Innovative OLED-Technologien für neue Anwendungsgebiete

Pfeiffer, Pascal; Wuttig, Matthias; Vescan, Andrei

doi:10.18154/RWTH-2019-07896

Innovative OLED-Technologien für neue Anwendungsgebiete

Pfeiffer, Pascal^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Pascal Pfeiffer M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (vii, 160 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vescan, Andrei (Thesis advisor)^RWTH* ; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-08-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-07896
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/766175/files/766175.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Verbindungshalbleiter (612020)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dotierung (frei) ; OLED (frei) ; Rückseitenkontakte (frei) ; organische Halbleiter (frei) ; transparente OLED (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Mit OLED (Organic Light-Emitting Diode) Displays wurden im Bereich kleiner mobiler Geräte neue Standards gesetzt. Organische Displays bieten nahezu unendliche Kontrastwerte, geringe Schaltzeiten sowie einen sehr großen Farbraum mit hohen Sättigungswerten. Darüber hinaus bieten OLEDs auch neue Anwendungsmöglichkeiten, die mit herkömmlichen Technologien nicht realisiert werden können. Beispielsweise sind transparente OLEDs (TrOLEDs) Schlüsselkomponenten für Displays der Zukunft, die in Head-Up-Displays (HUD) oder Augmented-Reality (AR) zum Einsatz kommen können. Im ausgeschalteten Zustand sollen solche Displays möglichst lichtdurchlässig sein. Fenster oder Raumteiler aus TrOLEDs könnten bei Dunkelheit oder in der Dämmerung so z. B. als Lichtquelle dienen. Um weitere Marktanteile zu erobern, muss die relativ junge Technologie den noch bestehenden Rückstand (Effizienz, Lebensdauer) zu etwa den LC-Displays aufholen. Darüber hinaus müssen Alleinstellungsmerkmale von OLEDs (homogene großflächige Lichtquellen, hohe Transparenz) konsequent weiterentwickelt werden. In der vorliegenden Arbeit werden innovative OLED-Technologien untersucht, die letztendlich den Weg für solche neuartigen Bauteilkonzepte und Anwendungen ebnen sollen. Als Grundlage für die durchgeführten Experimente wurde im ersten Teil der Dissertation in einer umfangreichen Studie ein vereinfachter und trotzdem effizienter organischer Schichtstapel, bestehend aus nur drei organischen Halbleitermaterialien, entwickelt. Durch exaktes Einstellen einer ausgeglichenen Ladungsträgerbalance und mit einer ausgedehnten Rekombinationszone wurde eine hohe Lichtausbeute von bis zu 31 lm/W (bei 3000 cd/m²) erzielt. Der einfache Schichtstapel ermöglichte es zudem, physikalische Prozesse im Bauelementvolumen und an Grenzflächen (z. B. Exzitonenbildung, -diffusion und -annihilation) zu identifizieren und zu quantifizieren. Daraufhin wurden TrOLEDs hinsichtlich Lebensdauer und Transmission optimiert. Statt der üblicherweise verwendeten Kathoden aus Ag oder ITO wurde eine dünne semi-transparente Au-Schicht als (Top)-Kathode implementiert. So zeigten TrOLEDs mit Au-Kathoden gegenüber solchen mit Ag-Kathoden eine 6-fach erhöhte Lebensdauer. Ag-Diffusion konnte bei den Referenz-TrOLEDs als dominanter Degradationsprozess identifiziert und durch die Au-Kathoden ausgeschlossen werden. Die durchschnittliche Transparenz dieser TrOLEDs im sichtbaren Spektrum liegt über 30 %. Ebendiese Transparenz wurde anschließend durch die Integration einer optischen Vergütungsschicht aus 2,2′,2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole) (TPBi) maximiert. Simulationsgestützt konnte eine TrOLED mit dem zu Beginn entwickelten effizienten organischen Schichtstapel und optimierter Transparenz von 65 % (bei 555 nm) entworfen und realisiert werden. Im Bereich der Beleuchtung müssen großflächigen OLEDs mit sogenannten Gridlines zur Stromverteilung und Homogenisierung der lokalen Potenzialdifferenz zwischen Anode und Kathode hergestellt werden, um eine homogene Leuchtdichte zu erreichen. Die Gridlines unterbrechen und reduzieren allerdings die aktive Leuchtfläche und skalieren in ihrem Querschnitt superlinear mit der Gesamtgröße der OLEDs. Im abschließenden Kapitel wurde daher eine neuartige Rückseitenkontaktierung zur Potenzialstabilisierung bei großen OLEDs untersucht. In Simulationen wurde gezeigt, dass der benötigte Flächenbedarf, um die gleiche Homogenität der Leuchtdichte zu erzielen, mit Rückseitenkontakten gegenüber Gridlines um mehr als 90% reduziert werden kann. Zur Verifikation der Simulationen wurden OLEDs mit Rückseitenkontaktierung im Labormaßstab erfolgreich demonstriert. Die kritischen Trockenätzprozesse zur Freilegung der ITO-Oberfläche für die Hilfskontakte stehen dabei im Fokus des Kapitels. Die Simulationsergebnisse und die erfolgreichen Demonstratoren unterstreichen das Potenzial der Rückseitenkontaktierung, und der Herstellungsprozess könnte industriell auf weitaus größere Flächen übertragen werden. Darüber hinaus war es durch einen geschickten Ätzprozess möglich, die Hilfskontakte im Betrieb nahezu unsichtbar zu machen. Grundlage dieses Effektes ist die Auskopplung lateral in der ITO-Anode geführter optischer Moden durch eine aufgeraute ITO/Hilfskontaktmetall-Grenzfläche. Ein ähnlicher Prozess könnte in Zukunft auch für eine bessere Lichtauskopplung an Gridlines entwickelt werden. Mit einer konsequenten Weiterentwicklung der hier vorgestellten Technologien können OLEDs schon in wenigen Jahren sowohl den Beleuchtungsmarkt (ganze Decken oder Wände mit großflächigen Leuchtmitteln für eine gleichmäßige Ausleuchtung) als auch den Displaymarkt (z. B. transparente Displays für HUD und AR) revolutionieren.

OLED (Organic Light-Emitting Diode) displays have set new standards in the field of small mobile devices. Organic displays offer almost infinite contrast values, low switching times and a very large color space with high saturation values. In addition, OLEDs also enable new applications that cannot be realized with conventional technologies. For example, transparent OLEDs (TrOLEDs) are key components for displays, which can be used in head-up displays (HUD) or augmented reality (AR). When switched off, such displays should be as transparent as possible. Windows or room dividers made of TrOLEDs could be used as a light source at night or at dusk. In order to conquer further market shares, the relatively young technology must catch up the remaining arrears (efficiency, lifetime) to the LC displays. In addition, unique selling points of OLEDs (homogeneous large-area light sources, high transparency) must be further developed. In the present work, innovative OLED technologies are investigated, which should ultimately pave the way for such novel component concepts and applications. As a basis for the following experiments, in the first part of the dissertation a simplified, yet efficient organic layer stack consisting of only three organic semiconductor materials was developed. By precisely setting a balanced charge carrier balance and having an extended recombination zone, a high luminous efficacy of up to 31 lm/W (at 3000 cd/m²) was achieved. The simple layer stack also made it possible to identify and quantify physical processes in the device volume and at interfaces (e.g. exciton formation, diffusion and annihilation).As a result, TrOLEDs were optimized in terms of lifetime and transmission. Instead of the commonly used Ag or ITO cathodes, a thin semi-transparent Au layer was implemented as a (top) cathode. Thus, TrOLEDs with Au cathodes showed a 6-fold increased lifetime compared to those with Ag cathodes. Ag diffusion was identified as the dominant degradation process in the reference TrOLEDs and suppressed by the Au cathodes. The average transparency of these TrOLEDs in the visible spectrum is over 30%. This transparency was then maximized by the integration of an optical coating layer of 2,2 ', 2 "- (1,3,5-benzene triyl) tris (1-phenyl-1-H-benzimidazole) (TPBi) designed and realized with the initially developed efficient organic layer stack and optimized transparency of 65% (at 555 nm).In the area of illumination, large-area OLEDs must be produced with so-called gridlines for the current distribution and homogenization of the local potential difference between anode and cathode in order to achieve a homogeneous luminance. However, the gridlines interrupt and reduce the active luminous area and their cross-sections scale superlinear with the total size of the OLEDs. In the final chapter, a novel backside contact for potential stabilization in large OLEDs was investigated. Simulations have shown that the area required to achieve the same homogeneity of the luminance can be reduced by more than 90% with backside contacts compared to gridlines. To verify the simulations, back-contacted OLEDs were successfully demonstrated on a laboratory scale. The critical dry etching processes for exposing the ITO surface for the auxiliary contacts are in the focus of this chapter. The simulation results and the successful demonstrators underline the potential of back-contacted OLEDs, and the manufacturing process could be transferred industrially to much larger areas. In addition, it was possible by a skillful etching process to make the auxiliary contacts almost invisible in OLED operation. This was achieved by coupling out lateral guided optical ITO modes by a roughened ITO/auxiliary contact metal interface. A similar process could be developed in the future for better light extraction from gridlines.With a consistent further development of the technologies presented here, OLEDs can revolutionize both, the lighting market (entire ceilings or walls with large illuminants for uniform illumination) and the display market (e.g. transparent displays for HUD and AR) in just a few years.

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