Jste zde

OLED – to není jen zkratka moderních displejů

Antonín Vojáček, 7. Květen 2009 - 7:16

Technologie OLED je jedním z fenoménů současné elektroniky a to nejen v oblasti displejů, ale i v oblasti osvětlení. Ale co je to OLED, jak to vlastně pracuje a jaké to má obecně vlastnosti ? Tak to jsem se pokusil jednoduchou a nenásilnou formou srozumitelnou široké veřejnosti popsat v tomto článku.

Poslední zhruba 2 roky se všude a stále častěji objevuje v časopisech, letácích prodejen se spotřební elektronikou i seriózních vědeckých časisopisech skoro magická zkratka OLED, reprezentující nově masově se rozšiřující typ displejů, které pracují úplně odlišně než dosud tradiční LCD displeje. I když o nich již bylo napsáno mnohé a i na HW serveru a automatizace.HW.cz o nich najdete mnoho hlavně odborných článků, znovu jsem se odhodlal napsat nový článek z trošku jiného pohledu tak, aby se dozvěděli něco zajímavého i ti, co o mikroelektroniku moc nezavadili. Zároveň by měl posloužit jak úvod pro následný seriál mnoha praktických i teoretických článků spojených se zahájením prodejem OLED displejů a OLED vývojových kitů v internetovém obchodu HW serveru, tedy v HW shopu.

Co to je OLED ?

Dobrá otázka. Prakticky se dnes můžeme setkat se dvěma trošku odlišnými interpretacemi:

OLED = Organic Light Emitting Diode – světlo vyzařující organické diody
OLED = Organic Light Emitting Display – světlo vyzařující organické displeje

Jak je z toho patrné, stejná zkratka může označovat prakticky dvě různé věci. Zatímco pod slovem dioda si většina lidí i elektrotechniků vybaví svítící prvek např. ve formě malé žárovky, která dnes obvykle září intenzivním světlem a spotřebuje málo elektrické energie, pod slovem displej si snad hned každý vybaví obrazovku počítače, moderní televize nebo svítící číslice na elektronickém budíku. Zde je však nutné poznamenat, že oficiální správný název technologie, ze které vše vychází, je pouze "Organic Light Emitting Diode".

I když na první pohled dioda a displej dost liší, po vzevrubnějším podhledu pod pokličku naleznete prakticky tu samou technologii a stejný princip funkce. Displej si totiž můžeme snadno představit jako soubor mnoha malých svítících míst vedle sebe, tzv. pixelů. Jako přiblížení pro displeje je to dobré, ale v oblasti osvětlení, svítidel, lamp apod. mají firmy v budoucnu za cíl masově využít unikátní schopnost OLED plošného svícení a tak z nich vyrábět i velké jednolité intenzivně zářící plochy různých tvarů, třeba tvaru čtverce nebo kolečka, jak je libo. Dokonce se dá říct, že pro mnoho společností i vědců je toto primární oblast budoucího použití a displeje jsou jakoby vedlejší produkt a jen jedna z možností jak OLED využít.

I tímto popisem jsme si nastínili, co to je OLED. Je to speciální „sendvičová“ struktura několika speciálních materiálů, která po připojení na napájecí zdroj (elektrické napětí) generuje (vyzařuje) světlo. Zatímco pod zkratkou LED (Light Emitting Diode) se skrývají světlo emitující diody tvořené monokrystalickými polovodičovými materiál typu křemík Si, Gallium-Arsem GaAs, Indium In, Germanium Ge a mnoho dalších (podle toho jakou barvou svítí a jaké mají vlastnosti), které vytvářejí polovodičový PN přechod, u OLED se využívá organických materiálů v podobě různých speciálních polymerů. A protože jejich výroba je jednodušší a jsou pružné, mohou být z nich vytvořené produtky levné a ohebné. I laik si snadno představí, že je asi jednoduší vyrobit „plast“, než něco jako „speciální krystaly“. Na druhou stranu polymery nemají dlouhou životnost. Tento nešvar však již vědci hodně potlačili, takže je můžeme "vesele používat".

Jak funguje OLED ?

Jak již bylo zmíněno výše, jde o sendvičovou strukturu několika různých materiálů. Pokud to co nejvíce zjednodušíme, lze to popsat jako strukturu následujících 3 vrstev:

průhledné vrchní vodivé elektrody - anody
aktivního polymeru, tzv. luminoforu, generujícího světlo
neprůhledné spodní vodivé elektrody – katody

Zatímco elektrody jsou prostě vodiče (slabé kovové vrstvy) a slouží k připojení napájecího zdroje elektrického proudu a napětí, aktivní vrstva realizovaná světlo emitujícím polymerem, tzv. luminoforem, je ta nejdůležitější složka.

Pro základní popis funkce OLED stačí uvažovat jen dvě elektrody (Me1 a Me2) a aktivní polymer (Org. HL), kde dochází ke spojení kladných děr a záporných elektronů za vzniku záblesku světla (první obrázek vlevo). V praxi se však využívá 5- nebo 7vrstvá struktura (druhý obrázek vpravo) upravující "tok a srážky" elektronů a děr, čímž se zvyšuje účinnost, jas, kontrast atd.

Základní vnitřní princip funkce by se laicky dal popsat následovně:

Zatímco elektrony vytvářející elektrický proud se hromadí na jedné staně polymeru (u anody), na druhé straně polymeru se houfují tzv. díry, což není nic jiného než prvky s opačným nábojem, než mají elektrony (tedy s nábojem kladným). Přiložením vnějšího elektrického napětí na elektrody se vrhají elektrody a díry proti sobě a dochází k jejich vzájemné srážce. Energie v nich nahromaděná se pak po jejich spojení (tzv. rekombinaci), kdy se kladný náboj díry a záporný náboj elektronu vyruší uvolním energie v podobě záblesku světla. Čím více srážek se uskuteční, tím více světla se vyzáří a tedy dioda více svítí. Počet srážek se ovlivňuje velikostí připojeného napětí. Aby však elektrony k dírám mohli cestovat, je nejdříve nutné připojit dostatečně velké základní napětí, tzv. prahové napětí. Tomuto principu převodu elektřiny na světlo se říká elektroluminiscence.

Ano toto je jen velmi amaterské přiblížení a již slyším, jak mě mikroelektronici peskují. Ano samozřejmě v reálu celý proces funguje „trošku jinak“ a celý mechanismus je velmi složitý a pracuje jen za určitých specifických podmínek daných kvantovou fyzikou a teoriemi pravděpodobnosti a mnoha dalších vlivů. Ty jsou definovány hodně složitými matematickými výpočty využívajícími intergrály apod. Jako hrubé přiblížení, co se vlastně uvnitř děje, to však myslím postačí (detailnější a odbornější popis uvedu v některém z dalších článků).

Jako důkaz složitosti celého procesu stačí uvést, že v praxi tam nejsou jen tyto tři vrstvy, ale jejich tam minimálně pět. Mezi elektrody a aktivní polymer se ještě vkládají speciální „regulátory“ pohybu elektronů, resp. děr, protože díry jsou bohužel trošku „líné“ a elektrony zase moc rychlé. Proto je potřeba díry trošku před přechodem do aktivní vrstvy popohnat a elektrony naopak trošku přibrzdit, aby se „střetly“ v tom správném místě. Tyto vrstvy se označují jako transportní. Někdy je však struktura i 7vrstvá, kdy mezi elektrodami a příslušnými transportními vrstvami se ještě nechází tzv. injekční vrstvy, jejichž materiály generují správné množství děr, resp. elektronů pro jejich vzájemnou interakci. Prostě v detailu to není vůbec jednoduchá záležitost.

Zde je ukázka řezu a funkce reálné (složitější) 7vrstvé OLED struktury

Základní vlastnosti OLED

Účinnost běžně až 50 lm/W
Jas i přes 1000 cd/m2
Tloušťka i jen několik tisícin milimetru.
Napájení jen cca 2 až 10 V
Široký rozsah provozní teploty od – 30 do + 70 °C
Širokým úhlem pozorování (i přes 160°)
Plně barevné displeje s přímou barevnou emisí
Vysoký kontrast (i přes 100 000 : 1)
Velmi lehká konstrukce
Možnost použití flexibilního pružného substrátu => ohebná žárovka nebo displej
V celku jednoduchá struktura => nízké výrobní náklady a tedy i cena
Nízká spotřeba ne více než 30-60 mW
Velmi rychlý reakční čas na zapnutí (méně než 1 mikrosekunda)

Použití technologie OLED

Jak již bylo uvedeno výše, tím že technologie OLED sama generuje záření a tedy nepotřebuje jiný zdroj světla, lze jej stejně dobře použít k jednoduchému i náročnému svícení, jako i k nejrůznějšímu zobrazování informací.

OLED jako žárovka

Stejně jako technologie dnes již obyčejné křemíkové LED, i OLED se velmi hodí pro potřeby intenzivního svícení a různé světelné efekty. V budoucnosti by velkou výhodu OLED proti LED, mimo levnější výrobu, měla být i možnost výroby velkých plošných zdrojů záření typu svítící dlaždice a to i různých tvarů. Tím se OLED velmi dobře hodí i pro podsvícení LCD displejů. Velkou výhodou je již také možnost generovat úplně bílé intenzivní světlo nebo správnou volbou složení aktivního polymeru vytvořit i různé barevné nádechy. Jde tedy i o velmi zajímavé použití například ve zdravotnictví, psychologii, i samozřejmě v reklamě a různém efektovém tuningu.

OLED jako displej

Dá se skoro říct, že prostě jde jen o pravidelnou matrici co nejmenších červených, zelených a modrých bodů, které jsou vhodně spínány, aby v kombinaci generovaly požadovanou barvu. Do nedávna byt ještě problém s životností, zvláště u modrých OLED bodů, které vlivem použitého méně odolného polymeru rychleji stárnuly. Toto se již vědcům povedlo téměř vyřešit, takže se již naplno rozjela produkce OLED displejů, hlavně těch menších úhlopříček vhodných pro drobné elektrospotřebiče. Významní výrobci však již předvádějí i velmi velké rozměry pro potřeby TV přístrojů s rozlišením až 1920×1080 pixelů.

Výhody OLED displejů proti LCD:

Snadno zhotovitelné - v principu je možné prvky vytvořit na folii principem inkoustové tiskárny
Větší úhel pohledu
Velmi rychlý reakční čas, menší než 1 mikrosekunda
Hodnoty úrovně černé a kontrast jsou minimálně stejně dobré
Nepotřebuje nasvícení pozadí - umožňuje výrobu extrémně tenkých displejů
Možnost jednoduchého provedení flexibilních (ohebných) displejů
V blízké budoucnosti displeje s úhlopříčkou i nad 40"

Vhodné použití OLED displejů:

Plně barevné grafické displeje, vhodné pro zobrazování fotografií a promítání videa
PDA a různé kapesní počítače a ovladače
Nízkopříkonové informační displeje
Ovládací rozhraní regulačních systémů
Zabezpečovací zařízení
Grafické znázornění provozních dat zařízení
V zařízeních namáhaných na ohyb a krut (LCD praskají)
Elektronické reklamní plochy
atd.

Závěr

OLED jsou jak osvětlovací tělesa a prvky, tak monochromatické i barevné displeje, dnes již od velikostí úhlopříček několika centimetrů až do decimetrů v podobě klasických monitorů a TV obrazovek (např. Panasonic / Toshiba 37” OLED TV). V tomto článku jsem se pokusil stručně přiblížit základní informace o technologii OLED, jako úvod do dalších článků o OLED, které budou na HW serveru a serveru automatizace.HW.cz. I když se převážně již zaměří na provedení i praktické použití OLED displejů, k OLED ve formě svítidel se také ještě vrátíme. Zároveň bych vás chtěl upozornit na novinky v internetovém obchodu HW serveru (HW shopu), kde se v průběhu května objeví k prodeji různé OLED displeje i včetně různých vývojových kitů. O jejich použití a možnostech programování vás také budeme podrobně na HW severu informovat ve formě testů a článků.

Antonín Vojáček