Orgaaniline valgusdiood

Orgaaniline valgusdiood ehk OLED (inglise keeles organic light-emitting diode) on valgusdiood, milles orgaanilisest ühendist kiht kiirgab valgust elektrivoolu toimel. See orgaanilise pooljuhi kiht asub kahe elektroodi vahel. Üldjuhul on vähemalt üks elektrood läbipaistev.

OLED-e kasutatakse pildielementidena – pikslitena – teleri, arvuti ja mobiiltelefoni ekraanis. Iga piksel koosneb kolmest komponendist (alampikslist), mis kiirgavad punast, rohelist ja sinist valgust (RGB).

OLED-id eraldi valgusallikana mitteorgaaniliste LED-idega seni ei konkureeri.

Kuna OLED-ekraani elemendid kiirgavad ise valgust, siis ei vaja niisugune ekraan taustvalgustust, nagu see on vajalik LCD-ekraani korral. Sellest tulenevalt paraneb ekraani kontrastsus, sest kui must pildielement saavutatakse LCD-ekraanil vedelkristallelemendi muutmisega võimalikult tumedaks (kuid siiski mitte täielikult läbipaistmatuks), siis OLED-ekraanil saadakse sügav must element piksli toitevoolu väljalülitamisega, ühtlasi väheneb energiakulu.

OLED-ekraanides kasutatakse pikslite adresseerimiseks samasugust aktiivmaatriksskeemi kui vedelkristallkuvaris (vt LCD TFT). Aktiivmaatriksiga OLED-ekraanis (AMOLED) vajab iga piksel oma tagapinnal kiletransistori, et selle kaudu muuta vastavalt tüürsignaalidele oma heledust ja säilitada seda järgmise tüürsignaali saabumiseni.

Väikestes lihtsates ekraanides – elektroonilistes näidikutes – kasutatakse passiivmaatriksiga (ilma kiletransistorideta) adresseerimisskeemi (PMOLED).

Ajalugu

A. Bernanose ja tema töökaaslased Nancy Ülikoolis Prantsusmaal avastasid 1950. aastal, et kui panna teatud orgaanilisest materjalist õhukesed kiled kõrge vahelduvpinge alla, siis hakkavad need kihid valgust eraldama. Aga nende materjalide vähene elektrijuhtivus piiras valguse eraldumise intensiivsust ja seega praktilisi rakendusi, kuni tulid suurema juhtivusega materjalid saadavale.

OLED-tehnoloogia lõid esimestena 1987. aastal Ching W. Tang ja Steven Van Slyke Eastman Kodak Companys, kasutades n-ö väikesi molekule.

Tööpõhimõte

Kahekihilise OLED-i skeem. 1 – katood, 2 – kiirgav kiht, 3 – kiirguse eraldumine, 4 – juhtiv kiht, 5 – anood

Tüüpiline OLED koosneb elektrit juhtiva orgaanilise materjali kihist, mis paikneb kahe elektroodi (anood ja katood) vahel. Kasutatavatel orgaanilistel materjalidel on pooljuhi omadused (juhtivus isolaatori ja juhi vahepeal. Niisuguste orgaaniliste materjalidena kasutatakse nn väikeseid molekule (väikese molekulmassiga orgaanilisi molekule) ja polümeere.

Algselt koosnesid OLED-id ühest polümeerikihist. Paljud tänapäevased OLED-id on kahekihilise struktuuriga, mis koosneb juhtivast ja kiirgavast kihist.

Kui OLED pingestada nii, et anood on katoodi suhtes positiivne, siis liiguvad elektronid katoodist läbi poümeerkihi anoodi poole. Seejuures lisatakse elektrone madalaimale vabale orbitaalile katoodi juures ja võetakse ära kõige kõrgemast hõivatud orbitaalilt anoodi juures – viimast protsessi võidakse nimetata ka kui elektron-aukude lisamist kõige kõrgemale hõivatud orbitaalile. Elektrostaatilised jõud tõmbavad elektron-auke ja elektrone üksteise poole ja nad moodustavad eksitoni. See juhtub kiirgavale kihile lähemal, sellepärast et orgaanilistes pooljuhtides on elektronidest tühjad kohad – augud – üldiselt mobiilsemad kui elektronid. Sellise ergastatud seisundi lagunemisel vabaneb energia kiirgusena, mille sagedus on inimsilmale nähtavas vahemikus. Selle kiirguse sagedus sõltub madalaima vaba orbitaali ja kõrgeima hõivatud orbitaali vahelisest energia taseme erinevusest.

Tavaliselt kasutatakse anoodi materjalina indiumtinaoksiidi. See on läbipaistev nähtavale valgusele.

Ehitus

OLED-i ehitus

Tüüpiline kahekihiline OLED koosneb järgmistest osadest

• substraat (plast, klaas, foolium) – moodustab OLED-i aluspõhja;
• anood (läbipaistev) – anood eemaldab elektrone (lisab elektron-auke), kui vool läbib seadet;
• orgaanilised kihid – need kihid tehakse orgaanilistest molekulidest või polümeeridest;

• juhtiv kiht – see kiht tehakse orgaanilisest molekulidest, mis transpordivad elektron-augud anoodist katoodi poole;

• kiirgav kiht – see kiht tehakse samuti orgaanilistest molekulidest, ent need erinevad nendest, mis moodustavad juhtiva kihi. Siin toimub valguse eraldumine;

• katood (võib olla läbipaistev) – lisab elektrone, kui seade on voolu all.

Materjalitehnoloogiad

Väikesed molekulid

Energiasäästlikud OLED-id, mis kasutavad väikesi molekule, lõi esmalt Ching W. Tang Eastman Kodakis. Tavaliselt tähis "OLED" viitabki seda tüüpi seadmele, mis kasutab väikesi molekule, kuigi ka termin SM-OLED (ingl k small molecul OLED) on kasutuses.

Väikesi molekule kasutava seadme tootmine tähendab tavaliselt kuumaurustumist vaakumis. See muudab tootmisprotsessi kallimaks ja piirab kasutamist suurtes seadmetes. Erinevalt polümeeripõhistest seadmetest võimaldab vaakumsadestamise protsess teha hästi kontrollitud homogeenseid kihte ja ehitada väga keerulisi mitmekihilisi struktuure. See suur paindlikkus kihtide tegemisel, mis võimaldab teha täpselt laengut juhtivaid ja blokeerivaid kihte, on peamine põhjus, miks väikeste molekulidega OLED-id on nii efektiivsed.

Valgust eraldavad polümeerdioodid

Valgust eraldavad polümeerdioodid (PLED) koosnevad elektroluminestsentsest juhtivast polümeerist, mis eraldab valgust, kui panna ta voolu alla. Polümeer-OLED-id on üsna efektiivsed ja vajavad üpris vähe energiat toodetava valguse koguse kohta.

Vaakum-sadestamine ei sobi õhukeste polümeeri kihtide tegemiseks. Polümeere saab töödelda aga lahuses ning kasutatakse n-ö keerdkatmise (ingl k spin coating) tehnoloogiat, et valmistada väga õhukesi polümeerikihte. See meetod sobib suurte kilede tegemiseks paremini kui kuum aurustumine. Vaakum ei ole vajalik ja kiirgava kihi saab kanda substraadile ka inkjet-tehnoloogia abil, mida kasutatakse tänapäevastes printerites. Ent järgmiste kihtide pealekandmine kipub olemasolevaid kihte hävitama, seega mitmekihiliste keeruliste struktuuride moodustamine on väga keeruline selliste meetoditega. Metallist katood tuleb võib-olla ikkagi vaakumaurustumise meetodiga peale kanda.

Seadme arhitektuur

Struktuur

• Alt või pealt kiirgav – alt kiirgavad seadmed kasutavad läbipaistvat või poolläbipaistvat alumist elektroodi, et valgus läbiks läbipaistva substraadi. Pealt kiirgavad seadmed kasutavad läbipaistvat või poolläbipaistvat pealmist elektroodi, et kiirata valgust. Pealt kiirgavad seadmed sobivad paremini aktiiv-maatriksiga seadmetele, sest neid on kergem ehitada mitte läbipaistva taustaga.
• Läbipaistvad OLED-id kasutavad läbipaistvaid või poolläbipaistvaid elektroode, et luua seade, mis on nii alt kui ka ülalt kiirgav (ehk läbipaistev). TOLED-idega (transparent OLED) on võimalik suurendada kontrastsust, mis võimaldab vaadata ekraani ka ereda päikse käes. Seda tehnoloogiat on võimalik kasutada, et luua autodele Heads-up-ekraane, tarku aknaid ja muid reaalsust täiendavaid tooteid. Novaledi OLED-paneel, mida esitleti Finetech Japan 2010 näitusel, on 60–70% ulatuses läbipaistev.
• Kuhi-OLED-id kasutavad sellist piksliarhitektuuri, kus punane, roheline ja sinine piksel asetatakse üksteise otsa. Selline asetus suurendab värviskaalat, parandab värvisügavust ja vähendab pikslite vahesid. Praegustel teistel tehnoloogiatel on RGB-pikslid asetatud üksteise kõrvale, mis vähendab potentsiaalset resolutsiooni.

Pikslite adresseerimise tehnoloogiad

Passiivmaatriksiga OLED-i tööpõhimõte

Passiivmaatriksiga OLED-idel (PMOLED) on ühtpidi väikesed katoodilõigud ja teistpidi anoodi lõigud, mille vahele jäävad orgaanilised kihid. Need lõigud moodustavad maatriksi ning anoodi ja katoodi ristumiskohad moodustavad pikslid, kust valgus eraldub. Väline vooluring rakendab voolu valitud katoodi ja anoodi lõikudele, millest sõltub, millised pikslid lülitatakse sisse ja millised mitte. Piksli eredus sõltub rakendatud voolutugevusest.

PMOLED-e on kerge teha, aga nad tarbivad rohkem voolu kui teist tüüpi OLED-id, mis on põhiliselt põhjustatud välisest vooluringist, ent siiski tarbivad nad vähem voolu kui LCD-ekraanid.

Aktiivmaatriksiga OLED-idel (AMOLED) on anoodi ja katoodi kihid ühes tükis, ent anood on kaetud õhukese transisorite kihiga (ingl k thin film transistor (TFT) array), mis moodustab maatriksi. Siin on TFT-kiht ise vooluringiks, mis otsustab, mis piksel lülitatakse sisse, et moodustada soovitud pilt.

AMOLED-id tarbivad vähem voolu kui PMOLED-id, sest TFT kiht vajab vähem voolu kui väline vooluring. AMOLED-id uuendavad pilti kiiremini, mis muudab selle videole paremini sobivamaks.

Eelised

• Tulevikus odavam. Kuna OLED-e on võimalik printida ükskõik millisele sobivale substraadile tindiprinteriga (tehnoloogiaga, mis siiski ei ole veel kommertskasutuses), siis teoreetiliselt võivad nad tulevikus olla odavamad kui LCD- või plasmaekraanid. Ent siiski on praegu substraadi valmistamine kõige kallim ja keerulisem protsess, seega kokkuhoid, mis tuleks kihtide printimisest, ainult kompenseeriks kalli substraadi valmistamist.
• Kerge ja painduv. OLED-ekraane on võimalik toota painduvatele plastist substraatidele, mis võimaldab toota keritavaid ekraane või sisse ehitada ekraane riietesse ja kangasse.
• Laiem vaatamisnurk ja paranenud heledus. OLED-id võimaldavad paremat kontrastsust ja vaatenurka võrrelduna LCD-ga, sest OLED-ekraanid kiirgavad otse valgust. OLED-piksli värvid näivad õiged isegi siis, kui vaatenurk ületab 90 kraadi.
• Energiasäästlikumad. LCD-ekraanid filtreerivad taustavalgustusest tulevat valgust, lubades ainult osal valgusest läbi, et nad suudaksid näidata musta värvi, samas kui mitteaktiivne OLED-element ei kiirga valgust ega tarbi voolu.
• Reageerimisaeg. OLED-idel võib samuti olla kiirem reageerimisaeg võrrelduna standardsete LCD-dega. Kui LCD-ekraanid võimaldavad kuni 1 ms reageerimisaega või vähemat, siis OLED-ekraan suudab teoreetiliselt reageerida vähema kui 0,01 ms-iga.

Puudused

Kulunud OLED-ekraan

• Eluiga. Suurim tehniline probleem OLED-idel on orgaaniliste materjalide piiratud eluiga. Eriti sinistel OLED-idel on ajalooliselt olnud 14 000 tunni lähedane eluiga (umbes 5 aastat, 8 tundi päevas), kui neid kasutataks monitorides. See on lühem kui tüüpilise LCD või LED eluiga. Mõned tootjad püüavad muuta OLED-ekraanide eluiga LCD omast pikemaks. 2007. aastal loodi eksperimentaalne OLED, kus sinise OLED-i eluiga oli 62 000 tundi.
• Värvitasakaalu probleemid. Kuna sinise värvi saamiseks kasutatavad materjalid kuluvad kiiremini kui punase ja musta, siis sinise värvi eraldumine väheneb võrrelduna teiste värvidega. Erinev värvide kiirgamine muudab ekraani värvitasakaalu ja on palju märgatavam kui üleüldine ereduse vähenemine. Seda on osaliselt võimalik vältida ekraani ümberkalibreerimisega, aga see vajaks juba täiuslikumaid kontrollimehhanisme ja kasutaja sekkumist. Selle probleemi vältimiseks kallutavad mõned tootjad algul värvi tasakaalu sinise poole, nii et ekraanil on alguses tehislik sinine varjund.
• Siniste OLED-ide efektiivsus. Siniste OLED-ide energiavajaduse ja eluea parandamine on elulise tähtsusega, et OLED-tehnoloogia asendaks LCD-d. Ulatuslike uurimusi on tehtud efektiivsemate ja sügavama sinise värviga OLED-ide tootmiseks.
• Veekahjustuste oht. Vesi võib kahjustada orgaanilisi materjale, seega on seadmeid vaja muuta veekindlamaks. Vesi võib eriti kahjustada painduvaid ekraane.
• Vaatamine päikese käes. Kiirgava tehnoloogiana toetuvad OLED-id elektri muutmisele valguseks, erinevalt enamikust LCD-dest, mis on mingis ulatuses peegelduvad. Metallist katood OLED-is toimib peeglina, peegeldades kohati tagasi 80% valgusest, mis viib halva loetavuseni otsese päikese käes. Ent sellestki probleemist on võimalik mööda pääseda peegeldumise vastaste kihtidega. Siinkohal on märgatava edu saavutanud Samsung oma Super AMOLED-i tehnoloogiaga, mis vähendab peegeldumist kuni 80%.
• Voolutarve. Kuigi OLED-ekraan kulutab umbes 60% vähem energiat kui LCD musta pildi näitamiseks, siis enamiku piltide jaoks tarbib see ainult 30–20% vähem, ent samas võib ta tarbida kuni kolm korda rohkem voolu valge pildi kuvamiseks, mis võib viia pettumuseni reaalses kasutuses. Seda probleemi aitab lahendada valget tausta kasutavate veebilehtede fooni muutmine mustaks taustaks.

Tootjad ja kaubanduslik kasutus

3,8 cm (1,5-tollise) diagonaaliga OLED-ekraan Creative ZEN V meediapleierist

OLED-tehnoloogia on kasutusel näiteks mobiiltelefonide, kaasaskantavate meediapleierite, autoraadiote, digitaalkaamerate ekraanides. OLED-i eelisteks sellistes seadmetes kasutamiseks on heledus ja väike energiakulu. Need seadmed ei ole kogu aeg kasutusel, seega pole OLEDi lühem eluiga probleemiks.

OLED-ekraane on kõige rohkem kasutatud Motorola ja Samsungi mobiiltelefonides, aga ka HTC, LG ja Sony Ericssoni mudelites. Google'i ja HTC Nexus One'i nutitelefonil on AMOLED-ekraan, nagu ka HTC Desire ja Legendi telefonidel. Samsungi toodevate ekraanide puuduse tõttu hakkavad mõned HTC mudelid kasutama Sony SLCD-ekraane.

Google'i ja Samsungi Nexus S ning Samsungi Galaxy S telefonis on kasutusel Super AMOLED-ekraan. Samsungi toodetavate ekraanide puuduse tõttu mõnes riigis, näiteks Venemaal, kasutavad Nexus S-i mudelid seal Super Clear LCD ekraani.