OLEDниковый период

Появившиеся уже 20 лет назад органические светодиоды позволяют сделать мониторы и телевизоры ярче, красочнее и экономичнее. Мы расскажем о том, что мешает широкому внедрению новой технологии, когда появятся и какими будут дисплеи нового поколения.

SonyDrive XEL-1 с экраном в 11 дюймов — первое крупное устройство с OLEd Цветовой охват — характеристика, позволяющая оценить количество оттенков, которые может воспроизвести устройство вывода изображений На приборных панелях современных автомобилей также используются OLED-дисплеи Genius ergo 555. OLED-дисплей мышки показывает текущее разрешение и активный игровой профиль LED -светильники сначала использовались в декоративных целях, теперь по этой технологии делают обычные лампы Напечатайте мне телевизор В технике нередко случается, что самое простое и очевидное решение оказывается отнюдь не самым удобным, качественным и дешевым. С тех пор как в середине 90-х годов удалось наладить серийный выпуск голубых и синих светодиодов (красные и зеленые к тому времени выпускались уже лет двадцать), инженеры не перестают мечтать о том, чтобы построить светодиодный (LED — Light Emission Diode) дисплей. Такой дисплей мог бы быть весьма близок к совершенству: яркие и насыщенные цвета с беспрецедентно широким охватом видимой части спектра, высочайшая контрастность, принципиально никаких проблем с отображением черного, простота конструкции и управления.

ПРЕИМУЩЕСТВА OLED: Ярче, тоньше, экономичнее

Несмотря на все эти преимущества, доминирующими сегодня стали значительно более сложные по устройству жидкокристаллические и плазменные экраны. Причина в том, что способов сформировать на одной подложке матрицу из обычных светодиодов не существует — LED-дисплей можно только составить из отдельных элементов, что пригодно лишь для больших уличных экранов, причем и они получаются недешевыми.

Однако еще в конце 80-х годов возникла технология, которая в теории позволяла обойти эти трудности: сотрудники фирмы Kodak Чин Тэнг и Стив Ван Слайк в 1987 году открыли светоизлучающий эффект в органических полупроводниках — OLED (Organic LED).

В отличие от давно известного, но слишком слабого эффекта электролюминесценции (свечения под действием электрического тока) в органических соединениях, полупроводниковые структуры излучали свет с достаточной интенсивностью. В настоящее время разработкой и выпуском продукции с использованием OLEd занимается не менее 80 компаний и научных центров, и эта технология считается главным кандидатом для построения дисплеев следующего поколения.

По этой причине уже несколько лет чуть ли не каждая вторая новость, касающаяся дисплеев, посвящена OLED-технологиям: компании одна за другой спешат объявить о создании дисплеев с беспрецедентными характеристиками. OLED-дисплеи могут выдавать контрастность до 100000:1 (рекордный заявленный показатель динамической контрастности для серийных ЖК-дисплеев сегодня составляет 50000:1), потребляют на 30–40% меньше энергии, причем яркость у них может быть доведена до недостижимой для большинства других технологий величины 100 000 кд/м² (для сравнения, показатели рядового ЖК-монитора она составляет 300–500 кд/м²). На основе OLED легко получить дисплеи с супервысоким разрешением — и у них не возникает проблем с углами обзора. Немаловажной особенностью OLED-технологии является то, что устройства получаются значительно тоньше обычных. На выставке FPD International 2008 в Японии Samsung продемонстрировала OLED-телевизор с диагональю 40 дюймов, толщина которого составляла менее 9 мм, а Sony и вовсе довела толщину OLED-экрана до 3 мм. Оно и понятно: для OLED не требуются ни лампы подсветки, значительно увеличивающие толщину ЖК-устройств, ни охлаждающие элементы, характерные для плазмы.

Красок станет больше

Цветовой охват — характеристика, позволяющая оценить количество оттенков, которые может воспроизвести данное устройство вывода изображений.

Цветовой охват вычисляется по сложным формулам, и для обычных RGB-экранов (то есть основанных на цветовой триаде субпикселей — красных, зеленых, синих) зависит от достижимого по каждому из основных цветов контраста, а также их спектральных характеристик. Ни одно из реальных устройств не может достичь полного охвата всего видимого спектра, поэтому принято несколько стандартов (NTSC, Adobe RGB, sRGB и др.), к которым эти устройства стремятся.

Самый лучший из них, NTSC, все-таки охватывает лишь 54% всех цветов, видимых человеческим глазом. И традиционные кинескопы, и популярные ЖК-мониторы воспроизводят около 72-75% цветового пространства NTSC (75-80% Adobe RGB). Особенно страдают зеленые оттенки (это хорошо заметно на фотографиях с объектами цвета морской волны, который на экране превращается в обычный голубой). OLED-дисплеи за счет более высокой контрастности и чистоты цвета могут значительно превысить по охвату стандарт NTSC.

НЕДОСТАТКИ OLED: Недолговечность и сложность управления

В потоке победных реляций как-то теряется главное: в реальности мало кто может похвастаться тем, что видел OLED-дисплей за пределами выставочных комплексов. На самом деле OLED-экраны применяются пока лишь в таких устройствах, как, например, автомагнитолы, МРЗ-плееры, некоторые модели коммуникаторов и смартфонов. Первым крупным устройством до сей поры остается выпущенный еще в конце 2007-го телевизор SonyDrive XEL-1 с экраном в 11 дюймов, стоимостью более $1500 и скромными объемами производства — порядка 2000 штук в месяц. Причем компания DisplaySearch, занимающаяся исследованиями потребительской электроники, обнаружила, что яркость XEL-1 должна снижаться вдвое уже после 17 000 часов эксплуатации, хотя изначально Sony гарантировала как минимум 30 000 часов. Проблем, с которыми столкнулись разработчики, сразу несколько, и далеко не все из них на настоящий момент решены.

Лекарство от старения

Самой первой сложностью стала нестабильность органических соединений: в отличие от кремния и других неорганических полупроводников, органика охотно реагирует с кислородом, водяными парами и другими газами, содержащимися в воздухе, и довольно быстро теряет свои свойства. Эта проблема решается изоляцией светоизлучающего слоя от воздействий внешней среды, что, увы, до конца не спасает: даже полностью изолированные органические соединения продолжают самопроизвольно деградировать. Особенно короткий срок службы у голубых элементов — порядка 10 000 часов, что вполне приемлемо для мобильных телефонов, но абсолютно не годится для мониторов и телевизоров, которым в принципе недостаточно и 30 000 часов. Причем надо учитывать, что это цифры, полученные в лабораторных условиях, а не в реальном режиме эксплуатации, что хорошо продемонстрировало исследование DisplaySearch.

Реальные OLED-дисплеи, видимо, вряд ли будут использовать классическую схему, восходящую еще к ЭЛТ и на первый взгляд являющуюся одним из главных преимуществ этой технологии, — построение красных-зеленых-синих субпикселей из светодиодов различного цвета. Увы, разработчики пришли к выводу, что гораздо дешевле и технологичнее будет сделать однородную матрицу из белых светодиодов, а цвета задавать постановкой соответствующих фильтров — в точности так, как это делается в ЖК-технологии. Разница остается, конечно, существенная: если в случае с ЖК яркость точки регулируется прозрачностью ячейки, то у OLED — яркостью ее свечения, что оставляет за последней все преимущества по части показателей яркости и контраста.

Долговечность белых светодиодов, впрочем, пока также оставляет желать лучшего и у наиболее эффективных образцов составляет порядка 20–30 тысяч часов.

Прибавить активности

Недолговечность органики — далеко не единственная препона на пути разработчиков. Второе препятствие легко понять опять же по аналогии с ЖК-экранами, которые когда-то делились на активные и пассивные. Пассивные ЖК-матрицы представляют собой лобовое решение управления ячейками, когда к каждой из них напрямую подводится управляющее напряжение за счет системы электродов сверху и снизу ячейки, причем верхние электроды должны быть прозрачными. Подобные ячейки требуют повышенного расхода энергии на управление и, главное, отличаются крайне низким быстродействием. Это вызвано тем обстоятельством, что система достаточно длинных параллельных электродов (притом с неизбежно высоким сопротивлением, ведь из хорошо проводящего металла прозрачный электрод не сделать) представляет собой отличный фильтр низкой частоты, время установления которого составляет сотни миллисекунд: тот, кто застал ноутбуки начала 90-х, помнит характерный «хвост», который тянулся за курсором мыши.

Хотя и до сих пор можно встретить ЖК-матрицы с пассивным управлением (например, в монохромных дисплеях часов и других подобных устройствах), но все экраны сейчас делают по активной технологии, когда к каждой ячейке приставляется индивидуальный управляющий транзистор (отчего такие дисплеи еще именуют TFT-дисплеями — от Thin-Film Transistor — «тонкопленочный транзистор»).

Транзистор требует на много порядков меньше энергии для управления им, что резко снижает время реакции.

Все это относится и к OLED — с некоторыми нюансами тут лимитирующим было не столько время реакции, сколько сложность управляющих схем, ибо для достаточного свечения OLED-ячейки к ней надо подвести напряжение до 100 вольт, причем с достаточно большой силой тока. И если таких ячеек миллионы, это вырастает в серьезную проблему, так что разработчики довольно быстро пришли к необходимости построения активных матриц.

А это резко усложняет OLED-технологию в производстве даже по сравнению с ЖК, ведь транзисторы еще не научились делать из органических материалов. Хотя работы в этом направлении очень активно ведутся, но все полученные приборы, увы, не отвечают в первую очередь требованиям в отношении быстродействия.

Перспективы OLED: Напечатайте мне телевизор

Пока что OLED-дисплеи приходится делать гибридными: на матрицу из обычных тонкопленочных транзисторов на основе аморфного кремния накладывается многослойная матрица на основе органики. Процесс этот оказывается ничуть не дешевле существующих решений, которые, по крайней мере, уже хорошо отработаны.

Одним из интересных направлений удешевления было широко разрекламированное в свое время предложение печатать OLED-дисплеи с помощью струйных принтеров. Для этого подходит разработанная еще в 1989 году в Кембриджском университете специальная модификация OLED-технологии под названием CDT (или PLED — Polymer LED), использующая органические светодиоды на основе полимерных молекул. в 2004 году Epson даже продемонстрировала образец 40-дюймового дисплея, напечатанного на специально сконструированном принтере.

Но довести эту технологию до приемлемого для массового производства уровня Epson пока так и не удалось: срок службы полученных образцов составлял 2000 часов и менее.

Однако идея не была похоронена: так, весной 2008-го специалисты General Electric продемонстрировали устройство для печати довольно больших (8-дюймовых) OLED-панелей на непрерывной ленте.

Последняя разработка, однако, уводит нас далеко в сторону от дисплеев. Компания GE, крупнейший производитель оборудования для энергетики, заинтересовалась OLED-технологией потому, что она обещает совершить переворот в области источников света: это может оказаться даже более значимым последствием, чем совершенствование устройств для демонстрации изображений. OLED-источники сравнимы по КПД с люминесцентными лампами (а в перспективе могут и превысить их по этому параметру), но напрочь лишены известных недостатков последних — большого времени «разгона» и ограниченного числа оттенков, причем далеко не всегда близких к естественным. OLED-светильники могут принимать абсолютно любой оттенок — более того, его в принципе можно подстраивать по собственному желанию. А главное, они могут быть нанесены на любую поверхность. Это как минимум избавляет нас от хрупких вакуумных колб с далеко не экологичной начинкой, а как максимум — позволяет делать, например, светящиеся потолки или обои. Компании GE, Osram и другие лидеры рынка пообещали «угостить» не стесненных в финансах пользователей всей этой фантастикой в 2010 году, но не будем торопиться: пример OLED-дисплеев показывает, что не всегда все решается так быстро, как хотелось бы.

Действующий компромисс (LED- подсветка )

Пока решаются технические проблемы с внедрением OLED-дисплеев в массовое производство, разработчики придумали, как совместить преимущества светодиодов и проверенную технологию ЖК.

Обычный ЖК-дисплей использует в качестве подсветки люминесцентную лампу белого цвета. При небольших размерах экрана используется две лампы, в больших — четыре и более. Их устанавливают по бокам, а равномерность подсветки достигается за счет специального слегка вогнутого рассеивающего задника. В такой схеме трудно добиться одинаковой яркости по всей площади экрана. Кроме того, даже самые качественные и дорогие лампы подсветки — ксеноновые — позволяют добиться лишь около 97% цветового охвата NTSC.

Использование вместо ламп матрицы светодиодов (LED-подсветка) позволяет значительно улучшить все характеристики дисплея: уменьшается энергопотребление, легко достигается высокая контрастность (что важно в первую очередь для телевидения), повышается равномерность подсветки, снимается проблема воспроизведения черного. Кроме того, значительно возрастает долговечность, так как светодиоды, в отличие от люминесцентных ламп, практически не стареют. Матрицей светодиодов легко управлять динамически, регулируя яркость в разных местах экрана по-разному. Главное же преимущество — больший цветовой охват, который в профессиональных моделях достигает 116–125% NTSC (например, мониторы LaCie 720, 724, 730). В результате изображение значительно сочнее и ближе к естественному и при этом легко управляется: кроме всего прочего, такие мониторы могут имитировать цветовой охват любого известного устройства.