Dispositivi elettroluminescenti organici: tecnologie di fabbricazione e metodologie di caratterizzazione
Creators: name: Maglione, Maria Grazia
Publisher: name: Università degli Studi di Napoli Federico II
Year: 2006

description: [ITALIANO] L’attività di ricerca si è concentrata sulla realizzazione e caratterizzazione di dispositivi elettroluminescenti organici (OLED) e quindi sull’ottimizzazione dei processi di deposizione e caratterizzazione di film sottili di materiali organici e metallici di cui sono composti.
Le maggiori industrie elettroniche del mondo (Samsung, Sony, Seiko-Epson, KODAK, etc.) prevedono che in futuro i display OLED contenderanno quote di mercato sempre più consistenti agli LCD (Liquid Crystal Display), ma c’è anche chi conta di produrre lampade OLED piatte e flessibili per l’illuminotecnica (Philips e General Electric, tra gli altri).
L’attività sperimentale ha avuto come scopo lo sviluppo e l’ottimizzazione di una tecnologia per la realizzazione di OLED tramite l’impiego di materiali organici a basso peso molecolare ed alto peso molecolare (polimeri propriamente detti). A tale scopo sono state affrontate le problematiche legate alle tecnologie di fabbricazione partendo dai risultati già presenti in letteratura.
Un dispositivo elettroluminescente organico, generalmente denominato OLED (Organic Light Emitting Diode), è costituito da uno o più strati sottili organici frapposti tra due elettrodi metallici. Uno di questi strati organici è designato essere quello luminescente.
Il principio alla base della luminescenza in un tale dispositivo è molto semplice: quando tra i due elettrodi è applicata una differenza di potenziale, l’anodo “immette” lacune nel dispositivo, il catodo elettroni. I portatori iniettati si ricombinano tra loro all’interno del dispositivo; se la ricombinazione della coppia elettrone-lacuna avviene con un processo radiativo, ad essa si accompagna emissione di luce. In questi dispositivi accade l’esatto contrario di ciò che avviene in una cella fotovoltaica.
La struttura di OLED più diffusa prevede una coppia di strati organici semiconduttori inserita tra due elettrodi: uno strato trasportatore di lacune, Hole Transport Layer (HTL) e uno strato trasportatore di elettroni, Electron Transport Layer, (ETL). Uno di questi strati organici è designato essere quello luminescente Emitting Layer (EL).
Gli strati organici possono essere depositati per evaporazione sotto forma di film sottili ma anche essere depositati da soluzione mediante tecniche di spinning, casting, ink-jet printing e altri metodi di stampa. Gli spessori di questi strati debbono essere molto sottili (circa 50 nm), a causa della elevata resistenza che i materiali organici oppongono al flusso delle cariche.
I diodi OLED si prestano a realizzazioni molto diversificate:
a)i substrati su cui vengono realizzati possono essere di silicio, vetro o materiali polimerici, per ottenere display rigidi o flessibili, di ogni dimensione (dai microdisplay da 1”, ai display da computer da 20” ed oltre);
b)la geometria dei contatti che iniettano la corrente determina la forma dell’area luminosa, permettendo di realizzare punti-immagine microscopici (pixel) ed immagini di forma arbitraria;
c)i pixel OLED possono essere organizzati sia come matrici passive (una semplice array di OLED elementari) che attive (dotando ciascun pixel del proprio circuito di controllo integrato).
In particolare le attività si sono concentrate sulla realizzazione di OLED singoli eterogenei (differenti materiali, geometrie, dimensioni, lunghezza d’onda di emissione) e sulla realizzazione di display OLED a matrice passiva e attiva (AMOLED: Active Matrix OLED).
La deposizione dei singoli layer costituenti l’OLED e’ stata effettuata tramite evaporazione ad effetto Joule e/o da fascio elettronico (e-beam). La caratterizzazione, dei singoli layer del dispositivo, è consistita in un’analisi morfologica (SEM, AFM, profilometria), strutturale (XRD, elettrica per valutare la conducibilità dei materiali), ottica (assorbimento UV-VIS, fotoluminescenza) per valutare le regioni dello spettro in cui i materiali assorbono e le lunghezze d’onda a cui emettono (per i materiali organici dei dispositivi).
A valle della realizzazione del dispositivo, sono state effettuate caratterizzazioni elettriche (I-V), per verificare il tipico andamento elettrico del diodo e la soglia di accensione, e caratterizzazioni di elettroluminescenza per verificare la lunghezza d’onda di emissione del dispositivo e la quantità di luce emessa (cd/m2).
I dispositivi realizzati sono stati ottimizzati su substrato di vetro e substrati polimerici (PES, PET, Arylite) e mostrano una tensione di accensione di 3-4 V.
Gli strati dell’OLED, in particolare gli organici ma anche gli elettrodi, sono suscettibili di deterioramento a causa della presenza dell’ossigeno e dell’umidità atmosferici. Ciò induce la formazione di zone non emissive ed il degrado delle caratteristiche del dispositivo.
La degradazione è stata attribuita a svariati meccanismi: cristallizzazione degli organici, reazioni elettrochimiche all’interfaccia elettrodi/organici, migrazione delle specie ioniche. Anche l’ossidazione del catodo e il suo distacco dallo strato sottostante sembrerebbero avere grossa rilevanza.
Per tutti i dispositivi realizzati è stato quindi messo a punto un processo di incapsulamento protettivo al fine di prevenire il deterioramento dei materiali organici e degli elettrodi ad opera degli agenti ossidanti presenti nell’atmosfera. Le caratteristiche dell’incapsulante scelto, e del nostro processo innovativo, garantiscono efficienza di isolamento e la completa compatibilità con il dispositivo.
Le prestazioni degli OLED sono strettamente legate ai meccanismi di trasporto che intervengono a determinare le proprietà del dispositivo luminescente. Una corretta analisi dei dati sperimentali permette di comprendere la fisica del dispositivo e di stimare le grandezze ed i parametri in gioco tramite l’utilizzo di modelli teorici.
Sono stati implementati diversi modelli di letteratura allo scopo di analizzare le caratteristiche corrente-tensione ed elettroluminescenza-tensione dei nostri dispositivi e individuare in tal modo possibili tecniche di ottimizzazione di processo.
Gli sviluppi dell’attività nell’immediato futuro riguardano principalmente la sintesi di materiali innovativi con migliori efficienze di luminescenza e tunabili nell’emissione della lunghezza d’onda, nuovi metodi di incapsulamento per OLED su substrato flessibile, una migliore comprensione dei meccanismi di trasporto tramite modelli teorico-analitici più completi che tengano conto delle interfacce metallo-organico e l’integrazione dei dispositivi OLED con l’elettronica di pilotaggio realizzata in tecnologia Thin Film Transistor (TFT) in silicio policristallino. / [ENGLISH] Research activity was focused on the realization and characterization of organic light emitting devices (OLED), on the optimization of deposition of thin films and on characterization processes for the device.
Most of electronic industries (Samsung, Sony, Seiko-Epson, KODAK, etc.) predict that in the future OLED displays will detract great part of the market to LCD (Liquid Crystal Display) and, moreover, research project are ongoing to produce flat and flexible OLED lamps (e.g. Philips and General Electric).
The aim of our experimental activity was the development and optimization of a technology to produce OLEDs using both small organic molecules and polymers. The work just started from results on fabrication technology already available in literature to develop new approaches and methods.
An OLED (Organic Light Emitting Diode) is made of at least one organic thin film deposited between two metallic electrodes. One of the organic layers is the light emitter.
The general principle of electroluminescence in such a device is that, when a bias voltage is applied between the two electrodes, the anode injects holes in the device while the cathode injects electrons. Holes and electrons recombine inside the device and if the recombination occurs with a radiative mechanism there is light emission. This is the opposite of what happens in a photovoltaic device.
The most common OLED structure is based on two semiconducting organic layers; one is the Hole Transport Layer (HTL) and the other one is the Electron Transport Layer (ETL); usually one of these two layers is also the Emitting Layer (EL).
Depending on the materials, organic thin films can be deposited by evaporation or by spin coating, solution casting, ink-jet printing or other printing techniques. The thickness of these layers must be accurately controlled at about 50 nm to minimize the high electric resistance of organic materials.
OLED can be applied to several systems and devices:
a)they can be realized on silicon, glass or polymeric substrates, in order to obtain rigid or flexible displays, which dimensions can be varied from 1” (microdisplays) to 20” and over.
b)the pattern of the electrodes determines the shape of the light-emitting area and this allows to realize microscopic dots (pixels) or LEDs of the desired shape.
c)OLED pixels can be organized both in passive matrices (arrays of simple OLEDs) and in active matrices (each pixel has its own integrated control circuit).
Thesis activities were particularly focused on the realization of single heterogeneous OLEDs (different materials, shapes, dimension, emission wavelength) and on the realization of passive and active matrix OLED displays (AMOLED: Active Matrix OLED).
Layers deposition was realized by Joule effect and/or e-beam (electronic beam) evaporation. The characterization was conducted by morphological analysis (SEM, AFM, profilometer), structure analysis (XRD), electrical analysis (conductivity), optical analysis (UV-VIS absorption, photoluminescence) to evaluate the absorption regions and the emitting wavelengths (only for organic materials).
After the realization of the device, electrical characterizations (I-V) have been carried out to verify the electric behaviour typical of diodes and the threshold voltage of the devices, while by optical characterization emitting wavelength and amount of emitted light (cd/m2) were determined.
All devices have been optimized both on glass and on polymeric substrates (PES, PET, Arylite) and show an on voltage between 3-4 V.
Both organic and metallic layers composing OLED easily deteriorate on account of the interaction with oxygen and wet air. This cause the formation of not-emitting areas and the degradation of device performances. For all the devices a protective encapsulation process was set up. Its goal was to avoid the organic materials and the electrodes degradation. The features of the encapsulating agent employed and our innovative process guarantee efficient insulation and a complete compatibility with the device.
OLEDs performances are strictly related to transport mechanisms which determine luminescent device properties. A correct analysis of experimental data allows a comprehension of device physics and an esteem of physic units and parameters through theoretical models.
Some different literature models were implemented to analyze current-voltage and electroluminescence-voltage characteristics in our manufactured devices and to identify optimization techniques for the process.
In the next future, activity developments are mostly related to the synthesis of innovative materials with better luminescence efficiency and tunable wavelength, new encapsulation techniques for OLEDs on flexible substrate, a better comprehension of conduction mechanisms through more complete theoretical-analytical models, that will consider the effects of metal-organic interfaces, and OLED devices integration with driving electronics which is manufactured in Thin Film Transistor (TFT) technology in polycrystalline silicon.