ОРГАНИЧЕСКИЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ: ТЕХНОЛОГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ. Часть 1

Андрей Ященко Уже в самом названии OLED (Organic Light Emitting Diode) содержатся два кардинальных отличия от LCD технологии — “органи ческий” и “светоизлучающий”. Стоит подробнее остановиться на каждом из них, чтобы понять, почему эта технология столь интересна и почему именно она оказалась следующим этапом после LCD.

С начала 1960 х микроэлектроника основывается исключительно на неорганических материалах: кремнии, германии, арсенидегаллия, металлических проводниках из алюминия или меди, различных диэлектриках типа того же диоксида кремния. Здесь все уже отточено от и до, расписано на десять лет вперед, и все всем известно. Светодиоды применяют даже для освещения бассейнов .

Тем не менее все это время не прекращалась исследовательская работа по органическим материалам — полимерам и олигомерам, а также гибридным органическим — неорганическим соединениям по всему спектру параметров: проводимость, полупроводниковые качества, светоизлучение. Не говоря уже о том что органика обладает рядом интересных качеств вроде более мягких требований к температуре окружающей среды, зачастую выдающейся гибкостью и т. д. , что открывает перед производителями электронных устройств ряд совершенно новых применений.

Впрочем, можно возразить, что в последние годы органические материалы используются даже в производстве центральных процессоров, и в какой то мере это, действительно, будет справедливо: проводящие органические соединения применяются в упаковке процессоров, для Intel — начиная еще с OLGA (Organic Land Grid Array), да и в литографии — в качестве фоторезистивных материалов. Имеются небезуспешные опыты использования их в качестве диэлектриков. Но это все не вспомогательные функции — транзисторы, диоды, конденсаторы — там вы органики сегодня не увидите.

График цветового охвата. OLED дисплеи лишь немного не дотягивают до стандартов качества NTSC. Однако с ростом проблем, встающих сегодня перед традиционной неорганической микроэлектроникой, вероятность того, что производители начнут обращать больше внимания на органику, становится все выше и выше. Если же начать вдаваться в подробности, то на это потребуется как минимум две три статьи, а сейчас нас больше интересует один конкретный аспект — материалы, обладающие светоизлучающими свойствами. Пионером в их исследовании стал Eastman Kodak — ученые Чин Тэнг и Стив Ван Слайк еще в 1987 году издали статью “Organic electroluminescent diodes”, описывающую новый класс тонкопленочных ус тройств на базе органических материалов, обладающих электролюминесцентными качествами, заметно превосходящими все, что было создано в этой области ранее.

Впервые предложенная Kodak схема с двумя слоями органики между электродами вместо одного и сегодня остается основным вариантом, используемым для создания OLED устройств. Вот как она выглядела в оригинале — со стороны зрителя — слой за слоем. Естественно, все закрыто стеклом, покрытым со стороны OLED тончайшим слоем оксидa олова индия (indium tin oxid), выступающим в роли анода. Непосредственно к нему прилегает первый органический слой, порядка 750 ангстрем (75 нм) ароматического диамина, выступающего в роли полупроводника “р типа”, следом идет основной, светоизлучающий слой из пленки, состоящей из соединения, принадлежащего к классу fluorescent metal chelate комплексов. Например, hydroxyquinoline aluminium. В ро ли полупроводника “n типа может выступать много органических соединений с труднопроизносимыми названиями на основе все тех же ароматических углеводов. И, наконец, последним слоем в этом сэндвиче является катод, состоящий из смеси магния с серебром с атомным соотношением 10:1. Вся эта система имеет толщину менее 500 нм, вместе с задней подсветкой, каковой она, помимо всего прочего, сама и является! При прохождении тока напряжением от 2, 5 В базовый слой начинает излучать фотоны, чей поток становится все более интенсивным по мере увеличения силы тока, усиливаясь практически линейно и позволяя при напряжении менее 10 В получить яркость более 1 000 Кд на квадратный метр, что минимум в два раза превышает соответствую щий показатель сегодняшних LCD экранов (максимум же — свыше 100 000 Кд на квадратный метр).

Наглядный пример разрешения OLED матрицы. Пик интенсивности спектра приходится на 550 нм длину волны, что соответствует зеленому цвету. Естественно, кроме явных плюсов были и минусы. Тут и долговечность, точнее, ее отсутствие — в первоначальных опытах светимость при постоянном напряже нии падала вдвое уже после 100 часов непрерывной работы, и проблемы с отдельными участками спектра — в частности, с голубым.

Тем не менее прорыв был очевиден, учитывая, что до этого для получения более менее нормальной светимости требовалось напряжение порядка 100 В. К решению оставшихся проблем присоединилось множество фирм (на сегодняшний день OLED занимаются порядка восьмидесяти компаний и университетов), и большинство из них в той или иной мере уже можно считать решенными. Новые OLED материалы представляют куда более сложные комбинации веществ, чем это было на заре их истории. Новые химические формулы базовых слоев, отдельные обогащающие добавки, отвечающие каждая за свою часть спектра — красную, синюю, зеленую. Основные усилия разработчиков направлены в настоящий момент на улучшение характеристик органических полупроводников. Успехи более чем впечатляют: хотя в синем спектре последние перспективные OLED материалы и остаются наименее долговечными, тем не менее, даже в условиях синей светимости их срок жизни достигает 10 тысяч часов. Красный и зеленый цвета дают до 40 тысяч, универсальный белый — 20 тысяч часов. Уже прилично, учитывая, что для тех же цифровых камер, к примеру, среднее время жизни экрана считается нормальным от 1 000 часов. К тому же в коммерческих продуктах речь, очевидно, будет идти о классической схеме, используемой в LCD, когда экран состоит из сплошных белых OLED излучателей с цветными фильтрами, отвечающими за придание цвета конкретным пикселям. Но все же здесь еще есть, над чем серьезно поработать.

Ко всему прочему новые основные материалы значительно повышают и физические параметры OLED. В частности, повышая верхнюю планку диапазона рабочих температур более чем до 100 градусов по Цельсию, с прицелом на использование в автомобильной электронике и тому подобных устройствах.

А Вы что выбираете — “замыленное ” изображение на LCD экране или высококонтрастное на OLED дисплее? Как в традиционных CRT экранах, OLED экран представляет собой матрицу, состоящую из комбинаций ячеек трех основных цветов — красного, синего, зеленого.

В зависимости от того, какой цвет от него требуется, регулируется уровень напряжения на каждой из ячеек матрицы, в результате чего смешением трех получившихся оттенков и достигается требуемый результат. Схема до боли знакомая и привычная, но, по видимому, до сих пор ничего более простого и эффективного так и не придумано. В своем развитии OLED экраны полностью повторяют путь, пройденный их предшественника ми, — LCD поначалу четко делился на экраны с пассивной и активной матрицей, но потом, по мере совершенствования технологий, пассивная матрица осталась лишь в узком классе устройств с небольшой диагональю, где просто напросто не требуется качественное изображение. OLED экраны также начали с пассивных матриц, которые прекрасно подходят, на пример, для экранов автомагнитол или дешевых сотовых телефонов. Такая матрица представляет собой простейший двухмерный массив пикселей в виде пересекающихся строк и колонок. Каждое пересечение является OLED диодом. Что бы подсветить его, управляющие сигналы подаются на соответствующие строку и колонку. Чем больше подано напряжение, тем ярче светимость пикселя. Напряжение требуется достаточно высокое, вдобавок подобная схема не позволяет создавать эффективные экраны, состоящие более чем из миллиона пикселей. Когда у первых ноутбуков курсор мыши, двигающийся по экрану, оставлял за собой длинный, угасающий след — вот это и есть пример пассивной матрицы.

Весьма схожи между собой у LCD и OLED принципы работы активной матрицы. Все тот же двухмерный массив из пересекающихся колонок и линий, но на сей раз каждое из их пересечений представляет собой не только светоизлучающий элемент, жидкокристаллическую ячейку или OLED диод, но и управляющий им транзистор. Управляющий сигнал посылается уже на него, он запоминает, какой уровень светимости от ячейки требуется, и, пока не будет дана другая команда, будет исправно поддерживать этот уровень тока. И напряжение в этом случае требуется куда ниже, и ячейка куда быстрее реагирует на изменение ситуации.

Понятно, что транзисторы здесь требуются не совсем обычные — они должны лечь еще одним ровным тонким слоем на все это хозяйство. Исходя из этой задачи и появился новый класс устройств — тонко пленочные транзисторы — TFT. Естественно, что, как и их старшие собратья, делались они из сугубо неорганических материалов, а именно — из того же привычного кремния. Немного другого, разумеется — гидрогенизированного аморфного кремния, за счет своей физической структуры более медленного, чем привычный нам по чипам монокристаллический кремний, но тут уж ничего не сделаешь. Максимум, что еще применяют для высококачественных активных матриц, — это транзисторы на базе поликристаллического кремния.

Все это по своим механическим качествам, конечно, лучше, чем монокристаллический кремний, но все же идеал будет достигнут тогда, когда до ума доведут еще одно свойство органических веществ, о котором упоминалось выше, — их способность образовывать полупроводни ковые структуры. Хотя, конечно, вряд ли в обозримом будущем подоб ный прорыв светит для чистой органики — уж очень она медленная.

Но вот органические — неорганические гибридные соединения на эту роль уже начинают претендовать. И вот это будет уже совсем другой разговор: спереди вместо стекла — прозрачный пластик, сзади вместо кварцевого субстрата, характерного для кремниевых транзисторов, — транзисторы органические, которые хоть на бумаге можно печатать. Благо, что их можно действительно печатать, в отличие от того же аморфного кремния, который осаживается на поверхность при 360 градусах по Цельсию. Впрочем, о будущем мы все же поговорим чуть чуть позже.

Автор благодарит за предоставленные материалы редакцию издатель ского дома 3DNews.