Blue-risque sans Candlelight OLED

Résumé

Nous présentons un protocole pour la fabrication d'une diode de chandelles bleu danger lumière électroluminescente organique (OLED) pour la protection des yeux et de la sécrétion de mélatonine.

Résumé

A candlelight-style organic light emitting diode (OLED) is a human-friendly type of lighting because it is blue-hazard-free and has a low correlated color temperature (CCT) illumination. The low CCT lighting is deprived of high-energy blue radiation, and it can be used for a longer duration before causing retinal damage. This work presents the comprehensive protocols for the fabrication of blue-hazard-free candlelight OLEDs. The emission spectrum of the OLED was characterized by the maximum exposure time limit of the retina and the melatonin suppression sensitivity. The devices can be fabricated using dry and wet processes. The dry-processed OLED resulted in a CCT of 1,940 K and exhibited a maximum retinal exposure limit of 1,287 s at a brightness of 500 lx. It showed 2.61% melatonin suppression sensitivity relative to 480 nm blue light. The wet-processed OLED, where the spin coating is used to deposit hole injection, hole transport, and emissive layers, making fabrication fast and economical, produced a CCT of 1,922 K and showed a maximum retinal exposure limit of 7,092 at a brightness of 500 lx. The achieved relative melatonin suppression sensitivity of 1.05% is 86% and 96% less than that of the light emitting diode (LED) and compact fluorescent lamp (CFL), respectively. Wet-processed blue-hazard-free candlelight OLED exhibited a power efficiency of 30 lm/W, which is 2 times that of the incandescent bulb and 300 times that of the candle.

Introduction

De nos jours, les sources d'éclairage LED comme CFL et sont abondamment utilisés pour l'éclairage intérieur et extérieur, en partie pour des raisons d'économie d'énergie. Cependant, ces lumières sont riches en émission bleu, montrant une plus forte tendance à provoquer des bleus risques. LED et CFL émettent un spectre enrichi avec la lumière bleue, conduisant à des dommages irréversibles aux cellules rétiniennes ^{1, 2, 3, 4.} La lumière bleue ou une lumière blanche intense avec une grande CCT supprime la sécrétion de la mélatonine, une hormone oncostatique, ce qui peut perturber le rythme circadien ^{5, 6} et le comportement de couchage ^{7, 8.} La mélatonine, une hormone essentielle pour le rythme circadien, est synthétisée dans la glande pinéale ^9. Un niveau élevé de mélatonine est observée au cours de la période sombre au cours de la 24-h de lumière-obscurité cycle ^10. Cependant, la lumière intense la nuit supprime sa synthèse et perturbe le rythme circadien ^11. Mélatonine suppression due à une surexposition à la lumière vive pendant la nuit peut être un facteur de risque pour le cancer du sein chez les femmes ^{12, 13, 14.} Outre ces risques, la lumière bleue interrompt les activités d'amphibiens nocturnes et peut être une menace pour la protection écologique. Il a également été signalé que l' éclairage LED dans les musées est décolorer les couleurs réelles des peintures à l'huile peints par Van Gogh et Cézanne ^{15, 16.}

Ainsi, une CCT libre et une faible bougie comme LED organique bleu-émission (OLED) peut être un bon substitut pour les LED et CFL. Bougies émettent une CCT bleu-risque-libre et faible (1,914 K) illumination, ainsi qu'une haute qualité (haute couleur indice de rendu, CRI) spectre d'émission. However, la plupart des dispositifs d'éclairage entraîné électricité émettent de la lumière bleue intense avec un relativement élevé CCT. Par exemple, la CCT le plus bas est environ 2.300 K pour les ampoules à incandescence, alors qu'il est de 3000 ou 5000 K pour les tubes fluorescents blancs chauds ou froids et luminaires à LED. Jusqu'à présent, peu OLEDs du TDC presque libres de l'émission bleue ont été fabriqués pour l'éclairage de l'homme-friendly. En 2012, le groupe de Jou a rapporté un physiologiquement amical, sèche-traitée, seule OLED couche émissive avec une CCT de 1773 K et un rendement énergétique de 11,9 lm / W ^17. Le dispositif présentait une CCT beaucoup plus faible par rapport à l'ampoule à incandescence (2.300 K), tandis que son efficacité énergétique était pas acceptable d'un point de vue d'économie d'énergie. Ils ont rapporté une autre chandelle style sec traitée OLED en utilisant des doubles couches émissives le long d'une couche de modulation de porteuse ^18. Il présente une faible CCT de 1.970 K et une efficacité de puissance de 24 lm / W. Plus tard, une OLED sèche-traitée consistant of trois couches émissives le long d'une couche porteuse de modulation a été signalé ^19. Son efficacité énergétique était 21-3 lm / W et varié avec le CCT, qui allait de 2500 K à 1.900 K. En 2014, Hu et al. fait état d' une OLED hybride sèche-traitée avec des doubles couches émissives séparées par une couche intermédiaire, qui a montré une efficacité de puissance élevée de 54,6 lm / W et une faible CCT de 1.910 K ^20. Récemment, le groupe de Jou a fabriqué une haute efficacité chandelles style OLED en utilisant des couches émissives doubles ^21. Il présente une haute efficacité de puissance de 85,4 lm / W avec une CCT de 2279 K. Jusqu'à présent, tous les efforts ont été faits pour développer une grande efficacité, dispositifs OLED chandelles style bas TDC en utilisant des procédés à sec et architectures de dispositifs compliqués ^{17, 18, 19, 20, 2122.} Concevoir une OLED aux chandelles avec procédé par voie humide faisabilité tout en ayant simultanément une CCT faible, un rendement énergétique élevé et une qualité élevée de la lumière est un défi. Aucune étude n'a été mis au point pour décrire la sensibilité du spectre d'émission d'une source lumineuse donnée par rapport à la lumière bleue. La qualité de la lumière la nuit peut être décidée / améliorée pour réduire au minimum la suppression de la sécrétion de mélatonine.

Il y a quelques modèles rapportés qui calculent la quantité de suppression. Tout d' abord, Brainard et al. ²³ et Thapan et al. ²⁴ ont rapporté la sensibilité spectrale en utilisant une lumière monochromatique. Plus tard, l'effet de la lumière polychromatique sur la suppression de la mélatonine a été décrit ^{25, 26.} Ce dernier est adopté dans cette étude, puisque la plupart des luminaires disponibles dans le commerce ou de nouvelles sources d'éclairage sont polychromes et duréesur toute la plage visible (ie, du rouge au violet profond).

Dans ce travail, nous présentons des protocoles détaillés pour la fabrication d'OLEDs chandelles libre bleu danger-par des procédés secs et humides. Dans les deux procédés, l'architecture du dispositif est simplifiée en utilisant une seule couche émissive sans aucune couche de modulation de porteuses. Le spectre électroluminescent (EL) de l'OLED fabriqué est analysé pour la limite d'exposition de la rétine et pour le niveau de suppression de la sécrétion de la mélatonine. Une limite d'exposition maximale de la lumière émise à la rétine est calculée en utilisant l'aspect théorique qui a été signalé par la Commission électrotechnique internationale (CEI) 62471 norme ^{27, 28.} La limite d'exposition maximale "t" est calculé en utilisant le spectre d'émission de chaque OLED à la luminosité de 100 et 500 lx, suffisante pour la maison et l'éclairage de bureau, respectivement. Tout ste de calcul liésps sont séquentiellement donnée dans la section de protocole. En outre, l'effet de l' éclairage sur la sensibilité à la suppression de la mélatonine est calculée en suivant les équations du spectre de suppression de la mélatonine ²⁹ d'action. Le calcul se fait en suivant les étapes indiquées dans la section de protocole. Les valeurs calculées de la limite maximale d'exposition "t" et la sensibilité à la suppression de la mélatonine (en%) par rapport au CCT sont donnés dans le tableau 3.

Protocole

REMARQUE: Tous les matériaux utilisés sont non-cancérigène, non inflammable et non toxique.

1. Fabrication de chandelles bleu-risque sans OLED

1. procédé sec
   1. Prendre une lame de verre en tant que substrat destiné à être revêtu d'un 125 nm d'oxyde d'indium et d'étain (ITO), la couche d'anode. Laver le substrat avec 200 ml (50 ml de détergent liquide et 150 ml d'eau déminéralisée) de solution de savon. Rincez le substrat avec de l'eau déminéralisée. Sécher le substrat à l'aide d'un pulvérisateur à jet d'azote.
   2. Mettez le substrat sur un porte-lame de verre et tremper le support de diapositives dans une solution d'acétone dans un bécher. Placer le bécher dans un bain à ultrasons. Soniquer le substrat à 50 ° C pendant 10 min.
   3. Transférer le porte-lame avec le substrat à une solution d'isopropanol dans un bêcher et encore sonication à 60 ° C pendant 10 min.
   4. Retirez le substrat du bêcher et le mettre dans la fente UV / ozone pendant 10 min pour sécher. Nettoyer la surface complètement.
   5. Briser le VACUUm de la chambre d'évaporation thermique en fermant la vanne de vide élevé et l'ouverture de la soupape de gaz azote dans la chambre.
   6. Charger le substrat nettoyé dans la chambre sur le porte-substrat en rotation. Pour chaque couche qui sera déposé, charge 100 mg de chaque matière organique nécessaire, 3 mg de fluorure de lithium (LiF), et un 224 mg d'aluminium (Al) lingot dans le creuset à l'intérieur de la chambre.
   7. Fermez la porte de la chambre et d' attendre un vide poussé de 5 × 10 ^-6 Torr. Une fois que le vide élevé est atteint dans la chambre, commencer le dépôt des couches organiques sur le substrat d'ITO.
      1. Déposer une couche d'injection de trou de 5 nm à un taux de 0,8-1 Å / s de dépôt.
      2. Déposer une couche de transport de 25 nm à une vitesse de 1 à 1,5 Å / s de dépôt.
      3. Déposer une couche émissive 30 nm (8 en poids.% Colorant vert et 0,85 en poids.% De colorant rouge profond dopé dans 20 mg d'un hôte spécifié) à un taux de 1-1,5 Å / s de dépôt.
      4. Déposez 30 nm couche de transport d'électrons à une vitesse de 1 à 1,5 Å / s de dépôt.
      5. Déposer une couche de 20 nm de transport d'électrons co-évaporer avec un matériau d'injection d'électrons à une vitesse de 1 à 1,5 Å / s de dépôt.
      6. Déposez une couche de LiF injection d'électrons de 1 nm à un taux de 0,3-0,4 Å / s de dépôt.
      7. Déposer une couche cathodique 100 nm d'Al à un débit de 10 à 15 Å / s de dépôt.
   8. Eteignez le régulateur de courant et attendre 10 min sous vide poussé. Fermez la vanne pour vide poussé et ouvrir la vanne pour le gaz d'azote dans la chambre pour briser le vide poussé.
   9. Déplacer le dispositif OLED fabriqué à partir de la chambre à l'atmosphère, puis le transférer à une boîte à gants avec une machine d'encapsulation sous atmosphère d'azote.
   10. Encapsuler le dispositif OLED fabriqué avec un couvercle en verre à l'aide de la colle, puis sécher la colle en plaçant le dispositif dans la boîte de rayonnement UV pour 110 s.
   11. Ejecter le dispositif OLED encapsuléla boîte à gants et le transférer à la chambre noire pour les mesures.
2. procédé humide
   1. Nettoyer le substrat revêtu d'ITO en utilisant les procédures de nettoyage ci-dessus des étapes 1.1.2 à 1.1.4.
   2. Prendre une solution aqueuse de PEDOT: PSS (stocké à 4 ° C), pour déposer la couche d'injection de trous. Filtrer la solution dans un flacon en utilisant un filtre d'un diamètre de 25 mm, constitué d'un tissu en nylon ayant une taille de pores de 0,45 pm.
   3. Dans un flacon, préparer la solution de couche de transport de trous de 3,6-bis (4-vinylphényl) -9-éthylcarbazole ⁽³⁰⁾ VPEC dissous dans un solvant de chlorobenzène dans un rapport de 3 mg: 1,000 pi. Soniquer la solution pendant 30 min dans le bain à ultrasons et filtrer la solution traitée par ultrasons dans un flacon avec un filtre d'un diamètre de 15 mm, constitué d'un tissu en nylon ayant une taille de pores de 0,45 pm.
   4. Préparer une solution pour la couche émissive.
      1. Prenez 5 mg du matériau hôte spécifié et dissoudre in tétrahydrofuranne (THF) dans un rapport de 10 mg: 1.000 ul. Soniquer l'hôte solution à 50 ° C pendant 30 min.
      2. Prendre 1 mg de chacune des matières des clients requises et les dissoudre dans du THF dans un rapport de 1 mg: 1,000 pi. Soniquer l'invité-solution à 50 ° C pendant 30 min.
      3. Filtrer chaque solution séparément dans des flacons avec un filtre de 15 mm de diamètre constitué d'un tissu en nylon ayant une taille de pores de 0,45 pm.
      4. Mélanger la guest-solution dans l'hôte solution selon le pour cent en poids donné (3 en poids.% Du colorant jaune, 6 en poids.% De l'orange-dye, et 12,5 en poids.% Du colorant vert), le dopage pour la couche émissive.
   5. Transférer les flacons de PEDOT: PSS, VPEC, et des solutions de couche émissive avec substrat pré-nettoyé et pipette les dans la boîte à gants.
   6. Commencer appliquant les couches sur le substrat d'ITO dans la séquence suivante, sous atmosphère d'azote: la couche d'injection de trous, une couche de transport de trous et la couche émissive.
      1. Déposez une couche d'injection de trous de 35 nm par centrifugation une solution de 750 pi de PEDOT: PSS à 4000 tours par minute (tpm) pendant 20 s.
      2. Sécher le PEDOT: PSS couche à 120 ° C pendant 40 min pour éliminer le solvant résiduel.
      3. Déposer une couche de transport de trous 10 nm par dépôt par centrifugation d'une solution de 400 pi de VPEC à 3000 tours par minute pendant 20 s.
      4. Cuire la couche à 120 ° C pendant 20 min pour éliminer le solvant résiduel.
      5. Chauffer la couche à 230 ° C pendant 40 minutes pour une réaction de reticulation se produise avant le dépôt de la couche émissive ^30.
      6. Déposer une couche émissive 20 nm par dépôt par centrifugation d'une solution de 400 pi à 2500 rpm pendant 20 min.
   7. Éjecte le substrat revêtu par centrifugation à partir de la boîte à gants à l'atmosphère et le transférer dans la chambre d'évaporation thermique pour le dépôt supplémentaire de couches. Casser le vide de la chambre d'évaporation thermique en fermant la vanne de vide poussé et ouvrir la vanne de l'azotegaz à la chambre.
   8. Charger le substrat dans la chambre sur le porte-substrat en rotation. Chargez le 45 mg de TPBi, 3 mg de LiF, et 224 mg Al lingot dans le creuset à l'intérieur de la chambre pour les couches qui seront déposés. Déposer les couches sur le substrat avec la couche émissive dans la séquence suivante.
      1. Déposer une couche de TPBi de transport d'électrons 32 nm à une vitesse de 1 à 1,5 Å / s de dépôt.
      2. Déposer une couche de LiF d'injection d'électrons de 1 nm à un débit de 0,3 à 0,4 Å / s de dépôt.
      3. Déposer une couche cathodique 100 nm d'Al à un débit de 10 à 15 Å / s de dépôt.
   9. Eteignez le régulateur de courant et attendre 10 min sous vide poussé. Suivez les procédures ci-dessus des étapes 1.1.8 à 1.1.11 pour compléter le dispositif OLED encapsulé.
3. Calcul de la limite d'exposition admissible rétine "t":
   1. Mesurer le spectre EL du dispositif d'éclairage à l'aide d'un spectroradiometer. Le spectre EL résultant est représenté sur la figure 1a.
   2. Mesurer les données EL spectre (intensité par rapport à la longueur d'onde) à une CCT.
   3. Convertir les données de spectre EL à rayonnement spectrale _λ E (intensité normalisée par rapport à la longueur d' onde). Changer le spectre au format illustré à la figure 1b.
   4. Les données spectrales de la fonction de la lumière pondérée bleu pour mesurer le risque de la rétine de la source d'éclairage (c. -à- dessiner la fonction risque de lumière bleue B (λ) par rapport à la longueur d' onde) ^28. L'intrigue résultante est représentée sur la figure 1c.
   5. Calculer la valeur du rayonnement (E _B) d'une source de lumière donnée en utilisant le spectre radiance E _λ et bleu-hazard fonction B (λ) correspondant à chaque longueur d' onde.
   6. Mettez les valeurs de E _λ et B (λ) des parcelles mentionnées ci - dessus dans la formule suivante:
      ..... (1)
   7. Obtenez la valeur numérique de E _B en W m ^-2.
   8. Mettez la valeur de E _B dans la limite d'exposition admissible rétinienne "t" au maximum de la formule:
      ..... (2)
   9. Acquérir la limite d'exposition "t" par rapport à la CCT d'une source lumineuse donnée.
4. Calcul de la sensibilité de la suppression de la mélatonine:
   1. Mesurer le spectre EL d'un dispositif d'éclairage donné en utilisant spectroradiomètre. Le spectre obtenu est représenté sur la figure 2a.
   2. Obtenez la puissance de suppression de la mélatonine par quantique, S _PQ, à partir des données programmées ^29. Pour un λ de lumière monochromatique donnée, exprimer le _PQ S comme suit:
      S _PQ (λ) = 10 ^{(λr-λ) / C} ............. (3)
      Les valeurs de S _PQ (λ) par rapport à la longueur d' onde sont donnés dans le tableau 1 et le graphique correspondant est représenté sur la figure 2b.
   3. Utilisez la fonction de luminosité photopique V (λ) pour convertir S _PQ (λ) dans la puissance de la mélatonine de suppression par lux, S _LC (λ), afin de lui donner un sens pratique. Les valeurs de V (λ) par rapport à la longueur d' onde sont donnés dans le tableau 2 et le graphique correspondant est représenté sur la figure 2c.
   4. Exprimez la puissance de suppression de la mélatonine en corrélation, S _LC (λ), pour une lumière polychromatique, comme suit: ²⁹
      S _LC (λ) = ∫λS _PQ (λ) S _I (λ) dλ / ∫ V (λ) S _I (λ) dλ ............... .. (4)
   5. Placer les valeurs de l'intensité _I S (λ) à partir du spectre d'une ELcompte tenu de la source lumineuse ainsi que les valeurs de S _PQ (λ) et V (λ) par rapport à la longueur d' onde dans la formule ci - dessus et calculer la _CL S (λ) comme suit:
      _LC S (λ) =
      
   6. Récupérer une valeur numérique de S _LC (λ) en lx ^-1 du calcul ci - dessus. Par exemple, en plaçant le S _I (λ) du spectre EL de l'OLED aux chandelles donné avec une TCB de 1 940 K, la puissance de suppression de la mélatonine est la suivante :
      _LC S (λ) = 90 lx ^-1
   7. Choisissez une lumière de référence pour calculer la sensibilité de la suppression de la mélatonine relative d'une source de lumière donnée. La lumière de référence peut être une longueur d'onde de 460 ou 480 nm. Ici, nous choisissons une lumière bleue de 480 nm comme la lumière de référence.
   8. Calculer la _LC S (λ) pour la lumière bleue de référence (480 nm) en utilisant la formule mentionnée ci - dessus.
      S _LC (480 nm) = 3.445 lx ^-1
   9. Divisez la _LC S (λ) d'une source de lumière donnée par la _LC S (480 nm) et multiplier le quotient par 100 pour obtenir le pourcentage de sensibilité de la suppression de la mélatonine (%) d'une lumière relative donnée à la lumière bleue de référence.
      Relative suppression de la mélatonine sensibilité = × 100% ......... .... (5)
      NOTE: Par exemple, la sensibilité par rapport à la suppression de la mélatonine = X 100% = 2,61%. Ainsi, l'OLED aux chandelles donnée montre une suppression de sensibilité de la mélatonine de 2,61% par rapport à celle de la lumière bleue de 480 nm.

Résultats

Les caractéristiques courant-tension-luminance des DELO aux chandelles résultantes sont mesurées à l'aide d'un électromètre 100 conjointement avec un Appareil de mesure de la luminance. Les zones d'émission sont de 9 mm ² pour tous les dispositifs à sec et transformés résultants sont 25 mm ² pour les dispositifs traités par voie humide. Ici, nous avons utilisé un substrat en verre revêtu d'ITO de 125 nm avec une résistance de couc...

Discussion

Les étapes les plus critiques dans la fabrication de dispositifs OLED sont: 1) le nettoyage du substrat de verre, 2) sélectionner le solvant approprié, 3) à dissoudre les matières organiques, 4) formant uniformément le film via spin-coating dans le procédé par voie humide, et 5 ) contrôlant la vitesse de dépôt et l'épaisseur de la couche organique au cours de l'évaporation thermique. Dans un premier temps, le nettoyage du substrat revêtu ITO anode est une étape cruciale pour atteindre un ren...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
ITO glass	Lumtech		84% transparency
poly(3,4-ethylenedioxythiophene) - poly(styrenesulfonate) (PEDOT/PSS)	UniRegion Bio-Tech		Stored at 4 °C, HOMO (eV) = -4.9, LUMO (eV) = -3.3
4,4,4-tris(N-carbazolyl)triphenylamine (TCTA)	E-Ray Optoelectronics Technology co., Ltd		Non-toxic, HOMO (eV) = -5.7, LUMO (eV) = -2.3
tris(2-phenyl-pyridine) (Ir(ppy)3)	E-Ray Optoelectronics Technology co., Ltd		Non-toxic, HOMO (eV) = -5.6, LUMO (eV) = -3.9
1,3,5-tris(N-phenylbenzimidazol-2-yl)benzene (TPBi)	Luminescence Technology corp.		Non-toxic, HOMO (eV) = -6.2, LUMO (eV) = -2.7
iridium(III) bis(4-phenylthieno[3,2-c]pyridinato-N,C 2’)acetylacetonate (PO-01)	Luminescence Technology corp.		Non-toxic, HOMO (eV) = -5.1, LUMO (eV) = -2.7
tris(2-phenylquinoline)iridium(III) (Ir(2-phq)3)	E-Ray Optoelectronics		Non-toxic, HOMO (eV) = -5.1, LUMO (eV) = -2.8
LiF	Echo chemicals		99.98%
Aluminium ingot (Al)	Guv team International pvt. ltd		100.00%
Acetone	Echo chemicals		99.90%
2-Propanol	Echo chemicals		99.90%
Hole-injection material, WHI-001	WAN HSIANG precision machinery co., Ltd		non-toxic, HOMO (eV) = -9.8, LUMO (eV) = -5.6
Hole-transport material, WHI-215	WAN HSIANG precision machinery co., Ltd		non-toxic, HOMO (eV) = -5.4, LUMO (eV) = -2.5
host material, WPH-401	WAN HSIANG precision machinery co., Ltd		non-toxic, HOMO (eV) = -5.8, LUMO (eV) = -2.7
Electron-injection material, WIT-651	WAN HSIANG precision machinery co., Ltd		non-toxic, HOMO (eV) = -5.8, LUMO (eV) = -3.1
Electron-transpot material, WET-603	WAN HSIANG precision machinery co., Ltd		non-toxic, HOMO (eV) = -5.9, LUMO (eV) = -2.6
Green dye, WPGD-832	WAN HSIANG precision machinery co., Ltd		non-toxic, HOMO (eV) = -5.8, LUMO (eV) = -3.1
Deep-red dye, PER 53	E-Ray Optoelectronics Technology co., Ltd		non toxic, HOMO (eV) = -5.1, LUMO (eV) = -2.4