Яркое будущее OLED

Каждый, кто хотя бы немного интересуется современными высокими технологиями, наверняка слышал про OLED-экраны в смартфонах и телевизорах. Но мало кто знает, что эта самая «модная» на сегодня технология появилась на свет ещё в 1987 г. в исследовательских лабораториях компании Kodak. Там попытались скопировать природу, создавшую светящихся глубоководных рыб, светляков и другие самосветящиеся организмы.

Органический светодиод (Organic Light-Emitting Diode, OLED) - это люминесцирующий тонкоплёночный компонент из органического полупроводникового материала. Поскольку для изготовления таких источников света не требуется выращивать кремниевые кристаллы, OLED-структуры можно просто «печатать» на специальных струйных принтерах или офсетных машинах. Они тоньше традиционных светодиодных элементов, потенциально дешевле, а также могут быть гибкими, но пока менее долговечны.

Заманчивые картины

Вероятно, OLED - источники света будущего. Светящаяся аэрография на кузовах автомобилей, переливающиеся всеми цветами радуги стены в гостиной или буквально сияющий белизной потолок в кухне, красочные рекламные щиты - всё это скоро станет реальностью. В рамках европейского проекта TREASORES уже созданы гибкие прозрачные электроды - основа для производства гибких рулонных OLED. Недалеко время, когда в магазинах появятся рулоны светящихся обоев.

Главное преимущество OLED-светильников - мягкое и ровное освещение по всей поверхности, без отдельных ярких точек, как в традиционных осветительных приборах, в том числе светодиодных лампах. Распределённое свечение даёт возможность снизить разброс в качестве освещения, обеспечив одинаковый комфорт для работы или отдыха в любой точке помещения.

Кроме того, OLED-освещение благоприятно сказывается на цветопередаче, что важно для фотостудий, выставочных галерей и музеев. Не последнюю роль играет и минимум ультрафиолетовой составляющей в спектре излучения таких светильников, что исключает негативное воздействие на бесценные шедевры. Дизайнеры не зря выбирают OLED-светильники: благодаря их широкой цветовой гамме существенно расширяются границы пространства, возникает глубина.

С появлением доступных OLED-источников света совершенно преобразятся интерьеры наших домов. Плоские (толщиной 1 мм и менее) и гибкие светящиеся панели разнообразной формы и цвета позволят реализовать самые смелые фантазии в световом оформлении помещений. Уже сейчас дизайнеры, пользуясь весьма ограниченным набором доступных на рынке панелей, создают уникальные футуристические проекты, о которых не могли и мечтать фантасты.

Вырываясь за рамки

Чем же примечательны органические светодиоды, и в чём их отличие от обычных светодиодов? Изготовление последних сопряжено с серьёзными трудностями: очень жёсткими требованиями к чистоте полупроводникового сырья и «капризностью» технологии. Даже сегодня, спустя полвека после начала промышленного производства светодиодов, эти трудности до конца не преодолены. Недаром на современной линии по производству неорганических светодиодных кристаллов стоимостью около 20 млн долл. на отладку технологического процесса уходит около года.

Исследователи из лаборатории Kodak, которые в 80-х годах прошлого века изобрели светодиоды на органических материалах, были исполнены оптимизма. Им казалось, что проблема получения дешёвых источников света с распределённым поверхностным излучением уже решена.

А дальше великолепное открытие, удостоенное Нобелевской премии, пошло по долгому тернистому пути от лабораторного образца до серийного изделия. Первая промышленная партия органических светодиодов была выпущена только в 1997 г. в Японии, на заводе Tohoku Pioneer. А несколько позже появились монохромные OLED-панели, рассчитанные на применение в автомобилях.

Сегодня несколько крупных светотехнических корпораций выпускают осветительные OLED-панели. В качестве примера можно назвать фирмы OSRAM, Philips, Panasonic и, конечно, LG. Энергетическая эффективность серийно выпускаемых OLED-панелей достигла 60 лм/Вт при сроке службы 40 тыс. ч. Следует отметить, что у наиболее современных светодиодных светильников эти показатели достигают 100 лм/Вт и 50 тыс. ч.

Главное препятствие на пути широкого распространения OLED-технологии в бытовом освещении - очень высокая цена изделий. Так, осветительная OLED-панель LG с размерами 100×100 мм и светоотдачей 60 лм/Вт стоит на AliExpress 12 тыс. руб.

Слой за слоем

OLED состоит из ряда тончайших слоёв. В качестве подложки используется положительный анод, который обычно изготавливается из прозрачного оксида индия и олова (ITO) в виде плёнки толщиной около 150 нм. Далее следуют гораздо более тонкий слой органического полупроводника (поли-3, 4-этилендиокситиофен полистиролсульфонат, PEDOT: PSS), светоизлучающий слой (например, флуоресцентный ярко-жёлтый), слой кальция для переноса электронов и катод, обычно изготавливаемый из алюминия.

Важно тщательно очистить подложку из ITO, потому что даже малейшие пятнышки на ней будут видны в готовом изделии - ведь каждый последующий слой имеет толщину всего несколько десятков нанометров. Конечно, чем тоньше слой, тем сложнее обеспечить его полную гомогенность при нанесении. Однако применение толстых плёнок привело бы к увеличению напряжения, необходимого для достижения той же яркости свечения.

После очистки подложка обрабатывается кислородной плазмой: она бомбардируется ионами для увеличения поверхностной энергии Гиббса, благодаря чему повышается смачиваемость поверхности, а, следовательно, и гомогенность наносимых на нее слоёв. Важно, чтобы поверхностная энергия подложки была выше поверхностной энергии наносимых на неё материалов. В противном случае будут образовываться отдельные капли, как при попытке смочить вощёную бумагу водой.

Плазменная обработка подложки - не единственная тонкость технологии. При изготовлении «чернил» (материала светоизлучающего слоя) приходится подбирать «правильный» растворитель и концентрацию, чтобы получить необходимый уровень поверхностной энергии, требуемые толщину и морфологию слоя. Не говоря уж о том, что растворитель должен быть максимально экологичным. Например, хлороформ не подойдёт из-за его вредного влияния на здоровье.

Ярко-жёлтые флуоресцентные «чернила» позволяют изготавливать OLED-элементы c тёплым, «сочным» и «живым» свечением. Эти «чернила» подготавливаются заблаговременно, не менее чем за 24 часа до нанесения - именно столько времени требуется на то, чтобы частицы красителя полностью растворились в растворителе.

Следующие слои, кальция и алюминия, в отличие от предыдущих, наносятся методом напыления. Процесс происходит в вакуумной камере, чтобы предотвратить окисление кальция. Нельзя ли было выбрать не столь легко окисляющийся металл? Дело в том, что для минимизации энергопотребления OLED требуется металл с низкой работой выхода, а все подобные элементы находятся в одной группе Периодической системы, следовательно, все они легко окисляются.

Чтобы полученные структуры сохраняли свои свойства на протяжении длительного времени, их необходимо защитить от внешних воздействий, в частности, от кислорода и влаги. Для этого поверх катода наносится ещё один, защитный, слой из прозрачной полимерной плёнки или стекла, закрепляемый специальным клеем, который затвердевает под воздействием ультрафиолетового облучения.

* * *

«Взлетит» ли OLED-технология в освещении? Пока не совсем ясно: по энергоэффективности и стоимости она уступает обычным светодиодам, а основное её преимущество - распределённое излучение с большой площади - нивелируется различными вариантами использования точечных светодиодов, в том числе созданием тканых материалов с вплетёнными световодными нитями. Будем надеяться.