Архив номеров НиТ

Ответить на комментарий

ОСД дисплеи

Рубрика журнала:

Номер журнала НиТ: 

Когда к электродам многослойных ОСД (слева) или ПСД (справа) прикладывается электрическое напряжение, возникает свечение. Когда положительно заряженная дырка из p-полупроводника встречается в активном слое с электроном из n-полупроводника, излучается один фотон. Его цвет определяется составом эмитирующего материала


• Обычные светодиоды можно встретить в калькуляторах, часах и других устройствах. Однако производить из них экраны телевизоров и компьютерных дисплеев слишком сложно и экономически невыгодно.
• Органические светодиоды гораздо проще в изготовлении, потребляют меньше энергии и могут быть нанесены на недорогие подложки, включая гибкий пластик и металлическую фольгу.
• Сейчас из органических светодиодов делают дисплеи цифровых камер и мобильных телефонов. В будущем этот скромный список пополнят экраны больших телевизоров, сворачиваемые в рулон, военные планшеты, отображающие боевую обстановку в режиме реального времени, и гибкие осветительные устройства.

До изобретения видеомагнитофонов использовались кинопроекторы. Возможно, вы помните, как школьный учитель опускал белый экран, чтобы показать ученикам фильм о развитии жизни на Земле. И, как назло, на самом интересном месте в проекторе перегорала лампа. Тем не менее у техники тех лет было одно неоспоримое преимущество: экран был легким, тонким и гибким, в отличие от современных тяжелых, потребляющих много энергии телевизионных и компьютерных дисплеев. А нельзя ли свести воедино практичность вчерашних изобретений и сегодняшнюю технологию?

Ответ положительный. Используя новые органические светоизлучающие элементы, можно сделать визуальные электронные устройства более удобными и качественными. Органические материалы позволяют получить более яркое изображение при меньшем расходе энергии, а главное — снизить стоимость производства дисплеев.

Поскольку органические светодиоды (ОСД) сами излучают свет, они требуют значительно меньших затрат энергии, чем дисплеи на жидких кристаллах, для которых необходима подсветка. ОСД не нуждаются в кристаллической структуре (а именно, в четких прецизионных гранях кристаллов атомов), поэтому их проще производить. Для получения более четкого изображения материалы, соответствующие разным цветам, наносятся тонкими слоями на стекло, гибкий пластик или металлическую фольгу. В будущем мониторы компьютеров и экраны телевизоров можно будет сворачивать в компактные рулоны. Военачальник сможет развернуть карту, на которой в режиме реального времени будет отображаться боевая обстановка. Маленькие дисплеи будут нашиваться на рукава или встраиваться в одежду. В качестве элементов освещения их можно будет оборачивать вокруг колонн или вешать на стены вместо обоев.

В настоящее время срок службы органических светодиодов меньше, чем у традиционных, что затрудняет их использование в качестве индикаторов. Однако уже сейчас яркость ОСД-экранов достигает 100 кд/м2 (приблизительно как у ноутбука), а срок их службы при постоянном использовании составляет несколько лет.

Сегодня около сотни компаний занимаются разработкой маленьких энергосберегающих ОСД-дисплеев. Первые экземпляры с диагональю 2,2 дюйма для цифровых камер и мобильных телефонов были представлены вместе с прототипом 15-дюймового ОСД-монитора в июле 2002 г. компаниями Kodak и Sanyo. Согласно прогнозам специалистов целевой рынок сбыта органических дисплеев, составивший в 2003 г. около $219 млн., к 2009 г. вырастет до $3,1 млрд.
История ОСД

Ник Холоняк (Nick Holonyak, Jr.) изобрел полупроводниковые светодиоды видимого спектра, которые нашли применение в качестве крошечных источников красного света в калькуляторах и часах. Вскоре появились зеленые и желтые светодиоды. По своим характеристикам они со временем приблизились к лазерам, что привело к стремительному развитию оптических методов передачи и хранения данных. Когда в 1990-х гг. были созданы полупроводниковые источники синего света, на небоскребах и футбольных табло появились огромные полноцветные экраны, собранные из сотен тысяч светодиодов.

И обычные, и органические светодиоды созданы из слоев полупроводников, электрическое сопротивление которых выше, чем у проводников, но ниже, чем у диэлектриков. Важнейшее свойство полупроводниковых материалов — наличие небольшого энергетического барьера между свободными электронами, переносящими электричество, и электронами, которые удерживаются на атомных орбитах. Чтобы последние могли преодолеть барьер и поддержать электрический ток, им необходимо сообщить достаточное количество энергии, приложив к полупроводнику электрическое напряжение. Проводимость полупроводника можно увеличить, если внедрить в него примесные атомы с меньшим числом электронов, из-за недостатка которых появляются положительно заряженные дырки. Так получаются полупроводники p-типа. Легирование же полупроводника атомами с избытком электронов превращает его в полупроводник n-типа. Электрон, попавший в полупроводник p-типа, может встретить дырку и перейти на более низкий энергетический уровень. При этом излучается фотон, длина волны которого зависит от величины энергетического барьера эмитирующего материала.

Для получения видимого света величина барьера между наименьшей и наибольшей проводимостями материала должна лежать в промежутке от 1 до 3 эВ. Длина волны фотона с энергией 1 эВ составляет 1240 нм (инфракрасное излучение), а длина волны фотона с энергией 2 эВ — 620 нм (красный цвет).
Удивительное свечение

Органические полупроводники состоят из групп молекул в аморфном состоянии, т.е. представляют собой твердое вещество с некристаллической структурой. Существуют два вида ОСД, отличающиеся размером молекул. Первый ОСД p-n-типа был изобретен в 1987 г. Чингом Тангом (Ching W. Tang) и Стивеном ван Слайком (Steven A. Van Slyke) из компании Eastman Kodak, заметившими голубое свечение, исходящее от органического элемента солнечной батареи. Ученые установили, что, как и в случае кристаллических светодиодов, можно добиться эмиссии фотонов в зоне соприкосновения двух органических материалов, в одном из которых присутствуют проводящие дырки, а в другом — избыточные электроны. Разумеется, внешний слой излучающего элемента должен беспрепятственно пропускать свет. С другой стороны, атомы одного из материалов должны прочно удерживать свои электроны, позволяя беспрепятственно добавлять дырки. Поэтому изобретатели решили использовать широко применяемый в полупроводниковой промышленности прозрачный оксид индия и олова (ITO), в котором электроны прочно «привязаны» к своим орбитам.

В результате получилась так называемая структура Kodak-типа, с тех пор практически не изменившаяся. На стеклянную подложку наносятся несколько слоев, материалы которых подвергаются испарению и по очереди осаждаются на ней. Общая толщина органического напыления составляет от 100 до 150 нм — в 100 раз тоньше человеческого волоса. Для сравнения отметим, что обычные светодиоды, как правило, на порядок толще. Поскольку молекулы используемых материалов легче молекул простейшего белка, структуры Kodak-типа относятся к мелкомолекулярным ОСД.

Танг и ван Слайк не стали останавливаться на достигнутом и начали работать над повышением эффективности. Они добавили к эмитирующему материалу — тригидроксихинолину алюминия — небольшое количество подкрашенного флуоресцентного кумарина. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации дырок и электронов, передается флуоресцентному слою, который излучает значительно больше света. Нанесение поверх электродов дополнительных тонких пленок ITO и других соединений позволило усилить интенсивность взаимодействия более толстых слоев и повысить эффективность всего устройства.

Описанные ОСД используются для получения красного, синего и зеленого света. Последние не уступают лучшим на сегодня светодиодам и отличаются наибольшей световой отдачей: от 10 до 15 кд/А и от 7 до 10 лм/Вт, что сопоставимо с характеристиками ламп накаливания.

Полимерная центрифуга

Второй разновидностью органических источников света стали светоизлучающие крупномолекулярные полимеры, известные как полимерные светодиоды (ПСД). Изобретенные в 1990 г. Джереми Берроузом (Jeremy Burroughes) и его коллегами из Кембриджского университета, они изготавливаются при помощи напыления вращением. Тонкий слой полимера наносится на подложку и под действием центробежной силы растекается по ней, когда ее раскручивают до скорости от 1200 до 1500 об./мин. Затем подложку нагревают, чтобы испарить растворитель и завершить полимеризацию. Такой способ производства пленок более экономичен, чем метод термического испарения, описанный выше. Полимеры имеют преимущество перед пленками Kodak-типа по энергопотреблению, поскольку более высокая электрическая проводимость полимерных слоев позволяет снизить управляющее напряжение.
Ранние модели ПСД состояли из единственного активного слоя полифенилвинилена (PPV), расположенного между металлическими контактами из ITO и кальция для обеспечения инжекции и дырок, и электронов, как в ОСД. ITO играет роль поставщика дырок, а кальций отдает электроны. Современные ПСД содержат еще один слой полимера для инжекции и переноса дырок.

PPV излучает желтый свет и характеризуется отличным КПД и большой наработкой на отказ: обеспечивая приемлемую яркость компьютерного дисплея, он может работать более 10 тыс. часов, что соответствует 10 годам регулярного использования. (Были продемонстрированы и полноцветные прототипы, однако сейчас на рынке присутствуют только модели с желтым светом.) На основе органических молекул полифлуорена были разработаны и другие виды полимеров и их смесей. Подбирая вещества, состоящие из молекул различной длины, можно получить любой цвет от красного до зеленого. К сожалению, у ПСД этих оттенков рабочий ресурс существенно меньше, чем у излучающих элементов из PPV. К тому же пока еще не удалось синтезировать материал, эмитирующий синий свет.

Вопреки ограничениям

Хотя современные ОСД и ПСД потребляют совсем мало энергии, их еще предстоит усовершенствовать. Одним из факторов, ограничивающих развитие устройств первого поколения, является электронный спин — важное квантовое свойство электрона, определяющее его взаимодействие с магнитным полем. Встретившись, электрон и дырка образуют экситон. Согласно законам квантовой механики, в большинстве материалов лишь один из четырех экситонов испускает фотон света, энергия остальных идет на нагрев материала.

В 1998 г. коллектив под руководством Стивена Форреста (Stephen R. Forrest) из Принстонского университета и Марка Томпсона (Mark E. Thompson) из Университета Южной Калифорнии разработал ОСД, в котором эмитирующий материал содержал платину или иридий. В тяжелых металлах электроны вращаются по далеко отстоящим от ядра орбитам и поэтому имеют высокий кинетический момент вращения. Взаимодействуя со спином других электронов, он создает для экситонов такие условия, в которых скорее будет выделен фотон света, а не тепло. Такие эмиттеры называются фосфоресцирующими ОСД. Поскольку их теоретическая эффективность близка к 100%, они высокопроизводительны и долговечны. Исключение составляют эмиттеры синего цвета, для изготовления которых пока не найден подходящий материал.

Существует ли способ соединить многоцветность мелкомолекулярных ОСД с экономичностью производства ПСД? Результаты исследований показали, что такое возможно. Британским ученым удалось синтезировать дендримеры (dendrimer), которые сочетают в себе преимущества «маленьких» молекул и полимеров. В дендримере от каждой фосфоресцирующей молекулы ответвляются древовидные кольцевые структуры, формирующие большой молекулярный шар. Если они правильно подобраны, то полученные молекулы можно растворить и нанести на подложку методом напыления вращением, как у ПСД. Уже сейчас дисплеи на дендримерах демонстрируют высокие световые характеристики (более 50 кд/А и 40 лм/Вт).

По качеству изображения ОСД-экраны не уступают катодным трубкам и жидкокристаллическим матрицам. Цветовые триады должны располагаться с плотностью более 100 на дюйм (или около 40 на 1 см), чтобы глаз не мог различить составляющие их красный, зеленый и синий элементы. При изготовлении электронно-лучевых трубок и жидкокристаллических дисплеев для этого применяется фотолитография. Люминофор или светофильтрующий материал растворяют в светочувствительном полимере и равномерно наносят на всю поверхность экрана. Затем на полученный слой экспонируют сетчатую маску, его освещенные участки закрепляются, а все остальные смываются растворителем. Такая операция выполняется трижды, по количеству цветов.

При производстве мелкомолекулярных ОСД-дисплеев эмитирующий слой наносится путем испарения вещества через теневую маску. Для создания элементов зеленого, красного и синего цветов маска немного смещается с погрешностью не более 10 мкм, гарантирующей качественное формирование триад размером 250 мкм. В случае полноцветных ПСД-экранов предпочтение отдается методу струйной печати. Высокоточные струйные принтеры с полимерными чернилами способны распечатывать цветовые элементы с точностью от 5 до 10 мкм.

Сегодня и завтра

Цветные ОСД и ПСД также можно изготавливать из эмиттеров белого света, оснащенных цветными фильтрами, как это часто делается при производстве кристаллических светодиодов. Такой подход реализовала компания eMagin Corporation, производящая дисплеи на активной кремниевой матрице с диагональю 0,6 дюймов и разрешением 800 на 600 пикселей, которые встраиваются в шлемы для военных летчиков и любителей трехмерных компьютерных игр.

Военные и гражданские институты интенсивно развивают технологию производства гибких органических дисплеев. Научно-исследовательская лаборатория армии США выделила компании Universal Display Corporation $2 млн. на разработку ОСД-дисплея, который можно было бы сворачивать в устройство связи размером с шариковую ручку. Тем временем в Управлении перспективных исследований и разработок министерства обороны США (DARPA) полным ходом идет работа над созданием гибких экранов для использования в боевых условиях.

Ответить

3 + 1 =
Solve this simple math problem and enter the result. E.g. for 1+3, enter 4.