OLED vs LCD

Уже в самом названии OLED (Organic Light Emitting Diode) содержатся два кардинальных отличия от LCD технологии - "органический" и "светоизлучающий". Стоит поподробнее остановиться на каждом из этих двух пунктов, чтобы понять, почему эта технология столь интересна и почему именно она оказалась следующим этапом после LCD.

   

Начиная с 60-х годов, микроэлектроника основывается исключительно на неорганических материалах: кремний, германий, арсенид галлия, металлические проводники из алюминия или меди, различные диэлектрики, типа того же диоксида кремния. Здесь все уже отточено от и до, расписано на десять лет вперед, и все всем известно. 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 органические материалы используются даже в производстве центральных процессоров в течение последних лет, и, в какой-то мере, это действительно будет справедливым: проводящие органические соединения используются 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.

Однако, с ростом проблем, встающих сегодня перед традиционной неорганической микроэлектроникой, часть из которых уже описана в нашем обзоре современных техпроцессов, вероятность того, что производители начнут обращать все больше внимания на органику, становится все выше и выше.

Однако, если начать вдаваться в подробности, то на это спокойно может уйти две-три статьи, а сейчас нас больше интересует один конкретный аспект таких материалов, а именно - тех, что обладают светоизлучающими свойствами. Пионером в их исследовании стал Eastman Kodak, чьи ученые, Chin Tang и Steve VanSlyke, еще в 1987 году издали статью "Organic electroluminiscent diodes", описывающую новый класс тонкопленочных устройств на базе органических материалов, обладающих электролюминисцентными 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 indium-tin-oxid, выступающим в роли анода. Непосредственно к нему прилегает первый органический слой, порядка 750 ангстрем (75 нм) ароматического диамина, следом идет основной, светоизлучающий слой из пленки, состоящей из соединения, принадлежащего к классу fluoriscent metal chelate комплексов. Например, 8-hydroxyquinoline aluminium. 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 1000 Кд на квадратный метр, что минимум в два раза превышает соответствующий показатель сегодняшних LCD экранов (максимум же - свыше 100 000 Кд на квадратный метр). 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 напряжении 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 восьми десятков компаний и университетов), и большинство из них в той или иной мере сегодня уже можно считать решенными. Новые OLED материалы представляют из себя 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...

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 до 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 1000 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 пикселам. 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.

Как в традиционных CRT экранах, OLED экран представляет из себя матрицу состоящую из комбинаций ячеек трех основных цветов - красного, синего, зеленого. В соответствии от того, какой цвет от него требуется - регулируется уровень напряжения на каждой из ячеек матрицы в результате чего смешением трех получившихся оттенков и получается 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 предшественниками, LCD также 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, например, для экранов автомагнитол или дешевых сотовых телефонов.

  

Такая матрица представляет из себя простейший двухмерный массив пикселов в виде пересекающихся строк и колонок. Каждое такое пересечение является OLED диодом. Чтобы подсветить его, управляющие сигналы подаются на соответствующие строку и колонку. Чем больше подано напряжение, тем ярче будет светимость пиксела. Напряжение требуется достаточно высокое, вдобавок, подобная схема не позволяет создавать эффективные экраны, состоящие более чем из миллиона пикселов. 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 из себя 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 - тонкопленочные 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: hydrogenated amorphous silicon, за счет своей физической структуры более медленного чем привычный нам по чипам однокристальный кремний, но - тут уж ничего не сделаешь. Максимум, что еще применяют для высококачественных активных матриц - это транзисторы на базе поликристального кремния.