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).
Trang 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
- -BÁO CÁO MÔN HỌC:
Kỹ thuật hiển thị hình ảnh
Đề tài: Tìm hiểu về OLED
Hà Nội, 1/2019
Trang 2Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 2
Mục Lục
I, Sơ lược về lịch sử ra đời và phát triển 2
1.1 Những phát hiện đầu tiên: 2
1.2 OLED thực tế đầu tiên 3
II, Tổng quan 3
2.1 Nguồn gốc 3
2.2 Định nghĩa 4
2.2.1 Định nghĩa OLED 4
2.2.2 Lý do chính phát triển và ứng dụng công nghệ OLED 4
2.3 Cấu tạo 5
2.2 Nguyên lý hoạt động 7
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) và OLED ma trận tích cực (AMOLED) 11
3.4 OLED trong suốt 11
3.5 OLED phát sáng đỉnh 12
3.6 OLED gấp được 13
3.7 OLED trắng 13
IV Vật liệu làm OLED 14
4.1 Dựa theo khối lượng phân tử: 14
4 2 Dựa theo cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 15
a) OLED huỳnh quang 15
b) OLED lân quang 16
c) So sánh OLED huỳnh quang và OLED lân quang: 17
Tài liệu tham khảo: 18
Trang 3I, Sơ lược về lịch sử ra đời và phát triển
1.1 Những phát hiện đầu tiên:
André Bernanose (Pháp) đã thực hiện những quan sát đầu tiên về phát quang điện trong vật liệu hữu cơ vào đầu những năm 1950
Năm 1960 Martin và một số đồng nghiệp tại Đại học New York đã phát triển ohmic điện cực đế các tinh thể hữu cơ Họ đã mô tả thêm các yêu cầu năng lượng cần thiết cho các tiếp điểm điện cực của lỗ và điện tử
Roger Partridge đã thực hiện quan sát đầu tiên về phát quang điện từ màng polymer tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia ở Vương quốc Anh Thiết bị bao gồm một bộ phim poly ( N-vinylcarbazole ) có độ dày lên tới 2,2 micromet nằm giữa hai điện cực tiêm điện tích Kết quả của dự án được cấp bằng sáng chế vào năm 1975 và xuất bản năm 1983
1.2 OLED thực tế đầu tiên
Nhà hóa học vật lý người Mỹ Ching W Tang và Steven Van Slyke tại Eastman Kodak đã chế tạo thiết bị OLED thực tế đầu tiên vào năm 1987 Thiết bị này sử dụng cấu trúc hai lớp với các lớp vận chuyển lỗ và vận chuyển điện tử riêng biệt như tái tổ hợp và phát xạ ánh sáng giữa lớp hữu cơ
Nghiên cứu lên đến đỉnh điểm vào năm 1990 với JH Burroughes tại Phòng thí nghiệm Cavendish, Đại học Cambridge,Vương quốc Anh, báo cáo dựa trên polymer phát sáng màu xanh lá cây hiệu quả cao sử dụng màng dày 100
nm poly (p-phenylene vinylene) Tiếp đó, phát triển các polyme đa lớp, lĩnh vực điện tử nhựa mới, nghiên cứu và sản xuất thiết bị OLED phát triển nhanh chóng
II, Tổng quan
2.1 Nguồn gốc
Trong thế giới tự nhiên có nhiều loài sinh vật có khả năng tự phát sáng Điển hình như sứa biển, đom đóm, cá cần câu, hay cả loài cây nấm Panellus stipticus,
Trang 4Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 4
Xuất phát từ việc quan sát và ngiên cứu các sinh vật này, các nhà khoa học thấy rằng không chỉ các chất vô cơ mà cả các chất hữu cơ cũng có khả năng phát sáng nhờ quy luật di chuyển của điện tử Đây là cơ sở cho sự ra đời và phát triển của OLED
2.2 Định nghĩa
2.2.1 Định nghĩa 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)
2.2.2 Lý do chính phát triển và ứng dụng công nghệ OLED
Trang 5- OLED là một công nghệ rất tiên tiến Các tính năng ưu việt của nó đã mang lại khả năng ứng dụng rất cao trong mọi lĩnh vực
- Xét về khía cạnh vật liệu:
Các lớp hữu cơ nhựa của OLED
mỏng hơn, nhẹ hơn và mềm dẻo
hơn các lớp tinh thể của LED hay
LCD
- Xét về khía cạnh năng lượng: OLED vượt trội hơn LED & LCD.
OLED không cần chiếu sáng nền như LCD LCD hoạt động bằng cách chặn các vùng ánh sáng của đèn nền để tạo thành hình ảnh, trong khi OLED tự phát sáng
Bởi vì OLED không cần chiếu sáng nền nên chúng tiêu thụ ít điện năng hơn
nhiều so với LCD (hầu hết điện năng cho LCD dùng cho chiếu sáng nền) Ưu
điểm này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị sử dụng pin như điện thoại di động, PDA hay máy tính xách tay
- Xét về khía cạnh hiển thị: OLED cho hình ảnh sáng & rõ nét hơn LCD & LED.
OLED có góc nhìn rộng hơn, vào
khoảng 170°
Do các LCD hoạt động bằng cách
chặn ánh sáng nên chúng có một
tầm nhìn hạn chế ở những góc nhìn nhất định Các OLED tự phát
ra ánh sáng nên chúng có một góc nhìn rộng hơn nhiều
Trang 6Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 6
các lớp hữu cơ của OLED mỏng hơn nhiều các lớp tinh thể vô cơ tương ứng của LED nên các lớp phát quang và lớp dẫn của OLED có thể chế tạo thành nhiều lớp Thêm nữa, LED và LCD cần dùng thủy tinh để hỗ trợ và thủy tinh lại hấp thụ một phần ánh sáng trong khi OLED lại không cần dùng thủy tinh
- Xét về mặt chế tạo: OLED có thể dễ dàng tạo thành những tấm kích thước lớn
hơn nhiều so với LCD & LED nhưng nhẹ và mỏng hơn
OLED được chế tạo dễ dàng hơn và có thể được làm thành các tấm có kích
thước lớn Bởi vì OLED chủ yếu là nhựa dẻo, chúng có thể được làm thành
các tấm rộng và mỏng Với LED hay LCD điều này là rất khó khăn
2.3 Cấu tạo
Một cấu trúc OLED đơn giản nhất bao gồm:
OLED có góc nhìn rộng hơn,
vào khoảng 170° Do các LCD
hoạt động bằng cách chặn ánh
sáng nên chúng có một tầm nhìn
hạn chế ở những góc nhìn nhất
định Các OLED tự phát ra ánh
sáng nên chúng có một góc nhìn
rộng hơn nhiều
Trang 7• Tấm nền hay còn gọi là đế (substrate): thường làm bằng thủy tinh hoặc nhựa trong) dùng để tạo khung chống đỡ cho OLED
• Hai điện cực: Anode (tạo lỗ trống) và Cathode (tạo electron)
- Anode: Vật liệu thường sử dụng để chế tạo anode là ITO bởi nó cho ánh sáng nhìn thấy truyền qua và có công thoát cao, tăng sự tiêm nhập của lỗ trống vào HOMO của vật liệu hữu cơ
- Cathode: Ba/Ca có công phát xạ thấp, giúp tăng cường sự tiêm nhập của điện tử vào LUMO của lớp vật liệu hữu cơ Các kim loại này có khả năng phản ứng hóa học rất mạnh, vì vậy người ta thường bọc một lớp nhôm bên ngoài để chúng không bị ăn mòn hóa học
o Lớp dẫn: Conductive/Transport
layer: Hợp chất hữu cơ vận
chuyển lỗ trống hoặc electron có
độ linh động đủ để đưa các hạt
tải đến vùng tái hợp
o Lớp lớp sáng (Emissive Layer):
vùng phát quang
• Các lớp hữu cơ hoặc polyme (Có thể có 2 hoặc nhiều lớp để tăng hiệu suất)
Với cấu trúc đơn lớp vật liệu phải đảm bảo về khả năng phát quang, truyền tải hạt tải, phù hợp về mặt năng lượng của các điện cực, độ ổn định và bám dính tốt hơn nữa do trong vật liệu hữu cơ lỗ trống có độ linh động cao hơn điện tử nên lỗ trống có thể đi hết chiều dài lớp phát quang mà không tái hợp với điện tử hoặc tái hợp phát quang bị dập tắt tại các điện cực
2.2 Nguyên lý hoạt động
Đom đóm
Trang 8Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 8
◦ Hole/Electron Injection layer: tăng cường quá trình phun
◦ Hole/Electron Transport layer: tăng quá trình dẫn
- Xét về bản chất, nguyên lý hoạt động của thiết bị phát quang hữu cơ (OLED) cũng giống như nguyên lý hoạt động của đi-ốt phát quang bán dẫn (LED) ngoại trừ các vật liệu của nó là hữu cơ chứ không phải vật liệu bán dẫn Khi điện thế được truyền vào thiết bị này, các lỗ trống và electron được truyền từ cực âm và cực dương tương ứng và sau đó kết hợp lại để phát ra ánh sáng
- Trạng thái năng lượng ở các vật liệu hữu cơ có thể được mô tả bởi các quỹ đạo phân tử - là sự kết hợp của tất cả các quỹ đạo nguyên tử Các electron đưa vào các quỹ đạo phân tử từ trạng thái năng lượng thấp nhất để mà quỹ đạo phân tử lấp đầy cao nhất (HOMO) có thể được xác định Ngay khi hệ thống được kích thích, các electron có thể được đẩy lên các quỹ đạo phân tử cao hơn Trạng thái kích thích đầu tiên được gọi là quỹ đạo phân tử chưa lấp đầy thấp nhất (LUMO)
- HOMO và LUMO trong các vật liệu hữu cơ cũng giống như hóa trị và dải dẫn trong vật liệu bán dẫn ở một vài khía cạnh Sau khi chất mang điện tích được kích thích, bằng quang học hoặc bằng điện, lên mức năng lượng cao hơn, nó sẽ giải phóng năng lượng của mình có bức xạ hoặc không có bức xạ
Trang 9Cấu trúc vùng năng lượng trong OLED
Nguyên lý hoạt động chi tiết của OLED:
- Một điện thế được áp lên toàn bộ
thiết bị OLED khiến cho anode tích
điện dương hơn so với cathode
- Điện tử được ‘‘điền’’ vào các
obitan trống có mức năng lượng thấp
nhất (LUMO) nằm trong các phân tử
của lớp hữu cơ nằm tại cathode, và
bị "rút" ra khỏi các obitan đầy có
mức năng lượng cao nhất (HOMO)
nằm tại anốt
=> Sự tiêm lỗ trống vào trong
HOMO
- Lực tĩnh điện làm "di chuyển" vị trí các lỗ trống và các điện tử lại gần nhau và chúng kết hợp thành các exiton(hay nói cách khác là điện tử rơi vào mức năng lượng của nguyên tử lỗ trống bị mất một electron)
- Khi trạng thái exiton bị phân rã, năng lượng được phát xạ ra
- Dòng điện tử chạy xuyên qua từ cathode đến anode
Năng lượng khi bị phân rã có tần số và bước sóng nằm trong vùng nhìn thấy được Các trạng thái e, lỗ trống và exciton trong tế bào OLED được thể hiện ở hình dưới:
Trang 10Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 10
Mặc dù về nguyên tắc hoạt động thì LED và OLED tương tự nhau nhưng thời gian sống của OLED ngắn hơn nhiều so với LED (khoảng 1/10)
Có ba nguyên nhân chính: OLED cấu tạo từ những lớp cấu trúc mỏng hơn; Vật liệu hữu cơ thì nhạy độ ẩm và oxi hơn nhiều; Vật liệu hữu cơ thì không vững chắc bằng bán dẫn do độ dao động năng lượng lớn
III, Các loại OLED
Hiện nay đã có khá nhiều loại OLED được sản xuất.Dựa vào yêu cầu sử dụng, các nhà khoa học đã tạo ra các loại OLED với cách thức làm việc khác nhau Có một số loại OLED chính sau:
3.1 OLED ma trận thụ động (passive-matrix OLED _PMOLED)
- PMOLED có các dải cathode, các dải lớp hữu cơ và các dải anode Các dải anode được xếp vuông góc với các dải cathode
Trang 11- Phần giao nhau giữa cathode và anode tạo thành các pixel (điểm ảnh) tại đó ánh sáng được phát ra Mạch điện bên ngoài cung cấp dòng điện cho các dải anode và cathode nào đó được chọn để làm cho những pixel nhất định sẽ phát sáng còn các pixel khác thì không Một lần nữa, độ sáng của mỗi pixel sẽ tỷ lệ với độ lớn của dòng điện
- Các PMOLED dễ chế tạo nhưng chúng lại tiêu thụ nhiều điện năng hơn các loại OLED khác, chủ yếu là do nguồn điện cần cho mạch điện ngoài Các PMOLED có hiệu quả nhất cho việc hiển thị văn bản hay các biểu tượng và rất phù hợp cho các màn hình nhỏ (2 đến 3 inch) chẳng hạn như các màn hình của 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 các lớp cathode, lớp phân tử hữu cơ và lớp anode Tuy nhiên lớp anode sẽ phủ lên một tấm mạng lưới các transitor film mỏng (thin film transitor hay TFT) tạo thành một ma trận các pixel Những TFT đế silicon trên bản nối ma trận thì nhạy với ánh sáng nhìn thấy (nên được che chắn bởi một ma trạn màu đen)
- Bản thân tấm TFT là một mạch điện để xác định những pixel nào sẽ được bật để tạo ra hình ảnh
Trang 12Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 12
- AMOLED tiêu thụ ít điện năng hơn PMOLED bởi vì lớp TFT cần ít điện hơn mạch điện ngoài, do đó chúng rất phù hợp cho các màn hình lớn AMOLED cũng
có tốc độ làm tươi nhanh hơn nên phù hợp cho video
- Ứng dụng: AMOLED được dùng tốt nhất cho màn hình máy tính, các TV màn hình lớn và các bảng tín hiệu hay thông báo điện tử
3.3 So sánh OLED ma trận thụ động (PMOLED) và OLED ma trận tích cực (AMOLED).
Về mặt đầu tư, PMOLED chế tạo đơn giản hơn và cần ít chi phí hơn so với AMOLED, tuy nhiên, đó cũng lại là các ưu điểm ít ỏi của công nghệ này
PMOLED là công nghệ kém hiệu quả hơn AMOLED Nó tiêu thụ nhiều điện năng hơn với cùng một nhu cầu phát sáng, bị giới hạn về kích thước và độ phân giải, điều khiển vừa chậm hơn vừa kém chính xác hơn
Do vậy, PMOLED tồn tại trên các màn hình thông tin đơn giản, kích thước nhỏ, trong khi AMOLED thì được ứng dụng cực kì phổ biến do nhiều đặc tính
ưu việt
Sản phẩm sử dụng AMOLED áp đảo, các màn hình TRIMASTER OLED của Sony, TV OLED của LG Electronics, Sony, Panasonic,…, màn hình trên các máy Samsung,… đều là loại AMOLED Vậy nên đôi khi, người ta cũng dùng AMOLED để chỉ màn hình OLED mặc dù nó chỉ là một biến thể xét theo cấu trúc ma trận, đơn giản bởi 99% các màn hình OLED hiện nay đều là AMOLED
3.4 OLED trong suốt
Trang 13- Thông thường, một màn hình OLED
có một anode trong suốt và một
cathode phản xạ, với các chức năng
làm việc cao và thấp khác nhau
- Để cải thiện sự linh hoạt trong việc
vận chuyển hạt tải và hiệu suất lượng
tử bên ngoài nên OLED trong suốt đã
được chế tạo
- Khi một OLED trong suốt được bật lên, nó sẽ cho phép ánh sáng phát ra theo cả hai hướng
- Một OLED trong suốt có thể là kiểu ma trận thụ động hoặc ma trận chủ động
- Bằng kỹ thuật đặc tính trong suốt, bán trong suốt và phản xạ của các điện cực, một số màn hình thú vị có thể được chế tạo Dựa trên các màn hình OLED trong suốt, màn hình có thể hiển thị thông tin từ cả hai bên
- Ở đây, một màn hình hai mặt có thể thay thế hai màn hình, do đó có thể làm giảm
độ dày của điện thoại di động Công nghệ OLED này có thể được dùng làm màn hiển thị trên kính ô tô hay máy bay (head-up display)
3.5 OLED phát sáng đỉnh
- Thông thường một OLED phát xạ
đỉnh có một anode phản xạ cao và
một cathode trong suốt hay bán trong
suốt Từ đó, ánh sáng có thể phát ra
ngoài từ phía cathode Những TFT
được ẩn sau anode phản xạ do đó tỉ số
góc mở được tăng lên
- Các OLED này phù hợp nhất với
kiểu thiết kế ma trận động
- Vì tỉ số góc mở của AM-OLED thường thấp, nên kết quả màn hình phát xạ thấp Điều này có thể xấu hơn nếu sử dụng nhiều hơn hai transitor Phát xạ đỉnh là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất có góc mở cao
- Ứng dụng: Các nhà chế tạo có thể sử dụng các OLED phát sáng đỉnh trong các thẻ thông minh
Trang 14Kỹ thuật hiển thị hình ảnh - Page | 14
3.6 OLED gấp được
- Bản chất của OLED gấp được là nó
có tầm nền làm từ các lá kim loại
hoặc từ nhựa có thể gấp lại được Bản
thân việc tạo ra hình ảnh là do các
phần tử hữu cơ nằm trên tầm nền tự
phát ra, cho nên việc uốn cong tầm
nền không ảnh hưởng đến việc tạo ra
hình ảnh
- Loại OLED này nhẹ, có tuổi thọ cao, kết hợp với khả năng gấp được rất thuận lợi với các ứng dụng ở điện thoại di động, các thiết bị số cầm tay và các ứng dụng rất táo bạo trong tương lai
3.7 OLED trắng
OLED trắng là loại OLED đặc
biệt, có khả năng phát ra ánh sáng
trắng Bức xạ ánh sáng trắng từ
OLED có thể được nhận ra với hỗn
hợp của hai màu phụ hoặc ba màu
cơ bản Cách thức chế tạo này đem
lại lợi thế của cấu trúc đơn
Với khả năng này, OLED trắng đã
được ứng dụng vào việc chiếu
sáng
Trang 15nhau và hiệu suất thấp được so sánh tới OLED đơn sắc Hiệu quả hiện tượng đổi màu từ sự tái hợp phụ thuộc vào độ linh động của hạt tải Gần đây, độ ổn định của màu đã đạt được bằng cách làm bay hơi những hỗn hợp bao gồm chất nền blue và pha tạp đổ như EML.
Từ những đặc điểm trên, OLED trắng đang dần được đưa vào nhằm thay thế các đèn huỳnh quang trong việc chiếu sáng
IV Vật liệu làm OLED
- OLED có nhiều lớp, trong đó thành phần chính của một cấu trúc OLED chính là lớp hữu cơ
4.1 Dựa theo khối lượng phân tử:
Nếu phân loại theo khối lượng phân tử thì OLED được chia thành hai loại: a) OLED phân tử nhỏ có khối lượng phân tử nhỏ hơn 1000 (g.mol-1) thường được chế tạo bằng phương pháp nhiệt bốc bay dưới áp suất cao (Ultra High Vaccum CVD)
b) Polymer OLED có khối lượng phân tử lớn hơn 10.000 (g.mol-1) hay cò gọi là PLED (Polymeric Light-Emitting Device)
- Năm 1990, Burroughes và cộng sự đã chế tạo PLED đầu tiên bằng phương pháp quay phủ (Spin-Coating).Với thành phần chính là một màng mỏng PPV (poly(p-phenylene vinylene) phát ánh sáng vàng xanh Cấu tạo của PLED gồm Al/Al2O3/PPV/Al Phổ phát xạ và hiệu suất của polymer dẫn có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng các vật liệu phù hợp
