Luận văn Xây dựng Photolithography và khảo sát ký thuật đóng gói Oled

1 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 Mục Lục LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC HÌNH ii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi Mục ục ........................................................................................................................... 1 A.Lý thyết tổng quan ...................................................................................................... 4 I.OLEDs và photolithography ........................................................................................ 5 I.1.Giới thiệu chung ........................................................................................................ 5 I.2.Tổng quan về Photolithography ......................................................................... 6 I.3.Quá trình photolithography ................................................................................ 8 I.3.1 Sấy khử nƣớc ............................................................................................. 8 I.3.2.Tạo màng PR trên bề mặt đế.................................................................... 10 I.3.3.Tiền xử lý nhiệt màng PR trƣớc khi chiếu UV ........................................ 12 I.3.4.Chiếu UV đế sau khi đã đƣợc xử lý nhiệt ................................................ 13 I.3.4.1. Mask ............................................................................................... 13 I.3.4.1.1. Vật liệu tạo mask ...................................................................... 13 I.3.4.1.2. Bản thiết kế ............................................................................... 14 I.3.4.1.3. Dấu căn chỉnh ........................................................................... 14 I.3.4.1.4. Mask vùng tối và mask vùng sáng ........................................... 15 I.3.4.2. Chiếu UV đế .................................................................................... 16 I.3.5. Development-Hình thành hình dáng mẫu trên bề mặt đế ....................... 17 2 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.6.Hard baking-Hậu xử lý nhiệt màng PR ................................................... 18 II.OLEDs và kĩ thuật đóng gói OLED .......................................................................... 18 II.1.Giới thiệu chung .............................................................................................. 18 II.2.Cấu trúc cơ bản của OLEDs ........................................................................... 19 II.2.1Cấu trúc đơn ớp ...................................................................................... 19 II.2.2 Cấu trúc đa ớp ....................................................................................... 20 II.3.Cơ chế hoạt động của OLED .......................................................................... 21 II.3.1.Sự phun hạt tải ........................................................................................ 21 II.3.2 Sự truyền hạt tải...................................................................................... 24 II.3.3. Sự hình thành Exciton ........................................................................... 24 II.4.Hiệu suất của OLED ....................................................................................... 26 II.4.1.Hiệu suất ƣợng tử .................................................................................. 26 II.4.2.Hiệu suất phát quang .............................................................................. 29 II.5.Độ bền của OLED ........................................................................................... 30 II.5.1.Sự hình thành và phát triển của điểm tối ................................................ 30 II.5.2.Sự khuếch tán của kim loại .................................................................... 31 II.5.3.Sự suy giảm hóa học của thành phần bên trong lớp hữu cơ ................... 31 II.5.4.Sự kết tinh của vật liệu hữu cơ ............................................................... 31 II.6.Đóng gói OLED .............................................................................................. 32 II.6.1.Ảnh hƣởng của Oxy và hơi nƣớc đến tuổi thọ OLED ........................... 32 II.6.2.Các phƣơng pháp đóng gói OLED ......................................................... 32 II.6.2.1.Phƣơng pháp đóng gói truyền thống ............................................... 32 3 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 II.6.2.2.Phƣơng pháp đóng gói bằng màng SiNx ......................................... 35 II.6.2.2.1.Tóm ƣợc .................................................................................. 36 II.6.2.2.2.Thí nghiệm ............................................................................... 36 II.6.2.2.3.Kết quả và bàn luận .................................................................. 37 II.6.3.Phƣơng pháp kiểm tra độ kín nƣớc của lớp màng đóng gói .................. 40 B.Thực nghiệm ............................................................................................................. 41 III.Xây dựng hệ photolithography ................................................................................ 42 III.1.Phòng Photolithography ................................................................................ 43 III.2.Hệ Spin coating ............................................................................................. 44 III.3.Hệ ủ nhiệt ....................................................................................................... 46 III.4.Đèn UV .......................................................................................................... 47 III.5.Bộ phận giữ và điều chỉnh mẫu ..................................................................... 49 III.6. Bộ phận quan sát mẫu ................................................................................... 50 IV.Quy trình khảo sát sự hấp thụ hơi nƣớc trong đóng gói .......................................... 52 V.Kết quả và bàn luận .................................................................................................. 56 V.1.Khảo sát các quy tr nh trong chu tr nh photo ithoraphy ................................. 56 V.1.1.Những vấn đề gặp phải trong quá tr nh Photo ithography ..................... 58 V.1.2 Áp dụng Photolithography tạo hình dạng trên bề mặt đế ITO ............... 60 V.2.Khảo sát sự hấp thụ của hơi nƣớc trong đóng gói .......................................... 63 KẾT LUẬT ................................................................................................................... 68 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 70 4 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 5 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.OLED và Photolithography I.1.Giới thiệu chung Diode phát quang hữu cơ hay còn gọi là OLED là linh kiện điện phát quang (EL) sử dụng vật liệu hữu cơ àm nhiệm vụ phát ánh sáng, vật liệu hữu cơ phát quang đã đƣợc nghiên cứu từ những năm 50 của thể kỉ 20 và cấu trúc hoàn chỉnh đầu tiên của OLED đƣợc đƣợc C.L.Tang công bố năm 1987 [1]. Trải qua hơn nữa thế kỉ phát triển cấu trúc OLED ngày càng tinh vi hơn và đòi hỏi độ chính xác cao trong công việc thiết kế linh kiện. Việc vi mô hóa linh kiện điện tử không chỉ diễn ra đối với OLED nó xảy ra với hầu hết mọi linh kiện điện tử nhƣ chip xử lý trong CPU máy tính, bo mạch chủ… Chính vì thế mà kĩ thuật tạo hình dạng vi mô cũng đƣợc phát triển mạnh mẽ trong thời gian này nổi bật trong số đó à kĩ thuật Photolithography, Photo ithography ra đời từ rất sớm có nền tảng từ thuật in thạch bản (lithography) và đƣợc ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Photo ithography à phƣơng pháp truyền tải hình dáng của mẫu đến vật liệu nhạy quang (đƣợc gọi là photoresist) thông qua mask (tấm vật liệu có những h nh dáng đƣợc tạo bằng vật liệu có khả năng cản sáng trên bề mặt) [11] (Hình A.I.1). Những hình dáng này tạo ra những vùng khác nhau trên đế nền (đối tƣợng cần tạo dáng), nhƣ vùng cần đƣợc loại bỏ,và vùng cần giữ lại. Những vùng này cũng chính à những chi tiết trên OLED nhƣ Hình A.I.1:Minh họa quá trình truyền tải hình ảnh đến đế nền thông qua mask trong photolithography 6 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 vùng cho điện cực vùng cho vật liệu phát quang, những vùng phân cách…Quá tr nh truyền tải hình ảnh kết thúc bởi giai đoạn ăn mòn và oại bỏ những phần không cần thiết trên đế nền [11]. I.2.Tổng quan về Photolithography Nhƣ đã tr nh bày ở trên Photo othography à phƣơng pháp đƣợc sử dụng để tạo ra những hình dạng mong muốn trên bề mặt đế nền [6] nói một cách h nh tƣợng thì Photolithogra- phy tƣơng tự nhƣ kĩ thuật điêu khắc trong đó đối tƣợng điêu khắc là những vật có kích thƣớc vi mô, hệ thống photo ithography đƣợc chia làm 3 phần: Phần 1. bộ phận xử lí mẫu thông thƣờng gồm hệ thống spin coating có chức năng tạo màng trên bề mặt mẫu, hệ thống ủ nhiệt với chức năng àm tăng độ kết dính giữa màng và bề mặt mẫu. Phần 2. bộ phận quan sát điều chỉnh mẫu, bao gồm một kính hiển vi làm chức năng quan sát, đĩa đặt mẫu có khả năng di chuyển, một màn chắn (mask) làm chức năng truyền tải hình ảnh lên bề mặt mẫu [6]. Phần 3. bộ phận chiếu sáng mẫu gồm hệ thống đèn UV hoặc ebeam,… đây à phần tạo ra sự khác biệt giữa photolithography với những phƣơng pháp ithography khác, với việc sử dụng ánh sáng để tạo những chi tiết, photolithography có khả năng tạo ra những đƣờng nét cực nhỏ với độ chính xác cao. Photolithography sử dụng đặc tính của hợp chất nhạy quang (PR), hợp chất nhạy quang thay đổi tính chất hóa học (cụ thể à tính tan) khi đƣợc chiếu sáng bởi ánh sáng có bƣớc sóng phù hợp, hợp chất nhạy quang đƣợc chia thành 2 loại Chất nhạy quang âm – khả năng bị hòa tan vào developer giảm ở những điểm đƣợc chiếu sáng.(Hình A.I.2a) Chất nhạy quang dƣơng – khả năng hòa tan vào deve oper tăng ở những điểm đƣợc chiếu sáng.(Hình A.I.2b) 7 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 PR thông thƣờng gồm 3 thành phần: vật liệu nền (resin) có chức năng h nh thành h nh dạng màng, Hợp chất quang hoạt (PAC), và dung môi (một số loại dung môi thông dụng Cellosolve acetate, Butyl acetate, Dig yme…). Dƣới đây à ví dụ về thành phần PR thông dụng là DQN (Diazonaphthoquinone/novolac). Dung môi kiểm soát tính chất cơ học của PR. Nó làm cho PR ở dạng lỏng, và cũng kiểm soát độ nhớt của PR. PAC kìm hãm tốc độ tan trong depve oper trƣớc khi hợp chất đƣợc chiếu sáng. Tuy nhiên sau khi chiếu sáng nó lại làm cho PR tan tốt hơn trong deve oper [7]. Hình A.I.2: Chất nhạy quang (PR) dương (a) và chất nhạy quang (PR) âm (b)[7] Hình A.I.3:Ví dụ về thành phần cơ bản của chất nhạy quang DQN [7] 8 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.Quá trình photolithography Photolithography có thể tạo ra những hình dáng phức tạp với kich thƣớc cực nhỏ, quy tr nh thông thƣờng của photolithography gồm có 6 bƣớc chính : 1.Sấy khử nƣớc-loại nƣớc giúp tăng độ kết dính của đế với PR. 2.Tạo màng PR trên bề mặt đế bằng Spin, hoặc Spray. 3.Soft baking-Tiền xử lý nhiệt màng PR trƣớc khi chiếu UV, loại bỏ một ƣợng dung môi đáng kể ảnh hƣởng đến độ dày màng. 4.Exposure-Chiếu UV sử dụng mask để tạo hình. 5.Depvelopment- Hình thành hình dáng mẫu trên bề mặt đế. 6.Hard baking-Hậu xử lý nhiệt màng PR loại bỏ ƣợng nƣớc còn lại, ảnh hƣởng đến độ bám của màng. I.3.1. Sấy khử nƣớc Độ bám của PR đối với những bề mặt đế thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ thủy tinh hay kim loại có tính quyết định đến độ chính xác của h nh dáng PR đƣợc hình thành bằng quá tr nh ăn mòn hoặc cấy ion. Thủy tinh và kim loại đƣợc coi à nhƣng vật liệu có năng ƣợng bề mặt cao (>103dynes/cm), còn PR là dung dịch với năng ƣợng bề mặt thấp (<36dynes/cm) [8]. Vì vậy PR đƣợc kì vọng sẽ thấm ƣớt bề mặt thủy tinh và kim loại một cách tự nhiên, một độ bám dính cao giữa thủy tinh, kim loại với PR cũng à kết quả tất yếu. Tuy nhiên có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến độ bám dính của PR. 1. PR có nồng độ dung môi cao hơn quá nhiều so với resin sẽ dẫn đến việc dung môi có thế đẩy resin ra khỏi bề mặt đế làm giảm độ bám dính của PR tới bề mặt đế. 2. Liên kết resin-resin có thể mạnh hơn giữa resin với vật liệu nền của bề mặt đế đặc biệt nếu sự ràng buộc của dung môi với resin kém. Resin sẽ co chặt lại để tối thiểu hóa năng ƣợng của nó. Cả hai trƣờng hợp trên đều iên quan đến chất ƣợng của PR, việc chọn PR tốt với tỉ lệ thành phần hợp lí sẽ àm tăng độ kết dính của PR đối với bề mặt đế. 9 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 3. Sự nhiễm bẩn bề mặt-đặc biệt à hơi nƣớc. Nƣớc có ái lực rất cao đối với thủy tinh (368 dynes/cm) [8]. Hơi nƣớc tƣơng tác với thủy tinh là vấn đề đặc biệt vì thủy tinh sẽ bị thủy hợp khi ở trong môi trƣờng có độ ẩm nhất định. Hơi nƣớc trên bề mặt đế sẽ đƣợc hấp thụ bởi đế và hình thành liên kết OH (nhóm si- lanol). Hơi nƣớc trên bề mặt đế có thể đƣợc giảm bớt thông qua giai đoạn sấy khô ở nhiệt độ lớn hơn 1000 C nhƣng với nhóm silanol thì nhiệt độ sấy phải cao hơn nữa để hơi nƣớc đƣợc loại đi thật nhanh trƣớc khi phủ PR lên. Để tối thiểu hóa ảnh hƣởng của hơi nƣớc đối với độ bám của PR, nhiều kĩ thuật tiền xử lý đã đƣợc ứng dụng. Kĩ thuật thông dụng nhất là sử dụng Hexamethyldisilazane (HMDS) phủ lên bề mặt mẫu bằng phƣơng pháp phủ quay để loại bỏ hơi nƣớc trên bề mặt mẫu quá tr nh đó đƣợc minh họa ở Hình A.I.4. Hơi nƣớc trên bề mặt đế (Hình A.I.4a) phản ứng với HMDS để loại hơi nƣớc bị hấp thụ đồng thời giải phóng khí NH3 (Hình A.I.4b) lúc này bề mặt đế đã không còn iên kết với nhóm si ano cái sau đó sẽ phản ứng tiếp với HMDS để loại bỏ nhiều khí NH3 hơn (Hình A.I.4 c) để lại một bề mặt đế với áp lực bề mặt và ƣợng hơi nƣớc thấp. Hơn thế nữa bề mặt đƣợc xử lý với HMDS có độ bám dính với PR cao hơn và h nh thành một mặt phân giới kị nƣớc. Hình A.I.4 :Sự đẩy mạnh độ bám dính của PR bằng cách sử dụng HMDS [8] 10 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.2.Tạo màng PR trên bề mặt đế Dẫu có nhiều phƣơng pháp để lớp PR có thể đƣợc phủ lên bề mặt đế,nhƣng tạo màng bằng phƣơng pháp phủ quay (spin) uôn à phƣơng pháp thông dụng nhất. Trong phƣơng pháp phủ quay, một ƣợng PR nhất định đƣợc nhỏ ên đế và sau đó đế đƣợc cho quay ở tốc độ cao để hình thành hình dạng của màng. Quá tr nh đó đƣợc mô tả ở Hình A.I.5. Hình A.I.5: Quá trình tạo màng PR bằng phương pháp Spin [7] Quá trình phủ quay bắt đầu với một ƣợng PR nhất định đƣợc nhỏ giọt ên đế, việc nhỏ giọt có thể đƣợc thực hiện với đế đứng yên hoặc quay với vận tốc hạn chế ở vài trăm vòng trên phút (RPMs). Lƣợng PR dùng cho mỗi lần tạo màng khác nhau tùy thuộc vào kích thƣớc đế. Sau đó đế đƣợc tăng tốc dần cho đến tốc độ tối đa, thông thƣờng khoảng 1000 đến 10000 RPMs (Hình A.I.5c) ở tốc độ vài RPMs lớp PR bắt đầu dịch chuyển dƣới tác động của lực li a)nhỏ một ƣợng PR thích hợp lên bề mặt đế b) cho PR trải đều ra khắp bề mặt đế c) tăng tốc spin d)spin ở tốc độ cao nhất đã định Hình A.I.6: Các pha của màng PR trong qua trình spin [9] 11 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 tâm, lớp PR có dạng sóng (Hình A.I.6a), lớp PR có cấu trúc h nh “vƣơng miện” ở khoảng 30RPMs [8] (Hình A.I.6b) theo sau sự h nh thành pha “vƣơng miện”, ƣợng PR còn lại bị bắn ra khỏi đế và hình thành pha xoắn ốc của màng PR [8,9] (Hình A.I.6c). Trong suốt pha xoắn ốc này hàng ngàn giọt PR nhỏ xíu bị đẩy khỏi rìa của đế. Cuối cùng màng PR phải đƣợc spin âu hơn nữa để dung môi bay hơi àm khô màng. Các thông số kĩ thuật ảnh hƣởng đến độ dày màng [8] -Không phụ thuộc vào thể tích màng. -Không phụ thuộc vào tốc độ spin trong quá trình nhỏ giọt. -Không phụ thuộc vào tốc độ tăng tốc từ lúc nhỏ giọt đến tốc độ cuối cùng. -Phụ thuộc vào tốc độ quay cuối cùng. Nói cách khác việc chọn tốc độ quay cuối cùng cao hay thấp quyết độ dày của màng (Hình A.I.7). -Phụ thuộc vào độ nhớt của PR (Hình A.I.8). -Phụ thuộc vào khoảng 5-10 giây khi mà độ dày của màng bão hòa (Hình A.III.8). Hình A.I.7 :Độ dày màng theo tốc độ quay cuối và độ nhớt [8] 12 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.3.Tiền xử lý nhiệt màng PR trƣớc khi chiếu UV Sau khi tạo màng bằng spin, ƣợng dung môi mất đi khoảng 10%-20% [8] do bay hơi, tuy nhiên lớp PR vẫn còn chứa một ƣợng khá lớn dung môi, điều đó àm cho sự khác biệt giữa vùng đƣợc chiếu UV (Hình A.I.9) và vùng không đƣợc chiếu UV giảm đi. Để loại bỏ ƣợng dung môi này bƣớc tiền xử lý nhiệt đế trƣớc khi chiếu UV đƣợc sử dụng. Tiền xử lý nhiệt có một số lợi ích sau: - Làm cho lớp PR mới phủ cứng hơn và tăng độ kết dính với đế. - Ổn định màng giảm tình trạng chƣa dính hoàn toàn ở bề mặt. - Giảm ƣợng dung môi còn dƣ, tăng sự khác biệt giữa tốc độ develop giữa vùng đƣợc chiếu sáng và vùng không đƣợc chiếu sáng. Hình A.I.8:Độ dày màng theo thời gian [8] Hình A.I.9:Ảnh hưởng của dung môi đến sự khác biệt giữa vùng được chiếu sáng và không được chiếu sáng sau khi develop[7] 13 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 Lƣợng dung môi còn dƣ trong ớp PR hình thành một lớp phân cách ngay tại vùng đƣợc chiếu sáng ngăn không cho ánh sáng đi qua toàn bộ vùng đƣợc chiếu sáng. Việc tiền xử lý nhiệt đem ại nhiều lợi ích, tuy nhiên việc xác định thời gian,và nhiệt độ xử lý lại càng quan trọng hơn. Tùy từng loại PR mà ta chọn nhiệt độ xử lý khác nhau dựa vào tính chất của thành phần có trong PR. Mục đích của việc tiền xử lý nhiệt là làm bay hơi dung môi càng nhiều càng tốt nhƣ vậy nhiệt độ cần phải đạt tới là nhiệt độ bay hơi của dung môi, nhƣng ở hầu hết các loại PR, nhiệt độ bay hơi của dung môi thƣờng rất cao và ở nhiệt độ đó thành phần nền đã bắt đầu phân hủy. Thông thƣờng nhiệt độ xử lý nhiệt của bƣớc này phải dƣới Tg của thành phần nền và trên nhiệt độ phân hủy của chất nhạy quang [8] để vừa bảo vệ cấu trúc màng, vừa tăng tối đa hiệu quả àm bay hơi dung môi. Trong đó Tg của một vật liệu là nhiệt độ mà vật liệu vật liệu đó chuyển sang trang thái đa tinh (Bảng A.I.1) Tg Td của một số thành phần PR thông dụng. I.3.4.Chiếu UV đế sau khi đã đƣợc xử lý nhiệt Bƣớc tiếp theo sau khi xử lý nhiệt là chiếu sáng đế bằng tia UV, sử dụng mask để tạo ra hình dạng mong muốn, trong bƣớc này mask đóng vai trò hết sức quan trọng, chúng ta sẽ dành phần đầu tiên của phần III.4 này để tìm hiểu về nó. I.3.4.1.Mask I.3.4.1.1.Vật liệu tạo mask Trƣớc tiên và cũng rất cần thiết để biết rằng vật liệu để chế tạo mask phải có độ truyền qua cao đối với bƣớc sóng của ánh sáng mà ta sử dụng, nó phải thật phẳng và không có Bảng A.I.1:Nhiệt độ Tg,Td của một thành phần PR thông dụng[8] 14 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 khuyết tật nào trên bề mặt [10]. Nó phải có hệ số giãn nở nhiệt tƣơng tự nhƣ hệ số giãn nở nhiệt của silicon. Vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng là thủy tinh và thạch anh, trong đó th thạch anh tốt hơn v nó có hệ số giãn nở nhiệt giống với si icon hơn thủy tinh, tuy vậy nó lại quá đắt so với mask làm bằng thủy tinh. Điều thứ hai cần phải chú ý là vật liệu dùng để tạo hình dạng trên bề mặt mask, nó phải có tính chất à không cho bƣớc sóng ánh sáng chúng ta sử dụng truyền qua nó và dễ dàng để tạo hình lên bề mặt mask với độ nét cao [10]. Hai vật liệu đƣợc dùng phổ biến à nhũ tƣơng kim loại (emulsion) và chrome. Nhủ tƣơng kim loại thì rẻ hơn nhiều, tuy nhiên chất ƣợng màng không cao nhƣ chrome. Màng oxit sắt cũng có thể đƣợc sử dụng nhƣng ít phổ biến hơn nhũ tƣơng và chrome. I.3.4.1.2.Bản thiết kế Bƣớc đầu tiên trong việc tạo mask là tạo một bản thiết kế.Đây à quá tr nh xác định nơi mà kiểu mẫu đƣợc truyền cho mask và xác định hình dạng thiết bị.Bản thiết kế thông thƣờng đƣợc thực hiện bởi một số công cụ đồ họa nhƣ L-Edit , CleWin , Cadence , Au- toCaD hoặc bất cứ chƣơng tr nh CaD nào khác. Khi mà mask sử dụng cho mục đích in đa ớp thì việc sử dụng các dấu hiệu căn chỉnh là hết sức cần thiết, cũng à một ý hay khi sử dụng số để đánh dấu từng lớp. Lƣu ý rằng nếu hình mẫu sử dụng có chứa đoạn văn th nó nên đặt cách lề của mask khoảng 5mm, và kích thƣớc tối thiểu của nét chữ vào khoảng 5μm. I.3.4.1.3.Dấu căn chỉnh Dấu căn chỉnh là rất cần thiết khi in đa ớp. Mỗi dấu căn chỉnh trên đế phải đƣợc đánh dấu sao cho nó có thể dễ dàng đƣợc nhận ra. Với việc sử dụng dấu căn chỉnh chúng ta sẽ dễ dàng định vị vị trí các phần của đế một cách chính xác từ có hạn chế các lỗi có thể xảy ra. Có rất nhiều loại dấu căn chỉnh khác nhau nhƣng thông thƣờng ngƣời ta sử dụng hai loại dấu căn chỉnh, một loại đƣợc dùng để xác định các khoảng cách, một loại đƣợc dùng xác định chiều quay của đế, dấu căn chỉnh loại này không thể có hình dạng đối xứng nhƣ “+“ mà phải có dạng bất đối xứng nhƣ chữ “L” chẳng hạn, hoặc thậm chí sử dụng chữ kí làm dấu căn chỉnh cũng tốt v nhƣ thế sẽ rất khó để đặt sai vị trí của đế. 15 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.4.1.4.Mask vùng tối và mask vùng sáng Trƣớc khi đặt một cái mask từ nhà sản xuất bạn phải quyết định nó là mask vùng sáng hay mask vùng tối. Mask vùng sáng nghĩa và h nh dáng của lớp bề mặt chính là hình dáng bạn muốn tạo ra trên đế, trong khi đó mask vùng tối thì có thiết kế ngƣợc lại vùng bạn muốn tạo h nh trên đế lại là vùng không có vật liệu tạo màng trên bề mặt mask.(Hình A.I.11) Hình A.I.11: Ví dụ về mask vùng sáng,và mask vùng tối [9] Hình A.I.10:Ví dụ về việc căn chỉnh mask và đế [8] 16 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.4.2.Chiếu UV đế Mục đích của việc chiếu UV là sử dụng năng ƣợng của tia UV tác động lên thành phần nhạy quang của lớp PR, từ đó tạo ra sự khác biệt về tốc độ tan trong developer giữa phần đƣợc chiếu sáng và phần không đƣợc chiếu sáng. Trong đó phần đƣợc chiếu sáng sẽ tan vào developer nếu là chất PR dƣơng và ngƣợc lại sẽ không tan vào developer nếu là chất PR âm. Phần đƣợc chiếu sáng của lớp PR sẽ trải qua các phản ứng hóa học (Hình A.I.12) Lƣợng nƣớc trong phản ứng trên là lấy từ hơi nƣớc trong không khí. Nếu không khí không đủ ẩm thì liên kết carbon sẽ liên kết với keo, tạo ra vật chất không tan trong developer [7]. Việc giữ cho mask ở gần mẫu nhất có thể bằng cách sử dụng các khóa chân không có độ chính xác cao cũng hết sức quan trọng. Điều này làm giảm sự nhiễu xạ gây ra do lớp không khí giữa mẫu và mask và vì lẽ đó àm tăng độ phân giải. Tia UV đi qua vùng đƣợc chiếu sáng trên mẫu cũng v thế mà ổn định hơn. Hình A.I.12: Ví dụ về tác động của tia UV đối với hợp chất nhạy quang của PR[7] 17 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.5.Development-Hình thành hình dáng mẫu trên bề mặt đế Phụ thuộc vào loại PR (PR âm hoặc PR dƣơng), quá trình develop sẽ hòa tan phần PR đƣợc chiếu sáng hay phần PR không đƣợc chiếu sáng. Chất Developer (chất hiện h nh) cần phải loại bỏ phần PR cần bị loại bỏ và ít tác động đến phần PR cần đƣợc giữ lại. Quá trình develop cần phải đƣợc chọn lựa hợp ý để không làm biến dạng hình dạng lớp PR [7]. Sau khi deve op đế, ƣợng PR còn lại sẽ có lớp biên nhƣ Hình A.I.13 Lớp biên của PR hình thành là bởi sự nhiễu xạ của tia UV nguyên nhân do khoảng cách giữa đế và mask [7]. Lớp PR xung quanh vùng cạnh của đƣờng mẫu của mask sẽ nhận đƣợc ánh sáng với cƣờng độ thấp hơn so với những vùng ở trung tâm vùng đƣợc chiếu sáng, và vì thế mà tốc độ develop ở đó sẽ chậm hơn nhiều. Độ dốc của lớp biên này thay đổi phụ thuộc vào khoảng cách của mask và mẫu (Hình A.I.14). Hình A.I.13:lớp biên PR sau khi develop [7] Hình A.I.14:Sự phụ thuộc của độ dốc lớp biên vào khoảng cách mask và đế [7] 18 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.6.Hard baking-Hậu xử lý nhiệt màng PR Bởi v hard bake đƣợc thực hiện sau khi hình dạng PR đã đƣợc định hình. Nhiệt độ xử lý sẽ không phụ thuộc vào thành phần nhạy quang của PR. Giới hạn duy nhất của bƣớc này là sự hủy hoại và làm biến dạng mẫu. Nhiệt độ hard bake vì lẽ đó mà cao hơn nhiều so với quá trình tiền xử lý nhiệt màng PR, vì thế có thể loại bỏ ƣợng dung môi còn dƣ một cách hiệu quả hơn.Nhiệt độ hard bake có thể thực hiện trên Td của thành phần nhạy quang của PR, trên Tg của thành phần keo của PR (Bảng A.III.1) và trên nhiệt độ sôi của dung môi (Bảng A.I.2). Tuy nhiên nhiệt độ sôi của dung môi thƣờng cao hơn Td nên nhiệt độ hậu xử lý nhiệt màng PR nên chọn ở khoảng giữa nhiệt độ Td và Tg của chất keo nền và gia tăng thời gian ủ để tăng hiệu quả bay hơi dung môi. II.OLED và kĩ thuật đóng gói OLED II.1.Giới thiệu chung Diode phát quang hữu cơ (OLED) đƣợc cho là một trong những kĩ thuật tiềm năng nhất trong cho những ứng dụng trong hiển thị dạng bản phẳng (FDP) [2,4] bởi vì những đặc tính nhƣ điện thế hoạt động thấp, hiệu suất phát quang cao…Tuy nhiên với vật liệu hữu cơ nói chung và OLED nói riêng th đặc tính dễ bị ảnh hƣởng của những yếu tố thƣờng trực của môi trƣờng nhƣ oxy, hơi nƣớc…vẫn là vấn đề đáng ƣu tâm. Ch a khóa để giải quyết vấn đề đó à kĩ thuật đóng gói OLED. Nếu nhƣ trong phần I, khóa luận trình bày phƣơng pháp để tạo ra hình dáng linh kiện OLED, khâu đầu tiên tạo ra một linh kiện OLED thực sự, ảnh hƣởng trực tiếp đến hiệu quả của quá tr nh đóng gói. Trong phần II này chúng tôi sẽ nói về khâu cuối của quá trình chế tạo linh kiện OLED, đó à kĩ thuật đóng gói OLED. Bảng A. I.2:Tốc độ bay hơi và dung môi cho PR[8] 19 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 Trƣớc khi đi sâu vào kĩ thuật đóng gói chúng tôi sẽ đi sơ ƣợc về cấu trúc của một OLED thông thƣờng trong phần II.1, phần II.2, II.3 sẽ nói về nguyên tắc hoạt động của OLED cũng nhƣ hiệu suất của nó. Cuối cùng sau khi đã có một cái nhìn tổng quan về OLED chúng ta sẽ đến với phần II.4 để hiểu đƣợc tầm quan trọng của việc đóng gói OLED. II.2. Cấu trúc cơ bản của OLED II.2.1.Cấu trúc đơn ớp OLED cấu trúc đơn ớp có cấu tạo gồm lớp phát quang bằng vật liệu hữu cơ đặt giữa các điện cực. Điện cực Anốt thƣờng là các màng Oxít dẫn điện trong suốt (TCO – Transpar- ent Conducting Oxide) nhƣ ITO, AZO …, có tác dụng cung cấp hạt tải lỗ trống. Điện cực cathode, thƣờng là kim loại có công thoát cao đóng vai trò à nguồn cung cấp điện tử. Các hạt tải từ các điện cực đƣợc phun vào lớp hữu cơ, h nh thành cặp điện tử - lỗ trống kết cặp và tái hợp phát quang [1]. Tuy nhiên, cấu trúc đơn ớp có nhiều nhƣợc điểm đáng kể. Trƣớc hết, việc tìm ra loại vật liệu đảm bảo đồng thời các yêu cầu về khả năng phát quang, truyền hạt tải, phù hợp về mặt năng ƣợng với các điện cực, độ bám dính tốt và ổn định là rất khó khăn. Hầu hết các vật liệu polymer và phân tử nhỏ có độ inh động hạt tải lỗ trống cao hơn e ectron, do đó lỗ trống có thể truyền qua hết chiều dài của lớp phát quang mà không tái hợp với bất kì điện tử nào, hoặc tái hợp phát quang bị dập tắt tại vị trí gần các điện cực. Bên cạnh đó, sự không cân bằng hạt tải còn dẫn đến tình trạng hạt tải tích tụ gần các điện cực, tạo ra vùng Hình A.II.1:Cấu hình OLED đơn lớp, trong đó gồm lớp hữu cơ phát quang (EML) kẹp giữa các anốt trong suốt và catốt kim loại 20 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 điện tích không gian, làm cản trở quá tr nh phun điện tích vào lớp vật liệu hữu cơ. Để khắc phục các nhƣợc điểm đó, OLED hiện nay đƣợc chế tạo theo cấu trúc đa ớp, trong đó mỗi lớp chỉ đóng một vai trò xác định, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của linh kiện. II.2.2 Cấu trúc đa ớp Ngoài các lớp vật liệu cơ bản nhƣ trong cấu trúc đơn ớp, OLED cấu trúc đa ớp còn có thêm lớp vật liệu phun và truyền hạt tải, thông thƣờng gồm khoảng 5 lớp : Anốt/HIL- HTL/EL/ETL-EIL/Catốt (Hình A II.2). HIL (Hole Injection Layer) và EIL (Electron In- jection Layer) là các lớp hữu cơ có tác dụng tăng cƣờng quá trình phun hạt tải từ các điện cực, trong khi HTL (Hole Transort Layer) và ETL (Electron Transport Layer) là các lớp vật liệu có chức năng tăng cƣờng sự truyền điện tử và lỗ trống. Các hạt tải sẽ di chuyển qua các lớp này, hình thành các exciton kết cặp và tái hợp với nhau phát ra photon tại lớp phát quang EML (Electroluminescence Layer), có chức năng tăng cƣờng sự phát quang, cũng nhƣ quyết định màu sắc ánh sáng phát ra của OLED. Trong các cấu trúc hiện nay, ngƣời ta còn sử dụng thêm các lớp khóa electron và lỗ trống, đặt giữa lớp EL/HTL và EL/ETL , theo thứ tự, nhằm giảm thiểu ƣợng hạt tải dƣ không phát quang, góp phần làm tăng hiệu suất và độ ổn định của linh kiện. Việc lựa chọn vật liệu cho mỗi lớp đơn phụ thuộc vào sự phù hợp về mặt năng ƣợng, khả năng truyền dẫn hạt tải và tính chất phát quang cũng nhƣ độ bền (hóa, nhiệt, cơ) của OLED [1]. Hình A.II.2:Cấu trúc vùng năng lượng của OLED đa lớp [1] 21 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 II.3.Cơ chế hoạt động của OLED Trong OLED, khi đƣợc cung cấp điện thế, các hạt tải đƣợc phun ra từ các điện cực di chuyển qua các lớp chức năng đóng vai trò tăng cƣờng quá trình truyền , hình thành cặp exciton kết hợp. Tại vùng phát quang, cặp exciton sẽ tái hợp, phát ra photon có năng ƣợng hv, à ánh sáng mà chúng ta quan sát đƣợc (Hình A.II.3). Cơ chế hoạt động của OLED dựa trên bốn quá trình chính, bao gồm :  Sự phun hạt tải từ các điện cực vào lớp vật liệu hữu cơ.  Quá trình truyền hạt tải .  Hình thành cặp exciton điện tử- lỗ trống.  Sự tái hợp cặp điện tử lỗ trống và phát quang. II.3.1.Sự phun hạt tải Đối với sự truyền hạt tải từ cực âm vào các mức năng ƣợng HOMO và LUMO của vật liệu hữu cơ,một rào thế ở mặt tiếp xúc là luôn tồn tại [2] (Hình A.II.4(a)) cho thấy một biểu đồ sơ ƣợc về các dải năng ƣợng của tiếp xúc hữu cơ/kim loại. Bền dƣới đƣờng biểu diễn mức (VL) chân không đƣợc xếp thẳng hàng,rào thế của lỗ trống và e ectron(ΔEh và ΔEe) có thể suy từ vị trí của mức HOMO và LUMO so với mức Fermi(EF) của điện cực kim loại. Công thoát của kim loại (Φmetal) đƣợc xác định bởi năng ƣợng nhỏ nhất để tách Hình A.II.3: Minh họa cơ chế hoạt động của OLED [1] 22 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 một electron từ mức Fermi ra ngoài chân không. Ái lực điện tử (EA), và năng ƣợng ion hóa (Ip) đƣợc quy cho à năng ƣợng tối thiểu cần để h nh thành ion âm và ion dƣơng từ một nguyên tử trung hòa. Từ hình A.II.4(a) dễ dàng thấy rằng rào thế ngăn không cho electron phun vào lớp hữu cơ (ΔEe) bằng với sự chênh lệch mức năng ƣợng giữa mức LUMO của vật liệu hữu cơ và mức Fermi của điện cực âm (cathode). Đó à ΔEe= Φmetal- EA, còn rào thế ngăn không cho ỗ trống phun vào vật liệu hữu cơ à sự khác biệt về mức năng ƣợng giữa mức HOMO của lớp hữu cơ và mức Fermi của điện cực dƣơng (anode). Đó à ΔEh=Ip-Φmetal. Bằng thực nghiệm, các mức năng ƣợng ở vùng tiếp xúc hữu cơ/kim oại có thể đƣợc đo ƣờng bằng phổ quang điện tử cực tím (UPS) [2]. Sự tiêm electron có thể đƣợc nâng cao bởi việc giảm ΔEe, bằng cách sử dụng cathode có công thoát thấp. Ngƣợc lại để nâng cao sự tiêm lỗ trống vật liệu làm anode yêu cầu phải có công thoát cao để tối thiểu hóa ΔEh. Các nghiên cứu UPS gần đây nói rằng sự xếp thẳng hàng mức năng ƣợng trong OLED th không đơn giản nhƣ ở hình A.II.4(a). Lớp dipole nằm ở tiếp xúc hữu cơ/kim oại đƣợc hình thành vào lúc lớp tiếp xúc đƣợc hình thành.Một sự thay đổi trong mức chân không ở vùng tiếp xúc đã xảy ra (Hình A.II.4(b)). Rào thể ngăn sự phun hạt tải đƣợc thay đổi bởi rào thế dipo e Δ, vì thế ΔEe= Φmetal-EA- Δ, trong khi ΔEh=Ip-Φmetal+Δ. Ngoài ra,với mỗi vật liệu kim loại và hữu cơ khác nhau, cũng nhƣ độ sạch của vật liệu sử dụng trong hệ thống chân không, tính chất hóa học của tiếp xúc hữu cơ/kim oại cũng khác nhau. Việc xác định rào thế phun hạt tải cũng v thế mà bị gây nhiễu bởi tính chất hóa học bao hàm bên trong nhƣ à các phản ứng hóa học,sự truyền hạt tải qua lớp tiếp xúc và cả việc tái sắp xếp các điện tử [2]. 23 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 (a) (b) Hình A.II.4:Biểu đồ mức năng lượng thu gọn của vùng tiếp xúc hữu cơ không tính đến dipole phân giới(a) và có dipole phân giới [2] 24 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 II.3.2.Sự truyền hạt tải Có hai yếu tố giới hạn ảnh hƣởng đến dòng điện tích truyền qua OLED-tính chất khối của các lớp và các tiếp xúc hữu cơ [2]. Phụ thuộc vào hiệu suất phun hạt tải và độ inh động của hạt tải, dòng điện không là dòng giới hạn điện tích không gian (SCLC) thì là dòng giới hạn phun (ILC).Trong trƣờng hợp dòng giới hạn điện tích không gian (do độ linh động của vật liệu hữu cơ quy định) nhỏ hơn dòng giới hạn phun (do mức độ phun hạt tải quy định) th dòng điện cực đại qua OLED trung với dòng giới hạn điện tích không gian và ngƣợc lại, khi dòng giới hạn phun nhỏ hơn dòng giới hạn điện tích không gian thì dòng cực đại qua OLED phụ thuộc vào độ inh động của vật liệu hữu cơ. Bản thân vật chất hữu cơ có độ inh động của hạt tải thấp (thông thƣờng trong khoảng 10 -6 đến 10-3 cm2V-1s-1) [2], vì thế ở mật độ dòng phun cao hạt mang điện đã dồn lại ở lớp hữu cơ. Thông thƣờng, độ inh động của điện tử ở lớp ETL thì thấp hơn độ inh động của lỗ trống ở lớp HTL một đến hai lần [2]. Cả sự phun lỗ trống và điện tử đều chậm lại ở phần tiếp xúc bên trong bởi vì sự kém inh động của lỗ trống ở lớp ETL cũng nhƣ của điện tử ở lớp HTL. Hạt tải vì thế mà dồn lại ở tiếp xúc hữu cơ/hữu cơ, h nh thành trƣờng điện tích nội. Nhƣ đã nói ở trên độ inh động của điện tử ở ETL thì thấp hơn nhiều so với độ inh động của lỗ trống ở HTL, vì thế mà đã có rất nhiều nỗ lực để phát triển vật liệu truyền điện tử với khả năng àm tăng độ inh động của điện tử, ví dụ nhƣ vật liệu truyền điện tử phát triển bởi Naka et al., 4,7-diphenyl-1,10-phenanthromeline (BPhen), có độ inh động của điện tử cao hơn hai ần so với vật liệu truyền điện tử thông thƣờng là Alq3. II.3.3.Sự hình thành Exciton Các hạt tải, electron và lỗ trống, sau khi di chuyển qua các lớp vật liệu truyền sẽ hình thành cặp điện tử-lỗ trống kết cặp, liên kết với nhau bằng lực Coulomd, gọi là các exci- ton. Các exciton trong trạng thái kích thích có thể là là trạng thái singlet hoặc triplet, với các exciton singlet có spin phản đối xứng với số ƣợng tử spin là 0 (S=0), trong khi exci- ton trip et có spin đối xứng với số ƣợng tử spin là 1 (S=1). Vì trạng thái cơ bản của nguyên tử cũng có spin phản đối xứng, nên chỉ có exciton singlet mới phát huỳnh quang, trong khi các exciton triplet thì không phát quang mà chỉ tán xạ năng ƣợng đến mạng 25 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 ƣới tinh thể dƣới dạng nhiệt năng. Biểu đồ miêu thể hiện quá tr nh điện phát quang của vật liệu hữu cơ đƣợc miêu tả ở Hình A.II.5. Theo những thống kê về spin, số ƣợng exci- ton triplet nhiều gấp ba lần số ƣợng exciton singlet đƣợc tạo ra, vì thế mà giới hạn trên của hiệu suất ƣợng tử nội của hiện tƣợng điện phát quang chỉ khoảng 25%. Trạng thái trip et cũng có thể đóng góp cho sự phát quang, thông qua phát lân quang hay phát huỳnh quang trễ do hoạt động nhiệt của các trạng thái trip et đến các trạng thái sin- glet hoặc sự hủy triplet-triplet. Các exciton singlet gián tiếp đƣợc hình thành bởi sự hủy triplet-trip et, àm tăng hiệu suất ƣợng tử nội điện phát quang đến 40% [2]. Hình A.II.5:Biểu đồ tóm lược quá trình điện phát quang hữu cơ [2] 26 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 II.4.Hiệu suất của OLED Nhƣ đã giới thiệu trong phần trên, hoạt động của OLED dựa trên các quá trình chính : hạt tải đƣợc phun từ các điện cực, truyền vào lớp hữu cơ, h nh thành cặp exciton và tái hợp phát quang. Màu sắc ánh sáng phát ra có thể thay đổi bằng cách lựa chọn loại vật liệu phát quang phù hợp. Hiệu suất phát quang của linh kiện, đƣợc định nghĩa à ƣợng hạt tải tái hợp phát quang trên tổng số hạt tải trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất và các cơ chế gây ra mất mát trong quá trình hoạt động sẽ giúp ích trong việc nghiên cứu chế tạo linh kiện có hiệu suất cao [2]. II.4.1.Hiệu suất ƣợng tử Hiệu suất ƣợng tử đƣợc định nghĩa à tỉ số giữa số ƣợng tử ánh sáng phát ra trong mỗi đơn vị diện tích trong mỗi đơn vị thời gian so với nó hạt mang điện truyền qua đơn vị diện tích trong mỗi đơn vị thời gian.Hiệu suất ƣợng tử nội (ηint) là tỉ số giữa tổng số pho- ton sinh ra trong linh kiện so với số điện tử đƣợc phun vào,trong khi hiệu suất ƣợng tử ngoại (ηext) là số photon phát ra bởi linh kiện so với số điện tử đƣợc phun vào. ηint=γ η1 η2 ηext=ξ γ η1 η2 Trong đó biến số γ đƣợc quy cho là số exciton hình thành trong mỗi đơn vị thể tích trong mỗi đơn vị thời gian tách ra bởi số hạt mang điện truyền qua đơn vị diện tích, số ƣợng tử η1 và η2 lần ƣợt là hiệu suất phát quang của các exciton và tỉ lệ phát quang của các exci- ton singlet riêng rẽ. Biểu đồ tóm ƣợc quá tr nh điện phát quang đƣợc trình bày ở Hình A.II.6. Từ các phƣơng tr nh phía trên,có thể thấy rằng hiệu suất ƣợng tử nội và hiệu suất ƣợng tử ngoại đƣợc ràng buộc với nhau bằng biến số ξ. Một phần đáng kể của ánh sáng suất phát từ tâm phát quang chôn vùi trong màng rắn.cái mà sẽ không bao giờ thoát ra vì sự phản xạ bên trong ở lớp tiếp xúc không khí-màng và đƣợc phún ra ở mép hay tán xạ bên trong màng rắn. Biến số ξ tƣợng trƣng cho tỉ lệ ánh sáng phát ra ở bề mặt iên quan đến ƣợng ánh sáng tạo ra trong khối OLED và đƣợc quy cho là hiệu suất coupling ngoài [2]. 27 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 Bẫy sáng trong màng mỏng gây ra bởi sự phản xạ nội là chắc chắn,và hiệu suất coupling đƣợc xác định bởi cấu trúc thiết bị và chiết suất (n) của các lớp màng,nó đƣợc cho bởi: Theo phƣơng tr nh trên th ,gần 20% ánh sáng sinh ra có thể phát ra ở bề mặt đối với vật liệu hƣu cơ phổ biến với chiết suất khoảng 1.7. Biểu đồ minh họa sự mất mát do bẫy sáng trong OLED đƣợc miêu tả ở Hình A.II.7. Thông thƣờng OLED với cấu trúc đa ớp dạng sandwich với đế nền bằng thủy tinh có chiết suất khoảng 1.51, một lớp ITO với chiết suất khoảng 1.9, một lớp hữu cơ giữa với chiết suất khoảng 1.6 đến 1.8, và cathode phản quang. Sóng sáng di chuyển từ nơi có chiết suất cao đến nơi có chiết suất thấp sẽ dễ bị mất mát do phản xạ toàn phần. Bỏ qua hiệu ứng cộng hƣởng nhỏ và chỉ quan tâm đến một số góc độ chủ yếu của hệ thống, Tia III bị phản xạ nội hoàn toàn ở tiếp xúc ITO/thủy tinh trong khi tia II thì phản xạ nội hoàn toàn ở lớp tiếp xúc thủy tinh/không khí. Chỉ phần ánh sáng (ray I) bắt đâu từ trung tâm phát quang có thể thoát ra và gây ra hiện tƣợng phát quang. Đối với đế nền thủy tinh và vật liệu hữu cơ có chiết suất là 1.7, có thể xác định đƣợc phần ánh sáng thoát ra từ đế nền, phần bẫy sáng trong đế nền, và phần bẫy sáng trong lớp hữu cơ/ITO tƣơng ứng là 18.9,34.2 và 46.9% [2]. 28 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 Hình A.II.6:Tóm lược quá trình điện phát quang [2] Hình A.II.7:Biểu đồ chứng tỏ sự mất mát ánh sáng [2] 29 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 II.4.2.Hiệu suất phát quang Hiệu suất dòng phát quang (ηL) và hiệu suất năng ƣợng phát quang (ηP) à hai đại ƣợng quan trọng đƣợc sử dụng trong việc đánh giá tính chất phát quang của OLEDs. Hiệu suất dòng phát quang (ηL) đƣợc định nghĩa à tỉ số giữa mật đọ dòng phát quang so với số điện tử phun vào,đơn vị ηL là candelas/ampere [cd/A]: ( ) Trong đó A à diện tích vùng hoạt động [m2], L à quang ƣợng của thiết bị [cd/m2], và I à dòng đi qua thiết bị [A]. Để giải thích sự tiêu hao năng ƣợng bởi OLED, hiệu suất năng ƣợng phát quang (ηP) là một tham số thƣờng đƣợc sự dụng, nó đƣợc định nghĩa à tỉ số giữa năng ƣợng phát quang phát ra trực tiếp so với năng ƣợng điện năng cần thiết để điều khiển thiết bị ở một điện thế đặc biệt, đơn vị của ηP là lumens/watt [lm/W]. ( ) Trong đó Lp à năng ƣợng phát quang [lm], V à điện thế [V], và dòng điện tƣơng ứng truyền qua [A]. Hiệu suất năng ƣợng phát quang (ηp) có thể đƣợc tính toán trực tiếp bằng cách thay thế bằng đo ƣờng quang ƣợng của thiết bị, khi đó những đơn vị của lumens [lm] và cande- las [A] liên quan bởi 1cd=1lm/sr [2]. 30 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 II.5.Độ bền của OLED OLEDs đang tăng dần những ứng dụng mang tính thƣơng mại trong vài năm gần đây. Với hiệu suất đã và đang đƣợc cải tiến sau vài thập niên nghiên cứu, tuy nhiên độ bền của OLED vẫn là rào cản cho những ứng dụng của nó. Tuổi thọ của linh kiện, cả trong khi hoạt động lẫn lúc bảo quản cần phải đƣợc nâng cao trƣớc khi OLEDs có thể đƣợc tìm thấy trong những ứng dụng nhƣ à màn h nh TV, với tuổi thọ hơn 100,000 giờ đƣợc mong đợi [2]. Một vài cơ chế đƣợc cho rằng là nguyên nhân dẫn đến sự lão hóa của linh kiện sẽ đƣợc trình bày ở phần tiếp theo của luận văn. II.5.1.Sự hình thành và phát triển của điểm tối Điểm tối đƣợc định nghĩa à vùng không phát quang, hay nói một cách chính xác là vùng mất đi khả năng phát quang của OLED. Sự hình thành của và phát triển của điểm tối dẫn đến sự suy giảm khả năng phát quang của linh kiện. Những khuyết tật ở cathode, đặc biệt là những lỗ kim nhỏ (pinhole) đƣợc hình thành do sự tích tụ nhiệt ở cathode [1,3], đƣợc tin rằng là có vai trò trong việc hình thành điểm tối, ngoài ra các hạt nhân của điểm tối đã chiếm vị trí ở tiếp xúc hữu cơ/cathode trong quá tr nh ắng đọng cathode lên lớp hữu cơ [2]. Hình A.II.8:Sự hình điểm tối của OLED do phản ứng điện hóa của oxy và nước với lớp hữu cơ [3] 31 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 Hơi ẩm sau khi ngấm qua cathode sẽ khuếch tán vào trong tiếp xúc hữu cơ/kim oại và khí Hydrogen đƣợc tạo ra bởi những phản ứng điện hóa. Các bóng khí đƣợc tạo thành này nâng lớp kim loại lên (Hình A.II.8), sự phân lớp ở điện cực cathode vì thế mà xảy ra, dẫn đến sự phát triển của điểm tối. Để giảm sử phát triển của OLED lớp bảo vệ với lớp hút ẩm thƣờng đƣợc sử dụng. II.5.2.Sự khuếch tán của kim loại Một nguyên nhân khác dẫn đến sự phân lớp ở cathode là do indium (In) khuếch tán từ anode ITO [1,2]. Indium từ anode ngấm vào trong lớp hữu cơ trong quá tr nh hoạt động có mối liên quan trực tiếp đến sự lão hóa của linh kiện, là nguyên nhân gây ra sự tăng điện thế hoạt động và giảm hiệu suất phát quang. II.5.3.Sự suy giảm hóa học của thành phần bên trong lớp hữu cơ Sự suy giảm hóa học của các thành phần hữu cơ cũng đóng vai trò quan trọng trong sự lão hóa của linh kiện OLED. Đối với linh kiện OLED nền Alq3, sự dập tắt phát huỳnh quang hình thành bên trong lớp phát quang đặc biệt làm giảm hiệu suất phát quang và làm lão hóa linh kiện. Alq3, đƣợc sử dụng phổ biến trong các linh kiện hữu cơ phát quang, có độ ổn định kém ở trạng thái bị Oxi hóa +1, tƣơng đƣơng với quá trình dịch chuyển của hạt tải lỗ trống vào vật liệu này[1]. Sự dập tắt phát huỳnh quang đƣợc hình thành nhƣ à kết quả của sự lão hóa của những ion dƣơng A q3không bền, và điều này làm giảm độ ổn định của linh kiện OLED. II.5.4.Sự kết tinh của vật liệu hữu cơ Nhiệt độ dịch chuyên thủy tinh (Tg) của vật liệu hữu cơ sử dụng trong linh kiện cũng có iên quan đến độ ổn định của OLEDs [1,2]. Những nhà nghiên cứu tìm ra rằng những độ sụt trong mật độ phát quang và sự lão hóa của linh kiện sẽ xảy ra nếu nhiệt độ hoạt động của linh kiện gan với Tg của vật liệu hữu cơ. Nhiệt độ hoạt động cao sẽ dẫn đến quá trình kết tinh của vật liệu hữu cơ. Những biên hạt hình thành bên trong màng tinh thể sẽ trở thành những đƣờng khuếch tán dễ dàng cho hơi nƣớc dấn đến sự giảm độ ổn định [2]. Kết quả là những vật liệu hữu cơ giữ có nhiệt Tg thấp đều đƣợc thay thể bởi những vật liệu có Tg cao hơn. Chẳng hạn OLED sử dụng NDP có Tg = 95 0 C làm vật liệu phát quang 32 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 có độ ổn định cao hơn hẳng OLED dùng TDP có Tg = 630C [1]. Các vật liệu có nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cao đƣợc sử dụng rộng hiện nay TDATAs hoặc các dẫn xuất của spiro nhƣ DPVBi [1], với nhiệt độ Tg > 1000C. II.6.Đóng gói OLED Theo nhƣ phần trên ta có thể thấy đƣợc mặc dù tiềm năng của OLED là rất lớn nó cũng tồn tại nhiều vấn đề cần phải giải quyết để có thể ứng dụng rộng rãi hơn. Do phạm vi khóa luận có hạn, chúng tôi tập trung vào giải quyết các tác động bên ngoài nhƣ sự ảnh hƣởng của Oxy và hơi nƣớc đến tuổi thọ linh kiện OLED. II.6.1.Ảnh hƣởng của Oxy và hơi nƣớc đến tuổi thọ OLED Ngoài việc là một trong số những nguyên nhân chính h nh thành các điểm tối từ đó dẫn đến làm giảm hiệu suất phát quang, oxy và hơi nƣớc cũng à kẻ thù số một của các vật liệu hữu cơ, vì vật liệu hữu cơ dễ dàng bị oxy hóa nhất là trong quá trình hoạt động. Trong suốt quá trình hoạt động của linh kiện, sự oxi hóa vật liệu hữu cơ (po ymer, vật liệu phân tử nhỏ …) xảy ra dƣới tác động của Oxi và hơi nƣớc có trong môi trƣờng. Do ảnh hƣởng của oxi và hơi nƣớc, các mối nối C = O đƣợc hình thành. Tuy nhiên lại không có sự liên kết giữa các nhóm C = O này với nhau, làm chuỗi polymer bị cắt thành nhiều đoạn ngắn, giảm hiệu quả của quá trình truyền hạt tải. Bên cạnh đó, các mối nối C = O này còn là các tâm dập tắt phát quang, dẫn đến hiệu suất điện phát quang của OLED bị giảm đáng kể[1]. II.6.2.Các phƣơng pháp đóng gói OLED Vì sự hấp dẫn của OLED có rất nhiều nghiên cứu về nó cũng nhƣ những nghiên cứu làm thế nào để bảo vệ OLED khỏi tác động của môi trƣờng, vì thế mà phƣơng pháp đóng gói OLED cũng rất đa dạng, khóa luận tr nh bày hai phƣơng pháp phổ biến nhất hiện nay đó à phƣơng pháp đóng gói truyền thống, và phƣơng pháp đóng gói sử dụng màng SiNx. II.6.2.1.Phƣơng pháp đóng gói truyền thống 33 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 Đúng với tên gọi phƣơng pháp truyền thống hết sức đơn giản,nó giải quyết ảnh hƣởng của môi trƣờng bằng cách tạo ra một lớp cách li linh kiện khỏi tác động của môi trƣờng sử dụng cấu trúc đƣợc minh họa nhƣ Hình A.II.9 Trong cấu trúc trên tấm thủy tinh (3) giữ vai trò là nón chống ẩm che đậy bảo vệ linh kiện OLED bên trong không chỉ khỏi tác động của hơi nƣớc mà còn mà còn tác động va chạm bên ngoài. Tuy nhiên phần đặc biệt của phƣơng pháp này không nằm ở tấm thủy tinh (3) cũng chẳng ở lớp hút ẩm (4) mà là ở lớp keo-sealant (2). Do là phần kết nói giữa tấm thủy tinh (3)và đế thủy tinh(1) nên nó phải có độ bám dính cao, mặt khác nó còn phải có độ kín nƣớc kín hơi cao, độ bền cơ, độ bền hóa học tốt. Đáp ứng những yêu cầu đó các loại keo epoxy thƣờng đƣợc sử dụng để làm lớp sealant trong đóng gói inh kiện OLED. EPOXY Nhựa epoxy có nguồn gốc khá âu đời,và trở nên đặc biệt vào năm 1936 khi mà Dr Perre Castan ở Thụy Sĩ thành công trong việc tổng hợp keo epoxy thứ mà ông đã đóng rắn bằng Phathalic anhydride. Vào năm 1939 Dr S.O.Green ee ở USA đã phát triển những loại keo epoxy từ epichloro- hydrin và bisphenol A…Những loại epoxy mà ngày này chúng ta vẫn còn sử dụng. Mục đích của việc phát triển các loại epoxy đó à để tìm ra nhóm liên kết cho việc tạo màng cái mà bền với kiềm, nhƣng epoxy cho thấy nó còn có nhiều tính chất đặc biệt hơn thế. Ngày này epoxy có vị trí của nó ở ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, điện tử và công nghiệp tự động, cũng nhƣ trong ĩnh vực nhƣ công nghiệp thực phẩm, dƣợc phẩm, chế Hình A.II.9.1: Cấu trúc OLED được đóng gói bằng phương pháp truyền thống.1:đế thủy tinh,2:keo-sealant,3 tấm thủy tinh,4 chất hút ẩm.[3] 34 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 tạo, và công nghiệp biển. Hầu hết mọi ngƣời đều quen thuộc với từ epoxy và iên tƣởng đến nó nhƣ à một thứ g đó mạnh mẽ [4]. Năm 1960, Nils Malmgren và Curt Augustsson bắt đầu đề ra và sản xuất những sản phẩm dựa trên epoxy với thành phần đóng rắn. Trong năm 1967, công ti Nils Malmgren AB mở rộng mục tiêu sản suất đặc đối với những sản phẩm dựa trên chất nền là epoxy. Sau đó với việc đƣợc công nhận tiêu chuẩn chất ƣợng vào năm 1990 việc phát triển của những sản phẩm từ epoxy ở công ty Nils Malmgren AB nói riêng và thế giới nói chung càng trở nên mạnh mẽ hơn. Keo epoxy thì đƣợc định nghĩa nhƣ à một phân tử với nhiều nhóm epoxy, cái mà có thể đƣợc đóng rắn thành chất nhựa dẻo hữu dụng. Nhóm epoxy còn đƣợc gọi là nhóm glyc- idyl, cái tên epoxy đƣợc đặt dựa vào thành phần suất hiện của nó Nguồn gốc tên gọi epoxy là do công thức hóa học của nó, có thể thấy rằng ở công thức hóa học của nhóm epoxy nguyên tử oxy nằm ở bên ngoài của chuỗi carbon. Trong đó epi có nghĩa à bên ngoài còn phần thứ hai là những chữ từ chữ oxygen.Keo epoxy có thể đƣợc sản xuất từ những chất hóa học đơn giản và phổ biến nhƣ Propy ene, Ch orine, Ace- tone, Pheno …(H nh A.II.9.2) Nhóm epoxy Hình A.II.9.2 :Ví dụ về quy trình tổng hợp epoxy 35 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 Với phƣơng tr nh phản ứng hóa học nhƣ sau Keo epoxy đã đƣợc phát minh và sử dụng từ lâu vì thế nó rất đa dạng về chủng loại và thành phần, nó có thể đƣợc đóng rắn bằng UV hoặc sử dụng thành phần đóng rắn chuyên biệt. Ngoài những đặc tính nhƣ đã nói ở trên keo epoxy còn có những phẩm chất nhƣ [4] -Nhạy quang (đặc biệt là tia UV) tính chất này thƣờng đƣợc sử dụng để đóng rắn keo epoxy. -Ít co lại trong quá tr nh đóng rắn, đây cũng một tính chất cần thiết trong quá trình chế tạo linh kiện đặc biệt linh kiện có kích thƣớc nhỏ. -Là chất điện môi điện trở suất dρ=1015 ohm.cm. Phƣơng pháp truyền thống có ƣu điểm là đơn giản và hiệu quả cao, tuy nhiên cùng với sự phát triển của con ngƣời nhu cầu của con ngƣời ngày càng cao hơn, mọi thứ ngày càng mỏng hơn, trong khi phƣơng pháp truyền thống tạo ra linh kiện OLED quá dày, đây à nhƣợc điểm lớn nhất khiến nó ngày càng ít phổ biến trong kĩ thuật đóng gói inh kiện OLED. II.6.2.2.Phương pháp đóng gói bằng màng SiNx Trong phần này chúng tôi sẽ trình bày kết quả nghiên cứu về màng SiNx tạo bằng phƣơng pháp lắng đọng hơi hóa học p asma tăng cƣờng (PECVD) của nhóm nghiên cứu ở Daim- lerChrysler SIM Technology Co., Ltd. [5]. 36 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 II.6.2.2.1.Tóm ƣợc Màng SiNx đƣợc lắng đọng trên đế nền đƣợc nghiên cứu ở các điều kiện nhiệt độ đế thay đổi từ 200C-1800C và ở trong điều kiện nguồn phát tần số cao RF thay đổi từ 10 đến 30W. Nghiên cứu cho thấy rằng những tính chất của m