Органический светодиод

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Схема OLED

Органический светодиод (англ. organic light-emitting diode, сокр. OLED) — полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, эффективно излучающих свет при прохождении через них электрического тока.

Основное применение OLED-технология находит при создании устройств отображения информации (дисплеев).

1,5-дюймовый (3,81 сантиметра) OLED-дисплей медиаплеера Creative ZEN V

Принцип действия[править | править вики-текст]

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкоплёночные 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 электрон теряет энергию, что сопровождается излучением (эмиссией) фотонов в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным.

Схема 2-слойной OLED-панели: 1. Катод(−), 2. Эмиссионный слой, 3. Испускаемое излучение, 4. Проводящий слой, 5. Анод (+)

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 дырок и электронов не происходит.

В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачен для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Катод часто изготовляют из металлов, таких как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствуя инжекции электронов в полимерный слой.[1]

Преимущества и недостатки[править | править вики-текст]

Преимущества
  • Яркость: OLED-дисплеи обеспечивают яркость излучения от нескольких кд/м² (для ночной работы) до очень высоких яркостей — свыше 100 000 кд/м². Причём их яркость регулируется в очень широком динамическом диапазоне. Так как срок службы дисплея обратно пропорционален его яркости, для приборов рекомендуется работа при низких уровнях яркости — до 1 000 кд/м².
  • Контрастность: OLED-дисплеи обладают контрастностью 10 000:1 и даже больше.
  • Углы обзора: OLED-технология позволяет смотреть на дисплей под любым углом без потери качества изображения. (Напомним, что это также свойственно ЭЛТ-дисплеям.) Впрочем, современные ЖК-дисплеи (за исключением основанных на TN + film матрицах) также сохраняют приемлемое качество картинки при больших углах обзора, хотя и уступают в этом OLED-дисплеям.
  • Энергопотребление: Сложно сравнивать что-либо по энергопотреблению с ЖК, так как жидкокристаллическая ячейка в рабочем режиме требует крайне малой величины тока. Однако вспомогательные средства, обеспечивающие её работу (аппаратные драйверы, подсветка), могут потреблять весьма много или, наоборот, очень мало, — определяется эксплуатацией для которой предназначен тот или иной ЖК-дисплей. У OLED-дисплеев энергопотребление прямо пропорционально яркости и площади свечения.

В сравнении c плазменными дисплеями:

  • меньшие габариты и вес,
  • сравнительно низкое энергопотребление при той же яркости изображения,
  • возможность создания гибких экранов,
  • возможность создания экранов с бо́льшим разрешением к размеру,

В сравнении c жидкокристаллическими дисплеями:

  • меньшие габариты и вес
  • отсутствие необходимости в подсветке
  • большие углы обзора — изображение видно без потери качества с любого угла
  • мгновенный отклик (на несколько порядков быстрее, чем у ЖК) — по сути, полное отсутствие инерционности
  • высокая контрастность
  • возможность создания гибких экранов
  • большой диапазон рабочих температур (от −40 до +70 °C[2])
Недостатки
  • маленький срок службы диодов некоторых цветов (порядка 2-3 лет);
  • как следствие первого, невозможность создания долговечных полноценных TrueColor-дисплеев;
  • неотработанность и, как следствие, дороговизна технологии по созданию больших и даже средних OLED-матриц.
  • дисплеи OLED очень чувствительны к воздействию влаги.[3]

Первая и главная проблема — время непрерывной работы OLED должно быть не менее 15 тыс. часов. А вторая, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии в мониторах и телевизорах, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Правда, по состоянию на 21 ноября 2013 года «синий» OLED всё-таки добрался до отметки в 30 тыс. часов (чуть более 3 лет) непрерывной работы.

Можно считать это временными трудностями становления новой технологии — «детскими болезнями», — поскольку разрабатываются новые долговечные люминофоры. Также растут мощности по производству матриц.

Применение[править | править вики-текст]

Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, в коммерческие OLED-телевизоры (пока преимущественно в переносные), выпускаются небольшие OLED-дисплеи для цифровых индикаторов, лицевых панелей автомагнитол, карманных цифровых аудиопроигрывателей и т. д. Возможно появление планшетных компьютеров и электронных книг с OLED-дисплеями.

В настоящее время OLED-технология применяется во многих узкоспециализированных разработках, — например, для создания приборов ночного видения.

OLED может использоваться в голографии с высокой разрешающей способностью (volumetric display). 12 мая 2007 года на ЭКСПО-Лиссабон было представлено трёхмерное видео (потенциальное применение этих материалов).

Органические светодиоды могут также использоваться как источники света. OLED находят применение как источники общего освещения (в ЕС — проект OLLA).

Потребность в преимуществах, демонстрируемых органическими дисплеями, с каждым годом растёт. Этот факт позволяет заключить, что в скором времени дисплеи, произведëнные по OLED-технологиям, с высокой вероятностью станут доминантными на рынке электроники народного потребления.

История[править | править вики-текст]

Французский учёный Андрэ Бернаноз (фр. André Bernanose) и его сотрудники открыли электролюминесценцию в органических материалах в начале 1950-х, прикладывая переменный ток высокого напряжения к прозрачным тонким плёнкам красителя акридинового оранжевого и хинакрина. В 1960 году исследователи из компании Dow Chemical разрабатывали управляемые переменным током электролюминесцентные ячейки, используя легированный антрацен.

Низкая электрическая проводимость таких материалов ограничивала развитие технологии до тех пор, пока не стали доступными более современные органические материалы, такие как полиацетилен и полипиррол. В 1963 году в ряде статей учёные сообщили о том, что они наблюдали высокую проводимость в допированном йодом полипирроле. Они достигли проводимости 1 См/см. К сожалению, это открытие было «потеряно». И только в 1974 году исследовали свойства бистабильного выключателя на основе меланина с высокой проводимостью во «включенном» состоянии. Этот материал испускал вспышку света во время включения.

В 1977 году другая группа исследователей сообщила о высокой проводимости в подобно окисленном и легированном йодом полиацетилене. В 2000 году Алан Хигер, Алан Макдиармид и Хидэки Сиракава получили Нобелевскую премию по химии за «открытие и исследование проводящих органических полимеров». Ссылок на более ранние открытия не было.

Первое диодное устройство было создано в 1980-х компанией Eastman Kodak.

В 1990 году в журнале Nature появляется статья учёных, в которой сообщается о полимере с зелёной светимостью и «очень высоким КПД»[4].

Недавно[когда?] был разработан гибридный светоиспускающий слой, в котором используются непроводящие полимеры с примесью светоиспускающих проводящих молекул. Использование полимера даёт преимущества в механических свойствах без ухудшения оптических свойств. Светоиспускающие молекулы имеют ту же долговечность, как и в первоначальном полимере.

В 2014 году ученый Рочестерского университета Чин Тан и технический директор компании Kateeva Стивен ван Слайк (англ. Steven Van Slyke) вошли в шорт-лист лауреатов Нобелевской премии 2014 по химии «за изобретение OLED»[5].

Технологические события[править | править вики-текст]

Разработки Samsung и LG
  • На выставке CES 2012 Samsung и LG представили телевизоры OLED с диагональю 55 дюймов толщиной 7,6 мм и 4 мм, соответственно.[6] Samsung испытывала технологические проблемы при производстве OLED матриц — высокий уровень брака не позволил сразу выйти на рынок с массовым производством телевизоров по разумным ценам.[7][8].

LG, за счет более доступной технологии четырёхцветного пикселя WRGB, смогли раньше представить более широкий и доступный ассортимент OLED TV.

  • На выставке IFA 2013 LG анонсировала первый в мире 4K OLED телевизор с диагональю 77 дюймов.[9]
Разработки Sony
Sony XEL-1 (вид спереди)
Sony XEL-1 (вид сбоку)
  • На CES 2007 в Лас-Вегасе Sony представила 11-дюймовую (28 см, разрешение 1024×600) и 27-дюймовую (68,5 см, разрешение HD в 1920×1080) модели, с контрастностью «миллион к одному» и полной толщиной 5 мм. Sony выпустила коммерческую версию этих мониторов в Японии в декабре 2007.
  • 25 мая 2007 Sony представила 2,5-дюймовый (6,3 см) гибкий экран FOLED толщиной 0,3 миллиметра. Было продемонстрировано видео на согнутом экране.
  • 16 апреля 2008 Sony представила дисплей OLED толщиной 0,2 миллиметра и шириной 3,5-дюйма (9 см) с разрешением 320x200 пикселей и 11-дюймовый экран толщиной 0,3 мм с разрешением 960x540 пикселей.
  • В 2014 Sony заморозила производство и разработку собственных OLED-матриц, направив усилия на более коммерчески успешные 4K ULTRA HD LCD телевизоры[10].
Другие компании

Смартфон Nokia N85, анонсированный в августе 2008 года и поступивший в продажу в октябре 2008 года — первый смартфон от финской компании с AM-OLED дисплеем.

Клавиатура «Оптимус Максимус» (Студия Лебедева), выпущенная в начале 2008 г. (прототипы), использует 48×48-пиксельные OLED-дисплеи (10,1×10,1 мм), встроенные в клавиши.

11 марта 2008 года GE Global Research продемонстрировала первый OLED, изготовленный в виде рулона[11].

Chi Mei EL Corp of Tainan (Корпорация Тайнаня) продемонстрировала на конференции в Лос-Анджелесе (20-22 мая 2008 года) 25-дюймовые низкотемпературные прозрачные кремниевые OLED.

Epson в 2004 году выпустила 40-дюймовый дисплей.

Летом 2009 южнокорейская компания LG Electronics сообщила о планах по началу коммерческого производства и продаж первого массового 15-дюймового телевизора, созданного по технологии органических светоизлучающих диодов. LG стала первым в мире производителем, освоившим технологию OLED для массового производства[12].

Летом 2017 года специалистам корейского института передовых технологий KAIST удалось разработать дисплеи на органичных диодах, которые вплетаются в ткань[13].

Производители и рынок продаж[править | править вики-текст]

Рынок OLED-дисплеев медленно, но уверенно растёт. Основные производители: Samsung (27 %), Pioneer (20 %), RiTdisplay (18 %), LG (18 %).

На сегодня коммерческие OLED-телевизоры на мировом рынке пока выпускаются компаниями Panasonic, Samsung[14], Sony, LG[15] (200 изделий проданы в Южной Корее за первый квартал 2013 года, продажи в Лондоне начались в марте 2013 года)[16]. К коммерческому производству готовятся Toshiba, а также альянс компаний Matsushita Electric Industrial, Canon и Hitachi.

Ниже представлены самые известные производители матриц:

  • AU Optronics – краткое обозначение «B» например B101AW03, B156XW02, B173RW01
  • Chi Mei — краткое обозначение «N» например N101L06-L02 Rev.C2, N156B6-L06 Rev.C1,
  • Chunghwa — краткое обозначение «CLAA» например CLAA101NB03A,CLAA154WA05 V.1, CLAA156WB11
  • HannStar — краткое обозначение «HSD» например HSD089IFW1-A00, HSD101PFW2, HSD121PHW1
  • Hitachi — краткое обозначение «TX» например TX39D80VC1GAA, TX39D99VC1FAA, TX36D97VC1CAA 14.1”
  • Hosiden — краткое обозначение «HLD» например HLD1505-010120
  • Hyundai-BOEhydis — краткое обозначение «HT» например HT15X34-110
  • IDTech — краткое обозначение «ITX» например ITXG71D
  • Innolux — краткое обозначение «BT» например BT101IW03 V1, BT140GW01 V.2, BT156GW01 V.1
  • LG Philips — краткое обозначение «LP» например LP101WSA (TL)(B1), LP156WH2 (TL)(Q1), LP173WD1 (TL)(A1),
  • NEC — краткое обозначение «NL» например NL10276AC28-01A
  • Quanta — краткое обозначение «QD» например QD12TL02 REV01, QD14TL01 REV.03, QD15TL02 Rev.01
  • Samsung — краткое обозначение «LTN» например LTN101NT02-101, LTN156AT02, LTN173KT01
  • Sanyo-Torisan — краткое обозначение «TM» например TM150XG-22L04B
  • Toshiba Matsushita — краткое обозначение «LTD» например LTD121EXVV, LTD133EWMZ, LTD133EE10000
  • Unipac — краткое обозначение «UB» например UB141X01-2

Перспективы развития[править | править вики-текст]

Ожидается, что на смену OLED-дисплеям могут прийти более эффективные и экономичные дисплеи TMOS (Time-Multiplexed Optical Shutter, «оптический затвор с временным мультиплексированием») — технология, которая использует инерционность сетчатки человеческого глаза.[17]

Также идут разработки O-TFT (Organic TFT) — технологии органических транзисторов.

Основные направления исследований и разработок

Основные направления исследований разработчиков OLED-панелей, где на сегодняшний день есть реальные результаты:

PHOLED[править | править вики-текст]

PHOLED (англ.) (Phosphorescent OLED) — технология, являющаяся достижением Universal Display Corporation (UDC) совместно с Принстонским университетом и университетом Южной Калифорнии. Как и все OLED, PHOLED функционируют следующим образом: электрический ток подводится к органическим молекулам, которые испускают яркий свет. Однако, 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. Потенциальное использование PHOLED для освещения: можно покрыть стены гигантскими PHOLED-дисплеями. Это позволило бы всем комнатам освещаться равномерно, вместо использования лампочек, которые распределяют свет неравномерно по комнате. Или мониторы-стены или окна — удобно для организаций или любителей поэкспериментировать с интерьером.

Также к преимуществам PHOLED-дисплеев можно отнести яркие, насыщенные цвета, а также достаточно долгий срок службы[какой?].

TOLED[править | править вики-текст]

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 читаемость 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 делают возможным удвоить отображаемую область при том же размере экрана — для устройств, у которых желаемый объём выводимой информации шире, чем существующий).

FOLED[править | править вики-текст]

FOLED (Flexible OLED) — главная особенность — гибкость OLED-дисплея. Используется пластик или гибкая металлическая пластина в качестве подложки с одной стороны, и OLED-ячейки в герметичной тонкой защитной пленке — 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).

SOLED[править | править вики-текст]

Stacked OLED — технология экрана от UDC (сложенные OLED). SOLED используют следующую архитектуру: изображение подпикселей складывается (красные, синие и зеленые элементы в каждом пикселе) вертикально вместо того, чтобы располагаться рядом, как это происходит в ЖК-дисплее или электронно-лучевой трубке.

В SOLED каждым элементом подпикселя можно управлять независимо. Цвет пикселя 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.

Passive/Active Matrix (AMOLED)[править | править вики-текст]

Каждый пиксель цветного OLED-дисплея формируется из трех составляющих — органических ячеек, отвечающих за синий, зелёный и красный цвета.

В основе OLED — пассивные и активные матрицы управления ячейками.

Пассивная матрица представляет собой массив анодов, расположенных строками, и катодов, расположенных столбцами. Чтобы подать заряд на определённый органический диод, необходимо выбрать нужный номер катода и анода, на пересечении которых находится целевой пиксель, и пустить ток. Используется в монохромных экранах с диагональю 2-3 дюйма (дисплеи сотовых телефонов, электронных часов, различные информационные экраны техники).

Активная матрица: как и в случае LCD-мониторов, для управления каждой ячейкой OLED используются транзисторы, запоминающие необходимую для поддержания светимости пикселя информацию. Управляющий сигнал подается на конкретный транзистор, благодаря чему ячейки обновляются достаточно быстро. Используется технология TFT (Thin Film Transistor) — тонкоплёночного транзистора. Создается массив транзисторов в виде матрицы, который накладывается на подложку прямо под органический слой дисплея. Слой TFT формируется из поликристального или аморфного кремния.

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. R. H. Friend, R. W. Gymer, A. B. Holmes, J. H. Burroughes, R. N. Marks, C. Taliani, D. D. C. Bradley, D. A. Dos Santos, J. L. Brédas, M. Lögdlund, W. R. Salaneck, Electroluminescence in conjugated polymers, Nature 1999, 397, 121.
  2. OLED (рус.) (20 апреля 2006). Проверено 7 января 2010. Архивировано 15 февраля 2012 года.
  3. Специалистам Holst Centre удалось создать действительно гибкую панель OLED //IXBT.com, ноя 2017
  4. (1990) «Light-emitting diodes based on conjugated polymers». Nature 347 (6293). DOI:10.1038/347539a0. Bibcode1990Natur.347..539B.
  5. Thomson Reuters Predicts Nobelists
  6. CES 2012: Samsung и LG показали самые большие в мире OLED-панели (11 января 2012 г.)
  7. Is OLED dead? The great hope for TV tech is fading fast // TechRadar
  8. Samsung stops making OLED TVs due to LG’s dominance // GSMArena Blog
  9. LG Unveils Massive 77-Inch Curved OLED 4K HDTV | PCMag.com
  10. Sony benches OLED TVs for 4K sets — Nikkei Asian Review
  11. Органические световые панели теперь печатают как газеты // membrana.ru, 13 марта 2008
  12. CNEWS о планах LG
  13. Корейские ученые создали OLED-дисплей, интегрированный в ткань
  14. OLED ТВ от Samsung
  15. OLED ТВ от LG
  16. LG sells 200 OLED TVs in three months in Korea (6 сентября 2012 г.)
  17. На смену LCD и OLED дисплеям идут более эффективные и экономичные дисплеи TMOS // NanoWeek, 27 октября — 2 ноября 2009г, No. 86