Еще недавно разработчики
жидкокристаллических дисплеев с уверенностью смотрели в безоблачное
будущее; инвесторы вкладывали хрустящие баксы в оборудование заводов; в
индустрии рекламы плотно засел тонкий изящный LCD. Конечно, он обладал
(и все еще обладает) многими недостатками, которые в масштабах мирового
бизнеса стираются объемами производства, вкладов и продаж.
Но научные работники – эти энтузиасты разума – работают круглые
сутки, чтобы человечество могло пользоваться техническими благами и еще
больше “комфортизировать” свою жизнь. Именно благодаря им увидела свет
технология, получившая название OLED (Organic Light Emitting Diode).
Если сравнивать с жидкими кристаллами, она имеет множество преимуществ.
В данной статье я попытаюсь донести до читателя информацию об этой
перспективной разработке.
Предыстория
Чем же так принципиально отличается OLED от LCD? Если ЖК-панель
состоит из жидкокристаллических ячеек, которые отражают свет и
благодаря этому способны отображать картинку, то OLED-дисплей состоит
из органических (Organic) элементов, которые сами излучают свет (Light
Emitting).
В чем состоит уникальность данной технологии? Долгое время в области
микроэлектроники использовались исключительно неорганические материалы:
кремний, германий, металлические проводники, разные диэлектрики.
Параллельно с успешным использованием этих материалов велись
исследования органики (полимеры, олигомеры, органические-неорганические
гибридные соединения) на все основные параметры: электропроводность,
светоизлучение и др. Обнаружились такие интересные преимущества, как
гибкость материалов, а также терпимость к высоким и низким
температурам.
Отправной точкой для OLED считается публикация статьи двух ученых
(Chin Tang и Steve VanSlyke), работавших в лаборатории Eastman Kodak.
Статья вышла в 1987 г. и называлась Organic Electroluminiscent Diodes.
В ней описывались устройства, созданные на базе органики, имеющей
способность излучать свет под воздействием электрического тока. Это был
прорыв.
С тех пор развитием технологии OLED занимаются ведущие компании, а
инвесторы не жалеют ни “евриков”, ни зеленых. Перспективы и основные
направления развития будут рассмотрены в рамках данной статьи.
Основы технологии OLED
Как уже было сказано, основой для создания OLED-дисплеев являются
органические элементы. Для формирования излучения они повергаются
воздействию электрического тока. Если схематично представить устройство
OLED-панели, можно сравнить его с гамбургером. В роли хлеба выступает
стекло, пластик или другой материал, используемый для защиты от микро
(и макро) частиц внешнего мира. Иногда используется только один
защитный слой (как в отечественном бутерброде). Зелень и овощи в нашем
дисплее – это катод и анод, благодаря которым для OLED-ячеек создается
электрическое поле. Для создания анода используется прозрачный
indium-tin-oxid, наносимый тонким слоем на подложку, а для катода –
металл, например, смесь магния с серебром. Самым главным – котлетой –
мы назовем слой органических элементов, несущий в себе функции
излучения света и, собственно, отображения картинки. В различных видах
OLED-панелей используются разные органические элементы. Их можно
разделить на две группы: микромолекулы и полимеры.
Каким образом происходит воздействие электричества на органические
частицы? Для этого предусмотрена особенная структура слоев: слой
источника дырок (Hole Injection Layer), слой проводника электронов
(Electron Transport Layer), светоизлучающий слой (дырка – это понятие
из физики, простым языком – вакантное место для электрона). Если
детально рассматривать взаимодействие этих слоев, нужно ввести такое
понятие, как “экситон”. Экситон представляет собой совокупность
возбужденного электрона и пары (тройки) дырок. Дырки находятся вблизи
анода, а электроны – вблизи катода. Когда на электроды (анод и катод)
подается ток, электрон влетает в дырку. На его пути разработчики
поместили препятствие – слой органики, благодаря прохождению через
который образуется фотон (частица света), ради которого и заварена вся
эта каша. Почему это вдруг возникает фотон? Это обусловлено
электролюминисцентными свойствами органического слоя.
Напряжение, подаваемое на электроды, варьируется в области 2-10 В.
Причем чем больше напряжение, тем интенсивнее поток фотонов в
светоизлучающем слое, т. е. выше яркость. Например, при напряжении в 10
В может быть достигнута яркость в 1000 кд/кв. м. Максимальная яркость
светимости OLED-ячеек превышает 100 000 кд/кв. м.
Рассмотрим основные направления исследований разработчиков
OLED-панелей, где на сегодняшний день есть ощутимые результаты.
PHOLED
PHOLED (Phosphorescent OLED) – технология, являющаяся достижением
Universal Display Corporation (UDC) совместно с Принстонским
университетом и университетом Южной Калифорнии. В чем заключается смысл
PHOLED? Дело в том, что ранее только 25% подаваемого на электроды тока
преобразовывалось в световую энергию. Благодаря эффекту
электрофосфоресценции (или просто Phosphorescent – фосфоресценции) этот
показатель удалось поднять до 100%. Это было достигнуто благодаря
использованию таких материалов, как аморфный кремний (a-Si) и
поликристальный кремний (poly-Si).
Данная технология позволила существенно снизить объемы потребляемой
энергии, что очень важно для довольно больших экранов. Ее преимуществом
можно назвать яркие, насыщенные цвета, а также достаточно долгий срок
службы.
TOLED
TOLED (Transparent and Top-emitting OLED) – технология, позволяющая
создавать прозрачные (Transparent) дисплеи, а также достигнуть более
высокого уровня контрастности. Уровень контрастности значительно
повышается благодаря поглощению части излучения органических диодов.
Это можно объяснить так: органический элемент под воздействием
электрического тока начинает светиться во все стороны и, если ненужное
свечение не в сторону пользователя, будет поглощено подложкой черного
цвета – контрастность повысится.
Прозрачность экрана достигается благодаря свойствам используемых
материалов: прозрачных органических элементов, а также материалов для
изготовления электродов. Технология TOLED позволяет достичь
прозрачности порядка 70-85%, что вполне сравнимо со стеклом или
пластиком, используемыми в качестве защитного слоя OLED-панели.
Перспективы применения данной технологии довольно широки: динамичный
интерьер или ветровое стекло машины как панель отображения информации,
шлемы виртуальной реальности, размещение динамичных изображений на
различных непрозрачных частях автомобиля или мебели и т. п.
FOLED
FOLED (Flexible OLED) – технология, главной особенностью которой
является гибкость OLED-дисплея. Гибкость достигается благодаря
использованию пластика или металлического слоя в качестве подложки, с
одной стороны, OLED-ячеек и герметичной тонкой защитной пленки – с
другой.
Плюсы, достигаемые с помощью FOLED: тонкость и легкость дисплеев,
прочность и долговечность, и, самое главное, гибкость, которая
позволяет применять OLED-панели в самых неожиданных местах. (Здесь
предоставлю читателю поле для фантазии – область возможного применения
OLED весьма велика.)
SOLED
Принципиально новое решение от UDC – Staked OLED, сложенные
OLED-устройства. Основной особенностью новой технологии является
размещение R-ячеек (G-, B-) в вертикальной (последовательно), а не в
горизонтальной (параллельно) плоскости. Большим плюсом SOLED является
высокая плотность заполнения дисплея органическими ячейками,
посредством чего достигается хорошее разрешение, а значит,
высококачественная картинка.
Passive/Active Matrix
Каждый пиксель OLED-дисплея формируется из трех составляющих –
органических ячеек, отвечающих за синий, зеленый и красный цвета.
(Да-да. Со времен рождения CRT-мониторов и телевизоров ничего нового не
придумали.) Говоря о дисплеях OLED, грех не сказать о пассивных и
активных матрицах управления ячейками.
Пассивная матрица представляет собой массив анодов, расположенных
строками, и катодов, расположенных столбцами. Чтобы подать заряд на
определенный органический диод, необходимо выбрать нужный номер катода
и анода, на пересечении которых находится жертва, и пустить ток.
Пассивные матрицы вполне оправдывали себя, когда производились
монохромные экраны (на основе OLED) с диагональю 2-3 дюйма, например
дисплеи сотовых телефонов, электронных часов, различные информационные
экраны домашней (и иной) техники – музыкальные центры,
видеопроигрыватели. Когда дело дошло до вполне нормального монитора
диагональю 17-20 дюймов, скорость реакции и обновления OLED-панелей
оставляла желать лучшего. Благо, опыт в реализации активных матриц уже
был, поэтому проблема решилась довольно быстро и просто.
Как и в случае LCD-мониторов, для управления каждой ячейкой
используются транзисторы, запоминающие необходимую для поддержания
жизнедеятельности диода информацию. Управляющий сигнал подается на
конкретный транзистор, благодаря чему ячейки обновляются достаточно
быстро. Конечно, массив транзисторов для OLED-панели должен обладать
многими свойствами: простота организации, прозрачность и небольшая
толщина. Опять же наработки в области управления жидкими кристаллами
избавили разработчиков от многих хлопот.
А именно была заимствована технология TFT (Thin Film Transistor) – тонкопленочный транзистор.
Создается массив транзисторов в виде матрицы, который накладывается
на подложку прямо под органический слой дисплея. Слой TFT формируется
из поликристального или аморфного кремния. Кроме того, исследователи
органических диодов разрабатывают O-TFT (Organic TFT) – технологию
органических транзисторов.
Преимущества и недостатки
Будем сравнивать OLED-дисплеи с LCD, так как современные деятели
большого бизнеса все-таки не очень жалуют CRT (обычные большие
мониторы, к которым все привыкли с детства :)) и оставляют для них лишь
second-hand’ы.
Яркость. Как сообщалось выше, максимальная граница яркости OLED
достигает 100 000 кд/кв. м. Пусть больше 1000 кд/кв. м нам не
требуется. Что могут предложить производители ЖК-панелей? Максимум 500
кд/кв. м, причем заявленная яркость – результат замера в определенных
условиях, так что жестокая реальность может значительно уменьшить этот
показатель. Вы скажете: “Хорошо, что такие большие цифры, но зачем они
МНЕ?” Если вы направите на LCD-монитор хороший пучок света, вряд ли вы
увидите там что-либо разглядываемое. Картинка на OLED-экране останется
яркой и насыщенной при любом уровне освещенности комнаты, даже при
прямом попадании солнечных лучей в монитор.
Контрастность. Также и в этой области не уступает LCD. Хотя
контрастность LCD примерно в два раза меньше CRT (400:1 vs 700:1),
органика может служить серьезным конкурентом обеим технологиям.
Углы обзора. Несказанно плохие (имеются в виду не заявленные
производителями, а реальные) в этом отношении показатели ЖК-монитора не
идут ни в какое сравнение с технологией OLED, позволяющей смотреть на
экран с любой стороны, под любым углом, причем совершенно без потери
качества изображения.
Энергопотребление. Достаточно низкое потребление энергии – около 25
В – почти такое же, как у LCD (25-40 В), хотя если вспомнить о КПД
(коэффициент полезного действия) электричества, то в OLED-дисплеях он
равен 1 (100%), а в LCD – 0,9 (90%). Это будет совсем незаметно для
пользователя ПК, но если говорить о экранах больших размеров (что в
перспективе развития OLED уже отчетливо видно), то экономия
значительная.
Если говорить о “детках” OLED: FOLED, TOLED, то можно выявить такие
преимущества, которые не способны оспорить производители LCD и CRT. Они
рассматривались ранее. Таким образом, органические диоды идут в ногу со
временем и желаниями потребителя (навязанными реклам-мейкерами:)). Как
монохромные, так и полноцветные, как маленькие, так и стандартные
дисплеи – все ниши в этой области были успешно атакованы и взяты OLED.
Если все так замечательно, если все, о чем только можно мечтать в
отношении дисплея, достигнуто разработчиками OLED, почему же во всех
магазинах мы можем любоваться в основном LCD? Кроме многочисленных
достоинств, как всегда, существуют и недостатки. Рассмотрим поподробнее
последние.
Для того чтобы выпустить продукт на рынок, производитель должен
позаботиться о его соответствии мировым стандартам. Есть такой
стандарт, как время непрерывной работы. Минимальная планка – 15 000
часов. Если LCD начали быстро развиваться где-то в 80-х годах XX века,
то OLED появляется в это же время и стремительно растет по сей день.
Получается, старт роста произошел примерно в одно время. Но если у
LCD-мониторов не вставал вопрос о времени непрерывной работы, то для
OLED он был большой проблемой. Дело в том, что органика (хоть она и
неприхотлива к внешним условиям), имеет такие неприятные свойства, как
деформация (“стекание” и “бугристость” экрана), а также разложение.
Надо сказать, что планка в 15 000 часов давно взята такими цветами, как
красный и зеленый, но вот с синим разработчики мучались довольно долго.
Сегодня он все-таки добрался до финиша – 17 500 часов непрерывной
работы синих органических диодов – заявление UDC.
Но 15 000 часов – это норма для монитора компьютера, а для дисплеев
мобильных телефонов, фотокамер и иных малых устройств достаточно 5000.
Поэтому OLED уже сегодня успешно используется для них.
А вот для того чтобы пустить OLED-дисплеи в массовое производство,
нужно переоборудовать старые и построить новые заводы. Интересно, что
фабрики, выпускающие ЖК-дисплеи, подходят и для органики: основные
принципы производства очень похожи. Как уже говорилось во вступлении,
инвесторы уже чуют миллиарды прибыли в этой сфере и активно
вкладываются.
Перспективы развития и области применения
На сегодняшний день OLED-технология применяется многими
разработчиками узкой направленности, например, для создания приборов
ночного видения. Дисплеи OLED встраиваются в телефоны, цифровики и
другую технику, где не требуется большого полноцветного экрана. Также
есть и мониторы на основе органики, например Samsung активно ведет
разработки в данной области (предел в 40 дюймов достигнут). А Epson
вообще создал 40-дюймовый дисплей при помощи печати OLED-материала
струйным принтером (конечно, не таким, которым вы печатаете документы,
а специально “обученным”). Производство дисплеев на основе органических
диодов с помощью таких принтеров значительно снизит их стоимость.
Можно говорить о будущем внедрении этой технологии во все области
жизни. Конечно, это мониторы любых размеров. Это мониторы-стены или
окна – удобно для организаций или любителей поэкспериментировать с
интерьером. Использование OLED в высокоточной технике, например, в
оборудовании панелей управления самолетами, медицине. В автомобиле:
дисплеи отображения информации на ветровом стекле, тюнинг непрозрачных
частей. Кроме того, OLED при достаточно низком уровне энергопотребления
имеет большую яркость, а значит, можно широко использовать его для
светодизайна всего, что только может прийти в голову. Еще можно
упомянуть гибкие дисплеи для портативных коммуникаторов, шлемы
виртуальной реальности, приборы ночного видения и многое-многое другое.
Пожалуй, OLED составляет серьезную конкуренцию всем другим
технологиям отображения картинок. И вполне возможно, через пару лет во
всех магазинах мы будем видеть стройные ряды органических мониторов и
ругать их за что-нибудь, как сегодня LCD...
