Jste zde

OLED displeje - využívané principy a varianty

Antonín Vojáček, 12. Květen 2009 - 20:05

V předchozím článku "OLED – to není jen zkratka moderních displejů" jsem se pokusil stručně objasnit, co vše se skrývá pod zkratkou OLED. Tento článek se pak zaměřuje přímo na OLED displeje, jejich typy (PMOLED, AMOLED, TOLED apod.) a základní rozdělení podle jejich funkce a vlastností. V závěru je pak zmíněn aktuální stav v oblasti výroby OLED displejů se velkými úhlopříčkami.

OLED jako displeje

Jak již bylo nastíněno v článku "OLED – to není jen zkratka moderních displejů", OLED displeje si lze snadno představit jako soubor (matici) mnoha tisíc nebo miliónu svítících bodů (pixelů), přičemž u barevných displejů se v určitém formátu pravidelně střídá kombinace červeného (R), zeleného (G) a modrého (B) pixelů. Z nich lze vhodným načasováním rozsvícení a regulací intenzity svícení generovat pro našeho oko celé barevné spektrum, a pokud jsme od displeje dostatečně vzdáleni, uvedený soubor 3 barevných pixelů nám splývá v jeden bod. Koneckonců podobně pracují i všechny další koncepce displejů, ať již LCD, které však sami přímo světlo negenerují, tak technologie plazmových, SED nebo LED obrazovek. V porovnání s nimi však má OLED jednu technologickou výhodu. Zatímco u konkurenčních technologií musí být barvený pixel vždy realizován plošným shlukem nějakým způsobem vedle sebe umístěných jednotlivých RGB bodů, u OLED lze jednotlivé RGB barvy uspořádat i na sebe jakoby to komínku (tzn. vertikálně) a ve spod umístěné barvy tu vrchní jakoby prosvěcují (tzv. provedení SOLED = Stacked OLED). To je možné díky schopnosti vyrobit plně transparentní (průhlednou) OLED diodu (plošku), což není u jiných doposud běžných technologií možné. To má za následek kvalitní obraz i z velmi blízkého pohledu, protože "zrnitost" obrazu je 1/3 proti plošnému uspořádání. Navíc zde platí úměra kolik pixelů = kolik barevných bodů, zatímco například u LCD někteří výrobci zákazníka nachytávají na ohromný počet pixelů, ale již neřeknou, že počítají i jednotlivé barevné plošky a tedy ve skutečnosti displej má jen 1/3 barevných bodů, tzv. RGB pixelů.

Princip řízení pixelů

Z pohledu elektronického ovládání "svícení" jednotlivých pixelů  jsou pak na tom OLED panely obdobně jako  LCD displeje. Tedy využívají buď pasivní, nebo aktivní řízení matice. Jednodušší strukturu představuje samozřejmě pasivní ovládání, kdy celá matice pixelů je rozdělena na řádky a sloupce a rozsvítí se vždy ten pixel, který "leží" na spojnici aktuálně elektrickým proudem napájeného řádku a sloupce. Z toho je patrné, že ovládacích drátů je méně, ale zase se jednotlivé pixelů navzájem ovlivňují a musí se dobře regulovat množství a časování proudu. Jinak pokud při svítícím pixelu např. na řádku rozsvítíme dalším sloupcovým vodičem sousední pixel, může se při nevhodné regulaci proudu doposud svítící vedlejší pixel změnit svůj jas. Proto se tato koncepce více hodí pro zobrazení graficky méně náročného obsahu a spíše statického než dynamického obrazu, protože rychlé rozsvěcení a zhasínání jednotlivých pixelů zde zrovna není ideální.

Pro oblasti s vysokým rozlišením a grafickými nároky jsou určeny OLED modely s aktivní maticí, kde každý bod je ovládán plně odděleně. Ta má na rozdíl od své pasivní sourozenkyně integrovanou propojovací elektronickou vrstvu po jednotlivými pixely. Ta pro každý zobrazovací bod obsahuje nejméně dva tranzistory a kondenzátor, což však ve svém důsledku výrazně zvyšuje výrobní náklady. Na druhou stranu jednotlivé pixely mohou být zcela nezávisle adresovány a tím i libovolně regulován jejich jas a rychlost rozsvícení a zhasnutí. Řídicí mechanismus displeje bývá dnes již přímo umístěn na společném substrátu se zobrazovací maticí.

 

Porovnání aktivní (vlevo) a pasivní struktury (vpravo) OLED displejů - zatímco u aktivní matice je každý pixel ovládán vlastním řídícím signálem a ovládání je tak principielně jednoduché, ale obsahuje velké množství signálů, u pasivní matice se musí přesně v daný moment vhodně budit řádkové a sloupcové vodiče. To vyžaduje složitější logiku, ale při malém množství řídících signálů.

 


 

Obecný přehled vlastností OLED displejů (vs. LCD)

  • Zobrazení barev: až 16 milionů
  • Pozorovací (vyzařovací) úhel: i přes 160 stupňů
  • Zároveň vysoký jas a ostrost
  • Robustnost a vysoká intenzita pro přenosná zařízení
  • Jas: až 100 tis. cd/m2 (LCD max. 1 000 cd/m2)
  • Kontrast i mnoho přes 100 000:1
  • Odezva menší i než mikrosekunda (u LCD 2 a více ms), lidské oko je schopné reagovat na cca 1 ms
  • Účinnost 30 a více % (LCD cca 10%), tj. až 50 lm/W
  • Možnost ohebného provedení
  • Velmi tenký (od 0,05 do 3 mm)
  • Úhlopříčky: zatím do cca 30 palců (cca 75 cm)
  • Vadný pixel vytváří tmavý bod (u LCD světlý bod)
  • Pracovní rozsah teplot: -40°C až 70°C

 

Použití:

  • 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 namáhána na ohyb a krut (LCD praskají)
  • Hračky a spotřební elektronika
  • Oblečení
  • Signalizační a indikační technika
  • apod.

 

Materiály / technologie pro OLED displeje

Dle druhu použitého materiálu lze OLED displeje rozdělit na dvě technologické větve:

  • SMOLED (Small Molekule OLED) = malé organické molekuly (např. materiál Alq3 firmy Kodak, DPVBi firmy TDK)
  • LEP (Light Emitting Polymers) / PLED (Polymer OLED) = relativně velké molekuly (polymery - např. PPV nebo 9,9"-dioctylfluoren)

Zatímco SMOLED se hodí více pro velké displeje typu PC monitory a domácí kina a využívají ji všechny dále níže uvedené typy (PHOLED, AMOLED apod.), technologie LEP / PLED jsou vhodné pro malinké a středně velké pružné displeje pro hodinky, hodiny, přehrávače, signální a aktivní prvky na oblečení a taškách, tedy i náhrada za malé monochromatické nebo segmentové LCD či LED displeje. LEP / PLED totiž lze tisknout jako tenký film na chemicky vhodnou podložku, podobně jako inkoustový tisk na papír, a pak ji "jen" doplnit o ochranou vrstvu (Protective Film). Tak lze například realizovat aktivní LEP struktura ve formě segmentů jako u 7segmetových LED displejů, nebo displeje s černobílými či barevnými pixely. Protože technologie LEP / PLED je proti klasické OLED (SMOLED), trošku specifická, dále v tomto článku se jí již nezabývám. Více o LEP / PLED pak však dozvíte zanedlouho v dalším samostatném článku na serveru automatizace.HW.cz.  

LEP / PLED představují zajímavou technologii, jak snadno implementovat displeje na různé předměty a podklady

Přehled variant displejů OLED

 

PMOLED = Passive Matrix OLED

PMOLED je označení pasivních OLED displejů, které, jak již bylo nastíněno výše, představují tu nejjednodušší variantu. Tedy stejně jako u jednodušších grafických LCD displejů, jsou i zde jednotlivé pixely řízeny mřížkovou matricí vodičů navzájem překřížených. V místě křížení se vodiče připojeny k elektrodám (katodám, resp. anodám) OLED struktury a vznikají tak jednotlivé pixely. Jak bylo popsáno v článku "OLED – to není jen zkratka moderních displejů", mezi elektrodami je tenký film organického materiálu, který začne emitovat světlo, když je aktivován elektrickým impulsem aplikovaný na příslušný řádkový (horizontální) a sloupcový (vertikální) vodič. Čím větší proud je v impulsu použit, tím jasněji pixel září. Pro plné zobrazení musí být každý řádkový vodič nabíjen po dobu 1/N snímkovacího času, kde N je počet řádků displeje. Například k dosažení jasu 100 nits (tj. 100 cd/m2) pro 100 řádkový displej, musí být pixely buzeny na úroveň jasu 10 000 nits po dobu 1/100 snímkovacího času. Právě nutnost velkých úzkých proudových impulsů snižuje účinnost displeje a také při krátkodobých velkých intenzitách pracuje organický materiál v méně efektivní pracovní oblasti generování světla.

Pasivní OLED jsou tedy z důvodu větší spotřeby a horších zobrazovacích vlastnostech vhodné jen pro malé a nenáročné displeje do úhlopříček 2 až 3", např. pro zobrazování statických obrázků. Výhodou je pak nízká cena, nejnižší z ostatních typů a struktur OLED. Jsou vhodné pro použití v automobilové technice jako displeje palubních počítačů, autorádií apod.

 

Příklad barevného pasivního OLED displeje - po zvětšení klinutím na fotografii jsou patrné jednotlivé vodiče pasivní matrice

 

AMOLED = Active Matrix OLED

Pod zkratkou AMOLED najdete u barevných OLED displejů dnes asi nejběžnější provedení, tedy aktivní strukturu, která je u LCD označovaná jako TFT. Stejně jako u TFT LCD, i zde je spínání každého pixelu řízeno vlastním tranzistorem, přesněji řečeno dvěma tranzistory s kondenzátorem, kterými se přesně řídí proud do struktury OLED pixelu. Jeden tranzistor řídí proud pro nabíjení a vybíjení kondenzátoru, zatímco druhý slouží jako napěťový stabilizátor, pro zajištění konstantní velikosti proudu. Proti pasivním OLED se vyznačují vyšší zobrazovací frekvencí, ostřejším vykreslením obrazu a nižší spotřebou. Nevýhodu je pak výrazně složitější struktura displeje a tedy i jeho vyšší cena. Hlavním směrem využití jsou na kvalitu obrazu a na spotřebu náročné aplikace, tedy typicky přenosná zařízení napájená z baterií.

 

OLED displeje s aktivní strukturou (AMOLED) řízenou TFT maticí poskytují ostrý kontrastní obraz i při dynamickém videu.
Proto se využívá pro PC monitory a OLED TV.

PHOLED = Phosphorescent OLED

Displeje PHOLED, tedy technologie fosforeskujících OLED, umožňují díky principu elektrické fosforescence dosáhnout už 4x větší účinnosti než "klasické" OLED a dokáží převádět až 100% elektrické energie na světlo. To je v porovnání s účinností 25-30 % u "klasických" OLED a jen cca 10 % u LCD obrazovek, obrovská výhoda.

Například aktivní PHOLED displej (dalo by se říct AMPHOLED) dokáže produkovat jas 200 cd/m2 (jas při běžném sledování videa) při spotřebě pouze 125 mW. Konkurenční technologie při stejných podmínkách 180 a více mW. Navíc díky nízké spotřebě na 1 pixel, jsou PHOLED vhodné pro monitory a obrazovky s velkou úhlopříčkou. Možná v budoucnu není nereálná ani vize celé stěny pokryté obřím OLED displejem. V současné době bílé PHOLED, tzn. PHOLED generující bílé světlo, již dosahují při napájení menším než 6.5 V osvětlení přes 30 lm/W a jas až 100 000 cd/m2. Jednotlivé RGB barvy pak mohou být vytvořeny filtry. Tím překonávají i nejnovější LCD televizory s max. 1 000 cd/m2. Teoretická hranice je někde u 100 000 cd/m2, ale to je natolik velká hodnota, že ji u monitorů jen tak nevyužijeme.


 

FOLED = Flexible OLED

FOLED®, tedy flexibilní OLED, jsou součástky emitující organické světlo, které jsou postavené na pružném substrátu, jako například plastické nebo kovové fólie. FOLED displeje tak poskytují výhodu proti klasické skleněné podložce v podobě tvarového přizpůsobení objektu, na který jsou umísťovány. Tak lze displej jednoduše implantovat do hledí přileb (např. motorkářů), na oblečení nebo na tvarované přístrojové desky automobilů. Mnohokrát slabší struktura a nízká hmotnost je velmi vítaná nejen pro přenosná zařízení typu mobilní telefon, kapesní televizní přijímač, mp3 přehrávač, PDA, ale i u velkých televizních obrazovek, které lze tak snadno pověsit na libovolné místo. Pružná struktura navíc je méně náchylná na prasknutí, přelomení a lépe odolává i pádům z velkých výšek.

V současnosti se dokončují pokusy se tenkými polyesterovými substráty typu PET a PEN. V budoucnu by tak struktura FOLED šla použít i pro různé elektronické etikety s měnícími se nápisy přímo vytvořené na povrchu PET lahve.

Ohebné provedení FOLED zatím skoro do dokonalosti dovedla společnost NOKIA, která vytvořila volně tvarovatelný displej, který je možné nosit i jako náramek.

TOLED = Transparent OLED

TOLED, tedy transparentní OLED, v sobě kombinují technologie plně průhledného displeje a volitelného směru vyzařování světla. Struktura TOLED totiž umožňuje výrobci při výrobě displeje zvolit směr generování světla buď horní i spodní stranou (top- and bottom-emitting OLED) nebo jen horní stranou displeje (top-emitting OLED). Navíc pokud pixely nesvítí nebo displej je vypnutý, je jeho průhlednost až 85 % (tzn. skoro jako čisté sklo). Toho je dosaženo díky oběma průhledným elektrodám (katodě i anodě) i nosné podložce v podobě skleněné destičky či plastové fólii. To umožňuje nasazení v aplikacích, kde je potřeba zobrazovat dodatečné informace v zorném poli pozorovatele, například v hledí přilby, v brýlích, čelních i bočních sklech automobilů, oknech domů apod. TOLED displeje je možné provozovat jako v pasivním, tak aktivním řízení, tedy jako AMTOLED nebo jako PMTOLED.

V roce 2008 pak společnost Osram Opto Semiconductors vyvinula bílé TOLED, které dosahují účinnost svícení přes 20 lm/W a jas přes 1000 cd/m2 při průhlednosti cca 55%. A to vše při aktivní zářící ploše 90 cm2.


Při regulaci jasu záření se zároveň ovládá i průhlednost

Porovnání oboustraně emitující TOLED struktury (vlevo) a jednostraně emitující struktury (vpravo)

Praktický příklad funkce průhledného displeje TOLED vhodného například pro interaktivní zobrazování informací na hledí přileb, oknech nebo třeba zrcadlech.

 

SOLED = Stacked OLED

Provedení displejů SOLED je pouze speciální varianta transparentních displejů TOLED. Využívá se zde faktu, že pokud jsou jednotlivé pixely displeje průhledné, lze umístit barevné RGB pixely (miniaturní modrý, červený a zelený TOLED) nad sebe místo vedle sebe a barevné složky se prosvěcují. Jeden svítící bod displeje tak opravdu odpovídá jednomu pixelu obrazu a na stejnou plochu se tak vejde více obrazových barevných pixelů. Nevýhodou tohoto provedení je fakt, že průhlednost každé vrstvy není 100 %, ale jen cca 60 až 80 % a tak nejspodněji umístěná barva musí svítit intenzivněji, aby byla intenzita světla na čelní straně displeje shodná pro všechny barvy. Barva pixelu se pak mění regulací proudu jednotlivých vrstev. Toto provedení displejů se však doposud díky složité výrobě výrazněji neprosadilo.

Ukázky možností realizace barevných RGB složek pro barevné displeje - vlevo odshora: tři samostané barevné OLED, barvy generované filtry z bílé OLED,
barvy generované filtry z modré OLED a nejníže provedení SOLED. Vpravo je pak ukázka provedení a změny barvy barevného pixelu struktury SOLED

Závěr

I když jsme si výše představili mnoho různých typů, každý jinak pojmenovaný, v praxi se to často nerozlišuje a prostě se uvádí jen OLED (případně PMOLED nebo AMOLED), a navíc jednotlivá provedení se dnes různě vhodně kombinují. Takže na internetu pod označením PHOLED najdete i průhledné fosforeskujících OLED displeje, nebo pod označením AMOLED i displeje, které lze ohýbat apod. Prostě, když se použije průhledná nosná deska a i průhledné obě elektrody, je displej průhledný, nebo když je podložka pružná, je i displej ohebný. A to ať se jmenuje jakkoliv. Při praxi se tak hlavně setkáte s rozdělením na pasivní či aktivní OLED (PMOLED či AMOLED) nebo případně zda jde o velmi účinné provedení PHOLED. Ostatní zde uvedená označení se již objevují poskromnu.

Jinak z hlediska současných výrobních možností jsou OLED displeje již k dispozici s úhlopříčkami několika centimetrů a předváděny jsou již i první klasické monitory s úhlopříčkami několika decimetrů (např. Panasonic / Toshiba 37” OLED TV). Zatím se však i světoznámí výrobci (např. Sony) stále u velkých TV displejů více či méně potýkají s různými problémy. V letech 2009/2010 však přesto hodlá Sony představit nové OLED TV ve středních a velkých úhlopříčkách, tedy od 30″ do 46″. Například první vlaštovka v podobě OLED televize Sony XEL-1 má kontrast 1 000 000:1 a spotřebovává pouze 45W při úhlopříčce 29 cm. V Japonsku se již prodává a stojí 200 000 jenů, tedy asi 34 000 Kč. V tomto směru však nespí ani již zmíněný Panasonic nebo společnost Samsung. Velký rozruch také způsobil Samsung se svým 4" OLED displejem, který při tloušťce pouze 0,05 mm si klidně vlaje ve větru, resp. si ve vitríně, kde se na něj fouká ventilátorek. Jeho rozlišení není sice nikterak vysoké (480x272), ale je to zajímavá prezentace možností technologie OLED. Mimochodem obecně je prý zatím u OLED displejů, co se rozlišení týče, výrobní limit 1920x1080 pixelů. Přesto si myslím, že již konečně doba OLED televizí a monitorů pomalu začíná.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: