Modre pike

Konec lanskega leta nas je skorajda obšla vest, da je proizvajalcem materialov za zaslone OLED uspelo izdelati modri pigment, ki fosforescira. Že prihodnje leto pričakujemo prve zaslone PHOLED, ki bodo poleg že obstoječih rdečih in zelenih pik imeli še modre. Proizvajalci obljubljajo čistejše barve, manjš porabo energije, daljšo življenjsko dobo, manj segrevanja in temnejšo črno.

Malokatero področje v računalništvo je tako obsedeno s kraticami kakor tehnologije za prikaz slike. Svoj čas smo poznali CRT, LCD, LED, OLED, AMOLED in izpeljanke, ki se jim letos pridružuje še PHOLED. Proizvajalci zaslonov obljubljajo višje ločljivosti, manjšo porabo energijo, lepše barve – vse bo boljše. Zgodovina nas to pot uči, da jim lahko verjamemo.

OVJP je novi postopek za nanos organskih spojin na površino panelov OLED. Slika: UDC

PHOLED pomeni fosforescenčne organske svetleče diode (phosphorescent organic light emitting diode), ki predstavljajo nadgradnjo klasičnih OLED. Te so fluorescenčne, a jih nihče ne imenuje tako. Fizikalno sta fluorescenca in fosforescenca različna procesa, o čemer pišemo v okvirju, posledice za delovanje pa so očitne.

Da bi razumeli PHOLED, poglejmo najprej osnovne koncepte delovanja OLED. Zasloni OLED so v zadnjih letih stalnica v pametnih telefonih, saj prinašajo čisto sliko, res temno črno, širok zorni kot in sorazmerno majhno porabo električne energije. V televizorjih in prenosnih računalnikih jih najdemo redkeje, za kar razlog ni le cena, temveč tudi možnost »vžgane« slike.

Zasloni LED in QD-LED so zelo podobni klasičnim LCD, ki imajo vir svetlobe (backlight), pred katerim je poleg polarizatorjev tudi plast tekočih kristalov, ki služi kot filter za prepuščanje svetlobe, nato pa še barvna maska. V LCD je vir svetlobe fluorescenčna sijalka, v LED in QD-LED pa svetleče diode. Barvo svetlobo dobimo z barvnimi filtri, podobo na zaslonu pa s spreminjanjem prosojnosti svetlobe za posamezen piksel. Tovrstni zasloni niso zelo učinkoviti, saj mora vir svetlobe ves čas polno svetiti, njen večji del pa se »izgubi« oziroma namenoma blokira s tekočimi kristali ali z barvnimi filtri.

Organske LED oziroma OLED pa so korak naprej. Predstavljajo točkasti vir svetlobe, ki jih krmilimo posamič. Medtem ko je v LCD osvetljen ves zaslon, nato pa s tekočimi kristali prilagajamo količino svetlobe, ki seva v posameznem pikslu, OLED prižiga in ugaša vsak piksel posebej. Prva in očitna prednost je prava črna barva, ki jo ustvari preprosto tako, da piksla ne vključi. Druge prednosti so manjša poraba energije, večji barvni razpon in širok zorni kot.

Organski spojini, ki sta matriks in dopant v zelenih PHOLED.

Srce OLED je material iz organskih molekul – v kemičnem smislu, ne iz žive narave. Ta je v »sendviču« med anodo iz indijevega kositrovega oksida (ITO) in katodo, ki je običajno barij ali kalcij, oblečen v aluminij. Med anodo in katodo sta še prevodni sloj in emisivni sloj. Sestavljena sta iz organskih molekul, ki so lahko male molekule ali organski polimeri. V vseh primerih elektroni tečejo iz negativno nabite katode v organsko plast, kjer zasedejo najnižjo nezasedeno orbitalo (LUMO), torej so v vzbujenem stanju. Na drugi strani anoda izgublja elektrone iz najvišje zasedene orbitale (HOMO), torej ustvarja vrzeli, ki potujejo proti katodi. Ko se vrzeli in elektroni srečajo, se vzbujeno stanje pretvori v osnovno. V procesu sproščena energija se odda kot svetloba, zato organska svetleča dioda – sveti.

Fluorescenca in fosforescenca

Človeško oko vidi svetlobo z valovnimi dolžinami med 400 in 700 nm. V širokem razponu elektromagnetnih valovanj lahko torej brez pripomočkov vidimo le ozko območje. Čeprav so načini, kako predmeti oddajo svetlobo, različni, je končni rezultat vedno enak. Elektroni se morajo v enem skoku spustiti z višjega energijskega nivoja na nižjega, pri čemer odvečno energijo oddajo kot foton. Če je energijska razlika tolikšna, da foton ustreza svetlobi valovnih dolžin, ki jih lahko vidimo, predmet sveti.

Najprimitivnejši način je inkandescenca ali žarjenje, ki se pojavi pri segrevanju predmetov nad Draperjevo točko pri 525 °C. V segretih predmetih elektroni zaradi termične energije prehajajo na višje energijske nivoje, ko pa se z njih spuščajo, oddajajo svetlobo. Čim višjo temperaturo imajo predmeti, tem krajše valovne dolžine ima oddana svetlobe – od rdeče se pomika proti modri barvi.

Inkandescenca je bila zgodovinsko prvi način za ustvarjanje umetnih virov svetlobe, a je z energetskega vidika pošastno neučinkovita. Žarnice z žarilno nitko so zato marsikje že prepovedane. Za zaslone ali kakršnokoli kontrolirano prikazovanje slik pa je inkadescenca seveda neuporabna.

Svetijo pa tudi hladni predmeti, kjer se drugačen pojav imenuje luminiscenca. Tudi pri luminiscenci material prejema energijo, ki vzbudi elektrone v višje energijsko stanje, od koder se vračajo v osnovno stanje in presežno energijo oddajajo kot svetlobo. To je mogoče, kadar so energijski nivoji ustrezno razmaknjeni in kadar je prehod med njimi dovoljen. Kadar energijo dovajamo z elektromagnetnim valovanjem, kar je lahko tudi svetloba, govorimo o fotoluminiscenci. Običajno je izsevana svetloba daljših valovnih dolžin od vpadlega elektromagnetnega valovanja. Če energijo dovajamo z električnim tokom, gre za elektroluminiscenco.

Deli se na fosforescenco in fluorescenco. Očitna razlika med njima je trajanje izseva, saj se fluorescenca končna nekaj nanosekund po prenehanju dovajanja energije, medtem ko fosforescenca lahko traja dlje, od milisekund pa vse do ur. Razlog je drugačen fizikalni mehanizem. Pri fosforescenci elektroni prehajajo z najnižjega vzbujenega stanja v osnovno stanje, pri čemer se spin ne spremeni – obe stanji sta singletni. Tak prehod je kvantnomehansko dovoljen in hiter. Če pa se spinsko stanje elektrona spremeni, je vzbujeno stanje tripletno. Neposredni prehod nazaj v osnovno stanje je prepovedan, saj se mora spin spremeniti še enkrat. Ta proces je počasnejši, zato fosforescenca vztraja bistveno dlje, v ekstremnih primerih celo več minut ali ur. PHOLED izkorišča tudi fosforescenco, zato oddaja svetlobo tudi iz tripletnih stanj.

Pri fluorescenci se spin ne spremeni, pri fosforescenci pač.

Zaradi zapletenih razlogov, ki segajo v kvantno fiziko, OLED ne morejo biti več kot 25-odstotno učinkoviti. Ko elektroni v vzbujenem stanju oddajajo presežno energijo in se vrnejo v osnovno stanje, morajo to storiti v enem sunku. Ali je to mogoče, je odvisno od njihovega stanja. V fluorescentnem materialu je zgolj četrtinska možnost, da bo vzbujeno stanje pravilnega spina, zato se večina energije še vedno troši po nepotrebnem, saj elektroni presežno energijo v nepravilnem spinskem stanju oddajo kot toploto.

Doslej smo se osredotočali na porabo energije, ki je pri OLED v resnici odvisna od prikazane slike. Čim več črnih predelov ima, tem večja bo razlika v porabi med LCD in OLED. Pri dolgoživosti in svetlosti pa OLED niso nič boljši od LCD. Potrebovali bomo PHOLED.

Modra, kdo bo tebe ljubil

Fosforescenčni materiali za OLED, torej PHOLED, so šele letos postali komercialno dostopni. Universal Display Corporation (UDC) je konec lanskega leta sporočil, da jim je uspelo izdelati modre PHOLED. To je v resnici še zadnji kamenček v mozaiku, ki je manjkal za široki razmah PHOLED.

Brez velikega pompa so rdeče PHOLED izumili pred dvema desetletjema, zelene pa približno pred desetimi leti. Raziskovalci so bili namreč ugotovili, da dodatek atomov težkih kovin v OLED omogoči, da začnejo fosforescirati, torej da tudi »neugodna« spinska stanja (triplet) oddajajo svetlobo, a nihče bil sposoben proizvesti zanesljive in dolgožive modre PHOLED.

Če zgodba zveni znano, je za to razlog. Tudi izum modre svetleče diode (LED) je bil dolgo časa sveti gral fizike. Medtem ko so rdeče in zelene dobesedno poznali desetletja, se je modra izmikala vse do leta 1989. Dosežek je bil tako pomemben, da so Shuji Nakamura, Hiroshi Amano in Isamu Akasaki zanj pred desetimi leti prejeli celo Nobelovo nagrado za fiziko. Z modro barvo so namreč omogočili poustvaritev bele svetlobe in tudi prikazovanje celotne palete barv.

A pred odkritjem je – podobno kot za modro PHOLED – vladalo prepričanje, da je problem nerešljiv. Modra ni le očem drugačna kakor zelena ali rdeča, je tudi fizikalno dovolj različna, da je ni trivialno ustvariti. Modra svetloba ima krajšo valovno dolžino od ostalih barv, zatorej imajo fotoni večjo energijo. Ta je tako velika, da se marsikakšen material uniči, preden bi jo pri sestopanju elektronov z višjih nivojev zmogel izsevati. Da so izdelali modre LED, so morali uporabiti substrat iz safirja, na katerem so vzgojili zelo pravilen galijev nitrid z indijem in aluminijem. Že majhne napake v kristalni rešetki so njegovo sposobnost oddajanja modre svetlobe močno zadušile.

Proizvodnja panelov z organskimi svetlečimi diodami. Slika: UDC

Z modrimi PHOLED ni bilo bistveno drugače. Leta in leta so raziskovalci poskušali pripraviti fosforescenčni material, ki bi oddajal modro svetlobo, a so bili pri tem neuspešni. Za modro barvo potrebujemo svetlobo z valovno dolžino 450 nm in ne morda 460 ali 470 nm, ki sta lažje dosegljivi. Ob tem po pravici povejmo, da so primitivni poskusi že obstajali, a za komercialno rabo mora biti tehnologija stabilna. Ni dovolj, da PHOLED sveti modro, temveč mora biti ta modra točno prave valovne dolžine in mora taka ostati skozi vso življenjsko dobo, ki ne sme biti prekratka. S staranjem tudi svetilnost ne sme preveč upasti, saj ne želimo zaslona, ki bi sčasoma porumenel ali se drugače prehitro staral. Takšne, komercialne rdeče PHOLED so izdelali leta 2003, zelene leta 2013 in modre – zdaj.

Kaj prinaša

V teoriji OLED ne more biti več kot 25-odstotno učinkovita, PHOLED pa je lahko 100-odstotno. A gre več kot le za porabo energije. Malokdo ve, da so dandanes kombinirani zasloni že nekaj običajnega. LG uporablja tehnologijo WOLED, kjer za vir rdeče in zelene svetlobe že uporabljajo PHOLED, za modro pa še stari fluorescenčni OLED. Takšna rešitev ni optimalna, ker morajo imeti modri piksli večje in svetlejše svetleče diode, da je rezultat uravnotežen. Še več, naloženi so v dva sloja. To po eni strani povečuje porabo, po drugi strani pa se OLED bolj starajo od PHOLED in lahko sčasoma povzročijo premik barv na zaslonu. Z izumom modrih PHOLED bodo končno vsi piksli osnovani na enaki tehnologiji in v eni plasti, kar bo omogočilo miniaturizacijo, manjšo porabo energije in boljšo svetlost.

Medtem ko zasloni podjetja LG PHOLED v primerjavi z WOLED ne bodo imeli bistveno manjše porabe energije, pa bo več pridobil Samsung. Njihovi QD-OLED uporabljajo modre fluorescenčne OLED kot vir svetlobe, ki potem bodisi potuje neposredno na zaslon (za modro barvo) bodisi zadenejo kvantne pike (quantum dots), ki absorbirajo energijo modre svetlobe in oddajo svetlobo nekoliko daljših valovnih dolžin, torej svetijo rdeče oziroma zeleno. Tu bi uporaba modrih PHOLED namesto OLED resnično zmanjšala porabo energije za 75 odstotkov. Hkrati bodo lahko namesto treh slojev uporabili dva ali celo samo enega, saj bodo piksli PHOLED svetlejši. Če pa bodo v dražjih modelih obdržali tri, bo zaslon zares svetel. Manjša poraba energije niti ni najpomembnejši dejavnik, temveč bo to predvsem manj segrevanja. Elektronske komponente imajo »raje« nižje temperature, saj se tako počasneje starajo.

Shema sestave PHOLED

UDC

Universal Display Corporation (UDC) je eden vodilnih proizvajalcev tehnologije za organske svetleče diode (OLED). Podjetje je bilo ustanovljeno leta 1994 v New Jerseyju in ima več kot 3.000 patentov na področju fosforescenčnih, upogljivih, prozornih in večslojnih OLED. Njegove izdelke ali tehnologije uporabljajo vsi največji proizvajalci panelov in zaslonov: Konica Minolta, LG, Pioneer, Panasonic in Samsung.

Že pred poldrugim desetletjem se je UDC pohvalil, da praktično vsi zasloni AMOLED (OLED z aktivno matrico) uporabljajo njihovo tehnologijo. Danes jo najdemo v pametnih telefonih, urah, velikih telefonih (phablet), tablicah in televizorjih.

Podjetje je ustanovil znani ameriški poslovnež Sherwin Seligsohn, ki je med letoma 1995 in 2007 podjetje tudi vodil. Poleg UDC je ustanovil ali vodil še nekaj drugih tehnoloških podjetij, denimo American Biomimetics Corporation, International Multi-Media Corporation, Wireless Unified Network Systems Corporation in InterDigital Communications. Leta 1996 je UDC začel kotirati na borzi, kjer ima oznako OLED – tudi njihova spletna stran se imenuje oled.com. Dve leti pozneje so v sodelovanju s Princetonom in z Univerzo v Južni Kaliforniji odkrili PHOLED, ki je leta 2003 v rdeči barvi dobil prvo komercialno uporabo. Dve desetletji pozneje so krog sklenili z modro.

Čeprav je tehnologija za proizvodnjo modrih pikslov PHOELD komercialno na voljo, končnih izdelkov še ne bomo dobili takoj. Stranke UDC namreč niso domači uporabniki, temveč proizvajalci panelov, ki jih potem vgrajujejo v zaslone. Ti so sicer navdušeno planili nad novo tehnologijo, a jo morajo zdaj prilagoditi svojim izdelkom oziroma napraviti nove. V praksi to pomeni, da bomo prve televizorje ali pa zaslone za pametne telefone s PHOLED videli leta 2025 ali 2026.

Poglejmo nekaj številk. Moderni televizorji OLED, denimo Samsung S95C, zmorejo svetlost do 2.000 kandel na kvadratni meter (enoto imenujemo tudi nit). Z modrim PHOLED bo šlo brez težav do 2.500 nit. S tem bodo televizorji OLED povsem konkurenčni QD-LED.

Panele OLED za televizorje proizvajata le Samsung in LED, za oba pa je ključni dobavitelj UDC. Med prvimi proizvajalci, ki bodo uporabili modre PHOLED, bo zagotovo Samsung, ocenjuje analitik Robert J. O’Brien iz podjetja DSCC. Samsung že leta uporablja OLED za barvanje posameznih pikslov. Prehod na modri PHOLED bo zato preprost, hkrati pa se bo kazal tudi v drugi izdelkih, ne le v Samsungovih televizorjih. Njegove panele namreč uporabljajo številni proizvajalci, denimo za zaslone v pametnih telefonih, tablicah, prenosnih računalnikih in drugod. Marsikateri še vedno uporabljajo mikro LED in PHOLED je končno tehnologija, ki ji lahko resno konkurira.

Material ni edina novost

UDC je poleg modrih PHOLED pripravil še eno novost, ki izdelavo poceni. OVJP (organic vapor jet printing) je nov način za nanos organskih materialov na velike površine, kar je koristno pri izdelavi panelov OLED za televizorje. OVJP ne uporablja topil ali mask, temveč namesto tega aktivne molekule na material napareva v toku plina.

Ker pri postopku ne uporabljajo topil, njihova viskoznost in sposobnost raztapljanja organskih materialov ne vpliva na izdelavo. Klasični postopek s topili (inkjet printing) pri nanosu pušča ostanke, ki so posledica nečistot v topilih, kar skrajšuje življenjsko dobo panelov. Hkrati je OVJP boljši od sorodnega VTE (vapor thermal evaporation), saj ta potrebuje masko za nanos, kar onemogoča uporabo na zares velikih panelih. VTE ni skalabilen, OVJP pač.

OLED je v zadnjih let postal resen trg, ki je lani dosegel 25,5 milijarde dolarjev, kar je predstavljalo 22-odstotno rast. Analitiki ocenjujejo, da se bo v naslednjem desetletju povečal še za petkrat. Potrebe po OLED rastejo v različnih sektorjih, kjer so televizorji in zasloni zgolj najočitnejši. Avtomobilski žarometi, naglavni kompleti za obogateno resničnost, telefoni, razsvetljava in podobno bodo vsi pridobili z njihovo uporabo.

Zanimivo je, da so največji igralci na tem področju klasična kemijska podjetja. Poleg UDC so to še Sigma-Aldrich, Dupont, Merck, LG Chem in Dow Chemical Company. Kemično gledano so materiali za PHOLED kovinski kompleksi, ki vsebujejo kovino prehoda, največkrat iridij, ki je koordinirana z organskimi aromatskimi spojinami (z veliko benzenovimi obroči), ki se imenujejo ligandi. Celoten takšen kompleks imenujemo dopant, ker je v majhnih koncentracijah prisoten v organskem matriksu, ki ga sestavljajo kompleksne organske molekule (npr. N,N′-dicikloheksil-4-morfolinkarboksamidin ali 4,4'-(9H,9'H-3,3'-bikarbazol-9,9'-diil)bis(N,N-difenilanilin)). Kvantnokemijski učinki so odgovorni, da takšni sistemi zaradi kovin omogočajo enostaven prehod med različnimi spinskimi stani, kar je nujen pogoj za fosforescenco.

Javno so znani principi delovanja in katere molekule – tako matriks kot dopanti – imajo fosforescenčne lastnosti. Natančne formule ligandov, zmes matriksa in podrobnosti sinteznega postopka vključno s proizvodnjo pikslov pa ostajajo skrbno varovana poslovna skrivnost, ki je vredna milijarde. Teh informacij ne bomo našli v znanstvenih člankih, patenti pa so namenoma napisano tako na široko, da si z njimi ni mogoče pomagati. Vse to je namerno. Proizvajalcev seveda ni strah, da bi fosforescenčni modri material izdelali v domačem laboratoriju, saj ga sploh ne moremo, temveč tega, da bi ga konkurenca predobro skopirala.

Svetlo v prihodnost

Medtem ko so bile prve svetleče diode zmagoslavje fizikov, ki so morali pri izumu in uporabi kvantnih pik že sodelovati s kemiki, so dopanti in matriks za PHOLED tipični projekt kemikov. Razvoj in sinteza ustreznih materialov sta kemijski problem, a brez inženirjev ne bo šlo. Dovolj čista izdelava, naparevanje na substrat in končno pakiranje so enako pomembni kot sinteza eksotičnih kovinskih kompleksov.

Klasični LCD uporabljajo barvni filter na beli svetlobi, QD-LED pa kvantne pike za absorpcijo modre svetlobe in izsev ustreznih barv.

Ko so zaslone s katodnimi cevmi zamenjali zasloni s tekočimi kristali, je bila revolucija opazna že na prvi pogled. A od LCD do PHOLED je razvoj napredoval še bolj, dasiravno morda tega nismo sproti opažali. Brez tega napredka ne bi bilo pametnih telefonov, ki prikazujejo sliko v ločljivosti HD ali več, baterija pa zmore dan ali več.

Ko modri PHOLED šele prihaja v izdelke za splošno rabo, pa raziskovalci že pogledujejo naprej. Trenutno se zdi, da bo naslednja tehnologija plazmonska PHOLED. Plazmoni so kompleksen kvantokemijski pojav, ki se pojavi na stiku dveh materialov z različno predznačenima dielektričnima funkcijami. V praksi je to stik med kovino in izolatorjem (dielektrikom). S plazmonskimi PHOLED bi lahko še podaljšali življenjsko dobo komponent in povečali svetlost. Tudi ta tehnologija uporablja fosforescenco, a poleg te izkorišča še plazmonske učinke. O uporabi te tehnologije so raziskovalci UDC februarja 2022 objavili celo znanstveni članek (Plasmonic PHOLEDs: increasing OLED stability, Journal of Materials Chemistry C), v katerem je opis seveda precej splošen. Bistvena prednost je počasnejše staranje, torej izgubljanje svetilnosti.

Povsem mogoče je, da se bodo v prihodnosti pojavile še tehnologije, ki si jih trenutno ne moremo zamisliti. Na prvi pogled bi sicer lahko pomislili, da so trenutni zasloni že dovolj dobri, a prostora za napredek je še precej. Ne gre le za vernost reprodukcije barv in porabo energije, temveč tudi povsem nove zmožnosti: upogljive zaslone, boljše prozorne (nevidne) zaslone itd. Omejitev je vedno fizika, nikoli domišljija.