ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRIC LUMINESCENT DEVICE

Изобретение относится к электролюминесцентному устройству, содержащему органический люминесцентный слой и слой герметизации для электрической пассивации устройства.
Органические электролюминесцентные устройства (органические EL-устройства) содержат слоистую структуру (EL-структуру), которая наложена на подложку и которая содержит органический люминесцентный слой (слой OLED (органических светоизлучающих диодов)), слой дырочной проводимости, анод и катод. Типичные толщины слоев имеют порядок 100 нм. Типичные напряжения, прикладываемые к EL-структуре, находятся между 2 В и 10 В. В дополнение, расположенный между слоем OLED и катодом, есть слой инжекции электронов из материала, имеющего низкую работу выхода, например, такого как барий. Есть два возможных эффекта, которые со временем оказывают неблагоприятное воздействие на свойства испускания органического EL-устройства, и таковыми являются, с одной стороны, рост темных неизлучающих областей (деградация EL-устройства со временем), и, с другой стороны, внезапный отказ взятого в целом устройства в результате токов утечки или коротких замыканий между катодом и анодом. В предшествующем уровне техники, деградация органического EL-устройства в результате разрастания темных областей приписывалась воздействию на часть многослойной структуры воды/влаги, воздействию, которое возрастает по мере того, как поднимается температура. EL-структуры поэтому механически герметизируются, а пространство между герметичной оболочкой и EL-структурой заполняется сухими газами, которые химически совершенно инертны по отношению к взятой в целом слоистой структуре. Механическая оболочка препятствует любому дополнительному снижению габаритной высоты органических LED, сдерживает использование механической гибкости органических слоев, и, будучи дополнительным компонентом, делает органические LED более дорогостоящими для изготовления, особенно в тех случаях, когда рассматриваются OLED большой площади.
Чтобы защитить органический LED от проникновения воды и кислорода, документ US 5505985 раскрывает дополнительное покрытие исходного органического LED слоем покрытия из электроизоляционного материала. Материал этого защитного слоя особенно пригоден для предотвращения диффузии влаги в слои, расположенные под ним. Нанесение защитного слоя, предпочтительно, происходит в вакууме, так как защитный слой не должен разъедать ни органический люминесцентный слой, ни электрод, примыкающий к защитному слою, в ходе обработки нанесения. Электролюминесцентные устройства, имеющие защитные слои этого вида, подвергаются меньшему снижению яркости относительно своей начальной яркости, чем электролюминесцентные устройства, не имеющие защитного слоя этого вида.
Однако главным преимуществом органических EL-устройств является возможность способности изготавливать тонкие источники света, покрывающие большую площадь. Это точно, в случае слоев OLED большой площади, покрывающих несколько квадратных сантиметров, или более, что наличие частиц, например, пыли, является неизбежным во время производственного процесса. Частицы, присутствующие на подложке, например, такие как частицы пыли диаметра, существенно большего, чем толщина электролюминесцентного слоя, вызывают раковинные дефекты, чьи границы имеют неопределенную природу, когда такие слои изготавливаются. Никакая слоистая структура, или только ее часть, не лежит внутри таких раковин. Эти дефекты имеют результатом неприемлемые токи утечки и короткие замыкания между катодом и анодом. Короткие замыкания обычно не возникают в этом случае до тех пор, в ходе работы OLED, пока рабочее напряжение не должно повышаться, вследствие ухудшения светового выхода, чтобы предоставить возможность вырабатываться прежнему количеству света. В противоположность медленной деградации яркости вследствие просачивания кислорода или воды в светоизлучающие слои, отказы электролюминесцентных устройств в результате коротких замыканий в области раковинных дефектов становятся очевидными в качестве внезапного падения яркости до нуля. Это точно, в случае EL-устройств большой площади, что короткие замыкания в области раковинных дефектов, безусловно, являются наиболее общей причиной выходов из строя EL-устройств. Защита просто против просачивания влаги или кислорода не оказывает никакого ощутимого влияния на интенсивность отказов.
Поэтому цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить эффективную и простую защиту для органических EL-устройств, которая дает ощутимое уменьшение интенсивности отказов, вызванной токами утечки и короткими замыканиями.
Эта цель достигается электролюминесцентным устройством, содержащим подложку, на подложку нанесена по меньшей мере одна слоистая структура, которая содержит по меньшей мере один органический электролюминесцентный слой для испускания света, который скомпонован между первым электродом, скомпонованным на стороне, на которой расположена подложка, и вторым электродом, скомпонованным на стороне электролюминесцентного слоя, отдаленного от подложки, и электроизоляционный слой из материала, который является химически реагирующим с органическим электролюминесцентным слоем, пригодного для отделения второго электрода от органического электролюминесцентным слоя в ограниченной области вокруг раковинного дефекта.
Раковинный дефект означает область, в которой никакой материал не осаждался во время обработки изготовления электролюминесцентного устройства. Причиной раковинного дефекта, например, является частица пыли, которая, вследствие эффекта затенения при одной или более обработках направленного покрытия, имеет следствием отсутствие материала, наносимого в области вокруг частицы пыли. Если причина раковинного дефекта уже присутствует во время обработки нанесения органического электролюминесцентного слоя, то органический материал также будет отсутствующим в области раковинного дефекта, и будет существовать возможность короткого замыкания между двумя электродами. Вероятность короткого замыкания зависит от местной силы электрического поля в области раковинного дефекта во время работы электролюминесцентного устройства. Так как второй электрод имеет неправильную форму в области кромки такого раковинного дефекта и поэтому может иметь заостренные кромки, есть опасность в этом месте заметного роста напряженности поля и последующего искрового перекрытия. Это искровое перекрытие само по себе может быть причиной для отказа электролюминесцентного устройства или, иначе, оно создает проводящие перемычки и самоусиливающиеся токи утечки, которые протекают в перемычках и которые позже имеют следствием короткое замыкание, а отсюда, отказ электролюминесцентного устройства. Поскольку рассматривается опасность коротких замыканий между обеими схемами, неважно, находится ли причина раковинного дефекта по-прежнему в области раковинного дефекта, как только электролюминесцентное устройство было завершено.
В результате отделения второго электрода от электролюминесцентного слоя, который, наблюдаемый с подложки, расположен ниже упомянутого второго электрода, второй электрод отгибается от первого анода вследствие внутрислойных напряжений в области вокруг раковинного дефекта и, таким образом, увеличивает расстояние между ним и первым электродом, каковое имеет следствием заметное снижение в напряженности поля между двумя электродами в области раковинного дефекта. Вследствие отгиба второго электрода, имеют место особенно острые кромки второго электрода на ободке раковины, которые сдвинуты на особенно большое расстояние от первого электрода, которое дает по меньшей мере существенное снижение опасности короткого замыкания и, таким образом, ощутимо уменьшенную интенсивность отказов, особенно для электролюминесцентных устройств большой площади.
Изолирующий слой содержит, в этом случае, материал, который имеет электрическое сопротивление, которое является по меньшей мере таким же высоким, как электрическое сопротивление слоя (или слоев), расположенных между электродами, так что никакие токи утечки между электродами не будут утекать через изолирующий слой. В то же время он является материалом, который разъедает органические слои, для того чтобы снижать адгезию ко второму электроду таким образом, что второй электрод отделяется от органического слоя в области раковинного дефекта. Эти условия, например, удовлетворяются различными полимерами, такими как эпоксидная смола, полиимиды, акрилаты, феноляты и т.п.
В одном из вариантов осуществления, электроизоляционный слой химически инертен по отношению ко второму электроду, так что изолирующий слой, налипающий на второй электрод, не будет разъедать неповрежденные области второго электрода. Второй электрод, большие площади которого являются неповрежденными, требуется для яркости, которая должна вырабатываться электролюминесцентным устройством.
В еще одном варианте осуществления, второй электрод содержит алюминий или материал, содержащий алюминий. Эти категории материала примечательны обладанием внутрислойным напряжением в пределах слоистой структуры, которое вызывает отгибание отделенных частей второго электрода, которое особенно велико.
В дополнительном варианте осуществления, электроизоляционный слой наносится при давлении окружающей среды. Это дает меньшие затраты на обработку, чем вакуумные покрытия, такие как используются для электродов и, например, органических электродов, и дает нанесению возможность происходить в виде жидкости. Если материал электроизоляционного слоя наносится на слоистую структуру в качестве раствора в пластификаторе, он способен заполнять полную область раковинного дефекта, не взирая на никакие частицы пыли, которые по-прежнему могут быть прилипшими к слоям и, таким образом, способен отделять второй электрод в целом по области раковинного дефекта.
В дополнительном варианте осуществления, электроизоляционный слой отверждается посредством тепловой или оптической обработок. Посредством операции отверждения, определенная остановка может вноситься в обработку, посредством которой второй электрод отделяется от органических слоев под ним, и начальный рост таких областей, которые, вследствие разъедания органического электролюминесцентного слоя и отделенного второго электрода, не способны испускать никакой свет, может ограничиваться площадью, которая требуется для предотвращения коротких замыканий. Обработка теплового отверждения, например, является тепловакуумным испарением пластификатора в электроизоляционном слое. Другой обработкой теплового отверждения является термостабилизация двухкомпонентных материалов. Обработка оптического отверждения, например, является освещением ультрафиолетовым световым излучением.
В альтернативном варианте осуществления, материал электроизоляционного слоя наносится в виде двухкомпонентной смеси. Двухкомпонентная смесь, в этом случае, содержит отвердитель и связующее вещество. Преимущество заключается в том обстоятельстве, что изолирующий слой затвердевает самостоятельно, без дополнительного этапа обработки.
В дополнительном варианте осуществления, электроизоляционный слой имеет среднюю толщину в более чем 1000 нм, чтобы гарантировать, что электроизоляционный слой покрывает лежащую в основе слоистую структуру в качестве непрерывного электроизоляционного слоя, для заполнения областей раковинного дефекта достаточным количеством материала электроизоляционного слоя.
В дополнительном варианте осуществления, дополнительное средство пассивации наносится на электроизоляционный слой. Это средство пассивации предназначено для защиты электроизоляционного слоя от механического повреждения, например такого как царапины, и против химических воздействий, например, таких как просачивание кислорода и влаги, которые должны сводиться на нет. Средство пассивации этого вида, например, может быть механической оболочкой, имеющей объем пространства вокруг электролюминесцентного устройства, который заполнен инертным материалом, инертной жидкостью или инертным газом.
В дополнительном варианте осуществления, средство пассивации является органическим слоем, наложенным на электроизоляционный слой, который имеет незначительную скорость диффузии для кислорода и воды, например, таким как органический полимер. В противоположность устройствам, имеющим механическую оболочку (покрытие), это предоставляет органическому LED возможность сохранять свою механическую гибкость.
Эти и другие аспекты изобретения очевидны из и будут разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже.
На чертежах:
Фиг.1 - схематичный чертеж слоистой структуры в области раковинного дефекта.
Фиг.2 показывает электролюминесцентное устройство согласно изобретению, которое имеет заметно уменьшенную интенсивность отказов, обусловленную короткими замыканиями и токами утечки.
Фиг.3 показывает вариант осуществления электролюминесцентного устройства согласно изобретению, имеющего механическую оболочку.
Фиг.4 показывает вариант осуществления электролюминесцентного устройства согласно изобретению, имеющего защитный слой и никакой механической оболочки.
Слоистая структура EL-устройства содержит по меньшей мере отдельные тонкие слои 2, 3 и 4, которые типично создаются посредством обработок сухого направленного покрытия, например, таких как вакуумное осаждение и/или напыление. При обработках направленного покрытия этого вида, наличие частиц 13, например, таких как частицы пыли, имеет следствием подложку или часть слоистой структуры, которая должна покрываться, являющуюся затененной, а отсюда, раковинные дефекты, как показанные на фиг.1. Диаметры таких частиц (которые не обязательно являются сферическими, как показано на фиг.1) обычно являются существенно большими, чем толщины отдельных слоев. Вследствие затенения во время обработки покрытия, нисколько, или только часть, слоистой структуры EL-устройства присутствует в пределах раковинных дефектов. Размер и форма раковинных дефектов зависят от положения и геометрии частиц 13, и от времени, начиная с которого частица 13 присутствовала на растущей слоистой структуре во время изготовления тонких слоев. Если, вследствие частицы 13, органический электролюминесцентный слой 2 высокого сопротивления больше не присутствует в области раковинного дефекта, то искровое перекрытие может происходить между двумя электродами 3 и 4. При типичном рабочем напряжении в от 2 до 10 В между электродами и типичном разнесении электродов в 100 нм, имеет место поле 20-100 кВ/нм в EL-структуре. Даже локально, кромки раковинного дефекта создают существенно более высокие напряженности поля, обусловленные очень маленькими радиусами кривизны кромок слоя в раковинном дефекте. Разница между диэлектрическими постоянными органического люминесцентного слоя (ε~3) и материала в области раковины, который типично является воздухом (ε=1), вызывает дополнительное повышение напряженности поля в критической области кромок дефекта слоя. В дополнение, диэлектрическая прочность воздуха значительно ниже, чем у органического люминесцентного слоя, каковое дополнительно увеличивает риск электрического искрового перекрытия. Так же как создание нерегулируемого протекания тока, искровое перекрытие 14 между электродами 3 и 4 также вызывает локальный нагрев слоистой структуры, который, в органическом люминесцентном слое 2, может иметь следствием углерод, выделяемый локально. Этот углерод оседает на кромках раковинного дефекта и увеличивает электропроводность на кромке раковинного дефекта, которая потворствует возникновению дополнительных искровых перекрытий или токов утечки, даже до большей степени. Этот процесс самоусиления ведет к EL-устройству, являющемуся выведенным из строя. Возникновение этого процесса не зависит от того, один или более чем один, в зависимости от варианта осуществления EL-устройства, органический слой есть между анодом и катодом.
В одном из вариантов осуществления, слоистая структура электролюминесцентного устройства включает в себя тонкий пакет органических слоев, содержащий электролюминесцентный слой 2 (например, такой как активированный три-гекса-гидрохинолиновый алюминий типичной толщины в области 100 нм, который скомпонован между двумя электродами (например, такими как анод 3 и катод 4, как показано на фиг.4), из которых по меньшей мере один является прозрачным, чтобы предоставлять вырабатываемому свету возможность испускаться. Оксид индия и олова (ITO) обычно используется в качестве прозрачного проводящего материала электрода. Используемым в качестве непрозрачного электрода является проводящий материал, такой как, например, слой алюминия, толщиной порядка 100 нм. Однако также есть устройства, в которых оба электрода прозрачны. Слоистая структура 2, 3 и 4 наносится на подложку 1. В этом случае, производится разграничение между верхними излучателями и нижними излучателями. Нижние излучатели испускают люминесцентный свет через подложку 1. В этом случае, анод 3 содержит слой ITO, а катод 4 - слой алюминия. Слоистая структура также может наноситься на подложку в обратном порядке. Верхний излучатель этого вида в таком случае испускает свет не через подложку, как показано на фиг.1, а в противоположном направлении. В этом случае, прозрачный электрод на стороне, удаленной от подложки, может содержать прозрачный материал или достаточно тонкий слой металла. Скомпонованный между органическим люминесцентным слоем 2 и анодом 4, обычно есть органический слой с дырочной проводимостью, типично, альфа-NPD (N,N'-ди-(нафталин-2-ил)-N,N'-дифенил бензидин) толщиной приблизительно в 50 нм (не показан на фиг.1 в данном случае). Расположенный между катодом 4 и органическим люминесцентным слоем 2, обычно есть тонкий слой инжекции электронов из материала, имеющего низкую работу выхода, например, такого как литий, цезий или барий, каковой слой (также не показан на фиг.1) важен для хорошей инжекции электронов в люминесцентный слой. Этот слой инжекции электронов очень чувствительно реагирует на влагу. Материалы, которые были указаны в качестве примера для настоящего варианта осуществления, могут быть заменены в других вариантах осуществления другими материалами, известными из предшествующего уровня техники.
Вероятность раковинного дефекта повышается с площадью органического EL-устройства. Преимуществом органических люминесцентных устройств, однако, точно является конфигурация большой площади, которая возможна с ними. Однако органические EL-устройства большой площади могут изготавливаться с низкой интенсивностью отказов, только когда могут быть предотвращены искровые перекрытия между электродами 3 и 4. Пассивация областей раковин электроизоляционным слоем 5 согласно изобретению, имеющая результат, показанный на фиг.3, представляет эффективное и недорогое решение. Завершенная EL-структура покрывается электроизоляционным слоем 5.
Чтобы снизить опасность искровых перекрытий между электродами 3 и 4, материал электроизоляционного слоя должен иметь существенно более высокую диэлектрическую постоянную, чем воздух. Поэтому являются преимущественными материалы, для которых 4,5>ε>1,5. Материалы также должны иметь существенно более высокую напряженность поля, чем воздух (~4-5 кВ/мм).
-2
Чтобы успешная электрическая пассивация электроизоляционным слоем 5 происходила в областях раковинных дефектов во время обработки нанесения, электроизоляционный слой 5 должен полностью вытеснять газы, которые еще присутствуют в областях раковинных дефектов между кромками раковин и частицами 13, которые, возможно, по-прежнему, могут быть налипшими на них. Чтобы дать возможность проникать в полости, которые, возможно, могут быть небольшими, жидкий электроизоляционный слой 5 должен иметь поверхностное натяжение, которое достаточно мало. Особенно полезными в этом случае являются соответствующие жидкости, имеющие поверхностное натяжение в менее чем 2,5·10 Н/м. В дополнение к своему пассивирующему действию, электроизоляционный слой 5 также может использоваться для рассеяния тепла, вырабатываемого электролюминесцентным устройством в действии, посредством теплопередающего контакта.
Посредством пассивации согласно изобретению электролюминесцентного устройства, для интенсивности отказов, обусловленной токами утечки и искровыми перекрытиями между электродами 3 и 4, было возможным снижаться в разы по сравнению с электролюминесцентными устройствами, не имеющими электроизоляционного слоя 5. Это улучшение достигалось в силу того обстоятельства, что материал электроизоляционного слоя 5 химически разъедает органический электролюминесцентный слой 2, или, в случае системы органических слоев, по меньшей мере органический слой, прилегающий ко второму электроду и, таким образом, заставляет второй электрод 4 отделяться от органического слоя 2 или системы органических слоев в области 4a вокруг раковинного дефекта. В других вариантах осуществления, материал электроизоляционного слоя 5 также может быть частью органического слоя 2 или может растворять весь органический слой 2 в области вокруг раковинного дефекта. После обработки отделением, внутрислойные напряжения во втором электроде 4 в области 4a электрода заставляют второй электрод отгибаться от органического электролюминесцентного слоя 2 и от первого электрода 3. Это значительно увеличивает расстояние между вторым электродом 4a и первым электродом 3 и, таким образом, по меньшей мере ощутимо снижает напряженность поля. В результате обработки отделением, любые острые кромки, которые второй электрод 4a может иметь на кромке места раковинного дефекта, расшиваются от первого электрода, каковое означает, что чрезмерное увеличение напряженности поля больше не возникает в этой области. Во время обработки отделением, материал электроизоляционного слоя 5 должен быть достаточно жидким, чтобы заполнять объем пространства, которое создано между вторым электродом 4 и органическим электролюминесцентным слоем 2 в результате обработки отделением, так что никакие пузырьки газа и уменьшенная напряженность поля не создаются между электродами 3 и 4. Жидкий или текучий электроизоляционный слой 5 затем высушивается или отверждается иным образом, в зависимости от обстоятельств. В зависимости от материала электроизоляционного материала, это может делаться термически, выпариванием растворителя, или посредством оптического отверждения, например, ультрафиолетовым излучением.
Эпоксидные смолы являются примером материалов, которые пригодны для электроизоляционного слоя 5. Эти материалы формируют тонкую пленку на втором электроде 4. В результате отгибания второго электрода, они формируют, в области раковинных дефектов, вздутия формы, схематически показанной на фиг.2, которые полностью заполняются раствором. После обработки отверждением, электролюминесцентное устройство согласно изобретению продолжало работать без каких бы то ни было возникающих коротких замыканий, даже при высоких рабочих напряжениях. Напряжения вплоть до 10 вольт прикладывались в этом случае. Толщина слоя должна быть по меньшей мере 1 мкм, чтобы давать эффект согласно изобретению, и, из соображений производительности, не должна быть большей, чем 1000 мкм, и предпочтительно должна быть между 10 мкм и 100 мкм.
Электрическая пассивация, которая достигается таким образом, может использоваться для всех органических электролюминесцентных устройств, изготовленных из органических низкомолекулярных материалов (так называемых SMOLED) или полимеров. Органические электролюминесцентные устройства большой площади, в частности, выигрывают от более низкой чувствительности к частицам пыли, которая дает более низкие затраты на производство вследствие избежания дорогостоящих условий чистого помещения. Изобретение может использоваться для устройств отображения, надписей с подсветкой или целей освещения вообще.
Фиг.3 - вид с боку дополнительного варианта осуществления электролюминесцентного устройства согласно изобретению, а именно герметизированного электролюминесцентного устройства. В этом случае, он снабжен устройством герметизации (средством пассивации) для обеспечения защиты от внешней влаги. Упомянутое средство пассивации содержит покрытие 6, которое, посредством соединений 7 адгезионного сцепления, герметизирует слоистую структуру, содержащую люминесцентный слой 2, и прочно присоединяется к ней. Объем пространства 9 заполняется сухими газами, например, такими как инертные газы, или обезвоженными жидкостями, например, такими как диэлектрические жидкости. Газопоглотительные материалы также могут компоноваться внутри герметичной оболочки для уменьшения количества влаги/воды в объеме пространства 9. Электролюминесцентное устройство испускает свет 10 через прозрачный первый электрод 3 и прозрачную подложку 1 (нижний излучатель). В других вариантах осуществления, оболочка также может принимать другие формы. Чтобы предоставить слоистым структурам, расположенным внутри оболочки, возможность возбуждаться электрическим образом, проводники 8 и 3 выступают из оболочки. В дополнение к слоистой структуре, показанной на фиг.1, также могут быть дополнительные слои, такие как микрополостные слои, для улучшения сопряжения света. Эти возможные дополнительные слои никоим образом не изменяют способ согласно изобретению, который был описан по достижении основной цели.
Механическая оболочка, показанная на фиг.3 для предохранения свойств испускания электролюминесцентного устройства от становления ухудшенными в результате проникновения влаги или кислорода в органические слои, в другом варианте осуществления, может замещаться средством 6 пассивации в виде дополнительного органического слоя 6, который нанесен на электроизоляционный слой 5, смотрите фиг.4. Когда есть прозрачный электроизоляционный слой 5, например, из эпоксидной смолы, и прозрачное средство 6 пассивации, например, из стекла, электролюминесцентное устройство, в дополнительных вариантах осуществления, также способно испускать свет 11 в сторону, удаленную от подложки (что названо верхним излучателем). В этом случае, прозрачный изолирующий слой действует в качестве адгезива для стекла. Стекло, которое используется в качестве прозрачного стеклянного средства 6 пассивации, например, будет таким же стеклом, как используется в качестве стеклянных подложек для слоистой структуры. Стекло может герметизировать слоистую структуру в качестве коробчатой формы в этом случае, как показано на фиг.4, или может наноситься на изолирующий слой в качестве плоского слоя, в каковом случае боковые кромки слоистой структуры затем должны закрываться посредством соединений 7 адгезионного сцепления, показанных на фиг.3.
Иной подход к достижению основной цели настоящего изобретения, а именно сокращение количества дефектов слоев посредством очень дорогостоящей технологии чистого помещения, мог бы означать чрезмерный подъем затрат на производство и не способен полностью предохранять от возникновения дефектов слоев именно в случае EL-устройств большой площади.
Варианты осуществления, которые были разъяснены посредством ссылки на чертежи и в описании, являются всего лишь примерами электролюминесцентного устройства согласно изобретению для ощутимого снижения интенсивности отказов, обусловленных токами утечки и короткими замыканиями, и не должны истолковываться в качестве ограничивающих формулу изобретения этими примерами. Альтернативные варианты осуществления также постижимы специалистом в данной области техники, и таковые также покрываются объемом формулы изобретения. Нумерация независимых пунктов формулы изобретения не подразумевается неявно выражающей, что другие сочетания пунктов формулы изобретения не создают также полезные варианты осуществления изобретения. К тому же использование слов в единственном числе или слова «один» в описании и формуле изобретения не исключает возможность наличия более чем одного устройств, узлов или элементов.