EGE ÜNİVERSİTESİ

GÜNEŞ ENERJİSİ ENSTİTÜSÜ

STAJ RAPORU

Hakan BOZKURT

OLED nedir?

LED (Light Emitting Diode – Işık Yayan Diyot) icat edildiği günden beri sürekli gelişerek günümüze kadar gelmiş ve kendine birçok kullanım alanı yaratmıştır. Düşük enerji tüketimi ve uzun ömrü ile birçok cihazda kullanılmaktadır.

p ve n tip inorganik yarı iletken katmanlardan oluşan LED, diyot gibi tek yönde akım geçirmektedir. İleri biasda yük taşıyıcıları (elektronlar ve boşluklar) elektrotlardan jonksiyon bölgesine doğru hareket eder. Bu bölgede bir elektron ve boşluk karşılaştığında, elektron bir alt enerji seviyesine geçer ve enerjisini bir foton olarak yayarken elektron-boşluk rekombine olur.

Organik materyallerden yarı iletken malzemelerin üretilebileceğinin keşfiyle de LED teknolojisi bir üst kademeye geçerek OLED (Organic Light Emitting Diode – Organik Işık Yayan Diyot) adıyla bilinen yeni bir yarı iletken cihaz türedi. Adından da anlaşıldığı gibi OLED ler ince film organik katmanlardan oluşan LED lerdir.

Genel olarak OLED ler Şekil 2 de görülen katmanlardan oluşur. Cam ya da plastik substrat üzerinde TCO (Transparent Conducting Oxide) elektrodu (Şekil 2 de TCO olarak ITO-Indium Tin Oxide gösterilmiştir.) yer almaktadır. Bu şeffaf iletken tabaka OLED in anodudur. Daha sonra sırasıyla HTL (Hole Transport Layer), EBL (Electron Blocking Layer), EML (Emission Layer), HBL (Hole Blocking Layer), ETL (Electron Transport Layer) ve katodun üst üste kaplanmasıyla OLED oluşur.

OLED ler de LED ler gibi tek yönde akım geçirmektedir. Geçen akım ile emisyon katmanından ışıma elde ederiz. Diğer katmanların kullanılma amacı sistemi yarı iletken hale getirmek içindir. Ayrıca bu katmanlar için kullanılacak malzemelerin seçimi önemlidir. Çünkü malzemeler arasında HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital-Dolu olan en yüksek enerjili molekül orbitali) ve LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital-Boş olan

1

Şekil 1 : LED in çalışma prensibi

Şekil 2 : OLED in katmanları

en düşük enerjili molekül orbitali) seviyeleri OLED in çalışma prensibine göre birbirlerine uygun olmalıdırlar. Anot ve katodun iş fonksiyonları da bu nedenle önem kazanır. Uygun olmayan iş fonksiyonları ve HOMO, LUMO seviyeleri cihazın çalışmamasına sebep olur.

Şekil 3 ü inceleyerek OLED in çalışma prensibini anlayabiliriz. Şekilde ITO anot, Al ise katottur ve iş fonksiyonları verilmiştir. Uygun bir dış gerilim altında katottan ETL nin LUMO suna elektron geçişi olur. Anot ise HTL den elektronları çekecektir. Bu nedenle bu bölgede boşluklar oluşur. Bu boşluk HTL nin HOMO seviyesine geçer. Elektron sırasıyla LUMO seviyelerine geçerek ilerlerken boşluk da HOMO seviyelerinde ilerler. Blok tabakalar ise elektron ve boşluğun bir sonraki katmana geçmesini engeller. Böylece elektron emisyon katmanının LUMO sunda, boşluk ise HOMO sunda kalmış olur. Bu karşılaşma sonucu elektron bir alt enerji seviyesine geçerken enerjisini foton olarak serbest bırakır ve ışıma elde edilir. Bu ışımanın rengi emisyon malzemesinin emisyon yapabildiği dalga boyu aralığında olur.

2

Şekil 3 : OLED in çalışma prensibini açıklayan enerji diyagramı

OLED üretim çalışmalarına başlama

OLED in hangi katmanlardan oluştuğunu ve hangi katmanın ne amaçla kullanıldığını kısaca özetledik. Şimdi enstitüde yürütülen OLED üretim çalışmalarına değineceğiz.

Enstitüde yürütülen OLED çalışmalarında TCO elektrotu olarak ITO, substrat olarak da cam kullanılıyor. Bir yüzeyi ITO kaplı camlar hazır olarak enstitü tarafından temin ediliyor. Kullanılan OLED ölçüm standına üretilen OLED lerin yerleşebilmesi için ITO kaplı camlar 2,5 cm X 2,5 cm olacak şekilde kesilerek hazırlanıyor.

Eğer birden fazla numune üzerinde çalışılacaksa camlar bir kenarı 2,5 cm diğer kenarı ise çalışılacak numune sayısı kadar 2,5 cm olacak şekilde kesiliyor. ITO yüzeyinin bir kısmı asitle aşındırılacağından işlemin her numune için tekrarlanmasına engel olmak için böyle bir yol izleniyor. ITO yüzeyinin bir kısmının cam yüzeyinden kaldırılma sebebi olası kısa devre ihtimaline engel olmak içindir. ITO nun kaldırılacağı bölgeye katot elektrotunun ölçüm standının negatif ucuna temas ettiği bölgedir. OLED ince tabakaların kaplanmasıyla oluştuğundan yapı kolaylıkla zarar görebilir. Bu nedenle de negatif uç yapının içine girerek ITO ya ulaşabilir. ITO da OLED in anodu görevinde olduğundan pozitif uç bu bölgeye temas halindedir. Eğer negatif uç da ITO ya ulaşırsa güç kaynağı kısa devre yapılmış olur. Bundan kaçınmak için ITO nun bir kısmı yüzeyden kaldırılacaktır.

Kaldırılacak olan ITO bölgesi HCl (Hidroklorik asit) ile çözülür. Yalnız bu işlemi yaparken etkin alanın bozulmaması için 3M bant ile yüzeyde kalması gereken ITO bölümü kapatılır. Bu işlemi gerçekleştirirken bandın ITO yüzeyine iyice yapıştığından emin olmak gerekir. Böylece HCl nin bu bölgeye geçmesine engel olunmuş olur. İşlem ortam sıcaklığına bağlı olduğundan ısıtıcı üzerinde yapılması bize zaman kazandırır. İşlemden sonra ITO nun kaldırıldığı yüzey ile maskelenen ITO yüzeyi multimetre ile kontrol edilmelidir. ITO iletken bir malzeme olduğu için multimetrede yapılan direnç ölçümleri ile ITO nun yüzeyden tamamen kalkıp kalkmadığına emin olmuş oluruz. Ayrıca maskelenen ITO yüzeyinin HCl ile temas edip ediğini anlayabiliriz.

Üretilen optoelektroniklerde kullanılan maddelerin safsızlıkları büyük önem taşımaktadır. Eğer üretim aşamasında safsızlığa özen göstermezsek yaptığımız cihaz ya çalışmaz ya da verimi düşük olur. Bu nedenle her aşamada cihazın ve kullanılan malzemelerin temizliğine özen gösterilmelidir.

Maskeleme ve ITO nun yüzeyden kaldırılma işleminden sonra camlar öncelikle saf su ile temizlenir. Eğer ihtiyaç duyuluyorsa deterjan da kullanılabilir. Daha sonra beher içine camlar yerleştirilir ve üzerleri kaplanıncaya kadar saf su eklenir. Beher sonicatore daldırılarak sabitlenir ve sonicator açılır. Sonicator, sonic dalgalar üreterek yüzeyde anlık basınç oluşturur ve yüzeyde kalan safsızlığı bozabilecek maddeleri uzaklaştırır. Bu işlem saf su içinde 15 dakika boyuca sürecektir. Sürenin bitiminde beherdeki su boşaltılır ve sırası ile önce aseton konularak, daha sonra da izopropil alkol konularak işlem iki madde için de yeniden tekrarlanır.

3

Bu süreçten sonra yüzeyde kalmış olan izopropil alkolü uzaklaştırmak için camın Azot gazı kullanılır. Camların iki yüzeyine de işlem uygulandıktan sonra oksijen plazma cihazına camlar yerleştirilir. Oksijen plazma ile ITO yüzeyinin hidrofilik özelliğini arttırmış oluruz. Böylece daha sonra kaplanacak olan Pedot:Pss (HTL) in yüzeye daha iyi tutunmasını sağlarız. Çünkü Pedot:Pss su içerisinde çözünmüş halde kaplama yapılacaktır.

Enstitüdeki organik maddeler spin-coating tekniği ile kaplanmaktadır. Bu teknikle kaplanacak madde uygun çözücü içerisinde çözünmüş olmalıdır. Kaplama yapılacak yüzeye yayılan çözelti, yüzeyin yüksek rpmler (ratio per minute) ile döndürülmesi sonucu kaplama işlemi gerçekleştirilir. Eğer bir yüzeye üst üste kaplama yapacaksak kullanılan çözgenlere dikkat edilmesi gerekir. Bir sonraki katmanın çözgeni, bir öncekini de çözebiliyorsa bu katman zarar görebilir. Spin-coating tekniğinin bir dezavantajı da, dönüş esnasında madde miktarının büyük bir kısmının merkez kaç ile savrularak harcanmasıdır.

Hazırlanan Pedot:Pss çözeltisi 0,45 μm lik filtreden geçirilerek spin coater da ITO yüzeyinin üzerine kaplanır. Pedot:Pss çözeltisinden dolayı yüzeyde kalmış olan suyu tamamen buharlaştırmak için kaplama tamamlandıktan sonra camlar vakum etüvüne konularak 120 oC de yarım saat bekletilir.

Soğumaya bırakılan camlar daha sonra emisyon malzemesi ile kaplanacaktır. Emisyon malzemesi olarak American Dye Source firmasının ADS233YE kodlu Yellow Emitter (Sarı Emitör) malzemesi kullanılmıştır. Aşağıdaki şekillerde bu malzemenin organik yapısı ile absorbsiyon ve emisyon spektrumları yer almaktadır.

4

Şekil 4 : ADS233YE organik yapı ve renk koordinatı

Farklı derişimler için enstitüde ölçülen absorbsiyon ve emisyon değerlerine göre en iyi ölçüm %1 (10mg/mL) derişiminde elde edildiğinden kaplamaları bu derişime göre yapacağız. Ayrıca kaplamalar farklı rpm değerlerinde yapılarak en iyi üretimin nasıl gerçekleşeceğinin de kararını veririz. Ancak kaplamaların fiziksel olarak daha önceden yapılan çalışmalarla incelenmesi gerekmektedir. Bu sayede hangi rpmlerde ne kadar düzgünlükte kaplama yapıldığına karar vererek spin coater da kullanacağımız malzemeye göre farklı kaplama programları oluşturabiliriz. Kaplama yüzeylerinin testleri daha önceden AFM (Atomic Force Microscope) de ölçüm alarak gerçekleştirilmiştir.

Pedot:Pss kaplı yüzeyin üzerine emitör çözeltiyi koyarken mikropipet ile alt katmana dokunmamaya özen göstermeliyiz. Katmanın bozulmasına sebep olabiliriz. Sarı emisyon malzememiz de kaplandıktan sonra üretilen numuneleri 1 gece vakum evaparatöründe bekletiyoruz. (Çünkü evaparatörün basıncının ~1x10-6 mbar olması gerekiyor ve arızadan dolayı bu değerlere inmek zaman alıyor.) Elektrotları PVD (Physical Vapor Deposition-Vakum Buharlaştırma) tekniği ile kaplayacağız. Elektrotlar metalik malzemelerden yapıldığından yüksek erime sıcaklıklarına sahiptirler. Bu nedenle vakum ortam tercih edilir. Çünkü vakumdayken erime sıcaklıkları atmosferdekine göre çok daha az olacağından, buharlaştırarak kaplama işlemi daha kolay gerçekleşir. Kullandığımız materyallerin HOMO LUMO seviyelerine göre Al metalinin iş fonksiyonu uygun olduğundan elektrot olarak Al seçtik. Ayrıca LiF ile Al yi beraber kaplayarak Al nin iş fonksiyonunu biraz daha azaltmış olacağız. Anodumuz olan ITO en alt katman olduğundan ona ulaşmak için maskedeki anot bölgesinin geleceği yerdeki kaplamaları biraz zedeliyoruz. Böylece kaplanacak olan anot elektrodu ITO ile temas etmiş olacak. Bir cam için 1 anoda 5 katod olacak şekilde maskeler kullanıyoruz. Böylece bir cam yüzeyinden anodu ortak 5 OLED üretmiş olacağız. Bu sayede daha fazla ölçüm alabilme olanağı buluyoruz.

5

Şekil 5 : ADS233YE absorbsiyon ve emisyon spektrumu (ITO kaplı cam üzerine yapılan kaplamadan alınmış ölçüm)

Numuneler maskelere emitör malzeme katmanı gelecek şekilde yerleştirildikten sonra Al ve Lif yeterli miktarlarda potalara konularak evaparatör vakuma bırakıldı.

Ertesi gün yapılan elektrotların kaplama işi bittikten sonra üretilen OLED lerin ölçümü glove-box içindeki OLED ölçüm standında yapılmıştır.

Sonuçlar :

Şekil 2 de OLED in katmanlarını gösterip ne olduklarını açıklamıştık. Enstitüde ürettiğimiz OLED de ise o kadar çok katman kullanmadık. Substrat olarak cam, anot olarak ITO, Hole Transport Layer olarak Pedot:Pss, emitör olarak ADS233YE ve katot olarak da Al kullanmış olduk. (LiF kaplaması başarısız olmuştur.) Üretim aşamasında zaman, maliyet ve madde kaybı da göz ardı edilemeyecek faktörlerdir. Bu nedenle yapılan bu çalışma daha az kaplama yaparak

6

Şekil 6 : Üretilen OLED in yapısı

Şekil 7 : Üretilen OLED in temsili enerji diyagramı

maliyet ve zamandan tasarruf sağlandığı gibi kullanılan materyal sayısını da azaltmak için geliştirilmiş bir çalışmadır. Şekil 7 de üretilen OLED in temsili bir enerji diyagramı verilmiştir. Buradan da OLED in uygun bir şekilde çalışacağını görüyoruz.

Ölçümde görülen I-V karakteristiği de beklediğimiz gibi bir diyot eğrisidir. Ayrıca elektrolümünesans ölçümüyle de OLED in emisyon yaptığı dalga boyuna ve bu dalga boyundaki renk kararlılığına baktık. Emisyon pikinin genişliği ne kadar dar olursa bir OLED o dalga boyundaki ışımayı o kadar kararlı yapıyordur. (Monokromatiklik)

İç kuantum verimi ;

η∫¿=¿ of photonsemitted ¿ active regionper second

¿of electrons injected intoLED per second=P∫¿/(hυ)

I /e ¿

Işık ekstraksiyon verimi ;

ηextraction=¿ of photons emitted into freespace per second

¿of photons emitted ¿active region per second ¿=

P/(hυ)P∫¿/(hυ)¿

Dış kuantum verimi ;

ηext=¿ of photons emitted into free space per second

¿of electrons injected into LED per second=P /(hυ)I /e

=η∫¿ηextraction ¿

Denklemleriyle hesaplanır.

Neden OLED?

Şekil 8 de de görüldüğü gibi bir LED in iç yapısındaki ve hava ortamına geçerken yaptığı ışımadaki kayıplar görülmektedir. Elde edilen ışıma ise merkezdeki konik bölgededir. Bu nedenle LED lerin yaydığı ışınlar çok dik ve dar bir alanda olmaktadır. Bu da görünüm açısından rahatsızlık vermektedir. OLED lerin ise ışıması bütün yüzeye yayılmış gibi olmaktadır. Ayrıca LED lerin ışıması aslında çok küçük bir bölgede olduğundan optik lens yardımıyla büyütülmektedir. Bu da üretimi zahmetli ve masraflı kılmaktadır. OLEDlerin böyle

bir problemi bulunmamaktadır. Organik sistem inorganiğe göre daha serbesttir ve istenilen boyutlarda OLED ler üretilerek ışıma elde edilebilir. Bu da OLED lerin ileride aydınlatma

7

Şekil 8 : LED deki ışıma kayıpları

amaçlı olarak da tercih edilebileceğinin bir göstergesidir. Ayrıca renkleri çok daha canlı ve bakış açısı geniştir.

OLED lerin en büyük dezavantajı ise organik moleküllerden üretildiğinden hava, su ve nem gibi dış etkenlerden kolayca etkilenip bozulabilecek olmasıdır. Bu nedenle ölçümlerimizi glove-box içinde alırız. Ayrıca inorganik malzemelere göre düşük mobilitelere sahiptirler. Bu da performanslarını önemli ölçüde sınırlamaktadır.

Gelişen OLED teknolojisinin insanlığa kazandıracağı buluşlara birkaç örnek verecek olursak ;

Şekil 9 ve 10 buna iyi birer örnek olur. OLED ler esnek substratlar üzerine kaplanarak yapıldığında esnek OLED ler yapılmaktadır. Ayrıca TFT (Thin Film Transistor) üzerine kaplanan OLED pikselleriyle (RGB) AMOLED (Active Matrix Organic Light Emitting Diode) teknolojisi elde edilir. Bu günümüzdeki cep telefonlarında kullanılmaktadır. Ancak sistem esnek bir materyal üzerine oturtularak cebimizde taşıyabileceğimiz esnek bir bilgisayara sahip olabiliriz.

Ayrıca OLED ler şeffaf yapılarda olabileceğinden Şekil 10 daki gibi uçağın camına uçakla ilgili göstergeleri barındıran bir şeffaf oled gösterge yapılabilir.

8

Şekil 9 : Kalemdeki bilgisayar

Şekil 10 : Uçak camındaki HUD (Heads Up Display)