OLED fényforrf. nyforrások. Óbudai Egyetem, Kandó K. Villamos Kar. LED konferencia 2010

Átírás

1 OLED fényforrf nyforrások Gröller György, Molnár r Károly, K Nemcsics Ákos Óbudai Egyetem, Kandó K. Villamos Kar Mikroelektronikai és s Technológiai Intézet

2 A polimer elektronika kialakulása Tudományos, ipari oldal Félvezető,, vezető tulajdonságú szerves molekulák, k, polimerek ( 90-es évekig) Nobel díj: d 2000 Alkalmazási si- működési- technológiai fejlesztések, sek, kisérleti gyárt rtás Első ipari termékek (2000 után) Fogadó (piaci) oldal Igény ~ nagy méretm retű elektronikus eszközökre: kre: lapos képernyők, napelemek (vágy) hajlékony, papírszer rszerű hordozójú kijelzőkre kre nagy sorozatú,, rövid r életciklusú eszközökre kre ( eldobható elektronika )

3 A polimer elektronika polimer (szerves) elektronika makroelektronika A közös k s terület a fontos Olcsó alapanyag Egyszerű,, nagy teljesítm tményű technológia Nagy méretm retű eszközök Közös s név n v nincs. Nyomtatott elektronika

4 Termékek, ötletek OFET tranzisztor tisztán n szerves anyagokból tintasugaras nyomtatással előáll llítható Bármely további makroelektronikai eszköz z vezérl rlése megoldható

5 Alapanyagok Kis szerves molekulák Polimerek Közös s a konjugált kettősk skötés-rendszer

6 A vezetés s mechanizmusa Konjugált kettősk skötés s rendszer delokalizált lt elektronok Kötő pálya: HOMO (legfelső betölt ltött tt molekulapálya) lya) Nemkötő pálya: LUMO (legalsó betöltetlen molekulapálya) lya) Hasonló a fémek f vezető és s vegyért rték k sávjaihozs Adalékol kolással elektron ill. lyukvezetés (redukció ill. oxidáci ció)

7 A vezetés s mechanizmusa Polaron Polaron: elektronhiány ny (vagy többlet) t egy láncl nc- szakaszon. Egyik adalék iontól l vándorol v a másikig. m Bipolaron: két k t közeli töltés, vezetéskor együtt mozognak Szoliton: a l a láncon ill. az adalék k gyökön n kialakuló ellentétes tes töltt ltéspár. Együtt mozogva a láncok l közti k töltésátadásban van szerepük.

8 A vezetés s mechanizmusa Mozgékonys konyság g függ: f A rétegkr tegkészítés módjától: Oldószer Koncentráci ció Leválaszt lasztás s módja, m hőmérséklete, Hordozó felülete lete Molekulák rendezettségétől Molekulák k fedése Elcsúsz szásasa Elfordulása Legkisebb R iránya

9 A fénykeltf nykeltés s mechanizmusa 1. Töltésinjektálás 2. Migráci ció 3. Rekombináci ció exciton keletkezés, szabad mozgás, megsemmisülés foton kibocsátás Spin statisztika: 25%

10 A fénykeltf nykeltés s mechanizmusa Fluoreszcencia: Elektron lyuk ellentétes tes spinnel Így a belső kvantumhatásfok max 25% Szinte minden polimer és kismolekula e mechanizmus szerint Foszforeszcencia: Elektron lyuk azonos spinnel A rekombináci ció harmadik szereplő segíts tségével IQE 100% Adalék k nemesfém m komplex (Ir, Os, Pt) Jablonsky diagram

11 Az OLED lámpl mpák k konstrukciója Polimer alapúak: ak: Anód, átlátszó Katód, fémf Szerves réteg r Kis molekulájú OLED: Összetettebb rétegszerkezetr Energiaszintek illesztésére, potenciálg lgát t csökkent kkentésére Elektron/lyuk száll llító réteg Lyuk/elektron blokkoló réteg

12 Molecular engineering A szerves elektronika lehetősége: A HOMO LUMO szint hangolása Az alapvető funkció megtartása mellett a molekula-strukt struktúra ra kis módosításával tudjuk az egyes tulajdonságokat finoman hangolni A sávszs vszélesség g ( ( szín) hangolása a szerkezet módosításával és s a helyettesítés s arány nyával

13 Világítástechnikai jellemzők Hatásfok Belső kvantumhatásfok Külső kvantumhatásfok A szerves rétegek r törésmutatt smutatója ~1,7-1,8 nagy a teljes visszaverődés, s, közel k 80% kicsatolási si veszteség Javítás: Felületi leti mintázat, mikrolencse Szóróréteg Reflexió csökkent kkentő rétegrendszer Visszaverődés alaphelyzetben Szórócentrumok az aktív rétegben és s az ITO-ban Mikrolencsék

14 Hatásfok Befolyásolja még: m Elektródok kilépési munkájának nak és s a rétegek r HOMO/LUMO szintjének nek illesztése se (Ohmos vesztes Eszköz z terhelése (Ohmos veszteség) (fénys nysűrűség, áramsűrűség) Eszköz öregedése Elektród d fényabszorpcif nyabszorpciója

15 Fehér r OLED RGB színkever nkeverés Szélesebb emisszió,, mint a szervetlen LED-nél Színvisszaad nvisszaadás s megfelelő R a 80 Komponensek élettartama, öregedése nem azonos, így hosszabb használat után eltolódás Komponensek hatásfoka sem azonos, a leggyengébbhez kell illeszteni a többitt

16 Stabilitás, megbízhat zhatóság Meghibásod sodás s okai Tokozási hibák, tömítetlenst tetlenség, oxigén, vízgv zgőz bejutása az aktív v réteghez r lassú degradálódás Alapanyagok tisztátlans tlansága Nagyon vékony v rétegek r (n 10nm), nagyon apró szennyezés s is okozhat sérülést, s st, tűhibt hibát, rövidzr vidzárat Rövidzár r nagy helyi melegedés sötét t folt Az eddigi stabilitási si vizsgálatok laboratóriumi riumi mintákr król l készk szültek. Nincs tapasztalat üzemi sorozatgyártott rtott termékekr kekről.

17 Technológia, hordozók Hajlékony - merev Simaság: átlag 2nm, csúcs cs-völgy 20nm Porozitás, gázáteresztg teresztés: s: vízgőz: z: > 10-6 g/m 2 /nap oxigén: > 10-6 cm 3 /m 2 /nap Kell egy diffúzi zió gátoló réteg többrétegű,, szerves, szervetlen Anyagok: Üveg, PET, PC, PI, PEN (polietilén-naftal naftalát) t) Hajlékony üveg hordozó AFM felületi leti profil Ipari minőségű PEN, Felületkezelt letkezelt hordozó

18 Technológia, átlátszó vezető Felületi leti ellenáll llás s <5 Ω Kilépési munka > 5 ev Kompatibilitás s az OLED anyagokkal Ne bocsásson sson ki olyan anyagot, ami károsk rosítja a szerves rétegeketr ITO alternatívák: ZnO-Al 2 O 3 Polianilin,, PEDOT-PSS PSS

19 Technológia, réteglevr tegleválasztás Kis molekulájú anyagok: VákuumgV kuumgőzölés Vivőgázzal vagy anélk lkül Leválaszt lasztási si seb.: ~30nm/min 2nm Egyenletesség g < 2% (500 x 700mm felületen) leten) Adalékok egyenletes eloszlása sa Egymásra leválasztott lasztott rétegek r ne károsítsák k egymást

20 Technológia, Roll to to-roll Versenyképes termék k ettől l várhatv rható Alapelv: nyomdai technológi giák (offset, flexo,, mélynyomm lynyomás) Állandó sebességű hordozó szalag (megáll llítható) ~ 0,3 m/perc, cél: c 5-10 m/perc Lépések egy lineáris sorba rendezve Műveleti idők összehangolva (nehéz! pl. nyomtatás s << szárítás) s) Nyomtatás, szárítás, s, hőkezelh kezelés, vákuumgv kuumgőzölés, ellenőrz rzés

21 Környezet Felhasznált lt anyagok Nem toxikusak (nagyrészt) Nem kimerülő nyersanyag (kivétel In) Nagyon kis mennyiségű Energiatakarékoss kosságban meg kell közelk zelíteni a 100lm/w-ot 2009 Az ábra még m g az OLED-eket nem tartalmazza Life Cycle Assessment of Ultra-Efficient Lamps 2009, Defra (Department for Environment, Food and Rural Affairs) 2015

22 Kutatás, fejlesztés Fénysűrűség g növeln velése Csökken az élettartam, hatásfok Csökken az egységnyi gnyi fényf nyáramra jutó költség g is (mert a felülettel lettel arányos) Technológia ipari méretre m váltv ltása Nagyobb hordozó méret Olcsóbb oldószeres (polimer alapú) ) rendszerek hatásfok sfokának javítása Roll to to roll és s nyomtatási technológia alkalmazása. Minden réteghez r megfelelő tinta kifejlesztése se Egyszerűsített rétegrendszer, r max 5-66 szerves

23 Ipari tervek lépésekl Nagyon sok innováci ciós s lehetőség g a sík, s hajlékony fényforrf nyforrásban. Technológi giában és alkalmazásban. Nagy gyárt rtók k részt r vesznek a fejlesztésben sben Európa: OLLA 100 projekt - lezárult

24 Köszönjük k a figyelmet! groller.gyorgy@kvk.uni-obuda-hu

25 Kérdés?