Органические светодиоды своими руками
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 04.10.2024
В настоящий момент на мировом рынке светотехники и средств отображения информации активно развивается направление твердотельных источников света (Solid State Light, SSL), которые благодаря ряду преимуществ уверенно вытесняют традиционные источники света, достигшие своих предельных параметров уже за столетнюю историю развития.
К SSL-устройствам относятся два вида светоизлучающих диодов: неорганические (Light Emitting Diodes, LED) и органические (Organic Light Emitting Diodes, OLED), соответственно. Промышленный выпуск первых коммерческих неорганических светодиодов был освоен в 1960-х гг., и в настоящее время эта технология имеет существенные преимущества на рынке благодаря многолетнему развитию. Интерес к органическим светодиодам как к коммерчески перспективным устройствам возник в конце XX-го столетия после публикации работ группы Танга и Ван Слайка (лаборатория Eastman Kodak, США) и открытия фосфоресцентных (триплетных) материалов группой Фореста (США), что позволило существенно повысить эффективность OLED-структур. Несмотря на более поздний старт, лабораторные образцы OLED-структур в настоящее время демонстрируют характеристики, сравнимые с лучшими образцами светодиодов мировых лидеров. Тем не менее в мировой тенденции развития SSL-устройств органические и неорганические светодиоды рассматриваются не как конкурирующие, а взаимно дополняющие технологии.
Физические основы работы OLED
Для лучшего понимания преимуществ и особенностей OLED-структур в этом разделе будут кратко рассмотрены физические основы их работы. Прежде всего, стоит отметить, что OLED-структура представляет собой распределенную по площади полупроводниковую структуру на основе тонких слоев органических материалов, нанесенную между слоями катода и анода (см. рис. 1).
Электролюминесценция в OLED-структуре схематически показана на энергетической диаграмме (см. рис. 2) и включает инжекцию отрицательных и положительных носителей заряда (электронов и дырок) из катода и анода, соответственно (1), их транспорт в электрическом поле (2), захват и рекомбинацию с образованием нейтрального возбужденного состояния (электронно-дырочной пары) — (3) и ее излучательного распада — (4).
Для получения высокоэффективного OLED-устройства необходим тщательный подбор материалов каждого из слоев структуры, его толщины и состава, проведение многократных итераций технологического процесса, исследования электрофизических свойств и математического моделирования, разработки внешних световыводящих покрытий, обзор которых не входит в цели данной статьи, и будет проделан в дальнейшем.
Спектральный состав электролюминесценции, определяющий цвет свечения OLED, зависит от материала или нескольких составляющих активного слоя структуры. Тонкие органические пленки по своей природе являются аморфными веществами, и электронно-дырочные пары в активном электролюминесцентном слое образуются с существенным разбросом по энергии, что приводит к достаточно широкому спектру люминесценции OLED-структур с полушириной порядка 50…100 нм, в отличие от LED-структур, имеющих более узкий спектр люминесценции (см. рис. 3а).
Применительно к дисплейным технологиям широкий спектр люминесценции OLED-структур является недостатком, и для большего цветового охвата и насыщенности цветов экрана применяются интерференционные фильтры, вырезающие более узкие спектры RGB-пикселов. При получении OLED-структур белого цвета свечения используется люминесценция нескольких органических материалов, что при смешивании дает белый цвет различных оттенков (см. рис. 3б). Как видно из рисунка, спектр OLED-структуры покрывает практически всю видимую область без сильных локальных пиков и провалов, обеспечивая высокий индекс цветопередачи (CRI) (см. рис. 4) и комфортное психофизическое восприятие применительно к системам освещения.
Технологии производства OLED
Существуют два основных направления в производстве OLED-структур — это напыление из газовой фазы и нанесение из раствора. Первым способом, как правило, наносят т.н. низкомолекулярные соединения, которые слаборастворимы, а из-за малого молекулярного веса прекрасно испаряются при термическом напылении в вакууме (Vacuum Thermal Deposition) или переносятся в газе-носителе (Organic Vapor Phase Deposition) (см. рис. 5).
У нанесения OLED-материалов из газовой фазы имеется следующий ряд преимуществ:
– при напылении в высоком вакууме или сверхчистом газе-носителе отсутствуют внешние источники загрязнений органических материалов, а высокая чистота исходных материалов играет ключевую роль в эффективности OLED-структуры;
– напыление из газовой фазы позволяет последовательно наносить большое количество однокомпонентных или легированных слоев, что необходимо для создания эффективной OLED-структуры;
– легко формируется топология устройства при напылении через отверстия в теневой маске, помещенной перед подложкой;
– метод термического напыления в вакууме уже хорошо отработан и широко применяется в производстве OLED-дисплеев.
Полимерные органические материалы, как правило, наносятся с помощью жидкостных методов благодаря хорошей растворимости и нелетучести из-за высокого молекулярного веса полимерной цепочки. Наиболее простым методом нанесения материалов из раствора является центрифугирование (Spin Coating) (см. рис. 6), — хорошо отработанный процесс нанесения фоторезиста в электронной промышленности.
Однако этот способ хорош для быстрого получения простых лабораторных образцов, т.к. не подразумевает нанесения структуры с топологическим рисунком устройства.
С помощью метода струйной печати (Ink Jet Printing) возможно нанесение органических материалов из раствора на твердые и гибкие подложки с формированием топологии устройства (см. рис. 7).
Совместимость этого метода с другими возможностями печатной электроники делает его весьма перспективным для создания дисплеев на гибкой подложке и других оптоэлектронных устройств. Применительно к системам освещения этот метод достаточно медленный и не перспективен для получения больших площадей OLED-структур.
Наиболее перспективным способом изготовления OLED-структур большой площади с высокими объемами производства является метод roll-to-roll, который заключается в переносе раствора органического материала посредством печатающего барабана (см. рис. 8).
Такой способ позволяет наносить органические материалы из раствора на движущуюся ленту исходной подложки с высокой скоростью при низкой себестоимости, аналогично процессу офсетной печати.
Однако у жидкостного процесса имеется существенный недостаток: определенный материал растворим либо в воде и не растворим в органических растворителях, либо наоборот. По этой причине OLED-структура, изготовленная жидкостным способом, может содержать не более двух функциональных слоев: один — нанесенный из водного раствора и один — из органического растворителя, т.к. последующий слой, нанесенный из того же типа растворителя, повредит предыдущий. Для того чтобы структура имела высокую эффективность, зачастую двух слоев недостаточно, и по этой причине дополнительные слои наносятся методом вакуумного напыления, что существенно увеличивает ее себестоимость. Кроме того, возможно загрязнение материалов примесями, находящимися в самом растворителе, наряду с невероятной сложностью очистки исходных полимерных материалов от примесей и прекурсоров — исходных материалов, которые подвергаются полимеризации.
Стоит отметить, что создание сложных систем roll-to-roll может состоять из последовательного процесса нанесения материалов на движущуюся подложку различными способами при прохождении ленты через модули системы (см. рис. 9).
В настоящий момент производство OLED-устройств развивается с использованием двух основных процессов группового исполнения: ленточного (Web processing) и листового (Sheet processing). К первому типу относятся системы Roll-to-Roll, которые подразумевают производство устройств на длинной ленте-носителе с разделением устройств по ее длине (см. рис. 10а). В системах с использованием второго метода групповое исполнение устройств осуществляется на подложках больших размеров с разделением устройств по длине и ширине подложки (см. рис. 10б).
Несмотря на то, что для ленточного метода предсказывается более дешевая себестоимость производства, установки данного типа находятся на этапе проектирования, и в них остается ряд нерешенных технологических проблем, например тонкопленочной герметизации устройств на гибкой подложке, которая на сегодняшний день не обеспечивает необходимых барьерных свойств к парам воды и кислороду.
Листовой метод, как отмечалось, на сегодняшний день уже достаточно хорошо отработан и применяется в коммерческом производстве OLED-дисплеев рядом мировых лидеров, например Samsung, Sony, LG, CMEL, RiTDisplay и т.д. Указанные производители успешно используют опыт, полученный в процессе развития технологии ЖК-дисплеев, работая уже со стеклами размером 370×470 мм (CMEL), что соответствует второму поколению технологии ЖКД. При этом развитие технологического направления Sheet processing для OLED-панелей можно предсказать аналогично развитию технологии TFT LCD (см. рис. 11), для чего требуется последовательное масштабирование технологического процесса на подложки больших размеров, что приводит к снижению себестоимости устройств.
Технология производства OLED-дисплеев включает надежный способ герметизации стеклянной крышкой с полостью, в которой помещен материал, адсорбирующий пары воды и кислород, что обеспечивает время жизни дисплея до 50 тыс. ч (для коммерческого применения).
Ряд производителей OLED-дисплеев уже заявляет о планах перевода имеющихся производственных мощностей на OLED-панели для освещения при стратегии перехода производства от пассивно-матричных дисплеев (PM OLED) к дисплеям с активно-матричным управлением (AM OLED).
Не секрет, что органические светодиоды (Organic LED) уже в ближайшем будущем станут очень популярны. До сих пор недостатки OLED были главной причиной малого использования этой технологии, но уже сегодня разработчики из разных стран успешно работают над их устранением. Для понимания характера всех достоинств и недостатков, а также возможностей применения органических светодиодов, необходимо знать их строение.
OLED имеют многослойную структуру, которая состоит из (по порядку) : подложки, аноды, проводящего и излучающего слоев и катоды. При подаче напряжения электроны начинают двигаться от анода к катоду. Анод забирает электроны или, по другому говоря, отдает дырки в проводящий слой, делая его положительным. Излучающий слой, наоборот, наполнен электронами и отрицателен. Вследствие того, что дырки обладают в органических соединениях большей подвижностью, они движутся по направлению к излучающему слою и рекомбинируют с электронами, тем самым выделяя излучение.
Область применения органических светодиодов очень широка, технология OLED встала в основу дисплеев, панелей освещения, светящейся мебели, а также уникальна в изготовлении гибких экранов. Не имея потребности во внешней подсветке (в отличие от LCD), а также за счет регулирования напряжения, дисплеи и лампы освещения энергоэкономные. Очень тонкие слои значительно уменьшают габариты и вес. Контрастность OLED-дисплеев достигает 1000000:1, а картинка на дисплее остается яркой и насыщенной с любого угла обзора и не страдает при попадании прямых солнечных лучей. К числу плюсов технологии можно прибавить тот факт, что только с этой технологией возможно создать гибкие дисплеи (используя в качестве подложки гибкую металлическую пластину) и прозрачное освещение (встраивая в продукт прозрачные слои). При всех этих достоинствах органические светодиоды обладают несколькими существенными недостатками: малый срок службы органического материала синего свечения, большие денежные затраты при изготовлении больших панелей и плохая водостойкость органических материалов.
Таким образом, производство дисплеев на основе органических светодиодов медленно, но верно продвигается вперед.
Кроме всего прочего, разработка освещения на основе органических светодиодов сыграет на руку дизайнерам интерьеров. Раздолье мыслей и идей на новом поприще не заставили долго ждать результатов. Уже мы слышим о намерении использовать Organic LED для освещения на стенах, прозрачные полки и окна, которые будут светится по вечерам, имитация дневного света в помещении и многое-многое другое coming soon!
Изготовление подсветки и светодиодных светильников, блоков питания, доработка техники. Подробные инструкции по изготовлению своими руками, с рекомендациями от специалистов.
Как сделать светодиодную панель своими руками
Светодиодная панель это прекрасная альтернатива современным светильникам. Энергосберегающая, долговечная и любой формы на ваш вкус. О том, как сделать светодиодную панель своими руками расскажет.
Делаем подсветку на велосипед из светодиодной ленты
Велосипедный спорт в последнее время набирает все большие обороты, как следствие на наших дорогах появляются толпы велосипедистов. И каждому из них хочется как-то выделиться.
Самодельный драйвер для светодиодов от сети 220В
Преимущества светодиодных лап рассматривались неоднократно. Обилие положительных отзывов пользователей светодиодного освещения волей-неволей заставляет задуматься о собственных лампочках Ильича. Все было бы неплохо, но когда.
LED подсветка монитора своими руками
Наиболее частой причиной отказов в работе ЖК мониторов и матриц становится выход из строя ламп подсветки. Если для телефонов и небольших дисплеев в планшетах.
Подсветка полок светодиодной лентой
Стеклянные полки с LED подсветкой не только красивы, но и удобны. Выбрав соответствующую яркость светодиодов можно получить исключительно декоративный эффект либо использовать полки в.
Лайтбокс на светодиодах своими руками
Лайтбокс в переводе с английского – световой короб. Он широко используется как элемент наружной рекламы и вывесок. Во многих городах лайтбоксы установлены в таком количестве.
Переделка люминесцентного светильника в светодиодный
Переделка вышедшей из строя люминесцентной лампы в светодиодную - очень правильная мысль. Диоды при сравнимой потребляемой мощности светят ярче и служат дольше. Способ переделки.
Светодиодная бегущая строка своими руками
Собрать бегущую строку на светодиодах промышленного образца, без навыков программирования микроконтроллеров и знания протоколов обмена данными, практически нереально. Ниже представлена простая схема небольшого табло.
Подсветка ступеней лестницы светодиодной лентой
Подсветка лестничных пролётов не только сделает спуск по ней в тёмное время суток безопасным, но и придаст определённый шарм интерьеру. Вариантов исполнения такой задачи.
Схема диммера для светодиодных ламп на 220В
Регулировать яркость освещения в комнате, где установлена люстра с несколькими лампами накаливания, не представляет труда. Берем выключатель на несколько кнопок и при необходимости включаем.
А вы когда-нибудь держали в руках огромный светодиод, размером с человеческий кулак? Конечно же нет, потому что таких не существует. Я покажу как сделать такую оригинальную вещицу своими руками. Это LED светодиод будет точно похож на своего мелкого брата, за исключением того, что яркость свечения у него будет в разы больше.
Понадобится
- Пластиковая бутылка.
- Плата текстолитовая, фольгированная.
- Толстая проволока.
- Кусок светодиодной ленты.
- Резистор 5-10 Ом.
- Эпоксидная смола с отвердителем.
Изготовление большого светодиода
Итак, разберемся для начала из чего же состоит светодиод. Первое - это два вывода, которые заходят в тело светодиода. Далее видно две площадки, одна поменьше - это анод, а другая побольше - это катод. На катоде расположена площадка с рефлектором и полупроводниковым кристаллом. Над всем этим имеется линза, которая является монолитом с телом светодиода.
Для начала изготовим имитацию большого полупроводникового кристалла с рефлектором. Берем светодиодную ленту и отпаиваем от неё чип элементы. Если фена нет, подогреваем паяльником.
Далее световой модуль мажем горячим клеем и приклеиваем перпендикулярно на самую большую площадку - катод.
Далее нам необходимо подготовить форму для заливки эпоксидной смолы. Для этой цели нам послужит пластиковая бутылка.
В области крышки есть пустая область, в которую будет заливаться эпоксидка. Чтобы не тратить лишний материал, забьем пустоты горлышка фольгой.
Настало время полировки. Полировочную пасту можно взять у автомобилистов. На крайний случай подойдет зубная паста.
Проверяем
Смотрите видео
Светодиод – полупроводниковый диод, излучающий свет при прохождении тока через p-n–переход. Чтобы p-n-переход излучал свет, должны выполняться следующие два условия. Во-первых, ширина запрещённой зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона, а во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой. Для этого полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы их соблюсти, одного р-n-перехода в кристалле недостаточно. Приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры. Их называют гетероструктуры (именно за изучение гетероструктур академик Алферов получил Нобелевскую премию). Это послужило новым этапом в развитии технологий изготовления светодиодов.
Производство светоизлучающих диодов сталкивается с некоторыми трудностями. Поскольку создание светодиодов — это динамично развивающаяся отрасль светотехнической промышленности, то сложившихся законов и правил их применения пока не существует. Нет нормативной документации, относящейся к процессу производства и использования светодиодов. Каждое крупное производство старается найти свои критерии отбора продукции, но, к сожалению, некаких международных соглашений не существует. Хотя в этом направлении в последнее время ведется активная работа и достигнуты хорошие результаты, надо понимать, что создание единых требований к светодиодной технике – дело не одного года. Чтобы понять, в чем сложность создания подобной документации, следует ознакомиться с технологией производства.
Рассмотрим поэтапно процесс выращивания светодиодов.
1) Выращивание кристалла.
Здесь главную роль играет такой процесс, как металлоорганическая эпитаксия. Эпитаксия – это ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Эпитаксиальный рост полупроводников (а светодиод – это именно полупроводник) осуществляется методом термического разложения (пиролиза) металлорганических соединений, содержащих необходимые химические элементы. Для такого процесса необходимы особо чистые газы, что предусмотрено в современных установках. Толщины выращиваемых слоев тщательно контролируются. Важно обеспечить однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста доходит до полутора миллионов евро. А процесс наладки получения высококачественных материалов для будущих светодиодов занимает несколько лет.
2) Создание чипа.
Биннирование (сортировка чипов) – особенно важный процесс производства светодиодов, о котором несправедливо часто забывают упоминать в литературе. Дело в том, что при производстве любой продукции должны соблюдаться некие критерии отбора. Но на вышеописанных стадиях производства светодиода невозможно добиться абсолютного сходства изделий по его характеристикам. Изготовленные чипы изначально имеют характеристики, различающиеся в некотором диапазоне. Чипы сортируют на группы (бины). В каждой группе определённый параметр варьируется в определённых пределах. Сортировка происходит по:
— Длине волны максимума излучения;
— Напряжению;
— Световому потоку (или осевой силе света) и т. д.
Биннирование, как способ градации светодиодной продукции, находит применение на производстве и, следовательно, в наименовании поставляемой продукции. Оба эти факта делают применение светодиодов доступным для широкого круга пользователей.
4) Создание светодиода.
Создание непосредственно светодиода – это заключительный этап технологической цепочки. Создается корпус будущего источника света, монтируются выводы, подбирается люминофор (если он необходим). Но особо стоит отметить такую важную часть, как оптическую систему (а именно, изготовление линз). Линзы для светодиодов изготавливают из эпоксидной смолы, силикона или пластика. К ним предъявляется широкий спектр требований, т.к. оптическая система светодиода играет большую роль (направляет световой поток светодиода в нужный телесный угол). Линзы должны:
— Быть максимально прозрачными;
— Пропускать свет во всем оптическом диапазоне;
— Обладать хорошей клейкостью материала к материалу печатной платы;
— Быть температура стабильными;
— Обладать высоким сроком службы (что характеризуется к воздействию излучения кристалла и химическому воздействию люминофора, если таковой применен).
Благодаря большому количеству положительных качеств (малой потребляемой мощностью, отсутствию ртути, низкому напряжению питания, высокой надежности, малым габаритам и т.д.), на основе светодиодов создаются разнообразные и высококачественные осветительные светодиодные приборы. Можно долго перечислять различные типы светодиодных светильников: это и прожекторы, и линейные светодиодные светильники, и светильники общего или специального назначения. Однозначно можно сказать, что светодиоды – это динамично развивающиеся источники света. А технология производства светодиодов – сфера деятельности высококлассных мировых специалистов, способных достигать все более высоких результатов.
Читайте также: