Краткий исторический экскурс

Технология OLED (Organic Light Emitting Diode) сравнительно молодая – о ней впервые заговорили менее двадцати лет назад. В 1987 году, двумя исследователями из компании Kodak Чином Тангом и Стивом ван Слайком был продемонстрирован новый класс органических соединений, которые прекрасно подходили для создания тончайших светодиодов. Особенности этих материалов заключались в том, что при пропускании через них электрического тока, они начинали испускать весьма яркий свет.

В 1989 году собственными исследованиями над электролюминесцентными материалами занялись ученые из Кембриджского университета, которые впоследствии организовали фирму по производству OLED-устройств – Cambridge Display Technology. Разработанная технология быстро прошла этап от первых научных исследований до появления работоспособных устройств.

Для сравнения, между открытием жидких кристаллов как вещества и появлением первых прототипов индикаторов на их основе прошло без малого восемьдесят лет.

Первое серийное устройство с OLED-дисплеем появилось на свет в 1998 году, это была автомагнитола с монохромным (желто-черным) экраном размером 256 х 64 точек.

Первый полноцветный дисплей был представлен годом позже (Рис. 2), и с тех пор совершенствование технологии идет непрерывно. На сегодняшний день к разработкам в данной сфере подключились практически все крупные производители дисплеев.

Рис. 2. Внешний вид рулонного дисплея

Принципы работы

Технология OLED-дисплеев во многом напоминает LCD. Экран точно так же представляет собой матрицу из однотипных ячеек, где каждый OLED-излучатель напоминает своеобразный бутерброд (Рис. 3).

Снизу находится подложка из стекла, на нее наносится слой полупрозрачного анода, за ним следует слой органического вещества (слой инжекции «дырок» - положительных зарядов), затем органические светоизлучатели, далее слой транспортировки электронов и сверху все это накрывается катодом.

При подаче напряжения анод и катод начинают одновременно инжектировать дырки (положительные заряды) и электроны (отрицательные заряды) в органический слой, где происходит их рекомбинация, в результате чего выделяется энергия, большая часть которой высвобождается в форме света.

Рис. 3. Структурная схема OLED-излучателя

Такая структура имеет очень высокий коэффициент полезного действия, так как основная часть энергии тратится непосредственно на свечение. А отсюда следует и весьма низкое энергопотребление. Также, оказалось, крайне просто управлять яркостью, которая напрямую зависит от величины напряжения. Минимальное свечение начинается при напряжении от 2-2.5 В, а при 10 В яркость достигает уже 1000 кд/кв. м (кандел на квадратный метр).

По способу адресации ячеек OLED-дисплеи, так же как и LCD, делятся на активные и пассивные. Сначала появились пассивные матрицы. В них каждая ячейка находится на пересечении строк и столбцов, представляющих собой аноды и катоды. При подаче напряжения одновременно на один из анодов и катодов, через ячейку, находящуюся на их пересечении, начинает течь ток, и она, соответственно, начинает светиться. Однако минусы пассивных матриц просто очевидны: постоянно требуется подавать довольно высокое напряжение, при этом качество изображения остается на низком уровне, а при попытках создать дисплеи с высоким разрешением возникают технологические затруднения. Поэтому сейчас пассивные матрицы остались лишь в устройствах, в которых просто не требуется высокого качества картинки.

Гораздо более перспективны активные матрицы на тонкопленочных транзисторах (TFT). На этот раз каждая ячейка уже обслуживается отдельным транзистором, на него достаточно всего лишь однократно подать напряжение, которое будет поддерживаться на заданном уровне до тех пор, пока не будет направлена новая команда. При такой реализации сразу повышается качество изображения, уменьшается время отклика и пороговое напряжение, однако тут же увеличивается и себестоимость.

Для создания полноцветного изображения каждый пиксель, как и во всех современных дисплеях, формируется из трех ячеек: красного, зеленого и синего цвета. Но, в отличие от ЖК, задавать цвет каждой из них можно двумя принципиально разными способами.

1. Сделать все светодиоды белыми, а цвет конкретной ячейки определять выбором одного из трех светофильтров, как это делается в LCD-мониторах.

2. OLED-диоды испускают свет самостоятельно, причем с изменением химического состава органического материала изменяется и длина волны испускаемого света (именно по длине волны человеческий глаз опознает цвет). Т.е., достаточно выбрать три материала, дающих максимально чистый красный, зеленый и синий свет, и использовать каждый из них для соответствующей ячейки. Тогда светофильтров не требуется, и толщину экрана можно будет сделать еще меньше.

Однако у второго подхода есть серьезный минус, заключающийся в том, что различные материалы отличаются не только длиной волны испускаемого света, но и долговечностью. В частности, хуже всего обстоят дела у «синих», которые выдерживают не более десяти тысяч часов – для сравнения, «зеленые» и «красные» могут продержаться до сорока тысяч.

Кроме того, поскольку органика крайне критична к окружающей среде, то при попадании влаги ячейка разбухает, а при взаимодействии с кислородом – окисляется, что ведет к нарушению работоспособности. Поэтому OLED-излучателю требуется обеспечить стопроцентную герметизацию.

Производство

Все OLED-панели делятся на два класса по типу используемых органических материалов: микромолекулы (Small Molecular OLED – SMOLED) и полимеры (Polymer OLED – PLED).

В первом случае при производстве органические частицы конденсируются из пара по специальной теневой маске. Такой способ довольно сложен и требует дорогостоящего оборудования, однако обеспечивает лучшие характеристики конечного продукта. Сторонниками этого метода являются Kodak, Sanyo, Pioneer.

Во втором случае частицы наносятся уже в жидком виде. Для этого можно использовать на выбор сразу несколько стандартных технологий, и оборудование обходится существенно дешевле. Причем недавно был найден способ напыления полимера при помощи модифицированных струйных принтеров. Продвижением этой технологии занимаются фирмы Cambridge Display Technology, Epson, Intel, Philips.

По внешнему виду определить, к какому классу принадлежит дисплей, практически невозможно, и все различия носят исключительно внутренний характер.

Прогнозы специалистов по поводу стоимости будущих мониторов таковы - при длительном крупносерийном производстве цена на готовый дисплей окажется примерно в три раза меньше, чем у LCD. Во многом это обусловливается тем, что для изготовления одного OLED-монитора требуются меньшее количество технологических операций и затрачивается меньше материалов. К тому же из-за определенного конструктивного сходства между OLED и LCD не потребуется создавать новые производственные линии, а можно будет ограничиться лишь некоторым переоборудованием существующих линий. Основная производственная проблема на сегодняшний день - высокий процент брака.

Преимущества

Следует отметить, что технология OLED практически по всем параметрам заметно опережает LCD.

В частности, время отклика у OLED равняется 10 микросекундам, что примерно в 1000 раз меньше, чем у современных ЖК-панелей. Уловить такое «запаздывание» человеческий глаз не способен чисто физиологически.

Угол обзора у последних OLED-экранов составляет практически 180 градусов.

Также высоки показатели яркости и контрастности.

Теоретически, предельная яркость может достигать огромной величины 100000 кд/кв.м (конечно, в стандартных панелях этот параметр будет ограничиваться меньшим значением), причем ее можно свободно изменять в широком диапазоне, при необходимости имеется возможность даже понижать ее всего до нескольких кандел.

Контрастность, даже у существующих моделей находится на уровне 5000:1. В частности, такой высокий показатель достигается благодаря тому, что органические светодиоды способны абсолютно точно передавать черный цвет, что просто соответствует выключенному состоянию.

OLED-панели адекватно переносят разброс температур: они способны функционировать при температурах от минус 40 градусов по Цельсию до плюс 70 (в некоторых случаях выдерживают даже 100). Для ЖК - индикаторов нахождение на холоде откровенно нежелательно, и обойти это можно, лишь используя различные ухищрения, наподобие внутреннего подогрева. Кстати, устойчивость к различным температурам особенно критична, к примеру, в автомобильной отрасли, где также собираются активно применять OLED.

OLED-дисплеи идеально подходят для всевозможных портативных и мобильных устройств.

Во-первых, им не требуется никакой подсветки, поэтому их можно делать, намного тоньше, чем LCD. Толщина «голого» экрана уже сейчас не превышает 1.4 мм, однако и это далеко не предел.

Во-вторых, по тем же самым причинам дисплеи существенно легче.

В-третьих, у OLED-панелей весьма низкое энергопотребление, опять же, меньше, чем у ЖК.

Однако простым превосходством в стандартных характеристиках дело не ограничивается. На основе OLED можно создавать принципиально новые устройства.

Например, мобильные устройства с экранами (или сенсорными клавиатурами на основе экранов) гораздо большего размера, чем сам корпус устройства и убираемыми туда в нерабочем состоянии и при транспортировке и т.д.

Многообразие форм

Можно сказать, что практически все современные LCD-мониторы построены по одному и тому же принципу. Конечно, каждый производитель применяет собственное ноу-хау, но сама основа везде одинакова. В случае с OLED - совершенно другое положение дел.

Например, технология OLED обеспечивает появление прозрачных дисплеев.

Такие панели получили название TOLED (Transparent OLED), причем единственное принципиальное отличие их от стандартных заключается в том, что прозрачным делается не, только анод, но и катод. В выключенном состоянии они способны пропускать от 70% до 85% света, понятно, что это никоим образом не препятствует нормальному обзору – автомобильная тонировка отнимает больше. Такие дисплеи можно встраивать в окна (архитектурные, автомобильные), очки, шлемы виртуальной реальности, да и любые другие устройства, где требуется прозрачность.

Следующий подвид OLED – гибкие дисплеи FOLED (Flexible OLED). В них подложка из стекла заменена материалом, способным при необходимости с легкостью изгибаться.

У подобных дисплеев самые широкие перспективы, ограниченные исключительно фантазией производителей.

Их можно встраивать в различные статические изогнутые поверхности.

Создавать устройства, в которых возможности гибкости используются в полной мере. Например, электронная газета, которая в свернутом состоянии выглядит как большая ручка. Но когда захочется почитать свежие новости, экран можно развернуть до нормальных размеров, через беспроводное соединение выйти в Интернет и загрузить обновления с любимого сайта.

Как правило, изображение всегда строится из микроскопических трехцветных ячеек, которые тройками объединены в смысловые пиксели.

Однако фирма Universal Display Corporation представила собственную разработку – SOLED (Stacked OLED). С использованием OLED-диодов стало возможным группировать ячейки не в горизонтальной плоскости, а в вертикальной. В результате каждый пиксель представляет собой «сэндвич» из ячеек красного, зеленого и синего цвета, расположенных друг над другом. Преимущества такой архитектуры очевидны.

Во-первых, теперь даже гигантские панели с низким разрешением можно рассматривать и с близкого расстояния, ведь если то же самое попробовать со стандартным экраном, то увидим лишь хаотичный набор трехцветных фигур.

Во-вторых, появилась возможность увеличить разрешение матрицы практически в три раза, не уменьшая геометрический размер самих ячеек.

В-третьих, SOLED обеспечивает значительно более качественную цветопередачу.

Совместное предприятие Sharp и Pioneer продемонстрировало первую в мире панель двойного излучения (double - emission), изображение на которой видно сразу с обеих сторон. Уже в скором времени предполагается использовать подобные дисплеи для мобильных телефонов-раскладушек одновременно в качестве внутреннего и внешнего дисплея.

Можно предположить, что в перспективе такие панели смогут обеспечить, казалось бы, невозможный угол обзора в 360 градусов!

В другой разработке применяются одновременно технологии LCD и OLED. А именно, в ЖК - матрице вместо стандартной лампы используются OLED-диоды. Возможно, такие разработки помогут обеспечить плавный переход к новым поколениям дисплеев.

По технологии OLED изготавливаются яркие и экономичные дисплеи. Они могут быть достаточно тонкими и гибкими. Однако до сих пор производятся только небольшие дисплеи, например, для мобильных телефонов. Это ограничение в основном определяется особенностями прозрачного электрода.

Все OLED-дисплеи состоят из органического полупроводникового слоя, зажатого между двумя электродами, один из которых должен быть прозрачным, чтобы не препятствовать испусканию света. В настоящее время его изготавливают из оксида индия и олова (ITO, indium tin oxide). Этот хрупкий материал не позволяет изготовить гибкие дисплеи большой площади.

Исследователи из Мичиганского университета (США) разработали принципиально новый электрод. Он представляет собой сетку из металлических проводов, достаточно тонких, чтобы не препятствовать распространению света.

Сетка образована медными, золотыми и серебряными проводами толщиной 120 или 200 нм. Размеры прямоугольных ячеек сетки составили 0,5 × 10 мкм.

Электрод изготовлен по технологии наноразмерной печати, с нанесением на подложку гибкого дисплея.

Изменяя ширину и толщину (высоту проводящего слоя над поверхностью подложки) проводов, можно варьировать прозрачность и сопротивление сетки. Чем уже электроды, тем более прозрачен электрод и больше сопротивление. Увеличение толщины в свою очередь снижает сопротивление и незначительно влияет на прозрачность. Таким образом, можно варьировать эти два параметра в широких пределах.

Компания LG Philips LCD сообщило о разработке оригинальной технологии изготовления гибких дисплеев, производство которые будет заметно дешевле чем производство современных устройств на основе массивов органических светодиодов.

Суть метода в подходе к формированию картинки - при помощи жидкости с растворенным красящим веществом.

В качестве пикселя в "жидкостных" дисплеях используется массив микроячеек, в которых помещена жидкость с растворенным непрозрачным веществом. К каждой ячейке подведены два электрода для управления прозрачностью - при приложении определенного потенциала к электродам вещество покидает жидкость, обнажая дно ячейки, окрашенное в определенный цвет.

Ж идкие кристаллы экрана весьма чувствительны к деформации на изгиб (надавите на экран калькулятора, и вы увидите, как цифры начнут расплываться и появится черное пятно).

В настоящее время разработаны альтернативные технологии, которые позволили наладить производство гибких дисплеев. Речь идет, в частности, о технологиях отражающей «электронной бумаги».

Дисплеи на основе электронной бумаги сохраняют изображения и при отключении питания. Отражающие дисплеи в отличие от ЖК - экранов не требуют подсветки и могут широко использоваться вне помещений. Рассмотрим принцип работы (рис.4).

Электронная бумага содержит полиэтиленовые сферы от 20 до 100 мкм в диаметре. Каждая сфера состоит из отрицательно заряженной чёрной и положительно заряженной белой половины.

Все сферы помещаются в прозрачный силиконовый лист, который заполняется маслом, чтобы сферы свободно вращались.

Полярность подаваемого напряжения на каждую пару электродов определяет, какой стороной повернется сфера, давая, таким образом, белый или чёрный цвет точки на дисплее.

Рис.4. Принцип работы электронной бумаги

Цветная электронная бумага состоит из тонких окрашенных оптических фильтров, которые добавляются к монохромному дисплею, описанному выше. Множество точек разбиты на триады, как правило, состоящие из трёх стандартных цветов CMYK: циановый (голубой), пурпурный и жёлтый. В отличие от дисплеев с подсветкой, где применяется RGB и сложение цвета, здесь цвета формируются методом вычитания, как и в полиграфии.

Первое поколение подобных устройств используются в качестве вывесок, ценников на магазинных полках, а также оборудования для чтения электронных книг. Далее рассмотрим примеры конкретных разработок.