Bagom OLEDs - FlatpanelsDK
Bagom OLED

Bagom OLEDs

26 Jun 2009 | Torben Rasmussen (@flatpanelsdk) |

Flg med i vores store OLED tema, hvor vi anmelder verdens frste OLED-TV og prsenterer spndende og innovative OLED koncepter. Se hele OLED Temaet her

Med denne artikel vil vi forsge at give et indblik i hvordan Organic Light Emitting Dioder egentlig fungerer og hvilke fordele (og ulemper) man kan forvente sig at teknologien. I den frste del af artiklen vil det blive beskrevet hvordan lyset frembringes og denne del vil sledes vre en lettere forsimplet beskrivelse af de fysiske fnomener der foregr indeni dioderne. Anden del handler om selve opbygningen af et display og sidste del forklarer om de egenskaber man fr ved at benytte OLED frem for f.eks. LCD displays.


Hvis du ikke har lyst til at lse den tekniske del omkring OLEDs kan du sagtens springe den over. Den er ikke en forudstning for at forst den sidste del af artiklen.


Light Emitting Diode - og der blev lys!


Som du mske ved, s er OLEDs blot den organiske version af den velkendte LED - Light Emitting Diode. Som navnet antyder s er der her tale om en diode der har den egenskab at den kan udsende lys. I denne sektion vil den tekniske forklaring p hvordan dette lys skabes blive forklaret. Den nedenstende forklaring er lettere forsimplet for at gre tingene forstelige for den bredeste skare muligt.


For at forklare hvor lyset kommer fra er det ndvendigt at g et par skridt tilbage og se p de fundamentale fysiske mekanismer i en almindelig diode (dette vil danne grundlaget for at forst OLEDs). Den typiske diode bestr af et halvledermateriale med en hvis ledningsevne (som du nok ved er et halvleder materiale en mellemting mellem et ledende materiale og et isolerende materiale afhngigt af hvordan det forarbejdes). Ved at introducere fremmede atomer i materialet (dette kaldes"doping") kan man skabe en halvleder der har f.eks. et overskud af elektroner (n-type halvleder) eller et underskud af elektroner (p-type halvleder) - ogs kaldet huller. Typiske halvledermaterialer findes i 4. hovedgruppe i det periodiske system, hvor man ogs finder silicium, som de fleste nok har hrt om i forbindelse med fremstilling af processorer. Dopes et stof fra 4. hovedgruppe med et stof fra 3. hovedgruppe vil der sledes skabes et underskud af elektroner ift. den oprindelige konfiguration (dvs. en p-type) og dopes der med materialer fra 5. hovedgruppe fs et overskud af elektroner ift. den oprindelige konfiguration (dvs. en n-type).

I n-type halvledere er der som sagt et overskud af elektroner, der kan bevge sig frit rundt i materialet, ligesom i et alm. ledende materiale. Jo flere overskydende elektroner der er, des mere ligner materialet en almindelig leder. I p-type halvledere er der derimod et underskud af elektroner og denne type halvleder er derfor meget villig til at optage elektroner og ydermere kan en tilfrt elektron hoppe rundt imellem alle de ledige pladser i strukturen, da der jo sidder et doping-atomer rundt omkring der har frre elektroner end alle de andre.


En diode bestr af to lag - et lag p-type halvleder og et lag n-type halvleder. P figuren nedenunder er en sdan konfiguration vist med et par elektroder p hver side af laget.







Hvis der ikke er nogen potentialforskel imellem de to elektroder, vil elektronerne i n-laget smutte ind og udfylde hullerne i p-laget nr sammenfjningen, hvilket fr det til at se ud som om hullerne rent faktisk bevger sig fra p-laget til n-laget. Nr alle hullerne i omrdet omkring sammenfjningen er fyldt ud med en elektron er der ikke lngere nogen frie elektroner til at skabe en strm af ladning. Der formes da til sidst et omrde omkring sammenfjningen der er ladningsneutralt (depletion omrde = ryddet omrde).


Stter man nu en potentialforskel imellem de to elektroder sledes at der er et negativt potentiale p elektroden forbundet til p-laget i forhold til elektroden forbundet til n-laget, s vil man trkke de frie elektroner fra n-laget imod den positive elektrode og trkke de"positvt ladede huller" imod den negativt ladede elektrode og derved ogs lave et depletion lag i midten. Denne gang er det blot ikke rekombination af elektroner og huller der er rsagen.Dette hedder i generel tale"Reverse bias".






Vendes potentialet, s n-laget nu har det negative potential ift. p-laget , vil der pumpes ekstra elektroner ind i n-laget og det depletion lag, der fr var dannet p naturlig vis (se den frste figur uden spnding), vil blive skubbet fremad. Dette resulterer i en jvn strm af elektroner fra minus til plus hen over p-laget (og omvendt vil en strm af huller flyde fra p-laget hen over n-laget) og der lber herved en strm hen over dioden.







P denne mde kan man alts styre om der skal lbe en strm eller ej, ved blot at vende fortegnet p potentialet.


I fysikundervisningen har du sikkert hrt om atomorbitaler, og disse spiller en vigtig rolle i frembringelsen af lys i en diode. En fri elektron befinder sig i en orbitale med en energi der er hj nok til at kernekrfterne fra atomerne ikke kan holde fast i elektronen. Hullerne i p-laget har en lavere energi end den frie elektron (dvs. det befinder sig i en lavere orbitale) og hvis elektronen skal udfylde hullet m det alts afgive noget af sin energi for, s og sige, at falde til ro i det lavere energiniveau. Da energi ikke kan forsvinde eller opst, skal energiforskellen, som elektronen har i den frie tilstand og i den orbitale den falder ned i, alts bruges til noget og i en LED bruges energien til at udsende en foton - dvs. et lysglimt (se animationen herunder). Blgelngden af lysglimtet, og dermed farven, er bestemt af hvor stor energiforskellen er, og vlges materialerne fornuftigt, kan farven af dioden sledes variere.










I en OLED er n-laget og p-laget ikke lngere halvledermateriale, men derimod polymermaterialer (se nste afsnit). n-laget i en OLED kaldes ofte det emitterende lag, idet det er i dette lag lyset dannes. Dette lag er forbundet til en bundelektrode (katoden) og transporterer sledes elektronerne. p-laget kaldes det ledende lag og det er her hullerne transporteres fra anoden.




Et OLED display bliver til


For at danne dioden i en OLED benytter man forskellige typer polymere til hhv. det ledende lag og det emitterende lag. Disse polymerlag er typisk meget tynde - i omegnen af 800-1200 (1 = 1/10 nanometer). P figuren herunder kan du se en typisk opbygning af en OLED struktur til f.eks. displays.



Anoden kan eksempelvis vre lavet af ITO og katoden af BaCa/Al i lagtykkelser mellem 1500 og 2000 , s det er tydeligvis en meget tynd struktur man har med at gre. Dertil kommer selvflgelig bundsubstratet og topglasset.


Man skelner mellem to typer af organiske materialer nr man taler om OLEDs og de har hver deres fordele og ulemper og applikationer:

- Polymer OLEDs

- Small Molecules OLEDs


Den primre forskel p disse typer skal findes i den mde de bruges i fabrikationen. Med polymer OLEDs er det ledende lag og det emitterende lag en flydende polymersuppe der kan pfres substratet vha. traditionel spin coating, hvor man hlder vsken ned p et roterende substrat og derved fordeler det over overfladen (se figuren herunder). Man fr desuden muligheden for at bruge en slags inkjet printer til simpelthen at printe lagene p overfladen - dette har stort potentiale til billige fleksible displays i fremtiden. Til det emitterende lag kan man bruge polymere som f.eks. polyphenylenevinylene (R-PPV) eller polyfluorene (PF) og til det ledende lag bruger man polymere som f.eks. polyaniline (PANI:PPS) eller polyethylenedioxythiophene (PDOT:PPS).



Med Small Molecule OLEDs bruger man, som navnet antyder, sm molekyler som ikke lngere er flydende, men derimod et fast stof. Derfor kan man heller ikke benytte samme fabrikationsteknik, men m i stedet benytte termisk fordampning af materialet ned p overfladen (se figur herunder) og denne teknik krver at man indkapsler processen i en vakuumkammer. Da vakuumkamre ikke rentabelt kan laves specielt store, har denne teknik en fysisk begrnsning af den strrelse af displays man kan lave og sledes benyttes SMOLEDs typisk til sm displays i MP3-afspillere og des lige. SMOLEDs kan typisk vre lavet af metal-phatalocyaniner eller arylaminer for det ledende lags vedkommende og metal chelater eller distyrylbenzener for det emitterende lags vedkommende.



Begge typer fabrikation har deres ulemper, hvor polymeren har behov for blive inddmmet, s hver enkelt pixel er veldefineret, s krver SMOLEDs at hver subpixel afmaskes nr de enkelte farver skal dampes p (dette kaldes skyggemaskering).


Der er tre overordnede mder man kan skabe farver p et OLED display, som er vist p figuren herunder.



Den metode der er mest hype om i jeblikket bestr af 3 seperate emittere - n for hver grundfarve. Her skal der sledes pfres organisk materiale der udsender lys i rd, grn og bl. P denne mde opns en meget hj energieffektivitet og man kan samtidigt trkke p de erfaringer man har gjort sig fra LCD teknologiens ITO katoder. Desvrre fr man ogs en hel rkke ulemper, som skal tjles fr metoden er fuldt moden til masseproduktion. De forskellige farver ldes f.eks. ikke lige hurtigt og isr den bl farve har problemer med at holde i mere end et par tusinde timer, hvilket vil skabe uheldige effekter i farveproduktionen af skrmen efterhnden som tiden gr.


Den anden metode trkker p erfaringerne fra nutidens LCD paneler, hvor hvidt lys passerer gennem et farvefilter, hvorved de unskede blgelngder sorteres fra (den hvide lyskilde kan eksempelvis laves vha. en bl OLED og et specielt fosforlag). Herved undgr man at emitteren for hver farve ldes forskelligt, idet der nu er tale om samme farve for dem alle, men desvrre s introducerer man et nyt problem: Et farvefilter der omkring 2/3 af lyset, s derfor skal der skrues hjere op for lysstyrken for at f samme output som i den frste metode. Desuden er den hvide emitter stadig ikke helt s plidelig som eksempelvis den rde p nuvrende tidspunkt, s levetiden er pt. ikke god nok det at benytte denne metode.


Den sidste metode minder egentlig om den anden, idet man her benytter en mellemliggende medie til at absorbere blt lys og skifte blgelngden til rd og grn. Her skal man desvrre til at optimere p det medium (f.eks. en fosfor), der skal st for denne omdannelse (Color Changing Medium - CCM) og det giver ogs problemer. Ydermere skal man bruge en bl emitter, hvilket allerede er et problem i sig selv.


Egenskaber ved OLED


Nu har du forhbentlig fet en forstelse for hvordan en OLED virker, s lad os nu g videre til hvad den rent faktisk byder p af muligheder.


Kontrastforhold


Her er et af de punkter hvor OLED virkelig har overtaget ift. LCD displays. P et LCD display sidder der en baggrundsbelysning, som lyser igennem de flydende krystaller og et farvefilter i enten rd, grn eller bl. De flydende krystaller har da til opgave at styre hvor meget af denne baggrundsbelysning der m slippe igennem og de fungerer derfor som en optisk shutter. Det er selvsagt ikke muligt at blokkere noget 100% med et sdant arrangement, s derfor har LCD paneler typisk meget svrt ved at producere helt sorte farver (husk at kontrasten er forholdet mellem lysstyrken af hvid og lysstyrken af sort). P en OLED er det derimod hver enkelt subpixel der udsender lyset og nr man slukker for dioden, s kommer der ikke noget lys fra den. I mrke rum er det teoretiske kontrastforhold for en OLED derfor uendeligt, men i praksis vil man dog ikke slukke helt for en subpixel, men blot snke lysstyrken tilstrkkeligt. Kontrastforhold p 10.000:1 er ikke ualmindeligt for OLED displays og det uden tricks som dynamisk kontrast, som LCD teknologien m ty til. Som grafen viser, s styrer man lysstyrken af OLEDs ved at justere spndingen over dioden.



Betragtningsvinkler


Et af de omrder hvor OLED byder p store forbedringer ift. f.eks. LCD paneler, er betragtningsvinklerne. OLEDs er Lambertian emittere, dvs. de udsender lys homogent i alle retninger ligesom en lyspre, s du modtager liges meget lys nr du kigger p en OLED fra 0 grader, som du gr hvis du kigger p den i 150 grader. I teorien er betragtningsvinklerne derfor helt oppe p 180 grader uden forringelse af kontrasten - husk p at for LCD paneler opgives betragtningsvinklerne typisk som et ml for hvornr kontrasten er faldet til 10:1 eller 5:1.



Responstid


Med LCD displays har man vret vandt til halvdrlige responstider der typisk bliver mlt i adskillige millisekunder. Med OLEDs er der ikke lngere tale om en fysisk bevgelse af"mekaniske" dele ssom flydende krystaller, men derimod blot om elektrontransport. Man kan tnde og slukke en OLED p f mikrosekunder, s problemerne med slr fra LCD-skrmene vil vre pass nr OLED introduceres. Vr dog opmrksom p at selve multiplex kredslbet der srger for at opdatere hver enkelt subpixel p skrmen, med stor sandsynlighed vil operere ved samme frekvens som for et LCD display, s derfor opdateres hele panelet typisk kun 60 gange pr. sekund.


Pitch og pixel mellemrum


Pitchen for et display angiver afstanden mellem centrum for to nabopixels og mellemrummet angiver den frie afstand der er mellem hver pixel (se figuren herunder). Pitchen p en OLED kan vlges mere eller mindre frit, ligesom det er tilfldet med LCD displays, men mellemrummet kan derimod ikke laves helt s fint som LCD i jeblikket. Et typisk mellemrum p en LCD display er ned til 15 m hvor OLEDs m njes med 25 m.



Levetid og stabilitet


Her kommer det kritiske punkt for OLEDs. De organiske molekyler der benyttes til at udsende lys, mister gradvist deres funktionalitet og levetiden for et display er derfor ikke uendelig. Jo mere en diode bruges, des hurtigere vil den ldes og jo kraftigere den skal lyse des hurtigere ldes den. Ligesom med baggrundsbelysningen i LCD displays taler man om halveringstider for lysstyrken, dvs. den tid det tager for lysstyrken at n 50% for en given spnding. P nuvrende tidspunkt er der forholdsvist store forskelle p hvor lnge de individuelle farver kan fungere, hvilket i sig selv udgr et problem idet en skrm sledes ikke blot vil miste lysstyrke, men nr n farve ldes fr en anden, vil skrmen f en forkert gld efterhnden som tiden gr. Man snakker idag om halveringstider for eksempelvis grn og rd p 35.000 timer (state-of-the art er 160.000 timer i laboratorie), imens den bl farve stadig kmper med f tusinde timer. Da en tndt diode ldes hurtigere end en slukket skaber man faktisk mulighed for at brnde et billede fast i skrmen, blot forstet p den mde at der vil vre tale om et omrde med lavere lysstyrke (og ikke et lyst omrde som p plasma TV). ges temperaturen af omgivelserne falder levetiden ogs dramatisk, men en af fordelene ved OLED frem for LCD er faktisk deres evne til at fungere ved meget store temperaturvariationer - lige fra minus 30 grader celcius til 90 grader celcius.


OLED molekylerne tler ikke vand, s det er absolut essentielt at et panel indkapsles forsvarligt s der ikke kommer fugt i skrmen. Vand nedbryder simpelthen molekylerne.


Strmforbrug


Med OLED som display sparer man den strmslugende baggrundsbelysning der str for strstedelen af strmforbruget i en LCD skrm og ydermere er strmforbruget af et OLED panel proportionalt med antallet af tndte pixels og deres lysstyrke. Et helt hvidt billede kan sledes godt bruge en anseelig mngde strm, imens et sort billede stort set ingen strm bruger (dog skal panelstyringen stadig have strm).


Afsluttende bemrkninger


Som du kan se s tilbyder OLEDs en rkke spndende forbedringer ift. LCD teknologien, men samtidigt introduceres der ogs en masse nye udfordringer, som videnskaben skal overkomme fr det er rentabelt at producere OLED displays til forbrugermarkedet. Blandt fordelene finder man lave responstider, perfekte betragtningsvinkler og tyndere displays. Ulemperne tller ting som inhomogene halveringstider, intolerence overfor vand og hje fabrikationsomkostninger.


De mange fordele man, som PC bruger sukker efter, vil derfor ikke blive tilgngelige lige med det samme. De steder hvor OLEDs idag bruges, er i applikationer der kun krver sm displays, ssom MP3-afspillere eller telefoner. Teknologien har dog ogs mange andre anvendelser idet print-teknologien til fabrikation af polymer-OLEDs sps at bringe os fleksible displays til brug i bger og aviser, samt heads-up displays i biler, hvor gennemsigtigheden af visse typer OLEDs kan bruges til at indbygge skrme direkte i bilers forruder (og samtidgt lade dem vre gennemsigtige vel og mrke).


Du kan lse mere om nyskabelserne indenfor OLEDs i vores nyhedssektion, samt her:

Panelteknologi



Ls ogs meget mere om OLED i vores store OLED Tema



Del p:


Flere fokusartikler

Vejen til himlen

Vejen til TV-himlen

18 Oct 2017 | Yoeri Geutskens |
Motion Interpolation

Guide: Sdan undgr du "soap opera" effekten p dit TV

11 Oct 2017 | Rasmus Larsen |
Streamingbokse

Apple TV 4K vs. Nvidia Shield vs. Chromecast Ultra m.fl.

24 Sep 2017 | Rasmus Larsen |
iTunes 4K HDR

Liste: Film i 4K HDR klar i iTunes - danske priser lavere end UHD Blu-ray

15 Sep 2017 | Rasmus Larsen |
BeoVision Eclipse

Frste indtryk af B&O BeoVision Eclipse

11 Sep 2017 | Rasmus Larsen |
YouSee Android TV

Frste indtryk: YouSee p Android TV

01 Sep 2017 | Rasmus Larsen |
Uncharted The Lost Legacy

Konsolspil i HDR: Hvad du skal vide

24 Aug 2017 | Rasmus Larsen |
Best HDR TV

Oversigt: Bedste HDR TV

18 Aug 2017 | Torben Rasmussen, Rasmus Larsen |