29.04.2011

Дисплей из нанотрубок

В американских лабораториях разработан способ, позволяющий упростить и удешевить изготовление больших активных матриц OLED и тем самым оставить позади технологические и рыночные ограничения, мешающие широкому внедрению этой технологии.

Преимущества дисплеев на органических светодиодах (OLED) перед жидкокристаллическими (LCD) хорошо известны. Они более компактные и легкие, у них отсутствует такой параметр, как угол обзора (изображение отлично видно практически под любым углом), у них гораздо выше отклик, чем у LCD, больше диапазон рабочих температур, больше диапазон яркости, отсутствуют блики, и они не нуждаются в подсветке, что лучшим образом сказывается на качестве цветопередачи и контрастности (так, черный цвет на них выглядит именно как черный, а не немножко серый).

Кажется, ну что еще нужно, чтобы распрощаться со старыми добрыми LCD?

Однако с начала промышленного использования OLED-технологии прошло уже немало времени, а широкого распространения она не получила, ограничившись преимущественно устройствами с небольшими размерами экрана.

Собственно, быстрому и массовому переходу на чудо-OLED препятствовали две большие проблемы. Первая – маленький срок службы синего люминофора – оказалась вполне решаемой: сейчас синий органический светодиод уже перешагнул возрастную планку в 15 тысяч часов, что вполне приемлемо для использования не только в мобильных, но и в стационарных бытовых устройствах.

А вот вторая – конструктивные особенности транзистора, управляющего светодиодным элементом, которые сильно усложняли производство активных матриц OLED большого размера, – оказалась намного более неподатливым орешком.

Похоже, что раскусить его наконец-то удалось сотрудникам Университета штата Флорида в Гейнсвилле (США) и Национальной лаборатории в Оук-Ридже (штат Теннесси), объявившими в последнем выпуске журнала Science об успешных испытаниях OLED, управляемых транзисторами на органических полупроводниках, использующих углеродные нанотрубки в канале p-n-перехода.

Аморфный кремний, используемый в транзисторах, управляющих пикселями LCD, имеет маленький коэффициент электрон-дырочной подвижности, определяющий способность электронов и дырок, мигрирующих внутри полупроводникового материала, реагировать на внешнее воздействие. Для управления органическими светодиодами он годится мало: для работы OLED требуется большая плотность электрон-дырочного потока, достигнуть которой в случае аморфного кремния можно, лишь прикладывая большее напряжение. Результат – большее потребление энергии и повышенная нестабильность работы, критичная для OLED.

Проблему c маленьким коэффициентом ЭД-подвижности частично решили, используя низкотемпературный поликристаллический кремний (LTSP) – телефончик с дисплеем AMOLED на его основе и лежит, возможно, в кармане ваших брюк.

Производство активных матриц OLED на кремниевых поликристаллах получилось дорогим и сложным, но более серьезное ограничение на широкое применение технологии накладывали физические особенности материала. Из-за нестабильной ориентации и нерегулярного размера зерен поликристаллов, позволивших, собственно, поднять ЭД-коэффициент, очень сложно получить большие матрицы с пикселями строго одинакового размера.

И то, что AMOLED-дисплей широко используется в мобильных телефонах, но редко в ноутбуках и телевизорах, – прямое следствие этого ограничения.

Чтобы обойти проблему неоднородности, разработчики обратились к семейству полупроводников на основе органических материалов, которые этого неприятного свойства лишены. Но и здесь все оказалось не слава богу: ЭД-коэффициент у органических полупроводников не сильно выше, чем у аморфного кремния. Поднять его можно двумя способами: или увеличить площадь p-n-канала, или уменьшить его ширину, то есть расстояние между электродами, через которые происходит сток и исток носителей заряда.

Оба не подходят.

Более широкий канал оставит слишком мало места для собственно светодиодного элемента, и для поддержания нужной яркости экрана потребуется более интенсивная рекомбинация электронов и дырок в эмиссионном слое OLED, что явно не лучшим образом скажется на сроках его службы. Во втором случае придется налаживать изготовление элементов транзистора с очень высоким разрешением, что отразится на стоимости.

Авторы статьи в Science нашли решение, как уменьшить длину канала, избежав высокоточной компоновки транзисторных элементов. Выручили углеродные нанотрубки: изготовив из сети нанотрубок испускающий заряды электрод, удалось вытянуть ЭД-коэффициент до приемлемых значений при более компактном p-n-канале. Заметим, во избежание путаницы, что нанотрубки используются здесь только в одном из элементов транзистора с p-n-каналом из органического полупроводника, в отличие от другой, но пока намного более экспериментальной технологии – транзисторов на основе сети из углеродных нанотрубок.

Усовершенстовав таким образом транзистор, разработчики пошли еще дальше, объединив его в один блок с органическим светодиодом.

Получился вертикальный органический светоиспускающий транзистор с использованием нанотрубок, или CN-VOLET (carbon nanotube enabled vertical organic light-emitting transistor), оказавшийся, как утверждают авторы, в восемь раз более эффективным с точки зрения энергопотребления, чем у конкурентов.

Как быстро эта технология будет внедрена в производство, будут ли AMOLED заменены на что-то типа АMVOLET и появится ли на маркировке бытовой техники приставка «нано», на этот раз не вводящая в заблуждение потребителей, покажет будущее. Оптимизма прибавляет тот факт, что еще лет пять назад переход OLED на технологию активной матрицы казался настоящим чудом.

Дмитрий Малянов

Источники:

1. Газета.Ru