(Источник: https://www.oledworks.com/news/blog/oled-and-led-technology-whats-the-difference/)

Автор: Dr. Kathleen Vaeth, Director of OLED UX

Оказываясь в новой сфере деятельности, первая вещь, с которой часто приходится сталкиваться – огромное число аббревиатур, сокращений и слэнга. Экономящая время смесь из сокращенных слов, которые так легко срываются с языка, иногда может стать одним из самых сложных моментов в понимании, что приводит к недоуменным взглядам и здоровому хохоту. «Учитывая, что ВП — это ВИП, нам стоит записать ПК на МФ, поскольку если будет утечка в ВК, все может кончиться в ВР, а мы окажемся в КПЗ» (х/ф Доброе утро, Вьетнам!). В некоторых случаях аббревиатура может означать совсем разные вещи. Например ОС это операционная система, окружающая среда или оператор связи?

В освещении часто задают вопрос, в чем разница между светодиодами (LED – light-emitting diode) и органическими светоизлучающими диодами (OLED). Знания о принципах действия поможет в понимании того, что каждая из технологий может предложить для освещения.

 

Неорганические и органические LED

Диод – структура, которая позволяет течь току только в одном направлении. Его структура состоит из двух слоев материалов, что соприкасаются друг с другом, образуя p-n переход. Один слой лучше переносит отрицательные заряды, другой — положительные. В современной электронике благодаря миниатюризации толщина слоев может быть от нескольких до десятка нанометров. Между двумя основными слоями часто помещают дополнительные, для улучшения характеристик диода.

В LED и OLED, некоторые из дополнительных слоев в устройстве могут преобразовывать электричество в видимый свет с помощью эффекта электролюминесценции. Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения фотонов должна быть высокой, для чего 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 соблюсти оба условия, одного p-n перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

Конкретная длина волны излучения зависит от свойств материала, а количество генерируемого света обычно пропорционально количеству подаваемого тока. Поскольку световое излучение исходит от твердых материалов, а не от электрически ионизированных газов в герметичных вакуумных полостях, то освещение на основе LED и OLED обычно называется твердотельным освещением (solid state lighting – SSL).

Хотя приведенный выше принцип работы применим ко всем типам светоизлучающих диодов, как неорганических, так и органических, термин «светодиод» обычно относится к устройству, сделанному из полупроводниковых (то есть неорганических) материалов. Это связано с тем, первые устройства с использованием LED появились на рынке с начала 1960-х годов.  А первые опытные образцы OLED в исследовательских лабораториях – только конце 80-х.

Материалы, используемые в неорганических светодиодах, представляют собой соединения на основе комбинаций галлия (Ga), алюминия (Al), индия (In), азота (N), фосфора (Ph) и мышьяка (As) — так называемых элементов III-V группы в периодической таблице Менделеева. Слои имеют кристаллическую структуру и выращиваются атом за атомом в вакууме из газообразных соединений в процессе, известном как химическое осаждение из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD). Упорядоченное расположение атомов создает структуру, которая определяет оптоэлектронные свойства материала. Цвет излучения зависит от присутствующих элементов и их соотношений: соединения InGaN дают более короткую волну, синюю/зеленую электролюминесценцию, а системы GaP и AlGaAs демонстрируют желтую и красную ЭЛ.

Эффективность излучения частично зависит от того, насколько идеально выращен кристалл, поскольку дефекты снижают эффективность электролюминесценции. Из-за этих дефектов характеристики неорганических светодиодов сильно различаются, а тестирование и контроль качества — один из важнейших этапов при производстве.

В органических светодиодах (OLED) используются тонкоплёночные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров, определяющую их оптоэлектронные свойства. Слои OLED формируются путем сублимации молекул в вакууме путем термического испарения. В отличие от кристаллических структур, молекулы OLED не должны быть хорошо упорядочены для эффективного излучения света, вместо этого они осаждаются в виде аморфного слоя. Цвет излучения определяется с помощью совместно испаренных органической подложки и легирующей присадки-допанта. Процесс испарения, используемый для создания эмиссионного слоя OLED, является хорошо контролируемым и повторяемым процессом. Поскольку материалы являются аморфными, согласование размеров кристаллических решеток не требуется, что расширяет спектр используемых подложек. Аморфные слои также обеспечивают определенную степень механической гибкости, и поэтому OLED-светодиоды изготавливаются на гибких подложках.

Ключевое отличие – тип источника света.

Сравнение неорганических светодиодов и OLED часто подчеркивают разницу в составе применяемых материалов. Неорганические соединения более устойчивы к воздействию воды и кислорода во время работы устройства. Поэтому требования к инкапсуляции для OLED сравнительно более жесткие. Интересно, что в первую очередь приходится защищать от коррозии металл электрода OLED, а не сами органические материалы. Вот почему, несмотря на возможность нанесения покрытия на многие подложки, OLED в основном изготавливаются на подложках со сверхвысокой устойчивостью к воде и кислорода, таких как стекло и пластмассы с барьерным покрытием. Инкапсуляция OLED была большой проблемой на заре развития технологии, но сейчас эта проблема успешно решена и не является причиной уменьшения срока службы.

Хотя химический состав материала, используемого в технологиях, важен, я считаю, что более важным вопросом для понимания является разница в структуре слоев материалов между LED и OLED, кристаллическими и аморфными — поскольку это имеет значительные последствия для того, как диоды будут использоваться в освещении.

В случае неорганических материалов кристаллическая область, которая может быть выращена с достаточно низкой плотностью дефектов для эффективной электролюминесценции, чрезвычайно мала — обычно порядка нескольких квадратных миллиметров. Это ограничивает размер современных LED, в результате они являются точечным источником света, а их световой поток – направленным. Аморфные органические слои, используемые в органических светодиодах, не имеют этого ограничения и могут иметь площадь порядка нескольких тысяч квадратных миллиметров. Размеры ограничиваются чистотой подложки и производственным процессом. В результате получается огромный светоизлучающий диод с диффузным, рассеянным излучением.

Влияние на дизайн освещения.

Эта разница в площади излучения приводит к очень разным подходам к схеме освещения. Чтобы получить большую площадь излучения, несколько точечных источников LED необходимо собрать в один массив. Затем свет рассеивается с помощью отдельного оптического компонента, для получения равномерного светового потока. Всё это приводит к дополнительным оптическим потерям, которые могут снизить общую эффективность светильника по сравнению с эффективностью отдельных светодиодов.

В зависимости от конструкции неорганическими светодиодами освещается лишь небольшая часть всей площади светильника, что имеет несколько последствий. Во-первых, область вокруг светодиода нагревается, что требует дополнительных компонентов для охлаждения. Дополнительные компоненты увеличивают вес и толщину конечного изделия, а также усложняют его, что негативно влияет на надежность и срок службы. Во-вторых, даже при оптическом рассеивании световой поток все еще остается достаточно направленным и имеет большое количество бликов, ярких пятен и теней, что может вызвать дискомфорт и напряжение глаз.

Благодаря аморфным органическим слоям, используемым в технологии OLED, большая и равномерная площадь излучения достигается простым изменением размеров органического светодиода, генерируя свет по всей области. Освещение естественное, рассеянное, равномерное даже на изогнутых подложках. Осветительные панели на органических светодиодах часто включают в себя дополнительные внутренние или внешние излучающие слои, которые значительно уменьшают волноводность краев подложки.

Поскольку излучение идет со всей поверхности панели, точечных источников света и локальных точек нагрева нет. Следовательно, нет необходимости в таких дополнительных компонентах, как диффузоры и радиаторы. Это делает световые панели OLED очень тонкими и легкими. Было показано, что безбликовое освещение снижает нагрузку на зрение. В сочетании с равномерным и рассеянным освещением, это позволяет располагать OLED в прямой видимости для глаз.

В следующих публикациях будет рассказано о различных подходах, которые использует каждая технология для создания излучения широкого спектра, необходимого для общего освещения, и о том, что это означает для общей производительности прибора.