Bagom OLEDs - FlatpanelsDK
Bagom OLED

Bagom OLEDs

26 Jun 2009 | Torben Rasmussen (@flatpanelsdk) |

Følg med i vores store OLED tema, hvor vi anmelder verdens første OLED-TV og præsenterer spændende og innovative OLED koncepter. Se hele OLED Temaet her

Med denne artikel vil vi forsøge 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 første del af artiklen vil det blive beskrevet hvordan lyset frembringes og denne del vil således være en lettere forsimplet beskrivelse af de fysiske fænomener der foregår indeni dioderne. Anden del handler om selve opbygningen af et display og sidste del forklarer om de egenskaber man får ved at benytte OLED frem for f.eks. LCD displays.


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


Light Emitting Diode - og der blev lys!


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


For at forklare hvor lyset kommer fra er det nødvendigt at gå et par skridt tilbage og se på de fundamentale fysiske mekanismer i en almindelig diode (dette vil danne grundlaget for at forstå OLEDs). Den typiske diode består 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 afhængigt 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) - også kaldet huller. Typiske halvledermaterialer findes i 4. hovedgruppe i det periodiske system, hvor man også finder silicium, som de fleste nok har hørt om i forbindelse med fremstilling af processorer. Dopes et stof fra 4. hovedgruppe med et stof fra 3. hovedgruppe vil der således skabes et underskud af elektroner ift. den oprindelige konfiguration (dvs. en p-type) og dopes der med materialer fra 5. hovedgruppe fås 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 bevæge 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 tilført elektron hoppe rundt imellem alle de ledige pladser i strukturen, da der jo sidder et doping-atomer rundt omkring der har færre elektroner end alle de andre.


En diode består af to lag - et lag p-type halvleder og et lag n-type halvleder. På figuren nedenunder er en sådan konfiguration vist med et par elektroder på 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 nær sammenføjningen, hvilket får det til at se ud som om hullerne rent faktisk bevæger sig fra p-laget til n-laget. Når alle hullerne i området omkring sammenføjningen er fyldt ud med en elektron er der ikke længere nogen frie elektroner til at skabe en strøm af ladning. Der formes da til sidst et område omkring sammenføjningen der er ladningsneutralt (depletion område = ryddet område).


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





 


Vendes potentialet, så n-laget nu har det negative potential ift. p-laget , vil der pumpes ekstra elektroner ind i n-laget og det depletion lag, der før var dannet på naturlig vis (se den første figur uden spænding), vil blive skubbet fremad. Dette resulterer i en jævn strøm af elektroner fra minus til plus hen over p-laget (og omvendt vil en strøm af huller flyde fra p-laget hen over n-laget) og der løber herved en strøm hen over dioden.







På denne måde kan man altså styre om der skal løbe en strøm eller ej, ved blot at vende fortegnet på potentialet.


I fysikundervisningen har du sikkert hørt 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 høj nok til at kernekræfterne 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 må det altså afgive noget af sin energi for, så og sige, at falde til ro i det lavere energiniveau. Da energi ikke kan forsvinde eller opstå, skal energiforskellen, som elektronen har i den frie tilstand og i den orbitale den falder ned i, altså bruges til noget og i en LED bruges energien til at udsende en foton - dvs. et lysglimt (se animationen herunder). Bølgelængden af lysglimtet, og dermed farven, er bestemt af hvor stor energiforskellen er, og vælges materialerne fornuftigt, kan farven af dioden således variere.










I en OLED er n-laget og p-laget ikke længere halvledermateriale, men derimod polymermaterialer (se næste 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 således 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 Å (1 Å = 1/10 nanometer). På figuren herunder kan du se en typisk opbygning af en OLED struktur til f.eks. displays.



Anoden kan eksempelvis være lavet af ITO og katoden af BaCa/Al i lagtykkelser mellem 1500 Å og 2000 Å, så det er tydeligvis en meget tynd struktur man har med at gøre. Dertil kommer selvfølgelig bundsubstratet og topglasset.


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

- Polymer OLEDs

- Small Molecules OLEDs


Den primære forskel på disse typer skal findes i den måde de bruges i fabrikationen. Med polymer OLEDs er det ledende lag og det emitterende lag en flydende polymersuppe der kan påføres substratet vha. traditionel spin coating, hvor man hælder væsken ned på et roterende substrat og derved fordeler det over overfladen (se figuren herunder). Man får desuden muligheden for at bruge en slags inkjet printer til simpelthen at printe lagene på 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, små molekyler som ikke længere er flydende, men derimod et fast stof. Derfor kan man heller ikke benytte samme fabrikationsteknik, men må i stedet benytte termisk fordampning af materialet ned på overfladen (se figur herunder) og denne teknik kræver at man indkapsler processen i en vakuumkammer. Da vakuumkamre ikke rentabelt kan laves specielt store, har denne teknik en fysisk begrænsning af den størrelse af displays man kan lave og således benyttes SMOLEDs typisk til små displays i MP3-afspillere og des lige. SMOLEDs kan typisk være 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 inddæmmet, så hver enkelt pixel er veldefineret, så kræver SMOLEDs at hver subpixel afmaskes når de enkelte farver skal dampes på (dette kaldes skyggemaskering).


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



Den metode der er mest hype om i øjeblikket består af 3 seperate emittere - én for hver grundfarve. Her skal der således påføres organisk materiale der udsender lys i rød, grøn og blå. På denne måde opnås en meget høj energieffektivitet og man kan samtidigt trække på de erfaringer man har gjort sig fra LCD teknologiens ITO katoder. Desværre får man også en hel række ulemper, som skal tøjles før metoden er fuldt moden til masseproduktion. De forskellige farver ældes f.eks. ikke lige hurtigt og især den blå farve har problemer med at holde i mere end et par tusinde timer, hvilket vil skabe uheldige effekter i farveproduktionen af skærmen efterhånden som tiden går.


Den anden metode trækker på erfaringerne fra nutidens LCD paneler, hvor hvidt lys passerer gennem et farvefilter, hvorved de uønskede bølgelængder sorteres fra (den hvide lyskilde kan eksempelvis laves vha. en blå OLED og et specielt fosforlag). Herved undgår man at emitteren for hver farve ældes forskelligt, idet der nu er tale om samme farve for dem alle, men desværre så introducerer man et nyt problem: Et farvefilter æder omkring 2/3 af lyset, så derfor skal der skrues højere op for lysstyrken for at få samme output som i den første metode. Desuden er den hvide emitter stadig ikke helt så pålidelig som eksempelvis den røde på nuværende tidspunkt, så 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 blåt lys og skifte bølgelængden til rød og grøn. Her skal man desværre til at optimere på det medium (f.eks. en fosfor), der skal stå for denne omdannelse (Color Changing Medium - CCM) og det giver også problemer. Ydermere skal man bruge en blå emitter, hvilket allerede er et problem i sig selv.


Egenskaber ved OLED


Nu har du forhåbentlig fået en forståelse for hvordan en OLED virker, så lad os nu gå videre til hvad den rent faktisk byder på af muligheder.


Kontrastforhold


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



Betragtningsvinkler


Et af de områder hvor OLED byder på store forbedringer ift. f.eks. LCD paneler, er betragtningsvinklerne. OLEDs er Lambertian emittere, dvs. de udsender lys homogent i alle retninger ligesom en lyspære, så du modtager ligeså meget lys når du kigger på en OLED fra 0 grader, som du gør hvis du kigger på den i 150 grader. I teorien er betragtningsvinklerne derfor helt oppe på 180 grader uden forringelse af kontrasten - husk på at for LCD paneler opgives betragtningsvinklerne typisk som et mål for hvornår kontrasten er faldet til 10:1 eller 5:1.



Responstid


Med LCD displays har man været vandt til halvdårlige responstider der typisk bliver målt i adskillige millisekunder. Med OLEDs er der ikke længere tale om en fysisk bevægelse af"mekaniske" dele såsom flydende krystaller, men derimod blot om elektrontransport. Man kan tænde og slukke en OLED på få mikrosekunder, så problemerne med slør fra LCD-skærmene vil være passé når OLED introduceres. Vær dog opmærksom på at selve multiplex kredsløbet der sørger for at opdatere hver enkelt subpixel på skærmen, med stor sandsynlighed vil operere ved samme frekvens som for et LCD display, så 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 på en OLED kan vælges mere eller mindre frit, ligesom det er tilfældet med LCD displays, men mellemrummet kan derimod ikke laves helt så fint som LCD i øjeblikket. Et typisk mellemrum på en LCD display er ned til 15 µm hvor OLEDs må nøjes med 25 µm.



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 ældes og jo kraftigere den skal lyse des hurtigere ældes den. Ligesom med baggrundsbelysningen i LCD displays taler man om halveringstider for lysstyrken, dvs. den tid det tager for lysstyrken at nå 50% for en given spænding. På nuværende tidspunkt er der forholdsvist store forskelle på hvor længe de individuelle farver kan fungere, hvilket i sig selv udgør et problem idet en skærm således ikke blot vil miste lysstyrke, men når én farve ældes før en anden, vil skærmen få en forkert glød efterhånden som tiden går. Man snakker idag om halveringstider for eksempelvis grøn og rød på 35.000 timer (state-of-the art er 160.000 timer i laboratorie), imens den blå farve stadig kæmper med få tusinde timer. Da en tændt diode ældes hurtigere end en slukket skaber man faktisk mulighed for at brænde et billede fast i skærmen, blot forstået på den måde at der vil være tale om et område med lavere lysstyrke (og ikke et lyst område som på plasma TV). Øges temperaturen af omgivelserne falder levetiden også 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 tåler ikke vand, så det er absolut essentielt at et panel indkapsles forsvarligt så der ikke kommer fugt i skærmen. Vand nedbryder simpelthen molekylerne.


Strømforbrug


Med OLED som display sparer man den strømslugende baggrundsbelysning der står for størstedelen af strømforbruget i en LCD skærm og ydermere er strømforbruget af et OLED panel proportionalt med antallet af tændte pixels og deres lysstyrke. Et helt hvidt billede kan således godt bruge en anseelig mængde strøm, imens et sort billede stort set ingen strøm bruger (dog skal panelstyringen stadig have strøm).


Afsluttende bemærkninger


Som du kan se så tilbyder OLEDs en række spændende forbedringer ift. LCD teknologien, men samtidigt introduceres der også en masse nye udfordringer, som videnskaben skal overkomme før det er rentabelt at producere OLED displays til forbrugermarkedet. Blandt fordelene finder man lave responstider, perfekte betragtningsvinkler og tyndere displays. Ulemperne tæller ting som inhomogene halveringstider, intolerence overfor vand og høje fabrikationsomkostninger.


De mange fordele man, som PC bruger sukker efter, vil derfor ikke blive tilgængelige lige med det samme. De steder hvor OLEDs idag bruges, er i applikationer der kun kræver små displays, såsom MP3-afspillere eller telefoner. Teknologien har dog også mange andre anvendelser idet print-teknologien til fabrikation af polymer-OLEDs spås at bringe os fleksible displays til brug i bøger og aviser, samt heads-up displays i biler, hvor gennemsigtigheden af visse typer OLEDs kan bruges til at indbygge skærme direkte i bilers forruder (og samtidgt lade dem være gennemsigtige vel og mærke).


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

Panelteknologi



Læs også meget mere om OLED i vores store OLED Tema



Del på:


Flere fokusartikler

Best HDR TV

Oversigt: Bedste HDR TV

18 Aug 2017 | Torben Rasmussen, Rasmus Larsen |
LG B7 OLED

Status på HDR: Hollywood, TV, film, spil, biografer & formater

17 Aug 2017 | Rasmus Larsen |
Farang C More

Interview: C More søsætter satsning på originalt indhold

21 Jul 2017 | Rasmus Larsen |
Apple TV gaming

Bedste spil til Apple TV

28 Jun 2017 | Rasmus Larsen |
Sony X800 UHD Blu-ray

En status på UHD Blu-ray: Afspillere, film, Hollywood & formater

09 Jun 2017 | Rasmus Larsen |
YouSee 2017

Interview: YouSee om fremtiden, tv-oplevelsen, 4K, eksklusivt indhold & platforme

02 Jun 2017 | Rasmus Larsen |
Viaplay 4K sport

Viaplay streamer nu sport i krystalklar 4K-kvalitet

03 May 2017 | Rasmus Larsen |
Sport i TV

Pristjek: Her får du mest sport for pengene

02 Apr 2017 | Samlino |