Diode phát sáng hữu cơ OLED

 OLED (Organic Light Emiting Diode): được hiểu là điốt phát quang hữu cơ, là thiết bị sử dụng vật liệu hữu cơ và phát ra ánh sáng nhờ hiện tượng quang hữu cơ (Organic Electroluminescence ) một lĩnh vực khoa học thú vị bởi sự giao thoa giữa các ngành hóa lý, hóa tổng hợp, vật liệu bán dẫn và quang học  OLED là thiết bị thể rắn, cấu tạo từ nhiều lớp màng hữu cơ giữa 2 điện cực. Có dòng điện chạy qua thì các lớp này sẽ phát sáng(tự phát sáng).

Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT - - BÁO CÁO MÔN HỌC: Kỹ thuật hiển thị hình ảnh Đề tài: Tìm hiểu OLED Hà Nội, 1/2019 Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | Mục Lục I, Sơ lược lịch sử đời phát triển 1.1 Những phát đầu tiên: .2 1.2 OLED thực tế .3 II, Tổng quan 2.1 Nguồn gốc 2.2 Định nghĩa 2.2.1 Định nghĩa OLED 2.2.2 Lý chính phát triển ứng dụng công nghệ OLED 2.3 Cấu tạo .5 2.2 Nguyên lý hoạt động III, Các loại OLED .9 3.1 OLED ma trận thụ động (passive-matrix OLED _PMOLED) .9 3.2 OLED ma trận tích cực (active-matrix OLED _AMOLED) 10 3.3 So sánh OLED ma trận thụ động (PMOLED) OLED ma trận tích cực (AMOLED) 11 3.4 OLED suốt .11 3.5 OLED phát sáng đỉnh .12 3.6 OLED gấp 13 3.7 OLED trắng .13 IV Vật liệu làm OLED .14 4.1 Dựa theo khối lượng phân tử: 14 Dựa theo cấu tạo nguyên lý hoạt động: .15 a) OLED huỳnh quang 15 b) OLED lân quang 16 c) So sánh OLED huỳnh quang OLED lân quang: 17 Tài liệu tham khảo: 18 Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | I, Sơ lược lịch sử đời phát triển 1.1 Những phát đầu tiên:  André Bernanose (Pháp) thực quan sát phát quang điện vật liệu hữu vào đầu năm 1950  Năm 1960 Martin số đồng nghiệp Đại học New York phát triển ohmic điện cực đế tinh thể hữu Họ mô tả thêm yêu cầu lượng cần thiết cho tiếp điểm điện cực lỗ điện tử  Roger Partridge thực quan sát phát quang điện từ màng polymer Phịng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Vương quốc Anh Thiết bị bao gồm phim poly ( N-vinylcarbazole ) có độ dày lên tới 2,2 micromet nằm hai điện cực tiêm điện tích Kết dự án cấp sáng chế vào năm 1975 xuất năm 1983 1.2 OLED thực tế  Nhà hóa học vật lý người Mỹ Ching W Tang Steven Van Slyke Eastman Kodak chế tạo thiết bị OLED thực tế vào năm 1987 Thiết bị sử dụng cấu trúc hai lớp với lớp vận chuyển lỗ vận chuyển điện tử riêng biệt tái tổ hợp phát xạ ánh sáng lớp hữu  Nghiên cứu lên đến đỉnh điểm vào năm 1990 với JH Burroughes Phịng thí nghiệm Cavendish, Đại học Cambridge,Vương quốc Anh, báo cáo dựa polymer phát sáng màu xanh hiệu cao sử dụng màng dày 100 nm poly (p-phenylene vinylene) Tiếp đó, phát triển polyme đa lớp, lĩnh vực điện tử nhựa mới, nghiên cứu sản xuất thiết bị OLED phát triển nhanh chóng II, Tổng quan 2.1 Nguồn gốc  Trong giới tự nhiên có nhiều lồi sinh vật có khả tự phát sáng Điển sứa biển, đom đóm, cá cần câu, hay lồi nấm Panellus stipticus, Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page |  Xuất phát từ việc quan sát ngiên cứu sinh vật này, nhà khoa học thấy không chất vô mà chất hữu có khả phát sáng nhờ quy luật di chuyển điện tử Đây sở cho đời phát triển OLED 2.2 Định nghĩa 2.2.1 Định nghĩa OLED  OLED (Organic Light Emiting Diode): hiểu điốt phát quang hữu cơ, thiết bị sử dụng vật liệu hữu phát ánh sáng nhờ tượng quang hữu (Organic Electroluminescence )- lĩnh vực khoa học thú vị giao thoa ngành hóa lý, hóa tổng hợp, vật liệu bán dẫn quang học  OLED thiết bị thể rắn, cấu tạo từ nhiều lớp màng hữu điện cực Có dịng điện chạy qua lớp sẽ phát sáng(tự phát sáng) 2.2.2 Lý chính phát triển ứng dụng công nghệ OLED Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | - OLED cơng nghệ tiên tiến Các tính ưu việt mang lại khả ứng dụng cao lĩnh vực - Xét khía cạnh vật liệu:  Các lớp hữu nhựa OLED mỏng hơn, nhẹ mềm dẻo lớp tinh thể LED hay LCD - Xét khía cạnh lượng: OLED vượt trội LED & LCD  OLED không cần chiếu sáng LCD LCD hoạt động cách chặn vùng ánh sáng đèn để tạo thành hình ảnh, OLED tự phát sáng Bởi OLED khơng cần chiếu sáng nên chúng tiêu thụ ít điện nhiều so với LCD (hầu hết điện cho LCD dùng cho chiếu sáng nền) Ưu điểm đặc biệt quan trọng thiết bị sử dụng pin điện thoại di động, PDA hay máy tính xách tay - Xét khía cạnh hiển thị: OLED cho hình ảnh sáng & rõ nét LCD & LED   OLED có góc nhìn rộng hơn, vào khoảng 170° Do LCD hoạt động cách chặn ánh sáng nên chúng có tầm nhìn hạn chế góc nhìn định Các OLED tự phát ánh sáng nên chúng có góc nhìn rộng nhiều Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page |  OLED sáng LED Bởi lớp hữu OLED mỏng nhiều lớp tinh thể vô tương ứng LED nên lớp phát quang lớp dẫn OLED chế tạo thành nhiều lớp Thêm nữa, LED LCD cần dùng thủy tinh để hỗ trợ thủy tinh lại hấp thụ phần ánh sáng OLED lại không cần dùng thủy tinh - Xét mặt chế tạo: OLED dễ dàng tạo thành kích thước lớn nhiều so với LCD & LED nhẹ mỏng  OLED chế tạo dễ dàng làm thành có kích thước lớn Bởi OLED chủ yếu nhựa dẻo, chúng làm thành rộng mỏng Với LED hay LCD điều khó khăn 2.3 Cấu tạo Một cấu trúc OLED đơn giản bao gồm:  OLED có góc nhìn rộng hơn, vào khoảng 170° Do LCD hoạt động cách chặn ánh sáng nên chúng có tầm nhìn hạn chế góc nhìn định Các OLED tự phát ánh sáng nên chúng có góc nhìn rộng nhiều Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | • Tấm hay gọi đế (substrate): thường làm thủy tinh nhựa trong) dùng để tạo khung chống đỡ cho OLED • Hai điện cực: Anode (tạo lỗ trống) Cathode (tạo electron) - Anode: Vật liệu thường sử dụng để chế tạo anode ITO cho ánh sáng nhìn thấy truyền qua có cơng thoát cao, tăng tiêm nhập lỗ trống vào HOMO vật liệu hữu - Cathode: Ba/Ca có công phát xạ thấp, giúp tăng cường tiêm nhập điện tử vào LUMO lớp vật liệu hữu Các kim loại có khả phản ứng hóa học mạnh, người ta thường bọc lớp nhơm bên ngồi để chúng khơng bị ăn mịn hóa học o Lớp dẫn: Conductive/Transport layer: Hợp chất hữu vận chuyển lỗ trống electron có độ linh động đủ để đưa hạt tải đến vùng tái hợp o Lớp lớp sáng (Emissive Layer): vùng phát quang • Các lớp hữu polyme (Có thể có nhiều lớp để tăng hiệu suất)  Với cấu trúc đơn lớp vật liệu phải đảm bảo khả phát quang, truyền tải hạt tải, phù hợp mặt lượng điện cực, độ ổn định bám dính tốt vật liệu hữu lỗ trống có độ linh động cao điện tử nên lỗ trống hết chiều dài lớp phát quang mà không tái hợp với điện tử tái hợp phát quang bị dập tắt điện cực 2.2 Nguyên lý hoạt động Đom đóm Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | ◦ Hole/Electron Injection layer: tăng cường trình phun ◦ Hole/Electron Transport layer: tăng trình dẫn - Xét chất, nguyên lý hoạt động thiết bị phát quang hữu (OLED) giống nguyên lý hoạt động đi-ốt phát quang bán dẫn (LED) ngoại trừ vật liệu hữu vật liệu bán dẫn Khi điện truyền vào thiết bị này, lỗ trống electron truyền từ cực âm cực dương tương ứng sau kết hợp lại để phát ánh sáng - Trạng thái lượng vật liệu hữu mơ tả quỹ đạo phân tử - kết hợp tất quỹ đạo nguyên tử Các electron đưa vào quỹ đạo phân tử từ trạng thái lượng thấp quỹ đạo phân tử lấp đầy cao (HOMO) xác định Ngay hệ thống kích thích, electron đẩy lên quỹ đạo phân tử cao Trạng thái kích thích gọi quỹ đạo phân tử chưa lấp đầy thấp (LUMO) - HOMO LUMO vật liệu hữu giống hóa trị dải dẫn vật liệu bán dẫn vài khía cạnh Sau chất mang điện tích kích thích, quang học điện, lên mức lượng cao hơn, sẽ giải phóng lượng có xạ khơng có xạ Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | Cấu trúc vùng lượng OLED  Nguyên lý hoạt động chi tiết OLED: - Một điện áp lên toàn thiết bị OLED khiến cho anode tích điện dương so với cathode - Điện tử ‘‘điền’’ vào obitan trống có mức lượng thấp (LUMO) nằm phân tử lớp hữu nằm cathode, bị "rút" khỏi obitan đầy có mức lượng cao (HOMO) nằm anốt => Sự tiêm lỗ trống vào HOMO - Lực tĩnh điện làm "di chuyển" vị trí lỗ trống điện tử lại gần chúng kết hợp thành exiton(hay nói cách khác điện tử rơi vào mức lượng nguyên tử lỗ trống bị electron) - Khi trạng thái exiton bị phân rã, lượng phát xạ - Dòng điện tử chạy xuyên qua từ cathode đến anode Năng lượng bị phân rã có tần số bước sóng nằm vùng nhìn thấy Các trạng thái e, lỗ trống exciton tế bào OLED thể hình dưới: Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 10  Mặc dù nguyên tắc hoạt động LED OLED tương tự thời gian sống OLED ngắn nhiều so với LED (khoảng 1/10) Có ba ngun nhân chính: OLED cấu tạo từ lớp cấu trúc mỏng hơn; Vật liệu hữu nhạy độ ẩm oxi nhiều; Vật liệu hữu khơng vững chắc bán dẫn độ dao động lượng lớn III, Các loại OLED Hiện có nhiều loại OLED sản xuất.Dựa vào yêu cầu sử dụng, nhà khoa học tạo loại OLED với cách thức làm việc khác Có số loại OLED sau: 3.1 OLED ma trận thụ động (passive-matrix OLED _PMOLED) - PMOLED có dải cathode, dải lớp hữu dải anode Các dải anode xếp vng góc với dải cathode Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 11 - Phần giao cathode anode tạo thành pixel (điểm ảnh) ánh sáng phát Mạch điện bên ngồi cung cấp dịng điện cho dải anode cathode chọn để làm cho pixel định sẽ phát sáng pixel khác khơng Một lần nữa, độ sáng pixel sẽ tỷ lệ với độ lớn dòng điện - Các PMOLED dễ chế tạo chúng lại tiêu thụ nhiều điện loại OLED khác, chủ yếu nguồn điện cần cho mạch điện Các PMOLED có hiệu cho việc hiển thị văn hay biểu tượng phù hợp cho hình nhỏ (2 đến inch) chẳng hạn hình điện thoại di động, PDA hay máy nghe nhạc MP3 3.2 OLED ma trận tích cực (active-matrix OLED _AMOLED) - AMOLED có đầy đủ lớp cathode, lớp phân tử hữu lớp anode Tuy nhiên lớp anode sẽ phủ lên mạng lưới transitor film mỏng (thin film transitor hay TFT) tạo thành ma trận pixel Những TFT đế silicon nối ma trận nhạy với ánh sáng nhìn thấy (nên che chắn ma trạn màu đen) - Bản thân TFT mạch điện để xác định pixel sẽ bật để tạo hình ảnh Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 12 - AMOLED tiêu thụ điện PMOLED lớp TFT cần điện mạch điện ngồi, chúng phù hợp cho hình lớn AMOLED có tốc độ làm tươi nhanh nên phù hợp cho video - Ứng dụng: AMOLED dùng tốt cho hình máy tính, TV hình lớn bảng tín hiệu hay thơng báo điện tử 3.3 So sánh OLED ma trận thụ động (PMOLED) OLED ma trận tích cực (AMOLED)  Về mặt đầu tư, PMOLED chế tạo đơn giản cần chi phí so với AMOLED, nhiên, lại ưu điểm ỏi cơng nghệ  PMOLED công nghệ hiệu AMOLED Nó tiêu thụ nhiều điện với nhu cầu phát sáng, bị giới hạn kích thước độ phân giải, điều khiển vừa chậm vừa xác  Do vậy, PMOLED tồn hình thơng tin đơn giản, kích thước nhỏ, AMOLED ứng dụng phổ biến nhiều đặc tính ưu việt  Sản phẩm sử dụng AMOLED áp đảo, hình TRIMASTER OLED Sony, TV OLED LG Electronics, Sony, Panasonic,…, hình máy Samsung,… loại AMOLED Vậy nên đôi khi, người ta dùng AMOLED để hình OLED biến thể xét theo cấu trúc ma trận, đơn giản 99% hình OLED AMOLED 3.4 OLED suốt Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 13 - Thông thường, hình OLED có anode suốt cathode phản xạ, với chức làm việc cao thấp khác - Để cải thiện linh hoạt việc vận chuyển hạt tải hiệu suất lượng tử bên nên OLED suốt chế tạo - Khi OLED suốt bật lên, sẽ cho phép ánh sáng phát theo hai hướng - Một OLED suốt kiểu ma trận thụ động ma trận chủ động - Bằng kỹ thuật đặc tính suốt, bán suốt phản xạ điện cực, số hình thú vị chế tạo Dựa hình OLED suốt, hình hiển thị thông tin từ hai bên - Ở đây, hình hai mặt thay hai hình, làm giảm độ dày điện thoại di động Công nghệ OLED dùng làm hiển thị kính tơ hay máy bay (head-up display) 3.5 OLED phát sáng đỉnh - Thông thường OLED phát xạ đỉnh có anode phản xạ cao cathode suốt hay bán suốt Từ đó, ánh sáng phát ngồi từ phía cathode Những TFT ẩn sau anode phản xạ tỉ số góc mở tăng lên - Các OLED phù hợp với kiểu thiết kế ma trận động - Vì tỉ số góc mở AM-OLED thường thấp, nên kết hình phát xạ thấp Điều xấu sử dụng nhiều hai transitor Phát xạ đỉnh công nghệ hứa hẹn có góc mở cao - Ứng dụng: Các nhà chế tạo sử dụng OLED phát sáng đỉnh thẻ thông minh Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 14 3.6 OLED gấp - Bản chất OLED gấp có tầm làm từ kim loại từ nhựa gấp lại Bản thân việc tạo hình ảnh phần tử hữu nằm tầm tự phát ra, việc uốn cong tầm không ảnh hưởng đến việc tạo hình ảnh - Loại OLED nhẹ, có tuổi thọ cao, kết hợp với khả gấp thuận lợi với ứng dụng điện thoại di động, thiết bị số cầm tay ứng dụng táo bạo tương lai 3.7 OLED trắng  OLED trắng loại OLED đặc biệt, có khả phát ánh sáng trắng Bức xạ ánh sáng trắng từ OLED nhận với hỗn hợp hai màu phụ ba màu Cách thức chế tạo đem lại lợi cấu trúc đơn  Với khả này, OLED trắng ứng dụng vào việc chiếu sáng  Với phổ ánh sáng có chất lượng bóng đèn sợi đốt mà lại tiêu thụ lượng hơn, Tuy nhiên, hiệu việc đổi màu với điện dẫn khác hiệu suất thấp so sánh tới OLED đơn sắc Hiệu tượng đổi màu từ tái hợp phụ thuộc vào độ linh động hạt tải Gần đây, độ ổn định màu đạt cách làm bay hỗn hợp bao gồm chất blue pha tạp đổ EML  Từ đặc điểm trên, OLED trắng dần đưa vào nhằm thay đèn huỳnh quang việc chiếu sáng IV Vật liệu làm OLED - OLED có nhiều lớp, thành phần cấu trúc OLED lớp hữu 4.1 Dựa theo khối lượng phân tử: Nếu phân loại theo khối lượng phân tử OLED chia thành hai loại: a) OLED phân tử nhỏ có khối lượng phân tử nhỏ 1000 (g.mol-1) thường chế tạo phương pháp nhiệt bốc bay áp suất cao (Ultra High Vaccum CVD) b) Polymer OLED có khối lượng phân tử lớn 10.000 (g.mol-1) hay cò gọi PLED (Polymeric Light-Emitting Device) - Năm 1990, Burroughes cộng chế tạo PLED phương pháp quay phủ (Spin-Coating).Với thành phần màng mỏng PPV (poly(pphenylene vinylene) phát ánh sáng vàng xanh Cấu tạo PLED gồm Al/Al2O3/PPV/Al Phổ phát xạ hiệu suất polymer dẫn điều chỉnh cách sử dụng vật liệu phù hợp - Hình diễn tả vài cấu trúc phân tử vật liệu thường sử dụng làm lớp phát xạ OLED: Ghi chú: (Emission Layer) PLED PPP (Polyphenylenes), PF (Polyflourene) PPV ( poly (p- phenylene vinylene)) - Năm 1991, Braun Heeger có báo cáo PLED phát ánh sáng đỏ với lớp phát xạ chế tạo vật liệu MEH-PPV (poly[2-methoxyl-5-(2-ethylhexyloxy)1,4-phenylenevinylene] Cùng năm tác giả Ohmori cộng báo cáo PLED phát ánh sáng xanh dương với vật liệu chế tạo lớp phát xạ poly(9,9diakylflourene) có đỉnh phổ phát xạ có bước sóng 470nm - Dựa vào đặc tính chuỗi dài phân tử polymer mà nhà hóa học có nhiều linh động việc chế tạo phân tử có khả tăng đặc tính truyền hạt mang điện tăng hiệu ứng tái hợp Bên cạnh đó, họ điều chỉnh cho phát ánh sáng có bước sóng mong muốn nằm vùng ánh sáng nhìn thấy - Ưu điểm Polymer OLED :  Hiệu điện sử dụng cho PLED thấp loại OLED phân tử nhỏ PLED có độ dẫn tốt độ đồng màng mỏng polymer PLED cải tiến nhờ việc sử dụng phân tử phù hợp, điều làm giảm thiểu trình tái kết tinh thường hay thấy màng mỏng vơ định hình Small OLED - Để giảm điện hoạt động tăng hiệu ứng tái tổ hợp phát xạ, PLED chế tạo với nhiều lớp cấu trúc (tăng đặc tính quang điện thiết bị) Tuy nhiên, không dễ để chế tạo PLED nhiều hai lớp (mặc dù có tính khả thi) Dựa theo cấu tạo nguyên lý hoạt động: a) OLED huỳnh quang - OLED huỳnh quang có nhiều màu sắc Đỏ, Lam, Lục, Vàng, Da cam tạo từ chất màu gây nên xạ huỳnh quang Dươi số màu tiêu biểu thường sử dụng: - Ghi chú: Host : chất nền; Dopant : tạp chất b) OLED lân quang - Bức xạ lân quang thấp hiệu suất so với xạ huỳnh quang suy giảm trạng thái vật liệu thơng thường nói chung khơng phép bảo tồn spin đối xứng lượng kích thích khơng có giá trị - Tuy nhiên cách đưa nguyên tử kim loại nặng vào phân tử suy giảm xạ pha tạp xảy - Có chế xạ lân quang qua lượng chuyển tiếp bẫy hạt tải Việc bẫy hạt tải quan trọng để phát xạ OLED lân quang Vì lượng vùng cấm pha tạp thường nhỏ chất Pha tạp donor bẫy hạt tải hướng theo hướng tạo thành exciton pha tạp - OLED lân quang chủ yếu có màu Đỏ, Lam, Lục c) So sánh OLED huỳnh quang OLED lân quang: Vật liệu phát ánh sáng xanh dương Hiệu (Cd/A) Tuổi thọ (giờ) Huỳnh quang Lân quang 9,9 20 11000 20000 Tài liệu tham khảo: 1) PGS TS Nguyễn Ngọc Trung, OLED- Cơng nghệ hình tương lai, Đại học Bách Khoa Hà Nội 2) Sze, S.M (2001), Semiconductor Devices: Physics and Technology, 2nd edn, John Wiley & Sons, Ltd 3) Hồng Đình Thịnh, Báo cáo Tổng quan OLED (41303880), Ngày 22 tháng 11 năm 2016 4) Greenham, N.C., Friend, R.H and Bradley, D.D.C (1994) Angular dependence of the emission from a conjugated polymer light-emitting diode: implications for efficiency calculations  ... 3.2 OLED ma trận tích cực (active-matrix OLED _AMOLED) 10 3.3 So sánh OLED ma trận thụ động (PMOLED) OLED ma trận tích cực (AMOLED) 11 3.4 OLED suốt .11 3.5 OLED phát sáng. .. chất hữu có khả phát sáng nhờ quy luật di chuyển điện tử Đây sở cho đời phát triển OLED 2.2 Định nghĩa 2.2.1 Định nghĩa OLED  OLED (Organic Light Emiting Diode) : hiểu điốt phát quang hữu cơ, ... từ nhiều lớp màng hữu điện cực Có dịng điện chạy qua lớp sẽ phát sáng( tự phát sáng) 2.2.2 Lý chính phát triển ứng dụng cơng nghệ OLED Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | - OLED công nghệ tiên