The immersive virtual reality (VR) and the optical see-through augmented reality (AR) are expected to revolutionize human lives in work, education, entertainment, healthcare, spatial computing, and digital twins, just to name a few. Next-generation VR/AR devices should exhibit a wide field-of-view (FoV), crisp image without screen-door effect, high dynamic range, compact form factor and lightweight, and low power consumption. Such demanding requirements pose a significant challenge to traditional direct-view display panels. To address these technical challenges, novel approaches need to be proposed. This dissertation is devoted to developing next-generation high-performance display light engines toward high resolution density, high optical efficiency, wide color gamut, and small form factor. These emerging solutions will fuel the growth and accelerate the widespread applications of VR/AR devices. In Chapter 2, we propose practical measurement methods to characterize the halo artifacts of miniature light-emitting diode (mini-LED) backlit liquid crystal displays (LCDs). After measuring and characterizing a high dynamic range (HDR) light engine, we propose and develop field sequential color (FSC) LCDs for high-end virtual reality (VR) devices in Chapter 3. Such an FSC LCD can triple the resolution density and optical efficiency via eliminating color filters. To further mitigate the color breakup (CBU), we also propose to combine mini-LEDs with FSC LCDs to enable progressive emission and achieve a higher frame rate (~ 600 Hz). To quantitatively compare the CBUs corresponding to simultaneous emission, progressive emission, and stencil algorithm, we adopt the CIEDE2000 color difference as a metric. Quantitative simulation results of the CBU indicate that a 600-Hz subframe rate can help mitigate the CBU dramatically. Micro organic light-emitting diode (micro-OLED) exhibiting high-resolution density and high contrast ratio is another type of display for high-end VR devices. More specifically, white micro-OLED is currently employed because it helps ease the manufacturing difficulty. In Chapter 4, we optimize the layer thicknesses to achieve a maximum efficiency while keeping a decent color gamut. We also push the limit of color gamut toward ~ 95% Rec. 2020. Lastly, liquid-crystal-on-silicon (LCoS) offers great potential for achieving high-efficiency and high-resolution waveguide-based AR displays. In Chapter 5, several strategies are proposed and developed to improve the performance of LCoS microdisplays and enable a small pixel size. In Chapter 6, we briefly summarize our major accomplishments.

Within the last decade, organic light-emitting diodes (OLEDs) have evolved to be one of the major players in the display panel market. For instance, in 2023, it is expected that about half of the produced smartphones incorporate an OLED display. This rapid development is based on the high image quality and fast response time of OLEDs compared to the previously dominating technology of liquid crystal displays. Additionally, OLEDs feature interesting properties like mechanical flexibility, areal light emission, and semi-transparency that allow for futuristic device designs in display or lighting applications. One of the major drawbacks of OLEDs is their limited efficiency compared to conventional light-emitting diodes (LEDs). Due to the high refractive index of their active, light-emitting layers, a large portion of the internally generated light is lost because of optical effects like total internal reflection. One promising approach, which increases the amount of outcoupled light, is to align the transition dipole moment (TDM) of the emitter molecules parallel to the interface planes of the device. In the best case, this method can yield an efficiency improvement of more than 50%. This thesis focuses on both the accurate measurement and the exploration of control strategies of the emitter orientation. Furthermore, a software tool is developed, which supports the device design and data evaluation. First, the state-of-the-art emitter orientation measurement technique is analyzed, which is angle-resolved photoluminescence spectroscopy (ARPS). A ray-optics model is developed in order to quantify the impact of experimental deviations from the ideal measurement configuration. In particular, a displacement of the light-emission spot from the rotation center of the measurement setup is investigated. The resulting alteration of the observable angle-resolved emission spectrum is calculated and the impact on the consequent orientation factor is estimated. Based on the optical model, a refined setup structure is proposed, which not only circumvents a part of the identified problems but also yields a ten-times increased signal-to-noise ratio (SNR). Subsequently, it is explored how the emitter orientation can be controlled by external physical parameters during and after processing. Selected phosphorescent organic model systems are exposed to elevated temperatures and electric fields. In the first measurement series, the impact of the substrate temperature during deposition (𝑇sub) is investigated. It is found that the emitter orientation can be tuned from a more horizontal configuration at room temperature (RT) to an isotropic distribution if 𝑇sub approaches the glass transition temperature (𝑇g) of the material. This observation fits well to previous results of glass physics obtained with similar materials. In a second, alternative test series, OLEDs are treated after processing. Here, an emitter system comprising the host material NPB and the emitter Ir(piq)3 is investigated. For a treatment temperature of 125℃ and a simultaneously applied reverse bias of -20V the external quantum efficiency (EQE) of the OLEDs is increased by more than 50%. The effect is observed for two different emitter concentrations of 1 wt% and 10 wt% and OLEDs in the optical minimum and maximum. Finally, the long-term stability of the emitter orientation is experimentally demonstrated over a time frame of 1.5 years and for storage temperatures up to 95% of the host material’s 𝑇g. Preceding the presentation of the experimental results, the software-tool simojio is introduced, which is developed in this thesis. It enables an efficient and convenient workflow throughout the emitter orientation investigations and supports various tasks such as the device and setup design, the processing and visualization of xperimental data, and the extraction of orientation factors from angle-resolved emission spectra. Simojio provides a graphical user interface (GUI), which enables a flexible configuration of input parameters and one-dimensional layer structures. The corresponding numerical and graphical results are neatly arranged in a separate, tab-structured window. The actual calculation and processing algorithms are implemented in custom-made python modules, which can be modified and extended by the users according to their specific needs. Simojio is applied to most of the emitter orientation related simulation and data-processing tasks, which are presented in this thesis. However, due to its flexible, modular architecture, it is not restricted to this use case but may be utilized for highly diverse numerical problems, which are based on the evaluation of generic parameters or one-dimensional structures.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Dissertation stand die Herstellung von organischen Leuchtdioden und Passiv-Matrix-Displays an einer neuartigen Durchlauf-Depositionsanlage. Die Abscheidung von "small molecule" Materialien im Hochvakuum wurde dabei mittels organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) durchgeführt. Um effiziente Leuchtdioden zu erzielen, sind die Bauelemente als Mehrschichtsystem aufgebracht worden. Als Grundstruktur kam eine Schichtenfolge zur Anwendung, die als Löchertransporter aus dem Starburst-Derivat 2-TNATA, daran anschließend einem tertiären Arylamin, dem elektronenblockierenden a-NPB sowie dem Oxinat-Komplex Alq3 besteht. Dabei diente das Aluminium-Oxinat als Elektronenleiter und Emissionsmaterial. Mit dem Quinacridon-Derivat QAD als Dotierstoff wurde außerdem eine OLED-Struktur mit Gast-Wirtsystem realisiert Eine kontrollierte und reproduzierbare Deposition der organischen Materialien ist eine unabdingbare Voraussetzung, um organische Leuchtdioden kommerziell als Mehrschichtbauelemente herstellen zu können. Dazu wurde ein Hochvakuumsystem der Firma Applied Films installiert und in Betrieb genommen. Die VES 400/13-Entwicklungsanlage ist als Vertical Evaporation and Sputtering Durchlaufsystem für bis zu 400 mm hohe Substrate mit 11 individuellen Prozesskammern sowie zwei daran anschließenden Stickstoffboxen konzipiert. Diese Technologie ermöglicht das Aufdampfen einer oder nacheinander mehrerer Schichten auf beliebiges Substratmaterial. Entsprechend den Erfordernissen sind wichtige Prozessparameter wie Depositionsrate, Transportgeschwindigkeit des Substrates sowie Filmdicke der funktionellen Schichten in einem weiten Bereich frei einstellbar. Neben einer ausgeglichenen Löcher- und Elektroneninjektion werden die Eigenschaften der hergestellten Leuchtdioden durch die Dicken der einzelnen Schichten, der Beweglichkeit der Ladungsträger in den verwendeten organischen Materialien sowie der energetischen Lage der höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbitale der Halbleiter bestimmt. Als undotierte OLED-Struktur wurde eine Schichtenfolge aus ITO / 2-TNATA / NPB / Alq3 / Mg verwendet. Die Stärke der elektrischen Kontakte betrug jeweils etwa 150 nm für ITO bzw. Magnesium. Die organischen Halbleiterfilme verfügten über Lagendicken von 60 / 10 / 60 nm. Eine derart aufgebaute Leuchtdiode zeigte ein grünes Emissionsspektrum, dessen Mittenwellenlänge bei etwa 537 nm lag und eine Halbwertsbreite von circa 112 nm aufwies. Für die Betriebsspannung, die Leuchtdichte, die Strom- sowie die Leistungseffizienz ergaben sich für die beiden Stromdichten von 3 mA/cm² und 30 mA/cm² optimierte Werte zu 5,3 V bzw. 9,4 V, 100 cd/m² bzw. 1317 cd/m², 3,3 cd/A bzw. 4,4 cd/A sowie 2 lm/W bzw. 1,5 lm/W. Das Sperr- oder Gleichrichtungsverhältnis Gv wurde für die beiden gemessenen Maximal-spannungen von ±10 Volt zu <5 x 107 bestimmt. Durch die Dotierung der Alq3-Emissionsschicht mit etwa 1 mol% des Quinacridon-Derivats QAD und Hinzufügen einer separaten Elektronentransportschicht konnte eine Steigerung der Elektrolumines-zenz erreicht werden. Der OLED-Aufbau des Gast-Wirt-Systems verfügt über einen Schichtenstapel mit den Lagen ITO / 2-TNATA / NPB / Alq3 + QAD / Alq3 / Mg. Die Filmdicken der organischen Schichten der OLED mit den besten Eigenschaften betragen 60 / 10 / 35 / 25 nm. Die anorganischen elektrischen Kontakte waren jeweils etwa 150 nm dick. Die dotierten Bauelemente zeigen ein bei einer Mittenwellenlänge von 527 nm emittierendes, grünes Spektrum. Mit einer geringen Halbwertsbreite von 28 nm ist die Bedingung einer schmalen Emissionsbreite für die Anwendung in OLED-Displays erfüllt. Die Betriebsspannung, die Leuchtdichte, die Strom- und die Leistungseffizienz ergeben für die beiden Stromdichten von 6,2 mA/cm² und 45,6 mA/cm² optimierte Werte zu 10,8 V bzw. 17,0 V, 445,4 cd/m² bzw. 3816,7 cd/m², 7,2 cd/A bzw. 8,4 cd/A sowie 2,1 lm/W bzw. 1,6 lm/W.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-01-09T14:16:49Z No. of bitstreams: 1 rodrigocouradias.pdf: 2508131 bytes, checksum: a85f5360d98ae17dab9812e3e61a46cd (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-01-23T11:19:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rodrigocouradias.pdf: 2508131 bytes, checksum: a85f5360d98ae17dab9812e3e61a46cd (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-23T11:19:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rodrigocouradias.pdf: 2508131 bytes, checksum: a85f5360d98ae17dab9812e3e61a46cd (MD5) Previous issue date: 2017-11-24 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Um tipo de dispositivo que tem atraído atenção nos últimos anos no campo da Eletrônica Orgânica é as Células Eletroquímicas Emissoras de Luz, mais conhecidas como LECs (ou LEECs), do inglês Light Emitting Electrochemical Cells. Esses dispositivos eletrônicos têm baixa voltagem de operação, fabricação simples e barata, alto desempenho, ligeira independência dos materiais usados como eletrodo ou da espessura de suas camadas emissoras, além de terem a possibilidade de serem fabricados sobre substratos flexíveis. Por essas razões, as LECs têm sido usadas como possíveis substitutas para os já conhecidos OLEDs (Diodos Orgânicos Emissores de Luz), e o estudo de suas propriedades ópticas e elétricas e de seu princípio de funcionamento têm sido foco de trabalho de muitos cientistas. Dentre os modelos conhecidos que propõem descrever o funcionamento das LECs podemos citar três: a Teoria da Difusão, a Teoria da Dopagem Eletroquímica e a Teoria Mista. No primeiro a injeção de portadores na camada ativa seria facilitada pelos compostos iônicos presentes na blenda que a compõe, com posterior movimentação de cargas por difusão e recombinação no centro da camada. No segundo modelo ocorre a formação de três regiões dentro da blenda polimérica: uma região dopada do tipo p, uma região dopada do tipo n e uma camada isolante onde ocorre a recombinação de cargas para emissão de luz. A teoria mista assume que ambas são possíveis dependendo das condições em que se encontra o dispositivo. A fim de compreender como esses processos ocorrem e interferem no desempenho desses dispositivos propusemos diversas experiências alterando parâmetros importantes na sua fabricação. É proposto um modelo para a influência do tipo de cátion e ânion usado no sal presente na camada ativa e para descrever a influência da concentração desse sal na blenda polimérica que a compõe. Com base nas teorias descritas é colocada em evidência a influência da concentração de polímero transportador de íons na camada emissora e da espessura desta camada. Ao fim de todo o estudo obtivemos um dispositivo otimizado que é comparado com um dispositivo feito com um material novo sintetizado por colaboradores do departamento de Química da UFJF a fim de gerar expectativas para futuros trabalhos. / One type of device that has attracted attention in recent years in the field of Organic Electronics are the Light Emitting Electrochemical Cells, better known as LECs (or LEECs) These electronic devices have low operating voltage, simple and inexpensive manufacture, high-performance, light independence of the material used as electrode or the thickness of its emissive layer, besides having the possibility to be manufactured on flexible substrates. For these reasons the LECs have been used as possible substitutes for known OLEDs (Organic Light Emitting Diodes), and the study of their optical and electrical properties, and its operating principle have been working focus of many scientists. Among the known models proposed to describe the operation of LECs we can name three: the Theory of Diffusion, the Theory of Electrochemical Doping, and the Mixed Theory. In the first, injection of carriers in the active layer would be facilitated by the ionic compounds present in the blend that makes up, with subsequent movement of charges by diffusion and recombination in the center of the layer. In the second model happens the formation of three layers within the polymer blend: A p-type doped region, a n-type doped region and an insulating layer where recombination occurs for emitting light. Mixed theory assumes that both are possible depending on the conditions in which the device is. In order to understand how these processes occur and interfere with the performance of these devices we have proposed several experiments changing important parameters in its manufacture. A model is proposed for the influence of the type of cation and anion used in the salt present in the active layer, and to describe the influence of the concentration of this salt in the polymer blend that makes up. Based on the theories described it is put in evidence the influence of the concentration of the ion carrier polymer in the emitter layer and the thickness of this layer. After all the study we obtained an optimized device that is compared with a device made with a new material synthesized by employees from the Chemistry Department of UFJF to generate expectations for future work.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Simulation, Entwicklung und Realisierung organischer Halbleiterbauelemente für Anwendungen im Bereich der Sensorik. Unter dem Gesichtspunkt der Fertigung sollen die organischen lichtemittierenden Dioden (OLEDs) und die organischen Photodioden (OPDs) einfach konzeptioniert sein. Je nach Bauelementetyp stehen für die Herstellung der organischen Schichten die Vakuumtechnologie oder lösungsmittelbasierte Prozesse zur Verfügung. Eine Besonderheit der Arbeit ist die Integration der OLEDs bzw. der OPDs auf Silizium-Substraten. Zudem wird die Integration von optischen Filtern für die OLEDs sowie die Etablierung einer Dünnschichtverkapselung für die OLEDs und OPDs gezeigt. Im ersten Teil der Arbeit wird anhand von Simulationen der Dünnschichtoptik erarbeitet, welche Möglichkeiten vorhanden sind, die Charakteristik der OLEDEmission bzw. die Absorptionseigenschaften der OPDs zu beeinflussen. Die Besonderheit der OLEDs für die Sensorikanwendungen liegt hierbei in der Licht-Emission mit geringen Halbwertsbreiten. Es wird anhand von Fluoreszenzmarkern (Rhodamin 6G und Nah-IR Alzheimer Farbstoff-4) und einem Chromoprotein (PAS-GAF-64) verdeutlicht, welche Möglichkeiten für die Sensorik durch die Anregung mit der OLED bestehen. Für die OPDs hingegen wird gezeigt, welche Möglichkeiten es für das Rodamin 6G gibt, mit dielektrischen Spiegeln die Absorptionseigenschaften so zu beeinflussen, dass die gewünschten spektralen Bereiche des Lichtes absorbiert bzw. reflektiert werden. Der zweite Teil widmet sich der Entwicklung der OLEDs anhand der Integrationsmöglichkeiten der dielektrischen Filter sowie deren Optimierung. Es wird am Beispiel des Rhodamin 6G gezeigt, dass für die OLED-Emission eine Halbwertsbreite von 18 nm beim Maximum von 530 nm hat. Durch die Verwendung von Entlastungsschichten zwischen OLED und dielektrischem Spiegel können die Kennwerte der OLED positiv beeinflusst werden und weiterhin werden das Temperaturverhalten der OLEDs sowie die Verspannungseigenschaften der dielektrischen Schichten betrachtet. Darüber hinaus steht im dritten Teil die Entwicklung der organischen Photodioden im Fokus. Hierbei wurden OPDs auf Glas- und Siliziumsubstraten gefertigt. Inhalt der Entwicklung auf Glassubstraten ist die Variation der absorbierenden Schicht und deren Einfluss auf die elektro-optischen Eigenschaften. Die Entwicklung der OPDs auf Siliziumsubstraten basiert auf der Integration sowie der Optimierung verschiedener Absorbersysteme, einer alternativen Anode und Kathode sowie der Integration einer Dünnschichtverkapselung. Im Ergebnis wurden OPDs entwickelt, die ohne Dünnschichtverkapselung einen Photonen-zu-Elektron-Umwandlungs-wirkungsgrad (IPCE) von ca. 37 % bei 550 nm haben. Der IPCE konnte zudem durch die Modifikation des Kathodenaufbaus um 4 % gesteigert werden. Die OPD-Bauelemente mit integrierter Dünnschichtverkapselung zeigen einen IPCE von ca. 33 % bei 550 nm. Weiterhin wurde die Methode der orthogonalen Photolithographie zur Strukturierung der OPDs verwendet und es erfolgte der Übertrag der OPD-Technologie auf 8-Zoll-Halbleitersubstrate. In diesem Zusammenhang sind zur Bewertung von Einflüssen, wie Wasser oder Sauerstoff, Untersuchungen zur Lebensdauer der OPDs durchgeführt worden. Die Kenntnis über den Einfluss der orthogonalen Photolithographie auf die Kennwerte der OPDs sowie der Einfluss der Dünnschichtverkapselung auf die Eigenschaften der OPDs und OLEDs sind essentiell für weitere Entwicklungen und zur Fertigung von Sensoranwendungen. / This work focuses on the simulation, development and implementation of organic semiconductor devices for applications in the field of sensor technology. From the viewpoint of manufacturing, organic light emitting diodes (OLEDs) as well as organic photodiodes (OPD) should be designed simply. Depending on the type of device vacuum technology or solvent-based processes are available for producing organic layer. A special feature of OLED- and OPD-devices is the integration on silicon substrates. In addition, the integration of optical filters for OLED-devices and the thin-film encapsulation of OLEDs and OPDs is shown. The first part of the work elaborates on simulations of thin film optics, describing options to control the characteristics of the OLED-emission or the absorption properties of the OPD. A special characteristic of OLEDs is the light emission with a small full with half maximum for sensor applications. By using of fluorescent markers Rhodamine 6G and near-IR dye Alzheimer-4 or the Chromoproteins (PAS-GAF-64) clarifies the possibilities for sensors by excitation with the OLED. In contrast, for the OPD is shown which solutions are available, to influence the absorption properties of Rhodamin 6G with dielectric mirrors so that desired spectral ranges of light are absorbed or reflected. The second part is dedicated to the development of OLEDs based on integration of dielectric filters and their optimization. It is shown by the example of Rhodamine 6G that the OLED emission represents a full with at half maximum of 18 nm at 530 nm. Furthermore, the temperature behavior of the OLEDs and the strain properties of the dielectric layers are considered. Organic photodiodes are in the focus of the third part of the development. These OPDs were made on glass and silicon substrates. The main objective of the development on glass substrates is the variation of the absorption layer and its influence to the electro-optical properties to increase the spectral sensitivity of the OPD. The development of OPD on silicon substrates deals with the integration and optimization of different absorber systems, an alternative anode and cathode as well as the integration of a thin-film encapsulation. As a result, the OPDs without a thin-film encapsulation have an incident photon-to-electron conversion efficiency (IPCE) of about 37 % at 550 nm. The IPCE was increased to 4 % by modifying the cathode structure. The OPD devices with integrated thin-film encapsulation showed an IPCE of about 33 % at 550 nm. Furthermore, the method of orthogonal photolithography was used to pattern the OPD and an upscaling of the OPD technology to 8-inch semiconductor substrates have been realized. In this context studies have been carried out to evaluate the influence of process and encapsulation to the lifetime of OPDs. The knowledge about the influence of the orthogonal photolithography to the characteristics of OPDs and the influence of the thin-film encapsulation on the properties of OPD and OLEDs is essential for further development and for the manufacturing of sensor applications.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Dissertation stand die Herstellung von organischen Leuchtdioden und Passiv-Matrix-Displays an einer neuartigen Durchlauf-Depositionsanlage. Die Abscheidung von "small molecule" Materialien im Hochvakuum wurde dabei mittels organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) durchgeführt. Um effiziente Leuchtdioden zu erzielen, sind die Bauelemente als Mehrschichtsystem aufgebracht worden. Als Grundstruktur kam eine Schichtenfolge zur Anwendung, die als Löchertransporter aus dem Starburst-Derivat 2-TNATA, daran anschließend einem tertiären Arylamin, dem elektronenblockierenden a-NPB sowie dem Oxinat-Komplex Alq3 besteht. Dabei diente das Aluminium-Oxinat als Elektronenleiter und Emissionsmaterial. Mit dem Quinacridon-Derivat QAD als Dotierstoff wurde außerdem eine OLED-Struktur mit Gast-Wirtsystem realisiert Eine kontrollierte und reproduzierbare Deposition der organischen Materialien ist eine unabdingbare Voraussetzung, um organische Leuchtdioden kommerziell als Mehrschichtbauelemente herstellen zu können. Dazu wurde ein Hochvakuumsystem der Firma Applied Films installiert und in Betrieb genommen. Die VES 400/13-Entwicklungsanlage ist als Vertical Evaporation and Sputtering Durchlaufsystem für bis zu 400 mm hohe Substrate mit 11 individuellen Prozesskammern sowie zwei daran anschließenden Stickstoffboxen konzipiert. Diese Technologie ermöglicht das Aufdampfen einer oder nacheinander mehrerer Schichten auf beliebiges Substratmaterial. Entsprechend den Erfordernissen sind wichtige Prozessparameter wie Depositionsrate, Transportgeschwindigkeit des Substrates sowie Filmdicke der funktionellen Schichten in einem weiten Bereich frei einstellbar. Neben einer ausgeglichenen Löcher- und Elektroneninjektion werden die Eigenschaften der hergestellten Leuchtdioden durch die Dicken der einzelnen Schichten, der Beweglichkeit der Ladungsträger in den verwendeten organischen Materialien sowie der energetischen Lage der höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbitale der Halbleiter bestimmt. Als undotierte OLED-Struktur wurde eine Schichtenfolge aus ITO / 2-TNATA / NPB / Alq3 / Mg verwendet. Die Stärke der elektrischen Kontakte betrug jeweils etwa 150 nm für ITO bzw. Magnesium. Die organischen Halbleiterfilme verfügten über Lagendicken von 60 / 10 / 60 nm. Eine derart aufgebaute Leuchtdiode zeigte ein grünes Emissionsspektrum, dessen Mittenwellenlänge bei etwa 537 nm lag und eine Halbwertsbreite von circa 112 nm aufwies. Für die Betriebsspannung, die Leuchtdichte, die Strom- sowie die Leistungseffizienz ergaben sich für die beiden Stromdichten von 3 mA/cm² und 30 mA/cm² optimierte Werte zu 5,3 V bzw. 9,4 V, 100 cd/m² bzw. 1317 cd/m², 3,3 cd/A bzw. 4,4 cd/A sowie 2 lm/W bzw. 1,5 lm/W. Das Sperr- oder Gleichrichtungsverhältnis Gv wurde für die beiden gemessenen Maximal-spannungen von ±10 Volt zu <5 x 107 bestimmt. Durch die Dotierung der Alq3-Emissionsschicht mit etwa 1 mol% des Quinacridon-Derivats QAD und Hinzufügen einer separaten Elektronentransportschicht konnte eine Steigerung der Elektrolumines-zenz erreicht werden. Der OLED-Aufbau des Gast-Wirt-Systems verfügt über einen Schichtenstapel mit den Lagen ITO / 2-TNATA / NPB / Alq3 + QAD / Alq3 / Mg. Die Filmdicken der organischen Schichten der OLED mit den besten Eigenschaften betragen 60 / 10 / 35 / 25 nm. Die anorganischen elektrischen Kontakte waren jeweils etwa 150 nm dick. Die dotierten Bauelemente zeigen ein bei einer Mittenwellenlänge von 527 nm emittierendes, grünes Spektrum. Mit einer geringen Halbwertsbreite von 28 nm ist die Bedingung einer schmalen Emissionsbreite für die Anwendung in OLED-Displays erfüllt. Die Betriebsspannung, die Leuchtdichte, die Strom- und die Leistungseffizienz ergeben für die beiden Stromdichten von 6,2 mA/cm² und 45,6 mA/cm² optimierte Werte zu 10,8 V bzw. 17,0 V, 445,4 cd/m² bzw. 3816,7 cd/m², 7,2 cd/A bzw. 8,4 cd/A sowie 2,1 lm/W bzw. 1,6 lm/W.

This Master's thesis deals with design and a realisation of a device controlling an OLED display, Densitron DD-25664-1A. This display has a resolution of 256 x 64 pixels and allows displaying of 4-bit grayscale. The proposed utility software implements the initialization and termination functions, two sets of fonts { Latin and Greek letters and functions for rendering graphics and text. The result of the project is a device with the controlling software.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung von Technologien und Prozessen, welche die Marktakzeptanz organischer Leuchtdioden (OLED) durch Steigerung der Effizienz und Leuchtdichtehomogenität erhöhen. Dazu werden die Fertigungskosten durch neuartige Herstellungsverfahren reduziert und die Realisierung von effizienten, großflächigen (> 300×300 mm2) und homogen leuchtenden OLED-Modulen in beliebiger Modulform ermöglicht. Um dies zu erreichen, wurden folgende drei Ansätze verfolgt: 1. Die Optimierung der Strukturierung dünner Schichten bei Substraten für die organische Elektronik unter Verwendung der Technologien Siebdruck und Laserablation. Es werden neuartige Druckpasten auf ihre Eigenschaften hin untersucht und deren Eignung für die Substratstrukturierung bei OLEDs mittels Testmodulen elektro-optisch charakterisiert. Weiterhin steht die Verringerung der parasitären Leckströme durch einen optimierten Laserablationsprozess zur Grundelektrodenstrukturierung und einer Variation der Dicke der Löchertransportschicht im Fokus. 2. Die Realisierung einer schattenmasken- und photolithografiefreien seriellen elektrischen Verschaltung von mehreren kleinen OLED-Segmenten zu einem großen Gesamtmodul. Dazu werden ein Verfahren für die Erzeugung einer elektrischen Verbindung zwischen Top- und Grundelektrode sowie zwei hochinnovative Verfahren zur Separation einer vollflächig abgeschiedenen Topelektrode entwickelt und auf ihre Eignung hin validiert. 3. Die Verbesserung der Lichtauskopplung aus OLED-Modulen mittels einer modulinternen Streuschicht. Es werden fünf unterschiedliche Streupartikelarten und zwei Matrixmaterialien untersucht und deren Auswirkungen auf die Lichtauskopplung anhand von OLED-Testmodulen charakterisiert. Die entwickelten Verfahren und Prozessen basieren auf den Technologien Siebdruck und Laserablation, sind explizit für die Fertigung flexibler Module auf Basis von Trägermaterialien wie Dünnglas oder Polymerfolien sowie einem Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren geeignet und können direkt in eine großserientechnische Herstellung von OLED-Modulen überführt werden. / The focus of this work is upon the development of technologies and processes to increase the efficiency and brightness homogeneity of organic light-emitting diodes (OLEDs) in order to improve their market acceptance. Additionally, manufacturing costs will be reduced by adopting the new processes and it will be shown that the production of efficient, large-area (up to 300 × 300 mm2) and uniformly bright OLED modules of an arbitrary shape is possible. To achieve this, three approaches were followed: 1. The optimization of the structuring of thin layers on substrates for organic electronics using screen printing and laser ablation. To achieve this, the properties of novel printing pastes were determined, and their suitability for structuring substrates was assessed using results from the electro-optical characterization of test modules. Furthermore, the parasitic leakage current was minimized by optimizing the laser ablation process used for the structuring of the bottom electrode, together with the thickness of the hole transport layer. 2. The electrical connection in series of several small OLED segments to make a larger module without the need for shadow masks or photolithographic processes was studied. This included the development of a technique to connect the top and bottom electrodes, as well as two highly innovative methods to produce a completely separated top electrode using structuring by laser ablation. The suitability of these methods for OLED production was confirmed. 3. A scattering layer within the modules was developed to improve the light outcoupling. Five types of scattering particle in two different matrix materials were examined, and the effects of the resulting scattering layer on the outcoupling from an OLED test module were characterized. The newly developed processes make use of screen printing and laser ablation and are thus well suited to the production of flexible OLED modules using support materials such as thin glass or polymer foils with roll-to-roll processing. Accordingly, such technologies could readily be transferred to the large volume production of OLED modules.

Graphitische Karbonitride sind organische, kovalent gebundene, geschichtete und kristalline Halbleiter mit einer hohen thermischen und chemischen Stabilität. Diese Eigenschaften machen 2D Schichten der graphitischen Kristalle potentiell nützlich für das Ziel, Limitationen von organischen 0D Molekularen und 1D polymerischen Halbleitern zu überwinden. Trotz dieser interessanten Eigenschaften haben nur wenige Publikationen erfolgreich graphitische Karbonitride in optoelektronischen Bauteilen eingesetzt. Um die Vorteile dieser Materialien nutzbar zu machen, wurden bessere Synthesebedingungen gesucht. Die Verwendung von einem Iod-Eutektikum zeigt, dass Anionen mit einem größeren Radius als Bromid nicht für die Stabilisation von graphitischen Karbonitriden geeignet sind. Das Optimieren der Synthesebedingungen von Poly(triazin-imid)-LiBr resultiert in der Reduzierung von einem kohlenstoffreichen Zersetzungsprodukt bei vollständiger Kondensation. Das Untersuchen der elektronischen Struktur mit ab initio Berechnungen ergibt, dass der elektronische VB-CB-Übergang verboten ist. Dies resultiert daraus, dass die Zustände des obersten Valenzbandes nichtbindender Natur sind. Ein Band aus nichtbindenden Elektronen als oberstes Valenzband ist vor allem aus „lone-pair semiconductors“ aus der sechsten Hauptgruppe bekannt. In der Welt organischer Halbleiter wurde dieses Phänomen bisher nicht beobachtet. Die geringe makroskopische elektrische Leitfähigkeit der PTI-Filme wurde mit der Leitfähigkeit auf Nanoebene verglichen, woraus gefolgert werden kann, dass der Ladungsträgertransport durch den nanokristallinen Charakter an den Kristall-Kristall Übergängen gestört wird. Die elektronische Leitfähigkeit, Mobilität der Ladungsträger sowie die Ladungsträgerdichte wurden untersucht. Die Energie Niveaus legen nahe das Elektronentransport in der Präsenz von Sauerstoff möglich ist. Die erste Applikation eines kovalenten organischen Netzwerks in einer organischen lichtemittierenden Diode ist gezeigt worden. / Graphitic carbon nitrides are organic covalently-bonded, layered, and crystalline semiconductors with high thermal and oxidative stability. These properties make 2D layers of graphitic carbon nitrides potentially useful in overcoming the limitations of 0D molecular and 1D polymer semiconductors. Only few reports have shown them being employed in optoelectronic applications. With the goal to find better reaction conditions that enable higher product quality from the ionothermal synthesis the size effect of anions is studied by using an iodide eutectic instead of bromide or chloride eutectic. The highest crystalline condensation product obtained is melem, revealing that the large iodide anion is not capable of stabilizing a graphitic structure. Studying the synthesis conditions of poly(triazine imide) (PTI), the best characterized graphitic carbon nitride in literature, it is revealed that the brown discoloration of the product is due to a carbon rich side product. Reduction of reaction temperature and increase of reaction time allows omittance of carbonisation. Analyzing the electronic structure with ab initio calculations one finds that the lowest energy electronic transition in PTI is forbidden due to a non-bonding uppermost valence band. A uppermost non-bonding valence band is most reminiscent of lone-pair semiconductors and unknown in the world of organic semiconductors making PTI the first organic lone-pair semiconductor. The low electrical conductivity of PTI derivatives is compared to nanoscale conductivity values. The results indicate that macroscopic conductivity is hampered by the nano-crystalline character due to charge carrier trapping at crystal interfaces. The effective mobility is in the range of amorphous organic semiconductors with an unexpectedly high carrier density. The energy levels in PTI-LiBr potentially enable environmentally stable n-transport. The first successful Application of a covalent organic framework in a organic light emitting diode is presented.

[pt] Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de Diodos Orgânicos Emissores de Luz, OLED, para aplicações em terapia fotodinâmica. A terapia fotodinâmica é uma forma de tratamento que utiliza, basicamente, um fotossensibilizador e luz. Quando irradiado o fotossensibilizador produz espécies reativas de oxigênio que podem destruir organismos como fungos, vírus, bactérias e células tumorais. Esse trabalho se dedica a fabricação, caracterização e teste de OLEDs como fontes de luz para terapia fotodinâmica, PDT, representando uma alternativa as formas convencionais de tratamento médico. Como forma de testar o desempenho dos dispositivos foram realizados ensaios de PDT. Esses ensaios consistem em utilizar uma sonda sensível à presença do oxigênio singleto (1O2). A sonda utilizada foi o DPBF que, na presença do 1O2, rompe um dos seus anéis aromáticos. Esse efeito pode ser acompanhado pelo decaimento da intensidade do pico de absorção da sonda. Sabendo o intervalo de tempo entre cada medida é possível inferir o decaimento da sonda a fim de comparar o desempenho dos dispositivos. Para validar o teste, foi realizado um estudo de referência utilizando um LED comercial com pico de emissão em 658nm. Essa etapa foi fundamental para compreensão das condições que as fontes de luz devem ter para que os ensaios fossem realizados em tempos similares aos tratamentos envolvendo terapia fotodinâmica. Após isso, o trabalho consistiu na fabricação de OLEDs de três tipos de camadas emissoras: fluorescente, fosforescente e TADF. As escolhidas para esse trabalho foram: Alq3: DCM2, Bebq2:Ir(pic)3, BCPO: Ir(fliq)2acac e mCP: TXO − TPA , cuja banda de emissão se sobrepõe a banda de absorção do fotossensibilizador utilizado, o azul de metileno. Na primeira etapa foram fabricados OLEDs de área pequena, 3mm2 . Após as escolhas das estruturas, fabricação e as medidas de caracterização elétrica, foram realizados os ensaios de PDT. Para os ensaios iniciais, foram utilizadas duas fontes de alimentação dos OLEDs, modo AC e DC a fim de avaliar o desempenho dos dispositivos em diferentes configurações. Tendo como destaque os OLEDs de camada emissora Alq3: DCM2 e Bebq2:Ir(pic)3 (em modo DC) e BCPO: Ir(fliq)2acac (em modo AC), pois conseguiram estimular o fotossensibilizador azul de metileno a produzir oxigênio singleto suficiente para decair o pico de absorção da sonda DPBF no intervalo de tempo do ensaio de PDT (30 minutos). Na etapa seguinte, foram selecionados os OLEDs de camada emissora Alq3: DCM2 e Bebq2:Ir(pic)3 com o objetivo de testar o desempenho dos dispositivos de área ativa 27mm2 , sendo chamados nessa tese de área grande. Apresentando destaque os dispositivos Bebq2:Ir(pic)3. Também foram realizadas comparações entre os OLEDs de área grande e pequena, tanto em perda de potência (por cento) no tempo quando nos ensaios de PDT. Como o melhor desempenho foi obtido com o área grande, essa estrutura foi utilizada na fabricação dos OLEDs Bebq2:Ir(pic)3 sobre substratos conformáveis comerciais de celulose bacteriana (BC), amida de bloco de poliéter (PEBAX) e poliuretano (PU), funcionalizados no LOEM, e polietileno tereftalato (PET). Essa pesquisa é inovadora no Brasil e de grande interdisciplinaridade pois envolve o estudo na arquitetura, fabricação, caracterização dos OLEDs à ensaios em Terapia fotodinâmica. Além de englobar a possibilidade de incluir a síntese de novos materiais e testes in vitro e in vivo. Esse trabalho é também o início de uma nova linha de pesquisa com aplicação biológica no grupo LOEM. / [en] This work aimed to develop Organic Light Emitting Diodes, OLED, for applications in photodynamic therapy. Photodynamic therapy is a treatment that basically uses a photosensitizer and light. When irradiated, the photosensitizer produces reactive oxygen species that destroy cells such as fungi, viruses, bacteria and tumor cells. This work is dedicated to the fabrication, characterization and tests of OLEDs as light sources for photodynamic therapy, PDT, representing an alternative to classical forms of medical treatment. As a way of testing the performance of the devices, PDT tests were carried out. These tests consist of using a probe sensitive to the presence of singlet oxygen (1O2). The probe used was DPBF which, in the presence of 1O2, breaks one of its aromatic rings. This effect can be followed by the decay of the intensity of the probe s absorption peak. The time interval between each measurement is set on the measurement, it is possible to infer the probe decay in order to compare the performance of the devices. To validate the test, a reference study was carried out using a commercial LED with an emission peak at 658nm. This step was fundamental for understanding the conditions that the light sources should have so that the tests could be carried out in times similar to the treatments involving photodynamic therapy. After that, the work consisted of manufacturing OLEDs with three types of emitting layers: fluorescent, phosphorescent and TADF. The emission layers chosen were: Alq3: DCM2, Bebq2:Ir(pic)3, BCPO: Ir(fliq)2acac and mCP:TXO-TPA , whose emission band is similar to the absorption band of the photosensitizer used, blue of methylene. In the first part were manufactures OLEDs with a small area, 3mm2 . After choosing the structures, fabrication and electrical characterization measures, the PDT tests were carried out. For the initial tests, two OLED power supplies were used, AC and DC mode, in order to evaluate the performance of the devices in different configurations. Highlighting the emitting layer OLEDs Alq3: DCM2 and Bebq2:Ir(pic)3 (in DC mode) and BCPO: Ir(fliq)2 acac (in AC mode), as they managed to stimulate the photosensitizer methylene blue to produce enough singlet oxygen to decay the peak absorption of the DPBF probe in the time interval of the PDT assay (30 minutes). On next step, the OLEDs selected were one with the emitting layer Alq3: DCM2 and Bebq2: Ir(pic)3 with the objective of testing the performance of the devices with an active area of 27mm2 , called large area. Introducing featured devices Bebq2:Ir(pic)3. Comparisons between large and small area OLEDs were also made in power loss (percent) over time and in PDT tests. As the best performance was obtained with the large area, this structure was used in the manufacture of OLEDs Bebq2: Ir(pic)3 on commercial conformable substrates of bacterial cellulose(BC), polyether block amide (PEBAX) and polyurethane (PU), functionalized in LOEM, and polyethylene terephthalate( PET). This research is innovative in Brazil and highly interdisciplinary as it involves the study of architecture, fabrication, characterization and tests in PDT and has the possibility of involving the synthesis of new materials and in vitro and in vivo tests. This work is also the beginning of a new line of research with biological application at LOEM group.