Органические светодиоды. перспективы развития

Особенности устройства органических светодиодов и перспективы развития технологии OLED.

Для световой сигнализации светодиоды используются достаточно давно. В настоящее время активно развивается производство светодиодных ламп, применяемых для освещения. Преимущества у них очевидны: высокий КПД, длительный срок службы, низкое энергопотребление. Сейчас начинает набирать обороты новое направление – производство органических светодиодов.

Органические светодиоды представляют собой набор пленок органического происхождения, которые при пропускании электрического тока начинают светиться. При этом свет распределяется равномерно по всей площади материала.

Состоят органические светодиоды из анодов, катодов, излучающего (или эмиссионного) и проводящего слоев.

Принцип работы заключается в подаче на анод положительного напряжения, вследствие чего электроны начинают двигаться от катода к аноду, то есть катод отдает электроды в излучающий слой. В свою очередь, из проводящего слоя, электроны переходят к аноду, или можно сказать, что анод передает проводящему слою носителей положительного заряда, так называемые дырки.

Дырки и электроны начинают движение навстречу друг другу и, вследствие их контакта, происходит понижение энергии электронов, которое сопровождается излучением. Дырки обладают большей подвижностью, чем электроны, поэтому излучение и происходит в эмиссионном слое.

Такая технология получила аббревиатуру OLED. В настоящее время, наиболее активно развивается применение органических светодиодов в производстве дисплеев, которые в перспективе должны будут заменить жидкокристаллические. Такие дисплеи обладают гибкостью, благодаря чему им можно придать практически любую форму. Ожидается также, что в будущем цена таких дисплеев станет в разы меньше жидкокристаллических.

Не менее перспективным направлением развития OLED, является использование органических светодиодов для освещения. Это может стать революцией в области осветительных технологий.

Однако, до массового применения, таких светильников пока далеко. Наряду с не имеющими аналогов свойствами, есть, к сожалению, у органических светодиодов и ряд существенных недостатков.

В первую очередь, это непомерно высокая стоимость изготовления, что пока и мешает выпускать такую продукцию в промышленных масштабах.

Другой серьезной проблемой, является недолговечность материала, из которого делаются органические светодиоды.

Недостатки и проблемы с развитием технологий OLED очевидны и неоспоримы. Но очевидно и то, что преимущества, которые можно получить от применения органических светодиодов, заставляют крупнейшие компании и научные центры активно заниматься разработкой и развитием этих технологий.

Органические светодиоды. Перспективы развития | Инвертор, преобразователь напряжения, частотный преобразователь

Для световой сигнализации светодиоды употребляются довольно издавна. В текущее время интенсивно развивается создание светодиодных ламп, используемых для освещения. Достоинства у их явны: высочайший КПД, долгий срок службы, низкое энергопотребление. На данный момент начинает набирать обороты новое направление — создание органических светодиодов.

Органические светодиоды представляют собой набор пленок органического происхождения, которые при пропускании электронного тока начинают сиять. При всем этом свет распределяется умеренно по всей площади материала.

Состоят органические светодиоды из анодов, катодов, излучающего (либо эмиссионного) и проводящего слоев.

Дырки и электроны начинают движение навстречу друг дружке и, вследствие их контакта, происходит снижение энергии электронов, которое сопровождается излучением. Дырки владеют большей подвижностью, чем электроны, потому излучение и происходит в эмиссионном слое.

Более многообещающим направлением развития OLED, является внедрение органических светодиодов для освещения. Это может стать революцией в области осветительных технологий.

Но, до массового внедрения, таких осветительных приборов пока далековато. Вместе с не имеющими аналогов качествами, есть, к огорчению, у органических светодиодов и ряд существенных недочетов.

Сначала, это безмерно высочайшая цена производства, что пока и мешает выпускать такую продукцию в промышленных масштабах.

Другой суровой неувязкой, является недолговечность материала, из которого делаются органические светодиоды.

Недочеты и трудности с развитием технологий OLED явны и неопровержимы. Но разумеется и то, что достоинства, которые можно получить от внедрения органических светодиодов, принуждают наикрупнейшие компании и научные центры интенсивно заниматься разработкой и развитием этих технологий.

Андрей Повный /

Осветительный прибор с органическими светодиодами

Перспективы органических светодиодов в системах освещения

В настоящий момент на мировом рынке светотехники и средств отображения информации активно развивается направление твердотельных источников света (Solid State Light, SSL), которые благодаря ряду преимуществ уверенно вытесняют традиционные источники света, достигшие своих предельных параметров уже за столетнюю историю развития.

К SSL-устройствам относятся два вида светоизлучающих диодов: неорганические (Light Emitting Diodes, LED) и органические (Organic Light Emitting Diodes, OLED), соответственно. Промышленный выпуск первых коммерческих неорганических светодиодов был освоен в 1960-х гг.

, и в настоящее время эта технология имеет существенные преимущества на рынке благодаря многолетнему развитию.

Интерес к органическим светодиодам как к коммерчески перспективным устройствам возник в конце XX-го столетия после публикации работ группы Танга и Ван Слайка (лаборатория Eastman Kodak, США) и открытия фосфоресцентных (триплетных) материалов группой Фореста (США), что позволило существенно повысить эффективность OLED-структур.

Несмотря на более поздний старт, лабораторные образцы OLED-структур в настоящее время демонстрируют характеристики, сравнимые с лучшими образцами светодиодов мировых лидеров. Тем не менее в мировой тенденции развития SSL-устройств органические и неорганические светодиоды рассматриваются не как конкурирующие, а взаимно дополняющие технологии.

Физические основы работы OLED

Для лучшего понимания преимуществ и особенностей OLED-структур в этом разделе будут кратко рассмотрены физические основы их работы. Прежде всего, стоит отметить, что OLED-структура представляет собой распределенную по площади полупроводниковую структуру на основе тонких слоев органических материалов, нанесенную между слоями катода и анода (см. рис. 1).

Следует заметить, что тонкопленочная OLED-структура крайне чувствительна к парам воды и кислороду, под действием которых происходит деградация органических материалов и материала катода, а кислород, даже в очень небольших концентрациях, является активным «тушителем» фосфоресценции — основе создания высокоэффективных OLED-структур. По этой причине OLED-структура нуждается в надежной герметизации с помощью защитной стеклянной или металлической крышки с поглощающим пары воды и кислород материалом (гетером). Для устройств на гибкой подложке необходима многослойная тонкопленочная герметизация в сочетании с приемлемыми барьерными свойствами самой подложки.

Электролюминесценция в OLED-структуре схематически показана на энергетической диаграмме (см. рис.

2) и включает инжекцию отрицательных и положительных носителей заряда (электронов и дырок) из катода и анода, соответственно (1), их транспорт в электрическом поле (2), захват и рекомбинацию с образованием нейтрального возбужденного состояния (электронно-дырочной пары) — (3) и ее излучательного распада — (4).

Для получения высокоэффективного OLED-устройства необходим тщательный подбор материалов каждого из слоев структуры, его толщины и состава, проведение многократных итераций технологического процесса, исследования электрофизических свойств и математического моделирования, разработки внешних световыводящих покрытий, обзор которых не входит в цели данной статьи, и будет проделан в дальнейшем.

Спектральный состав электролюминесценции, определяющий цвет свечения OLED, зависит от материала или нескольких составляющих активного слоя структуры.

Тонкие органические пленки по своей природе являются аморфными веществами, и электронно-дырочные пары в активном электролюминесцентном слое образуются с существенным разбросом по энергии, что приводит к достаточно широкому спектру люминесценции OLED-структур с полушириной порядка 50…100 нм, в отличие от LED-структур, имеющих более узкий спектр люминесценции (см. рис. 3а).

Применительно к дисплейным технологиям широкий спектр люминесценции OLED-структур является недостатком, и для большего цветового охвата и насыщенности цветов экрана применяются интерференционные фильтры, вырезающие более узкие спектры RGB-пикселов.

При получении OLED-структур белого цвета свечения используется люминесценция нескольких органических материалов, что при смешивании дает белый цвет различных оттенков (см. рис. 3б).

Как видно из рисунка, спектр OLED-структуры покрывает практически всю видимую область без сильных локальных пиков и провалов, обеспечивая высокий индекс цветопередачи (CRI) (см. рис. 4) и комфортное психофизическое восприятие применительно к системам освещения.

Рис. 1. Схематическое изображение OLED-устройства: слои (а) тонкопленочной OLED-структуры (б)

Рис. 2. Электролюминесценция в OLED-структуре: инжекция носителей заряда (1); транспорт (2); захват и рекомбинация (3); излучательный распад (4)

Рис. 3. Спектр электролюминесценции OLED-структуры на основе оксихинолята алюминия (Alq3) – а; спектр электролюминесценции OLED-структуры белого цвета свечения – б

Рис. 4. OLED-структуры обеспечивают высокий индекс цветопередачи

Технологии производства OLED

Существуют два основных направления в производстве OLED-структур — это напыление из газовой фазы и нанесение из раствора. Первым способом, как правило, наносят т.н.

низкомолекулярные соединения, которые слаборастворимы, а из-за малого молекулярного веса прекрасно испаряются при термическом напылении в вакууме (Vacuum Thermal Deposition) или переносятся в газе-носителе (Organic Vapor Phase Deposition) (см. рис. 5).

• У нанесения OLED-материалов из газовой фазы имеется следующий ряд преимуществ:
• – при напылении в высоком вакууме или сверхчистом газе-носителе отсутствуют внешние источники загрязнений органических материалов, а высокая чистота исходных материалов играет ключевую роль в эффективности OLED-структуры;
• – напыление из газовой фазы позволяет последовательно наносить большое количество однокомпонентных или легированных слоев, что необходимо для создания эффективной OLED-структуры;
• – легко формируется топология устройства при напылении через отверстия в теневой маске, помещенной перед подложкой;
• – метод термического напыления в вакууме уже хорошо отработан и широко применяется в производстве OLED-дисплеев.

Полимерные органические материалы, как правило, наносятся с помощью жидкостных методов благодаря хорошей растворимости и нелетучести из-за высокого молекулярного веса полимерной цепочки. Наиболее простым методом нанесения материалов из раствора является центрифугирование (Spin Coating) (см. рис. 6), — хорошо отработанный процесс нанесения фоторезиста в электронной промышленности.

Однако этот способ хорош для быстрого получения простых лабораторных образцов, т.к. не подразумевает нанесения структуры с топологическим рисунком устройства.

С помощью метода струйной печати (Ink Jet Printing) возможно нанесение органических материалов из раствора на твердые и гибкие подложки с формированием топологии устройства (см. рис. 7).

Совместимость этого метода с другими возможностями печатной электроники делает его весьма перспективным для создания дисплеев на гибкой подложке и других оптоэлектронных устройств. Применительно к системам освещения этот метод достаточно медленный и не перспективен для получения больших площадей OLED-структур.

Наиболее перспективным способом изготовления OLED-структур большой площади с высокими объемами производства является метод roll-to-roll, который заключается в переносе раствора органического материала посредством печатающего барабана (см. рис. 8).

Такой способ позволяет наносить органические материалы из раствора на движущуюся ленту исходной подложки с высокой скоростью при низкой себестоимости, аналогично процессу офсетной печати.

Однако у жидкостного процесса имеется существенный недостаток: определенный материал растворим либо в воде и не растворим в органических растворителях, либо наоборот.

По этой причине OLED-структура, изготовленная жидкостным способом, может содержать не более двух функциональных слоев: один — нанесенный из водного раствора и один — из органического растворителя, т.к. последующий слой, нанесенный из того же типа растворителя, повредит предыдущий.

Для того чтобы структура имела высокую эффективность, зачастую двух слоев недостаточно, и по этой причине дополнительные слои наносятся методом вакуумного напыления, что существенно увеличивает ее себестоимость.

Кроме того, возможно загрязнение материалов примесями, находящимися в самом растворителе, наряду с невероятной сложностью очистки исходных полимерных материалов от примесей и прекурсоров — исходных материалов, которые подвергаются полимеризации.

Стоит отметить, что создание сложных систем roll-to-roll может состоять из последовательного процесса нанесения материалов на движущуюся подложку различными способами при прохождении ленты через модули системы (см. рис. 9).

В настоящий момент производство OLED-устройств развивается с использованием двух основных процессов группового исполнения: ленточного (Web processing) и листового (Sheet processing).

К первому типу относятся системы Roll-to-Roll, которые подразумевают производство устройств на длинной ленте-носителе с разделением устройств по ее длине (см. рис. 10а).

В системах с использованием второго метода групповое исполнение устройств осуществляется на подложках больших размеров с разделением устройств по длине и ширине подложки (см. рис. 10б).

Несмотря на то, что для ленточного метода предсказывается более дешевая себестоимость производства, установки данного типа находятся на этапе проектирования, и в них остается ряд нерешенных технологических проблем, например тонкопленочной герметизации устройств на гибкой подложке, которая на сегодняшний день не обеспечивает необходимых барьерных свойств к парам воды и кислороду.

Листовой метод, как отмечалось, на сегодняшний день уже достаточно хорошо отработан и применяется в коммерческом производстве OLED-дисплеев рядом мировых лидеров, например Samsung, Sony, LG, CMEL, RiTDisplay и т.д.

Указанные производители успешно используют опыт, полученный в процессе развития технологии ЖК-дисплеев, работая уже со стеклами размером 370×470 мм (CMEL), что соответствует второму поколению технологии ЖКД. При этом развитие технологического направления Sheet processing для OLED-панелей можно предсказать аналогично развитию технологии TFT LCD (см. рис.

11), для чего требуется последовательное масштабирование технологического процесса на подложки больших размеров, что приводит к снижению себестоимости устройств.

Технология производства OLED-дисплеев включает надежный способ герметизации стеклянной крышкой с полостью, в которой помещен материал, адсорбирующий пары воды и кислород, что обеспечивает время жизни дисплея до 50 тыс. ч (для коммерческого применения).

Ряд производителей OLED-дисплеев уже заявляет о планах перевода имеющихся производственных мощностей на OLED-панели для освещения при стратегии перехода производства от пассивно-матричных дисплеев (PM OLED) к дисплеям с активно-матричным управлением (AM OLED).

Рис. 5. Термическое напыление в вакууме (а); перенос паров органических материалов в газе-носителе (разрабатывается компанией Aixtron) (б)

Рис. 6. Центрифугирование

Рис. 7. Нанесение органических материалов с помощью метода струйной печати

Рис. 8. Изготовления OLED-структур большой площади

Рис. 9. Roll-to-Roll процесс производства солнечных батарей на гибком носителе от компании Flisom AG

Рис. 10. Производство OLED-устройств с помощью двух основных процессов группового исполнения

Рис. 11. Развитие технологического направления по методу листового процесса

OLED-освещение

Как отмечалось выше, отличительной особенностью OLED является их распределенный характер. В программе развития светодиодной промышленности, разработанной американским департаментом по энергетике (US DOE Solid State Lighting Roadmap), однозначно прописана стратегия, в которой OLED- и LED-светодиоды рассматриваются не как конкурирующие, а как взаимно дополняющие направления.

LED-кристалл является сверхъярким точечным источником света, излучение которого легко и без существенных потерь можно сфокусировать с помощью внешней оптики для получения необходимой диаграммы направленности.

Для создания LED-светильника с распределенным диффузным светом необходимо применять различного рода рассеивающие конструкции (см. рис. 12а), в которых потери достигают 30—40%. В свою очередь, OLED-панель уже является распределенным распределенным источником света (см. рис. 12б).

Таким образом, LED-светильники выигрывают в секторе направленных источников света, а OLED — в секторе распределенных.

Распределенный характер OLED-структур играет важную роль в процессе отвода тепла от активной области, которое неизбежно выделяется из-за потерь в структуре.

В неорганических светодиодах рабочие плотности тока достигают значений в десятки A/cм2, что при высоком тепловом сопротивлении кристалл/корпус и отсутствии внешнего теплоотвода от корпуса светодиода приведет к его перегреву, выходу из строя или существенному снижению времени жизни и эффективности.

В OLED-структурах токи распределены по большой поверхности, и рабочая плотность тока составляет величину в десятки мA/cм2, что не приводит к существенному разогреву структуры и необходимости установки радиатора.

В настоящее время появляется большое количество прототипов светотехнических устройств на базе OLED-структур (см. рис. 13), таких как светильники различных конструкций, светящиеся потолки и стены, в т.ч. полупрозрачные.

Неограниченные возможности в светотехнике и светодизайне представляют OLED-панели на гибкой подложке. Существуют проекты внешнего габаритного и внутреннего освещения автомобилей, освещения салонов самолетов, светящиеся обои и различные подсветки.

Рис. 12. а) рассеивающая конструкция диффузного LED-светильника; б) OLED-панель как распределенный диффузный источник светаc

Рис. 13. Светильник от Lumiotec (а); светящийся потолок из OLED-панелей от OSRAM (б); проект динамически светящейся OLED-стены (в); проект помещения с прозрачными светящимися окнами от OSRAM (г)

Достижения OLED-технологии

На коммерческий успех технологии, в первую очередь, влияют параметры, определяющие экономических эффект от использования OLED-устройств, такие как световая эффективность (лм/Вт), светимость (лм/м2), индекс цветопередачи CRI и себестоимость устройств (долл./лм и долл./м2).

В настоящий момент о себестоимости коммерческих OLED-устройств говорить не приходится ввиду их отсутствия на рынке.

Единственным доступным в продаже продуктом является линейка OLED-панелей различных цветов и оттенков от Philips с эффективностью в 20 лм/Вт, яркостью 1000 кд/м2 и временем жизни около 10 тыс. ч.

Однако при стоимости прямоугольной панели размером 55×130 мм (максимальный размер) около 2000 евро данная продукция может служить коммерческим продуктом только при создании концептуальных светильников (см. рис. 14).

Органически источники света

Несмотря на активные инвестиции в производство органических светодиодов со стороны ведущих игроков рынка систем освещения, коммерчески реализуемые OLED-светильники пока еще остаются эксклюзивными предметами роскоши. Каковы же перспективы этой технологии и когда органические светодиоды станут столь же распространенными источниками света, как, к примеру, люминесцентные лампы? В ходе подготовки этой статьи мы постарались найти ответы на ключевые вопросы о развитии OLED-технологии в ближайшие 5 — 10 лет.

Природа органических светодиодов

Известно, что органические светодиоды — это ультратонкие (толщиной не более 1,8 мм) источники света, которые генерируют свет по всей своей поверхности. Органическими эти устройства называются потому, что их светоизлучающий слой состоит из соединений углерода и водорода и в нем полностью отсутствуют какие-либо другие химические вещества и металлы.

Среди достоинств органических светодиодов выделяют их способность излучать мягкий, рассеянный свет, энергоэффективность и уникальный форм-фактор: эти источники света могут изготавливаться как в виде жестких плоских панелей, так и в виде гибких листов, визуально схожих с пленками.

При этом органические светодиоды могут излучать свет разного цвета (включая белый), а в выключенном виде — быть почти полностью бесцветными и прозрачными. В теории органические светодиоды способны через несколько лет совершить революцию на рынке освещения и рекламы.

Потенциально они способны сократить потребление электроэнергии на 50% и при этом выступать в роли основы для эффектных инсталляций, к примеру, прозрачных витрин, которые превращаются в световые панно с наступлением темноты. Более того, органические светодиоды на основе полимеров имеют большое преимущество: такие источники света можно изготавливать путем печати.

Это (опять же, пока еще в теории) позволяет существенно сокращать затраты на их изготовление и обеспечивает почти ничем не ограниченную свободу в дизайне различных светильников и световых установок.

Все это позволяет разработчикам OLED-технологии и экспертам индустрии света предрекать перспективное и успешное будущее органическим светодиодам на рынке светотехники в таких сегментах, как строительство, отделка помещений, индустрия вывесок и световой рекламы, декоративное оформление интерьеров и торговых залов. Однако есть все основания предполагать, что это «светлое будущее» наступит еще не скоро.

Органические светодиоды сегодня

В последние годы панели из органических светодиодов небольшого формата (в пределах порядка 5 х 10 см) все чаще используются в производстве экранов для мобильных телефонов и портативной электроники.

Однако стоит признать, что в индустрии света органические светодиоды пока еще главным образом существуют в виде демонстрационных образцов или же встречаются на рынке как источники света в эксклюзивных светильниках и торшерах класса «люкс» стоимостью от 2 тыс. до 5 тыс. долларов США.

В качестве примера можно привести недавнюю совместную разработку международного химического концерна Solvay и независимого исследовательского центра Holst, премьера которой состоялась в марте текущего года. Это световые «плитки» из органических светодиодов площадью 69 кв. см.

Изделия получены путем нанесения нескольких слоев органических светодиодов в виде раствора на стекло. Такой производственный процесс делает более реалистичным использование печатных технологий для изготовления органических светодиодов в ближайшем будущем.

Световые «плитки» Solvay и Holst обеспечивают световую эффективность 30 лм/Вт при яркости 1000 кд/кв. м, что в два или три раза больше, чем у обычных ламп накаливания.

В мае 2011 года компания Philips инвестировала 40 млн евро в увеличение производственных мощностей своего завода по выпуску органических светодиодов в Аахене (Германия).

Спустя год это направление деятельности Philips до сих пор ограничивается производством OLED-панелей под торговой маркой Philips Lumiblade, которые используются в эксклюзивных интерьерных светильниках O'Leaf и Edge.

По своей стоимости и доступности эти изделия рассчитаны отнюдь не на массового покупателя.

Cветильник O'Leaf

Еще одной диковинкой на основе органических светодиодов стал подвесной светильник PAD, разработанный нью-йоркским художником-дизайнером Маркусом Тремонто в сотрудничестве с компанией Novaled AG.

Состоящая из прозрачных OLED-панелей люстра работает в двух режимах: при включении нижняя поверхность светильника излучает приятный белый свет, а верхняя — создающее особую атмосферу освещение, переливающееся различными цветовыми комбинациями красного, желтого и синего.

В выключенном состоянии окружающий люстру свет проходит через прозрачные OLED-панели, создавая на стенах цветные тени, схожие с бликами, которые отбрасывает солнечный свет через стекла витражей.

Данная разработка отнюдь не позиционируется как товар массового потребления, а создана специально, с тем чтобы привлечь больше общественного внимания к возможностям и особенностям органических светодиодов и повысить тем самым престиж OLED-технологии в целом.

Другой светильник на основе органических светодиодов, разработанный компанией Novaled и получивший название Victory, позиционируется как «профессиональная настольная лампа» и поставляется узким кругом специализированных дилеров по цене около 5 тыс. евро. Главный исполнительный директор Novaled Гильдас Сорин отмечает, что OLED-освещение пойдет гораздо дальше этого первоначального сегмента, и прогнозирует, что настоящий подъем рынка органических светодиодов начнется в 2014 году.

Поскольку органические светодиоды пока еще остаются относительно юной, развивающейся технологией, существует широкий спектр материалов, которые в перспективе можно будет использовать в изготовлении гибких световых панелей.

Поэтому разработчики OLED-технологии в настоящее время активно исследуют различные комбинации полимеров и их молекул, чтобы оптимизировать процесс изготовления органических светодиодов, сделать его максимально экономичным и производительным, а выпускаемые источники света — энергоэффективными и доступными по цене.

По всей видимости, над решением этой задачи ученым и инженерам научно-исследовательских институтов и таких компаний, как Philips, Novaled, OSRAM и GE Ligthing, придется работать не один и не два года.

Туманные перспективы

Использование органических светодиодов в дисплеях для мобильных телефонов и портативных медиаплееров до сих пор остается единственной относительно успешной областью применения этой инновационной технологии.

Экраны в таких устройствах используются лишь время от времени, а их владельцы с готовностью покупают более функционально развитые и более современные гаджеты каждые два-три года, если не чаще. Поэтому ограниченный срок службы современных органических светодиодов и их умеренная яркость и не расцениваются потребителями как недостаток.

Судить же о скором появлении OLED-панелей для световых рекламных инсталляций в торговых залах и под открытым небом пока еще не приходится.

Когда же органические светодиоды станут продуктом широкого потребления на рынке светотехники? Зарубежные эксперты индустрии света полагают, что это произойдет не раньше чем в 2015 — 2016 годах.

При этом серьезную конкуренцию органическим светодиодам уже составляет не менее многообещающая и широко распространенная светодиодная технология, потенциал которой далеко не исчерпан.

По оценкам компании Nanomarkets, специализирующейся на рыночных исследованиях, по итогам за 2011 год мировой рынок органических светодиодов оценивался менее чем в 35 млн долларов США, в то время как сегмент компактных люминесцентных ламп и сегмент светодиодов достигали показателей в миллиарды долларов США каждый.

Согласно планам компании Philips, решения на основе светодиодов в 2020 году составят 75% ассортимента выпускаемой компанией продукции.

При этом, по оценкам консалтинговой фирмы Digitimes Research (Тайвань), световая эффективность обычных светодиодов возрастет до 243 лм/Вт к 2020 году, а их стоимость будет снижаться ежегодно на 20% — 30%. Япония озвучивает более амбициозные планы: в частности, Организация развития новых энергетических и промышленных технологий Японии (NEDO) планирует уже в 2015 году сделать общепринятым стандартом для светодиодных ламп световую эффективность в 200 лм/Вт.

ТАБЛИЦА:

Приведенный для сравнения в виде таблицы стратегический план развития OLED-технологии, утвержденный компанией Philips Lumiblade, показывает, что к 2015 году органические светодиоды будут по меньшей мере вдвое уступать обычным светодиодам по светоэффективности и вдвое-втрое — по сроку службы.

Светодиодная технология, не только получившая повсеместное распространение в странах всего мира, но и успешно освоенная целым рядом заводов из Китая, в 2013 — 2020 годах продолжит свое развитие, опережая прогресс в OLED-разработках как минимум на 5 — 10 лет.

Пока же органические светодиоды остаются многообещающей, но недостаточно зрелой технологией света, уступающей обычным светодиодам и по стоимости каждой генерируемой единицы света, и по ресурсу, и по энергоэффективности.

Даже при самом благоприятном прогрессе в области органических светодиодов очевидно, что в 2015 — 2020 годах OLED-технология будет играть роль светотехники специального назначения, дополняющей основные, более распространенные и более эффективные в целом источники света.

Источник: http://www.ridcom.ru/

Органические светодиоды. Перспективы развития

Особенности
устройства органических светодиодов
и перспективы развития технологии OLED.

Для
световой сигнализации светодиоды
используются достаточно давно. В
настоящее время активно развивается
производство светодиодных
ламп,
применяемых для освещения. Преимущества
у них очевидны: высокий КПД, длительный
срок службы, низкое энергопотребление.
Сейчас начинает набирать обороты новое
направление – производство
органических
светодиодов.

Органические
светодиоды представляют собой набор
пленок органического происхождения,
которые при пропускании электрического
тока начинают светиться. При этом свет
распределяется равномерно по всей
площади материала.

Состоят
органические светодиоды из анодов,
катодов, излучающего (или эмиссионного)
и проводящего слоев.

jpg» width=»354″>Принцип
работы заключается в подаче на анод
положительного напряжения, вследствие
чего электроны начинают двигаться от
катода к аноду, то есть катод отдает
электроды в излучающий слой.

В свою очередь, из проводящего слоя,
электроны переходят к аноду, или можно
сказать, что
анод передает проводящему слою носителей
положительного заряда, так называемые
дырки.

Дырки
и электроны начинают движение навстречу
друг другу и, вследствие их контакта,
происходит понижение энергии электронов,
которое сопровождается излучением.
Дырки обладают большей подвижностью,
чем электроны, поэтому излучение и
происходит в эмиссионном слое.

Такая
технология получила аббревиатуру OLED.
В настоящее время, наиболее активно
развивается применение органических
светодиодов в производстве дисплеев,
которые в перспективе должны будут
заменить жидкокристаллические. Такие
дисплеи обладают гибкостью, благодаря
чему им можно придать практически любую
форму.

Ожидается
также, что в будущем цена таких дисплеев
станет в разы меньше жидкокристаллических.

Не
менее перспективным направлением
развития OLED, является использование
органических светодиодов для освещения.
Это может стать революцией в области
осветительных технологий.

Тонкий,
плоский, гибкий материал, которому можно
придать любую форму – это же настоящая
мечта дизайнера.
Только представьте себе, можно
будет использовать в качестве светильника
окно, дверцу шкафа, вазу, вообще любую
фигуру, изготовленную из органических
светодиодов.

Однако,
до массового применения, таких светильников
пока далеко. Наряду
с не имеющими аналогов свойствами, есть,
к сожалению, у органических светодиодов
и ряд существенных недостатков.

В первую
очередь, это непомерно высокая стоимость
изготовления, что пока и мешает выпускать
такую продукцию в промышленных масштабах.

Другой серьезной проблемой, является
недолговечность материала, из которого
делаются органические светодиоды.

Недостатки
и проблемы с развитием технологий OLED
очевидны и неоспоримы. Но очевидно и
то, что преимущества, которые можно
получить от применения органических
светодиодов, заставляют крупнейшие
компании и научные
центры
активно заниматьсяразработкой
и развитием этих технологий.

Мощные светодиодные матрицы в освещении: устройство и особенности применения

Электролюминесценция
полупроводникового перехода, при
рекомбинации электронов и дырок, положена
теперь в основу сверхэконормичных
источников света.

Светодиодные, часто
называемые LED (сокращение от английского
light-emitting diode), лампы постепенно завоевывают
устойчивую позицию на рынке современных
энергосберегающих технологий освещения,
как для бытовых нужд, так и для предприятий
и даже для систем уличного освещения.

Светодиодные
лампы превосходят по безопасности компактные
люминесцентные лампы,
в которых содержится ртуть, а лампы
накаливания и вовсе становятся теперь
пережитком далекого прошлого.

Главная
причина, по которой происходит замещение
ламп накаливания на светодиодные
источники света, состоит в том, что лампа
накаливания излучает в очень широком
спектре, значительная часть которого
просто не работает для освещения. Только
5 процентов всей потребляемой лампой
накаливания мощности идут на освещение,
а остальные – на нагрев.

Именно
поэтому так широко представлены в
последнее время на рынке очень мощные
светодиоды и светодиодные матрицы
(монолитные сборки), для замены
индустриальных светильников. Светодиод
излучает в довольно узком диапазоне
спектра, например, оранжевый светодиод
имеет длину волны в диапазоне от 590 нм
до 610 нм.

К
достоинствам светодиодных источников
света относятся:

• высокая световая отдача, сравнимая с натриевыми лампами (достигнуто значение в 160 люмен на ватт),
• прочность и вибростойкость, длительный срок службы (до 100000 часов),
• широкий диапазон для выбора световой температуры (от тёплого 2700 К до холодного 6500 К),
• чистота спектра, обеспечиваемая самим устройством прибора.

Благодаря
малой инерционности, свет включаются
сразу на полную яркость, независимо от
температуры окружающей среды, а
включение-выключение не оказывает
существенного влияния на срок службы
светодиодов. Угол излучения может быть
от 15 до 180 градусов.

Использование
таких средств совершенно безопасно для
человека в силу низкого напряжения
питания, невысокой рабочей температуры,
и конечно, экологичности, обеспечиваемой
отсутствием ртути и фосфора, а также
ультрафиолетовой части излучения в
спектре. Следует, однако, помнить, что
высокие температуры вредны для любого
полупроводника, поэтому не следует
допускать нагрева выше 60-70 градусов
Цельсия.

Если
ограничить ток через кристалл до 320
миллиампер, световой поток уменьшится
на 3-5%, но при этом продолжительность
жизни светодиодного кристалла
увеличивается на порядок, практически
условия его электроснабжения будут
идеальными.

• Источником
  питания для светодиодов может служить
  любой источник со стабилизацией тока
  нагрузки, а если стабилизации по току
  нет, то должен быть обеспечен значительный
  запас по превышению максимально
  допустимого тока.
• Изменение
  напряжения питания на 1 вольт может
  привести к возрастанию силы тока в
  два-три раза и следствием станет
  деградация кристалла (кристалл повредится
  – световой поток уменьшится) либо
  потемнение люминофора.
• электролитические
  конденсаторы, в источнике питания, имеют
  ограничение по использованию при низких
  температурах,

При
использовании светодиодных матриц на
улице в условиях низких температур,
следует помнить, что КПД существенно
возрастет, а световой выход увеличится
на 10-20 процентов от номинала. А через
500-1000 часов работы световой выход в любом
случае станет больше на 5-10 процентов,
это особенность кристаллов называется
«эффектом тренировки».

С
каждым годом технология производства
мощных светодиодных матриц совершенствуется,
производители ищут лучшие варианты
люминофора. На данный же момент
большинством производителей применяются
желтые люминофоры, они являются
модифицированными вариантами
иттрий-алюминиевого граната, легированного
трехвалентным церием.

Светодиодные
технологии освещения эффективны, а
конструкции из них довольно просты. Они
нашли широкое применение в прожекторах,
светильниках, светодиодных лентах,
декоративной светотехнике и в простых
фонариках. Их световая мощность достигает
5000 лм.

Сегодня
светодиодные модули применяются для
подсветки зданий, улиц, рекламных
конструкций, тоннелей и мостов, фонтанов,
они используются для подсветки офисных
и производственных помещений, домашнего
интерьера и элементов мебели, а также
в различных современных дизайн-проектах.

В
период праздников мощные светодиодные
осветительные системы украшают фасады
зданий, деревья, и другие объекты.
Надёжность светодиодных источников
света делает возможным их использование
в труднодоступных для частой замены
местах.

Уже
к 2014 году во многих странах мира
светодиодное освещение стремительно
вытеснило прочие. Многие города планируют
в скором времени перейти на светодиодное
освещение улиц.

Органический светодиод

Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела.Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.

Схема OLED

Органический светодиод (англ. organic light-emitting diode, сокр. OLED) — полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, эффективно излучающих свет при прохождении через них электрического тока.

Основное применение OLED-технология находит при создании устройств отображения информации (дисплеев).

1,5-дюймовый (3,81 сантиметра) OLED-дисплей медиаплеера Creative ZEN V

Принцип действия

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкоплёночные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения поток электронов протекает через прибор от катода к аноду.

Таким образом, катод отдаёт электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя или, другими словами, анод отдаёт дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой — положительный.

Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к катоду, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны.

При рекомбинации электрон теряет энергию, что сопровождается излучением (эмиссией) фотонов в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным.

Схема 2-слойной OLED-панели: 1. Катод (−), 2. Эмиссионный слой, 3. Испускаемое излучение, 4. Проводящий слой, 5. Анод (+)

Прибор не работает при подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки движутся к аноду, а электроны — в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации дырок и электронов не происходит.

Материалы и технологии

OLED-материалы делятся на микромолекулярные («small molecule» OLED), полимеры (Polymer Light Emitting Diodes — PLED) и гибриды первых двух видов[1]. Основная разница в производстве светодиодов — в способе нанесения светоизлучающих кристаллов на подложку.

SM-OLED изготавливаются методом вакуумного напыления, PLED — струйной печатью (более простая и дешёвая технология)[2]. В конце 1990-х годов Universal Display Corporation (UDC) разработала фосфоресцирующие органические светодиоды, в которых слои дырок и электронов выполнены на основе растворимого в полимере фосфоресцирующего низкомолекулярного материала[3].

Применение PHOLED диодов увеличивает яркость панелей в четыре раза по сравнению с традиционными OLED.

В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачен для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Катод часто изготовляют из металлов, таких как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствуя инжекции электронов в полимерный слой[4].

Применение

Органические светодиоды сделали максимально приятными для глаз

ТАСС, 23 декабря. Химики и физики из России создали новый тип светильника на базе органических светодиодов (OLED). Он одновременно и яркий, и обладает естественным теплым спектром излучения. Об этом сообщила пресс-служба Российского научного фонда (РНФ) со ссылкой на публикацию в научном журнале Chemical Communications.

«Мы получили рекордно низкую цветовую температуру светодиода при сохранении достаточной яркости. Более того, мы не использовали металлы платиновой группы, которые в настоящий момент являются стандартом для цветных OLED-дисплеев и световых панелей, а заменили их дешевыми аналогами», — прокомментировал один из авторов работы, сотрудник Физического института РАН Илья Тайдаков.

У светодиодных ламп на базе органических или неорганических светодиодов есть не только плюсы (низкое потребление энергии и относительную долговечность), но и масса минусов — начиная с неестественного спектра и заканчивая токсичностью производства.

Как объясняют ученые, неестественный характер света связан с тем, что современные светодиодные излучатели вырабатывают белый свет двумя путями — смешивая три базовых цвета (красный, синий и зеленый) или же конвертируя излучение синего светодиода в поток белого света, обстреливая им специальное вещество-люминофор.

В результате этого в спектре этих светильников часто возникает избыток синего излучения, неприятный для глаз и предположительно негативно воздействующий на организм человека. По этим причинам ученые и инженеры пытаются заменить их или изобрести более экономичные формы уже существующих типов ламп.

Светодиодное Солнце

Экспериментируя с различными типами красителей и покрытий, которые могут поглощать и повторно излучать свет, Тайдаков и его коллеги выяснили, как можно ликвидировать часть недостатков, которые присущи современным органическим светодиодным излучателям. Как правило, люминофоры OLED-ламп состоят из двух или трех подобных красок, одна из которых обычно вырабатывает синий свет.

Как отмечает пресс-служба РНФ, российские химики и физики впервые подобрали такую комбинацию из двух типов ароматических углеводородных молекул и соединений алюминия, которая вырабатывает очень мягкий, естественный и при этом яркий желто-зеленый свет. Это связано с тем, что в отличие от других подобных люминофоров сила свечения этой краски не падает слишком быстро по мере сдвига в сторону теплой части спектра.

Это открытие позволило ученым создать на базе этих красителей прототип OLED-лампы, которая излучает естественный свет и при этом остается достаточно мощной.

Одно из главных преимуществ подобных светильников — простота конструкции.

Они содержат в себе не три-четыре излучающих слоя, как обычные светодиодные лампы, а всего один, причем его свойствами можно гибко управлять, меняя структуру слоя и параметры электропитания.

По своему спектру этот светильник похож на свечу или Солнце, что выгодно отличает его от других типов светодиодных излучателей, который сейчас используются в быту и промышленности. Как надеются ученые, их разработку быстро внедрят в производство OLED-ламп и других приборов на их базе, что сделает их более приятными для глаз, а также более яркими и дешевыми.

Органические светодиоды — OLED. Работа и особенности. Применение

В последние несколько лет можно было наблюдать резкий всплеск развития технологий в области oled освещения и органических светодиодов. Вызвано это тем, что произошло осознание того, что технологии освещения при помощи органических светодиодов являются будущим данной индустрии. На текущий момент сотни известных и малоизвестных компаний разрабатывают, исследуют и производят OLED-устройства на органических светодиодах. Обороты рынка в данном направлении уже достигли миллиарды долларов. И все только начинается, в будущем органические светодиоды смогут найти большее применение.

Принцип действия

Органические светодиоды (OLED) представляют полупроводниковые приборы, созданные из ряда пленок органического происхождения. При прохождении электрического тока через данное соединение происходит излучение света.

Органический светодиод включает следующие элементы:

Подложка выполняется из фольги, стекла или пластика. Анод производится из оксида индия с легированием оловом. В качестве излучающего и проводящего слоя используются низкомолекулярные органические вещества и полимеры. Катод производится из металла в виде алюминия и кальция.

Органические светодиоды работают по следующему принципу:

• На анод подается положительное напряжение, после чего стартует движение электронов к аноду от катода.
• Отдача электронов в излучающий слой приводит к переходу электронов из проводящего слоя к аноду, то есть от анода к проводящему слою отходят носители положительного заряда, называемыми дырками.
• В результате электроны и дырки направляются друг другу навстречу. В месте их контакта будет наблюдаться снижение энергии электронов, благодаря чему будет происходить излучение, то есть свечение.

Особенности органических светодиодов

• Главное свойство органических светодиодов — равномерное распределение по всей площади. Подобная технология приобрела аббревиатуру OLED.
• Принципиальное отличие устройств OLED от аналогов на базе ЖК-технологии кроется в применении органических веществ, которые излучаются под действием электрического поля. В свою очередь свет в ЖК-дисплеях излучается лампой подсветки и направляется через светофильтры и ЖК-матрицы. Благодаря указанной особенности в OLED-дисплеях нет нужды использовать поляризующие пленки, лампу подсветки, а также иные компоненты, которые являются обязательными элементами ЖК-устройств.
• OLED-дисплеи за счет более простой структуры можно сделать невероятно легкими и тонкими. К тому же они способны работать от меньшего напряжения, если сравнивать с ЖК. Также они выделяют незначительное число тепла и выделяются низким уровнем энергопотребления.

Применение

На текущий момент OLED-технология используется в многочисленных узкоспециализированных разработках:

• Для создания специализированных приборов ночного видения.
• Органические дисплеи встраиваются в автомобильные бортовые компьютеры, цифровые фотоаппараты, телефоны в коммерческие OLED-телевизоры (на данный момент преимущественно в переносные).
• Создаются небольшие OLED-дисплеи для лицевых панелей автомагнитол, цифровых индикаторов, карманных цифровых аудиопроигрывателей и тому подобное. Прорабатывается возможность серийного выпуска электронных книг и планшетных компьютеров с OLED-дисплеями.

Рынок OLED-дисплеев медленно, однако достаточно уверенно растет. Среди крупных производителей, использующих органические светодиоды можно отметить LG, RiTdisplay, Pioneer и Samsung.

К коммерческому производству готовятся Hitachi, Canon, Matsushita Electric Industrial, Toshiba, Panasonic и многие другие компании.

Достоинства и недостатки  Среди преимуществ применения OLED-технологии в дисплеях можно выделить:

• Если сравнивать с плазменными дисплеями; — меньший вес и габариты; — возможность создания гибких экранов; — сравнительно низкое энергопотребление с сохранением аналогичной яркости изображения;— возможность создания экранов, имеющих большое разрешение к размеру;
• Если сравнивать с жидкокристаллическими дисплеями; — отсутствие необходимости в подсветке; — меньший вес и габариты; — мгновенный отклик, полное отсутствие инерционности; — большие углы обзора – на дисплее изображение видно с любого угла без потери качества; — высокая контрастность;— значительный диапазон рабочих температур;
• OLED-дисплеи обеспечивают высокую контрастность (10 000:1 и более).
• OLED-дисплеи могут обеспечить широкий диапазон яркости излучения. — для ночной работы — от нескольких кд/м².— до высочайшей яркости – более 100 000 кд/м². При этом можно регулировать яркость в широчайшем динамическом диапазоне.
• Энергопотребление у OLED-дисплеев прямо пропорционально площади свечения и яркости. Дисплеи ЖК требуют малой величины тока, но вспомогательные средства, которые обеспечивают ее работу, также могут потреблять энергию.

Среди достоинств самих органических светодиодов можно выделить:

• Низкое энергопотребление.
• Равномерное распределение света по поверхности материала.
• Длительный срок службы.
• Высокий коэффициент полезного действия.
• Более высокая экологичность и энергоэффективность вследствие отсутствия в них тяжелых металлов.
• Мягкий свет, от которого не устают глаза.
• Существенная тонкость, гибкость и долговечность.

Среди недостатков органических светодиодов можно выделить:

• Сравнительно маленький на данный момент срок службы диодов, обеспечивающих некоторые цвета (несколько лет).
• Дороговизна технологии в создании больших OLED-матриц.
• Неотработанная технология.
• Высокая стоимость изготовления.
• Органические материалы, применяемые для создания органических светодиодов, довольно активно контактируют с водой: окисляются и органика. Поэтому требуется надежная герметизация. На данный момент падения и удары подобным экранам противопоказаны.

Ближайшее будущее органических светодиодов

Сегодня компании активно инвестируют в исследования и само производство. Планируется, что именно органические светодиоды станут основной экранной технологией в конце второго десятилетия XXI века.

• OLED технология является наиболее перспективной для создания трехмерной картинки. При этом многослойное использование органических светодиодов позволит создать не иллюзорную, а по-настоящему трехмерную картинку.
• Повсеместным станет оснащение OLED-панелями в виде элементов декора. Уже сегодня проектировщики создают системы с применением датчиков движения, дабы освещение менялось с учетом движения людей.
• В перспективе все, что казалось фантастическим плодом воображения, станет реальным; — невидимые солнечные батареи; — мониторы, которые можно поместить в карман;— осветительные приборы, не требующих практически никакой энергии;
• Появятся недорогие OLED-дисплеи с высочайшим качеством цветопередачи, широким углом обзора и мгновенным откликом. Они будут иметь минимальные габариты и невероятную легкость.
• Органические светодиоды будут использоваться для освещения операционных, а также применяться в оборудовании медицинского назначения.
• Военное применение.
• Светящаяся одежда.

Похожие темы: