OLED vs LCD

Уже в самом названии OLED (Organic Light Emitting Diode) содержатся два кардинальных отличия от LCD технологии - "органический" и "светоизлучающий". Стоит поподробнее остановиться на каждом из этих двух пунктов, чтобы понять, почему эта технология столь интересна и почему именно она оказалась следующим этапом после LCD.

Начиная с 60-х годов, микроэлектроника основывается исключительно на неорганических материалах: кремний, германий, арсенид галлия, металлические проводники из алюминия или меди, различные диэлектрики, типа того же диоксида кремния. Здесь все уже отточено от и до, расписано на десять лет вперед, и все всем известно. Тем не менее, все это время не прекращалась исследовательская работа по органическим материалам - полимерам и олигомерам, а также гибридным органическим-неорганическим соединениям. По всему спектру параметров: проводимость, полупроводниковые качества, светоизлучение. Не говоря уже о том, что органика обладает рядом интересных качеств, вроде более мягких требований к температуре окружающей среды, зачастую выдающейся гибкостью, и т.д., что открывает перед производителями электронных устройств ряд совершенно новых применений.

Впрочем, можно возразить, что органические материалы используются даже в производстве центральных процессоров в течение последних лет, и, в какой-то мере, это действительно будет справедливым: проводящие органические соединения используются в упаковке процессоров, для Intel - начиная еще с OLGA (Organic Land Grid Array), да и в литографии, в качестве фоторезистивных материалов. Имеются небезуспешные опыты использования их в качестве диэлектриков. Но это все не вспомогательные функции - транзисторы, диоды, конденсаторы: там вы органики сегодня не увидите.

Однако, с ростом проблем, встающих сегодня перед традиционной неорганической микроэлектроникой, часть из которых уже описана в нашем обзоре современных техпроцессов, вероятность того, что производители начнут обращать все больше внимания на органику, становится все выше и выше.

Однако, если начать вдаваться в подробности, то на это спокойно может уйти две-три статьи, а сейчас нас больше интересует один конкретный аспект таких материалов, а именно - тех, что обладают светоизлучающими свойствами. Пионером в их исследовании стал Eastman Kodak, чьи ученые, Chin Tang и Steve VanSlyke, еще в 1987 году издали статью "Organic electroluminiscent diodes", описывающую новый класс тонкопленочных устройств на базе органических материалов, обладающих электролюминисцентными качествами, заметно превосходящими все, что было создано в этой области ранее.

Впервые предложенная Kodak схема с двумя слоями органики между электродами вместо одного и сегодня остается основным вариантом, используемым для создания OLED устройств. Вот как она выглядела в оригинале, со стороны зрителя, слой за слоем. Естественно, все закрыто стеклом, покрытым со стороны OLED тончайшим слоем indium-tin-oxid, выступающим в роли анода. Непосредственно к нему прилегает первый органический слой, порядка 750 ангстрем (75 нм) ароматического диамина, следом идет основной, светоизлучающий слой из пленки, состоящей из соединения, принадлежащего к классу fluoriscent metal chelate комплексов. Например, 8-hydroxyquinoline aluminium. И, наконец, последним слоем в этом сэндвиче является катод, состоящий из смеси магния с серебром с атомным соотношением 10:1. Вся эта система имеет толщину менее 500 нм, вместе с задней подсветкой, каковой она, помимо всего прочего, сама и является!

При прохождении тока напряжением от 2.5 В, базовый слой начинает излучать фотоны, чей поток становится все более интенсивным по мере увеличения силы тока, усиливаясь практически линейно, и позволяя при напряжении менее 10 В получить яркость более 1000 Кд на квадратный метр, что минимум в два раза превышает соответствующий показатель сегодняшних LCD экранов (максимум же - свыше 100 000 Кд на квадратный метр). Пик интенсивности спектра приходится на 550 нм длину волны, что соответствует зеленому цвету.

Естественно, кроме явных плюсов, были и минусы. Тут и долговечность, точнее, ее отсутствие - в первоначальных опытах светимость при постоянном напряжении падала вдвое уже после 100 часов непрерывной работы, и проблемы с отдельными участками спектра, в частности, с голубым. Тем не менее, прорыв был очевиден, учитывая, что до этого для получения более-менее нормальной светимости требовалось напряжение порядка 100 В.

К решению оставшихся проблем присоединилось множество фирм (на сегодняшний день OLED занимаются порядка восьми десятков компаний и университетов), и большинство из них в той или иной мере сегодня уже можно считать решенными. Новые OLED материалы представляют из себя куда более сложные комбинации веществ, чем это было на заре их истории. Новые химические формулы базовых слоев, отдельные обогащающие добавки, отвечающие каждая за свою часть спектра - красную, синюю, зеленую...

Успехи более чем впечатляют: хотя в синем спектре последние перспективные OLED материалы и остаются наименее долговечными, тем не менее, даже в условиях синей светимости их срок жизни достигает до 10 тысяч часов. Красный и зеленый цвета дают до 40 тысяч, универсальный белый - 20 тысяч часов. Уже прилично, учитывая, что для тех же цифровых камер, к примеру, среднее время жизни экрана считается нормальным от 1000 часов. К тому же в коммерческих продуктах речь очевидно будет идти о классической схеме используемой в LCD, когда экран состоит из сплошных белых OLED излучателей, с цветными фильтрами, отвечающими за придание цвета конкретным пикселам. Но все же здесь еще есть над чем серьезно поработать.

Ко всему прочему, новые основные материалы значительно повышают и физические параметры OLED. В частности, повышая верхнюю планку диапазона рабочих температур более чем до 100 градусов по Цельсию, с прицелом на использование в автомобильной электронике и тому подобных устройствах.

Как в традиционных CRT экранах, OLED экран представляет из себя матрицу состоящую из комбинаций ячеек трех основных цветов - красного, синего, зеленого. В соответствии от того, какой цвет от него требуется - регулируется уровень напряжения на каждой из ячеек матрицы в результате чего смешением трех получившихся оттенков и получается требуемый результат. Схема до боли знакомая и привычная, но по видимому до сих пор ничего более простого и эффективного так и не придумано.

В своем развитии, OLED экраны полностью повторяют путь пройденный их предшественниками, LCD также поначалу четко делился на экраны с пассивной и активной матрицей, но потом, по мере совершенствования технологий, пассивная матрица осталась лишь в узком классе устройств с небольшой диагональю, где просто-напросто не требуется качественное изображение. OLED экраны также начали с пассивных матриц, которые прекрасно подходят, например, для экранов автомагнитол или дешевых сотовых телефонов.

Такая матрица представляет из себя простейший двухмерный массив пикселов в виде пересекающихся строк и колонок. Каждое такое пересечение является OLED диодом. Чтобы подсветить его, управляющие сигналы подаются на соответствующие строку и колонку. Чем больше подано напряжение, тем ярче будет светимость пиксела. Напряжение требуется достаточно высокое, вдобавок, подобная схема не позволяет создавать эффективные экраны, состоящие более чем из миллиона пикселов. Когда у первых ноутбуков курсор мыши, двигающийся по экрану, оставлял за собой длинный, угасающий след - вот это и есть пример пассивной матрицы.

Весьма схожи между собой у LCD и OLED принципы работы активной матрицы. Все тот же двухмерный массив из пересекающихся колонок и линий, но на сей раз каждое из их пересечений представляет из себя не только светоизлучающий элемент, жидкокристаллическую ячейку или OLED диод, но и управляющий им транзистор. Управляющий сигнал посылается уже на него, он запоминает какой уровень светимости от ячейки требуется и пока не будет дана другая команда будет исправно поддерживать этот уровень тока. И напряжение в этом случае требуется куда ниже и ячейка куда быстрее реагирует на изменение ситуации.

Понятно, что транзисторы здесь требуются не совсем обычные - они должны лечь еще одним ровным тонким слоем на все это хозяйство. Исходя из этой задачи и появился новый класс устройств - тонкопленочные транзисторы - TFT. Естественно, что как и их старшие собратья делались они из сугубо неорганических материалов, а именно - из того же привычного кремния. Немного другого разумеется: hydrogenated amorphous silicon, за счет своей физической структуры более медленного чем привычный нам по чипам однокристальный кремний, но - тут уж ничего не сделаешь. Максимум, что еще применяют для высококачественных активных матриц - это транзисторы на базе поликристального кремния.

Все это по своим механическим качествам конечно лучше чем однокристальный кремний, но все же: Идеал наступит тогда, когда до ума доведут еще одно свойство органических веществ о котором упоминалось выше - их способность образовывать полупроводниковые структуры. Хотя конечно вряд ли в обозримом будущем подобный прорыв светит для чистой органики - уж очень она медленная. Но вот органические-неорганические гибридные соединения на эту роль уже начинают претендовать. И вот это будет уже совсем другой разговор: спереди, вместо стекла - прозрачный пластик сзади вместо кварцевого субстрата характерного для кремниевых транзисторов - транзисторы органические, которые хоть на бумаге можно печатать. Благо, что их можно действительно печатать, в отличие от того же аморфного кремния, который осаживается на поверхность при 360 градусах по Цельсию. Впрочем, о будущем мы все же поговорим чуть-чуть попозже.

Так вот, свое наступление на рынок OLED экраны начали с пассивных матриц диагональю в пару дюймов и соответствующей направленностью. Разрешение мизерное, цветовая гамма близка к нулю: Не самый плохой вариант между прочим, учитывая, что в большинстве экранов подобных размеров ничего большего просто и не требуется. Вспомните какой-нибудь пульт управления кондиционером или музыкальным центром, да даже экран автомагнитолы, в конце-концов - у изображения там чисто утилитарные задачи, в подавляющем большинстве случаев дело сводится к отображению текста, но даже когда и используется графика - то это простенькие пиктограммы в пару цветов. В общем, тот случай когда лишние навороты соответствующим образом отражающиеся на цене попросту не требуются, а вот некоторые качества OLED, вроде повышенной яркости или насыщенных цветов, могут оказаться именно тем что надо. И не больше.

Впрочем, человек - существо которому любой степени совершенства будет мало, а даже если и достаточно, то продавцы которым требуется продавать свою продукцию ему объяснят, что на достигнутом успокаиваться не стоит. Так что размеры экранов в набирающих все большую и большую популярность портативных устройствах неуклонно увеличиваются, а разрешение их и цветность - столь же неуклонно растут. Причем - при одновременном снижении цены!

В результате, одновременно с распространением своего влияния на традиционные рынки где используются небольшие плоские экраны, OLED становится идеальным кандидатом для вновь появляющихся устройств. Впрочем, в Tablet PC по прежнему пока используется LCD, но можно смело предполагать, что со временем его там заменит OLED: ведь его применение позволит весьма серьезно снизить толщину, вес, и энергопотребление этих устройств, что для них весьма критично, а то, что OLED не стал использоваться в них сразу - дело даже не столько в его технических параметрах, сколько в том, что ему все же требуется еще год-другой, чтобы начался массовый выпуск и соответствующее падение цен.

Что же касается новых классов устройств, то OLED экраны вполне могут возродить такую незаслуженно забытую вещь, как шлемы виртуальной реальности. В свое время они оказались слишком дорогими, тяжелыми и со слишком маленьким разрешением, а также вообще не слишком блестящим качеством изображения. Новая технология позволит преодолеть если не все, то большинство из этих проблем. (Разве что по поводу цены нельзя дать однозначного ответа, но она будет падать). Более того, для микроэкранов носимых экранов предназначенных для просмотра "на просвет", когда информация проецируется на окружающий мир залитый солнечным светом, позволяя видеть и ее и все вокруг OLED может стать просто незаменимым, учитывая требования по яркости, измеряемые в тысячах Кд/кв. м.

Еще одним классом устройств, являющихся несомненными кандидатами на роль безоговорочных поклонников OLED, являются современные мобильные телефоны, в функции которых входит работа с изображениями (т.е. - GPRS и 3G). Сравнивать качество фотографии на маленьком LCD экране и его OLED аналоге попросту бессмысленно даже на сегодняшних OLED матрицах, использующих по сути лишь первое поколение светоизлучающей органики. Потому и демонстрируются производителями телефонов модели с OLED экранами, а производители этих экранов, совсем недавно вообще не имевшие в своем ассортименте подобное направление только на этот год планируют объемы продаж в миллионах штук.

Впрочем это все - лишь эволюция уже существующих сегодня применений плоских экранов, тогда как OLED имеет потенциал и для революционных изменений в этой сфере. Да, сегодня OLED экраны производятся на подложке из кремния, причем зачастую из кристаллического, для обеспечения требуемой производительности соединений, отвечающих за управление матрицей. Но производительность органических транзисторов постоянно растет и вот уже некоторые компании ведущие разработки в области OLED экранов, заявляют о своей долговременной ориентации исключительно на гибкие пластиковые экраны.

Хотя пока, более актуальным остается вопрос по тому, что продается в настоящее время: плоскопанельные компьютерные мониторы. Благо что OLED, уже фактически, достиг той стадии когда он может вторгнуться и на этот рынок. Своеобразным прорывом стал продемонстрированный International Display Technology (IDTech), являющейся совместным предприятием между японской IBM и крупнейшим тайваньским производителем мониторов Chi Mai прототип 20'' полноцветного монитора на базе OLED.

Компания особо подчеркивает тот факт, что ей удалось создать матрицу с управляющими структурами на базе аморфного, а не поликристаллического кремния - во-первых, относительно дешевого, по крайней мере по сравнению с поликристаллическим и уж тем более однокристальным кремнием, а во-вторых, широко использующегося сегодня при производстве LCD экранов, что дает возможность воспользоваться уже имеющимися линиями по их производству, а следовательно добиться, чтобы цена OLED экранов была примерно того же порядка.

Некоторые плюсы очевидны уже сегодня: это и энергопотребление, составляющее всего 25 Вт при светимости в 300 Кд/кв. м и цветопередача превосходящая по своему уровню качества даже некоторые CRT мониторы, не говоря уже о LCD. Единственный факт, по которому прототип серьезно отстает от выпускающихся сегодня LCD экранов - это, конечно, разрешение матрицы: 1280х768 пикселов для 20'' диагонали явно маловато.

Тем не менее, радует сам факт достижения подобных размеров, пусть даже на уровне прототипов - ведь совсем недавно еще подобная диагональ была чем-то совершенно фантастическим. А сегодня - уже прототип и Chi Mei у которой уже в следующем году будет возможность производить такие матрицы в коммерческих объемах. Впрочем одна Chi Mei с неизвестно какими производственными мощностями выделенными под такое дело - еще не показатель, а вот то что в следующем году сразу несколько крупных производителей будут в состоянии производить 15-17'' OLED экраны - это уже куда более обнадеживающий факт. Хотя быть в состоянии и мочь - это все же несколько разные вещи.

Да и впрочем таких монстров сегодня все же немного: Samsung SDI теоретически способный делать 15'' экраны с разрешением 1024 х 768, совместное предприятие Sanyo и Kodak, с экраном в 15'' и разрешением 1280х720, совместное предприятие Toshiba и Matsushita с 17'' матрицей с разрешением 1240х768 и наконец пресловутая ID Tech (читай - Chi Mei и IBM) с 20'' экраном, с физическим разрешением 1280х768 пикселов. Пока что чисто с потребительской точки зрения одним из наиболее привлекательных выглядит экран от Samsung, обладающий наивысшим разрешением среди представленных вариантов. К тому же, со вполне привычным соотношением диагональ/разрешение для пользователей компьютерных мониторов. В общем - прямо хоть сейчас на стол.

Тем не менее, в практическом смысле, компании мало чем есть похвастаться- не отмечается даже публично продемонстрированных прототипов. Впрочем, в какой-то мере это и понятно, учитывая, что всерьез OLED Samsung начал заниматься лишь в 2000 году, запустив так называемый "i-Project" и то пока - больше в приложении к мобильным телефонам, с экранами в 1.5-2''.

А в феврале этого года Samsung стал сотрудничать с Vitex Systems, известной своей фирменной технологией Vacuum Polymer Technology (VPT). То во что вкладывает деньги Samsung называется Barrier Engineering Program, но суть от этого не меняется - задачей является разработка методов защиты субстрата от окисления кислородом, воздействия воды, и прочих подобных факторов, от которых обычно спасает стекло, которое многим хорошо кроме например гибкости. Вот Vitex и предлагает наносить непосредственно на OLED матрицу слой из полимеров и керамической пленки, защищающий их не хуже стекла, но в то же время, абсолютно гибкий.

Сначала неравномерный рельеф OLED экрана заливается тонким слоем жидкости-мономера, чья поверхность естественно будет являться абсолютно ровной. Потом этот мономер полимеризуется, переходя в твердое состояние, а сверху на него наносится необходимое число защитных слоев полимеров и керамики. За счет того, что их подложка доведена до абсолютно ровного состояния, защита получается весьма надежной, и все это - при общей ее толщине всего лишь не более трех микронов. Т.е. куда тоньше и легче, чем стекло.

Из интересных фактов озвученных при заключении этого соглашения Vitex, можно привести также и то, что обе компании работают над тем, чтобы выйти на рынок с полноцветными OLED экранами к концу следующего года. Которые опять же, по их словам, могут быть вдвое легче и тоньше сегодняшних LCD.

Впрочем реально, по общему мнению, до того уровня сочетания технологии и цены, когда он будет в состоянии заменить LCD мониторы, OLED дойдет лишь лет через десять, до той же поры мы будем наблюдать плавный рост диагонали - от мобильных телефонов и прочих подобных вещей, через PDA, к Tablet PC и портативным DVD проигрывателям, с диагональю дюймов в 10.

Однако, на одних компьютерных мониторах свет клином не сошелся, и параллельно будет развиваться направление пластиковых экранов. Где транзисторы, матрица и покрытие - все полностью представляет из себя царство полимеров, гибких и вездесущих, что откроет для компьютеров совершенно новые, недоступные им сегодня рынки.

К примеру, электронная газета. Лист пластика, не менее гибкого чем сегодняшний лист бумаги, со встроенной в него схемой беспроводного доступа к Internet, к последним выпускам разнообразных изданий, простая схема навигации, и конечно великолепное качество изображения, позволяющее оценить всю прелесть цветных фотоиллюстраций к статьям.

Или обои, или скажем шторы. Ведь, если не зацикливаться на способности отображать четкую информацию с высокими разрешениями, то в случае подобного применения, OLED может стать новым нетрадиционным источником равномерного освещения для помещений, заменив собой лампы под потолком, причем с регулируемыми свойствами, от оттенка света, до конкретного узора на своей поверхности. В несколько более отдаленном будущем, когда технологии позволят достичь высоких разрешений и на OLED экранах с диагональю в несколько метров, такая стена сможет с легкостью превратиться при желании в телевизор или мультифункциональное информационное устройство, позволяющее одновременно отражать как один или видеопотоков, так и относящиеся к ним данные.

Или, к примеру, что вы скажете о сегодняшнем мобильном телефоне с доступом в интернет, но где вам не потребуется разбирать информацию на экране в пару дюймов, а можно будет просто вытащить и развернуть полноценный, с диагональю дюймов на 10? Кредитной карте, чья лицевая поверхность представляет из себя один сплошной OLED экран, позволяющий проводить операции со счетом? (Что-то подобное, в несколько более скромных масштабах, продемонстрировано Siemens еще в 1999 году).

Да что говорить, если OLED, благодаря своей яркости свечения, рассматривается даже в том числе и в качестве разметки для взлетно-посадочных полос? А если вспомнить еще и то, что потенциально этот класс материалов может быть использован и для создания элементов занимающихся обратным процессом превращая световую энергию (солнечный свет, в частности) в электричество, картинка становится еще более заманчивой. Производители не зря вкладывают сегодня в эту технологию сотни миллионов долларов в год - в ближайшие годы она даст им рынок, объем которого будет измеряться в десятках миллиардов.

Данный материал будет опубликован в журнале Иллюминатор.