DE4325885A1 - Elektrolumineszierende Anordnung - Google Patents

Elektrolumineszierende Anordnung

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DE4325885A1 DE4325885A DE4325885A DE4325885A1 DE 4325885 A1 DE4325885 A1 DE 4325885A1 DE 4325885 A DE4325885 A DE 4325885A DE 4325885 A DE4325885 A DE 4325885A DE 4325885 A1 DE4325885 A1 DE 4325885A1
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Description

Eine elektrolumineszierende (EL) Anordnung ist dadurch charakte­ risiert, daß sie unter Anlegung einer elektrischen Spannung unter Stromfluß Licht aussendet. Derartige Anordnungen sind unter der Bezeichnung "Leuchtdioden" (LEDs = light emitting diodes) seit langem in der Technik bekannt. Die Emission von Licht kommt dadurch zustande, daß positive Ladungen ("Löcher", holes) und negative Ladungen ("Elektronen", electrons) unter Aussendung von Licht kombinieren.
Die in der Technik gebräuchlichen LEDs bestehen alle zum über­ wiegenden Teil aus anorganischen Halbleitermaterialien. Seit einigen Jahren sind jedoch EL-Anordnungen bekannt, deren wesent­ liche Bestandteile organische Materialien sind.
Diese organischen EL-Anordnungen enthalten in der Regel eine oder mehrere Schichten aus organischen Ladungstransportverbindungen. Der prinzipielle Aufbau ist in der Figur dargestellt. Die Zahlen 1 bis 10 bedeuten dabei:
1 Träger, Substrat
2 Basiselektrode
3 Löcher-injizierende Schicht
4 Löcher-transportierende Schicht
5 Emitter-Schicht
6 Elektronen-transportierende Schicht
7 Elektronen-injizierende Schicht
8 Topelektrode
9 Kontakte
10 Umhüllung, Verkapselung.
Dieser Aufbau stellt den allgemeinsten Fall dar und kann verein­ facht werden, indem einzelne Schichten weggelassen werden, so daß eine Schicht mehrere Aufgaben übernimmt. Im einfachsten Fall be­ steht eine EL-Anordnung aus zwei Elektroden, zwischen denen sich eine organische Schicht befindet, die alle Funktionen - inklusive der der Emission von Licht - erfüllt. Derartige Systeme sind z. B. in der Anmeldung wo 9013148 auf der Basis von Poly-[p-phenylenvi­ nylen] beschrieben.
Gegenstand der Erfindung sind die in den Ansprüchen beschriebenen Anordnungen, die eine oder mehrere, auch von ihrer Funktion her kombinierbare Schichten 3-7 enthalten. Bei dem Aufbau der EL-Anordnung kann z. B. auf die Elektronenleiterschicht und die elektronen-injizierende Schicht verzichtet werden. Die EL-Anord­ nung würde dann z. B. neben den Elektroden und dem Substrat aus den Schichten 3 bis 5 bestehen.
Erfindungsgemäß werden unter Ladungstransportverbindungen alle Verbindungen verstanden, die in irgendeiner Art und Weise Ladungen (Löcher und/oder Elektronen) transportieren. Darunter fallen auch ausdrücklich diejenigen Verbindungen, die Bestand­ teile der Emitter-Schicht sind, also photolumineszierende Materialien darstellen, wie z. B. Fluoreszenzfarbstoffe.
In der Literatur wird eine Vielzahl von organischen Verbindungen beschrieben, die Ladungen (Löcher und/oder Elektronen) transpor­ tieren. Verwendet werden überwiegend niedermolekulare Substanzen, die z. B. im Hochvakuum aufgedampft werden. Einen guten Überblick über die Substanzklassen und ihre Verwendung gegen z. B. die Ver­ öffentlichungen EP-A-387715, US-A-4539507, 4720432 und 4769292. Im Prinzip kann man z. B. alle Substanzen verwenden, die als Photoleiter aus der Elektrophotographie bekannt sind.
Allen diesen EL-Anordnungen, welche auf niedermolekularen Verbindungen basieren, ist gemeinsam, daß sie keine ausreichende Betriebs-Lebensdauer haben. Während des Betriebs werden die organischen Leuchtdioden sehr heiß (< 100°C), und dies führt zu einer Veränderung (bis hin zur Zerstörung) der Schichten, so daß dann eine Leistungsminderung oder völliger Verlust der Funktion eintritt.
Diese Probleme sollten bei der Verwendung von Polymeren in EL-Anordnungen weniger stark ausgeprägt auftreten. Schichten, die Polymere enthalten, sind jedoch nur wenige beschrieben. So wird z. B. eine EL-Anordnung in der japanischen Offenlegungsschrift JP 4028197 geschildert, welche Polyvinylcarbazol als Bestandteil der Emitterschicht enthält. Das Aufbringen von löslichen Poly­ meren, wie Polyvinylcarbazol, geschieht mittels Gießen oder Auf­ schleudern (spin-coating) verdünnter Lösungen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß mehrere Schichten auf diese Art nicht aufgebracht werden können, da das Lösungsmittel für die zweite Schicht die erste Schicht anlöst oder zumindest anquillt. Dies führt dann zu einer Vermischung der beiden Schichten an der Grenzfläche und damit zu einer Verringerung der Effizienz. Diese Probleme werden in US-Patentschrift 4539507 ausführlich beschrie­ ben.
Außerdem ist zu beachten, daß die thermische Stabilität von Polymerschichten nicht nur chemisch (Zersetzung), sondern auch physikalisch durch ihre Glas- oder Schmelztemperatur begrenzt ist.
Weitere Beispiele für den Einsatz von Polymeren in EL-Anordnungen sind Poly[p-phenylenvinylen] (PPV) und Polyimide. Die Verwendung von PPV in EL-Anordnungen wird in den Schutzrechten EP-A-443861, WO-A-9013148, 9203490 und 9203491 beschrieben. Als Vorteil kann die hohe thermische Stabilität des PPV angeführt werden, welches außerdem unlöslich ist.
Polyimid-Schichten werden durch Aufdampfen entsprechender Comono­ merer im Hochvakuum und anschließende thermische Bildung des Polyimids erhalten (siehe EP-A-449125). Diese Polymeren sind ebenfalls unlöslich.
Für Anwendungen im EL-Bereich (insbesondere Anzeigeelemente, Displays) gilt diese Unlöslichkeit wegen der dadurch nicht mehr möglichen Photostrukturierbarkeit als Nachteil. Außerdem be­ schränkt die zur Herstellung der Polymeren erforderliche ther­ mische Behandlung der Schichtträger die Auswahl auf hochtem­ peraturstabile Substrate, z. B. Glas.
Es wurde nun gefunden, daß sich die beschriebenen Nachteile bei den erfindungsgemäßen EL-Anordnungen vermeiden lassen. Der Aufbau dieser EL-Anordnungen entspricht prinzipiell dem in der Figur ge­ zeigten Schema, wobei, wie schon angegeben, die Zahl der organi­ schen Schichten vermindert werden kann, wenn einzelne Schichten mehrere Funktionen übernehmen.
Bei dem erfindungsgemäßen schichtweisen Aufbau der EL-Anordnung werden die Bestandteile der einzelnen Schichten thermisch oder besonders bevorzugt mit aktinischer Strahlung (UV-Licht, sicht­ bares Licht, Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen) vernetzt. Zunächst wird ein geeignetes Substrat beschichtet. Als Substrate eignen sich z. B. leitfähig beschichtete Gläser und Folien, die mechanisch stabil sind. Das Substrat und die Elektroden sollten bei der Wellenlänge des emittierten Lichtes möglichst wenig ab­ sorbieren. In der Regel wird eine entsprechende Lösung, die die Ladungstransportverbindungen neben weiteren, optionalen Bestand­ teilen wie Bindemitteln, Reaktivverdünnern, Vernetzern und ther­ mischen oder Photo-Initiatoren, enthält, auf ein Substrat aufge­ schleudert oder gerakelt, und nach eventueller Trocknung wird der entstandene Film thermisch oder, besonders bevorzugt, mittels aktinischer Strahlung vernetzt. Vorteil letzterer Ausführungsform ist, daß das Substrat kaum thermisch belastet wird. In jedem Fall kann - je nach geplantem Aufbau - nach der Vernetzung sogleich die nächste Schicht aufgebracht werden. Aufgrund der Ausbildung eines unlöslichen polymeren Netzwerks in der gerade behandelten Schicht kann eine Vermischung der frisch-aufgebrachten mit der bereits vernetzten Schicht nicht auftreten. Bei der strahlungsin­ duzierten Vernetzung können die Schicht oder Schichten durch bildmäßige Belichtung nach bekannten Methoden natürlich auch strukturiert werden, wobei nicht belichtete Stellen durch Auswa­ schen entfernt werden können. Auf Vernetzung basierende, photo­ strukturierbare Systeme sind in der Technik bekannt (Druckplatten, Photoresiste).
Ebenfalls möglich ist die Kombination von vernetzten mit unvernetzten Schichten, die auf bekannte Art erhalten werden, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufrakeln und gegebenenfalls anschließendes Fixieren.
Als ladungstransportierende Verbindungen in den Schichten können erfindungsgemäß alle Verbindungen verwendet werden, die in irgendeiner Art und Weise Ladungen (Löcher und/oder Elektronen) transportieren. Darunter fallen, wie schon gesagt, auch aus­ drücklich diejenigen Verbindungen, die Bestandteile der Emitter- Schicht sind, also photolumineszierende Materialien darstellen, wie Fluoreszenzfarbstoffe. Besonders geeignet sind solche Verbindungen, die anionisch, kationisch oder vorzugsweise radika­ lisch polymerisierbare Gruppen tragen. Ebenfalls bevorzugt sind solche Ladungstransportverbindungen, welche zur Photocyclo­ addition fähige Gruppen tragen.
Als Grundkörper können aufgeführt werden: tertiäre aromatische Amine, Oxadiazole, Thiadiazole, Benzoxazole, Benztriazole, Phthalocyanine, kondensierte aromatische Systeme, wie Perylene, Pyrene oder Coronene oder Polyenverbindungen, welche vorzugsweise zusätzlich kationisch oder radikalisch polymerisierbare Gruppen oder zur Photocycloaddition fähige Gruppen tragen. Derartige Verbindungen werden vorzugsweise in die Schichten 3, 4, 6 und 7, oder in Kombinationen derselben, eingebracht. Ebenfalls möglich ist die Verwendung von Farbstoffen, die anionisch, kationisch oder vorzugsweise radikalisch polymerisierbare Gruppen oder zur Photocycloaddition fähige Gruppen aufweisen. Die daraus erhal­ tenen polymeren Netzwerke werden bevorzugt als Schicht 5 ver­ wendet.
Als Ladungstransportverbindungen kommen z. B. in Betracht:
wobei diese Verbindungen noch Substituenten, vorzugsweise C₁- bis C₄-Alkyl, Methoxy, Ethoxy oder Cyan, tragen können.
Radikalisch polymerisierbare Gruppen sind solche, bei denen die Polymerisation mit Radikalen gestartet wird. Beispiele derartiger Gruppen sind insbesondere Vinylcarbonylverbindungen wie Acrylate, Methacrylate oder Maleinsäurederivate.
Unter kationisch polymerisierbaren Gruppen werden Gruppen ver­ standen, die mit Protonensäuren oder Lewis-Säuren unter Bildung von Polymeren reagieren. Beispiele für derartige Verbindungen sind Vinylether und Epoxide.
Anionisch polymerisierbare Verbindungen sind z. B. Cyanacrylate, Methacrylate oder Styrol.
An einem ladungstransportierenden Molekül können natürlich eine oder mehrere anionisch, kationisch oder vorzugsweise radikalisch polymerisierbare Gruppen gebunden sein. Die Verwendung von mehr als einer anionisch, kationisch oder radikalisch polymerisierba­ ren Gruppe ist bevorzugt, da die Netzwerk-Bildung dabei leichter gelingt.
Beispiele derartiger Verbindungen sind:
wobei auch diese Verbindungen noch Substituenten, vorzugsweise die bereits genannten, tragen können.
Zur Photocycloaddition fähige Seitengruppen sind ebenfalls bevor­ zugt als Substituenten für die erfindungsgemäßen Ladungstrans­ portverbindungen. Beispiele derartiger Seitengruppen sind:
wobei X O oder NR ist und die Reste noch weiter, beispielsweise durch Methyl oder Methoxy substituiert sein können und R Wasser­ stoff oder C₁- bis C₆-Alkyl, vorzugsweise Methyl oder Ethyl, be­ deutet.
Anstelle einheitlicher zur Vernetzung führender Substituenten können auch Kombinationen der verschiedenen vernetzbaren Sub­ stituenten an einem Ladungstransportmolekül verwendet werden. So kann z. B. an einem Ladungstransportmolekül eine radikalisch vernetzbare Gruppe, wie ein Acrylsäureester, neben einer zur Photocycloaddition fähigen Gruppe, z. B. einem Zimtsäurederivat vorliegen.
Neben den Ladungstransportverbindungen können die Lösungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schichten, wie bereits gesagt, beispielsweise noch (thermische und photochemische) Initiatoren, Bindemittel, Reaktivverdünner, Vernetzer und Verlaufshilfsmittel enthalten, die dem Fachmann aus der Lacktechnik bekannt sind.
Für den Fall, daß die Ladungstransportverbindungen keine vernetz­ baren Gruppen haben, d. h., wenn sie nicht an der Netzwerk-Bildung teilnehmen, müssen die genannten Zusätze die Bildung des unlösli­ chen Netzwerks übernehmen, in dem die Ladungstransportverbindun­ gen dann fixiert sind. Als Bindemittel werden dann zweckmäßiger­ weise noch lösliche Polymere verwendet, die vernetzbare Seiten­ gruppen tragen, wie sie bereits für die Ladungstransportverbin­ dungen aufgeführt sind, also Acrylate, Methacrylate oder Malein­ säurederivate, Vinylether oder Epoxide oder zur Photocyclo­ addition fähige Gruppen. Ein Beispiel für ein Polymer mit zur Photocycloaddition fähigen Seitengruppen ist Poly-[zimtsäureviny­ lester].
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schichten werden zweckmäßi­ gerweise die ladungstransportierenden Verbindungen gegebenenfalls zusammen mit einem kationisch oder radikalisch wirkenden Initia­ tor, Bindemittel und Reaktivverdünner in einem Lösungsmittel, in dem sie gut löslich sind, gelöst und mittels einer Rakel oder einer Schleuder auf das bereits mit einer Elektrode beschichtete Substrat aufgebracht. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels, was ggf. durch leichtes Erwärmen beschleunigt werden kann, wird der resultierende Film mittels aktinischer Strahlung oder durch Er­ wärmung vernetzt. Die entsprechenden Verfahren (z. B. UV-Härtung, Elektronenstrahlhärtung) sind aus der Lacktechnologie bekannt und bieten demgegenüber keine Besonderheiten, üblicherweise werden bei UV Wellenlängen von 200 bis 450 nm und bei Elektronenstrahlen Energien von 0,3 bis 1 MeV verwendet. Bei der durch Strahlung bewirkten Vernetzung lassen sich die Schichten direkt struktu­ rieren, was z. B. für die Display-Herstellung wichtig ist. Dies geschieht in der Regel analog zu den aus der Resist-Technologie bekannten Verfahren.
Die erhaltene, vernetzte Schicht ist thermisch stabil, unlöslich und mechanisch belastbar. Je nach gewünschter Ausführung können analog weitere Schichten oder sofort die zweite Elektrode, z. B. durch Aufdampfen, aufgebracht werden. Derartige EL-Anordnungen zeichnen sich durch eine besonders gute thermische Belastbarkeit aus.
Beispiel 1
5 g Vinylcarbazol werden zusammen mit 0.1 g der Verbindung der Formel
2 g Polyvinylcarbazol und 2 g Trimethylolpropantriacrylat in 200 ml Methoxypropanol gelöst. Diese Lösung wird mittels eines Spin-Coaters auf eine mit leitfähigem ITO (Indium-Zinn-Oxid) be­ schichtete Glasscheibe aufgeschleudert. Diese Scheibe wird an­ schließend auf einer Heizplatte für 3 min auf 90°C erwärmt. Die Schichtdicke nach Trocknung beträgt 240 nm.
Die erhaltene Schicht wird anschließend 10 min mit einer Queck­ silber-Hochdrucklampe (HBO) bestrahlt. Dadurch tritt Vernetzung ein, die Schicht ist danach in Methoxypropanol unlöslich.
Anschließend wird auf diese Schicht eine Emitter-Schicht aufge­ bracht. Dazu wird eine Lösung von 0.01 g DCM (s. Beispiel 2) und 0.99 g Poly-[zimtsäurevinylester] in 30 ml Toluol aufgeschleu­ dert, getrocknet und durch Bestrahlung mit einer HBO-Lampe ver­ netzt. Die Schichtdicke beträgt 190 nm.
Anschließend werden die Schichten für eine Stunde bei 100°C im Vakuumtrockenschrank getrocknet.
Als Top-Elektrode wird eine Aluminiumelektrode verwendet. Das Aluminium wird in üblicher Weise aufgedampft, die Schichtdicke beträgt 30 nm.
Die solcherart hergestellte elektrolumineszierende Anordnung leuchtet bei Anlegen einer Spannung von 87 V orange-rot.
Beispiel 2
Auf ein mit ITO beschichtetes Glassubstrat wird eine Lösung von 0.1 g des Benztriazols der obigen Formel und 0.4 g Poly[zimt­ säurevinylester] in 17 ml Toluol aufgeschleudert. Die so erhal­ tene Schicht wird sofort durch 5minütige Bestrahlung mit einer HBO-Lampe vernetzt. Anschließend wird auf diese Schicht eine Lösung von 0.01 g DCM und 0.99 g Poly-[zimtsäurevinylester] in 30 ml Toluol aufgeschleudert und durch Bestrahlung mit einer HBO- Lampe vernetzt.
Anschließend wird die Prozedur mit einer Lösung von 0.3 g des Oxadiazols der angegebenen Formel und 0.7 g Poly[zimtsäurevinyl­ ester] in 30 ml Toluol wiederholt. Die Gesamtdicke aller drei Schichten beträgt dann 650 nm; sie werden anschließend eine Stunde bei 100°C im Vakuumtrockenschrank getrocknet.
Als Top-Elektrode wird wie in Beispiel 1 eine Aluminiumelektrode verwendet. Deren Schichtdicke beträgt 20 nm. Die solcherart her­ gestellte elektrolumineszierende Anordnung leuchtet bei Anlegen einer Spannung von 93 V orange-rot.

Claims (19)

1. Elektrolumineszierende Anordnung, enthaltend eine oder mehrere organische Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten durch thermische oder strah­ lungsinduzierte Vernetzung erhalten wird und daß pro Schicht mindestens eine ladungstransportierende Verbindung enthalten ist.
2. Elektrolumineszierende Anordnung, enthaltend eine oder mehrere organische Schichten, welche durch thermische oder strahlungsinduzierte Vernetzung erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten mindestens ein vernetzbares polymeres Bindemittel und/oder mindestens eine vernetzbare niedermolekulare Verbindung sowie zusätzlich mindestens eine gegebenenfalls vernetzbare Gruppen enthaltende Ladungstrans­ portverbindung enthalten.
3. Elektrolumineszierende Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vernetzbare polymere Bindemittel und/oder die vernetzbare niedermolekulare Verbindung radika­ lisch, anionisch oder kationisch vernetzbare oder zur Photo­ cycloaddition fähige Gruppen enthält.
4. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß Anspruch 1, enthaltend eine oder mehrere organische Schichten, welche durch ther­ mische oder strahlungsinduzierte Vernetzung von ladungstrans­ portierenden Verbindungen erhalten werden.
5. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 mit Schichten in Dicken zwischen 10 nm und 10 µm.
6. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Schich­ ten durch Vernetzung mit UV-Strahlung erhalten werden.
7. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete UV-Strahlung im Wellen­ längenbereich zwischen 200 und 450 nm liegt.
8. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Schich­ ten durch Vernetzung mit Elektronenstrahlen erhalten werden.
9. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Elektronenstrahlen Energien von 0.3-1 MeV haben.
10. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der oder den Schichten als ladungstransportierende Verbindungen tertiäre aromatische Amine, Oxadiazole, Thiadiazole, Benzoxazole, Benztriazole, kondensierte aromatische Systeme oder Polyenverbindungen verwendet werden.
11. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der oder den Schichten als ladungstransportierende Verbindungen tertiäre aromatische Amine, Oxadiazole, Thiadiazole, Benzoxazole, Benztriazole, Phthalocyanine, kondensierte aromatische Systeme oder Polyen­ verbindungen mit anionisch, kationisch oder radikalisch poly­ merisierbaren Gruppen verwendet werden.
12. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der oder den Schichten als ladungstransportierende Verbindungen tertiäre aromatische Amine, Oxadiazole, Thiadiazole, Benzoxazole, Benztriazole, Phthalocyanine, kondensierte aromatische Systeme oder Polyen­ verbindungen mit zur Photocycloaddition fähigen Gruppen verwendet werden.
13. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als ladungstransportierende Verbindungen solche mit radikalisch polymerisierbaren Gruppen verwendet werden.
14. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ladungstransportierenden Verbindungen als radikalisch polymerisierbare Gruppen gegebenenfalls substituierte Vinylreste tragen.
15. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die gegebenenfalls substituierten Vinyl­ reste Vinylcarbonylgruppen sind oder diese enthalten.
16. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Photocycloaddition fähigen Gruppen die gegebenenfalls substituierten Struktureinheiten wobei X O oder NR ist und R Wasserstoff oder C₁- bis C₆-Alkyl bedeutet,
enthalten.
17. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als tertiäre aromatische Amine triaryl­ substituierte Verbindungen verwendet werden.
18. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Schich­ ten durch thermische Vernetzung erhalten werden.
19. Elektrolumineszierende Anordnung gemäß Anspruch 18, dadurch charakterisiert, daß die thermische Vernetzung bei Tempera­ turen von 50 bis 250°C, bevorzugt von 60 bis 150°C, durch­ geführt wird.
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