От 60-те години насам в микроелектрониката се използват предимно неорганични материали – силиций, германий, галиев арсенид, алуминий, мед, различни диелектрици, като силициев диоксид, и др. Това са доказали качествата си материали, които от доста време са усвоени в електронното производство. Същевременно обаче се провеждат изследвания и върху органичните материали – полимери, олигомери, хибридни органично-неорганични смеси, както и върху техните свойства – проводимост, полупроводникови качества, светлинно излъчване. Органичните материали предлагат редица полезни качества, като например възможности за нормална работа в широк температурен диапазон, голяма гъвкавост и т.н. Това ги прави привлекателни за приложение в електронната промишленост.

Органични компоненти се използват и в литографията като фоторезистивни материали. Органичните материали все още не намират приложение в транзисторите, диодите и кондензаторите.

На даден етап от развитието си неорганичните микроелектронни компоненти се сблъскват със сериозни трудности. Това означава, че производителите имат още по-голям интерес към органичните материали.

Като компания с най-голям опит в разработките в тази област се сочи Eastman Kodak. Двама от учените на фирмата публикуват труда си “Organic electroluminеscent diodes” още през 1987 г. Там се описват нов тип устройства във вид на тънък филм, при които се използват електролуминесцентните качества на органични материали. Това е нова технология, която предлага невиждани до момента възможности.

Фигура 1

На Фигура 1 е показано развитието през годините, на отношението на излъчванто на осветително тяло към захранването приложено към него. Както при всяка нова технология и при OLED дисплеите в началото се наблюдават някои недостатъци, които изместват на заден план редица техни предимства. При първите експерименти например е установено, че яркостта на OLED дисплеите намалява наполовина след първите 100 часа непрекъсната работа при постоянен волтаж. Наблюдавани са и проблеми с някои части на спектъра и по-специално със синьото. Все пак OLED технологията е голям пробив. За сравнение, преди тя да се появи, е било необходимо напрежение от над 100 V, за да се постигне нормална луминесцентност.

Голям брой компании взеха участие в отстраняването на проблемите, констатирани след появяването на първите OLED дисплеи. В момента около осем фирми и организации работят върху развитието на технологията и техните усилия дават резултат. Новите OLED материали са много по-сложни от първоначално използваните. Сега се работи с нови химически формули за базовите слоеве, както и със специални добавки, които влияят на различни части от спектъра – червена, зелена, синя и т.н.

Макар че и най-новите OLED материали все още имат недостатъци в синята част на спектъра, техният живот вече достига 10 000 часа за синия цвят. Червеният и зеленият са по-издръжливи – до 40 000 часа. За бялото тази стойност е 20 000 часа. Тези цифри са съвсем приемливи. За сравнение, животът на екрана на една цифрова камера е около 1000 часа.

Комерсиалните продукти за масова употреба ще използват класическата схема, позната от LCD дисплеите. При нея екранът се състои от чисто бели OLED излъчватели с цветни филтри за придаване на цвят на всеки пиксел. Предстои още доста да се работи по усъвършенстването на OLED технологията.

Друга хубава черта на новите органични материали са техните подобрени физически качества. Горната граница на температурния обхват, в който работят, вече може да превиши 100 градуса по Целзий, което позволява OLED дисплеите да се монтират в автомобили и в други подобни устройства.

Еволюцията на OLED дисплеите следва тази на техните течнокристални предшественици. Преди LCD-тата са били класифицирани според типа на тяхната матрица – активна или пасивна. После технологията се подобри и пасивната матрица продължи да се използва само при най-малките по диагонал дисплеи, където качеството не е критично важно. Отначало OLED екраните също са били с пасивна матрица. Тя върши достатъчно добра работа например в авторадиорисивърите, както и в евтините клетъчни телефони.

При появяването си OLED дисплеите имаха пасивна матрица с диагонал около два инча. Резолюцията беше ниска, а цветовата гама - изключително ограничена. Това стига за използване в повечето непретенциозни устройства, като например домашни стереосистеми, климатици и др. Преди да се появят OLED дисплеите, тези устройства разполагаха с примитивни индикатори, които в повечето случаи показваха цифри или най-много монохромна графика. Тук предимствата на OLED технологията, изразяващи се в повишена яркост и наситеност на цветовете, са добре дошли, макар по принцип домашната електроника да е предназначена за пазар, доста чувствителен към цената.

Фигура 2

OLED технологията има потенциал да се наложи и в много други области. Съвременните OLED екрани се изработват върху силициева подложка. Най-често това е кристален силиций, който осигурява необходимата производителност на контролните елементи от матрицата. Производителността на органичните транзистори обаче постоянно нараства и някои компании вече проявиха дългосрочен интерес към гъвкавите пластмасови екрани.

Все пак най-вълнуващият въпрос в момента касае използването на OLED технологията за създаване на плоски дисплеи за персонални компютри. Самата технология вече практически е достигнала етапа, в който може да започне да атакува този пазарен сегмент. Стъпка в тази посока беше демонстрацията на 20-инчов пълноцветен OLED дисплей, създаден от ID Tech, съвместна фирма на японското подразделение на IBM и тайванския производител на дисплеи Chi Mei.

ID Tech подчертава факта, че е разработила матрица с контролни елементи, направени от аморфен, а не от поликристален силиций. Това е по-евтина технология за производство. Освен това тя се използва и за направата на LCD-та, така че позволява да се запазят изградените вече мощности. Като се има предвид казаното дотук, не е трудно да се пресметне, че цената на OLED екраните може скоро да се доближи до тази на LCD-тата.

Вече са налице някои предимства – консумацията на мощност е само 25 W при осветеност 300 кандела на квадратен метър. Пресъздаването на цветовете надминава някои CRT монитори и, разбира се, всички LCD. Единственото слабо място в показания прототип засега е разделителната способност, която е 1280x768 пиксела. Това е доста малко за екран с 20-инчов диагонал.

В крайна сметка самият факт, че е създаден OLED прототип с толкова голям диагонал, е достатъчно впечатляващ. Само преди няколко години 20-инчовите екрани са били повече научна фантастика, отколкото реални продукти. В момента тайванците от Chi Mei се подготвят за старта на масово производство на подобни матрици през следващата година. Има и още няколко производители, които скоро ще са готови да пуснат 15-17-инчови OLED екрани. Тепърва предстои да видим обаче кога точно ще се случи това.

Към основните играчи в тази област спадат: Samsung SDI – теоретично може да произвежда 15-инчови дисплеи с резолюция 1024х768 пиксела; джойнт венчър на Sanyo и Kodak – 15-инчови екрани с резолюция 1280х720; джойнт венчър на Toshiba и Matsushita – 17-инчови екрани с разделителна способност 1280x768 точки и ID Tech (IBM+Chi Mei) – 20-инчови дисплеи 1280х768. Sony също пусна през Май тази година своя прототип на 24 инчов OLED дисплей. От потребителска гледна точка продуктът на Samsung изглежда най-атрактивно, тъй като има висока резолюция и типичен размер за нормална десктоп компютърна конфигурация.

Засега обаче Samsung не предлага много в действителност. Няма публично представен прототип. Това е разбираемо, като се има предвид, че Samsung обърна внимание на OLED технологията едва през 2000 г. със старта на своя “i-Project”, макар последният да беше ориентиран повече към мобилните телефони с 1.5-2-инчови екрани.

През миналия февруари корейската компания започна да си партнира с Vitex Systems – фирма, известна с технологията си Vacuum Polymer. Samsung всъщност влага пари в програмата Barrier Engineering, чиято основна цел е да разработи защитни методи, които да предпазят субстратите от оксидация, контакт с вода и други външни фактори. Стъклото винаги е изпълнявало по подходящ начин тази роля, но му липсва едно основно качество – гъвкавост. Затова Vitex предлага OLED матрицата да бъде покрита със слой от полимери и силициев филм. Този слой защитава не по-зле от стъклото и същевременно е гъвкав.

Първоначално неравната повърхност на OLED екрана се покрива с тънък слой течност. Това е мономер, който създава идеално гладка повърхност. Този мономер след това се полимеризира и преминава в твърдо състояние. След това се полага необходимият брой защитни полимерни и силициеви слоеве. Понеже основата е абсолютно плоска, защитата е много ефективна, независимо че е с дебелина само 3 микрона. Тя е много по-тънка и лека от стъклото.

След обявяването на споразумението, Samsung и Vitex заявиха, че работят по пускането на пълноцветни OLED дисплеи на пазара преди края на 2004 г. Според двете компании техните продукти ще са два пъти по-леки и тънки от сегашните LCD-та.

Все пак OLED дисплеите имат още дълъг път пред себе си, преди технологията и цената да ги направят задължителен заместител на течнокристалните им събратя. По мнението на всички специалисти това трябва да се случи не по-късно от десет години. Дотогава ще наблюдаваме как нараства диагоналът – от клетъчните телефони, през джобните компютри, портативните DVD плеъри, до Tablet PC-тата и настолните плоски монитори.

Фигура 3

Предстои да видим и екрани с уникални характеристики, които ще разчупят стереотипите, с които сме свикнали. Това ще са пластичните дисплеи, при които всичко – транзистори, матрица, покритие - ще бъде направено от гъвкави полимери. По този начин ще се открият нови хоризонти пред цялата компютърна индустрия.

Първото нещо в тази връзка, за което повечето хора се сещат, е един електронен вестник (Фигура 3)във вид на лист пластмаса, който е също толкова гъвкав като лист хартия. Естествено, той ще е свързан към интернет, за да е винаги актуален. Ще са осигурени проста схема за навигация и разбира се, отлично качество на изображението, за да може цветните снимки и илюстрации да са наистина приятни за гледане.

Друго интересно приложение на OLED технологията в близкото бъдеще ще са тапетите и завесите. Във въображението на човек веднага възникават представи за атрактивни изображения с висока резолюция, които същевременно осветяват стаята. Те могат напълно да заменят сегашните осветителни тела, а освен това са подвластни на пълен контрол – потребителят ще може да избира цвета на светлината или шарката на повърхността на стените. В по-далечно бъдеще, когато OLED екраните добият висока резолюция и голям диагонал, подобна стена може спокойно да изпълнява функциите на телевизор или друго информационно устройство.

Друго нещо което човек може да си представи клетъчен телефон, свързан към интернет, но не такъв с миниатюрен 2-инчов екран, а с разгъваем 10-инчов.

Друго интересно приложение в бъдешето би било кредитна карта, чието лице е направено от OLED дисплей, който показва наличността по сметката ни. Такива прототипи вече дори съществуват. Един от тях е на германския гигант Siemens.

На OLED се разчита дори за маркиране на пистите на самолетите. По принцип тези материали могат да се използват и за създаване на елементи, които извършват обратния процес – трансформират светлинната енергия (в частност слънчевата) в електрическа.

Всичко това изглежда повече от обещаващо. Ако не беше така, едва ли големите компании щяха да инвестират милиони долари годишно за разработки в тази област. Само след няколко години те ще владеят огромни пазари, които генерират приходи за много повече.

3. Принцип на действие и структура на OLED дисплеите

Kodak предлага да се използват два слоя от органично вещество между електроди, вместо един, и тази схема на практика се превръща в основната архитектура на OLED дисплеите.

Разбира се, целият пакет е покрит със стъкло. Откъм OLED страната стъклото е покрито с индиев оксид, който играе ролята на анод. Първият органичен слой е непосредствено до него. Той е изграден от ароматен диамин, а ширината му е около 750 ангстрьома (75 nm). Следва основният светлоизлъчващ слой от филм, който е направен от специална смес. Последният слой е катод, направен от магнезий и сребро в атомно съотношение 10:1. Цялата конструкция е дебела по-малко от 500 nm заедно със задното осветление. Всъщност, осветяването е един вид вградено.

Фигура 4

При подаване на ток с напрежение 2.5 V или по-голямо, основният слой започва да излъчва фотони. Този поток от фотони става по-интензивен с нарастването на силата на тока по линейна зависимост. Така при подаване на 10 V се осигурява яркост от над 1000 кандела на квадратен метър, което е над два пъти повече от осигуряваното от LCD екраните. При това теоретичният максимум е над 100 000 кандела на квадратен метър! Най-голяма интензивност на излъчвания спектър се наблюдава при дължина на вълната 550 nm, което отговаря на зелена светлина.

OLED екраните, както и CRT мониторите, представляват матрица, изградена от групи клетки. Всяка група съдържа червена, синя и зелена клетка и отговаря на един пиксел. Чрез регулиране на волтажа на всяка клетка се постига изискваната дълбочина на цвета на съответния пиксел. Този цвят е комбинация от нюансите на трите основни цвята. Използваната схема не е нова, но засега не е измислено нещо по-просто и по-ефективно от нея. 1)

Фигура 5

На Фигура 5 е показана принципна схема на работа на OLED дисплей.

Фигура 6

Фигура 7

На Фигура 6Фигура 7са показани общи структурни схеми на OLED дисплей.

4. Видове OLED дисплеи според вида на матрицата им

4.1 С пасивна матрица

Дисплеите с пасивна матрица (PM) OLED са с наредени по дължина слоеве, приличащи на мрежа, с колони от органичени и катодни материали затрупани с редове от аноден материал. Всяко пресичане на ред с колона или пиксел съдържа всичките три съставки. Външни схеми контролират електрическия ток преминаващ през анодните редове и катодните колони, възбуждайки органичния слой във всеки пиксел. Когато пикселите се вклучват и изключват в последователност, се образуват картини на екрана. 5)

Функциониране и конфигурация при PM OLED дисплеите са подходящи за текст и показване на икони при електронни табла и аудио оборудване. Като сравним полупроводниците при тяхното проектиране, PM OLED дисплеите са лесно и ценово-рационално производими със днешните технологии на призводство.

Фигура 8

На фигура Фигура 8 е показана една такава матрица представлява прост двумерен масив от пиксели, като всеки пиксел се адресира по ред и колона. Всяка пресечна точка е един органичен светлоизлъчващ диод. За да може той да светне, се подават контролни сигнали към съответния ред и колона. Колкото по-голям е волтажът, толкова по-ярък е пикселът. Волтажът трябва да е сравнително висок. Тази технология обаче не позволява да бъдат създавани ефективни екрани с над един милион пиксела.

4.2 С активна матрица

Дисплеите със активна матрица (AM) OLED са изградени от натрупани на куп катоден, органично вещество и аноден слоеве най-отгоре и под тях един слой или основа, която съдържа ел. Схеми. Пикселите са определени от наслаган органичен материал по продължителен, точно определен точков модел. Всеки пиксел се активира директно: съответсваща ел. верига подава напрежение към катодните и анодни материали, възбуждайки средния органичен слой. 5)

Пикселите при AM OLED дисплеи се включват и изключват повече от 3 пъти по-бързо от колкото това става при обикновенните пълнометражни филможи картини, затова този тип дисплеи са идеални за плазмено, пълнометражно видео. Основната – ниско-температурна полисиликонова технология – предава електрически ток много ефективно, и вградените електроники намалят теглото на AM OLED дисплеите както и цената им.

Фигура 9

Активната матрица (Фигура 9) на LCD и OLED дисплеите е подобна. Използва се същият двумерен масив от пресичащи се редове и колони, но всяка пресечна точка е не само светлоизлъчващ елемент (течнокристална клетка или OLED диод), но също и контролен транзистор. Контролните сигнали се изпращат до този транзистор. Той запомня нивото на осветеност на дадената клетка и поддържа необходимата големина на тока, до подаването на нова команда. В този случай необходимият волтаж е много по-малък и клетката реагира много по-бързо на контролните сигнали.

За целта се използват специални транзистори, които могат да образуват тънък слой. Матрица от този тип се нарича Thin-Film Transistors (TFT). Тези компоненти, подобно на предшествениците си, са създадени от неорганични елементи, т.е. от силиций. Всъщност, това не е обикновен силиций, а хидрогенен аморфен силиций. Той обаче е малко бавен, тъй като физическата му структура е по-различна от тази на монокристалния силиций, използван в обикновените чипове.

Друг подходящ материал за производство на висококачествени активни матрици е поликристалният силиций. Той има по-добри механични качества от монокристалния, но все пак и това не е идеален вариант. Все още технологиите не позволяват създаването на полупроводникови структури от чисто органични материали. Надеждата на учените е в хибридните органично-неорганични смеси. При използването им предното стъкло на екрана ще бъде заменено от прозрачна пластмаса, а на гърба вместо кварцов субстрат, от който са изградени силициевите транзистори, ще има органични транзистори, които ще могат да се прикрепят върху какъвто и да е материал, дори хартия. Тези органични транзистори ще бъдат отпечатвани по специален начин, подобно на аморфния силиций, който се утаява върху дадената повърхност при температура 360 градуса по Целзий.

5. Видове OLED дисплеи според структурата им

5.1. Прозрачни OLED дисплеи (TOLED)

Основното покритие на дисплея е прозрачно така, че позволява преминаване на светлина през него.

5.2. Гъвкави OLED дисплеи (FOLED)

Този вид дисплеи нямат фиксирана форма, т.е. могат да менят на4алната си форма.

5.3. Многослойни OLED диеплеи (SOLED)

Съдържат много еднотипни дисплеи наслоени в един пакет. Тази технология позволява направата на 3D дисплеи.

5.4. Фосфорни OLED дисплеи (PHOLED)

При тези дисплеи като луминисцентно вещество се използва фосфорът.

6. Според молекулната структура на органичния излъчвателен материал OLED се делят на:

6.1. Полимерни OLED дисплеи (POLED)

6.2. Маломолекулни OLED дисплеи (SMOLED)

7. Зависимости при OLED дисплеите

Фигура 10

8. Предимства и недостатъци на OLED дисплеите

8.1. Предимства:

ü Много висок контраст

ü Висока наситеност на цветовете

ü Без премигване на картината

ü Ниска консумация на електричество (достатъчно е дори захранване от USB)

ü Широк обхват на работните температури (до 100°C)

ü По-голямо бързодействие за разлика от LCD, при пълнометражни филми

ü Голяма гъвкавост (особенно при FOLED)

ü Пълен ъгъл на видимост

ü Висока финасова ефективност (не скъп технологичен процес на производство)

8.2. Недостатъци:

ü Ниска разделителна способност на PMOLED дисплеите.

ü Ниска продължителност на живот на багрилото за син цвят

ü Все още високата ценана OLED дисплеите

9. Приложения на OLED дисплеите

С всеки изминал ден приложението на OLED дисплеите расте, и разширява обхвата приложение във все повече области като медицина, във военните технологии, в технологиите използвани в домът и прочие.

Например американската компания eMagin (един от най-големите производители на микродисплеи в USA) е представила последния си продукт – бинокал, който изобразява на дисплея си 3D изображения. OLED технологията е подходяща и за шлемове за виртуална реалност, благодарение на прозрачността на TOLED дисплеите и изклучително малките им размери и консумация. 2)

Фигура 11

Фигура 12

Фигура 13

Едно от най-големите достойнства на човечеството е, че винаги се е стремяло към прогрес. Дори да е достигнато някакво задоволително ниво на развитие в дадена област, производителите и търговците продължават да се стремят към нещо по-добро и съвършено. Така екраните на мобилните устройства нараснаха като размери, разделителна способност и брой на поддържаните цветове. При това цената им постоянно намалява.

В резултат OLED дисплеите се оказаха доста силен конкурент на крупните пазари, които не изискват много голям диагонал на плоските екрани, които същевременно са по-леки и с по-малка консумация на енергия, а последното е от изключителна важност при този клас устройства. По принцип OLED дисплеите щяха да се използват в Tablet PC-тата от самото начало, ако не беше високата цена на тези плоски екрани. Но след около две години OLED дисплеите ще се произвеждат масово, което със сигурност означава чувствително понижаване на себестойността им.

Приложението на OLED може да бъде и доста футуристично – например в специалните шлемове за виртуална реалност. Когато са се появили, последните са били прекалено скъпи, тежки и предлагаха ниска резолюция и лошо качество на картината. Новата OLED технология би помогнала за премахването на всички тези недостатъци, може би с изключение на високата цена на първо време.

OLED дисплеите на практика имат незаменими качества за използване в портативните устройства или в екраните за изобразяване на открито, където дневната светлина е много силна. В такива случаи е необходима яркост от порядъка на хиляди кандели на квадратен метър, каквато до момента може да осигури само OLED технологията.

Голям потребител на OLED дисплеи ще станат и следващите поколения мобилни телефони (3G, 4G), при които интензивно ще се работи с изображения. Разликата в качеството на снимки, изобразени на малък LCD дисплей и негов OLED аналог, е просто огромна. Дори съвременните OLED матрици, които се водят първо поколение, са много по-добри от своите LCD конкуренти. По тази причина производителите на мобилните телефони демонстрират в своите бъдещи продукти именно новите органични дисплеи. Затова и фирмите, които произвеждат OLED екрани предвиждат да продадат милиони бройки от тях още през тази година, макар че доскоро те изобщо не са съществували в продуктовата им гама.

Фигура 14

10. Заключение

OLED технологията крие много потенциали, не случайно се влагат толкова пари в разработката и, но все още не достатъчно развита за всички области на приложение. За това може би след две или три години OLED дисплеите ще са масово използвани.