Ako fungujú OLED

V článku:

1. Ako fungujú OLED
2. Komponenty OLED
3. Ako OLED vyžarujú svetlo?
4. Typy OLED: Pasívna a aktívna matica
5. Typy OLED: transparentné, zvrchu emitujúce, skladacie a biele
6. Výhody a nevýhody OLED
7. Súčasné a budúce aplikácie OLED
8. Množstvo ďalších informácií
9. Pozrite všetky články o polovodičovej elektronike

Predstavte si, že máte televízor s vysokým rozlíšením, ktorý je široký 80 palcov a hrubý menej než štvrtinu palca, spotrebuje menej energie než väčšina televízorov dnes na trhu a možno ho zvinúť keď nepoužívate. Čo, ak by ste mali displej “nad hlavou” vo svojom aute? A čo s monitorom zabudovaným v šatách? Tieto zariadenia môžu byť možné v blízkej budúcnosti s pomocou technológie nazývanej organické svetelné diódy (OLED).

OLED sú zariadenia v pevnej fáze, tvorené z tenkej vrstvy organických molekúl, ktoré vytvárajú svetlo pri privedení elektriny. OLED môžu poskytovať jasnejšie, ostrejšie zobrazenie na elektronických zariadenia a využívať menej energie než konvenčné svietiace diódy (LED), alebo displeje tekutých kryštálov (LCD) požívané dnes. V tomto článku sa dozviete ako funguje technológia OLED, aké typy OLED existujú, ako OLED porovnávať s inými technológiami a aké problémy potrebujú OLED prekonať.

Komponenty OLED

Podobne ako LED, OLED je polovodičové zariadenie v tuhej fáze, ktoré je hrubé 100 až 500 nanometrov, alebo 200 krát menšie než ľudský vlas. OLED môže mať buď dve vrstvy alebo tri vrstvy organického materiálu v tejto druhej konštrukcii, tretia vrstva pomáha prenášať elektróny z katódy do vyžarovacej (emisnej) vrstvy. V tomto článku sa sústredíme na dvojvrstvovú konštrukciu.

OLED pozostáva z nasledovných častí:

• Substrát (číry plast, sklo, fólia) -Substrát nesie OLED.
• Anóda (transparentná) – Anóda vyberá elektróny (pridáva elektrónové “diery”) keď cez zariadenie prúdi prúd.- Organické vrstvy – Tieto vrstvy sú tvorené organickými molekulami alebo polymérmi.
• Vodivá vrstva – Táto vrstva je tvorená z molekúl organického plastu, ktoré prenášajú “diery” z anódy. Jedným vodivým polymérom, používaným v OLED, je polyanilín.
• Emisná vrstva – Táto vrstva je tvorená z molekúl organického plastu (odlišného od vodivej vrstvy), ktoré prenášajú elektróny z katódy; toto je keď sa vytvára svetlo. Jedným polymérom používaným v emisnej vrstve je polyfluorén.
• Katóda (môže alebo nemusí byť transparentná v závislosti od typu OLED) – Katóda injektuje elektróny keď cez zariadenie prúdi prúd.

Ako OLED vyžarujú svetlo?

OLED vyžarujú svetlo podobným spôsobom ako LED, procesom nazývaným elektrofosforencia.

Proces je nasledovný:

1. Akumulátor alebo napájací zdroj zariadenia, ktoré obsahuje OLED, privádza na OLED napätie.
2. Elektrický prúd prúdi z katódy do anódy cez organické vrstvy (elektrický prúd je tok elektrónov):
   – Katóda privádza elektróny do emisnej vrstvy organických molekúl.
   – Anóda odstraňuje elektróny z vodivej vrstvy organických molekúl (toto je ekvivalentom privádzania dier do vodivej vrstvy).
3. Na hranici medzi emisnou a vodivou vrstvou sa elektróny stretnú s dierami:
   – Keď elektrón stretne elektrónovú dieru, elektrón dieru vyplní (klesne a energetickú ú roveň atómu ktorému chýba elektrón).
   – Keď sa to udeje, elektrón vydá energiu vo forme fotónu svetla (pozrie ako funguje svetlo).
4. OLED vyžaruje svetlo.
5. Farba svetla závisí od typu organickej molekuly v emisnej vrstve. Na výrobu farebných displejov dávajú výrobcovia viacero typov organických vrstiev na rovnakú OLED.
6. Intenzita alebo jas svetla závisí od veľkosti privedeného elektrického prúdu: čím viac prúdu, tým jasnejšie svetlo.

OLED s malými molekulami verzus polymérne OLED

Typy molekúl použitých vedcami firmy Kodak v roku 1987 v prvých OLED boli malé organické molekuly. Hoci malé molekuly vyžarovali jasné svetlo, vedci ich museli nanášať na substráty vo vákuu (nákladný výrobný proces nazývaný vákuová depozícia).

Od roku 1990 výskumníci na vyžarovanie svetla používajú veľké polymérne molekuly. Polyméry možno vyrobiť lacnejšie a na veľkých fóliách tak, že sú vhodnejšie pre veľké obrazovky.

Typy OLED: Pasívna a aktívna matica

Existuje viacero typov OLED:

• OLED s pasívnou maticou
• OLED s aktívnou maticou
• Transparentné OLED
• Zvrchu emitujúce OLED
• Skladacie OLED
• Biele OLED

Každý typ má odlišné využitie. V nasledujúcich odstavcoch preberieme každý typ OLED. Dovoľte začať s OLED s pasívnou maticou a aktívnou maticou.

OLED s pasívnou maticou (PMOLED – passive-matrix OLED)

PMOLED majú pruhy katódy, organické vrstvy a pruhy anódy. Anódové pruhy sú usporiadané kolmo na katódové pruhy. Priesečníky katódy a anódy vytvárajú pixely, kde sa vyžaruje svetlo. Do vybraných pruhov anódy a katódy privádzajú prúd externé okruhy, čím určujú ktoré pixely sa zapnú a ktoré pixely zostanú vypnuté. Znovu jas každého pixelu je úmerný veľkosti privedeného prúdu.

PMOLED sa ľahko vyrábajú, avšak spotrebúvajú viac energie než ostatné typy OLED, zväčša kvôli energii potrebnej pre externé obvody. PMOLED sú najúčinnejšie pre text a ikonky a najlepšie sa hodia pre malé obrazovky (uhlopriečka 2 až 3 palce), ako sú obrazovky ktoré nájdete v mobilných telefónoch, PDA a MP3 prehrávačoch. Aj s externými obvodmi OLED s pasívnou maticou spotrebujú menej energie akumulátora než LCD, ktoré v súčasnosti napájajú tieto zariadenia.

OLED s aktívnou maticou (AMOLED – active-matrix OLED)

AMOLED majú plné vrstvy katódy organických molekúl a anódy, avšak anódová vrstva prekrýva pole tenkovrstvových tranzistorov (TFT – thin film transistor), ktoré tvoria maticu. Samotné pole TFT je obvod, ktorý určuje ktoré pixely sa zapnú, aby vytvorili obraz.

 

AMOLED spotrebúvajú menej energie než PMOLED, pretože pole TFT si vyžaduje menej energie než externé obvody a tak sú efektívne pre veľké displeje. AMOLED majú taktiež vyššie obnovovacie frekvencie vhodné pre video. Najlepším využitím AMOLED sú počítačové monitory, veľké obrazovky televízorov a elektronické značky alebo billboardy.

Typy OLED: transparentné, zvrchu emitujúce, skladacie a biele

Transparentné OLED

Transparentné OLED majú len transparentné komponenty (substrát, katódu a anódu) a keď sa vypnú, sú až na 85 % tak transparentné ako ich substrát. Keď sa displej z transparentných OLED zapne, dovolí, aby svetlo prechádzalo v oboch smeroch. Displej z transparentných OLED môže byť buď aktívna alebo masívna matica. Túto technológiu možno používať pre displeje nad hlavou.

OLED vyžarujúce zvrchu

Zvrchu vyžarujúce (top-emiting) OLED majú substrát, ktorý je buď nepriehľadný alebo odrazivý. Sú najvhodnejšie pre konštrukciu s aktívnymi maticami. Výrobcovia môžu využívať displeje so zvrchu vyžarujúcimi OLED v čipových kartách (smart cards).

Skladacie OLED

Skladacie OLED majú substráty vyrobené z veľmi ohybných kovových fólií alebo plastov. Skladacie OLED sú veľmi ľahké a trvanlivé. Ich použitie v takých zariadeniach, ako sú mobilné telefóny a PDA, môže znížiť lámanie, hlavnú príčinu vracania alebo opráv. Potenciálne displeje so skladacími OLED možno pripojiť ku tkaninám, aby sa vytvorili “inteligentné” šaty, ako sú šaty pre prežitie pod holým nebom so šitým integrovaným počítačovým čipom, mobilným telefónom, GPS prijímačom a OLED displejom.

Biele OLED

Biele OLED vyžarujú biele svetlo, ktoré môže byť jasnejšie, homogénnejšie a energeticky účinnejšie než vyžarované žiarivkami. Biele OLED majú taktiež kvality skutočných farieb žiaroviek. Pretože OLED možno vyrobiť na veľkých fóliách, môžu nahradiť žiarivky, ktoré sa v súčasnosti používajú domoch a budovách. Ich využitie môže potenciálne znížiť náklady na energiu za osvetlenie.

V nasledujúcej kapitole preberieme klady a zápory technológie OLED a ako ich porovnávať s normálnou technológiou LED a LCD.

Výhody a nevýhody OLED

LCD je v súčasnosti displej voľby v malých zariadeniach a taktiež je populárny v televízoroch s veľkou obrazovkou. Normálne LED často tvoria číslice na digitálnych hodinách a iných elektronických zariadeniach. OLED ponúkajú mnohé výhody jednak oproti LCD, tak oproti LED.

• Plastové organické vrstvy OLED sú tenšie, ľahšie a ohybnejšie než kryštalické vrstvy v LED alebo LCD.
• Pretože organické svietiace vrstvy v OLED sú ľahšie, substrát OLED môže byť ohybný namiesto tuhého. Substráty OLED môžu byť skôr plastové než sklenené používané pre LED a LCD.
• OLED sú jasnejšie než LED. Pretože organické vrstvy OLED sú omnoho tenšie než zodpovedajúce anorganické kryštálové vrstvy LED, vodivá a emisná vrstva OLED môže byť viacvrstvová. Čiže LED a LCD si pre podklad vyžadujú sklo a sklo absorbuje určité svetlo. OLED si sklo nevyžadujú.
• OLED si nevyžadujú podsvietenie ako LCD (pozrite Ako fungujú LCD). LCD fungujú selektívnym blokovaním plôch podsvietenia, aby vyrobili obrazy, ktoré vidíte, kým OLED generujú samotné svetlo. Pretože OLED nevyžadujú podsvietenie, spotrebúvajú omnoho menej energie než LCD (väčšina napájania LCD ide do podsvietenia). Toto je zvlášť dôležité pre akumulátorom napájané zariadenia ako sú mobilné telefóny.
• OLED sa ľahšie vyrábajú a možno ich robiť vo väčších veľkostiach. Pretože OLED sú v podstate plasty, možno ich robiť na veľkých tenkých fóliách. Je omnoho ťažšie nechať narásť a uložiť tak veľa kvapalných kryštálov.
• OLED majú veľké zorné pole približne 170 stupňov. Pretože LCD pracujú pomocou blokovania svetla, majú z určitých uhlov vnútornú optickú prekážku. OLED vytvárajú svoje vlastné svetle a tak majú omnoho širší zorný rozsah.

Problémy pri OLED

Zdá sa, že OLED je perfektnou technológiu pre všetky typy displejov, ale taktiež majú niektoré problémy:

• Životnosť – Kým červené a zelené vrstvy OLED majú dlhšiu životnosť (46 000 až 230 000 hodín, modrá organika má v súčasnosti omnoho kratšiu životnosť (do približne 14 000 hodín)
• Výroba – Výrobné procesy sú dosť nákladné.
• Voda – OLED môže voda ľahko poškodiť.

Súčasné a budúce aplikácie OLED

V súčasnosti sa OLED používajú v zariadeniach s malo u obrazovkou ako sú mobilné telefóny, PDA a digitálne kamery. V septembri 2004 spoločnosť Sony oznámila, že začína hromadnú výrobu obrazoviek OLED pre svoj model CLIE PEG-VZ90 osobných zábavných prenosných zariadení.

Spoločnosť Kodak bola prvá, ktorá v marci 2003 spojila digitálnu kameru s displejom OLED, EasyShare LS633 (zdroj: tlačové vyhlásenie spoločnosti).

 

Viacero spoločností už postavilo prototypy počítačových monitorov a televízorov s veľkou obrazovkou, ktoré využívajú technológiu OLED. V máji 2005 spoločnosť Samsung Electronics oznámila, že vyvinula prototyp ultratenkého 40-palcového televízora na báze OLED, prvý svojej veľkosti (zdroj: Kanellos). A v októbri 2007 spoločnosť SONY oznámila, že bude provu na trhu s televízorom OLED. XEL-1 si budú môcť v decembri 2007 kúpiť spotrebitelia v Japonsku. Ponúka sa za 200 000 jenov, alebo približne 1700 $ (zdroj: Sony).

 

 

Výskum a vývoj v oblasti OLED postupuje rýchlo a môže viesť k budúcim aplikáciám v nadhlavových displejoch, automobilových palubných doskách, displejoch typu billboardov, domáceho a kancelárskeho osvetlenia a ohybných displejov. Pretože OLED sa obnovujú rýchlejšie než LCD – takmer 1000 krát rýchlejšie – zariadenie s displejom OLED by mohlo informácie meniť takmer v reálnom čase. Video obrázky by mohli byť omnoho realistickejšie a neustále aktualizované. Noviny budúcnosti môžu byť displejom OLED, ktorý sa obnovuje s najnovšími správami (spomeňte si na film Minority Report) – a podobne ako normálne noviny, ktoré môžete zložiť keď ich nečítate a strčiť do ruksaku alebo aktovky.

Výroba OLED Najväčšou časťou výroby OLED je nanášanie organických vrstiev na substrát. Toto možno robiť tromi spôsobmi: Vákuová depozícia alebo vákuové tepelné vyparovanie (VTE – vacuum thermal evaporation) – Vo vákuovej komore sa organické molekuly opatrne zohrievajú (vyparujú) a na ochladených substrátoch nechajú kondenzovať ako tenké vrstvy. Tento proces je nákladný a neefektívny. Organická depozícia v plynnej fáze (OVPD – organic vapor phase deposition) – V komore nízkotlakového reaktora s horúcimi stenami nosný plyn prenáša vyparené organické molekuly na chladené substráty, kde kondenzujú na tenké vrstvy. Používanie nosného plynu zvyšuje efektívnosť a znižuje náklady výroby OLED. Atramentová potlač (InkJet) – Technológiou InkJet sa OLED striekajú na substráty podobne ako sa atrament strieka na papier počas tlače. Technológie InkJet vo veľkej miere znižuje náklady výroby OLED a umožňuje, aby sa OLED tlačili na veľmi veľké vrstvy pre veľké displeje ako sú 80-palcové televízne obrazovky, alebo elektronické billboardy.

Zdroje

• – Antoniadis, Homer, Ph.D. “Overview of OLED Display Technology” (Prehľad technológie OLED displejov) Osram Optical Semiconductors – http://www.ewh.ieee.org/soc/cpmt/presentations/cpmt0401a.pdf
• “Brilliant Plastics” (Brilantné plasty) Siemen’s Webzine. http://w4.siemens.de/FuI/en/archiv/pof/heft2_03/artikel18/)
• “DuPont shows new AMOLED materials and OLED displays” (DuPont predvádza nové AMOLED materiály a OLED displeje) OLED-Info.com. 3/6/2007. (10/9/2007). http://www.oled-info.com/tags/lifetime/blue_color
• Howard, Webster E. “Better Displays with Organic Films” (Lepšie displeje s organickými vrstvami) Scientific American. http://www.sciam.com/print_version.cfm?articleID=0003FCE7-2A46-1FFB-AA4683414B7F0000
• Kanellos, Michael “New Samsung panel pictures inch-thick TV” (Nový veľkoobrazový televízor Samsung hrubý 1 palec) CNET News.com. 5/18/2005. (10/8/2007). http://www.news.com/New-Samsung-panel-pictures-inch-thick-TV/2100-1041_3-5712842.html
• Kodak: OLED Tutorial. “Kodak Unveils World’s First Digital Camera with OLED Display” (Kodak odhaľuje prvú digitálnu sveta s OLED displejom) Eastman Kodak. 3/2/2003. (10/8/2007). http://www.kodak.com/US/en/corp/pressReleases/pr20030302-13.shtml
• Michael J. Felton (2001) “Thinner lighter better brighter, Today’s Chemist at Work” (Tenšie, ľahšie, lepšie, jasnejšie – Dnešný chemik pri práci); 10 (11): 30-34 http://pubs.acs.org/subscribe/journals/tcaw/10/i11/html/11felton.html
• “OLED” AUO. http://www.auo.com/auoDEV/technology.php?sec=OLED
• Universal Display Corporation: Technology. http://www.universaldisplay.com/tech.htm
• Wave Report: OLED Tutorial.
• Williams, Martyn. “PC World – Sony Readies OLED TV”. 4/12/2007 (10/8/2007). http://www.pcworld.com/article/id,130653-pg,1/article.html