V roku 1439 nemecký kováč Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg pripravil nový spôsob zobrazovania informácií na papierový podklad. Išlo o prevratný vynález, ktorý natrvalo zmenil šírenie informácií v Európe a vo svete. Trvalo bezmála 500 rokov, kým G. Rignoux a A. Fournier v Paríži predviedli zariadenie na okamžitý prenos obrázkov, založené na matici 8x8 zostrojenej zo selénových článkov. Tak sa otvorila cesta k televízii a zobrazovacím jednotkám.

Prvé vákuové trubice boli nepraktické a náročné na prevádzku, ale ich kvalita rýchlo narastala. Postupnými technickými vylepšeniami sa stali neoddeliteľnou súčasťou televízie a výpočtovej techniky. Ich fungovanie je založené na spoločnej technológii zobrazovania pomocou elektrónového lúča (obr. 1), ktorý sa vytvára a formuje v zariadení podobnom elektrónke.

Na vychyľovanie lúča sa používa elektrické alebo magnetické pole. Popri mnohých dobrých vlastnostiach, základná nevýhoda – nutnosť veľkej hĺbky a s tým spojená malá zobrazovacia plocha – zostáva pri všetkých konštrukčných riešeniach. Z tohto dôvodu, okolo roku 2000, spoločnosť SONY začala vyvíjať ploché obrazovky založené na báze poľového efektu (Field Effect). Tieto obrazovky využívajú studenú emisiu elektrónov vo vysokom elektrostatickom poli, tvorenom napätím až 10 000 V (obr. 2). Pomerne vysoké napätie kladie nároky na konštrukčné riešenie a s tým spojené výrobné ťažkosti. Vysoké napätie však nie je jedinou nevýhodou tejto zobrazovacej metódy. Treba si uvedomiť, že na svoju prácu potrebuje vákuum a pri malých vzdialenostiach medzi katódou a anódou dochádza ku mechanickej deformácii, čo môže viesť ku skratovaniu niektorých pixelov. Malé vzdialenosti navyše vedú ku vzniku falošných výbojov na vedľajšie pixely, čo znižuje kvalitu obrazu.

Vďaka neprekonateľným technickým ťažkostiam vyplývajúcich z konštrukčnej podstaty, bol vývoj tohto druhu zobrazovacej jednotky zastavený. Istou variáciou na tento princíp je plazmová obrazovka. Princíp práce je založený na vzniku plazmových výbojov v malých komôrkach, vyplnených zmesou inertných plynov, ktoré emitujú svetlo príslušnej farby. Nevýhodou starších modelov (zhruba do roku 2006) bolo vyháranie jednotlivých pixelov, ktoré sa podarilo postupom času odstrániť. Problémy môžu nastať pri používaní plazmových displejov vo výškach nad 2000 metrov z dôvodu deformácie komôrok. Výhodou plazmových obrazoviek oproti LCD obrazovkám je väčší pozorovací uhol, čo je však vyvážené vyššou spotrebou. Obrazovky na báze plazmového výboja svietia vlastným svetlom na rozdiel od LCD (Liquid Crystal Display), ktoré potrebujú podsvietenie.

Zobrazovanie v LCD obrazovkách je založené na kontrole prechodu svetla cez organickú vrstvu, ktorá otáča, prípadne neotáča rovinu polarizovaného svetla (obr. 3). Schopnosť otočiť rovinu polarizovaného svetla získa špeciálna vrstva vďaka vnútornému usporiadaniu molekúl, ktoré ju tvoria. Po pripojení nízkeho jednosmerného napätia na priesvitné elektródy, medzi ktorými je umiestnená vrstva z tekutých kryštálov, sa molekuly narovnajú a efekt otočenia roviny polarizovaného svetla sa stráca. Táto vrstva je vložená medzi dva navzájom kolmé polarizačné filtre, čo spôsobuje, že svetlo, ktoré je po prechode jedným filtrom polarizované v rovine, neprechádza cez druhý polarizačný filter, ak je pripojené napätie na vonkajšie elektródy. Nevýhodou tohto usporiadania je, že pixel neprodukuje žiadne vlastné svetlo a potrebuje zadné osvetlenie. Tento fakt limituje veľkosť zobrazovacej plochy, pretože pre veľmi veľké obrazovky je ťažké vytvoriť rovnomerné osvetlenie. Problémom je aj malý pozorovací uhol. Nepochybnou výhodou je malá spotreba elektrického prúdu a relatívne robustná konštrukcia.

Výhody predchádzajúcich riešení v sebe kombinuje obrazovka postavená na báze organických molekúl (OLED). Jej funkcia je založená na existencii malých molekúl, ktoré sú schopné po pripojení malého napätia produkovať svetlo. Farba svetla je daná druhom molekuly.

Technológia organických obrazoviek

Jav elektroluminiscencie, teda emitovanie svetla z tuhej látky po priložení elektrického poľa vysokej intenzity, bol prvý krát pozorovaný v organických materiáloch počiatkom 50-tych rokoch dvadsiateho storočia pri experimentoch, ktoré robil André Bernanose na univerzite vo francúzskom Nancy. Po priložení striedavého napätia na elektródy, medzi ktorými sa nachádzal organický materiál obsahujúci molekuly acridine orange, pozoroval emitované svetlo. Vlnová dĺžka emitovaného svetla závisela od iných molekúl, na ktoré bola táto naviazaná. V roku 1960 vyrobil Martin Pope na univerzite v New Yorku ohmické kontakty umiestnené na organickej substancii. Tieto kontakty umožnili injektovať náboj do organických látok a dnes tvoria základ každej OLED technológie. Vďaka týmto kontaktom sa podarilo pozorovať elektroluminiscenciu vyvolanú jednosmerným prúdom na kryštáli antracénu pri napätí 400 V. Prvú skutočne fungujúcu svetlo-emitujúcu diódu vyvinuli v roku 1987 Ching W. Tang a Steven Van Slyke v laboratóriách firmy Kodak. Táto dióda pozostávala z dvoch vrstiev, pričom každá vrstva predstavovala zásobník buď na elektróny alebo diery. Svetlo sa vyžaruje len z jednej vrstvy, v ktorej dochádza ku stretnutiu elektrónov a dier (obr. 4).

Túto vrstvu nazývame emitujúcou vrstvou. Druhú vrstvu nazývame konduktívnou vrstvou. Týmto usporiadaním sa podarilo dosiahnuť stabilne intenzívne vyžarovanie svetla charakteristickej farby. Farba je určená druhom molekuly, ktorá tvorí aktívnu vrstvu. Molekula Alq3 (obr. 5) po pripojení napätia vyžaruje svetlo s vlnovou dĺžkou približne 530 nm. Vďaka vylepšenej technológii sa podarilo výrazne znížiť pracovné napätie svetlo-emitujúceho elementu.

Vyžarovanie svetla, ako dôsledok prechodu elektrónov z hladiny na hladinu, je pomerne zložitý proces a treba sa na tento proces pozrieť z pohľadu mikrosveta, pretože elektróny sú tak malé, že spĺňajú predpoklady na použitie zákonov kvantovej mechaniky. Z tohto pohľadu sú elektróny a diery, fermióny s polovičným spinom a nemôžu sa navzájom kombinovať ľubovoľne. Ich kombinácia – exciton môže byť buď v singletovom alebo tripletovom stave, v závislosti na tom, ako sú spiny elektrónu a diery kombinované. Čisto zo štatistického hľadiska sú vytvorené tri tripletové excitóny na každý singletový excitón. Problémom je, že tripletové exitóny nevytvárajú svetelné kvantum a z hľadiska emisie svetla sú tieto reakcie stratené, čo výrazne znižuje vnútornú účinnosť aktívneho zdroja. Na zvýšenie vnútornej účinnosti sa preto využíva efekt spin-orbitálovej interakcie, ktorá zvyšuje podiel singletových exitónov, ktoré vznikajú pri prechode prúdu organickými vrstvami.

Dnešná úroveň technologického poznania umožňuje sériovú produkciu zobrazovacích panelov v podstate ľubovoľnej veľkosti. Hlavnou prednosťou tejto technológie je vytváranie svetla priamo v štruktúre organickej vrstvy a nepotrebnosť zadného osvetlenia. OLED vrstva môže byť vytlačená na akýkoľvek vhodný substrát použitím upravenej atramentovej tlačiarne, alebo dokonca pomocou sieťotlače, čo bude v blízkej budúcnosti lacnejšie, ako výroba LCD alebo plazmových displejov. Podstata organických materiálov umožňuje vytvoriť pružné zobrazovače, ktoré môžu byť vkladané do tkanín. Roll – to – roll metódy založené na sériovej tlači v budúcnosti umožnia výrobu tisícov zobrazovačov za minútu a budú použité ako istý druh aktívneho papiera. Problémom je, že OLED technológia vyžaduje veľmi presné lícovanie jednotlivých vrstiev, čo je v súčasnosti mimo možností jednoduchej tlače.

OLED technológia poskytuje širší pozorovací uhol, lepší jas a kontrastný pomer v porovnaní s LCD zobrazovačmi, pretože organické pixely vyžarujú svetlo priamo. LCD technológia v skutočnosti blokuje konštantné svetlo z podsvietenia, takže rovnomernosť farby je daná rovnomernosťou podsvietenia a v skutočnosti nemôžu zobraziť úplnú čiernu farbu. Absencia podsvietenia umožňuje vyrobiť OLED displej v menšej konštrukčnej hrúbke, ako je to pri iných technológiách zobrazenia. Ďalšou výhodou OLED technológie je rýchlejšia odozva v porovnaní so štandardnými LCD obrazovkami. Vzhľadom k tomu, že LCD displeje sú schopné meniť priepustnosť zobrazovacieho bodu niekde medzi 1 a 16 ms, sú schopné ponúknuť obnovovaciu frekvenciu 60 až 480 Hz. OLED teoreticky môže mať dobu odozvy kratšiu ako 0,01 ms, čo umožňuje ponúknuť obnovovaciu frekvencia až do 100-tisíc Hz. OLED obrazovka môže blikať, podobne ako CRT, za účelom odstránenia samplovacieho a hold efektu, ktorý vytvára nežiaduci „motion blur“ efekt na obrazovke. Krátke časy odozvy OLED pixelov sú však paradoxne aj veľkou nevýhodou tejto technológie. Pri riadení svietivosti jednotlivých pixelov sa používa systém dvoch navzájom skrížených vodičov (dátový a adresný vodič), pričom riadiť možno vždy jeden riadok a ostatné svietia vďaka svojej zotrvačnosti (obr. 6). Pri zotrvačných LCD pixeloch to nie je problém. OLED technológia poskytuje krátke časy odozvy a teda pixely pri odpojení adresného vodiča okamžite zhasínajú. Samozrejme možno počítať so zotrvačnosťou oka, ale aj tá má svoje limity.

V konečnom dôsledku možno vyrobiť použitím tejto technológie obrazovky s maximálne 100 riadkami. Na veľkoplošné obrazovky je potrebné použiť samostatné riadenie pre každý pixel. To sa realizuje tak, že pod jednotlivým pixelom je integrovaná dvojica plochých tranzistorov (Thin Film Transistor – TFT), ktoré zabezpečia napájanie aktívneho bodu, aj keď je adresný vodič odpojený. Táto technológia sa nazýva AMOLED (Active Matrix Organic Light Emitting Diode) a v súčasnosti sa využíva hlavne v mobilných zariadeniach (obr. 7). Elektrická schéma zapojenia je zobrazená na obr. 8, pre pasívnu technológiu vľavo a pre aktívnu technológiu s dvomi TFT tranzistormi vpravo.


Najväčší technický problém pre OLED v súčasnosti je obmedzená životnosť organických materiálov. V roku 2008 sa meraním zistilo, že sa po 1000 hodinách svietenia TV obrazovky znížila úroveň jasu modrej farby o 12 %, červenej o 7 % a zelenej o 8 %. Do dnešných dní robí problém kratšia životnosť modrej farby, ktorá je poznateľne kratšia, ako životnosť iných farieb. Celkovo je životnosť OLED panelov kratšia (okolo 14 000 hodín do polovičného jasu pôvodného, čo je päť rokov pri 8 hodín používania denne), ako životnosť LCD alebo LED panelov. Ku degradácii dochádza z dôvodu akumulácie nežiariacich rekombinačných centier. Úloha predĺžiť dobu svietivosti (hlavne modrej farby) je v súčasnosti kľúčová pre budúci úspech OLED technológií. Ďalší problém tejto technológie je voda, ktorá môže poškodiť organické materiály displeja. Z tohto dôvodu je potrebné vyvinúť dobré tesniace technológie, ak plánujeme využiť OLED displej v sťažených podmienkach.

Záver

Výhody OLED technológií v porovnaní s inými technológiami možno zhrnúť do nasledujúcich bodov: OLED displeje možno vyrobiť veľmi tenké. Hrúbka záleží len na technologických možnostiach. Poskytujú široký pozorovací uhol – až 160 stupňov, vysoký kontrast a plné farby. Môžu pracovať v širokom intervale operačnej teploty. Pri výrobe nie sme limitovaní tuhými anorganickými substrátmi, čo umožňuje vyrobiť ľahké a flexibilné (ohybné) displeje. Pri výrobe sa používajú nízko-teplotné operácie, čo v budúcnosti môže výrazne znížiť cenu. Nezanedbateľná je aj nízka spotreba OLED displejov, čo predurčuje ich použitie v mobilných zariadeniach.

Displeje založené na vyžarovaní malých organických molekúl ponúkajú úplne nové možnosti výroby a použitia zobrazovacích zariadení. Ich výhody v porovnaní s inými zobrazovacími zariadeniami sú tak veľké, že po zvládnutí technologických ťažkostí môžu priniesť rovnakú revolúciu v komunikácii, ako priniesol vynález kníhtlače Johannesa Gutenberga.

prof. Ing. Peter Ballo, PhD.
Ústav jadrového a fyzikálneho inžinierstva
Fakulta elektrotechniky a informatiky, STU v Bratislave