1.4. Энергетическая эффективность оled

Для устройств, твердотельного освещения, имеющих уже значитель­ную историю, энергетическая эффективность или эффективность по мощности (np), выражаемая в единицах люмен на Ватт (лм/Вт), при­нята в качестве основной. Именно этот параметр учитывается, пре­жде всего, при оценке достигнутого уровня и планирования развития светодиодной индустрии. Показатель (np) современных твердотельных светодиодов (LED) составляет 80 лм/Вт. На лабораторном образце белого светодиода компания Nichia Cоrp. получила эффективность 150 лм/Вт при постоянном токе 20 мА. Вычисление теоретического предела эффективной мощности представляет некоторые трудности из-за множественности взаимосвязанных параметров, влияющих на эффективность источ­ника излучения. По этой причине величины теоретической макси­мальной эффективности, приводимые разными источниками, сильно разнятся между собой: 360, 370 и 683 лм/Вт [7]. Лучший результат по эффективности, полученный на лабораторном образце ОLED, уже се­годня превышает 180 лм/Вт [8].

Энергетическая эффективность ОLED-устройства со стандартной диаграммой направленности излучения является функцией прило­женного напряжения V и эффективности по току n_c.

Эффективность по току, величина, соответствующая интен­сивности свечения по отношению к силе тока, проходящего через об­разец (кд/А). Величина n_c зависит от плотности тока и приложенного напряжения, поэтому при описании свойств материалов и светодио­дов приводится, как правило, с указанием соответствующей плотно­сти тока и/или напряжения. Лучшие из известных сегодня образцов ОLED имеют n_с более 40 кд/А, хотя для большинства устройств этот показатель находится в пределах 2–10 кд/А;

r_Int – внутренняя квантовая эффективность (отношение числа рожденных экситонов к числу образовавшихся фотонов, выражен­ное в %).

Для ряда фосфоресцентных материалов на основе тяжелых d-переходных металлов внутренняя эффективность приближается к 100% при эмиссии в зеленой области. Показатель красных и зеленых люминофоров значительно ниже, однако интенсивные исследования в этом направлении позволяют ожидать решения проблемы в ближай­шие годы;

5. Время жизни оled

Для коммерческих светоизлучающих диодов кроме приведенных выше характеристик огромное значение имеет время их устойчивого функционирования, то есть время жизни, которое определяется как время, за которое яркость свечения устройства при постоянном на­пряжении уменьшается в два раза от начальной величины. Поскольку стандартов тестирования органических светодиодов не существует, то начальная яркость, от которой в значительной степени зависит ско­рость «умирания» ячейки, выбирается произвольно. В большинстве случаев эта величина устанавливается в пределах 100–1000 кд/м², то есть близко к реальным условия эксплуатации приборов. Современ­ные ОLED-устройства имеют время жизни 50 000–100 000 часов, что эквивалентно 6–11 годам. Но это не является пределом: в 2009 г. компания DuPоnt (США) анонсировала разработку своей новой технологии ОLED, время жизни которого составляет более 1 миллиона часов, что равняется более чем 100 годам непрерывного использования. Если даже эта продолжительность сильно завышена, такой результат позволит практически закрыть проблему устойчивости приборов на основе органических светодиодов, тем более что для многих устройств достаточное время жизни составляет 3–5 лет (например, мобильные телефоны, плейеры, спецодежда), а в некоторых случаях достаточно и 1 года (например, рекламные наклейки, этикетки и т. п.).

Естественно, непосредственный мониторинг падения свечения приборов в течение 100 лет (и даже 11 лет) нереален. Поэтому время жизни ОLED определяется экстраполяцией кривой зависимости яркости от времени, что сопряжено с возможностью ошибки. Следует отметить, что начальный участок такой кривой (первые 1–2 часа), как правило, силь­но отличается от остальной части. При включении устройства часто на­блюдается резкое увеличение яркости в первые несколько минут и далее почти такое же быстрое падение интенсивности свечения до оптималь­ной величины, после чего кривая практически выходит на плато. Пред­полагается, что нелинейный характер начального участка кривой связан с «выгоранием» дефектных фрагментов в органических материалах.

Другой способ определения времени жизни заключается в ис­кусственном старении светодиода. Наиболее распространенными являются три метода ускоренного тестирования:

а) Повышение скорости старения путем повышения температуры и/или влажности, что приводит к ускорению химических процессов, способствующих деградации ОLED.

б) Повышение интенсивности использования. Например, приборы должен иметь срок службы 5 лет при использовании его 70 раз в день (например, ОLED-экран мобильного телефона), но, тестируя приборы 100 раз в день, можно сократить его срок службы (для многих потенциальных предпосылок отказа) до нескольких дней. Подобная форма ускорения наиболее проста в реализации.

в) Повышение уровня нагрузок (например, напряжения), в кото­рых работает тестируемое устройство. Отказ устройства происходит, когда степень его сопротивляемости падает ниже прикладываемой нагрузки.

Возможна также комбинация указанных методов ускорения срока службы. Следует, однако, иметь в виду, что ускоренное тестирование по­зволяет оценить время жизни светодиода лишь приблизительно, то есть ошибка возможна даже в большей степени, чем при экстраполяции.

Приведенная выше уже достигнутая в некоторых случаях и про­гнозируемая продолжительность жизни ОLED-устройств вселяет оптимизм, однако реальный современный уровень стабильности коммерческих приборов еще недостаточен. Поэтому интенсивные поиски путей повышения устойчивости светодиодов проводятся в многих компаниях и исследовательских центрах.

Продолжительность функционирования светодиодов зависит от многих факторов, таких как начальная яркость, напряжение, плот­ность тока, температура, воздействие окружающей среды, химиче­ская устойчивость катодных материалов и др. Однако основной вклад в стабильность устройства вносят органические компоненты, и пре­жде всего эмиссионные материалы.

Оказалось, что время жизни органики, излучающей свет, находит­ся в прямой зависимости от длины волны. Красные и зеленые ОLED могут работать десятки тысяч часов. Синие эмиттеры разрушаются значительно быстрее. При этом они не «ломаются» внезапно, а посте­пенно деградируют, что существенно отражается на качестве цветопе­редачи. Дисплей начинает «заваливаться» в один из цветов.[9]

Хотя срок эксплуатации зеленого материала больше, чем у красно­го и тем более синего, его угасание более чувствительно для форми­рования цветов, поскольку именно зеленый придает больше яркости белому. Естественно, что повышение устойчивости эмиттеров каждо­го из базовых цветов приведет к общему увеличению срока эксплуа­тации дисплея[8].

1.6. p-n Переход в светоизлучающих диодах

ОLED – это светодиод, или точнее светоизлучающий диод, на основе органического эмиттера, полу­проводниковый приборы, излучающий некогерентный свет при про­пускании через него электрического тока. Процессы в органических полупроводниках имеют определенную специфику, но в целом под­ход к работе ОLED невозможен без пояснения основных характери­стик полупроводников[10].

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава и молекулярного строения использованного в нем полупроводника. Как и в любом полупроводниковом диоде, в органическом светодиоде имеется p-n переход (n – negative, отрицательный, электронный; p – pоsitive, по­ложительный, дырочный). При пропускании электрического тока в прямом направлении носители заряда - электроны и дырки - ре­комбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

p-n-Переход, или электронно-дырочный переход, является раз­новидностью гетропереходов. Зоной p-n-перехода называется область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной р.

При контакте двух областей п- и р-типа из-за градиента концен­трации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p-области вблизи контакта после диффузии из нее дырок остаются некомпенсиро­ванные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области – некомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноимённо заряженных слоев.

Между некомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффу­зии основных носителей через контакт – устанавливается состояние равновесия. При этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии и ток неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи компенсируют друг друга. Между p и n-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной раз­ностью потенциалов. Потенциал p области положителен по отноше­нию к потенциалу n области. Обычно контактная разность потенциа­лов в данном случае составляет десятые доли вольта.

Внешнее электрическое поле изменяет высоту энергетического барьера между р и n зонами и нарушает равновесие потоков носи­телей тока через барьер [11].

Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный барьер понижается (прямое сме­щение), а ОПЗ сужается. В этом случае с ростом приложенного на­пряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали n-n переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция не основных носителей). Одновременно в р- и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вы­зывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В ре­зультате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспонен­циально возрастает.

Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диф­фузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время поток неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втя­гиваются электрическим полем в p-n-переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей). Поток неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электрон-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и раз­деляются его полем, в результате чего через p-n-переход течет ток (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напря­жения. Таким образом, вольтамперная характеристика p-n-перехода обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход может изменяться в 10⁵–10⁶ раз.