Glejmo organsko

Tanka revolucija, ki je monitorje s katodno cevjo nadomestila z zasloni s tekočimi kristali, ni mogla mimo neopaženo, saj ni poskrbela le za boljšo in za oko prijaznejšo sliko, temveč je prinesla vidno spremembo monitorjev. Tehnološko enako revolucionaren je prehod na organske svetleče diode (OLED), ki pa bi ga zlahka po krivici spregledali.

Zasloni OLED bodo v prihodnosti upogljivi.

Če pogledate v specifikacije svojega pametnega telefona, boste bržkone opazili, da ima zaslon AMOLED, kar pomeni organske svetleče diode z aktivno matriko. Pomislili bi, da gre za podobno tehnologijo kot pri zaslonih na tekoče kristale. Oboji so tanki, svetli in brez nadležnega utripanja. Tudi dražji televizorji LED imajo globoko v specifikacijah zapisano LCD-LED. Nadgradnja tekočih kristalov, torej? Ne.

O tehnologiji LCD smo pisali že večkrat, zato zvedavega bralca za podrobnosti o delovanju napotimo v arhiv (12/2004, 02/2007, 11/2009, 07/2012). Za tokratno razumevanje zadostuje razjasniti le najosnovnejša načela. Tekoči kristali so podolgovate molekule, ki se v električnem polju uredijo v isto smer. V LCDjih z električno napetostjo spreminjamo njihovo orientacijo in s tem uravnavamo delež prepuščene svetlobe. Za matriko je nameščen vir svetlobe, ki je v cenejših LCDjih fluorescenčna sijalka, v izvedbi LCD-LED pa svetleče diode.

Pravih zaslonov LED, kjer neposredno uravnavamo svetlost posameznih diod, praktično ni. Počno pa to zasloni OLED, ki so zato tako drugačni.

Diode

Poglejmo, kako delujejo diode. Dioda je sestavljena iz dveh plasti polprevodnika, na primer iz silicija, kjer eno dopiramo z manjvalentnimi, drugo pa z večvalentnimi elementi. P-dopirana plast ima višjo koncentracijo vrzeli (nosilcev pozitivnega naboja), n-plast pa elektronov glede na čisti polprevodnik. V okolici stika p-n elektroni difundirajo iz n-plasti v p-plast. Rekombinacija vrzeli in elektronov povzroči plast brez nosilcev naboja in pripadajočo difuzijsko napetost.

Zaradi tega so diode prevodne le, če katodo (n-plast) priključimo na negativni pol, anodo pa na pozitivnega. V tem primeru elektroni iz n­-plasti prek stika tečejo v p-plast, vrzeli pa v nasprotni smeri, in se rekombinirajo. Dioda ima seveda svojo upornost, zato se moč, ki se na njej troši, pretvarja v toploto. Namenjene so regulaciji toka in napetosti, zato je gretje nezaželen stranski učinek, ki predstavlja izgube.

Če pa diodo izdelamo iz ustreznega materiala, del energije odda v obliki fotonov. Na otip je takšna dioda hladna, saj se velika večina energije odda kot svetloba in ima visok izkoristek.

Neposredni in posredni prehodi

Za prevajanje električnega toka sta pomembna valenčni pas, kjer najdemo zunanje elektrone, in prevodni pas, kjer se lahko prosto gibljejo. V kovinah se prekrivata, zato prevajajo tok, v izolatorjih pa je energijska razlika med njima velika. V polprevodnikih sta razmaknjena, a zelo blizu.

Ko se elektron vrne iz prevodnega pasu v valenčnega, odda energijo – ohraniti se morata tako energija kakor kvaziimpulz. Kadar imata valenčni in prevodni pas minimum pri istem valovnem vektorju, elektron energijo odda v obliki fotona in dioda sveti. Kadar pa minimuma nista pri istem valovnem vektorju, dioda ne sveti. Predstavljamo si lahko, da elektron energije ne odda fotonu v enem sunku, temveč se zlagoma porazgubi v kristalni rešetki.

Zgodovina svetlečih diod

Že leta 1907 so v Marconi Labs odkrili elektroluminiscenco pri silicijevem karbidu. Isti pojav je leta 1921 neodvisno odkril ruski fizik Oleg Vladimirovič Losev in pripravil prvo svetlečo diodo. Njegovo odkritje je ostalo večidel neopaženo, dokler niso v 50. letih začeli razvijati polprevodniških elementov.

Prve svetleče diode so svetile v infrardeči svetlobi in šele leta 1962 smo dobili prvo, ki je oddajala rdečo barvo. Tedaj so bile svetleče diode drage in z zanič izkoristkom (zgolj 0,1-1 lumen/W). Tehnologija je napredovala in sčasoma smo dobili rumene in zelene diode, ki so bile cenejše in zelo svetle. Po drugi strani je bilo odkritje svetlečih diod z visoko svetilnostjo ključno za razvoj prenosa podatkov po optičnih vlaknih, kjer potrebujemo učinkovite in ne preveč potratne vire svetlobe.

Za razsvetljavo prostorov in osvetljevanje zaslonov zelenordeča kombinacija ne zadostuje; hočemo belo svetlobo, torej potrebujemo še modro svetlobo. Dolgo časa je kazalo, da je valovna dolžina modre svetlobe predolga in ni materialov, ki bi jo oddajali v diodah. Japonski raziskovalci so vztrajali pri iskanju ustreznih materialov in leta 1994 je bil njihov trud poplačan, za to so letos prejeli Nobelovo nagrado.

Diode iz indij-galijevega nitrida (InGaN) svetijo modro. Že pred letom 1994 so vedeli, da galijev nitrid oddaja modro svetlobo in da ni primernejšega materiala. Toda nihče ni znal pripraviti tega materiala v dovolj čisti in kristalinični obliki.

Modre svetleče diode niso omogočile le izdelave zaslonov, temveč so nepogrešljive tudi v tehnologiji blu-ray in zdaj že propadlem HD DVD.

Bele svetleče diode imajo podoben spektralni izsev kot Sonce. Vir: SPIE

Trije temeljni načini priprave barv v zaslonih OLED: a) ločena barvna OLED za vsak subpiksel, b) emisija modre OLED in sprememba barv, c) izsev bele OLED in barvni filtri. Vir: Geffroy et al. Polymer International 55, 2006, 572–582

Modra, zelena in rdeča v belo

Za pripravo bele svetlobe je prav modra svetleča dioda ključna, uporabljamo pa jih na tri različne načine. Belo svetlobo lahko pripravimo tako, da uporabimo ločene modro, zeleno in rdečo diodo, katerih skupno svetlobo naše oči zaznajo kot belo svetlobo. Problem tega načina je različno posameznih staranje diod in s tem povezano zmanjšanje svetilnosti ter drsenje barve.

Uporabimo lahko tudi pristop, ki ga poznamo iz fluorescenčnih sijalk. Z ultravijolično ali modro svetlečo diodo obsevamo tribarvni fluorescenčni premaz, ki absorbira kratkovalovno sevanje in ga oddaja pri daljših valovnih dolžinah, torej kot svetlobo želene barve. Tretji način je uporaba barvnih filtrov.

Žal bela ni enaka beli. Oko kot belo svetlobo zaznava različne porazdelitve posameznih valovnih dolžin, predmeti pod posamezno osvetlitvijo pa so potem videti drugače. Prava »bela« barva ustreza spektru, ki ga seva Sonce. Temu se tudi z najboljšimi belimi svetlečimi diodami lahko le približamo.

Organske svetleče diode

Nobenega razloga ni, da bi svetleče diode izdelovali le iz anorganskih materialov. Že v 60. letih je postalo jasno, da lahko tudi številne organske molekule izkazujejo elektroluminiscenco. Razvoj je hitro napredoval in v naslednjih desetletjih smo dobili tanke filme in naposled svetleče diode iz organskih materialov. Leta 1987 so prvo izdelali v Kodaku in je bila že zelo podobna današnjim komercialnim OLED. Zdaj razvoj zajema tudi P-OLED, kjer uporabljajo daljše (polimerne) organske molekule.

Sestava in fizika delovanje OLED je zelo podobna kot pri anorganskih svetlečih diodah, le terminologija je malce drugačna. Sestavlja jih vsaj pet plasti: negativno nabita katoda, ki predstavlja vir elektronov, emisijska plast, kjer nastaja svetloba, prevodna plast za prenos vrzeli, pozitivno nabita anoda ter steklena plast. Katoda je iz kalcija, barija ali podobnega materiala z zaščitno plastjo iz aluminija, anoda pa iz prosojnega indij-kositrovega oksida. Emisijska in prevodna plast sta analogni plastema p in n v klasični diodi. Materiali, iz katerih sta ti plasti, so ključni za delovanje organske svetleče diode in jih izdelovalci neradi razkrivajo, gre pa za organske molekule s konjugiranimi sistemi elektronov π. Natančna sestava, primesi in postopek priprave pa so dobro varovana skrivnost. Moderne OLED imajo še pomožne organske plasti, ki povečujejo mobilnost elektronov in vrzeli.

Aktivni del svetleče diode stisnejo v sendvič, ki ima na enem koncu trden substrat, ki je lahko plastičen, steklen ali kovinski, na drugem koncu pa steklo. Odvisno od namena in izdelave lahko svetlobo sevajo spodaj (skozi substrat) ali zgoraj (skozi zaščitno stekleno oziroma plastično plast).

Najtežji del izdelave svetlečih diod je nanos na substrat. V rabi so tri tehnologije. Prva se imenuje vakuumska termična evaporacija (VTE), pri čemer organske molekule segrejemo do izparevanja, potem pa se počasi kondenzirajo na tankem filmu substrata; to gre počasi in z nizkimi izkoristki. Nanos iz organske parne faze (OVPD) je podoben, le da uparjene organske molekule na substrat vodi nosilni plin, to pa poveča izkoristke. Najcenejši način izdelave je brizganje (inkjet), kjer organske molekule na substrat pršimo.

Delovanje je potem zelo podobno kot pri navadnih diodah. Elektroni tečejo od katode proti anodi, vrzeli pa se premikajo v nasprotni smeri. Ob rekombinaciji v emisijski plasti nastajajo fotoni. Medtem ko pri diodah govorimo o prevodnem in valenčnem pasu elektronov, govorimo pri organskih molekulah o najnižji nezasedeni molekulski orbitali (LUMO) in najvišji zasedeni molekulski orbitali (HOMO). Od energijske razlike med njima je odvisna valovna dolžina svetlobe.

Shema prehoda elektronov v organski svetleči diodi, ki ima več organskih plasti. Vir: Reineke et al. Rev. Mod. Phys. 85, 2013, 1245–1293

Zasloni z OLED

Pri zaslonih z OLED so vir svetlobe same organske svetleče diode. Sliko spreminjamo neposredno s krmiljenjem svetilnosti posameznih diod, zato sta osvetlitev in prikazani prizor neposredno povezana. S tem odpade potreba po filtru (tekoči kristali), to pa ima številne pozitivne učinke.

Taki zasloni so tanjši, ker imajo manj sestavnih delov. Aktivni organski del je debel vsega 100–150 nanometrov, vse drugo je krmilna elektronika. Manj energije porabijo iz treh razlogov: ker ne potrebujemo energije za krmiljenje tekočih kristalov, ker temne tone in črno barvo dosežemo z zmanjšanjem svetilnosti in ne z zaporo svetlobe in ker med virom svetlobe in uporabnikom ni filtra, zato sme vir svetiti šibkeje. Zato imajo boljši kontrast in prikaz črne barve.

Obenem imajo zasloni OLED izvrstne odzivne čase, ki so odvisni le od hitrosti vklapljanja diod in so praviloma krajši od milisekunde. Njihova največja odlika pa šele prihaja do izraza in bo krojila prihodnost. Zaradi tankosti in prosojnosti materialov je mogoče izdelati prosojne in upogljive zaslone (FOLED).

Omenimo tudi njihove slabosti. Poglavitni problem je staranje, kar je pri uporabi organskih diod še bolj očitno. Njihova svetilnost sčasoma upada in se prepolovi v 5000–10.000 urah delovanja, odvisno od osvetljenosti. Pri šibkejši osvetljenosti je njihova življenjska doba daljša, zato jih izdelovalci ne priganjajo do skrajnih zmožnosti in je bela nekoliko manj svetla.

 Ker je staranje najhitrejše pri modrih diodah, izdelovalci uporabljajo različne zvijače, da slika sčasoma ne rumeni. Nanje kvarno vplivajo tudi ultravijolično sevanje in voda, ki lahko uničijo organske molekule v notranjosti. Prehoden problem pa je cena, saj so zasloni OLED trenutno še precej dražji od LCDjev.

Na začetku svoje poti so LCDji nastopali v dveh kategorijah: z aktivno in pasivno matriko, danes pa so slednji praktično izumrli. Aktivna matrika pomeni, da ima vsaka točka oziroma dioda svoja tranzistor in kondenzator, ki skrbita za krmiljenje. Pri zaslonih OLED se aktivna matrika še aktivno poudarja (AMOLED), a bo sčasoma to postalo samoumevno in nepotrebno. Zaslone s pasivni matriko (PMOLED) najdemo le še v kakšnih predvajalnikih glasbe in podobno, kjer je kakovost slike manj pomembna.

Shematski prikaz sestave vira svetlobe OLED Vir: Sun & Forrest. Nature Photonics 2, 2008, 483–487.

Pri zaslonih OLED uporabljamo trenutno dva glavna načina priprave barve. Uporaba diod treh osnovnih barv – vsake za eno podtočko (subpiksel) – za reprodukcijo barvne palete je logična in ne potrebuje razlage. Precej zanimivejši pa je način, ko pripravljeno belo svetlobo pošljemo skozi barvne filtre, da obarvamo posamezno podtočko. Čeprav se zdi to nepotrebno dvojno delo in korak nazaj, ima svoje prednosti. LG je med vrsticami povedal, so zasloni OLED z belimi diodami in barvnimi filtri cenejši, dolgoživejši in predvsem laže raztegljivi na velike površine. Televizorji OLED z diagonalami 40 in več palcev bodo zagotovo uporabljali to drugo možnost.

Upogljivost in prosojnost

Najočitnejša prednost novih zaslonov je upogljivost in prosojnost. To seveda ne pomeni, da bodo novi televizorji zložljivi, monitorji pa oviti. Ti bodo ostali funkcionalno nespremenjeni, a tehnologijo OLED je mogoče uporabiti za izdelavo izjemno tankih zaslonov v filmu, ki so v izključenem stanju skorajda prosojni, pa še upogljivi.

To si lahko privoščimo, ker je mogoče pri izdelavi uporabiti same prosojne komponente. Te je mogoče zelo stanjšati, ker ne potrebujemo posebnega vira svetlobe – diode so obenem vir svetlobe in krmilni mehanizem. Najtanjši filmi z OLED so debeli manj kot mikrometer. Če namesto stekla za substrat uporabimo polietilen teraftalat, lahko nanj natisnemo organske molekule in dobimo upogljiv zaslon OLED. Takšni zasloni tudi niso krhki, ker plastika ne poka.

Izvedbi sta seveda dve. Upognjen, zaobljen, ukrivljen ali kako drugače neraven zaslon lahko izdela že izdelovalec, ki uporabniku ne omogoči nadaljnjega zvijanja. Take primerke imamo že naprodaj, denimo telefon Samsung Galaxy Round ali LGjev ukrivljeni televizor. Pravi upogljivi zasloni, ki jih bo lahko uporabnik zvijal med delovanjem, pa so za zdaj še prototipi. Če jih bodo všili na obleke, jih bomo v prihodnosti lahko kar oblekli.

Večina novejših pametnih telefonov že uporablja zaslone (AM)OLED, nekateri pa so celo ukrivljeni.

Prihodnost je svetla

OLED je v prenosnih napravah že običajen, v monitorjih in televizorjih pa tudi trka na vrata. Raziskovalni laboratoriji pa že pridno iščejo alternative. Kakor je OLED združil uravnavanje osvetlitve in pripravo svetlobe, bodo OLET (organski svetleči tranzistorji) lahko pridružili še funkcijo matrike, ker bodo svetlobo oddajali že sami tranzistorji.

Zelo zanimiv potencialni mehanizem za pripravo zaslonov so kvantne pike (quantum dots), ki jih bomo morda nekoč našli v zaslonih QLED. To so zelo majhni kristali polprevodnikov (manj kot 100 nm), obdani s plastjo drugega materiala. Ker so tako majhni, izkazujejo kvantne učinke, obenem pa je njihovo obnašanje bolj kakor od kemijske sestave odvisno od same velikosti. Raziskave kažejo, da bi lahko z njimi izdelali zaslone, ki bodo verneje reproducirali barve, ker je porazdelitev valovnih dolžin izsevane svetlobe bolj podobna Sončevi, pa še s spreminjanjem velikosti pike jo lahko fino nastavljamo.

LG je predstavil prve ukrivljene televizorje OLED.

Nekoliko dlje v razvoju so zasloni na poljsko emisijo (FED, field emission diplay), ki so zanimivi hibridi med starimi zasloni s katodno cevjo in LCDji. Sestavlja jih matrika drobnih katodnih cevi, ki imajo vsaka svoj elektronski top, na drugi strani pa fosforni premaz. Vsaka osvetljuje svoj subpiksel, s čimer združujemo prednosti monitorjev s katodno cevjo (kontrast in hiter odzivni čas) in s tekočimi kristali (nizka poraba energije, tankost). To tehnologijo so intenzivno preiskovali že pred dvajsetimi leti, pa jo je potem razmah LCDjev nekoliko zatrl, zdaj pa spet postaja aktualna, čeprav izdelkov še nekaj časa ne bo.

Tabela z rezultati [PDF]