Elektroluminescencyjne źródła światła: LED, OLED i struktury Destriau

fot. Wikimedia Commons

Scharakteryzowano elektroluminescencyjne źródła światła: LED, OLED i struktury Destriau. OLED i struktury Destriau są powierzchniowymi źródłami światła o niewielkiej grubości, w których emisja światła następuje w półprzewodniku organicznym lub nieorganicznym. Diody LED są punktowymi źródłami emitującymi światło w obszarze złącza p-n wytworzonego na bazie krystalicznej struktury półprzewodników nieorganicznych. LED i OLED należą do najnowszych typów źródeł światła, których konstrukcja rozwija się najbardziej dynamicznie. Uważa się, że za 10 lat staną się masowymi źródłami światła. W różnorodnych zastosowaniach będą się wzajemnie uzupełniać, nie konkurując ze sobą.

Luminescencja, tzw. zimne świecenie, jest zjawiskiem fizycznym, które polega na emisji promieniowania elektromagnetycznego o większym natężeniu niż promieniowanie cieplne w danej temperaturze oraz przy warunku, że czas trwania tego promieniowania znacznie przewyższa okres fali emitowanej. Tym samym jest to promieniowanie wywołane przyczynami innymi niż jedynie sam wzrost temperatury emitującego źródła [1]. W zależności od sposobu wzbudzania takiego promieniowania można wyróżnić wiele rodzajów luminescencji, w tym elektroluminescencję wywołaną przez oddziaływanie pola elektrycznego.

Powszechnie przyjmuje się, że zjawisko elektroluminescencji zostało po raz pierwszy zaobserwowane i udokumentowane przez Anglika Henry’ego Josepha Rounda w roku 1907. Round zaobserwował wówczas emisję światła widzialnego z kryształu węglika krzemu (SiC) o przewodnictwie typu n. Uformowane w doświadczeniu Rounda złącze metal-półprzewodnik, spolaryzowane napięciem od 10 V do 110 V, emitowało światło o różnych barwach: żółtej, zielonej, pomarańczowej oraz niebieskiej [1, 2].

W 1936 roku francuski fizyk Georges Destriau (1903-1960) opublikował wyniki swych badań dotyczących luminescencji obserwowanej w sproszkowanym siarczku cynku (ZnS) i jako pierwszy użył on wyrażenia elektroluminescencja do określenia badanego przez siebie zjawiska [3]. Georges Destriau umieścił kryształy siarczku cynku, zawierającego śladowe domieszki miedzi, w oleju rycynowym pomiędzy dwiema płytkami miki, do których doprowadził zmienne w czasie silne pole elektryczne i zauważył, że kryształy siarczku cynku emitują światło. Zaobserwowane zjawisko nazwał „elektroluminescencją”. W dalszych swych doświadczeniach olej rycynowy zastąpił innym materiałem dielektrycznym.

W latach 20. i 30. ubiegłego wieku zjawisko elektroluminescencji traktowano jako ciekawostkę niemającą perspektywy jakiegoś zastosowania, gdyż emitowane światło było bardzo słabe i widoczne tylko w ciemności.

Colin Harold Gooch, w swej książce „Injection electroluminescent devices” wydanej w 1973 r. [4] napisał, że G. Destriau jako pierwszy użył określenia elektroluminescencja w odniesieniu do zjawiska emisji światła wywołanej oddziaływaniem pola elektrycznego. Ponadto zauważył również, że efekt opisany przez Rounda i innych badaczy należy odróżnić od efektu opisanego przez Destriau.

Zjawisko obserwowane przez Rounda polega na emisji światła spowodowanej przepływem prądu przez półprzewodnikowe złącze prostujące (złącze metal-półprzewodnik lub złącze p-n) i jest podstawą działania diod elektroluminescencyjnych (LED) [4].

W odróżnieniu od niego G. Destriau obserwował świecenie warstwy siarczku cynku na skutek oddziaływania zewnętrznego, zmiennego w czasie pola elektrycznego. Ten efekt jest nazywany „elektroluminescencją czystą” lub „wewnętrzną” jak również „efektem Destriau” i jest podstawą działania wyświetlaczy elektroluminescencyjnych.

Pierwszy raz w materiałach organicznych zjawisko elektroluminescencji zostało zaobserwowane w 1950 r. przez Francuza André Bernanose, który wraz ze swymi współpracownikami z Uniwersytetu w Nancy zauważył słabe świecenie warstwy materiału organicznego (pochodna akrydyny - oranż akrydynowy) po przyłożeniu do niej wysokiego napięcia przemiennego (AC) [5].

Jednym z pierwszych związków organicznych, w których odkryto zjawisko emisji światła pod wpływem oddziaływania zewnętrznego pola elektrycznego, był polifenylenowinylen. Okazało się, że ten przewodzący polimer może pod wpływem przyłożonego napięcia emitować światło zielone lub żółtozielone.

Odkrycia tego dokonano w roku 1989 w Laboratorium Cavendisha Uniwersytetu Cambridge. Pracując w grupie badawczej profesora Richarda Frienda, Jeremy Burroughes odkrył, że organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED - Organic Light Emitting Diode) można wytworzyć przy wykorzystaniu polimerów o układach sprzężonych (polimery przewodzące) [6].

LED – diody elektroluminescencyjne 

Efekt, w którym występuje wstrzykiwanie (iniekcja) nośników ładunku w obszar złącza prostującego typu metal-półprzewodnik lub złącze p-n, jest podstawą działania diod elektroluminescencyjnych (light-emitting diode).

W roku 1961 amerykańscy naukowcy, Robert Biard i Gary Pittman, skonstruowali diodę emitującą światło w zakresie bliskiej podczerwieni na bazie arsenku galu. Ten fakt można uznać za początek nowej dziedziny techniki – optoelektroniki, po 54 latach od odkrycia przez Rounda elektroluminescencji.

W 1962 r. amerykański zespół badawczy kierowany przez Nicka Holonyaka jako pierwszy zaprezentował diodę świecącą w zakresie widzialnym, otrzymaną na bazie GaAs [7]. Skonstruowana przez nich dioda w temperaturze ciekłego azotu emitowała światło spójne (akcja laserowa) o długości fali 710 nm (światło czerwone) i o szerokości połówkowej 1,2 nm. W temperaturze pokojowej promieniowanie diody nie było już koherentne, długość fali była nadal 710 nm, lecz szerokość połówkowa miała wartość 12,5 nm; była to więc typowa dioda LED.

Efekt świecenia uzyskuje się przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. Przy braku polaryzacji na złączu p-n pojawia się bariera potencjału, w przybliżeniu równa szerokości przerwy energetycznej materiału. Na skutek polaryzacji w kierunku przewodzenia bariera ulega obniżeniu i przez złącze może przepływać prąd. Przepływ prądu zwykle jest spowodowany kilkoma procesami, ale na ogół tylko jeden z nich powoduje wzbudzenie, którego rezultatem są procesy rekombinacji promienistej i emisja światła.

Zwykle istotną rolę w przepływie prądu odgrywa prąd dyfuzyjny. Obniżenie bariery potencjału powoduje, że elektrony z materiału o przewodnictwie typu n dyfundują przez złącze do materiału typu p i rekombinują z nośnikami większościowymi (dziurami).

Rys. 1. Schemat pasm przedstawiający półprzewodnikowe złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia [8]

W ostatnich kilkunastu latach nastąpił bardzo szybki postęp w technologiach, materiałach i produkcji diod LED. Okazało się, że mają one szereg zalet w porównaniu z innymi źródłami światła i w związku z tym skala ich zastosowań stale się rozszerza. Przede wszystkich ich trwałość, oceniana na 100 000 godzin pracy, znacznie przewyższa trwałość innych źródeł. Diody LED cechuje też coraz wyższa skuteczność świetlna, obecnie przekraczająca już wartość 100 lm/W, a w perspektywie kilku lat przewiduje się podwojenie tej wartości. Produkcja ich jest coraz tańsza, a widmo emitowanego światła może pokrywać cały zakres widzialny (produkcja diod na podczerwień też jest bardzo rozwinięta). Sprawność zewnętrzna obecnie produkowanych diod LED, w wielu przypadkach przekracza nawet 60%.

Diody elektroluminescencyjne zwykle charakteryzowane są wieloma różnymi parametrami technicznymi, a podstawowe parametry diod LED to:

• sprawność kwantowa (zewnętrzna),
• luminancja,
• skuteczność świetlna,
• trwałość,
• długość fali emitowanego światła,
• szerokość widmowa,
• temperatura barwowa,
• moc wyjściowa,
• maksymalny prąd przewodzenia zasilający diodę (mA),
• maksymalne napięcie wsteczne (V),
• częstotliwość graniczna,
• czas włączenia i wyłączenia (narastania i opadania).

Zewnętrzna sprawność kwantowa zwykle jest też przedstawiana w postaci iloczynu:

η_z = η_w η_o

gdzie:

η_w – wewnętrzna sprawność kwantowa, przy czym η_w = Φ_w/n (Φ_w - oznacza liczbę fotonów wygenerowanych w jednostce czasu w obszarze czynnym),

η_o – miara ekstrakcji promieniowania z obszaru czynnego na zewnątrz diody (wyprowadzenie światła na zewnątrz) nosząca nazwę „współczynnika ekstrakcji”.

O wielkości η_w decydują procesy rekombinacji w obszarze czynnym diody, co można określić za pomocą wzoru [9]:

η_w = 1 / (1+ τ_p/τ_n)

gdzie τ_p i τ_n są czasami życia nośników odpowiednio w procesie rekombinacji promienistej i niepromienistej zachodzącej w obszarze czynnym. We współczesnych diodach sprawność kwantowa może osiągnąć wartości nawet powyżej 60% [10].

Kolejnym parametrem diody LED jest luminancja (ilość światła, które przechodzi lub jest emitowane przez określoną powierzchnię i mieści się w zadanym kącie bryłowym; jest miarą wrażenia wzrokowego, które odbiera oko ze świecącej powierzchni), która ze względu na małe rozmiary powierzchni czynnej diody LED osiąga bardzo wysokie wartości, nawet większe niż 10 Mcd/m2, co jest porównywalne z luminancją żarnika żarówki o dużej mocy. Tak duża wartość luminancji stanowi poważne zagrożenie dla oka i dlatego jest ona w różny sposób ograniczana.

Jedną z podstawowych cech diod LED jest ich energooszczędność, szczególnie eksponowana w reklamach. O energooszczędności źródeł światła mówi ich skuteczność świetlna, która wyrażana jest w lumenach na wat [lm/W]. Parametr ten określa, jaki strumień świetlny, wyrażony w lumenach, wytwarza źródło światła z dostarczonej jednostki mocy, wyrażonej w watach. Obecnie dostępne na rynku diody osiągają tę skuteczność na poziomie od ok. 80 lm/W do ok. 120 lm/W. Dla porównania skuteczność świetlna żarówek głównego szeregu wynosi do 18 lm/W, niskonapięciowych żarówek halogenowych do 25 lm/W, a nowoczesnych świetlówek do 105 lm/W. Według prognoz w niedalekiej przyszłości wielkość emitowanego strumienia świetlnego wyniesie około 1500 lm przy sprawności od 150 do 200 lm/W [11].

Ważnym parametrem diod LED, wyróżniającym je spośród pozostałych źródeł światła, jest ich bardzo duża trwałość dochodząca nawet do 100 tys. godzin. Strumień świetlny diod maleje w czasie i w normalnych warunkach pracy dioda nie ulega nagłemu przepaleniu. Dlatego też w odniesieniu do trwałości omawianych diod należy korzystać z definicji połowicznego czasu życia lub użytecznego czasu życia. Zazwyczaj trwałość użyteczną wyznacza się przy spadku strumienia świetlnego do 70% wartości początkowej. Natomiast w przypadku wykorzystania diod do celów przemysłowych przyjmuje się określenie trwałości diod jako liczby godzin, w czasie których nastąpi spadek o 50% początkowej intensywności świecenia.

Czynnikami, które mają wpływ na trwałość diod są między innymi: prąd sterujący diody, temperatura otoczenia złącza półprzewodnikowego, jak również wilgotność środowiska, w jakim złącze pracuje. Główną przyczyną spadku strumienia świetlnego i skrócenia trwałości LED jest ciepło wytwarzane na złączu półprzewodników (złącze p-n). W celu zapewnienia odpowiednich warunków pracy LED ciepło ze złącza p-n musi zostać odprowadzone na drodze przewodzenia lub konwekcji, np. za pomocą elementów dobrze przewodzących ciepło i wentylatorów. Do odprowadzenia ciepła ze złącza stosuje się radiatory i wentylatory. Przy braku zastosowania odpowiednio zaprojektowanego radiatora lub wentylacji temperatura diody wzrasta, a ciągła praca w wysokiej temperaturze spowoduje trwałe obniżenie strumienia świetlnego (skuteczności świetlnej) i trwałości LED. Skrócenie trwałości LED może również nastąpić w wyniku nieodpowiedniego zasilania.

Innym ważnym parametrem LED jest długość fali (λ) emitowanego światła, przy której występuje maksimum promieniowania. W zależności od użytego materiału do wykonania diody jest możliwe uzyskanie praktycznie dowolnej barwy światła widzialnego (żółta, czerwona, zielona, niebieska, pomarańczowa, a także biała), jak również z zakresu bliskiej podczerwieni. Uzyskuje się to poprzez odpowiednie domieszkowanie, tworzenie zestawów diod o wybranych barwach światła, jak również przez sterowanie ich strumieniem świetlnym.

Kolejnym parametrem jednobarwnych diod LED jest tzw. szerokość widmowa (szerokość spektralna), czyli przedział długości fal (zwykle wyrażony w nanometrach), dla których natężenie emitowanego promieniowania jest większe od połowy maksymalnej jego wartości (w charakterystyce spektralnej promieniowania diody). Parametr ten określa jakość promieniowania monochromatycznego diody i przyjmuje wartości do około 20 do 100 nm. 

Dla diod LED emitujących światło białe określa się tzw. temperaturę barwową (temperatura ciała czarnego o takiej samej chromatyczności jak dla ciała badanego). Możliwe jest wytwarzanie białych emiterów LED w szerokim zakresie temperatur – od tych odpowiadających światłu ognia o bardzo ciepłej barwie, poprzez barwę światła żarówki, idealną biel odpowiadającą światłu słonecznemu, po chłodne i bardzo zimne światło charakterystyczne dla lamp fluoroscencyjnych i rtęciowych. Klasyczne źródła światła nie mają możliwości prostej regulacji barwy światła.

W wielu zastosowaniach diod LED istotną rolę odgrywa ich moc wyjściowa (moc promieniowania emitowanego przez diodę). Moc promieniowania diody LED (PLED) zmienia się w funkcji prądu I w przybliżeniu w sposób liniowy, zgodnie z zależnością teoretyczną [12]:

P_LED = η_z [(hc/qλ)1]

gdzie:

η_z – wydajność kwantowa, jaka maleje wraz ze wzrostem temperatury, więc należy uwzględnić to, że przepływ prądu przez diodę LED spowoduje wydzielanie się ciepła na jej złączu p-n, a tym samym wystąpi wzrost temperatury tego złącza, co z kolei powoduje, że wydajność kwantowa jest pośrednio zależna od natężenia prądu I,

h – stała Plancka,

c – prędkość światła w próżni,

q – ładunek elementarny,

λ – długość fali emitowanego promieniowania).

Producenci zwykle podają jej wartość dla maksymalnego dopuszczalnego prądu diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Wartości tego prądu są na ogół z przedziału od 20-1500 mA, zależnie od typu diody, a moc wyjściowa od ułamków miliwatów nawet do kilku watów.

Podaje się również wartość dopuszczalnego maksymalnego napięcia wstecznego, które zwykle ma wartości od kilku do kilkunastu woltów.

Innymi ważnymi parametrami diod LED są ich czasy włączenia i wyłączenia, które definiuje się odpowiednio jako czas, po upływie którego światłość diody wzrasta od 10% do 90% swej światłości maksymalnej (dla określonej wartości prądu) przy włączeniu diody oraz czas spadku światłości od 90% do 10% przy jej wyłączeniu.

Czas włączenia diod LED nie przekracza 100 ns, a czas wyłączenia 200 ns (dla diod stosowanych w telekomunikacji te czasy są na poziomie kilku nanosekund). W porównaniu z żarówkami są to czasy kilka milionów razy krótsze! Typowa żarówka osiąga 90% swej światłości po czasie 200 ms. Czasy włączenia lamp fluoroscencyjnych i wyładowczych są jeszcze dłuższe i nawet mogą sięgać rzędu kilku minut (np. uliczne lampy sodowe i rtęciowe).

OLED – organiczne diody elektroluminescencyjne 

OLED (Organic Light Emitting Diode) jest to powierzchniowe źródło światła, w którym grubość aktywnych warstw - polimerów - na ogół jest nie większa niż 500 nm.

W praktyce do budowy ekranów OLED wykorzystać można dwa rodzaje materiałów. Pierwszym z nich są „świecące” polimery LEP (ang. Light Emitting Polymers). Materiały te używane są do produkcji ekranów o przekątnych większych niż dziesięć cali. Do produkcji mniejszych ekranów, takich, jakie montowane są w telefonach komórkowych i smartfonach, używa się materiałów organicznych o stosunkowo krótkich łańcuchach.

Organiczne diody elektroluminescencyjne (rys. 2) zwykle wytwarza się w ten sposób, że na podłoże przezroczyste (7) (folia lub szkło) nanosi się przezroczystą elektrodę przewodzącą – anodę (6) (warstwa ITO - Indium Tin Oxide), na której z kolei wytwarza się specjalną warstwę transportową dla dziur (5); kolejna warstwa to półprzewodnik organiczny typu n (4) (polipropylowinylen) i na nią nanosi się drugą warstwę polimerową – półprzewodnik organiczny typu p (3) (warstwa emisyjna – cyjanopolipropylowinylen). Następna warstwa jest specjalną warstwą transportową dla elektronów (2), a ostatnią warstwę stanowi górna elektroda (1) (katoda; zwykle Al + Ca).

Rys. 2. Struktura organicznej diody elektroluminescencyjnej (OLED): 1 – elektroda metaliczna (katoda), 2 – warstwa transportowa dla elektronów, 3 – półprzewodnik organiczny (n), 4 – półprzewodnik organiczny (p), 5 – warstwa transportowa dla dziur, 6 – elektroda przezroczysta (anoda) [1]

Przyłożenie napięcia do takiej struktury powoduje przepływ elektronów od katody do anody, zatem z katody przejdą elektrony do warstwy emisyjnej, natomiast anoda pobierze elektrony z warstwy przewodzącej, czyli z anody przejdą dziury elektronowe do warstwy emisyjnej.

W momencie spolaryzowania złącza w kierunku przewodzenia warstwa emisyjna jest naładowana ujemnie, jednocześnie warstwa przewodząca staje się dodatnia, gdyż ma nadmiar dodatnio naładowanych dziur. Oddziaływanie elektrostatyczne przyciąga elektrony i dziury, które ze sobą rekombinują. Dzieje się to w obszarze tzw. warstwy emisyjnej, gdyż dziury w półprzewodnikach organicznych są bardziej mobilne niż elektrony (odwrotnie niż w przypadku półprzewodników nieorganicznych). W momencie rekombinacji elektron przechodzi na niższy poziom energetyczny, czemu towarzyszy emisja promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widma widzialnego. Dlatego warstwa ta nazywana jest emisyjną.

Dioda OLED nie świeci przy zaporowym spolaryzowaniu złącza, ponieważ dziury elektronowe przemieszczają się do anody, a elektrony do katody, tak więc oddalają się od siebie i nie rekombinują. Jako materiał anody zwykle wykorzystywany jest ITO (Indium Tin Oxide – roztwór stały tlenku indu (III) i tlenku cyny (IV)). Jest on przezroczysty dla światła i posiada wysoką pracę wyjścia, co sprzyja przemieszczaniu dziur do warstwy polimerowej. Metale, takie jak glin i wapń, są często wykorzystywane do tworzenia katod, ponieważ posiadają niską pracę wyjścia sprzyjającą wstrzykiwaniu elektronów do warstwy polimerowej [13].

Na rysunku 3a,b pokazano, dla typowej diody OLED, charakterystykę prądowo-napięciową, charakterystykę luminancji diody w funkcji przyłożonego do niej napięcia oraz charakterystykę widmową emitowanego przez nią światła [14].

Rys. 3. Charakterystyki typowej organicznej diody elektroluminescencyjnej (OLED): a) charakterystyka prądowo-napięciowa i charakterystyka luminancji w funkcji napięcia, b) charakterystyka widmowa światła zielonego emitowanego przez diodę OLED [14]

Warstwy złożone z cząstek organicznych polimerów przewodzących mają poziom przewodzenia prądu elektrycznego w zakresie między izolatorami a przewodnikami, z tego względu nazywane są one półprzewodnikami organicznymi.

Najczęściej podkreślaną zaletą ekranów OLED jest ich bardzo dobre odwzorowywanie barw. To bardzo dobre odwzorowanie barw wynika z konstrukcji pojedynczego punktu obrazowego, czyli piksela. Oprócz trzech tradycyjnych subpikseli świecących w podstawowych barwach RGB (czerwonym, zielonym i niebieskim), dodatkowo w pikselu umieszcza się subpiksel święcący na biało. Element obrazowy świecący na biało w znaczący sposób poprawia właśnie odwzorowanie kolorów. Co więcej, jego wyprodukowanie w technologii OLED nie stanowi żadnego problemu, gdyż wystarczy dobrać odpowiedni polimer LEP emitujący światło białe o żądanej temperaturze barwowej. Ponadto takie światło białe nie zawiera promieniowania nadfioletowego ani podczerwonego.

Warto również zauważyć, że warstwy polimerów, w stanie nieaktywnym, gdy nie emitują światła, stają się przezroczyste, a ich przepuszczalność jest na poziomie 70% lub więcej.

Pierwszym produkowanym seryjnie urządzeniem wyposażonym w wyświetlacz typu OLED był komputer kieszonkowy – palmtop (PDA, Personal Digital Assistant) firmy Sony o symbolu CLIE PEG-VZ90, którego ekran miał przekątną 3,8 cala, rozdzielczość 480 × 320 pikseli oraz luminancję 150 cd/m².

W październiku 2007 r. firma Sony pokazała prototyp telewizora wykonanego w technologii OLED. Telewizor ten, o symbolu XEL-1, miał przekątną 11 cali, rozdzielczość 960 × 540 pikseli, kontrast 1 000 000:1 oraz grubość 3 mm [13].

Zastosowanie w telewizorach technologii OLED ma szereg zalet w porównaniu z powszechnie stosowaną technologią LCD. Przede wszystkim jest tutaj mniejszy pobór energii przy wyświetlaniu ciemnego obrazu, jak również znacznie krótszy czas reakcji (dla OLED ok. 0,01 ms, a dla LCD w zakresie 2-12 ms) [13-15]. Poza tym, dzięki prostocie budowy i braku podświetlania, szacuje się, że koszty produkcji również będą wyraźnie niższe.

Najistotniejszą wadą wyświetlaczy wytwarzanych w technologii OLED jest to, że trwałość takich materiałów organicznych jest ograniczona i w związku z tym szacowany obecnie czas pracy wyświetlaczy wynosi od około 5000 do 10 000 godzin. Ostatnio pojawiły się jednak doniesienia o uzyskaniu w warunkach laboratoryjnych OLED, dla których szacuje się ten czas nawet na poziomie stu tysięcy godzin [13].

OLED jest powierzchniowym źródłem światła, którego luminancja może już osiągać wartości 1000 - 3000 cd/m² (dotyczy to prototypów wytwarzanych w warunkach laboratoryjnych). Może również emitować światło białe o wysokim wskaźniku oddawania barw, jak też o dość dużej skuteczności świetlnej w zakresie od 25 lm/W do 80 lm/W, przy czym przewiduje się w najbliższym czasie zwiększenie tej wartości.

Tym samym OLED mogą stać się wkrótce atrakcyjnymi źródłami światła, zarówno pod względem konstrukcji jak i obniżenia kosztów eksploatacyjnych oświetlenia.

Wykorzystaniem OLED w oświetleniu zainteresowani są czołowi producenci źródeł światła i opraw oświetleniowych, a w wielu laboratoriach powstają już prototypowe konstrukcje źródeł światła, opraw i instalacji oświetleniowych wytwarzanych na bazie technologii OLED.

W niedalekiej przyszłości OLED będą także produkowane jako elastyczne źródła światła, stosowane w wielu różnorodnych obszarach. Konstrukcja OLED może też spowodować, że staną się niezastąpionymi źródłami światła dla oświetlenia wnętrz samochodów czy samolotów. Oświetlenie takie będzie realizowane, zamiast opraw świetlówkowych, a nawet opraw LED, przez powierzchniowe oprawy OLED. Będzie możliwe również konstruowanie okien lub ścian działowych OLED, które staną się przezroczyste po wyłączeniu napięcia zasilającego, a po włączeniu zasilania będą źródłem emitującym światło w dwóch kierunkach.

W matrycach OLED bardzo precyzyjnie można również odwzorować przejścia tonalne między poszczególnymi barwami. Wynika to z tego, że w OLED-ach łatwo steruje się natężeniem światła emitowanym przez poszczególne subpiksele. W tym celu wystarczy tylko zmniejszyć lub zwiększyć natężenie prądu przepływającego przez diodę OLED tworzącą subpiksel, aby świecił on jaśniej lub ciemniej. Ta łatwość sterowania natężeniem światła sprawia, że obserwowane na ekranie OLED barwy są wyjątkowo żywe i naturalne.

Charakteryzuje je też bardzo szeroki kąt widzenia w każdej płaszczyźnie, wynoszący praktycznie 180 stopni.

Organiczne diody luminescencyjne charakteryzują się więc licznymi zaletami, z których do ważniejszych można zaliczyć następujące:

• w procesie produkcji materiał organiczny może być naniesiony na odpowiednie elastyczne i lekkie podłoże, daje to możliwość produkcji zwijanych wyświetlaczy, ekranów wszytych w odzież oraz lżejszych komputerów przenośnych;
• posiadają większą skalę barw i jasność niż LCD, ponieważ piksele OLED bezpośrednio emitują światło, które nie jest zatrzymywane przez filtry polaryzacyjne, tak jak jest w wypadku LCD;
• nie wymagają podświetlenia, dzięki czemu kontrast może wynosić nawet 1 000 000:1, a czerń jest idealnie czarna; zmniejsza to pobór energii w chwili wyświetlania ciemnego obrazu; brak podświetlenia obniża też koszt produkcji oraz eksploatacji;
• kolor punktu obrazu na wyświetlaczu OLED pozostaje prawidłowy, nawet gdy kąt patrzenia bliski jest 90° względem wektora normalnego; przy wykorzystaniu przezroczystego, elastycznego podłoża, wyświetlacz taki może wyświetlać obraz z obu stron, a tym samym kąt widzenia jest praktycznie nieograniczony;
• mają też znacznie krótszy czas reakcji w porównaniu z monitorem LCD, który cechuje się czasem reakcji na poziomie 2-12 milisekund, natomiast OLED nawet około 0,01 milisekundy.

Nie należy również zapominać o pewnych, mniej licznych, ale jednak wadach, takich jak:

• ograniczona żywotność materiałów organicznych; w przeszłości niebieskie OLED miały czas życia ograniczony do 5000 godzin, dla porównania – LCD około 60 000 godzin; w 2007 roku wyprodukowano na skalę laboratoryjną wyświetlacze PLED mogące działać ponad sto tysięcy godzin z wykorzystaniem zielonych OLED;
• przypadku rozszczelnienia matrycy wyświetlacza, na skutek mechanicznego uszkodzenia, wilgoć może zniszczyć cały materiał organiczny.

Struktury elektroluminescencyjne Destriau 

W ostatnich latach w różnorodnych urządzeniach coraz częściej stosowane są wyświetlacze elektroluminescencyjne.

Patrząc na historię dokonującego się na przestrzeni lat postępu w zakresie inżynierii materiałowej widać wyraźnie, że zjawisko elektroluminescencji wewnętrznej (różniące się od elektroluminescencji na złączu p-n ) kolejno znajdowało coraz to szersze obszary zastosowań.

Od chwili odkrycia tego zjawiska przez francuskiego fizyka Georgesa Destriau (1936 r.) do pierwszego zastosowania przemysłowego upłynęło prawie 15 lat. W 1960 r. amerykańska firma Sylvania opracowała prototypy tzw. świateł nocnych. Niestety charakteryzowały się one zbyt niską trwałością eksploatacyjną, co spowodowało, że nie znalazły praktycznego zastosowania przez kolejne 20 lat [1, 16]. Był to jednak okres intensywnych badań nad mechanizmem zjawiska elektroluminescencji wewnętrznej, nad materiałami oraz nad technologią wytwarzania struktur elektroluminescencyjnych.

Dzięki dalszemu modyfikowaniu stosowanych rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych uzyskano struktury o znacznie podwyższonej trwałości i dużej odporności na działanie wilgoci, tak że już w 1970 r. struktury elektroluminescencyjne (EL) zaczęto stosować w samolotowych systemach bezpieczeństwa, a od 1980 r. także w pojazdach samochodowych.

Od połowy lat 90., po wprowadzeniu technologii mikrozabezpieczenia proszków elektroluminescencyjnych przed oddziaływaniem wilgoci, nastąpił dynamiczny wzrost zastosowań struktur EL, zarówno komercyjnych jak i konsumpcyjnych. Mogą one także znaleźć zastosowania, przynajmniej w niektórych przypadkach, do oświetlania różnego rodzaju pomieszczeń.

Rys. 4. Schemat typowej struktury wyświetlacza elektroluminescencyjnego [16]

W roku 1997 amerykańska firma Planar Systems Inc. zademonstrowała prototyp wyświetlacza elektroluminescencyjnego o dużej wydajności, emitującego światło białe, przy zastosowaniu luminoforu SrS:Cu/ZnS:Mn o strukturze wielowarstwowej [1]. Wkrótce też firma ta podjęła, na szeroką skalę, produkcję kolorowych wyświetlaczy EL.

Typowa struktura wyświetlacza elektroluminescencyjnego została pokazana na rysunku 4. Swą budową przypomina ona kanapkę, w której centralną warstwę stanowi warstwa emitująca światło (elektroluminofor; zwykle jest to ZnS:Cu,Cl,Mn lub też ZnS, ale z innymi domieszkami), umieszczona pomiędzy warstwami dielektrycznymi. Górne i dolne warstwy są transparentnymi warstwami przewodzącymi, stanowiącymi elektrody wyświetlacza. Doprowadzenie napięcia do określonych elektrod rzędu i kolumny powoduje „zapalenie piksela” położonego na ich skrzyżowaniu.

Precyzja wykonania każdej z warstw ma istotny wpływ na jakość wyświetlacza, na jego jasność świecenia, kontrast, rozdzielczość, jak również na szybkość odpowiedzi na impulsy sterujące poszczególnymi punktami matrycy.

Wyprodukowany w 1996 r. przez firmę Planar prototyp wyświetlacza miał przekątną 6,1 cala (15,5 cm), rozdzielczość 512 x 256 pikseli oraz czas odpowiedzi poniżej 1 ms. Dzięki dalszym udoskonaleniom technologicznym osiągnięto czas eksploatacji na poziomie 50 000 godzin oraz znakomite właściwości wyświetlaczy w zakresie ich wytrzymałości mechanicznej, odporności na wstrząsy, uderzenia i wibracje, a także zakresu temperatur pracy (od -40 do +80^oC) [16].

Wyświetlacze elektroluminescencyjne charakteryzują się również niskim poborem mocy (przy przekątnej 10,4 cala - około 1 W), niższym niż diod podświetlających w typowych wyświetlaczach LCD, jak również są niewrażliwe na obce pola elektromagnetyczne, a same nie generują sygnałów mogących zakłócić prawidłową pracę innych urządzeń elektrycznych i elektronicznych [16]. Te wszystkie wymienione zalety spowodowały, że wyświetlacze EL znalazły zastosowanie przede wszystkim w sprzęcie o charakterze militarnym oraz w przenośnym sprzęcie medycznym.

Od kilkunastu lat amerykańska firma Planar Systems Inc. jest światowym liderem w dziedzinie produkcji wyświetlaczy przeznaczonych do pracy w ekstremalnych warunkach. Obecnie produkowane przez nią wyświetlacze mają wiele zalet w porównaniu z dostępnymi na rynku innego typu wyświetlaczami, a mianowicie ich temperaturowy zakres pracy jest od -50 do +85^oC, mają też bardzo dobry kąt widzenia bez zmiany emitowanych kolorów, bardzo długą żywotność (po 50 000 godzin luminancja zmniejsza się o około 15 %), średnica piksela nie przekracza wartości 0,36 mm, charakteryzują się też bardzo dobrym kontrastem i dużą niezawodnością i stabilnością pracy [17]. Ich typowe wartości jasności są od 20 do 150 cd/m2 w zależności od modelu, ale w wykonaniach specjalnych jasność może przekraczać nawet wartość 1000 cd/m².

Na rysunku 5 pokazano typową zależność jasności świecenia od wartości skutecznej napięcia zmiennego zasilającego wyświetlacz. Tę zależność można opisać przybliżonym wzorem [1]:

B = B₀ exp(-b/√U)

gdzie B₀ oraz b są parametrami stałymi dla danej warstwy.

Powyższy wzór (4) jest zgodny z relacją podaną przez Alfrey’a i Taylora [18], opisującą zależność luminancji B komórki elektroluminescencyjnej od przykładanego do niej napięcia U. Zadziwiającą własnością wielu materiałów luminescencyjnych jest to, że powyższa relacja Alfrey’a - Taylora w przybliżeniu jest spełniona nawet przy wzroście natężenia promieniowania o kilka rzędów wielkości [19]. Znikomo małe jest jednak prawdopodobieństwo, aby na granicy kryształu luminoforu istniała taka idealna bariera Schottky’ego, szczególnie gdy rozważany układ składa się z proszku luminoforu znajdującego się w osnowie dielektryka.

Rys. 5. Zależność jasności świecenia od wartości skutecznej napięcia zmiennego zasilającego typowy wyświetlacz EL [17] 1 – krzywa dotyczy wyświetlacza zaraz po wytworzeniu, 2 – krzywa dotyczy wyświetlacza poddanego procesowi starzenia.

Czas reakcji wyświetlaczy EL to poniżej 2 ms. Pobór mocy takich wyświetlaczy wynosi od 1 do 15 W i jest uzależniony od modelu monitora, liczby klatek na sekundę i wyświetlanego obrazu. Przykładowo dla modelu EL320.240HB typowa moc to 5,5 W przy 20% pikseli i przy maksymalnej ilości klatek na sekundę. Najwyższy pobór mocy ma miejsce wtedy, gdy od 50 do 80% pikseli w każdym rzędzie emituje światło.

Postęp, jaki się dokonał w dziedzinie wytwarzania materiałów elektroluminescen-cyjnych oraz w ich technologii [1, 16], wpłynął w istotny sposób na znaczne zwiększenie luminancji takich wyświetlaczy, a także na ich trwałość.

Pierwsze prototypy wyświetlaczy EL z lat 80. miały luminancję około 60 cd/m², a ich trwałość była na poziomie 1000 godzin. Pod koniec lat 90. wyświetlacze EL miały już luminancję około 350 cd/m² oraz trwałość do 10 000 godzin. W latach 2010-2012 pojawiło się wiele doniesień o otrzymaniu wyświetlaczy EL o luminancji nawet kilku tysięcy cd/m² oraz o trwałości około 20 000 godzin [1, 17].

Przy wytwarzaniu grubowarstwowych struktur elektroluminescencyjnych najczęściej stosuje się technologię nakładania warstw za pomocą sitodruku.

Do wytwarzania poszczególnych warstw struktury elektroluminescencyjnej stosuje się pasty, których głównymi składnikami są polimerowe żywice termoutwardzalne oraz proszki materiałów decydujących o właściwościach i przeznaczeniu pasty [1].

Podstawowymi składnikami past przewodzących są żywice poliestrowe, winylowo-epoksydowe lub poliolkilakrylowe oraz wypełniacze w postaci sproszkowanego srebra, węgla i grafitu. W przypadku transparentnej pasty przewodzącej jako wypełniacza używa się nanoproszku domieszkowanego cyną i tlenkiem antymonu (ATO).

W pastach elektroluminescencyjnych, podobnie jak w pastach przewodzących, głównymi składnikami są żywice termoutwardzalne (poliestrowe, winylowo-epoksydowe, poliolkilakrylowe) oraz najczęściej proszki ZnS aktywowane zwykle miedzią, srebrem i chlorem. Granulacja proszków jest zawarta w granicach od 5 do 40 μm.

W pastach najnowszej generacji stosowane są proszki elektroluminescencyjne, w procesie reaktywnego nanoszenia z fazy gazowej pokryte cienką przezroczystą warstwą TiO₂ lub SiO₂ [1], której zadaniem jest zabezpieczenie ziaren ZnS przed oddziaływaniem na nie wilgoci.

Dla elektroluminoforu wytworzonego na bazie ZnS, w zależności od rodzaju zastosowanych aktywatorów i ich stężenia, można uzyskiwać różne charakterystyki widmowe elektroluminescencji [20] (rys. 6).

Rys. 6. Charakterystyki widmowe elektroluminescencji dla różnych elektroluminoforów [20]

Pasty dielektryczne zwykle wytwarzane są z termoutwardzalnej żywicy oraz proszków TiO2 lub BaTiO3, ponieważ oba te materiały charakteryzują się wysoką wartością współczynnika przenikalności elektrycznej (ε), a także wysoką odpornością na przebicie. Względna stała dielektryczna warstw utworzonych z past dielektrycznych zwykle przyjmuje wartości od 8 do 20, a napięcie przebicia jest wyższe od 500 V dla warstw o grubości około 25 μm [1].

Jako pasty izolacyjne i zabezpieczające w strukturach elektroluminescencyjnych najczęściej stosuje się jednoskładnikowe żywice akrylowe, utwardzane za pomocą promieniowania ultrafioletowego.

Obecnie czołowe firmy, w tym Du Pont, oferują specjalne zestawy past wyłącznie do wytwarzania grubowarstwowych struktur elektroluminescencyjnych. Pasty te charakteryzują się bardzo starannym doborem materiałów w celu uzyskania pełnej kompatybilności z stosowanymi podłożami oraz pomiędzy warstwami; przyczynia się to do wydłużenia czasu pracy takich struktur.

Z punktu widzenia zastosowań struktur elektroluminescencyjnych istotne znaczenie ma ich trwałość, która pozwala określić efektywny czas pracy oraz wielkość luminancji dla takich struktur.

Badania prowadzone przez wielu autorów dotyczyły, między innymi, wpływu parametrów sinusoidalnego napięcia (amplitudy i częstotliwości) zasilającego strukturę elektroluminescencyjną, jak również czynników klimatycznych, takich jak temperatura i wilgotność atmosfery, w jakiej znajdowały się badane struktury [1-21], na ich efektywny czas pracy.

Otrzymane wyniki wskazują wyraźnie, że istotne znaczenie ma przede wszystkim wilgotność środowiska i w związku z tym struktury elektroluminescencyjne należy starannie hermetyzować, aby wpływ wilgotności w możliwie największym stopniu wyeliminować.

Na trwałość struktur, a także wartość ich luminancji ma również wpływ temperatura środowiska. Wzrost temperatury w przedziale od wartości pokojowej (20^oC) do około 40^oC powoduje niewielki wzrost luminancji oraz dość istotne zmniejszenie się efektywnego czasu pracy. Dalszy wzrost temperatury, zwłaszcza gdy przekroczy wartość 60^oC, powoduje nawet kilkakrotne skrócenie efektywnego czasu pracy, a przy tym występuje zmniejszenie się luminancji (tzw. efekt gaszenia).

Zaobserwowany efekt zmniejszania się wartości luminancji struktur EL, postępujący wraz z upływem czasu – jak stwierdzono – jest związany z procesem naturalnego starzenia się, a tym samym z trwałością takich struktur. Ten proces, z punktu widzenia zastosowań struktur elektroluminescencyjnych, ma istotne znaczenie, zwłaszcza przy określaniu efektywnego czasu ich pracy oraz przy planowaniu wielkości luminancji.

Korzystając więc ze znanych z literatury przedmiotu modeli procesów starzeniowych dla warstw elektroluminescencyjnych [1, 21], można tak optymalizować parametry napięcia zasilającego oraz zakres temperatury pracy, aby uzyskać pożądane wielkości luminancji i wystarczająco długi efektywny czas pracy. 

Podsumowanie 

Zasadniczą różnicą w konstrukcji organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED) i struktur Destriau w porównaniu z diodami LED jest to, że OLED i struktury Destriau są powierzchniowymi źródłami światła o niewielkiej grubości, w których emisja światła następuje w półprzewodniku organicznym lub nieorganicznym, natomiast diody LED są punktowymi źródłami emitującymi światło w obszarze złącza p-n wytworzonego na bazie krystalicznej struktury półprzewodników nieorganicznych.

W związku z tym, że diody LED mają bardzo małą powierzchnię, z której emitowane jest światło, ich luminancja jest bardzo duża i może wynosić nawet do 10 Mcd/m2. Tak wysoka luminancja diody LED jest niebezpieczna dla oczu i nieprawidłowe stosowanie LED może powodować efekt olśnienia lub nawet oślepienia.

OLED-y podobnie jak struktury Destriau, charakteryzują się dużo niższą luminancją (1000 - 3000 cd/m2) i jest to ich niewątpliwą zaletą w stosunku do technologii LED. Ponadto technologia produkcji OLED jak również struktur Destriau umożliwia uzyskiwanie warstw emitujących światło o dużej powierzchni i o dobrej równomierności promieniowania.

Największym problemem technologii OLED jest niewielka jeszcze trwałość diod organicznych, szacowana obecnie na 5000 - 10 000 godzin (w opracowaniach laboratoryjnych uzyskuje się już wyraźnie większe wartości) i jest ona kilkakrotnie mniejsza niż trwałość diod LED.

LED i OLED należą jednak do najnowszych typów źródeł światła i to do tych, których konstrukcja rozwija się najbardziej dynamicznie. W Europie i na świecie w wielu ośrodkach prowadzone są intensywne prace nad udoskonalaniem konstrukcji zarówno OLED jak i LED. Według szacunków uważa się, że przy obecnym tempie prac badawczych i ich znacznym zaawansowaniu, za około 10 lat staną się masowymi źródłami światła, przy czym w różnorodnych zastosowaniach będą wzajemnie się uzupełniać, a nie konkurować ze sobą. Wprowadzenie technologii mikrozabezpieczenia proszków elektroluminescencyjnych przed oddziaływaniem wilgoci spowodowało także dynamiczny wzrost zastosowań struktur elektroluminescencyjnych Destriau, zarówno komercyjnych jak i konsumpcyjnych.

Struktury elektroluminescencyjne mają szereg zalet w porównaniu z klasycznymi źródłami światła i w związku z tym mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie problem jakości światła ma zasadnicze znaczenie. Cechują je:

• zimne równomierne i nierażące światło, emitowane z dużych powierzchni (rzędu nawet kilku m2),
• bardzo dobra widoczność z dużych odległości w mrocznym i zamglonym środowisku,
• bardzo mały pobór mocy czynnej (struktura elektroluminescencyjna z punktu widzenia obwodu elektrycznego jest kondensatorem),
• możliwość płynnej regulacji natężenia światła,
• wysoka odporność na narażenia mechaniczne i klimatyczne,
• dość długi efektywny czas pracy (około 20 000 godzin); mogą być zatem znakomitymi źródłami światła do szerokiego wykorzystania.

W niedalekiej przyszłości mogą one także znaleźć zastosowania, przynajmniej w niektórych przypadkach, do oświetlania różnego rodzaju pomieszczeń.

Literatura:

[1] Porada Z., Elektroluminescencja - wybrane zagadnienia związane z zastosowaniami, Politechnika Krakowska, Kraków 2013.

[2] Round H.J., A note on Carborundum, Electrical World, 19 (1907), 309.

[3] Destriau G., Recherches sur les scintillations des sulfures de zinc aux rayons, Journal de Chemie Physique, 33 (1936), 587-625.

[4] Gooch C.H., Przyrządy elektroluminescencyjne ze złączem p-n. Wydanie w języku polskim, WNT, Warszawa 1977.

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Oled

[6] Tomita Y., PhD Dissertation. Alternative transparent electrodes for organic light emitting diodes, Technische Universität Dresden, 2008. (http://www.qucosa.de/fileadmi/data/qucosa/documents/437/1236711483222-3521.pdf dostęp: 9 sierpnia 2011)

[7] Ono Y. A., Electroluminescent Displays, World Scientific, 1995, Singapore, New Jersey, London, Hong Kong.

[8] http://www.ele.uri.edu/courses/ele432/spring08/LEDs.pdf

[9] Mroziewicz B., Bugajski M., Nakwaski W., Lasery półprzewodnikowe. PWN, Warszawa 1985.

[10] http://www.lediko.com/Zasilanie_diod_LED/61/

[11] Siłacz Ł., Współczesne zastosowania diod elektroluminescencyjnych, http://etacar.put.poznan.pl/jan.deskur/EN_n3_09/Diody_LED.pdf

[12] Porada Z., Strzałka-Gołuszka K., LED – diody elektroluminescencyjne, Podręcznik dla Elektryków. INPE 2013, z. 44.

[13] http://pl.wikipedia.org/wiki/Organiczna_dioda_elektroluminescencyjna (dostęp: 9 sierpnia 2011)

[14] Łuka G., Warstwy ZnO i ZnO:Al otrzymane metodą osadzania warstw atomowych do zastosowań w organicznej elektronice. Instytut Fizyki PAN, Warszawa 2011, praca doktorska.

[15] Stępień I., Synteza i polimeryzacja nowych monomerów na bazie pochodnych karbozolu i kumaryny dla optoelektroniki. Politechnika Krakowska 2006, praca doktorska.

[16] Płachta M., Wyświetlacze elektroluminescencyjne firmy Planar, Elektronika Praktyczna nr 6 (2005), s. 63-66.

[17] www.planarembedded.com/products/el/ (dostęp w kwietniu 2012)

[18] Alfrey G. F., Taylor J. B., Brit. J. Appl. Phys., Supplement, 4 (1955), s. 44-46.

[19] Tyagi R. C., Garlick G. F. J., The enhancement of visible and infra-red electroluminescence in zinc sulphide crystals by infra-red irradiation, Brit. J. Appl. Phys., 17 (1966), s. 747-755.

[20] Smet P.F., Moreels I., Hens Z., Poelman D., Luminescence in Sulfides: A Rich History and a Bright Future, Materials, 3 (2010), 2834-2883.

[21] Cież M., Wpływ czynników konstrukcyjno-technologicznych na luminancję i procesy starzeniowe w strukturach elektroluminescencyjnych z grubą warstwą luminoforu, AGH Kraków 2006, praca doktorska.