ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЕ УСТРОЙСТВО
HIGH-VOLTAGE ORGANIC LUMINESCENT DEVICE

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а именно - к электролюминесцентным устройствам на основе органических светоизлучающих диодов (ОСИД).
Рабочее напряжение полупроводниковых светоизлучающих структур на основе ОСИД имеет относительно низкое значение. Так, у светоизлучающих структур ITO/PEDOT:PSS/PF8/CaAl рабочее напряжение находится в диапазоне 4-10 В [1]. Столь низкие значения рабочего напряжения рассматриваемых светоизлучающих структур приводят к необходимости использования дополнительных элементов и устройств, понижающих напряжение в цепи их питания, и к дополнительным омическим потерям энергии при протекании тока низкого напряжения. Увеличения рабочего напряжения светоизлучающего устройства можно достичь путем создания модуля ОСИД, в котором на общем основании расположены несколько единичных полупроводниковых светоизлучающих приборов, которые соединены последовательно. Однако такой подход увеличивает стоимость светоизлучающего устройства и уменьшает надежность.
Альтернативным вариантом является формирование совокупности последовательно соединенных светоизлучающих элементов в одной технологической последовательности. Для этого подложка разбивается на отдельные изолированные друг от друга участки, располагающиеся на общей для них изолирующей подложке. Из указанных частей формируют элементарные ОСИД, которые соединяются в последовательные или последовательно-параллельные цепочки. Падение напряжения на каждом ОСИД составляет относительно малое значение, а рабочее напряжение соединенных в электрическую цепь последовательно светоизлучающих элементов возрастает и зависит от их количества и схемы соединения.
Известен источник света на светоизлучающих диодах большой площади [2], содержащий, по меньшей мере, один слой светоизлучающего материала, заключенный между двумя электродными слоями, при этом один из слоев выполнен из материала, который является прозрачным для области длин волн света, излучаемого слоем светоизлучающего материала, один из электродных слоев структурирован с образованием электродных сегментов, а каждый внутренний электродный сегмент находится в электрическом контакте с тремя ближайшими к нему соседними электродными сегментами с помощью прямых электрических соединений, которые предназначены для работы в качестве электрических плавких предохранителей. Надежность устройства высока, так как при неисправности сегмента типа «разрыв» он прекращает излучать свет, не оказывая влияния на другие сегменты. При неисправности типа «кроткое замыкание» плавкие предохранители между сегментами перегорают, отказавший сегмент обесточивается, а все рабочие сегменты продолжают светиться. Работоспособность устройства в обоих случаях сохраняется, хотя и при меньшем относительно начального количестве функционирующих сегментов.
Недостатком данного устройства является малое значение рабочего напряжения, поскольку все ОСИД в сегментах включены параллельно.
Известно светоизлучающее устройство [3], выбранное в качестве ближайшего аналога. Органическое электролюминесцентное устройство с пакетом слоев для излучения света через, по меньшей мере, частично прозрачный верхний электрод, содержащее проводящую фольгу, содержащую материал-основу с верхней и нижней сторонами в качестве подложки и первый металлический слой такой толщины, чтобы в результате поверхностное сопротивление имело значение меньше 0,05 Ом/квадрат на верхней стороне материала-основы, причем последний содержит, по меньшей мере, первую металлическую область в качестве нижнего электрода и вторую металлическую область, которая электрически изолирована от первой металлической области и выполнена с возможностью обеспечения прямого электрического контакта с прозрачным верхним электродом, пакет органических слоев, осажденных на верхней части нижнего электрода и предназначенных для излучения света, прозрачный верхний электрод на верхней части пакета органических слоев и, по меньшей мере частично прозрачный защитный элемент, закрывающий, по меньшей мере, верхний электрод и пакет органических слоев. Слои в пакете слоев размещаются в мелких фрагментах чтобы сформировать светоизлучающие фрагменты, отделенные друг от друга неизлучающими поверхностями, чтобы обеспечить проводящие металлические проводники к каждому фрагменту.
Недостатками данного устройства являются малое значение рабочего напряжения, поскольку все фрагменты ОСИД включены параллельно, и малая надежность, так как в случае неисправности типа «кроткое замыкание» в одном из фрагментов устройство в целом теряет работоспособность.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности органического электролюминесцентного устройства с использованием источника питания постоянного тока при высоких потенциалах напряжения.
Эта задача решается тем, что в органическом электролюминесцентном устройстве с пакетом слоев для излучения света, содержащем материал-основу с верхней и нижней сторонами в качестве подложки и электропроводящий слой на верхней стороне материала-основы, причем последний содержит первую область, которая выполнена с возможностью обеспечения прямого электрического контакта с верхним электродом, и вторую область в качестве нижнего электрода, которая электрически изолирована от первой области, пакет органических слоев, нанесенный на вторую область и предназначенный для излучения света, верхний электрод на верхней части пакета органических слоев и защитный элемент, закрывающий, по меньшей мере, верхний электрод и пакет органических слоев, причем первая область контактирует с отрицательным электродом, который является отрицательной клеммой устройства, электропроводящий слой на верхней стороне материала-основы содержит, по меньшей мере, дополнительную третью область в качестве нижнего электрода, которая электрически изолирована от первой и второй областей, дополнительно введены, по меньшей мере, второй пакет органических слоев, нанесенный на третью область и предназначенный для излучения света, по меньшей мере, второй верхний электрод на верхней части второго пакета органических слоев, причем вторая область электропроводящего слоя выполнена с возможностью обеспечения прямого электрического контакта с вторым верхним электродом, по меньшей мере, два стабилитрона, электрически включенных последовательно согласно так, что анод первого из них подключен к первой области электропроводящего слоя на верхней стороне материала-основы, катод первого и анод, по меньшей мере, второго стабилитрона вместе соединены со второй областью, а катод, по меньшей мере, второго стабилитрона соединен с дополнительной, по меньшей мере, третьей областью, причем эта, по меньшей мере, третья область контактирует с положительным электродом, который является положительной клеммой устройства, а электропроводящий слой на верхней стороне материала-основы и материал-основа являются, по меньшей мере, частично прозрачными для длин волн излучаемого света.
На фиг. 1 представлен пример заявляемого устройства в разрезе, на фиг. 2 показан вид сверху примера заявляемого устройства, на фиг. 3 приведена схема электрического соединения стабилитронов с областями электропроводящего слоя на верхней стороне материала-основы.
Устройство нижнего излучения в соответствии с настоящим изобретением содержит последовательность слоев 1, 2, 3 и 5 для излучения света 4, по меньшей мере, через частично прозрачный нижний электрод 12 и, по меньшей мере, через частично прозрачный материал-основу 11. Нижний электрод 12, верхний электрод 3 и пакет 2 органических слоев покрыты защитным элементом 5, чтобы защитить пакет 2 органических слоев от воздействий окружающей среды и, таким образом, достигнуть достаточного срока службы. Пакет 2 органических слоев состоит из одного или более органических слоев, содержащих, по меньшей мере, один слой, излучающий свет 4 на нижнюю сторону органического электролюминесцентного устройства. Помимо светоизлучающего слоя, пакет 2 органических слоев может содержать транспортный слой электронов между светоизлучающим слоем и катодом и/или транспортный слой дырок между светоизлучающим слоем и анодом. Пакет 2 органических слоев может также содержать больше одного светоизлучающего слоя, каждый из которых излучает свет различного спектра испускания. Органические слои обычно обеспечиваются путем вакуумного осаждения, например напыления, в случае малых органических молекул или путем центрифугирования или методом принтерной печати в случае больших молекул. Типичная толщина пакета органических слоев лежит между 50 нм и 500 нм.
Один из примеров пакета 2 органических слоев является AlQ3 (слой с транспортировкой дырок)/α-NPD (светоизлучающий слой)/m-MTDATA с легированием F4-TCNQ (слой транспортировки электронов). Могут применяться также другие органические материалы, раскрытые на известном уровне техники [1].
Органическое электролюминесцентное устройство в соответствии с настоящим изобретением, показанное на фиг. 1, содержит основание 1 с материалом-основой 11, имеющим верхнюю и нижнюю стороны в качестве подложки и электропроводящий слой 12, содержащий первую 121, вторую 122, третью 123 и четвертую 124 электропроводящие области в качестве нижних электродов. Материал-основа 11 может быть жестким или гибким в зависимости от применения настоящего органического электролюминесцентного устройства, например, стеклом или пластмассой. Если материал-основа 11 гибкий, то органическое электролюминесцентное устройство будет демонстрировать дополнительное свойство гибкого источника света.
Верхний электрод 3 поверх пакета 2 органических слоев может содержать металл или совокупность металлов, например Ca и Al. Одним из примеров металлических верхних электродов 3 является алюминиевый слой с толщиной менее 20 нм вместе со слоем, например, LiF, на границе раздела с пакетом 2 органических слоев, чтобы снизить работу выхода верхнего электрода 3.
На фиг. 1 защитный элемент 5 охватывает не только нижний электрод 12, но также и верхний электрод 3 и пакет 2 органических слоев. Минимальным требованием к размерам защитного элемента 5 является герметизация пакета 2 органических слоев и верхнего электрода 3, чтобы предотвратить диффузию молекул критических веществ, таких как кислород или вода, из окружающей среды в пакет 2 органических слоев. Соответствующие прозрачные материалы, действующие в качестве диффузионного барьера, известны: например, нитрид кремния. Твердая закрывающая крышка может наклеиваться на верхней части верхней стороны материала-основы 11, как альтернатива защитному слою в качестве защитного элемента 5, для обеспечения закрытого и герметизированного объема над пакетом органических слоев, который может вакуумироваться, заполняться химически инертными газами или адсорберами.
На фиг. 2. показан вид сверху примера заявляемого устройства (защитный слой 5 условно не показан). Электропроводящий слой 12 содержит первую 121, вторую 122, третью 123 и четвертую 124 электропроводящие области на верхней стороне материала-основы 11. Верхняя сторона материала-основы 11 является стороной, на которой осаждается пакет 2 органических слоев, другая сторона (нижняя сторона) может рассматриваться как передняя (лицевая) сторона органического электролюминесцентного устройства, через которую осуществляется вывод света (4 на фиг. 1). Разделение первой 121, второй 122, третьей 123 и четвертой 124 электропроводящих областей может достигаться, например, с помощью фотолитографии и травления или лазерной абляции. Термин "разделение" здесь означает, что до осаждения пакета 2 органических слоев и верхнего электрода 3 не существует никакого пути прохождения тока между первой, второй, третьей и четвертой электропроводящими областями 121, …, 124 соответственно.
Электропроводящие области 122, …, 124 в нижней части пакета 2 органических слоев могут содержать прозрачный проводящий материал типа ITO или металла. В последнем случае, толщина металлического слоя ограничивается толщиной, при которой металлический слой все еще остается, по меньшей мере, частично прозрачным в видимом диапазоне спектра.
Электропроводящая область 121 должна быть непосредственно подключена к верхнему электроду 31, область 122 - к электроду 32, а область 123 - к электроду 33, как показано на фиг. 1. Чтобы получить хороший электрический контакт между этими двумя слоями 3 и 12, следует избегать присутствия любого органического материала на верхней части электропроводящей области 12. Это может быть достигнуто соответствующими способами маскирования во время тонкопленочного осаждения или настройками принтера при печатных методах нанесения. Пакеты органических слоев 21, …, 23 осаждаются на электропроводящих областях 122, …, 124 соответствующими способами тонкопленочного осаждения, например, напылением, центрифугированием или методами принтерной печати.
Как показано на фиг. 1, первая 121, вторая 122, третья 123 и четвертая 124 электропроводящие области могут быть электрически разделены изолирующим наполнителем 6, чтобы избежать замыканий слоев, которые должны последовательно размещаться на существующем пакете слоев, вызванных краями/изгибами в некоторых низлежащих слоях, и избежать токов утечки, текущих непосредственно от первой электропроводящей области 121 ко второй электропроводящей области 122, от области 122 к области 123, от области 123 к области 124 или наоборот. Без дополнительных мер защиты такие токи утечки могут обеспечиваться, например, остающимися металлическими материалами после лазерной обработки для получения разделенных первой 121, второй 122, третьей 123 и четвертой 124 электропроводящих областей. Соответствующим материалом для снижения токов утечки является, например, оксид гафния или полиэтилентерефталат. Присутствие изолирующего наполнителя 6 будет повышать надежность устройства.
Вторая электропроводящая область 122, пакет органических слоев 21 и верхний электрод 31 образуют первый элементарный ОСИД 1, электропроводящая область 123, пакет органических слоев 22 и верхний электрод 32 образуют второй элементарный ОСИД 2, а электропроводящая область 124, пакет органических слоев 23 и верхний электрод 33 образуют третий элементарный ОСИД 3.
Общая площадь светоизлучающей поверхности органического электролюминесцентного устройства равна сумме площадей элементарных ОСИД, которые здесь показаны как области 21, 23. На фиг. 2 верхним электродам 31, 33 придан несколько меньший размер, чтобы яснее представить слоистую структуру. В органическом электролюминесцентном устройстве верхний электрод может также иметь тот же самый размер, что и пакет органических слоев. Кроме того, количество и форма элементарных ОСИД могут отличаться от примера, показанного на фиг. 2.
В предложенной конструкции органического люминесцентного устройства обеспечено электрическое соединение элементарных ОСИД в последовательную электрическую цепь, что хорошо представлено на фиг. 3, и позволяет использовать для питания заявляемого устройства высоковольтный источник. Значение напряжения питания заявляемого устройства определяется количеством включенных в последовательную цепь элементарных ОСИД.
Для включенных в электрическую цепь элементарных ОСИД первая область электропроводящего слоя 121 одного крайнего в цепи элемента и область электропроводящего слоя 124 другого крайнего в цепи элемента контактируют с отрицательным 7 и положительным 8 электродами, с помощью которых органическое люминесцентное устройство подключается к источнику тока (на фигурах не показано).
Фиг. 3 поясняет соединение стабилитронов с областями электропроводящего слоя на верхней стороне материала-основы.
Анод первого стабилитрона VD1 подключен к отрицательной клемме устройства 7, катод первого VDI и анод второго стабилитрона VD2 вместе соединены со второй областью (точка 1 на фиг. 2), катод второго стабилитрона VD2 и анод третьего стабилитрона VD3 вместе соединены с третьей областью (точка 2 на фиг. 2), а катод третьего стабилитрона VD3 подключен к положительной клемме устройства 8.
Устройство работает следующим образом.
Подключают электроды 7 и 8 к источнику тока. При этом благодаря последовательному соединению элементарных ОСИД 1, …, ОСИД 3 суммарное напряжение их питания имеет относительно большую величину, что позволяет использовать высоковольтный источник питания.
Через светоизлучающие пакеты органических слоев 2 протекает ток. В каждом из элементов 2 ток растекается по нижнему электроду 12 и протекает вертикально вверх через пакет 2 органических слоев и течет к верхнему электроду 3. При этом в активной области каждого пакета 2 генерируется световое излучение 4.
Значение напряжения стабилизации стабилитронов VD1,..., VD3 выбирается большим, чем значение питающего напряжения на элементарных ОСИД 1, …, ОСИД 3. При нормально функционирующих ОСИД напряжение, прикладываемое к стабилитронам, имеет значение меньшее, чем напряжение стабилизации, в связи с этим ток через стабилитроны не протекает и их влияние на функционирование устройства не проявляется. При неисправности, сопровождающейся увеличением напряжения на каком-либо из элементарных ОСИД, например при неисправности типа «разрыв», напряжение на стабилитроне превышает напряжение стабилизации, ток протекает через стабилитрон в обход неисправного элементарного ОСИД, обеспечивая работоспособность остальных элементарных ОСИД
Преимуществами данного устройства по сравнению с прототипом являются высокое значение рабочего напряжения, поскольку элементарные ОСИД включены последовательно, и высокая надежность, так как в случае неисправности типа «кроткое замыкание» в одном или нескольких элементарных ОСИД отказавший элемент перестает светиться, но через него протекает ток источника, сохраняя работоспособность остальных ОСИД. При неисправности типа «разрыв» в одном или нескольких элементарных ОСИД ток протекает через шунтирующие их цепи в обход неисправного элемента. Работоспособность устройства в обоих случаях сохраняется, хотя и при меньшем относительно начального количестве функционирующих элементарных ОСИД.
Источники информации
1. Туев В.И., Малютин Н.Д. и др. Развитие аддитивных принтерных технологий в электронике / Под ред. Н.Д. Малютина. - Томск: Томск. Гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2015. - 70 с. ISBN 978-5-86889-706-1.
2. Патент № RU 2449423 С2, МПК H01L 51/52 (2006.01) Источник света на светоизлучающих диодах большой площади // Парафиа М. (NL), Хенте Д. (NL). - №2009134193/28, заявл. 08.02.2008, опубл. 27.04.2012, Бюл. №12.
3. Патент № RU 2414018 С2, МПК H01L 51/52 (2006.01) Органическое электролюминесцентное устройство // Янг Э.В.А. (NL), Бернер Х.Ф. (NL) - №2008129758/29, заявл. 08.12.2006, опубл. 10.03.2011, Бюл. №7 - прототип устройства.