Индикаторы на основе органических электролюминесцентных структур (OLEDs)

В качестве одной из возможных альтернатив ЖКИ в последнее время рассматриваются индикаторные системы на основе органических электролюминесцентных структур (OLEDs).

OLEDs (Organic Light Emitting Diode - органический светодиод) -тонкопленочные светодиоды, в которых в качестве излучающего слоя применяются органические соединения.

История разработки OLEDs по-видимому, начинается с 1965 г., когда в национальной химической лаборатории (Оттава) было обнаружено голубое свечение антрацена. Четырьмя годами позже исследователями Дж. Дрезднером из Radio corporation of America в Принстоне было сообщено о достижении внутреннего квантового выхода 8%. В то же время возбуждающее напряжение было еще слишком велико - более 300 В.

Следующий этап развития OLEDs начинается с исследований, проведенных исследователями лабораторий фирмы Kodak из Рочестера уже по прошествии двадцати лет со времени открытия электролюминесценции в антрацене. Диоды зеленого цвета свечения на основе органического соединения алюминия (Alg) в своих основных чертах имели ту же конструкцию, которая используется и сегодня.

В OLEDs реализованоразделение двух функций (переноса носителей заряда и генерации света), которые в первых диодах выполняла одна материальная среда - антрацен. Это повлекло за собой усложнение конструкции диода с введением нескольких слоев органических материалов и, включая диамин - в качестве слоя переноса дырок и слоя Alg -в качестве слоя переноса электронов, наносимых испарением

Следующий этап развития OLEDs начинается с исследований физика Р.Г. Фрэнда и химика А.Н. Холмса (Кембридж) в области молекулярной электроники с использованием т.н. сопряженных полимеров, направленных на создание совсем других приборов, а именно - транзисторов на основе полимерных материалов. Нередко в истории науки и техники, случайное обнаружение высокоэффективного свечения приборных структур, сделало «побочный» продукт разработки основным направлением исследований и привело к организации Display Technology, фирмы, которая обладает патентом, содержащим формулу материала полипарафениленвинелена (PPV).

Базовым и модельным материалом для создания OLEDs является РРV, обладающий шириной запрещенной зоны около 2,5 эВ. В приборах на основе РРV излучение желто-зеленое.

Типичная конструкция OLEDs на основе РРV иллюстрируется рисунок 4-12, а базовая структура на рисунке 4.13. CИД представляет собой слоистую структуру.

С точки зрения твердотельной полупроводниковой оптоэлектроники в данном случае мы имеем дело со структурами на прозрачной подложке (как правило, стекло с прозрачными нижними электродами на основе окиси индия-олова, т.е. из бинарных сплавов с высокой степенью инжекции электронов). Максимально прозрачным делается электрод, слой переноса дырок, электролюминесцентный слой.

Рисунок 4.12 - Конструкция OLEDs на основе РРV.

Рисунок 4.13 - Базовая структура OLEDs

В основе работы OLEDs – принцип электролюминесценции. В структурах OLEDs используется возможность некоторых органических соединений излучать свет под воздействием электрического тока. При подаче напряжения на электроды происходит инжекция электронов и дырок в соответствующие органические пленки. Носители под действием электрического поля дрейфуют навстречу друг другу и рекомбинируют в промежуточном слое. Процесс рекомбинации сопровождается излучением квантов света. Излучение формируется в электролюминесцентном слое, которым может служить низкомолекулярный органический люминофор.

Основой для создания OLEDs служат высокомолекулярные соединения с чередующимися двойными связями в молекулах. В чистом виде они не являются проводниками заряда, поскольку электроны в них локализованы вследствие участия в образовании сильных химических связей. Для освобождения электронов применяются различные примеси, после добавления которых и появляется возможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль молекулярной цепи.

Таким образом, в основе подобной технологии лежат свойства так называемых сопряженных полимеров. В их молекулах атомы углерода образуют между собой двойные или тройные связи. Каждый атом выбирает партнера-фаворита, чтобы отдавать ему два электрона вместо обычного одного. "Лишний" электрон делится еще с одним соседом-атомом. В результате перекрытия p-орбиталей появляются "свободные" электроны и, как следствие, становится возможным протекание электрического тока вдоль молекулярных цепей. Возникают энергетические зоны валентности и проводимости, разделенные запрещенной зоной. Так полимеры приобретают свойства полупроводников. Эти материалы обладают теми же свойствами, что и неорганические полупроводники, то есть способны образовывать p-n–переход и, что особенно важно, при определенных условиях излучать свет. Это позволило создать комбинированные по принципу действия устройства - излучающие диоды.

Для усиления эффекта отражения в слое пластика иногда формируют оптические элементы на основе линз Френеля. Такие светодиоды могут излучать во всем видимом диапазоне с эффективностью преобразования до 20%. Положительный электрод предпочтительно изготовлять из сплава Mg-In.

На сегодняшний день технология продолжает развиваться в двух основных направлениях: так называемые «маленькие молекулы» (SM-OLED) и «полимеры» (PLED).

Первая технология была разработана компанией Eastman-Kodak, и обычно в научно-технических материалах её упоминают, как «small molecule» OLED (SM-OLED). На сегодняшний день, промышленное производство таких OLED-панелей обходится довольно дорого.

Вторая технология разработана Cambridge Display Technologies (CDT) и изначально называлась Light-Emitting Polymer (LEP). Однако устройства с использованием данной разработки больше известны под названием Polymer Light Emitting Diodes (PLED). Долгое время эта технология значительно отставала в развитии от SM-OLED как по качеству отображения информации, так и сроку жизни. Но отдельного внимания заслуживает способ производства этих панелей – он основан на принципах струйной печати. Да и в последние годы ситуация с техническими характеристиками изготовляемых подобным образом панелей меняется в лучшую сторону.

Недавно появился третий вариант OLED-технологии – гибрид первых двух. Суть проста – используются непроводящие полимеры, покрытые тонким слоем светоизлучающих проводящих молекул. Полимер в данном случае используется из-за его механических свойств, а слой из «маленьких молекул» имеет ту же самую долговечность, что и в SM-OLED варианте.

Естественно, поиски эффективных материалов для OLEDs отнюдь не закончились, а продолжаются до сих пор.

При всей привлекательности OLEDs для перспективных оптоэлектронных применений для этого класса приборов присуща серьезная проблема, связанная с их ресурсными характеристиками и обусловленная деградационными явлениями. Можно предположить, что специфика протекания таких деградационных процессов в OLEDs обусловлена особенностями переноса заряда в нелинейной и неупорядоченной среде, когда в процессе переноса заряда через среду происходит ее деформация.

В то время как в современных ЖКИ-экранах яркость проходящего через фильтры излучения подсветки составляет величину порядка 100 кд/м², яркость дисплеев на основе OLEDs составляет до 1000 тыс. кд/м², контрастность – до 5000:1, угол обзора 170^о. OLED- технология позволяет обойтись без обратной подсветки, необходимой для ЖК-дисплея, что обеспечивает очень низкое энергопотребление.

OLED-дисплеи делятся на два класса по типу управления: с пассивной матрицей и активной матрицей. Приборы с пассивной схемой управления потенциально могут качественно отображать полноцветные подвижные изображения, но только для дисплеев среднего размера. При использовании пассивной матрицы в цветных панелях высокого разрешения малого размера возникают дополнительные трудности. Поэтому использование пассивной схемы управления обосновано в тех случаях, когда высокое качество изображения не требуется, - например, для отображения текста.

При изготовлении высококачественных полноцветных OLED – дисплеев предпочтение отдается активной схеме управления. В активной схеме управления информация посылается микротранзистору каждого пикселя, определяя, таким образом, необходимую яркость свечения пикселя. TFT-транзистор запоминает эту информацию и плавно регулирует ток через ОLED.

Основные проблемы, стоящие перед разработчиками OLED – дисплеев, заключаются в достижении более широкой цветовой гаммы и увеличение срока службы излучающих материалов. Средний срок службы материалов - около 40 тыс. часов.

Основные параметры OLED:

рабочее напряжение – (3-10) В; угол обзора - 170^о; малое время запаздывания – приблизительно 10 микросекунд; яркость – свыше 100000 кд/кв.м, причем яркость может регулироваться в очень широком динамическом диапазоне. Контрастность свыше 300:1 при уровне освещенности 500 люкс. Рабочая температура: от минус 40 ^оС до плюс 70 ^оС (для ЖК дисплеев воздействие низких температур нежелательно). Дисплеи OLED тонкие и легкие. При толщине стекла 0,7 мм, дисплей OLED имеет толщину порядка 1,4 мм.

Область применения OLED – дисплеев довольно широкая: от сотовых телефонов и автомагнитол до нашлемных индикаторов, дисплеев на лобовом стекле транспортных средств и осветительных приборов. Разработана печатающая головка с использованием OLED для принтеров, которая обеспечивает качество печати, сопоставимое с лазерными принтерами.

Электрофоретические индикаторы

В электрофоретических индикаторах используется электрофорез - направленное движение заряженных частиц одного цвета, взвешенных в диэлектрической жидкости другого цвета. В зависимости от полярности напряжения электрическое поле перемещает частицы пигмента (чаще всего порошки ТiO₂) к одному или другому электроду ячейки. На прозрачном электроде появляется или исчезает светлое изображение. Подбор пигментов и диэлектрической жидкости обеспечивают большой набор сочетаний цветов. Индикаторы обладают памятью. Типичные характеристики: толщина рабочего слоя

- 50 мкм; управляющее напряжение - 30 В; рабочий ток - 1мкА/см²; инерционность - 100 мс; ресурс работы – (10⁷-10⁸) циклов; диапазон рабочих температур – (-15 +50) °С. К недостаткам электрофоретических индикаторов относятся сравнительно большое управляющее напряжение (десятки вольт) и малое быстродействие (0,1-1) с.

Электрохромные индикаторы

Электрохромные индикаторы относятся к индикаторам с пассивным растром. В них под действием внешнего электрического поля изменяется окраска поверхности материала. В качестве электрохромных материалов используют в основном WO_З (триоксид вольфрама), а также иридиево-оксидные пленки, органические вещества – виолены, биперилловые соли, в том числе некоторые жидкие кристаллы.

Схематическое изображение электрохромного индикатора представлено на рисунке 4.14.СлойWO_З толщиной 0,1…1 мкм создается на стеклянной подложке – он наносится на прозрачный электрод (пленку In₂O₃ толщиной 0,1…0,2 мкм. Поверх активного слоя напыляют слой диэлектрика (например, SiO₂ толщиной 0,05 мкм) и затем пленочный электрод из золота толщиной 0,01 мкм.

Рисунок 4.14 - Устройство твердотельного электрохромного индикатора:

1 – стеклянная пластина; 2-прозрачный электрод; 3- слой аморфного WO₃; 4 – слой диэлектрика; 5 – электрод.

Если на прозрачный электрод подать отрицательное напряжение, происходит инжекция электронов в WO_З, в приповерхностном слое возникают центры окрашивания, поверхность пленки окрашивается в синий цвет. Реакция обратима - при перемене полярности напряжения желтый цвет поверхности восстанавливается. Диэлектрик необходим для предотвращения инжекции электронов из металлического электрода. Рабочее напряжение составляет десятые доли вольта, контраст 2:1 достигается примерно за секунду. Особенность электрохромного индикатора - наличие памяти, окраска активного слоя может сохраняться в течение многих часов, пока не будет подан импульс стирающего напряжения противоположной полярности. Значение заряда, необходимого для изменения цвета, мало ≤5 мКл/см². Эти индикаторы более экономичны, чем жидкокристаллические, угол обзора больше - до 160^о, температурный диапазон от (-20 до +150) °С. К недостаткам электрохромных индикаторов относится значительная инерционность (τ ~1 с), недолговечность (до 10⁷ переключений - в часах ресурс работы секундных цифр < 3000 часов). Быстродействие повышается, если использовать в качестве рабочего материала жидкости, но срок службы таких индикаторов снижается.

Контрольные вопросы

1. Что такое индикатор?

2. Охарактеризуйте системы индикации активного типа?

3. Охарактеризуйте системы индикации пассивного типа?

4. Какие типы индикаторов относятся к системам индикации пассивного типа?

5. Какие индикаторы относятся к системам индикации активного типа?

6. Какие требования предъявляются к современным системам визуального отображения информации?

7. Как классифицируют ЗСИ по виду отображаемой информации?

8. На каком эффекте основаны электрохромные индикаторы?

9. На каком эффекте основаны жидкокристаллические индикаторы?

9. Какие вещества называют жидкими кристаллами?

10. Назовите основные типы индикаторов.

7. Охарактеризуйте ЖК: нематические, смектические, холестирические.

8. В чем заключается эффект динамического рассеяния?

9. В чем заключается Твист-эффект?

10. В чем заключается эффект гость-хозяин?

11. Опишите принцип работы ЖК-индикаторов.

12. Опишите принцип работы ППЗСИ.

13. Опишите принцип работы индикатора на основе органических электролюминесцентных структур.

Оптроны и их применение

5.1 Историческая справка

Идея создания и применения оптронов относится к 1955 г., когда в работе Loebner E. E. "Optoelectronic devices network" была предложена целая серия приборов с оптическими и электрическими связями между элементами, что позволяло осуществлять усиление и спектральное преобразование световых сигналов.

Описанные в этой работе оптроны оказались непригодными для промышленной реализации, так как основывались на несовершенной элементной базе - неэффективных и инерционных порошковых электролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезисторах (приемник). Несовершенны были и важнейшие эксплуатационные характеристики приборов: низкотемпературная и временная стабильность параметров, недостаточная устойчивость к механическим воздействиям. Поэтому на первых порах оптрон оставался лишь интересным научным достижением, не находящим применения в технике.

В середине 60-х годов после создания полупроводниковых светоизлучающих диодов и технологически совершенных высокоэффективных быстродействующих кремниевых фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы) начала создаваться элементарная база современной оптронной техники. К началу 70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось в важную и быстро развивающуюся отрасль электронной техники, успешно дополняющую традиционную микроэлектронику.

Назначение и виды оптронов

Оптроны - это оптоэлектронные приборы, которые сочетают в себе излучатель и фотоприемник, разделенные прозрачной диэлектрической средой. Принцип действия оптронов любого вида основан на преобразовании энергии: в излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, а затем в фотоприемнике световой сигнал вызывает электрический отклик.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов:

- Оптопара ("элементарный оптрон") представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом.

- Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

В электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Практически у всех оптронов на входе помещен светодиод, и функциональные возможности оптрона определяются выходными характеристиками фотоприемного устройства.

Функционально (как элемент схемы) оптроны классифицируют по виду фотоприемника: диодные, транзисторные, резисторные, тиристорные, дифференциальные (диодные и транзисторные) оптроны и оптроны с составным транзистором.

Особенности оптронов

Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из них следующие:

- возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической) развязки между входом и выходом;

- для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;

- возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;

- однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;

- широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам);

- возможность передачи по оптронной цепи, как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

- возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;

- возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;

- невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае "длинных" оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки;

- физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Недостатки оптронов:

- значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество) и невысокими КПД этих переходов;

- повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;

- более или менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров;

- относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;

- сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей;

- конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких - отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).