Технические науки/6.Электротехника и радиоэлектроника

Вознюк В.А., Костюк Б.М., Коваль К.О.

Вінницький національний технічний університет

Перспектива використання технології Органічних світловипромінюваЛЬних

дІОдів з активною матрицею

Проблема розробки пристроїв відображення інформації супроводжує розробників комунікаційного обладнання з часу винайдення електронно-променевої трубки (далі ЕПТ) і до сьогодення. 30-80-ті роки ХХ сторіччя пройшли під знаком використання ЕПТ в якості пристроїв відображення інформації. Це були громісткі і енерговитратні пристрої, але вони мали незаперечну перевагу – бездоганний огляд дисплею під всіма можливими кутами. Зі зміною ідеології комунікаційних пристроїв із стаціонарних на переносні, у зв’язку з габаритами, ЕПТ втратили свою актуальність. Перед розробниками постало питання заміни даної технології на альтернативну, але із мінімальними габаритними показниками. На зміну ЕПТ прийшли пристрої відображення інформації на рідких кристалах та з плазмовим світінням. При використанні дисплеїв на рідких кристалах була досягнута мінімізація габаритних розмірів, але дана технологія має погіршену оглядовість (зменшений кут огляду), недостатню контрастність, необхідність використання додаткової підствітки. Для виготовення великорозмірних дисплеїв використовується технологія плазмового світання [1], обмеженість використання даної технології в комунікаційних пристроях (мобільні телефони, ноутбуки, планшетні комп’ютери) - висока вартість і застосування високих напруг (сотні вольт). Наведене вище вказує, що для подальшого розвитку комунікаційних технологій (зменшення габаритних розмірів, покращення яскравості і контрастності, використання низьковольтових джерел напруги, збільшення кутів огляду) необхідно застосовувати технології, які не мають наведених вище недоліків. Однією з таких перспективних технологій являється створення дисплеїв на органічних світловипромінювальних діодах з активною матрицею.

Органічні світловипромінювальні діоди (на англ. Organic Light-Emmitting Diode або OLED) [1] – прості органічні, тонкоплівкові світлодіоди, в яких у якості випромінюваного шару застосовуються органічні з’єднання. Для створення органічних світлодіодів використовуються тонкоплівкові багатошарові структури, які складаються з шарів декількох полімерів. При подачі на анод позитивного відносно катода струму, потік електронів протікає через пристрій від катода до анода. Таким чином, катод віддає електрони в емісійний шар, а анод забирає електрони з провідного шару, іншими словами анод віддає дірки в провідний шар. Еміссійний шар отримує негативний заряд, а провідний шар – позитивний. Під дією електростатичних сил електрони і дірки рухаються назузстріч один одному і при зустрічі рекомбінують. Це відбуєваться ближче до еміссійного шару, тому що в органічних напівпровідниках дірки володіють більшою рухливістю, ніж електрони. При рекомбінації відбувається зниження енергії електрона, яке супроводжується еміссією електромагнітного випромінення в області видимого світла. Тому шар і називається емісійним [2]. Пристрій не працює при подачі на анод від’ємної відносно катоду напруги. В даному випадку дірки рухаються до аноду, а електрони в протилежному напрямі до катоду, і рекомбінація не відбувається.

В якості матеріалу аноду зазвичай використовується оксид індія, легований оловом. Він прозорий для видимого світла і має високу роботу виходу, яка сприяє інжекції дірок в полімерний прошарок. Для виготовлення катоду зазвичай використовують метали, такі як алюміній і кальцій, оскліьки вони володіють низькою роботою виходу, яка сприяє інжекції електронів в полімерний прошарок.

По даній технології виготовляються OLED-дисплеї [2], які являють собою цільний тонкоплівковий напівпровідниковий пристрій, що випромінює світло, коли до нього прикладена напруга. OLED - дисплей складається з декількох тонких органічних плівок, які розташовані між двома тонкоплівковими провідниками. Робоча напруга даних дисплеїв знаходиться в межах 3÷10 В.

Колір, ефективність і інтенсивність випромінювання пристроїв OLED залежать від застосовуваних органічних матеріалів, якими визначається різноманітнцість відтворюваних кольорів дисплеєм.

Отже, OLED [3] – це не що інше, як тонкоплівковий пристрій з світловипромінювальною поверхнею. Дана поверхня утворена великою кількістю одночасно випромінюваних світло комірок на одній підкладці. При чому дані комірки можуть виготовлятися методом напилення, або методом струйного друку, для створення дисплею з довільним структуруванням можни використовувати звичайну літографію. Іншими словами, OLED мають значні переваги в технології формування структури.

Дисплеї OLED мають дуже широкий кут огляду (біля 180°) і малий час затримки – приблизно 10 мікросекунд [3].

Пристрої OLED рівномірно і без блимання випромінюються яскравість від декількох кд/м² (для нічної роботи) до надвисоких яскравостей – понад 100000 кд/м², при чому їх яскравість може регулюватися в дуже широкому динамічному діапазоні.

Для забезпечення прийнятного читання інформації, при прямому сонячному світлі необхідно збільшити контраст, а не яскравість пристроїв. Щоб досягнути цього, відображальна здатність дисплею повинна бути керованою. Пристрої OLED мають дуже хорошу контрастність. Наприклад, стандартний OLED дисплей, що має круговий поляризатор з антиблисковим покриттям, володіє контрастом понад 300:1 при рівні освітленості 500 люкс, який вважається прийнятним для наземного транспорту.

Можливість роботи в широкому діапазоні температур – актуальний момент для транспортних дисплеїв, які повинні працювати від температур нижче нуля до температур, які перевищують 80°С. В той час як для рідиннокристалевих дисплеїв вплив низьких температур виявляється несприятливим, і зазвичай вимагається підігрів підкладки, OLED-дисплеї добре працюють навіть при температурі -40°С. При високих температурах OLED мають допустиму робочу температуру порядку 70°С.

Дисплеї OLED [3] тонкі та легкі. Використовуючи скло товщиною 0,7 мм, дисплей OLED буде мати товщину порядку 1,4 мм. При необхідності дана технологія дозволяє виготовляти також гнучкі та прозорі дисплеї.

Органічні дисплеї вбудовуються у телефони, цифрові фотоапарати, автомобільні бортові комп’ютери, комерційні OLED-телевізори, виготовляються невеликі OLED дисплеї для цифрових індикаторів, лицевих панелей автомагнітол, MP3-плеєрів і т.д.

На основі даної технології було започатковано технологію AMOLED [4]: використання органічних світлодіодів в якості світловипромінювальних елементів і активної матриці з тонкоплівкових транзисторів для керування світінням світлодіодів.

Рисунок 1 – Будова дисплею на базі технології AMOLED

Для оцінки переваг та недоліків даної технології розглянемо і порівняємо основні технічні параметри з рідинно-кристалічними та плазмовими дисплеями.

Яскравість.

Дисплеї AMOLED [4] рівномірно та без мерехтіння випромінюють яскравість від декількох кд/кв.м до дуже високих яскравостей – понад 100000 кд/кв.м, при чому їх яскравість може регулюватися в досить широкому динамічному діапазоні. Так як термін працездатності дисплея оберенено пропорційний його яскравості, для пристроїв рекомендується робота при більш прийнятних рівнях яскравості до 1000 кд/кв.м.

Контрасність.

Для забезпечення хорошого читання інформації, при прямих сонячинх променях варто збільшувати контрасність, а не яскравість приборів. Для досягнення цього, відображальні здібності дисплею повинні бути керовані. Пристрої AMOLED [4] мають чудову контрасність. Наприклад стандартний пристрій, маючи круговий поляризатор з антиблоковим покриттям, володіє контрастом більше 300:1 при рівні освітленності 500 люкс, який вважається нормальним для наземного транспорту.

OLED телевізор здатний забезпечити картинку з недосягнутими для інших технологій рівнем яскравості та контрастності. Перший, випущений в масовий продаж телевізор OLED демонструє контрасність 1000000:1 [5]. Для порівняння: далеко не всі плазмові панелі можуть похвалитися контрастністю на рівні 15000:1, не говорячи вже про рідинно-кристалічні телевізори. Контрастність LCD до 2000:1, CRT до 5000:1

Кут огляду.

Дисплеї AMOLED [4] мають досить широкий кут огляду (більший ніж 160 градусів) і малий час затримки – приблизно 10 мікросекунд. Дана технологія дарує відмінну якість при куті огляду по горизонталі і вертикалі аж до 180 градусів.

Технологія OLED дозволяє дивитися на дисплей з будь-якої сторони і під будь яким кутом, при чому без втрати якості зображення. Хоча, сучасні РК дисплеї (за виключенням тих, що базуються на TN+Film матрицях) також зберігають прийнятну якість зображення при великих кутах огляду.

Енергоспоживання.

За різноманітних рівних умов, OLED телевізор споживає майже в 10 разів менше електроенергії, ніж звичайна LCD панель. Можливо, сьогодні питання енергоспоживання телевізора мало турбує звичайного користувача, але з врахуванням тенденції до постійного зростання цін на електроенергію, з часом варто буде поглянути в сторону OLED панелей.

Важко порівняти споживання з РК, так як рідиннокристалічна комірка вимагає вкрай малої величини струм в робочому режимі. Однак допоміжні засоби для забезпечення її роботи (драйвера, підсвітка) можуть споживати доволі багато, або ж навпаки, дуже мало – визначається за метою призначення дисплею. Споживання AMOLED прямопропорційне яскравості і площі світіння.

Отже, для нагляднішого огляду даної технології зведемо вищеперелічені дані до таблиці.

Таблиця 1 – Порівняння параметрів AMOLED дисплею з параметрами рідинно-кристалічних та дисплеїв на плазмовому світінні

Вид панелі	AMOLED - дисплеї	Рідинно-кристалічний дисплей	Дисплей на плазмовому світінні
Використовувана технологія	Real Stripe, non-РenTile	TN+Film, IPS, MVA	SED, FED
Мінімальний термін експлуатації	62000	60000	100000
Яскравість	до 1000 кд/м²	300 кд/м²	400 кд/м²
Час відгуку	0,01 мс	2÷6 мс	1 мс
Контрастність	До 1000000:1	До 2000:1	До 100000:1
Робоча напруга	3÷10 В	-5÷ +20 В	200÷600 В
Кут огляду	До 180°	До 176°	До 180°
Кольоропередача		16,2 млн
Споживана потужність	40% від LCD

Таким чином завдяки OLED технології стало можливим розробляти нові типи дисплеїв для застосування в нестандартних умовах: ультратонкі, гнучкі, прозорі і відповідно абсолютно легкі дисплеї.

Вже можна говорити, що OLED технологія "Це вже не фантастика" [6]. Вона з успіхом починає займати свою "позицію" на ринку перспективних технологій. З часом великі компанії будуть в повну силу використовувати досягнення OLED технології. Є ще безліч областей виробництва, де ця технологія мала б величезний успіх, що є одним з істотних показників великого потенціалу технології.

Література

1. «OLED introduction and basic OLED information» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.oled-info.com/introduction

2. «How OLEDs Work» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://electronics.howstuffworks.com/oled.htm

3. «OLED» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://en.wikipedia.org/wiki/OLED

4. «AMOLED» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://en.wikipedia.org/wiki/AMOLED

5. «Overview of OLED Display Technology» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.ewh.ieee.org/soc/cpmt/presentations/cpmt0401a.pdf

6. «Thinner lighter better brighter, Today's Chemist at Work» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://pubs.acs.org/subscribe/journals/tcaw/10/i11/html/11felton.html