ฟิล์มบางแปลงแสงสีน้ำเงินเป็นแสงขาว

                     คณะนักวิจัยจากฟินแลนด์ประสบความสำเร็จในการแปลงแสงสีน้ำเงินจากไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ให้เป็นแสงขาวโดยใช้โครงสร้างฟิล์มบางแบบหลายชั้น งานวิจัยนี้อาจจะนำไปสู่การสร้างแหล่งกำเนิดแสงและหน้าจอแสดงผลที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ โค้งงอได้ และใช้กำลังไฟฟ้าน้อยที่มีราคาถูก ^[1]


          ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์หรือ OLED (Organic Light-Emitting Diode) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ให้แสงสว่างเมื่อถูกกระตุ้นโดยกระแสไฟฟ้า คุณสมบัติที่โดดเด่นของ OLED คือต้นทุนในการเตรียมต่ำ สามารถปรับแต่งสีของแสงสว่างได้อย่างยอดเยี่ยม และสามารถเคลือบลงบนแผ่นรองที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่และยืดหยุ่นได้อย่างง่ายดาย ดังนั้น OLED จึงเหมาะสมที่จะนำไปประยุกต์ทำเป็นหน้าจอแสดงผลขนาดใหญ่ที่สามารถปรับโค้งงอได้ 


          โครงสร้างพื้นฐานของ OLED ประกอบไปด้วย 
          (1) ชั้นเปล่งแสง (emissive layer) ซึ่งทำมาจากโมเลกุลอินทรีย์หรือพอลิเมอร์ 
          (2) ชั้นตัวนำไฟฟ้า (conductive layer) ซึ่งทำหน้าที่สร้างโฮล (hole) เพื่อป้อนให้กับชั้นเปล่งแสง และ
          (3) ขั้วไฟฟ้าแอโนด (Anode, +) และแคโทด (Cathode, -) ดังแสดงในรูป 
          โดยนอกจากขั้วแคโทดจะต้องนำไฟฟ้าได้แล้ว มันจะต้องยอมให้แสงจากชั้นเปล่งแสงลอดผ่านไปได้ด้วย

            เมื่อขั้วแอโนดและขั้วแคโทดถูกต่อเข้ากับขั้วบวกและขั้วลบของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าจากภายนอกตามลำดับแล้ว อิเล็กตรอนจากขั้วแคโทดและโฮลจากชั้นนำไฟฟ้าจะไหลเข้าสู่ชั้นเปล่งแสงของ OLED จากนั้นอิเล็กตรอนและโฮลจะจับคู่กันด้วยแรงทางไฟฟ้าสถิตแล้วก่อตัวเป็นกึ่งอนุภาค (quasi-particle) ที่เรียกว่าเอ็กซิตอน (exciton) ขึ้นภายใน OLED โดยเอ็กซิตอนนี้จะอยู่ในระดับพลังงานกระตุ้นหรือระดับพลังงานสูง จากนั้นเมื่ออิเล็กตรอนและโฮลเกิดการรวมตัวกัน (recombine) แล้ว เอ็กซิตอนจะเกิดการคลายตัวลงสู่ระดับพลังงานต่ำลงพร้อมทั้งปลดปล่อยโฟตอนออกมา (โฟตอนคืออนุภาคของแสง) ดังนั้นแสงที่ปลดปล่อยออกมาจาก OLED จึงเกิดจากการคลายตัวของเอ็กซิตอนภายใน OLED โดยสีของแสงจะขึ้นอยู่กับความต่างพลังงานระหว่างระดับพลังงานสูงและระดับพลังงานต่ำของเอกซิตอน รวมทั้งจำนวนของโฟตอนของแสงแต่ละสีที่ถูกปลดปล่อยออกมาด้วย โดยจำนวนของโฟตอนจะแปรผันโดยตรงต่ออัตราการเปลี่ยนแปลงระดับชั้นพลังงาน (transition rate) ของเอ็กซิตอน    


          ชั้นเปล่งแสง (emissive layer) ที่ K. S. Daskalakis และคณะจากฟินแลนด์ ^[1] ใช้ทำมาจากโมเลกุล 2,7-bis [9,9-di(4-methylphenyl)-fluoren-2-yl]-9,9-di(4-methylphenyl) fluorene หรือ TDAF ซึ่งจะเปล่งแสงสีน้ำเงินออกมามากที่สุดเพราะว่าเอ็กซิตอนมีอัตราการเปลี่ยนแปลงระดับชั้นพลังงานที่ให้โฟตอนแสงสีน้ำเงินมากที่สุด โฟตอนแสงสีอื่นๆ ก็ถูกปลดปล่อยออกมาจาก TDAF ด้วยเช่นกันแต่ในปริมาณที่น้อยกว่าเพราะอัตราการเปลี่ยนแปลงระดับชั้นพลังงานของเอ็กซิตอนซึ่งให้โฟตอนแสงสีอื่นๆ เหล่านี้มีค่าน้อยกว่า ดังนั้นแสงสีน้ำเงินจึงข่มแสงสีอื่นๆ ทำให้สุดท้ายแล้วเรามองเห็นแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมาจาก TDAF เป็นแสงสีน้ำเงิน      


          โครงสร้างของ OLED ที่นักวิจัยเตรียมขึ้นแสดงดังรูปด้านล่าง ชั้นเปล่งแสงทำมาจากสารอินทรีย์ TDAF หนา 50 nm ชั้นนำไฟฟ้าซึ่งสร้างโฮลป้อนให้กับชั้นเปล่งแสงทำมาจาก MoO3 หนา 5 nm ขั้วแอโนดทำมาจากอลูมิเนียมหนา 70 nm ขั้วแคโทดทำมาจาก Al/LiF หนา 10 nm นอกจากนี้ยังมีชั้นของ 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BPhen) หนา 20 nm เพิ่มเข้ามาอีกเพื่อบล็อกโฮลไม่ให้หลุดออกจากชั้นเปล่งแสง แสงที่ถูกเปล่งออกมาจาก OLED นี้เป็นแสงสีน้ำเงินตามคุณสมบัติการเปล่งแสงของ TDAF  
  
            OLED ที่ประกอบไปด้วยชั้นเปล่งแสงเพียงชั้นเดียว (single layer) จะเปล่งแสงที่มีสีแตกต่างกันตามอัตราการเปลี่ยนแปลงระดับชั้นพลังงานของเอ็กซิตอนภายในชั้นเปล่งแสง ดังนั้น OLED ที่ให้แสงขาว (white light) จำเป็นต้องมีชั้นเปล่งแสง 3 ชั้น โดยแต่ละชั้นจะเปล่งแสงสีแดง แสงสีเขียว หรือแสงสีน้ำเงิน เพื่อให้แสงทั้งสามสีรวมกันเป็นแสงขาว แต่ข้อเสียของวิธีนี้คืออุปกรณ์ใช้กำลังไฟฟ้าค่อนข้างสูงเนื่องมาจากชั้นเปล่งแสงมีขนาดหนาขึ้น  


          แนวทางที่ K. S. Daskalakis และคณะ ^[1] ใช้ในการสร้างแสงขาวจาก OLED คือการแปลงแสงน้ำเงินจาก OLED ให้เป็นแสงขาวโดยการนำโครงสร้างทางโฟโตนิกส์ (photonic structure) ที่เรียกว่า Distributed Bragg Reflector หรือ DBR มาประกบเข้ากับ OLED เพื่อเพิ่มจำนวนโฟตอนของแสงสีเขียวและแสงสีแดงที่ถูกปลดปล่อยออกมาจาก OLED ดังนั้นโฟตอนที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากโครงสร้างนี้จึงมีทั้งสีน้ำเงิน สีเขียว และสีแดง ซึ่งรวมกันเป็นแสงขาว    


          โครงสร้างของ DBR ซึ่ง K. Daskalakis และคณะ ^[1] ได้ออกแบบและเตรียมขึ้นประกอบไปด้วยฟิล์มบางซิลิกา (SiO2) 6 ชั้นและฟิล์มบางแทนทาลัมออกไซด์ (Ta2O5) 6 ชั้นวางสลับกัน (รวมทั้งหมดเป็น 12 ชั้น) วัสดุทั้งสองชนิดนี้เป็นสารไดอิเล็กทริกเหมือนกันแต่ซิลิกามีดัชนีหักเหแสงน้อยกว่าแทนทาลัมออกไซด์ นักวิจัยสามารถออกแบบความหนาของฟิล์มบางแต่ละชนิดให้เหมาะสมเพื่อให้มันสามารถบล็อคหรือสะท้อนแสง UV ได้ดี แต่ยอมให้แสงสีน้ำเงิน (ความยาวคลื่นประมาณ 450 nm) แสงสีเขียว (ความยาวคลื่นประมาณ 540 nm) และแสงสีแดง (ความยาวคลื่นประมาณ 640 nm) ผ่านไปได้โดยอาศัยการสั่นพ้อง (resonance) ระหว่างแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมาจาก OLED และคลื่นนิ่งของสนามไฟฟ้าภายในโครงสร้างนี้ซึ่งเรียกว่า Bragg modes ที่ความยาวคลื่นประมาณ 450 nm, 540 nm, และ 640 nm ลักษณะของคลื่นนิ่งของสนามไฟฟ้าที่ความยาวคลื่นเหล่านี้มีความน่าสนใจคือตำแหน่งปฎิบัพ (antinode) หรือตำแหน่งที่สนามไฟฟ้ามีค่าสูงสุดจะอยู่ที่พื้นผิวทั้งสองข้างของ DBR คล้ายกับคลื่นนิ่งของเสียงในท่อปลายเปิดที่มีตำแหน่งปฎิบัพอยู่ที่ปลายทั้งสองข้างของท่อปลายเปิด ตำแหน่งปฏิบัพของคลื่นนิ่งสนามไฟฟ้าจึงสามารถซ้อนทับกับชั้นเปล่งแสงของ OLED ได้ 

            เมื่อโครงสร้างของ DBR ถูกเคลือบลงบน OLED โดยตรงด้วยวิธีการเคลือบฟิล์มในสุญญากาศแล้ว โฟตอนที่ถูกปลดปล่อยออกมาจาก OLED จะสามารถคู่ควบกับสนามไฟฟ้าของคลื่นนิ่งที่ตำแหน่งความยาวคลื่นประมาณ 450 nm, 540 nm, และ 640 nm ได้ ทำให้โฟตอนที่ให้แสงสีเขียวและแสงสีแดงมีจำนวนเยอะขึ้น ในขณะที่โฟตอนแสงสีน้ำเงินยังมีจำนวนใกล้เคียงค่าเดิม ดังนั้นโครงสร้าง OLED+DBR จึงปลดปล่อยแสงทั้งสามสีออกมาในปริมาณที่ใกล้เคียงกับ และเมื่อแสงทั้งสามสีรวมกันแล้วจึงทำให้เกิดเป็นแสงขาว  

            คณะนักวิจัยทำการวัดสเปคตรัมการปลดปล่อยแสง (electroluminescence spectrum หรือ EL spectrum) ของ OLED+DBR โดยใช้กล้อง CCD 2 มิติ (Pixis 400) ควบคู่กับเกรตติ้งสเปคโตรมิเตอร์ (Acton SpectrPro 2500) แสงจาก OLED+DBR จะถูกโฟกัสไปยังช่องแคบ (slit) ด้วยเลนส์ จากนั้นแสงที่ผ่านช่องแคบไปแล้วจะเข้าสู่เกรตติ้งสเปคโตรมิเตอร์และกล้อง CCD 2 มิติ ดังแสดงในรูป           จากการทดลองพบว่า เมื่อ DBR ทำมาจากฟิล์มบาง SiO2 ความหนา 43 nm และฟิล์มบาง Ta2O5 ความหนา 41 nm แล้วโครงสร้าง OLED+DBR นี้จะให้แสงขาวที่มีอุณหภูมิสี (color temperature) เท่ากับ 6007 K แต่เมื่อเปลี่ยนความหนาของฟิล์มบาง SiO2 เป็น 53 nm และความหนาของฟิล์มบาง Ta2O5 เป็น 42 nm แล้วโครงสร้าง OLED+DBR จะให้แสงขาวที่มีอุณหภูมิสีลดลงเหลือ 4450 K ดังนั้นการเพิ่มความหนาของฟิล์มบางทำให้อุณหภูมิสีมีค่าลดลง เนื่องจากการเพิ่มความหนาของแผ่นฟิล์มบางมีผลทำให้ตำแหน่งความยาวคลื่นสั่นพ้องเกิดการเลื่อนไปทางแสงสีน้ำเงิน (blue-shift) ดังแสดงในรูป 
            นอกจากนี้ การทดลองยังเผยให้เห็นว่าประสิทธิภาพการปลดปล่อยโฟตอนของโครงสร้าง OLED+DBR มีค่าเพิ่มขึ้น 20% จากประสิทธิภาพการปลดปล่อยโฟตอนแสงสีน้ำเงินของ OLED เมื่อกระแสไฟฟ้าที่ป้อนให้กับอุปกรณ์มีค่ามากกว่า 40 มิลลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร 


          เวลาช่วงชีวิต (lifetime) ในการปลดปล่อยแสงขาวของอุปกรณ์ OLED+DBR ยังมีค่าสูงเป็น 30 เท่าของเวลาช่วงชีวิตในการปลดปล่อยแสงสีน้ำเงินของ OLED 


          คณะนักวิจัยยังได้คอมเมนต์ไว้ว่า ถึงแม้ฟิล์มบางของ DBR จะมีความหนาที่ไม่แน่นอนจากข้อพบพร่องต่างๆ ในการเตรียมฟิล์มบาง แต่อุปกรณ์นี้ยังจะสามารถสร้างแสงขาวได้เพราะว่าคลื่นนิ่งภายใน DBR (นั่นคือ Bragg modes) ไม่ได้ว่องไวต่อการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มากนัก นอกจากนี้โครงสร้าง DBR ที่ได้นำเสนอนี้ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับชั้นเปล่งแสงที่ทำมาจากโมเลกุลอินทรีย์หรือพอลิเมอร์อื่นๆ ที่ปลดปล่อยแสงสีน้ำเงินได้อีกด้วย   

 

อ้างอิง

[1] K. S. Daskalakis, F. Freire-Fernández, A. J. Moilanen, S. van Dijken, and Päivi Törmä, “Converting an Organic Light-Emitting Diode from Blue to White with Bragg Modes,” ACS Photonics (2019). [Accepted for publication] 
[Online 8 October 2019: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.9b01206]