Jaké materiály se používají k výrobě LED?

Ve srovnání s jinými běžnými světelnými zdroji, jako jsou žárovky, fluorescenční, plynové výbojové a elektroluminiscenční anorganické světlo-emitující diody (LED), OLED zdroje produkují rozptýlené, neoslňující světlo a obrazovky na nich založené mají vysoké podání barev a nízkou spotřebu energie. . Technologie jejich výroby navíc otevírá široký prostor pro designové nápady v oblasti vytváření různých tvarů a způsobů jejich kombinování v hotovém výrobku. Účelem tohoto článku je seznámit se s typickými materiály pro výrobu organických svítivých diod a jejich výběrem pro dosažení stanovených ukazatelů kvality, které odpovídají základním směrům vývoje technologií.

V posledních letech je zájem o výrobu organických světelných diod (OLED) aktivně podporován vědeckým výzkumem a experimentálními pracemi, čímž se otevírají rostoucí vyhlídky na využití této technologie při výrobě plochých, flexibilních a průhledných obrazovek digitálních technologií. zařízení, jakož i výrobky pro průmyslové osvětlení . Ve srovnání s jinými běžnými světelnými zdroji, jako jsou žárovky, fluorescenční, plynové výbojové a elektroluminiscenční anorganické světlo-emitující diody (LED), OLED zdroje produkují rozptýlené, neoslňující světlo a obrazovky na nich založené mají vysoké podání barev a nízkou spotřebu energie. . Technologie jejich výroby navíc otevírá široký prostor pro designové nápady v oblasti vytváření různých tvarů a způsobů jejich kombinování v hotovém výrobku. V současné době se již trh s výrobou OLED struktur odhaduje na stovky miliard dolarů. Jeho růst je podporován plošným výzkumem jak v oblasti technologických materiálů, tak ve zlepšování technologického procesu obecně. Navzdory působivým výsledkům dosaženým od první výroby produktů na bázi OLED čelí vědci a inženýři obrovskému množství výzev při optimalizaci parametrů kvality produktů, jako je jas a rovnoměrnost osvětlení, sytost barev, účinnost osvětlení a stabilita a životnost LED. výrobní náklady a výtěžnost produktu. Významnou roli v tom hraje hledání nových technologických řešení, včetně technologických materiálů. Účelem tohoto článku je seznámit se s typickými materiály pro výrobu organických svítivých diod a jejich výběrem pro dosažení stanovených ukazatelů kvality, které odpovídají základním směrům vývoje technologií.

Variace v implementaci technologie

Na základě typu organického materiálu použitého jako emitor světla v diodě existují dvě hlavní možnosti implementace technologie organických diod vyzařujících světlo – SM-OLED a PLED.

První pracovní vzorky LED na bázi malých molekul (malomolekulové OLED, SM-OLED), které vykazovaly příslib dalšího výzkumu v tomto směru, získal Ching W. Tang ve výzkumném středisku Eastman Kodak v roce 1970- x let Když se dnes mluví o OLED, mají zpravidla na mysli tuto konkrétní možnost, protože to byla původní. Materiály emitující světlo pro SM-OLED jsou fluorescenční nebo fosforescenční kovové sloučeniny na bázi lanthanoidů (Ce, Nd, Sm) nebo kovů skupiny platiny, dále sloučeniny na bázi hliníku, berylia, mědi a zinku v kombinaci s donorovými molekulami heterocyklu. skupina (benzoxazol, hydroxochinolin, benzothiazol, triarylamin atd.). První a stále široce používanou sloučeninou je 8-hydroxychinolin hlinitý Al (C₉H₆NE)₃, který se nejčastěji označuje jednodušeji – Alq₃ (Obr. 1). Je to amorfní žlutozelený prášek, nerozpustný ve vodě, s bodem tání nad +300 °C. Používá se jako zářič v zeleném spektru, materiál pro elektronovou transportní vrstvu a základní materiál pro zářič ve žluté a červené barvě. Způsobem nanášení tenkých vrstev takového materiálu je tepelné vakuové nanášení (tepelné odpařování).

Obr. 1. Vzhled a strukturní vzorec sloučeniny Alq3

Základy technologie Polymer LED byly položeny v roce 1989, kdy profesor Richard Friend spolu se skupinou chemiků z laboratoře na University of Cambridge objevili polymery emitující světlo (LEP).

Materiály vyzařující světlo pro LED diody z konjugovaného polymeru (P-OLED nebo PLED) jsou elektroluminiscenční polymerní sloučeniny, jako je polyfluoren (PF) nebo polyfenylenvinylen (PPV). Ten druhý (chemický vzorec (C₈H₆)_n) je polymer s vysokým stupněm krystalizace, snadno se získá v čisté formě, má stabilní elektrické parametry a používá se jako emitor ve žlutém spektru (obr. 2). Tenké filmy takového polymeru jsou nanášeny pomocí metody rotujícího substrátu pomocí odstředivky (spin coating).

Obr. 2. Vzhled a strukturní vzorec PPV polymeru

Stručný popis typické struktury OLED

Než přistoupíme přímo k analýze typických materiálů používaných k získání požadovaných parametrů produktu, stručně se zamysleme nad strukturou (obr. 3) a principem činnosti organické svítivé diody. Jeho struktura je obecně kombinací několika tenkovrstvých vrstev různých materiálů vložených mezi vrstvy elektrod. Anoda je obvykle průsvitná.

Obr. 3. Struktura jednoho pixelu organické LED obsahující všechny typy pomocných vrstev:
1 – katoda;
2 — nárazníkové vrstvy;
3 – injektážní vrstvy;
4 – transportní vrstvy;
5 – blokovací vrstvy;
6 – emisní vrstva;
7 – průhledná anoda;
8 – průhledná podložka

Podle funkčního účelu lze vrstvy rozdělit na:

• vstřikování (zrychlení pohybu nosičů náboje na cestě k transportní vrstvě);
• transportní nebo vodivé (pohyb nosičů náboje, elektronů a děr, od katody, respektive anody, k emisní vrstvě);
• blokování (úprava průchodu nabitých částic do emisní vrstvy a polohy rekombinační oblasti);
• emise (rekombinace elektronu a díry, vznik molekulárního excitonu, světelné záření);
• pufr (regulující vodivost částic v injekční vrstvě);
• vrstvy elektrod (generování usměrněného pohybu nabitých částic pod vlivem aplikovaného elektrického potenciálu).

Proces emise světla v organické LED se nazývá elektrofosforescence. Spočívá v tom, že vlivem aplikovaného potenciálu dochází k usměrněnému pohybu nabitých částic přes organické vrstvy. Katoda směruje elektrony do emisní vrstvy organických molekul. Anoda je odstraňuje z transportní vrstvy organických molekul. Obecně platí, že na rozhraní transportní a emisní vrstvy se elektron rekombinuje s dírou (uvolněná energetická hladina), přičemž se uvolňuje energie ve formě fotonu světla.

Počet vrstev v moderní organické LED se může lišit od sedmi do devíti. Vezmeme-li první vytvořený prototyp OLED (Kodak, 1987), pak jeho struktura vypadá takto: anoda–transportní vrstva (pro díry)–emisní vrstva–vyrovnávací vrstva (elektrony)–katoda. Emisní vrstva samotná působí jako elektronová transportní vrstva, protože sloučenina Alq₃ Je také schopen vykonávat funkce přenosu náboje, ale tato možnost nemá stabilní provoz a pro změnu řady klíčových parametrů (pro dosažení požadovaných ukazatelů) se používá také široká škála různých organických přísad, o kterých bude řeč o trochu později.

V této fázi je důležité zdůraznit hlavní technologické parametry, jejichž zlepšování je neustálým úkolem optimalizace výroby produktu:

• proudová účinnost (Cd m 2 /A);
• energetická účinnost (lm/W);
• barevnost;
• vnější a vnitřní kvantová účinnost;
• prahové napětí (V);
• život.

Typické materiály vrstvy OLED

Byl uveden stručný popis vrstev a jejich funkční účel, nyní je důležité rozhodnout, které materiály ak jakému účelu jsou použity v každém typu vrstvy organických světelných diod. Počínaje funkcí vrstvy můžete přímo přejít k charakteristikám požadovaným od materiálů pro jejich výrobu.

Elektrody

Je zřejmé, že kromě dobré vodivosti vyžaduje materiál anody také schopnost propouštět světelné paprsky. Nejčastěji používaným materiálem anody je ITO (Indium Tin Oxide). Chemický vzorec – In₂O₃:SnO₂ (obvykle je procento 90:10 hmotnostních). Tento materiál je za normálních podmínek šedá nebo žlutošedá pevná látka. Jeho tenkovrstvá (stovky nanometrů) struktura je však průhledná a bezbarvá. ITO je silně dopovaný polovodič n-širokopásmový typ. Je to kvůli tomu, že je transparentní pro paprsky ve viditelném spektru. Kromě optické propustnosti je další vlastností této látky dobrá elektrická vodivost. Je důležité zachovat rovnováhu, protože s rostoucí tloušťkou nastříkaného povlaku a koncentrací nosiče náboje se zvyšuje elektrická vodivost, ale klesá průhlednost.

Na materiál katody je jeden zásadní požadavek – musí emitovat elektrony co nejrychleji, to znamená mít nízkou aktivační energii. Jako materiály pro katody se používají kovy a slitiny na bázi mědi, hořčíku, zinku, stříbra a hliníku. Poslední kov je nejčastěji používaný. Způsob aplikace: tepelné odpařování.

Pomocné vyrovnávací a blokovací vrstvy

ITO-anoda/organická struktura hraje klíčovou roli ve stabilním provozu OLED zařízení. Často je vodivost otvorů v jejich transportní vrstvě vyšší než v odpovídající elektrodách. To vede k nesvětelným energetickým ztrátám a snížení účinnosti LED. Snížením pohyblivosti děr nebo zvýšením injektáže elektronů zavedením nárazníkové vrstvy lze dosáhnout požadovaného efektu na rovnováhu nosičů náboje. Tlumivé vrstvy se dělí do dvou skupin podle typu použitého materiálu – anorganické a organické

První zahrnují následující průsvitné oxidy: Pr₂O₃, A₂O₃, ZnO, Al₂O₃, SiO₂Si₃N₄, V₂O₅,Ta₂O₅ atd. Jsou atraktivní, protože umožňují snížit bariéru pro injektáž otvoru a zlepšit stabilitu konstrukce.

Organické materiály jsou ftalocyanin mědi, α-Septithiofen (α-7T), polytetrafluorethylen, fluoropolymery, poly(3-ethylendioxythiofen), kopolymer p-Isopropenylcalix[4]arenestyrenu (iPrCS). Výborně se osvědčil i pevný amorfní transparentní materiál polykarbonát s teplotou skelného přechodu +8…+140 °C. Výzkum ukazuje, že vrstva takového materiálu o tloušťce 150 nm je schopna snížit napájecí napětí diody z 9 na 12 V, zvýšit proudovou hustotu z 8 na 10 mA/cm 24 a zvýšit jas z 2 na 220 cd/m 650 .

Transportní a injekční vrstvy

U děr jsou pro jejich injekční vrstvu důležité parametry jako vysoká elektrická vodivost, nízká absorpce světla ve viditelném spektru a korespondence energetické hladiny nejvyššího obsazeného molekulárního orbitalu (HOMO) s výkonnostními charakteristikami anody. Transportní vrstva vyžaduje vysokou vodivost otvorů a široký pásový odstup. V případě elektronů je vše podobné, jen energetická korespondence musí být na katodě a na úrovni nejnižšího nezaplněného molekulárního orbitalu (LUMO). Pro objasnění výše uvedeného je znázorněn kvalitativní energetický diagram provozu struktury OLED (obr. 4).

Obr. 4. Zjednodušený energetický diagram LED

Stojí za to pochopit, že vzorce většiny aktuálně používaných materiálů pro tyto vrstvy jsou obchodním tajemstvím, takže není možné podrobně popsat každý z nich. Měli byste se zaměřit na nejdůležitější materiál z hlediska zlepšování kvality. V tomto ohledu je největší zájem o děrovou transportní vrstvu.

Z výše uvedených základních parametrů hraje nejvýznamnější roli životnost výrobku. V tomto ohledu by měla být kromě strukturální, elektrické a optické stability produktu věnována velká pozornost teplotní stabilitě parametrů vnitřních vrstev, zejména děrové transportní vrstvy. Při vystavení teplu většina organických materiálů krystalizuje do termodynamicky stabilní struktury, což vede k rychlému selhání produktu. Je známo, že amorfní tenký film s vysokou teplotou skelného přechodu je odolnější vůči tepelnému šoku. Pro materiál transportní vrstvy jsou tedy zvláště důležité následující parametry:

• vysoká teplota skelného přechodu (T_g více než +100 °C);
• vysoká vodivost otvoru;
• dobrá tvarovatelnost ve formě tenkého filmu.

Pro tyto účely se používají různé triarylaminové deriváty, jejichž strukturní vzorec včetně dvou možných rezonančních forem je na Obr. 5.

Obr. 5. Strukturní vzorec a možné rezonanční formy triarylaminu

Stabilita radikálových parametrů této nerozpustné sloučeniny při použití jako základního materiálu v transportní vrstvě otvorů závisí hlavně na sousední substituční skupině. Stabilizační mechanismus je nahrazen sousedními anionty. Konečné výkonové charakteristiky produktu OLED závisí na stupni stability. Specialisté společnosti Samsung provedli studie porovnávající čtyři typy materiálů pro transportní vrstvu otvorů v závislosti na typu použitého radikálu. Strukturní vzorce čtyř základních variant jsou na Obr. 6. Spektrum bylo měřeno metodou diferenciální skenovací kalorimetrie. Vzorky byly dvakrát vystaveny tepelnému šoku při teplotách +30…+300 °C. Teplota skelného přechodu byla měřena ve druhém zahřívacím cyklu. Teplotní stabilita byla testována pod inertní dusíkovou atmosférou.

Obr. 6. Strukturní vzorce studovaných radikálů

Kationt materiálu HTM2 je stabilnější než kationt materiálu HTM1 ve dvou ohledech. Za prvé, kation B je výhodný, protože má alespoň dvě další rezonanční formy a čím více jich je, tím je stabilnější. Za druhé, kationt B lze dále stabilizovat pomocí stérického efektu, reorientace v prostoru.

Vzorek HTM1 je typický materiál pro transportní vrstvu otvorů. Jak vyplývá z tabulky, všechny tři materiály na bázi fenylnaftyldiaminu mají vyšší teplotu skelného přechodu ve srovnání s běžným analogem HTM1 na bázi bifenyldiaminu. To dokazuje, že vysoká strukturální stabilita amorfní fáze naneseného filmu je nezbytnou podmínkou pro použití tohoto druhu materiálu jako transportních vrstev při výrobě elektroluminiscenčních zařízení. Kromě toho jsou ve srovnávací tabulce uvedeny charakteristiky zařízení vyrobených z těchto materiálů podle struktury ITO/HIL/HTM(1–4)/EML/Alq₃/LiF/Al.

LED diody jsou elektronické součástky, které přeměňují elektrickou energii na světlo. Jejich výroba zahrnuje použití různých kovů, které hrají důležitou roli ve fungování a dlouhé životnosti LED. Jedním z nejběžnějších kovů používaných při výrobě LED je hliník. Používá se k výrobě základny a chladiče LED, což zajišťuje efektivní odvod tepla. Kromě toho se v LED podložkách a vodičích často používá zlato, stříbro a měď, aby byla zajištěna elektrická vodivost a spolehlivé spojení. Důležitou roli v kvalitě a životnosti LED světelných zdrojů proto hraje výběr správných kovů a jejich kvalita.

Indium kovy

Indium je stříbřitě bílý chemický prvek páté skupiny periodické tabulky D.I. Mendělejev. Pokud se na tento prvek podíváte blíže, zjistíte, že je poměrně vzácný. Indium a jeho kovy lze nalézt v různých přírodních minerálech, jako je sfalerit, galenit a pyrit.

Indium a jeho kovy mají několik pozoruhodných vlastností, díky kterým jsou ideální pro LED aplikace. Má vysokou elektrickou vodivost, což umožňuje LED diodám pracovat s vysokou účinností. Také dobře odráží světlo, což zvyšuje jas a jasnost vyzařovaného světla.

Hlavním využitím kovů india v průmyslu LED je vytváření účinných fólií pro výrobu polovodičových materiálů. Indium se používá jako průhledná elektroda na povrchu LED. Přidává se také do vrstev mezi polovodičovým plátkem a průhlednými elektrodami, aby zajistil elektrickou vodivost.

Kromě toho lze indium použít k vytvoření speciálních fólií, které snižují odraz světla od povrchu LED, čímž zlepšují jeho účinnost a estetický vzhled. Indium tedy hraje důležitou roli při výrobě LED diod a pomáhá jim být energeticky účinnými a atraktivními pro spotřebitele.

Přítomnost kovů india v LED tedy hraje mimořádně důležitou roli při zajišťování účinnosti, jasu a kvality vyzařování světla. Bez těchto kovů by LED diody nemohly fungovat tak efektivně, jak jsme zvyklí. Proto můžeme být Indii vděční za to, že nám umožnila vychutnat si světlo našeho života prostřednictvím LED lamp a dalších zařízení.

Galliové kovy

Světelné zářiče vyrobené z galliových kovů jsou účinnější a odolnější než tradiční světelné zdroje, jako jsou halogenové žárovky nebo rtuťové výbojky.

Gallium se používá v LED diodách k vytvoření polovodičového materiálu arsenid galia (GaAs). Tento materiál má vysokou účinnost při přeměně elektrické energie na světlo, což umožňuje vytvářet jasné a energeticky úsporné LED diody.

Kromě toho se nitrid gallia (GaN) a nitrid india gallia (InGaN) používají také k výrobě LED diod. Tyto materiály umožňují vytvářet LED diody s různými barvami záře – od červené po modrou.

Je zajímavé poznamenat, že galium je jedním z nejvzácnějších prvků na Zemi. Jeho obsah v zemské kůře je pouze 0,0019 %, což z něj činí cenný a drahý materiál. Navzdory tomu se gallium aktivně používá v různých oblastech, včetně elektroniky, medicíny a LED osvětlení.

Gallium a jeho sloučeniny s jinými kovy tedy hrají důležitou roli při výrobě LED. Tyto materiály zajišťují vysoký jas, odolnost a energetickou účinnost LED světelných zářičů. Díky tomu se LED diody používají v různých oblastech, od domácího a venkovního osvětlení až po elektroniku a telekomunikace.

Hliník

Hliníková pouzdra LED poskytují nejen ochranu elektronických součástek, ale také účinný odvod tepla, což umožňuje LED diodám zůstat funkční po dlouhou dobu. Odvod tepla je jedním z hlavních problémů, kterým čelí výrobci LED, protože nadměrné teplo může způsobit slabý jas a zkrátit životnost LED.

Hliníková pouzdra LED jsou navíc lehká a odolná, takže se snadno instalují a přepravují. Tento materiál je ideální pro použití v různých prostředích, jako je venkovní osvětlení nebo světlomety automobilů, kde mohou být LED vystaveny vibracím a nárazům.

Hliník má navíc dobrou tepelnou vodivost, která podporuje rovnoměrné rozložení tepla po celém těle LED. To pomáhá zabránit přehřátí a poškození elektronických součástí uvnitř zařízení.

Hliníková pouzdra LED mají také vysoký stupeň ochrany před vnějšími faktory, jako je prach, vlhkost a koroze. To umožňuje použití LED v různých prostředích, včetně venkovního osvětlení a průmyslových aplikací.