Technologia wytwarzania organicznych drukowanych źródeł światła – perspektywy, badania

Struktura OLED 

Dioda OLED jest przyrządem elektronicznym bazującym na konwersji energii (przemiana prądu elektrycznego na światło), formowanym na bazie cienkich warstw organicznych o grubości około 100…200 nm. Ten stosunek wymiarów powoduje, że uważa się je praktycznie za przyrządy dwuwymiarowe i możliwe jest wykonania jej w postaci elementów o dużych powierzchniach na podłożach sztywnych lub elastycznych. Zbudowana jest z materiałów podłożowych, elektrod i funkcjonalnych warstw organicznych (rys. 1). Wszystkie dotychczas materiały wykorzystywane w badaniach nie zagrażają środowisku (m. in. nie zawierają rtęci) [2–7].

Rys. 1. Schemat przykładowej struktury diody OLED
 

Należy podkreślić, że obecnie na świecie do wytwarzania organicznych źródeł światła stosuje się jeden z dwóch różnych materiałów organicznych: małocząsteczkowe materiały organiczne lub polimerowe materiały organiczne. W przypadku pierwszego z tych materiałów warstwy tworzące strukturę OLED są osadzane na sztywne podłoże szklane lub metalowe poprzez termiczne naparowanie w wysokiej próżni. Oczekuje się, że w perspektywie krótkoterminowej ten sposób formowania struktur OLED zapewni uzyskanie wysokiej skuteczności świetlnej i wysokiej jasności światła. W perspektywie średniookresowej stosowanie polimerowych materiałów organicznych będzie preferowanym sposobem budowania struktur OLED z uwagi na znacznie prostszy proces ich wytwarzania. Dodatkowo polimerowe materiały organiczne umożliwiają wykonywanie wielkopowierzchniowych i elastycznych paneli emitujących światło [8–14].

Badania prowadzone w różnych ośrodkach światowych wskazują na fakt, że przyrządy OLED muszą być zabezpieczane przed nadmiarem wilgoci i tlenu także w czasie magazynowania. W wysokich temperaturach rozszerzalność cieplna w pobliżu temperatury zeszklenia Tg może spowodować zniszczenie przyrządu. Słabym punktem jest połączenie na styku metal – polimer. Degradacja tego połączenia ogranicza czas życia nawet, jeżeli przyrząd nie pracuje. Dlatego konieczność uszczelnienia przyrządu jest jednym z problemów do rozwiązania. O ile w przypadku diod OLED konstruowanych na szkle sugerowane są różne sposoby, to tworzywowe podłoża elastyczne stanowią istotny problem ze względu na ich wysoką przepuszczalność wilgoci. Potrzebne są warstwy barierowe lub zupełnie nowe podłoża takie jak np. elastyczne kompozyty z warstw organicznych i nieorganicznych [15, 16].

Wyniki badań 

Biorąc pod uwagę przedstawione tendencje, badania wykonane w ITR w 2012 r. koncentrowały się na wykorzystaniu handlowo dostępnych materiałów, które po rozpuszczeniu były odpowiednie do nakładania warstw funkcjonalnych diody OLED techniką druku strumieniowego. Jako materiał podłożowy stosowano płytki szklane 2,5 × 2,5 cm oraz folię PET pokryte warstwą tlenku indowo-cynowego. Warstwę przewodzącą dziury (HTL) stanowił PEDOT:PSS (ang. poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) od trzech dostawców (Orgacon Screenprint Ink Transparent EL-P3040 firmy Agfa; Clevios PJ-N lub Plexcore (OCRG-1150 organic conductive ink).

Do wytwarzania warstwy emitującejświatło (EML) wykorzystano MEH-PPV (ang. poly[2-methoxy-5-(2’-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) oraz homopolimery oraz oligomery fluorenowe.

Katodę stanowiła warstwa: stopu eutektycznego GaIn lub naparowana próżniowo Al lub Ag.

Na oczyszczonej plazmowo warstwie ITO nakładano kolejno warstwę PEDOT:PSS, warstwę związku emitującego światło i katodę. Pomiędzy nakładaniem kolejnych warstw stosowano procesy suszenia i utwardzania (UV). Cały proces prowadzono w warunkach normalnych, bez stosowania gazu ochronnego.

Dla wytwarzanych próbek diod wyznaczano charakterystyki prądowo-napięciowe, rejestrowano widma emisyjne (zależność długości emitowanej fali – kolory światła) oraz wyznaczano wartości luminancji (cd/m²). Uzyskano diody OLED o powierzchni 1 cm² świecące w kolorze, niebieskim i pomarańczowym o intensywności 60…120 cd/m².

Wykonano demonstratory struktur OLED świecące światłem pomarańczowym, niebieskim i zielonym (rys. 2). 

Rys. 2. Przykłady wykonanych demonstratorów diod OLED

Szczegółowe wyniki badań wytwarzanych struktur diod przedstawiono w kolejnych artykułach zamieszczonych w kwietniowym numerze miesięcznika Elektronika (nr 04/2013).

Podsumowanie

Nadrzędnym celem prac prowadzonych w ITR jest uzyskanie wiedzy oraz stworzenie podstaw doświadczalnych i naukowych umożliwiających podjęcie w kraju prac badawczo-technologicznych nad rozwojem nowatorskich, energooszczędnych, tanich, przyjaznych środowisku (nie zawierających rtęci) źródeł światła (także światła białego) na podłożach elastycznych. Wytwarzanie tego rodzaju źródeł światła jest obecnie jednym z priorytetowych światowych zagadnień badawczych.

Literatura:

[1] Solid State Lighting OLED Manufacturing Roundtable Summary, http://www1.eere.energy.gov/buildings/ssl/techroadmaps.html

[2] G. Kozioł, K. Janeczek, A. Araźna, K. Futera: Wykorzystanie technologii organicznych diod elektroluminescencyjnych do budowy źródeł światła, Elektronika 53, 64 (2012).

[3] Głowacki I.: Organiczne Diody Elektroluminescencyjne: Postęp, Problemy i Perspekty, Monografia Instytutu Tele- I Radiotechnicznego, Drukowana Elektronika w Polsce, Warszawa 2010.

[4] Chason M.: Printed electronics for flexible solid-state lighting, www.globalsmteasia.com

[5] Bardsley J. N.: Critical Materials for OLED Lighting, DOE SSL Manufacturing Workshop, Fairfax, April 22, 2009.

[6] Hellstrom S. L., Lee H. W., Bao Z.: Polymer-Assisted Direct Deposition of Uniform Carbon Nanotube Bundle Networks for High Performance Transparent Electrodes, www.acsnano.org vol. 3, no. 6, 1423–1430, 2009.

[7] Guaino P., Maseri F. Schutz R, Hofmann M., Birnstock J. Avril L., Pireaux J, Viville P., Kanaan H, Lazzaroni P., Loicq J., Rotheudt F.: Large white organic light-emitting diode lighting panel on metal foils, Journal of Photonics for Energy 011015-1 vol. 1, 2011.

[8] Duan L, Hou L, Lee T, Qiao J., Zhang D., Dong G., Wang L.: Solution processable small molecules for organic light-emitting diodes, Mater. Chem., 2010, 20, 6392–6407.

[9] Viser P., OLED technology: also the ultimate lighting solution?, www. optik-photonik.de

[10] Zhong Ch., Duan Ch., Huang F., Wu H., Cao Y.: Materials and Devices toward Fully Solution Processable Organic Light-Emitting Diodes, Chem. Mater. 2011, 23, 326–340.

[11] AlSalhi M.S., Alam J., Dass L.A., Raja M.: Recent Advances in Conjugated Polymers for Light Emitting Devices, Int. J. Mol. Sci. 2011, 12, 2036–2054.

[12] Wang G-F., Tao X-M. Xin J.H., Fei B.: Modification of Conductive Polymer for Polymeric Anodes of Flexible Organic Light-Emitting Diodes, Nanoscale Res Lett (2009) 4: 613–617.

[13] Lussem B., Reineke S., Rosenow T., Schwartz G, and Leo K.: Novel concepts for OLED lighting, Proc. of SPIE Vol. 7617, 761712, 2010 SPIE.

[14] Komoda T.: Recent Progress and Future Trend of OLED Technologies for Lighting Application, Printed Electronics Europe 2012, Berlin, 3 April 2012.

[15] Vitoratos E. et al.: Thermal degradation mechanisms of PEDOT:PSS, Organic Electronics 10 (2009) 61–66.

[16] Roberts M., Cass M.,, at el.: Fundamental Processes Governing Operation And Ageing In State Of The Art P-Oleds, pdf. presentation at ECME 2009.