Roled. Sviluppo di un dispositivo Oled per la creazione di luce ausiliaria e d’emergenza adattabile

L’OLED, “organic light emitting diode”, è un dispositivo organico in grado di emettere luce.

Alcune osservazioni riguardanti l’elettroluminescenza risalgono agli anni ’50: applicando un campo elettrico ad un sale inorganico di zinco, vi è una creazione temporanea di luce.
I primi modelli di display che utilizzavano questa tecnologia erano strutturalmente molto semplici: una pellicola di sostanza organica era posta tra due elettrodi, l’anodo e il catodo. Applicando una tensione ai due elettrodi, il passaggio di corrente nello strato organico ne causava l’emissione luminosa. Tuttavia, questo tipo di elettrodi non era molto pratico, in quanto richiedeva, per funzionare, un’estrema precisione in fase di produzione; un allineamento non perfetto, infatti, causava grandi perdite di energia e conseguente inefficienza dei display, e malfunzionamenti.
La storia degli OLED inizia nel 1963, con la scoperta del fenomeno dell’elettroluminescenza in semiconduttori organici ad opera del gruppo di lavoro di M. Pope.
A partire da questo metodo, negli anni ‘80 C. W. Tand e S. Van Slyke, alla Eastman Kodak Company, che detiene un elevato numero di brevetti sulla tecnologia di base e sui materiali, ottennero una più elevata efficienza luminosa e sicurezza nel funzionamento applicando un campo elettrico continuo, DC, a strati estremamente sottili di un composto organico dell’alluminio. In questo modo fu possibile costruire display ad alta luminosità, alimentati da basse tensioni.
Poco dopo, nel 1990, R. Friend e i suoi collaboratori dell’Università di Cambridge, introdussero l’utilizzo di film polimerici come emettitori organici, definiti POLED.
Questa grande scoperta aprì un nuovo e vasto campo di ricerca che fruttò nel 2000 il premio Nobel per la chimica a Shirakawa, Heeger e MacDiarmid.

Struttura di base
La struttura più semplice e schematica di un OLED, consiste in due strati di materiale di tipo organico, posti tra due elettrodi. Lo scopo di questi ultimi è quello di iniettare i portatori di carica all’interno dei livelli organici. La figura 1, rappresenta la più semplice struttura di un OLED, detta eterostruttura singola.
Questa struttura è composta dai seguenti strati:
• La base dell’OLED, un substrato in vetro trasparente, che permettere il passaggio della luce prodotta negli strati più interni.
• Il secondo strato è l’anodo, ossia il metallo responsabile dell’iniezione di lacune, composto da un materiale detto ITO, Indium Tim Oxide, anch’esso trasparente per permettere alla luce prodotta di uscire dal dispositivo.
• Subito sopra l’anodo è presente un livello di trasporto per le lacune, detto HTL, Hole Transport Layer. E’ bene specificare che in altre realizzazioni degli OLED è possibile avere un livello di trasporto per gli elettroni. In tal caso, il livello, detto ETL, Electron Transport Layer, è posto tra il catodo e lo strato emissivo, e può essere compresente all’HTL, come in Figura (b), questa struttura è detta eterostruttura doppia.
• Al di sopra dell’HTL, vi è uno strato emissivo detto EML, in cui gli elettroni si ricombinano generando la luce. Con strutture più avanzate si è in grado di concentrare gli elettroni in questa zona per favorire le ricombinazioni.
• All’altro capo del dispositivo, posto ad un valore basso di tensione, e invece presente un catodo, costruito in una lega metallica. La sua funzione è quella di iniettare gli elettroni all’interno degli strati organici più interni. Il catodo deve possedere una bassa energia di ionizzazione, ossia l’energia da fornire ad un atomo perché uno dei suoi elettroni più esterni venga liberato, in modo da poter rilasciare elettroni.

Gli OLED a singolo strato costituiscono la prima e più semplice configurazione. Lo strato organico è un semiconduttore indifferenziato, che racchiude in sé le funzioni di entrambi i trasportatori di carica, lacune ed elettroni. Il catodo deve presentare una bassa funzione di lavoro così da essere facilmente ossidato ed iniettare elettroni nello strato semiconduttore; l’anodo, invece, è richiesto essere trasparente per permettere l’uscita della luce.
Gli OLED a multistrato consistono, invece, in uno strato emettitore, definito emissive layer, compreso tra due strati trasportatori rispettivamente di elettroni e lacune. Tale distribuzione permette di ottimizzare le caratteristiche dell’intero dispositivo, migliorando ogni strato esclusivamente nell’ottica della sua funzione, rendendolo, così, indipendente dagli altri due. E’ presente inoltre un terzo strato che costituisce il luogo di ricombinazione di lacune ed elettroni. Quest’ultimo strato può essere scelto per un particolare colore di emissione o per un’alta efficienza nella luminescenza.
I Led organici multistrato presentano, inoltre, un mezzo organico più complesso con uno spessore di sottigliezza notevole. Tale strato offre una resistenza elettrica limitata, che permette di operare con densità di corrente più elevate per una data differenza di potenziale. Dal momento che l’emissione luminosa è direttamente proporzionale alla densità di corrente, la finezza dello strato organico e l’ottimizzazione di ETL e HTL, permettono il conseguimento di soddisfacenti emissioni luminose per basse tensioni.

Funzionamento
Per comprenderne il funzionamento, è necessario analizzare il suo comportamento a livello atomico. Un ruolo chiave è svolto dai portatori di carica, gli elettroni. Sono infatti, queste particelle elementari che permettono il funzionamento dell’intera struttura, effettuando una ricombinazione, emettono energia: gli elettroni eccitati in banda di conduzione lasciano degli stati liberi in banda di valenza, che permettono una certa mobilità agli elettroni rimasti. Il moto concertato di tutti gli elettroni della banda di valenza è descritto in modo molto più efficace come il moto di una lacuna positiva, il livello lasciato libero dall’elettrone eccitato.
Il principio di funzionamento degli OLED è legato, quindi, al fenomeno fisico dell’elettroluminescenza12, che si verifica quando un campo elettrico viene applicato tra catodo e anodo, e tra di essi è presente uno strato semiconduttore emettitore per fluorescenza o per fosforescenza. Si viene così ad avere l’iniezione di elettroni nell’ETL, provenienti dal catodo e l’iniezione di buche nel HTL, provenienti dall’anodo. Queste ultime migrano verso il catodo mentre gli elettroni si muovono verso l’anodo, fino a neutralizzarsi a vicenda formando i così detti eccitoni. Il rilassamento degli eccitoni allo stato fondamentale13, produce l’emissione luminosa.
Come si può osservare in Figura 2, la struttura di un OLED richiama la forma di un sandwich: anodo e catodo costituiscono gli strati più esterni, mentre lo strato organico, in figura composto dai 3 strati centrali, con spessore inferiore a 0,2 micronmetri, è il vero responsabile dell’emissione luminosa.