Šviesą spinduliuojančios organinės medžiagos sudaro
sąlygas pagaminti ryškesnius ir efektyvesnius displėjus už
skystųjų kristalų. Be to, prireikus juos bus galima išvynioti it
staltiesę.
Prieš pasirodant vaizdo grotuvams, buvo naudojami kino
projektoriai ir ekranai. Ekranas buvo kabinamas ant sienos ir į svečius atėję
pažįstami nekantraudami laukdavo
filmo apie jūsų vasaros atostogų
keliones. Tačiau gana dažnai, sumirgėjus
pirmiesiems filmo kadrams sprogdavo projektoriaus lempa.
Nežiūrint kai kurių
nepatogumų, toji sena technologija turėjo bent
vieną pranašumą: ekranas buvo
lengvas, ne ką storesnis už popierių ir po
seanso galėjo būti suvyniotas į
nedaug vietos užimantį futliarą. Pakanka
palyginti jį su gremėzdiškais
televizorių ar kompiuterių monitoriais ir
apima nostalgija. O gal vakar dienos patogumus vis dėlto įmanoma suderinti
su šiuolaikinėmis technologijomis?
Neseniai aptiktos organinės šviesą emituojančios medžiagos,
kurias pradėjus plačiau naudoti visi
elektroniniai vaizdai bus gaunami
paprasčiau ir taps labiau prieinami visiems,
sudaro prielaidas teigiamai atsakyti į
šį klausimą. Displėjuose naudojamos
organinės medžiagos šviečia ryškiau,
sunaudoja mažiau energijos ir pasižymi paprastesne gamybos
technologija (taigi potencialiai gali būti
pigesnės) už dabar labiausiai paplitusią
alternatyvą - skystuosius kristalus.
Kadangi organiniai šviesos diodai OLED (Organic Light Emitting
Diodes) patys spinduliuoja šviesą, jiems pakanka
gerokai mažiau galios negu jos reikia įprastiems skystųjų kristalų
displėjams LCD (Liquid Crystal Display),
naudojantiems papildomą
apšvietimą. OLED taip pat turi kelis labai
svarbius pranašumus prieš tradicinius šviesos diodus LED
(Light Emitting Diode):
1 pav. Pirmas rinką pasiekęs aktyviosios matricos OLED displėjus. Kodak EasyShare LS633 skaitmeninės vaizdo kameros 2,2 colio įstrižainės ekranas.
a) OLED reikalingos medžiagos nebūtinai turi būti kristalinės (tai
yra, sudarytos iš tiksliai pasikartojančių plokštumų, kuriose
išsidėstę medžiagos atomai), todėl jas
yra paprasčiau sintezuoti;
b) organinės medžiagos gali būti
užnešamos labai plonais sluoksniais;
c) iš skirtingoms spalvoms skirtų skirtingų medžiagų ant
padėklo gali būti sudaryti raštai,
teikiantys galimybę pasiekti didelę
gaunamų vaizdų skyrą;
d) Galima gana laisvai rinktis pačius padėklus. Tai gali būti
nebrangus stiklas, lankstus plastikas ar netgi metalo folija.
Artimiausiais metais turėtų pasirodyti televizoriai ir kompiuterių
monitoriai su dideliais išvyniojamais ekranais. Kariškiai galės išsivynioti
lakštą plastiko, kuriame iškart atsiras
reikalingas žemėlapis. Mažesnius
displėjus bus galima apsivynioti apie
riešą arba įmontuoti į drabužius.
Didelius reklaminius pano bus galima apsukti apie pastato koloną ar, panašiai
kaip sienų apmušalus, pritvirtinti ant
sienų ar lubų.
Šiuo metu LED ilgaamžiškesni
už organinius spinduolius ir bus labai sunku juos išstumti iš tokių
taikymo sričių kaip, pavyzdžiui,
indikatorių lemputės. Bet OLED jau dabar
pademonstravo savo didelį potencialą
taikant juos displėjuose. Juos naudojantys ekranai spinduliuoja daugiau
kaip 100 kandelų iš kvadratinio metro (maždaug toks yra nešiojamo
kompiuterio ekrano skaistis) ir gali veikti dešimtis tūkstančių valandų (tai
atitinka kelis reguliaraus displėjaus naudojimo metus) prieš išblykšdami iki
pusės pradinio skaisčio.
Technologijos taikymams pasišventė beveik 100 įvairių firmų,
kurių dauguma pagrindinį dėmesį skiria
mažiems, nedidelės galios
displėjams. Pirmieji gaminiai su OLED
displėjumi buvo nelankstus 2,2 colio
įstrižainės displėjus skaitmeninėms
vaizdo kameroms bei mobiliesiems telefonams, pristatytas rinkoje 2002 m.,
ir 15 colių įstrižainės kompiuterio
monitoriaus prototipas. Juos abu sukūrė ir pagamino tie patys partneriai:
Kodak ir Sanyo, 2003 m. pasaulinė organinių displėjų rinka buvo apie
219 mln. dolerių, bet tikimasi, kad 2009 m. ji turėtų šoktelėti net iki 3,1
milijardo dolerių.
LED ir OLED
Kristaliniai puslaidininkiai - OLED pirmtakai - didesnio
dėmesio susilaukė 1947 m., kai buvo
sukurtas tranzistorius, o matomą šviesą
spinduliuojantį šviesos diodą pirmasis
pagamino Nickas Holonyak 1962 m.. Pirmasis komercinis jų taikymas
buvo mažyčiai raudonos šviesos
šaltiniai kalkuliatoriams ir laikrodžiams,
o greitai po to LED imta taikyti ir kaip patvarius raudonai, žaliai ir
geltonai šviečiančius indikatorius. Šiek tiek
pakeitus konstrukciją iš LED pagaminti lazeriniai diodai, nuo kurių
prasidėjo šviesolaidinio optinio ryšio
revoliucija ir juos imta plačiai naudoti
optinės atminties įrenginiuose su
kompaktiniais ir skaitmeniniais vaizdo diskais. Dešimtajame dešimtmetyje,
atsiradus mėlynai šviečiantiems šviesos
diodams, pasirodė dideli spalviniai displėjai, sudaryti iš šimtų ir
tūkstančių LED lustų ir puošiančių
dangoraižių sienas ir sporto arenas. Mažesni
šios konstrukcijos prietaisai, naudojami asmeniniuose skaitmeniniuose
asistentuose PDA (Personal Digital
Assistant) ar nešiojamuose kompiuteriuose, nėra tokie praktiški.
2 pav. Universal Display Corporation sukūrė lankstaus displėjaus prototipą.
Ir LED, ir OLED sudaro įvairių puslaidininkių, medžiagų, kurių
elektrinis laidumas yra maždaug per
vidurį tarp gerų laidininkų, tokių kaip
varis, ir į gumą panašių izoliatorių,
sluoksniai. Puslaidininkinėse
medžiagose, pavyzdžiui, silicyje surištus ir
nesurištus, galinčius pernešti elektros
srovę elektronus skiria nedidelis
energijų tarpas. Prijungtos įtampos dėka
suteikus pakankamą energiją,
elektronai gali pradėti judėti sukurdami
elektros krūvį. Puslaidininkis tampa laidus
ir jį atitinkamai legiravus; jei papildomai į sluoksnį įterpti atomai turi
mažiau elektronų negu atomai, kuriuos jie
pakeičia, dalis elektronų pašalinama
iš kristalo ir lieka teigiamai įkrautos "skylės"o medžiaga virsta "p-tipo".
Ir priešingai, jei sluoksnis yra legiruojamas taip, kad atsiranda
neigiamai įkrautų elektronų perteklius, jis
vadinamas "n-tipo" medžiaga. Į p-tipo
medžiagą patekęs elektronas gali
sutikti skylę, nukristi į žemesniąją juostą
ir išspinduliuoti energiją (lygią
draustinių energijų tarpui) kaip šviesos
fotoną. Šviesos bangos ilgis šiuo atveju
priklausys nuo spinduliuojančios
medžiagos draustinių energijų tarpo.
Norint, kad būtų spinduliuojama matomoji šviesa, medžiagų
draustinių energijų juostos tarpas privalo
būti tarp dviejų ir trijų elektronvoltų
dydžio. (1 eV yra lygus kinetinei energijai, kurią įgauna 1 V įtampos
pagreitintas elektronas. 1 eV energiją
turintis fotonas turi maždaug 1.06 mikrono bangos ilgį, o 2 eV fotono
bangos ilgis yra perpus mažesnis - 620 nm ir atitinka rausvą spalvą.)
Keistas švytėjimas
Organinius puslaidininkius sudaro molekulių agregatai, kurie
turi amorfinę sandarą - jie yra kieti
kūnai, bet nėra kristaliniai ir nepasižymi
kokia nors aiškia tvarka. Organiniai šviesos emiteriai skirstomi į du
pagrindinius tipus, besiskiriančius "mažais"
ir "dideliais" molekulių dydžiais.
Pirmą praktinę vertę turėjusį organinį
šviesos diodą, pagamintą iš mažų
molekulių, 1987 m. išrado Ching W. Tangas ir Stevenas A. Van Slyke,
dirbę kompanijai Eastman Kodak. Tam postūmį davė Tangas, pastebėjęs, jog
jo tiriamas organinis saulės elementas skleidžia keistą žalią aureolę.
Abu mokslininkai įsitikino, kad, parinkus dvi organines medžiagas, kurių
viena pasižymėtų geru laidumu skylėms,
o kita - elektronams, galima padaryti taip, kad fotonai būtų
spinduliuojami netoli abiejų medžiagų kontakto
arba sandūros kaip ir įprastiniame
LED. Jiems taip pat prireikė medžiagos,
į kurią nebūtų sunku injektuoti
skyles, o tam, kad šviesa galėtų palikti
medžiagą, vienas kontaktas privalėjo
būti skaidrus. Mokslininkai pasinaudojo faktu, kad dažniausiai
naudojama skaidri ir laidi medžiaga - indžio
alavo oksidas - yra labai tinkama p-tipo kontaktams.
3 pav. Žvilgsnis vidun.
Jų sukurtasis darinys nuo tada beveik nepakito ir dažnai
vadinamas "Kodak dariniu", nes Kodak
priklauso pagrindinis jo patentas. Sluoksnis po sluoksnio įvairios medžiagos
yra nusodinamos ant stiklo padėklo: reikiamos medžiagos garinamos ir
joms leidžiama kondensuotis padėklo paviršiuje. Visas organinių sluoksnių
storis tėra 100-150 nanometrų, daug
plonesnis negu tradiciniuose LED, kuriuose jie storesni už 1 µm.
Kadangi sluoksnius sudarančių medžiagų
molekulės yra palyginti lengvos - lengvesnės netgi ir už nedidelius
baltymus - KODAK tipo OLED dažnai yra vadinami "mažų molekulių" OLED.
Po pradinio atradimo džiaugsmo, Tangas ir Van Slyke pradėjo sukti
galvą, kaip sukurti pačią
efektyviausią konstrukciją. Į emiterio medžiagą,
vadinamą aliuminio tri- 8-hydroksikvinolinu jie pridėjo šiek tiek
fluorescuojančių dažų - kumarino.
Elektronams ir skylėms rekombinuojant,
išsiskirianti energija patekdavo į dažus,
kurie labai efektyviai spinduliavo šviesą. Papildomi indžio alavo oksido
ir kitų junginių sluoksniai netoli
elektrodų taip pat pagerindavo elektronų
ir skylių injekciją, o tuo pačiu ir
bendrą OLED efektyvumą.
Organiniai LED, pagaminti iš šių mažų molekulių, spinduliuoja
raudoną, žalią ir mėlyną šviesą, bet žali
spinduoliai yra patys efektyviausi. Tokie žalieji OLED pasiekia nuo 10 iki
15 cd/A skaistį - maždaug tiek pat,
kiek ir dabar parduodami LED - ir 7-10 lm/W - tos vertės yra palyginamos
su kaitinimo lempučių efektyvumu.
Išsuk raizginį
Antras organinių šviesos
šaltinių tipas yra OLED, gaminami iš
didelių polimero molekulių, dar vadinami
polimerų LED (PLED). Pirmieji juos sukūrė Jeremy Burroughes su savo
bendradarbiais iš Kembridžo universiteto 1990 m. Polimeriniai LED
gaminami užnešant ant padėklo ploną
polimero sluoksnį ir po to įsukant tą
padėklą iki labai didelio greičio
(1200-1500 apsukų per minutę) tam, kad
išcentrinė jėga išskleistų polimero
molekulių raizginį po visą paviršių. Po
to sluoksnis pakepinamas, taip pašalinant jame buvusį tirpiklį ir, kai
kuriais atvejais, užbaigiant polimerizacijos procesą. Toks sluoksnių gamybos
būdas yra ekonomiškesnis už
anksčiau aptartą šiluminį garinimą.
Polimerai pranašesni už Kodak tipo mažų
molekulių prietaisus dar ir todėl, kad
yra efektyvesni spinduoliai, nes didesnis polimerų sluoksnių elektrinis
laidumas sudaro sąlygas veikiant naudoti mažesnes įtampas.
4 pav. Samsung SDI pagamintas OLED displėjus turi 15,5 colio įstrižainę, bet jo storis tėra 1,8 mm.
Pirmuosiuose PLED tebuvo vienas polimero, vadinamo
polifenileno vinilenu (PPV), aktyvus sluoksnis
tarp dviejų skirtingų metalų,
pavyzdžiui, indžio alavo oksido ir kalcio
kontaktų, injektuojančių į aktyvųjį
sluoksnį elektronus ir skyles. Indžio alavo
oksidas geriau injektuoja skyles, o kalcis - elektronus.
Šiuolaikiniuose PLED skylių injekcijai ir pernašai
yra skirtas papildomas, antras polimero sluoksnis. Polimeras PPV
spinduliuoja geltoną šviesą bei pasižymi
puikiais skaisčio ir gyvavimo trukmės
parametrais - kompiuterio monitoriuje toks PLED gali būti naudojamas ilgiau
nei 10 000 valandų, o tai atitiktų apie
10 normalaus naudojimo metų. (Jau buvo pademonstruoti ir visą spalvų
gamą spinduliuojantys PLED, bet
rinką pasiekė tiktai gaminiai,
šviečiantys geltonai.) Yra sukurti ir kiti
PLED skirti polimerai, kurie remiasi organinėmis polifluoreno molekulėmis.
Kaitaliojant jų sąstatą, įmanoma
išgauti visą spalvų spektrą; kol kas blogiau
sekasi sukurti tiktai mėlynai spinduliuojančius PLED.
Įveikiant ribas
Nors OLED ir PLED ir šiandien priskirtini prie energiją
taupančių prietaisų, ribų jų tobulinimui
nėra. Pirmosios kartos prietaisų
parametrus ribojo elektronų sukinys - kvantinė
savybė, lemianti tai, kaip krūvininkai
elgiasi magnetiniame lauke. Kai elektronas ir skylė susitinka
medžiagoje, jie sudaro naują darinį, kuris
vadinamas eksitonu. Kadangi ir elektrono, ir skylės sukiniai gali būti vienoje
iš dviejų būsenų, eksitonai bus
keturių tipų. Juos sudarančių dalelių
sąveiką aprašančios kvantų mechanikos
taisyklės leidžia tik vieno iš šių
keturių tipų eksitonams išnykti
išspinduliuojant fotonus, kitų trijų tipų
eksitonų energija virsta šiluma.
Šią problemą 1998 m. pavyko
išspręsti Stepheno R. Forresto iš
Princetono universiteto vadovaujamai grupei. Jie sukūrė OLED
prietaisus, kurių spinduliuojančioje terpėje
yra sunkiųjų metalų atomų: tokių
kaip platinos ar iridžio. Sunkiųjų
metalų atomuose išoriniai elektronai,
kaip taisyklė, yra toli, branduolio ir
todėl turi didesnį kampinį sukimosi
momentą. Šis momentas veikia kitų
elektronų sukinius ir sukuria sąlygas,
kai šviesą, o ne šilumą, gali
spinduliuoti visi eksitonai, todėl teorinė tokių
emiterių efektyvumo riba priartėja
prie 100 proc. Naujieji emiteriai buvo pavadinti fosforescenciniais OLED,
taip siekiant atskirti juos nuo labiau
įprastų fluorescencinių OLED.
Fosforescenciniai mažų molekulių OLED pasižymi įspūdingu
šviesos generavimo efektyvumu ir yra labai ilgaamžiai. Deja, to dar negalima
pasakyti apie mėlynai šviečiančius
emiterius. Iki šiol neaptikta gera
mėlynai fosforescuojanti medžiaga, nors
tai stengiasi padaryti daugybė
mokslinių laboratorijų.
Ar įmanoma suderinti spalvų įvairovę, teikiamą mažųjų
molekulių OLED, su ekonominiais PLED naudojamų išsukamų dangų
pranašumais? Vienas neseniai užbaigtas
fosforescencinių medžiagų tyrimas
teikia vilties, kad toks derinys bus sukurtas. Oksfordo ir St. Andrews
universitetų (Anglija) darbuotojams pavyko
sintezuoti dendrimerais vadinamas molekules ir įrodyti, kad jose galima
aptikti ir mažųjų molekulių, ir polimerų
savybių. Dendrimere fosforescencinė molekulė sudaro šerdį, aplink
kurią žiedais išsidėsto kitos molekulės,
sudarančios didelį molekulių rutulį.
Jei atšakose yra parenkami tinkami elementai, tas molekules galima
ištirpinti ir po to, kaip ir polimerų atveju,
naudoti išsukant ir įkepinant. Jau yra
sukurti dendrimeriniai prietaisai, pasižymintys dideliais spinduliuotės
efektyvumais (daugiau kaip 50 cd/A ir 40 lm/W).
Organiniai šviesos šaltiniai suteikia galimybę pasiekti tokią pat
vaizdo kokybę kaip elektroniniai kineskopai ar skystųjų kristalų displėjai, bet jų
gamybos procesai labai skiriasi. Siekiant trijų vaizdo kokybės spalvų:
raudonos, žalios ir mėlynos, vaizdo
elementų grupės, vadinamos triadomis, turi
būti labai tankiai išdėstytos (daugiau
už 100 colyje, arba 40 centimetre), kitaip šios spalvos nesusilies ir bus
pastebima vidinė triadų struktūra.
Kineskopuose ir LCD toks tikslumas pasiekiamas pasitelkus
fotolitografiją. Kiekviena iš trijų luminoforų ar
spalvinių filtrų medžiagų įmaišoma į
fotojautrios dervos matricą ir paskleidžiama visame displėjaus plote.
Apšviestose vietose matrica tampa netirpia, o kitur ji yra ištirpinama.
Tokie procesai pakartojami su visomis trimis spalvomis.
Mažųjų molekulių
spalviniuose OLED - priešingai, - vaizdo
triados suformuojamos garinant emiterių medžiagas per specialius šablonus.
Po kiekvienos spalvos emiterio sluoksnio garinimo šablonas šiek tiek
paslenkamas į šalį. 250 mikronų dydžio
triadoms pagaminti prireikia 10 µm eilės tikslumo. Gaminant spalvinius
PLED, dažniausiai naudojama ta pati technologija, kaip ir rašaliniuose
spausdintuvuose - spausdinimas rašalo
čiurkšle. Specialūs spausdintuvai leidžia
išdėlioti raudoną, žalią ir mėlyną
spalvas spinduliuojančių medžiagų
taškelius 5-10 µm tikslumu.
Šiandienos ir rytojaus gaminiai
Šiuo metu mažųjų molekulių
displėjai atrodo geriau nei iš
polimerų pagamintos displėjų versijos,
bet PLED šalininkai tvirtina, kad atotrūkis tarp šių technologijų vis mažėja.
Spalvinius OLED ir PLED taip pat galima pagaminti naudojant
baltai šviečiantį spinduolį ir
mažyčius spalvinius filtrus, kaip tai yra
daroma su LED. Šią koncepciją naudojo
eMagin Corporation (JAV) savo 800x600 vaizdo elementų, 0,6 colio
įstrižainės spalviniame minidisplėjuje. Tokie
displėjai, kartu su didinančia optika,
yra naudojami lakūnų, karių ir
ugniagesių šalmuose, o taip pat įvairiuose
trimačiuose kompiuteriniuose žaidimuose.
Kariškiai taip pat domisi lanksčių organinių displėjų
technologijomis. Neseniai JAV armijos mokslinis centras paskyrė 2 mln. dolerių
kompanijai Universal Display, prašydamas sukurti tokį OLED displėjų, kurį
būtų galima suvynioti į pieštuko
dydžio ritinėlį. Karinė agentūra DARPA
taip pat finansavo lanksčių, mūšio
laukui skirtų displėjų sukūrimą.
Galima tikėtis nuoseklios ir sparčios organinių displėjų pažangos,
nes šia technologija susidomėjusių
kompanijų ir jai pasišventusių
mokslininkų skaičius vis auga. Jau tapo
aišku, kad organiniai šviesos šaltiniai
teikia neribotas galimybes molekulių
inžinerijos ir sintezės specialistams
kuriant energiją taupančius, ilgaamžius ir
nebrangius gaminius.