Elektroluminescencyjne źródła światła: LED, OLED i struktury Destriau

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.