1. Органические и элементоорганические соединения для светоизлучающих диодов.

(2) Одним из наиболее быстро развивающихся направлений современных высоких технологий являются органические светоизлучающие диоды – OLED (Organic Light-Emitting Diodes). OLED-ячейка представляет собой многослойный полупроводниковый прибор, который излучает свет при пропускании через него электрического тока. Привлекательность OLED обусловлена возможностями их использования в качестве эффективных источников освещения и как базового элемента (пикселя) в алфавитно-цифровых дисплеях. Основной областью применения таких ячеек сегодня является производство устройств отображения информации – дисплеев, мониторов, телевизионных экранов.

Предпосылки появления OLED возникли еще в середине прошлого века. В 50-х годах группа французских физиков под руководством Андре Бернаноза открыла электролюминисцентные свойства органических материалов. Были обнаружены органические материалы, которые испускали очень яркий свет, при прохождении через них электрического тока. Исследования проводились в течение последующих 20 лет, однако до попыток внедрения разработок дело не доходило.

Лишь в 1989 году сотрудники Kodak Чин Танг и Стив ван Слайк продемонстрировали первый диод, который и проложил дорогу материалам , открытым еще 30 лет назад. Они заключили люминисцентный материал между двумя электродами. Зеленые, красные и синие светодиоды объединены в ячейки. Ячейки упакованы в матрицу. Чтобы заставить их светиться, необходимо подать на каждую электрический ток определенного напряжения. Самый простой способ - использовать принцип строчной развертки, применяемых в кинескопах: электронный луч последовательно пробегает по слою люминофора, создавая изображение.

3. Принцип действия.

Схема 2-слойной OLED-панели: 1. Катод(−), 2. Эмиссионный слой, 3. Испускаемое излучение, 4. Проводящий слой, 5. Анод (+).

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкоплёночные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом, катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой — положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. (Дырка — незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона (квазичастица). Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимой части спектра.

(4) В качестве эмиссионных материалов в OLED-устройствах могут использоваться разнообразные органические, координационные и металлоорганические соединения, полимеры, квантовые точки. Среди координационных соединений особое место занимают органические комплексы редкоземельных металлов благодаря уникальной способности генерировать металл-центрированную люминесценцию. Специфика люминесценции трехвалентных ионов лантаноидов, обусловленная f-f переходами, заключается в наличии узких характеристичных полос, что позволяет легко формировать на их основе излучение необходимого цвета. Лиганды, используемые для создания комплексов с высокой интенсивностью лантаноидной люминесценции, кроме эффективной передачи энергии возбуждения на центральный ион, частично снимают запрет по четности на переходы внутри f-оболочки иона, что также способствует повышению эффективности восприятия энергии возбуждения и, соответственно, эмиссии металлического центра. Координационные соединения редкоземельных металлов, используемые в качестве люминофоров OLED-устройств, кроме высоких люминесцентных свойств, должны удовлетворять ряду жестких требований, что значительно сужает круг потенциальных электролюминофоров.

Заслуга Танга и Слайка была в том, что они не только создали эффективный эмиссионный слой, но и догадались разместить его между двумя электродами, а также сделать один из них прозрачным. Для анодов используется оксид индия, легированный оловом. Он почти полностью пропускает весь видимый диапазон света.

Первые OLED-дисплеи, появившиеся в 1998 году были монохромными: с оранжевым, голубым или зеленым оттенком. Первое устройство с OLED-дисплеем, выпущенное в 1998 году, было автомагнитолой.

Преимущества и недостатки OLED

5. Преимущества OLED:

• OLED светятся сами по себе. Яркость может превышать 100 000 кд/м², хотя в реальных приложениях будут использоваться меньшие значения.

• В состоянии покоя OLED не излучают света вообще. Ни одна, даже самая совершенная ячейка с жидкими кристаллами не способна настолько поляризовать свет. Здесь он просто не излучается. Соответственно мы получаем высокую контрастность 1 000 000 : 1 и «чистый» черный цвет.

• Время отклика крайне мало: у ЖК оно измеряется в миллисекундах, у OLED – в микро-. То есть разница на три порядка.

• OLED не нужны лампы подсветки, защитные стекла и прочее. Достаточно двух тонких пластин стекла, между которыми заключен микроскопический слой светодиодов.

• Соответственно OLED тоньше ЖК, плазмы и других экранов. Сегодня серийно выпускают дисплеи толщиной 0.2 мм, но это еще не предел.

• OLED, в отличие от жидких кристаллов обладает более широким диапазоном рабочих температур.

• В OLED мы смотрим на элементы, излучающие свет, а не на светофильтры. Потому данный тип дисплея имеет углы обзора в 180 градусов.

5. Недостатки OLED:

• Главная проблема OLED, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии в мониторах и телевизорах, состоит в том, что время жизни органических соединений, излучающей свет, находится в прямой зависимости от длины волны. Также «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Уже через 5000 часов службы мы теряем качество цветопередачи.

• Второй и не менее существенный – это сама органика. Материалы, используемые для создания OLED, активно контактируют с водой: разбухают, окисляются и т.д. Необходима крайне надежная герметизация. Удары и падения таким экранам противопоказаны.

• В зависимости от характера картинки, отдельные элементы матрицы излучают с разной интенсивностью. Их износ не равномерен. Возможны случаи, когда в OLED будут выгорать отдельные пиксели.

• Цена. Производство OLED, особенно больших диагоналей, крайне дорого. Если на мобильном рынке с этим еще можно мириться, объемы уже позволили снизить стоимость до приемлемого уровня, то диагонали больше 10 дюймов являются проблемой. Пока наиболее крупные цельные OLED-дисплеи имеют диагонали 40-50 дюймов.

5. Типы OLED

В OLED-дисплее контроллер последовательно передает сигнал на каждый из светодиодов. Если это происходит на очень большой скорости, то из-за инерции человеческого зрения, мы видим целостную картинку, а не отдельные вспыхивающие и гаснущие диоды. Такая OLED-матрица называется пассивной. PMOLED (Passive Matrix OLED) достаточно дешевы в производстве, но не экономичны. Фактически при таком построении картинки не получается раскрыть потенциал OLED, которые имеют очень высокий коэффициент полезного действия. Кроме того, особенности конструкции (задержка сигнала) не позволяют сделать PMOLED с большими диагоналями. Максимум – 3.5 дюйма. Такие дисплеи есть в некоторых MP3-плеерах, автомагнитолах. Они выступают в качестве служебных и чаще всего являются монохромными.

На крышке телефона Nokia 7205 расположена пассивная матрица PMOLED

(8)Наиболее приемлемым вариантом является AMOLED (Active Matrix OLED) – дисплей с активной матрицей. Здесь каждой ячейке соответствует один управляющий транзистор, а все диоды загораются практически одновременно. Возможность делать гибкие дисплеи на базе OLED позволила Samsung создать прогрессивный сенсорный Super AMOLED, представленный в 2010 году. До сих пор сенсорные экраны делались путем расположения поверх ЖК-матрицы слоя, чувствительного к прикосновениям. Нередко экраны из-за этого тускнели, а изображение слегка размывалось, а толщина дисплея увеличивалась. Корейцам удалось встроить сенсорную пленку в сам дисплей: толщина уменьшилась, а яркость осталась прежней.

Samsung Galaxy Note с активной матрицей Super AMOLED

(9)Помимо дисплеев на базе OLED с активной и пассивной матрицей, выделяют экраны в зависимости от способа нанесения органического материала на подложку: микромолекулярные (Small Molecular OLED – SMOLED) и полимерные (Polymer OLED – PLED). В первом случае органические соединения конденсируется на подложке из специального пара. Можно получить люминисцентный слой толщиной в одну или несколько молекул, что улучшает характеристики матрицы. Во втором – он наносится в жидком виде.

(10)Также выделяют несколько типов OLED в зависимости от их потребительских свойств. TOLED – прозрачные дисплеи. В классическом органическом светодиоде прозрачным делается анод, но ничто не мешает сделать таковым и катод. Их прозрачность не влияет на восприятие картинки, так как сами OLED обладают высокой яркостью. TOLED пропускают 80% света.

(11)В OLED-дисплеях в качестве подложки используется стекло, но его можно заменить и гибким материалом. Из гибких (flexible) OLED можно делать дисплеи неправильных форм. Они пригодятся в рекламе, музейном деле. В Японии уже созданы прототипы FOLED, которые можно изгибать не единожды, а многократно. Такой дисплей можно свернуть в трубку. Первые прототипы показаны Sony осенью2009года.

(12)SOLED – Сложенные «упакованные» дисплеи. В классическом OLED светодиоды, как и ячейки кристаллов в ЖК или люминофор в ЭЛТ объединены в пучки по три RGB. Но можно расположить прозрачные диоды различных цветов друг над другом, добившись таким образом увеличения суммарной яркости, получить нужный оттенок, комбинируя в этой конструкции базовый красный, зеленый и синий будет проще. Данный тип хорошо подходит для справочных указателей.

(13)Наиболее перспективный тип – PHOLED, фосфоресцентные дисплеи. В классическом OLED применяется принцип электрофлуоресценции. В этих – электрофосфоресценции. Фосфоресцентное вещество излучает поглощённую энергию не сразу. Большее время реэмиссии связано с «запрещёнными» энергетическими переходами в квантовой механике. Поскольку такие переходы наблюдаются реже в обычных материалах, реэмиссия поглощенного излучения проходит с более низкой интенсивностью, и в течение длительного времени (до нескольких часов). Потенциальная сфера применения – большие рекламные установки и осветительные приборы.

(14) Основные компоненты OLED:

1. ITO - Indium-tin oxide, оксид индия, легированный оксидом олова: (In₂O₃)_0,9 - (SnO₂)_0,1 Является полупроводником n-типа (электронным) с проводимостью, сравнимой с металлической, где ионы олова служат донорами электронов. Наносится тонкими слоями порядка 200 nm, на стекло при около 400⁰С. Он демонстрирует высокую прозрачность и имеет поверхностное сопротивление около 6 Ом. Инфракрасные лучи ITO отражает подобно металлическому зеркалу. Сам индий сходен по химическим свойствам с алюминием и галлием, по внешнему виду с цинком.Широко применяется в производстве прозрачных токопроводящих пленок, электродов жидкокристаллических экранов, органических светодиодов OLED в качестве анода  и сенсорных экранов (Touchscreen).Недостатком оксида индия-олова является его дороговизна (в связи с высоким спросом, цена индия превышала 750 долларов за килограмм);

2. (15) TPD - N,N′-Bis(3-methylphenyl)-N,N′-diphenyl benzidine [-C₆H₄-4-N(C₆H₄CH₃)C₆H₅]₂ Выступает в качестве транспортной молекулы для проводящего слоя.

3. (16) Alq₃ - Tris(8-hydroxyquinolinato) aluminium Al(C₉H₆NO)₃ - стандартный электролюминофор. Это координационный комплекс, в котором алюминий связан бидентатным образом, сопряженный с тремя лигандами 8-оксихинолина. Является эмиссионным слоем для транспортировки электронов от катода к аноду.