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Jul 19, 2023

Untersuchung des elektrischen Übersprecheffekts zwischen Pixeln im Hochformat

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14070 (2023) Diesen Artikel zitieren Metrikdetails Mikrodisplays mit organischen Leuchtdioden (OLED) haben aufgrund ihrer hervorragenden Qualität große Aufmerksamkeit erhalten

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14070 (2023) Diesen Artikel zitieren

Details zu den Metriken

Mikrodisplays mit organischen Leuchtdioden (OLED) haben aufgrund ihrer hervorragenden Leistung für Anwendungen in Augmented Reality/Virtual Reality-Geräten große Aufmerksamkeit erhalten. Allerdings führt die hohe Pixeldichte des OLED-Mikrodisplays zu elektrischem Übersprechen, was zu Farbverzerrungen führt. Diese Studie untersuchte das aktuelle Übersprechverhältnis und Änderungen im Farbraum, die durch elektrisches Übersprechen zwischen Subpixeln in hochauflösenden Vollfarb-OLED-Mikrodisplays verursacht werden. Für die elektrische Crosstalk-Simulation wurden eine Pixelstruktur von 3147 Pixel pro Zoll (PPI) mit vier Subpixeln und ein Single-Stack-weißes OLED mit roten, grünen und blauen Farbfiltern verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass der Schichtwiderstand der oberen und unteren Elektroden von OLEDs das elektrische Übersprechen kaum beeinflusste. Allerdings stieg das aktuelle Übersprechverhältnis dramatisch an und die Farbskala nahm ab, da der Schichtwiderstand der gemeinsamen organischen Schicht abnahm. Darüber hinaus verringerte sich der Farbumfang des OLED-Mikrodisplays, da die Pixeldichte des Panels von 200 auf 5000 PPI stieg. Darüber hinaus haben wir eine Subpixel-Schaltung zur Messung des elektrischen Übersprechstroms mithilfe einer Mehrfinger-Pixelstruktur im Maßstab 3147 PPI hergestellt und diese mit dem Simulationsergebnis verglichen.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) werden aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit, ihres hohen Kontrastverhältnisses, ihres breiten Farbraums sowie ihrer ultradünnen und flexiblen Formfaktoren in verschiedenen elektronischen Geräten und Fahrzeugen eingesetzt1,2,3,4,5. OLED-Displays sind in verschiedenen Größen erhältlich und können auf verschiedenen Geräten angebracht werden, vom Mobiltelefon bis zum Fernseher6,7. In den letzten Jahren wurden OLED-Mikrodisplays mit einer Diagonale von 2 Zoll oder weniger hergestellt und in Augmented Reality (AR)/Virtual Reality (VR)-Geräten eingesetzt8. Die Pixel in OLED-Mikrodisplays werden durch optische Systeme in AR/VR-Geräten vergrößert9,10. Daher müssen OLED-Mikrodisplays eine hohe Pixeldichte aufweisen. Die meisten OLED-Mikrodisplays verwenden Silizium-Backplanes mit komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-basierten Schaltkreisen für eine hohe Auflösung8. Beispielsweise berichtete BOE in China über ein OLED-Mikrodisplay mit 5644 Pixel pro Zoll (PPI) für AR-Glas11. Sony meldete außerdem einen kleinen Pixelabstand von 6,3 μm12.

Mit abnehmender Größe des Pixelabstands nimmt jedoch auch der Abstand zwischen den Pixeln ab, was zu Problemen13,14 führt, die bei herkömmlichen OLED-Displays nicht auftreten. Da der Abstand zwischen den Subpixeln im normalen OLED-Display groß ist und etwa mehrere zehn Mikrometer beträgt, werden benachbarte Subpixel aufgrund des sehr hohen Schichtwiderstands organischer Materialien nicht durch seitlichen Leckstrom beeinträchtigt, wenn ein Subpixel elektrisch angesteuert wird. Allerdings beträgt der Abstand zwischen Subpixeln im OLED-Mikrodisplay etwa Hunderte von Nanometern15,16. Folglich kann die Ansteuerspannung im grünen (G) Subpixel einen Übersprechstrom in den roten (R) und blauen (B) Subpixeln verursachen, der als elektrisches Übersprechen bezeichnet wird, wie in Abb. 117,18 dargestellt.

Schematische Darstellung des Übersprechstroms im vollfarbigen OLED-Mikrodisplay mit R-, G- und B-Farbfiltern (C/Fs).

Obwohl Liu et al. berichteten, dass der laterale Lochdiffusionsstrom die Effizienz und Betriebsstabilität von OLEDs verbessert19. Der größte Teil des durch lateralen Leckstrom verursachten elektrischen Übersprechens verzerrt typischerweise die Pixelfarben und verringert den Farbumfang von OLED-Mikrodisplay-Panels. Weiße OLEDs mit Tandemstrukturen werden aufgrund ihrer hohen Leuchtdichte, Effizienz und Lebensdauer in OLED-Mikrodisplays20,21,22 verwendet. Die Tandemstruktur erfordert Ladungserzeugungsschichten (CGLs)23,24,25, die eine höhere Leitfähigkeit als normale organische Materialien haben, was zu elektrischem Übersprechen26 führt. Elektrisches Übersprechen ist ein kritisches Problem im Bereich der OLED-Mikrodisplays und sollte überwunden werden, um einen breiten Farbraum zu erreichen. Die experimentelle Messung und Analyse des Übersprechstroms ist jedoch sehr schwierig, da die Größe des Subpixels sehr klein ist und praktische OLED-Mikrodisplay-Panels erforderlich sind.

Diese Studie untersucht die Auswirkung von elektrischem Übersprechen anhand einer praktischen Pixelstruktur eines OLED-Mikrodisplay-Panels. Wir führten eine elektrische Simulation durch und berechneten den Farbumfang in Abhängigkeit von den Pixelparametern und -strukturen, einschließlich der Anordnung der Farbfilter (C/Fs), dem Schichtwiderstand der gemeinsamen organischen Schicht, der unteren und oberen Elektroden und den Pixeldichten. Darüber hinaus haben wir eine Schaltung zur Messung des lateralen Leckstroms entwickelt und den elektrischen Übersprechstrom auf einer praktischen OLED-Mikrodisplay-Pixelskala gemessen.

Für die elektrische Crosstalk-Simulation wurde eine einschichtige weiße OLED hergestellt. Abbildung 2a zeigt einen detaillierten Aufbau der weißen OLED: Si/Al (50 nm)/TiN (3 nm)/P-dotierte Lochtransportschicht (HTL) (7,5 nm) als Lochinjektionsschicht (HIL)/HTL (35). nm)/blau emittierende Schicht (EML) (5 nm)/phosphoreszierender Wirt (PH) (1 nm)/phosphoreszierende grüne und rote Dotierstoffe codotierte EML (3 nm)/blaue EML (5 nm)/Elektronentransportschicht (ETL). ) (30 nm)/Mg:LiF (1:1, 2 nm) als Elektroneninjektionsschicht (EIL)/Ag:Mg (10:1, 15 nm) als halbtransparente Kathode/CPL (80 nm) als eine Deckschicht/LiF (50 nm) als Passivierungsschicht/Al2O3 (60 nm) als Dünnfilm-Verkapselungsschicht. NDP-9 wurde als p-Typ-Dotierstoff24 verwendet. Die Energieniveaus der meisten Materialien sowie Absorptions- und Photolumineszenzspektren (PL) von RD und BD wurden in unserem zuvor veröffentlichten Artikel27 angegeben. Zusätzlich wurden in Abb. S1 in den Zusatzinformationen Absorptions- und PL-Spektren von GD bereitgestellt. Das für CPL verwendete Material ist das gleiche wie für HTL. Abbildung 2b zeigt die Stromdichte-Spannungs-Leuchtdichte-Charakteristik (J-V-L) der hergestellten weißen OLED.

(a) Schematische Gerätestruktur einer weißen OLED zur Simulation (BH: blauer Host, BD: fluoreszierender blauer Dotierstoff, GD: phosphoreszierender grüner Dotierstoff, RD: phosphoreszierender roter Dotierstoff) und (b) J-V-L-Eigenschaften des Geräts.

Für die Berechnung des elektrischen Übersprechens wurde die kommerzielle Software LAOSS (Fluxim) verwendet, die ein 2 + 1D-Finite-Elemente-Modell basierend auf der Leitfähigkeit der gemeinsamen Schicht17,18 und den J-V-L-Eigenschaften der hergestellten weißen OLED verwendete.

Basierend auf einem praktischen OLED-Mikrodisplay-Panel mit einer Diagonale von 0,7 Zoll und einer Auflösung von 1920 × 1080 wurde eine Pixelstruktur entworfen, wie in Abb. 3a dargestellt. Das Pixel bestand aus vier Subpixeln und die Pixeldichte betrug etwa 3147 PPI. Als das Subpixel der Subdomäne 3 elektrisch angesteuert wurde, wurden die elektrischen Übersprechströme der Subdomänen 1, 2 und 4 berechnet. Das aktuelle Übersprechverhältnis wurde wie folgt berechnet:

(a) Schematische Pixelstruktur (a: 8,1 μm, b: 8,1 μm, x: 3,4 μm, y: 3,4 μm, z: 0,65 μm) für die elektrische Crosstalk-Simulation, (b) Durchlässigkeit von roten, grünen, blauen C/Fs und normalisiertes EL-Spektrum des weißen OLED bei 3,5 V, (c) rote, grüne und blaue Spektren des weißen OLED durch C/Fs und (d) Farbkoordinaten der Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) 1931 des sRGB-Standards und die weiße OLED durch C/Fs. Die graue gestrichelte Linie bezieht sich auf den sRGB-Farbraum.

Die Luminanz- und weißen Elektrolumineszenzspektren (EL) jedes Subpixels wurden unter Verwendung des Stroms jedes Subpixels berechnet. Abhängig von der oberen Farbfilteranordnung wurde das weiße EL-Spektrum jedes Subpixels mit der Durchlässigkeit des Farbfilters multipliziert, wie in Abb. 3b, c gezeigt, um die endgültigen EL-Spektren jedes Subpixels zu berechnen. Durch Überlagerung des berechneten EL-Spektrums jedes Subpixels haben wir das endgültige EL-Spektrum und die Farbkoordinaten eines Pixels erhalten. Durch Ändern der treibenden Unterdomäne haben wir den Farbumfang wie folgt berechnet:

Dabei sind (Rx, Ry), (Gx, Gy) und (Bx, By) die Farbkoordinaten der elektrisch angetriebenen roten, grünen bzw. blauen Pixel und 0,1121 die Fläche des grauen gestrichelten Dreiecks, das Rot umfasst , grüne und blaue Farbkoordinaten von sRGB, wie in Abb. 3d dargestellt. Wir gingen davon aus, dass die Schichtwiderstände der unteren Elektrode, der gemeinsamen organischen Schicht und der oberen Elektrode 2, 120 × 109 bzw. 20 Ω/□ betrugen18.

Da das Pixel aus vier Subpixeln besteht, sollten zwei Subpixel in einem Pixel die gleiche Farbe haben. Da die fluoreszierende blaue Emission im Vergleich zur phosphoreszierenden grünen oder roten Emission in OLEDs üblicherweise eine geringe Effizienz und Lebensdauer aufweist, haben wir zwei blaue Subpixel und jeweils ein grünes und ein rotes Subpixel ausgewählt. Je nach Farbfilteranordnung standen 12 verschiedene Subpixelkombinationen zur Verfügung. Darunter haben wir zwei unterschiedliche Farbfilteranordnungen ausgewählt, wie in Abb. 4a dargestellt, da in der unteren Schicht ein herkömmliches weißes OLED verwendet wurde. Wenn in der Simulation Spannung an die roten und grünen Subpixel angelegt wird, wird bei gleicher Spannung ein nahezu identisches Stromübersprechverhältnis beobachtet, unabhängig von der Farbfilteranordnung, wie in Abb. S2a, b in den Zusatzinformationen dargestellt. Wenn jedoch Spannung an die blauen Subpixel angelegt wird, treten je nach Farbfilteranordnung unterschiedliche Stromübersprechverhältnisse auf, wie in Abb. S2c in den Zusatzinformationen dargestellt. Wenn beispielsweise 2,5 V an die blauen Subpixel angelegt werden, zeigte die RBGB-Farbfilteranordnung einen höheren seitlichen Leckstrom im Vergleich zur BRGB-Farbfilteranordnung, wie in Abb. S2h,i in den Zusatzinformationen dargestellt. Wir haben den Farbraum basierend auf sRGB anhand des berechneten Leckstroms jedes Subpixels mit unterschiedlichen Ansteuerspannungen berechnet, wie in Abb. 4b dargestellt. Der Farbraum änderte sich abhängig von den Ansteuerspannungen aufgrund von Farbkoordinatenänderungen der weißen Lichtemission, die durch die roten, grünen und blauen Farbfilter der hergestellten weißen OLED gelangt, wie in Abb. 4c dargestellt. Der Farbumfang von RBGB-Anordnungen war etwas höher als der von BRGB-Anordnungen von 2,5 bis 3,0 V. Beispielsweise betrug der Farbumfang von RBGB- und BRGB-Anordnungen 75,22 % bzw. 71,35 % bei 2,7 V, was auf das höhere aktuelle Übersprechverhältnis zurückzuführen ist BRGB-Farbfilteranordnung im Vergleich zur RBGB-Farbfilteranordnung. Dieses Ergebnis zeigt, dass die horizontale oder vertikale Anordnung der blauen Subpixel vorteilhafter ist als die diagonale Anordnung der blauen Subpixel, um die Verringerung des Farbraums aufgrund des elektrischen Übersprechstroms zu schützen.

(a) Zwei verschiedene Farbfilteranordnungen, (b) berechneter Farbraum in Abhängigkeit von den Farbfilteranordnungen mit unterschiedlichen Ansteuerspannungen und (c) berechnete CIE-Farbkoordinaten für Rot, Grün und Blau als Funktion der Ansteuerspannung von 2,1 bis 3,9 V (Pfeilrichtung: Spannungsanstieg).

OLED-Mikrodisplays verwenden typischerweise einen Si-Wafer als Substrat, der undurchsichtig ist. Daher sollte für OLED-Mikrodisplays die Top-Emissions-Struktur verwendet werden. Bei der Verwendung einer Top-Emissions-Struktur für OLED wird eine halbtransparente dünne Metallschicht als obere Elektrode verwendet. Die Dicke der oberen Elektrode ist sehr wichtig. Eine dünne Metallschicht erhöht die Durchlässigkeit der oberen Elektrode, was den Schichtwiderstand erhöht, was zu einer erhöhten Ansteuerspannung führt. Umgekehrt verringert eine dicke Metallschicht den Schichtwiderstand der oberen Elektrode, was die Durchlässigkeit der oberen Elektrode verringert, was zu einer geringen Leuchtdichte und Effizienz führt. Daher ist die richtige Dicke der oberen Elektrode ein wesentlicher Faktor für effiziente weiße OLEDs mit Top-Emission. Um den elektrischen Übersprecheffekt in Abhängigkeit vom Schichtwiderstand der oberen Elektrode zu untersuchen, wurde der Schichtwiderstand der oberen Elektrode von 10–3 Ω/□ auf 103 Ω/□ geändert. Die aktuellen Übersprechverhältnisse der Pixel waren unabhängig vom Schichtwiderstand der oberen Elektroden nahezu gleich, wie in Abb. 5a – c dargestellt. An die strukturierte untere Elektrode wird eine Antriebsspannung angelegt, während sich die obere Elektrode, die als Kathode fungiert, in einem Grundzustand befindet und sich in dieser Simulation oben auf der OLED befindet. Daher ist davon auszugehen, dass ein seitlicher Leckstrom hauptsächlich an der Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode und der gemeinsamen organischen Schicht auftritt. Darüber hinaus ist der Schichtwiderstand der oberen Elektrode im Vergleich zu den üblichen organischen Schichten typischerweise viel geringer. Folglich haben Schwankungen im Schichtwiderstand der oberen Elektrode keinen wesentlichen Einfluss auf das Stromübersprechverhältnis. Daher waren die berechneten Farbskalen der Pixel für unterschiedliche Schichtwiderstände der oberen Elektroden gleich, wie in Abb. 5d dargestellt. Die Auswirkung des elektrischen Übersprechens auf den Schichtwiderstand der unteren Elektrode war vernachlässigbar, wie in Abb. S3 in den Zusatzinformationen dargestellt, was darauf hinweist, dass der Schichtwiderstand der oberen und unteren Elektroden das elektrische Übersprechen in hochauflösenden Displays nicht beeinflusst.

Aktuelles Übersprechverhältnis von (a) Teildomäne 1 unter Bedingung, (b) Teildomäne 3 unter Bedingung, (c) Teildomäne 2 und 4 unter Bedingung (d) und berechneter Farbraum mit unterschiedlichem Schichtwiderstand (Ω/□) der Oberseite Elektroden als Funktion der Antriebsspannungen.

Eine OLED besteht aus vielen organischen Schichten zwischen den Elektroden und hat einen sehr hohen Widerstand. In den letzten Jahren wurde jedoch die Leitfähigkeit organischer Schichten in OLEDs für niedrige Ansteuerspannungen durch die Entwicklung neuartiger organischer Materialien und die Verwendung einer n-Typ- und p-Typ-Dotierungsmethode erhöht28,29,30,31. Um die Auswirkung des Widerstands organischer Schichten zu untersuchen und dabei das elektrische Übersprechen zwischen Pixeln zu berücksichtigen, haben wir daher die aktuellen Übersprechverhältnisse und den Farbumfang berechnet, indem wir den Schichtwiderstand der gemeinsamen organischen Schicht von 1 KΩ/□ auf 1 TΩ/□ geändert haben , wie in Abb. 6 dargestellt. Der Schichtwiderstand der organischen Schicht beeinflusst entscheidend das elektrische Übersprechen zwischen Pixeln. Beispielsweise beträgt das aktuelle Übersprechverhältnis des Pixels ungefähr 100 %, wenn der Schichtwiderstand zwischen 1 kΩ/□ und 1 MΩ/□ liegt; Daher beträgt der Farbumfang etwa 0 %. Selbst ein Schichtwiderstand von 1 GΩ/□ führt zu einem sehr geringen Farbumfang von 43,35 % bei 4,0 V. Wenn man bedenkt, dass n-Typ- und p-Typ-dotierte organische Schichten typischerweise als CGLs in einer Tandem-OLED-Struktur verwendet werden, ist die Leitfähigkeit von CGL typischerweise höher als die anderer organischer Schichten. Wir haben den Schichtwiderstand der n-Typ-dotierten ETL- und p-Typ-HTL/n-Typ-ETL-Schichten mit einer 4-Punkt-Sondenmethode gemessen, wie in Abb. S4 in den Zusatzinformationen dargestellt. Die Schichtwiderstände dieser Schichten betrugen 5,39 GΩ/□ bzw. 8,72 GΩ/□, was in Tandem-OLEDs zu elektrischem Übersprechen führen und dadurch den Farbumfang verringern kann. Mit zunehmendem Schichtwiderstand der organischen Schicht verringerte sich das aktuelle Übersprechverhältnis und der Farbraum vergrößerte sich, was darauf hindeutet, dass die Leitfähigkeit der gemeinsamen organischen Schicht in einer OLED entscheidend für die Bestimmung des elektrischen Übersprechens in hochauflösenden Pixelstrukturen ist.

Aktuelles Übersprechverhältnis von (a) Teildomäne 1 unter der Bedingung, (b) Teildomäne 3 unter der Bedingung, (c) Teildomäne 2 und 4 unter der Bedingung und (d) berechneter Farbskala mit unterschiedlichem Schichtwiderstand (Ω/□) von der gemeinsamen organischen Schicht als Funktion der Ansteuerspannungen.

Wir haben die Pixelform, die Panel-Auflösung und das Öffnungsverhältnis auf 68,6 % festgelegt, was dem des praktischen 3147-PPI-Panels entspricht, und die Pixelgröße und den Platz zum Entwerfen von Pixelstrukturen mit unterschiedlichen Pixeldichten geändert: 200 PPI, 500 PPI , 1000 PPI, 2000 PPI, 3000 PPI, 4000 PPI und 5000 PPI. Die Abstände zwischen den Subpixeln betrugen 10,18 μm, 4,06 μm, 2,04 μm, 1,02 μm, 0,68 μm, 0,52 μm bzw. 0,41 μm. Wir haben die aktuellen Übersprechverhältnisse und den Farbumfang basierend auf den Pixeldichten berechnet. Mit zunehmender Pixeldichte nahm das aktuelle Übersprechverhältnis zu, wodurch der Farbumfang abnahm, wie in Abb. 7a,b dargestellt. Darüber hinaus sollte der Schichtwiderstand der gemeinsamen organischen Schicht erhöht werden, um die Verringerung des Farbumfangs aufgrund von elektrischem Übersprechen zu verringern, das durch die erhöhte Pixeldichte verursacht wird, wie in Abb. 7c dargestellt. Beispielsweise sind etwa 7 × 109 Ω/□ des gemeinsamen Schichtwiderstands der organischen Schicht für etwa 100 % des Farbraums bei einer Pixeldichte von 1000 PPI erforderlich, wohingegen etwa 4 × 1011 Ω/□ des üblichen Schichtwiderstands der organischen Schicht erforderlich sind für etwa 100 % Farbraum bei einer Pixeldichte von 5000 PPI. Daher sollte bei der Entwicklung hochauflösender OLED-Display-Pixel der elektrische Übersprecheffekt für einen großen Farbraum berücksichtigt werden.

(a) Aktuelles Übersprechverhältnis bei unterschiedlichen Pixeldichten bei 2,5 V, (b) Abhängigkeit der Antriebsspannung und (c) Abhängigkeit des Schichtwiderstands der gemeinsamen organischen Schicht bei 3,5 V des berechneten Farbraums mit unterschiedlichen Pixeldichten.

Um den elektrischen Übersprechstrom zu messen und ihn mit den Simulationsergebnissen zu vergleichen, haben wir eine Subpixel-Schaltung auf dem Si-Wafer hergestellt, wie in Abb. 8a dargestellt. Die untere Elektrode des Subpixels bestand aus Ti (2 nm)/Al (50 nm)/Indiumzinnoxid (ITO) (5 nm). Die weiße OLED-Struktur war die gleiche wie in Abb. 2a. Für die Simulation wurden die J-V-L-Eigenschaften des Geräts verwendet, wie in Abbildung S5 in den Zusatzinformationen dargestellt. Die untere Elektrode wurde als Mehrfingerstruktur konzipiert, um die seitliche Leckage zwischen benachbarten Subpixeln zu untersuchen, wie in Abb. 8b dargestellt. Es wurde eine 30 nm dicke SiO2-Subpixel-definierte Schicht mit einer Metallöffnungsfläche von etwa 3,4 µm × 3,4 µm verwendet, wie in Abb. 8c,d dargestellt.

(a) Hergestellter Si-Wafer mit Pixelschaltungsbild zur Messung des elektrischen Übersprechstroms, (b) schematische Schaltungsstruktur mit Fingerelektroden, (c) Rasterelektronenmikroskopbild (REM) von Fingerelektroden mit Subpixeln, (d) Dimension von Subpixel, (e) schematische Querschnittsstruktur von Fingerelektroden mit unterschiedlichen Ansteuerbedingungen, (f) J-V-L-Eigenschaften von einschichtigen weißen OLEDs mit unterschiedlichen Ansteuerbedingungen und (g) simulierte und gemessene Stromübersprechverhältnisse in Abhängigkeit davon auf die Antriebsspannungen.

Es wurden drei Fahrbedingungen verwendet, wie in Abb. 8e dargestellt. Im „OLED“-Antriebszustand befand sich die an die F1- und F2-Elektroden angelegte Ansteuerspannung im schwebenden Zustand, während sich die obere Kathode im Grundzustand befand. Im Betriebszustand „Lateral“ befand sich die an die F1- und F2-Elektroden angelegte Antriebsspannung im Grundzustand und die obere Kathode befand sich im schwebenden Zustand. Im Antriebszustand „OLED + seitlich“ wurde die Antriebsspannung an die Elektroden F1 und F2 angelegt und die obere Kathode befand sich im Grundzustand. Abbildung 8f zeigt die J-V-L-Kennlinien in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen. Im Fahrzustand „Lateral“ emittiert OLED kein Licht, da der Strom von der F1-Elektrode zur F2-Elektrode fließt. Der Fahrzustand „OLED + seitlich“ zeigte im Vergleich zum Fahrzustand „OLED“ im Bereich niedriger Fahrspannung eine höhere Stromdichte. Der Stromdichteunterschied zwischen den Fahrbedingungen „OLED + Lateral“ und „OLED“ war in Bezug auf die Fahrbedingung „Lateral“ ähnlich, was darauf hindeutet, dass zwischen Subpixeln in hochauflösenden OLED-Mikrodisplays ein lateraler Leckstrom besteht. Um die Transporteigenschaft eines lateralen Leckstroms zu untersuchen, wurden Hole-only-Devices (HODs) mit den folgenden Strukturen hergestellt: ITO (150 nm)/P-dotiertes HTL (15 %, 160 nm)/Al (100 nm) und ITO (150 nm)/1,4,5,8,9,11-Hexaazatriphenylenhexacarbonitril (HAT-CN) (10 nm)/HTL (150 nm)/Al (100 nm), wie in Abb. S6a in den Zusatzinformationen gezeigt . Der HOD mit P-dotiertem HTL weist im Vergleich zum HOD mit reinem HTL eine viel höhere Stromdichte auf, wie in Abb. S6b in den Zusatzinformationen dargestellt. Beispielsweise beträgt die Stromdichte des HOD mit P-dotiertem HTL 1,14 A/cm2, was etwa 419 Mal höher ist als die des HOD mit reinem HTL. Bei der Berechnung der Leitfähigkeit von P-dotiertem HTL mithilfe der J = σE-Gleichung beträgt die Leitfähigkeit ungefähr 6,2 × 10–6 S/cm. Daher trägt die P-dotierte HTL, die als HIL dient, am meisten zur Stromleitung im Fahrzustand „Lateral“ bei. Die Leuchtdichte im Fahrzustand „OLED“ ist im Vergleich zum Fahrzustand „OLED + seitlich“ bei gleicher Spannung aufgrund des seitlichen Leckstroms im Fahrzustand „OLED + seitlich“ etwas höher. Die berechneten Stromübersprechverhältnisse unter Verwendung der gemessenen lateralen Leckströme bei unterschiedlichen Ansteuerspannungen und der Simulationsergebnisse sind in Abb. 8g dargestellt. Das aktuelle Übersprechverhältnis verringerte sich mit steigender Antriebsspannung und die Simulationsergebnisse stimmten gut mit den Berechnungsergebnissen aus den Messdaten überein.

Um den seitlichen Leckstrom zu reduzieren, wurde über eine Pixelstruktur mit einem Abstandshalter über einer Bank zwischen benachbarten Pixeln berichtet26. In unserer Subpixelstruktur wurde die Dicke der Subpixel-Definitionsschicht von 30 auf 80 nm erhöht, wie in Abb. S7a – d in den Zusatzinformationen dargestellt. Mit zunehmender Subpixel-definierter Schichtdicke nimmt die Stromdichte im „lateralen“ Fahrzustand aufgrund des verringerten Schichtwiderstands der üblichen organischen Schichten ab, wie in Abb. S7e in den Zusatzinformationen dargestellt. Folglich können die Kontrolle des Widerstands der üblichen organischen Materialien und der Einsatz verschiedener Pixelstrukturen wirksame Ansätze zur Reduzierung des lateralen Leckstroms sein.

Wir haben den elektrischen Übersprecheffekt in hochauflösenden OLED-Mikrodisplay-Pixelarrays untersucht, indem wir deren aktuelle Übersprechverhältnisse und Farbskala berechnet haben. Es wurde festgestellt, dass die horizontale oder vertikale Anordnung der blauen Subpixel vorteilhafter ist als die diagonale Anordnung der blauen Subpixel, um die Verringerung des Farbumfangs durch den elektrischen Übersprechstrom zu schützen. Der Schichtwiderstand der oberen und unteren Elektroden hatte keinen Einfluss auf das elektrische Übersprechen, wohingegen der der gemeinsamen organischen Schicht das elektrische Übersprechen in hochauflösenden OLED-Mikrodisplays dramatisch beeinflusste. Mit zunehmender Pixeldichte nahm das aktuelle Übersprechverhältnis zu und die Farbskala verringerte sich. Darüber hinaus haben wir den lateralen Leckstrom in einer praktischen OLED-Mikrodisplay-Pixelskala mithilfe einer Multifinger-Schaltung hergestellt und gemessen. Das Übersprechstromverhältnis des gemessenen Stroms stimmte gut mit den Simulationsergebnissen überein. Darüber hinaus reduzierte die Erhöhung der Dicke der Subpixel-Definitionsschicht den seitlichen Leckstrom. Daher sind der Schichtwiderstand des üblichen organischen Materials und die Pixelstruktur äußerst wichtige Faktoren für die Bestimmung des elektrischen Übersprecheffekts. Wir glauben, dass diese Ergebnisse bei der Entwicklung und Verbesserung der Leistung von hochauflösenden Vollfarb-OLED-Mikrodisplays hilfreich sein werden.

Auf dem CMOS-Prozess basierende Si-Substrate wurden zur Herstellung einschichtiger weißer OLEDs verwendet. Die Substratgröße betrug 2 cm × 2 cm und die aktive Fläche betrug etwa 2 mm × 2 mm mit einem Pixelabstand von 10,8 µm × 3,6 µm. Das oberste Metall des Si-Substrats war Al/TiN. Für die laterale Leckstrommessung wurden 6-Zoll-Si-Substrate mit thermisch gewachsenem SiO2 (500 nm) verwendet. Die aktive Fläche der OLED betrug 1,215 mm × 1,215 mm. Für HODs wurden ITO-gemusterte Glassubstrate verwendet. Die Substrate wurden nacheinander jeweils 15 Minuten lang mit Aceton, Methanol und entionisiertem Wasser gespült und in einem Vakuumofen bei 80 °C getrocknet. Anschließend wurden die organischen und metallischen Schichten mithilfe eines thermischen Vakuumverdampfers abgeschieden, um die OLEDs herzustellen. Um die OLEDs vor Feuchtigkeit und Sauerstoff zu schützen, wurde mittels Atomlagenabscheidung (ALD) eine 60 nm dicke Al2O3-Schicht auf den OLEDs abgeschieden. Die ALD-Prozesstemperatur wurde bei 95 °C gehalten. Rote, grüne und blaue Farbfilter wurden von DONGJIN SEMICHEM Co., Ltd. geliefert.

Die J-V-Eigenschaften der Geräte wurden in einem dunklen Raum bei Raumtemperatur unter Verwendung einer Quellenmesseinheit (Keithley 238 und 2450) gemessen. Luminanz (L), EL-Spektren und CIE-Farbkoordinaten wurden mit einem Spektroradiometer (Konica Minolta CS-2000) gemessen. Die Durchlässigkeit der Farbfilter wurde mit einem UV-Vis-NIR-Spektrophotometer (PerkinElmer LAMBDA 750) gemessen. Das Absorptionsspektrum wurde mit einem UV/Vis-Spektrophotometer (UV-2550, Shimazu, Japan) gemessen. Die PL-Spektren wurden mit einer UV-Lampe (VL-6.LC, VILBER, Frankreich) mit einer Anregungswellenlänge von 254 nm und 6 W und einem Spektroradiometer (CS-2000, Konica Minolta, Japan) gemessen. Für REM-Bilder wurden Feldemissions-Rasterelektronenmikroskope (JSM-7600F, Jeol, Japan und Sirion400, FEI, USA) verwendet.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde teilweise durch einen Zuschuss des Korea Evaluation Institute of Industrial Technology (KEIT) unterstützt, der vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE, Korea) finanziert wurde (20015805, Entwicklung von Materialteilen und Verarbeitungstechnologie für Post-InP-Fluoreszenz-Quantenpunkte). ein Stipendium der National Research Foundation (NRF), finanziert vom Ministerium für Wissenschaft und IKT (MSIT, Korea) (Nr. 2021R1F1A1045517) und (Nr. 2022R1A4A1028702), und ein Stipendium des Institute of Information & Communications Technology Planning & Evaluation (IITP), finanziert von das MSIT (Nr. 2022-0-00026).

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Haneul Kang und Yeonsu Hwang.

Abteilung für Elektrotechnik und Institut für fortgeschrittene Materialien und Systeme, Sookmyung Women's University, Seoul, 04310, Republik Korea

Haneul Kang, Yeonsu Hwang, Soobin Sim und Hyunkoo Lee

Reality Display Research Section, Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI), Daejeon, 34129, Republik Korea

Chan-mo Kang, Joo Yeon Kim, Chul Woong Joo, Jin-Wook Shin, Hyunsu Cho, Dae Hyun Ahn, Nam Sung Cho und Chun-Won Byun

DONGJIN SEMICHEM CO., LTD, Hwaseong, 18635, Republik Korea

Hyoc Min Youn, Young Jae An und Jin Sun Kim

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HK und YH führten alle Simulationen durch und analysierten die Simulationsdaten. CK hat die Rückwandplatine des Geräts entworfen und ausgelegt. JYK und J.-WS stellten die Rückwandplatine des Geräts her. SS hat die Pixelstrukturen für die Simulation entworfen. CWJ und HC entwarfen die OLED-Struktur und stellten die OLED-Eigenschaften her und analysierten sie. CK und DHA haben die Eigenschaften des Geräts anhand der Simulationsdaten gemessen und analysiert. NSC und CWB leiteten die Herstellung des Geräts und halfen bei der Analyse der Daten. HL entwarf die Experimente, analysierte die Daten und verfasste das Manuskript. Alle Autoren haben zum Manuskript beigetragen und die eingereichte Version genehmigt.

Korrespondenz mit Hyunkoo Lee.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kang, H., Hwang, Y., Kang, Cm. et al. Untersuchung des elektrischen Übersprecheffekts zwischen Pixeln in hochauflösenden organischen Leuchtdioden-Mikrodisplays. Sci Rep 13, 14070 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41033-4

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Eingegangen: 10. März 2023

Angenommen: 21. August 2023

Veröffentlicht: 28. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41033-4

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