Органические светодиоды: принцип работы и применение

OLED-дисплеи: что это такое? Узнайте о принципах работы, применении в ТВ, смартфонах и исследованиях в области органических светодиодов и освещения.

38 мин чтения

100%

Источник: OLED — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Диод, излучающий свет из органического соединения.

Органический светоизлучающий диод (OLED), также известный как органический электролюминесцентный (органический EL) диод, является типом светоизлучающего диода (LED), в котором излучающий электролюминесцентный слой представляет собой пленку органического соединения, излучающего свет в ответ на электрический ток. Этот органический слой расположен между двумя электродами, при этом, как правило, по крайней мере один из этих электродов прозрачен. OLED используются для создания цифровых дисплеев в таких устройствах, как телевизионные экраны, компьютерные мониторы и портативные системы, такие как смартфоны и портативные игровые консоли. Важной областью исследований является разработка белых OLED-устройств для использования в приложениях твердотельного освещения. Существуют два основных семейства OLED: основанные на малых молекулах и использующие полимеры. Добавление подвижных ионов в OLED создает светоизлучающий электрохимический элемент (LEC), который имеет несколько иной принцип работы. OLED-дисплей может управляться с помощью схемы управления пассивной матрицей (PMOLED) или активной матрицей (AMOLED). В схеме PMOLED каждый ряд и столбец в дисплее управляются последовательно, один за другим, в то время как управление AMOLED использует тонкопленочный транзистор (TFT) в качестве подложки для прямого доступа и переключения каждого отдельного пикселя, что позволяет достичь более высокого разрешения и больших размеров дисплея. OLED принципиально отличаются от светодиодов (LED), которые основаны на структуре p-n-перехода. В светодиодах допинг используется для создания p- и n-областей путем изменения проводимости полупроводника-носителя. OLED не используют p-n структуру. Допинг OLED используется для повышения эффективности излучения путем непосредственного изменения скорости квантово-механической оптической рекомбинации. Допинг также используется для определения длины волны излучаемого фотона. OLED-дисплей работает без подсветки, поскольку излучает собственный видимый свет. Таким образом, он может отображать глубокие черные уровни и быть тоньше и легче, чем жидкокристаллический дисплей (LCD). В условиях низкой внешней освещенности (например, в темной комнате) OLED-экран может достигать более высокого коэффициента контрастности, чем LCD, независимо от того, использует ли LCD лампы с холодным катодом или светодиодную подсветку. OLED-дисплеи производятся аналогично LCD, включая изготовление нескольких дисплеев на материнской подложке, которая впоследствии утончается и разрезается на отдельные дисплеи. Подложки для OLED-дисплеев имеют те же размеры, что и для LCD-дисплеев. В процессе производства OLED, после формирования TFT (для дисплеев активной матрицы), адресуемых сеток (для дисплеев пассивной матрицы) или сегментов оксида индия-олова (ITO) (для сегментных дисплеев), дисплей покрывается слоями для инжекции, транспорта и блокировки дырок, а также электролюминесцентным материалом после первых двух слоев, после чего ITO или металл могут быть нанесены повторно в качестве катода. Затем вся стопка материалов герметизируется. Слой TFT, адресуемая сетка или сегменты ITO служат анодом или подключены к нему, который может быть изготовлен из ITO или металла. OLED могут быть гибкими и прозрачными, при этом прозрачные дисплеи используются в смартфонах с оптическими сканерами отпечатков пальцев, а гибкие дисплеи – в складных смартфонах.

An organic light emitting diode (OLED), also known as organic electroluminescent (organic EL) diode, is a type of light emitting diode (LED) in which the emissive electroluminescent layer is an organic compound film that emits light in response to an electric current. This organic layer is situated between two electrodes; typically, at least one of these electrodes is transparent. OLEDs are used to create digital displays in devices such as television screens, computer monitors, and portable systems such as smartphones and handheld game consoles. A major area of research is the development of white OLED devices for use in solid state lighting applications. There are two main families of OLED: those based on small molecules and those employing polymers. Adding mobile ions to an OLED creates a light emitting electrochemical cell (LEC) which has a slightly different mode of operation. An OLED display can be driven with a passive matrix (PMOLED) or active matrix (AMOLED) control scheme. In the PMOLED scheme, each row and line in the display is controlled sequentially, one by one, whereas AMOLED control uses a thin film transistor (TFT) backplane to directly access and switch each individual pixel on or off, allowing for higher resolution and larger display sizes. OLEDs are fundamentally different from LEDs, which are based on a p n diode structure. In LEDs, doping is used to create p and n regions by changing the conductivity of the host semiconductor. OLEDs do not employ a p n structure. Doping of OLEDs is used to increase radiative efficiency by direct modification of the quantum mechanical optical recombination rate. Doping is additionally used to determine the wavelength of photon emission. An OLED display works without a backlight because it emits its own visible light. Thus, it can display deep black levels and can be thinner and lighter than a liquid crystal display (LCD). In low ambient light conditions (such as a dark room), an OLED screen can achieve a higher contrast ratio than an LCD, regardless of whether the LCD uses cold cathode fluorescent lamps or an LED backlight. OLED displays are made in a similar way to LCDs, including manufacturing of several displays on a mother substrate that is later thinned and cut into several displays. Substrates for OLED displays come in the same sizes as those used for manufacturing LCDs. For OLED manufacture, after the formation of TFTs (for active matrix displays), addressable grids (for passive matrix displays), or indium tin oxide (ITO) segments (for segment displays), the display is coated with hole injection, transport and blocking layers, as well with electroluminescent material after the first two layers, after which ITO or metal may be applied again as a cathode. Later, the entire stack of materials is encapsulated. The TFT layer, addressable grid, or ITO segments serve as or are connected to the anode, which may be made of ITO or metal. OLEDs can be made flexible and transparent, with transparent displays being used in smartphones with optical fingerprint scanners and flexible displays being used in foldable smartphones.

История

Андре Бернаноз и его коллеги из Университета Нанси во Франции сделали первые наблюдения за электролюминесценцией в органических материалах в начале 1950-х годов. Они применили высокие переменные напряжения в воздухе к таким материалам, как акридиновый оранжевый краситель, нанесенному на или растворенному в тонких пленках целлюлозы или целлофана. Предлагаемый механизм заключался либо в прямом возбуждении молекул красителя, либо в возбуждении электронов. В 1960 году Мартин Поуп и некоторые его коллеги из Нью-Йоркского университета в США разработали охмические контакты электродов для инжекции носителей заряда в органические кристаллы. Они также описали необходимые энергетические требования (рабочие функции) для инжекции дырок и электронов. Эти контакты лежат в основе инжекции заряда во всех современных OLED-устройствах. Группа Поупа также впервые наблюдала электролюминесценцию постоянного тока (DC) в вакууме на одном чистом кристалле антрацена и на кристаллах антрацена, легированных тетраценом, в 1963 году, используя небольшой серебряный электрод при 400 вольт. Предлагаемым механизмом было полеускоренное электронное возбуждение молекулярной флуоресценции. В 1965 году группа Поупа сообщила, что при отсутствии внешнего электрического поля электролюминесценция в кристаллах антрацена вызвана рекомбинацией термализованного электрона и дырки, и что уровень проводимости антрацена имеет более высокую энергию, чем уровень энергии экситона. Также в 1965 году Вольфганг Хельфрих и В. Г. Шнайдер из Национального исследовательского совета Канады впервые реализовали рекомбинантную электролюминесценцию двойного впрыска в монокристалле антрацена с использованием электродов для инжекции дырок и электронов – предшественника современных устройств двойного впрыска. В том же году исследователи Dow Chemical запатентовали метод изготовления электролюминесцентных ячеек с использованием высокого напряжения (500–1500 В) переменного тока (100–3000 Гц) и электрически изолированных тонких слоев толщиной в один миллиметр, состоящих из расплавленного люминофора, содержащего порошок антрацена, тетрацен и графит. Их предложенный механизм включал электронное возбуждение на контактах между частицами графита и молекулами антрацена. Первый полимерный светодиод (PLED) был создан Роджером Партриджем в Национальной физической лаборатории в Соединенном Королевстве. В нем использовалась пленка поли(N-винилкарбазола) толщиной до 2,2 микрометра, расположенная между двумя электродами для инжекции заряда. Сгенерированный свет был хорошо виден при нормальном освещении, хотя использованный полимер имел два ограничения: низкую проводимость и трудность инжекции электронов. Последующая разработка сопряженных полимеров позволила другим в значительной степени устранить эти проблемы. Его вклад часто упускается из виду из-за секретности, которую НПЛ наложила на проект. Когда он был запатентован в 1974 году, ему было дано намеренно расплывчатое обобщающее название, в то время как правительственный Департамент промышленности пытался, но не смог найти промышленных партнеров для финансирования дальнейшей разработки. В результате публикация была отложена до 1983 года.

André Bernanose and co workers at the Nancy Université in France made the first observations of electroluminescence in organic materials in the early 1950s. They applied high alternating voltages in air to materials such as acridine orange dye, either deposited on or dissolved in cellulose or cellophane thin films. The proposed mechanism was either direct excitation of the dye molecules or excitation of electrons. In 1960, Martin Pope and some of his co workers at New York University in the United States developed ohmic dark injecting electrode contacts to organic crystals. They further described the necessary energetic requirements (work functions) for hole and electron injecting electrode contacts. These contacts are the basis of charge injection in all modern OLED devices. Pope's group also first observed direct current (DC) electroluminescence under vacuum on a single pure crystal of anthracene and on anthracene crystals doped with tetracene in 1963 using a small area silver electrode at 400 volts. The proposed mechanism was field accelerated electron excitation of molecular fluorescence. Pope's group reported in 1965 that in the absence of an external electric field, the electroluminescence in anthracene crystals is caused by the recombination of a thermalized electron and hole, and that the conducting level of anthracene is higher in energy than the exciton energy level. Also in 1965, Wolfgang Helfrich and W. G. Schneider of the National Research Council in Canada produced double injection recombination electroluminescence for the first time in an anthracene single crystal using hole and electron injecting electrodes, the forerunner of modern double injection devices. In the same year, Dow Chemical researchers patented a method of preparing electroluminescent cells using high voltage (500–1500 V) AC driven (100–3000Hz) electrically insulated one millimetre thin layers of a melted phosphor consisting of ground anthracene powder, tetracene, and graphite powder. Their proposed mechanism involved electronic excitation at the contacts between the graphite particles and the anthracene molecules. The first Polymer LED (PLED) to be created was by Roger Partridge at the National Physical Laboratory in the United Kingdom. It used a film of poly(N vinylcarbazole) up to 2.2 micrometers thick located between two charge injecting electrodes. The light generated was readily visible in normal lighting conditions though the polymer used had 2 limitations; low conductivity and the difficulty of injecting electrons. Later development of conjugated polymers would allow others to largely eliminate these problems. His contribution has often been overlooked due to the secrecy NPL imposed on the project. When it was patented in 1974 it was given a deliberately obscure "catch all" name while the government's Department for Industry tried and failed to find industrial collaborators to fund further development. As a result publication was delayed until 1983.

Практические OLED

Химики Чин Ван Тан и Стивен Ван Слайк из Eastman Kodak создали первое практичное OLED-устройство в 1987 году. Переход от молекулярных к макромолекулярным материалам решил проблемы, ранее возникавшие с долгосрочной стабильностью органических пленок, и позволил легко производить высококачественные пленки. Белые OLED, разработанные J. Kido и др. в Ямагатаском университете (Япония) в 1995 году, обеспечили коммерциализацию OLED-дисплеев с подсветкой и освещения. В 1999 году компании Kodak и Sanyo заключили партнерство для совместных исследований, разработки и производства OLED-дисплеев. В сентябре того же года они объявили о первом в мире 2,4-дюймовом активном матричном полноцветном OLED-дисплее. В сентябре 2002 года они представили прототип 15-дюймового дисплея формата HDTV на основе белых OLED с цветными фильтрами на выставке CEATEC Japan. Производство OLED на основе малых молекул было начато в 1997 году компанией Pioneer Corporation, затем TDK в 2001 году и Samsung NEC Mobile Display (SNMD), которая впоследствии стала одним из крупнейших в мире производителей OLED-дисплеев – Samsung Display, в 2002 году. Sony XEL 1, выпущенный в 2007 году, стал первым OLED-телевизором. 5 декабря 2017 года компания JOLED, правопреемник подразделений Sony и Panasonic по печати OLED, начала первую в мире коммерческую поставку OLED-панелей, изготовленных методом струйной печати.

Принцип работы

Обычный OLED состоит из слоя органических материалов, расположенного между двумя электродами – анодом и катодом, нанесенными на подложку. Органические молекулы обладают электрической проводимостью благодаря делокализации пи-электронов, вызванной конъюгацией по части или всей молекуле. Эти материалы имеют уровни проводимости в диапазоне от изоляторов до проводников и поэтому классифицируются как органические полупроводники. Высшая занятая и низшая вакантная молекулярные орбитали (HOMO и LUMO) органических полупроводников аналогичны валентной и проводящей зонам неорганических полупроводников. Изначально наиболее простые полимерные OLED состояли из одного органического слоя. Примером является первое светоизлучающее устройство, синтезированное J. H. Burroughes и соавторами, которое включало в себя один слой поли(п-фениленвинилена). Однако многослойные OLED могут быть изготовлены с двумя или более слоями для повышения эффективности устройства. Помимо проводящих свойств, различные материалы могут быть выбраны для облегчения инжекции заряда на электродах, обеспечивая более плавный электронный профиль, или для блокирования заряда от достижения противоположного электрода и его потерь. Многие современные OLED имеют простую двухслойную структуру, состоящую из проводящего и излучающего слоев. Усовершенствования в архитектуре OLED в 2011 году позволили повысить квантовую эффективность (до 19%) за счет использования градированного гетероперехода. В архитектуре градированного гетероперехода состав материалов для переноса дырок и электронов непрерывно изменяется внутри излучающего слоя с добавлением допирующего эмиттера. Архитектура градированного гетероперехода сочетает в себе преимущества традиционных архитектур, улучшая инжекцию заряда и одновременно балансируя перенос заряда в излучающей области. Во время работы к OLED прикладывается напряжение, при котором анод является положительным относительно катода. Аноды выбираются на основе качества их оптической прозрачности, электрической проводимости и химической стабильности. Ток электронов протекает через устройство от катода к аноду, поскольку электроны инжектируются в LUMO органического слоя на катоде и извлекаются из HOMO на аноде. Последний процесс также можно описать как инжекцию электронных дырок в HOMO. Электростатические силы сближают электроны и дырки, где они рекомбинируют, образуя экситон – связанное состояние электрона и дырки. Это происходит ближе к части электронно-транспортного слоя излучающего слоя, поскольку в органических полупроводниках дырки обычно более подвижны, чем электроны. Распад этого возбужденного состояния приводит к релаксации энергетических уровней электрона, сопровождаемой излучением, частота которого находится в видимом диапазоне. Частота этого излучения зависит от ширины запрещенной зоны материала, в данном случае – от разности энергий между HOMO и LUMO. Поскольку электроны и дырки являются фермионами с полуцелым спином, экситон может находиться либо в синглетном, либо в триплетном состоянии, в зависимости от того, как объединены спины электрона и дырки. Статистически на каждый синглетный экситон образуется три триплетных экситона. Распад из триплетных состояний (фосфоресценция) спин-запрещен, что увеличивает временную шкалу перехода и ограничивает внутреннюю эффективность флуоресцентных устройств. Фосфоресцентные органические светоизлучающие диоды используют спин-орбитальное взаимодействие для облегчения межсистемного перехода между синглетным и триплетным состояниями, тем самым обеспечивая излучение как из синглетного, так и из триплетного состояний и повышая внутреннюю эффективность. Оксид индия-олова (ITO) обычно используется в качестве материала анода. Он прозрачен для видимого света и имеет высокую работу выхода, что способствует инжекции дырок в уровень HOMO органического слоя. Обычно добавляется второй проводящий (инжекционный) слой, который может состоять из PEDOT:PSS, поскольку уровень HOMO этого материала обычно лежит между работой выхода ITO и HOMO других обычно используемых полимеров, снижая энергетические барьеры для инжекции дырок. В качестве катода часто используются такие металлы, как барий и кальций, поскольку они имеют низкую работу выхода, что способствует инжекции электронов в LUMO органического слоя. Эти металлы реакционноспособны, поэтому для предотвращения деградации требуется защитный слой из алюминия. Два дополнительных преимущества алюминиевого защитного слоя – устойчивость к электрическим контактам и отражение излученного света обратно в прозрачный ITO-слой. Экспериментальные исследования показали, что свойства анода, в частности топография интерфейса анод/слой переноса дырок (HTL), играют важную роль в эффективности, производительности и сроке службы органических светоизлучающих диодов. Несовершенства на поверхности анода снижают адгезию органической пленки к аноду, увеличивают электрическое сопротивление и способствуют более частому образованию не излучающих темных пятен в материале OLED, что негативно сказывается на сроке службы. Методы снижения шероховатости анода для подложек ITO/стекло включают использование тонких пленок и самособирающихся монослоев. Кроме того, рассматриваются альтернативные подложки и материалы анода для повышения производительности и срока службы OLED. Примеры включают подложки из монокристаллического сапфира, обработанные золотыми (Au) анодами, обеспечивающими более низкую работу выхода, рабочее напряжение, значения электрического сопротивления и увеличение срока службы OLED. Устройства с одним типом носителей заряда обычно используются для изучения кинетики и механизмов переноса заряда в органическом материале и могут быть полезны при изучении процессов передачи энергии. Поскольку ток через устройство состоит только из одного типа носителей заряда – либо электронов, либо дырок – рекомбинация не происходит и излучение не возникает. Например, устройства, работающие только с электронами, можно получить, заменив ITO металлом с более низкой работой выхода, что увеличивает энергетический барьер для инжекции дырок. Аналогично, устройства, работающие только с дырками, можно изготовить, используя катод, состоящий исключительно из алюминия, что приводит к энергетическому барьеру, слишком большому для эффективной инжекции электронов.

A typical OLED is composed of a layer of organic materials situated between two electrodes, the anode and cathode, all deposited on a substrate. The organic molecules are electrically conductive as a result of delocalization of pi electrons caused by conjugation over part or all of the molecule. These materials have conductivity levels ranging from insulators to conductors, and are therefore considered organic semiconductors. The highest occupied and lowest unoccupied molecular orbitals (HOMO and LUMO) of organic semiconductors are analogous to the valence and conduction bands of inorganic semiconductors. Originally, the most basic polymer OLEDs consisted of a single organic layer. One example was the first light emitting device synthesised by J. H. Burroughes et al., which involved a single layer of poly(p phenylene vinylene). However multilayer OLEDs can be fabricated with two or more layers in order to improve device efficiency. As well as conductive properties, different materials may be chosen to aid charge injection at electrodes by providing a more gradual electronic profile, or block a charge from reaching the opposite electrode and being wasted. Many modern OLEDs incorporate a simple bilayer structure, consisting of a conductive layer and an emissive layer. Developments in OLED architecture in 2011 improved quantum efficiency (up to 19%) by using a graded heterojunction. In the graded heterojunction architecture, the composition of hole and electron transport materials varies continuously within the emissive layer with a dopant emitter. The graded heterojunction architecture combines the benefits of both conventional architectures by improving charge injection while simultaneously balancing charge transport within the emissive region. During operation, a voltage is applied across the OLED such that the anode is positive with respect to the cathode. Anodes are picked based upon the quality of their optical transparency, electrical conductivity, and chemical stability. A current of electrons flows through the device from cathode to anode, as electrons are injected into the LUMO of the organic layer at the cathode and withdrawn from the HOMO at the anode. This latter process may also be described as the injection of electron holes into the HOMO. Electrostatic forces bring the electrons and the holes towards each other and they recombine forming an exciton, a bound state of the electron and hole. This happens closer to the electron transport layer part of the emissive layer, because in organic semiconductors holes are generally more mobile than electrons. The decay of this excited state results in a relaxation of the energy levels of the electron, accompanied by emission of radiation whose frequency is in the visible region. The frequency of this radiation depends on the band gap of the material, in this case the difference in energy between the HOMO and LUMO. As electrons and holes are fermions with half integer spin, an exciton may either be in a singlet state or a triplet state depending on how the spins of the electron and hole have been combined. Statistically three triplet excitons will be formed for each singlet exciton. Decay from triplet states (phosphorescence) is spin forbidden, increasing the timescale of the transition and limiting the internal efficiency of fluorescent devices. Phosphorescent organic light emitting diodes make use of spin–orbit interactions to facilitate intersystem crossing between singlet and triplet states, thus obtaining emission from both singlet and triplet states and improving the internal efficiency. Indium tin oxide (ITO) is commonly used as the anode material. It is transparent to visible light and has a high work function which promotes injection of holes into the HOMO level of the organic layer. A second conductive (injection) layer is typically added, which may consist of PEDOT:PSS, as the HOMO level of this material generally lies between the work function of ITO and the HOMO of other commonly used polymers, reducing the energy barriers for hole injection. Metals such as barium and calcium are often used for the cathode as they have low work functions which promote injection of electrons into the LUMO of the organic layer. Such metals are reactive, so they require a capping layer of aluminium to avoid degradation. Two secondary benefits of the aluminum capping layer include robustness to electrical contacts and the back reflection of emitted light out to the transparent ITO layer. Experimental research has proven that the properties of the anode, specifically the anode/hole transport layer (HTL) interface topography plays a major role in the efficiency, performance, and lifetime of organic light emitting diodes. Imperfections in the surface of the anode decrease anode organic film interface adhesion, increase electrical resistance, and allow for more frequent formation of non emissive dark spots in the OLED material adversely affecting lifetime. Mechanisms to decrease anode roughness for ITO/glass substrates include the use of thin films and self assembled monolayers. Also, alternative substrates and anode materials are being considered to increase OLED performance and lifetime. Possible examples include single crystal sapphire substrates treated with gold (Au) film anodes yielding lower work functions, operating voltages, electrical resistance values, and increasing lifetime of OLEDs. Single carrier devices are typically used to study the kinetics and charge transport mechanisms of an organic material and can be useful when trying to study energy transfer processes. As current through the device is composed of only one type of charge carrier, either electrons or holes, recombination does not occur and no light is emitted. For example, electron only devices can be obtained by replacing ITO with a lower work function metal which increases the energy barrier of hole injection. Similarly, hole only devices can be made by using a cathode made solely of aluminium, resulting in an energy barrier too large for efficient electron injection.

Баланс перевозчика

Для достижения высокой внутренней эффективности, чистого излучения люминесцентного слоя без примесей от слоев переноса заряда и высокой стабильности необходим сбалансированный впрыск и перенос заряда. Распространенный способ балансировки заряда – оптимизация толщины слоев переноса заряда, однако это сложно контролировать. Другой подход – использование эксиплексов. Эксиплексы формируются между боковыми цепями, переносящими дырки (p-тип) и электроны (n-тип), для локализации пар электрон-дырка. Затем энергия передается люминофору, обеспечивая высокую эффективность. Примером использования эксиплексов является прививка боковых групп оксадиазола и карбазола к основной цепи красного дикетопирролопирролового сополимера, легированного, что демонстрирует улучшенную внешнюю квантовую эффективность и чистоту цвета в OLED без оптимизации.

Малые молекулы

Органические малые молекулы электролюминесцентных материалов обладают такими преимуществами, как разнообразие, простота очистки и возможность сильных химических модификаций. Для обеспечения требуемых характеристик излучения в структуру молекул обычно вводят хромофоры или ненасыщенные группы, такие как алкеновые связи и бензольные кольца, чтобы изменить размер области сопряжения и, следовательно, фотофизические свойства материала. Как правило, чем больше область π-электронного сопряжения, тем длиннее длина волны излучаемого света. Например, с увеличением числа бензольных колец пик флуоресценции бензола, нафталина, антрацена и бутила постепенно смещается с 283 нм до 480 нм. К распространенным органическим малым молекулам электролюминесцентных материалов относятся алюминиевые комплексы, антрацены, производные бифенилацетиленарила, производные кумарина и различные фторхромы. Эффективные OLED на основе малых молекул впервые были разработаны Чин В. Тан и его коллегами в компании Eastman Kodak. Термин OLED традиционно относится именно к этому типу устройств, хотя также используется термин SM OLED. Для получения излучения на разных длинах волн можно выбирать флуоресцентные красители, часто используются такие соединения, как перилен, рубрен и производные квинакридона. Alq3 используется в качестве зеленого излучателя, материала для переноса электронов и в качестве матрицы для желтых и красных излучающих красителей. Благодаря структурной гибкости малых молекулярных электролюминесцентных материалов тонкие пленки можно получать методом вакуумного осаждения, который является более дорогостоящим и ограничен в применении для устройств большой площади. Однако вакуумная система нанесения покрытий позволяет осуществлять весь процесс – от роста пленки до изготовления OLED-устройства – в контролируемой и полной рабочей среде, что способствует получению однородных и стабильных пленок и, следовательно, обеспечивает изготовление высокопроизводительных OLED-устройств. Однако малые молекулярные органические красители склонны к тушению флуоресценции в твердом состоянии, что приводит к снижению эффективности люминесценции. Допированные OLED-устройства также склонны к кристаллизации, что снижает их люминесценцию и эффективность. Таким образом, разработка устройств на основе малых молекулярных электролюминесцентных материалов ограничена высокими производственными затратами, плохой стабильностью, коротким сроком службы и другими недостатками. Было продемонстрировано когерентное излучение от тандемного SM OLED-устройства, легированного лазерным красителем и возбужденного в импульсном режиме. Излучение почти дифракционно ограничено и имеет спектральную ширину, аналогичную широкополосным лазерам красителей. Исследователи сообщили о люминесценции от одной молекулы полимера, представляющей собой наименьшее возможное органическое светоизлучающее устройство (OLED). Ученые смогут оптимизировать вещества для получения более мощного светового излучения. Наконец, эта работа – первый шаг к созданию компонентов размером с молекулу, сочетающих электронные и оптические свойства. Подобные компоненты могут стать основой для молекулярного компьютера.

Organic small molecule electroluminescent materials have the advantages of a wide variety, easy to purify, and strong chemical modifications. In order to make the luminescent materials to emit light as required, some chromophores or unsaturated groups such as alkene bonds and benzene rings will usually be introduced in the molecular structure design to change the size of the conjugation range of the material, so that the photophysical properties of the material changes. In general, the larger the range of π electron conjugation system, the longer the wavelength of light emitted by the material. For instance, with the increase of the number of benzene rings, the fluorescence emission peak of benzene, naphthalene, anthracene, and butyl gradually red shifted from 283 nm to 480 nm. Common organic small molecule electroluminescent materials include aluminum complexes, anthracenes, biphenyl acetylene aryl derivatives, coumarin derivatives, and various fluorochromes. Efficient OLEDs using small molecules were first developed by Ching W. Tang et al. at Eastman Kodak. The term OLED traditionally refers specifically to this type of device, though the term SM OLED is also in use. Fluorescent dyes can be chosen to obtain light emission at different wavelengths, and compounds such as perylene, rubrene and quinacridone derivatives are often used. Alq3 has been used as a green emitter, electron transport material and as a host for yellow and red emitting dyes. Because of the structural flexibility of small molecule electroluminescent materials, thin films can be prepared by vacuum vapor deposition, which is more expensive and of limited use for large area devices. The vacuum coating system, however, can make the entire process from film growth to OLED device preparation in a controlled and complete operating environment, helping to obtain uniform and stable films, thus ensuring the final fabrication of high performance OLED devices. However, small molecule organic dyes are prone to fluorescence quenching in the solid state, resulting in lower luminescence efficiency. The doped OLED devices are also prone to crystallization, which reduces the luminescence and efficiency of the devices. Therefore, the development of devices based on small molecule electroluminescent materials is limited by high manufacturing costs, poor stability, short life, and other shortcomings. Coherent emission from a laser dye doped tandem SM OLED device, excited in the pulsed regime, has been demonstrated. The emission is nearly diffraction limited with a spectral width similar to that of broadband dye lasers. Researchers report luminescence from a single polymer molecule, representing the smallest possible organic light emitting diode (OLED) device. Scientists will be able to optimize substances to produce more powerful light emissions. Finally, this work is a first step towards making molecule sized components that combine electronic and optical properties. Similar components could form the basis of a molecular computer.

Диоды с полимерным излучением

[[Файл:Полифениленвинилен.svg|thumb|upright|поли(п-фениленвинилен), используемый в первом PLED. Однако, поскольку нанесение последующих слоев склонно растворять уже нанесенные, формирование многослойных структур с использованием этих методов затруднено. Металлический катод все еще может требовать осаждения термическим испарением в вакууме. Альтернативой вакуумному осаждению является осаждение пленки Лангмюра-Блоджетт. Типичные полимеры, используемые в PLED-дисплеях, включают производные поли(п-фениленвинилена) и полифлуорена. Замещение боковых цепей на полимерную цепь может определять цвет излучаемого света, а также стабильность и растворимость полимера, влияющие на его характеристики и технологичность. В то время как незамещенный поли(п-фениленвинилен) (ППВ) обычно нерастворим, ряд ППВ и связанных с ними поли(нафталинвинилен)ов (ПНВ), растворимых в органических растворителях или воде, были получены с помощью полимеризации метатеза с раскрытием цикла. Эти водорастворимые полимеры или конъюгированные полиэлектролиты (CPE) также могут использоваться в качестве слоев для инжекции дырок как самостоятельно, так и в сочетании с наночастицами, такими как графен.

Нижняя эмиссия

a) Структуры OLED с нижним и b) верхним излучением; c,d) Схематические диаграммы OLED с нижним и верхним излучением, демонстрирующие низкий и высокий коэффициент контрастности соответственно. Органический светодиод с нижним излучением (BE OLED) – это архитектура, которая использовалась на ранних этапах разработки AMOLED-дисплеев. Он состоял из прозрачного анода, изготовленного на стеклянной подложке, и блестящего отражающего катода. Излучение света происходит в направлении прозрачного анода. Для отражения всего света в направлении анода используется относительно толстый металлический катод, например, из алюминия. В качестве анода обычно использовался высокопрозрачный оксид индия и олова (ITO) для обеспечения максимального светопропускания. Органические тонкие пленки, включая излучающий слой, который непосредственно генерирует свет, располагаются между анодом из ITO и отражающим металлическим катодом. Недостатком конструкции с нижним излучением является то, что свет должен проходить через схемы управления пикселями, такие как подложка с тонкопленочными транзисторами (TFT), что ограничивает область, из которой может быть извлечен свет, и снижает эффективность излучения.

Максимальная эмиссия

Альтернативная конфигурация заключается в переключении режима излучения. Используется отражающий анод и прозрачный (или чаще полупрозрачный) катод, благодаря чему свет испускается со стороны катода, и эта конфигурация называется OLED с верхним излучением (TE OLED). В отличие от BEOLED, где анод изготавливается из прозрачного проводящего ITO, в данном случае катод должен быть прозрачным, а материал ITO не является оптимальным выбором для катода из-за риска повреждения при нанесении методом распыления. Поэтому для полупрозрачного катода используется тонкая металлическая пленка, например, чистый Ag или сплав Mg:Ag, благодаря их высокой светопропускаемости и высокой электропроводности. В отличие от нижнего излучения, в OLED с верхним излучением свет извлекается с противоположной стороны, минуя несколько слоев управляющей схемы. Таким образом, генерируемый свет можно извлекать более эффективно.

Теория микрополостей

Технология Super Top Emission OLED от Sony повышает чистоту цветопередачи излучаемого света. Когда световые волны встречаются, распространяясь в одной и той же среде, возникает интерференция волн. Эта интерференция может быть конструктивной или деструктивной. Иногда желательно, чтобы несколько волн одной и той же частоты складывались в волну с большей амплитудой. Поскольку оба электрода в TEOLED являются отражающими, внутри диода могут происходить отражения света, вызывающие более сложную интерференцию, чем в BEOLED. Помимо интерференции двух лучей, существует многорезонансная интерференция между двумя электродами. Поскольку структура TEOLED аналогична структуре резонатора Фабри-Перо или лазерного резонатора (содержащего два параллельных зеркала, сопоставимых с двумя отражающими электродами), этот эффект особенно выражен в TEOLED. Эти интерференции двух лучей и интерференции Фабри-Перо являются основными факторами, определяющими спектральную интенсивность излучения OLED. Этот оптический эффект называется "эффектом микрополости". В случае OLED это означает, что полость в TEOLED может быть специально спроектирована для увеличения интенсивности светового излучения и чистоты цветопередачи в узком диапазоне длин волн, без увеличения энергопотребления. Эффект микрополости обычно возникает в TEOLED, и вопрос о том, как ограничить или использовать этот эффект, имеет решающее значение для разработки устройств. Для обеспечения условий конструктивной интерференции применяются различные толщины слоев в соответствии с резонансной длиной волны конкретного цвета. Толщина слоев тщательно рассчитывается и проектируется в соответствии с пиковыми резонансными длинами волн излучения синего (460 нм), зеленого (530 нм) и красного (610 нм) цветов. Эта технология значительно повышает эффективность светоизлучения OLED и позволяет достичь более широкой цветовой гаммы благодаря высокой чистоте цветопередачи.

Цветовые фильтры

При "методе белого + цветового фильтра" красное, зеленое и синее излучение получают от одних и тех же светодиодов белого света, используя различные цветовые фильтры. В этом методе OLED-материалы генерируют белый свет, который затем фильтруется для получения необходимых цветов RGB. Этот метод исключил необходимость нанесения трех различных органических излучающих материалов, поэтому для генерации белого света используется только один тип OLED-материала. Он также устранил неравномерную скорость деградации синих пикселей по сравнению с красными и зелеными. Недостатками этого метода являются низкая чистота цвета и контрастность. Кроме того, фильтры поглощают большую часть излучаемого света, что требует относительно высокой яркости белого света фона для компенсации потери яркости, и, следовательно, энергопотребление таких дисплеев может быть выше. Цветовые фильтры могут быть также реализованы в OLED с нижним и верхним излучением. Добавление соответствующих RGB-цветовых фильтров после полупрозрачного катода позволяет получить еще более чистые длины волн света. Использование микрополости в OLED с верхним излучением и цветовыми фильтрами также способствует увеличению коэффициента контрастности за счет уменьшения отражения окружающего света. В традиционной панели на поверхности устанавливался круговой поляризатор. Хотя это и предотвращало отражение окружающего света, это также снижало светоотдачу. Заменяя этот поляризующий слой цветовыми фильтрами, интенсивность света не уменьшается, и практически весь отраженный окружающий свет блокируется, обеспечивая лучшую контрастность на панели дисплея. Это потенциально снижает потребность в более ярких пикселях и может уменьшить энергопотребление.

Прозрачные OLED-диапазоны

Прозрачные OLED используют прозрачные или полупрозрачные контакты с обеих сторон устройства для создания дисплеев, которые могут излучать свет с обеих сторон (быть прозрачными). TOLED-дисплеи могут значительно улучшить контрастность, что значительно облегчает просмотр изображения при ярком солнечном свете. Эта технология может быть использована в проекционных дисплеях, умных окнах или приложениях дополненной реальности.

Гетеросоединение

Градированные гетеропереходы OLED постепенно уменьшают соотношение дырок к материалам, транспортирующим электроны, и значительно сокращают зазор между пикселями. Другие технологии отображения с расположенными рядом друг с другом RGB (и RGBW) пикселями, как правило, снижают потенциальное разрешение.

Обратная OLED

В отличие от традиционного OLED, в котором анод располагается на подложке, инвертированный OLED использует нижний катод, который может быть соединен с истоком n-канального TFT, особенно для недорогой аморфной кремниевой TFT-подложки, применяемой в производстве AMOLED-дисплеев. Все OLED-дисплеи (пассивные и активные матрицы) используют драйвер IC, который часто монтируется по технологии Chip-on-Glass (COG) с использованием анизотропной проводящей пленки.

Метод создания теневой маски

Наиболее часто используемым методом формирования рисунка для органических светоизлучающих дисплеев является использование трафаретной маски во время нанесения плёнки, также известное как метод "RGB рядом друг с другом" или метод "RGB пикселизации". Металлические листы с множеством апертур, изготовленные из материала с низким коэффициентом теплового расширения, такого как никелевый сплав, размещаются между нагретым источником испарения и подложкой, так что органический или неорганический материал из источника испарения маскируется, то есть блокируется листом от попадания на подложку в большинстве областей. Таким образом, материалы осаждаются только в нужных местах на подложке, а остальное оседает и остаётся на листе. Почти все небольшие OLED-дисплеи для смартфонов производятся с использованием этого метода. В этом процессе используются тонкие металлические маски (FMM), изготовленные фотохимическим травлением, напоминающие старые теневые маски ЭЛТ. Плотность точек маски определяет плотность пикселей готового дисплея. Маски Fine Hybrid (FHM) легче, чем FMM, что снижает прогиб, вызванный собственным весом маски, и изготавливаются с использованием процесса электроформования. Этот метод требует нагрева электролюминесцентных материалов до 300 °C термическим способом в высоком вакууме 10 Па. Кислородный датчик обеспечивает отсутствие попадания кислорода в камеру, так как он может повредить электролюминесцентный материал (через окисление), который находится в порошкообразной форме. Маска выравнивается с исходной подложкой перед каждым использованием и размещается непосредственно под ней. Узел, состоящий из подложки и маски, помещается в верхней части камеры осаждения. Затем слой электродов осаждается путём воздействия электронного луча на порошок серебра и алюминия при температуре 1000 °C. Трафаретные маски обеспечивают высокую плотность пикселей, необходимую для гарнитур виртуальной реальности.

Метод фильтрации белого + цветного

Хотя метод формирования с помощью теневой маски является зрелой технологией, используемой с самого начала производства OLED, он вызывает множество проблем, таких как образование темных пятен из-за контакта подложки маски или смещения рисунка из-за деформации теневой маски. Образование таких дефектов можно считать незначительным при малом размере дисплея, однако при производстве больших дисплеев это приводит к серьезным проблемам и значительным потерям выхода годной продукции. Чтобы обойти эти проблемы, для больших телевизоров используются светоизлучающие устройства белого света с 4 субпиксельными цветовыми фильтрами (белый, красный, зеленый и синий). Несмотря на поглощение света цветовыми фильтрами, современные OLED-телевизоры способны очень точно воспроизводить цвета, например, 100% NTSC, и при этом потребляют мало энергии. Это достигается за счет использования спектра излучения с высокой чувствительностью человеческого глаза, специальных цветовых фильтров с минимальным перекрытием спектров и оптимизации характеристик с учетом цветовой статистики. Этот подход также называют методом "Цвет через белый".

Другие подходы к цветовому моделированию

Существуют и другие новые технологии формирования рисунка, повышающие технологичность производства OLED. В устройствах с органическим излучением света используется электроактивный слой, активируемый светом или теплом. Этот слой содержит латентный материал (PEDOT TMA), который после активации становится высокоэффективным слоем для инжекции дырок. С помощью этого процесса можно создавать светоизлучающие устройства с произвольным рисунком. Формирование цветового рисунка может быть выполнено с помощью лазера, например, методом радиационно-индуцированного сублимационного переноса (RIST). Органическая струйная печать паров (OVJP) использует инертный газ-носитель, такой как аргон или азот, для транспортировки испаренных органических молекул (как при осаждении органических паров). Газ выводится через сопло или массив сопел микрометрового размера вблизи подложки во время ее перемещения. Это позволяет печатать произвольные многослойные рисунки без использования растворителей. Как и при нанесении материалов методом струйной печати, струйное травление (IJE) наносит точные количества растворителя на подложку, предназначенную для селективного растворения материала подложки и формирования структуры или рисунка. Струйное травление полимерных слоев в OLED может быть использовано для повышения общей эффективности извлечения света. В OLED свет, генерируемый излучающими слоями, частично выходит из устройства, а частично задерживается внутри за счет полного внутреннего отражения (TIR). Этот задержанный свет распространяется по внутренней части устройства до тех пор, пока не достигнет края, где он рассеивается либо поглощением, либо излучением. Струйное травление можно использовать для селективного изменения полимерных слоев OLED-структур с целью уменьшения TIR и повышения эффективности извлечения света. По сравнению с нетравированным полимерным слоем, структурированный полимерный слой в OLED-структуре, полученной методом IJE, помогает уменьшить TIR устройства OLED. Растворители IJE обычно органические, а не на водной основе, благодаря их некислотной природе и способности эффективно растворять материалы при температурах ниже точки кипения воды. Трансферная печать – это новая технология для эффективной сборки большого количества параллельных OLED и AMOLED устройств. Она использует стандартное нанесение металлических покрытий, фотолитографию и травление для создания выравнивающих меток, обычно на стеклянных или других подложках устройств. Тонкие слои полимерного клея наносятся для повышения устойчивости к частицам и дефектам поверхности. Микроскопические интегральные схемы переносятся на клеевую поверхность и затем обжигаются для полного отверждения клеевых слоев. На подложку наносится дополнительный светочувствительный полимерный слой для учета топографии, вызванной напечатанными интегральными схемами, восстанавливая плоскую поверхность. Фотолитография и травление удаляют некоторые полимерные слои, обнажая проводящие площадки на интегральных схемах. Затем на заднюю плоскость устройства наносится слой анода для формирования нижнего электрода. Слои OLED наносятся на анодный слой с помощью обычной вакуумной депозиции и покрываются проводящим металлическим слоем электрода. По состоянию на 2011 год трансферная печать позволяла печатать на целевые подложки размером до 500 мм × 400 мм. Этот размерный предел необходимо расширить, чтобы трансферная печать стала распространенным процессом для производства больших OLED/AMOLED дисплеев. Были продемонстрированы экспериментальные OLED-дисплеи, использующие традиционные методы фотолитографии вместо FMM, что позволяет использовать большие размеры подложек (поскольку это устраняет необходимость в маске, размер которой должен соответствовать размеру подложки) и обеспечивает хороший контроль выхода годных изделий. Компания Visionox объявила об использовании фотолитографии для нанесения OLED-эмиссионных материалов.

There are other types of emerging patterning technologies to increase the manufacturability of OLEDs. Patternable organic light emitting devices use a light or heat activated electroactive layer. A latent material (PEDOT TMA) is included in this layer that, upon activation, becomes highly efficient as a hole injection layer. Using this process, light emitting devices with arbitrary patterns can be prepared. Colour patterning can be accomplished by means of a laser, such as a radiation induced sublimation transfer (RIST). Organic vapour jet printing (OVJP) uses an inert carrier gas, such as argon or nitrogen, to transport evaporated organic molecules (as in organic vapour phase deposition). The gas is expelled through a micrometre sized nozzle or nozzle array close to the substrate as it is being translated. This allows printing arbitrary multilayer patterns without the use of solvents. Like ink jet material deposition, inkjet etching (IJE) deposits precise amounts of solvent onto a substrate designed to selectively dissolve the substrate material and induce a structure or pattern. Inkjet etching of polymer layers in OLED's can be used to increase the overall out coupling efficiency. In OLEDs, light produced from the emissive layers of the OLED is partially transmitted out of the device and partially trapped inside the device by total internal reflection (TIR). This trapped light is wave guided along the interior of the device until it reaches an edge where it is dissipated by either absorption or emission. Inkjet etching can be used to selectively alter the polymeric layers of OLED structures to decrease overall TIR and increase out coupling efficiency of the OLED. Compared to a non etched polymer layer, the structured polymer layer in the OLED structure from the IJE process helps to decrease the TIR of the OLED device. IJE solvents are commonly organic instead of water based due to their non acidic nature and ability to effectively dissolve materials at temperatures under the boiling point of water. Transfer printing is an emerging technology to assemble large numbers of parallel OLED and AMOLED devices efficiently. It takes advantage of standard metal deposition, photolithography, and etching to create alignment marks commonly on glass or other device substrates. Thin polymer adhesive layers are applied to enhance resistance to particles and surface defects. Microscale ICs are transfer printed onto the adhesive surface and then baked to fully cure adhesive layers. An additional photosensitive polymer layer is applied to the substrate to account for the topography caused by the printed ICs, reintroducing a flat surface. Photolithography and etching removes some polymer layers to uncover conductive pads on the ICs. Afterwards, the anode layer is applied to the device backplane to form the bottom electrode. OLED layers are applied to the anode layer with conventional vapor deposition, and covered with a conductive metal electrode layer. as of 2011 transfer printing was capable to print onto target substrates up to 500mm × 400mm. This size limit needs to expand for transfer printing to become a common process for the fabrication of large OLED/AMOLED displays. Experimental OLED displays using conventional photolithography techniques instead of FMMs have been demonstrated, allowing for large substrate sizes (as it eliminates the need for a mask that needs to be as large as the substrate) and good yield control. Visionox has announced the use of photolithography for depositing OLED emissive materials.

Тонкопленочные транзисторы

Для дисплея с высоким разрешением, такого как телевизор, необходима тонкоплёночная транзисторная матрица (TFT) для корректного управления пикселями. По состоянию на 2019 год, низкотемпературный поликремниевый (LTPS) TFT широко используется в коммерческих AMOLED-дисплеях. LTPS TFT характеризуется разбросом параметров в пределах дисплея, поэтому было разработано множество схем компенсации. Ограничение размера эксимерного лазера, применяемого для LTPS, ограничивало размеры AMOLED-дисплеев. Для решения проблемы ограничения размера панели были представлены подложки на основе аморфного кремния/микрокристаллического кремния, с демонстрацией прототипов больших дисплеев. Также может использоваться подложка из оксида индия-галлия-цинка (IGZO). В больших OLED-дисплеях обычно применяются TFT-транзисторы на основе аморфных оксидных полупроводников (AOS), также называемые оксидными TFT, и обычно изготавливаются на основе IGZO. Многие AMOLED-дисплеи используют LTPO TFT-транзисторы. Эти транзисторы обеспечивают стабильность при низких и переменных частотах обновления, что позволяет создавать энергосберегающие дисплеи без визуальных артефактов.

Преимущества

Различный процесс производства OLED имеет несколько преимуществ по сравнению с плоскопанельными дисплеями, изготовленными по технологии ЖК. Более низкая стоимость в перспективе: OLED можно печатать на любой подходящей подложке с помощью струйного принтера или даже трафаретной печати, что теоретически делает их производство дешевле, чем ЖК- или плазменных дисплеев. Однако, по состоянию на 2018 год, изготовление OLED-подложки обходится дороже, чем для TFT-ЖК-дисплеев. Методы вакуумного напыления в рулонах для органических устройств позволяют массово производить тысячи устройств в минуту с минимальными затратами; однако эта технология также создает проблемы: изготовление устройств с несколькими слоями может быть сложным из-за точности совмещения – выравнивания различных напечатанных слоев с необходимой степенью точности. Легкие и гибкие пластиковые подложки: OLED-дисплеи могут быть изготовлены на гибких пластиковых подложках, что открывает возможность создания гибких органических светодиодов для новых областей применения, таких как дисплеи, сворачиваемые и встраиваемые в ткани или одежду. Если использовать подложку, например, полиэтилентерефталат (ПЭТ), дисплеи можно производить недорого. Кроме того, пластиковые подложки устойчивы к растрескиванию, в отличие от стеклянных дисплеев, используемых в ЖК-устройствах. Лучшее качество изображения: OLED обеспечивают более высокую контрастность и более широкий угол обзора по сравнению с ЖК-дисплеями, поскольку пиксели OLED излучают свет напрямую. Это также обеспечивает более глубокий черный цвет, поскольку черный пиксель OLED не излучает свет. Кроме того, цвета пикселей OLED остаются точными и не искажаются даже при угле обзора, приближающемся к 90° от нормали. Лучшая энергоэффективность: ЖК-дисплеи фильтруют свет, излучаемый подсветкой, пропуская лишь небольшую его часть. Таким образом, они не могут отображать истинный черный цвет. Однако неактивный OLED-элемент не излучает свет и не потребляет энергию, обеспечивая отображение истинного черного. Отказ от подсветки также делает OLED легче, поскольку некоторые подложки становятся ненужными. Время отклика: OLED также имеют значительно более быстрое время отклика, чем ЖК-дисплеи. Используя технологии компенсации времени отклика, самые быстрые современные ЖК-дисплеи могут достигать времени отклика до 1 мс для наиболее быстрого цветового перехода и поддерживать частоту обновления до 240 Гц. По данным LG, время отклика OLED в 1000 раз быстрее, чем у ЖК-дисплеев, что дает консервативные оценки менее 10 мкс (0,01 мс), что теоретически может обеспечить частоту обновления, приближающуюся к 100 кГц (100 000 Гц). Благодаря чрезвычайно быстрому времени отклика, OLED-дисплеи также можно легко спроектировать для стробирования, создавая эффект, аналогичный мерцанию ЭЛТ, чтобы избежать эффекта «задержки кадров», наблюдаемого как на ЖК-дисплеях, так и на некоторых OLED-дисплеях, который создает ощущение размытия в движении.

The different manufacturing process of OLEDs has several advantages over flat panel displays made with LCD technology. Lower cost in the future OLEDs can be printed onto any suitable substrate by an inkjet printer or even by screen printing, theoretically making them cheaper to produce than LCD or plasma displays. However, fabrication of the OLED substrate as of 2018 is costlier than that for TFT LCDs. Roll to roll vapor deposition methods for organic devices do allow mass production of thousands of devices per minute for minimal cost; however, this technique also induces problems: devices with multiple layers can be challenging to make because of registration — lining up the different printed layers to the required degree of accuracy. Lightweight and flexible plastic substrates OLED displays can be fabricated on flexible plastic substrates, leading to the possible fabrication of flexible organic light emitting diodes for other new applications, such as roll up displays embedded in fabrics or clothing. If a substrate like polyethylene terephthalate (PET) can be used, the displays may be produced inexpensively. Furthermore, plastic substrates are shatter resistant, unlike the glass displays used in LCD devices. Better picture quality OLEDs enable a greater contrast ratio and wider viewing angle compared to LCDs, because OLED pixels emit light directly. This also provides a deeper black level, since a black OLED display emits no light. Furthermore, OLED pixel colors appear correct and unshifted, even as the viewing angle approaches 90° from the normal. Better power efficiency LCDs filter the light emitted from a backlight, allowing a small fraction of light through. Thus, they cannot show true black. However, an inactive OLED element does not produce light or consume power, allowing true blacks. Removing the backlight also makes OLEDs lighter because some substrates are not needed. Response time OLEDs also have a much faster response time than an LCD. Using response time compensation technologies, the fastest modern LCDs can reach response times as low as 1ms for their fastest color transition, and are capable of refresh frequencies as high as 240Hz. According to LG, OLED response times are up to 1,000 times faster than LCD, putting conservative estimates at under 10μs (0.01ms), which could theoretically accommodate refresh frequencies approaching 100kHz (100,000Hz). Due to their extremely fast response time, OLED displays can also be easily designed to be strobed, creating an effect similar to CRT flicker in order to avoid the sample and hold behavior seen on both LCDs and some OLED displays, which creates the perception of motion blur.

Продолжительность жизни

Самая большая техническая проблема OLED – ограниченный срок службы органических материалов. В одном техническом отчете 2008 года о панели OLED-телевизора было установлено, что после 1000 часов синяя яркость снизилась на 12%, красная – на 7%, а зеленая – на 8%. В частности, синие OLED в то время имели срок службы около 14 000 часов до достижения половины первоначальной яркости (пять лет при восьми часах использования в день) при использовании в плоских дисплеях. Это меньше, чем типичный срок службы ЖК-, светодиодных или PDP-дисплеев; каждый из них рассчитан примерно на 25 000–40 000 часов до достижения половины яркости, в зависимости от производителя и модели. Одной из основных проблем OLED-дисплеев является образование темных пятен из-за проникновения кислорода и влаги, которые со временем разрушают органический материал, независимо от того, включен дисплей или нет. В 2016 году LG Electronics сообщила об ожидаемом сроке службы в 100 000 часов, по сравнению с 36 000 часами в 2013 году. В исследовании Министерства энергетики США показано, что ожидаемый срок службы OLED-осветительных приборов уменьшается с увеличением яркости: ожидаемый срок службы составляет 40 000 часов при яркости 25% или 10 000 часов при яркости 100%.

Цветовой баланс

Материал OLED, используемый для генерации синего света, деградирует значительно быстрее, чем материалы для других цветов; иными словами, интенсивность синего света уменьшается по сравнению с другими цветами. Эта разница в изменении цветовой составляющей влияет на цветовой баланс дисплея и заметна сильнее, чем равномерное снижение общей яркости. Частично этого можно избежать, корректируя цветовой баланс, но это может потребовать сложных управляющих схем и вмешательства опытного пользователя. Чаще производители оптимизируют размер субпикселей красного, зеленого и синего цветов, чтобы снизить плотность тока через каждый субпиксель и тем самым выровнять срок службы при максимальной яркости. Например, синий субпиксель может быть на 75% больше зеленого, а красный – на 10% больше зеленого.

Эффективность синих OLED

Улучшение эффективности и срока службы голубых OLED имеет жизненно важное значение для успеха OLED в качестве замены ЖК-технологии. Значительные исследования были направлены на разработку синих OLED с высокой внешней квантовой эффективностью и более насыщенным синим цветом. С 2012 года исследования сосредоточены на органических материалах, демонстрирующих термически активированную отсроченную флуоресценцию (TADF), открытую в университетах Кюсю OPERA и UC Santa Barbara CPOS. TADF позволит создавать стабильные и высокоэффективные излучатели синего света, которые можно обрабатывать из растворов (то есть органические материалы наносятся в виде растворов, формируя более тонкие слои), с внутренней квантовой эффективностью, достигающей 100%. В начале 2017 года был синтезирован новый люминесцентный материал типа D-A, TDBA Cz, и m AC DBNA, синтезированный Meng et al., был использован в качестве контрольного образца для изучения влияния положения замещения карбазольного фрагмента, выступающего в роли донора электронов, на кислород-содержащий трифенилбороновый акцептор электронов и на фотофизические свойства всей молекулы. Было установлено, что введение двух карбазольных фрагментов в одно и то же бензольное кольцо кислород-содержащего трифенилборонового акцептора электронов эффективно подавляет конформационную релаксацию молекулы во время излучательного перехода, что приводит к излучению синего света с узкой полосой пропускания. Кроме того, TDBA Cz является первым синим материалом, достигшим FWHM до 45 нм и максимальной EQE в 21,4% в нелегированном TADF OLED. Ожидается, что синие излучатели TADF выйдут на рынок к 2020 году и будут использоваться в WOLED-дисплеях с фосфоресцентными цветовыми фильтрами, а также в синих OLED-дисплеях с печатными QD-цветовыми фильтрами.

Водная повреждение

Вода может мгновенно повредить органические материалы дисплеев. Поэтому усовершенствованные процессы герметизации имеют важное значение для практического производства. Повреждение водой особенно может снизить срок службы более гибких дисплеев.

Выступления на открытом воздухе

Как технология излучающего дисплея, OLED полностью полагаются на преобразование электричества в свет, в отличие от большинства ЖК-дисплеев, которые в некоторой степени являются отражающими. E-paper лидирует по эффективности с отражающей способностью окружающего света около 33%, что позволяет использовать дисплей без внутреннего источника света. Металлический катод в OLED действует как зеркало, с коэффициентом отражения, приближающимся к 80%, что ухудшает читаемость при ярком окружающем свете, например, на улице. Однако, при правильном применении кругового поляризатора и антибликовых покрытий, диффузное отражение можно снизить до менее чем 0,1%. При освещенности 10 000 fc (типичные условия тестирования для имитации уличного освещения), это обеспечивает приблизительный фотопический контраст 5:1. Тем не менее, благодаря развитию технологий OLED, OLED могут превосходить ЖК-дисплеи даже при ярком солнечном свете. Например, AMOLED-дисплей в Galaxy S5 показал лучшие результаты, чем все LCD-дисплеи на рынке, по потреблению энергии, яркости и отражению.

Потребление электроэнергии

В то время как OLED потребляет около 40% энергии ЖК-дисплея при отображении преимущественно черного изображения, для большинства изображений потребление составит 60–80% от энергии ЖК-дисплея. Однако для отображения изображения с белым фоном, например, документа или веб-сайта, OLED может потреблять более чем в 3 раза больше энергии. Это может приводить к сокращению времени автономной работы мобильных устройств при использовании белого фона.

Фликер экрана

Многие OLED-экраны используют широтно-импульсную модуляцию для отображения градации цвета и яркости. Например, пиксель, которому дано указание отобразить серый цвет, будет быстро включаться и выключаться, создавая едва заметный стробоскопический эффект. Альтернативный способ уменьшения яркости – снижение мощности дисплея, что устранит мерцание экрана, но ухудшит цветовой баланс, который становится менее точным при уменьшении яркости. Однако использование PWM-градирования может быть более вредным для здоровья глаз.

Мода

Текстиль, включающий в себя OLED, – это инновация в мире моды, открывающая возможности для интеграции освещения и придания совершенно нового уровня выразительности даже самым обычным предметам. Цель состоит в том, чтобы объединить комфорт и доступность текстиля со свойствами OLED – освещением и низким энергопотреблением. Несмотря на то, что создание светящейся одежды вполне реально, на пути к этому все еще существуют препятствия. Среди проблем – ограниченный срок службы OLED, жесткость гибких подложек и недостаток исследований в области создания фотонных текстильных материалов, более похожих на ткань.

Автомобильная промышленность

Количество автопроизводителей, использующих OLED, пока невелико и ограничено премиальным сегментом рынка. Например, в Lexus RX 2010 года выпуска вместо тонкопленочного транзисторного (TFT LCD) дисплея используется OLED-дисплей. Японская компания Pioneer Electronic Corporation первой выпустила автомобильные стереосистемы с монохромным OLED-дисплеем, который также стал первым в мире OLED-продуктом. Aston Martin DB9 стал первым автомобилем в мире, оснащенным OLED-дисплеем, произведенным компанией Yazaki, за ним последовали Jeep Grand Cherokee 2004 года и Chevrolet Corvette C6. Hyundai Sonata и Kia Soul EV 2015 года используют 3,5-дюймовый белый PMOLED-дисплей.

Сони

[[Файл: Sony oled. jpg|thumb|Sony XEL 1, первый в мире OLED-телевизор. Другие продукты Sony с OLED-экранами включают портативный мини-диск-регистратор MZ RH1, выпущенный в 2006 году, и серию Walkman X. На выставке потребительской электроники в Лас-Вегасе (CES) в 2007 году Sony представила OLED-телевизоры с разрешением 960×540 и Full HD разрешением 1920×1080. Оба демонстрировали контрастность 1 000 000:1 и общую толщину (включая рамки) 5 мм. В апреле 2007 года Sony объявила о планах производить 1000 OLED-телевизоров в месяц для тестирования рынка. 1 октября 2007 года Sony объявила, что модель XEL 1 стала первым коммерчески доступным OLED-телевизором, который поступил в продажу в Японии в декабре 2007 года. В мае 2007 года Sony публично представила видео гибкого OLED-экрана толщиной всего 0,3 миллиметра. На выставке Display 2008 Sony продемонстрировала дисплей толщиной 0,2 мм с разрешением 320×200 пикселей и дисплей толщиной 0,3 мм с разрешением 960×540 пикселей – в десять раз тоньше, чем XEL 1. В июле 2008 года японское государственное учреждение заявило о финансировании совместного проекта ведущих компаний для разработки ключевой технологии производства больших, энергоэффективных органических дисплеев. В проекте участвуют одна лаборатория и 10 компаний, включая Sony Corp. NEDO сообщила, что проект направлен на разработку основной технологии для массового производства OLED-дисплеев с диагональю 40 дюймов и более к концу 2010-х годов. В октябре 2008 года Sony опубликовала результаты исследований, проведенных совместно с Институтом Макса Планка, относительно возможности создания гибких дисплеев для массового рынка, способных заменить жесткие ЖК-дисплеи и плазменные панели. В перспективе гибкие, прозрачные дисплеи можно будет складывать для создания 3D-изображений с гораздо более высокой контрастностью и углами обзора, чем у существующих продуктов. На выставке Consumer Electronics Show в январе 2010 года Sony представила прототип 24,5-дюймового (62 см) OLED 3D-телевизора. В январе 2011 года Sony объявила, что портальная игровая консоль PlayStation Vita (преемник PSP) будет оснащена 5-дюймовым OLED-экраном. 17 февраля 2011 года Sony представила свой 25-дюймовый (63,5 см) OLED Professional Reference Monitor, предназначенный для кинопроизводства и высококлассной обработки видеоматериалов. 25 июня 2012 года Sony и Panasonic объявили о создании совместного предприятия для производства недорогих OLED-телевизоров массового производства к 2013 году. На выставке CES 2017 Sony представила свой первый OLED-телевизор с 2008 года – модель A1E. В 2018 году компания представила еще две модели: A8F на выставке CES 2018 и телевизор Master Series A9F. На выставке CES 2019 были представлены две новые модели: A8G и еще один телевизор серии Bravia A9G. Затем, на выставке CES 2020, была представлена модель A8H, по качеству изображения практически идентичная A9G, но с некоторыми компромиссами из-за более низкой стоимости. На том же мероприятии также была представлена 48-дюймовая версия A9G, что сделало ее самым маленьким OLED-телевизором с момента выпуска XEL 1.

[[File:Sony oled. jpg|thumb|Sony XEL 1, the world's first OLED TV Other Sony products to feature OLED screens include the MZ RH1 portable minidisc recorder, released in 2006 and the Walkman X Series. At the 2007, Las Vegas Consumer Electronics Show (CES), Sony showcased a , (resolution 960×540) and , full HD resolution at 1920 × 1080 OLED TV models. Both claimed 1,000,000:1 contrast ratios and total thicknesses (including bezels) of 5mm. In April 2007, Sony announced it would manufacture 1000 OLED TVs per month for market testing purposes. On 1 October 2007, Sony announced that the model XEL 1, was the first commercial OLED TV and it was released in Japan in December 2007. In May 2007, Sony publicly unveiled a video of a flexible OLED screen which is only 0.3 millimeters thick. At the Display 2008 exhibition, Sony demonstrated a 0.2mm thick display with a resolution of 320×200 pixels and a 0.3mm thick display with 960×540 pixels resolution, one tenth the thickness of the XEL 1. In July 2008, a Japanese government body said it would fund a joint project of leading firms, which is to develop a key technology to produce large, energy saving organic displays. The project involves one laboratory and 10 companies including Sony Corp. NEDO said the project was aimed at developing a core technology to mass produce 40inch or larger OLED displays in the late 2010s. In October 2008, Sony published results of research it carried out with the Max Planck Institute over the possibility of mass market bending displays, which could replace rigid LCDs and plasma screens. Eventually, bendable, see through displays could be stacked to produce 3D images with much greater contrast ratios and viewing angles than existing products. Sony exhibited a 24.5" (62cm) prototype OLED 3D television during the Consumer Electronics Show in January 2010. In January 2011, Sony announced the PlayStation Vita handheld game console (the successor to the PSP) will feature a 5 inch OLED screen. On 17 February 2011, Sony announced its 25" (63.5cm) OLED Professional Reference Monitor aimed at the Cinema and high end Drama Post Production market. On 25 June 2012, Sony and Panasonic announced a joint venture for creating low cost mass production OLED televisions by 2013. Sony unveiled its first OLED TV since 2008 at CES 2017 called A1E. It revealed two other models in 2018 one at CES 2018 called A8F and other a Master Series TV called A9F. At CES 2019 they unveiled another two models one the A8G and the other another Bravia Series TV called A9G. Then, at CES 2020, they revealed the A8H, which was effectively an A9G in terms of picture quality but with some compromises due to its lower cost. At the same event, they also revealed a 48 inch version of the A9G, making this its smallest OLED TV since the XEL 1.

ЛГ

9 апреля 2009 года LG приобрела бизнес Kodak в области OLED и начала использовать технологию белых OLED. По состоянию на 2010 год LG Electronics производила одну модель OLED-телевизора, 15EL9500, и анонсировала OLED 3D-телевизор на март 2011 года. 26 декабря 2011 года LG официально объявила о создании "крупнейшей в мире OLED-панели" и представила ее на выставке CES 2012. В конце 2012 года LG объявила о запуске OLED-телевизора 55EM9600 в Австралии. В январе 2015 года LG Display заключила долгосрочное соглашение с Universal Display Corporation о поставке материалов для OLED и праве использования их запатентованных OLED-излучателей.

Мицубиси

Lumiotec – первая в мире компания, которая с января 2011 года разрабатывает и продает серийно выпускаемые OLED-панели для освещения, обладающие такой яркостью и длительным сроком службы. Lumiotec является совместным предприятием Mitsubishi Heavy Industries, ROHM, Toppan Printing и Mitsui & Co. 1 июня 2011 года компания Mitsubishi Electric установила 6-метровую OLED-сферу в Токийском научном музее.

Группа Рекомендаций

6 января 2011 года компания Recom Group, базирующаяся в Лос-Анджелесе, представила первое потребительское применение OLED на малом экране на выставке Consumer Electronics Show в Лас-Вегасе. Это был 2,8" (7 см) OLED-дисплей, использованный в качестве носимой видео-бейдж. На выставке Consumer Electronics Show в 2012 году Recom Group представила первый в мире видео-флаг для микрофона, включающий три 2,8" (7 см) OLED-дисплея на стандартном флаге микрофона для вещания. Этот видео-флаг позволял демонстрировать видеоконтент и рекламу на стандартном флаге микрофона, используемом вещателями.

Делл

6 января 2016 года компания Dell представила OLED-монитор Ultrasharp UP3017Q на выставке Consumer Electronics Show в Лас-Вегасе. Заявленными характеристиками монитора были 4K UHD OLED-панель с частотой обновления 120 Гц, временем отклика 0,1 миллисекунды и контрастностью 400 000:1. Продажи монитора планировались по цене 4999 долларов США, а выпуск – в марте 2016 года, всего через несколько месяцев. Однако к концу марта монитор так и не поступил в продажу, и Dell не комментировала причины задержки. По сообщениям, Dell отказалась от выпуска монитора из-за неудовлетворительного качества изображения OLED-панели, в частности, из-за заметного цветового сдвига при просмотре под углом. 13 апреля 2017 года Dell наконец-то выпустила монитор UP3017Q в продажу по цене 3499 долларов США (на 1500 долларов США дешевле первоначально объявленной цены в 4999 долларов США на CES 2016). Помимо снижения цены, монитор получил частоту обновления 60 Гц и контрастность 1 000 000:1. По состоянию на июнь 2017 года монитор больше не доступен для покупки на сайте Dell.

Яблоко

Apple начала использовать OLED-панели в своих часах в 2015 году и в своих ноутбуках в 2016 году с появлением OLED-тачбара в MacBook Pro. В 2017 году Apple представила свой юбилейный iPhone X, оснащенный оптимизированным OLED-дисплеем, лицензированным у Universal Display Corporation. За исключением моделей iPhone SE, iPhone XR и iPhone 11, все iPhone, выпущенные после этого, также оснащены OLED-дисплеями.

Nintendo (англ.) (англ.)

Третья модель Nintendo Switch, гибридная игровая система, оснащена OLED-панелью вместо LCD-панели оригинальной модели. Анонсированная летом 2021 года, она поступила в продажу 8 октября 2021 года.

Исследования

В 2014 году Mitsubishi Chemical Corporation (MCC), дочерняя компания Mitsubishi Chemical Holdings, разработала OLED-панель со сроком службы 30 000 часов, что вдвое превышает срок службы обычных OLED-панелей. Поиск эффективных OLED-материалов активно поддерживается методами моделирования; важные свойства можно вычислить, не опираясь на экспериментальные данные, что удешевляет разработку материалов. 18 октября 2018 года Samsung представила свою дорожную карту исследований на Samsung OLED Forum 2018. Она включала в себя технологию распознавания отпечатков пальцев на дисплее (FoD), датчики под панелью (UPS), тактильную обратную связь на дисплее (HoD) и звук, излучаемый дисплеем (SoD). Различные производители также ведут исследования камер, расположенных под OLED-дисплеями (Under Display Cameras). По данным IHS Markit, Huawei сотрудничает с BOE, Oppo – с China Star Optoelectronics Technology (CSOT), а Xiaomi – с Visionox. В 2020 году исследователи из Технологического университета Квинсленда (QUT) предложили использовать человеческий волос, являющийся источником углерода и азота, для создания OLED-дисплеев.