Již před cca 20 lety byl objeven mechanismus organické elektroluminiscence a od té doby byly vyvíjeny snahy, jak ji využít v oblasti generování světla, resp. převodníku el. energie na světlo. A však až před 10 lety umožnily výrobní technologie začít tento mechanismus aplikovat do praxe v podobě OLED = Organic Light Emitting Diodes či Displays, tzn. organické diody či displeje. V současné době již jejich cena a vlastnosti začínají umožňovat jejich masový prodej a instalaci v zařízeních. V budoucnu by tak měli plně nahradit známé LCD displeje, které vykazují horší vlastnosti. Technologický princip založený na polymerových řetězcích, které pod proudem vysílají světlo, tak umožňuje vyrobit displeje s rozlišením VGA, které nejsou větší než kreditní karta.

V tomto článku jsem se pokusil obecně zaměřit na OLED displeje, velmi stručně zopakovat princip jejich funkce a krátce ukázat nejnovější typy a objevy.

Základní vlastnosti OLED

• Účinnost běžně 18-22 lm/W
• V blízké budoucnosti pro bílé OLED až 50 lm/W
• Plně barevné displeje s přímou barevnou emisí
• Vysoký kontrast
• Velmi tenký (cca 1mm) a velmi lehký
• Možnost použití flexibilního pružného substrátu => ohebný displej
• V celku jednoduchá struktura => nízké výrobní náklady a tedy i cena
• Nízká spotřeba ne více než 30-60 mW
• Výrobci displejů: Pioneer, Philips, RIT Display, Samsung-NEC-Mobile Display, Sanyo-Kodak, Sony, Samsung, Philips, Thomson, AUO (Acer-Unipac-Optronics),Chi-Mei…

Výhody proti LCD:

• Snadno zhotovitelné - v principu může potřebné prvky vytvořit na folii příslušným způsobem vybavená inkoustová tiskárna
• 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"

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)
• Elektronické reklamní plochy
• atd.

Stručně princip OLED

OLED (Organic Light Emitting Diodes), tj. organické diody, pracují na principu elektroluminiscence. Klíčový je organický materiál obsahující molekulární strukturu, známou jako luminofor, která provádí emisi světla. Ta nastává, když se vzájemně přitahovaný energetický excitovaný pár elektron-díra zrekombinuje. Vzniklý nadbytek energie se vyzářen v podobě fotonu, tj. světelného záblesku. Tato pracovní vrstva je v struktuře OLED nazývána jako emisivní. Největší problém je dosáhnout takové excitace, to znamená budit strukturu takovým způsobem, aby bylo dosaženo stejného počtu excitovaných elektronů i děr, i když je pohyb děr výrazně pomalejší. Proto se jako polymerní luminofory používají různé deriváty materiálu PPV, obvykle poly(p-phenylene vinylene) a poly(fluorene), které jsou implantované na elektrodě-anodě (anode) z oxidu india dotovaného oxidem cínu (ITO), což je transparentní keramický materiál za normálního stavu vodivý. Druhá elektroda, horní katoda (cathode), je obvykle vyrobena z kovu, nejčastěji hliníku.

Navíc mezi anodu a emisní vrstvu a katodu a emisní vrstvu se vkládají materiály podporující pohyb děr (hole transport layer - HTL) nebo zadržující elektrony (electron transport layer - EML). Tím se dosahuje větší účinnosti rekombinace a tím i větší účinnosti generování světla. Injekce proudu skrz strukturu excituje elektrony do energetického stavu s vysokou energií odkud relaxují do nižšího stavu, což způsobí emisi světla s vlnovou délkou odpovídající použitému organickému materiálu.

Vše je pak "klasicky" uzavřeno mezi dvě vrstvy skla, jako u LCD, nebo v budoucnu častěji implementováno na plastovou nebo kovovou podložku (substrát). Tak vznikne velmi slabý displej, který může být i pružný a tedy odolný proti pádu nebo působení mechanického napětí.

Struktury OLED displeje - klasická skleněná verze (nahoře), flexibilní a velmi slabé OLED na substrátu (dole)

Přehled variant displejů OLED

PMOLED

PMOLED je označení pasivních OLED displejů, které představují tu nejjednodušší variantu. Stejně jako u jednodušších grafických LCD displejů, jsou i zde jednotlivé pixely řízeny pasivně, tzn. mřížkovou matricí vodičů na vzájem překřížených. V místě křížení se vodiče připojeny k elektrodám (katodám, resp. anodám) OLED struktury a vznikají tak jednotlivé pixely. Jak bylo popsáno výše, 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, jednak úbytky napětí na vodičích a také při krátkodobých velkých intenzitách pracuje organický materiál v méně efektivní pracovní oblasti generování světla.

Pasivní OLED jsou 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.

AMOLED

Pod zkratkou AMOLED se skrývá aktivní struktura OLED displeje, u LCD označovaná jako TFT. Stejně jako u TFT LCD, i tady je spínání každého pixelu řízeno vlastním tranzistorem, který přesně řídí proud do struktury OLED pixelu. Tak lze přesně regulovat jejich jas. Prakticky však pod každým pixelem je struktura dvou tranzistorů s kondenzátorem, kde 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.

V technologii AMOLED se využívá pro propojení pixelů dvou materiálů: polykrystalický křemík (poly-Si) a amorfní křemík (a-Si). Zatímco dříve i dnes se více využívá poly-Si z důvody vyšší vodivosti, materiál a-Si se začíná uplatňovat až s PHOLED, kde velikost proudu na pixel klesá na jednotky mikroampér.

PHOLED

PHOLED™, tedy technologie fosforeskujících OLED (Phosphorescent OLED), umožňuje dosáhnout už 4x větší účinnosti než "klasická" OLED technologie. Využívá principu elektrické fosforescence, která převádí až 100% elektrické energie v OLED na světlo. To je v porovnání s účinností 25-30 % u "klasických" OLED a jen cca 10 % u LCD obrazovek, velký pokrok.

Například aktivní PHOLED displej dokáže pracovat se jasem 200 cd/m2 při spotřebě pouze 125 mW, tj. při jasu běžném pro sledování videa. To je nesrovnatelné se spotřebou 180 mW u podsvětlených LCD a 240 mW pro fluorescenční OLED při stejných podmínkách. Tato vlastnost dělá technologii PHOLED vhodnou pro aktivní i pasivní provedení displejů, pro účely svícení i dalších optoelektronických aplikací.

Díky nízké spotřebě na 1 pixel, jsou PHOLED velkým kandidátem na technologii pro monitory a obrazovky s velkou úhlopříčkou. Nereálnou není ani vize celé stěny pokryté obřím OLED displejem. Nejnověji bílé PHOLED, tzn. PHOLED generující bílé světlo, již dosahují při napájení menším než 6.5V osvětlení 18 lm/W a jasu až 1000 cd/m2. Tím překonávají i nejnovější LCD telivizory s max. 600 cd/m2.

WOLED

Od doby, co Edison vynalezl žárovku, se její účinnost prakticky moc nezvýšila nad 15 lm/W. Větší účinnosti pak dosahují zářivky, které běžně dosahují 50 lm/W, ale je u nich obvykle problém s barvou generovaného světla. Cílem přitom je získat účinný zdroj bílého světla, který bude mít co nejmenší spotřebu, bude lehký, bude mít co nejmenší rozměry a přesto bude levný. Nejnověji bylo těchto požadavků dosaženo tzv. WOLED = White OLED. U těch se již podařilo dosáhnout účinnosti generování světla 30 lm/W při teplotě barvy 4 000 K. Tyto WOLED využívají zajímavou strukturu, kdy bílé světlo je generováno polem OLED červených, zelených a modrých proužků, tedy RGB. U nich lze zvlášť nastavit jejich intenzitu vyzařování a tak měnit barevné podání, tj. teplotu barev. Tak je možné přesně nastavit barvu bílého světla. Lze tak nastavit jak barvu světla obyčejné žárovky, tj. teplotu barvy 2900 K, tak barvu světla zářivky, tj. až 5700 K.

FOLED 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.

TOLED

TOLED®, tedy transparentní OLED, v sobě kombinují technologie plně průhledného displeje a volitelného směru emitování 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) - viz obrázek níže. Průhlednost displeje 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.

Proti struktuře "klasickým" OLED je průhlednost TOLED displejů dosažena plně transparentní katodou, anodou (horní elektroda) i podložkou (substrátem) v podobě skleněné destičky nebo plastových fólií. Ty dovolují emitovat světlo z obou stran jejího povrchu nebo volitelně jen ze svrchní strany. TOLED mohou být transparentní v rozsahu 70 až 80 % v místech, kde není zrovna generováno světlo, tzn. skoro jako čisté sklo.

Závěr

V tomto článku jsem se pokusil stručně přiblížit současný stav a novinky na poli OLED displejů. Z vyvíjených novinek je myslím docela jasné, že již dnes je použití OLED vhodné všude, kde jsou potřeba vícebarevné displeje v malém formátu. Prakticky se již začínají nasazovat v oblasti mobilních telefonů, PDA či osobních automobilů. Například takový 3,8" displej zvládá 266 144 barev v rozlišení 480 x 320 pixelů a je zhruba 2 milimetry silný. S OLED lze realizovat i displejové brýle. Již předvedené modely dovolují zřetelné zobrazení detailů, snadno čitelný je i text. Firmy, které technologii OLED podporují, jako např. Philips a Epson, však plánují nasazení této technologie i u jiných přístrojů než jsou mobilní. Například Philips již demonstroval 13" displej, který poskytuje rozlišení 576 x 326 obrazových bodů. A protože trh se vždy hlavně zaměřuje na nízké ceny, mají v tomto směru OLED displeje zajištěnou úspěšnou budoucnost.

DOWNLOAD & Odkazy

• Vysvětlení principu funkce OLED: www.odcad.com/ChangingContents/DevicePhysics/LED/OLEDDevicePhysics.htm
• Novinky v technologii OLED: www.odcad.com/ChangingContents/DevicePhysics/LED/DevicePhysics_LED.html
• Stránky výrobce a vývojáře OLED displejů: www.universaldisplay.com
• Popis principu elektroluminiscence: en.wikipedia.org/wiki/Electroluminescence
• Jak pracují OLED ? : www.defense-update.com/features/du-3-05/feature-OLED-4.htm
• Aplikace OLED: www.defense-update.com/features/du-3-05/feature-OLED.htm