OLED fényforrások II. hatásfok
2013/1-2. lapszám | Gröller György | 4220 |
Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az utóbbi bő évtized viharos változásokat hozott a világítástechnikában. Kezdjük megszokni a kompakt fénycsöveket, próbáljuk felejteni az izzólámpát, és már akármerre nézünk, LED-eket látunk: köztereken, autókban, kerékpáron és – bár kicsit drágábban – elegáns beltéri világítótestekben. Erre a költségre, minőségre, energia-hatékonyságra érzékeny piacra készül az újabb szereplő, az OLED.
Rövidítések: p-HTL: p adalékolt lyukvezető réteg, EBL: elektronblokkoló réteg, -NPD, Ir(MDQ)2(acac), 4P-NPD, TPBi:Ir(ppy)3: a fényemittáló szerves molekulák rövidített neve, HBL: lyukblokkoló réteg, n-ETL: n adalékolt elektronvezető réteg, S, T a szingulett és triplett állapotok (a példában a foszforeszcens és fluoreszcens rétegek ilyen megoszlása egyedi, más eszközben más választás is lehet, akár csak egyik vagy csak másik típus.)
Hatásfok
A hagyományos W/W hatásfok helyett a felhasználó számára a lámpák fényhasznosítása a legjobban használható jellemző. A cél manapság a 100 lm/W közeli érték elérése. Kísérleti gyártásban ezt több cégnél is elérték, sőt van gyártó, amely 142 lm/W-ról számolt be, de sorozatgyártásban az ipar még 40-45 lm/W körül jár. Az USA Energiaügyi Hivatala (DoE) szerint 2020-ra az elérhető cél 150-170 lm/W. Nézzük meg részletesen az OLED-ek energiamérlegét, hol, milyen veszteségekkel kell számolnunk, mit lehet tenni ezek csökkentésére.
Ohmos veszteségek
A betáplált villamos energia egy része az elektronok gerjesztésére, excitonok keltésére fordítódik. A fotonkibocsátás induló szintje az S1 vagy a T1 szint (1. ábra), amíg ide lejut, az energiakülönbség hővé alakul (hasonló a helyzet a HOMO oldalon is, amíg egy lyuk felkerül az S0 szintig, a valóságban egy elektron kerül onnan lejjebb, és a különbség szintén hővé alakul). További ohmos veszteség származik a bevezetők és az elektródák ellenállásából. Ez ügyben az átlátszó vezető elektróda, az ITO réteg leginkább a felelős.
Javítási lehetőségek: Az ITO kiváltására sok biztató jelölt van, ezekről az anyagok című fejezetben olvashatnak. Lehet vékonyszálú fémrácscsal segíteni a vezetést, úgy, hogy az átlátszóság alig csökken. A másik fő feladat a sávszerkezet finom illesztése, a katód, anód és a belső rétegek olyan összehangolása, hogy a rétegek közötti potenciálgát minél kisebb legyen. Ebben segít a szerves kémia. A molekula pici módosításának sokféle lehetősége van, és ezek között meg lehet találni azt, ami az alapfunkciót nem rontja, de pl. a sávszélességet néhány tized elektronvolttal módosítja. Ez a jól hangzó „molecular engineering”, ami különleges lehetőség a szerves elektronika kezében.
Belső kvantumhatásfok
Azt jellemzi, hogy az aktív zónába érkező elektron-lyuk párokból mennyi tud végül lumi- neszcens fotont gerjeszteni. Az előző részben ismertetett fluoreszcens–foszforeszcens mechanizmus alapján az elméleti határ 25, ill. 100%. Szerencsére itt nincs sok gond, foszforeszcens adalékkal a közel 100%-os kvantumhatásfok elérhető.
Külső kvantumhatásfok vagy kicsatolási hatásfok
A veszteség oka a teljes visszaverődés. Az aktív rétegek és az ITO törésmutatója elég nagy, 1,8–2 közelében van, így ebből a levegőbe csak egy kis kúpszög alatt tud kilépni a fény. A jelenség a szervetlen LED-eknél is ismert, az ott kidolgozott javítási módszerek részben használhatók is. Itt a helyzet azért bonyolultabb, mert a nagy felület és a néhány tíz nanométeres rétegvastagságok miatt az OLED planár hullámvezetőként viselkedik, aminek épp az a (híradás- technikában jó, itt káros) tulajdonsága, hogy nem lép ki belőle a fény. A 2. ábrán látható, hogy alapesetben a gerjesztett fotonok kevesebb, mint egyötöde tud csak kilépni. Ebből is látszik, hogy ezen a területen érdemes pénzt, energiát fektetni a kutatásokba. Több megoldás is született, amelyekkel két-háromszorosára lehet növeli a kilépő fényhozamot.
Léteznek külső, a felszínt módosító eljárások: mikrolencsék vagy más, a beesési szöget csökkentő felületi idomok kialakítása. Ezeket öntapadó fóliaként is meg lehet vásárolni. A belső módosítások a szerves rétegben és az ITO anódban vezetett módusok kicsatolását célozzák. A megoldás elve adott, ami káros a planár fény-vezetőkben, az itt pont jó, szabályos vagy szabálytalan akadályokat kell a fény útjába állítani, hogy ne tudjon a rétegben terjedni. Lehet a szerves rétegbe apró szemcséjű szórócentrumokat bekeverni, lehet különböző mintázatokat, hálót kialakítani a belső rétegek között (hullámokat az üveg felületén, rácsot az ITO-ból vagy kis törésmutatójú SiO2-ből), ezek mind jók, és változó költségekkel 50-200%-os hatásfokjavulást lehet elérni. Marad a fém határán terjedő plazmon-csatolt hullám. A több mint egyharmadnyi veszteség megmentése nagyon csábító feladat, de még csak laboratóriumi eredmények vannak. Végül egy egyedi megoldás (3. ábra): tegyük (majdnem) pontszerűvé az OLED-et: szinte olyan lesz mint egy szervetlen LED, így egy félgömb-lencsével 62% kicsatolást lehetett elérni. Ma ez a megoldás a világcsúcstartó a már említett 142 lm/W fényhasznosítással.
Stabilitás, élettartam
A szerves anyagokról, polimerekről mindig az az érzésünk, hogy nem túl tartós, nem túl stabil anyagok, a magasabb hőmérsékletet nem bírják. Ez részben igaz az OLED anyagaira is. Maguk a molekulák elég stabilak, a konjugált kettőskötés-rendszer sokat javít a hőállóságon, kémiai ellenálló képességen. Gyengébbek a molekulák közötti kapcsolatok, és ez az, ami meghatározza a szilárd anyag hőállóságát és a működési hőmérsékletét. A kémiai környezetre, nedvességre, oxigénre főképp a p és n szennyezést biztosító oxidáló- és redukálószerek miatt lesznek érzékenyek a szerves félvezető eszközök. Gondolhatnánk, ha gyengébb az anyag, akkor legyen robusztusabb a konstrukció. Sajnos ez sem használható, hiszen az optimális rétegvastagság nm-ben, m-ben mérhető. Tehát vannak jogos kételyek, ennek megfelelően kell kérdezni is. Nem jó kérdés, hogy stabil-e, ellenálló-e, örökéletű-e. A pontosabb kérdések inkább úgy szólnak, hogy:
- Milyen paramétereken belül üzemel biztonságosan a lámpa?
- Milyen szigetelést, tokozást kell biztosítanunk, hogy a környezet ne károsítsa?
- Milyen terheléssel égessük a lámpát, a terhelés hogy befolyásolja az élettartamot?
Ezekre a kérdésekre az utóbbi években egyre megnyugtatóbb válaszok érkeznek, és ma már a stabilitás, megbízhatóság nem tartozik a kritikus problémák közé. Egyedül a foszforeszcens kék komponensre kell megoldást találni, eddig nem sikerült 8-10 ezer óránál jobb élettartamú anyagot előállítani. Főképp ezért a legtöbb gyártó 10 000 órában adja meg a várható élettartamot (LT70, a kezdeti érték 70%-ára csökken a fényáram). Ezt átlagosan 1000 cd/m² fénysűrűség mellett lehet elérni. A fénysűrűség növelhető az áramerősség emelésével, de így több hő is keletkezik. Szerencsére nem sok, hiszen nagy a felület, így legfeljebb 2-3 A/dm² áramsűrűséggel számolhatunk, mégis a nagyobb terhelés valamenynyire csökkenti az élettartamot. A tapasztalat szerint 10 °C (üzemi) hőmérséklet-emelkedés kb. a felére. Nagyon kritikus a lámpák hermetikus tokozása; vízre 10-6 g/m²/nap, oxigénre 10-4 cm³/m²/nap/bar áteresztés engedhető meg. Ezt a szokásos műanyag ragasztók nem is tudják teljesíteni, ezért vagy glettert kell használni, vagy a hagyományos fényforrásgyártásban bevált üvegfrittes kötést kell alkalmazni. Így a stabilitási problémát sikerült átkonvertálni ár- és kihozatali problémává, azaz kicsit drágább a gyártás, kicsit több a selejt.
Az előrejelzés és a cél az, hogy egyszerre kell növelni a fénysűrűséget és az élettartamot. Utóbbit természetesen a versenyképesség érdekében, hiszen a többi korszerű fényforrás is 10-50 ezer órát bír, előbbit pedig a költségcsökkentés miatt. Ugyanis a lámpa ára a felületével arányos, tehát ha kétszeres fénysűrűséget érek el, feleakkora panel kell ugyanakkora fényáramhoz. A terhelés növelésével ugyan csökken az élettartam, sőt kicsit még a hatásfok is, de a végső mérleg pozitív lesz. Összegezve, a pár éves előrejelzés 15 ezer órát céloz meg 1500 cd/m² mellett.
Technológia
Röviden bemutatom a főbb elemeket és anyagaikat, valamint a rétegkészítési eljárásokat. Nem terhelném az olvasót a gyártás apró részleteivel, hiszen főképp felhasználóként fogunk találkozni vele. (Nem tudok róla, hogy Magyarországon valaki is foglalkozna OLED vagy más polimer- elektronikai termék gyártásával. Legközelebb Drezdában kutatnak, gyártanak, méghozzá világszínvonalon).
Fénykibocsátó réteg anyagai
Több száz kis molekula és kicsit kevesebb polimer közül lehet válogatni. A polimermolekula maga vezet- és tartalmazza a világító centrumot is, a kis molekuláknál ezek a funkciók szétváltak. A világítás szempontjából ezek mind fluoreszcens anyagok, a foszforeszcencia megvalósítására külön adalékot kell keverni hozzá. Ezek általában nemesfémek (Ir, Pt, Pd, Os) komplex vegyületei.
Elektródák
A katód leginkább alumínium, emellett a sávszerkezethez való jobb illesztés miatt használhatnak kalciumot, magnéziumot és ezüstöt.
Az anódnak átlátszónak kell lenni, és az átlátszó vezető anyagok között elég szűk a választék. Az utóbbi évekig az ón-indium-oxid (ITO) volt szinte az egyetlen használt anyag: 1 nagyságrendű négyzetes ellenállással és 80-85%-os fényáteresztéssel. Az OLED igényeihez jó lenne kisebb ellenállás, mert a viszonylag nagy panelméret miatt a szélektől távolabb már kisebb feszültség jut, így a lámpa közepe kicsit halványabb. Ezen lehet segíteni egy nagyon vékony fémhálóval, de akkor ez a raszter látszik. Több új anyag is felmerült az ITO helyettesítésére, amelyek a fejlesztés különböző stádiumaiban vannak. Ugyanezek az anyagok, nagyrészt hasonló paraméterekkel szükségesek a napelemekhez és a lapos képernyőkhöz, így a fejlesztéseket is több oldalról támogatják.
- Alumíniummal adalékolt cink-oxid (AZO): már gyártási fázisban, hasonló ellenállással, kicsit jobb optikai jellemzőkkel, mint az ITO.
- Vezető polimerek: egyelőre gyengébb paraméterekkel, főképp ott esélyes, ahol tiszta szerves struktúrát akarnak kialakítani.
- Ezüst nanoszálas tinta: a neve mindent megmagyaráz, nyomdatechnikai rétegkészítéshez fejlesztették ki. Nagyon jó vezető, de ahogy növeljük a vezetőképességet, egyre sűrűbb szövésű hálózat kell, amivel a fényáteresztés csökken. Ugyanez az összefüggés a többi anyagra is igaz.
- Grafén, szén nanocső: sok, egészen különleges jó tulajdonságuk biztosítja, hogy a jövőben több területen lehet ezeket használni, ha áruk elérhetőbb, technológiájuk kidolgozottabb lesz. Vezető bevonatként előbb az érintőképernyőknél, polimer napelemeknél várható.
Hordozók
Látszólag kevésbé fontos kisegítő anyag, de néhány paramétert szigorúan teljesíteni kell, úgymint a nagy felületi simaság és a minimális gázáteresztés. Az üveg teljesíti ezeket az elvárásokat. Az OLED igényeinek megfelel a lágyüveg is, ami jelentősen olcsóbb, de gyengébb mechanikai tulajdonságai miatt 1,5-1,8 mm-nél vékonyabbat nem mernek használni. Az LCD és OLED TVk-hez kifejlesztettek ultra vékony keményüveg hordozókat, sőt már 0,1-0,2 mm vastag, hajítható üveget is tudnak már gyártani, ami még több szabadságot biztosít a tervezők számára, és emellett szükséges az ún. roll-to-roll technológiához.
Sávszerkezet
A 0eV a vákuumszint (a szilárd fázisból kijutó elektron energiája), ehhez képest a kötött elektronok energiája negatív. Az Al katód felől érkező elektronok energiát vesznek fel a térből. A vonal az Al Fermi energiáját jelzi, ez a legmagasabb betöltött szint, innen lépnek fel a LUMO szintig. A másik oldalon az ITO anód felől érkeznek a lyukak (ezek energiaszintje -5,5 és -6,2 eV között van). Exciton keletkezik, amelynek energiája vagy a fluoreszcens kék rétegben szabadul fel (kék sugárzás), vagy a másik két réteg egyikében foszforeszcens mechanizmus szerint, és emittálja a zöld vagy piros fényt. Az eszközre minimum az aktív rétegek HOMO és LUMO szintjeinek különbségét, jelen példában 6,2-2,3=4,1 V feszültséget kell kapcsolni. A kibocsátott fény energiája a három hosszú nyíl nagyságával arányos, a maradék távolságok pedig az ohmos veszteséggel. A réteganyagok kiválasztásánál arra is kell ügyelni, hogy a sávszerkezet az ábrához hasonló legyen, ne legyenek nagy lépcsők, mert az veszteség.
A hétköznapi műanyagfóliák sem simaságban, sem gázáteresztésben nem felelnek meg. Simító felületkezelés után a PEN (polietilén-naftalát) a leginkább használható, kiegészítő gázzáró bevonattal a PET és a PC is.
Tokozás
A fő feladata a környezettől való elszigetelés. A korábban említett víz- és oxigénáteresztés itt is probléma, jobb minőségű ragasztók használata is csak jó sok gletter mellett megbízható. Az üvegfrittes kötés gázzárás szempontjából megfelelő, nem is drága, de a kötés ridegebb, mint maga az üveg, ezért nagyobb felületű lámpáknál már sérülhet. Tehát itt is maradt megoldandó feladat, a nagy üveg, a hajlékony üveg és a műanyag hordozós lámpák biztonságos tokozása.
Mi van a piacon és mi van a kirakatban?
A nagyobb cégek 2011-12-re tervezték első piaci termékeik kibocsátását. Ez kisebb késésekkel, de meg is valósult, kiegészülve néhány kisebb, a világítástechnikában kevésbé ismert vállalat termékével. Közös jellemzőjük a viszonylag kicsi méret, 5-10-15 cm-es panelek, egyszerű geometriai formák, szerényebb hatásfok (15-45 lm/W) és egyáltalán nem szerény árak (150-1000 USD). Nem is arra készültek, hogy vegyünk belőle néhányat otthonra, hanem hogy jelen legyenek ezen a piaci szegmensen és inspirációt adjanak a lámpatest-tervezőknek. Ezért is többen fejlesztő készletként árulják. A figyelemfelkeltés maradéktalanul sikerült, az új lehetőség, a felületi sugárzó sokaknak beindította a fantáziáját, és inspirálta elegáns, légies lámpatestek tervezésére.
Rétegkészítés
Az alkalmazott anyagok függvényében két csoportra oszthatók a módszerek, a kismolekulájú anyagokat vákuumtechnikai eljárásokkal viszik fel, a polimereket oldószeres technológiával. Ma még a vákuumtechnikai út a kidolgozottabb, biztosabb, de jóval költségesebb. Ha sikerül a minőségi, kihozatali problémákat megoldani és szélesebb szalagokon termelni, az oldószeres, nyomdai technológia hozhatja meg azt az árcsökkenést, ami az OLED-et versenyképes piaci szereplővé teszi.
A vákuumtechnikai leválasztás lényege, hogy a bevonandó felületet vákuumtérbe helyezik, a bevonat anyagát annyira felmelegítik, hogy jó sebességgel párologjon. Ezeknél az anyagoknál ez 280-320 °C-t jelent. A gőzáramot zuhanyrózsához hasonló módon szétterítik, hogy a hideg hordozón egyenletesen váljon le. A rétegépítés sebessége anyagtól, beállítástól függően 2-60 nm/perc, azaz egy réteg egy perc körüli idő alatt készül el, 3% alatti egyenetlenséggel. Lehet egy kamrában több forrásból dolgoz- ni, és így rakni egymásra a rétegeket, de kevésbé szennyezik egymást az anyagok, ha minden réteg külön kamrában készül, úgy, hogy a hordozót mindig átzsilipelik a következő lépéshez. A polimerek gőz állapotba nem hozhatók, feloldani sem könnyű őket, de lehet, sőt a molekula pici módosításával megszabható, hogy az anyag vizes vagy szerves oldószerben oldódjon. Ez azért fontos, hogy az egymásra épített rétegek ne oldják fel az alattuk levőt. Egyedi felviteli mód a centrifugálás: a forgó hordozóra
folyatják az oldatot, a szögsebesség, az idő és a viszkozitás határozza meg a rétegvastagságot. „A nagy dobás” a roll-to-roll (R2R) technológia lenne (4. ábra): végtelen hosszú, hajlékony hordozóra, mint a nyomdában a papírra a klasszikus nyomdatechni-kai rota-, flexo-, vagy ofszetnyomásos technikával viszik fel a rétegeket (OLED kijelzőknél, más nyomtatott elektronikai termékeknél természetesen pixeleket, áramköri elemeket nyomtatnak, az igazán nagy nyereség ezeknél látszik). Az első működő sorról már évekkel ezelőtt beszámoltak, de elég keskeny szalagon készült, és piaci termék azóta sincs belőle, főképp azért, mert nagyon drága volt a gyártás. A nehézség a megfelelő időzítés, a szalag csak egy sebességgel haladhat, miközben nagyon különböző időigényű műveleteket végeznek rajta. A másik gond a kihozatal, 70-80% fölé nem si-került menni a kísérleti gyártások során. Sokat dolgoznak a fejlesztésén, mert ebben látják a jelentős költségcsökkentés, a tömeggyártás lehetőségét. A nyomdai lépések közé, ha kell beilleszthető vákuumkamra, ahol a kismolekulájú anyagokat viszik fel, vagy akár félvezető chipeket ültet be a nyomtatott áramköri elemek közé. Mint látható ígéretes technológia, de vagy a kiforratlansága, vagy a válság utáni (alatti?) óvatosság miatt még a legnagyobb cégek sem mertek egy igazi, nagy kapacitású sor beindításába fogni.
Működtetés, meghajtók
Nevének megfelelően diódaként működik, hasonló meghajtást igényel, mint a szervetlen LED, azaz egyenfeszültségű, áramgenerátoros tápegység ajánlott. Az OLED is dimmelhető, akár amplitúdó-, akár impulzusszélesség-modulációval (AM, PWM). Több egységet együtt használva a soros kapcsolás előnyösebb. Az OLED sajátossága, hogy a szükséges áramerősség a felülettel arányos, tehát adott panelmérethez adott tápegység vagy beállítás jár. A gyermekbetegségek egyike, hogy még nincsenek meg azok a szabványok, amelyek a lámpák méretét, a meghajtókat egységesítenék. Addig érdemes a gyári tápegységet alkalmazni. Fontos még tudni, hogy az OLED nagyon érzékeny a rövidzárra, ezért működtetni csak rövidzár-védelemmel szabad.
A jövő
A piac vezetői manapság komoly konferenciákon összeállított útitervekben (roadmap) állítják össze a közeli jövő terveit és a távolabbi jövő céljait, az ahhoz vezető út szükséges lépéseit a fejlesztésben, beruházásban. Ehhez képest most egy szubjektív elképzelés következik.
Ma már egyre biztosabban lehet állítani, hogy az OLED stabil szereplő lesz a fényforráspiacon. Pár éve volt egy rövid megtorpanás, a 2000-2008-as évek nagyon optimista előrejelzései nem jöttek be. Igaz volt ez a TV-re és a lámpára is. Több, nehezen megoldható technológiai akadály merült fel, és a beruházási kedv is visszaesett a válság idején. Most úgy tűnik, két fázisa lesz az OLED térhódításának. A közelebbi jövőben a meglevő technológiai bázison, a nagyon luxus kategóriából a prémium kategóriába kerül a lámpa. Még nem jelentős piaci részesedés mellett, de folyamatosan javuló paraméterekkel (hatásfok, élettartam). Főképp közintézményekben, különleges közvilágítási megoldásokban fogják alkalmazni. Ebben a szakaszban várható a hajlékony és az átlátszó OLED megjelenése. A második szakaszban várható a komolyabb piaci részesedés elérése, ha az anyagok, technológiák olcsóbbak, az élettartam hosszabb lesz. Erre határidőt felelősséggel nem lehet mondani, de az OLED-ben benne van, hogy középtávon ennek be kell következni.
Végezetül foglaljuk össze a jövőt befolyásoló legfontosabb jellemzőit, mégpedig előbb a rossz tulajdonságokat, hogy a cikk optimista kicsengéssel érjen véget.
