Органические светоизлучающие диоды. Органические светодиоды (OLED): инновационные источники света будущего

Что такое органические светодиоды (OLED). Как устроены OLED-панели. Каковы преимущества OLED перед обычными светодиодами. В чем особенности гибких OLED (FOLED). Какие перспективы у OLED-технологии в сфере освещения.

Что такое органические светодиоды (OLED) и как они устроены

Органические светоизлучающие диоды (OLED) представляют собой инновационный тип источников света, в которых излучение происходит за счет органических (углеродсодержащих) полупроводниковых материалов. В отличие от традиционных светодиодов (LED), являющихся точечными источниками, OLED изготавливаются в виде плоских панелей, обеспечивающих равномерное рассеянное освещение.

Типичная структура OLED-панели включает следующие основные компоненты:

• Подложка (стеклянная или пластиковая)
• Прозрачный анод
• Слои органических материалов
• Катод

При подаче напряжения между анодом и катодом через органические слои протекает ток, вызывающий их свечение. Для получения белого света обычно комбинируют красные, зеленые и синие излучающие материалы.

Ключевые преимущества OLED-технологии в сравнении с LED

OLED-панели обладают рядом уникальных характеристик, выгодно отличающих их от традиционных светодиодов:

• Рассеянный свет без бликов и теней
• Сверхтонкая конструкция (толщина менее 1 мм)
• Возможность создания гибких и прозрачных панелей
• Низкое энергопотребление
• Отсутствие вредного ультрафиолетового и инфракрасного излучения

Благодаря этим свойствам OLED открывают принципиально новые возможности для дизайна осветительных приборов и интерьерных решений.

Гибкие органические светодиоды (FOLED): революция в дизайне электроники

Особый интерес представляют гибкие органические светодиоды (FOLED), изготавливаемые на пластиковых или металлических подложках. Они сохраняют работоспособность даже при многократном сгибании или скручивании, что открывает широкие перспективы для создания инновационных устройств:

• Сворачиваемые в рулон дисплеи
• Гибкая электронная бумага
• Дисплеи, встраиваемые в одежду
• Осветительные панели, принимающие произвольную форму

Уже продемонстрированы прототипы FOLED-дисплеев, которые можно свернуть в трубочку диаметром с карандаш. Такие устройства могут произвести настоящую революцию в сфере потребительской электроники.

Применение OLED-технологии в сфере освещения

OLED-панели обладают большим потенциалом для использования в качестве источников общего освещения. Их ключевые преимущества в этой сфере:

• Мягкий рассеянный свет, не требующий дополнительных рассеивателей
• Возможность создания светильников любой формы и размера
• Высокая энергоэффективность (до 85 лм/Вт)
• Отличная цветопередача (индекс CRI > 90)
• Длительный срок службы (30 000 — 50 000 часов)

Уже сегодня на рынке представлены коммерческие OLED-светильники различного дизайна, включая гибкие и прозрачные модели. По мере снижения стоимости OLED-панелей их применение в сфере освещения будет стремительно расширяться.

Текущее состояние и перспективы развития OLED-технологии

На сегодняшний день OLED-технология достигла впечатляющих результатов:

• Эффективность панелей достигла 85 лм/Вт
• Срок службы увеличился до 30 000 — 50 000 часов
• Появились модели с высокой яркостью
• Разработаны гибкие и прозрачные панели

Однако основным барьером для широкого внедрения OLED остается их высокая стоимость. Для того чтобы OLED-освещение стало коммерчески конкурентоспособным, цена панелей должна снизиться примерно в 10 раз — с текущих 100 долларов до 10 долларов за килолюмен.

Инновационные разработки российских ученых в области OLED

Российские исследователи также вносят значительный вклад в развитие OLED-технологии. Научная группа, включающая специалистов из ведущих институтов РАН, добилась ряда впечатляющих результатов:

• Созданы новые органические светящиеся красители
• Разработана технология производства OLED-структур с одним излучающим слоем
• Получен свет, близкий по спектру к солнечному, без использования синего компонента
• Достигнута рекордно низкая цветовая температура при высокой яркости

Эти разработки открывают путь к созданию безопасных для глаз и энергоэффективных источников белого света на основе OLED-технологии.

Проблемы и вызовы в развитии OLED-технологии

Несмотря на значительный прогресс, перед разработчиками OLED-устройств все еще стоит ряд серьезных проблем:

• Деградация органических материалов под воздействием кислорода и влаги
• Сложность герметизации гибких OLED-панелей
• Хрупкость прозрачных электродов на основе оксида индия и олова
• Высокая стоимость производства

Для решения этих проблем ведутся интенсивные исследования новых материалов и технологий. В частности, изучаются возможности применения углеродных нанотрубок в качестве альтернативы традиционным электродам.

Перспективные направления исследований

Основные усилия исследователей сосредоточены на следующих направлениях:

• Разработка более стабильных и эффективных органических материалов
• Создание надежных барьерных покрытий для защиты от влаги и кислорода
• Оптимизация многослойной структуры OLED для повышения эффективности
• Разработка методов массового производства для снижения стоимости

Успехи в этих областях позволят преодолеть существующие ограничения и раскрыть полный потенциал OLED-технологии.

Возможные сценарии развития рынка OLED

Эксперты рассматривают несколько возможных сценариев развития рынка OLED-устройств:

1. Быстрый рост и вытеснение LED в сегменте премиальных осветительных приборов
2. Постепенное проникновение в массовый сегмент по мере снижения стоимости
3. Ограниченное применение в нишевых продуктах с уникальным дизайном

Реализация того или иного сценария будет зависеть от темпов технологического прогресса и экономических факторов.

Заключение: OLED как технология будущего

Органические светодиоды представляют собой революционную технологию, способную коренным образом изменить наше представление об освещении и дисплеях. Уникальные свойства OLED, такие как гибкость, прозрачность и возможность создания источников света произвольной формы, открывают невиданные ранее возможности для дизайнеров и инженеров.

Хотя на пути широкого внедрения OLED все еще существуют определенные технические и экономические барьеры, интенсивные исследования и разработки в этой области позволяют с оптимизмом смотреть в будущее. По мере совершенствования технологии и снижения стоимости производства OLED имеют все шансы стать доминирующим типом источников света и дисплеев в ближайшие десятилетия.

Развитие OLED-технологии не только обещает революцию в сфере освещения и электроники, но и открывает новые горизонты для создания энергоэффективных и экологичных решений, способствующих устойчивому развитию нашего общества.

Органические светодиоды сделали максимально приятными и безопасными для глаз

30 декабря, 2019 11:15

Источник: Пресс-служба РНФ

Российские ученые создали новые материалы и прототип светоизлучающего устройства, обладающие рядом уникальных характеристик. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и опубликована в журнале Chemical Communications. Результаты, полученные научной группой, могут быть использованы для создания компактных и энергоэффективных источников света.

Поделиться

У органических светоизлучающих диодов (OLED) есть значительные преимущества перед наиболее распространенными в настоящее время полупроводниковыми светодиодами (LED). Производство таких устройств технологически простое, а излучающие свет поверхности на их основе весят совсем немного и обладают отличной гибкостью. Для создания органических светодиодов используются тонкопленочные многослойные структуры.

Сегодня белый свет практически всех качественных источников, как LED, так и OLED, формируется из трех цветов (RGB — красный, зеленый и синий), а менее качественных — из комбинации двух, обычно синего и желтого. Это приводит к тому, что в излучении таких устройств всегда присутствует избыток синего, которое, как было доказано рядом медицинских исследований, отрицательно действует на организм человека в целом и может вызывать повреждение сетчатки глаза. Поэтому перед учеными стоит задача создания безопасных источников белого света, похожих по спектральному составу на привычный всем нам свет солнца.

Научная группа, в которую входят исследователи из Физического института РАН имени П. Н. Лебедева, Института органической химии РАН имени Н. Д. Зелинского (лаборатория проф. О. А. Ракитина) и Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева (группа под руководством проф. И. Х. Аветисова), приблизилась к решению проблемы. Ученым удалось синтезировать особые органические светящиеся красители и подобрать остальные компоненты вспомогательных слоев таким образом, что при достаточной яркости (порядка 1000 кд/м2, что примерно в 4 раза ярче стандартного экрана монитора) OLED-структуры излучают приятный для глаза и безопасный свет, похожий по спектральному составу на свет свечи или солнца на закате. При этом слои с синим светом свечения использованы не были. Существенным преимуществом разработанных устройств является относительная простота конструкции — один излучающий слой вместо 3–4, используемых при RGB-схеме. Тепловая температура светодиода может быть настроена в широких пределах за счет оптимизации состава слоев и дополнительно за счет изменения параметров электропитания.

«Мы получили рекордно низкую цветовую температуру светодиода при сохранении достаточной яркости. Более того, мы не использовали металлы платиновой группы, которые в настоящий момент являются стандартом для цветных OLED-дисплеев и световых панелей, а заменили их дешевыми аналогами, — комментирует Илья Тайдаков, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник ФИАН. — Технология OLED продолжает обращать на себя все больше и больше внимания как замечательная альтернатива существующих источников света. В частности, многие мировые эксперты видят в OLED-технологии ближайшее будущее цветного телевидения и адаптивных технологий архитектурного освещения».

Теги

Пресс-релизы

Гибкие органические светодиоды — эволюция электроники.

Гибкие органические светодиоды (FOLED) – подвид органических светодиодов (OLED), состоящих из гибкой пластиковой подкладки, на которой располагается электролюминесцентный органический полупроводник. Это позволяет устройству оставаться в работе, даже если оно согнуто или скручено. Находясь сегодня в центре внимания исследовательских академических и промышленных групп, гибкие органические светодиоды формируют способ производства сворачиваемых в рулон дисплеев.

Органические светодиоды излучают свет за счет электролюминесценции тонких (толщина – около 100 нм) пленок органических полупроводников. Обычные органические светодиоды обычно создаются с использованием стекла в качестве подложки, но при замещении стекла такими гибкими пластиками, как, в том числе — полиэтиленовый терефталат (ПЭТ), они могут быть одновременно гибкими и легкими.

Такие материалы могут не подходить для аналогичных устройств на основе неорганических полупроводников из-за потребности в согласовании постоянных кристаллических решеток и подразумеваемой высокой температуры производственного процесса.

По сравнению с ними, гибкие органические светодиоды могут производиться при помощи нанесения органического слоя на подкладку способом, производным от струйной печати, что позволяет недорого производить печатную электронику посредством метода «рулон за рулоном».

Гибкие органические светодиоды могут применяться при производстве сворачиваемых в рулон дисплеев, электронной бумаги или гибких дисплеев, которые можно вшить в одежду, обои или любые другие искривленные поверхности. Прототипы, которые можно свернуть в трубочку шириной с карандаш, уже были продемонстрированы такими компаниями, как «Sony».

Недостатки

Как сам гибкий материал, так и процесс сворачивания устройства дают нагрузку на материалы. Это может остаточная нагрузка из-за размещения слоев на гибкой подкладке, тепловая нагрузка из-за различных коэффициентов теплового расширения материалов устройства, а также – внешние нагрузки из-за сворачивания устройства.

Нагрузка на органические слои может понизить эффективность или яркость устройства при деформации, или причинить выход из строя всего прибора. Оксид индия и олова, чаще всего применяемый в качестве проницаемого анода, хрупкий. Разрушение анода может привести к росту сопротивления оксидного слоя или разрушению слоистой структуры органического светодиода. Хотя ОИО – самый распространенный и изученный материал для органического светодиода, сейчас ведутся исследования в поиске альтернативных материалов для гибких устройств, в их числе – углеродные нанотрубки.

Еще одной проблемой устройств с гибкими органическими светодиодами является инкапсуляция. Материалы для светодиодов чувствительны к воздуху и влаге, что ведет к деградации самих материалов, а также – гашению возбужденных состояний в молекуле. Распространенным методом инкапсуляции обычных органических светодиодов является запечатывание органического слоя между слоями стекла. Методы гибкой инкапсуляции часто не слишком эффективны в качестве барьера для воздуха и влаги, в отличие от стекла, и нынешние исследования направлены на улучшение инкапсуляции гибких органических светодиодов.

Гибкие OLED (FOLED) — Universal Display Corporation

Одним из многих преимуществ OLED является возможность изготовления на жестких (стеклянных) или гибких подложках. Мы работаем над рядом технологий, необходимых для изготовления OLED на гибких подложках или FOLED. FOLED — это OLED, построенные на нежестких подложках, таких как пластик или металлическая фольга. Это повышает долговечность и позволяет принимать определенные формы и даже многократно изгибаться, скручиваться или изгибаться. FOLED, все еще находящиеся в зачаточном состоянии, откроют ряд новых возможностей дизайна для индустрии дисплеев и освещения. Представьте, что у вас есть мобильный телефон, который выглядит как ручка, но имеет яркий полноцветный дисплей, который выдвигается и выдвигается для использования. Мы называем это Universal Communication Device™ (UCD). Дайте волю своему воображению, какими могут быть потребительские товары и осветительные приборы, в том числе складной смартфон, который можно развернуть в дисплей планшета, телевизор, который можно свернуть в карман, и удобные прозрачные панели внутреннего освещения, которые невозможно сломать. Мы полагаем, что эти идеи дают лишь возможность заглянуть в чудеса и возможности, которые порождают FOLED.

История. В конце 1990-х годов наш партнер по исследованиям из Принстонского университета обнаружил, что OLED-дисплеи с малыми молекулами можно создавать на гибких подложках, таких как тонкий пластик. С тех пор наша команда руководила разработкой этой очень интересной технологии нового поколения.

Предлагая возможности отображения высококачественного экрана, обеспечивая при этом исключительную компактность, когда он не используется, FOLED также предлагают уникальные характеристики производительности, недоступные для современных ЖК-дисплеев. Для использования в освещении FOLED также могут обеспечить некоторые значительные преимущества по сравнению с обычными лампами накаливания и люминесцентными лампами. Преимущества FOLED:

• Тоньше и легче. Созданные на основе очень тонкой пластиковой или металлической фольги, FOLED могут быть намного тоньше и легче, чем ЖК-дисплеи с подсветкой и другие дисплеи, представленные сегодня на рынке. Таким образом, сотовые телефоны, портативные компьютеры, настенные телевизоры и другие устройства с дисплеями также могут быть легче и меньше. Кроме того, технология FOLED может упростить установку белых осветительных плиток OLED в большем количестве настроек и создать новые возможности использования в архитектуре, которые невозможны с сегодняшними люминесцентными лампами и лампами накаливания.
• Более прочный, безопасный и ударопрочный. Разбивание стекла является основной проблемой продуктов, содержащих дисплеи, и ключевой проблемой безопасности в области освещения. FOLED на пластиковой и металлической основе практически устраняют эти проблемы, создавая очевидные преимущества как для дисплеев, так и для освещения.
• Гибкость — в зависимости от толщины и внутренних свойств гибкой подложки FOLED-дисплеи могут изгибаться, приспосабливаться, скручиваться и складываться. По мере дальнейшего развития FOLED будут постоянно изгибаться для использования в таких продуктах, которые концептуализируются как UCD.
• Экономичность. В настоящее время в производстве органических светодиодов обычно используются технологии, основанные на последовательной обработке отдельных стеклянных панелей. Предполагается, что с гибкими носителями, которые обычно изготавливаются в рулонном формате (например, бумажные рулоны), производство FOLED может развиваться в сторону более высокой пропускной способности, процессов с рулона на рулон, которые обычно используются в полиграфической промышленности. Это может стать основой для действительно дешевого массового производства.

Основы OLED | Министерство энергетики

Твердотельное освещение

OLED — это органические светодиоды, а это означает, что их ключевыми строительными блоками являются органические (то есть углеродсодержащие) материалы. В отличие от светодиодов, которые представляют собой точечные источники света, OLED изготавливаются в виде пластин, которые представляют собой источники света с рассеянной площадью. OLED-технология быстро развивается, и есть несколько предложений продуктов с характеристиками эффективности, срока службы и качества цвета, которые сопоставимы с их светодиодными аналогами. Тем не менее, OLED все еще находятся в нескольких годах от широкого использования в качестве источника общего освещения, в основном из-за их высокой стоимости.

Структура OLED

OLED — это твердотельное устройство, состоящее из тонкого слоя полупроводника на основе углерода, который излучает свет при подаче электричества соседними электродами. Чтобы свет выходил из устройства, хотя бы один из электродов должен быть прозрачным. Интенсивность излучаемого света регулируется количеством электрического тока, подаваемого электродами, а цвет света определяется типом используемого излучающего материала. Для создания белого света в большинстве устройств используются красные, зеленые и синие излучатели, которые можно расположить в нескольких конфигурациях, как показано ниже.

Преимущества органических светодиодов

Потенциал энергосбережения органических светодиодов такой же, как у светодиодов, но эти две технологии во многом различаются. Во-первых, в то время как светодиоды являются концентрированными источниками яркого света, OLED могут быть сконфигурированы как более крупные и рассеянные источники света, чей мягкий свет можно наблюдать напрямую, что устраняет необходимость в шторах, рассеивателях, линзах, жалюзи или параболических оболочках. Рассеянный свет от OLED позволяет использовать их очень близко к рабочей поверхности, не создавая бликов для пользователя, а это означает, что можно использовать меньше общего света для достижения желаемых уровней освещенности. А OLED-дисплеи можно сделать очень тонкими, что повысит их привлекательность и позволит легко прикреплять к поверхностям стен и потолков. Это, в сочетании с рассеянным характером освещения OLED, может позволить создать совершенно новый тип света и осветительных приборов, которые будут одновременно привлекательными и высокоэффективными. OLED также могут иметь практически любую форму, могут быть нанесены на гибкие подложки и могут быть прозрачными, излучающими свет с обеих сторон устройства — функции, которые значительно расширяют возможности дизайна, позволяя получить совершенно новый опыт освещения.

Коммерческие OLED-предложения (слева направо: фотографии любезно предоставлены Visa Lighting, Aerelight и Acuity Brands Lighting)

Гибкие OLED-панели с эффективностью >60 лм/Вт имеются в продаже и иллюстрируют гибкие возможности дизайна технологии. (Фото предоставлено OLEDWorks)

Будущее OLED

OLED для общего освещения находятся на критической стадии. OLED «панели» (светоизлучающие устройства, используемые для создания светильника) с эффективностью 85 лм / Вт и индексом цветопередачи > 9.0 доступны. То же самое можно сказать и о панелях с высокой яркостью, которые позволяют использовать устройства меньшего размера с теми же уровнями светоотдачи. Срок службы OLED-панелей также увеличивается: многим продуктам требуется 30 000–50 000 часов использования, прежде чем светоотдача снизится до 70 процентов от исходного значения. Но эти достижения не устраняют основной барьер для внедрения OLED на рынок, а именно стоимость. Текущая цена OLED-панели составляет около 100 долларов США за километр. Проекты DOE Solid-State Lighting Opportunities документируют проекты, согласно которым для того, чтобы OLED-освещение стало коммерчески жизнеспособным, стоимость панелей должна снизиться примерно до 10 долларов за 1 клм.