Combining X-Ray Reflectivity and Inkjet Printing Technology for the respective Characterization and Optimization of Organic Light Emitting Diodes.

Abstract

X-rays have long been used to characterize materials and surfaces. X-ray reflection (XRR) is a well understood and suitable method for non-destructive investigation of surfaces and the properties of thin films. These properties make it particularly suitable in the field of organic light emitting devices. XRR can be used to characterize the many thin films in these devices. Even small defects in the layers, such as those caused by particle inclusions, large roughnesses, spikes and the like, can render the device inoperable. As the X-rays can in general penetrate all organic light emitting devices (OLED) materials, it is also possible to detect the hidden layers and thus any defects. However, the limitations of the technology must be considered because the contrast between the electron density must be large enough for the Kiessig Fringes to occur. The Kiessig Fringes are necessary for the evaluation of the measurements, and the density, roughness, layer thickness, and so forth can be determined on the basis of the curve. Rough layers or spikes in the layers can drastically limit the lifespan of the OLEDs. Oxygen can enter at these imperfections in the layer, or intense dissipation heat can be generated by a locally high electric field. If the roughness is too high, the Kiessig fringes disappear in the XRR measurement. Therefore, a new method was developed to measure these layers with the XRR. For this, a smoothing layer is applied to the rough layer - in the instance of the OLED, for the (organic) polymer layers, for instance, act as such a layer. This creates an intermediate layer between at the interface, with an electron density that lies within that of the other two layers, since the interface represents a kind of gradient. With the help of this third, "virtual" layer, it was shown that the Kiessig fringes reappear and the measurement can be evaluated. Thus, the thickness and roughness of the layer system can be determined. Furthermore, using ITO (indium tin oxide) as an example, another limitation of this measurement method was shown. Sputtering typically produces agglomerates of the material. These can lead to spikes of significant thickness as the layer grows. When another layer (organic) is applied on top of ITO, an intermediate layer is created as well, since the second layer acts as a smoothing layer. The information of the spikes (or roughness) is lost, due to the fact that the Kiessig fringes are visible. However, considering the intermediate layer, the density of the spikes in the ITO layer can be determined. Besides the characterization of the OLEDs, this work also showed a possibility to improve the efficiency of the OLEDs by means of lenses. In the OLED layer system, the refractive indices vary strongly (glass approx. 1.5; organic emitter 1.9), resulting in total reflection at the substrate (glass or polymer). By roughening the substrate or applying lenses, the angle of incidence of the rays can be changed and thus the total reflection can be avoided. The advantage of the lenses produced is the adaptability of the lens angle. Calculations have shown the optimal angle to avoid total reflection, although the lenses can be further adjusted to focus the beams as well. The challenge with OLEDs is that they are generally not point light sources (such as conventional light emitting devices (LED)), but are used for planar light sources. With the help of a material printer, a suitable printing and etching process was produced, which makes the geometry of the lenses easily changeable. A polymer is used as the substrate (poly(methyl methacrylate) (PMMA)), into which a kind of reservoir for the lens material is etched. The solvent (anisole) is acting as the etchant and printed onto the substrate in a ring shape. The coffee ring effect creates walls that determine the dimensions of the lens. The lens material (NOA89, an optical adhesive) is printed into this reservoir. The printing parameters determine the contact angle of the material, and the curvature of the lens after curing. By surface treatment with suitable silanes, the contact angle can be adjusted up to 90°, i.e. a hemispherical lens. Depending on the application, the angle of the lens and the dimensions can therefore be changed and adapted quickly, as the printing process is much more flexible than conventional production of small lenses (e.g. lithographic, or laser ablation).

Röntgenstralen worden al lang gebruikt om materialen en oppervlakken te karakteriseren. Röntgenreflectie (XRR) is een goed begrepen en geschikte methode voor niet-destructief onderzoek van oppervlakken en de eigenschappen van dunne films. Deze eigenschappen maken het bijzonder geschikt op het gebied van organische lichtemitterende apparaten. XRR kan worden gebruikt om de vele dunne lagen in deze apparaten te karakteriseren. Zelfs kleine defecten in de lagen, zoals defecten veroorzaakt door deeltjesinsluitingen, grote ruwheden, pieken en dergelijke, kunnen het apparaat onbruikbaar maken. Omdat de röntgenstralen in het algemeen door alle OLED materialen heen kunnen dringen, is het ook mogelijk om de verborgen lagen en dus eventuele defecten te detecteren. Er moet echter rekening worden gehouden met de beperkingen van de technologie, omdat het contrast tussen de elektronendichtheid groot genoeg moet zijn om Kiessig-velden te laten ontstaan. De Kiessig Fringes zijn nodig voor de evaluatie van de metingen en de dichtheid, ruwheid, laagdikte enzovoort kunnen worden bepaald op basis van de curve. Ruwe lagen of pieken in de lagen kunnen de levensduur van de OLED's drastisch beperken. Zuurstof kan bij deze imperfecties in de laag binnendringen of er kan intense dissipatiewarmte worden gegenereerd door een plaatselijk hoog elektrisch veld. Als de ruwheid te hoog is, verdwijnen de Kiessig franjes in de XRRmeting. Daarom is er een nieuwe methode ontwikkeld om deze lagen te meten met de XRR. Hiervoor wordt een gladmakende laag op de ruwe laag aangebracht - in het geval van OLED fungeren bijvoorbeeld de (organische) polymeerlagen als zo'n laag. Hierdoor ontstaat een tussenlaag bij het grensvlak, met een elektronendichtheid die binnen die van de andere twee lagen ligt, aangezien het grensvlak een soort gradiënt vormt. Met behulp van deze derde, "virtuele" laag werd aangetoond dat de Kiessig franjes weer verschijnen en de meting kan worden geëvalueerd. Zo kunnen de dikte en de ruwheid van het lagensysteem worden bepaald. Verder werd, met ITO (indiumtinoxide) als voorbeeld, een andere beperking van deze meetmethode aangetoond. Sputteren produceert meestal agglomeraten van het materiaal. Deze kunnen leiden tot pieken van significante dikte als de laag groeit. Wanneer een andere laag (organisch) bovenop ITO wordt aangebracht, ontstaat er ook een tussenlaag, omdat de tweede laag als een gladmakende laag werkt. De informatie van de spikes (of ruwheid) gaat verloren doordat de Kiessig franjes zichtbaar zijn. Als we echter naar de tussenlaag kijken, kan de dichtheid van de spikes in de ITO-laag worden bepaald. Naast de karakterisatie van de OLED's liet dit werk ook een mogelijkheid zien om de efficiëntie van de OLED's te verbeteren door middel van lenzen. In het OLED-lagensysteem variëren de brekingsindices sterk (glas ongeveer 1,5; organische emitter 1,9), wat resulteert in totale reflectie op het substraat (glas of polymeer). Door het substraat op te ruwen of lenzen aan te brengen, kan de invalshoek van de stralen worden veranderd en zo de totale reflectie worden vermeden. Het voordeel van de geproduceerde lenzen is de aanpasbaarheid van de lenshoek. Berekeningen hebben de optimale hoek aangetoond om totale reflectie te voorkomen, hoewel de lenzen verder kunnen worden aangepast om de stralen ook te focussen. De uitdaging met OLED's is dat ze over het algemeen geen puntlichtbronnen zijn (zoals conventionele lichtemitterende apparaten (LED)), maar worden gebruikt voor vlakke lichtbronnen. Met behulp van een materiaalprinter werd een geschikt print- en etsproces geproduceerd, waardoor de geometrie van de lenzen gemakkelijk kan worden veranderd. Als substraat wordt een polymeer gebruikt (poly(methylmethacrylaat) (PMMA)), waarin een soort reservoir voor het lensmateriaal wordt geëtst. Het oplosmiddel (anisol) werkt als etsmiddel en wordt in een ringvorm op het substraat gedrukt. Het koffieringeffect creëert wanden die de afmetingen van de lens bepalen. Het lensmateriaal (NOA89, een optische lijm) wordt in dit reservoir gedrukt. De drukparameters bepalen de contacthoek van het materiaal en de kromming van de lens na uitharding. Door oppervlaktebehandeling met geschikte silanen kan de contacthoek worden aangepast tot 90°, d.w.z. een halfronde lens. Afhankelijk van de toepassing kunnen de hoek van de lens en de afmetingen dus snel worden veranderd en aangepast, omdat het drukproces veel flexibeler is dan conventionele productie van kleine lenzen (bijv. lithografie of laserablatie).