Органические и полимерные дисплеи

Андрей Борзенко

Эти устройства тоньше, ярче, экономичнее ЖК-дисплеев, к тому же не требуют дополнительной подсветки

Многие аналитики предполагают, что объем рынка нанотехнологий в течение ближайших 10–15 лет будет ежегодно расти на 40%, а вычислительная техника и электроника первыми получат реальную возможность использования нанотехнологий на практике. Так, компания NanoBillboard (www.nanobillboard.com) опубликовала список десяти лучших на сегодня продуктов, созданных на их базе, причем критериями отбора были популярность на рынке и применение продукта в повседневной жизни. Первым номером в этом списке оказались органические светоизлучающие диодные (Organic Light Emitting Diode, OLED) дисплеи, созданные из нескольких слоев нанопленок. Напомним, что оборот от продаж OLED во всем мире за прошлый год, согласно оценкам аналитической компании iSuppli (www.isuppli.com), по сравнению с 2003-м увеличился примерно на 74% и теперь должен составить свыше 430 млн. долл.

Вообще говоря, светодиоды вещь вовсе даже не новая. В технике они получили широкое распространение еще в середине прошлого века, а идея создания первых устройств отображения на их базе возникла уже в начале 1980-х годов, но не была реализована из-за отсутствия необходимых материалов. Ситуация изменилась с появлением органических материалов особой группы – так называемых проводящих электролюминесцентных полимеров. Основой для их создания служат высокомолекулярные соединения с чередующимися двойными связями в молекулах. В чистом виде они не являются проводниками заряда, поскольку электроны в них локализованы вследствие участия в образовании сильных химических связей. Для освобождения электронов применяются различные примеси, после добавления которых и появляется возможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль молекулярной цепи.

Базовая структура OLED

Таким образом, в основе подобной технологии лежат свойства так называемых сопряженных полимеров. В их молекулах атомы углерода образуют между собой двойные или тройные связи. Каждый атом выбирает партнера-фаворита, чтобы отдавать ему два электрона вместо обычного одного. "Лишний" электрон делится еще с одним соседом-атомом. В результате перекрытия p-орбиталей появляются "свободные" электроны и, как следствие, становится возможным протекание электрического тока вдоль молекулярных цепей. Возникают энергетические зоны валентности и проводимости, разделенные запретной зоной. Так полимеры приобретают свойства полупроводников. Эти материалы обладают теми же свойствами, что и неорганические полупроводники, то есть способны образовывать p-n–переход и, что особенно важно, при определенных условиях излучать свет. Это позволило создать комбинированные по принципу действия устройства – излучающие диоды.

В исследованиях OLED выделилось два основных направления, одно из которых заложили ученые из Eastman-Kodak. Опубликовав еще в 1987 г. статью Organic Electroluminiscent Diodes, они описали новый класс тонкопленочных устройств на базе органических материалов с электролюминесцентными свойствами, заметно превосходящими все, что было создано в этой области ранее. Предложенная Kodak схема с двумя слоями органики между электродами вместо одного и сегодня остается одним из основных вариантов, используемых для создания OLED-устройств. При этом технологический процесс использует циклы вакуумного испарения (осаждения). В феврале 1999 г. корпорации Sanyo Electric и Eastman-Kodak образовали альянс для разработки и продвижения на рынке OLED-дисплеев. Уже через несколько месяцев они смогли показать работающий прототип полноцветного активно-матричного дисплея.

Другое направление – Polymer LED (PLED) – было заложено в 1989 г., когда профессор Ричард Френд (Richard Friend) вместе с группой химиков научной лаборатории Кембриджского университета открыл светоизлучающие полимеры LEP (Light Emitting Polymer). Вскоре выяснилось, что открытые вещества обладают рядом свойств, которые позволяют разработать на их основе семейство дисплеев нового поколения. Для изучения LEP и создания новых дисплеев была образована компания CDT (Cambridge Display Technologies, www.cdtltd.co.uk). Вскоре она нашла инвесторов, и началась разработка первого дисплея, сделанного на основе LEP- или PLED-технологии.

Специалистам из CDT удалось решить ряд проблем, применив, например, специальные методики по производству упорядоченных полимеров, а также использовав новые материалы. Чтобы добиться излучения света, был спроектирован аналог неорганического диода. Он состоял из двух слоев – полифениленвинилена (polyphenylene-vinylene, PPV) и циано-PPV (CN-PPV), размещенных между полупрозрачным электродом (окислы индия и олова), который наносили на подложку стекла, с одной стороны, и металлическим контактом – с другой. Эти материалы – PPV и циано-PPV – являются не только полупроводниками, но и, кроме того, еще и самоизолирующими полимерами. Как показали ученые, CN-PPV хорошо подходит для транспортировки электронов благодаря более низкому положению дна зоны проводимости. Электрические характеристики материалов подобраны так, чтобы электроны из CN-PPV и дырки из PPV собирались вдоль границы контакта слоев, где и происходит их рекомбинация с генерацией фотонов.

Базовые решения

На сегодняшний день OLED/PLED-технологиями занимаются несколько десятков компаний и университетов. Новые материалы представляют собой куда более сложные комбинации веществ, чем было возможно на заре этих технологий: новые химические формулы базовых слоев, отдельные обогащающие добавки, отвечающие каждая за свою часть спектра – красную, синюю и зеленую. Ведь как и в традиционных ЭЛТ-дисплеях, OLED-экран представляет собой матрицу, состоящую из комбинаций ячеек трех основных цветов – красного, синего, зеленого. В зависимости от того, какой цвет требуется получить, регулируется уровень напряжения на каждой ячейке матрицы, в результате чего смешением трех образовавшихся оттенков и получается искомый результат.

Итак, структура OLED-ячейки многослойна. Сверху OLED-панели располагается металлический катод, снизу – прозрачный анод. Между ними находится несколько органических слоев, собственно и составляющих светодиод. Один слой является источником дырок, второй – полупроводниковым каналом, третий слой транспортирует электроны и, наконец, в четвертом слое происходит замещение дырок электронами, которое в светоизлучающих полимерах сопровождается световым излучением.

Как и ЖК, OLED-дисплеи бывают активными и пассивными. Последний тип дисплея представляет собой простейший двухмерный массив пикселов в виде пересекающихся строк и колонок. Каждое такое пересечение является OLED-диодом. Чтобы заставить его излучать свет, управляющие сигналы подаются на соответствующую строку и колонку. Чем большее подано напряжение, тем ярче будет светимость пиксела. Напряжение требуется довольно высокое, вдобавок подобная схема, как правило, не позволяет создавать большие экраны, состоящие более чем из миллиона пикселов.

Что касается активной матрицы, то это все тот же двухмерный массив из пересекающихся колонок и линий, но на сей раз каждое из их пересечений представляет собой не только светоизлучающий элемент (или OLED-диод), но и управляющий им тонкопленочный транзистор. Управляющий сигнал посылается уже на него, а он, в свою очередь, "запоминает", какой уровень светимости от ячейки требуется, и пока не получит другую команду, будет исправно поддерживать этот уровень тока. И напряжение в таком случае требуется куда ниже, и ячейка куда быстрее реагирует на изменение ситуации. Обычно здесь используются тонкопленочные полевые транзисторы – TFT (Thin Film Transistor) на базе поликристального кремния.

Благодаря партнерству CDT с корпорацией Seiko-Epson произошло, пожалуй, важнейшее событие в истории развития пластиковых дисплеев. Японцы предложили с помощью модифицированной струйной технологии "печатать" пикселы экрана прямо на управляющих схемах из TFT-транзисторов. Дело в том, что использование пассивно-матричных управляющих схем в сочетании с относительно невысокой скоростью работы полимерных "диодов" приводит к неудовлетворительной инерционности экрана. А достоинства активно-матричной технологии были недостижимы из-за неприменимости фотолитографии к тончайшим полимерным пленкам.

Отклик индустрии

На промышленной выставке FPD International 2004, проходившей в Йокогаме (Япония), корпорация LG.Philips LCD совместно с LG Electronics впервые продемонстрировала самую большую в мире активно-матричную дисплейную панель на базе органических светодиодов. Устройство с размером диагонали 20,1 дюйма, по заявлению представителей этих компаний, было создано с использованием технологии низкотемпературного поликристаллического кремния LTPS (Low Temperature Poly Silicon). При этом LG.Philips LCD разработала TFT-модули, применяемые в продукте, а LG Electronics – процесс вакуумного испарения для органических субстанций. Вообще говоря, южнокорейские и японские производители дисплейных панелей уделяют большое внимание совершенствованию и маркетингу OLED-технологий, которые, в частности, превосходят плазменные и ЖК-дисплеи по качеству изображения.

Опытное производство PLED-дисплеев

В начале этого года корпорация Samsung Electronics (www.samsungelectronics.com) сообщила, что ею был создан прототип крупнейшего в мире монитора на базе OLED. Представленный электронным гигантом 21-дюймовый экран имеет разрешение WUXGA (Wide Ultra Extended Graphics Array), яркость 400 кд на квадратный метр и контрастность 5000:1, что делает его применимым для воспроизведения видео высокой четкости. Производственный процесс использует технологию аморфного кремния (a-Si), который применяется в некоторых производствах ЖК-панелей, так что в принципе новые панели можно изготавливать на существующих производственных линиях. Как утверждают в корпорации, вопрос коммерческого выпуска сейчас находится в стадии рассмотрения.

Успехи этой южнокорейской корпорации просто поражают, если учесть, что всерьез OLED-технологией она начала заниматься лишь в 2000 г., запустив так называемый i-Project в приложении к мобильным телефонам с экранами размером в 1,5–2 дюйма. Впоследствии Samsung Electronics стала сотрудничать с Vitex Systems (www.vitexsys.com), известной в то время своей фирменной технологией Vacuum Polymer Technology (VPT). Она начала реализовывать программу Barrier Engineering Program, направленную на разработку методов защиты субстрата (подложки) от окисления кислородом, воздействия воды и прочих подобных факторов. Обычно в качестве оптимального материала используется стекло, которое многим хорошо, кроме, например, гибкости. А вот Vitex предлагала наносить непосредственно на OLED-матрицу слой из полимеров и керамической пленки, защищающий их не хуже стекла и в то же время абсолютно гибкий. Сначала неравномерный рельеф OLED-экрана заливается тонким слоем жидкости-"мономера", чья поверхность, естественно, будет абсолютно ровной. Потом этот "мономер" полимеризуется, переходя в твердое состояние, а сверху на него наносится необходимое количество защитных слоев полимеров и керамики. За счет того, что их подложка доведена до абсолютно ровного состояния, защита получается весьма надежной, и все это – при общей ее толщине не более трех микронов, то есть материал куда тоньше и легче стекла. В настоящее время Vitex Systems разработала еще более совершенную технологию Barix.

Хотя в прошлом году японская корпорация Seiko Epson показывала прототип 40-дюймового OLED-экрана, в Samsung Electronics говорят, что их 21-дюймовый образец превосходит представленный японцами, поскольку та панель по сути собиралась из четырех смежных 20-дюймовых экранов.

Кстати, в конце прошлого года Seiko Epson и Universal Display Corp. (UDC, www.universaldisplay.com) подписали соглашение о совместной разработке новой технологии – PHOLED (Phosphorescent OLED). По мнению разработчиков, дисплеи, построенные на ее основе, могут быть в четыре раза эффективнее тех, что созданы на базе существующей OLED-технологии, а кроме того, будут потреблять меньше энергии, рассеивать меньше тепла и станут более долговечными. UDC использует результаты американской научной школы и берет за основу результаты исследований ученых Принстона и Университета Южной Калифорнии. Среди предложенных корпорацией разновидностей дисплеев есть оригинальный вариант с прозрачным экраном TOLED (Transparent OLED), обладающим увеличенным коэффициентом контрастности. Такие устройства могут найти применение в салонах автомобилей (монитор на ветровом стекле), шлемах и очках-мониторах. Еще одна конструкция предусматривает расположение субпикселов TOLED "бутербродом" – SOLED (Stacked OLED), что позволит создавать полноцветные мониторы высокого разрешения. Ну и, наконец, "гибкие" экраны FOLED (Flexible OLED), а точнее говоря, выполненные на гибкой подложке, спектр применения которых может быть самым разнообразным.

Преимущества и недостатки

Таким образом, есть все основания полагать, что под боком у ЖК-технологии развивается очень серьезный конкурент. Действительно, технология OLED часто рассматривается экспертами как потенциальная замена не только для ЖК-мониторов, но и плазменных панелей. Дело в том, что OLED-дисплеи имеют целый ряд существенных преимуществ. Они потребляют меньше энергии, не требуют дополнительной подсветки и при этом обеспечивают повышенную яркость, высокую контрастность и частоту регенерации изображения, видимого к тому же под большими углами обзора. Кроме того, OLED-устройства, согласно утверждениям сторонников этой технологии, имеют меньшее время отклика и поэтому лучше приспособлены для быстроменяющегося изображения.

Немаловажным фактором роста популярности OLED-дисплеев может стать и себестоимость массового производства, которая базируется на тонкопленочных и стандартных литографических технологиях. Дело в том, что такая комбинация может обеспечить низкие затраты и высокую надежность всего производственного процесса. Некоторые эксперты полагают, что при условии массового производства стоимость OLED-экранов будет ощутимо ниже, чем у ЖК-панелей. Немаловажной деталью является также тот факт, что такие мониторы работают при напряжении питания в несколько вольт, имеют очень малую массу и толщину. Все это должно сделать технологию привлекательной для производителей электроники и плоскопанельных экранов. Однако до недавнего времени утверждалось, что уровень развития самой технологии еще не позволяет запустить массовое коммерческое производство. Исключения составляют уже устанавливаемые малые экраны в некоторых моделях сотовых телефонов, цифровых камер и ручных компьютеров.

Из недостатков новой технологии стоит отметить относительно низкое "время жизни" (lifetime) излучающих полимеров. Самые большие проблемы возникли с материалами, излучающими синий свет. Сначала они могли работать вообще не дольше тысячи часов, что было явно неприемлемо для практического применения. Достигнутые успехи на сегодняшний день не могут не впечатлять. Хотя в синем спектре перспективные OLED-материалы по-прежнему остаются наименее долговечными, срок их жизни составляет уже около 10 тыс. часов. А осенью прошлого года компании CDT удалось получить OLED-материал с синим свечением, время жизни которого составило 40 тыс. часов.

Статья опубликована в PC Week/RE №9 от 22.03.2005 г., стр. 18.
Перепечатывается с разрешения автора.