12.4. Органикалық наноматериал негізіндегі тарататын құралдар
12.4.1. Жалпы мағлұматтар
Бүгінгі күні ең үміттендіретін және қызықтыратын 1980 жылы Eastman Kodak компаниясымен патентталған – органикалық жарық диод технологиясы. OLED – ке үлкен қызығушылық төмендегі артықшылықтарымен түсіндіріледі: жарықтылығы және контрастысы жоғары, қосымша жарықты қажет етпейді және энергия тұтынуы аз. Соңғы 40 жылда LED (Light Emitting Diodes) жарықдиодының жарық көзі органикалық емес материалдар: GaP, GaAsP, AlGaAs. Соңғы жылдарда жарықдиодының өндіріснде InGaAlP и GaN сияқты шала өткізгішті қоспалар қолданылады. LED-құрылғылар және оның негізіндегі құралдардың негізгі кемшіліктері[68]:
Энергия тұтынуы жоғары, ұялы құрылғыларда қолдануында шектеледі;
Соққыға шыдамдылығы аз;
Жарықтылық пен контраст көрсеткіштері көп емес;
Уақыттың беру ұзақтығы (≥ 8 мс).
Қор сақтаушы технологияларды іздеу және қолданысқа енгізу мақсатында жаңа технологиялар шығарылды.
Ондай технологияға мыналар жатады:
1)төмен молекулалық органикалық заттарды ұолданатын OLED технологиясы немесе Small-Molecule OLED-SMOLED;
2)жарық шығаратын полимерлерді қолданатын PLED технология (Polymer Light Emitting Diodes) немесеLEP (Light Emitting Polymer).
12.4.2. Органикалық жарық диодтары
Аморфты жағдайдағы молекулалар тобынан тұратын p–n-түріндегі органикалық жартылай өткізгіштер қабықшалары негізіндегі алғашқы OLED
күн батареясының органикалық элементінің көгілдір сәулеленуін байқаған EastmanKodak мамандары тапқан. Біреуінде кемтіктері бар, ал екіншісінде – артық электрондары бар екі органикалық материалдардың қиылысқан аумағында, кристаллды жарық диодтарындағы секілді, фотондар эмиссиясы болуы мүмкіндігін ғалымдар анықтаған болатын. Мұнда, әлбетте, сәулеленуші элементтің ішкі қабаты жарықты кедергісіз өткізуі тиіс, бұл үшін жартылай өткізгіштік өндірісте кеңінен қолданылатын индий мен қорғасынның мөлдір оксидін (ITO) пайдалану шешілді. Нәтижесінде іс жүзінде осы уақытқа дейін өзгермеген Kodak-түріндегі құрылым пайда болды. Сонымен, органикалық жарық диоды –шыны немесе пластмасса төсеміне төселген және органикалық үстіңгі беті металл катодтармен қоршалған, мөлдір анодтар арасында орнатылған, көп қабатты құрылымы бар, қалыңдығы 100...150 нм болатын бірнеше органикалық қабаттардан (кемтікті инжекциядан, кемтік ауысуынан, жарық сәулеленушіден және электрондар ауысуынан) тұратын, монолитті қатты денелі құрылғы. Бұл құрылым 12.15-суретте көрсетілген. Құралға кернеу берілген кезде, электродтар сәйкесті органикалық қабықшаларға, электр өрісі әсерінен бір біріне қарама қарсы дрейфтелетін, фотон сәулеленімен аралық қабатта араласатын заряд тасымалдаушыларды (электрондар мен кемтіктер) инжектрлейді.
12.15 сурет OLED құрылысы
12.16 сурет Пассивті-матрицалы OLED құрылысы
OLED-панельдер өлшемдерін көп жағдайда оның түрі анықтайды – пассивті-матрицалы (PMOLED) немесе активті-матрицалы (AMOLED).
Пассивті-матрицалы OLED 12.16-суреттен байқауға болатындай, қиылысатын анодты және катодты сызықтардан құрылған көрініс элементі матрицасын білдіреді. Ішкі бақылағыштар және бейне деректерді жіберу белгісі көмегімен беру кезінде нақты бағандар мен кіру кернеуі жолдарына сәйкесті көрініс элементтері жарық түсіреді. Өтпелі ток көп болған сайын, пиксельдер сонша ашық болады. Көріністі қалыпқа келтіру үшін кернеу әр жолға N жолдар санымен экранға сканерленуге жұмсалатын 1/N уақыт ішінде берілуі тиіс. Бағандарға келетін деректерді жіберу белгісі, әдетте, 60 Гц құрайтын жолдар жаймаларының жиілігімен синхрондалған. Бұл түрдегі панельдер дайындауға жеңіл, алайда жеткілікті қымбат тұратын басқарудың сыртқы сызбаларын қолдануды қажет етеді. Сонымен бірге олар көп мөлшерде қуат пайдаланады. Үлкен ток импульстарын беру кезінде PMOLED аз мерзімді басқарулары әдетте ең үлкен жарық тиімділігіне жете алмайды, бұл диодтың өзінің тиімсіздігімен қатар, жолдардағы кедергілермен де байланысты. PMOLED тиімділігін талдау көрсеткендей, олардың негізінде 2...3 дюймнен көп емес диагональді және 100-ге дейінгі жолақтар саны дисплейлерін орындау тиімдірек. Мұндай аз ақпаратты арзан дисплейлер ұялы телефондарда, МР3-плеерлерінде және портативті электронды ойындарда кеңінен қолданылады.
Активті-матрицалы OLED шыны төсемдерде орындалады. Олардың үстіңгі беттерінде дисплейдің әрбір пикселінің жеке бағытталуын қамтамасыз ететін және осының арқасында қолданатын қуатты азайтатын жұқа қабықшалы транзисторлар (ЖҚТ) орнатылады. ЖҚТ-матрицаларын құру үшін жартылай кристалдық кремнийді (Low-Temperature PolycrystallineSilicon — LTPS) төменгі температуралық өңдеу әдісі едәуір табысты. Яғни, LTPS-төсемдерін нақты өнеркәсіптерді модернизациялау және жаңа құрылысын жүргізу барысында, жоғары рұқсат (дюймге 200 пиксельге дейін және одан жоғары) және төменгі электр пайдалануды қамтамасыз ететіндіктен қазіргі кездегі аморфті кремнийдегі жұқа қабықшалы транзисторлары бар төсемдермен алмастырылуы мүмкін.
AMOLED пайдалану кезінде қажетті сыртқы басқару сызбасының саны қысқарады және дисплей модулі мен жүйенің қалған блоктары арасындағы электрлік қосылыстар жеңілдетіледі. ЖҚТ-лі төсемдерде монокристалды кремнийде AMOLED дайындау бойынша жұмыстар да жүргізілуде, бұл жоғары шешімді микродисплейлер құру үшін ыңғайлы. Пиксельдер саны, шешу және AMOLED өлшемі іс жүзінде ештеңемен шектелмеген. Бұл түрдегі панельдер жоғары шешімді және ақпаратты мазмұнды АӨҚ, соның ішінде бейне ақпараттар мен графикалық құрылғыларды кескіндерді жүзеге асыру үшін перспективалы болып саналады. Сәулелену (түс) толқынының ұзындығы, қызмет ету мерзімі, тиімділігі жататын дисплейдің негізгі жұмыс сипаттамалары алдымен көп қабатты құрылымның органикалық материалын анықтайды. Күні бүгін органикалық жарық диодтары не қарапайым ақуыздар молекулаларынан жеңіл молекулалы, - төмен молекулалы материалдар деп аталатын материалдар негізінде (бұл жарық диодтарын OLED немесе SmallMolecule OLED — SMOLED деп те атайды), не болмаса тітіркену кезінде жарық бөліп шығаруға қабілетті полимерлердің (полимерлі LED, немесе PLED деп аталатын) арнайы тобы негізінде орындалады. PLED жасақтау саласының көшбасшысы – оларды құруға, өлшемдерін оптимизациялау үрдістеріне немесе дайындау үрдістеріне негізгі патентке ие CambridgeDisplayTechnology(CDT) компаниясы. PLED-те, әдетте, екі топ полимерлері қолданылады - полирфениленвинилендер (PPV) және полифлуоренлер (PF). Полимер төсемге бүркігіш басу әдісімен салынады. Бұл үшін полимер материалының өте жұқа қабықшалары ерітіндіге ыдыратқыш сиялар алу мақсатында орнатылады, ал арнайы бүркігіш принтер төсемге қызыл, жасыл және көк полимерлер тамшысын жағады. Шындығында, түрлі түсті сәуелену материалдары құрамды құрылымдар, яғни толық түсті дисплей құру - оңай шаруа емес. Сонда да бұл әдіс жеткілікті қарапайым болып саналады және үлкен көлемді тиімді және арзан дисплейлер дайындауға мүмкіндік береді. Сонымен, Philips компаниясы бүркігіш басу әдісімен толық түсті диагоналі 13 дюйм және 576x324 пиксельді шешімді PLED-дисплейін дайындады. Қызыл, жасыл және көк пиксельдер сәйкесті полимерлерді шашыратқыш төрт құлақты принтермен және басқарылатын пьезоэлементтермен боялды.
CDT компаниясы диагоналі 40 дюйм болатын PLED-дисплейін дайындады. Төмен молекулалы материалдар негізінде OLED өндіру жоғары шешімді толық түсті дисплейлер құру үшін едәуір жарамды болатын вакуумды тұнбалардың күрделі жабдықтарын қолдануды қажет етеді. Көлеңке маскалар және RGB-қабықшаларын үш кезеңді тұндыру үрдісі көмегімен диагоналі 2,4 дюйм және субпиксельдер қадамы 57 мкм болатын толық түсті дисплейлер дайындау мүмкіндігі көрсетіліп берілді. Төмен молекулалы материалдардағы OLED жетістіктеріне жартылай өткізгіштік құралдар өндірісінің көптеген операцияларымен сәйкестігі жатады. SMOLED
негізінен қызмет ету мерзімі мен тиімділігі жөнінен PLED-тен асып түседі, бірақ оларды дайындау әдісі үлкен өлшемді дисплейлер дайындауға қолайсыз.
Сондықтан қазіргі кезде SMOLED-дисплейлері СК-дисплейлерге (СКД), әсіресе кіші өлшемді дисплейлер саласында мықты бәсекелес болып саналады. OLED –тің негізгі жетістіктерінің бірі – жарық берудің жоқтығы болғандықтан, олар СКД-мен танымалдығы артып отырған «төсеніш» типті ұялы телефондар субпанельдерін (қосымша дисплейлер) құруда табысты бәсекеге түсіп отыр. OLED-дисплейлерді нарыққа шығарудың алдыңғы қатарлы әдістеріне байланысты күні бүгін олар субдисплейлі 90% «төсеніш» типті ұялы телефондарда қолданылып отыр. Кейбір компаниялар екі жақты немесе екі қабатты OLED-дисплейлер жасақтап шығарды. Мысалы, Тайванның Өндірістік технологиялық Зерттеу институты (IndustrialTechnologyResearchInstitute — ITRI) 2004 жылдың соңында диагоналі 3,8 дюйм және шешімі 320x240 пиксель болатын біртүсті екі қабатты дисплейді көрсетті. Активті-матрицалы OLED негізінде осындай дисплейлерді жасақтауды RiTdisplay и AUOptronics компаниялары жүргізуде.
Сөз жоқ, екі қабатты дисплей OLED бір түрлі дисплей СКД-ге қарағанда едәуір көрікті болып келеді. Кіріктірілген фотокамералы ұялы телефондардың пайда болуы OLED қолданудың - СКД-мен салыстырғанда бейне деректерді іздегіштер едәуір тиімді орындалатын жаңа бағытын ашты. Алайда, тәжірибе көрсеткендей, СКД құру технологиясы ұялы телефондар өндірушілеріне қойылатын талаптар секілді өте шапшаң дамуда.
Екі технология жарысы жалғасуда. Соңғы уақытта өндірушілер полимерде фосфоресцирленген төмен молекулалы материалдардың еруі негізіндегі органикалық жарық диодтарына назар аударуда. Әдеттегідей OLED-те тек түрлендіргіш заряд тасымалдаушылардың 25% жарық сәулеленуіне қатысады, ал қалған тасымалдаушылардың 75% құралдың ысуын тудырады.
Принстон университеті ғалымдары, Оңтүстік Калифорния мен UniversalDisplayCorp компаниясы (UDC) жүргізген жұмыстар негізінде фосфоресценция үрдісі арқасында жарықты түрлендіруге 100% түрлендіргіш тасымалдаушылар қатысатын жаңа органикалық материал алуға мүмкіндік туды. Мұндай материал төсемге бүркігіш баспа арқылы органикалық бумен түсіріледі. Органикалық материалдар булары микроскопиялық тамшы арқылы түзетін газдың коллимирленген шоқшасын өткізеді, оның көмегі негізінде төсемде жоғары сапалы жарық диодтары құрылады. Бұл технологияның OLED дайындаудың басқа әдістерінен артықшылығы – материалдарды едәуір толық пайдалану, едәуір жоғары өнімділігі, дисплейдің едәуір жоғары шешімін қамтамасыз ету.
Фосфоресцирленген OLED (PhosphorescentOLED — PHOLED) тиімділігі бойынша қарапайым органикалық диодтардан, сәулеленуінің 90%-ы жарық сүзгілерімен және дисплейдің басқа бөлшектерімен жұтылатын СКД айтпағанда, төрт есе артып түседі. PHOLED жарық тиімділігі 20 лм/Вт жетеді. Активті-матрицалы диагоналі 2,2 дюйм PHOLED-дисплейінің бейне көрсетілімді жүргізу режиміндегі жарықтығы - небәрі 125 мВт күш қуатын қолдану кезінде 200 кд/м2, осындай жарықтықтағы СКД үшін бұл шама 180 мВт. PHOLED жетістіктеріне олардың негізінде (қуатты аз пайдалану және көп жарық беру арқасында) үлкен өлшемді экран құру мүмкіндігі, сонымен қатар технологияның белсенді матрицалық құрылымдар құру үрдістерінің аморфты немесе жартылай кристалды кремний негізінде ЖҚТ-мен сәйкестігі жатады. PHOLED-дисплейлерден басқа, UDC компаниясы жұқа мөлдір шыны немесе пластмасса төсемдерде түзілетін мөлдір органикалық жарық диодтарын (Transparent OLED — TOLED) ұсынады. TOLED түріндегі жарық диодтары жоғары, төмен және екі үстіңгі беттері жарықтарын сәулелендіреді.
Жұмыссыз жағдайда мұндай панельдер 70% мөлдір болатындықтан, олар көзілдірік әйнектеріне, автомобильдердің алдыңғы әйнектеріне немесе терезелеріне кірістіріле алады. Одан басқа, компания OLED (Stacked OLED — SOLED) жинақтарын құрды, мұнда әрбір пиксельдің қызыл, жасыл және көк элементтері вертикаль бағытта орналасады. Әрбір субпиксел тәуелсіз басқарылады, пиксел түсі әрбір түс элементі арқылы өтетін токпен, сұр түс
шкаласы - кеңдік-импульсты модуляциямен реттеледі.
Ашықтық вертикаль жиынтықтың сәйкесті тогын таңдаумен орнатылады. Жасақтаушылардың ұйғаруы бойынша, SOLED-технологиясы шешімді және түс жіберу сапасын ЭСТ немесе СК дисплейлерімен салыстырғанда үш есе ұлғайтуға мүмкіндік береді. Компания болашақта SOLED-панельдер жоғары шешімді желілік жабдықтар дисплейлерде қолданыс табады деп санайды. Технион (Израиль) технологиялық институтының зерттеу тобы ғалымдары жасақтаған алынған протеиндер негізіндегі органикалық жартылай өткізгішті материал да қызығушылық туғызып отыр. Протеиндер бір бірімен электронды құралдар тұрғызу үшін қажетті пептидтер түзе отырып, қосылады. Жасақтаушылардың пікірі бойынша, алдағы бірнеше жылда олар, қазіргі кездегі компьютерлер экрандарына қарағанда, едәуір жоғары шешімді толық түсті дисплейлер қоймасын құруға мүмкіндігі болады.