Hầu hết cỏc OLED gồm nhiều lớp ghộp lại với nhau và cú tổng bề dày khoảng 100 đến 200nm. Cỏc lớp bao gồm một điện cực cathode, một điện cực
cực, thường là cỏc loại polymer hữu cơ. Cuối cựng là cỏc lớp ngăn bảo vệ, khụng cho cỏc yếu tố lạ từ mụi trường cú thể xõm nhập gõy hư hỏng linh kiện. Điện cực anode thường cú chức năng hoạt động cao hơn so với điện cực cathode, để tạo điều kiện cho cỏc lỗ trống và electron đi xuyờn qua một cỏch dễ dàng. Cỏc lớp hoạt động thường được pha tạp với fluorescence đa sắc trong quỏ trỡnh phỏt xạ huỳnh quang. Phải đảm bảo rằng tất cả năng lượng được phúng thớch khi cỏc photon phần nào cao hơn được cỏc phỏt xạ photon kộm do nhiệt được sử dụng để làm cỏc lớp truyền. Cỏc lớp truyền được pha tạp bởi cỏc polymer, từ đú thu được năng lượng từ cỏc phõn tử bị kớch thớch ban đầu và sau đú giải phúng chỳng một cỏch hiệu quả như cỏc photon. Điện cực dương anode thường được làm từ indium tin oxide (ITO) khi truyền dẫn, sự định hỡnh của OLED phỏt xạ cạnh đơn hoặc là phỏt sỏng đỉnh hoặc phỏt sỏng phớa dưới. Nếu cả hai điện cực anode và cathode được làm từ ITO thỡ gọi là OLED trong suốt (TOLED).
Như đó trỡnh bày, cú hai loại OLED chớnh: một loại cú cấu trỳc phõn tử nhỏ và một loại là polymeric. Cỏc OLED polymeric cú cỏc lớp polymer để đỏp ứng những chức năng phức tạp. Cỏc polymer thường được sử dụng là cỏc thành viờn của nhúm polyphenylene vinylene, polyflourene homo và cỏc copolymer. Polyphenylene vinylene là một polymer dẫn cú khả năng điện quang húa và cú thể tạo thành một lớp màng kết tinh mỏng. Tuy nhiờn, bờn trong sự hiện diện của oxygen, yếu tố cơ bản hỡnh thành quỏ trỡnh ăn mũn cấu trỳc của polymer, từ đú làm suy giảm nhanh chúng chất lượng của OLED do sự xuất hiện của nước và oxygen. Sự phỏt xạ bờn trong cỏc linh kiện xảy ra bờn trong lớp truyền electron, nhưng điều này cũng cú thể dẫn đến sự phõn ró bờn trong cỏc điện cực, làm suy giảm hiệu suất của linh kiện.
Để trỏnh cỏc vấn đề suy thoỏi polymer, một loại OLED khỏc đó được sử dụng, đú là loại cú cấu trỳc phõn tử nhỏ. Cỏc vật liệu tớch cực trong trường hợp này là cỏc nhúm phõn tử, cũng cú thể bao gồm cỏc nhúm amine cho việc truyền lỗ trống, cỏc kim loại trong trường hợp cỏc phõn tử truyền electron hoặc nhiều nhúm khỏc. Bất lợi chớnh của cỏc OLED cú cấu trỳc phõn tử nhỏ là quỏ trỡnh chế tạo cú thể sẽ rất khú khăn bởi vỡ cỏc phõn tử tồn tại cú bề dày và bề mặt đồng dạng rất nhỏ trong khi hầu hết cỏc phõn tử được lắng đọng từ dung dịch. Ngoài ra, sự kết tinh quỏ mức cú thể làm suy giảm đặc tớnh của linh kiện.
Một mụ hỡnh phõn tớch được sử dụng như là nền tảng của đặc tớnh linh kiện và khả năng phõn tớch điện học đó được giới thiệu trong tài liệu “Mối quan hệ giữa điện huỳnh quang và sự vận chuyển dũng điện bờn trong cỏc linh kiện phỏt sỏng hữu cơ cú cấu trỳc dị mối nối ” của tỏc giả Forrest xuất bản năm 1996, trong đú trỡnh bày mụ hỡnh xử lý linh kiện là một lớp màng mỏng với mật độ cao của cỏc bẫy trong cỏc mức năng lượng phớa dưới mức LUMO. Do vậy, sự tỏc động được biểu diễn bằng phương trỡnh [17]:
I = V/Re V<Von
I = KVm+1 V>Von (1)
Trong đú I là dũng điện qua OLED, Re là điện trở tỏc động dưới cỏc mức điện ỏp thấp và K là một hằng số tỷ lệ. OLED cú một tỏc động ohmic tại cỏc mức điện ỏp thấp được trỡnh bày trong phương trỡnh (1) khi độ dẫn là do ảnh hưởng của cỏc phần tử mang điện tự do hơn là cỏc điện tớch được phun. Cỏc điện tớch được phun bị giữ lại bờn trong những cỏi bẫy dẫn đến tớnh chuyển động của cỏc hạt mang điện thấp. Khi tăng điện ỏp, số lượng cỏc hạt điện tớch nạp được tiờm vào tăng lờn, lắp đầy vào cỏc bẫy và để lại cỏc lỗ trống cựng với sự gia tăng sự chuyển động của điện tớch nạp, đú là lý do làm tăng dũng của linh kiện. Von là điện ỏp cấp vào để OLED hoạt động và được xỏc định khi điện ỏp tại cỏc giỏ trị mà cỏc dũng điện từ bẫy được giới hạn khả năng dẫn và tỏc động ohmic là bằng nhau. Điện ỏp tại bẫy-dẫn dũng bắt đầu tạo thành luồng và đủ cỏc cặp đụi electron-lỗ trống phỏt sinh để tạo ra ỏnh sỏng. Vỡ vậy, để thu được cường độ sỏng cao nhất thỡ phải tăng điện ỏp nhưng điều này cũng sẽ làm suy giảm hiệu suất của linh kiện (xem hỡnh 1.7a). Tuy nhiờn, ưu điểm chớnh của OLED là chỳng cú mức phõn cực thấp dẫn đến cụng suất tiờu thụ thấp, cho nờn phạm vi chớnh của nghiờn cứu là đạt được cường độ sỏng cao với một điện ỏp phõn cực rất thấp, làm gia tăng hiệu suất của linh kiện.
Hiệu suất của OLED được mụ tả bởi ba giới hạn đú là hiệu suất lượng tử húa, cụng suất và khả năng tỏa sỏng. Hiệu suất lượng tử húa là một quỏ trỡnh được mụ tả bởi hiệu suất lượng tử húa bờn trong và bờn ngoài. Hiệu suất lượng tử húa bờn trong là số lượng hạt photon phỏt ra cho mỗi quỏ trỡnh phun cặp đụi electron-lỗ trống bờn trong linh kiện, trong khi hiệu suất bờn ngoài là số lượng hạt photon được giải phúng từ linh kiện. Hiệu suất lượng tử húa bờn trong phụ thuộc vào trạng thỏi phỏt xạ như trong phương trỡnh [17]:
Khi đú γ là phõn số của cỏc hạt điện tớch được phun vào dẫn đến cỏc trạng thỏi bị kớch thớch, f là phõn số của cỏc trạng thỏi bị kớch thớch được giải phúng thành ỏnh sỏng và ηs là sự phõn bố của cỏc trạng thỏi kớch thớch dẫn đến hỡnh thành cỏc singlet (cỏc singlet và triplet là cỏc quóng đường bờn trong cỏc spin của hai cặp đụi electron hiện cú).
Sự phỏt xạ cú thể dưới dạng ỏnh sỏng huỳnh quang từ singlet hoặc lõn quang từ cỏc triplet bờn trong cỏc vật liệu hữu cơ. Cỏc giới hạn huỳnh quang của hiệu suất lượng tử húa bờn trong đến 25% trong khi lõn quang cho phộp sử dụng năng lượng từ toàn bộ cỏc trạng thỏi năng lượng để tạo ra ỏnh sỏng, do đú làm tăng hiệu suất bờn trong lờn đến 100% trong khi mức điện ỏp phõn cực rất thấp. Cho dự hiệu suất lượng tử húa bờn trong đạt tỷ lệ phần trăm cao thỡ hiệu suất lượng tử húa bờn ngoài cú thể đạt được một giỏ trị cực đại khoảng 25% chỉ khi hầu hết cỏc photon được hấp thu hoặc được hướng súng trờn bề mặt của linh kiện hoặc được phản xạ bờn trong từ cỏc bề mặt phõn giới với cỏc lớp truyền.
Hỡnh 1.7a: Đồ thị cho thấy mối quan hệ giữa điện ỏp và hiệu suất của OLED. Cỏc mức điện ỏp tỏc động từ 2 đến 4V như là một ohmic. Von của OLED theo một năng lượng liờn kết khi được biểu diễn trong phương trỡnh (1) [17].
Hiệu suất bờn ngoài được gắn liền với hiệu suất bờn trong bởi phương trỡnh [17]:
ηext = Rηint (3)
Trong đú R là một hằng số cú mối quan hệ với số lượng cỏc hạt photon được phỏt ra. Cỏc giới hạn hướng súng R đến giỏ trị từ định luật Snell bởi phương trỡnh [17]:
R = 1-(1-(1/na 2
))1/2 (4)
Trong đú na là chỉ số khỳc xạ khi chỉ cú tia sỏng tới trờn bề mặt khụng khớ của mặt phõn giới thoỏt khỏi linh kiện. Cỏc hiệu suất bờn ngoài thấp khi cỏc giỏ trị R thấp là nguyờn nhõn làm ỏnh sỏng kộm đi. Để cú được một hiệu suất bờn ngoài mang tớnh tổng quỏt nhất thỡ giỏ trị khỳc xạ đặc trưng của cỏc polymer thường được chọn là 1.7. Đõy là một giỏ trị đặc trưng của R đạt khoảng 19% từ phương trỡnh (4). Cỏc giỏ trị đặc trưng khỏc là f cho lớp truyền cỏc hạt điện tử ETL khoảng 35%, cú thể là đồng nhất nếu quỏ trỡnh tiờm electron được cõn bằng với quỏ trỡnh tiờm lỗ trống.
Hiệu suất lượng tử húa bờn ngoài và cường độ cụng suất của linh kiện được trỡnh bày trong hỡnh 1.7b.
Hỡnh 1.7b: Đồ thị cho thấy mối quan hệ giữa cường độ sỏng và hiệu suất. Cường độ sỏng của OLED là cao nhất tương ứng với hiệu suất lượng tử húa
Cường độ tỏa sỏng được xỏc định khi tổng số cỏc lumen từ một nguồn phỏt bờn trong và cú đơn vị là lm/sr. Đoạn đặc trưng của linh kiện là cường độ tỏa sỏng từ đoạn bị tỏch ra bởi phần nhụ ra. Đơn vị đo là cd/m2, trong đú cd (candela) là đơn vị cường độ ỏnh sỏng. Cỏc giỏ trị đặc trưng ở trong phạm vi khoảng 100cd/m2
là đủ để hiển thị video. Khả năng chiếu sỏng thỡ đơn giản bằng cỏch thu cỏc lumen cực đại với mật độ dũng thấp. Khi đú ta cú phương trỡnh như sau [17]:
P = ηJA/CE (5)
Trong đú P là cụng suất ỏnh sỏng được phỏt ra, J là mật độ dũng, A là phạm vi hoạt động của đoạn và CE là một hằng số phụ thuộc vào chỉ số khỳc xạ.
Để đạt được cụng suất ỏnh sỏng lớn nhất và cường độ cao thỡ mật độ dũng điện J sẽ được gia tăng, lần lượt tăng điện ỏp phõn cực. Quỏ trỡnh này được biểu diễn trong hỡnh 1.7c khi mà tại cỏc giỏ trị điện ỏp phõn cực cao nhất, độ chiếu sỏng cao nhất được quan sỏt của cỏc OLED gần như là một hàm số mũ.
Hỡnh 1.7c: Độ chiếu sỏng tăng theo hàm số mũ sau khi điện ỏp hoạt động của OLED với sự gia tăng của điện ỏp phõn cực. Von trong đồ thị cú giỏ trị khoảng
2V khi sự phỏt xạ, vỡ vậy cường độ chiếu sỏng cũng bắt đầu được gia tăng [17].
Sự nõng cao của cỏc thụng số trong phương trỡnh (5) yờu cầu phải cú sự phõn cực thấp. CE cú thể thay đổi nếu chỉ số khỳc xạ của linh kiện được thay đổi. Tuy nhiờn hầu hết cỏc polymer với sự chấp nhận cỏc mức điện huỳnh quang cú một chỉ số khỳc xạ là 1.7. Phạm vi thỡ cú thể thay đổi thụng số nhưng sẽ bị giới hạn bởi kớch thước vật lý của linh kiện. Do vậy, cỏc phương phỏp cải thiện hiệu suất phỏt sỏng bởi sự tồn tại cụng suất phỏt sỏng cao tại cỏc giỏ trị mật độ dũng thấp thỡ vẫn đạt yờu cầu.