Μια συσκευή OLED αποτελείται από οργανικά υλικά τοποθετημένα μεταξύ δυο ηλεκτροδίων. Όταν εφαρμοστεί ρεύμα στα ηλεκτρόδια, τότε εκπέμπεται φως από την οργανική στιβάδα.
Οι οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός (OLED) τυγχάνουν μεγάλου ερευνητικού ενδιαφέροντος παγκοσμίως, κυρίως για την εφαρμογή τους στις νέου τύπου οθόνες απεικόνισης.
Οι οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός (OLED) τυγχάνουν μεγάλου ερευνητικού ενδιαφέροντος παγκοσμίως, κυρίως για την εφαρμογή τους στις νέου τύπου οθόνες απεικόνισης.
Οι τρεις κύριες κατηγορίες στις οποίες χωρίζονται τα υλικά ανάλογα με την αγωγιμότητά τους είναι τα μέταλλα, οι ημιαγωγοί και οι μονωτές. Τα μέταλλα έχουν μηδενικό ενεργειακό χάσμα και τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας μπορούν να κινηθούν εύκολα από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, προσδίδοντας έτσι στο μέταλλο καλή αγωγιμότητα. Στους μονωτές το ενεργειακό χάσμα μεταξύ ζώνης σθένους και ζώνης αγωγιμότητας είναι πολύ μεγάλο, με αποτέλεσμα στα υλικά αυτά τα ηλεκτρόνια να μην μπορούν να μετακινηθούν μεταξύ των δύο ζωνών. Οι ημιαγωγοί συμπεριφέρονται ως μονωτές με μικρότερο όμως ενεργειακό χάσμα.
Τα τελευταία πενήντα χρόνια η φυσική των ημιαγωγών έπαιξε κυρίαρχο ρόλο στις βιομηχανικές και τεχνολογικές εξελίξεις με αναρίθμητες εφαρμογές, όπως είναι για παράδειγμα οι δίοδοι και τα τρανζίστορ. Τα κυρίαρχα ημιαγωγικά υλικά συναντώνται στην IV-ομάδα του περιοδικού πίνακα. Συνδυασμοί υλικών της III και V ομάδας εμφανίζουν επίσης ημιαγωγικές ιδιότητες.
Οι τύποι παραγωγής φωτός
Η παραγωγή φωτός μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους, ανάλογα με την πηγή ενέργειας η οποία χρησιμοποιείται για να διεγείρει τα μόρια των ενεργών υλικών. Η παραγωγή φωτός από έναν ημιαγωγό όταν εφαρμοστεί πάνω του ηλεκτρικό πεδίο είναι γνωστή ως ηλεκτροφωταύγεια (electroluminescence), ενώ αυτή που βασίζεται στα φωτόνια σε συνθήκες περιοχής φάσματος υπεριώδους – ορατής ακτινοβολίας (150-1000 nm, 1-8 eV) είναι γνωστή ως photoluminescence. Μια δίοδος εκπομπής φωτός (Light Emitting Diode, LED) κατασκευασμένη από ημιαγωγούς βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτροφωταύγειας (electroluminescence) και εφαρμόζεται εκτεταμένα τα τελευταία τριάντα τουλάχιστον χρόνια (οπτική επικοινωνία, οθόνες απεικόνισης, οπισθοφωτισμός σε οθόνες LCD κ.ά.).
Παρά το γεγονός ότι ο άνθρακας (C) ως οργανικό υλικό βρίσκεται στην ομάδα IV του περιοδικού πίνακα, θεωρούνταν μονωτής. Το 1977 ο Hideki Shirakawa ανακάλυψε τις αγώγιμες ικανότητες του άνθρακα, πράγμα το οποίο οδήγησε σε ένα βραβείο Νόμπελ το 2000 και άνοιξε το δρόμο για μια νέα εποχή ημιαγωγικών τεχνολογικών εφαρμογών. Οι πρώτοι που παρήγαγαν εκπομπή φωτός από την επίδραση της κίνησης των ηλεκτρονίων σε οργανικά υλικά ήταν στο Bernanose, και το πέτυχαν με εφαρμογή υψηλής τάσης AC σε λεπτά κρυσταλλικά στρώματα ( thin films ) acridine orange και quinacrine . Το 1960 ερευνητές ανέπτυξαν στο Dow Chemical κελιά από electroluminescence οδηγημένα από AC ρεύμα χρησιμοποιώντας doped ανθρακένιο. Η χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα τέτοιων υλικών περιόρισε την ούτως ή άλλως μικρή παραγωγή, έως ότου διατέθηκαν περισσότερα οργανικά υλικά, ειδικά τα polyacetylene, polypyrrole και polyaniline “Blacks”. Το 1963 μέσα από διάφορα peppers αναφέρθηκε η υψηλή αγωγιμότητα του εγχυμένου ιωδίου μέσα σε οξειδωμένο polypyrolle. Τότε ο Weiss πέτυχε μία αγωγιμότητα της τάξης 1s/cm, αλλά δυστυχώς δεν δόθηκε μεγάλη σημασία τότε σε αυτή την ανακάλυψη.
Συσκευή OLED
Η πρώτη οθόνη OLED για εμπορική χρήση παρουσιάστηκε από την Pioneer Electronics το 1997 για χρήση σε στερεοφωνικά αυτοκινήτων. Μια συσκευή OLED αποτελείται από οργανικά υλικά τοποθετημένα μεταξύ δυο ηλεκτροδίων. Όταν εφαρμοστεί ρεύμα στα ηλεκτρόδια, τότε εκπέμπεται φως από την οργανική στιβάδα. Η ηλεκτροφωταύγεια παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1963 από τον Μ. Pope και το πρώτο OLED φτιάχτηκε από τον C. W. Tang το 1987 στην εταιρεία Eastman Kodak.
Η δομή των OLED
Η βασική δομή ενός OLED αποτελείται από τα ακόλουθα βασικά τμήματα:
Επίπεδο αγωγής (Conducting layer): Κατασκευάζεται από οργανικά μόρια που άγουν τις οπές που εισάγει η άνοδος, ενώ ένα από τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι η polyaniline. Το πάχος του κυμαίνεται ανάμεσα στα 5-100nm. .
Επίπεδο εκπομπής (Emmisive layer): Αποτελείται επίσης από οργανικά μόρια που άγουν ηλεκτρόνια από την κάθοδο. Πρόκειται για το επίπεδο στο οποίο λαμβάνει χώρα το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και εκπέμπεται φωτεινή δέσμη της οποίας το μήκος κύματος καθορίζεται από την ηλεκτρονική δομή του υλικού. Το πάχος κυμαίνεται ανάμεσα στα 10-100nm. Τυπικό υλικό που χρησιμοποιείται είναι η polyfluorene.
Κάθοδος: Aνάλογα με τον τύπο της OLED, μπορεί να είναι διαφανής ή όχι. Όταν είναι διαφανής κατασκευάζεται από ITO, ενώ όταν είναι αδιαφανής συνήθως από Al. Όσον αφορά τη λειτουργία της, εγχέει ηλεκτρόνια στο επίπεδο εκπομπής. Το πάχος της κυμαίνεται γύρω στα 100 nm.
Το φως είναι μια μορφή ενέργειας. Επομένως, για να εκπέμπεται φως από ένα μόριο, πρέπει αυτό να απορροφήσει ενέργεια από κάποια πηγή. Όταν ένα ηλεκτρόνιο σε κάποιο μόριο απορροφήσει αρκετή ενέργεια, τότε μεταβαίνει σε μια διεγερμένη κατάσταση και εν συνεχεία αποδιεγείρεται ξανά με διάφορους μηχανισμούς, ένας από τους οποίους είναι και η εκπομπή φωτός. Όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των ηλεκτροδίων που περιέχουν την οργανική στιβάδα, τα φορτία που εισάγονται προκαλούν γεωμετρικές ατέλειες που έχουν ως αποτέλεσμα την καταστροφή της συμμετρίας του οργανικού μορίου και την εμφάνιση χαμηλότερου ενεργειακού χάσματος Εg μεταξύ των ταινιών σθένους και αγωγιμότητας. Οι φορείς των φορτίων μετακινούνται κατά μήκος του οργανικού μορίου και η έλξη μεταξύ των φορέων οδηγεί στη δημιουργία εξιτονίου, με πιθανότητα εκπομπής φωτός. Το εξιτόνιο βρίσκεται είτε στην απλή είτε στην τριπλή διεγερμένη κατάσταση σύμφωνα με την αρχή του Pauli, και θα δημιουργήσει δύο νέες ενεργειακές στάθμες εντός του ενεργειακού χάσματος. Κατά την αποδιέγερση του εξιτονίου (relaxation) θα εκλυθούν θερμότητα και φωτόνια με ενέργεια ίση με την ενεργειακή διαφορά των ενεργειακών σταθμών που αντιστοιχούν στο εξιτόνιο.
Αρχή λειτουργίας
Η βασική αρχή λειτουργίας ενός OLED είναι ότι με την εφαρμογή μιας τάσης πόλωσης (bias voltage) παράγονται οπές στο υψηλότερο κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (HOMO) από την άνοδο για να δημιουργήσουν κατιονικές ρίζες, ενώ ηλεκτρόνια παράγονται στο χαμηλότερο κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (LUMO) από την κάθοδο για να δημιουργήσουν ανιονικές ρίζες. Τα ανιόντα και τα κατιόντα κινούνται με την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου. Όταν μερικές από τις ανιονικές και κατιονικές ρίζες συναντηθούν κάπου μέσα στη στιβάδα ηλεκτροφωταύγειας, θα δημιουργηθούν απλές και τριπλές διεγερμένες καταστάσεις. Μια ηλεκτρονική στάθμη ενέργειας ενός μορίου χαρακτηρίζεται ως απλή (singlet) και συμβολίζεται με το S όταν το συνολικό σπιν είναι μηδέν (αντιπαράλληλα σπιν σε όλα τα ζεύγη ηλεκτρονίων), ενώ όταν αυτό είναι διαφορετικό από το μηδέν η κατάσταση χαρακτηρίζεται ως τριπλή (triplet) και συμβολίζεται με το Τ. Μια κατάσταση Τ είναι φτωχότερη σε ενέργεια από την αντίστοιχη κατάσταση S. Τα υποστρώματα πάνω στα οποία αναπτύσσεται ένα OLED μπορεί να είναι άκαμπτα (γυαλί) ή εύκαμπτα (πολυμερές).
Σε σύγκριση με τα πολυμερικά υποστρώματα, το γυαλί έχει το πλεονέκτημα ότι προστατεύει καλύτερα τη διάταξη από τον αέρα και την υγρασία. Η έκθεση της διάταξης στον αέρα και την υγρασία χωρίς προστατευτικό υμένιο έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της διάρκειας ζωής και της απόδοσης. Για να αυξηθεί η παραγωγή οπών από την άνοδο εισάγεται η στιβάδα παραγωγής οπών (Hole Injection Layer, HIL), η οποία αυξάνει την παροχή οπών στη στιβάδα μεταφοράς οπών (Hole Transport Layer, HTL). Αντίστοιχο ρόλο έχουν η στιβάδα παραγωγής ηλεκτρονίων (Electron Injection Layer, EIL) και η στιβάδα μεταφοράς ηλεκτρονίων (Electron Transport Layer, ETL). Τα εξιτόνια αναμένεται να σχηματιστούν στην στιβάδα εκπομπής (Emittig Layer) και να παράγουν φως.
Της κ. Θωμαής Μπαλτζάκη και του κ. Δημήτρη Παπαθανασίου, ηλεκτρολόγων μηχανικών ΤΕ
πηγή: electrologos.gr
Τα τελευταία πενήντα χρόνια η φυσική των ημιαγωγών έπαιξε κυρίαρχο ρόλο στις βιομηχανικές και τεχνολογικές εξελίξεις με αναρίθμητες εφαρμογές, όπως είναι για παράδειγμα οι δίοδοι και τα τρανζίστορ. Τα κυρίαρχα ημιαγωγικά υλικά συναντώνται στην IV-ομάδα του περιοδικού πίνακα. Συνδυασμοί υλικών της III και V ομάδας εμφανίζουν επίσης ημιαγωγικές ιδιότητες.
Οι τύποι παραγωγής φωτός
Η παραγωγή φωτός μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους, ανάλογα με την πηγή ενέργειας η οποία χρησιμοποιείται για να διεγείρει τα μόρια των ενεργών υλικών. Η παραγωγή φωτός από έναν ημιαγωγό όταν εφαρμοστεί πάνω του ηλεκτρικό πεδίο είναι γνωστή ως ηλεκτροφωταύγεια (electroluminescence), ενώ αυτή που βασίζεται στα φωτόνια σε συνθήκες περιοχής φάσματος υπεριώδους – ορατής ακτινοβολίας (150-1000 nm, 1-8 eV) είναι γνωστή ως photoluminescence. Μια δίοδος εκπομπής φωτός (Light Emitting Diode, LED) κατασκευασμένη από ημιαγωγούς βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτροφωταύγειας (electroluminescence) και εφαρμόζεται εκτεταμένα τα τελευταία τριάντα τουλάχιστον χρόνια (οπτική επικοινωνία, οθόνες απεικόνισης, οπισθοφωτισμός σε οθόνες LCD κ.ά.).
Παρά το γεγονός ότι ο άνθρακας (C) ως οργανικό υλικό βρίσκεται στην ομάδα IV του περιοδικού πίνακα, θεωρούνταν μονωτής. Το 1977 ο Hideki Shirakawa ανακάλυψε τις αγώγιμες ικανότητες του άνθρακα, πράγμα το οποίο οδήγησε σε ένα βραβείο Νόμπελ το 2000 και άνοιξε το δρόμο για μια νέα εποχή ημιαγωγικών τεχνολογικών εφαρμογών. Οι πρώτοι που παρήγαγαν εκπομπή φωτός από την επίδραση της κίνησης των ηλεκτρονίων σε οργανικά υλικά ήταν στο Bernanose, και το πέτυχαν με εφαρμογή υψηλής τάσης AC σε λεπτά κρυσταλλικά στρώματα ( thin films ) acridine orange και quinacrine . Το 1960 ερευνητές ανέπτυξαν στο Dow Chemical κελιά από electroluminescence οδηγημένα από AC ρεύμα χρησιμοποιώντας doped ανθρακένιο. Η χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα τέτοιων υλικών περιόρισε την ούτως ή άλλως μικρή παραγωγή, έως ότου διατέθηκαν περισσότερα οργανικά υλικά, ειδικά τα polyacetylene, polypyrrole και polyaniline “Blacks”. Το 1963 μέσα από διάφορα peppers αναφέρθηκε η υψηλή αγωγιμότητα του εγχυμένου ιωδίου μέσα σε οξειδωμένο polypyrolle. Τότε ο Weiss πέτυχε μία αγωγιμότητα της τάξης 1s/cm, αλλά δυστυχώς δεν δόθηκε μεγάλη σημασία τότε σε αυτή την ανακάλυψη.
Συσκευή OLED
Η πρώτη οθόνη OLED για εμπορική χρήση παρουσιάστηκε από την Pioneer Electronics το 1997 για χρήση σε στερεοφωνικά αυτοκινήτων. Μια συσκευή OLED αποτελείται από οργανικά υλικά τοποθετημένα μεταξύ δυο ηλεκτροδίων. Όταν εφαρμοστεί ρεύμα στα ηλεκτρόδια, τότε εκπέμπεται φως από την οργανική στιβάδα. Η ηλεκτροφωταύγεια παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1963 από τον Μ. Pope και το πρώτο OLED φτιάχτηκε από τον C. W. Tang το 1987 στην εταιρεία Eastman Kodak.
Η δομή των OLED
Η βασική δομή ενός OLED αποτελείται από τα ακόλουθα βασικά τμήματα:
- Υπόστρωμα: Βασική του λειτουργία είναι η παροχή μηχανικής υποστήριξης.
- Διαφανής άνοδος: Αφαιρεί ηλεκτρόνια από το πεδίο αγωγής ή ισοδύναμα του εγχέει οπές όταν στα άκρα εφαρμοστεί κατάλληλη τάση. Είναι κατασκευασμένη από διαφανές αγώγιμο οξείδιο (Transparent Conductive Oxide-TCO) και το πάχος της κυμαίνεται γύρω στα 1.000 nm. . Η διαφάνεια απαιτείται για την αποτροπή της απορρόφησης κλάσματος της εκπεμπόμενης από τη δομή ακτινοβολίας.
Επίπεδο αγωγής (Conducting layer): Κατασκευάζεται από οργανικά μόρια που άγουν τις οπές που εισάγει η άνοδος, ενώ ένα από τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι η polyaniline. Το πάχος του κυμαίνεται ανάμεσα στα 5-100nm. .
Επίπεδο εκπομπής (Emmisive layer): Αποτελείται επίσης από οργανικά μόρια που άγουν ηλεκτρόνια από την κάθοδο. Πρόκειται για το επίπεδο στο οποίο λαμβάνει χώρα το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και εκπέμπεται φωτεινή δέσμη της οποίας το μήκος κύματος καθορίζεται από την ηλεκτρονική δομή του υλικού. Το πάχος κυμαίνεται ανάμεσα στα 10-100nm. Τυπικό υλικό που χρησιμοποιείται είναι η polyfluorene.
Κάθοδος: Aνάλογα με τον τύπο της OLED, μπορεί να είναι διαφανής ή όχι. Όταν είναι διαφανής κατασκευάζεται από ITO, ενώ όταν είναι αδιαφανής συνήθως από Al. Όσον αφορά τη λειτουργία της, εγχέει ηλεκτρόνια στο επίπεδο εκπομπής. Το πάχος της κυμαίνεται γύρω στα 100 nm.
Το φως είναι μια μορφή ενέργειας. Επομένως, για να εκπέμπεται φως από ένα μόριο, πρέπει αυτό να απορροφήσει ενέργεια από κάποια πηγή. Όταν ένα ηλεκτρόνιο σε κάποιο μόριο απορροφήσει αρκετή ενέργεια, τότε μεταβαίνει σε μια διεγερμένη κατάσταση και εν συνεχεία αποδιεγείρεται ξανά με διάφορους μηχανισμούς, ένας από τους οποίους είναι και η εκπομπή φωτός. Όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των ηλεκτροδίων που περιέχουν την οργανική στιβάδα, τα φορτία που εισάγονται προκαλούν γεωμετρικές ατέλειες που έχουν ως αποτέλεσμα την καταστροφή της συμμετρίας του οργανικού μορίου και την εμφάνιση χαμηλότερου ενεργειακού χάσματος Εg μεταξύ των ταινιών σθένους και αγωγιμότητας. Οι φορείς των φορτίων μετακινούνται κατά μήκος του οργανικού μορίου και η έλξη μεταξύ των φορέων οδηγεί στη δημιουργία εξιτονίου, με πιθανότητα εκπομπής φωτός. Το εξιτόνιο βρίσκεται είτε στην απλή είτε στην τριπλή διεγερμένη κατάσταση σύμφωνα με την αρχή του Pauli, και θα δημιουργήσει δύο νέες ενεργειακές στάθμες εντός του ενεργειακού χάσματος. Κατά την αποδιέγερση του εξιτονίου (relaxation) θα εκλυθούν θερμότητα και φωτόνια με ενέργεια ίση με την ενεργειακή διαφορά των ενεργειακών σταθμών που αντιστοιχούν στο εξιτόνιο.
Αρχή λειτουργίας
Η βασική αρχή λειτουργίας ενός OLED είναι ότι με την εφαρμογή μιας τάσης πόλωσης (bias voltage) παράγονται οπές στο υψηλότερο κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (HOMO) από την άνοδο για να δημιουργήσουν κατιονικές ρίζες, ενώ ηλεκτρόνια παράγονται στο χαμηλότερο κατειλημμένο μοριακό τροχιακό (LUMO) από την κάθοδο για να δημιουργήσουν ανιονικές ρίζες. Τα ανιόντα και τα κατιόντα κινούνται με την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου. Όταν μερικές από τις ανιονικές και κατιονικές ρίζες συναντηθούν κάπου μέσα στη στιβάδα ηλεκτροφωταύγειας, θα δημιουργηθούν απλές και τριπλές διεγερμένες καταστάσεις. Μια ηλεκτρονική στάθμη ενέργειας ενός μορίου χαρακτηρίζεται ως απλή (singlet) και συμβολίζεται με το S όταν το συνολικό σπιν είναι μηδέν (αντιπαράλληλα σπιν σε όλα τα ζεύγη ηλεκτρονίων), ενώ όταν αυτό είναι διαφορετικό από το μηδέν η κατάσταση χαρακτηρίζεται ως τριπλή (triplet) και συμβολίζεται με το Τ. Μια κατάσταση Τ είναι φτωχότερη σε ενέργεια από την αντίστοιχη κατάσταση S. Τα υποστρώματα πάνω στα οποία αναπτύσσεται ένα OLED μπορεί να είναι άκαμπτα (γυαλί) ή εύκαμπτα (πολυμερές).
Σε σύγκριση με τα πολυμερικά υποστρώματα, το γυαλί έχει το πλεονέκτημα ότι προστατεύει καλύτερα τη διάταξη από τον αέρα και την υγρασία. Η έκθεση της διάταξης στον αέρα και την υγρασία χωρίς προστατευτικό υμένιο έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της διάρκειας ζωής και της απόδοσης. Για να αυξηθεί η παραγωγή οπών από την άνοδο εισάγεται η στιβάδα παραγωγής οπών (Hole Injection Layer, HIL), η οποία αυξάνει την παροχή οπών στη στιβάδα μεταφοράς οπών (Hole Transport Layer, HTL). Αντίστοιχο ρόλο έχουν η στιβάδα παραγωγής ηλεκτρονίων (Electron Injection Layer, EIL) και η στιβάδα μεταφοράς ηλεκτρονίων (Electron Transport Layer, ETL). Τα εξιτόνια αναμένεται να σχηματιστούν στην στιβάδα εκπομπής (Emittig Layer) και να παράγουν φως.
Της κ. Θωμαής Μπαλτζάκη και του κ. Δημήτρη Παπαθανασίου, ηλεκτρολόγων μηχανικών ΤΕ
πηγή: electrologos.gr