Organiczne struktury elektroluminescencyjne (OLED) w technice oświetleniowej

Zastosowanie technologii OLED (szczególnie PHOLED Phosphorescent organic light-emitting diodes) o podwyższonej efektywności energetycznej może wyraźnie zmniejszyć wzrost temperatury, a przy okazji obniżyć też zapotrzebowanie na energię elektryczną (nawet w porównaniu do opraw LED). Niska temperatura pracy wydłuża też czas życia OLED, gdyż wraz ze wzrostem temperatury wzrasta też ich degradacja [1, 2]. Ze względu na ich  potencjalnie  wysoki  poziom efektywności energetycznej (nawet w  porównaniu  do  LED), PHOLED-y mogą być stosowane na ogólne potrzeby oświetleniowe. Panele PHOLED są wydajne, a kolory emitowanego światła są znakomite. Wykorzystanie PHOLED jako urządzenia oświetleniowego w postaci ścian pokrytych wielkoformatowymi panelami świetlnymi, pozwoliłoby na równomierne oświetlenie całego pomieszczenia, zamiast użycia punktowych źródeł światła, które nierównomiernie oświetlają całe pomieszczenie. Przy zastosowaniu paneli PHOLED unika się też występowania olśnienia.

Struktury OLED

Pierwszy  raz  w  materiałach  organicznych  zjawisko  elektroluminescencji  zostało  zaobserwowane w 1950 r. przez Francuza André Bernanose, który wraz ze swymi współpracownikami z Uniwersytetu w Nancy zauważył słabe świecenie warstwy materiału organicznego (pochodna akrydyny – oranż akrydynowy) po przyłożeniu do niej wysokiego napięcia przemiennego (AC) [1-4]. Ponadto  jednym  z  pierwszych związków organicznych, w których odkryto zjawisko emisji światła pod wpływem oddziaływania zewnętrznego pola elektrycznego, był polifenylenowinylen. Okazało się, że ten przewodzący  polimer  może  pod  wpływem przyłożonego napięcia emitować światło zielone lub żółtozielone.

Odkrycia tego dokonano w roku 1989  w  Laboratorium  Cavendisha Uniwersytetu Cambridge. Pracując w grupie badawczej profesora Richarda Frienda, Jeremy Burroughes odkrył,  że  organiczne  diody  elektroluminescencyjne (OLED – Organic Light Emitting Diode) można wytworzyć przy wykorzystaniu polimerów o układach sprzężonych (polimery przewodzące) [4].

Struktury OLED są to powierzchniowe źródła światła, w którym grubość aktywnych warstw – polimerów – na ogół jest nie większa niż 500 nm.

W praktyce do budowy struktur OLED wykorzystać można dwa rodzaje materiałów. Pierwszym z nich są tzw. „świecące” polimery LEP (ang. Light Emitting Polymers). Te materiały organiczne (o stosunkowo długich łańcuchach) używane są do produkcji ekranów o przekątnych większych niż dziesięć cali. Do produkcji mniejszych ekranów, takich, które montowane są w telefonach komórkowych i smartfonach, używa się materiałów organicznych o stosunkowo krótkich łańcuchach.

Organiczne diody elektroluminescencyjne zwykle wytwarza się w ten sposób, że na podłoże przezroczyste (folia lub szkło) nanosi się przezroczystą elektrodę przewodzącą – anodę (warstwa ITO – Indium Tin Oxide), na której z kolei wytwarza się specjalną warstwę transportową dla dziur; kolejna warstwa to półprzewodnik organiczny typu n (polipropylowinylen) i na nią nanosi się drugą warstwę polimerową – półprzewodnik organiczny typu p (warstwa emisyjna – cyjanopolipropylowinylen). Następna warstwa jest specjalną warstwą transportową dla elektronów, a ostatnią warstwę stanowi górna elektroda (katoda; zwykle Al + Ca).

Przyłożenie  napięcia  do  takiej struktury powoduje przepływ elektronów od katody do anody. W momencie spolaryzowania złącza w kierunku przewodzenia, warstwa emisyjna jest naładowana ujemnie, jednocześnie warstwa przewodząca staje się dodatnia, gdyż ma nadmiar dodatnio naładowanych dziur. Oddziaływanie elektrostatyczne przyciąga elektrony i dziury, które ze sobą rekombinują, czemu towarzyszy emisja promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widma widzialnego. Luminancja jest proporcjonalna do natężenia prądu płynącego przez strukturę OLED [1–4].

Struktura OLED nie świeci przy zaporowym spolaryzowaniu złącza, ponieważ dziury elektronowe przemieszczają się do anody, a elektrony do katody, tak więc oddalają się od siebie i nie rekombinują. Na rysunku 1. pokazano, dla typowej struktury OLED, charakterystykę luminancji w funkcji płynącego przez nią prądu, a na rysunku 2., charakterystykę widmową emitowanego przez nią światła [2].

Warstwy złożone z cząstek organicznych polimerów przewodzących mają poziom przewodzenia prądu elektrycznego  w  zakresie  między izolatorami a przewodnikami, z tego względu nazywane są one półprzewodnikami organicznymi.

Najczęściej  podkreślaną zaletą struktur OLED jest ich bardzo dobre odwzorowanie barw, które jest wynikiem konstrukcji pojedynczego punkt obrazowego, czyli piksela. Oprócz trzech tradycyjnych subpikseli  świecących  w  podstawowych barwach RGB (czerwonym, zielonym i niebieskim), dodatkowo w pikselu umieszcza się subpiksel święcący na biało. Element obrazowy świecący na biało w znaczący sposób poprawia właśnie odwzorowanie kolorów. Co więcej, jego wyprodukowanie w technologii OLED nie stanowi żadnego problemu, gdyż wystarczy dobrać odpowiedni polimer  LEP emitujący światło białe o żądanej temperaturze barwowej. Ponadto takie światło białe nie zawiera promieniowania  nadfioletowego ani podczerwonego.

Warto również zauważyć, że warstwy polimerów w stanie nieaktywnym, gdy nie emitują światła, stają się przezroczyste, a ich przepuszczalność jest na poziomie 70% lub więcej.

Współczesne zastosowania struktur OLED

Pierwszym  produkowanym  seryjnie urządzeniem wyposażonym w wyświetlacz typu OLED był komputer kieszonkowy – palmtop (PDA, Personal  Digital  Assistant)  firmy Sony o symbolu CLIE PEG-VZ90, którego ekran miał przekątną 3,8 cala, rozdzielczość 480×320 pikseli oraz luminancję 150 cd/m².

W październiku 2007 r. firma Sony pokazała prototyp telewizora wykonanego w technologii OLED. Telewizor ten o symbolu XEL-1, miał przekątną 11 cali, rozdzielczość 960×540 pikseli, kontrast 1000000:1 oraz grubość 3 mm [4].

W ostatnich kilku latach czołowe firmy światowe pokazały wchodzące do produkcji, lekkie i o dużych rozmiarach telewizory o doskonałej jakości obrazu. W roku 2013 firma LG rozpoczęła sprzedaż pierwszego na świecie telewizora OLED o dużym, 55-calowym  ekranie i o rozdzielczości Full HD (1920×1080 pikseli), a także zaprezentowano pierwszego OLED-a z zakrzywionym ekranem. W roku 2016 firma LG pokazała telewizor LG OLED 65EG 960V o przekątnej ekranu 65 cali oraz o rozdzielczości 4K (3840×2160 pikseli). Ta sama firma w roku 2018 zaprezentowała telewizor LG OLED E8 dostępny jest w dwóch rozmiarach – 55 oraz 65 cali, o rozdzielczości 4K, odświeżanie na poziomie 120 Hz, z nowym procesorem Alpha 9. W różnego rodzaju zastosowaniach istotną rolę odgrywają także białe diody OLED.

Białe diody OLED mają barwę żarzącego się światła i emitują białe światło, które jest jaśniejsze, jednolite i bardziej energooszczędne niż promieniowanie świetlne emitowane przez lampy fluorescencyjne i żarówki. Białe diody OLED mogą być wytwarzane w dużych formatach, są ekonomiczne i zużywają mniej energii, niż wymienione już lampy fluorescencyjne i mogą znacząco obniżyć koszty energii wykorzystywanej na oświetlenie.

Zastosowanie technologii OLED ma  szereg  zalet  w  porównaniu z powszechnie stosowanymi innymi technologiami. Przede wszystkim jest tutaj mały pobór energii przy wyświetlaniu ciemnego obrazu jak również krótki czas reakcji (dla OLED ok. 0,01 ms [4]). Poza tym, dzięki  prostocie  budowy  i  braku podświetlania, szacuje się, że koszty produkcji wkrótce będą wyraźnie niższe.

Najistotniejszą wadą wyświetlaczy  wytwarzanych  w  technologii OLED (poza jeszcze wysoką ceną) jest to, że trwałość takich materiałów  organicznych  jest  ograniczona, i w związku z tym szacowany obecnie  czas  pracy  wyświetlaczy jest od około 10000 do 20000 godzin. Ostatnio pojawiły się jednak doniesienia o uzyskaniu w warunkach laboratoryjnych OLED, dla których szacuje się ten czas nawet na  poziomie stu tysięcy godzin [4, 7].

Jak  już  wspomniano,  OLED  jest powierzchniowym źródłem światła, którego luminancja może już osiągać wartości 1000 – 3000 cd/m² (dotyczy to prototypów wytwarzanych w warunkach laboratoryjnych). Może również emitować światło białe o wysokim wskaźniku oddawania barw, jak też o dość dużej skuteczności świetlnej około 80 lm/W, przy czym przewiduje się w najbliższym czasie zwiększenie tej wartości [4].

Tym samym OLED mogą stać się wkrótce atrakcyjnymi źródłami światła, zarówno pod względem konstrukcji, jak i obniżenia kosztów eksploatacyjnych oświetlenia.

Źródła światła, które do tej pory były znane, wymagały formowania bryły fotometrycznej za pomocą oprawy, bo same nie dawały odpowiednich parametrów (powodowały olśnienie, niepotrzebną emisję światła itp.). Światło zazwyczaj emitowane było z punktów świetlnych o różnych wielkościach (np. w przypadku źródeł światła LED z pojedynczych diod). W panelach OLED proponuje się zupełnie inne rozwiązanie, gdyż świecą one całą swoją powierzchnią, a równomierność i rozproszenie emitowanego światła są korzystne dla oświetlenia ogólnego. Obiekty oświetlane światłem z paneli OLED nie rzucają wyraźnych cieni, a oprawy z zastosowaniem źródeł OLED najlepiej nadają się do miejsc wymagających miękkiego oświetlenia, takich jak wnętrza mieszkalne czy hale widowiskowo-sportowe.

W halach widowiskowo-sportowych muszą być spełnione określone warunki oświetlenia. W większości przypadków użytkowane są one nie tylko podczas imprez, ale też do treningów. Pojawiają się zatem problemy ze spełnieniem normy PN-EN 12193 Oświetlenie stosowane w obiektach sportowych, a jednocześnie nie należy ponosić zbyt dużych kosztów za
energię elektryczną. Musi się więc wziąć pod uwagę klasy oświetlenia oraz wymogi transmisji telewizyjnej [5]. Najważniejszym parametrem referencyjnym dla tego typu obiektów jest natężenie oświetlenia na płaszczyźnie poziomej przy jednoczesnym zachowaniu dużej równomierności i poprawnym rozpoznawaniu kolorów [5].

Referencyjny  poziom  natężenia oświetlenia dla kamery głównej wynosi minimum 1400 lx. Zastosowanie kamer pociągnęło również zwiększenie wymagań odnośnie równomierności oświetlenia oraz, co ważniejsze, wiernego oddawania barw. Tak wysokie wymagania co do spełnienia kryteriów referencyjnych powodują konieczność zastosowania wyspecjalizowanych opraw oświetleniowych, których układy optyczne dają możliwość precyzyjnej kontroli rozsyłu światła, a same źródła światła charakteryzują się wysokim wskaźnikiem oddawania barw (Ra > 90) i temperaturą barwową (Tk > 6000K) [5].

W matrycach OLED bardzo precyzyjnie można również odwzorować przejścia tonalne między poszczególnymi barwami. Wynika to z tego, że w OLED-ach łatwo steruje się natężeniem światła emitowanym przez poszczególne subpiksele. W tym celu wystarczy tylko zmniejszyć lub zwiększyć natężenie prądu przepływającego przez diodę OLED tworzącą subpiksel, aby świecił on jaśniej lub ciemniej. Ta łatwość sterowania natężeniem światła sprawia, że obserwowane na ekranie OLED barwy są wyjątkowo żywe i naturalne. Charakteryzuje ich też bardzo szeroki kąt widzenia w każdej płaszczyźnie, wynoszący praktycznie 180 stopni [5, 6].

W ostatnich kilku latach postęp technologiczny,  jaki  dokonuje  się w wytwarzaniu struktur OLED, obejmuje dwa bardzo istotne zagadnienia, a mianowicie technologię materiałową oraz procesy produkcyjne. Materiały do wyświetlaczy organicznych są stale unowocześniane, dzięki czerośnie ich trwałość. W ostatnim czasie, oprócz materiałów fluorescencyjnych i fosforyzujących, zaczęto także stosować materiały TADF (Thermal-ly Activated Delayed Fluorescent), które pozwalają na tworzenie wydajnych, małych, a także wielkoformatowych paneli OLED.

Bardzo znaczący postęp odbywa się również w dziedzinie procesów produkcji struktur OLED. Materiały organiczne już obecnie rzadziej są naparowywane na podłoże, a coraz częściej są drukowane na nim, co jest procesem znacznie tańszym, a do tego umożliwia to łatwe tworzenie matryc o dużych rozmiarach.

W 2018 r., podczas trwających w Las Vegas targów, firma LG Electronics zaprezentowała wyjątkową instalację wykonaną z elastycznych paneli OLED do zastosowań komercyjnych. Ta instalacja, nazwana „Kręty kanion”, o długości 28 metrów została wykonana z 246 wyświetlaczy LG OLED typu „Open Frame”, tworzących wypukłe oraz wklęsłe płaszczyzny. Dzięki tej oledowej instalacji, dziesiątki tysięcy osób zwiedzających targi CES miały jedyną w swoim rodzaju możliwość podziwiania cudów natury [8, 9].

Prezentowana w Las Vegas matryca OLED z pikselami emitującymi światło pozwala na precyzyjną kontrolę jasności oraz jakości oświetlenia. Co więcej, matryce organiczne są niezwykle lekkie, cienkie i elastyczne. Kształt wykonanych w tej technologii paneli LG OLED Open Frame może być zmieniany w zależności od potrzeby – oryginalny dla rozwiązań artystycznych lub bardziej funkcjonalny dla innych zastosowań.

Firma  LG  Display  otworzyła  w  2018  r.  nową  fabrykę  OLED w Guangzhou. W swoim pierwszym roku wyprodukuje ona milion substratów.  Firma  przewiduje,  że  do 2022 roku będzie w stanie wytwarzać dziesięć milionów paneli OLED rocznie. To tam będą powstawać panele o rozmiarach 55-, 65- i 77-calowych. Początkowo LG będzie wytwarzać 60 000 substratów (o rozmiarach 2200×2500 mm) miesięcznie (w latach 2019 i 2020). Począwszy od 2021 roku, kiedy to planowane jest dalsze rozszerzenie, zdolność produkcyjna ma wzrosnąć do 90 000 substratów. LG Display w roku 2022 zakłada, że wszystkie zakłady produkcyjne firmy będą produkowały 10 mln paneli OLED rocznie [10].

Organiczne struktury luminescencyjne charakteryzują się licznymi zaletami, z których do ważniejszych można zaliczyć:

• w procesie produkcji materiał organiczny może być naniesiony na odpowiednie  elastyczne  i  lekkie podłoże,
• mają dużą skalę barw i jasność, ponieważ piksele OLED bezpośrednio emitują światło, które nie jest zatrzymywane przez filtry polaryzacyjne,
• nie wymagają podświetlenia, dzięki temu kontrast może wynosić nawet 1 000 000:1, a czerń jest idealnie czarna. Zmniejsza to pobór energii w chwili wyświetlania ciemnego obrazu,
• kolor punktu obrazu na wyświetlaczu OLED pozostaje prawidłowy, nawet gdy kąt patrzenia bliski jest 90° względem wektora normalnego. Przy wykorzystaniu przezroczystego, elastycznego podłoża,wyświetlacz
  taki może wyświetlać obraz z obu stron, a tym samym kąt widzenia jest praktycznie nieograniczony,
• mają też bardzo krótki czas reakcji, nawet około 0,01 milisekundy.

Nie należy również  zapominać o pewnych, mniej licznych, ale jednak wadach, takich jak:

• ograniczona żywotność materiałów organicznych. W przeszłości niebieskie OLED miały czas życia ograniczony do 5000 godzin, dla porównania LED około 60 000 godzin.  Ostatnio  wyprodukowano
  na skalę laboratoryjną wyświetlacze PLED mogą działać ponad sto tysięcy godzin w oparciu o zielone OLED,
• w przypadku rozszczelnienia matrycy wyświetlacza, na skutek mechanicznego uszkodzenia, wilgoć może zniszczyć cały materiał organiczny [2, 4].

Podsumowanie

Zasadniczą różnicą w konstrukcji organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED) w porównaniu z diodami nieorganicznymi LED jest to, że struktury OLED są powierzchniowymi źródłami światła o niewielkiej grubości, w których emisja światła następuje w półprzewodniku organicznym, natomiast diody LED są punktowymi źródłami emitującymi światło w obszarze złącza p–n wytworzonego na  bazie krystalicznej struktury półprzewodników nieorganicznych.

W związku z tym, że diody LED mają bardzo małą powierzchnię, z której emitowane jest światło ich luminancja jest bardzo duża i może wynosić nawet do 10 Mcd/m² . Tak wysoka luminancja diody LED jest niebezpieczna dla oczu i nieprawidłowe stosowanie LED może powodować efekt olśnienia lub nawet oślepienia.

OLED-y, charakteryzują się dużo niższą luminancją (1000 – 3000 cd/m² ) jest to ich niewątpliwą zaletą w stosunku do technologii LED. Ponadto technologia produkcji OLED umożliwia uzyskiwanie warstw emitujących światło o dużej powierzchni i o bardzo dobrej równomierności promieniowania.

Największym  problemem  technologii OLED jest niewielka jeszcze trwałość diod organicznych, szacowana obecnie na 10000 do 20000 godzin (w opracowaniach laboratoryjnych uzyskuje się już wyraźnie większe wartości).

W ostatnich kilku latach postęp technologiczny  jaki  ma  miejsce w wytwarzaniu struktur OLED obejmuje istotne zagadnienia, związane z technologią materiałową oraz procesami produkcyjnymi. Materiały do  wyświetlaczy organicznych są stale unowocześniane, dzięki czemu rośnie ich trwałość, a ponadto materiały organiczne obecnie rzadziej są naparowywane na podłoże, a coraz częściej drukowane na nim, co jest procesem znacznie tańszym.

Struktury LED i OLED należą obecnie  do  najnowszych  typów  źródeł światła i to do tych, których konstrukcja rozwija się najbardziej dynamicznie. W Europie i na świecie w wielu ośrodkach prowadzone są intensywne prace nad udoskonalaniem konstrukcji OLED.

Według szacunków uważa się, że przy  obecnym  tempie  prac  badawczych i ich znacznym zaawansowaniu, za około 10 lat staną się masowymi źródłami światła, przy czym w różnorodnych zastosowaniach będą one wzajemnie się uzupełniać, a nie konkurować ze sobą.

Literatura

1. Porada Z., "Elektroluminescencja wewnętrzna - wybrane zagadnienia związane z zastosowaniami", Politechnika Krakowska, Kraków 2013.
2. Porada Z., Wiadomości elektrotechniczne (2014) Nr. 4, 3-11.
3. Porada Z., Strzałka-Gołuszka K., „LED – diody elektroluminescencyjne”, Podręcznik dla elektryków, Zeszyt 44, INPE SEP, Bełchatów 2013.
4. Porada Z., “Diody LED, struktury Destriau i OLED w źródłach światła” (2018) GlobeEdit, Berlin.
5. Czarnecki T., Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki, Nr 29/2011, 24-29.
6. Blankenbach K., “Organic Light Emitting Diodes (OLED)”, www.displaylabor.de/OLEDs/WS 2014 (7 styczeń 2016).
7. Porada Z. ,International Journal of Science and Research, Volume 8 (2019), 1557-1559.
8. https://www.lg.com/pl/lg-magazine/inspiracje/rollable-tv-ces-2019 (20 wrzesień 2019)
9. https://hdtvpolska.com/lg-otwiera-nowa-fabryke-oled-firma-chce-produkowac-10-mln-paneli-rocznie/ (20 wrzesień 2019)
10. http://gamak.eu/oswietlenie-obiektow-sportowych/ (20 wrzesień 2019)

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!