Οργανική φωτοδίοδος

Οι οργανικές φωτοδίοδοι, γνωστές και ως OLEDs (organic light-emitting diodes) είναι υποκατηγορία φωτοδιόδων. Το πάχος τους κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες nm έως δεκάδες μm. Μια OLED αποτελείται από επιμέρους στρώματα και έχει διάταξη παραπλήσια με αυτήν μιας οργανικής φωτοβολταϊκής κυψελίδας. Εδώ, το ενεργό υπόστρωμα είναι υπεύθυνο για την εκπομπή φωτονίων μόλις διοχετεύεται ρεύμα σε αυτό. Στην πιο απλουστευμένη διάταξη, το υπόστρωμα αυτό τοποθετείται ανάμεσα σε δυο ηλεκτρόδια, μέσω των οποίων του επιβάλλεται διαφορά δυναμικού. Τουλάχιστον το ένα ηλεκτρόδιο πρέπει να είναι διαφανές. Η διάταξη είναι τοποθετημένη πάνω σε διάφανο υπόστρωμα βάσης ("substrate"). Οι OLEDs περισσοτέρων υποστρωμάτων (bilayer ή multilayer) έχουν μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης.

Συνήθης διάταξη των στρωμάτων OLEDs

Γενική διάταξη ενός OLED pixel

H διάταξη απεικονίζεται στην σχετική εικόνα, όπου αριθμούνται τα αντίστοιχα επίπεδα.

• Το επίπεδο 1 είναι το υπόστρωμα βάσης. Το υλικό του συνηθίζεται να είναι διάφανο πλαστικό (συνήθως πολυεστέρες ΡΕΤ ή ΡΕΝ) ή απλά γυαλί (SiO2).
• Το επίπεδο 2 συνηθίζεται να αποτελεί το υπόστρωμα ανόδου. Συνηθίζεται χρήση του διαφανούς αλλά ακριβού ΙΤΟ.
• Το επίπεδο 3 περιλαμβάνει το HTL (υπόστρωμα διέλευσης οπών). Συνήθη υλικά: ΝΡΒ, TPD, HPCzl , PANI:PSS, PEDOT:PSS.
• Το επίπεδο 4 περιλαμβάνει το υπόστρωμα εκπομπής φωτονίων (emissive layer - EML). Συνηθίζεται χρήση PF (Polyfluorene), R-PPV , ντοπαρισμένου Alq3.
• Το επίπεδο 5 περιλαμβάνει το ΕΤL (Electron Transport Layer - αγώγιμο υπόστρωμα διέλευσης ηλεκτρονίων). Μπορεί να παραληφθεί. Συνήθη υλικά είναι: PBD, Alq3, ΖnO.
• Το επίπεδο 6 αποτελεί το ηλεκτρόδιο καθόδου (Ag, Al, Ca, Mg, Ba υπό μορφή μελάνης).

Κατηγορίες Οργανικών Φωτοδιόδων

Πάνω Αριστερά: PMOLED

Πάνω Δεξιά: AMOLED

Κάτω Αριστερά: Διάφανο OLED

Κάτω Δεξιά: Αδιάφανο/Ανακλαστικό OLED

Passive-matrix OLED (PMOLED)

Εδώ, τα επίπεδα 2 & 6 (άνοδος & κάθοδος) τοποθετούνται υπό μορφή λωρίδων (strips). Λωρίδες ανόδου & καθόδου εναποτίθενται κάθετα μεταξύ τους. Κάθε επιμέρους σημείο επικάλυψης μιας λωρίδας καθόδου και μιας ανόδου, καθορίζει το αντίστοιχο pixel (σημείο εκπομπής φωτός). Η εκπομπή από ένα προκαθορισμένο pixel γίνεται όταν διεγερθεί ηλεκτρικά από εξωτερικό κύκλωμα.

Active-matrix OLED (AMOLED)

Στα AMOLEDs, η κάθοδος και η άνοδος δεν είναι υπό μορφή λωρίδων, αλλά επιπέδων. Το εξωτερικό κύκλωμα διέγερσης των pixel το συνιστά ένα μητρώο TFT (Thin Film Transistor) που βρίσκεται κάτω από την άνοδο.

Διάφανα (transparent) OLED

Εδώ, όλα τα υποστρώματα είναι διάφανα. Όταν το ηλεκτρικό κύκλωμα διεγείρει το pixel, αυτό γίνεται διάφανο προς τις 2 κατευθύνσεις. Αλλιώς, προσεγγίζεται διαφάνεια ως το 80% του υποστρώματος βάσης. Ένα διάφανο OLED μπορεί να είναι είτε active- είτε passive-matrix.

Top-emitting OLED

To υπόστρωμα βάσης τους είναι είτε αδιάφανο είτε ανακλαστικό. Προτιμάται η χρήση τους για Active-Μatrix διατάξεις.

Για καθεμία από τις παραπάνω κατηγορίες OLEDs ισχύουν τα εξής γενικά:

• Είναι γνωστό πως υπάρχουν 3 βασικά χρώματα που συνιστούν κάθε ψηφιακή εικόνα (κόκκινο, πράσινο, μπλε). Κάθε pixel συνεπώς αντιστοιχεί σε ένα μήκος κύματος. Τα καθιερωμένα οργανικά pixel κόκκινου ή πράσινου χρώματος έχουν διάρκεια ζωής 46000-230000 ώρες. Τα pixel μπλε χρώματος μόλις 17000 ώρες. Και αυτό διότι το μπλε OLED ακτινοβολεί συγκριτικά λιγότερο από ότι για τα άλλα χρώματα. Άρα, απαιτείται μεγαλύτερο ρεύμα διέγερσης των pixel.
• Είναι δυνατή η τοποθέτηση υποστρώματος βάσης που είναι εξαιρετικά εύκαμπτο. Το υλικό του μπορεί να είναι μεταλλικό φύλλο ή πλαστικό ή ακόμα και εύκαμπτο γυαλί. Τέτοιος τύπος διάταξης ονομάζεται Foldable (αναδιπλώσιμο) OLED. Είναι ανθεκτικό στη μηχανική καταπόνηση. Συνεπώς, ενδείκνυται η χρήση του για ενσωμάτωση σε “έξυπνα” υφάσματα.

Πλεονεκτήματα των OLEDs

• Οι OLEDs έχουν ήδη βρει εφαρμογή στην ηλεκτρονική βιομηχανία λόγω της δυνατότητας ψηφιακών απεικονίσεων. Επίπεδες οθόνες OLED τηλεοράσεων, υπολογιστών, κινητών, PDA, MP3 players κλπ. έχουν ήδη βγει στην αγορά. Τα OLEDs έχουν μικρότερο κόστος παραγωγής από τα ανόργανα LEDs.

• Η ενεργειακή τους κατανάλωση είναι χαμηλότερη από την αντίστοιχη για τεχνολογίες LCD ή συμβατικών LED. Έτσι, μια οθόνη OLED είναι πιο συμφέρουσα ενεργειακά από μια συμβατική οθόνη LCD – ιδίως, εάν δεν απαιτείται υψηλή φωτεινότητα για την προβαλλόμενη εικόνα (όπως λ.χ. στις ταινίες). Επίσης, οι οθόνες OLED φτάνουν τιμές αντίθεσης (contrast) μέχρι 1.000.000:1 (πχ. Samsung, οθόνη OLED 40 ιντσών, 2008). Συνεπώς, η φωτεινότητα και ευκρίνεια των εικόνων τους είναι ανώτερες.

• Το κύριο όμως πλεονέκτημα των οθονών OLED είναι το ότι δεν χρειάζονται οπίσθιο φωτισμό, όπως οι συμβατικές οθόνες LED ή LCD, εφόσον τα ίδια τα pixels των OLEDs φωτοβολούν. Έτσι, οι οθόνες OLED μπορούν να είναι υπέρλεπτες, αφού λείπει το σύστημα οπίσθιου φωτισμού. Ήδη κατασκευάστηκαν οθόνες OLED πάχους τριών χιλιοστών.

• Οι οθόνες OLED έχουν πετύχει χρόνους απόκρισης μέχρι και 0,001 ms, δηλαδή είναι ταχύτερες περίπου κατά 2.000 φορές από μια πολύ καλή οθόνη LCD με χρόνο απόκρισης 2 ms.

• Από την άλλη, το ζήτημα της ενσωμάτωσης των OLEDs σε μεγάλες επιφάνειες (δηλαδή ως οθόνες τηλεοράσεων ή υπολογιστών, καθώς και ως οθόνες πάνω σε υφάσματα), μπορεί να αποβεί εμπορικά αξιοποιήσιμο λόγω της ύπαρξης μεθόδων μαζικής παραγωγής. Είναι εφικτή η παραγωγή οθονών που τυλίγονται σε ρολό ή οθονών που είναι ενσωματωμένες σε ρούχα.

• Τέλος, οι οθόνες OLED είναι φιλικές προς το περιβάλλον γιατί οι λειτουργικές στρώσεις δεν περιέχουν επικίνδυνες για το περιβάλλον ουσίες.

Μειονεκτήματα των OLEDs

• Βασικό πρόβλημα αποτελεί η μικρή διάρκεια ζωής και ο κίνδυνος οξείδωσης των οργανικών τους υλικών από τον αέρα ή μόρια νερού. Για αυτό το λόγο συχνά τοποθετούνται σε εύκαμπτες προστατευτικές θήκες. Γίνεται δηλαδή η λεγόμενη "ενθυλάκωση" (αγγλικά: encapsulation), κάτι που μειώνει την ευκαμψία που τα χαρακτηρίζει.
• Οι OLEDs πρέπει ακόμα να προφυλάσσονται από την έκθεση στη θερμότητα.

Η τελευταία λέξη στις OLEDs

Όσα αναφέρθηκαν αφορούν τις συμβατικές πλέον OLEDs. Πλέον, υπάρχουν και τα State-of-the-Art OLEDs, όπου το κάθε pixel δεν αποτελείται από παράλληλες στρώσεις επιπέδων, αλλά είναι μέρος μιας ίνας. Κάθε μια ίνα αποτελείται από επιμέρους στρώσεις των αντιστοίχων υλικών υπό μορφή ομοκέντρων δακτυλίων, ο ένας έξω από τον άλλο. Η παρακάτω εικόνα είναι ενδεικτική.

Στο (a) απεικονίζεται η αντίστοιχη αλληλουχία στρωμάτων σε 2D OLED (δηλαδή υπό μορφή υμενίου) και στο (b) όταν αυτά συστήσουν ομόκεντρους κυλίνδρους. Στο (c) εντίθεται φωτογραφία με OLED να ανάβει με την επιβολή τάσης μεταξύ Καθόδου και εσωτερικού μανδύα της Ανόδου.