Blue-pericolo-libera candela OLED

Riepilogo

Vi presentiamo un protocollo per la realizzazione di una luce di candela organico diodo ad emissione-libero blu-hazard (OLED) per la protezione degli occhi e la secrezione di melatonina.

Abstract

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.

Introduzione

Al giorno d'oggi, le fonti di illuminazione come LED e CFL sono abbondantemente utilizzati per l'illuminazione interna ed esterna, in parte per ragioni di risparmio energetico. Tuttavia, queste luci sono ricchi di emissione blu, che mostra una maggiore tendenza a causare blu-pericoli. LED e CFL emettono uno spettro arricchito con luce blu, che porta a un danno irreversibile alle cellule della retina ^{1, 2, 3, 4.} La luce blu o intensa luce bianca ad alta CCT sopprime la secrezione di melatonina, un ormone oncostatico, che potrebbe perturbare il ritmo circadiano ^{5, 6} e comportamento dormire ^{7, 8.} La melatonina, un ormone essenziale per il ritmo circadiano, è sintetizzato nella ghiandola pineale ^9. Un elevato livello di melatonina è osservato durante il periodo buio durante la 24-ore chiaro-scuro cycle ^10. Tuttavia, la luce intensa durante la notte sopprime la sua sintesi e disturba il ritmo circadiano ^11. La melatonina soppressione a causa della sovraesposizione alle luci di notte può essere un fattore di rischio per il cancro al seno nelle donne ^{di 12, 13, 14.} Oltre a questi pericoli, la luce blu interrompe le attività di anfibi notturni e può essere pericolosa per la protezione ambientale. E 'stato anche riferito che l'illuminazione a LED nei musei è scolorirsi i colori reali dei dipinti ad olio dipinti da Van Gogh e Cézanne ^{15, 16.}

Così, un CCT libero e bassa LED organico candela come il blu-emissione (OLED) può essere un buon sostituto per il LED e CFL. Le candele emettono un CCT blu-pericolo-libera e basso (1.914 K) di illuminazione, così come uno spettro di emissione di alta qualità (alta resa cromatica, CRI). HoWever, la maggior parte dei dispositivi di illuminazione elettrica-driven emettono intensa luce blu con un relativamente alto CCT. Ad esempio, il CCT più basso è di circa 2.300 K per le lampadine a incandescenza, mentre è di 3.000 o 5.000 K per tubi fluorescenti bianchi caldi o freddi e apparecchi di illuminazione a LED. Finora, a basso OLED CCT quasi gratuitamente l'emissione blu sono stati fabbricati per l'illuminazione human-friendly. Nel 2012, il gruppo di Jou ha registrato un fisiologico accogliente, asciutto-Processing, singolo OLED strato emissivo con un CCT di 1.773 K ed una efficienza energetica del 11,9 lm / W ^17. Il dispositivo mostrato un CCT molto inferiore rispetto alla lampadina a incandescenza (2.300 K), mentre la sua efficienza di potenza non è accettabile dal punto di vista del risparmio energetico. Hanno riferito un altro lume di candela in stile secco elaborati OLED utilizzando doppi strati emissive con uno strato di modulazione portante ^18. E 'esposto un basso CCT di 1.970 K e l'efficienza energetica del 24 lm / W. Successivamente, un OLED secco trasformati costituito of tre strati emissive insieme con uno strato di modulazione vettore è stato segnalato ^19. La sua efficienza potere era 21-3 lm / W e varia con la TDC, che variava da 2.500 K a 1.900 K. Nel 2014, Hu et al. ha riportato un OLED ibrido secco trattati con strati emissive doppi separati da uno strato intermedio, che ha mostrato una elevata efficienza di potenza di 54,6 lm / W e una bassa CCT di 1.910 K ^20. Di recente, il gruppo di Jou ha fabbricato una ad alta efficienza a lume di candela in stile OLED impiegando doppi strati emissive ^21. E 'esposta una elevata efficienza di potenza di 85,4 lm / W con un CCT di 2.279 K. Fino ad ora, sono stati fatti tutti gli sforzi per sviluppare l'alta efficienza, i dispositivi a lume di candela in stile OLED a basso TDC, utilizzando processi a secco e le architetture di dispositivi complicati ^{17, 18, 19, 20, 21}, ^22. L'elaborazione di un OLED a lume di candela con la fattibilità bagnato-processo, mentre allo stesso tempo avere un CCT basso, una elevata efficienza di potenza e una qualità di luce ad alta è una sfida. Nessuno studio è stato sviluppato per descrivere la sensibilità spettro di emissione di una data sorgente di luce rispetto alla luce blu. La qualità della luce durante la notte può essere deciso / migliore per ridurre al minimo la soppressione della secrezione di melatonina.

Ci sono alcuni modelli segnalati che calcolano la quantità di soppressione. In primo luogo, Brainard et al. ²³ e Thapan et al. ²⁴ ha riferito la sensibilità spettrale utilizzando luce monocromatica. Successivamente, l'effetto della luce policromatica sulla soppressione della melatonina è stato descritto ^{25, 26.} Quest'ultimo è adottato in questo studio, poiché la maggior parte degli apparecchi disponibili in commercio o fonti di illuminazione nuove sono policromatica e di calibrazionesull'intero campo visibile (cioè, dal rosso al viola).

In questo lavoro, presentiamo i protocolli completi per la fabbricazione di OLED a lume di candela senza blue-pericolo attraverso processi asciutto e bagnato. In entrambi i processi, l'architettura del dispositivo è semplificata impiegando un singolo strato di emissione senza strati modulazione carrier. Il elettroluminescente (EL) spettro del OLED fabbricato viene analizzato per il limite di esposizione della retina e per il livello di soppressione della secrezione di melatonina. Un limite massimo di esposizione di luce emessa alla retina è calcolato utilizzando l'aspetto teorico che è stato segnalato dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) 62471 ^{27, 28.} Il limite massimo di esposizione "t" viene calcolato utilizzando lo spettro di emissione di ogni OLED con la luminosità di 100 e 500 lx, sufficienti rispettivamente per la casa e illuminazione ufficio,. Tutte relative ste calcolops sono sequenzialmente dato nella sezione del protocollo. Inoltre, l'effetto della luce sulla sensibilità soppressione melatonina viene calcolato seguendo le equazioni del spettro di azione di soppressione melatonina ^29. Il calcolo viene effettuato seguendo i passi indicati nella sezione del protocollo. I valori calcolati per il limite massimo di esposizione "t" e la sensibilità soppressione melatonina (%) rispetto al CCT sono riportati nella tabella 3.

Protocollo

NOTA: Tutti i materiali utilizzati sono non cancerogeno, non infiammabile, e non tossico.

1. Realizzazione di Blu-pericolo-libera candela OLED

1. processo a secco
   1. Prendere un vetrino come substrato da rivestire con uno strato di anodo 125 nm ossido di indio stagno (ITO). Lavare il substrato con 200 ml (50 ml di detersivo liquido e 150 ml di acqua deionizzata) di soluzione di sapone. Sciacquare il substrato con acqua deionizzata. Asciugare il substrato con un getto di azoto.
   2. Mettere il substrato su un supporto vetrino e immergere portavetrini in soluzione di acetone in un becher. Mettere il recipiente in un bagno ad ultrasuoni. Sonicare il substrato a 50 ° C per 10 min.
   3. Trasferire il portavetrini con il substrato di soluzione di isopropanolo in un becher e ancora sonicare a 60 ° C per 10 min.
   4. Estrarre il substrato dal bicchiere e metterlo nella fessura UV / ozono per 10 minuti ad asciugare. Pulire completamente la superficie.
   5. Rompere il vacuum della camera di evaporatore termico chiudendo la valvola di alto vuoto e aprendo la valvola di gas azoto nella camera.
   6. Caricare il substrato pulito nella camera sul supporto substrato rotante. Per ogni strato che verrà depositato, carico 100 mg di ciascun materiale organico richiesto, 3 mg di litio fluoruro (LiF), e un lingotto 224 mg di alluminio (Al) nel crogiolo all'interno della camera.
   7. Chiudere la porta della camera e attendere un alto vuoto di 5 × 10 ^-6 Torr. Una volta che l'alto vuoto è stato raggiunto all'interno della camera, iniziare la deposizione degli strati organici sul substrato con ITO.
      1. Depositare uno strato di iniezione foro 5 nm ad una velocità di deposizione di 0,8-1 a / s.
      2. Depositare uno strato di trasporto di 25 nm a una velocità di deposizione di 1-1,5 a / s.
      3. Depositare uno strato emissivo 30 nm (colorante verde 8 in peso.% In peso e 0,85. Colorante rosso intenso% drogato a 20 mg di un host specificato) ad una velocità di deposizione di 1-1,5 a / s.
      4. Depositare un 30 nm strato di trasporto degli elettroni ad una velocità di deposizione di 1-1,5 a / s.
      5. Depositare uno strato di 20 nm di trasporto degli elettroni co-evaporare con materiale di iniezione di elettroni ad una velocità di deposizione di 1-1,5 a / s.
      6. Depositare uno strato di iniezione di elettroni 1-nm di LiF ad una velocità di deposizione di 0,3-0,4 a / s.
      7. Depositare uno strato di catodo 100-nm di Al ad una velocità di deposizione di 10-15 Å / s.
   8. Spegnere il regolatore di corrente e attendere 10 minuti sotto vuoto spinto. Chiudere la valvola per alto vuoto ed aprire la valvola di gas azoto nella camera di rompere l'alto vuoto.
   9. Spostare il dispositivo OLED fabbricato dalla camera all'atmosfera, e trasferirli ad una glove box con una macchina di incapsulamento in atmosfera di azoto.
   10. Incapsulare il dispositivo OLED fabbricato con una copertura superiore in vetro, utilizzando colla e poi asciugare la colla per mettere il dispositivo in scatola di radiazione UV per 110 s.
   11. Espellere il dispositivo OLED incapsulato dail vano portaoggetti e il trasferimento alla camera oscura per le misurazioni.
2. processo a umido
   1. Pulire il substrato ITO rivestita utilizzando le procedure di pulizia di cui sopra da passaggi 1.1.2 a 1.1.4.
   2. Prendere una soluzione acquosa di PEDOT PSS (conservato a 4 ° C) a depositare lo strato di iniezione foro. Filtrare la soluzione in un flaconcino utilizzando un filtro di diametro da 25 mm costituito da un tessuto di nylon con una dimensione dei pori di 0,45 micron.
   3. In una fiala, preparare la soluzione livello di trasporto foro di 3,6-bis (4-vinylphenyl) -9-etilcarbazolo (VPEC) ³⁰ disciolti in solventi clorobenzene nel rapporto di 3 mg: 1.000 ml. Sonicare la soluzione per 30 minuti in bagno ad ultrasuoni e filtrare la soluzione sonicato in un flaconcino con un filtro di diametro 15 mm costituito da un tessuto di nylon con una dimensione dei pori di 0,45 micron.
   4. Preparare una soluzione per lo strato emissivo.
      1. Prendere 5 mg del materiale host specificato e sciogliere in tetraidrofurano (THF) in un rapporto di 10 mg: 1.000 ml. Sonicare l'host-soluzione a 50 ° C per 30 min.
      2. Prendere 1 mg di ciascuno dei materiali ospiti richiesti e dissolvere in THF in un rapporto di 1 mg: 1.000 ml. Sonicare la guest-soluzione a 50 ° C per 30 min.
      3. Filtrare ogni soluzione separatamente in fiale con un filtro di 15 mm di diametro costituito da un tessuto di nylon con una dimensione dei pori di 0,45 micron.
      4. Miscelare la guest-soluzione nell'ospite-soluzione secondo l'determinata percentuale in peso (3 wt.% Di colorante giallo, 6 wt.% Di arancio colorante, e 12,5 wt.% Di colorante verde), drogaggio per lo strato emissivo.
   5. Trasferire le fiale di PEDOT PSS, VPEC, e le soluzioni di livello emissivo con substrato pre-puliti e li pipetta nel vano portaoggetti.
   6. Avviare rivestimento strati sul substrato con ITO nella seguente sequenza sotto atmosfera di azoto: lo strato di iniezione buco, livello di trasporto del foro, e strato di emissione.
      1. Depositare uno strato di iniezione foro 35 nm da spin-coating una soluzione di 750 ml di PEDOT PSS a 4.000 giri al minuto (rpm) per 20 s.
      2. Essiccare il PEDOT: strato PSS a 120 ° C per 40 minuti per rimuovere il solvente residuo.
      3. Depositare un livello di trasporto buco 10-nm per spin-coating una soluzione di 400 ml di VPEC a 3.000 rpm per 20 s.
      4. Cuocere lo strato a 120 ° C per 20 minuti per rimuovere il solvente residuo.
      5. Riscaldare il livello a 230 ° C per 40 min per una reazione di reticolazione che si verifichi prima di depositare lo strato emissivo ^30.
      6. Depositare uno strato di emissione di 20 nm dalla spin-coating una soluzione di 400 ml a 2.500 rpm per 20 min.
   7. Estrarre il substrato spin-rivestito dal vano portaoggetti all'atmosfera e trasferirlo alla camera evaporatore termico per l'ulteriore deposizione di strati. Eliminare il vuoto della camera di evaporatore termico chiudendo la valvola di alto vuoto e aprire la valvola dell'azotogas alla camera.
   8. Caricare il substrato nella camera sul supporto substrato rotante. Caricare il 45 mg di TPBi, 3 mg di LiF, e 224 mg Al lingotti nel crogiolo all'interno della camera per gli strati che verranno depositati. Depositare gli strati sul substrato con lo strato emissivo nella seguente sequenza.
      1. Depositare uno strato di trasporto degli elettroni 32 nm di TPBi ad una velocità di deposizione di 1-1,5 a / s.
      2. Depositare uno strato di iniezione di elettroni 1 nm di LiF ad una velocità di deposizione di 0,3-0,4 a / s.
      3. Depositare uno strato di catodo 100-nm di Al ad una velocità di deposizione di 10-15 Å / s.
   9. Spegnere il regolatore di corrente e attendere 10 minuti sotto l'alto vuoto. Seguire le procedure di cui sopra da passaggi 1.1.8 a 1.1.11 per completare il dispositivo OLED incapsulato.
3. Calcolo del limite di esposizione retina-ammissibile "t":
   1. Misurare lo spettro EL del dispositivo di illuminazione utilizzando un spectroradiometer. Lo spettro EL risultante è mostrato in Figura 1a.
   2. Misurare i dati dello spettro EL (intensità rispetto a lunghezza d'onda) ad un CCT.
   3. Convertire i dati dello spettro EL per spettrale splendore E _λ (intensità normalizzata rispetto a lunghezza d'onda). Modificare lo spettro al formato mostrato nella Figura 1b.
   4. Utilizza i dati spettrali dalla funzione leggero ponderata blu per misurare il pericolo retina dalla sorgente di illuminazione (ad esempio, disegnare la funzione di rischio luce blu B (λ) rispetto alla lunghezza d'onda) ^28. Il grafico risultante è mostrato in Figura 1c.
   5. Calcolare il valore della luminosità (E _B) di una data sorgente di luce utilizzando la funzione di radianza spettrale E _λ e blu-pericolo B (λ) corrispondente a ciascuna lunghezza d'onda.
   6. Mettere i valori di E _λ e B (λ) dalle trame summenzionati nel seguente formula:
      ..... (1)
   7. Prendi il valore numerico di E _B in W m ^-2.
   8. Mettere il valore di E _B nel limite massimo di esposizione della retina "t" ammissibile formula:
      ..... (2)
   9. Acquisire il limite di esposizione "t" rispetto al CCT di una data sorgente luminosa.
4. Calcolo per la sensibilità soppressione di melatonina:
   1. Misurare lo spettro EL di un dato dispositivo di illuminazione utilizzando spettroradiometro. Lo spettro risultante è mostrato in Figura 2a.
   2. Ottenere la potenza soppressione melatonina per quantistica, S _PQ, dai dati programmati ^29. Per un dato λ luce monocromatica, esprimere _l'PQ S come segue:
      S _PQ (λ) = 10 ^{(λr-λ) / C} ............. (3)
      I valori di S _PQ (λ) rispetto alla lunghezza d'onda sono riportati nella tabella 1, e il rispettivo grafico è mostrato nella Figura 2b.
   3. Utilizzare la funzione di luminosità fotopica V (λ) per convertire S _PQ (λ) in potere melatonina soppressione per lux, S _LC (λ), al fine di dare un significato pratico. I valori di V (λ) rispetto alla lunghezza d'onda sono riportati nella tabella 2, e il rispettivo grafico è mostrato in figura 2c.
   4. Esprimere la potenza soppressione melatonina correlata, S _LC (λ), per una luce policromatica, come segue: ²⁹
      S _LC (λ) = ∫λS _PQ (λ) S _I (λ) dλ / ∫ V (λ) S _I (λ) dλ ............... .. (4)
   5. Mettere i valori di intensità _I S (λ) dello spettro di ELdata sorgente luminosa insieme ai valori di S _PQ (λ) e V (λ) rispetto alla lunghezza d'onda nella formula sopra e calcolare il _LC S (λ) come segue:
      S _LC (λ) =
      
   6. Recuperare un valore numerico di S _LC (λ) in lx ^-1 dal calcolo di cui sopra. Ad esempio, inserendo la S _I (λ) dallo spettro EL della proposta OLED candela con un CCT di 1.940 K, il potere soppressione melatonina è:
      S _LC (λ) = 90 lx ^-1
   7. Scegliere una luce di riferimento per calcolare la relativa melatonina sensibilità soppressione di una determinata sorgente luminosa. La luce di riferimento può essere una lunghezza d'onda di 460 o 480 nm. Qui, abbiamo scelto una luce blu di 480 nm, come la luce di riferimento.
   8. Calcolare il _LC S (λ) per la luce blu di riferimento (480 nm) usando la formula di cui sopra.
      S _LC (480 nm) = 3.445 lx ^-1
   9. Dividere la _LC S (λ) di una data sorgente luminosa dal _LC S (480 nm) e moltiplicare il quoziente per 100 per ottenere la percentuale sensibilità soppressione della melatonina (%) di una data relativa luce per la luce blu di riferimento.
      Sensibilità relativa soppressione della melatonina = × 100% ......... .... (5)
      NOTA: Per esempio, relativa melatonina sensibilità soppressione = × 100% = 2,61%. Pertanto, la proposta OLED candela mostra un melatonina sensibilità soppressione del 2,61% rispetto a quella della luce blu 480 nm.

Risultati

Le caratteristiche corrente-tensione-luminanza dei OLED candela risultanti sono misurati utilizzando un elettrometro insieme con 100 Un misuratore di luminanza. Le aree di emissione distano 9 mm ² per tutti i dispositivi secco trasformati risultanti e sono 25 mm ² per dispositivi bagnati trasformati. Qui, abbiamo usato un substrato di vetro ITO rivestite 125 nm con una resistenza foglio di 15 Ω / sq come anodo. Esso ha una trasparenza superiore al 84%

Discussione

Le fasi più critiche nella fabbricazione di dispositivi OLED sono: 1) pulizia substrato di vetro, 2) la selezione del solvente appropriato, 3) sciogliendo i materiali organici, 4) formando uniformemente il film tramite spin-coating nel processo a umido, e 5 ) controllando la velocità di deposizione e spessore dello strato organico durante l'evaporazione termica. Inizialmente, la pulizia del substrato ITO anodo rivestito è un passo fondamentale per raggiungere un'elevata efficienza. Il substrato di vetro...

Materiali

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