Trong thời gian gần đây công nghệ hiển thị OLED đang được nhắc đến nhiều và nổi lên như là một ứng cử viên sáng giá thay thế cho công nghệ LCD. Trong loạt bài viết này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về OLED cũng như các ứng dụng của nó trong hiện tại và tương lai.

Bạn hãy tưởng tượng có một chiếc TV độ phân giải cao với kích thước 80 inch nhưng chỉ dày vài mm, tiêu thụ ít điện năng hơn hầu hết các loại TV có trên thị trường hiện nay, và có thể cuộn lại được khi bạn không dùng nó. Nếu như bạn có một màn hiển thị (head-up display) trên kính chiếc xe ô tô của bạn và còn cả những màn hình được tích hợp vào quần áo của bạn? Những thiết bị này sẽ có thể thành hiện thực trong tương lai gần với sự trợ giúp của một công nghệ gọi là OLED (Organic Light-Emitting Diode: Diode phát sáng hữu cơ).

Các OLED là các thiết bị thể rắn cấu tạo từ các tấm phim mỏng làm từ các hợp chất hữu cơ. Tấm phim này sẽ phát ra ánh sáng khi được cung cấp điện năng. OLED có thể tạo ra những hình ảnh sáng và rõ nét hơn nhưng lại tiêu thụ ít điện năng hơn các công nghệ màn hình LED (Light-Emitting Diode: Diode phát quang) hay LCD (Liquid Crystal Display: Màn hình tinh thể lỏng) hiện tại.

Các thành phần của OLED

Giống như một diode phát quang LED, một diode phát quang hữu cơ OLED là một thiết bị bán dẫn thể rắn có độ dày từ 100 đến 500 nanomet hay khoảng 200 lần nhỏ hơn đường kính sợi tóc. Các OLED có thể có hai hoặc ba lớp vật liệu hữu cơ; trong trường hợp thiết kế ba lớp thì lớp thứ ba sẽ giúp truyền tải các electron từ cathode tới lớp phát sáng (emissive layer). Trong mục này chúng ta sẽ tập trung vào kiểu thiết hai lớp.

Một OLED gồm các phần sau:

• Tấm nền (substrate) - làm từ nhựa trong, thủy tinh, ... Tấm nền có tác dụng chống đỡ cho OLED.
• Anode (trong suốt) - anode sẽ lấy đi các electron (hay tạo ra các lỗ trống mang điện dương) khi có một dòng điện chạy qua thiết bị.
• Các lớp hữu cơ - các lớp này được tạo thành từ các phân tử hữu cơ hay polymer.
  • Lớp dẫn (conductive layer) - lớp này được làm từ các phân tử hữu cơ dẻo có nhiệm vụ truyền tải các lỗ trống từ anode. Một polymer dẫn được sử dụng trong các OLED là polyaniline.
  • Lớp phát sáng (emissive layer) - lớp này được làm từ các phân tử hữu cơ dẻo (nhưng khác loại với lớp dẫn) có nhiệm vụ truyền tải các electron từ cathode. Một loại polymer dùng trong lớp phát sáng là polyfluorence.
• Cathode (có thể trong suốt hoặc không tùy thuộc vào loại OLED) - cathode sẽ tạo ra các electron khi có dòng điện chạy qua thiết bị.

Chế tạo OLED

Công đoạn phức tạp nhất của việc chế tạo các OLED là khi đặt các lớp hữu cơ lên tấm nền. Công đoạn này có thể được thực hiện theo 3 cách:

• Lắng đọng chân không hay bốc hơi nhiệt chân không - Trong một buồng chân không, các phân tử hữu cơ được đốt nóng nhẹ (làm bốc hơi) và sẽ được ngưng tụ thành các tấm phim mỏng trên các tấm nền lạnh. Quá trình này khá tốn kém và không hiệu quả.
• Lắng đọng pha hơi hữu cơ (organic vapor phase deposition - OPVD): trong một buồng phản ứng áp suất thấp có tường nóng, một chất khí vận chuyển sẽ truyền tải các phân tử hữu cơ bốc hơi tới các tấm nền lạnh, tại đó chúng ngưng tụ thành các tấm phim mỏng. Sử dụng một chất khí vận chuyển sẽ tăng tính hiệu quả và giảm giảm giá thành chế tạo các OLED.
• In phun mực (inkject printing) - với công nghệ phun mực, các OLED được phun rải lên các tấm nền giống như mực được phun rải lên trên giấy trong khi in. Công nghệ phun mực giúp giảm đáng kể giá thành sản xuất các OLED và cho phép các OLED được in lên trên các tấm film lớn tức là có thể tạo ra các màn hiển thị rất lớn như các màn hình TV 80 inch hay các bảng thông báo điện tử.

Các OLED phát sáng như thế nào?

Các OLED phát ra ánh sáng theo cách giống với các đèn LED. Quá trình này gọi là sự phát lân quang điện tử (electrophosphoresence).

Quá trình này xảy ra như sau:

1. Nguồn điện cung cấp một dòng điện cho OLED.
2. Một dòng các electron chạy từ cathode qua các lớp hữu cơ tới anode:
   1. Cathode sẽ truyền các electron cho lớp các phân tử hữu cơ phát quang.
   2. Anode sẽ lấy các electron từ lớp các phân tử hữu cơ dẫn (điều này giống với việc truyền các lỗ trống mang điện dương cho lớp dẫn).
3. Tại biên giữa lớp phát quang và lớp dẫn, các electron gặp các lỗ trống:
   1. Khi một electron gặp một lỗ trống, nó sẽ tái hợp với lỗ trống này (hay nó rơi vào mức năng lượng của nguyên tử lỗ trống bị mất một electron).
   2. Khi sự tái hợp xảy ra, electron tái hợp sẽ tạo ra một năng lượng dưới dạng một photon ánh sáng.
4. OLED phát ra ánh sáng.

Màu của ánh sáng phụ thuộc vào kiểu phân tử hữu cơ của lớp phát quang. Các nhà sản xuất thường đặt một vài loại film hữu cơ trên cùng một OLED để tạo ra các ánh sáng màu khác nhau. Cường độ hay độ sáng của ánh sáng phụ thuộc vào lượng điện cung cấp. Lượng điện càng lớn, ánh sáng càng sáng hơn.

OLED phân tử nhỏ và OLED polymer

Các OLED đầu tiên phát minh bởi các nhà khoa học của Kodak vào năm 1987 sử dụng các phân tử hữu cơ nhỏ. Mặc dù các phân tử nhỏ phát ra ánh sáng mạnh, các nhà khoa học phải lắng đọng chúng lên các tấm nền trong chân không khá tốn kém.

Kể từ năm 1990, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phân tử polymer để phát sáng. Các polymer ít tốn kém hơn và có thể chế tạo thành các tấm lớn, do đó chúng phù hợp hơn cho các màn hiển thị lớn.

(xem tiếp phần 2)

Đỗ Tuấn Hưng (theo Howstuffworks)