Ukrainian Journal of Physical Optics


2024 Volume 25, Issue 4


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

CONTRIBUTION OF FLUORESCENCE AND EXCIPLEX EMISSION INTO VOLTAGE-DEPENDENT WHITE OLED

M. Shchetinin, O. Tomashevskyy, S. Kutsiy, Kh. Ivaniuk and P. Stakhira

Author Information

M. ShchetininORCID logo Lviv Polytechnic National University, Ukraine
O. TomashevskyyORCID logo Lviv Polytechnic National University, Ukraine
S. KutsiyORCID logo Lviv Polytechnic National University, Ukraine
Kh. IvaniukORCID logo Lviv Polytechnic National University, Ukraine
P. StakhiraORCID logo Lviv Polytechnic National University, Ukraine


ABSTRACT

In this paper, the authors present the ability to control a white organic light-emitting diode's (WOLED) color temperature and radiation intensity. The architecture is proposed and a WOLED structure is developed based on the host-guest system. The function of the guest component is performed by a red ambipolar fluorescent emitter based on quinoxaline (CTQTC), and the host material is mCP (donor component of the exciplex mCBP: PO-T2T). Electroluminescence recombination occurred on the blue exciplex/electroplex mCP-PO-T2T and the guest CTQTC emitter. The emission intensity of the CTQTC emitter does not depend on the applied voltage, unlike the other bands of the emission spectra. The additional WOLED emission maximum is in the spectrum's green region due to the electrometric nature of the TAPC hole transport layer. The color temperature of the developed WOLED varied from 3000 to 4000 K in the applied voltage range from 8 to 14 V, corresponding to warm and cold white color. The device also exhibits a maximum brightness of 2968 cd/m2 and a maximum external quantum efficiency of 4.07%.

Keywords: WOLED, exciplex, host-guest system, multilayer structure

UDC: 621.38

    1. Zhang, T., Zhao, B., Chu, B., Li, W., Su, Z., Yan, X., Liu, C., Wu, H., Gao, Y., Jin, F. & Hou, F. (2015). Simple structured hybrid WOLEDs based on incomplete energy transfer mechanism: from blue exciplex to orange dopant. Scientific Reports, 5(1), 10234. doi:10.1038/srep10234
    2. Farinola, G. M., & Ragni, R. (2015). Organic emitters for solid state lighting. Journal of Solid State Lighting, 2, 1-17. doi:10.1186/s40539-015-0028-7
    3. Guo, F., & Ma, D. (2005). White organic light-emitting diodes based on tandem structures. Applied Physics Letters, 87(17). doi:10.1063/1.2120898
    4. Chinchero Villacís, H. F., Alonso Álvarez, J. M., & Hugo, O. T. (2020). A Review on Smart LED Lighting Systems. In 2020 IEEE Green Energy and Smart Systems Conference, IGESSC 2020., p1. doi:10.1109/IGESSC50231.2020.9285004
    5. Jou, J. H., Wu, R. Z., Yu, H. H., Li, C. J., Jou, Y. C., Peng, S. H., Chen, Y.L., Chen, C.T., Shen, S.M., Joers, P. (2014). Artificial dusk-light based on organic light emitting diodes. ACS Photonics, 1(1), 27-31. doi:10.1021/ph400007w
    6. Zhang, T., Shi, C., Sun, N., Wu, Z., & Ma, D. (2021). Simplified and high-efficiency warm/cold phosphorescent white organic light-emitting diodes based on interfacial exciplex co-host. Organic Electronics, 92, 106123. doi:10.1016/j.orgel.2021.106123
    7. Zeng, Y., Sun, H., Yu, J., & Lin, B. (2022). Effects of correlated color temperature of office light on subjective perception, mood and task performance. Building and Environment, 224, 109508. doi:10.1016/j.buildenv.2022.109508
    8. Grybauskaite-Kaminskiene, G., Ivaniuk, K., Bagdziunas, G., Turyk, P., Stakhira, P., Baryshnikov, G., Volyniuk, D., Cherpak, V., Minaev, B., Hotra, Z., Agren, H. & Grazulevicius, J. V. (2018). Contribution of TADF and exciplex emission for efficient "warm-white" OLEDs. Journal of Materials Chemistry C, 6(6), 1543-1550. doi:10.1039/C7TC05392D
    9. Macionis, S., Gudeika, D., Bezvikonnyi, O., Melnykov, S., Guminilovych, L., Simokaitiene, J., Sargsyan, S., Keruckiene, R., Volyniuk, D., Stakhira, P. & Grazulevicius, J. V. (2024). Effects of variation of phenylpyridinyl and di-tert-butyl-carbazolyl substituents of benzene on the performance of the derivatives in colour-tuneable white and exciplex-based sky-blue light-emitting diodes. Materials Advances. doi:10.1039/D4MA00499J
    10. Ivaniuk K., Chapran M., Cherpak V., Barylo G., Stakhira P., Hotra Z., Hladun M. and Dudok T. (2015). Electro-optic properties of exciplex-type organic electroluminescence devices depending on the technologies of active-layer preparation. Ukrainian Journal of Physical Optics, 16, 95-102. doi:10.3116/16091833/16/2/95/2015
    11. Sarma, M., & Wong, K. T. (2018). Exciplex: an intermolecular charge-transfer approach for TADF. ACS Applied Materials & Interfaces, 10(23), 19279-19304. doi:10.1021/acsami.7b18318
    12. Zhang, M., Zheng, C. J., Lin, H., & Tao, S. L. (2021). Thermally activated delayed fluorescence exciplex emitters for high-performance organic light-emitting diodes. Materials Horizons, 8(2), 401-425. doi:10.1039/D0MH01245A
    13. Danyliv I., Ivaniuk Kh, Danyliv Y., Helzhynskyy I., Andruleviciene V., Volyniuk D., Stakhira P., V Baryshnikov G., Grazulevicius J.V. (2023). Derivatives of 2-pyridone exhibiting hot-exciton TADF for sky-blue and white OLEDs. ACS Applied Electronic Materials , 8(5), 4174-4186. doi:10.1021/acsaelm.3c00443
    14. Qi Wang, Dongge Ma, Karl Leo, Junqiao Ding, Lixiang Wang, Qiquan Qiao, Huiping Jia,and Bruce E. Gnade (2014). Using Interlayer Step-Wise Triplet Transfer to Achieve an Efficient White Organic Light-Emitting Diode with High Color-Stability. Applied Physics Letters 104, 193303. doi:10.1063/1.4876215
    15. Luo, D., Hsieh, C. T., Wang, Y. P., Chuang, T. C., Chang, H. H., & Chang, C. H. (2018). Pure exciplex-based white organic light-emitting diodes with imitation daylight emissions. RSC Advances, 8(53), 30582-30588. doi:10.1039/C8RA04986F
    16. Hung, W. Y., Fang, G. C., Lin, S. W., Cheng, S. H., Wong, K. T., Kuo, T. Y., & Chou, P. T. (2014). The first tandem, all-exciplex-based WOLED. Scientific Reports, 4(1), 5161. doi:10.1038/srep05161
    17. Ren, Q., Zhao, Y., & Wang, H. (2023). A low cost and simple structured WOLED device based on exciplex host and full fluorescent materials. Solid-State Electronics, 208, 108753. doi:10.1016/j.sse.2023.108753
    18. Angioni, E., Chapran, M., Ivaniuk, K., Kostiv, N., Cherpak, V., Stakhira, P., Lazauskas, A., Tamulevičius, S., Volyniuk, D., Findlay, N. J., Tuttle, T., Grazulevicius, J. V. & Skabara, P. J. (2016). A single emitting layer white OLED based on exciplex interface emission. Journal of Materials Chemistry C, 4(17), 3851-3856. doi:10.1039/C6TC00750C
    19. Stakhira, P., Cherpak, V., Volynyuk, D., Ivastchyshyn, F., Hotra, Z., V.Tataryn, V., Luka, G. (2010). Characteristics of organic light emitting diodes with copper iodide as injection layer. Thin Solid Films 518, 7016-7018. doi:10.1016/j.tsf.2010.06.051
    20. Deotare, P. B., Chang, W., Hontz, E., Congreve, D. N., Shi, L., Reusswig, P. D., Modtland, B. & Baldo, M. A. (2015). Nanoscale transport of charge-transfer states in organic donor-acceptor blends. Nature Materials, 14(11), 1130-1134. doi:10.1038/nmat4424
    21. Kim, B. S., & Lee, J. Y. (2014). Engineering of mixed host for high external quantum efficiency above 25% in green thermally activated delayed fluorescence device. Advanced Functional Materials, 24(25), 3970-3977. doi:10.1002/adfm.201303730
    22. Ledwon, P., Motyka, R., Ivaniuk, K., Pidluzhna, A., Martyniuk, N., Stakhira, P., Baryshnikov, G., Minaev, B.F., & Ågren, H. (2020). The effect of molecular structure on the properties of quinoxaline-based molecules for OLED applications. Dyes and Pigments, 173, 108008. doi:10.1016/j.dyepig.2019.108008
    23. Mu, H., Jiang, Y., & Xie, H. (2019). Efficient blue phosphorescent organic light emitting diodes based on exciplex and ultrathin Firpic sandwiched layer. Organic Electronics, 66, 195-205. doi:10.1016/j.orgel.2018.11.014
    24. Graves, D., Jankus, V., Dias, F. B., & Monkman, A. (2014). Photophysical Investigation of the Thermally Activated Delayed Emission from Films of m‐MTDATA: PBD Exciplex. Advanced Functional Materials, 24(16), 2343-2351. doi:10.1002/adfm.201303389
    25. Butkute, R., Lygaitis, R., Mimaite, V., Gudeika, D., Volyniuk, D., Sini, G., & Grazulevicius, J. V. (2017). Dyes and Pigments, 146, 425-437doi:10.1016/j.dyepig.2017.07.029
    26. Zhao, B., Zhang, T., Chu, B., Li, W., Su, Z., Wu, H., Yan, X., Jin, F., Gao Y., & Liu, C. (2015). Highly efficient red OLEDs using DCJTB as the dopant and delayed fluorescent exciplex as the host. Scientific Reports, 5(1), 10697. doi:10.1038/srep10697

    У цій статті автори представляють можливість керувати колірною температурою та інтенсивністю випромінювання білого органічного світлодіода (WOLED). Пропонується архітектура та розробляється структура WOLED на основі системи господар-гість. Функцію гість-компоненти виконує червоний амбіполярний флуоресцентний емісійний матеріал на основі хіноксаліну (CTQTC), а матеріалом-господарем є mCP (донорна компонента ексиплексу mCBP: PO-T2T). Електролюмінесцентна рекомбінація відбулася на синьому ексиплексі/електроплексі mCP-PO-T2T і гостьовому випромінювачі CTQTC. Інтенсивність випромінювання випромінювача CTQTC не залежить від прикладеної напруги, на відміну від інших смуг спектрів випромінювання. Додатковий максимум випромінювання WOLED знаходиться в зеленій області спектра через електрометричну природу транспортного шару дірок TAPC. Колірна температура розробленого WOLED варіювалася від 3000 до 4000 К в діапазоні прикладеної напруги від 8 до 14 В, що відповідає теплому і холодному білому кольору. Пристрій також демонструє максимальну яскравість 2968 кд/м2 і максимальну зовнішню квантову ефективність 4,07%.

    Ключові слова: WOLED, exciplex, host-guest system, multilayer structure

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©