OLED

Zöld fényt kibocsátó OLED eszköz

OLED-nek (szerves fénykibocsátó dióda - organic light-emitting diode) nevezzük az olyan LED-eket, ahol a fénykibocsátásért felelős elektrolumineszcens réteg szerves vegyület, mely elektromos áram hatására világít. Ez a réteg szerves félvezető anyagból készül és két elektróda között helyezkedik el. Általában a fény kijutása érdekében az egyik elektróda átlátszó.

Az OLED-eket két családba soroljuk: a kis molekulákat és a polimert használókba. Ezen kívül megkülönböztetünk passzív mátrixú (PMOLED) és aktív mátrixú (AMOLED) képpontvezérlést. Utóbbiban egy vékonyréteg-tranzisztorokat tartalmazó hátlapot alkalmaznak az egyes képpontok ki-be kapcsolásához így nagyobb felbontás és kijelzőméret érhető el. Az OLED kijelzők – a hagyományos folyadékkristályosokkal ellentétben (LCD) – háttérvilágítás nélkül működnek. Ennek előnye, hogy a fekete színt kisebb fényerővel, tehát nagyobb kontraszttal tudják megjeleníteni, valamint vékonyabbak és könnyebbek is lehetnek a hagyományos, folyadékkristályos kijelzőknél. Hátrányuk viszont, hogy a felhasznált anyagok gyenge hővezetése miatt kisebb fényerősség érhető el velük. OLED-ekkel egyre több alkalmazási területen találkozhatunk: használjuk őket televíziókban, monitorokban, kis és hordozható eszközök (mobiltelefonok, PDA-k, karórák) kijelzőjeként is. Sőt, újabban nagy felületen, például épületekben is használják világításra.

Működési elv

Az OLED leggyakrabban két elektróda, az anód és a katód között elhelyezkedő szerves vegyületrétegből áll, amiket egy hordozó felületre visznek fel. A szerves vegyület elektromos vezetéssel rendelkezik, mivel a molekulák kolligációs kovalens kötései által a pi-kötésű elektronok elmozdulhatnak. A vezetőképességük valahol a szigetelők és a vezetők közötti, ezért hívjuk őket szerves félvezetőknek. A legmagasabb betöltött és a legalacsonyabb betöltetlen molekulapályák (HOMO/LUMO) megfelelnek a hagyományos (szervetlen) félvezetők vegyérték- és vezetési sávjainak. Bár a legelső OLED-ek még egyetlen szerves réteget tartalmaztak csak, mára a hatékonyság növelése érdekében két vagy több réteget használnak (multilayer OLED-ek). A hatékonyság az elektródáknál is növelhető: különbözően összeválogatott anyagokkal elérték, hogy a töltéshordozók becsatolása (töltés-injektálás) hatékonyabb legyen és így az elektromos tulajdonságok fokozatosabban változtathatók. Ugyanilyen módszerrel korlátozható a fénykibocsátás (rekombináció) nélkül az elektródák között átjutó töltések száma is.

A legmodernebb OLED-ek gyakran a kétréteges struktúrát (vezető és fénykibocsátó réteg) tartalmazzák, ám mostanában sikerült a kvantumhatásfokot 19%-ra növelni többlépcsős heteroátmenettel. Lépcsős heteroátmenetnek nevezik azt a technológiát, amikor az elektron- illetve lyukszállító anyagokat (ez a p-n átmenet a hagyományos félvezetőknél) folyamatosan váltogatva viszik fel a fénykibocsátó rétegben. Ez a technológia ötvözi a hagyományos struktúra előnyeit, úgymint a jó hatásfokú töltés-injektálást, és ugyanakkor a töltésszállítás is kellően hatékony a fénykibocsátó rétegben. Működés közben nyitóirányú feszültséget alkalmaznak (tehát az anód pozitív lesz a katódhoz képest) így elektronok árama indul meg a katódból az anód felé, mivel elektronok lépnek be a katód szerves rétegének legalacsonyabb betöltetlen molekulapályáira, illetve kilépnek az anód legmagasabb betöltött molekulapályáiról. Ez utóbbi folyamatot úgy is le lehet írni, hogy lyukak lépnek be az anód szerves rétegébe. Az elektrosztatikus vonzás az elektronokat és a lyukakat egymás felé mozgatja, majd egy párt alkotva rekombinálódnak. Ez általában a fénykibocsátó réteghez közelebb történik, mivel a szerves félvezetőkben a lyukak mozgékonyabbak az elektronoknál. A rekombináció során a felszabaduló energia látható sugárzás formájában (foton) történik. A pontos kibocsátott hullámhossz az anyag tiltott sávjának a szélességétől függ, esetünkben tehát a legmagasabb betöltött és a legalacsonyabb betöltetlen molekulapályák energiakülönbségétől.

Anyagtechnológiák

Kis molekulák

Hatékony, kis molekulákat használó OLED-eket először a Kodaknál fejlesztettek ki. Eredetileg az OLED kifejezést csak erre a típusra használták, de ma már néha az SM-OLED (small-molecule OLED) összetételt is használják a megkülönböztetésre. Ebben a típusban gyakran használnak kelát-képződményeket (pl. Alq₃ Al(C₉H₆NO)₃), továbbá fluoreszcens és foszforeszcens festőanyagokat és konjugált dendrimereket. Néhány anyagot a kedvező töltésszállító tulajdonságaik miatt használnak (pl. trifenilamint (C₆H₅)₃N és származékait lyukszállító anyagként). Több, más-más hullámhosszon világító fluoreszcens festékanyagot használnak, például perilént (C₂₀H₁₂) és rubrént (C₄₂H₂₈). A már korábban említett Alq₃-at zöld színű fénykibocsátóként és elektronszállító anyagként is használják. A kis molekulákat használó OLED-ek előállítása általában vákuum-párologtatással történik. Emiatt a gyártási folyamat a többi technológiához képest drágává válik, épp ezért kevésbé elterjedtek a kis molekulákat használó OLED-ek a nagy felületű kijelzőkben való felhasználásban. Viszont megemlítendő az eljárás azon előnye polimert használó OLED-ekhez képest, hogy a párologtatási eljárás pontosan szabályzott, homogén, illetve nagyon komplex többrétegű struktúrák előállítását is lehetővé teszi. Ez a nagyfokú rugalmasság pontos szállítótrétegek kialakítását teszi lehetővé, épp ezért ez a technológia nagyon jó hatásfokú OLED-eket tud előállítani.

Polimeralapú OLED-ek

A polimert használó OLED-ek (PLED-ek) egy elektrolumineszcens vezető polimert tartalmaznak (LEP light-emitting polymers), mely fényt ad ki külső feszültség hatására. Ezeket oldatokból állítják elő centrifugális rétegezéssel (spin coating). Ez a módszer alkalmasabb nagy felületek előállítására, nincs szükség vákuumra, és a fénykibocsátó réteget egy, a tintasugaras nyomtatáshoz hasonló technológiával is fel lehet vinni a hordozó felületre. Viszont, mivel ennél a módszernél az újabb felületek felvitele feloldja a már felvitteket, többréteges szerkezeteket nehéz létrehozni. Ezért előfordul, hogy a fém katódot mégis vákuum-párologtatással, esetleg Langmuir-Blodgett film segítségével hozzák létre. Az OLED-ekhez használt polimerek általában polifluorén ((C₁₃H₈)_n) és polifenilén-vinilén ((C₈H₆)_n) származékok. Az oldalláncok szubsztitúciójával a kibocsátott fény hullámhossza változtatható.

Eszköz-struktúrák

Alul vagy felül emittáló

Az ilyen struktúrájú eszközök átlátszó vagy féligátlátszó elektródákat tartalmaznak, hogy a fény kijuthasson az átlátszó hordozón keresztül. A felül emittáló eszközök alkalmasabbak aktív-mátrix alkalmazásra, mivel egyszerűbben integrálhatók a nemátlátszó tranzisztor hátlappal.

Átlátszó OLED-ek

Itt mindkét elektróda átlátszó vagy féligátlátszó. Az ilyen eszközök kontrasztja nagyon jó, így erős napfényben is nézhetők maradnak. Ezen kívül átlátszóságuk miatt alkalmasak fedélzeti panelek (HUD head-up display), illetve kiterjesztett valóság (augmented reality) alkalmazásokra is. 2010-ben a Finetech Japan expón a Novaled bemutatott egy 60-70% átlátszóságú OLED panelt.

Lépcsős heteroátmenet

A már korábban említettek értelmében az ilyen OLED-ek belső kvantumhatásfoka nagyobb, akár kétszeresre is növelhető.

Rakatolt (stacked)

Ezekben az OLED-ekben a vörös, zöld és kék szubpixelek nem egymás mellett, hanem egymáson vannak, így a színek skálája és mélysége megnövelhető és a pixelek közti holtsáv lecsökkenthető.

Az OLED-ek előnyei

Az OLED-eket a laposképernyős alkalmazásuk miatt a leggyakrabban az LCD kijelzőkhöz viszonyítjuk. Ezekhez képest a következő előnyöket hordozzák:

Kisebb költség (a közeljövőben)

Mivel az OLED-eket a tintasugaras nyomtatáshoz hasonlóan egyszerű technológiával lehet a hordozórétegre feljuttatni, ezért elméletben olcsóbban gyárthatók, mint a folyadékkristályos vagy a plazma képernyők. Azonban a valódi, egységre jutó költségcsökkenéshez még meg kell várni a tömeggyártás beindulását.

Könnyű és hajlékony hordozófelületek

Mivel az OLED kijelzőket hajlékony hordozóra is felvihetjük, ezért megnyílik a lehetősége a hajlékony vagy akár feltekerhető kijelzők gyártásának is, sőt, akár ruhába varrható kijelzőt is gyárthatunk.

Szélesebb látószög, megnövelt fényerő

Mivel az OLED kijelzők közvetlenül bocsátják ki a fényt, ezért nagyobb szögből láthatók, mint a folyadékkristályos technológiájúak.

Energiahatékonyság

Míg az LCD kijelzők a háttérvilágítást szűrik, addig az OLED-ek a közvetlen fénykibocsátás miatt alig használnak áramot a fekete vagy sötét képpontokhoz.

Válaszidő

A LED-ek válaszideje közismerten gyors (0.01 ms körüli), míg az LCD-ké jóval lassabb (2-8 ms).

Az OLED-ek hátrányai

Rövid élettartam

Kezdetben a legnagyobb probléma a szerves anyagok rövid élettartalma volt. Különösen a kék OLED-ek élettartalmával volt gond, mely nagyságrendre 14.000 óra volt (ennyi idő alatt csökkent fényerejük az eredeti felére), ami napi nyolc órás használat mellett öt évet jelent. Ezzel szemben az LCD és LED technológiák 25.000-40.000 órát ígérnek. Azonban jelentős törekvések vannak az élettartam növelésére a fény kicsatolásának javításával, mellyel azonos fényerő kisebb meghajtóáram mellett érhető el. 2007-ben már sikerült olyan kísérleti OLED-eket kifejleszteni, melyek 400cd/m2 fényerőt 198.000 órán át (zöld szín) illetve 62.000 órán át (kék szín) képesek leadni.

Problémák a színegyensúllyal

Épp az előző pontból következik, hogy ha az egyik színkomponenst kibocsátó OLED gyorsabban veszít a fényéből, mint a többi, akkor a szín is megváltozik hosszú távon. Ezt korrigálni lehet elektronikusan, de bonyolult vezérlőáramkörök beépítését követeli meg.

Energiafelhasználás

Általánosan beszélve az OLED technológia energiatakarékos: egy átlagos kép esetén az LCD technológia által felhasznált teljesítmény 60-80%-a is elég a meghajtásához. Bár sötét képek esetén ez még kedvezőbb, 40% körüli, főleg fehér hátterű képeknél (pl. egy weboldalnál) akár két-háromszorosát is fogyaszthatják a folyadékkristályos technológiájú képernyőknek.

Beégés

Mivel az OLED képpontjainak élettartama a használattal csökken, ezért, ha egyes színeket vagy képpontokat sokáig azonos tartalom kijelzésére használunk, a színegyensúly vagy a fényerő megváltozhat azon a területen, a beégés jelenségét produkálva.

UV-érzékenység

Az OLED kijelzőket károsítja, ha hosszú távon UV-fénynek vannak kitéve, ez annyira jelentős, hogy például egy 20mW teljesítményű BluRay lézerrel pillanatok alatt tönkretett pixeleket „rajzolhatunk” egy OLED képernyőre. Ezért ma a legtöbb OLED kijelző UV-szűrő panellel van védve.

További olvasnivalók

• P. Chamorro-Posada, J. Martín-Gil, P. Martín-Ramos, L.M. Navas-Gracia, Fundamentos de la Tecnología OLED (Fundamentals of OLED Technology). University of Valladolid, Spain (2008). ISBN 978-84-936644-0-4. Available online, with permission from the authors, at the webpage: http://www.scribd.com/doc/13325893/Fundamentos-de-la-Tecnologia-OLED
• Shinar, Joseph (Ed.), Organic Light-Emitting Devices: A Survey. NY: Springer-Verlag (2004). ISBN 0-387-95343-4.
• Hari Singh Nalwa (Ed.), Handbook of Luminescence, Display Materials and Devices, Volume 1–3. American Scientific Publishers, Los Angeles (2003). ISBN 1-58883-010-1. Volume 1: Organic Light-Emitting Diodes
• Hari Singh Nalwa (Ed.), Handbook of Organic Electronics and Photonics, Volume 1–3. American Scientific Publishers, Los Angeles (2008). ISBN 1-58883-095-0.
• Müllen, Klaus (Ed.), Organic Light Emitting Devices: Synthesis, Properties and Applications. Wiley-VCH (2006). ISBN 3-527-31218-8
• Yersin, Hartmut (Ed.), Highly Efficient OLEDs with Phosphorescent Materials. Wiley-VCH (2007). ISBN 3-527-40594-1

További információk

A Wikimédia Commons tartalmaz OLED témájú médiaállományokat.

• Structure and working principle of OLEDs and electroluminescent displays Archiválva 2008. október 11-i dátummal a Wayback Machine-ben
• Tutorial on the working principle of OLEDs at Ghent University
• MIT introduction to OLED technology (video)
• History of OLEDs from 1996 till today
• telefon-szerviz.hu. (Hozzáférés: 2018. július 9.) – Mobiltelefonokban használt kijelző típusok jellemzői