OLED в осветлението

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2010

Принципи на действие и параметри на OLED за осветление, особености на панелите в редовно производство, прототипи, потенциални приложения

  На осветление се използва около 1/5 от произвежданата в света електроенергия, като намаляването й ще има безспорен икономически и екологичен ефект. Масово използваните днес енергоспестяващи лампи със студен катод имат ред недостатъци - не особено добро качество на светлината, ограничена от условията на експлоатация дълготрайност, съдържание на отровен живак и рано или късно ще последват съдбата на лампите с нажежаема нишка. Бързо навлизащите светодиодни лампи имат вградена сравнително сложна електронна схема, а "острата" им светлина не винаги е подходяща за интериорно осветлиние. В търсенето на нови, още по-добри източници, сериозни надежди се възлагат на лампите с органични светодиоди, наричани OLED лампи (OLED Lamp). Първите им опитни образци се появяват в средата на 2008 г., а реалното серийно производство започва през 2009 г. Основната им особеност е, че реално те са лампи “в две измерения”, тъй като представляват равномерно светеща повърхност с дебелина до няколко mm, която при най-тънките е малко под 1 mm (с перспективи за нейното по-нататъшно намаляване). Това определя другото наименование OLED панели (OLED Panel), което ще бъде използвано в статията. Тя е посветена на принципите на действие на OLED панелите, характерните им параметри, особеностите на панелите в редовно производство и създадените прототипи, както и характерни настоящи и бъдещи приложения.

Принцип на действие
На фиг. 1а е дадена основната структура на OLED панел. Върху стъклената пластинa (Glass Substrate) GS е нанесен прозрачен метален електрод, най-често от индиево-калаен окис ITO (използват се и Au, Ag, Cr и Mn), представляващ анода А на прибора и свързан с положителния полюс на захранващото напрежение U. Следват преносният слой за дупки (p-Hole Transport Layer) p-HTL, излъчващият слой (Emitting Layer) EML и преносният слой за електрони (n-Electron Transporting Layer) e-ETL. Най-отгоре е непрозрачният метален слой (обикновено от Al) на катода С, свързан с отрицателния полюс на напрежението U. При наличие на това напрежение, през структурата протича ток, което означава инжектиране на дупки от А в p-HTL и преминаването им в EML. Същевременно, от С се инжектират електрони в e-ETL, които също достигат до EML. Там дупките и електроните рекомбинират и съответно част от отделената при това енергия води до създаването на фотони и излъчване на светлина през подложката (долно излъчване, Bottom Emission).
В зависимост от начина на протичане на този процес съществуват два вида OLED за панели. При флуоресцентните (Fluorescent OLED) превръщането е непосредствено и теоретически най-много 25% от електрическата енергия се превръща в светлина. Независимо че тяхната реализация е добре овладяна (използва се при производството на OLED дисплеи) и сравнително евтина, енергийно тя е неефективна (най-малко 75% от енергията се превръща в топлина) и не се препоръчва за OLED панели. Във фосфоресцентните OLED (Phosphorescent OLED) PHOLED рекомбинацията протича на два етапа - най-напред за кратко време (десетина ns) се получават атоми с много голяма енергия (екситони), които след това я отдават под формата на излъчване на фотони и се превръщат в неутрални атоми. Теоретично цялата електрическа енергия може да се преобразува в светлина, към което предимство се прибавя значително по-малкото нагряване на панелите (дори в сравнение с LED лампите), поради което не са необходими радиатори за охлаждане. Засега съществуват панели с всеки от видовете OLED, както и хибридни с двата вида.
За по-нататъшно увеличаване на ефективността на преобразуването в немалко модели слоевете p-HTL и e-ETL допълнително се легират с чисти метали или техни съединения за създаване съответно на дупки и електрони, а наименованието е PIN OLED.
Слоевете p-HTL, EML и e-ETL са от органични полимери (производителите избягват да съобщават химичния им състав), а тяхната обща дебелина заедно с анода и катода е между 0,1 и 0,5 mm. Това означава, че реално дебелината на OLED панелите се определя само от носещата пластина. Освен ниската цена на полимерите, евтина е и технологията на нанасянето им, което е сериозно предимство.
Съществува и друга структура, в която върху стъклената пластина най-напред се нанася катодът и след това са органичните слоеве и прозрачният анод. Светлината пак се излъчва през последния, но това е от обратната страна на подложката и се нарича обратно или горно излъчване (Inverted Top Emission). За разширяване на приложенията е създадено видоизменение (фиг. 1б) с нанасяне върху подложката най-напред на слой от аморфен силиций с тънкослойни полеви транзистори (TFT), представляващи активна матрица (Active Matrix), върху който е останалата част.
Цветът на светлината зависи от химичния състав на EML, като са създадени полимери за трите основни цвята (червен R, зелен G и син В), използването на всеки от които означава лампа със съответния цвят. За получаване на други цветове е необходимо смесване в подходящо съотношение на трите основни цвята, което се постига чрез слойната структура (Stacked OLED) на EML на фиг. 1в. Допълнителният слой EBL (Electron Blocking Layer) не позволява евентуално преминаване на част от инжектираните електрони от e-ETL (над слоя R) в намиращия се отдолу слой p-HTL. Количеството на светлината от всеки слой е право пропорционално на неговата дебелина, което означава възможност за получаване на произволен цвят на лампата чрез подходящ подбор на дебелините на трите слоя.
Лампи с различни цветове се използват за архитектурно осветление, в реклами и други специфични приложения. Бяла светлина за класическо осветление също се получава чрез структурата на фиг. 1в и смесване в подходящо съотношение на трите основни цвята, което е известно като White Emission by R-G-B. Чрез неговата промяна може да се получи желан нюанс – топъл бял цвят (Warm White) с цветна температура между 2600 и 3700 К, неутрално бял (Neutral White) с температура 3700-5000 К и студено бял (Cool White) от 5000 до 10 000 К. Някои производители наричат топъл цвета между 2750 и 4500 К, а този от 4750 до 6750 – чист бял цвят (Pure White). Засега производството на фосфоресцентни полимери за син цвят е трудно и скъпо, но този недостатък вероятно скоро ще бъде преодолян.
Води се сериозна изследователска работа и са създадени лабораторни модели и опитни образци на OLED панели с подложка от гъвкава прозрачна пластмаса. Анодът и катодът им са от ITO и също са прозрачни, което позволява излъчване на светлината в двете посоки, докато без приложено напрежение панелите пропускат 60-75% от околната светлина. Това качествено различно свойство от останалите източници на светлина е предпоставка за нови приложения, например поставянето на панелите върху стъклата на прозорци ги превръща вечер в лампи. Освен това панелите могат да се огъват в желана форма за получаване на осветително тяло, както и да се продават навити на руло. Не по-малко важни са успешните лабораторни разработки за формиране на цялата структура чрез печатане върху гъвкавата подложка, подобно на това при мастиленоструйните принтери. Особено много се разчита на създаването на гъвкави фосфоресцентни панели от този тип (Printable Phosphorescent OLED) P2OLED.
Промяната на захранващото напрежение води до изменение (в същата посока) на броя на рекомбиниралите дупки и електрони и съответно на интензитета на светлината, което означава реализация на димиране. Напълно възможно е наслагването върху основата на три структури от вида на фиг. 1а, всяка със собствено захранване и излъчваща един от основните цветове. Резултатът от това е получаването на OLED панели с регулируем цвят.
Постояннотоковото захранване на OLED панелите задължително осигурява свързването им в права посока (полярността на напрежението U на фиг. 1а), докато свързването в обратна посока е забранено поради опасност от повреда.

Основни параметри
Подобно на другите оптоелектронни прибори има три групи параметри на OLED панелите. Първият от групата на оптичните параметри е осветеността (Luminance) L, показваща интензитета на светлината в кандели (cd) от площ 1 m2. Тя е линейно нарастваща функция на постоянния ток IF на панела, което обуславя прецизния характер на споменатото димиране. За получаване на неизменен интензитет е необходимо захранване от източник на ток. Типичните стойности на L са между 250 и 1000 cd/m2, но има прототипи до 4000 cd/m2. Практически, панелите не са равномерно осветени, което се оценява чрез параметъра равномерност на осветеността (Luminance Uniformity) LU, определяна като 100[1-(Lmax - Lmin)/(Lmax + Lmin)], %, където Lmax и Lmin са най-голямата и най-малката осветеност на точка от панела.
Светлинната ефективност (Luminous Efficacy, Power Efficiency) LE е мярка за преобразуването на електрическата енергия в светлина. Измерва се в lm/W и представлява големината на светлинния поток от панела в лумени при консумирана от него електрическа мощност. По принцип, LE е по-голяма при едноцветните панели, където е в границите на 15 до 60 lm/W, но при лабораторни модели са достигнати стойности от 120 lm/W (лампите с нажежаема нишка имат 10-20 lm/W, флуоресцентните лампи са с 60-100 lm/W, а светодиодните обикновено с 50-80 lm/W). Същото преобразуване понякога се оценява чрез ефективността на преобразуването на тока (Current Efficiency) с мерна единица
cd/A, показваща интензитета на светлината в cd, получавана от ток през панела 1 ампер.
Цветът на светлината се оценява както при други източници на светлина, чрез цветната температура (Color Temperature) ССТ и цветовите координати (Chromaticity Coordinates) x/y. За оценка на нюанса на белия цвят възможните координати са разделени в 48 групи (фиг. 2), всяка от които се означава с цифра и буква. Например група 7Q има х между 0,412 и 0,423 и у от 0,393 до 0,410. Спектралната характеристика (Relative Spectral Emission) има същия смисъл, както при другите източници на светлина, като показва относителната интензивност на светлината в зависимост от дължината на вълната. Пример за нейния вид е даден на фиг. 3 и тя се отнася за панела с бял цвят в ред 2 на табл. 1. Коефициентът на възпроизвеждане на цветовете (Color Rendering Index) CRI показва доколко точно панелът възпроизвежда цветовете - в идеален случай той е 100, реалните му стойности за намиращите се в производство OLED панели са между 75 и 82, докато при прототипите достига до 94. И последният оптичен параметър е ъгълът на излъчване (Viewing Angle) 2j, като j е ъгълът спрямо перпендикуляра към панела, при който интензитетът на светлината намалява наполовина. Понякога ъгълът се отбелязва с ±j.
Втората група са електрическите параметри, първият от които е напрежението в права посока VF, измервано при определен ток в права посока IF. Точната връзка между двете величини се дава с волтамперната характеристика на панела, която е подобна на тази на обикновените светодиоди. Пример е даден на фиг. 4, която е на полимер с червен цвят, използван в панелите на Novaled. Вижда се, че вместо IF по ординатата е неговата стойност за площ 1 cm2, тъй като характеристиката е в сила независимо от площта на панела. Стойността на VF е 2,5 V при ефективност на преобразуването на тока 10 cd/A, а от характеристиката се вижда, че напрежението е при ток 10 mA/cm2. Цветовите координати са 0,66/0,34 и измерването е направено при интензитет на светлината 1000 cd/m2.
Третата група са максимално допустимите параметри – максимален ток на панела IFmax, работен температурен обхват (засега по-тесен от този на класическите полупроводникови прибори) и относителната влажност RH на околния въздух. Последната също е в сравнително по-тесни граници, тъй като заедно с кислорода във въздуха променя параметрите на полимерите. За намаляване на последното влияние готовата конструкция задължително се покрива с предпазен слой.
Извън тези три групи са геометричните размери на панела, неговото тегло и експлоатационен срок. Последният е между 5000 и 10 000 часа на масово произвежданите панели и до 30 000 часа на новите прототипи (при флуоресцентните лампи той е 5000 - 10 000 часа, а на светодиодните достига 70 000 часа), като по принцип стойността му нараства с намаляване на интензитета на светлината и увеличаване на температурата. Има и някои изключения – срок 105 часа на панел на Novaled със структура на слоевете на фиг. 1в. Експлоатационният срок се определя при намаляване наполовина на интензитета на излъчваната светлина. Червените и зелените полимери имат значително по-дълъг експлоатационен срок – при някои лабораторни образци за червена светлина той е 106 часа.

OLED панели в редовно производство
Дадени са в табл. 1, като този в ред 1 е с бял цвят и се предлага в комплект с мрежов адаптер и контролер (фиг. 5). Панелът в ред 2 (фиг. 6а) е с топъл бял цвят и може да се използва както самостоятелно, така и за реализация на осветителни тела (фиг. 6б). Изводите на панела са метализирани островчета – анодът е на две от срещуположните страни, а катодът е на другите две. Свързването се прави чрез пружинни контакти, а не със запояване.
Ред 3 на табл. 1 реално съдържа данни за серия панели с кръгла, квадратна, правоъгълна, триъгълна и шестоъгълна форма, като последните освен бял имат червен и син цвят. Дадената стойност на LE е за произвежданите през 2009 г., като според производителя се очаква нейното удвояване на всеки 2-3 години, за да достигне до 140 lm/W. За едновременно захранване на 4 панела с неизменен ток се предлага мрежов адаптор. Външният вид на два от панелите е показан на фиг. 7а,б, а на фиг. 7в е осветително тяло с квадратни панели. В рамките на серията има и декоративни панели, пример за какъвто е показан на фиг. 7г.

Прототипи на OLED панели
Белите OLED панели от ред 1 на табл. 2 са гъвкави, експлоатационният им срок е практически равен на този при флуоресцентните лампи, а серийното производство се очаква да започне през 2011 г. Даденият в ред 2 прототип е на Lumiotec, а външният вид на лампа с три такива панела е на фиг. 8. В ред 3 са два примера за прототипи на OLED панели с най-добрите засега параметри от Novaled. Компанията е създала и прототип на бял панел, съответстващ на международно приетите изисквания за осветление, данни за който има в ред 4 на табл. 2.
OLED лампата "без сянка" (ред 5) създава толкова дифузна светлина, че осветяваните предмети реално не хвърлят сянка. Нейната светлина може да се променя чрез димиране от няколко стотици cd/m2 до стойността в табл. 2 и същевременно може да се използва като фотосветкавица с интензивност 105 cd/m2. В ред 6 са основните параметри на гъвкави ленти с бял цвят, които са няколко пъти по-тънки и леки от класическите OLED и допускат радиус на огъване 25 mm.
В ред 7 на табл. 2 е представен фосфоресцентен панел на компанията Universal Display с голяма интензивност на светлината, с 5 броя от който е реализирано лентово тяло за автоматично осветяване на шкафове и чекмеджета при отварянето им. Последният ред съдържа данни за P2OLED панели с червен и зелен цвят.
Голямото значение, което се отдава на разработването на OLED осветление се потвърждава от множество факти. Японският изследователски институт за органична електроника RIOE е създал прозрачни панели с L = 5000 cd/m2, LE = 15 lm/W и три разновидности на тяхната бяла светлина (ССТ има стойности 3300 К, 4000 К и 5000 К), които в неактивирано състояние пропускат 70-75% от околната светлина.
През 2008 г. стартира европейският проект OLED100 в рамките на 7-а рамкова програма. Той е с продължителност 3 години и 15 участници, между които Philips, OSRAM Opto Semiconductors и Novaled. Стойността на проекта е 20 млн. евро, а основната цел е реализация на OLED за осветление с LE = 100 lm/W, експлоатационен срок 100 000 часа, размер на панелите 1x1 m и цена до 100 евро на кв. метър.
През октомври 2009 г. групата Zumtobel и институтът Fraunhofer IMPS в Дрезден създават компанията Ledon OLED Lighting, стартирала с разработката на прозрачни OLED панели върху подложки с размери 370x420 mm. Месец по-късно гигантът в химическата промишленост DuPont получава финансиране от Министерството на енергетиката на САЩ за двугодишен проект, целящ разработването на евтини източници на светлина с OLED. Според прогнозите, масовото въвеждане на твърдотелните източници, между които OLED, ще спестява в САЩ след 2030 г. по 3,5.1014 kWh.

Сравнение на OLED с други източници на светлина
Дотук направихме няколко сравнения на OLED с други източници на светлина. Към това трябва да се прибави, че с изключение на флуоресцентните лампи, останалите имат малка излъчваща повърхност и за осигуряване на равномерно осветление на голяма площ се налага използването на допълнителни средства като рефлектори и осветителни тела с повече лампи. Това не е необходимо при OLED панелите, които непосредствено осигуряват дифузна светлина на голяма площ. Дифузна е и светлината на флуоресцентните лампи, но най-добрите лабораторни модели на OLED панели са вече с по-голяма ефективност на преобразуването. Същевременно, не са малко OLED панелите, чийто спектър на светлината е по-близък до дневната, в сравнение с всички останали източници. Ниското захранващо напрежение и малката постояннотокова консумация определят по-прост захранващ блок и работа на панелите без охлаждащи радиатори, които са безспорни сериозни предимства.
Гъвкавостта на структурата на OLED обуславя приложения, недостъпни за други източници на светлина. С поглед в бъдещето компанията Philips представя връхни дрехи и шапки от OLED, които са прозрачни без приложено напрежение (денем) и светят с него нощем. Друга съществена особеност на OLED панелите е липсата на инфрачервено излъчване (особено характерно за лампите с нажежаема нишка), което ги прави подходящи за осветление в музеи. Причината е, че продължителното въздействие на инфрачервените лъчи променя цвета на маслените бои. Също предимство е “меката” светлина на OLED панелите – дори при продължително взиране в тях не се налага познатото ни от други осветителни тела присвиване на очите.

Задно осветление на LCD
Неговата равномерна и естествена бяла светлина е жизнено важна за качественото възпроизвеждане на цветовете от LCD дисплеите и телевизионните екрани. Потенциалните предимства на OLED панелите тук са сериозни, тъй като те не се нуждаят от специалната оптика, необходима при другите видове задно осветление за осигуряване на равномерност. Към това се прибавят споменатите вече малка дебелина и ниска постояннотокова консумация.
Причини за все още липсващото разпространение на OLED задното осветление са малките размери на панелите, недостатъчният експлоатационен срок и високата цена. Към това се прибавят два недостатъка (несъществени при други приложения на OLED осветлението) – с времето белият цвят се променя поради различното стареене на трите полимера и по панела се появяват области с намален интензитет на светлината (dark spot growth). В крайна сметка само бъдещето ще покаже дали задното OLED осветление на LCD дисплеи ще намери своите приложения.




Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top