OLED

органичното продължение на светодиодите

Технологията OLED (organic light-emitting diode), макар и да повтаря пътя на развитие на LCD (пасивни и активни матрици), има две много съществени отличия от LCD - това са използваният материал (органични съединения) и принципът на изобразяване (автономно излъчване на светлина). Предимството на тази технология се състои в това, че не са необходими лампи, осветяващи матрицата отзад, а всеки пиксел сам излъчва светлина под управлението на органични диоди, които всъщност представляват отделните пиксели. Яркостта на светене се определя от тока, който се подава на диода.

OLED е светодиод, в който излъчващият електролуминисцентен слой е съставен от органично съединение и който излъчва светлина в резултат на електрически ток. Този слой от органичен полупроводников материал се намира между два електрода. Обикновено поне единият от тези електроди е прозрачен. Органичните светодиоди се използват за създаване на дигитални дисплеи в телевизионни екрани, компютърни монитори, преносими системи, като например мобилни телефони, преносими конзоли за игри и таблети.

Има два основни вида органични светодиоди: на основата на малки молекули и такива с полимери. Чрез добавяне на мобилни йони към OLED се създава светодиодна електрохимична клетка (LEC – light-emitting electrochemical cell), която има малко по-различен начин на действие. OLED мониторите могат да използват адресни схеми с пасивна или активна матрица. Органичните светодиоди с активна матрица се нуждаят от тънкослойна транзисторна платка за включване или изключване на всеки отделен пиксел, но позволяват по-голяма резолюция и по-голям размер на дисплея.

ОLED мониторът работи без подсветка, поради което се характеризира с по-дълбоки нива на черното и може да е по-тънък в сравнение с LCD (дисплеи с течни кристали). В една тъмна стая органичният светодиоден екран може да постигне по-голям контраст в сравнение с LCD, независимо дали LCD мониторът е с флуоресцентни лампи със студен катод или LED подсветка. Поради ниската си топлопроводимост органичният светодиод излъчва по-малко светлина на площ в сравнение с неорганичния светодиод.

Принцип на работа
Обикновено, OLED се състои от слой органичен материал, разположен между два електрода – анод и катод, като всички са поставени върху подложка (субстрат). По принцип, за субстрат се ползва стъкло, покрито с прозрачен проводим оксид, като това служи за анод. Следва слоят от органични пластове, състоящи се също от проводими материали, а накрая е неорганичен катод.

Органичните молекули са електропроводими в резултат на делокализация на pi-електрони, породена от свързване (сливане) над цялата или част от молекулата. Тези материали имат нива на проводимост, вариращи от изолатори до проводници и затова се считат за органични полупроводници. Най-високо заетите и най-ниско незаетите молекулни орбитали (HOMO и LUMO) на органичните полупроводници са аналогични на валентността и проводните ленти на неорганичните полупроводници.

Първоначално, полимерният органичен светодиод се е състоял от един слой. Пример за това е първото светодиодно устройство (пуснато от J. H. Burroughes), което е включвало един слой poly(p-phenylene vinylene). По-късно се появяват и многослойно органични светодиоди, които са с два или повече слоя, за да се подобри ефективността на устройството. Освен по проводими свойства, различните материали могат да се избират и за да се улесни инжектирането на заряд в електродите като се осигурява по-плавен електронен профил, или да блокира заряда от достигане на противоположен електрод или загуба. Много модерни OLED включват проста двуслойна структура, която се състои от проводим слой и емисионен слой.

Последните модернизации в OLED архитектурата подобряват квантовата ефективност (до 19%) чрез плавни хетеросъединения, при които съставът на дупката и материалът, пренасящ електрони, се променят непрекъснато в рамките на емисионния слой с домант-емитер. Архитектурата на плавното хетеросвързване съчетава ползите на традиционните архитектури чрез подобряване на заряда като едновременно с това се балансира преносът на заряд в емисионната област.

По време на работа през OLED се прилага напрежение, така че анодът е положителен по отношение на катода. През устройството протича ток от електрони от катода към анода, като електроните се инжектират в LUMO (най-ниската незаета молекулна орбитала) на органичния слой на катода и се изтеглят от HOMO (най-високата заета молекулна орбитала) на анода, което може да бъде описано и като инжектиране на електронни дупки в HOMO. Електростатични сили носят електроните и дупките едни към други и те се рекомбинират, като се образува екситон – ограничение на електрона и дупката. Това се случва по-близо до емисионния слой, защото в дупките в органичните полупроводници са по-подвижни от електроните. В резултат на това напрегнато състояние се достига до успокояване на нивата на енергия от електрона, придружено от излъчване на радиация, чиято честота е във видимата област. Честотата на тази радиация зависи от band gap на материала, в случая – разликата в енергията между HOMO и LUMO.

Предимства
Различният производствен процес на органичните светодиоди им дава някои предимства в сравнение с плоските екрани по LCD технология.

По-ниска цена в бъдеще
Органичните светодиоди могат да бъдат отпечатани върху подходяща подложка (субстрат) чрез мастилено-струнен принтер или дори чрез ситопечат, което ги прави теоритично по-евтини от LCD или плазмените екрани. Въпреки че производството на OLED-субстрат е много по-скъпо от това за LCD, едно масово производство може да доведе до намалява на цената чрез скалируемост.

Леки и гъвкави пластмасови подложки (субстрати)
OLED монитори могат да се направят върху гъвкави пластмасови подложки, което дава възможност да бъдат произведени гъвкави органични светодиоди или други приложения като roll-up монитори, вмъкнати в тъкани или дрехи. Възможността да се използват изключително тънки и гъвкави субстрати води до постигане на високо качество на картината.

По-широк ъгъл на видимост и подобрена яркост
Органичните светодиоди предлагат по-голям изкуствен контраст (динамичен и статичен обхват, измерени при напълно тъмни условия) и ъгъл на видимост в сравнение с LCD, тъй като OLED пикселите директно излъчват светлина. Цветовете на OLED пикселите изглеждат точни и непроменени, дори и когато ъгълът на видимост се доближава до 90о от нормалния. Химическата променливост на светодиодите позволява производството на всички цветове, включително и бяло.

Време за реакция
OLED имат по-бързо време за реакция в сравнение със стандартните LCD монитори. LCD мониторите са в състояние в рамките на време за реакция от 2 до 16 микросекунди да предложат честота на обновяване от 60 до 480 Hz, докато OLED могат теоритично да имат време на реакция по-малко от 0,01мс, позволявайки честота на обновяване до 100 000 Hz.

Благодарение на последите достижения в технологията, органичните светодиоди вече имат възможност да излъчват четири пъти повече светлина на ват – като се има предвид, че обикновените енергоспестяващи крушки са способни да излъчват само 15 лумена на ват.

Освен че имат сериозна възможност за спестяване на енергия, органичните светодиоди могат и да намалят някои рискове за околната среда и здравето на хората, които са характерни за обикновените флуоресцентни крушки. Въпреки че отдават повече светлина, флуоресцентните лампи съдържат живак, който е вреден за околната среда и опасен за човека. Освен това имат доста кратък живот, а не на последно място светлината, която произвеждат, на мнозина се струва „остра“ и неприятна за окото.


Предизвикателства пред OLED

Текущи разходи
Производството на органични светодиоди в момента изисква процеси, които са много скъпи. По-специално, необходимо е да се използват нискотемпературни полисилициеви задни панели; от своя страна, LTPS задни панели се нуждаят от лазерно закаляване от аморфен силиций в началото, така че този етап от производствения процес за OLED започва с производствените разходи за стандартен LCD, а след това се добавя скъп, отнемащ много време процес, който за момента не може да се използва върху голяма площ стъклени подложки.

Времетраене
Най-големият технически проблем за OLED е ограничената продължителност на живот на органичните материали. По-специално, сините органични светодиоди имат продължителност на живот около 14 000 часа при полуоригинална яркост (5 години при 8 часа работа на ден), когато се използват върху плоскопанелни монитори. Това е по-кратко от обичайната продължителност на живот на LCD, LED или PDP технология – при всяка от тях продължителността е между 25 000 и 40 000 часа при полуяркост в зависимост от модела и производителя. Някои производители обаче имат за цел да увеличат времетраенето на OLED мониторите като подобряват светлината индиректно и по този начин се постига същата яркост при по-малко ток.

Баланс на цветовете
Тъй като органичните светодиодни материали, използвани за получаване на синя светлина, се разграждат значително по-бързо от материалите, които създават други цветове, потокът на синя светлина ще намалее в сравнение с другите цветове на светлината. Тази разлика в потока на различните цветове ще промени цветовия баланс на монитора и е много по-забележителна от намаляването на общата яркост. Това може да се избегне частично чрез коригиране на цветовия баланс. То обаче може да изисква по-модерен контрол на управление и взаимодействие с потребителя. За решаване на този проблем някои производители „насочват” цветовия баланс към синьото, така че мониторът първоначално има изкуствено син оттенък, което пък води до оплакване от изкуствено изглеждащите, прекалено наситени цветове. Най-често обаче, производителите оптимизират размера на R, G и B подпиксели, за да намалят плътността на тока през подпиксела и да се уравновеси продължителността на живот при пълна яркост. Например, син подпиксел може да бъде 100% по-голям от зелен подпиксел. Червеният подпиксел може да бъде 10% по-малък от зеления.

Ефективност на сините органични светодиоди
Подобряването на ефективността и продължителността на живот на сините OLED е от съществено значение за успеха на органичните светодиоди като заместител на LCD технологията. Значителни средства са инвестирани в проучване и разработване на сини органични светодиоди с висока външна квантова ефективност, както и по-дълбок син цвят. Стойности за външна квантова ефективност от 20% и 19% са отчетени съответно за червени (625 nm) и сини (530 nm) диоди. Въпреки това, сините диоди (430 nm) са в състояние да достигнат максимум външна квантова ефектвност в диапазон от 4% до 6%.

Повреждане от вода
Водата може да увреди органичните материали на мониторите. Затова, важно за производството е да се подобри процесът на запечатване. Щетите, нанесени от вода, могат да ограничат значително продължителността на живот на по-гъвкавите монитори.

Работа на открито
Като технология с излъчващ дисплей, OLED разчита изцяло на превръщането на електричеството в светлина, за разлика от повечето LCD монитори, които са до известна степен отразяващи. Електронното мастило е по-ефективно с около 33% отразяваща околна светлина, което позволява на монитора да се използва без вътрешен източник на светлина. Металният катод при OLED действа като огледало с коефициент на отразяване около 80%, което води до по-лоша възможност за четене при ярка околна светлина както е на открито. Все пак, с правилното приложение на кръгъл поляризатор и антирефлексни покрития, дифузното отражение може да се намали до по-малко от 0,1%.