Wydajne organiczne źródła światła

Poniedziałek, 10 września 2007 | Gospodarka Artykuły

Organiczne diody LED (OLED) są już wykorzystywane w ekranach urządzeń przenośnych, a także jako wyświetlacze telewizyjne. Pierwsze telewizory OLED powinny pojawić się już w tym roku. Tymczasem najważniejszym zastosowaniem organicznych diod LED być może będzie wykorzystywanie ich jako źródła białego światła powszechnego użytku. Europejski program badawczy doprowadził już do powstania prototypu, który przybliża realizację tej idei. Podobne prace są prowadzone także w innych miejscach świata.

Rozpoczęty trzy lata temu europejski projekt badawczy „Organiczne LED do stosowania w ICT i do oświetlenia” (OLLA), ma rozwijać technikę OLED wielkiej jasności dla technik informacyjnych i łącznościowych (ICT - Information and Communication Technology) oraz pod kątem oświetlenia nowej generacji. Dzięki OLLA powstało już prototypowe źródło światła o wydajności 25 lumenów/wat, żywotności ponad 5000 godzin i o początkowej jaskrawości 1000cd/m². Według OLLA wydajność prototypu jest dwukrotnie, a żywotność pięciokrotnie wyższa w porównaniu z parametrami żarówki wolframowej. Dalsze prace naukowe powinny sprawić, że w ciągu kilku lat źródła światła OLLA parametrami przewyższą kompaktowe świetlówki.

Zgodnie z planem, w ciągu trzech następnych lat źródła OLED powinny osiągnąć wydajność 50lm/W, żywotność 10 tys. godzin i sprawność 1000cd/m². Świecąca białym światłem płytka OLED powstała w Philips Research Labs i wykonana z mieszaniny fluorescencyjnych i fosforescencyjnych materiałów OLED w strukturze PIN (domieszkowanej dodatnio, samoistnej, domieszkowanej ujemnie). Płytka zawiera szereg warstw specjalnie dobranych przez partnerów OLLA materiałów. Osiągnięcie żywotności 5000 godzin w połączeniu z wysoką wydajnością jest bardzo istotnym krokiem w kierunku wprowadzenia technologii OLED do powszechnego użytku w oświetleniu. W zeszłym roku zespoły z firm Philips i Novaled opracowały prototyp, który osiągnął wartość color-rendering-index (CRI) równy 88. Jest to wynik konkurencyjny z fluorami trójfosforowymi. Natomiast sprawność prototypu wynosiła 32lm/W. Miara CRI pozwala ocenić zdolność źródła światła do odtwarzania prawdziwych kolorów oświetlanych przez niego obiektów. Całkowita jaskrawość wyniosła 1000cd/m². Według Novaled żywotność prototypu była większa niż 20 tys. godzin.

Inne projekty

Nad OLED pracują także inne placówki – zarówno czysto naukowe jak i komercyjne. Przykładowo firma Osram, jeden z największych na świecie producentów sprzętu oświetleniowego, skupia się na technologii małocząsteczkowej w zastosowaniach oświetleniowych. Elementy OLED tej firmy osiągają sprawność świetlną 18lm/W, czyli o 50% większą od sprawności konwencjonalnych żarówek.

Wobec braku ustalonych wzorców OLED, trudno jest porównywać wyniki pomiarów różnych grup badawczych na świecie. Ogromne różnice na przykład powstają, gdy pomiary są wykonywane w układzie sferycznym albo w wielowarstwowym. W ramach projektu OLLA, postanowiono więc opracować białą księgę pomiarów światła OLED w celu znormalizowania kryteriów pomiarowych.

Tymczasem firma National Tsing Hua University z Tajwanu współpracuje z amerykańską Advanced Electroluminescent Science, która jest przedsiębiorstwem badawczo-rozwojowym opracowującym półprzewodnikowe systemy oświetleniowe oparte na białych OLED. O postępach w tej dziedzinie donoszą także badacze z uniwersytetu Princeton. Prace te są subsydiowane przez amerykański Departament Energii oraz Universal Display - firmę związaną z uniwersytetem Princeton. Badania prowadzone są we współpracy z uniwersytetem Południowej Kalifornii. Zespół ten zmodyfikował strukturę OLED, przedłużając żywotność elementu emitującego niebieski składnik widma, który wyczerpywał się najszybciej. W technice tej tworzy się najpierw standardową diodę organiczną LED poprzez umieszczenie na szkle lub na przeźroczystym plastyku bardzo cienkich warstw organicznych. Trzy z tych warstw służą jako kanały przewodzące ładunki do środkowej warstwy emisyjnej. Gdy przeciwnie naładowane molekuły spotykają się w warstwie emisyjnej, elektrony przeskakują z molekuł ujemnie naładowanych do naładowanych dodatnio, co prowadzi do rozładowania do stanu podstawowego. Emitowane w wyniku tego światło może być dostrajane w granicach szerokiego zakresu długości fali.

Początkowo w OLED używano fosforescencyjnych barw: niebieskiej, zielonej i czerwonej, dzięki czemu generowano światło z większą sprawnością energetyczną, niż w układach o wszystkich barwach fluorescencji. Okazało się jednak, że fluorescencyjny barwnik niebieski można wymienić bez szkody dla właściwości OLED.

Cieńszy ekran

Rys. 1. Rynek podzespołów optoelektronicznych w latach 2004-2006 i prognozy zależne od poziomu optymizmu. (źródło: Ovum-RHK)

W międzyczasie przedsiębiorstwa zaczęły projektować telewizory i aktywne matryce OLED. Zużywają one mniej energii niż klasyczne LED, nie wymagają podświetlenia, w przeciwieństwie do wyświetlaczy LCD, a co za tym idzie – mogą być cieńsze. Ponadto można je także drukować na giętkim podłożu, uzyskując wyświetlacze zwijane w rolki.

Według firmy DisplaySearch, dostawy wyświetlaczy OLED wzrosły o 29% w roku 2006, do ponad 72mln sztuk, chociaż przychód przez nie wygenerowany zmalał o 3%. Widać już także postępy w produkcji komercyjnych dużych wyświetlaczy OLED. Firma Sony zakomunikowała, że w tym roku rozpocznie produkcję 11-calowych telewizorów OLED. Produkcja w joint venture Sony z Toyotą początkowo wyniesie 1000 sztuk miesięcznie. Również Toshiba i Matsushita utworzyły joint venture Toshiba Matsushita Display Technology do produkcji 20,8-calowych ekranów OLED do płaskich telewizorów. Ich pierwsze urządzenia mają pojawić się na rynku z początkiem 2009 roku.

Natomiast Mitsubishi planuje w tym roku rozpoczęcie próbnych dostaw ekranów OLED, a w razie silnego popytu - masową ich produkcję. W ciągu trzech lat Konica Minolta zamierza opracować produkty oświetleniowe technologii OLED wspólnie z General Electric. Przedsiębiorstwa Samsung SDI, LG Electronics i Chi Mei EL (CMEL) zabrały za produkcję aktywnych matryc OLED w 2007 roku.

Transakcja PH OLED

Jednym z bardziej istotnych wydarzeń na rynku OLED jest umowa firm Universal Display CMEL, zgodnie z którą pierwsza z firm będzie dostarczać CMEL swoje materiały fosforescencyjne OLED do użycia w wyświetlaczach A-M OLED. Przedstawiciele Universal Display twierdzą, że ich technologia fosforescencyjna czterokrotnie zwiększa sprawność energetyczną w stosunku do konwencjonalnej technologii OLED.

Ze względu na popularny ostatnio trend w kierunku oszczędzania energii, część naukowców planuje połączenie technologii OLED z ogniwami słonecznymi. Naukowcy z National Taiwan University umieścili ogniwa słoneczne pod OLED dla osiągnięcia wyższego kontrastu wyświetlacza. Okazało się, że taka konstrukcja pozwala na absorbują wnikającego światła, które przetwarzane jest w energię do ponownego użytku. Skromna, 0,26%, sprawność odzyskiwania energii układu doświadczalnego może zostać zwiększona przez użycie bardziej wydajnych OLED i ogniw słonecznych. Ostatecznie zdolność odbijania może zostać zredukowana tą metodą z 70% konwencjonalnej OLED do około 1,4%, bez obniżenia sprawności elektroluminescencyjnej.

Krzysztof Pochwalski