Полимеры, которые светятся

В 1991--1992 гг. два английских ученых, Ричард Френд (Richard Friend), руководитель Caverdish Lab., и Эндрю Холмс (Andrew Holmes), возглавлявший в ту пору Melville Lab., обнаружили, что некоторые органические полимеры -- фенилен-винилен (PPV) и цианофенилен-винилен (cyanoPPV) -- при подаче на них электрического тока способны излучать желто-зеленый свет. Схема работы полимерного диода уже подробно описывалась на страницах "Компьютерного Обозрения".

Прототип полноцветного пассивно-матричного PolyLED-дисплея Philips

В отличие от LCD TFT-дисплеев, панели на базе LEP не нуждаются в задней подсветке, поэтому будущая продукция на их основе может быть любых размеров и формфакторов. Эмиссионная технология предполагает и почти полный угол обзора -- 180°. Как и у плазменных панелей (PDP), тоже работающих по принципу светоэмиссии, срок службы LEP-диодов составляет около 20 тыс. часов (кроме синего, у которого время работы до снижения яркости вполовину достигает пока только 8 тыс. часов), однако в отличие от плазменных матриц при производстве LEP-панелей не требуется создавать капсулы-субпикселы для размещения в них газовой смеси. Работа на молекулярном уровне открывает колоссальные перспективы повышения разрешающей способности дисплеев. Кроме того, если PDP "славятся" высоким энергопотреблением из-за необходимости постоянного формирования разрядов и модулирования яркости, то для работы LEP нужно минимальное количество энергии, а для инициирования светоэмиссии достаточно провести через полимер ток напряжением всего 2--10 В. Такие характеристики LEP-дисплеев позволяют создавать сверхтонкие (толщиной до 10 мкм) и практически невесомые панели. В целом, процесс их производства обещает быть сверхдешевым.

К потенциальным потребителям LEP-дисплеев относятся прежде всего производители мобильных телефонов с аккумуляторными батареями, где масса и энергопотребление являются весьма актуальной проблемой. Заинтересованы в них и разработчики другой продукции: игрушек, аудиовидеоаппаратуры, автомобилей, военной техники и обмундирования и, конечно, компьютерных мониторов.

Первый пас англичан

Основными акционерами проекта Френда и Холмса, кроме них самих, стали Cambridge University и Cambridge Research and Innovation, поэтому неудивительно, что новая компания получила название этого "семейства" -- Cambridge Display Technology (CDT). Позже к ним присоединились еще семь инвесторов -- финансовые фонды и частные лица, а в 1999 г., когда первый этап исследований закончился и перспективы PolyLED более или менее определились, основными акционерами CDT стали Kelso Investment Associates, крупный венчурный инкубатор, и Hillman Capital, которые заплатили за контрольный пакет акций в общей сложности около 133 млн. долл. и еще 16 млн. -- в качестве целевого транша в научную часть программы.

Разработки действительно оживились, поскольку руководству CDT удалось привлечь к сотрудничеству нескольких видных химиков. Кроме того, деятельность CDT стала активно поддерживаться правительством Великобритании, которое посчитало ее стратегически важной для страны. В результате через год после этих событий ученые из Кембриджа совместно с Dow Chemical смогли решить проблему, которая серьезно влияла на перспективы LEP. Исследователи наконец-то создали полимер, излучающий синий цвет с приемлемой равномерностью и яркостью, над которым до этого бились несколько лет.

В марте 2001 г. от акционеров поступили дополнительные целевые инвестиции в размере 28 млн. долл., из которых 25 млн. были вложены в строительство нового исследовательского центра и технологической линии в Годманчестере (Godmanchester), где началось мелкосерийное полуэкспериментальное производство LEP-дисплеев на подложке 350 350 мм. Еще 3 млн. долл. потратили на приобретение know-how, существенно ускоривших запуск технологии в коммерческое производство. На эти деньги, в частности, CDT приобрела компанию Opsys, которая взялась за коммерциализацию и юридическое сопровождение авторских прав.

Деятельность CDT оценили не только акционеры и правительство, но и общественность. По итогам 2002 г. компания получила семь престижных наград от Wall Street Journal, Scientific American Magazine, журнала Times, корпорации Deloitte & Touche, а также от Королевской инженерной академии Великобритании.

В марте 2003 г. CDT заключила первый коммерческий контракт на отгрузку LEP-диодов желто-зеленого свечения для Trident Displays, дистрибьютора информационных табло. Контракт предусматривал поставку панелей с диагональю 1,7 дюйма, разрешением 5 7 пикселов и яркостью 250 кд/м². На их основе Trident планирует выпускать дисплеи для транспортных предприятий и изучать спрос на полимерные технологии отображения.

Главная задача Opsys заключается в привлечении под знамена CDT крупных корпораций, которых могла бы заинтересовать подготовка коммерческих продуктов на базе идей кембриджских ученых. В результате инвесторы CDT, скорее всего, чувствуют себя вполне довольными: разработки продаются, а их дальнейшая судьба в виде готовой продукции -- дело нескольких десятков лицензиатов, в числе которых Delta Optoelectronics, DuPont Displays, MicroEmissive Displays, OSRAM, Seiko-Epson и Philips. Собственно, именно последняя возлагает на LEP (или на PolyLED, как называют ее в недрах Philips Research) наибольшие надежды.

Дело Philips

Голландский электронный гигант, пожалуй, -- один из старейших владельцев лицензии на производство монохромных пассивно-матричных дисплеев PolyLED. Еще в 2001 г. их планировалось поставлять производителям мобильных телефонов и пейджеров. Однако как раз в то самое время потребительская привлекательность конечных устройств стала определяться не энергопотреблением, а количеством цветов, которые способен был отображать их дисплей. То поколение PolyLED-панелей, конечно, не шло ни в какое сравнение с миниатюрными полноцветными TFT LCD ни по качеству, ни по объемам выпуска. Сделав выводы из неудачного опыта, Philips перестроила свою стратегию и для производства конкурентоспособных цветных PolyLED-матриц сосредоточилась на проблемах модернизации фабричных мощностей, в результате которой должны были повыситься и их уровень, и валовой выпуск.

Прототип активно-матричного LCD-дисплея разрешением 64x64 пиксела с управляющей электроникой на пластике

Традиционный метод наложения полимеров с помощью центрифуги (spin-coating) для этого не годился, поскольку предусматривал покрытие подложки одновременно только одним типом полимера, излучавшего один цвет. Естественно, ни о каком аккуратном наложении в ходе последующих итераций двух остальных материалов с другими цветами свечения и речи идти не могло. Самым же перспективным процессом оказался принцип струйного принтера, где вместо чернил использовались разжиженные полимеры различных типов. Правда, существующие на тот момент промышленные установки для этого не подходили, нужно было что-то новое, что позволило бы наносить на подложку диоды с высокой точностью.

О готовности такой производственной линии Philips объявила в 2001 г. Оборудование, с помощью которого удалось наладить процесс струйной печати, было создано совместно с компаниями Spectra и Litrex. Кстати, последняя, образованная в январе 2001 г. на базе подразделения Professional Imaging компании Gretag, примечательна сверхкоротким сроком "самостоятельной жизни". К маю она вполне удачно дебютировала с первой специальной машиной для печати дисплеев, изготовленной по технологии Piezo Micro Deposition (PMD), позволившей размещать на подложке диоды размером всего около 1/6 толщины человеческого волоса (на ней и был основан процесс производства Philips). После того как Litrex подписала с Philips договор о совместной разработке нового аппарата, в декабре 2001 г. контрольный пакет ее акций приобрела CDT.

Полимерные материалы для печати дисплеев создали химические компании--партнеры Philips -- Bayer, Covion, Avecia и Dow Chemical. Сама же Philips сосредоточилась на проблеме надежности печатающих элементов принтеров и экспериментах с пропорциями полимеров и растворителей, влияющих в том числе и на нее.

Вместе с тем компания не отказалась и от участия в разработках новых материалов. Одним из последних достижений Philips стало изобретение совместно с Амстердамским университетом вещества, способного в зависимости от направления электрического поля излучать и красный, и зеленый цвета. Оно представляет собой однородную смесь полупроводящих полимеров с присадками металлов, которая размещается между двумя электродами -- из золота и оксидов индия и олова (ITO). Если на ITO подавать положительное напряжение и формировать, таким образом, прямонаправленный поток электронов, то металлические присадки начинают излучать красный свет. Если же поменять полярность и соответственно изменить направление тока, то реакция металлов прекращается, а в возбужденное состояние переходят полимеры, которые излучают зеленый свет. По утверждениям ученых, оба цвета получаются достаточно насыщенными и не смешиваются, так что новая полимер-металлическая смесь видится вполне коммерчески пригодной.

Это достижение в случае внедрения в производство позволит существенно увеличить разрешающую способность PolyLED-дисплеев, поскольку при изготовлении полноцветных матриц исключается один из материалов, необходимых для эмиссии. Кроме того, голландские ученые продолжают поиски полимера, способного отображать все три цвета. Простой сменой полярности тут уже не обойдешься, но если он будет найден -- то это ознаменует настоящую революцию в индустрии.

Еще одним весьма перспективным направлением работы Philips, затрагивающим потенциал PolyLED, являются изыскания в сфере производства гибких дисплеев (Flexible Organic Light Emitting Diods -- FOLED). Такие устройства предполагают использование не стеклянной, а гибкой и прочной пластиковой подложки. Однако пластик, в отличие от стекла, пропускает кислород и водяные пары атмосферы, разрушающие полимеры. Решать эту проблему Philips начала с создания средств и приборов, которые позволили оценивать количество веществ, усваивающихся пластиком, примерно в 1000 раз точнее, чем существующая измерительная техника, а сейчас, если верить ее заявлениям, находится очень близко от открытия, способного защитить полимеры от воздействий внешней среды.

К разряду близких к разрешению задач относится и создание активно-матричных FOLED. Их выпуск предполагает формирование на пластиковой подложке управляющей электроники для каждого из диодов. Наиболее качественные из известных материалов, которые можно применять для производства транзисторов в данном случае, основаны на поликристаллическом силиконе (полисиликон). Он весьма похож на монокристаллический, использующийся для изготовления обычных интегральных схем, но в отличие от него наносится на подложку сверхтонким слоем. Проблема же заключается в том, что формирование электроники на полисиликоне предполагает его обработку при высоких температурах (около 300--400 °С), от которых пластик попросту плавится. Ученым из Philips Research Redhill удалось снизить температуру до 275 °С , что позволило применять в качестве материала достаточно гибкие полиимидные пленки, оказавшиеся, впрочем, не вполне стабильными. Эта же группа исследователей сейчас озадачена поиском путей производства при температуре 180 °С , которая сделает возможным создание управляющей электроники из гораздо более надежного полиэфирсульфона.

Коммерческим успехом Philips можно назвать поставки PolyLED-дисплеев для нескольких производителей военной техники, в частности для подразделения Display Systems Division в составе L-3 Communications -- одного из крупнейших в США дистрибьюторов оборудования для авиационной промышленности. Предполагается, что в конце 2005 г. компания будет устанавливать дисплеи в кабины военных самолетов.

Таким образом, до начала коммерческого производства необходимо решить еще достаточно широкий спектр проблем, связанных, в основном, со стабильностью и "жизнеспособностью" материалов. По утверждениям маркетологов из US Display Consortium, в ближайшие два-три года технология LEP, как, впрочем, и другие разновидности OLED, будут проигрывать LCD еще по очень многим параметрам. К 2007 г. стоимость производства и качество LEP-дисплеев станут примерно сопоставимыми с LCD-матрицами, а переломить ситуацию в пользу полимеров удастся только к 2010 г. Первых же коммерческих устройств с экранами из светящихся полимеров (не считая миниатюрных дисплеев в мобильных телефонах и фотокамерах), по оценкам iSuppli/Stanford Research, следует ожидать не раньше 2006 г.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365