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):

   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.

   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.

   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.

   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.