ТЕХНОЛОГИИ: OLED-страдания

Автор: Юрий Ревич

В одной из публикаций я обещал рассказать, почему широко разрекламированные OLED-дисплеи можно пока увидеть живьем только на выставках. На самом деле это не совсем так: с OLED-дисплеями выпускаются мобильники (типичный пример - BenQ-Siemens S88), магнитолы, GPS-навигаторы; кто-то подсчитал, что ими снабжаются около четверти MP3-плееров… Есть, наконец, и нашумевший OLED-телевизор Sony XEL-1 с диагональю экрана 11 дюймов, выпущенный еще год назад, но при своей цене от 1800 до 2500 долларов так и не ставший сенсацией (говорят, месячное производство не превышает двух тысяч штук и при таких объемах для Sony, разумеется, невыгодно).

Давно подмечено, что в области OLED никакие оптимистичные прогнозы не оправдываются. Одновременно с выпуском XEL-1 в декабре 2007 года корпорация Samsung пообещала к концу следующего года наладить серийный выпуск 14-дюймовых панелей, но пока об этом не слышно. А прототипы больших OLED-дисплеев с диагональю аж до 40 дюймов та же Samsung демонстрировала журналистам еще в 2005 году, но воз и ныне там. Из десятков производителей, с энтузиазмом включившихся в OLED-гонку в начале тысячелетия, кое-кто уже сдался: например, фактически сошла с дистанции Sanyo. Но по-прежнему мало кто считает, что OLED-технология зашла в тупик, оптимизм все же преобладает. Среди ведущих производителей OLED-панелей - Samsung (точнее, ее подразделение Samsung SDI), LG, RiTdisplay, Pioneer, Univision и TDK. Sony не решилась с ними конкурировать и в ноябре объявила, что прекращает выпускать OLED-дисплеи малой диагонали, но зато сосредоточилась на разработке OLED-панелей для телевизоров. А всего исследовательских центров, занимающихся разработкой OLED-технологий, гораздо больше, чем производителей, и число их, вероятно, ближе к сотне.

По мнению Samsung, чтобы производство крупноформатных OLED-дисплеев было рентабельным, их нужно изготавливать не меньше 3 млн. штук в год. Самыми вероятными кандидатами на устройства, которые могли бы прорвать замкнутый круг"высокая стоимость - низкая популярность", считаются телевизоры. О своих планах в этом отношении заявляют многие - в том числе LG, Matsushita (Panasonic), Samsung, Toshiba, и, конечно, Sony, но завтра OLED-телевизоров на прилавках не ждите. Так, Toshiba собиралась представить свой первый OLED-телевизор в 2009 году, однако позже перенесла срок на 2011 год. И дело не только в себестоимости производства, но и в технологических проблемах, не решенных по сию пору.

Проблемы эти возникают на двух уровнях: в технологии изготовления органических светодиодов (Organic Light-Emmitting Diode, OLED) и в разработке на их основе реальных экранов. Чтобы разобраться в камнях преткновения, надо прежде всего понять: а что, собственно, OLED-технология нам обещает?

В начале 1990-х я прочел в журнале Elecronics про освоение промышленного выпуска долгожданных синих светодиодов. Сделала это в 1993 году японская компания Nichia, благодаря своему сотруднику Судзи Накамуре. Долгожданными они были потому, что красные, зеленые и желтые к тому времени уже выпускались в промышленных масштабах, а коротковолновая часть видимого спектра никак не поддавалась. Тогда мне показалось, что еще немного - и мы увидим светодиодные телевизоры с прекрасной цветопередачей и плоские (напомним, что тогда ни о каких ЖК-панелях соответствующих размеров, тем более полноцветных, еще и речи не шло). Потому что светодиод - идеальный компонент для построения цветовой триады пикселов, абсолютно черный в выключенном состоянии, могущий обеспечить большую яркость в состоянии включенном, и к тому же обладающий чистой спектральной характеристикой, далеко обгоняющей по насыщенности оттенка любые фильтры.

Но действительность оказалась куда прозаичнее. Во-первых, обычные светодиоды невозможно вырастить на единой подложке, хотя бы потому, что для разных цветов используются разные химические соединения. Во-вторых, даже если удастся их как-то объединить в матрицу, управлять ею будет очень трудно из-за того, что твердотельные светодиоды требуют довольно больших токов, в несколько миллиампер на каждый субпиксел, отчего даже небольшая матрица такого рода будет потреблять десятки и сотни ватт. Недаром в технологиях больших экранов для общественных мест предпочитают использовать капризную, но более простую в производстве и требующую относительно небольших токов плазму.

Выход нашелся в электролюминесценции в органических материалах, на основе которых сотрудники фирмы Kodak Чин Тенг и Стив Ван Слайк в 1987 году разработали первую разновидность OLED-технологии. Схематически устройство цветовой триады пикселов в OLED-дисплее показано на рис. 1. Пропуская ток между катодом и анодом, мы заставляем светодиод излучать, причем достаточное для свечения напряжение составляет всего 2,5 В, а при 4 вольтах яркость OLED достигает 1000 кд/м2 (что раза в два-три больше, чем у"обычного монитора")[Несмотря на то что OLED - это все-таки диод и первичной величиной для него является ток, разработчики чаще используют именно вольт-яркостную характеристику, не зависящую от размеров ячейки. - С.Л.]. Правда, для этого требуются довольно мощные токовые усилители-драйверы для каждого пиксела, ибо необходимый ток составляет до полумиллиампера.

При большом желании от OLED-ячейки можно получить яркость и в 100 тысяч кд/м2, то есть проблем с динамическим диапазоном теоретически здесь нет, но на практике, конечно, все упирается в потребление и в допустимую подводимую мощность - это не только токовые драйверы, ведь катоды делаются напылением из тонкой пленки алюминия с добавками щелочных металлов, а аноды - вообще из прозрачных проводящих материалов (типа оксидов индий-олово), и их высокое сопротивление тоже ограничивает величину допустимого тока. То есть потенциальные преимущества OLED-дисплеев, в первую очередь высокую контрастность, реализовать непросто, и дальше мы увидим, к каким ухищрениям приходится прибегать разработчикам.

Единственное преимущество OLED, заработавшее с самого начала: быстродействие ячеек, которое уже в первых лабораторных образцах достигало микросекунды. Правда, схемы управления снижают быстродействие до 10–100 мкс, но это все равно на порядок лучше, чем у самых быстродействующих ЖК-ячеек.

Профессор Ричард Френд вместе с группой химиков лаборатории Кембриджского университета в 1989 году разработал еще один вариант этой технологии под названием PLED (точнее, POLED - Polymer Organic Light-emitting Diode[Не путать с PHOLED (Phosphorescent OLED) - вариантом"обычного" OLED от Universal Display Corporation.]). Здесь вместо простых органических соединений используются полимеры. Будучи более простой в производстве[В частности, нашумевший способ производства дисплеев печатью на струйных принтерах связан именно с этой технологией.], PLED обладает меньшей эффективностью светоизлучения и худшими спектральными характеристиками, а долговечность ячеек у нее ниже, чем у"обычной" OLED.

Долговечность и представляет собой первую и одну из основных трудностей для разработчиков. Органика есть органика - она медленно, но неотвратимо деградирует, взаимодействуя с кислородом воздуха, водяными парами и компаундами, которые употребляются для герметизации. Наименьшей долговечностью отличаются синие субпикселы - считается, что их срок службы не превышает в среднем 10 тысяч часов, что приемлемо для мобильных телефонов, но недостаточно для ноутбуков и телевизоров. Компания DisplaySearch, занимающаяся исследованиями потребительской электроники, обнаружила, что яркость того самого Sony XEL-1 должна снижаться вдвое уже после 17 тысяч часов эксплуатации, хотя Sony гарантировала как минимум 30 тысяч.

Другая проблема - цветопередача. Это только в теории светодиоды обладают идеальными спектральными характеристиками, на самом же деле обеспечение нужной цветовой характеристики требует введения в органический материал добавок, которые лишь ухудшают стабильность. Поэтому многие разработчики склоняются к знакомой схеме: собственно матрица составляется из светодиодов белого свечения (для них достигнута долговечность порядка 20 тысяч часов), а цвета формируются обычными фильтрами. В пределе разница между ЖК-мониторами со светодиодной подсветкой и такими OLED-дисплеями, как видите, только в способе управления яркостью: в ЖК регулируют прозрачность фильтра, а OLED - яркость подсветки (что и в ЖК с динамической подсветкой широко используется). И еще неизвестно, что выгоднее, так как ЖК-ячейка управляется не током, а напряжением и в принципе требует энергию лишь для перезаряда соответствующей емкости (отчего, кстати, и быстродействие ее ниже). Поэтому для управления яркостью ЖК-ячейки (без учета, конечно, управления динамической LED-подсветкой, если она используется) не требуется манипулировать значительными токами.

А в OLED управление субпикселами, как мы говорили, требует достаточно мощных токовых драйверов. Можно привести такую цифру: для поддержки всего-навсего 128 пикселов в строке нагрузочная способность формирователя строк должна достигать почти 50 мА (при напряжении питания формирователя около 5 В); можете подсчитать, какую единовременную мощность потребует нормальная матрица для того же телевизора. Для преодоления этих ограничений придумали довольно сложный мультистрочный способ управления матрицей, когда в каждый момент времени горит только одна строка либо некий прямоугольный фрагмент экрана (и притом частично - полное многоцветное изображение"проявляется" за несколько циклов работы). При этом уровни токов для каждого пиксела, возможно, придется настраивать индивидуально, чтобы обеспечить равномерную яркость по всей площади экрана, а потом - по мере старения ячеек - еще и подстраивать дополнительно, поэтому строковые драйверы обычно делаются программируемыми (что еще больше усложняет конструкцию, а значит, и производство).

В обычной пассивной OLED-матрице, представляющей собой массив ячеек между перпендикулярными сетками анодов и катодов, используется знакомая по плазме схема управления яркостью через скважность, то есть через регулировку времени, в течение которого ячейка"горит" за один цикл работы. В практических конструкциях таким способом было трудно обеспечить достаточный динамический диапазон - мешает инерционность линий управления, для преодоления которой приходится вводить специальный этап"предзаряда", то есть быстрого доведения напряжения на ячейке до необходимой величины через заранее запасенную на конденсаторе энергию. Пассивные OLED-матрицы обычно отображают 262 тысяч цветов, а применяющиеся в реальных устройствах - еще меньше.

Для создания нормальных многоцветных экранов пришлось, увы, поступиться принципами и объединить органический материал с обыкновенной матрицей тонкопленочных транзисторов (TFT) на основе поликремния, хорошо знакомой по ЖК-мониторам. А соединение органики с кремнием только удорожает производство (какие уж тут струйные принтеры). Правда, такой AMOLED-дисплей (Active Matrix OLED) имеет все преимущества, приписываемые OLED в сравнении с ЖК - и лучшую цветопередачу, и повышенную яркость-контрастность, и высокое быстродействие, сравнимое с быстродействием ЭЛТ, и минимальную толщину, и даже, как ни странно, более низкое энергопотребление. Но практические достижения этой технологии в ее современном состоянии мы уже видели: экраны 2,2” для мобильников - да, телевизоры и мониторы мы пока встречаем, увы, только на выставках.

Одним из перспективных направлений считается разработка транзисторов на основе органических материалов. Это позволило бы изготавливать OLED с активной матрицей в едином технологическом процессе (в том числе и печатать на принтерах, почему нет), но пока мешает как минимум одно обстоятельство: из-за малой подвижности носителей заряда в органических полупроводниках быстродействие схем на их основе слишком мало. Если бы кому-нибудь удалось создать быстрый транзистор на органике, это сильно ускорило бы вывод OLED-технологий из ступора, но пока все подобные разработки существуют лишь в виде пресс-релизов исследовательских лабораторий.

Лично мне представляется весьма перспективным совсем иное применение OLED-технологий - для производства источников света. Не исключено, что мы их увидим у себя дома даже раньше OLED-телевизоров. OLED сравнимы по светоотдаче на каждый затраченный ватт с люминесцентными лампами, но лишены их недостатков, таких как сложные схемы управления, большое время"разгона" при включении, ограниченное число оттенков, потребность в хрупких вакуумных колбах, да еще и наполненных всякими вредными парами типа ртутных.

Крупнейшие производители осветительного оборудования (General Electric, Osram, Phillips) обещают"угостить" нас OLED-светильниками совсем скоро. В Европе это начинание поддерживает Еврокомиссия, которая привлекла к делу несколько университетских лабораторий. А в марте нынешнего года даже появились первые эксклюзивные OLED-светильники, исполненные известным"у них" дизайнером Инго Маурером, который так оценил потенциал новой технологии:"OLED-панели эстетически самодостаточны, их не нужно чем-то экранировать и как-то скрывать". За океаном представители General Electric выразили надежду, что коммерческие образцы OLED-светильников появятся к 2010 году.

Разработчикам, конечно, еще пахать и пахать. Срок службы в 30 тысяч часов для белых плоских светильников, достигнутый в лабораториях Osram, хоть и превышает срок службы люминесцентных ламп (6–20 тысяч часов, в зависимости режима использования), но не позволяет использовать потенциал технологии полностью. Ведь OLED, как мы знаем, можно наносить методом печати, то есть на любую плоскую поверхность (потолки, обои и пр.), при этом оттенок можно выбирать по собственному желанию. Но светящиеся обои потребуют сроков службы порядка десятилетий (30 тысяч часов - это чуть больше трех лет), да и о регулировании оттенков еще только мечтают. Впрочем, вполне возможно, что"строительное" применение OLED окажется даже более значимым, чем для дисплеев. Про светящиеся стены в фантастических романах читали? Вот это оно и есть.