Випромінювання світла: підвищення ефективності електроніки майбутнього

Лампочки були винайдені, щоб забезпечити рівномірне освітлення та зробити його доступним для широкої публіки. Постійні дослідження та експерименти, щоб зробити їх більш рентабельними, призвели до розробки світлодіодів, або світлодіодів.

Світлодіодна технологія була винайдена понад півдесятка років тому вченим Ніком Холоняком-молодшим під час роботи в General Electric, яка називала її «чарівною».

Оскільки з часом світлодіоди продовжують вдосконалюватися, вони стають яскравішими, економічнішими та надійнішими, що призводить до їх широкого застосування на світлофорах, замінюючи лампи розжарювання.

Сьогодні традиційні «жовті» лампи обмежуються певними додатками, тоді як світлодіоди лідирують у загальному освітленні завдяки своїй чудовій енергоефективності, тривалому терміну служби та універсальності.

Звичайно, інновації ніколи не припиняються. Насправді винахід світлодіодів проклав шлях для OLED — органічних світловипромінювальних діодів, також відомих як органічні електролюмінесцентні діоди.

Це стало результатом дослідження дослідниками можливості використання органічних сполук замість неорганічних матеріалів для досягнення такого ж ефекту, як світлодіоди, які генерують світло, пропускаючи електрику через напівпровідниковий матеріал. 

Перший OLED-пристрій був створений у 1987 році вченими Стівеном Ван Слайком і Чінг Тангом із компанії Eastman Kodak.

У той час як світлодіоди та OLED використовують електрику для виробництва світла, OLED випромінюють світло за допомогою органічних матеріалів. Ці органічні світлодіоди використовують матеріали на основі вуглецю, що дозволяє їм пропонувати тонші дисплеї, краще відтворення кольорів і швидший час відгуку, ніж традиційні світлодіоди.

У результаті технологія OLED знайшла свій шлях до смартфонів, телевізорів та інших електронних пристроїв високого класу. Однак, хоча технологія OLED швидко розвивається, вона ще не отримала широкого поширення.

Погляд на технологію OLED

Тепер давайте краще розглянемо OLED. Органічні світлодіоди, на відміну від світлодіодів, є джерелами світла з дифузною площею, оскільки виготовляються листами. Навпаки, світлодіоди є концентрованими дрібноточковими джерелами світла.

Розсіяне світло OLED-дисплеїв дозволяє використовувати їх дуже близько до робочої поверхні та не створює відблисків для користувача. Це означає, що можна отримати бажану освітленість з меншою кількістю світла, що робить їх дуже ефективними.

Тим часом гнучкість OLED-дисплеїв дозволяє виготовляти їх практично будь-якої форми, розширюючи можливості дизайну та відкриваючи нові можливості для освітлення.

Що стосується структури OLED, цей твердотільний пристрій містить серію тонких напівпровідникових шарів на основі вуглецю між двома провідними електродами, анодом і катодом. 

Пристрій випромінює світло, коли сусідні електроди подають електричний струм. Щоб світло виходило з пристрою, принаймні один із електродів має бути прозорим.

Контролюючи силу електричного струму, можна регулювати інтенсивність випромінюваного світла. 

Що стосується кольору світла, то він визначається типом використовуваного випромінювального матеріалу. Наприклад, біле світло створюється за допомогою червоних, зелених і синіх випромінювачів, які можна розташувати в кількох конфігураціях.

Інші типи OLED включають білі, прозорі, OLED з активною матрицею, пасивною матрицею, складні та OLED з верхнім випромінюванням.

Сьогодні OLED є домінуючою технологією дисплеїв смартфонів. Це пояснюється тим, що OLED-дисплеї не тільки тонкі та ефективні, але також прозорі, гнучкі та складаються, забезпечуючи найкращу якість зображення. Широкі кути огляду та високий коефіцієнт контрастності є іншими перевагами технології OLED перед традиційними технологіями відображення.

Натисніть тут, щоб дізнатися, як OLED революціонізують камери нічного бачення.

Зростаюче впровадження технології OLED

Глобальний ринок OLED суттєво виріс за останні багато років і продовжуватиме зростати в найближчі роки.

Ринок насправді прогнозується зростання на рівні 13.20% між 2022 і 2029 роками, досягнувши розміру 104.4 мільярда доларів.

Основним чинником цього зростання є зростання попиту в секторі побутової електроніки. Крім того, зростаючий ринок носимих пристроїв і інтеграція OLED-дисплеїв у пристрої AR і VR відкривають нові можливості для зростання.

Потім відбувається поява гнучкі та складані OLED-дисплеї, що є цікавою новою тенденцією, яка обіцяє зручність більшого екрана в компактній формі. Ці дисплеї дозволяють створювати інноваційний дизайн продуктів і застосовувати унікальні враження.

OLED-дисплеї також знаходять все більше застосування в інформаційно-розважальних системах, панелях приладів і розважальних системах для задніх сидінь. Зростання попиту на електромобілі та їх інтеграцію передові системи допомоги водієві (ADAS) очікується, що сприятиме їхньому зростанню в автомобільному секторі.

Окрім дисплеїв, технологія OLED також має потенціал у галузі освітлення, пропонуючи чудову передачу кольорів, рівномірне освітлення та можливість створювати унікальні дизайни освітлення. Посилення уваги до енергоефективних освітлювальних рішень у поєднанні з розробкою великих OLED-панелей відкриває можливості для зростання комерційного освітлення, архітектурного освітлення та декоративного освітлення.

Ще одним фактором, що сприяє зростанню ринку OLED, є постійний технологічний прогрес, який включає більш ефективні матеріали, методи інкапсуляції та виробничі процеси, які забезпечують покращену продуктивність, зниження вартості та довший термін служби.

Однак, незважаючи на значне підвищення продуктивності та широке використання в дисплеях смартфонів, OLED все ще стикаються з багатьма проблемами. 

Вартість є однією з головних проблем на ринку OLED. Висока вартість виробництва пов'язана з тим, що OLED-дисплеї вимагають дорогих органічних матеріалів і складних виробничих процесів, що робить їх дорожчими, ніж традиційні технології, такі як LCD. 

Ще одна проблема, яка виникає під час виробничого процесу, — продуктивність, оскільки лише невеликий дефект може призвести до значної кількості нефункціональних OLED-дисплеїв. Крім того, залежність від конкретних органічних матеріалів створює проблему ланцюжка поставок.

Крім того, існує проблема обмеженого терміну служби OLED-дисплеїв на додаток до енергоефективності, яка має вирішальне значення для мінімізації енергоспоживання та збільшення терміну служби батареї в портативних пристроях.

Іншим обмежуючим фактором є нездатність стабілізувати ефективні сині випромінювачі. Технологія OLED також стикається з конкуренцією з боку інших технологій відображення, таких як LCD (рідкокристалічний дисплей), який все ще домінує на ринку, і мікро-LED, який, хоча й знаходиться на ранніх стадіях комерціалізації, пропонує потенційно довший термін служби. 

Крім того, технічні обмеження, такі як можливість вигоряння зображення та одноманітність на великих дисплеях, також повинні бути подолані шляхом удосконалення матеріалів для відображення, архітектури та виробничих процесів.

Дослідники активно вирішують ці обмеження, причому один особливий нещодавній прогрес демонструє величезний потенціал для підвищення ефективності OLED-дисплеїв на телевізорах і смартфонах.

Підвищення ефективності OLED за допомогою хіральних напівпровідників

Дослідники з Кембриджського університету та Ейндховенського технологічного університету розробили органічний напівпровідник, який випромінює циркулярно поляризоване світло, спонукаючи електрони рухатися по спіралі. 

Це було досягнуто шляхом просування десятиліттями проблеми в області органічних напівпровідників, яка може не тільки підвищити ефективність OLED-дисплеїв, але й прокласти шлях до технологій наступного покоління, таких як спінтроніка та квантові обчислення.

Дослідження опубліковано в Journal Science¹ відзначив значний інтерес до впровадження хіральності в напівпровідникові матеріали для досягнення сильної циркулярно поляризованої люмінесценції (CPL), яка є низькою в існуючих OLED.

Сучасні ефективні OLED-системи використовують світловипромінювальні молекули, які просторово ізольовані в хості, що створює слабкий CPL. 

Хоча були зроблені спроби досягти високого CPL, вони не були сумісні з оптимізованою архітектурою OLED-пристроїв. Однак новітні дослідники успішно створили органічний напівпровідник, який спонукає електрони рухатися по спіралі.

Це сталося завдяки новому способу створення тонких однорідних плівок із хіральними супрамолекулярними наноструктурами на основі молекул триазатруксену. Цей метод абсолютно підходить для виготовлення OLED і демонструє високий зелений CPL. 

"Це справжній прорив у створенні хірального напівпровідника. Ретельно розробляючи молекулярну структуру, ми поєднали хіральність структури з рухом електронів, чого ніколи раніше не робили на такому рівні".

– професор Берт Меєр з Ейндховенського технологічного університету. 

Розроблений хіральний напівпровідник випромінює циркулярно поляризоване світло, що означає, що світло несе інформацію про «ручність» електронів. 

Справа в тому, що внутрішня структура більшості неорганічних напівпровідників є симетричною, тому електрони рухаються в незмінному напрямку. 

У природі молекули зазвичай мають хіральну, ліво- або правосторонню структуру. Хіральні молекули (як ДНК) є дзеркальними відображеннями одна одної, а хіральність відіграє ключову роль у біологічних процесах. Однак важко використовувати та контролювати електроніку.

Отже, щоб створити хіральний напівпровідник, дослідники надихалися природою. Вони штовхали стопки напівпровідникових молекул, щоб утворити впорядковані правосторонні або лівосторонні спіральні колони. 

Ці хіральні напівпровідники демонструють перспективу в технології відображення, де поточні продукти, як правило, витрачають багато енергії через те, як світло фільтрується екранами. Тим часом нещодавно розроблений хіральний напівпровідник me природним чином випромінює світло таким чином, що може зменшити ці втрати, у свою чергу, роблячи екрани яскравішими та енергоефективними.

За словами професора сера Річарда Френда з Кавендішської лабораторії Кембриджа, який керував дослідженням:

"Коли я починав працювати з органічними напівпровідниками, багато людей сумнівалися в їхньому потенціалі, але зараз вони домінують у технологіях дисплеїв. На відміну від жорстких неорганічних напівпровідників, молекулярні матеріали пропонують неймовірну гнучкість, що дозволяє нам розробляти абсолютно нові структури, як-от хіральні світлодіоди. Це схоже на роботу з набором Lego будь-якої форми, яку ви можете уявити, а не просто прямокутні цеглинки".

Матеріалом, що використовується як основа напівпровідника, є триазатруксен (ТАТ), який збирається у спіральний стек з кроком у шість молекул. Це дозволяє електронам згортатися вздовж його структури, допомагаючи отримати спостережуваний CPL. 

Під впливом ультрафіолетового світла самостійно зібраний TAT «випромінює яскраве зелене світло з сильною круговою поляризацією». Співавтор Марко Пройс з Технологічного університету Ейндховена зазначив, що цей ефект було досить важко отримати в напівпровідниках, тобто досі. 

«Структура TAT дозволяє електронам ефективно рухатися, одночасно впливаючи на те, як випромінюється світло».

– Пройс

Зміна методів виготовлення OLED дозволила дослідникам успішно використовувати TAT в OLED з круговою поляризацією (CP-OLED), які продемонстрували чудову яскравість, ефективність і рівні поляризації.

Дослідження показало, що OLED показали зовнішню квантову ефективність до 16% і електролюмінесцентну дисиметрію менше або еквівалентну 10%. За словами співавтора Рітупарно Чоудхурі з Кавендішської лабораторії Кембриджа:

"Ми, по суті, переробили стандартний рецепт виготовлення OLED, як у наших смартфонах, що дозволило нам уловлювати хіральну структуру в стабільній матриці, що не кристалізується. Це забезпечує практичний спосіб створення світлодіодів з круговою поляризацією, чого давно не було в цій галузі".

Окрім дисплеїв, остання розробка також має наслідки для квантових обчислень, а також спінтроніки, де властивий кутовий момент (або спін) електронів використовується для зберігання та обробки інформації для швидших і безпечніших обчислювальних систем.

Що стосується впровадження в реальному світі, цей прорив може почати бачити своє комерційне застосування в технології відображення протягом наступних 3-5 років, тоді як застосування в спінтроніці та квантових обчисленнях може розвинутися протягом наступного десятиліття.

Інноваційна компанія

Universal Display Corporation (OLED )

Universal Display Corporation (UDC) є лідером у розробці та комерціалізації OLED-технологій для використання в плоских дисплеях, освітленні та органічній електроніці. Він також є ключовим постачальником органічних матеріалів і технологій для OLED-дисплеїв і освітлення. 

Заснована близько трьох десятиліть тому, компанія UDC прагне створювати дисплеї наступного покоління. Запатентовані технології та матеріали компанії використовуються в комерційних OLED-продуктах по всьому світу, включаючи смартфони, смарт-годинники, планшети, телевізори тощо. Найяскравішими прикладами є OLED-телевізори LG та серія Galaxy від Samsung. UDC може похвалитися понад 6,000 виданих та очікуючих розгляду патентів по всьому світу.

Компанія спеціалізується на дослідженні, розробці та комерціалізації фосфоресцентних OLED (PHOLED) матеріалів, які пропонують вищу ефективність і покращену продуктивність. 

З ринковою капіталізацією в 7.425 мільярда доларів США акції торгуються на рівні 156.41 долара на момент написання цієї статті, що на 6.98% більше з початку року. Його EPS (TTM) становить 4.65, а співвідношення P/E (TTM) — 33.64, а дивідендна дохідність — 1.15%.

Місяць тому Universal Display Corporation оголошений її фінансові результати, які показали 162.3 мільйона доларів США доходу в 4 кварталі 2024 року, порівняно зі 158.3 мільйона доларів США в тому ж кварталі 2023 року.

Дохід від продажу матеріалів за цей період зріс до 93.3 млн доларів США завдяки підвищенню попиту на емітерні матеріали компанії. Роялті та ліцензійні збори склали 64.4 млн доларів США у доході, який зменшився через зменшення кумулятивних коригувань наздоганяючих.

У четвертому кварталі витрати компанії на продаж матеріалів становили 4 мільйона доларів США завдяки більшому обсягу одиниці матеріалу, а загальна валова маржа становила 34.2%. Операційний дохід склав 77 мільйона доларів, а чистий прибуток – 52.5 мільйона доларів або 46.0 долара на акцію.

За весь рік загальний дохід компанії склав $647.7 млн, що на 12.36% більше, ніж у попередньому році. Це включало 365.4 мільйона доларів від продажу матеріалів, які коштували 137 мільйонів доларів, і 266.8 мільйона доларів від роялті та ліцензійних зборів.

Операційний прибуток склав 238.8 мільйона доларів США, тоді як чистий прибуток склав 222.1 мільйона доларів США, або 4.65 долара США на акцію у 2024 році порівняно з 203 мільйонами доларів США, або 4.24 долара США на акцію у 2023 році.

UDC також повідомила про витрати на реструктуризацію в розмірі 8.9 мільйона доларів США, пов’язані із запланованим закриттям свого відділення OVJP у Каліфорнії.

Говорячи про «рекордний рік стабільних фінансових показників», Брайан Міллард, віце-президент і головний фінансовий директор UDC, відзначив зростання та досягнення в галузі OLED. 

Компанії розширюють плани своїх продуктів, а провідні виробники панелей інвестують у нові заводи, щоб задовольнити зростаючий попит, особливо на ринках ІТ та автомобільних ринків, що розвиваються, зазначив Міллард, додавши:

«Ми віримо, що цей новий цикл капітальних витрат прокладе шлях до нових значущих потужностей OLED, нових продуктів OLED і нових користувачів OLED».

Цього року UDC очікує, що його дохід становитиме від 640 до 700 мільйонів доларів США, зазначаючи, що «індустрія OLED залишається на етапі, коли багато змінних можуть мати суттєвий вплив на результати».

Компанія також оголосила про грошові дивіденди в розмірі 0.45 доларів США на акцію за перший квартал 2025 року, які мають бути виплачені 31 березня 2025 року всім акціонерам.

«Як піонер і лідер екосистеми, ми маємо хороші можливості для того, щоб продовжувати підтримувати наших клієнтів і сприяти розвитку галузі за допомогою нашого розширеного портфоліо енергоефективних, високоефективних фосфоресцентних матеріалів і OLED-технологій».

– фінансовий директор Міллард

Останнє на Universal Display Corporation

Висновок

Еволюція світловипромінюючих діодів значно вдосконалила технології відображення та освітлення. У цьому прогресі технологія OLED принесла нам переваги кращої якості зображення, тоншого та легшого дизайну, гнучкості та інновацій. 

Хоча технологія OLED значно просунулася з початку свого існування, вона стикається з проблемами щодо ефективності та вартості. Таким чином, останні досягнення в хіральних напівпровідниках знаменують ключовий момент у їх розвитку.

Здатність керувати рухом електронів і випромінювати циркулярно поляризоване світло з високою ефективністю може значно змінити технологію відображення. Це також відкриє двері для нових можливостей у квантових обчисленнях і спінтроніці. 

З комерційним застосуванням цієї інновації на горизонті це дослідження може змінити принцип роботи електроніки та призвести до більш енергоефективних, високопродуктивних електронних пристроїв у найближчому майбутньому.