nauki materiałowe

Świt plastikowych wyświetlaczy
Odkąd odkryto ich właściwości półprzewodnikowe, plastiki skąpały świat w nowym świetle. Teraz obiecują dać nam płaskie, elastyczne ekrany wyświetlaczy w pełnej gamie kolorystycznej.

Ciepłe światło zalewa pokój bez okien. Ale goście nie znajdą lamp. Wyłożone tapetami ściany i sufity emitują delikatny biały blask. Przypadkowym muśnięciem ręki dotykasz jednej ze ścian, która natychmiast zaczyna wyświetlać kolorowe obrazy, fragmenty wieczornych wiadomości. Połyskujące pokrycie ścian zmieniło się w ekran telewizyjny.

Dożywotnią gwarancję działania zapewniono sprytnie zamykając wyświetlacze organiczne w hermetycznej obudowie wypełnionej obojętnym gazem.

Dywany i zasłony o świetlnych właściwościach, ekrany o wielkości całej ściany, przepierzenia z ruchomymi grafikami komputerowymi - to wszystko może czekać na nas tuż za rogiem. W rzeczywistości, nadchodząca dekada prawdopodobnie przyniesie wielkie, kolorowe, video-kompatybilne monitory cienkie i lekkie jak papier. Użytkownicy będą nawet w stanie zwijać je w rulony, aby odstawić je na bok.

"Chcemy też produkować elektroniczną gazetę" - twierdzi dr Wolfgang Rogler z Centrum Badań Technologicznych firmy Siemens w Niemczech. "Sterując głosem, czytelnicy będš w stanie przywołać najaktualniejsze wydania różnych publikacji na elastycznym ekranie filmowym".

"Myślimy też o interaktywnym, przenośnym, kieszonkowym komputerze osobistym - telefonie komórkowym ze zintegrowanym, wielkoformatowym, zwijalnym monitorem. Używając takiego urządzenia, użytkownicy będą mieli dostęp nie tylko do wszystkich funkcji komputera, ale też nieograniczony dostęp do internetu".

Tak, są przewodzące
Eksperci od plastików stawiają na małe cząsteczki plastiku - maleńkie grudki stworzone z wielkich, organicznych cząsteczek. Zaledwie dziesięć lat temu badacze w Cambridge, w Wielkiej Brytanii, przypadkowo odkryli ich elektroluminescencję - zdolność niektórych półprzewodników do przetwarzania energii elektrycznej w światło. Cząstki polimerów o nazwach, które związują język w supeł - jak polithiofen (czerwony), polifluoren (niebieski) i polifenylenowinylen (zielony) są milion razy cięższe niż cząsteczka wodoru.

Niezliczone pierścienie aromatycznego benzenu są połączone podwójnymi wiązaniami węglowymi jak perły na długim sznurku. Zupełnie jak elektrony w konwencjonalnych strukturach LED, elektrony w pierścieniach benzenu są wzbudzane zewnętrzym napięciem od 3V do 5V. Wracając do stanu wyjściowego, wypromieniowują niesamowicie jasne i łagodne światło, w kolorze specyficznym dla użytego materiału.

Monochromatyczne organiczne diody świecące - OLED, są tworzone z wykorzystaniem technologii wielowarstwowej. Niesamowicie cienka warstwa polimeru jest umieszczana między dwiema elektrodami. Kilka warstw atomów indium-tin-oxydu (ITO) (ind-cyna-tlen)- przezroczystego przewodnika elektrycznego jest potem rozpylanych na szklane podłoże lub przezroczyste, elastyczne folie - nośniki. W procesie wytwarzania, anoda ta jest obrotowo pokrywana bardzo cienką warstwą wielkich cząsteczek półprzewodnika. Siły odśrodkowe rozprowadzają polimery, skroplone przez rozpuszczalniki, w zupełnie jednolity sposób, nawet na dużych powierzchniach. Natępnie, na polimer jest napylana, mechanicznie elastyczna katoda, składająca się z kombinacji różnych metali.

Elastyczność jest atutem OLED-ów. W rezultacie zginalne lub nawet zwijalne ekrany wyświetlaczy nie istnieją już tylko w sferze marzeń.

Jak już zostało powiedziane, system pozostaje cieńszy niż 500 nm. "Biorąc pod uwagę mocne, całościowe pokrycie elementu, żadna inna technologia nie może wyprodukować tak cienkiego, uniwersalnego źródła światła," - mówi Erwin Wolf, Global Display Manager w Osram Opto Semiconductors, przedsiębiorstwie joint venture ustanowionym na początku roku 1999 przez Osram (51%) i Infineon (49%), z byłego działu Siemensa do spraw półprzewodników. "Jasność OLED-ów jest porównywalna do jasności konwencjonalnej żarówki stuwatowej. Ponadto, drobne modyfikacje w strukturze chemicznej polimerów umożliwią wygenerowanie przez nie nowych kolorów. Melanżowanie, lub mieszanie kolorów podstawowych: czerwonego, zielonego i niebieskiego, stwarza też możliwości tworzenia innych odcieni i kolorów, oczywiście włącznie z kolorem białym."

Istnieją również inne dowody wyższości nad nieorganicznymi LED-ami. Na przykład, elektroluminescencyjne polimery mogą być używane do tworzenia tak niesamowicie małych punktów świetlnych jak i wielkich podświetlanych powierzchni. OLED o powierzchni 16 cm2 jest obecnie poddawany długoterminowym testom laboratoryjnym. Nakładanie elektrody na polimer jest teraz momentem krytycznym procesu wytwórczego ograniczającym ich jej rozmiar i kształt. Ale, jako że nie istnieją żadne ograniczenia dotyczące projektów katod metalowych, wytworzony będzie mógł być świecący element o każdym kształcie. Billboardy reklamowe lub znaki ostrzegawcze które ciężko jest teraz wyprodukować przy użyciu klasycznych struktur LED, będą w przyszłości wytwarzane niedrogo tą metodą.

W kategoriach wydajności (siły świecenia w lumenach/kandelach otrzymywanych z jednostki zużytej mocy), wyświetlacze OLED uzyskujš już wyniki tak dobre, jak ich nieorganiczne odpowiedniki. Ich jedyną wadą jest to, że cały czas jeszcze zostają w tyle jeżeli chodzi o ich trwałość użytkową. Podczas gdy 10.000 godzin żywotności nowych diód jest już zupełnie akceptowalne, konwencjonalne LED-y pracują około dziesięć razy dłużej.

Potencjalnie lepsze
Wolf, który jest odpowiedzialny za organizację produkcji na dużą skalę i dowodzi marketingiem kompletnych produktów OLED na całym świecie, rozpoczyna demonstrację zaprojektowaną, aby pokazać czego polimery są gotowe dokonać. Nie zostawiając ani śladu poświaty, litery przetaczają się przez prototyp wyświetlacza telefonu komórkowego o wymiarach 2 × 4 cm. "W tych pasywnych wyświetlaczach matrycowych dzielimy anodę na drobne linie, a katodę na kolumny, tak, aby mały ekran wyświetlacza miał około 6000 pikseli. Te piksele mogą być niezależnie aktywowane", - wyjaśnia. Naturalna inercja postrzegania naszych oczu przyczynia się do otrzymania wrażenia jasnego biegnącego tekstu. Maleńkie piksele są aktywowane według nieustannie powtarzająego się i bardzo szybkiego wzorca w kilkakrotnie większej od koniecznej jasności, ale jedynie na ułamki sekund.

Ten typ multipleksowania jest prawdziwym wyzwaniem dla układu sterującego. "Architektura takich wyświetlaczy jest polem badań specjalistów wielu dziedzin - inżynierii materiałowej i procesowej oraz inżynierów elektroników" - mówi Rogler, posiadacz tytułu naukowego z zakresu fizyki, który stał na czele 14-osobowej ekipy OLED przez rok. "Aktualnie rozwijamy procesy technologiczne, przygotowane do produkcji nowej generacji płaskich ekranów wyświetlaczy."

Zalety takich wyświetlaczy w porównaniu z odpowiadającymi im konwencjonalnymi wyświetlaczami ciekłokrystalicznymi (LCD) są oczywiste - genialnie jasne kolory, nieograniczony kąt patrzenia sięgający 180°, i niesamowicie cienka struktura. Mimo iż upłynie jeszcze trochę czasu zanim nowa technologia dojrzeje do poziomu reprezentowanego przez komponenty LCD, to oczywistym jest jej nadzwyczajny potencjał skutkujący uzyskaniem łatwiejszych i tańszych rozwiązań systemowych:

Wyścig łeb w łeb
W niektórych obszarach inżynierii przetwórczej badacze Siemensa wysunęli się na prowadzenie. Na przykład na prototypach uzyskiwany jest około 90% współczynnik wypełnienia powierzchni czynnym elementem świecącym , co oznacza, że świecące piksele stanowią 9/10 powierzchni ekranu. "Uzyskanie niesamowicie małych odległości między poszczególnymi paskami elektrod w wyświetlaczach macierzowych jest naszą specjalnością" - twierdzi dr Georg Wittmann, inżynier materiałoznastwa odpowiedzialny za inżynierię przetwórczą. "Przy rozdzielczości poniżej 30 ľm, nasze struktury są w światowej czołówce" - dodaje. Wśród konkurencji Philips ogłosił gotowość sprzedaży pierwszych elementów polimerowych LED. Zawierają one 7-segmentowy wyświetlacz do przedstawiania liter i cyfr. Zaś Pioneer oferuje drugą generację wyświetlaczy OLED w formie kolorowych wyświetlaczy do samochodowych odbiorników radiowych.

W międzyczasie Siemens przyciągał uwagę jasno świecącym wyświetlaczem SmartCard, który okazał się cieszyć dużym zainteresowaniem na targach elektronicznych CeBIT 1999 w Niemczech. Trzy połączone firmy niemieckie wyprodukowały kartę kredytową, która na bieżąco informuje posiadacza, ile pieniędzy zostało mu w elektronicznym portfelu. Współtwórcami byli: Covion Organic Semiconductor z Frankfurtu, najbardziej znany europejski producent materiałów OLED; Giesecke & Devrient z Monachium, firma wiodąca w europejskim sektorze kart chipowych i płatności elektronicznych; oraz Varta AG z Ellwangen, która wprowadziła do karty niesamowicie cienką baterię litową. Wielofunkcyjna karta nie potrzebuje już zewnętrznego czytnika. Mimo tego iż w karcie znajdują się jednocześnie mikroprocesor, zasilanie, jasny wyświetlacz i płaskie złącze kontaktowe, karta nadal pozostaje tak cienka i elastyczna jak każda konwencjonalna karta kredytowa. Karty te mają żywotność sięgającą 3 lat i są odporne na normalne urazy mechaniczne. Oczekuje się, że trafią na rynek już wkrótce.

Możliwości użycia organicznych świecących diód obejmują zastosowanie do oświetlenia pojazdów, systemów nawigacyjnych i przenośnych minikomputerów do karty inteligentnej (SmartCard).

Siemens planuje również wprowadzenie do oferty pasywnych wyświetlaczy macierzowych z rozwiniętymi układami zasilania w roku 2000. Produkcja na dużą skalę rozpocznie się od monochromatycznych wyświetlaczy graficznych w rozmiarze do 2 cali. Wyświetlacze te będą nadawać się do użytku w komputerach pokładowych i innych urządzeniach, w pojazdach. Niskie napięcie wzbudzenia (niższe niż 5 V) sprawia, że są one również idealne do telefonów komórkowych, pagerów i urzšdzeń na baterie. Szybko pojawią się wyświetlacze podświetlane na niebiesko i czerwono, jak również wielokolorowe monitory. "Wkraczamy na bardzo atrakcyjny segment rynku, aktualnie wart około czterech miliardów dolarów rocznie" - podkreśla Wolf. Naturalnie ekspansja obejmie cały rynek ekranów o płaskich wyświetlaczach, do których zaliczają się również nowoczesne 21-calowe monitory. Według Stanfordzkiego Instytutu Badawczego, firmy badajšcej rynek, w roku 2004, na tym rynku, zostanie wydane na elementy (w przybliżeniu) 21 miliardów dolarów amerykańskich.

Ku nowym granicom

Karty płatnicze ze świecącymi wyświetlaczami zrobionymi z organicznych LED pokażą, ile pieniędzy nam pozostało.

Jednakże, nadal pozostaje trochę pracy wdrożeniowej zanim możliwe będzie tworzenie dużych monitorów w pełni zdolnych do wyświetlania kolorów i grafiki. Już przy œrednicy monitora równej 8 cali, co przekłada się na ponad milion pikseli, pojedyncze piksele nie mogą być aktywowane pasywnie. Zamiast tego muszą być aktywowane bezpośrednio. "W tych aktywnych wyświetlaczach macierzowych, każdy punkt świetlny otrzymuje cienkowarstwowy tranzystor" - mówi Wittmann wyjaśniając szcegóły projektu tych monitorów. "Jest to dodatkowa warstwa krzemu polikrystalicznego obok katody i warstwy polimeru, która może być łatwo uzyskana w procesie litografii. Każdy piksel zawsze wypromieniowuje do otoczenia dokładnie taką ilość światła, jaka jest potrzebna do otrzymania wrażenia wyznaczonej barwy." W wyniku tego, nie tylko możliwe jest tworzenie dużych powierzchni, ale również wydłuża się żywotność ekranów wyświetlaczy. Spowodowane jest to tym, że poszczególne punkty świetlne nie muszą być tak jasne jak ich odpowiedniki w pasywnych wyświetlaczach matrycowych.

Jednym z początkowych problemów było starzenie się polimerów, które są wysoce wrażliwe na zanieczyszczenia. Organiczne molekuły rozkładają się w kontakcie z wodą lub tlenem. Absolutnie sterylne warunki są w związku z tym niezbędne podczas przygotowywania materiału. Skomplikowanie procesów koniecznych dla produkcji komponentów OLED nie ułatwia masowej produkcji. Komponenty muszą być produkowane w czystych pomieszczeniach, czasem wręcz w hermetycznie zamkniętych szklanych komorach zawierających atmosferę z gazu obojętnego lub próżnię. "Każdy produkt końcowy musi zostać obudowany bez dopuszczenia powietrza zanim opuści linię produkcyjną OLED" - podkreśla Wittmann.

Czy elektroniczna gazeta będzie w stanie odbierać sygnały z orbity ? Tak, ale minie jeszcze trochę czasu, zanim jej czytelnicy będą mogli otrzymywać nieustannie aktualizującą się wersję gazety na elastycznym ekranie foliowym.

Wiele już jednak osiągnięto w rozwoju materiałów i procesów w ostatnich latach. Nie tylko podwojono wydajność, ale też żywotność wyświetlaczy, która przy temperaturz otoczenia=30°C, została podniesiona z niecałych 30 do ponad 10000 godzin.

Pierwsze wyświetlacze OLED chronione były przed szkodliwym wpływem czynników środowiska przez cienkie szkło. Jednak pomimo nadzwyczajnego materiału uszczelniającego, szkło jest kruche i nieelastyczne. To sprawia, że jest ono bezużyteczne przy ochranianiu elastycznych wyświetlaczy, które mogą zmieniać kształt. Aby ominąć ten problem, badacze pracują nad nieprzepuszczającym powietrza plastikiem i kompozytami plastiku. Ze względu na ich zdolność do wytrzymania zgięcia o promieniu 4 cm, pierwsze wodo i gazoodporne plastikowe, szklane laminaty, o dobrej, długoterminoej stabilności, są już używane w kartach intaligentnych (SmartCard). Nowe materiały umożliwiają także wprowadzenie krzywych w monitorach. Co fascynujące, deska rozdzielcza w projektowanych samochodach nie zawiera już instrumentów, ale sama staje się elementem wyświetlającym. Na żądanie szybkościomierz zmienia się w system nawigacyjny, a najnowsze e-maile mogą zostać odczytane na tarczy zegara.

"Świecące polimery są tylko wierzchołkiem góry lodowej, jeżeli chodzi o tę nową technologię półprzewodników" - podkreśla Rogler. "Plastiki wkrótce umożliwią nam nie tylko tworzenie innowacyjnych źródeł światła, ale też ich optoelektronicznego przeciwieństwa - baterii słonecznej. Optyczne pamięci, tranzystory, nawet mikroprocesory stworzone z rewolucyjnego syntetycznego materiału sš już wyobrażalne. Organiczne półprzewodniki nie zastąpią technologii krzemowej, ale będą oferować niekosztowne rozwiązania dla prostych zastosowań."

Birgit Zellmann © Siemens AG 2001, D-80312 München, ostatnie zmiany: 2001-03-09

tłumaczenie z języka angielskiego Ewa Ziętarska.