Hot OLED'er kan skifte tilbage

Det er velkendt, at lysdioder og transistorer ikke bør forbindes parallelt, da små forskelle i modstand kan føre til ubalanceret strømstrøm. Denne effekt bliver endnu stærkere, hvis enhederne varmes op, da deres modstand ændres med temperaturen. For organiske LED'er (OLED'er), dette er et stort problem:Hvert stort OLED-belysningspanel kan forstås som en parallel forbindelse mellem mange individuelle små OLED'er. Som en konsekvens, disse enheder viser inhomogen lysemission, hvis de opvarmes. Et fænomen, der er blevet observeret af forskere såvel som industrielle virksomheder i de sidste par år, er en mætning af lysstyrken, der opstår, selvom den samlede påførte strøm konstant øges.

Nu beviser et team af forskere fra TU Dresden og Weierstrass Institute Berlin eksperimentelt, at OLED'er ikke kun mætter, de viser endda områder, der skiftes tilbage i lysstyrke:Pludselig bliver OLED'en mørkere i et bestemt område, selvom den samlede anvendte strøm øges-klart et kontraintuitivt resultat. Denne såkaldte "switched-back" effekt er direkte relateret til tilstedeværelsen af ​​en stærk ikke-lineær elektrotermisk feedback i OLED'er, der finder sted ved opvarmning, og som igen inducerer negativ differentiel modstand, der gør enheden tilbøjelig til ustabil drift.

Resultaterne har en stærk indvirkning på forståelsen af ​​langsigtet stabilitet i applikationer med høj lysstyrke f.eks. som de findes i bilsektoren. Her, OLED'er er nu under overvejelse til at erstatte LED-teknologi til baglygter, signallys, og bremselys på grund af deres nye designmuligheder. Et problem, OLED'er stadig står over for, er fænomener med pludselig død. De er sjældent beskrevet i litteratur på grund af deres uforudsigelige og tilsyneladende tilfældige forekomst. Imidlertid, det er sandsynligt, at de nu bevist tilbagevendende regioner er stærkt relateret til sådanne pludselige dødsfænomener. En bedre forståelse af OLED som et komplekst elektrotermisk system vil, derfor, være afgørende for at forudsige enhedsnedbrud og for at udvikle nye strategier for bedre lysstyrkeensartethed og enhedsstabilitet. I fremtiden, nye applikationer med ultrahøj lysintensitet, såsom organiske lasere, vil også drage fordel af præcis viden om selvopvarmningseffekter.

Samarbejdet mellem de to grupper går tilbage til 2011. Siden da har flere fælles publikationer om elektrotermisk feedback i organiske halvlederenheder er blevet udgivet. "Forudsigelsen af ​​de tilbagekoblede regioner går faktisk tilbage til 2014, hvor vi fik nogle indledende hints af en ret rudimentær simulering, "sagde Dr. Axel Fischer, der er den tilsvarende forfatter til dette værk, og hvem fortsætter, "Vi fokuserede derefter på at skabe et forbedret setup, der ville give os mulighed for at måle effekten for vores prøver i laboratorieskala."

Udtrykket "switched-back" er faktisk relateret til den strømtæthed, der lokalt falder i OLED'en i modsætning til den samlede strøm, der stadig stiger. Da det er svært at måle den lokale strømtæthed, et kamera blev brugt til at detektere den emission, der svarer til den lokale strøm. Hvis der ville være en faldende lysstyrke før OLED nedbrydes, det ville være et bevis på skiftet regioner. Ja, eksperimentelisterne pludselig observerede en faldende luminans i den forventede region i det aktive område lige efter at den første negative differentielle modstand opstod.

Disse eksperimenter er blevet udført og evalueret af Anton Kirch, der i øjeblikket er ph.d. studerende ved TU Dresden. "Først, et område med negativ differentialmodstand opstår og formerer sig gennem enheden for at øge forsyningsstrømmen. På et bestemt tidspunkt, de skifter områder tilbage, der er fjernt fra elektroderne, og som ikke har en tilstrækkelig høj effekttab. Man kan forestille sig, at disse tilbagekoblede områder kun 'ser' den faldende spænding af OLED-delene, der opererer i regimet med negativ differentialmodstand og ikke ved, at den eksternt påførte spænding stadig stiger."

For at bekræfte de eksperimentelle resultater, det komplekse samspil mellem strøm og varmestrøm blev undersøgt numerisk i et meget ulinært system, under hensyntagen til de forskellige lag af OLED. Derfor, matematikerne fra Weierstrass Institute Berlin skabte et simuleringsværktøj til løsning af det afledte system med partielle differentialligninger. "Vi var nødt til at introducere en avanceret sti efter algoritme, " forklarer Dr. Matthias Liero, "for at fange enhedens opførsel inden for det bistabile regime, dvs. når dele af OLED fungerer i regimet med negativ differential modstand. "

Efter at dette blev implementeret, den numeriske simulering var i stand til at reproducere det eksperimentelle fund baseret på rimelige antagelser og parametre. Liero skitserer yderligere:"Helt ærligt, vi har været overrasket over den kvalitative og kvantitative overensstemmelse mellem simulering og eksperiment. Formen og forekomsten af ​​den tilbagekoblede region blev beregnet som fundet i eksperimentet." Gruppen leder nu efter yderligere partnere fra såvel videnskaben som fra industrien til at overføre resultaterne fra laboratorieskala OLED'er til større tyndfilmsbelysningspaneler og mere komplicerede geometrier.

Begge grupper ønsker at fortsætte deres fælles arbejde med elektrotermisk feedback. De næste udfordringer er at skabe nye strategier til at forhindre tilbagekoblede områder for at homogenisere luminansen selv ved selvopvarmning. Det vil være målet at skabe ikke-trivielle løsninger, der eksplicit tager hensyn til problemets ikke-lineære karakter. Desuden, dybdegående undersøgelser, der udforsker den indbyrdes afhængighed mellem udseendet af tilbagekoblede regioner og pludselige dødsscenarier er blevet påbegyndt.