Дисплей на базе органической светодиодной технологии (OLED)

Технология OLED

Органический светодиод (англ. Organic Light-Emitting Diode (OLED) — органический светоизлучающий диод) 

Основное применение технология OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев в будущем будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических или плазменных дисплеев.

Принцип действия

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров.

При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный.

Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона которое сопровождается выделением (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным. Прибор не работает при подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки движутся к аноду, а электроны в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации не происходит.
В качестве материала анода обычно используется оксид индия легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой.

Классификация по способу управления

Существуют два вида OLED-дисплеев — PMOLED и AMOLED. Разница заключается в способе управления матрицей — это может быть либо пассивной матрицей (PM) или активной матрицей (AM).

В PMOLED-дисплеях используются контроллеры развертки изображения на строки и столбцы. Чтобы зажечь пиксель, необходимо включить соответствующую строку и столбец: на пересечении строки и столбца пиксель будет излучать свет. За один такт можно заставить светиться только один пиксель. Поэтому чтобы заставить светиться весь дисплей, необходимо очень быстро подать сигналы на все пиксели путем перебора всех строк и столбцов. Как это делается в старых ЭЛТ (электроно-лучевых трубках).

Дисплеи на базе PMOLED получаются дешевыми, но из-за необходимости строчной развертки изображения не возможно получить дисплеи больших размеров с приемлемым качеством изображения. Обычно размеры PMOLED-дисплеев не превышают 3" (7,5 см)


В AMOLED-дисплеях каждый пиксель управляется напрямую, поэтому они могут быстро воспроизводить изображение. Размеры AMOLED-дисплеев могут иметь большие размеры и на сегодня уже созданы дисплеи с размером 40" (100 см). Производство AMOLED-дисплеев дорогое из-за сложной схемы управления пикселями, в отличие от PMOLED-дисплеев, где для управления достаточно простого контроллера.

Классификация по светоизлучающему материалу

В настоящее время в основном развиваются две технологии, показавшие наибольшую эффективность. Различаются они используемыми органическими материалами это микромолекулы (sm-OLED) и полимеры (PLED), последние делятся на просто полимеры, полимерорганические соединения (POLED), и фосфоресцирующие(PHOLED). О последних немного по подробнее. PHOLED используют принцип электрофосфоресценции, чтобы преобразовать до 100 % электрической энергии в свет. К примеру, традиционные флуоресцентные OLED преобразовывают в свет приблизительно 25-30 % электрической энергии. Из-за их чрезвычайно высокого уровня эффективности энергии, даже по сравнению с другим OLED, PHOLED изучаются для потенциального использования в больших дисплеях типа телевизионных мониторов или экранов для потребностей освещения. Интересно, что технология OLED способна значительно повысить качество LCD панелей, поскольку перспективной технологией подсветки для них является технология PHOLED (PHosphorescent Organic Light Emitting Diode). По данным компании Universal Display Corporation применение PHOLED диодов увеличивает яркость панелей в четыре раза.

Схемы цветных OLED дисплеев
Первыми появились OLED дисплеи на основе микромолекул, однако они оказались слишком дорогостоящими, поскольку изготавливались с помощью вакуумного напыления.

Первый шаг к созданию полимерных дисплеев был сделан в 1989 году, когда ученым Кембриджского университета удалось синтезировать особый полимер – полифениленвинилен. Дисплеи этого типа могут быть получены путем нанесения полимерных материалов на основу специальным струйным принтером. Иногда такие дисплеи называют LEP (Light-Emitting Polymer). Основа может быть гибкой с радиусом изгиба 1 см и менее.

Однако на сегодняшний день по сроку службы и эффективности приборы на основе микромолекул опережают приборы LEP. Сравнительные характеристики долговечности и эффективности излучения для двух технологий OLED дисплеев приведены ниже.

Существуют три схемы цветных OLED дисплеев:

* схема с раздельными цветными эмиттерами;
* схема WOLOD+CF (белые эмиттеры + цветные фильтры);
* схема с конверсией коротковолнового излучения.

Самый простой и привычный вариант – обычная трехцветная модель, которая в технологии OLED называется моделью с раздельными эмиттерами. Три органических материала излучают свет базовых цветов – R, G и B. Этот вариант самый эффективный с позиции использования энергии, однако, на практике оказалось довольно сложно подобрать материалы, которые будут излучать свет с нужной длиной волны, да еще с одинаковой яркостью.

Второй вариант реализуется гораздо проще. Он использует три одинаковых белых эмиттера, которые излучают через цветные фильтры, однако он значительно проигрывает по эффективности использования энергии первому варианту, поскольку значительная часть излученного света теряется в фильтрах.

В третьем варианте (CCM – Color Changing Media) применяются голубые эмиттеры и специально подобранные люминесцентные материалы для преобразования коротковолнового голубого излучения в более длинноволновые – красный и зеленый. Голубой эмиттер, естественно, излучает «напрямую». У каждого из вариантов есть свои достоинства и недостатки.

Другие виды OLED дисплеев

• SMOLED — (small molecule OLED) - Органические светодиоды на малых молекулах. Стартовая технология, которая была разрабо­тана для придания свойства излучения света некоторым органическим веществам. В свое время она являлась основой большинства коммерческой продукции, но ее недостатком являлись слож­ность и высокая стоимость производственных методов, например, вакуумного осаждения.
• POLED — (polymeric OLED) - Полимерные органические светоизлучающие диоды. Наиболее продвинутая и широко использу­емая технология, которая основана на способности органических полимеров излучать свет под действием электрического тока. Данная технология разработана после SMOLED, и существен­ным ее преимуществом является возможность нанесения на подложку посредством струйной технологии печати. Физическая основа действия полимерного светодиода поясняется упрощенной схемой энергети­ческих уровней.
  
  Через металлический электрод электроны инжектируются в зону проводимос­ти, а дырки инжектируются в валентную зону полимерного полупроводника. Инжектированные электроны и дырки диффундируют и происходит рекомбинация. Вследствие этого возникают нейтральные пары электрон-дырка, которые могут перемещаться вдоль полимерной цепи. Как только они снижаются к основанию, может возникнуть флуоресценция. Стабильность флуоресценции зависит от спинового числа рекомбинированного электрона.

TOLED — прозрачные светоизлучающие устройства TOLED (Transparent and Top-emitting OLED) — технология, позволяющая создавать прозрачные (Transparent) дисплеи, а также достигнуть более высокого уровня контрастности.
Прозрачные TOLED-дисплеи: направление излучения света может быть только вверх, только вниз или в оба направления (прозрачный). TOLED может существенно улучшить контраст, что улучшает читабельность дисплея при ярком солнечном свете.
Так как TOLED на 70 % прозрачны при выключении, то их можно крепить прямо на лобовое стекло автомобиля, на витрины магазинов или для установки в шлеме виртуальной реальности… Также прозрачность TOLED позволяет использовать их с металлом, фольгой, кремниевым кристаллом и другими непрозрачными подложками для дисплеев с отображением вперед (могут использоваться в будущих динамических кредитных картах). Прозрачность экрана достигается при использовании прозрачных органических элементов и материалов для изготовления электродов.
За счёт использования поглотителя с низким коэффициентом отражения для подложки TOLED-дисплея контрастное отношение может на порядок превзойти ЖКИ (мобильные телефоны и кабины военных самолетов-истребителей). По технологии TOLED также можно изготавливать многослойные устройства(например SOLED) и гибридные матрицы (Двунаправленные TOLED TOLED делает возможным удвоить отображаемую область при том же размере экрана — для устройств, у которых желаемый объём выводимой информации шире, чем существующий).

FOLED (Flexible OLED) — главная особенность — гибкость OLED-дисплея (Демонстрация гибкого OLED-дисплея от SONY). Используется пластик или гибкая металлическая пластина в качестве подложки с одной стороны, и OLED-ячеек и герметичной тонкой защитной пленки — с другой. Преимущества FOLED: ультратонкость дисплея, сверхнизкий вес, прочность, долговечность и гибкость, которая позволяет применять OLED-панели в самых неожиданных местах. (Раздолье для фантазии — область возможного применения OLED весьма велика).
Staked OLED — принципиально новое решение от UDC – Staked OLED, сложенные OLED-устройства. Основной особенностью новой технологии является размещение R-ячеек (G-, B-) в вертикальной (последовательно), а не в горизонтальной (параллельно) плоскости, как это происходит в ЖКИ-дисплее или электронно-лучевой трубке. В SOLED каждым элементом подпиксела можно управлять независимо. Цвет пиксела может быть отрегулирован при изменении тока, проходящего через три цветных элемента (в нецветных дисплеях используется модуляция ширины импульса). Яркостью управляют, меняя силу тока. Преимущества SOLED: высокая плотность заполнения дисплея органическими ячейками, посредством чего достигается хорошее разрешение, а значит, высококачественная картинка.(В SOLED-дисплеях в 3 раза улучшено качество изображения в сравнении с ЖКИ и ЭЛТ).
Как делают OLED панели
Процесс изготовление OLED продуктов включает несколько этапов: выбор подложки, подготовку к нанесению на ее поверхность OLED материалов, изготовление платы управления излучающими OLED источниками (цепи коммутации и управления), нанесение органического слоя и шаблона (рисунка структуры отдельных элементов) и, наконец, герметизация заготовки, чтобы предотвратить попадание в процессе ее обработки пыли, кислорода и влаги.

Есть несколько способов нанесения самих органических слоев и нанесения на них шаблонов. Сегодня все OLED дисплеи делаются с использованием теневой маски FMM ( FineMetalMask) для нанесения шаблона. Далее, методом испарения в вакуумной камере удаляются незакрытые шаблоном области OLED материала. Это относительно простой метод, но он не очень эффективен и его очень трудно использовать для изготовления больших OLED панелей. Сегодня есть несколько альтернативных методов нанесения органических материалов, включая лазерный отжиг и струйную печать. Эти приемы более эффективны, чем вакуумное испарение и упрощают изготовление больших OLED панелей.

Будущее OLED технологии
В недалеком будущем OLED дисплеи станут не только большими, появятся новые возможности для встраиваемых и отдельных OLED экранов. Перспективными сферами применения OLED считаются:

• Не плоские и искривленные экраны
• Сворачиваемые экраны OLED телевизоров
• Прозрачные встраиваемые в окна OLED дисплеи
• Прозрачные OLED дисплеи в стеклах автомобилей
• Осветительные OLED приборы
• И многое другое.

Преимущества в сравнении c LCD-дисплеями

* меньшие габариты и вес
* отсутствие необходимости в подсветке
* отсутствие такого параметра как угол обзора — изображение видно без потери качества с любого угла
* мгновенный отклик (на порядок ниже, чем у LCD) — по сути полное отсутствие инерционности
* более качественная цветопередача (высокий контраст)
* более низкое энергопотребление при той же яркости
* возможность создания гибких экранов

Яркость. OLED дисплеи обеспечивают яркость излучения от нескольких кд/м2 (для ночной работы) до очень высоких яркостей — свыше 100 000 кд/м2, причем их яркость может регулироваться в очень широком динамическом диапазоне. Так как срок службы дисплея обратно пропорционален его яркости, для приборов рекомендуется работа при более умеренных уровнях яркости до 1000 кд/м2. При освещении LCD-дисплея ярким лучом света появляются блики, а картинка на OLED-экране останется яркой и насыщенной при любом уровне освещенности (даже при прямом попадании солнечных лучей на дисплей).

Контрастность. Здесь OLED также лидер. OLED-дисплеи обладают контрастностью 1000000:1 (Контрастность LCD 1300:1[источник не указан 71 день], CRT 2000:1)
Углы обзора. Технология OLED позволяет смотреть на дисплей с любой стороны и под любым углом, причем без потери качества изображения.
Энергопотребление. Энергопотребление OLED дисплеев в полтора раза ниже, чем LCD. Энергопотребление PHOLED(англ.) ещё ниже.
Потребность в преимуществах, демонстрируемых органическими дисплеями с каждым годом растёт. Этот факт позволяет заключить, что в скором времени человечество увидит расцвет данной технологии.

Но технология не стоит на месте и впереди новое поколение OLED

Светодиоды на основе квантовых точек. Сразу отметим, что сильными сторонами QDLED-устройств (Quantum Dot LED — светодиод на квантовых точках) являются высокая яркость, невысокая стоимость производства, широкий диапазон цветов. Уже почти сразу после изобретения нового типа светодиодов им предрекают отличные перспективы стать основой для дисплеев мобильных аппаратов («наладонников», мобильных телефонов и пр.), и даже крупноформатных телевизионных панелей.

Под квантовой точкой ученые подразумевают особую полупроводниковую структуру, которая ограничивает движение электронов сразу в трех измерениях.

Применительно к светодиодам на квантовых точках использовалась следующая вариация: селенид кадмия образует «ядро», а в качестве ограничивающей «оболочки» выступает сульфид цинка. Главными «действующими лицами» в данном случае являются электроны, которые при переходе с высокого энергетического состояния на более низкое испускают фотоны, за счет чего и образуется свечение точки. Довольно прост и механизм изменения цвета свечения светодиода — необходимо лишь изменить размеры квантовой точки, что приводит к изменению и длины волны света. Таким образом, рассчитав необходимые размеры полупроводниковой структуры возможно создать светодиоды красного, оранжевого, желтого, или зеленого цветов. Еще одним преимуществом устройств высочайшая яркость — до 9000 Кд/кв. м. К примеру, яркость современных дисплеев не превышает значения в 500 Кд/кв. м. То есть разработка позволяет повысить соответствующий параметр на порядок. Более того, технология позволяет легко повысить яркость светодиодов — всего лишь формированием нескольких квантовых точек.

Bвидео сравнения свойств TFT и OLED дисплеев.