In mijn proefschrift introduceer ik verschillende soorten anisotropie voor organische lichtemitterende diodes (OLED) en laat ik zien hoe deze gebruikt kunnen worden om de efficiëntie van het component te verhogen. Een materiaal is anisotroop als het een fysische eigenschap heeft die een andere waarde heeft wanneer het gemeten wordt in verschillende richtingen. OLEDs zijn een soort van lichtbron die voor het grootste deel bestaat uit amorfe organische halfgeleiders.
OLEDs zijn uitgebreid onderzocht sinds de eerste demonstratie van een component met een nuttig rendement door Tang en Van Slyke in 1987 bij Kodak. Sindsdien
is de technologie volwassen geworden tot een punt waar het wijdverspreide commerciële toepassingen heeft gevonden. OLED’s zijn bovendien de drijvende technologie achter veel state-of-the-art beeldschermen en, in mindere mate,
verlichtingsoplossingen, en winnen in snel tempo marktaandeel. Er is nog steeds veel ruimte voor verbetering van de efficiëntie van deze componenten. Verbeterde efficiëntie resulteert in een lager energieverbruik en een langere levensduur, wat nu net de twee belangrijkste uitdagingen zijn waarmee OLED wordt geconfronteerd als een technologie.
Een belangrijk onderdeel van mijn doctoraatswerk is de installatie, ontwikkeling en karakterisering van apparatuur voor het fabriceren, inkapsuleren en karakteriseren van OLED componenten. Een samenvatting van dit praktische werk
wordt gepresenteerd in hoofdstuk 2. Ik heb met succes een thermisch opdampingssysteem en een glove-box geinstalleerd die in staat is om een OLED met hoog rendement te fabriceren. Ik ontwikkelde ook een meetopstelling die in staat is om de polarisatie- en golflengte-afhankelijke hoekemissie van deze componenten te meten met hoge nauwkeurigheid. Naast dit praktische werk heb ik onderzoek
gedaan naar verschillende vormen van anisotropie door zowel simulatie als experimenteel werk.
Een eerste soort van anisotropie waarvan ik aantoon dat het in staat is om de efficiëntie van OLED’s te verhogen is geometrische anisotropie en staat beschreven
in hoofdstuk 4. Een periodieke structuur met een periode van 600 nm werd geïncorporeerd in een werkend OLED-component. Licht dat anders gevangen zoublijven in de lagen van het component (en dan zou verloren gaan door absorptie)
werd geëxtraheerd door deze periodieke structuur, wat de efficiente van het component ten goede komt. De efficiëntie van het component is met 20 % toegenomen als een direct resultaat van deze interne periodieke structuur. Het
doel van dit werk was echter niet om een recordefficiëntie te bereiken, maar eerder om te demonstreren dat we deze structuren nauwkeurig konden modelleren met
behulp van twee simulatiemethoden, met name de Finite-difference time-domain method (FDTD) en de Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA). Ik kon aantonen dat
we deze geïntegreerde periodieke structuren nauwkeurig kunnen modelleren, wat de weg vrijmaakt voor verdere optimalisatie door middel van simulatie. Hierdoor
kan doorgedreven prototypering van deze interne periodieke structuren vermeden worden. De resultaten van dit werk zijn gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift. [1]
Een tweede soort van anisotropie die ik onderzocht heb is anisotropie in de brekingsindex van de organische lagen. Een eerste stap in dit proces was het valideren van de simulatiemethode die ik ter beschikking had. Dit werd gedaan
door het modelleren van de polarisatie- en golflengte-afhankelijke hoektransmissie door een opeenstapeling van anisotrope lagen en het experimenteel opmeten van
diezelfde polarisatie- en golflengte-afhankelijke hoektransmissie. Ik kon aantonen dat ik een stapel van 11 anisotrope organische lagen heb kunnen fabriceren en
het transmissiespectrum met zeer hoge nauwkeurigheid kan simuleren. Dit dient als een validatie van de simulatiemethode die in de rest van het proefschrift wordt gebruikt. Tijdens dit proces was ik in staat om aan te tonen dat opeenstapelingen
van organische anisotrope lagen optische eigenschappen kunnen hebben die wenselijk zijn en niet realiseerbaar zijn met isotrope lagen. De details van deze studie zijn uiteengezet in hoofdstuk 3.
Nadat de simulatiemethode was gevalideerd, deed ik een uitgebreide studie naar hoe anisotrope lagen kunnen worden gebruikt in Bodem emitterende Organische Lichtemitterende Diodes (BOLED) (gegenereerde emissie passeert door
het transparante substraat waarop het component wordt gedeponeerd) om de efficiëntie van het component te verhogen. Ik was de eerste onderzoeker die over deze ontwerpparameter publiceerde en vond dat de anisotropie van de organische
lagen verantwoordelijk is voor een 10 % verandering in efficiëntie. Deze studie gaat ervan uit dat de anisotropie 0,2 is (verschil tussen gewone en buitengewone brekingsindex), wat een graad van anisotropie is die vaak wordt aangetroffen in
organische halfgeleiders. Hogere winst zou kunnen worden bereikt met sterkere anisotropie, hoewel dit verder onderzoek vereist. Ik laat zien dat de optimale anisotropie sterk afhankelijk is van de oriëntatie van de emitterende moleculen in
de emitterende laag van de OLED. Ik heb eenvoudige richtlijnen gedefinieerd voor elk van de fundamentele emmiter oriëntaties zodat anderen deze richtlijnen kunnen gebruiken om hun specifieke componenten te optimaliseren. Deze eenvoudige richtlijnen kunnen onderzoekers helpen bij het selecteren van goede materialen maar het is essentieel om te begrijpen dat de interferentie-effecten moeten worden
geoptimaliseerd door het afstemmen van de nanometer schaal diktes van elke laag, wat enkel kan worden bereikt door een volledige simulatie waarbij rekening wordt gehouden met de anisotropie van elke laag. Deze resultaten worden gepresenteerd in hoofdstuk 5 en werden gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift. Deze bevindingen hebben eveneens geresulteerd in een octrooiaanvraag. [2, 3]
Om het vertrouwen in de geldigheid van de simulatiemethode verder te versterken, werden een aantal componenten met anisotrope lagen vervaardigd met behulp van de apparatuur die ik heb geïnstalleerd. Gedetailleerde analyse van
de polarisatie- en golflengte-afhankelijk hoekemissie laat zien dat het model het optische gedrag nauwkeurig kan voorspellen van deze anisotrope lichtemitterende componenten. Dit is een indrukwekkend resultaat gezien het effect van anisotropie
alleen kan worden waargenomen bij (moeilijk te testen) hoge emissiehoeken. Het effect van anisotropie in de brekingsindex is het sterkst bij hoeken die een externe waarnemer nooit bereiken, ze blijven gevangen in het component en kunnen
daarom niet worden gedetecteerd.
Zoals reeds vermeld aan het begin van deze samenvatting winnen OLED’s snel aan marktaandeel in de beeldscherm-industrie. In deze industrie zijn de organische lagen meestal gedeponeerd op een ondoorzichtig Thin-Film-Transistor (TFT)
-substraat dat verhindert dat het gegenereerde licht door het substraat kan gaan. Dit soort van componenten worden Top-emmiterende Organische Lichtemitterende Diodes (TOLED) genoemd en de optica van deze componenten is sterk verschillend van BOLED s. Het belang erkennend van de TOLED-geometrie, heb ik een studie uitgevoerd naar anisotrope lagen in TOLEDs en ontwikkelde ik richtlijnen voor het gebruik van anisotrope lagen. De resultaten zijn fundamenteel verschillend van de resultaten met betrekking tot BOLED’s omdat de verlieskanalen in deze componenten fundamenteel verschillend zijn. Ik vond dat, uitgaande van een maximale anisotropie van 0.2, het verschil in efficiëntie tussen het slechtste gebruik van anisotrope lagen en het beste gebruik 7,3% is. Deze resultaten kunnen een belangrijke invloed hebben op de efficiëntie van nieuwe beeldschermen en, uitgaande van een wijdverspreide adaptatie, een positieve impact hebben op het wereldwijde energieverbruik. De resultaten van deze studie worden gepresenteerd hoofdstuk 7