Перспективы органических светодиодов в системах освещения

К SSL-устройствам относятся два вида светоизлучающих диодов: неорганические (Light Emitting Diodes, LED) и органические (Organic Light Emitting Diodes, OLED), соответственно. Промышленный выпуск первых коммерческих неорганических светодиодов был освоен в 1960-х гг., и в настоящее время эта технология имеет существенные преимущества на рынке благодаря многолетнему развитию. Интерес к органическим светодиодам как к коммерчески перспективным устройствам возник в конце XX-го столетия после публикации работ группы Танга и Ван Слайка (лаборатория Eastman Kodak, США) и открытия фосфоресцентных (триплетных) материалов группой Фореста (США), что позволило существенно повысить эффективность OLED-структур. Несмотря на более поздний старт, лабораторные образцы OLED-структур в настоящее время демонстрируют характеристики, сравнимые с лучшими образцами светодиодов мировых лидеров. Тем не менее в мировой тенденции развития SSL-устройств органические и неорганические светодиоды рассматриваются не как конкурирующие, а взаимно дополняющие технологии.

Физические основы работы OLED

Для лучшего понимания преимуществ и особенностей OLED-структур в этом разделе будут кратко рассмотрены физические основы их работы. Прежде всего, стоит отметить, что OLED-структура представляет собой распределенную по площади полупроводниковую структуру на основе тонких слоев органических материалов, нанесенную между слоями катода и анода (см. рис. 1).

Следует заметить, что тонкопленочная OLED-структура крайне чувствительна к парам воды и кислороду, под действием которых происходит деградация органических материалов и материала катода, а кислород, даже в очень небольших концентрациях, является активным «тушителем» фосфоресценции — основе создания высокоэффективных OLED-структур. По этой причине OLED-структура нуждается в надежной герметизации с помощью защитной стеклянной или металлической крышки с поглощающим пары воды и кислород материалом (гетером). Для устройств на гибкой подложке необходима многослойная тонкопленочная герметизация в сочетании с приемлемыми барьерными свойствами самой подложки.

Электролюминесценция в OLED-структуре схематически показана на энергетической диаграмме (см. рис. 2) и включает инжекцию отрицательных и положительных носителей заряда (электронов и дырок) из катода и анода, соответственно (1), их транспорт в электрическом поле (2), захват и рекомбинацию с образованием нейтрального возбужденного состояния (электронно-дырочной пары) — (3) и ее излучательного распада — (4).

Для получения высокоэффективного OLED-устройства необходим тщательный подбор материалов каждого из слоев структуры, его толщины и состава, проведение многократных итераций технологического процесса, исследования электрофизических свойств и математического моделирования, разработки внешних световыводящих покрытий, обзор которых не входит в цели данной статьи, и будет проделан в дальнейшем.

Спектральный состав электролюминесценции, определяющий цвет свечения OLED, зависит от материала или нескольких составляющих активного слоя структуры. Тонкие органические пленки по своей природе являются аморфными веществами, и электронно-дырочные пары в активном электролюминесцентном слое образуются с существенным разбросом по энергии, что приводит к достаточно широкому спектру люминесценции OLED-структур с полушириной порядка 50…100 нм, в отличие от LED-структур, имеющих более узкий спектр люминесценции (см. рис. 3а).

Применительно к дисплейным технологиям широкий спектр люминесценции OLED-структур является недостатком, и для большего цветового охвата и насыщенности цветов экрана применяются интерференционные фильтры, вырезающие более узкие спектры RGB-пикселов. При получении OLED-структур белого цвета свечения используется люминесценция нескольких органических материалов, что при смешивании дает белый цвет различных оттенков (см. рис. 3б). Как видно из рисунка, спектр OLED-структуры покрывает практически всю видимую область без сильных локальных пиков и провалов, обеспечивая высокий индекс цветопередачи (CRI) (см. рис. 4) и комфортное психофизическое восприятие применительно к системам освещения.

Рис. 1. Схематическое изображение OLED-устройства: слои (а) тонкопленочной OLED-структуры (б)

Рис. 2. Электролюминесценция в OLED-структуре: инжекция носителей заряда (1); транспорт (2); захват и рекомбинация (3); излучательный распад (4)

Рис. 3. Спектр электролюминесценции OLED-структуры на основе оксихинолята алюминия (Alq3) – а; спектр электролюминесценции OLED-структуры белого цвета свечения – б

Рис. 4. OLED-структуры обеспечивают высокий индекс цветопередачи

Технологии производства OLED

Существуют два основных направления в производстве OLED-структур — это напыление из газовой фазы и нанесение из раствора. Первым способом, как правило, наносят т.н. низкомолекулярные соединения, которые слаборастворимы, а из-за малого молекулярного веса прекрасно испаряются при термическом напылении в вакууме (Vacuum Thermal Deposition) или переносятся в газе-носителе (Organic Vapor Phase Deposition) (см. рис. 5).

У нанесения OLED-материалов из газовой фазы имеется следующий ряд преимуществ:

– при напылении в высоком вакууме или сверхчистом газе-носителе отсутствуют внешние источники загрязнений органических материалов, а высокая чистота исходных материалов играет ключевую роль в эффективности OLED-структуры;

– напыление из газовой фазы позволяет последовательно наносить большое количество однокомпонентных или легированных слоев, что необходимо для создания эффективной OLED-структуры;

– легко формируется топология устройства при напылении через отверстия в теневой маске, помещенной перед подложкой;

– метод термического напыления в вакууме уже хорошо отработан и широко применяется в производстве OLED-дисплеев.

Полимерные органические материалы, как правило, наносятся с помощью жидкостных методов благодаря хорошей растворимости и нелетучести из-за высокого молекулярного веса полимерной цепочки. Наиболее простым методом нанесения материалов из раствора является центрифугирование (Spin Coating) (см. рис. 6), — хорошо отработанный процесс нанесения фоторезиста в электронной промышленности.

Однако этот способ хорош для быстрого получения простых лабораторных образцов, т.к. не подразумевает нанесения структуры с топологическим рисунком устройства.

С помощью метода струйной печати (Ink Jet Printing) возможно нанесение органических материалов из раствора на твердые и гибкие подложки с формированием топологии устройства (см. рис. 7).

Совместимость этого метода с другими возможностями печатной электроники делает его весьма перспективным для создания дисплеев на гибкой подложке и других оптоэлектронных устройств. Применительно к системам освещения этот метод достаточно медленный и не перспективен для получения больших площадей OLED-структур.

Наиболее перспективным способом изготовления OLED-структур большой площади с высокими объемами производства является метод roll-to-roll, который заключается в переносе раствора органического материала посредством печатающего барабана (см. рис. 8).

Такой способ позволяет наносить органические материалы из раствора на движущуюся ленту исходной подложки с высокой скоростью при низкой себестоимости, аналогично процессу офсетной печати.

Однако у жидкостного процесса имеется существенный недостаток: определенный материал растворим либо в воде и не растворим в органических растворителях, либо наоборот. По этой причине OLED-структура, изготовленная жидкостным способом, может содержать не более двух функциональных слоев: один — нанесенный из водного раствора и один — из органического растворителя, т.к. последующий слой, нанесенный из того же типа растворителя, повредит предыдущий. Для того чтобы структура имела высокую эффективность, зачастую двух слоев недостаточно, и по этой причине дополнительные слои наносятся методом вакуумного напыления, что существенно увеличивает ее себестоимость. Кроме того, возможно загрязнение материалов примесями, находящимися в самом растворителе, наряду с невероятной сложностью очистки исходных полимерных материалов от примесей и прекурсоров — исходных материалов, которые подвергаются полимеризации.

Стоит отметить, что создание сложных систем roll-to-roll может состоять из последовательного процесса нанесения материалов на движущуюся подложку различными способами при прохождении ленты через модули системы (см. рис. 9).

В настоящий момент производство OLED-устройств развивается с использованием двух основных процессов группового исполнения: ленточного (Web processing) и листового (Sheet processing). К первому типу относятся системы Roll-to-Roll, которые подразумевают производство устройств на длинной ленте-носителе с разделением устройств по ее длине (см. рис. 10а). В системах с использованием второго метода групповое исполнение устройств осуществляется на подложках больших размеров с разделением устройств по длине и ширине подложки (см. рис. 10б).

Несмотря на то, что для ленточного метода предсказывается более дешевая себестоимость производства, установки данного типа находятся на этапе проектирования, и в них остается ряд нерешенных технологических проблем, например тонкопленочной герметизации устройств на гибкой подложке, которая на сегодняшний день не обеспечивает необходимых барьерных свойств к парам воды и кислороду.

Листовой метод, как отмечалось, на сегодняшний день уже достаточно хорошо отработан и применяется в коммерческом производстве OLED-дисплеев рядом мировых лидеров, например Samsung, Sony, LG, CMEL, RiTDisplay и т.д. Указанные производители успешно используют опыт, полученный в процессе развития технологии ЖК-дисплеев, работая уже со стеклами размером 370×470 мм (CMEL), что соответствует второму поколению технологии ЖКД. При этом развитие технологического направления Sheet processing для OLED-панелей можно предсказать аналогично развитию технологии TFT LCD (см. рис. 11), для чего требуется последовательное масштабирование технологического процесса на подложки больших размеров, что приводит к снижению себестоимости устройств.

Технология производства OLED-дисплеев включает надежный способ герметизации стеклянной крышкой с полостью, в которой помещен материал, адсорбирующий пары воды и кислород, что обеспечивает время жизни дисплея до 50 тыс. ч (для коммерческого применения).

Ряд производителей OLED-дисплеев уже заявляет о планах перевода имеющихся производственных мощностей на OLED-панели для освещения при стратегии перехода производства от пассивно-матричных дисплеев (PM OLED) к дисплеям с активно-матричным управлением (AM OLED).

Рис. 5. Термическое напыление в вакууме (а); перенос паров органических материалов в газе-носителе (разрабатывается компанией Aixtron) (б)

Рис. 6. Центрифугирование

Рис. 7. Нанесение органических материалов с помощью метода струйной печати

Рис. 8. Изготовления OLED-структур большой площади

Рис. 9. Roll-to-Roll процесс производства солнечных батарей на гибком носителе от компании Flisom AG

Рис. 10. Производство OLED-устройств с помощью двух основных процессов группового исполнения

Рис. 11. Развитие технологического направления по методу листового процесса

OLED-освещение

Как отмечалось выше, отличительной особенностью OLED является их распределенный характер. В программе развития светодиодной промышленности, разработанной американским департаментом по энергетике (US DOE Solid State Lighting Roadmap), однозначно прописана стратегия, в которой OLED- и LED-светодиоды рассматриваются не как конкурирующие, а как взаимно дополняющие направления.

LED-кристалл является сверхъярким точечным источником света, излучение которого легко и без существенных потерь можно сфокусировать с помощью внешней оптики для получения необходимой диаграммы направленности. Для создания LED-светильника с распределенным диффузным светом необходимо применять различного рода рассеивающие конструкции (см. рис. 12а), в которых потери достигают 30—40%. В свою очередь, OLED-панель уже является распределенным распределенным источником света (см. рис. 12б). Таким образом, LED-светильники выигрывают в секторе направленных источников света, а OLED — в секторе распределенных.

Распределенный характер OLED-структур играет важную роль в процессе отвода тепла от активной области, которое неизбежно выделяется из-за потерь в структуре. В неорганических светодиодах рабочие плотности тока достигают значений в десятки A/cм2, что при высоком тепловом сопротивлении кристалл/корпус и отсутствии внешнего теплоотвода от корпуса светодиода приведет к его перегреву, выходу из строя или существенному снижению времени жизни и эффективности. В OLED-структурах токи распределены по большой поверхности, и рабочая плотность тока составляет величину в десятки мA/cм2, что не приводит к существенному разогреву структуры и необходимости установки радиатора.

В настоящее время появляется большое количество прототипов светотехнических устройств на базе OLED-структур (см. рис. 13), таких как светильники различных конструкций, светящиеся потолки и стены, в т.ч. полупрозрачные.

Неограниченные возможности в светотехнике и светодизайне представляют OLED-панели на гибкой подложке. Существуют проекты внешнего габаритного и внутреннего освещения автомобилей, освещения салонов самолетов, светящиеся обои и различные подсветки.

Рис. 12. а) рассеивающая конструкция диффузного LED-светильника; б) OLED-панель как распределенный диффузный источник светаc

Рис. 13. Светильник от Lumiotec (а); светящийся потолок из OLED-панелей от OSRAM (б); проект динамически светящейся OLED-стены (в); проект помещения с прозрачными светящимися окнами от OSRAM (г)

Достижения OLED-технологии

На коммерческий успех технологии, в первую очередь, влияют параметры, определяющие экономических эффект от использования OLED-устройств, такие как световая эффективность
(лм/Вт), светимость (лм/м2), индекс цветопередачи CRI и себестоимость устройств (долл./лм и долл./м2). В настоящий момент о себестоимости коммерческих OLED-устройств говорить не приходится ввиду их отсутствия на рынке. Единственным доступным в продаже продуктом является линейка OLED-панелей различных цветов и оттенков от Philips с эффективностью
в 20 лм/Вт, яркостью 1000 кд/м2
и временем жизни около 10 тыс. ч.
Однако при стоимости прямоугольной панели размером 55×130 мм (максимальный размер) около 2000 евро данная продукция может служить коммерческим продуктом только при создании концептуальных светильников (см. рис. 14).

Тем не менее лабораторные образцы OLED-структур показывают весьма приличные характеристики, уже сравнимые с уровнем LED-технологии 2005—2006 гг. Компания Eastman Kodak продемонстрировала образцы белых OLED-светодиодов с эффективностью 62 лм/Вт при напряжении питания 3 В и плотности тока 5 мА/см2. Корпорация Universal Display (UDC) представила панель размером 5×5 см с эффективностью 68 лм/Вт с заявленным временем жизни около 10 тыс. ч. General Electric (GE) и Konica Minolta (KM) заявили о светильнике на основе гибкого OLED-светодиода с эффективностью 56 лм/Вт, а также о планах запуска линии roll-to-roll для производства первых устройств в 2011 г. Компания UDC заявила о достижении рекордной эффективности в 102 лм/Вт при яркости 1000 кд/ м2 для фосфоресцентной OLED-структуры белого цвета свечения, а также о создании панели размером 15×15 см с эффективностью 50 лм/Вт при яркости 1000 кд/м2
и снижении яркости на 30% за 10 тыс. ч.

По завершению европейского проекта OLLA (октябрь 2004 г. — июнь 2008 г.), представляющего консорциум из ведущих университетов исследовательских центров и промышленных компаний, также была достигнута эффективность в 50 лм/Вт при яркости 1000 кд/м2 панели размером 15×15 см, а лучший результат представила компания Novaled, продемонстрировавшая образец с эффективностью 85 лм/Вт при площади 0,2 см2.

В России одним из ведущих центров по разработке OLED-устройств является ОАО «ЦНИИ «Циклон», которое работает в сотрудничестве с Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Институтом проблем химической физики РАН и Центром фотохимии РАН. Объединением были достигнуты уровни эффективности в 15 и 35 лм/Вт для OLED-структур белого и зеленого цвета свечения площадью 1 см2, получены образцы размером 30×50 мм белого цвета свечения, отработана технология нанесения топологического рисунка.

Рис. 14. Концептуальный OLED-светильник на основе панелей Philips

Программы развития OLED-технологии

Основными целями программ развития OLED-технологии США, Евросоюза и России является повышение эффективности устройств при снижении себестоимости.

В Европе по завершению проекта OLLA стартовал проект OLED100.EU, который также объединяет ведущие европейские университеты, исследовательские центры и объединения при поддержке крупных промышленных компаний. Проект стартовал в сентябре 2008 г. и рассчитан на 3 года. В его задачи входит разработка OLED-панелей размером 100×100 см с эффективностью 100 лм/Вт, себестоимостью 100 евро/м2 и временем жизни 100 тыс. ч.

В США разработана и ежегодно дорабатывается программа US DOE SSL Roadmap, включающая комплексные многолетние планы развития промышленного производства и научно-исследовательские работы в области твердотельных источников освещения. Документ предусматривает прогноз для LED- и OLED-технологий, относительно других источников света с выходом на уровень световой эффективности в 200 лм/Вт (см. рис. 15).

На сновании данных, полученных от различных исследовательских центров, приведена диаграмма развития OLED по годам с экстраполяцией на оптимистический прогноз в 200 лм/Вт и более пессимистичный в 150 лм/Вт (см. рис. 16).

На графике рассматриваются данные по образцам с CRI > 85, с классификацией по цветовым температурам согласно требованиям ANSI. Данные для панелей приводятся для образцов с площадью не менее 4 см2 до 2005 г. и не менее 200 см2 после 2005 г., а также светимостью не менее 3000 лм/Вт. В программе DOE SSL Manufacturing Roadmap предусмотрены планы по снижению себестоимости OLED-устройств, произведенных по методам Sheet Processing и Web Processing (см. рис. 17 и табл. 1).

Для снижения себестоимости единицы площади OLED-панели потребуется снижение стоимости исходных материалов и затрат на производство, что может обеспечить только серийное производство. Снижение стоимости килолюмена света OLED-панели должно быть обеспечено как снижением стоимости единицы площади панели, так и увеличением ее светимости
(лм/м2). Конечно, для коммерческого применения OLED-панелей необходима высокая эффективность панели не менее 100 лм/Вт и ресурс не менее 50 тыс. ч при спаде светимости на 30%. Общий оптимистический прогноз до 2020 г. относительно технико-экономических показателей OLED-панелей площадью не менее 200 см2 и с показателем CRI > 85 приведен в таблице 2.

При успешном завершении европейского проекта OLED100.EU
и выполнении планов US DOE можно уже в 2015 г. ожидать появления на рынке конкурентоспособных светотехнических устройств на основе OLED-панелей.

Госкорпорация «Роснанотех» на основе российского и западного опыта разработала программу развития светодиодной отрасли в России, включающую также развитие OLED-индустрии. В документе предусмотрены ключевые достижения технологии по годам аналогично западным программам, но с учетом отставания российской технологии на 3—5 лет. Конечно, для достижения этих целей необходимо проведение комплексных НИОКР, закупка современного лабораторного и производственного оборудования.

Рис. 15. Прогноз развития LED и OLED, относительно других источников света

Рис. 16. Диаграмма развития OLED

Рис. 17. Планы по снижению себестоимости OLED-панелей

Заключение

В настоящий момент мировой уровень развития OLED-технологии давно перешел на стадию коммерциализации. Эти технологии все более уверенно занимают позиции на рынке, о чем свидетельствует пример дисплейных применений. На сегодняшний день практически все выпускаемые mp3-плееры оснащаются малоформатными пассивно-матричными OLED-дисплеями. На рынке появляется все больше мобильных устройств (телефонов, КПК, фотоаппаратов и др.), оснащенных активно-матричными OLED-дисплеями. Очевидно, что OLED-дисплеи постепенно вытесняют ЖК-дисплеи из сектора мобильных устройств за счет лучшего качества при низком энергопотреблении. Это происходит, несмотря на то, что ряд экспертов высказал сомнения относительно широкого распространения OLED-технологии, а некоторые открыто называли ее успех фикцией. Учитывая научные и технологические достижения, колоссальные объемы мирового финансирования, разработку программ развития, принятых на уровне ведущих государств и крупнейших корпораций, не возникает сомнений в успехе OLED-технологии в области освещения.

Стоит отметить, что в производстве LED-устройств определенная компания может взять на себя только часть операций в технологическом процессе, например корпусирование кристаллов, купленных в виде пластин, или производство LED-модулей из уже корпусированных светодиодов. При организации OLED-производства необходимо создание завода под ключ с покупкой всей технологической линии производства OLED-панелей, что потребует значительных вложений. Успех российских проектов может быть обеспечен только за счет привлечения финансов бизнес-структур, заинтересованных в организации массового производства, при всесторонней поддержке государства.

Сергей Стахарный Начальник отдела разработки и метрологии устройств на основе органических светодиодов, ОАО «ЦНИИ «Циклон» После окончания физического факультета МГУ в 2002 г. поступил на должность инженера в ОАО «НПП «Сапфир». В 2005-2006 г. работал в фотометрической лаборатории московского R&D центра компании ACOL Technologies S.A. С 2007 г. возглавил отдел разработки и метрологии устройств на основе органических материалов в ОАО «ЦНИИ «Циклон