ИСТОЧНИК СВЕТА НА СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ
LIGHT SOURCE BASED ON LARGE-AREA LIGHT-EMITTING DIODES

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к источнику света на светоизлучающих диодах (СИДах), содержащему, по меньшей мере, один слой светоизлучающего материала, заключенный между двумя электродными слоями, при этом, по меньшей мере, один из электродных слоев структурирован с образованием рисунка электродных сегментов.
Предшествующий уровень техники
Органические светоизлучающие диоды (ОСИДы) содержат, по меньшей мере, один слой органического материала, который излучает свет в спектральном диапазоне видимого света, когда приложено внешнее напряжение. Органический слой, также известный под названием «активный слой», заключен между двумя электродными слоями с целью подачи напряжения, необходимого для излучения света. По меньшей мере, один из этих электродных слоев выполнен из электропроводного материала, который является, по меньшей мере, частично прозрачным для длин волн света, излучаемого активным слоем. Также известно расположение одного или нескольких слоев между электродными слоями и активным слоем. Эти дополнительные слои могут служить, например, в качестве слоев для переноса или инжекции электронов или дырок. Конструкция такого источника света на ОСИДах аналогична имеющему параллельные пластины конденсатору с активным материалом между двумя электродными пластинами.
Существует потребность в разработке источников света на СИДах большой площади, имеющих поперечные протяженности активного слоя и электродных слоев в диапазоне от нескольких сантиметров до свыше одного метра. Активный слой в источнике света на ОСИДах, как правило, имеет толщину 100 нм или даже менее. Благодаря этой малой толщине, а также шероховатости и неровностям нижележащей подложки-основы, на которой расположены слои, между двумя электродными слоями могут возникать электрические короткие замыкания, локальные или имеющие малую площадь. Другими причинами таких электрических коротких замыканий являются приложение слишком высокого напряжения между электродами или старение структуры слоев. Ток утечки, обуславливаемый электрическим коротким замыканием, препятствует инжекции в активный слой, вследствие чего этот слой на большой площади - вплоть до всей площади - источника света прекращает излучать свет. Вероятность и количество коротких замыканий пропорциональны геометрической площади источника света, т.е. активного слоя, что вызывает конкретные проблемы при создании источников света на СИДах или ОСИДах большой площади.
В документе US 6870196 В2 описан источник света на ОСИДах, содержащий множество групп сегментов ОСИДов, причем сегменты ОСИДов для каждой группы электрически соединены последовательно. С сегментами ОСИДов этого источника света последовательно соединен плавкий предохранитель для размыкания электрического соединения с сегментом ОСИДа в ответ на электрическое короткое замыкание. Благодаря последовательному и/или параллельному соединению сегментов ОСИДов источника света, возникновение электрического короткого замыкание влияет только на один сегмент источника света - соответствующий сегмент ОСИДа, а остальные сегменты остаются неповрежденными и продолжают излучать свет.
В документе WO 00/36662 А описано органическое светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучательный органический слой, расположенный между первым и вторым электродами, для инжекции носителей заряда в светоизлучательный органический слой. Чтобы улучшить равномерность плотности тока такого ОСИДа, первый электродный слой содержит множество субэлектродов, причем каждый субэлектрод соединен с каждым из субэлектродов, непосредственно окружающих его, через посредство плавкого соединения. Плавкие соединения являются элементами квадратной формы, которые выполнены с возможностью разрыва, когда подвергаются воздействию тока, превышающего заданное значение, для электрической изоляции соответствующего субэлектрода от других субэлектродов.
Краткое изложение существа изобретения
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать источник света на светоизлучающих диодах (СИДах), который может быть предназначен для обеспечения большой светоизлучающей площади с равномерной плотностью света и без риска отказа более крупных площадей из-за электрических коротких замыканий
Эта задача решается с помощью источника света на СИДах в соответствии с п.1 формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления источника света на СИДах представляют собой предмет изобретения согласно подчиненным пунктам формулы изобретения или описаны в нижеследующем описании и вариантах осуществления изобретения.
Предлагаемый источник света на СИДах содержит, по меньшей мере, один слой светоизлучающего материала, заключенный между двумя электродными слоями и излучающий свет, когда между этими электродными слоями приложено электрическое напряжение, превышающее пороговое напряжение. Светоизлучающий материал предпочтительно представляет собой органический материал для создания источника света на органических светоизлучающих диодах (ОСИДах). Тем не менее можно также использовать неорганический светоизлучающий материал, в частности подходящий полупроводниковый материал. По меньшей мере, один из электродных слоев структурирован с образованием рисунка электродных сегментов, отстоящих друг от друга на малые расстояния. Термин «отстоящие друг от друга на малые расстояния» означает, что промежуток между электродными сегментами меньше, чем поперечная протяженность в соответствующем направлении. Каждый внутренний электродный сегмент рисунка находится в электрическом контакте, по меньшей мере, с тремя из ближайших к нему соседних электродных сегментов с помощью прямых электрических соединений, которые предназначены для работы в качестве электрических плавких предохранителей между электродными сегментами, в частности, имеющих плотность тока, которая больше, чем у электродных сегментов. Прямые электрические соединения сформированы из областей структурированного электродного слоя, которые полностью окружают внутренние электродные сегменты и тоньше, чем эти электродные сегменты. Термин «внутренние электродные сегменты» в этом контексте означает электродные сегменты, которые не находятся на границе площади, ограниченной поперечной протяженностью электродного слоя. Такие пограничные электродные сегменты могут иметь менее трех ближайших соседей. Поэтому, по меньшей мере, один из электродных слоев структурирован с образованием нескольких электродных сегментов, которые окружены сеткой плавких предохранителей, имеющих плотность тока, которая больше, чем у электродных сегментов.
Следовательно, предложенный источник тока на СИДах содержит непрерывный слой светоизлучающего материала, т.е. активный слой, заключенный между двумя электродными слоями. Как известно в данной области техники, все же можно располагать дополнительные слои, подобные слоям для переноса или инжекции электронов или дырок, между электродными слоями и активным слоем.
По меньшей мере, один из электродных слоев является, по меньшей мере, частично прозрачным, по меньшей мере, для диапазона длин волн света, излучаемого активным слоем. Примером такого электропроводного материала является ITO (оксид индия-олова). Оба электродных слоя также могут быть выполнены из такого материала, который гарантирует излучение генерируемого света сквозь обе главных поверхности источника тока на СИДах.
Последовательность слоев предлагаемого источника тока на СИДах предпочтительно расположена на подложке. Эта подложка-основа также может быть выполнена из материала, который является, по меньшей мере, частично прозрачным для области длин волн света, излучаемого активным слоем. Эта область длин волн должна перекрываться, по меньшей мере, частично с областью длин волн, для которой является прозрачным электродный слой между подложкой и активным слоем. Такая подложка может быть жесткой или гибкой и может быть выполнена, например, из стекла или полимера, обладающего подходящей прозрачностью. Во время процесса изготовления на поверхности подложки осаждают нижний электродный слой. Затем на электродном слое осаждают или выращивают слой светоизлучающего материала, а после этого на слое светоизлучающего материала осаждают второй электродный слой и структурируют его в соответствии с данным изобретением. Осаждение слоев можно проводить с помощью известных методов осаждения, таких как химическое осаждение из паровой фазы или напыление. Формирование рисунка электродного слоя можно проводить с помощью известных методов, таких как фотолитографические методы структурирования. Тем не менее возможны также такие методы, как струйная печать, трафаретная печать и другие.
Посредством предлагаемого источника света на СИДах можно достичь излучения света на большой площади, соответствующей большой поперечной протяженности светоизлучающего слоя и электродных слоев. Благодаря формированию рисунка, по меньшей мере, одного из электродных слоев и обеспечения соответствующих электрических соединений, предназначенных для действия в качестве электрических плавких предохранителей, между электродными сегментами, возникновение электрического короткого замыкания влияет лишь на отдельный электродный сегмент и соответствующую площадь источника света, в которой короткое замыкание возникает. Тогда электрические соединения - также именуемые в нижеследующем тексте плавкими предохранителями, соединяющие этот электрический элемент с соседями, размыкаются, вследствие чего короткое замыкание оказывается электрически отделенным от остальной площади источника света. Иными словами, в предложенном источнике света на СИДах эти плавкие предохранители образуют сетку вокруг электродных сегментов, впоследствии локально разрушающуюся вокруг сегментов, в которых возникают короткие замыкания. Поэтому локальное короткое замыкание отделяется от остальной площади источника света таким образом, что остальная сетка остается электропроводной при невозмущенном излучении света. Поскольку каждый плавкий предохранитель можно спроектировать таким образом, что сопротивление плавкого предохранителя оказывается не превышающим сопротивление сегмента, изменение в токе, текущем через весь СИД или ОСИД, почти не происходит. Это приводит к тому, что светоотдача СИДа или ОСИДа оказывается визуально неизменной. Благодаря наличию этих плавких предохранителей, источник света является самовосстанавливающимся, когда возникают локальные короткие замыкания.
2
2
Основным свойством плавких предохранителей является повышенная плотность электрического тока в этих электрических соединениях по сравнению с плотностями тока в электродных сегментах. Благодаря повышенной плотности тока, в случае электрического короткого замыкания эти электрические соединения или плавкие предохранители автоматически разрушаются или размыкаются из-за температуры или электромиграции. Электромиграция описывает перенос массы в металлах, которые подвергаются воздействию механических напряжений из-за высоких плотностей тока. Из экспериментальных исследований известно, что перенос массы в металлической полосе пропорционален величине A×J×exp(-Ea/k×T), где А - константа, связанная с поперечным сечением металлической полосы, J - плотность тока, Еа - энергия активации, выраженная в эВ, k - постоянная Больцмана, а Т - температура. Также известно, что значительная электромиграция, например, в алюминии имеет место при плотностях тока, составляющих несколько сотен кА/см. Из вышеуказанной формулы можно заметить, что электромиграция ускоряется повышенными температурами.
Одной из основных идей этого изобретения является использование влияния избыточной плотности тока на площадь поперечного сечения плавкого предохранителя во время короткого замыкания для разрушения самого плавкого соединения посредством нагрева или электромиграции. Плотность тока во время нормальной работы должна иметь меньшие порядки величины.
Формирование плавких предохранителей путем структурирования электродного слоя обладает значительным преимуществом, заключающимся в том, что весь источник света на основе СИДов можно изготавливать в стандартном процессе изготовления таких источников света, в котором дополнительно структурируют лишь один из электродных слоев или их оба.
Геометрическая форма электродных сегментов и промежуток между этими электродными сегментами не ограничиваются конкретной формой или протяженностью. Рисунок может быть симметричным или асимметричным, периодическим или непериодическим. В предпочтительном варианте электродные сегменты имеют геометрическую форму, содержащую, по меньшей мере, n прямых сторон, где n≥3, причем эти сегменты затем располагают так, что они имеют ближайших соседей, с которыми они электрически соединены посредством плавких предохранителей. Тогда геометрическая форма может представлять собой, например, треугольник, прямоугольник или шестиугольник. В предпочтительном варианте электрические сегменты в рисунке являются равноотстоящими друг от друга.
В дополнительном варианте осуществления к одной или обеим сторонам - светоизлучающим сторонам - источника тока прикреплен диффузорный элемент. При наличии такого диффузорного элемента свет, излучаемый из нескольких положений на светоизлучающей площади, смешивается, так что малые площади, не излучающие из-за коротких замыканий, оказываются почти невидимыми для невооруженного глаза.
Толщина светоизлучающего слоя, т.е. активного слоя, предпочтительно составляет примерно 100 нм или менее. Этот слой может быть выполнен из известных органических материалов. Такие материалы представляют сбой электролюминесцентные малые молекулы органических или органометаллических веществ, либо сопряженные полимеры, сополимеры или их смеси, или даже дисперсии малых молекул в полимерных связующих, которые излучают свет либо из синглетного, либо из триплетного состояний, или из них обоих, вследствие чего возбуждение создается рекомбинацией носителей положительного и отрицательного заряда, инжектируемых в слой из электродов.
Предлагаемый источник света на СИДах можно использовать для всех приложений, связанных с освещением, для которых освещение, достижимое с помощью СИДов, оказывается адекватным, в частности - приложений, связанных с освещением и требующих источников света большой площади. Примеры приложений, связанных с освещением, для источников света на СИДах, соответствующих данному изобретению, описаны, например, во вводной части этого описания.
Эти и другие аспекты изобретения станут ясными из рассмотрения вариантов осуществления, иллюстрируемых ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Предлагаемый источник света на СИДах описывается ниже на примерах в связи с прилагаемыми чертежами без ограничения объема защиты, определяемого формулой изобретения. Чертежи иллюстрируют:
фиг.1 - частичное сечение возможной последовательности слоев предлагаемого источника света на СИДах;
фиг.2 - вид сверху примера ОСИДа;
фиг.3 - вид сверху известного ОСИДа;
фиг.4 - модель центрального сегмента А ОСИДа согласно фиг.2;
фиг.5 - модель центрального сегмента А ОСИДа согласно фиг.3;
фиг.6 - расчетная горизонтальная плотность тока в катодном сегменте без плавких предохранителей (известный уровень техники);
фиг.7 - расчетная горизонтальная плотность тока в катодном сегменте с плавкими предохранителями;
на фиг.8 - расчетная горизонтальная плотность тока в катодном сегменте с плавкими предохранителями и срезом короткого замыкания в центральной точке;
фиг.9 - расчетная яркость на сегменте ОСИДа без плавких предохранителей (известный уровень техники);
фиг.10 - расчетная яркость на сегменте ОСИДа с плавкими предохранителями;
фиг.11 - частичный вид сверху согласно примеру структурированного электродного слоя;
фиг.12 - частичный вид сверху согласно примеру структурированного электродного слоя; и
фиг.13 - частичный вид сверху согласно примеру структурированного электродного слоя предлагаемого источника света на СИДах.
Подробное описание вариантов осуществления
На фиг.1 изображен пример последовательности слоев предлагаемого источника света на СИДах. Эта последовательность слоев расположена на подложке-основе 1, которая выполнена из стекла или полимерного материала, прозрачного для видимого света. На подложке-основе 1 расположен первый электродный слой 2. Первый электродный слой 2 имеет постоянную толщину на всем протяжении источника света. Между этим первым электродным слоем 2 и вторым электродным слоем 4 заключен органический светоизлучающий материал 3. Первый электродный слой 2 образует электрод, являющийся анодом, а второй электродный слой 4 образует электрод, являющийся катодом, этого ОСИДа. Когда между этими двумя электродными слоями 2, 4 приложено подходящее напряжение, слой 3 светоизлучающего материала излучает свет в диапазоне длин волн видимого света. По меньшей мере, первый электродный слой 2 выполнен из электропроводного металла, который прозрачен для видимого света, например из ITO или из электропроводного полимерного материала. Поэтому свет, излучаемый светоизлучающим слоем 3, может выходить сквозь нижнюю поверхность источника света, показанного на фиг.1. Таким же образом - или в качестве альтернативы первому электродному слою 2 - можно выполнить второй электродный слой 4 из оптически прозрачного материала, чтобы гарантировать излучение света сквозь верхнюю главную поверхность источника света. К одной или обеим сторонам источника света можно прикрепить диффузорный элемент 8.
В данном примере, второй электродный слой структурирован с образованием рисунка электродных сегментов 5, которые находятся в электрическом контакте с соседними электродными сегментами через посредство электрических соединений 6. Электрические соединения 6 предназначены для службы в качестве плавких предохранителей, которые перегорают, когда между двумя электродными слоями в соответствующей области возникают локальные короткие замыкания.
Как уже упоминалось в предыдущей части описания, между электродными слоями 2, 4 и светоизлучающим слоем 3 можно также расположить дополнительные слои. Что касается дополнительных слоев, подобных слоям с переносом электронов или дырок, то между двумя электродными слоями можно также расположить дополнительные светоизлучающие слои. Кроме того, между подложкой 1 и первым электродным слоем 2 или на втором электродном слое 4 можно расположить один или более защитных или адгезионных слоев.
На фиг.2 показан пример ОСИДа, не заявляемый в данной заявке на патент. В этом примере второй электродный слой 4, т.е. катодный слой, структурирован с образованием электродных сегментов 5 квадратной формы, соединенных посредством плавких предохранителей 6 квадратной формы, выполненных из того же слоя. Электродные сегменты 5 в этом примере имеют ширину 41 мм и длину 41 мм. Размеры (поперечные) плавких предохранителей 6 квадратной формы составляют 3×3 мм. Электрические соединения ОСИДа осуществляются через посредство контактных электродов 9, окружающих ОСИД. На фиг.3 для сравнения показан известный ОСИД, в котором второй электродный слой 4 - катодный слой - не структурирован.
На фиг.4 показана модель центрального сегмента А ОСИДа согласно фиг.2, при этом обозначены линии постоянного напряжения. Для сравнения, на фиг.5 показана модель центрального сегмента А ОСИДа согласно фиг.3, и при этом также обозначена линия постоянного напряжения.
эфф
квадр
2
Заданная эффективность активного слоя ОСИДа согласно фиг.2 составляет LO = 42 кд/м. Материалом катодного слоя является алюминий с проводимостью s = 2,6 мкОм×см и толщиной d 260 нм. Это соответствует сопротивлению квадрата, составляющему R = s/d = 0,1 Ом. Первый электродный слой 2, т.е. анодный слой, выполнен из INO c сопротивлением квадрата, составляющим 1 Ом. Активный слой аналитически описывается следующей зависимостью тока от напряжения:
-4
2
2
i = 8×10A/V×(v-3,5V),
2
где v обозначает локальное напряжение на активном слое, а i - ток через активный слой. Это зависимость соответствует активной площади 20 мм.
Следующие чертежи иллюстрируют получаемые плотности тока и яркости для 3 случаев:
случай 1: отсутствие сегментированного катода (известный уровень техники);
случай 2: сегментированный катод с плавкими предохранительными элементами при отсутствии короткого замыкания;
случай 3: сегментированный катод с плавкими предохранительными элементами при наличии короткого замыкания в центре большого сегмента.
2
На фиг.6 и 7 показана горизонтальная плотность тока в катодном слое, т.е. геометрическая сумма компонент «х» и «у» вектора плотности тока при наличии и отсутствии плавких предохранителей. На фиг.8 показан случай короткого замыкания в центре сегмента для ОСИДа с плавкими предохранителями согласно данному изобретению. На фиг.9 и 10 показано сравнение яркостей, выраженных в кд/м, на известном ОСИДе (фиг.9) и ОСИДе согласно данному изобретению (фиг.10). Во всех случаях напряжение вдоль краев предполагается постоянным и равным 5 В. Сегменты плавких предохранителей имеют квадратную форму размером 3×3 мм и меньшую толщину, чем большие сегменты.
Сделаны два наблюдения:
1. введение сегментов плавких предохранителей почти не оказывает влияние на суммарный ток и светоотдачу; даже несмотря на то, что лишь 7,3% краев используются для инжекции тока, в точках инжекции (фиг.9 и 10) светоотдача почти не повышается;
2
2
2. плотность электрического тока в плавких предохранителях составляет 3,8 кА/см, что лишь примерно в 3 раза больше, чем в случае отсутствия сегментов (известный уровень техники) (см. фиг.6 и 7); с другой стороны, во время короткого замыкания плотность тока почти на 3 порядка величины выше (1800 кА/см), что гарантирует разрушение плавких соединительных элементов за счет нагрева и электромиграции.
На фиг.11 показан пример рисунка верхнего электродного слоя 4 на частичном виде сверху. Электродные сегменты 5 в этом примере имеют геометрическую форму шестиугольника и являются равноотстоящими друг от друга. В этом примере электрические соединения 6 выполнены из электродного слоя 4, который структурирован в областях между электродными сегментами 5 с образованием площадок прямоугольной формы между электродными сегментами 5. Каждый электродный сегмент 5 имеет шесть ближайших соседей, с которыми этот электродный сегмент непосредственно соединен с помощью шести электрических соединений 6. Если в положении 7 одного из этих электродных сегментов возникает электрическое короткое замыкание, то электрические соединения 6, которые окружают соответствующий электродный сегмент 5 и представляют собой плавкие предохранители, размыкаются из-за большого тока через эти электрические соединения 6, тем самым электрически изолируя электродные сегменты 5 от других электродных сегментов 5 источника света.
Электрические соединения 6 имеют размеры, позволяющие избежать сбоя излучения света на большей площади из-за такого короткого замыкания. Следовательно, эти соединения 6 имеют такие размеры с учетом плотности тока через них, в частности - через их поперечное сечение или толщину, что они разрушаются, когда протекает соответствующий большой ток.
Геометрический размер электродных сегментов 5, т.е. их поперечная протяженность, и промежуток между этими сегментами также выбираются в соответствии с желаемым приложением и допусками размеров площадей источника света, которые не излучают свет. Светоизлучающий слой 3 в этом варианте осуществления - за пределами структурированного электродного слоя - является непрерывным слоем без рисунка.
На фиг.13 показан пример рисунка второго электродного слоя 4 в соответствии с данным изобретением. В этом примере электрические соединения 6 образованы площадями электродного слоя 4, полностью окружающими электродные сегменты 5 и имеющими меньшую толщину, чем электродные сегменты 5.
На фиг.12 показан пример формы электродных сегментов 5, в котором эти сегменты являются равноотстоящими треугольниками. Каждый сегмент 5 окружен тремя другими сегментами 5, с которыми он электрически соединен с помощью прямых электрических соединений 6.
Хотя изобретение проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в вышеизложенном описании, такое иллюстрирование и описание следует считать демонстрационными или возможными, а не ограничительными; изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления. Разные варианты осуществления, описанные выше, также могут быть объединены в пунктах формулы изобретения. Изучив чертежи, описание и предлагаемую формулу изобретения, специалисты в данной области техники смогут понять другие изменения, которые можно внести в описанные варианты осуществления при воплощении данного изобретения на практике. Например, в вышеупомянутых вариантах осуществления можно также соответственно структурировать нижний электродный слой 2, а не верхний электродный слой 4. Кроме того, можно также структурировать оба электродных слоя. Геометрическую форму электродных сегментов, а также промежуток между этими сегментами в источнике света можно изменять.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а признак единственного числа существительных не исключает множество. Тот вероятный факт, что некоторые меры приведены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не исключает, что можно с выгодой использовать комбинацию этих мер. Любые позиции в пунктах формулы изобретения не следует интерпретировать как ограничивающие объем притязаний этих пунктов формулы изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ ЧЕРТЕЖЕЙ
1 Подложка-основа
2 Первый электродный слой
3 Слой светоизлучающего материала
4 Второй электродный слой
5 Электродные сегменты
6 Электрические соединения, действующие как плавкие предохранители
7 Положение короткого замыкания
8 Диффузорный элемент
9 Контактный электрод