一様な光密度を有する大面積ＬＥＤ光源の設計を可能にする。
2010518573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの電極層の間に挟まれた少なくとも１つの発光材料層を有するＬＥＤ光源であって、
前記電極層のうち少なくとも１つが、前記発光材料層により放出された光の波長領域に対して少なくとも部分的に透過的な材料であり、
前記電極層のうち少なくとも１つが、複数の電極セグメントのパターンを形成するように構造化され、
前記パターンの各内部電極セグメントは、前記複数の電極セグメント間の電気的ヒューズとして機能する直接的電気接続を介して少なくとも３つの最も近い電極セグメントと電気的に接触する、ＬＥＤ光源。
【請求項２】
前記発光材料は、有機材料である、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項３】
前記直接的電気接続は、前記電極セグメントよりも、当該光源の通常動作の間において高い電流密度を有する、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項４】
前記直接的電気接続は、前記内部電極セグメントを完全に取り囲み、前記電極セグメントよりも薄い、構造化された前記電極層の領域で形成される、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項５】
前記直接的電気接続は、構造化された前記電極層で形成されたストリップラインである、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項６】
前記直接的電気接続は、構造化された前記電極層で形成された矩形状要素である、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項７】
前記発光材料層を伴う前記電極層が、基体上に設けられる、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項８】
前記基体は、前記発光材料層により放出された光の波長領域に対して少なくとも部分的に透過的である、請求項７に記載のＬＥＤ光源。
【請求項９】
拡散要素が、当該光源の発光側に取り付けられる、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項１０】
前記電極セグメントは、ｎ（ｎ＞＝３）個の直線的な辺を有する幾何学的形状を有し、
各内部電極セグメントは、ｎ個の最も近い近隣電極セグメントと前記直接的電気接続を介して電気的に接触する、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項１１】
前記電極セグメントは、等間隔である、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの電極層の間に挟まれた発光材料、特に有機発光材料の少なくとも１つの層を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）光源に関し、少なくとも１つの電極層が複数の電極セグメントのパターンを形成するように構造化される有機発光材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）は、外部電圧を印加すると可視スペクトル範囲の光を放出する少なくとも１つの有機材料層を有する。活性層としても知られる有機層は、発光に対して必要な電圧を印加するために、２つの電極層の間に挟まれる。これらの電極層のうち少なくとも１つは、活性層により放出された光の波長に対して少なくとも部分的に透過的な、電気的に伝導する材料である。電極層と活性層との間の１又は幾つかの更なる層を設けることも知られている。これらの追加の層は、例えば、電子又は正孔の伝達層又は注入層として機能し得る。斯様なＯＬＥＤ光源の構造は、２つの電極プレートの間に活性材料を備えた平行板コンデンサと同様である。
【０００３】
数センチメートルから１メートル以上まで広がる活性層及び電極層の横幅（lateral extension）を持つ大面積ＬＥＤ光源を提供する必要性が存在する。ＯＬＥＤ光源における活性層は、典型的に、１００ｎｍ又はそれよりも少ない厚さである。この小さな厚さに起因して、並びに、層が設けられる下層基板の粗さ及び凹凸に起因して、局所的又は小さな領域の電気的短絡が、２つの電極間に発生し得る。斯様な電気的短絡の他の理由は、電極間の高すぎる電圧の印加、又は、層構造の経年劣化である。電気的短絡によりもたらされたリーク電流は、光源の全体領域に至るまでの広い面積にあるこの層が発光を止めるように、活性層への電子の注入を阻止する。短絡の確率及び数は、光源、即ち活性層の幾何学的面積に比例し、これは、大面積ＯＬＥＤ又はＬＥＤ光源に対して特に問題となる。
【０００４】
米国特許第６，８７０，１９６号明細書は、ＯＬＥＤセグメントの複数のグループを有し、各グループにおける複数のＯＬＥＤセグメントが電気的に並列接続され、前記複数のグループが電気的に直列接続されるＯＬＥＤ光源を開示している。ヒューズは、電気的短絡に反応してＯＬＥＤセグメントとの電気接続をオープンするために、各ＯＬＥＤセグメントと直列に接続される。この光源のＯＬＥＤセグメントの直列／並列接続により、電気的短絡の発生が、光源の１つのセグメント、即ち対応するＯＬＥＤセグメントにだけ影響を及ぼす一方で、残りのセグメントは、影響を受けないまま、光を放出し続ける。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、電気的短絡によるより大きな領域の欠陥の危険性を伴うことなく、一様な光密度を持つ広い発光領域を提供するように設計され得る発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１によるＬＥＤ光源で実現される。ＬＥＤ光源の有利な実施形態は、従属項の主題であるか、又は、本発明を実行するための以下の説明及び実施形態に記載されている。
【０００７】
提案されたＬＥＤ光源は、２つの電極層の間に挟まれ、電極層の間に閾値電圧を超える電圧を印加すると光を放出する少なくとも１つの発光材料層を有する。発光材料は、好ましくは、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）光源を提供するための有機材料である。しかし、無機発光材料、特に適切な半導体材料を用いることも可能である。少なくとも１つの電極層は、密集した複数の電極セグメントのパターンを形成するように構造化される。"密集した"という用語は、複数の電極セグメント間の間隔が、対応する方向における複数の電極セグメントの横幅よりも小さいことを意味する。前記パターンの各内部電極セグメントは、特に電極セグメントよりも高い電流密度を有する、電極セグメントの間の電気的ヒューズとして動作するように設計される直接的な電気接続を介して、少なくとも３つの最も近くで隣り合う電極セグメントと電気的に接触する。"内部電極セグメント"という用語は、この場合において、電極層の横幅により規定された領域の縁部ではない電極セグメントを意味する。斯様な縁部の電極セグメントは、３つよりも少ない最も近くの近隣物を有し得る。そのため、少なくとも１つの電極層は、電極セグメントよりも高い電流密度を有するヒューズのグリッドにより取り囲まれる幾つかの電極セグメントを形成するように構造化される。
【０００８】
提案されたＬＥＤ光源は、それ故、２つの電極層の間に挟まれた連続的な発光材料層、即ち、活性層を有する。しかし、従来技術において知られるように、電極層と活性層との間に、電子又は正孔の伝達層又は注入層のような更なる層を設けることが可能である。
【０００９】
少なくとも１つの電極層は、少なくとも活性層により放出された光の波長範囲に対して少なくとも部分的に透過的である。斯様な電気的伝導材料の一例は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide；インジウムスズ酸化物）である。また、双方の電極層は、ＬＥＤ光源の双方の主表面を介して生成光の放出を可能にする斯様な材料から作られ得る。
【００１０】
提案されたＬＥＤ光源の層配列は、好ましくは、基体上に設けられる。この基体は、活性層により放出された光の波長領域に対して少なくとも部分的に透過的な材料から作られ得る。この波長領域は、基体と活性層との間の電極層が透過的である波長領域と少なくとも部分的に重複しなければならない。斯様な基体は、剛性、半剛性、又は可橈性であってもよく、並びに、例えば、適切な透明度を有するガラス又はポリマから作られてもよい。製造プロセス中において、底部電極層が基体の表面上に被着される。そして、発光材料層が、電極層上に被着又は成長され、次いで、第２の電極層が、発光材料層上に被着されて、本発明によって構造化される。層の被着は、化学的蒸着又はスパッタリングのような既知の堆積技術で実行され得る。電極層のパターニングは、フォトリソグラフィ構造化技術のような既知の技術で実行され得る。しかし、インクジェット印刷、スクリーン印刷等のような技術も可能である。
【００１１】
提案されたＬＥＤ光源によれば、大面積発光は、発光層及び電極層の対応する広い横幅で実現され得る。少なくとも１つの電極層のパターニング、及び、電極セグメント間の電気的ヒューズとして動作するように設計された対応する電気接続の配設により、局所電気的短絡の発生は、個々の電極セグメント、及び、短絡が生ずる対応する光源領域だけに影響を及ぼす。この電極セグメントをその近隣物と接続する、以下においてヒューズとも称される電気接続は、短絡が光源の残りの領域から電気的に切り離されるようにオープンする。即ち、提案されたＬＥＤ光源において、これらのヒューズは、短絡が生ずるセグメントの周りを局所的に破壊するような、電極セグメントの周りのグリッドを形成する。それ故、残りのグリッドが、発光が妨害されないよう電気的に伝導することを維持するように、局所的短絡が、残りの光源から切り離される。各ヒューズは、例えば矩形に成形されたヒューズセグメントを選択することにより、ヒューズ抵抗がセグメント抵抗よりも高くならないように設計され得るので、ＬＥＤ又はＯＬＥＤ全体を通過する電流フローについての変化は、ほとんど変化されない。これは、より好ましく矩形に成形されるヒューズセグメントを用いても、ＬＥＤ又はＯＬＥＤの光出力が視覚的に変化されないことを意味する。これらのヒューズの配設により、光源は、局所的短絡が生ずるときに自己回復する。
【００１２】
光源の好ましい実施形態において、電気接続又はヒューズは、矩形に形成された形状をもつ電極層そのもの、好ましくはカソード層で形成される。他の可能性は、電極セグメントの間により薄い厚さの領域を形成するように電極層を構造化することである。
【００１３】
ヒューズの主な特性は、電極セグメントにおける電流密度と比較された、これらの電気接続における高い電気的電流密度である。電気的短絡の際のこの高い電流密度により、これらの電気接続又はヒューズは、温度上昇及びエレクトロマイグレーションにより自動的に破壊されるか又はオープンする。エレクトロマイグレーションは、高電流密度により応力を受ける金属内で物質移動を表現する。金属片における物質移動が、
【数１】
2010518573.tif 000003
に比例することは実験的研究から知られている。ここで、Aは、金属片の断面に関連した定数であり、Jは電流密度、EaはeVの活性化エネルギ、kはボルツマン定数、及び、Tは温度である。例えばアルミニウムにおける大幅なエレクトロマイグレーションは、数百kA／cm2の電流密度で生ずることも知られている。エレクトロマイグレーションが高い温度により加速されることが、上記公式から見られ得る。
【００１４】
加熱及び／又はエレクトマイグレーションによりヒューズリンクそのものを破壊するために、短絡の間にヒューズ断面領域における過度の電流密度の効果を用いることが、この発明の中心的思想の一つである。通常動作の間、電流密度は、桁違いに低くなるべきである。
【００１５】
ヒューズは、電極層以外の他の材料から形成されてもよい。しかし、電極層を構造化することによるこれらのヒューズの形成は、ＬＥＤ光源全体が斯様な光源を製作するための標準的プロセスにおいて製作され、１又は双方の電極層だけが追加的に構造化されるという顕著な利点を有する。
【００１６】
電極セグメントの幾何学的形状及び電極セグメント間の間隔は、特定の形状又は幅に限定されない。パターンは、対称的又は非対称的、周期的又は非周期的であってもよい。好ましくは、電極セグメントは、少なくともｎ（ｎ＞３）個の直線状の辺を有する幾何学的形状を有し、ここで、これらのセグメントが、ヒューズを介して電気的に接続されるｎ個の最も近い近隣物を有するように設けられる。幾何学的形状は、例えば、三角形、矩形又は六角形であってもよい。好ましくは、電極セグメントは、パターンにおいて等間隔である。
【００１７】
他の実施形態において、拡散要素は、光源の一方側又は両側、即ち発光側に取り付けられる。斯様な拡散要素によれば、発光領域の幾つかの位置から放出された光が混合され、その結果、短絡により放出されない小さな領域が肉眼で見えないか又はほぼ見えなくなる。
【００１８】
発光層、即ち活性層の厚さは、好ましくは、約１００ｎｍ又はそれ以下である。この層は、既知の有機材料から作られ得る。斯様な材料は、電気的発光性の有機小分子若しくは有機金属小分子若しくは共役高分子、共重合体又はこれらの混合、それとも、一重項若しくは三重項状態又は双方のいずれかから光を放出する高分子ポリマにおける小分子分光であり、これにより、励起（exitation）が、電極から層に注入された正及び負の変更キャリアの再結合により作り出される。
【００１９】
提案されたＬＥＤ光源は、ＬＥＤで達成可能な発光が適切である、特に、大面積光源を必要とする照明アプリケーションに関する、全ての照明アプリケーションに対して用いられ得る。本発明によるＬＥＤ光源に関する照明アプリケーションの例は、例えば、この説明の導入部で既に述べられている米国特許第６，８７０，１９６に記載されている。
【００２０】
これら及び本発明の他の態様は、後述される実施形態から明らかになり、これらを参照して示されるだろう。
【００２１】
提案されたＬＥＤ光源は、特許請求の範囲に規定された保護範囲を限定することなく、添付図面に関連して例により以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】提案されたＬＥＤの例となる層配列の部分切り取り図である。
【図２】本発明によるＯＬＥＤの第１の例の上面図である。
【図３】従来のＯＬＥＤの上面図である。
【図４】図２のＯＬＥＤの中心セグメントＡのモデルである。
【図５】図３のＯＬＥＤの中心セグメントＡのモデルである。
【図６】ヒューズなしのカソードセグメントにおける計算された水平方向の電流密度である（従来技術）。
【図７】ヒューズを備えたカソードセグメントにおける計算された水平方向の電流密度である。
【図８】中心点でヒューズ及びショートカットを備えたカソードセグメントにおける計算された水平方向の電流密度である。
【図９】ヒューズなしのＯＬＥＤセグメントを通過した計算された輝度である（従来技術）。
【図１０】ヒューズを備えたＯＬＥＤセグメントを通過した計算された輝度である。
【図１１】提案されたＬＥＤ光源の構造化された電極層の他の例の部分的な上面図である。
【図１２】提案されたＬＥＤ光源の構造化された電極層の他の例の部分的な上面図である。
【図１３】提案されたＬＥＤ光源のパターン化電極層の他の例の部分的な上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
提案されたＬＥＤ光源の層配列の一例が図１に示されている。層配列は、可視光に対して透過的なガラス又はポリマ材料から作られる基体１上に設けられる。第１の電極層２は、この基体１上に設けられる。この第１の電極層２は、光源の全体幅（whole extension）に渡って一定の厚さを有する。有機発光材料層３は、第１の電極層２と第２の電極層４との間に挟まれている。第１の電極層２がアノード電極を形成し、第２の電極層４がこのＯＬＥＤのカソード電極を形成する。２つの電極層２，４の間に適切な電圧を印加すると、発光材料層３は、可視波長範囲の光を放出する。少なくとも第１の電極層２は、可視光に対して透過的である電気的に伝導する材料、例えば、ＩＴＯ又は電気的に伝導するポリマ材料から作られる。それ故、発光層３により放出された光は、図１の光源の下部表面を介して出て行くことができる。同様に、第２の電極層４も、又は、第２の電極層４が第１の電極層２の代わりに、光源の上部主表面を介して光の放出を可能にするために、光学的に透明な材料から作られ得る。拡散要素８は、光源の一方側又は両側に取り付けられ得る。
【００２４】
本例において、第２の電極層４は、電気接続６を介して隣り合う電極セグメントと電気的に接触する複数の電極セグメント５のパターンを形成するように構造化される。電気接続６は、２つの電極層の間の局所的短絡が対応する領域で生ずるときに壊れるヒューズとして機能するように設計される。
【００２５】
また、前の部分の説明で既に述べたように、他の層が、電極層２，４と発光層３との間に設けられてもよい。また、電子又は正孔の伝達層のような他の層によれば、他の発光層が、２つの電極層の間に設けられ得る。更に、１又はそれ以上の保護又は接着層が、基体１と第１の電極層２又は第２の電極層４との間に設けられ得る。
【００２６】
図２は、本発明によるＯＬＥＤの第１の例を示している。この例において、第２の電極層４、即ちカソード層は、同一の層で作られた矩形状のヒューズ６を介して接続された矩形状の電極セグメント５を形成するように構造化される。電極セグメント５は、この例において、４１ｍｍの幅及び４１ｍｍの長さを有する。矩形状のヒューズ６の（幅）寸法は、３×３ｍｍである。ＯＬＥＤは、ＯＬＥＤを取り囲む接触電極９を介して電気的に接触されている。比較のための図３は、従来技術のＯＬＥＤを示しており、第２の電極層４において前記カソード層が構造化されていない。
【００２７】
図４は、図２のＯＬＥＤの中心セグメントＡのモデルを示しており、一定の電圧のラインが示されている。比較において、図５は、示された一定電圧のラインを伴う図３のＯＬＥＤの中心領域Ａのモデルを示している。
【００２８】
図２のＯＬＥＤの活性層の所与の効果は、LOeff=42cd/m2である。カソード層材料は、s=2.6μΩ*cmの伝導率、及び、260mmの厚さdを有するアルミニウムである。これは、Rsqc=s/d=0.1Ωの矩形抵抗（square resistance）に対応する。第１の電極層２、即ちアノード層は、1Ωの矩形抵抗を有するＩＴＯである。活性層は、以下の電流電圧の関係により分析的に説明される。
【数２】
2010518573.tif 000004
ここで、vは、活性層を通した局所的電圧を示し、iは、活性層を介した電流を示す。この関係は、20mm2の活性領域に対応する。
【００２９】
以下の図は、３つのケースに関する生ずる電流密度及び輝度を示している。
ケース１：区分されていないカソード（従来技術）
ケース２：短絡されていない、ヒューズ要素を備えた区分されたカソード
ケース３：大きいセグメントの中心における短絡を伴う、ヒューズ要素を備えた区分されたカソード
【００３０】
図６及び７は、カソード層における水平方向の電流密度、即ち、ヒューズを備えた及びヒューズを備えない電流密度ベクトルのｘ及びｙ成分の幾何学的合計を示している。セグメントの中心における短絡のケースが、本発明によるヒューズを備えたＯＬＥＤに関して図８に示される。図９及び１０は、従来技術のＯＬＥＤ（図９）と本発明によるＯＬＥＤ（図１０）との間の、ＯＬＥＤを通したcd/m2についての輝度の比較を示している。全てのケースに関して、縁部に沿った電圧は、一定で５Ｖであると想定される。ヒューズセグメントは、３ｍｍ×３ｍｍのサイズの矩形形状であり、大きなセグメントと同一の厚さである。
【００３１】
２つの観察が行われ得る。
１．ヒューズセグメントの導入は、全体の電流及び光出力への影響をほとんど有さない。エッジの７．３％だけが電流注入のために用いられるとしても、注入ポイントでの光出力はほとんど増加しない（図９及び１０）。
２．ヒューズにおける臨界電流密度は、区分されていない（従来技術の）場合よりも約３倍だけしか高くない3.8kA/cm2である（図６及び７参照）。これに対し、短絡中において、電流密度は、加熱及びエレクトロマイグレーションによるヒューズ要素の破壊を保証するように、ほぼ１０００倍高くなる（1800kA/cm2）。
【００３２】
図１１は、上側の電極層４のパターンの他の例を部分的な上面図として示している。この例における電極セグメント５は、六角形の幾何学的形状を有し、等間隔である。この例において、電気接続６は、電極セグメント５の間に矩形状の領域を形成するために、電極セグメント５の間の領域において構造化される電極層４で作られる。各電極セグメント５は、この電極セグメントが６つの電気接続６を介して直接的に接続される６つの最も近い近隣物を有する。電気的短絡がこれらの電極セグメント５のうちの１つの位置７で生ずる場合には、対応する電極セグメント５を取り囲み、ヒューズを表す電気接続６は、これらの電気接続６を通過する高電流により開き、これにより、この電極セグメント５を光源の他の電極セグメント５から電気的に分離する。
【００３３】
電気接続６は、斯様な短絡による大面積での発光の欠陥を回避するように寸法決めされる。それ故、これらの接続６は、これらの電流密度により、特にこれらの断面又は厚みにより寸法決めされ、対応する高電流が流れるときに破壊される。
【００３４】
電極セグメント５、即ちこれらの横幅の幾何学的サイズ、及び、これらのセグメント間の間隔も、光を放出しない光源の領域のサイズの所望のアプリケーション及び耐性により選択される。この実施形態においては、構造化された電極層の先の発光層３は、連続的なパターン化されていない層である。
【００３５】
図１３は、第２の電極層４のパターンの他の例を示している。この例において、電気接続６は、電極セグメント５を完全に取り囲み、電極セグメント５よりも薄い厚さを有する電極層４の領域で形成される。
【００３６】
図１２の例は、電極セグメント５の他の形状の一例を示し、これらのセグメントは、等間隔の三角形である。各セグメント５は、直接的電気接続６を介して電気的に接続される３つの他のセグメント５により取り囲まれる。
【００３７】
本発明は、図示及び説明が実例又は例として考慮されるべきであり限定的ではないように、図面及び前述した説明において詳細に示されて述べられた一方で、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。また、上述された異なる実施形態及び特許請求の範囲は、組み合わせられてもよい。開示された実施形態に対する他のバリエーションは、図面、開示及び特許請求の範囲の研究から、当業者により理解されて達成され得る。例えば、上記実施形態において、下部電極層２を対応して構造化し、上部電極層４を構造化しないことも可能である。更に、双方の電極層が構造化されてもよい。電極層の幾何学的形状もこれらのセグメントの間隔も、光源において変化してもよい。
【００３８】
特許請求の範囲において、"有する"という用語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、単数表記は、複数を除外するものではない。手段が相互に異なる従属項に記載されるという密接な事実は、これらの手段の組み合わせが利益をもたらすために用いられ得ないことを示すものではない。特許請求の範囲における如何なる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして考慮されるべきではない。
【符号の説明】
【００３９】
１  基体
２  第１の電極層
３  発光材料層
４  第２の電極層
５  電極セグメント
６  ヒューズとして機能する電気接続
７  短絡部分
８  拡散要素
９  接触電極
【図１】
2010518573.tif 000005
【図２】
2010518573.tif 000006
【図３】
2010518573.tif 000007
【図４】
2010518573.tif 000008
【図５】
2010518573.tif 000009
【図６】
2010518573.tif 000010
【図７】
2010518573.tif 000011
【図８】
2010518573.tif 000012
【図９】
2010518573.tif 000013
【図１０】
2010518573.tif 000014
【図１１】
2010518573.tif 000015
【図１２】
2010518573.tif 000016
【図１３】
2010518573.tif 000017
【国際調査報告】
2010518573.tif 000018
2010518573.tif 000019