OLED i Super AMOLED - ekrany przyszłości

Odwzorowanie barw paneli OLED jest znacznie lepsze niż wszystkich produkowanych obecnie typów monitorów. Kolory są nasycone i naprawdę bardzo naturalne – bez problemu mogą więc znaleźć zastosowanie przy obróbce zdjęć i grafiki. OLED-y nie męczą też w ogóle wzroku, a kąt widzenia wynosi pełne 180 stopni – w odróżnieniu od LCD odwzorowanie barw nie ulega pogorszeniu niezależnie od miejsca, w którym stoimy i przyglądamy się ekranowi. Dzięki tym właściwościom ekrany OLED przez wiele osób, które widziały je w działaniu, uważane są wręcz za ekrany idealne.

Co stoi za tymi idealnymi właściwościami OLED-ów? Wyświetlacze OLED do generowania obrazu wykorzystują zjawisko elektroluminescencyjnej emisji światła. Podobne rozwiązanie techniczne stosowane jest w tradycyjnych diodach LED (ang. Light Emitting Diode).

Elektroluminescencja jest to po prostu zdolność niektórych, zwykle półprzewodnikowych, materiałów do emitowania światła w chwili gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Jeżeli tym wykorzystanym do świecenia materiałem jest półprzewodnik (np. krzem lub german), wówczas mamy do czynienia z diodą LED. Jeżeli zamiast tego użyjemy materiału organicznego to otrzymamy diodę OLED. Łącząc teraz ze sobą tego typu świecące elektroluminescencyjne diody organiczne w jedną, większą matrycę, otrzymujemy panel OLED.

W praktyce do budowy ekranów OLED wykorzystać można dwa rodzaje materiałów. Pierwszym z nich są "świecące" polimery LEP (ang. Light Emitting Polymers). Te materiały używane są do produkcji ekranów o przekątnych większych niż dziesięć cali. Do produkcji mniejszych ekranów, takich, które montowane są w telefonach komórkowych i smartfonach,  używa się materiałów organicznych o stosunkowo krótkich łańcuchach. Muszą one cechować się istnieniem, jak to fachowo nazywają chemicy, układem wielokrotnych wiązań sprzężonych (ang. conjugated bonds). Innymi słowy w cząsteczkach tych istnieją naprzemiennie pojedyncze i podwójne wiązania między atomami węgla.

Przykłady używanych do produkcji wyświetlany OLED wybranych polimerów LEP nazywanych też  polimerami przewodzącymi lub metalami organicznymi.

Przykłady materiałów organicznych wykorzystywanych przy produkcji wyświetlaczy OLED stosowanych w telefonach komórkowych.

Warto w tym miejscu zaznaczyć, że ekrany OLED wykorzystujące polimery LEP często nazywa się w literaturze ekranami P-OLED (Polymer OLED), zaś te, które zbudowano na podstawie „krótkich” materiałów - ekranami SMOLED (Small Molecule OLED). Jednak w obu wypadkach przyjęło się zwykle korzystać z uproszczonej nazwy: OLED.

Mówiąc o matrycach AMOLED nie można zapomnieć o opracowanej przez firmę Samsung jej odmianie, a mianowicie matrycy Super AMOLED. Wyświetlacz Super AMOLED nie jest tak naprawdę nową matrycą, a jedynie funkcjonalną modyfikacją aktywnej matrycy AMOLED. W matrycach Super AMOLED, które przeznaczone są głównie do smartfonów i tabletów, dodano jedynie zintegrowaną z wyświetlaczem warstwę odpowiedzialną za interfejs dotykowy.

Ta integracja pozwoliła Samsungowi zbudować cieńsze, lżejsze i dłużej działające na bateriach modele smartfonów oraz tabletów. W tradycyjnych telefonach komórkowych z ekranem dotykowym, ten ostatni powstaje poprzez nałożenie dodatkowej warstwy czułej na dotyk. Ponieważ nie jest ona zintegrowana z ekranem na poziomie produkcji samego wyświetlacza (jest ona oddzielnym urządzeniem), pobiera dodatkowy prąd, zwiększa masę oraz grubość wyświetlacza i jednocześnie osłabia całkowitą jasność świecenia ekranu.

Wyświetlacz Super AMOLED

Ekrany OLED mają wiele zalet w porównaniu z wyświetlaczami LCD. Jak już wspomniałem, nie wymagają tylnego podświetlenia, dzięki czemu mogą być znacznie cieńsze – ich grubość może wynosić zaledwie kilkadziesiąt μm. Cechują się 180-stopniowym kątem patrzenia, brakiem efektu smużenia, gdyż ich czas reakcji jest mniejszy niż 10 mikrosekund, są też znacznie lżejsze i mogą być zasilane małymi napięciami sterującymi – rzędu dziesiątych części wolta.

Ekrany OLED są też znacznie bardziej wytrzymałe pod względem mechanicznym oraz odporniejsze na niskie i wysokie temperatury w stosunku do ekranów LCD. Do niedawna były też uważane za znacznie bardziej energooszczędne, ale po wprowadzeniu na rynek ekranów LED LCD nie zawsze już tak jest, niemniej cechują się i tak bardzo niskim zużyciem energii.

Najczęściej podkreślaną zaletą ekranów OLED jest bardzo dobre odwzorowanie barw. Bez problemu nawet najmniej zaawansowane technologicznie modele osiągają przestrzeń barwną Adobe RGB, która wymagana jest do profesjonalnych zastosowań graficznych. To bardzo dobre odwzorowanie barw wynika z konstrukcji pojedynczego punkt obrazowego, czyli piksela. Oprócz trzech tradycyjnych subpikseli świecących w podstawowych barwach RGB (czerwonym, zielonym i niebieskim), dodatkowo w pikselu umieszcza się subpiksel święcący na biało. Element obrazowy świecący na biało w znaczący sposób poprawia właśnie odwzorowanie kolorów. Co więcej, jego wyprodukowanie w technologii OLED nie stanowi żadnego problemu, gdyż wystarczy dobrać odpowiedni polimer LEP emitujący światło białe o żądanej temperaturze barwowej.

Budowa piksela w matrycy OLED

Wpływ na kolorystykę ma też fakt, że do budowy czerwonego, niebieskiego i zielonego subpiksela w wyświetlaczach OLED nie używa się barwnych filtrów, tak jak ma to miejsce w matrycach LCD. Punkty w OLED-ach świecą "od razu" światłem o odpowiedniej, dobranej przez inżynierów kolorystyce.

Wyświetlanie prawdziwej czerni dla matryc OLED też nie stanowi większego problemu. W tym wypadku wystarczy po prostu wyłączyć napięcie przykładane do danego piksela lub subpiksela, aby punkt ten przestał świecić i stał się czarny. Co więcej, przez to, że matryca OLED sama jest źródłem światła, wyłączenie jej w całości lub części z jej punktów sprawia, że czarne elementy na filmie są rzeczywiście czarne. Dzięki temu uzyskiwane kontrasty statyczne matryc OLED są również naprawdę duże – nawet rzędu kilku milionów do jednego. Takie wartości kontrastu statycznego nie są do osiągnięcia dla żadnego innego typu wyświetlacza.

W matrycach OLED bardzo precyzyjnie można również odwzorować przejścia tonalne między poszczególnymi barwami. Wynika to z tego, że w OLED-ach łatwo steruje się natężeniem światła emitowanym przez poszczególne subpiksele. W tym celu wystarczy tylko zmniejszyć lub zwiększyć natężenie prądu przepływającego przez diodę OLED tworzącą subpiksel, aby świecił on jaśniej lub ciemniej. Ta łatwość sterowania natężeniem światła sprawia, że obserwowane na ekranie OLED barwy są wyjątkowo żywe i naturalne. Jak już wspomniałem, w matrycach OLED nie tylko nie ma potrzeby montowania barwnych filtrów, ale też stosowanych w LCD-kach polaryzatorów. Brak polaryzatorów przekłada się na bardzo szeroki kąt widzenia w każdej płaszczyźnie, wynoszący praktycznie 180 stopni.

Z przedstawionych w artykule informacji wynika, że technologia OLED jest technologią dojrzałą i bez problemu mogłaby trafić "od zaraz" do seryjnych urządzeń. Obecnie na rynku dostępne są tak naprawdę jedynie kilkucalowe wyświetlacze SMOLED stosowane w urządzeniach mobilnych. Na rynku dostępne są one od 2000 roku, a wersje kolorowe od 2005 roku.

Dostępność małych, kilkucalowych wyświetlaczy OLED wynika z faktu, że producentom  urządzeń mobilnych swego czasu bardzo zależało na wprowadzeniu tego typu energooszczędnych ekranów do telefonów komórkowych po to, aby wydłużyć ich czas działania. Ekrany te opierają się na technologii SMOLED, gdyż jest ona łatwiejsza do wprowadzenia produkcji na masową skalę. Z powodu, że wykorzystuje się tutaj technologię próżniowego napylania cząsteczek organicznych na elektrody, nie da się przy jej wykorzystaniu produkować większych ekranów. W urządzeniach próżniowych nie da się po prostu zmieścić i równomiernie napylić ekranów o większych gabarytach niż kilka lub co najwyżej kilkanaście cali.

Nokia 6215i była jednym z pierwszych modeli telefonów komórkowych wyposażonych w wyświetlacz OLED. Był on zamontowany na zewnętrznej stronie klapki aparatu.

Duże ekrany muszą być zatem produkowane wyłącznie w technologii P-OLED, która umożliwia nanoszenie elektroluminescencyjnych polimerów na elektrody i na duże powierzchnie metodami natryskowymi. Technologie te przypominają techniki malowania natryskowego stosowane w przemyśle tworzyw sztucznych. O tym, że technologia ta również zdaje egzamin, świadczą co chwilę prezentowane nowe modele coraz to większych paneli OLED.

Jak już wspomniałem, w 2002 roku pojawiły się pierwsze 11-calowe panele z matrycą aktywną AMOLED opracowaną przez Kodaka. Rok później firma Sony zaprezentowała 24,2-calowy monitor AMOLED. W 2004 rynku firmy Seiko i Epson zaprezentowały zaś ekran Full HD o przekątnej 40 cali.

Większość analityków zajmujących się rynkiem wyświetlaczy uważa, że od 2005 roku możemy mówić o okrzepnięciu technologii OLED. Od tego momentu jest ona również gotowa do wdrożenia do seryjnej produkcji. Dlaczego rok 2005 uważany jest za tą graniczną datę? Otóż do tego czasu niebieskie diody OLED stanowiły piętę achillesową wyświetlaczy organicznych. O ile diody OLED emitujące światło zielone i czerwone są w stanie pracować nawet do 230 000 godzin, to pierwsze niebieskie diody wytrzymywały maksymalnie do 14 000 godzin. Co gorsza, emitowane przez nie światło miało lekko zielonkawy odcień. W 2005 roku firmie Universal Display Corporation udało się opracować technologię seryjnej produkcji diod OLED trwałych i wydajnych niebieskich diod OLED. Dzięki temu wynalazkowi ekrany OLED osiągnęły trwałość wynoszącą ponad 100 000 godzin

Tak więc od chwili opracowania niebieskiej diody OLED na kolejnych targach wszyscy najwięksi producenci telewizorów i monitorów (m.in. Samsung, LG, Sony, Sharp, Philips, Sanyo) prześcigają się w prezentowaniu coraz doskonalszych paneli. Powiększa się też przekątna monitorów i telewizorów OLED, które można zobaczyć na targowych imprezach. Do niedawna wyprodukowanie paneli większych niż 14-17 cali było dość kłopotliwe, jednak obecnie OLED-y powyżej 30 cali przekątnej ekranu nie są już niczym niezwykłym.

Niestety, mimo tego, że producenci doskonale opanowali technologię wytwarzania OLED-ów, użytkownicy nie mogą liczyć na ich szybkie wprowadzenie do sprzedaży. Wynika to z dwóch przyczyn. Pierwszą są wysokie opłaty licencyjne dla posiadającej prawa patentowe do sporej liczby technologii związanych z panelami OLED firmy Eastman Kodak. Drugą przyczyną są nakłady, które firmy wytwarzające wyświetlacze poniosły na rozwój technologii i produkcji paneli LCD. O ile część patentów firmy Kodak sukcesywnie zaczęła wygasać, o tyle koszty związane z rozwojem technologii LCD muszą się zwrócić. Co gorsza, technologia LCD jest wciąż rozwijana i przesunięcie w czasie masowej, rynkowej premiery OLED-ów jest oczywiste.

Dlatego też, póki co, panele OLED pojawiać się będą jedynie na kolejnych targach jako ciekawostki technologiczne, a nie gotowe produkty. Do tej pory wyjątkiem od tej zasady był wprowadzony do produkcji panel Sony XEL-1, który obecnie kosztuje blisko 5000 złotych, a w chwili premiery był trzy razy droższy. XEL-1 to stosunkowo mały, 11-calowy telewizor OLED o rozdzielczości 960x540 pikseli.

Sony XEL-1

Wielu analityków przewiduje, że seryjna produkcja paneli OLED ruszy w 2012 roku. Osobiście w to wątpię. Pamiętam zapowiedzi dotyczące rozpoczęcia seryjnego wytwarzania OLED w 2010 roku. Plany te zweryfikowało pojawienie się monitorów LED LCD. Za rogiem czeka już kolejna generacja telewizorów LED LCD backlit. Z pewnością producenci poczekają jeszcze chwilę z wdrożeniem do produkcji OLED-ów - ze 3-4 lata. Oby to całe OLED-owe zamieszanie nie skończyło się tak, że zanim OLED-y wejdą na serio do produkcji, będą już technologią mocno przestarzałą.