Светодиодные экраны и панели

Светоизлучающие диоды (светодиоды — LED — Light emitting diodes) представляют собой полупроводниковые приборы, преобразу­ющие электрическую энергию в энергию оптического излучения на ос­нове явления инжекционной электролюминесценции, происходящей в полупроводниковом кристалле с электронно-дырочным переходом. Принцип действия неорганических светодиодов подробно описан в [17, с. 74-75], здесь же будут рассмотрены устройство и принцип действия крупноформатных устройств отображения информации на их основе.

Поскольку светодиод является источником света с узким спект­ральным интервалом, то, подобран требуемые по спектральному составу светодиоды, генерирующие излучения трех основных цветов аддитив­ного синтеза (красное, зеленое и синее), возможно создать достаточно простую конструкцию светодиодного экрана. Светодиодные экраны собираются из светодиодных модулей размером 8X8 или 16X1 6 пикселов. Из модулей можно сформировать экран любого размера, но чаще при­держиваются соотношения сторон 4:3 (телевизионный стандарт). Каж­дый пиксел состоит из трех субпикселов — светодиодов, узлучающих в красной, зеленой и синей зонах спектра, размещенных па черной поверхности экрана (рис. 3.5). Использование четырехдиодного пиксела (с двумя красными субпикселами) обусловлено низкой интенсивностью свечения «красных» светодиодов и равномерностью заполнения пло­щади излучающей поверхности экрана. С появлением «красных» свето­диодов, имеющих большие значения силы испускаемого света, чаще применяют традиционную трехкомпонентную схему. Одним из основ-ных параметров модуля является шаг — расстояние между пикселами, которое определяет разрешение экрана. Уличные экраны, информаци­онные и спортивные табло имеют шаг 12 — 38 мм, что является достаточ­ным для расстояния наблюдения 10 —25 м (растровая структура будет незаметной).

При создании экранов крупного формата используют светодиод­ные кластеры — компактные приборы, содержащие некоторое коли­чество светодиодов, помещенных в общий корпус (применяют одно-, двух- и трехцветные кластеры).

Для повышения разрешения светодиодных экранов на определен­ном этапе развития широко использовалась технология «виртуального пиксела». Сущность технологии заключалась в том, что программно-аппаратным способом создаются дополнительные пикселы из набора светодиодов, принадлежащих разным «физическим» пикселам. «Вирту­альные» и «физические» пикселы отображаются в разных полукадрах, за счет чего создается эффект увеличения (удвоения) разрешающей способности. Недостатками этой технологии являются цветовые иска­жения, имеющие место при воспроизведении мелких деталей и на участ­ках резких цветовых переходов. Ведущие компании (Daktronics, Opto Tech, Ватсо и др.) отказались использовать эту технологию и направили усилия на создание экранов с более высоким физическим разрешением.

Одним из таких решений является использование в экранах свето­диодов для поверхностного монтажа (SMD —surface montage details) — три светодиода (К, 3, С) в одном корпусе. Это позволило создать экраны более высокого разрешения (с шагом 4— 10мм). Такие светодиодные па­нели уже могут быть использованы в помещении.

Светодиодные экраны и панели воспроизводят видеосигналы от различных источников: обычный телевизионный сигнал, сигнал виео-магнитофона, DVD-проигрывателя, видеокамеры, компьютера. Основ­ная область их использования — «наружное» видео, электронные табло для крупно- и среднегабаритных помещений (вокзалы, банки, спортив­ные и концертные площадки, офисы).

Светодиодные экраны отличаются высокой яркостью воспроизво­димого изображения (до 10 ООО кд/м²), малым энергопотреблением (при­мерно 400 Вт на 1 м² излучающей поверхности), большим сроком службы (около 50 000 ч). Модульность конструкции обеспечивает быстрый монтаж/демонтаж, удобство обслуживания и ремонта (оперативная за­мена вышедшего из строя модуля или кластера). Основным препят­ствием на пути широкого использования светодиодных экранов и пане­лей является их высокая цена.

Другой светодиоднойтехнологией, используемой для изготовления устройств отображения информации, является технология органи­ческих светодиодов (OLED — organic lighlemitting diode). Развитие тех­нологии органических светодиодов началось в 1987 г., когда были опуб­ликованы результыты исследований о свойствах органических свето-излучающих материалов (компания Eastman Kodak).

В основе OLED технологии лежит использование свойств сопря­женных полимеров, в молекулах когорых атомы углерода образуют между собой двойные или тройные связи. Эти материалы обладают теми же свойствами, что и неорганические полупроводники, то есть способны образовывать p-n-переход и при определенных условиях излучать свет.

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тон­копленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров (трех, но чаще двух, рис. 3.6а). При подаче на анод положи­тельного относительно катода напряжения поток электронов протекает от кат ода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя (другими словами, анод отдает дырки в проводящий слой). Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой — положительный. Под дей­ствием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмис­сионному слою (в этой связи слой и называется эмиссионным), потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвиж­ностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается эмиссией электромагнитного излучения в видимом диапазоне спектра. В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он является прозрачным и имеет высокую работу выхода, которая способствует ин-жекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода чаще исполь­зуют металлы, например алюминий, так как они обладают низкой рабо­той выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой.

По способу управления различают два вида OLED-дисплеев — с пассивной или активной матрицей (рис. З.бб, в).

В дисплеях с пассивной матрицей используются контроллеры раз­вертки изображения на строки и столбцы. Чтобы субпиксел светился, необходимо включить соответствующую строку и столбец (субпиксел будет излучать свет на пересечении строки и столбца). Для того чтобы развернуть кадр, необходимо очень быстро подать сигналы на все суб­пикселы путем перебора всех строки столбцов (подобно тому, как это делается в ЭЛТ). Дисплеи с пассивной матрицей дешевы, но из-за необ-ходимости строчной развертки изображения невозможно изготовить экраны больших размеров с приемлемым качеством изображения (обычно размеры таких дисплеев не превышают трех дюймов).

 

Рис. 3.6. Устройство дисплея на основе органических светодиодов: принципиальная схема (а), схема дисплея с пассивной матрицей (б), схема дисплея с активной матрицей (в). 1 — прозрачная подложка, 2 — прозрачный анод, 3 — проводящий слой, 4 — эмиссионный слой. 5 — катод, 6 — свет. К — красный, 3 — зеленый, С — синий субпикселы

 

В дисплеях с активной матрицей каждый субпиксел управляется напрямую, поэтому отт могут быстро вошроизводить изображение. Такие дисплеи могут иметь большие размеры (на сегодня производятся дисплеи с размером до 40 дюймов), но их стоимость выше, чем дисплеев с пассив­ной матрицей.

Для воспроизведения цвета в дисплеях на основе органических светодиодов используют три схемы: с раздельными цветными эмитте­рами (излучателями), с эмиттерами белого света и комплектом трех цвет­ных светофильтров, с конверсией коротковолнового излучения.

Самый простой вариант — традиционный — трехцветная модель (с раздельными эмиттерами), в котором три органических материала излучают свет основных цветов (красного, зеленого и синего). Этот вари­ант является самым эффективным с позиции использования энергии, однако на практике довольно сложно подобрать материалы, которые будут излучать свет с нужной длиной волны и одинаковой яркостью.

Второй вариант реализуется гораздо проще: используются три оди­наковых эмиттера белого света, которые излучают через цветные фильтры. Однако по эффективности использования энергии он значительно про­игрывает первому варианту, поскольку значительная часть излученного света поглощается фильтрами.

В третьем варианте применяются эмиттеры синего света и специ­ально подобранные люминесцентные материалы для преобразования коротковолнового синего излучения в более длинноволновые — красное и зеленое (эмиттер синего света излучает «напрямую»).

По светоизлучающему материалу различают органические свето-диоды на основе низкомолекулярных соединений — микромолекул (SM-OLED — small-molecule organic light emitting diode) и полимеров (PLED — polymer LED). Последние делятся на просто полимеры, полимероргани-ческие соединения (POLED — polymer organic) и фосфоресцирующие (PHOLED — phosphorescent organic).

Первыми появились дисплеи на основе микромолекул, однако они являются слишком дорогостоящими, поскольку изготавливаются с помо­щью вакуумного напыления. Меньшую стоимость имеет технология полимерных дисплеев, которые могут быть получены путем нанесения полимерных материалов на основу на специализированном струйном принтере. Иногда такие дисплеи называют LEP (light emitting polymer). Их основа может быть гибкой с радиусом изгиба 1 см и менее. На сегодня по сроку службы и эффективности устройства на основе микромолекул опережают устройства LEP. Фосфоресцирующие органические свето-диоды используют принцип электрофосфоресценции и преобразовы­вают в свет до 100 % электрической энергии (для сравнения традицион­ные флуоресцентные — приблизительно 25 - 30 %).

Прозрачные светоизлучающие устройства (TOLED — transparent OLED) — технология, позволяющая создавать прозрачные дисплеи. Прозрачность экрана достигается за счет использования прозрачных органических материалов для изготовления электродов.

В прозрачных дисплеях излучение света может быть направлено только вверх, только вниз или в оба направления. Такие дисплеи при выключении прозрачны на 70 % и при эксплуатации могут быть разме- щены на прозрачной основе (например, витрины магазинов, виртуаль­ные карты ит. п.). Кроме тою, прозрачность позволяет использовать их с металлом, фольгой, кремниевыми кристаллами и другими непроз­рачными подложками для дисплеев с отображением вперед. Изображе­ние, воспроизводимое прозрачными дисплеями, характеризуется высо­ким уровнем контрастности, что обусловливает возможность их исполь­зования при ярком солнечном свете.

FOLED (flexible OLED) — технология изготовления гибких дис­плеев. В качестве подложки используется пластик или гибкая металли­ческая пластина. Преимущества гибких дисплеев: ультратонкость, сверхнизкий вес, прочность, долговечность и гибкость, которая позво­ляет применять их в устройствах самого разнообразного назначения.

Преимущества технологии устройств отображения информации на основе органических светодиодов заключаются в следующем.

Органические полупроводники (в отличие от неорганических) обладают свойством в широких пределах изменять спектр излучения за счет изменения структуры органических молекул, что позволяет получать материалы, способные излучать свет самых разных цветов и оттенков.

Другое важное свойство — это высокая технологичность изготов­ления дисплеев: нанесение слоев материалов на базе микромолекул воз­можно, например, хорошо отработанными методами вакуумного напы­ления или полива с центрифугированием, полимеры же после растворе­ния в органическом растворителе можно наносить на стеклянную или пластиковую подложку с помощью струйного принтера.

Дисплеи на основе органических светодиов обеспечивают яркость излучения от нескольких (для ночной работы) до 100 000 кд/м², причем их яркость может регулироваться в очень широком диапазоне. Поскольку срок службы дисплея обратно пропорционален его яркости, рекоменду­ется работа при более невысоких уровнях яркости — до 1 000 кд/м². Достигаемое значение контрастности 5 000:1 (поданным некоторых ис­точников, выше), угол обзора — около 170°. OLED-устройства имеют низ­кое энергопотребление, малый вес и толщину.

Основные проблемы, стоящие перед разработчиками OLED- дис­плеев, заключаются в достижении более широкого цветового охвата и увеличении срока службы излучающих материалов. Цветовая палитра задается подбором определенных композитных материалов, выбор кото­рых весьма ограничен. Для выравнивания спектра в основной свето-эмиссионный материал приходится добавлять фосфоресцентные и лю­минесцентные вещества, свойства которых быстро ухудшаются со вре­менем, причем особенно сильно под действием яркого света и высокой температуры. Деградация цветовых компонентов происходит неравно­мерно, что вызывает нарушение цветового баланса.

Дисплеи на основе органических светодиов применяют в сотовых телефонах, трЗ-плеерах, цифровых фотокамерах и т. п. с конца 1990-х гг. В 2000 году начато производство компьютерных мониторов, а в 2005 — •телевизоров. Ведущими компаниями на этом рынке являются: Samsung, Pioneer, Philips, RiTDisplay Corp., Univision Technology Inc.

Светодиодьт на основе квантовых точек (QDLED — quantum dot ^LED) — °Ана из последних разработок в области светодиодных техноло­гий устройств отображения информации.

Под квантовой точкой понимают полупроводниковую нанострук­туру, в которой движение носителей зарядов квантовано в трех измере­ниях. Применительно к светодиодам в квантовых точках чаще исполь­зуются селенид кадмия, образующий «ядро», и сульфид цинка, выступа­ющий в качестве ограничивающей «оболочки». Свечение такой точки образуется в результате перехода электронов с высокого энергетического уровня на более низкий с испусканием фотонов. Механизм изменения цвета свечения светодиода (т. е. изменения длины волны испускаемого света) заключается в изменении размеров квантовой точки: чем больше точ ка, тем больше длина волны испускаемого света, и наоборот. Получив полупроводниковую наноструктуру необходимого размера, возможно получить светодиоды со свечением от синего до красного цветов.

Преимутцествами светодиодов на основе квантовых точек явля­ются высокая яркость их свечения, невысокая стоимость производства, широкий диапазон получаемых цветов. Последнее является особенно важным для качественной цветопередачи. Сегодня ведутся активные разработки устройств отображения с использованием светодиодов на основе квантовых точек.