legin07
Trung Tá
Tổng số bài gửi : 43
Join date : 02/11/2010
Đến từ : Chemical Applied Department_TraVinh University
 | Tiêu đề: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC PHÁT SÁNG CỦA OLED  Sun Dec 05, 2010 11:15 am | |
| Trong khi đèn bán dẫn LED dần dần được hoàn thiện và cho ra nhiều màu sắc. Những vật liệu phát quang khác xuất hiện. Đây là những vật liệu hữu cơ vô định hình (amorphous) khác với chất bán dẫn là vật chất kết tinh (cyrstalline). Vật liệu hữu cơ là vật liệu có nguyên tố cấu thành chính là carbon. Cũng nhờ đặc tính vô định hình, các đèn phát quang hữu cơ (OLED, organic light emitting diode) có thể được chế tạo bằng một quá trình đơn giản hơn, giảm giá thành. Thật ra, đèn phát quang dùng tinh thể hữu cơ như anthracene, naphthalene và pyrene (có cấu tạo của những nhân benzene dính vào nhau) đã được biết hơn 20 năm. Tuy nhiên, các tinh thể nầy không bền, hiệu suất không cao. Điện áp sử dụng phải ít nhất 10 V, nhưng thông thường phải ở phạm vi 50 V đến 100 V. Đèn phát quang hữu cơ nhanh chóng bị bỏ quên vì không có giá trị thực tiễn. Tuy nhiên, vào năm 1987 một loại đèn phát quang hữu cơ được phát hiện tại công ty Eastman Kodak (Mỹ). Ba năm sau đó, nhóm nghiên cứu của giáo sư Richard Friend tại đại học Cambridge (Anh) tuyên bố thành quả dùng polymer dẫn điện làm môi trường phát quang (polymer light emitting device, PLED).
Tương tự như đèn bán dẫn LED, các loại đèn dùng chất hữu cơ hay polymer nầy có thể phát quang ở điện áp vài volt. Nhưng khác với LED mà trung tâm phát quang là chất rắn bán dẫn có kích thước vài mm, trung tâm phát quang của OLED và PLED có cấu trúc "sandwich" (bánh mì kẹp) rất mỏng với độ dày của toàn thể các lớp phủ vào khoảng vài trăm nanometer (1 nm = 10-9 m), tương đương với 1/1000 độ dày sợi tóc (Hình 2). Như trong hình vẽ, từ dưới lên ta có một nền thủy tinh được phủ một lớp mỏng indium-tin-oxide (ITO). ITO là một oxide dẫn điện cung cấp các lỗ trống (+) khi nối với cực dương của một nguồn điện. Sau khi được phủ bởi ITO thủy tinh vẫn còn trong suốt và ta có thể thấy sự phát quang từ "khung cửa" thủy tinh nầy. Các nhà khoa học rất may mắn có một vật liệu như ITO, vừa dẫn điện, vừa chịu nhiệt và cho ra những hạt mang điện tích dương (lỗ trống). ITO có thể phủ lên những tấm plastic trong suốt cho trong những áp dụng thực tế. Tóm lại, ITO không thể thiếu trong việc phát triển OLED và PLED. Trên lớp ITO là môi trường phát quang. Môi trường phát quang có thể được thiết kế một hay nhiều lớp phủ khác nhau để tối ưu hóa sự phát quang (trong hình vẽ chỉ có một lớp). Sau cùng là lớp cung cấp điện tử chẳng hạn như nhôm (Al), calcium (Ca) hay magnesium (Mg). Lớp nầy được nối với cực âm của nguồn điện. Khi cho dòng điện chạy qua cấu trúc nầy, sự phối hợp của điện tử và lỗ trống (+) sẽ xảy ra trong môi trường phát quang. Giống như chất bán dẫn, độ dài sóng của ánh sáng phát ra tuy vào trị số khe dải của môi trường
 Cấu tạo đèn OLED và PLED
Năm 1987, trong khi khảo sát một loại pin mặt trời (solar cell) dùng chất hữu cơ, Ching W. Tang và Steve A. VanSlyke của công ty Eastman Kodak (Mỹ) hết sức ngạc nhiên khi có một dòng điện chạy ngang thì ánh sáng màu xanh xuất hiện từ chất hữu cơ. Hai nhà khoa học nầy bỏ lửng công trình pin mặt trời để dốc sức vào việc nghiên cứu đèn OLED. Họ đã công bố trên tạp chí chuyên ngành một trang cụ phát quang rất đơn giản, nhưng lại là một sáng tạo thiên tài. Trong hình cho thấy hai lớp vật liệu hữu cơ: (1) diamine thơm (aromatic diamine) và (2) 8-hydroxyquinoline aluminium (viết tắt: Alq3). Cực âm là hợp kim Mg/Ag cung cấp điện tử. Lỗ trống (+) từ cực dương ITO và điện tử phối hợp tại môi trường phát quang Alq3 cho ra ánh sáng xanh. Lớp phủ diamine thơm cho lỗ trống (+) đi qua nhưng chắn điện tử lọt vào. Như vậy, điện tử không còn đường thoát mà phải phối hợp với lỗ trống (+) tăng hiệu suất phát quang. Những hiện tượng đưa đến sự phát quang ở hai lớp phủ Alq3 và diamine thơm xảy ra trong một không gian có độ dày không quá 150 nm. Hai lớp nầy được phủ qua một quá trình bốc hơi nhiệt (thermal evaporation) trong chân không. Sau phát minh nầy, OLED dùng những phân tử nhỏ tương tự như Alq3 có tên gọi là OLED kiểu Kodak (Kodak-type). Kodak tiếp tục phát triển OLED và cho đến ngày hôm nay có doanh thu vài tỉ USD hằng năm trên lĩnh vực nầy. Các doanh nghiệp Nhật Bản ồ ạt đua nhau nghiên cứu và đưa ra nhiều OLED nhiều màu sắc rất ngoạn mục, nhưng vẫn bị Kodak chi phối trên vấn đề sở hữu trí tuệ. Cấu tạo đèn OLED Kodak và cấu trúc phân tử
Áp dụng đầu tiên của Kodak là màn hình OLED của máy ảnh kỹ thuật số (digital camera) và máy quay phim. Đây là một áp dụng khôn ngoan vì những ưu điểm của OLED được tận dụng và nhược điểm không được phô bày. Đối thủ chính của OLED là màn hình tinh thể lỏng (liquid crystal display, LCD). So với LCD, OLED có thể cho 16 triệu màu khác nhau (LCD: 262.000 màu), không bị ảnh hưởng của góc nhìn như LCD, nhờ vậy màu trở nên rõ và sắc. Tuy nhiên, OLED không có tuổi thọ dài và chưa được phát triển để dùng cho màn hình to. Những nhược điểm nầy đang được khắc phục và phòng thí nghiệm Kodak đang chế tạo thành công màn hình 15 inches cho vi tính và tivi dùng OLED. Màn hình nầy cực mỏng (1,8 mm) và ít hao điện hơn LCD.
Loại đèn phát quang hữu cơ thứ hai là đèn diode polymer (polymer light emitting diode, PLED). Vào năm 1990 ba năm sau ngày Tang and VanSlyke chế tạo OLED, Jeremy Burroughes thuộc nhóm nghiên cứu của giáo sư Richard Friend tại Đại học Cambridge (Anh) đã dùng polymer dẫn điện làm môi trường phát quang, chế tạo thành công đèn PLED [2]. So với OLED, phương pháp phủ lớp polymer dễ dàng hơn vì không cần phải thực hiện trong chân không. Dung dịch polymer được nhỏ trên một chất nền rồi để vào máy ly tâm. Lớp phủ polymer sẽ thành hình sau khi được quay trong máy ở một vận tốc khá nhanh (1500 vòng/phút). Điều tiện lợi thứ hai là nhờ vào sự dẫn điện của môi trường phát quang polymer, đèn PLED có thể sử dụng ở điện áp thấp (2 – 8 V).
Burroughes và cộng sự dùng poly (phenylene vinylene) (PPV) (Hình 4) cho môi trường phát quang, calcium cho âm cực và ITO cho dương cực như OLED. Đèn PLED với PPV cho ra ánh sáng màu vàng/xanh lá cây vì trị số khe dải năng lượng của PPV (2,1 - 2,5 eV) trùng hợp với vùng năng lượng ánh sáng nầy (Bảng 1). Đèn nầy có hiệu suất phát quang rất hữu hiệu. Ở độ sáng của màn hình vi tính, đèn PPV có tuổi thọ hơn 10.000 giờ - vào khoảng 4 năm nếu dùng 7 giờ/ngày. Mặc dù đèn PLED được phát minh chỉ sau OLED 3 năm, nhưng phát triển của PLED tạo thành sản phẩm thương mãi còn rất chậm so với OLED. Nguyên nhân chính là sự điều chỉnh màu sắc của môi trường phát quang polymer vẫn còn khó khăn. Tuy nhiên, PLED ngày càng bắt kịp OLED và khoảng cách phát triển càng thu hẹp
 Poly (phenylene vinylene) (PPV), poly(p-phenylene) (PPP) và các polymer dẫn xuất
Sau đèn PPV của Burroughes và cộng sự, các nhóm nghiên cứu khác đã sử dụng PPP và một loạt chất dẫn xuất của PPV và PPP cho thí nghiệm (Hình 4). Đặc điểm của các polymer nầy là nhân benzene. PPP phát ánh sáng xanh; MEH-PPV phát màu cam/đỏ. Một trong những lợi điểm của PLED là có thể điều chỉnh dễ dàng màu phát quang bằng cách thay đổi cấu trúc phân tử của polymer (Hình 4). Sự di chuyển màu từ vàng/xanh lá cây của đèn PPV đến màu cam/đỏ của đèn MEH-PPV là do sự biến chuyển của trị số khe dải từ 2,3 eV (PPV) đến 1,8 eV (MEH-PPV) (Bảng 1).
Ngoài ra, phát quang của các chất dẫn xuất của polythiophene (PT) cũng được khảo sát tỉ mỉ. Bằng phương pháp thay đổi các nhóm biên (side group) của nhân thiophene (Hình 5), người ta có thể chế tạo các loại đèn bao trùm tất cả loại màu từ ánh sáng tím đến ánh sáng đỏ và tia cận hồng ngoại
 Các polymer dẫn xuất của polythiophene (PT) và các vùng phát quang tương ứng trong vùng ánh sáng thấy được và cận hồng ngoại. Thiophene có cấu trúc vòng 5 góc chứa lưu huỳnh (S)
Điều chỉnh màu sắc được thực hiện bằng sự thay đổi khe dải năng lượng. Khe dải lại được thay đổi bằng cách gắn những nhóm biên vào mạch chính polymer. Sự điều chỉnh màu sắc bằng những thiết kế phân tử khác nhau trên mạch polymer cho thấy sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà vật lý, vật liệu học và các nhà hóa hữu cơ. Lý thuyết được tiên liệu bởi các nhà vật lý và bàn tay khéo léo cộng với trực cảm bén nhạy của các nhà hóa học đưa đến những tổng hợp thành công các chất dẫn xuất của PPV, PPP và PT có những khe dải được định trước để phát ra những màu sắc mong muốn.
Hiện nay, những trở ngại kỹ thuật nhất là tuổi thọ của đèn PLED đã dần dần được khắc phục. Đèn PLED có thể dùng ít nhất 10.000 giờ, đang bắt kịp người anh em OLED. Ngoài ra, quá trình sản xuất dùng máy ly tâm để tạo ra những lớp phủ là một phương pháp đơn giản và ít tốn kém hơn phương pháp chân không của OLED. Một cách phủ đơn giản hơn đang được triển khai để tạo lớp phủ phát quang polymer cực mỏng (~ 100 nm) là phương pháp bắn tia dựa trên căn bản "ink-jet" in chữ của các máy in vi tính. Vài năm trước đây, công ty Seiko-Epson hoàn thiện phương pháp bắn tia có khả năng thu nhỏ đèn PLED thành những pixel và chế tạo thành công màn hình nhỏ nhiều màu sắc. Các công ty như Dow Chemical, Du Pont, Hoescht, Phillips, Sumitomo, Dainippon Chemicals đang tiến hành việc thương mãi hóa PLED.
Màn hình tinh thể lỏng, LCD, có thể biến mất trên thị trường trong một tương lai gần khi những màn hình lớn OLED/PLED xuất hiện. Màn hình nầy sẽ có độ mỏng như một trang giấy, có thể cuộn tròn bỏ túi. Ngoài những áp dụng cho tivi hay máy vi tính, màn hình OLED/PLED có thể "dán" vào buồng lái xe hơi hay phi cơ dùng cho trang cụ định vị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Những bản đồ quân sự sẽ là những tấm OLED/PLED mỏng được cuộn tròn rồi mở ra dùng làm màn hình nối với máy vi tính trong những cuộc hành quân để nhận được những chỉ thị tức thời (real-time) từ bộ chỉ huy. Thị trường hiện tại của OLED với phần lớn màn hình cho máy ảnh kỹ thuật số và điện thoại di động có doanh thu 1 - 2 tỷ USD. Sự xuất hiện của PLED sẽ tăng kim ngạch nầy đến 20 - 30 tỷ USD vào năm 2012 –2015, 100 tỷ vào 2020 và 300 tỉ vào cuối thập niên 2020 [4].
Sự phát triển từ đèn phát quang hữu cơ đến màn hình hữu cơ OLED/PLED siêu mỏng, siêu nhẹ sẽ thay thế những màn hình tivi cổ lổ nặng như cối đá. Chỉ ngay trong lĩnh vực nầy thì cũng đã là một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật vĩ đại. Áp dụng của đèn và màn hình hữu cơ sẽ rộng khắp, vượt qua các áp dụng cổ điển hiện tại và sẽ tìm đến những áp dụng mới trong đó những tiêu chí về độ mỏng, độ sáng, nhẹ gọn, bền lâu và ít tiêu hao năng lượng sẽ được hoàn toàn đáp ứng. Chúa có thể đã ban phát cho vũ trụ những tia sáng đầu tiên, hoàn thành sứ mệnh "Sáng Thế" linh thiêng, nhưng trên quả địa cầu bé bỏng nầy dường như con người vẫn chưa chịu dừng bước. | |
|
