Печатаем пластиковый дисплей

22 июня произошло весьма интересное событие — Cambridge Display Technology (CDT) и Seiko-Epson объявили о создании первого в мире полноцветного дисплея на основе LEP-технологии.

История этого изобретения началась еще в 1992 г., когда из Кавендишской лаборатории (Cavendish laboratory) Кэмбриджского университета выделилась небольшая коммерческая фирма, занявшаяся изучением светоизлучающих полимеров (Light Emitting Polymer — LEP). Наверное, не стоит объяснять, какие перспективы сулила эта технология и какой огромный интерес к ней проявил рынок. В основе ее лежала очень красивая теория, которую, собственно, и должна была реализовать на практике новообразованная Cambridge Display Technology. Следующий абзац, возможно, будет не всем интересен, но его придется посвятить некоторым нюансам физики, чтобы понять, как это все работает.

В основе технологии лежат свойства сопряженных (conjugated) полимеров. В их молекулах атомы углерода образуют между собой двойные или тройные связи. Каждый атом имеет партнера-фаворита, которому отдает два электрона вместо обычного одного. «Лишний» электрон делится еще с одним соседом атома. В результате перекрытия p-орбиталей появляются делокализированные электроны, и, как следствие, становится возможным протекание электрического тока вдоль молекулярных цепей. Возникают энергетические зоны валентности и проводимости, разделенные запретной зоной. Так, полимеры приобретают свойства полупроводников. Конечно, сложная молекулярная структура не позволяет поставить знак тождества между процессами в неорганических полупроводниках и полимерах. Тем не менее большинство приемов конструирования полупроводниковых приборов вполне применимы и в этом случае.

Изготовление полимеров не в пример проще и дешевле выращивания кремниевых пластин, кроме того, появляется возможность создания веществ с различными свойствами (например, иной шириной запретной зоны). Низкий коэффициент подвижности электронов вследствие аморфности полимерных пленок не позволяет реализовать полноценные логические схемы. Кроме того, существуют проблемы с их стабильностью. Специалистам из Cambridge Display Technology удалось решить обе проблемы: первую частично, применив специальные методики по производству более упорядоченных полимеров, вторую — положив в основу нового поколения проводящего пластика полианилин (polyaniline) и полипирол (polypyrrole), которые менее подвержены окислению.

Чтобы добиться излучения света, был спроектирован аналог неорганического диода (рис. 1). Он состоит из двух слоев — phenylene-vinylene (PPV) и cyanoPPV, размещенных между полупрозрачным электродом (окислы индия и олова), нанесенным на субстрат стекла с одной стороны и металлического контакта — с другой. CyanPPV хорошо подходит для «транспортировки» электронов благодаря более низкому положению дна зоны проводимости. Электрические характеристики материалов подобраны так, чтобы электроны из cyanPPV и дырки из PPV собирались вдоль границы контакта слоев, где и происходит рекомбинация электронов и дырок с генерацией фотонов (рис. 2). Вначале эффективность таких полимерных диодов была невысокой (0,01%), но после ряда инноваций ее удалось поднять на уровень свыше 1%.

В 1998 г. благодаря партнерству CDT с корпорацией SeikoEpson произошло важнейшее событие в истории развития пластиковых дисплеев. Японцы предложили использовать модифицированную струйную технологию для «печати» пикселов прямо на управляющих схемах из TFT-транзисторов. Дело в том, что когда исследователи попытались применить пассивно-матричные управляющие схемы, то в сочетании с относительно невысокой скоростью работы полимерных «диодов» это привело к неудовлетворительной инерционности экранов. Достоинства активно-матричной технологии были недостижимы из-за неприменимости фотолитографии к тончайшим полимерным пленкам. Но небольшая толщина превратилась в достоинство, когда для формирования пикселов была использована струйная печать. Высокой точности позиционирования (до 1 мкм) удалось добиться за счет предварительной обработки поверхности с образованием несмачиваемых и гигроскопичных зон. Первые дисплеи могли отображать лишь оттенки серого и отдельные цвета, но не полноцветные изображения. Для варьирования оттенков серого используются сразу две методики: пространственная (9 субпикселов — 10 градаций) и временная (частота включения пикселов). Проблема заключалась в синем цвете, точнее в его отсутствии. Как заявил технический директор CDT

Джереми Берроуз (Jeremy Burroughes): «Синий — это чаша Грааля разработки и производства цветных дисплеев. Его очень трудно достичь, потому что он располагается на самом краю видимого спектра». Успех пришел в результате 18-месячного сотрудничества с компанией Dow Chemical. Синего свечения приемлемой интенсивности удалось добиться в смеси polyfluorene с PPV. Был изготовлен полноцветный экран на основе TFT-матрицы размером 51×54 мм и толщиной 1 мм. Его экранное разрешение составляет 200×150 точек (реально по оси X размещено 600 независимых цветных субпикселов). Работая с напряжением 3 В и обеспечивая яркость свечения в 100 кд/м , дисплей потребляет всего 60 мВт энергии.

В чем же основное преимущество «пластиковой матрицы» по сравнению с жидкокристаллической? Их множество, и в первую очередь — это компактность, простота и экономичность: нет необходимости в стеклянной емкости для жидких кристаллов, системе подсветки, поляризаторах и цветных фильтрах.

Полимерные «диоды» излучают свет равномерно по всем направлениям — максимальный угол обзора 180°. Внедрение на производстве облегчает схожесть большинства фаз изготовления LEPи LCD-панелей, а также общие схемы управления на базе полевых транзисторов. Напыление полимеров с помощью струйной технологии делает реальным производство панелей самых различных форматов (с диаметром вплоть до 5 м).

Достоинства LEP-дисплеев не остались незамеченными. 6 сентября 1999 г. компания получила статус Millennium Product от Design Council при премьер-министре Великобритании Тони Блейре. Титул, пожалованный правительством, лишь подчеркнул достижения CDT, которые уже заинтересовали корпорации DuPont (совместный проект по разработке гибкого субстрата), Hewlett-Packard (разработка и маркетинг дисплеев для потребительских товаров), Hoechst (лицензия на поставки материалов) и Philips (контракт на изготовление подсветки для ЖК-панелей).

Однако CDT не одинока в своем стремлении преподнести миру новые принципы изготовления мониторов. Она лишь одна из более чем ста фирм, работающих в области OLED-технологий. OLED расшифровывается как Organic Light Emitting Device, или органические светоизлучатели. Дэвид Ментли (David E. Mentley), вице-президент Stanford Resources, считает, что продажи в этой отрасли вырастут с нескольких миллионов до 700 млн. долл. в год в течение следующих пяти лет. Наиболее близки к практической реализации совместный проект Kodak и Sanyo, а так же разработки компаний Universal Display и UNIAX.

Конструкция экрана Kodak очень похожа на детище CDT: ячеистая структура из тонкой пленки органического вещества с незначительной примесью флуоресцентных молекул зажата между двумя проводниками (прозрачным и металлическим). На проводники подается разность напряжений: электроны и дырки рекомбинируют в эмиссионном слое, излучая фотоны. Сущность патента и «изюминка» технологии заключаются в флуоресцентных примесях, играющих важную роль при получении цветов.

Калифорнийская фирма UNIAX не стала изобретать велосипед и лицензировала технологию у CDT. Несмотря на вторичность своих изысканий она сумела подписать более 50 коммерческих и государственных контрактов на разработку дисплеев.

Universal Display более полагается на американскую научную школу и взяла за основу результаты исследований ученых Принстона (Princeton) и Университета Южной Калифорнии (University of Southern California). Среди предложенных компанией разновидностей дисплеев есть оригинальный вариант с прозрачным экраном, который затемняется от приложенного напряжения. Такие устройства наверняка найдут применение в салонах автомобилей (монитор на ветровом стекле), шлемах и очках-мониторах. Еще одна конструкция предусматривает расположение всех трех цветных пикселов «бутербродом», что позволит создать полноцветные мониторы высокого разрешения.

Як RPA-платформа допомогла SkyUр автоматизувати оплату рахунків