Technologia OLED wykorzystuje zjawisko elektroluminescencji w materiałach organicznych. W ekranach tego typu poszczególne piksele są niezależnymi źródłami światła. Dzięki ich emisyjności wyświetlacze OLED nie wymagają podświetlenia, w przeciwieństwie do tych ciekłokrystalicznych. Z tego wynika wymieniony we wstępie wysoki kontrast tych pierwszych. Ponieważ piksele czarne są wyłączone, teoretycznie można uzyskać nieskończoną różnicę jasności między najjaśniejszym i najciemniejszym punktem na ekranie i niskie zużycie energii przy wyświetlaniu ciemnych treści. Ekrany OLED wyróżniają poza tym: szybki czas reakcji oraz szeroki kąt widzenia. Dzięki prostej strukturze warstwowej i brakowi podświetlenia łatwo wykonać wyświetlacze o kilkudziesięcio-, jak i kilkucalowej przekątnej, cienkie, lekkie i na różnego rodzaju podłożach. Są to kluczowe cechy w przypadku małych wyświetlaczy o przekątnych do kilku cali. Takie są popularne w urządzeniach przenośnych, noszonych i systemach wbudowanych, w elektronice użytkowej, sprzęcie medycznym i wyposażeniu pojazdów, w przypadku których konieczne jest jednoczesne spełnienie wymogów: kompaktowości, energooszczędności, wysokiej jakości obrazu. Ponadto, w odróżnieniu od dojrzałej technologii LCD, wyświetlacze OLED wciąż są dynamicznie rozwijane.
Budowa ekranów OLED
Wyświetlacze OLED zbudowane są z kilku warstw spełniających różne funkcje. Umieszcza się je między elektrodami na podłożu, które jest nośnikiem całej struktury. Zasada działania wyświetlaczy OLED opiera się na rekombinacji nośników ładunku, elektronów i dziur, w materiale organicznym warstwy emisyjnej (Emission Material Layer, EML). Zostają one do niej wstrzyknięte z elektrod: dziury z anody migrują w stronę katody, a elektrony – z katody w kierunku anody. W warstwie emisyjnej dochodzi do ich rekombinacji, w wyniku której powstaje ekscyton. Jest to stan nietrwale wiążący elektron i dziurę. Ekscyton, który znajduje się na wyższym poziomie energetycznym, szybko przechodzi na poziom niższy. Jego relaksacji towarzyszy emisja fotonu światła. Między elektrodami, po obu stronach warstwy emisyjnej, znajdują się dodatkowe warstwy, które wspierają wstrzykiwanie i transport nośników ładunku (rys. 1).
W przykładowej konstrukcji elektrodą dolną umieszczoną na podłożu jest anoda. Standardowym materiałem jej wykonania w sztywnych, płaskich wyświetlaczach jest tlenek indowo-cynowy ITO (Indium Tin Oxide). Składa się on w 90% z In₂O₃ (tlenku indu) i 10% SnO₂ (tlenku cyny). Anody z ITO są transparentne – wykazują ponad 85% przezroczystość dla światła widzialnego. Tlenek ten charakteryzuje również praca wyjścia (minimalna energia potrzebna do wyprowadzenia elektronu z materiału elektrody do warstwy emisyjnej) odpowiednio wysoka, by anoda mogła być źródłem dziur. Niestety ITO jest materiałem kruchym, pękającym przy zginaniu. To nie pozwala na jego wykorzystanie w elastycznych ekranach.
HOMO i LUMO
Aby przedstawić funkcję kolejnych warstw, najpierw trzeba wyjaśnić dwa kluczowe terminy, jakimi w kontekście ekranów OLED są HOMO i LUMO (Highest i Lowest Occupied Molecular Orbital). Umożliwiają one opisanie mechanizmów wstrzykiwania nośników ładunku oraz emisji światła w materiale organicznym.
HOMO i LUMO są w nim odpowiednikami pasma walencyjnego i pasma przewodnictwa. Są to poziomy energetyczne, do których wstrzykiwane są, odpowiednio, dziury z anody oraz elektrony z katody. Kiedy elektron z LUMO rekombinuje z dziurą z HOMO, powstaje wspomniany ekscyton. W procesie jego relaksacji emitowane jest światło, którego kolor zależy od różnicy energii (szerokości przerwy energetycznej) pomiędzy poziomami HOMO i LUMO.
Jeżeli z kolei chodzi o wstrzykiwanie nośników ładunku, to utrudnia je bariera energetyczna, która tworzy się na styku elektrod, anody i katody, z warstwą emisyjną. Jest ona skutkiem różnic między pracą wyjścia materiałów elektrod i poziomami HOMO/LUMO materiału organicznego.
Anoda sąsiaduje z warstwą wstrzykiwania dziur (Hole Injection Layer, HIL). To właśnie zadaniem HIL jest zmniejszenie bariery energetycznej pomiędzy tą elektrodą a poziomem HOMO kolejnej warstwy. Tą jest warstwa transportu dziur (Hole Transport Layer, HTL). Jej zadaniem jest natomiast zwiększenie efektywności transportu (ruchliwości) dziur z HIL do warstwy emisyjnej EML, przy jednoczesnym blokowaniu przepływu elektronów. Pod względem poziomu HOMO warstwa HTL musi być dopasowana do HIL i do EML.
Po drugiej stronie warstwy emisyjnej mamy warstwy komplementarne do HTL, HIL i anody. Są to: warstwa transportu elektronów (Electron Transport Layer, ETL), warstwa wstrzykiwania nośników tego typu ( Electron Injection Layer, EIL) i katoda, najczęściej z aluminium, które ma z kolei odpowiednio małą pracę wyjścia, by być źródłem elektronów.
Singlet, a triplet
Wyświetlacze w technologii OLED klasyfikuje się ze względu na różne kryteria. Takim jest typ materiału organicznego. W tym zakresie wyróżnia się SM-OLED (Small Molecule OLED) i PLED / POLED (Polymer OLED). Materiałem bazowym w pierwszych są związki małocząsteczkowe, a w drugich polimery przewodzące (metale polimerowe, wielkocząsteczkowe). Te pierwsze nanosi się metodą naparowywania próżniowego, a drugie – przez nadrukowanie. Wyświetlacze POLED mają uproszczoną strukturę. Często pomija się w nich warstwy EIL i ETL, a funkcje HIL i HTL łączy w ramach jednej warstwy. Są dzięki temu tańsze. Są to głównie ekrany wielkoformatowe. Mniejsze, lepszej jakości wyświetlacze wykonuje się w technologii SM-OLED.
Kolejnym kryterium podziału jest typ emisji światła. Na tej podstawie wyróżnia się ekrany OLED oparte na zjawiskach fluorescencji, fosforescencji (Phosphorescent OLED, PHOLED) oraz nowym mechanizmie – termicznie aktywowanej opóźnionej fluorescencji (Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF OLED). By wyjaśnić, na czym polega innowacyjność ostatniego rozwiązania, najpierw trzeba przedstawić różnicę między zjawiskami fluorescencji i fosforescencji. To natomiast wymaga pewnego wprowadzenia teoretycznego.
Elektrony i dziury to fermiony, czyli cząstki o spinie połówkowym. Dla przypomnienia: spin to cecha cząstki elementarnej wynikająca z jej kwantowej natury. Jest to jej moment pędu, chociaż nie w rozumieniu fizyki klasycznej. Spin nie charakteryzuje bowiem ruchu, a stan, w jakim może się znajdować cząstka elementarna. Na podstawie wartości spinu wyróżnia się bozony i fermiony. W przypadku pierwszych spin jest liczbą całkowitą. Fermiony to natomiast cząstki, które mają spin o wartości ułamkowej, na przykład 1/2, –1/2, 3/2.
Wracając do wyświetlaczy OLED: w zależności od względnej orientacji spinów elektronu i dziury, powstały w wyniku ich rekombinacji ekscyton może mieć całkowity spin równy zero (S = 0) albo jeden (S = 1). Jak pokazano na rysunku 2, istnieją trzy kombinacje spinów połówkowych, przy których powstaje ekscyton o spinie 1 i tylko jedna kombinacja dla ekscytonu o spinie 0. Stąd ten drugi stan określany jest jako singlet, a pierwszy – jako triplet. W praktyce oznacza to, że aż 75% ekscytonów powstałych w warstwie emisyjnej będzie tripletem, a tylko 25% – singletem. Ma to kluczowe znaczenie dla konstrukcji wyświetlaczy OLED. Jeżeli bowiem opierają się na zjawisku fluorescencji, to emisja fotonu towarzyszy jedynie relaksacji ekscytonów typu singlet (S1 na rysunku 3 a). Promieniste, czyli skutkujące świeceniem przejście tripletu (T1) na poziom podstawowy (S0) jest natomiast zabronione ze względu na konieczność zachowania spinu (całkowite spiny T1 (S = 1) i S0 (S = 0) są różne, a S1 i S0 – zgodne). W konsekwencji aż 75% elektronów i dziur wstrzykniętych do warstwy emisyjnej nie jest wykorzystywanych „do świecenia”, dlatego jej wydajność kwantowa nie przekracza 25%.
Ograniczenie PHOLED
Na zjawisku fluorescencji opierała się pierwsza generacja wyświetlaczy OLED, które wykonywano z czystych materiałów organicznych. Aby zwiększyć wydajność kwantową, zdecydowano się na ich domieszkowanie metalami ciężkimi, na przykład irydem. Dzięki temu wyświetlacze tego rodzaju opierają się na zjawisku fosforescencji. Wyjaśnienie wpływu dodatku metali ciężkich na charakter emisji musi być poprzedzone wprowadzeniem teoretycznym.
Kluczowy termin to sprzężenie spinowo-orbitalne. Charakteryzuje ono związek pomiędzy spinem a orbitalnym momentem pędu wynikającym z poruszania się cząstki w atomie. Sprzężenie spinowo-orbitalne jest tym silniejsze, im większa jest masa atomowa. W materiałach organicznych jest ono bardzo słabe, ale wprowadzenie metali ciężkich je zwiększa. Dzięki temu możliwe staje się wcześniej zabronione promieniste przejście tripletu T1 na poziom podstawowy S0, czyli fosforescencja. To pozwala na zagospodarowanie – czyli w tym przypadku wykorzystanie „do świecenia” – tripletów, które powstały w procesie rekombinacji elektronów i dziur (75%).
Oprócz tego, również dzięki silnemu sprzężeniu spinowo-orbitalnemu, możliwe stają się przejścia singletu S₁ do tripletu T₁ (rys. 3 b) – taki mechanizm (Intersystem Crossing, ISC) jest w czystych materiałach organicznych praktycznie niemożliwy do wykorzystania, ponieważ jest zbyt wolny i za mało wydajny. Dzięki temu, mimo że "tracimy" singlety, które emitowałyby światło w wyniku fluorescencji, „zyskujemy” więcej (o 25%) tripletów. Ponieważ wszystkie triplety świecą dzięki fosforescencji, w warstwach emisyjnych OLED drugiej generacji (PHOLED) można uzyskać sumaryczną wydajność kwantową bliską 100%. Mają one jednak pewne ograniczenie.
Piksel wyświetlacza OLED składa się w rzeczywistości z trzech subpikseli: czerwonego, zielonego, niebieskiego. Warstwy emisyjne dwóch pierwszych wykonuje się z materiałów fosforescencyjnych. W przypadku niebieskich do tej pory nie udało się niestety opracować materiału drugiej generacji o trwałości pozwalającej na jego wykorzystanie w praktyce. Dlatego w komercyjnych wyświetlaczach niebieskie subpiksele wykonuje się z materiałów fluorescencyjnych, przez co zużywają one więcej energii niż czerwony i zielony. W urządzeniach przenośnych i elektronice noszonej, w przypadku których długość pracy na baterii ma kluczowe znaczenie, jest to poważny problem.
Nowość – TADF OLED
Nadzieje na rozwiązanie tego problemu pokłada się w odejściu od materiałów fosforescencyjnych na rzecz warstw emisyjnych wykonanych z materiałów, w których zachodzi zjawisko termicznie aktywowanej opóźnionej fluorescencji. Koncepcja TADF OLED nie jest nowa – pojawiła się po raz pierwszy w latach 30. zeszłego wieku. Dopiero jednak w 2012 udało się taką strukturę zbudować i od tamtej pory prowadzi się intensywne badania nad jej komercjalizacją.
Kluczowe w mechanizmie TADF jest to by różnica energii między poziomami S1 i T1 była znacznie mniejsza niż w typowych materiałach organicznych. Dzięki małej przerwie energetycznej możliwe jest przejścia odwrotne do ISC, czyli z tripletu T1 do singletu S1. Przeskok RISC (Reverse ISC) jest aktywowany termicznie energią cieplną z otoczenia. Relaksacji nowo wzbudzonych ekscytonów typu singlet towarzyszy emisja światła typowa dla procesu fluorescencji. Ponieważ przejście RISC zachodzi wolno, świecenie singletów powstałych z tripletów występuje później niż tych, które są efektem naturalnej rekombinacji elektronów z dziurami. Stąd bierze się przymiotnik „opóźniona” w rozwinięciu skrótu TADF. Warto dodać, że dzięki temu opóźnieniu również triplety, które powstały w generalnie wolnym i nieefektywnym przejściu ISC, "zdążą wrócić" na poziom S1 przez RISC, co pozwoli na ich wykorzystanie w emisji światła (rys. 3 c). W warstwach emisyjnych TADF również można uzyskać sumaryczną wydajność kwantową sięgającą 100% i to bez konieczności domieszkowania materiałów organicznych metalami ciężkimi.
Innowacyjna interakcja
Kolejnym kryterium klasyfikacji ekranów OLED jest ich giętkość. Na tej podstawie wyróżnia się wyświetlacze elastyczne i standardowe – sztywne.
Elastyczne wyświetlacze OLED pozwalają wchodzić w interakcję z urządzeniami w sposób, który dawniej uważano za niemożliwy. Wyróżnia się kilka ich typów.
Pierwszą generację stanowią wyświetlacze wygięte (bendable), wykonane na elastycznym podłożu, zwykle z poliimidu. Tego rodzaju ekranów użytkownik końcowy nie może odkształcać. Zamiast tego zostają na trwałe wstępnie wygięte albo zgięte na etapie produkcji. Urządzenia wyposażone w takie ekrany mają atrakcyjny, zakrzywiony profil – ich wygięcie poprawia estetykę, bez uszczerbku dla jakości wyświetlania.
Ekrany składane (foldable) są drugą generacją elastycznych wyświetlaczy. W przeciwieństwie do tych opisanych wcześniej użytkownik może je sam składać. Dlatego, oprócz elastycznego podłoża, wymagają specjalnych rozwiązań w zakresie: materiału organicznego (preferowane są przewodzące polimery), materiału elektrod (wybiera się elastyczne alternatywy kruchego ITO), mechanizmów zawiasów oraz warstw ochronnych.
Jeżeli chodzi o te ostatnie, to wykonuje się je zwykle z ultracienkiego szkła (Ultra Thin Glass, UTG). Powstaje ono w wyniku zaawansowanych procesów technologicznych, opartych na specjalnych surowcach i procedurach, które obejmują precyzyjnie kontrolowaną obróbkę chemiczną, termiczną i mechaniczną. UTG ma grubość typowo od zaledwie kilku mikrometrów do kilku milimetrów. Zachowując przejrzystość optyczną i wytrzymałość tradycyjnego szkła, jednocześnie jest podatne na gięcie bez pękania. Kolejną zaletą ultracienkiego szkła jest jego lekkość, nie do przecenienia ze względu na wpływ na wagę urządzenia, tak istotną w przypadku elektroniki użytkowej i noszonej. Jest ono też odporniejsze na zarysowania niż tworzywa sztuczne. W wymagających zastosowaniach ważna jest poza tym chemiczna i termiczna stabilność UTG.
Przezroczystość. Kropki kwantowe
Kolejną innowacją, która umożliwia projektowanie interfejsów użytkownika zintegrowanych z otoczeniem w sposób wcześniej niemożliwy, są przezroczyste wyświetlacze. Pozwalają one na przykład na „nakładanie” informacji na obiekt, w celu uzyskania efektu rzeczywistości rozszerzonej (Augmented Reality, AR). Jest to możliwe, ponieważ użytkownik jednocześnie patrzy przez transparentny ekran i widzi wyświetlane na nim obrazy. Kluczowe dla zrealizowania takiej funkcjonalności jest to, aby obie elektrody – nie tylko anoda, ale również katoda – były wykonane z przezroczystego materiału. Dzięki temu, gdy piksel jest aktywny, świeci, a kiedy jest wyłączony, nie jest czarny, jak w zwykłym ekranie, ale pozostaje niewidoczny. Użytkownik widzi więc przez niego otoczenie za ekranem.
Nowością w dziedzinie OLED są też wyświetlacze QD-OLED (Quantum Dot OLED). W tego typu ekranach warstwy emisyjne w poszczególnych pikselach są źródłem jedynie światła niebieskiego. Pozostałe kolory – czerwony oraz zielony – uzyskuje się przez pokrycie struktury OLED warstwą kropek kwantowych. Są to krystaliczne cząstki półprzewodnikowe o promieniu zaledwie kilku nanometrów. Nośniki ładunku są w nich zatem zamknięte w przestrzeni o wymiarach, które są porównywalne z ich własnymi rozmiarami. Dlatego zaczynają je obowiązywać zasady mechaniki kwantowej. W praktyce oznacza to, że elektrony oraz dziury w kropce są zamknięte w tak małej objętości, że mogą przyjmować tylko określone, dyskretne poziomy energii. Analogią są dla nich elektrony w atomach. Właściwością, która decyduje o możliwości wykorzystania kropek kwantowych w wyświetlaczach OLED, jest ich zdolność do pochłania światła o określonej długości fali i emisji światła w innym kolorze.
Monika Jaworowska
