ОРГАНИЧЕСКИЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам с использованием органических материалов в качестве активной части, а именно к органическим светоизлучающим диодам (ОСИД) и может быть использована при создании нового поколения твердотельных источников освещения длительного пользования, а также при разработке дисплеев нового поколения на основе ОСИД.
Известны многочисленные устройства, в которых ОСИД используют в качестве источников освещения или для изготовления дисплеев. Однако основной проблемой таких устройств является недостаточно длительное время работы. Одной из важнейших причин этого является деградация органических полупроводниковых материалов ОСИД вследствие их взаимодействия с различными примесями, находящимися в рабочем объеме прибора. Прежде всего, это следы воды, кислорода и различных органических соединений, которые содержатся в технологических заполнителях, на поверхностях и в объеме конструкционных элементов или диффундируют через стенки приборов.
Так, известна защита ОСИД от деградации путем создания на его поверхности защитной полимерной пленки методом фотополимеризации. Для герметизации многослойной структуры ОСИД, созданной на стеклянной подложке, использовали фотополимеризующуюся смесь, состоящую из пентаэритритолилакрилата и фотоинициатора HSP188. Смесь наносили на поверхность многослойной структуры поливом на вращающуюся подложку. После этого осуществлялась фотополимеризация с образованием трехмерно зашитого защитного слоя. Эффективность ОСИД оценивалась по стабильности параметров электролюминесценции до и после образования защитного слоя. Было показано, что образование защитного слоя на поверхности многослойной структуры не сопровождается изменением характеристик спектров электролюминесценции, но приводит к резкому увеличению времени жизни ОСИД при работе на воздухе. Для ОСИД, покрытых защитной пленкой, наблюдалось увеличение времени жизни в десятки раз [Gi Heon Kim, Jiyoung Oh, Yong Suk Yang, Lee-Mi Do and Kyung Soo Suh. Encapsulation of organic light-emitting devices by means of photopolymerized polyacrylate films. Polymer, Volume 45, Issue 6, March 2004, Pages 1879-1883].
Известно также техническое решение (патент на изобретение РФ №2383085, МПК H01L 51/50 «Органический электролюминесцентный дисплей»), содержащее органическое электролюминесцентное устройство, которое имеет первый и второй электроды дисплея и, по меньшей мере, один органический функциональный слой, проложенный между электродами дисплея и состоящий из органического соединения; основу для удержания органического электролюминесцентного устройства; пленку высокомолекулярного соединения, которая покрывает органическое электролюминесцентное устройство и поверхность основы по периметру органического электролюминесцентного устройства; и неорганическую барьерную пленку, которая покрывает пленку высокомолекулярного соединения, края пленки высокомолекулярного соединения и поверхности основы по периметру пленки высокомолекулярного соединения, отличающийся тем, что в качестве пленки высокомолекулярного соединения используется пленка алифатической полимочевины. В данном устройстве защиту ОСИД от химической деградации также осуществляет защитная пленка высокомолекулярного соединения. Однако в обоих упомянутых случаях не удается достичь достаточной продолжительности работы ОСИД. Конструкция этих ОСИД, используемые материалы и физико-химические свойства защитных пленок не предохраняют полупроводниковые полимерные слои от деградации за счет взаимодействия с примесями, как внесенными в процессе осуществления устройства и содержащимися в конструкционных материалах, так и диффундирующими через защитные пленки. В подтверждение этого нами были проведены испытания по деградации непрозрачного слоя металлического кальция, напыленного на стеклянную подложку и закрытого пленкой алифатической полимочевины. Данный непрозрачный слой в условиях повышенной температуры (65 С) и влажности (относительная влажность 90%) окружающей атмосферы в течение 600 часов терял характерный металлический блеск и становился прозрачным. При этом оптическое пропускание слоя составляло 90%, что свидетельствовало о практически полном превращении кальция в окисленную форму, не поглощающую свет в видимом диапазоне. Такая степень разрушения слоя кальция свидетельствует о низких защитных свойствах полимерных слоев, в частности слоя алифатической полимочевины от примесей внешней атмосферы, проникающих в рабочий объем за счет диффузии.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели (прототипом) является органический светоизлучающий диод (патент на изобретение РФ №2408957, МПК H01L 51/50), включающий прозрачный электрод, дырочно-проводящий слой, светоизлучающий слой и металлический электрод, последовательно напыленные на поверхность стекла, закрепленного в пластиковом корпусе, отличающийся тем, что на поверхность металлического электрода напылена защитная пленка серебра, а в нижней части корпуса расположены капсулы, содержащие активные поглотители воды, кислорода и примесей. При этом в качестве поглотителей используют молекулярные сита или пористые углеродные материалы, или щелочные металлы, или металлоорганические соединения металлов первой, второй, и третьей групп.
В данном устройстве используют пластиковый корпус. Однако известно, что пластмассы ввиду их физической структуры, в том числе структуры поверхности и химического строения, содержат многочисленные примеси (кислород, пары воды, органические примеси) на поверхности и внутри материала. Эти примеси могут быть адсорбированы на поверхности материала и абсорбированы в объеме материала. Эти материалы содержат также многочисленные химически связанные примеси, которые выделяются с течением времени из объема материала. Кроме того, с течением времени в объеме пластмасс происходит деструкция, которая сопровождается выделением в окружающее пространство различных примесей, в том числе и активных радикалов. При длительной непрерывной работе, вызывающей неизбежный нагрев устройства, этот процесс усиливается. Все это ведет к неконтролируемому загрязнению объема ОСИД и, следовательно, деградации компонентов ОСИД, что выражается в сокращении времени его работы. Для подтверждения данного вывода нами было выполнено устройство, состоящее из двух плоскопараллельных пластмассовых пластин, между которыми расположены геттер для поглощения газообразных примесей, плоско выполненные катод и анод, дырочный инжектирующий, дырочный транспортный, светоизлучающий, электронный транспортный и электронный инжектирующий полимерные полупроводниковые слои, обеспечивающие генерацию электролюминесценции. Между пластмассовыми пластинами по их периметру выполнен герметизирующий полимерный уплотнитель, за который выведены токопроводящие контакты, а внутреннее пространство светодиода, заключенное между пластмассовыми пластинами и герметизирующей полимерной прокладкой, заполнено инертным газом. При работе в условиях повышенной температуры (65°C) в течение 2000 ч яркость излучения данного устройства снижалась вдвое.
Заявляемая полезная модель предназначена для использования в качестве органического светоизлучающего диода (ОСИД), в частности для создания нового поколения твердотельных источников освещения длительного пользования.
Решаемой задачей заявляемой полезной модели является устранение указанных выше недостатков, а именно достижение технического результата в отношении повышения ресурса работы ОСИД. Кроме того, решаемой задачей и достигаемым техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение арсенала технических средств, а именно органических светоизлучающих диодов.
Достижение указанного выше технического результата обеспечивает реализацию назначения полезной модели и повышение технических и эксплуатационных характеристик устройства, устраняющих недостатки приведенных выше устройств - аналогов и прототипа.
Указанный технический результат в заявляемой полезной модели достигается за счет выполнения органического светоизлучающего диода, представляющего собой устройство, состоящее из двух плоскопараллельных стеклянных пластин, между которыми расположены геттер/геттеры для поглощения газообразных примесей плоско выполненные катод и анод, дырочный инжектирующий, дырочный транспортный, светоизлучающий, электронный транспортный и электронный инжектирующий полимерные полупроводниковые слои, обеспечивающие генерацию электролюминесценции, при этом между стеклянными пластинами по их периметру выполнен герметизирующий полимерный уплотнитель, за который выведены токопроводящие контакты в виде соответственно продолжающихся элементов катода и анода или дополнительных токопроводящих элементов, а внутреннее пространство диода, заключенное между стеклянными пластинами и герметизирующей полимерной прокладкой, заполнено инертным газом.
Заявляемая полезная модель - органический светоизлучающий диод -характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, а именно конструкционными элементами, связями между ними и их характеристиками:
- двумя плоскопараллельными стеклянными пластинами, а также расположенными между этими пластинами:
- геттером/геттерами для поглощения газообразных примесей;
- плоско выполненными катодом и анодом;
- дырочным инжектирующим, дырочным транспортным, светоизлучающим;
электронным транспортным и электронным инжектирующим полимерными и/или низкомолекулярными полупроводниковыми слоями, обеспечивающими генерацию электролюминесценции;
- герметизирующим полимерным уплотнителем, выполненным между стеклянными пластинами по их периметру;
- токопроводящими контактами, выведенными за уплотнитель в виде соответственно продолжающихся элементов катода и анода или дополнительных токопроводящих элементов;
- заполнением инертным газом внутреннего пространства, заключенного между стеклянными пластинами и герметизирующим полимерным уплотнителем.
Указанные существенные признаки во всей своей совокупности позволяют достичь, как это будет показано ниже, заявленного технического результата - повышения ресурса работы ОСИД.
Отличными от прототипа, существенными признаками заявляемой полезной модели являются:
- две плоскопараллельные стеклянные пластинами, выполняющие роль стенок корпуса;
- герметизирующий полимерный уплотнитель, выполненный между стеклянными пластинами по их периметру.
2
3
2
Указанные отличительные от прототипа существенные признаки обеспечивают достижение заявленного технического результата при использовании других существенных признаков полезной модели, указанных в описании. Именно наличие указанных отличительных существенных признаков наряду с другими существенными признаками полезной модели позволяют достичь заявленного технического результата - повышения ресурса работы ОСИД. Последний достигается за счет выполнения его корпуса (внешней оболочки) из стеклянных пластин, соединенных герметизирующим полимерным уплотнителем. При этом подавляющая часть внутренней поверхности такого корпуса (более 99%) выполнена из силикатного стекла, например кроновой группы марки ЛК6. Известно, что стекла данной группы в своем составе практически не содержат примесей воды, органических соединений и свободного кислорода. Поверхность таких стекол также содержит минимальное количество указанных примесей. Кроме того, указанные стекла фото- и радиационно-стойкие, не кристаллизуются в условиях длительной эксплуатации ОСИД (более 50000 ч рабочего времени) и вследствие этого не выделяют примеси в окружающий объем. Эти свойства стекол способствуют обеспечению достаточной чистоты внутреннего объема ОСИД и, следовательно, его повышению его ресурса работы. Поверхность герметизирующего полимерного уплотнителя, выполненного между стеклянными пластинами по их периметру, занимает незначительную долю - менее 1% от общей внутренней поверхности ОСИД. При этом сам уплотнитель выполняют из стабильных полимерных материалов, объем и поверхность которых содержит минимум примесей. Этими материалами являются: эпоксиполисульфидная, эпоксиполиуретановая и эпоксиполиэфиракрилатная смолы. Так, например, был изготовлен ОСИД, в котором плоскопараллельные стеклянные пластины были изготовлены из стекла марки ЛК6. На поверхности одной из пластин наносился слой смеси оксидов InO:SnO (ITO) с поверхностным сопротивлением 16 Ом/квадрат. Поверх оксидного слоя поливом на центрифуге последовательно выполняли слои из полимеров при соблюдении следующей последовательности (считая от поверхности ITO) - дырочный инжектирующий (полиэтилендиокситиофен/полисульфокислота), дырочный транспортный (поливинилкарбазол), светоизлучающий (замещенный полифлуорен) и электронный транспортный (полифлуорен). Поверх слоя полифлуорена методом термического вакуумного испарения выполняли электронный инжектирующий слои (фторид лития) и плоский катод из Al. На вторую пластину наносили геттер. По периметру нижней пластины располагали уплотнитель из эпоксиполиэфиракрилатной смолы с отвердителем в виде полосы шириной 10 мм и высотой 0,34 мм. Вторую пластину накладывали на первую таким образом, чтобы слои нанесенных материалов были расположены внутри корпуса устройства. При этом внешние концы токопроводящих контактов оставались снаружи корпуса за периметром герметизирующего полимерного уплотнителя. Устройство склеивали в атмосфере инертного газа при температуре 23°C. Как показали испытания, проведенные при температуре 65°C и влажности окружающей атмосферы 90%, яркость излучения данного устройства снижается вдвое в течение 30000 ч непрерывной работы.
Наличие указанных выше отличительных существенных признаков также подтверждает достижение технического результата заявляемой полезной модели - расширения арсенала технических средств органических светоизлучающих диодов.
Выше перечисленная совокупность существенных признаков, позволяющая достичь заявленного технического результата, отличается от совокупности существенных признаков аналогов и прототипа, а также данных других известных источников, т.е. не известно применение данной совокупности существенных признаков с получением заявленного технического результата. Другими словами, заявляемая полезная модель не известна из уровня техники. Таким образом, заявленная полезная модель соответствует критерию «новизна».
Все существенные признаки заявляемого технического решения являются конструкционными элементами, характеризующимися определенным исполнением, взаимным расположением, взаимосвязями между собой и материалами изготовления, следовательно, совокупность существенных признаков представляет собой устройство. Осуществление указанного устройства обеспечивает технический результат. Таким образом, заявляемое решение является «техническим решением» и может относиться к объектам, охраняемым в качестве полезной модели.
Заявляемая полезная модель является промышленно применимой, т.к. может быть применена в электроосветительной и радиоэлектронной промышленности, электротехнике, оптоэлектронике и других отраслях. Ее применение и использование не вызывает никаких трудностей и может быть осуществлено любым человеком, имеющим элементарные навыки по работе с электро- и электронными приборами. При изготовлении и использовании данного устройства используются предметы и материалы, выпускаемые промышленностью и находящиеся в открытой продаже. Методами осуществления полезной модели являются вакуумное и магнетронное напыление, вакуумирование, термическое склеивание, лазерное травление, а также монтаж электронной аппаратуры. Средствами осуществления являются обычные средства, применяемые на оптоэлектронных производствах - вакуумное и нагревательное оборудование, установки напыления, лазеры.
Выполнение разъединителя для подачи напряжения проиллюстрировано на фигурах 1, 2.
На фиг.1 представлен главный вид ОСИД, на котором обозначены:
1 - стеклянная пластина,
2 - геттер,
3 - герметизирующий полимерный уплотнитель,
4 - металлический контакт к аноду,
2
3
2
5 - анод (ITO - InO:SnO),
6 - катод (LiF/Al),
7 - разделительная дорожка,
8 - полимерные слои (дырочный инжектирующий, дырочный транспортный, светоизлучающий, электронный транспортный, электронный инжектирующий и др.),
9 - токоподвод к катоду,
10 - металлический контакт к катоду.
На фиг.2 представлен вид ОСИД сверху, на котором обозначены:
2 - геттер,
3 - герметизирующий полимерный уплотнитель,
4 - металлический контакт к аноду,
5 - анод (ITO- In2O3:SnO2).
7 - разделительная дорожка,
8 - полимерные слои (дырочный инжектирующий, дырочный транспортный, светоизлучающий, электронный транспортный, электронный инжектирующий и др.),
9 - токоподвод к катоду,
10 - металлический контакт к катоду.
Заявляемая полезная модель выполнена следующим образом.
Две стеклянные плоскопараллельные пластины 1 (фиг.1, 2) образуют корпус ОСИД. Пластины соединены между собой герметизирующим полимерным уплотнителем 3 с образованием между ними технологического зазора для размещения функциональных элементов устройства. На одну из стеклянных пластин нанесен геттер 2. На другую пластину последовательно нанесены плоскими слоями анод 5, а затем дырочный инжектирующий, дырочный транспортный, светоизлучающий, электронный транспортный и электронный инжектирующий слои 8. Указанные слои выполнены из полупроводниковых полимерных органических материалов. Поверх этих слоев располагают плоско выполненный катод 6. Постоянный ток к аноду устройства подводят через металлический контакт 4, а к катоду - через металлический контакт 10. В ряде случаев возможно выполнение металлических контактов, продолжающихся под герметизирующим полимерным уплотнителем. Анод и токоподводящие элементы катода отделены друг от друга зазором - дорожкой 7. Между катодом и металлическим контактом для упрощения технологии сборки устройства выполняют токоподвод 9.
-6
2
3
2
Осуществление полезной модели можно проследить на следующем примере. Две пластины из силикатного стекла марки ЛК6 обезжиривают последовательной обработкой в ультразвуковой ванне в водном растворе детергента, изопропаноле и депонированной воде. Обезжиренные пластины прогревают при температуре 450°C в атмосфере воздуха, инертного газа или в вакууме до полного удаления следов адсорбированной воды с их поверхности. В инертной атмосфере бокса на одну пластину методом вакуумного испарения при давлении 5×10 напыляют геттер - слой Ca толщиной 50 нм. На другую пластину методом магнетронного напыления наносят токопроводящий слой из смеси оксидов InO:SnO, имеющий поверхностное сопротивление 16 Ом/квадрат. Методом лазерного травления оксидный слой разделяют зазором или дорожкой на две неравные части, большая из которых будет являться анодом, а другая - токоподводом к катоду. Поверх оксидного слоя методом полива на центрифуге (spin-coating) последовательно выполняют слои полупроводниковых полимерных органических материалов в следующей последовательности (считая от поверхности ITO) - дырочный инжектирующий (полиэтилендиокситиофен / полисульфокислота), дырочный транспортный (поливинилкарбазол), светоизлучающий (замещенный полифлуорен) и электронный транспортный (полифлуорен). Методом термического вакуумного испарения выполняют электронный инжектирующий слои (фторид лития) и плоский катод из Al. Обе стеклянные пластины соединяют друг с другом с помощью герметизирующего полимерного уплотнителя таким образом, что слои нанесенных материалов расположены внутри устройства. Уплотнитель представляет собой ленту, имеющую прямоугольное сечение с длиной 10 и высотой 0,34 мм, которую располагают между пластинами по их периметру. Склеивание пластин выполняют в атмосфере инертного газа путем прогрева устройства с уплотнителем при температуре 80°C в течение 10 мин. За периметром герметизирующего полимерного уплотнителя выполняют металлические контакты для подведения к катоду и аноду постоянного тока. Выполненный таким образом ОСИД соответствует заявляемой полезной модели. Его испытания, проведенные в условиях повышенной температуры (65°C) и влажности окружающей атмосферы 90%, показали что он имеет ресурс работы более 30000 часов, т.е. за это время яркость излучения снижается вдвое.
Приведенные описание действия полезной модели и пример ее осуществления подтверждают реализованные возможности по увеличению ресурса работы ОСИД, что свидетельствует о достижении заявленного технического результата в процессе осуществлении полезной модели. Из описания и примера видна также причинно-следственная связь существенных признаков между собой и достигаемым техническим результатом. В достижении заявленного технического результата функционально и конструктивно задействованы все существенные признаки полезной модели. Следовательно, все существенные признаки находятся в конструктивном единстве, функциональной взаимосвязи и образуют единое устройство. Отсюда также следует, что достижение технического результата возможно только при осуществлении всей совокупности существенных признаков, что подтверждает техническое решение задачи осуществления полезной модели.