Несмотря на то что технологии устройств отображения информации консервативны (вспомните, например, сколько просуществовала ЭЛТ), это не означает, что альтернативы LCD нет. Обычные светодиоды, например, постепенно переходят на органическую основу.
В згляните на современный топовый LCD-монитор или дисплей крутого мобильника: наверняка вы отметите четкость линий, богатство цветов.… И даже не пытайтесь разглядеть отдельный пиксель невооруженным глазом. Но, оказывается, путь к совершенству на текущих новинках не завершается, потому что разработчики находятся в постоянном поиске, процессе улучшения. В данном случае речь пойдет об уже реализованной перспективной альтернативе.
Принцип работы, физика
Для начала немного теории, а конкретно суть и принцип работы так называемого p-n-перехода (p-n junction). Устройство на первый взгляд предельно простое: состыкованные в одно целое части из полупроводникового материала, легированные различными примесями, с металлическими «затворами». Последние имеют контактные выводы для подачи напряжения. Одна из половинок подвергается внедрению определенных атомов (акцепторов), к примеру бора или алюминия.
Эти химические элементы, обладая свободными электронами, стремятся «утащить» у атома, например кремния, себе еще «e». Вторая часть – p-типа, но здесь механизм строго обратный: специально добавленные в кристаллическую решетку примеси (фосфор, мышьяк, сурьма, и не только) делятся отрицательными частицами с кремнием.
На всякий случай напоминаю, что ток в p-n-переходе инициируется прикладыванием напряжения (его также именуют напряжением смещения), поскольку в равновесном состоянии «e» не переходят границу. В реальности физика работы намного сложнее, ведь имеются утечки и прочие тонкости, мы их рассматривать не будем. Только скажем, что на принципе p-n-перехода основана работа базовых полупроводниковых деталей с нелинейной вольт-амперной характеристикой (биполярных транзисторов, диодов), они «открываются» при некоторой разности потенциалов и пропускают ток в одном направлении. Эти элементы – базовые кирпичики любой электроники.
Совершенно невозможно согнуть LCD-панель, она попросту лопнет. Каким бы футуристичным ни был дизайн устройства, при нынешнем уровне технологий экран его остается плоским…
Далее перейдем к теории процесса внутри только что описанной структуры. Соединили мы, значит, два разнородных кусочка, к примеру, из кремния. Свободные электроны стремятся в положительно заряженную область, «p», а положительные «дырки», «h» соответственно, в отрицательную область – «n». Представьте себе, например, тесный автобус, в котором много сидячих мест, а протиснуться на заднюю площадку, не заставляя людей вставать, невозможно.
Если кому-то из пассажиров салона понадобилось выйти, он покидает салон через люк в крыше. Это – свободный электрон. На его месте появилась та самая «дырка» – пустое кресло. Оставшиеся в автобусе пассажиры, пересаживаясь на соседние кресла, поочередно заполняют образовавшуюся пустоту. А движение заряженных частиц и есть электрический ток.
По обе стороны от границы перехода формируется ОПЗ, область пространственного заряда (обеднения), потому что «e», покидая исходное свое положение, оставляют положительно заряженные ионы в «n»-«половинке» полупроводника. Также близ раздела «p»-«n» в эту часть диффундируют «дырки» «h» («e» аналогично проникают в «p»-регион). Интересен тот факт, что накапливающиеся носители создают электрическое поле, препятствующее чрезмерному увеличению числа как «e», так и «h».
Чтобы вызвать ток, следует подать напряжение, к примеру, «плюс» к «p»-региону и «минус» к «n», в итоге «дырки» из «p» устремятся в «n», электроны – наоборот. Суть в том, что приложенный положительный (отрицательный) заряд не позволяет «h» («e») перетекать в «p» («n»). В итоге ОПЗ сужается, так как сокращается расстояние между «e» и «h», как следствие, уменьшается величина потенциального барьера. Иными словами, при росте внешнего напряжения, в описанном случае называемого прямым смещением, все большее число носителей способно перейти границу. Таков принципиальный механизм работы p-n-перехода, за уточнениями и дополнениями при желании следует обратиться к специализированной литературе.
Но на повестке дня у нас OLED, он же органический светодиод, в основе работы которого лежит принцип электролюминесценции. Особый полупроводниковый материал находится между двумя электродами и излучает свет при пропускании электрического тока. Происходит это так: возбужденные электроны («e») выделяют энергию при рекомбинации (столкновении, в котором обе частицы погибают) с «дырками» («h») в виде порций света, называемых фотонами.
Частицы «e» и «h» стремятся друг к другу благодаря электростатическому притяжению, причем последнее в случае протона и электрона примерно на сорок порядков сильнее их гравитационного взаимодействия. К слову, «дырками» называют отсутствующие, недостаточные для равновесия отрицательные частицы «e». По сути, это просто удобная для понимания договоренность, на самом деле неких положительных носителей заряда не существует.
Заметьте, что OLED и LED родственны по принципу действия – электролюминесценции, но в них применены разные материалы: основа первых – многослойная органическая структура, во вторых светится неорганический полупроводниковый кристалл. Технология допускает изготовление OLED-элементов в несколько слоев с целью увеличения числа актов рекомбинации электронов и «дырок» на единицу площади, соответственно, больше фотонов («порций» света) будет высвобождено, а значит, устройство становится мощнее, эффективнее.
Что касается материалов, то для основы органического элемента в случае с OLED используют включающие в себя полимеры компаунды, устройство называют в таком случае Polymer LED (PLED). Данный тип светоизлучающего элемента не потребляет много энергии, иными словами, сила излучения света высока, можно даже изготовить цветной дисплей в виде тонкой гибкой пленки. Нанесение структуры на основу напоминает струйную печать и не требует вакуумного напыления (точнее, данная технологическая операция здесь и не подходит).
Альтернативный метод заключается в использовании свойства малых молекул (small molecules OLED, SM-OLED). К сожалению, применение термического нанесения на подложку стоит дорого и не позволяет работать на малой площади, поскольку обычно происходит осаждение материала из газообразной среды. Скорее всего, потому, что невозможно эффективно ограничить желаемую область воздействия на подложку.
Классификация с иной точки зрения подразделяет OLED на устройства с пассивной или активной матрицей, последние называют AMOLED (active-matrix OLED) – наверняка вы уже встречались с данной аббревиатурой, хотя бы в рекламе. Технологически подразумевается управление каждым отдельным пикселем при помощи прослойки из массива TFT (thin film transistor, тонкопленочный транзистор). Последние здесь играют роль «ключей» для размыкания или замыкания электрической цепи, иными словами отключения или активации точки на дисплее.
Над каждым элементом обычно «трудятся» два тонкопленочных транзистора. Один обеспечивает подачу достаточного (но не избыточного) напряжения для протекания постоянного тока через OLED-пиксель. Другой запускает или прекращает заряд конденсатора, он нужен для плавности переходного процесса, для того, чтобы избежать скачка яркости. В результате, применяя быстро переключающиеся MOSFET-транзисторы (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), мы можем изготовить матрицу с малым временем отклика. Пассивные структуры по ряду причин для вывода динамичной картинки не подходят.
Можно углубиться в теорию, но по данной теме написано множество книг, обзоров, и попытка уместить всю информацию в рамках статьи вряд ли имеет смысл. Советую вам обратиться к литературе по полупроводниковой технике и микроэлектронике, и вы не пожалеете о потраченном времени. Узнаете много нового!
История создания, прогресс технологии OLED
Заставить органический материал излучать свет удалось команде исследователей во Франции еще в начале 1950-х. Эксперимент заключался в создании мощного электромагнитного поля вокруг целлюлозной пленки с внедренным так называемым оранжевым акридином (флуоресцирующее кристаллическое вещество). Необходимые с точки зрения рабочего режима требования к инжекции электронов и «дырок» описали в университете Нью-Йорка в 1960 году под руководством заслуженного профессора по имени Мартин Поуп (Martin Pope).
Упомянутая инжекция заключается в формировании высокой, избыточной концентрации носителей заряда «e» или «h», (n- или p-структуры соответственно). В классическом представлении отрицательно заряженный катод выталкивает электроны, положительный анод их собирает и вызывает нехватку в кристаллической структуре, что аналогично условному появлению «дырок», «h». Научный коллектив разработал эффективные контакты между электродами и самим веществом, позволяющие заряженным частицам легко покидать свои места, что повышает число актов рекомбинации в единицу времени.
Предшественницей OLED можно назвать разработку канадского Национального исследовательского совета 1965 года, тогда впервые удалось реализовать описанной выше механизм инжекции (грамотное название – «полная или биполярная инжекция»). При ней возникающие «e» и «h» движутся с разных сторон навстречу друг другу. Проблема в то время заключалась в первую очередь в недостаточной электропроводности «органики», преодолеть ее удалось с изобретением материала ICPs (Intrinsically Conducting Polymers) с выгодными свойствами.
Он может быть получен с использованием метода дисперсии в водной среде. Специалисты под руководством Роджера Патриджа (Roger Patridge) в Великобритании сконструировали органический светодиод на базе полимерной пленки толщиной в 2,2 мкм (микрометр, или микрон, 1 м x 10-6). В 1990 году в лаборатории Кембриджского университета удалось получить близкий к современным экземплярам прибор, сконструированный по технологическому процессу 100 нм (нанометр, 1 м x 10-9). Последующие работы в области OLED принято относить к совершенствованию предыдущих девайсов, повышению рабочих характеристик, миниатюризации.
Преимущества технологии OLED
Основной конкурент относительно слабо распространенных органических экранов, классический LCD, по некоторым параметрам и свойствам проигрывает устройствам на основе OLED. В первую очередь технология допускает изготовление гибкого дисплея: свернул его в трубочку и взял с собой. Данные устройства формируются на тонком пластиковом основании или даже встраиваются в тканевый материал, что позволяет реализовать идею «умной» одежды. Сопутствующее значимое преимущество – исключительно малый вес.
Важно отметить, что OLED самостоятельно излучает свет и не требует дополнительной подсветки, в отличие от LCD. Достигается глубокий черный цвет и заодно существенная экономия электроэнергии (в среднем на 70% меньше, чем «кушают» ЖК), поскольку отключенный пиксель ничего не потребляет.
Разумеется, обеспечивается идеальная равномерность яркости по всей площади под любым углом. Кстати, в случае жидких кристаллов, что особенно характерно для матриц типа TN, реакция ЖК на импульс несколько несогласованная, потому что без приложенной разности потенциалов в среднем слое элементов наблюдается хаотичность. Подробное объяснение приводить не буду, оно будет лишь повторением материала из UP #26 (530) «Окажись в правильной матрице».
Органика открывает перспективу для достижения удивительно малого времени отклика – порядка 0,01 мс, в то время как LCD независимо от хитрости испытателей и необъективности выбранной методики измерения менее 2 мс не демонстрирует. Важно, что, несмотря на все ценные фишки, стоимость монитора на базе OLED в будущем способна быть намного ниже относительно плазмы или экранов на ЖК. Для массового дешевого производства подходит технология осаждения из паровой фазы, о которой следует рассказать отдельно.
Вкратце: при помощи высокого напряжения ионы в газовой среде ускоряются и попадают на поверхность материала, формируя покрытие. Также допускается, к примеру, термическое разложение летучих соединений – данный процесс инициируется плазмой и может поддерживаться (усиливаться) ею. Второе название всего этого непонятного – газофазная эпитаксия, последнее слово означает направленное и закономерное нарастание слоя вещества на поверхности другого, именуемого подложкой.
Недостатки технологии OLED
Наверняка у вас уже назрел вопрос: если органические экраны настолько хороши, почему устройства с их использованием на настоящий момент редкость? Во-первых, для материала OLED характерна быстрая деградация с течением времени – срок работоспособности отдельных цветов составляет всего-то 2-3 года, что неприемлемо мало. К примеру, для голубого «живого светодиода» достаточно всего 14 000 ч работы, и его яркость снижается примерно вдвое.
Последние разработки «blue OLED» (а расчет имеет смысл вести именно по наиболее «слабому звену») способны отработать семь лет в режиме «24 / 7 / 365». Также довольно быстро интенсивности свечения элементов каналов R, G, B оказываются несогласованными, можно сказать, различные оттенки «умирают» не одновременно, баланс цветов достаточно скоро становится искаженным, неверным. Еще одна проблема – эффект следа предыдущей страницы.
Во-вторых, высокая цена по причине мелкосерийного производства и просто дорогой технологии изготовления отпугивает любого покупателя. Суть в том, что из аморфного кремния при помощи лазерного отжига получают поликристаллические низкотемпературные подложки, оборудование сложное, процесс занимает много времени. Получается замкнутый круг: с одной стороны, можно бы было заплатить несколько тысяч долларов за высочайший контраст, потрясающие углы обзора и тончайшую панель, но каков смысл траты, если через пару лет девайс неизбежно придется отправить на свалку?
В-третьих, некоторые дисплеи на OLED блекнут при внешнем свете, иными словами, пользователю попросту плохо видно экран, к примеру, в солнечный день. В общем, проблем много, а каким образом их решить и возможно ли это вообще?
Возможные пути преодоления недостатков OLED
В ходе исследований ученые пришли к выводу о том, что влага в первую очередь сокращает продолжительность жизни органических элементов. Поэтому экраны следует качественно герметизировать в вакууме, к примеру путем наклеивания сверху стеклянной пластины, заполняя пространство порошком-поглотителем воды. Дешевле при помощи пучков ионов осадить на поверхность оксинитрид кремния (SiON) толщиной 50-200 нм – этот вариант может быть использован в промышленных масштабах. Другой вопрос, каким образом предотвратить воздействие влаги на самые интересные гибкие девайсы, сворачиваемые в трубочку? Внятной информации найти не удалось.
Для преодоления особо быстрой деградации голубого некоторые разработчики целенаправленно смещают баланс цветов к данному оттенку, что не решает проблему, но оттягивает срок ее проявления. Второе, более грамотное, решение – рассчитать и выбрать размеры для субпикселей (R, G, B) так, чтобы, условно говоря, ускоренная потеря яркости Blue компенсировалась увеличенным размером пикселей других оттенков. На выставке SID (Society for Information Display) еще в 2009 году компания DuPont сообщила о некоем органическом материале, способном излучать без деградации порядка миллиона часов (более ста лет), так что «вечные» экраны на OLED – всего лишь вопрос времени.
Коэффициент отражения света металлическим катодом в экранах OLED составляет все 80%, с данным явлением борются при помощи поляризационного покрытия, что, по сути, включает в цикл производства еще один шаг – соответственно, растет стоимость конечного продукта. Хотя данный процесс есть капля в море по сравнению с прочими ценообразующими операциями.
Прибыли и перспективы
Статистика продаж OLED-экранов показывает, что за органикой – будущее. Год от года продажи OLED растут, а это означает и развитие технологий, и улучшение свойств. Но надеяться на то, что в будущем OLED-экраны вытеснят LCD-дисплеи, плазму, проекторы, наверное, не стоит. Хотя Samsung, Pioneer, LG, RiTdisplay – основные производители органических светодиодных систем, – а также альянс грандов Matsushita, Hitachi, Canon делают очень много для этого. А положительные стороны технологии уже успели оценить миллионы пользователей в телефонах, фотоаппаратах, плеерах и прочих гаджетах, у которых качество дисплея чуть ли не самый важный параметр. UP
