CONCEPTO DE OLED (diodo orgánico emisor de luz)

1. CONCEPTO DE OLED (diodo orgánico emisor de luz)

Un diodo orgánico de emisión de luz, es un diodo que se basa en una capa electroluminiscente formada por una película de componentes orgánicos que reaccionan, a una determinada estimulación eléctrica, generando y emitiendo luz por sí mismos.

1. ESTRUCTURA BASICA

Un OLED está compuesto por dos finas capas orgánicas: una capa de emisión y una capa de conducción, que a la vez están comprendidas entre una fina película que hace de terminal ánodo y otra igual que hace de cátodo. En general estas capas están hechas de moléculas o polímeros que conducen la electricidad. Sus niveles de conductividad eléctrica se encuentran entre el nivel de un aislador y el de un conductor, y por ello se los llama semiconductores orgánicos.

La elección de los materiales orgánicos y la estructura de las capas determinan las características de funcionamiento del dispositivo: color emitido, tiempo de vida y eficiencia energética.

En algunos textos se encuentra otro tipo de representación gráfica que se observa en la Figura 1. En esta Figura se destaca la composición de los diferentes componentes del display OLED, a saber:

1. El cátodo metálico de aluminio (Al) y oro (Au)
2. El encapsulado de EB y SPAN, que son tipos de ésteres, principalmente ésteres de sorbitan
3. Los fósforos de PP y V
4. El ánodo de Óxidos de Indio y Estaño (ITO)
5. El substrato transparente de vidrio

[pic 1]

Figura 1. Estructura básica de un OLED

Cuando se aplica un voltaje apropiado (típicamente de 2 a 10 volts) a la celda, las cargas negativas y positivas inyectadas se recombinan en la capa emisiva para producir la luz (electroluminiscencia). La estructura de las capas orgánicas y la selección del cátodo y ánodo están diseñadas para maximizar el proceso de pre combinación en la capa emisiva, maximizando de esta manera la salida de luz del dispositivo OLED.

1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El principio de funcionamiento es similar al de un diodo común, es decir el ánodo es positivo y el cátodo negativo. Así, el cátodo da electrones a la capa de emisión y el ánodo los sustrae de la capa de conducción.

Seguidamente, la capa de emisión comienza a cargarse negativamente debido al exceso de electrones, mientras que la capa de conducción se carga con huecos por carencia de electrones. Las fuerzas electrostáticas atraen a los electrones y a los huecos, los unos con los otros, y se recombinan. Esto sucede más cerca de la capa de emisión, porque en los semiconductores orgánicos los huecos se mueven más que los electrones (no ocurre así en los semiconductores inorgánicos).

La recombinación causa una emisión de radiación a una frecuencia que está en la región visible, y se observa un punto de luz de un color determinado. La suma de muchas de estas recombinaciones, que ocurren de forma simultánea produce la imagen que nosotros apreciamos en cualquier elemento con esta tecnología.

[pic 2]

Figura 2.  Principio de funcionamiento. 1. Cátodo (-), 2. Capa de emisión, 3. Emisión de radiación (luz), 4. Capa de conducción, 5. Ánodo (+).

1.  DEARROLLO DE LOS OLED EN LAS ULTIMAS DECADAS

La generación de luz por excitación eléctrica, se logró por primera vez en materiales orgánicos semiconductores (mono cristales de antraceno de espesor 1 a 5 nm) en los años 60.

Resolvieron el problema de la inyección de electrones en el material orgánico (por aquel entonces sólo la inyección de huecos desde una solución de yoduro potásico era eficiente) utilizando una solución de iones antraceno negativos. Esta fue la primera prueba experimental de que la electroluminiscencia necesita: inyección bipolar de carga en el dispositivo, captura de portadores de carga opuestos en la zona de recombinación y decaimiento radiactivo de los pares electrón-hueco excitados.

Hasta finales de los años 80 no se llevó a cabo una investigación más intensa, que se vería estimulada por el trabajo de Tang, del grupo Kodak. Su dispositivo electroluminiscente (con un espesor total de 135 nm) es aún el prototipo de los OLEDs actuales altamente desarrollados. Constaba de un contacto para la inyección de huecos de ITO (óxido de estaño e indio, que es un semiconductor inorgánico transparente altamente dopado), una diamina aromática (TPD) como material para el transporte de huecos, una capa de emisión de aluminio-tris(8-hidroxi-quinolinato) (Alq3) y una aleación de magnesio-plata (Mg:Ag) como contacto de inyección de electrones. Todas las capas eran amorfas y se depositaron mediante vapor. El gran éxito de este OLED puede atribuirse a la excelente elección de materiales involucrados:

(1) Alq3 muestra una alta eficiencia de fotoluminiscencia fuertemente desplazada hacia el rojo en la absorción.

(2) la capa de diamina mantiene la zona de emisión lejos de los contactos (en los que se produciría apagamiento).

(3) ITO y Mg:Ag muestran una inyección eficiente de huecos y electrones, respectivamente, en las capas orgánicas vecinas.

Pese a que Alq3  e ITO presentan desventajas en términos de estabilidad, siguen siendo ampliamente utilizados en OLEDs.

El OLED de 1987 necesitaba 5.5 V para alcanzar una luminancia de 100 cd/m2 (luminosidad usual de las pantallas de monitor y tubos de rayos catódicos) y tenía una eficiencia de corriente de aproximadamente 2 cd/A. La emisión en el verde se origina en la capa de Alq3. Este gran avance en la eficiencia del dispositivo y en voltaje de operación fue el comienzo de una investigación intensa en semiconductores orgánicos y su uso en OLEDs.

En el año 1990, fabricaron un OLED altamente eficiente basado en polímeros (PLED). El material de emisión de su prototipo era poli fenileno-vinileno (PPV), que, como Alq3, emite en la región del verde.

En torno a 1995, el desarrollo de procedimientos de acoplamiento en química organometálica (como el acoplamiento de condensación de Suzuki) para obtener polímeros conjugados de alta pureza.

Desde 1994, la utilización de polímeros conjugados dopados químicamente (polímeros conductores) como capa de inyección de huecos entre ánodo y capa de polímero emisor

El desarrollo de nuevos polímeros, como los copolímeros basados en PPV o los

Polifluorenos, con eficiencias de luminiscencia mejoradas.

Todos estos esfuerzos han llevado a OLEDs de polímeros con eficiencias energéticas de

16-22 lm/W para voltajes de operación tan bajos como 2.5-3.5 V para 100 cd/m2.

Para los OLEDs de polímero, el número de capas está limitado normalmente a dos, puesto que el disolvente para cada nueva capa depositada por spin-coating no debe disolver la anterior capa de polímero. En contraste, los OLEDs de pequeña molécula pueden constar de tantas capas como sea necesario para alcanzar el mejor rendimiento.

Por tanto, la optimización de los OLEDs puede hacerse utilizando nuevas capas moleculares con propiedades apropiadas.

Desde este punto de vista, los esfuerzos investigadores para disminuir los voltajes de operación y aumentar la eficiencia, se han de concentrar en tres objetivos separados:

1. La mejora de la inyección y transporte de huecos

2. El progreso en las capas de emisión

3. Los avances en la inyección de electrones

En relación con el primer objetivo, los problemas más importantes abordados han sido:

(a) disminuir la barrera energética para la inyección de huecos desde el ánodo de ITO hacia la capa de transporte de huecos (por ejemplo TPD) y mejorar el contacto entre la capa de transporte de huecos y el ITO, con la consiguiente mejora de la estabilidad del dispositivo18. Los OLEDs de pequeña molécula más recientes utilizan capas de inyección de huecos poliméricas tipo ftalocianinas.

(b) resolver los problemas de estabilidad de algunos materiales de transporte de huecos las capas de materiales formadores de vidrios cristalizan fácilmente a temperaturas de transición vítrea bajas, lo que hace rugosa la capa y da lugar a desprendimientos del contacto superior mediante el desarrollo de moléculas con aspecto estrellado (las llamadas starbursts) que forman capas vítreas muy lisas).

(c) controlar la preparación del ánodo de ITO. Es bien conocido que la preparación del ITO puede cambiar considerablemente tanto su función de trabajo como la rugosidad de su superficie. Sin embargo, el ITO sigue siendo la opción más común por su disponibilidad (debido a su uso a gran escala en la industria de cristal líquido), su alta transmisividad (>90% para 550 nm) y baja resistividad. Hasta la fecha, ningún otro material ha sido capaz de combinar estas propiedades mejor que el ITO.

Respecto al segundo objetivo, para la mejora de la eficiencia ha resultado más exitoso el uso de dopantes emisores. En este caso, una molécula orgánica que muestra excelentes propiedades de fotoluminiscencia en solución se mezcla en una pequeña proporción de aproximadamente un 1% en peso en una capa de transporte del OLED.

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