Quang học ứng dụng - Plastic optics & oled

Plastic optics & Oled Thủy tinh quang • Cứng và bền hơn • Chịu được nhiệt độ và độ ẩm tốt hơn • Đa dạng, phong phú được tạo từ hàng trăm loại vật liệu khác nhau • Chế tạo bởi quá trình mài và đánh bóng Quang dẻo • Nhẹ và chịu va đập tốt • Có tiềm năng thiết kế • Số lượng sản xuất lớn chi phí thấp • Chỉ có khoảng 10 loại vật liệu • Chế tạo bởi quá trình đúc phun hoặc ép phun • Thuận lợi trong việc chế tạo những hệ thống quang học phức tạp 1. So sánh giữa thủy tinh và quang dẻo 2.Tính chất của quang dẻo Quang dẻo có thể chịu nhiệt độ tới 90C • Do sự nở vì nhiệt của quang dẻo lớn hơn 10 lần so với vật liệu thủy tinh nên khi thiết kế quang và lắp ráp phải chú ý đến tính chất này • Trọng lượng riêng của quang dẻo từ 1 đến 1,3 • Dựa trên chiết suất và độ tán sắc, quang dẻo chia làm 2 nhóm chính: • vật liệu crown-like như acrylic (PMMA) • vật liệu flint-like như poliolefin (COC,COP) 3. Một số vật liệu quang dẻo: Acrylic (PPMA ): • Dễ đúc , giá thành rẻ, có khả năng • chống xước tốt • Ít hấp thụ nước, trong suốt hơn thủy tinh • Chiếm khoảng 80% các ứng dụng của quang dẻo PC (polycarbonat) • Chịu được nhiệt độ 1200c nên thường được dùng làm vật liệu chịu nhiệt trong hệ thống • Có sức bền đối với va đập nên được dùng làm kính chắn gió của mũ bảo hiểm PS (PolyStyrene) NAS Copolymer Cyclic Olefin Polymer và Copolymer .. Bảng tính chất của vật liệu quang dẻo 4. Phương pháp chế tạo - Có 3 phương pháp chế tạo + Diamond Point Turning (Tiện mũi kim cương) + Injection Moulding (Đúc phun) + Compression Moulding (Ép đúc) Quay mũi kim cương (Diamond Point Turning) - Là quá trình gia công cơ khí có độ chính xác cực cao. - Được sử dụng để tạo ra những thiết bị có hình dạng rất đặc biệt như: thấu kính hình xuyến, hình trụ, hình xoắn ốc, . Diamond Point Turning Figure 2. The given lens array machined into a 60-mm-diameter copper substrate by SPDT has 12-mm-diameter, 60-µm-deep concave lenslets. The technology can achieve consistent quality, as this interferogram of 1.5-µm- deep lenslets shows. Phun đúc (Injection Moulding) - Là phương pháp chế tạo một lượng lớn các dụng cụ quang dẻo giống nhau - Là quá trình sản xuất quang dẻo tốt nhất Cấu tạo máy phun đúc Compression Moulding - Là phương pháp chế tạo thấu kính Fresnel hoặc thiết bị vi cấu trúc khác Thiết kế hệ thống ( System Design) Chế tạo mẫu (Prototyping) Phun đúc (Injection Moulding)Tiền sản xuất (Pre-production) Sản xuất hàng loạt (Series production ) Quá trình sản xuất Cơ chế dẫn điện của bán dẫn hữu cơ • HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) mức của điện tử ở quỹ đạo điền đầy cao nhất • LUMO (the Lowest Unoccupied Molecular Orbital).:các mức năng lượng của điện tử ở quỹ đạo phân tử chưa điền đầy thấp nhất • sự tách biệt năng lượng giửa 2 mức HOMO và LUMO đóng vai trò tương tự như vùng dẫn và vùng hóa trị trong các bán dẫn vô cơ. LUMO HOMO Cơ chế dẫn điện của bán dẫn hữu cơ • Khi các hạt tải electron và lỗ trống được phun vào các chuỗi hữu cơ polymer gây ra những sai hỏng hình thành các cặp electron- phonon, lỗ trống-phonon gọi là polaron. • Polaron âm tạo nên mức năng lượng thấp hơn mức LUMO và ngược lại polaron dương có mức năng lượng cao hơn mức HOMO • Lượng pha tạp càng tăng điện tử chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn được dễ dàng hơn. Cơ chế dẫn điện của bán dẫn hữu cơ • Cơ chế dẫn của các polymer “kết hợp” dựa trên cơ sở của các sai hỏng tích điện trong khung sườn kết hợp. • Các hạt tải điện dương hay âm được xem như là sản phẩm của quá trình oxy hóa hay khử polymer tương ứng • Các điện tử di chuyển bằng các bước nhảy (hoping) giửa các vị trí trên các chuỗi khác nhau. Polymer dẫn thuần có độ dẫn rất thấp. polymer pha tạp có độ dẫn tăng lên rất nhiều lần, Cơ chế dẫn điện của bán dẫn hữu cơ Quá trình truyền điện tử gồm có: • Truyền dẫn điện tử nội phân tử polymer (Intramobility) • Truyền dẫn điện tử giửa các phân tử (Intermobility) • Truyền dẫn điện tử giửa các sợi của vật liệu pollymer (inter-fiber mobility of a charge carrier) 1. Truyền dẫn điện tử nội phân tử polymer 2 Truyền dẫn điện tử giửa các phân tử 3 Truyển dẫn điện tử giửa các sợi của vật liệu pollymer Các tính chất của polymer dẫn điện Ưu điểm • Dễ chế tạo và giá thành sản xuất thấp • Chế tạo được các linh kiện hay thiết bị có diện tích lớn • có thể uốn dẻo, đàn hồi tốt, khả năng tạo ra nhiều màu sắc cao và trung thực, • dễ dàng kết hợp với các chất hóa học khác để tạo thành các hợp chất mới Nhược điểm • Dễ bị oxy hóa và ảnh hưởng của môi trường làm thay đổi tích chất của vật liệu • Khó kiểm soát được độ dày trong quá trình chế tạo. • Độ dẫn điện vẫn còn thấp Nhược điểm : Khó khăn trong việc chọn vật liệu cho lớp phát quang. Cấu trúc •Lớp phát quang bằng vật liệu hữu cơ đặt giữa các điện cực. •Điện cực Anốt có tác dụng cung cấp hạt tải lỗ trống. •Điện cực cathode đóng vai trò là nguồn cung cấp điện tử. Cơ chế : Khi áp điện trường, electron và lỗ trống từ các điện cực được phun vào lớp vật liệu hữu cơ, hình thành exciton khi tái hợp phát xạ Anốt Cathode Cấu trúc đa lớp Anode EMLHIL EIL Cathode Chân không LUMO HOMO HIL (Hole Injection Layer) và EIL (Electron Injection Layer) là các lớp hữu cơ có tác dụng tăng cường quá trình phun hạt tải từ các điện cực, HTL (Hole Transort Layer) và ETL (Electron Transport Layer) là các lớp vật liệu có chức năng tăng cường sự truyền điện tử và lỗ trống. Anode EMLHIL EIL Cathode Chân không LUMO HOMO Anode Độ dẫn điện cao Công thoát cao tăng cường quá trình phun lỗ trống (> 4,1eV) Có độ ổn định cao (cơ, nhiệt, hóa ) Độ trong suốt cao tăng hiệu năng phát quang ITO (4,5-4,8eV), AZO, Au(4,9eV), Au(4,2eV) • bốc bay • phún xạ • CVD Anode EMLHIL EIL Cathode Chân không LUMO HOMO HIL/HTL (Hole injection layer/Hole Transmission Layer) Kiểm soát, tăng cường truyền lỗ trống Độ linh động lỗ trống cao NL ion hóa và NL mức LUMO phù hợp với vật liệu làm anode VL Phân tử nhỏ : Copper phthalocyanine (CuPc) Perylenetettracarboxylic-dianitride (PTCDA) VL Polymer : poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) / pha tạp Polystyrene Sulfonate (PEDOT-PPS) Anode LM HM HIL HTL Anode EMLHIL EIL Cathode Chân không LUMO HOMO HIL/HTL (Hole injection layer/Hole Transmission Layer) Truyền lỗ trống vào vùng phát quang Lớp khóa electron Năng lượng ion hóa thấp, độ linh động lỗ trống cao VL Phân tử nhỏ : gốc amin nhân thơm Diphenin Diamin (TDP), Polyvinyl Carbozole (PVK) VL Polymer : Poly Paraphenylene Vinylene (PPV) Anode LM HM HIL HTL Anode EMLHIL EIL Cathode Chân không LUMO HOMO EML Nơi xảy ra quá trình tái hợp và phát quang. Khả năng truyền electron, lỗ trống cao Hình thành cặp electron- lỗ trống  tái hợp phát quang Phải ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học. Pha tạp với các vật liệu khác thay đổi tính chất phát quang Gồm hai nhóm chính: vật liệu phân tử nhỏ (SMOLED) và vật liệu Polymer (PLED) Thường dùng là PPV : phát ánh sáng xanh lá cây MEHPPV : phát ánh sáng da cam Dẫn xuất của PFO : phát ánh sáng đỏ Các polymer dẫn Vật liệu phân tử nhỏ Một số loại vật liệu phát quang EML Summarizes previously reported dopant molecules in Alqbased devices Anode EMLHIL EIL Cathode Chân không LUMO HOMO ETL/EIL Độ linh động electron cao; bền hóa, nhiệt NL ion hóa cao, mức LUMO thấp  Phù hợp với EML và EIL Thường được pha tạp với vật liệu có tính chất huỳnh quang (fluorescence)  Tăng độ linh động hạt tải và hiệu suất phát quang LM HM HIL HTL * Metal chelates * Oxadiazole compounds * N=C (imine) containing quinoline, anthrazoline, phenanthraline, and pyridine compounds * Cyano and F-substituted compounds Độ linh động electron cao; bền hóa, nhiệt NL ion hóa cao, mức LUMO thấp Phù hợp với EML và ETL Anode EMLHIL EIL Cathode Chân không LUMO HOMO ETL/EIL LM HM HIL HTL * Metal chelates * Oxadiazole compounds * N=C (imine) containing quinoline, anthrazoline, phenanthraline, and pyridine compounds * Cyano and F-substituted compounds Anode EMLHIL EIL Cathode Chân không LUMO HOMO Cathode Công thoát WF thấp Có khả năng tạo ra một lượng lớn các electron Phản xạ được ánh sáng phát ra Độ chênh lệch mức năng lượng EF của cathode và mức LUMO của vật liệu hữu cơ nhỏ Ái lực điện tử lớp hữu cơ  = sự chênh lệch năng lượng ion hóa của lớp này và công thoát cathode LUMO HOMO • Ca, Mg • ITO, AZO EA IE WF Ưu điểm của oled Màu sắc trung thực Độ tương phản cao Góc nhìn rộng Tiêu thụ năng lượng ít Điện thế hoạt động thấp Mỏng và nhẹ Phổ màu rộng Có thể tạo kích thước lớn ứng dụng của oled • Dùng làm nguồn sáng • Dùng làm màn hình máy tính, điện thoại, màn hình hiển thị, biển báo điện tử Kodak EasyShare with OLED display The Sony 11-inch XEL-1 OLED TV Một số loại OLED và ứng dụng • Oled ma trận thụ động(PMOLED) • Oled ma trận chủ động(AMOLED) • OLED trong suốt (TOLED) • OLED phát sáng đỉnh • OLED gấp được • Oled trắng Oled ma trận thụ động (Passive-Matrix) Các dải anode được xếp vuông góc với các dải cathode. Phần giao nhau giữa cathode và anode tạo thành các pixel (điểm ảnh) tại đó ánh sáng được phát ra. Dùng cho việc hiển thị văn bản hay các biểu tượng phù hợp cho các màn hình nhỏ (2 đến 3 inch) Oled ma trận chủ động(AMOLED) lớp anode sẽ phủ lên một tấm mạng lưới các transitor film mỏng (thin film transitor hay TFT) tạo thành một ma trận các pixel. Bản thân tấm TFT là một mạch điện để xác định những pixel nào sẽ được bật để tạo ra hình ảnh. tiêu thụ ít điện năng hơn PMOLED phù hợp cho các màn hình lớn. dùng tốt nhất cho màn hình máy tính, các TV màn hình lớn và các bảng tín hiệu hay thông báo điện tử OLED trong suốt (TOLED) OLED trong suốt được cấu tạo hoàn toàn từ các thành phần trong suốt. nó sẽ cho phép ánh sáng phát ra theo cả hai hướng. Một OLED trong suốt có thể là kiểu ma trận thụ động hoặc ma trận chủ động. dùng làm màn hiển thị trên kính ô tô hay máy bay (head-up display). OLED phát sáng đỉnh Các OLED phát sáng đỉnh có một tấm nền đục hoặc có thể phản xạ. Các OLED này phù hợp nhất với kiểu thiết kế ma trận động. có thể sử dụng các OLED phát sáng đỉnh trong các thẻ thông minh. OLED gấp được tấm nền làm từ các lá kim loại mềm dẻo hoặc làm từ nhựa. rất nhẹ và có tuổi thọ cao. Khi được dùng trong các thiết bị như điện thoại di động hay PDA, tình trạng vỡ màn hình sẽ không còn xảy ra. Có khả năng các màn OLED sẽ trở thành chất liệu cho các bộ quần áo thông minh khi các bộ quần áo này được tích hợp các chip máy tính, điện thoại di động, bộ thu GPS và màn hình OLED. OLED trắng a) OLED phát ánh sáng trắng với các OLED nhỏ xếp sát nhau b) OLED nhỏ phát ánh sáng theo cơ chế quang phát quang Thủy tinh Thủy tinh c) Oled kiểu xế chồng Stack oled Oled trắng OLED trắng phát ra ánh sáng trắng sáng hơn, đồng nhất hơn và hiệu quả năng lượng hơn ánh sáng phát ra bởi đèn huỳnh quang. Các OLED trắng cũng có chất lượng ánh sáng của đèn sợi tóc. dùng để thay thế các đèn huỳnh quang và các đèn chiếu sáng thông thường