Orgaaniline valgusdiood

Orgaaniline valgusdiood ehk OLED (inglise keeles "organic light-emitting diode") on valgusdiood, milles orgaanilisest ühendist kiht kiirgab valgust elektrivoolu toimel. See orgaanilise pooljuhi kiht asub kahe elektroodi vahel. Üldjuhul on vähemalt üks elektrood läbipaistev.
OLED-e kasutatakse pildielementidena – pikslitena – teleri, arvuti ja mobiiltelefoni ekraanis. Iga piksel koosneb kolmest komponendist (alampikslist), mis kiirgavad punast, rohelist ja sinist valgust (RGB).
OLED-id eraldi valgusallikana mitteorgaaniliste LED-idega seni ei konkureeri.
Kuna OLED-ekraani elemendid kiirgavad ise valgust, siis ei vaja niisugune ekraan taustvalgustust, nagu see on vajalik LCD-ekraani korral. Sellest tulenevalt paraneb ekraani kontrastsus, sest kui must pildielement saavutatakse LCD-ekraanil vedelkristallelemendi muutmisega võimalikult tumedaks (kuid siiski mitte täielikult läbipaistmatuks), siis OLED-ekraanil saadakse sügav must element piksli toitevoolu väljalülitamisega, ühtlasi väheneb energiakulu.
OLED-ekraanides kasutatakse pikslite adresseerimiseks samasugust aktiivmaatriksskeemi kui vedelkristallkuvaris (vt LCD TFT). Aktiivmaatriksiga OLED-ekraanis (AMOLED) vajab iga piksel oma tagapinnal kiletransistori, et selle kaudu muuta vastavalt tüürsignaalidele oma heledust ja säilitada seda järgmise tüürsignaali saabumiseni.
Väikestes lihtsates ekraanides – elektroonilistes näidikutes – kasutatakse passiivmaatriksiga (ilma kiletransistorideta) adresseerimisskeemi (PMOLED).
Ajalugu.
A. Bernanose ja tema töökaaslased Nancy Ülikoolis Prantsusmaal avastasid 1950. aastal, et kui panna teatud orgaanilisest materjalist õhukesed kiled kõrge vahelduvpinge alla, siis hakkavad need kihid valgust eraldama. Aga nende materjalide vähene elektrijuhtivus piiras valguse eraldumise intensiivsust ja seega praktilisi rakendusi, kuni tulid suurema juhtivusega materjalid saadavale.
OLED-tehnoloogia lõid esimestena 1987. aastal Ching W. Tang ja Steven Van Slyke Eastman Kodak Companys, kasutades n-ö väikesi molekule.
Tööpõhimõte.
Tüüpiline OLED koosneb elektrit juhtiva orgaanilise materjali kihist, mis paikneb kahe elektroodi (anood ja katood) vahel. Kasutatavatel orgaanilistel materjalidel on pooljuhi omadused (juhtivus isolaatori ja juhi vahepeal. Niisuguste orgaaniliste materjalidena kasutatakse nn väikeseid molekule (väikese molekulmassiga orgaanilisi molekule) ja polümeere.
Algselt koosnesid OLED-id ühest polümeerikihist. Paljud tänapäevased OLED-id on kahekihilise struktuuriga, mis koosneb juhtivast ja kiirgavast kihist.
Kui OLED pingestada nii, et anood on katoodi suhtes positiivne, siis liiguvad elektronid katoodist läbi poümeerkihi anoodi poole. Seejuures lisatakse elektrone madalaimale vabale orbitaalile katoodi juures ja võetakse ära kõige kõrgemast hõivatud orbitaalilt anoodi juures – viimast protsessi võidakse nimetata ka kui elektron-aukude lisamist kõige kõrgemale hõivatud orbitaalile. Elektrostaatilised jõud tõmbavad elektron-auke ja elektrone üksteise poole ja nad moodustavad eksitoni. See juhtub kiirgavale kihile lähemal, sellepärast et orgaanilistes pooljuhtides on elektronidest tühjad kohad – augud – üldiselt mobiilsemad kui elektronid. Sellise ergastatud seisundi lagunemisel vabaneb energia kiirgusena, mille sagedus on inimsilmale nähtavas vahemikus. Selle kiirguse sagedus sõltub madalaima vaba orbitaali ja kõrgeima hõivatud orbitaali vahelisest energia taseme erinevusest.
Tavaliselt kasutatakse anoodi materjalina indiumtinaoksiidi. See on läbipaistev nähtavale valgusele.
Ehitus.
Tüüpiline kahekihiline OLED koosneb järgmistest osadest 
* juhtiv kiht – see kiht tehakse orgaanilisest molekulidest, mis transpordivad elektron-augud anoodist katoodi poole;
* kiirgav kiht – see kiht tehakse samuti orgaanilistest molekulidest, ent need erinevad nendest, mis moodustavad juhtiva kihi. Siin toimub valguse eraldumine;
Materjalitehnoloogiad.
Väikesed molekulid.
Energiasäästlikud OLED-id, mis kasutavad väikesi molekule, lõi esmalt Ching W. Tang Eastman Kodakis. Tavaliselt tähis "OLED" viitabki seda tüüpi seadmele, mis kasutab väikesi molekule, kuigi ka termin SM-OLED (ingl k "small molecul OLED") on kasutuses.
Väikesi molekule kasutava seadme tootmine tähendab tavaliselt kuumaurustumist vaakumis. See muudab tootmisprotsessi kallimaks ja piirab kasutamist suurtes seadmetes. Erinevalt polümeeripõhistest seadmetest võimaldab vaakumsadestamise protsess teha hästi kontrollitud homogeenseid kihte ja ehitada väga keerulisi mitmekihilisi struktuure. See suur paindlikkus kihtide tegemisel, mis võimaldab teha täpselt laengut juhtivaid ja blokeerivaid kihte, on peamine põhjus, miks väikeste molekulidega OLED-id on nii efektiivsed.
Valgust eraldavad polümeerdioodid.
Valgust eraldavad polümeerdioodid (PLED) koosnevad elektroluminestsentsest juhtivast polümeerist, mis eraldab valgust, kui panna ta voolu alla. Polümeer-OLED-id on üsna efektiivsed ja vajavad üpris vähe energiat toodetava valguse koguse kohta.
Vaakum-sadestamine ei sobi õhukeste polümeeri kihtide tegemiseks. Polümeere saab töödelda aga lahuses ning kasutatakse n-ö keerdkatmise (ingl k "spin coating") tehnoloogiat, et valmistada väga õhukesi polümeerikihte. See meetod sobib suurte kilede tegemiseks paremini kui kuum aurustumine. Vaakum ei ole vajalik ja kiirgava kihi saab kanda substraadile ka "inkjet"-tehnoloogia abil, mida kasutatakse tänapäevastes printerites. Ent järgmiste kihtide pealekandmine kipub olemasolevaid kihte hävitama, seega mitmekihiliste keeruliste struktuuride moodustamine on väga keeruline selliste meetoditega. Metallist katood tuleb võib-olla ikkagi vaakumaurustumise meetodiga peale kanda.
Seadme arhitektuur.
Pikslite adresseerimise tehnoloogiad.
Passiivmaatriksiga OLED-idel (PMOLED) on ühtpidi väikesed katoodilõigud ja teistpidi anoodi lõigud, mille vahele jäävad orgaanilised kihid. Need lõigud moodustavad maatriksi ning anoodi ja katoodi ristumiskohad moodustavad pikslid, kust valgus eraldub. Väline vooluring rakendab voolu valitud katoodi ja anoodi lõikudele, millest sõltub, millised pikslid lülitatakse sisse ja millised mitte. Piksli eredus sõltub rakendatud voolutugevusest.
PMOLED-e on kerge teha, aga nad tarbivad rohkem voolu kui teist tüüpi OLED-id, mis on põhiliselt põhjustatud välisest vooluringist, ent siiski tarbivad nad vähem voolu kui LCD-ekraanid.
Aktiivmaatriksiga OLED-idel (AMOLED) on anoodi ja katoodi kihid ühes tükis, ent anood on kaetud õhukese transisorite kihiga (ingl k "thin film transistor" (TFT) "array"), mis moodustab maatriksi. Siin on TFT-kiht ise vooluringiks, mis otsustab, mis piksel lülitatakse sisse, et moodustada soovitud pilt.
AMOLED-id tarbivad vähem voolu kui PMOLED-id, sest TFT kiht vajab vähem voolu kui väline vooluring. AMOLED-id uuendavad pilti kiiremini, mis muudab selle videole paremini sobivamaks.
Tootjad ja kaubanduslik kasutus.
OLED-tehnoloogia on kasutusel näiteks mobiiltelefonide, kaasaskantavate meediapleierite, autoraadiote, digitaalkaamerate ekraanides. OLED-i eelisteks sellistes seadmetes kasutamiseks on heledus ja väike energiakulu. Need seadmed ei ole kogu aeg kasutusel, seega pole OLEDi lühem eluiga probleemiks.
OLED-ekraane on kõige rohkem kasutatud Motorola ja Samsungi mobiiltelefonides, aga ka HTC, LG ja Sony Ericssoni mudelites. Google'i ja HTC Nexus One'i nutitelefonil on AMOLED-ekraan, nagu ka HTC Desire ja Legendi telefonidel. Samsungi toodevate ekraanide puuduse tõttu hakkavad mõned HTC mudelid kasutama Sony SLCD-ekraane.
Google'i ja Samsungi Nexus S ning Samsungi Galaxy S telefonis on kasutusel Super AMOLED-ekraan. Samsungi toodetavate ekraanide puuduse tõttu mõnes riigis, näiteks Venemaal, kasutavad Nexus S-i mudelid seal Super Clear LCD ekraani.