Nastal čas svietiť s OLED?
Tlačový servis / 14. 04. 2011, 00:00
Jeanine Chrobak-Kando, Business Development Manager pre LED svetlá v spoločnosti Verbatim, vysvetľuje akou cestou sa uberá vývoj OLED ako doplnkových zdrojov vnútorného osvetlenia.
Organické diódy emitujúce svetlo (OLED) majú už dnes mnoho využití v elektronike, najčastejšie ako displeje špičkových automobilových rádií, tabletov, mobilných telefónov a nájdeme ich i v ďalších zariadeniach.
OLED technológiu ľudia poznajú už dlhšie než pol storočia, t. j. odvtedy, ako vedci z francúzskej Nancy-Université v päťdesiatych rokoch minulého storočia prvýkrát pozorovali jav zvaný elektroluminiscencia v organických látkach. Jav bol viditeľný iba pri použití pomerne vysokého napätia v látke. Vynález technológie, ktorá sa v súčasnosti používa, je pripisovaný W. Tanovi a A. VanSlykemu z obdobia ich pôsobenia vo firme KODAK. Prelomom bolo vytvorenie technológie, ktorá fungovala i pri nízkom napätí a nebolo príliš drahé ju vyrobiť. Dnešná architektúra OLED je postavená na patente KODAK a jej prvá masová výroba bola začatá v novembri 1997 spoločnosťou Touhoku-Pioneer, ktorá ju spočiatku používala pre displeje v palubných doskách automobilov.
Prvé OLED obrazovky sa objavili v osobných digitálnych asistentoch (PDA) v roku 2004 a o štyri roky neskôr demonštrovali výrobcovia elektronických zariadení nasadenie technológie vo veľkoplošných televízoroch s vysokým rozlíšením, vysokým kontrastom a jasom až 600 cd/m2*. Medzi najdôležitejšie výzvy vývoja OLED sa radí minimalizácia nákladov, hmotnosti a spotreby energie, rovnako ako prinášanie lepších používateľských skúseností skrz dokonalejší kontrast či pozorovací uhol. A čo tak OLED ako všeobecný zdroj svetla? Aby sme pochopili potenciál OLED v oblasti osvetlenia, poďme si najprv priblížiť princípy, na ktorých táto technológia stojí.
Ako funguje OLED
OLED funguje na princípe vrstvy organického materiálu vloženej medzi dve elektródy, anódu a katódu, a nanesení celého „sendviča“ na substrát, ktorým je zvyčajne sklo alebo plast. Hneď ako je medzi elektródami aplikovaný jednosmerný prúd (pozitívny k anóde, negatívny ku katóde), je vyžarované svetlo ako dôsledok párovania nabitých častíc (dier a elektrónov) v organickej (vyžarovacej) vrstve. Charakteristika a intenzita vyžarovaného svetla či spôsob, akým je extrahovaný z OLED jednotky, určuje vhodnosť na svetelné využitie. Dôležitou výzvou pre inžinierov vyvíjajúcich OLED je nájsť spôsob, ako vytvoriť veľkoplošné panely. Všeobecne totiž platí, že čím väčšia plocha je „rozsvietená“ v rámci jedného procesu, tým nižšie sú náklady na OLED svetlo – pritom na dosiahnutie potrebnej svietivosti nie je nevyhnutné vziať niekoľko rovnakých panelov a vzájomne ich pospájať do jedného. Obmedzenie procesov a materiálov určuje, ako veľký panel môže byť vyrobený. Ďalším dôležitým kritériom je prevádzková životnosť OLED. Čím väčší svetelný výkon, tým je kratšia prevádzková životnosť zariadenia, takže je vždy nutné nájsť ten najvhodnejší kompromis pre jednotlivé spôsoby využitia.
OLED je možné vyrobiť tromi spôsobmi, ako znázorňuje obrázok č. 1.
Obrázok č. 1: Pruhovaný vzor maximalizuje svetelný výkon a umožňuje farebné ladenie
Niektorí poprední výrobcovia preferujú typ s mnohými vrstvami, ktorý vidíme na ľavej strane obrázka, zrejme preto, že ide o najjednoduchší proces. Tandemová konštrukcia (na pravej strane obrázka) je síce o niečo zložitejšia, ale prináša vyšší svetelný výkon a umožňuje väčší rozmer panela. Tandemová konštrukcia je niekedy kombinovaná s mnohovrstvovou štruktúrou. Prístup uplatňovaný spoločnosťou Mitsubishi Chemical, ktorá predáva OLED pod značkou Verbatim, je na obrázku č. 1 zobrazený uprostred. Tenké prúžky červených, zelených a modrých OLED k sebe priliehajú horizontálne. Táto výrobná metóda je síce komplikovanejšia, ale zato prináša dve výhody. Každá vrstva v OLED má rozdielny index lomu. To spôsobuje svetelné odrazy vnútri zariadenia a obmedzuje množstvo svetla vyžiareného von. Prúžková konštrukcia RGB je najefektívnejšia v maximalizácii svetelného výkonu pri určitej energetickej spotrebe. Druhou výhodou je fakt, že OLED nie je len stmievateľný rovnako ako iné typy konštrukcií, ale umožňuje navyše ladiť tón farby alebo bieleho odtieňa, navyše stmievanie tu nemá vplyv na farbu svetla.
Výrobné procesy OLED by mali maximalizovať svetelný výstup a minimalizovať počet chybných pixlov. Na dosiahnutie týchto cieľov používa Mitsubishi Chemical tzv. mokrý proces namiesto suchého procesu, pri ktorom sú jednotlivé vrstvy tvoriace OLED nanesené na svoje miesta pomocou pary. To pomáha vyhnúť sa mikroskopickým časticiam nežiaducich látok. Kvapalina prúdi okolo nežiaducich častíc, čím znižuje nerovnosť substrátu.
Žiaduce charakteristiky OLED osvetlenia
Ako už bolo skôr zmienené, OLED potrebujú veľkú emisnú plochu, aby sa dali používať na osvetľovacie účely, t. j. aby dokázali vyžarovať dostatok svetla potrebného na osvetlenie. Kvalita svetla vyjadrená tzv. indexom podania farieb (CRI) je dôležitá na verné zobrazenie farebných odtieňov okolitého prostredia. Čím nižšia prevádzková spotreba pri zachovaní rovnakého svetelného výstupu, tým je vyššia efektivita premeny elektrickej energie na svetlo – to je dôležité zohľadniť zvlášť dnes, keď sa celý svet usiluje o minimalizáciu energetickej spotreby a emisií CO2. Okrem toho by OLED svetlá nemali obsahovať nebezpečné látky, musia byť jednoduché na obsluhu a musia tiež vykazovať rýchlu odozvu zapnúť/vypnúť.
Nasmerovaním svetla na osem rôzne zafarbených „dlaždíc“, označených R1 až R8, a analýzou svetelného spektra od nich odrazeného, získame hodnotu CRI svetelného zdroja. Dokonalé podanie farieb zodpovedá CRI 100 pre každú farbu. Veličina CRI Ra je potom definovaná ako priemerná hodnota vypočítaná z čiastkových hodnôt CRI pre jednotlivé farby. R9 zastupuje červenú farbu, ktorá sa síce nepoužíva na výpočet celkového indexu podania farieb, ale napriek tomu hrá v spektre ľudského videnia dôležitú rolu, preto by mala byť taktiež zahrnutá pri posudzovaní kvality OLED svetla. Vlnové dĺžky svetla nad R9 (približne 650 nm) ovplyvňujú ľudské videnie už len veľmi nepatrne. Dnešné OLED panely vykazujú hodnoty CRI okolo 84 a súhrnnú hodnotu CRI Ra vyššiu než 80.
CRI alebo CQS?
CRI pôvodne vzniklo ako spôsob hodnotenia kvality svetla žiaroviek. Pre LED a OLED sa niekedy používa alternatívna metóda hodnotenia zvaná CQS. Tento systém používa 15 rôzne zafarbených „dlaždíc“ namiesto 8 ako v prípade CRI.
Čo je dnes možné dostať?
Najnovšie stmievateľné OLED panely s laditeľnou farbou alebo bielym tónom sú dostupné až do veľkosti 140 × 140 mm, ako znázorňuje obrázok č. 2.
Obrázok č. 2: OLED panely až do 140 mm štvorcových sú stmievateľné a umožňujú ladiť farbu alebo biely tón.
Panely ponúkajú jas (svetelný výkon) približne 1 000 cd/m2 pri farebnej teplote 3 000 K (v kategórii „teplá biela“). Ich spotreba sa pohybuje okolo 2 wattov. Panely majú najčastejšie hrúbku medzi 3,6 a 8,65 mm a prevádzkovú životnosť presahujúcu 8 000 hodín. Prevádzková životnosť, ktorá zodpovedá 5 rokom pri štvorhodinovom každodennom používaní, znamená, že po jej uplynutí klesne svetelný výkon na 70 % svojej pôvodnej hodnoty.
Biely tón je možné ladiť od 2 700 K, čo je typická „teplá biela“, až po približne 6 500 K, čo zodpovedá jasnému slnečnému svitu.
Použitím jednoduchého 3-kanálového elektronického radiča umiestneného na zadnej strane každého panela, je možné meniť farbu svetla prakticky okamžite. Táto vlastnosť spoločne so stmievaním vytvára emocionálny dopad svetelnej schémy, ktorú je možné pri OLED paneloch meniť tak, aby odrážala atmosféru, ktorá je v prostredí vyžadovaná. Napríklad jasné biele svetlo môže byť žiaduce ráno, zatiaľ čo tlmené relaxačné svetlo s farebným odtieňom oceníme najmä koncom dňa. Technické protokoly pre farebné ladenie RGB (DMX) a stmievanie (DALI) sú už štandardizované a ich radiče sú preto široko dostupné za priaznivú cenu. Panely je možné jednoducho kalibrovať a vzájomne prepojiť prostredníctvom tzv. regulátorov, ktoré kompenzujú rozdiely vzniknuté rôznorodými výrobnými procesmi. V blízkej budúcnosti sa očakáva, že protokol DALI bude rozšírený tak, aby k súčasnej funkcii stmievania navyše pokrýval i všetky aspekty farebného ladenia.
Možnosti kreatívnej farebnej schémy v domácom i komerčnom prostredí sú neobmedzené. Obrázok č. 3 znázorňuje jednoduchý príklad možného usporiadania svetelných OLED panelov.
Obrázok č. 3: Expozícia Verbatimu vytvorená v spolupráci s Uchihara Creative Lighting Design Inc. (fotografia od Toshio Kaneko).
OLED zatiaľ nie sú pripravené nahradiť všeobecné vnútorné osvetlenie, ako predvídajú niektorí nadšenci. Ich vývoj už predsa však dosiahol štádium, v ktorom sú schopné fungovať ako doplnok okolitého či špeciálneho osvetlenia na vytvorenie krás