Органические светоизлучающие диоды

Органические светоизлучающие диоды, ОСИД (Organic Light Emitting Diodes, OLED) — это светодиоды, слой излучающего электролюминесцентного материала которых формирует пленка органического соединения. В основе их работы лежит явление генерации излучения молекулами полимера под воздействием электрического поля за счет рекомбинации. Органические светоизлучающие диоды обладают рядом достоинств, такими как отсутствие подсветки, широкий угол обзора, малая потребляемая мощность. OLED нашли применение в портативных устройствах — сотовых телефонах, видеокамерах, карманных компьютерах, ноутбуках MP3- и DVD-плеерах, но это не единственные области возможного их применения. Сегодня все больше внимания уделяется разработке ТВ-экранов на их основе и приборов, пригодных для создания осветительных устройств.

Существует несколько конструктивных решений органического светодиода. Основными элементами являются:

• • подложка (пластмассовая, стеклянная, фольга);
• • анод (прозрачный материал), который при прохождении тока инжектирует дырки;
• • слои органических материалов, один из которых проводит дырки, инжектируемые анодом (в качестве материала этого слоя может применяться, например, полианилин), а второй — электроны, инжектируемые катодом. В этом слое и происходит излучательная рекомбинация носителей заряда;
• • катод, инжектирующий при прохождении тока электроны в излучающий слой. Катод может быть как прозрачным, так и непрозрачным.

На рис. 5.70 приведена типовая структура органического светоизлучающего диода.

По констукции различают следующие типы ОСИД:

• пассивно-матричные (Passive-Matrix OLED, PMOLED), элементы изображения (пиксели) которых формируются в точках пересечения перпендикулярных друг другу анодных и катодных полос (рис. 5.71, а). Управление осуществляется внешней схемой. Яркость свечения каждого пикселя пропорциональна силе проходящего тока. PMOLED просты в изготовлении, но потребляют наибольшую по сравнении с другими типами OLED.

Рис. 5.70. Типовые структуры органических светодиодов.

мощность. На базе PMOLED целесообразно выполнять устройства отображения малых размеров (2—3 дюйма, или 5—7,5 см) для сотовых телефонов, карманных компьютеров и МРЗ-плееров;

• • активно-матричные (Active-Matrix OLED, AMOLED), управление которыми осуществляют тонкопленочные полевые транзисторы (ТПТ), формируемые в виде матрицы, располагаемой под анодной пленкой (рис. 5.71, б). Потребляемая мощность активно-матричных диодов меньше, чем пассивно-матричных. Поэтому они пригодны для создания дисплеев больших размеров. К тому же, частота обновления данных у них больше, благодаря чему AMOLED пригодны для воспроизведения видеосигналов. Основные области применения OLED сегодня — дисплеи портативных устройств, компьютерные мониторы, в будущем — большие ТВ-экраны, электронные вывески или рекламные щиты;
• • прозрачные диоды (Transparent OLED, TOLED), подложка, анод и катод которых прозрачны (рис. 5.72). Прозрачные OLED могут быть как пассивно-матричными, так и активно-матричными. Используются в основном в нашлемных дисплеях;

б

Рис. 5.71. Структура матричного органического светодиода:

а — пассивного типа; б — активного типа.

Рис. 5.72. Структура прозрачного органического светодиода.

• белые OLED (White OLED), излучающие более однородный и эффективный, чем флуоресцентные лампы, белый свет. Поскольку органические светодиоды могут изготавливаться на подложках больших размеров, они становятся серьезным конкурентом флуоресцентных осветительных ламп.

Известны и другие типы ОСИД, например:

• • PHOLED (Phosphorescent OLED) — технология, использующая принцип электрофосфоресценции. Электрический ток подводится к органическим молекулам, которые испускают яркий свет. Если традиционные флуоресцентные OLED преобразовывают в свет приблизительно 25—30% электрической энергии, то PHOLED могут преобразовать до 100% энергии. PHOLED изучают для потенциального использования в больших дисплеях типа телевизионных мониторов или экранов для потребностей освещения, например, покрывая стены гигантскими PHOLED-дисплеями. Это позволило бы всем комнатам освещаться равномерно;
• • TOLED (Transparent and Top-emitting OLED — прозрачные светоизлучающие устройства TOLED) — технология, позволяющая создавать прозрачные дисплеи, а также достичь более высокого уровня контрастности. Прозрачные TOLED-дисплеи: направление излучения света может быть только вверх, только вниз или в оба направления. TOLED может существенно улучшить контраст, что улучшает читабельность дисплея при ярком солнечном свете. Поскольку TOLED на 70% прозрачны при выключении, то их можно крепить прямо на лобовое стекло автомобиля, на витрины магазинов или устанавливать 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 применяться в будущих динамических кредитных картах). Прозрачность экрана достигается при использовании прозрачных органических элементов и материалов для изготовления электродов;
• • FOLED (Flexible OLED) — главная их особенность — гибкость. Используются 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;
• • Staked OLED — технология экрана использует сложение иодпикселей (красные, синие и зеленые элементы в каждом пикселе) вертикально. Обычно их располагают, как, например, в жидкокристаллическом дисплее или электронно-лучевой трубке. В SOLED каждым элементом нодникселя можно управлять независимо. Цвет пикселя может быть отрегулирован при изменении тока, проходящего через три цветных элемента. Яркостью управляют, меняя силу тока. Преимущества SOLED: высокая плотность заполнения дисплея органическими ячейками, посредством чего достигается хорошее разрешение, а значит, высококачественное изображение.

Для сохранения точности передачи яркости разработаны схемы подстройки уровня напряжения заряда в зависимости от цвета и яркости пикселя. Адекватность управления зависит от точности передачи токовых сигналов, от баланса фаз предзаряда, заряда и разряда. На рис. 5.73 приведена схема формирования напряжения предзаряда для цветных каналов OLED.

Вместе с тем фронт наступления органических светодиодов и изделий на их основе постоянно расширяется. Вот один из примеров. Сотрудникам компании Sony удалось изготовить гибкие дисплеи на основе органических светодиодов. Основное достоинство устройств заключается в их гибкости — дисплеи можно буквально свернуть в трубочку радиусом 4 мм и они все равно сохраняют свою работоспособность. Процедуру сворачивания можно повторять до тысячи раз без ущерба для работоспособности дисплея.

Экстрагибкие OLED-диснлеи имеют длину диагонали в 4,1 дюйма, поддерживаемое разрешение составляет 432×240 пикселей (разрешение 121 пиксель на дюйм), толщина — всего 80 микрон. Очень гибкие дисплеи были созданы на новейших органических материалах при изготовлении управля.

йте. 5.73. Схема формирования напряжения предзаряда для трех цветных каналов OLED ющих органических тонкопленочных транзисторов и изолирующих слоев. Например, для формирования управляющей логики на основе органических транзисторов использовалось соединение 3,9-diphenyl-peri-xanthenoxanthene (Ph-PXX). Результаты исследований показали высокую стойкость соединения ко внешним воздействиям: ультрафиолетовому излучению, температуре, агрессивным веществам (в частности, кислороду), влажности. Во-вторых, Ph-PXX имеет отличные «электронные» характеристики: высокую подвижность носителей заряда, обладает высоким уровнем инжекции носителей. Иными словами, он является наилучшим органическим материалом для создания на его основе электронных устройств. Отметим также и применение мягкого органического материала для формирования изолирующего слоя. Органические светодиоды все активнее заявляют о своих правах на рынке портативных устройств и плоских телевизоров.

Революционной новинкой они могут стать на рынке высокоэффективных источников белого света. Если эффективность излучения света лучших моделей флуоресцентных ламп составляет 15%, а ламп накаливания — всего 5%, го для OLED этот показатель может достигать почти 100%. Лампы накачивания используют до 30% вырабатываемой электроэнергии. Срок службы OLED-лампы равен 100 тыс. ч, тогда как лампа накаливания перегорает через 1 тыс. ч работы.