Органические светодиодные мониторы (OLED)

В 1987 году группа исследователей из Eastman Kodak опубликовала статью в Applied Physics Letter, где описала принцип создания электролюминесцентных устройств на основе органических материалов, излучающих свет под воздействием электрического поля. В настоящее время эти устройства называются OLED (Organic Light Emitting Device, OrganicLight Emitting Diode). Иногда эти устройства называют также OED (OrganicElectroluminescent Device).

OLED представляет собой монолитный тонкопленочный полупроводниковый прибор со светоизлучающей поверхностью, состоящий из ряда тонких органических пленок, которые размещены между двумя тонкопленочными проводниками. Светоизлучающая поверхность образована множеством одновременно излучающих свет ячеек (пара катод – прозрачный анод). Причем электроды могут быть изготовлены либо методом напыления, либо методом литографии.

Цвет, эффективность и интенсивность излучения приборов OLED зависят от использованных органических материалов, которыми определяется многообразие воспроизводимых дисплеем цветов. В приборах OLED используются два класса органических материалов. Это макромолекулы и полимеры. На данный момент приборы на основе макромолекул (SM-OLED = Small Molekular-OLED) опережают приборы на основе полимеров (PLED) по квантовой эффективности и сроку службы.

Достоинства приборов OLED следующие:

1. низкое напряжение питания (3–10 В);

2. широкий угол обзора (более 160°);

3. малое время запаздывания (около 10 микросекунд);

4. могут работать в широком диапазоне температур (от –40°C до 80°C);

5. равномерно и без мелькания излучают яркость от нескольких кд/м² (для ночной работы) до очень высоких яркостей (10000 кд/м²);

6. тонкий экран.

Основные усилия разработчиков OLED-мониторов сегодня направлены на уменьшение старения и увеличение срока службы полноцветных приборов, повышение чистоты цвета, получение эффективного белого цвета.

OLED-мониторы требуют надежной герметизации, потому что органические флуоресцентные материалы чрезвычайно чувствительны к влажности.

Уже в настоящее время OLED-монитор Kodak NuVue используется в универсальном коммуникаторе, созданном компаниями Eastman Kodak и Intel. Монитор обладает углами обзора до 165°, воспроизводит яркие (до 120 кд/м²) и четкие изображения, хорошо различимые даже в условиях высокой внешней освещенности. Компания Toshiba Matsushita Display реализовала в 2003 году OLED-монитор с размером экрана 17 дюймов по диагонали, который имеет физическое разрешение 1280х768 пикселей, воспроизводит 262144 цветовых оттенка и 64 градации серого, яркость от 100 до 300 кд/м².

 

PLED-мониторы

PLED-мониторы (PLED = Polymer LED) являются разновидностями OLED-мониторов (их также называют LEP = Light Emitting Plastics, Light Emitting Polymer) используют полимерные материалы (пластики), обладающие свойствами проводимости и полупроводимости. Полупроводящий пластик под действием электрического тока может испускать фотоны. Данное направление было заложено в 1988 г. профессором Кембриджского университета Ричардом Френдом (Richard Fried).

Светоизлучающие полимеры – это одна из разновидностей так называемых сопряженных полимеров, которые, будучи расположенными между электродами, при подаче напряжения излучают свет. Примером таких полимеров являются полифениленвинилен (PPV- polyphenylene-vinylene) и циано-PPV (CN-PPV). О способности полупроводящих пластиков под действием электрического тока испускать фотоны, т.е. светиться, известно давно. Но крайне низкая (0,01 %) квантовая эффективность (отношение числа испущенных фотонов к числу пропущенных через вещество зарядов) делала практическое применение этого эффекта невозможным.

Устройство LEP-монитора приведено на рис. 2.15. Слои полимера наносят на прозрачную подложку. Напряжение, подаваемое на электроды, выбивает фотоны из двух слоев пластика: PPV – CN-PPV. Незначительное влияние соседних ячеек, обусловленное хорошими изоляционными свойствами полимера, позволяют формировать изображение из самых малых элементов. Поэтому теоретически можно получить очень высокое разрешение изменением числа электродов на единицу протяженности по горизонтали и по вертикали. LEP-мониторы имеют и другие достоинства.

Рис. 2.15. Устройство LEP-монитора:
1 – верхний электрод; 2 – CN-PPV; 3 – PPV;
4 – прозрачный электрод; 5 – подложка; 6 – свет

Так как пластик сам излучает свет, не нужна подсветка и прочие конструктивные сложности, необходимые для получения изображения на LC-мониторе.

LEP-монитор обеспечивает 180-градусный угол обзора, работает при низком напряжении питания (менее 3 В), имеет малый вес, поэтому его можно использовать в портативных устройствах, питающихся от химических источников тока.

Данный тип мониторов имеет очень малое время переключения (менее 1 микросекунды!), что делает их предпочтительными для вывода движущихся изображений.

LEP-мониторы позволяют обеспечить высокую контрастность, так как слои пластика очень тонки и можно использовать специальные поляризующие покрытия.

Кроме того, многие стадии производства LEP-мониторов совпадают с аналогичными стадиями производства LC-мониторов, что позволяет это производство легко переоборудовать и, следовательно, удешевить, используя уже имеющееся оборудование.

Немаловажно также и то, что технология LEP позволяет наносить полимерные слои на гибкую подложку большой площади, что дает возможность создавать средства визуализации произвольной формы.

Главный недостаток LEP-мониторов – непродолжительный, даже по сравнению с LC-мониторами, срок службы.

 

FED –мониторы

В FED – мониторах (Field Emission Display) используется эффект автоэлектронной эмиссии (поэтому их также называют мониторами на базе автоэлектронной эмиссии).

Напомним, что автоэлектронная эмиссия (туннельная, полевая)- испускание электронов поверхностью твердых тел и жидкостей под действием сильного электрического поля.

Одним из вариантов построения FED-визуализаторов является так называемая технология SED (Surface-conduction Electron-emitter Display), над которой еще в 1986 году начала работать корпорация Canon. В 1999 году к проекту подключилась корпорация Toshiba. В октябре 2004 года на выставке перспективных технологий CEATEC’2004 (Combined Exhibition of Advanced Technologies) они продемонстрировали первый прототип SED-визуализатора. Диагональ экрана у этого устройства составляла 36 дюймов, а контрастность изображения – 8600:1. Одним из основных преимуществ данного устройства была не столько его толщина – 7мм (толщина современной плазменной панели составляет несколько сантиметров), сколько сниженное энергопотребление: SED потреблял всего 160 Вт, тогда как ЖК-монитор с такой же диагональю экрана – 200 Вт, а PDP – 350 Вт.

Упрощенная структура SED – панели Canon приведена на рис. М.

 

 

Рис.М Упрощенная конструкция SED – панели Canon

 

Панель образуют две параллельно расположенные стеклянные пластины, из пространства между которыми как и в ЭЛТ откачан воздух. На переднее стекло нанесены точки люминофора трех основных цветов (как в традиционном кинескопе), на заднее – структура проводников – катодов с точками окиси палладия, каждая из которых разделена на половинки нанометровой щелью. Эти точки и служат источником электронов. Это новшество и применила Canon в SED –панелях в отличие от разработок других компаний, которые использовали в качестве источника электронов конические штыревые молибденовые эмиттеры электронов (Spindt tip), производство которых оказалось очень дорогим, а следовательно, и нереальным применительно к панелям большой площади.

В SED –панели для испускания электронов к половинкам точек палладия прикладывается напряжение и благодаря туннельному эффекту происходит эмиссия электронов. Туннельный эффект – прохождение через потенциальный барьер микрочастицы, энергия которой меньше высоты барьера.Эффект объясняется разбросом энергий частиц в области барьера согласно соотношения неопределенностей для энергии и времени. Напряжение ускорения, обеспечивающее попадание электронов на люминофор, прикладывается между катодом и металлизированной подложкой слоя люминофора.

Структура катодов наносится на заднее стекло методом трафаретной печати, а затем на нее уже методом струйной печати наносятся микроскопические точки окиси палладия.

Так как между стеклянными пластинами создается разрежение, то они под действием атмосферного давления начинают прогибаться внутрь, для исключения этого внутри панели ставятся распорки.

SED –панели имеют следующие положительные свойства:

· малая толщина (меньше, чем у LC- и PDP- мониторов);

· идеально плоская поверхность экрана;

· отсутствуют теоретические ограничения площади экрана, присущие ЭЛТ;

· цветопередача соответствует цветопередаче в PDP;

· малое время отклика (2-3 мс);

· большой угол обзора (180º);

· преобразование электрической энергии в свет происходит с высокой эффективностью (5 люменов на ватт), поэтому они потребляют не более половины энергии, необходимой монитору на кинескопе такого же размера экрана, и только треть от того, что требуется плазменной панели того же размера;

· отсутствуют вредные излучения.

В 2004 г. Canon и Toshiba создали совместное предприятие SED Inc., которое в 2006 г. на выставке CEATEC’2006 продемонстрировали SED-телевизор с диагональю 55 дюймов (см. рис.2). Сроки массового выпуска SED-телевизоров постоянно переносились: в 2004 году было обещано начать производство SED-телевизоров в августе 2005 года, в 2006 году – в конце 2007 года. В январе 2007 года появилось сообщение, что компания Nano – Proprietary подала иск против указанных компаний. Позже было объявлено, что Canon выкупит долю Toshiba в SED Inc. и начнет производить SED- мониторы на своем собственном заводе в небольших количествах. Однако на выставке GES 2007 были продемонстрированы PDP - мониторы и LC-мониторы с задней подсветкой, обеспечивающие контрастность, сравнимую с SED (100000:1), что привело к закрытию проекта в компании Canon.

Развитием технологии FED на современном этапе является технология CNT-FED, которая использует углеродные нонотрубки CNT (Carbon Nano Tubes). Нанотрубка – это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены вершинах правильных шестиугольников.

 

 

 

 

Рис. 2 SED-телевизор с диагональю 55 дюймов, продемонстрированный на выставке CEATEC’2006

Напомним, что нонотрубки открыл в 1991 году японский профессор Сумио Иодзима и они наряду с другими полиморфными модификациями (графитом, алмазом, фуллеренами (бакиболами)) являются аллотропным состоянием углерода. Структура нонотрубки приведена на рис. 3.

 

Рис. 3 Углеродная нанотрубка под различными углами зрения (с торца, сбоку, под углом)

 

Принцип работы CNT-FED – монитора иллюстрирует рис. 4. Под воздействием напряжения, прикладываемого к одному из концов пучка нанотрубок (эмиттер электронов), с других их концов начинают испускаться электроны. Под воздействием разности напряжений между катодом и анодом электроны ускоряясь перемещаются к аноду и бомбардируют расположенный перед эмиттером электронов люминофор, который светится соответствующим цветом. Получающееся при этом зерно изображения может быть очень мелким - порядка микрона.

Рис. 4 Упрощенная конструкция CNT-FED – монитора:

1 – стеклянная подложка; 2 – анод (алюминиевая пленка); 3 – люминофор, излучающий при бомбардировке электронами свет красного, синего, зеленого цвета (соответственно подпикселу); 4 - поток электронов, излучаемый пучком нанотрубок; 5 – CNT-эмиттер (пучок нанотрубок); 6 – ограничители (gate); 7 – диэлектрик; 8 –катод; 9 – стеклянная подложка.

Относительно перспектив массового применения таких мониторов существуют различные точки зрения. Тайваньские компании (Chi Mei Optoelectronics, HannStar Display, Chunghwa Picture Tubes) высказывают скептицизм в отношении перспектив FED. Прогноз Министерства экономики, торговли и промышленности Японии (METI) более оптимистичен. Согласно его к 2010 году мировой объём продаж FED – мониторов, созданных на базе актуальных к тому времени технологий, вырастет до 5 ÷ 22 млрд. долларов, превысив продажи плазменных панелей (их будет реализовано всего на 2 ÷ 6 млрд. долларов). При этом средняя розничная цена 42 – дюймовой FED – панели составит $450, тогда как стоимость PDP с такой же диагональю к указанной дате опуститься лишь до $680, а LCD будут стоить ещё на 10 ÷ 15 % дороже. В таблице приведен прогноз METI Японии по характеристикам различных 50 – дюймовых панелей, которые ожидаются к 2010 году.

Таблица

Характеристика	LCD	PDP	CNT-FED	OLED
Потребляемая мощность, Вт
Угол обзора, град.	160-170
Срок службы, тыс. час
Время отклика, мс				0,001
Разрешение, точек на дюйм				Более 70