Diodi organici luminescenti

Diodi organici luminescenti
G. BALDACCHINI, S. GAGLIARDI, S. GAMBINO, S. LORETI,
R.M. MONTEREALI, A. PACE
ENEA, UTS Tecnologie Fisiche Avanzate
P
resso il Laboratorio Laser a
Stato Solido del Centro Ricerche
ENEA di Frascati sono stati cresciuti e caratterizzati nell’aprile
2002 i primi diodi organici elettroluminescenti basati su Alq3, la
cui ampia banda di emissione
nel verde è centrata a 530 nm.
Per la prima volta in Italia è stato
realizzato un OLED (Organic
Light Emitting Diode) che utilizza una struttura innovativa a
doppio strato LiF/Al come catodo, ottenendo prestazioni paragonabili a quelle riportate nella
letteratura scientifica più recente (figura 1).
Le significative prestazioni ottenute in termini di luminanza
(12445 cd/m2 @ 20 V) ed efficienza luminosa (46 lm/W@ 20 V, misurate presso il Laboratorio di
Fotonica Molecolare dell’Università di Roma “La Sapienza”, soddisfano i requisiti per una nuova
generazione di display leggeri,
ultrasottili e ultrapiatti, nonchè
flessibili, grazie al possibile utilizzo di substrati plastici.
Gli OLED, che posseggono
un’alta brillanza con consumi ridotti e superiori caratteristiche
di contrasto, sono i candidati
ideali per un’ampia applicazione in nuovi prodotti audio e
video (telefonia mobile, car stereo, car navigation, flat pannel
display ecc.), che si prospettano
di gran lunga superiori alle attuali prestazioni degli LCD
(Liquid Crystal Display).
Tutte queste caratteristiche hanno da tempo destato l’attenzione di grandi aziende internazio-
Figura 1
Un dispositivo OLED
(campione #11) avente la struttura ITO/TPD/
Alq3/LiF/Al. Il diodo,
alimentato in corrente
continua a 1,6 mA,
emette luce verde osservabile a occhio
nudo
nali (Pioneer, Kodak, Sony,
Toshiba, Philips, Sanyo, Samsung ecc.) che hanno investito
grandi capitali nella ricerca e
sviluppo di questi nuovi materiali, come confermato dalle ultime indagini di mercato (figura
2). Inoltre da pochi mesi sono
stati introdotti sul mercato almeno due prodotti di largo consumo, un apparecchio elettrico
per barba della Philips ed una
macchina fotografica della
Kodak, che utilizzano per la
prima volta schermi luminosi
OLED.
I diodi realizzati a Frascati sono
stati cresciuti su substrati di
vetro ricoperti con un film sottile
di ITO (Indium-Tin-Oxide, In2O3:Sn)
commerciale della Delta Technologies avente uno spessore di
~ 180 nm ed opportunamente
“patternato” presso il CR ENEA
di Portici. Il film di ITO è utilizzato perchè è un materiale conduttore trasparente e possiede
una elevata funzione di lavoro,
pari a 4,9 eV, che lo rende particolarmente adatto come elettrodo iniettore di lacune per un
OLED. Tra i materiali organici
trasportatori di elettroni e che
siano contemporaneamente efficienti emettitori di luce visibile,
8-Hydroxyquinoline aluminum
(Alq3) è uno tra i più studiati.
Una diamina aromatica, N,N’diphenyl-N,N’-bis(3-methyl
phenyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine (TPD), è stata usata come
materiale per il trasporto delle
lacune. Essa mostra una eccellente capacità di iniettare e trasportare lacune, ed una buona
capacità di bloccare gli elettroni
in corrispondenza della superficie di confine HTL/ETL (HTL,
Hole Transport Layer/ETL, Electron Transport Layer). Un diodo
tipo è mostrato in figura 3.
I materiali organici e il catodo
metallico sono stati depositati
tramite evaporazione termica
ENERGIA, AMBIENTE E INNOVAZIONE 4/03
note tecniche
NOTE TECNICHE
83
NOTE TECNICHE
800
700
milioni di $/USA
600
500
400
300
200
100
0
2001
business
consumo
2002
2003
2004
comunicazioni
industria
2005
anni
computer
trasporti
Fonte: Opto & Laser Europe, January/February 2001
Figura 2
Crescita prevista del mercato degli OLED per i prossimi anni (US
market-research company Stanford Resources)
A1
Alq3-ETL
TPD-HTL
ITO
VETRO
EMISSIONE
Figura 3
Schema del diodo organico realizzato: substrato di vetro, anodo
trasparente (ITO), strato organico trasportatore di lacune (TPD),
strato organico trasportatore di elettroni ed emettitore di luce
(Alq3), catodo metallico (Al). Gli spessori degli strati di ETL e HTL
sono di circa 50 nm
utilizzando rispettivamente crogioli aperti in molibdeno e spire
in tungsteno. I diodi sono stati
realizzati depositando nell’ordine TPD, Alq3 e Al senza aprire la
camera di deposizione, impedendo così ogni possibile con-
84
taminazione durante la crescita
dei vari strati. Sono stati poi realizzati diodi aventi gli stessi
spessori di TPD ed Alq3, ma depositando un film ultra-sottile di
Fluoruro di Litio (LiF), di spessore inferiore a 5 nm, tra lo strato
emettitore di Alq3 e il catodo
metallico di Al. I risultati ottenuti
mostrano un miglioramento nell’iniezione degli elettroni ed una
più alta efficienza luminosa se
paragonata con la struttura in cui
l’elettrodo è costituito di solo Al.
Inoltre, si prevede di migliorare
ulteriormente le prestazioni del
prototipo realizzato mediante
l’ottimizzazione degli spessori
degli strati e delle loro condizioni
di preparazione, al fine di diminuire il valore della tensione di
soglia, attualmente di circa 10 V.
Come si è detto in precedenza,
gli OLED sono già entrati per alcuni prodotti nella fase di produzione industriale a causa delle
loro superiori caratteristiche,
ma una loro diffusa commercializzazione è per ora frenata dalla
vita media del materiale organico stesso (di circa 5-10 ore), che
lo rende ancora non adeguato
per un prodotto industriale di
largo consumo, nonostante i progressi nell’incapsulamento dei
dispositivi. È noto infatti che questi prodotti organici luminescenti, ed in particolare Alq3, subiscono un fenomeno di degradazione specialmente se sono immersi in atmosfera dove sono attaccati dall’ossigeno e dalla umidità. Per questo motivo, ancora
oggi, in molti laboratori vengono
ENERGIA, AMBIENTE E INNOVAZIONE 4/03
studiati intensamente i processi
di degradazione e di stabilizzazione dei composti organici luminescenti.
Nei Laboratori di Frascati questi
studi sono iniziati da qualche
anno ed i risultati ottenuti fino ad
ora sono stati superiori alle
aspettative. Infatti, alcuni meccanismi di degradazione sono stati
compresi e sono stati scoperti
due metodi, uno di natura chimica e l’altro di natura fisica, che
aumentano in modo considerevole la vita media dei film di
Alq3. Queste scoperte sono
state oggetto di due brevetti e
stanno per essere diffuse tramite opportune pubblicazioni fra
la comunità scientifica. In particolare, i brevetti sono stati depositati in ambito internazionale in
collaborazione con società nazionali che hanno espresso interessi per un possibile sfruttamento industriale.
Naturalmente la ricerca e lo sviluppo di questi materiali relativamente nuovi continua utilizzando
anche i vecchi ma collaudati metodi di spettroscopia ottica.
Nota
Hanno contribuito a questa linea di ricerca in varie fasi durante il suo svolgimento le seguenti persone: D. della
Sala (ENEA) e tutti i suoi collaboratori
presso il CR ENEA di Portici, F.
Michelotti, M. Bertolotti and F. Onorati
(Università di Roma, La Sapienza), C.
Calì (Università di Palermo), R.B. Pode
(University of Nagpur), e T. Baldacchini
(Boston College). Questo lavoro è
stato parzialmente finanziato dal progetto europeo E.R.D.F. FOTO.