Органический светодиод (, 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).
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.
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. 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). 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. 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 слойR. H. Friend, R. W. Gymer, A. B. Holmes, J. H. Burroughes, R. N. Marks, C. Taliani, D. D. C. Bradley, D. A. Dos Santos, J. L. Brédas, M. Lögdlund, W. R. Salaneck, Electroluminescence in conjugated polymers , Nature 1999, 397, 121.
История Французский учёный и его сотрудники открыли электролюминесценцию в органических материалах в начале 1950-х, прикладывая переменный ток высокого напряжения к прозрачным тонким плёнкам красителя акридинового оранжевого и хинакрина. В 1960 году исследователи из компании Dow Chemical разрабатывали управляемые переменным током электролюминесцентные ячейки, используя легированный антрацен.
Низкая электрическая проводимость таких материалов ограничивала развитие технологии до тех пор, пока не стали доступными более современные органические материалы, такие как полиацетилен и полипиррол. В 1963 году в ряде статей учёные сообщили о том, что они наблюдали высокую проводимость в допированном йодом полипирроле. Они достигли проводимости 1 См/см. Это открытие было «потеряно». И только в 1974 году исследовали свойства бистабильного выключателя на основе меланина с высокой проводимостью во «включенном» состоянии. Этот материал испускал вспышку света во время включения.
В 1977 году другая группа исследователей сообщила о высокой проводимости в подобно окисленном и легированном йодом полиацетилене. В 2000 году Алан Хигер, Алан Макдиармид и Хидэки Сиракава получили Нобелевскую премию по химии за «открытие и исследование проводящих органических полимеров». Ссылок на более ранние открытия не было.
Первое диодное устройство на основе микромолекул было создано в 1980-х в компании Eastman Kodak Дэн Цинъюнем и (сейчас технический директор компании Kateeva). За изобретение OLED в 2014 году ученые вошли в шорт-лист лауреатов Нобелевской премии 2014 по химии. В феврале 1999 года корпорации Sanyo Electric и Eastman-Kodak образовали альянс для разработки и продвижения на рынке OLED-дисплеев.
Первый светоизлучающий полимер — — синтезировали в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в 1989 году. В 1990 году в журнале Nature появилась статья учёных, в которой сообщалось о полимере с зелёной светимостью и «очень высоким КПД». В 1992 году была образована компания Cambridge Display Technolodgy (CDT) по производству полимерных светоизлучающих материалов. С этого времени начали параллельно развиваться два направления производства светодиодов: на основе микромолекул (sm-OLED) и полимеров (P-OLED).
В России первый патент на OLED выдан в 1995 году Научно-исследовательскому институту физических проблем.
Недавно был разработан гибридный светоиспускающий слой, в котором используются непроводящие полимеры с примесью светоиспускающих проводящих молекул. Использование полимера даёт преимущества в механических свойствах без ухудшения оптических свойств. Светоиспускающие молекулы имеют ту же долговечность, как и в первоначальном полимере.
Технологические события Разработки Samsung и LG Electronics Летом 2009 южнокорейская компания LG сообщила о планах по началу коммерческого производства и продаж первого массового 15-дюймового телевизора, созданного по технологии органических светоизлучающих диодов. LG стала первым в мире производителем, освоившим технологию OLED для массового производстваВ ноябре LG Electronics начнет продажи AMOLED-телевизоров // 31.08.2009.. На выставке CES 2012 Samsung и LG представили телевизоры OLED с диагональю 55 дюймов толщиной 7,6 мм и 4 мм, соответственноCES 2012: Samsung и LG показали самые большие в мире OLED-панели (11 января 2012 г.). Samsung испытывала технологические проблемы при производстве OLED-матриц — высокий уровень брака не позволил сразу выйти на рынок с массовым производством телевизоров по разумным ценам. LG за счёт более доступной технологии четырёхцветного пикселя WRGB смогла раньше представить более широкий и доступный ассортимент OLED TV. На выставке IFA 2013 LG анонсировала первый в мире 4K OLED-телевизор с диагональю 77 дюймов. На выставке CES 2013 Samsung представила 4,99-дюймовый Super AMOLED дисплей с разрешением 1080 p и смартфон Samsung Galaxy S IV с гибким OLED-дисплеем. Во второй половине 2014 года Samsung Display начала производство гибких панелей AMOLED.
Разработки Sony
На CES 2007 в Лас-Вегасе Sony представила 11-дюймовую (28 см, разрешение 960×540) и 27-дюймовую (68,5 см, разрешение HD в 1920×1080) модели, с контрастностью «миллион к одному» и полной толщиной 5 мм. Sony выпустила коммерческую версию этих мониторов (XEL-1) в Японии в декабре 2007 года. 25 мая 2007 Sony представила 2,5-дюймовый (6,3 см) гибкий экран FOLED толщиной 0,3 миллиметра. Было продемонстрировано видео на согнутом экране. 16 апреля 2008 Sony представила дисплей OLED толщиной 0,2 миллиметра и шириной 3,5-дюйма (9 см) с разрешением 320x200 пикселей и 11-дюймовый экран толщиной 0,3 мм с разрешением 960x540 пикселей. В 2014 Sony заморозила производство и разработку собственных OLED-матриц, направив усилия на более коммерчески успешные 4K ULTRA HD LCD телевизоры. В 2017 году Sony представила линейку OLED-телевизоров с диагональю экрана 55, 65 и 77 дюймов, использующих матрицы производства LG. У флагманской модели Sony Bravia A1 дисплей с диагональю 55 дюймов содержит более 8 миллионов самосветящихся органических светодиодов.
Другие компании
Серия автомагнитол Pioneer с монохромным OLED-дисплеем появилась в продаже в 1999 г., например, Pioneer KEH-P8800R.
Телефон Samsung X120 — первый телефон с OLED-экраном, 2004 г.
Смартфон Nokia N85, анонсированный в августе 2008 года и поступивший в продажу в октябре 2008 года — первый смартфон от финской компании с AM-OLED дисплеем.
11 марта 2008 года GE Global Research продемонстрировала первый OLED, изготовленный в виде рулона.
Chi Mei EL Corp of Tainan (Корпорация Тайнаня) продемонстрировала на конференции в Лос-Анджелесе (20-22 мая 2008 года) 25-дюймовые низкотемпературные прозрачные кремниевые OLED.
Epson в 2004 году выпустила 40-дюймовый дисплей.
Летом 2017 года специалистам корейского института передовых технологий KAIST удалось разработать дисплеи на органических диодах, которые вплетаются в ткань.
Применение Дисплеи на органических светодиодах встраиваются в: смартфоны (например, Samsung Galaxy (Note 8, J5, S9), OnePlus 5T, Google Pixel 2 и др.), планшеты, электронные книги, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, выпускаются небольшие OLED-дисплеи для цифровых индикаторов лицевых панелей автомагнитол, карманных цифровых аудиопроигрывателей, умных часов, фитнес-браслетов (XIAOMI Mi Band, Fitbit Charge 2, Garmin Vivosport). Потребность в преимуществах, демонстрируемых органическими дисплеями, с каждым годом растёт. Этот факт позволяет заключить, что в скором времени дисплеи, произведённые по OLED-технологиям, с высокой вероятностью станут доминантными на рынке электроники.
OLED-телевизоры (см. телевизор).
В настоящее время OLED-технология применяется во многих узкоспециализированных разработках, например, для создания приборов ночного видения.
OLED может использоваться в голографии с высокой разрешающей способностью (volumetric display). 12 мая 2007 года на ЭКСПО-Лиссабон было представлено трёхмерное видео (потенциальное применение этих материалов).
Органические светодиоды используются как источники света. OLED находят применение как источники общего освещения (в ЕС — проект OLLA).
Преимущества и недостатки OLED-дисплеев
Преимущества
Яркость: OLED-дисплеи обеспечивают яркость излучения от нескольких кд/м² (для ночной работы) до очень высоких яркостей — свыше 100 000 кд/м². Причём их яркость регулируется в очень широком динамическом диапазоне. Так как срок службы дисплея обратно пропорционален его яркости, для приборов рекомендуется работа при низких уровнях яркости — до 1 000 кд/м²; Контрастность: OLED-дисплеи обладают бесконечной контрастностью 2 000 000:1 и даже больше; Энергопотребление: Сложно сравнивать что-либо по энергопотреблению с ЖК, так как жидкокристаллическая ячейка в рабочем режиме требует крайне малой величины тока. Однако вспомогательные средства, обеспечивающие её работу (аппаратные драйверы, подсветка), могут потреблять весьма много или, наоборот, очень мало, — определяется эксплуатацией, для которой предназначен тот или иной ЖК-дисплей. У OLED-дисплеев энергопотребление прямо пропорционально яркости и площади свечения. То есть зависит от яркости каждого отдельного пикселя в текущий момент.
В сравнении c плазменными дисплеями: меньшие габариты и вес; сравнительно низкое энергопотребление при той же яркости изображения; возможность создания гибких экранов; возможность создания экранов с бо́льшим разрешением к размеру.
В сравнении c жидкокристаллическими дисплеямиКакой дисплей для смартфона лучше: AMOLED или IPS? — Плюсы и минусы OLED-экранов // CNews:
меньшие габариты и вес; отсутствие необходимости в подсветке; большие углы обзора — изображение видно без потери качества с любого угла; мгновенный отклик (на несколько порядков быстрее, чем у ЖК) — по сути, полное отсутствие инерционности; высокая контрастность; возможность создания гибких экранов; большой диапазон рабочих температур (от −40 до +70 °C).
Недостатки