OLED - następca technologii LCD


Jak działa OLED

Przejdźmy teraz do technologii OLED. Konstrukcja i zasada działania samego wyświetlacza wykorzystującego organiczny polimer jest wyjątkowo prosta i zbliżona jest do budowy i sposobu pracy diody elektroluminescencyjnej LED. Wystarczy bowiem zetknąć ze sobą dwa polimerowe półprzewodniki typu p i n (np. odpowiednio wspomniany PPV oraz cyjanopolipropylowinylen CN-PPV) i przepuścić przez taki układ prąd. W momencie spolaryzowania w kierunku przewodzenia powstałego na skutek zetknięcia obu materiałów organicznych złącza p-n, do warstwy polimeru, nazywanej warstwą emisyjną, która jest naładowana ujemnie (tu: CN-PPV) wstrzykiwane są przez katodę dodatkowe nadmiarowe ujemne ładunki donorowe (elektrony). Jednocześnie do warstwy przewodzącej (PPV) dostają są przez anodę dodatnio naładowane nadmiarowe nośniki akceptorowe czyli dziury.

Oddziaływanie elektrostatyczne przyciąga do siebie nadmiarowe ładunki ujemne (elektrony) i dodatnie (dziury), które po pokonaniu bariery potencjału powstałej na skutek wytworzenia się, zaraz po zetknięciu ze sobą organicznych półprzewodników typu n i p (dokładnie tak samo jak ma to miejsce w wypadku zwykłej, znanej z urządzeń elektronicznych diody półprzewodnikowej), warstwy zaporowej mogą już ze sobą swobodnie rekombinować. Właśnie na skutek tego procesu rekombinacji nośników ujemnych (elektronów) i dodatnich (dziur) polimerowy materiał półprzewodnikowy wyemituje światło. W momencie rekombinacji w materiałach organicznych elektron przechodzi bowiem na niższy poziom energetyczny, czemu towarzyszy emisja promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widma widzialnego. Ta emisja światła odbywa się przede wszystkim w warstwie emisyjnej (stąd jej nazwa), gdyż dziury w półprzewodnikach organicznych są bardziej mobilne niż elektrony - odwrotnie niż ma to miejsce w wypadku półprzewodników nieorganicznych.

Jednak taki prosty zestaw składający się z dwóch elektrod i dwóch warstw polimeru organicznego nie nadaje się jeszcze do budowy wyświetlacza. Najpoważniejszym występującym tutaj problemem jest uzyskanie jednorodnej emisji światła na całej powierzchni polimerowego materiału. Nierównomierny rozkład natężenia światła związany jest z różnicą szybkości przepływu ładunków dodatnich i ujemnych - elektrony mogą bowiem migrować w kierunku nie najbliższych, ale tych znacznie bardzie oddalonych dziur. Wyświetlacze OLED wymagają więc kilku dodatkowych warstw specjalnie dobranych materiałów, tak aby ładunki elektryczne były równomiernie wprowadzane do całej objętości polimeru.

Budowa matrycy

OLED - następca technologii LCD

Schemat działania matrycy OLED, Opis: 1. Katoda (wstrzykuje ładunki ujemne), 2. Naładowana ujemnie warstwa emisyjna (CN-PPV, półprzewodnik typu n), 3. Emisja promieniowania, 4. Warstwa przewodząca z nadmiarowymi ładunkami dodatnimi (PPV, półprzewodnik typu p) 5. Anoda (wstrzykuje ładunki dodatnie)

Aby ominąć powyższe problemy związane z nierównomiernym świeceniem, do budowy matryc OLED wykorzystuje się specjalnie dobrane wielowarstwowe elektrody pozwalające na równomierne wstrzykiwanie ładunków elektrycznych. Do budowy katody używa się naparowywanych próżniowo, amorficznych warstw aluminium przeplatanego wapniem. Metale te cechują się bowiem niską pracą wejścia sprzyjająca równomiernemu wstrzykiwaniu elektronów do organicznej warstwy polimerowej. Dodatkowo warstwa metalu będąca katodą spełnia jeszcze jedną funkcję, a mianowicie jest zwierciadłem odbijającym światło, które wyemitowane zostało w jej kierunku, zwiększając tym samym całkowitą jasność świecenia komórki OLED

Między metalem, a warstwą organicznego polimeru elektroluminescencyjnego, stosuje się jeszcze specjalną warstwę transportową dla elektronów. Warstwa ta składa się z różnych substancji a jej skład jest pilnie strzeżoną tajemnica producentów, gdyż to od tej warstwy w głównej mierze zależy równomierność świecenia matrycy OLED, jasność uzyskiwanego światła oraz trwałość całego urządzenia. Co więcej, warstwa transportowa musi być idealnie dobrana pod względem fizykochemicznych i elektrycznych właściwości pod wykorzystywane przez danego producenta polimery emitujące światło.

Podobnie, tuż pod anodą umieszczona zostaje warstwa transportowa dla dziur - również specjalnie dopasowana do wykorzystywanego polimeru elektroluminescencyjnego. Jako materiał anody zwykle wykorzystywane jest szkło przewodzące ITO (Indium Tin Oxide). Jest to przezroczysty dla światła materiał charakteryzujący się wysoką pracą wyjścia co sprzyja przemieszczaniu dziur do warstwy polimerowej. Wszystkie wspomniane warstwy są zaś umieszczone na szklanym podłożu stanowiącym przednią szybę ekranu, którą można np. z drugiej strony pokryć warstwą antyodblaskową.

Tajemnica odwzorowania barw

Ciekawa jest również konstrukcja samego pojedynczego punktu obrazowego matrycy OLED. Oprócz trzech subpikseli, które mogłyby same, podobnie jak w matrycach LCD, tworzyć pojedynczy piksel obrazu (jak pamiętamy z lekcji fizyki, światło białe uzyskać można przez zmieszanie trzech barw podstawowych RGB), dodatkowo dodaje się subpiksel święcący na biało. Jego wyprodukowanie w technologii OLED nie stanowi bowiem żadnego problemu (wystarczy dobrać odpowiedni polimer elektroluminescencyjny emitujący światło białe o żądanej temperaturze barwowej), a dodanie komórki świecącej natywnie na biało poprawia w znaczący sposób odwzorowanie kolorów. Dzięki temu matryce OLED bez problemu osiągają nie tylko przestrzeń barwną NTSC, ale również są w stanie odwzorowywać kolory w znacznie szerszej przestrzeni barwnej Adobe RGB.

Osiągnięcie bardzo dobrej czerni dla matryc OLED również nie stanowi większego problemu. Wystarczy bowiem wyłączyć napięcie przykładane do danego piksela lub subpiksela, aby ten wybrany przez nas punkt po prostu przestał świecić i stał się czarny. Co więcej, przez to, że matryca OLED sama jest źródłem światła wyłączenie jej w całości lub części z jej punktów sprawia, że te wybrane przez nas są rzeczywiście czarne - nie tak, jak w wypadku podświetlanej od tyłu matrycy LCD "pseudo czarne". Dzięki temu uzyskiwane kontrasty statyczne matryc OLED są rzeczywiście duże i bez problemu osiągają one wartości kilku milionów do jednego.

Co więcej, stosunkowo łatwo jest też sterować natężeniem światła emitowanym przez poszczególne subpiksele. Wystarczy tylko zmniejszyć lub zwiększyć natężenie prądu przepływającego przez subpiksel aby świecił on jaśniej lub ciemniej - i to dodatkowo w jednej z barw podstawowych. Ta łatwość sterowania natężeniem światła sprawia, że odwzorowywane przez matryce OLED kolory są żywe i naturalne. Mało tego, bardzo dokładnie można też odwzorować przejścia tonalne między barwami, których dokładność jest nieosiągalna dla innych typów wyświetlaczy wynalezionych przez człowieka - nawet stawianych za wzór odwzorowania barw i przejść tonalnych monitorów CRT.

W matrycach OLED nie ma też potrzeby montowania barwnych filtrów, ani też polaryzatorów. Przekłada się to na bardzo szeroki kąt widzenia w każdej płaszczyźnie wynoszący praktycznie 180 stopni. Wyświetlacze OLED maja też niezwykle krótki czas reakcji wynoszący poniżej 10 mikrosekund. Nie ma więc mowy o jakimkolwiek rozmyciu obrazu czy smużeniu nawet w najbardziej dynamicznych scenach.

Matryce pasywne i AMOLED

OLED - następca technologii LCD

Budowa matrycy OLED, Opis: Metalowa, amorficzna katoda, Warstwa transportowa dla elektronów, Polimerowe warstwy emitujące światło, Warstwa transportowa dla dziur

Podobnie jak w wypadku monitorów LCD, matryce OLED produkowane są jako matryce pasywne lub aktywne W matrycy pasywnej elementy świecące umieszczone są na skrzyżowaniu pionowych i poziomych linii sterująco-zasilających. W danej chwili można tylko doprowadzić sygnał sterujący wyłącznie do pojedynczej kolumny lub wiersza. Zwiększenie wymiarów ekranu i ich rozdzielczości wymaga, jak można się domyślić, większych częstotliwości sygnału sterującego matrycą. W konsekwencji pojedyncze piksele muszą też dłużej świecić, po to, aby obraz nie zniknął z ekranu, zanim nie powróci sygnał odświeżający.

Z kolei w matrycy aktywnej OLED nazywanej też matrycą AMOLED (Active Matrix OLED) zastosowano układ (matrycę) tranzystorów podtrzymujących świecenie każdego subpiksela z osobna, tak długo jak tylko jest to potrzebne. Do produkcji matryc aktywnych korzysta się technologii tranzystorów cienkowarstwowych TFT (Thin Film Transistors), które nanoszone są bezpośrednio na metalową aluminiowo-wapniową katodę.

Pierwszym panelem OLED z matrycą TFT był 15-calowy monitor firmy Sanyo, skonstruowany razem z amerykańskim Kodakiem, który zaprezentowany został na targach CeBIT w 2003 roku. Urządzenie to generowało obraz w wysokiej rozdzielczości HD (1280×720 pikseli), dysponowało dużym jak na tamte czasy kontrastem 500:1 oraz jasnością ponad 500 kandeli na metr. Co ważne, ów panel OLED zużywał o ponad połowę mniej energii w porównaniu nawet z dzisiejszymi wyświetlaczami ciekłokrystalicznymi i miał zaledwie 1 cm grubości.

Oczywiście matryce pasywne są znacznie tańsze w produkcji niż matryce aktywne, niemniej te pierwsze nie specjalnie nadają się do wytwarzania wyświetlaczy o przekątnej ekrany większej niż dziesięć cali, a to ze względu na wspomniane problemy z podtrzymaniem świecenia do czasu powrotu sygnału odświeżającego. Dlatego wszystkie urządzenia korzystające z dużych ekranów OLED mają zawsze matrycę AMOLED, zaś wyświetlacze do urządzeń mobilnych są wyposażane w tańsze matryce pasywne - w tym wypadku nie jest to reguła, gdyż wiele, zwłaszcza bardziej zaawansowanych, droższych modeli telefonów komórkowych, odtwarzaczy MP3 czy aparatów cyfrowych korzysta także z małych matryc aktywnych.