W tym wpisie na blogu przyjrzymy się bliżej koncepcji „współczynnika apertury”, który ma znaczący wpływ na wydajność wyświetlaczy OLED, a także problemom, które pojawiają się, gdy współczynnik apertury jest niski.
OLED (Organic Light Emitting Diode) odnosi się do materiału organicznego, który emituje światło o określonym kolorze, gdy energia elektryczna jest przyłożona do warstwy emitującej światło diody LED. OLED przyciąga wiele uwagi w ostatnich technologiach wyświetlania ze względu na doskonałą jakość obrazu, niskie zużycie energii oraz cienki i elastyczny wyświetlacz. Ponadto OLED to samoświecący wyświetlacz, który nie wymaga oddzielnego podświetlenia, umożliwiając cieńsze i lżejsze projekty.
Najbardziej podstawowy RGB-OLED składa się z trzech subpikseli, które emitują trzy podstawowe kolory światła: czerwony, zielony i niebieski, tworząc pojedynczy piksel. Subpiksele tworzą wielowarstwową strukturę w kolejności, składającą się z katody, która wstrzykuje elektrony, warstwy emitującej światło, w której elektrony i dziury spotykają się, aby wytworzyć światło, oraz anody, która wstrzykuje dziury. Cienkowarstwowy tranzystor (TFT), który działa jak rodzaj zaworu dla każdego subpiksela, znajduje się po stronie anody (+), aby blokować lub umożliwiać przepływ prądu i regulować ilość prądu. Gdy wszystkie subpiksele są wyłączone, produkowana jest czerń, a gdy wszystkie są włączone, produkowana jest biel. Poprzez dostosowanie ilości prądu do subpikseli i odpowiednie połączenie ilości światła można wyrazić różne kolory.
Jaka jest więc zasada działania światła emitowanego z warstwy emitującej światło? Stan, w którym energia jest najniższa, a elektrony są stabilne, nazywa się „stanem podstawowym”. Gdy do stanu podstawowego zostanie przyłożona energia powyżej pewnego poziomu, elektrony przemieszczają się ze swoich pierwotnych pozycji i stają się wysoce naenergetyzowane, co nazywa się „stanem wzbudzonym”. Elektrony w stanie wzbudzonym mają tendencję do stabilizacji, więc wracają do stanu podstawowego. W tym momencie elektrony emitują energię równą różnicy energii między stanem wzbudzonym a stanem podstawowym, tj. energię, która została przyłożona, aby podnieść je ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. Gdy TFT umożliwiają przepływ prądu, elektrony w stanie wzbudzonym przemieszczają się w kierunku elektrody dodatniej, podczas gdy dziury przemieszczają się w kierunku elektrody ujemnej i spotykają się w warstwie emitującej światło. W warstwie emitującej światło elektrony łączą się z dziurami i stabilizują, przechodząc w stan podstawowy, a większość różnicy energii między stanem wzbudzonym a stanem podstawowym zostaje przekształcona w energię świetlną.
Kolor światła emitowanego przez każdy subpiksel jest określany przez „przerwę pasmową” materiału organicznego w warstwie emitującej światło. Przerwa pasmowa odnosi się do różnicy poziomów energii między orbitą o najwyższej energii (HOMO) wypełnioną elektronami a orbitą o najniższej energii (LUMO), która może być wypełniona elektronami. Gdy energia większa niż przerwa pasmowa zostanie przyłożona do elektronów w stanie podstawowym w HOMO, wzbudzone elektrony przemieszczają się do LUMO i łączą się z dziurami. Następnie elektrony uwalniają energię i wracają do stanu podstawowego, emitując światło o długości fali odpowiadającej przerwie energetycznej. Im większa przerwa pasmowa, tym więcej energii jest wymagane do emisji światła, więc materiały organiczne z dużymi przerwami pasmowymi mają krótszą żywotność niż te z małymi przerwami pasmowymi.
Diody OLED dzielą się na podświetlane i podświetlane od przodu w zależności od tego, gdzie emitowane jest światło generowane w warstwie emitującej światło w środku. Gdy światło jest emitowane w kierunku anody, nazywa się to podświetlaniem od tyłu, a gdy jest emitowane w kierunku katody, nazywa się to oświetleniem od przodu. W przypadku podświetlania od tyłu katoda musi działać jako warstwa wtrysku elektronów i odbijania, dlatego stosuje się mieszaninę srebra i magnezu, które mają niskie funkcje pracy i są nieprzezroczyste. Z drugiej strony, do anody stosuje się związek tlenku indu i cyny (ITO), który ma przeciwne właściwości. Jednak gdy światło przechodzi przez TFT znajdujący się przy katodzie, część światła jest blokowana przez TFT i nie może uciec, co powoduje zmniejszenie współczynnika apertury. Współczynnik apertury to stosunek obszaru, z którego światło może faktycznie uciec, do całkowitej powierzchni piksela jednostkowego. Gdy współczynnik apertury jest wysoki, ilość emitowanego światła jest większa, gdy płynie ten sam prąd, co skutkuje większą jasnością. Z tego powodu zmniejszenie współczynnika przysłony prowadzi do zmniejszenia jasności, a aby uzyskać określoną jakość obrazu, należy emitować światło jaśniejsze o ilość utraconej jasności, co negatywnie wpływa na żywotność materiału organicznego.
Aby zwiększyć współczynnik apertury, światło emitujące światło z przodu, które emituje światło w kierunku katody bez TFT, wymaga użycia metali, takich jak złoto lub platyna, które mają wysokie funkcje pracy i mogą działać jako warstwa odblaskowa, na anodzie i wysoce przezroczystego materiału na katodzie. Jednak gdy ITO jest używane na katodzie, funkcja pracy jest wysoka, co utrudnia łatwe uwalnianie elektronów. Ostatecznie, metal o niskiej funkcji pracy i wysokiej przezroczystości musi być użyty do katody, a aby zwiększyć przezroczystość, metal musi być cienki. Jednak, jeśli katoda jest cieńsza niż określona grubość, rezystancja powierzchni wzrasta, a gdy rezystancja wzrasta, napięcie generowane w każdej pozycji panelu staje się inne, co powoduje efekt uboczny w postaci zmniejszonej jednorodności ekranu.
Typowym rozwiązaniem tego problemu jest wykorzystanie zjawiska mikrorezonansu. Część światła generowanego w warstwie emitującej światło ucieka przez półprzezroczystą katodę, ale część jest odbijana przez katodę w kierunku anody, gdzie jest ponownie odbijana. Odbite światło interferuje ze sobą, powodując zjawisko mikrorezonansu. Ze względu na zjawisko mikrorezonansu, gdy spotykają się fale o tej samej fazie, występuje interferencja konstruktywna, wzmacniająca intensywność fal, a gdy spotykają się fale o przeciwnych fazach, występuje interferencja destruktywna, osłabiająca lub eliminująca fale. Poprzez to zjawisko mikrorezonansu intensywność światła wzrasta, co skutkuje większą jasnością. W rezultacie nie są wymagane wysokie prądy, aby poprawić jasność, co wydłuża żywotność OLED-ów. Ponadto wzmacniane są tylko długości fal, które odpowiadają warunkom, a długości fal, które nie odpowiadają warunkom, są kasowane, co zawęża widmo i zwiększa czystość kolorów.
