Los OLEDS flexibles

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Los OLEDS flexibles
Pascual Bolufer - IQS
Emisores OLED rojos y verdes es muy
fácil, lo difícil es conseguir un OLED
azul de fiabilidad y larga vida.
Crean pantallas de
colores vivos, fotoemisores
orgánicos que compiten
con las pantallas LCD. Su
crecimiento es imparable,
a pesar de los problemas
todavía sin resolver.
E
n las 24 horas de Le Mans, de 2010, un coche de competición ostentaba
un letrero “Araldite” con OLEDS en la carrocería:”El OLED más rápido del
mundo, a 330 km/h”. Hoy dia un teléfono portátil con pantalla OLED es ya
normal, en competencia con las pantallas de LCD, tan populares. Que los OLEDS
invadan el campo de la iluminación general vendrá más tarde. En 2012 no es
posible. Los led inorgánicos, muy eficientes, no pueden competir, debido al alto
costo de fabricación.
La gran ventaja de los semiconductores orgánicos consiste en que se pueden
disolver, y usar casi como la tinta en una imprenta, lo cual permite fabricar OLEDS
enrollables, en inglés “Roll-to-Roll” (R2R). Las bandas de OLEDS se pueden calentar y recubrir con metales pesados previamente evaporados, el dopaje, para la
fabricación a gran escala. En OLEDS flexibles el Centro de Investigación más
importante a nivel mundial está en Corea, Samsung. Aquí expondremos lo que
hacemos en Europa, concretamente en Holst Centre, en Eindhoven, Holanda. Sin
olvidar los progresos de multinacionales como General Electric y United Display
Corp.en EE.UU., y Fuji, en Japón. En Holst Centre han desarrollado la película fina,
con barreras tan perfectas, como el aluminio o el vidrio, para evitar la humedad,
y por tanto, la oxidación. Han conseguido imágenes sobre OLEDS flexibles de
30x15cms, el mayor tamaño hasta hoy. El sustrato de vidrio no es admisible, es
rígido.
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La electroluminiscencia de moléculas orgánicas es conocida desde hace 50 años, pero aprovecharla no era posible
debido a la alta resistencia eléctrica de las moléculas orgánicas. En 1987 Tang y van Slyke encontraron la solución:
crear una heteroestructura de película delgada, que inyectara
eficazmente electrones en el compuesto orgánico, colocar
3 capas orgánicas entre dos electrodos ánodo y cátodo.
El OLED está formado por un sandwich de 5 capas ultra
finas, cada una de ellas flexible: el sustrato, las dos capas de
electrodos (ánodo y cátodo) y la capa emisora de luz, eléctricamente conductora, en donde se recombinan electrones y
huecos, para formar excitones, el fotón, situada en el centro
del sandwich. El sustrato puede ser una hoja de polímero.
Las dos capas ánodo y cátodo están encapsuladas en una
barrera transparente y eléctricamente conductora. El ánodo
es un polímero conductor. El cátodo contiene una aleación
metálica (bario-aluminio), que inyecta electrones o huecos
hacia la capa central emisora de luz. El voltaje es bajo: 5-10V,
si usamos la capa fina de 500 Angstroms.
El proceso flexible-enrollable es sencillo, pero en él hay
que depositar diferentes materiales con gran precisión, inferior al milimetro, en su ubicación en la capa y en el porcentaje,
algo que no ocurre al imprimir periódicos. El espesor de las
capas oscila entre 5 y 200 nanómetros, según la función que
deben realizar. Para que los costes sean comerciales, aceptados por los clientes, la producción debe ser una banda de
OLEDS, de 5-30m cada minuto. Cada banda tiene no un solo
recubrimiento, sino varios, para los diferentes materiales. Los
OLEDS para iluminación presentan unos problemas de fabricación muy diferentes de los OLEDS destinados a pequeñas
pantallas. El método más sencillo es la inyección de tinta,
porque produce recubrimientos muy homogéneos sobre
sustratos muy diversos. En ciertas aplicaciones el OLED se
inyecta sobre la banda (ánodo, o el polímero emisor de luz),
a presión sobre una rendija, de tamaño casi microscópico.
Un problema siempre amenazante es impedir al máximo la
humedad y el oxígeno atmosférico, mil veces mayor que en
el envasado de alimentos. Si el OLED no está bien encapsulado, el cátodo, normalmente, de bario-aluminio, u otros
metales reactivos, que inyectan electrones en el OLED, se
oxidan fácilmente, y causan manchas oscuras en la imagen.
El oxígeno también puede degradar al polímero emisor de luz.
Proteger de la humedad a los OLEDS no flexibles es fácil,
basta encapsularlos entre el sustrato de vidrio (por donde
sale la luz) y una placa metálica con pegamento. En Holst
Centre consiguen una barrera eficaz, que sirve igual para
los OLEDS flexibles y rígidos. Han recurrido al nitruro de
silicio, como doble recubrimiento y con una duración eficaz
de unos 10 años. Pero todavia no han conseguido igualar el
fuerte aislamiento del OLED rígido sobre vidrio. El problema
de fondo consiste en que un OLED para iluminación general
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sí que necesita tener una vida útil de 50.000-100.000 horas,
pero uno flexible para electrónica portátil parece que es suficiente que dure s´plo de 5-10 años.
Extraer la luz
Al menos por uno de los electrodos la luz tiene que salir del
OLED, normalmente por el ánodo, el cual es transparente y
conductor. En el OLED rígido se usa ITO (Indium-Tin-Oxide),
el óxido de Indio y estaño, es caro y escaso, pero además es
frágil. Si lo doblamos, se forman grietas, se rompe, inadmisible en un OLED flexible, una parte del OLED no funcionaría.
Otro problema es crear la estructura cristalina del ITO, lo
cual requiere altas temperaturas en la capa ultradelgada.
Hay que lograr ánodos sin ITO, es posible, aunque suponga
una merma en las características útiles del OLED. Es curioso
que las innovaciones de fabricación del OLED proceden
más de empresas multinacionales, comerciales, que de las
Universidades.
El Oled flexible está desplazando gradualmente a la pantalla
LCD en la electrónica portátil.
OLEDS flexibles de Matriz Activa
También son posibles los OLEDS de Matriz Pasiva, pero
su calidad es inferior a los de Matriz Activa, no tiene utilidad
describir la Matriz Pasiva. Los de Matriz Activa tienen una
capa delgada de transistores, TFT, que funciona como una
serie de interruptores. Estos, a su vez, controlan la corriente
que circula por cada pixel. El material electroluminiscente
consiste en moléculas orgánicas, AMOLED, de poco consumo, económicas, y permiten fabricar paneles y cintas de
grandes dimensiones. Dos TFT controlan cada pixel. Un TFT
inicia y detiene la carga de un condensador, mientras que el
2º TFT suministra la tensión, voltaje, suficiente para crear una
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corriente constante hacia el pixel. Los OLED de Matriz Pasiva
requieren altas intensidades de corriente, un inconveniente,
que evitamos. Los AMOLED se emplean casi exclusivamente
en teléfonos portátiles y pequeñas pantallas. En el año 2000
ya superaron unas ventas de 1000 millones de dólares, y
predicen que para el 2017 las ventas serán 15 veces mayores.Con AMOLEDS flexibles conseguir pantallas de mayor
tamaño requiere resolver previamente varios problemas.
El mayor de todos: la duración de vida del OLED azul, inferior al pixel azul del LCD. El AMOLED se diferencia del LCD en
que irradia luz, y no necesita retroiluminación como el LCD.
Otra ventaja del AMOLED es su alta velocidad de interrupciones, mayor que la de los LCD. La Samsung surcoreana,
Seoul, hoy día monopoliza los AMOLED, su producción es
superior a la de todas las empresas de electrónica orgánica
del mundo juntas. Un componente clave es la capa muy delgada de polisilicio, en el plano posterior. Para que la capa se
pueda doblar, el silicio está totalmente fragmentado. El progreso continúa, y la Samsung ya anuncia los SuperAmoleds,
más delgados que los AMOLEDS. En Europa los AMOLEDS
se llaman FLAME, de un espesor de 0.1mm, el componente
orgánico flexible de matriz activa. Construir la capa aislante
entre los transistores y los OLEDS, frágiles como siempre,
es difícil.
Hay que asegurar que la pantalla seguirá funcionando
normalmente pese a haber sido desplegada en numerosas
ocasiones. La pequeña pantalla se crea por evaporación del
material OLED a través de una máscara metálica, con los
orificios alineados en donde estarán los pixeles. Aplicar ese
método a una pantalla grande, con pixeles RGB, sigue siendo
un problema, por ej.: una pantalla de TV de alta resolución,
con millones de pixeles, los costes económicos se disparan.
Para el tamaño de vidrio Gen4 (73x92cms) el tiempo de fabricación de la pantalla es de 2 minutos en Du Pont.
Para disminuir el consumo se están estudiando dos tipos
de pantallas, basadas en moléculas orgánicas pequeñas fluorescentes y la pantalla de OLED fosforescente polímero. En
la ciudad de Purdue se intenta lograr una pantalla que sea
a la vez transparente y flexible, apta para incorporar a una
cortina o a un vestido; esto presupone una electrónica de
tamaño mínimo, o que sea transparente.
OLEDS flexibles, pero fosforescentes
Por motivos de consumo hemos de rechazar a los OLEDS
fluorescentes, más comunes. Es una mejora que vale la
pena. La unión de un electrón y un hueco genera un excitón.
Las reglas mecanocuánticas, que describen la interacción
entre electrones y huecos establecen, para la mayoría de
materiales, que sólo uno de 4 excitones formados convierte
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La pantalla
flexible de mayor
tamaño es útil en
Ingeniería química,
para desplazarse
a la planta de
fabricación.
su energía en luz. El 75% restante se pierde en forma de
calor. La solución consistió en un OLED, dopado adecuadamente con material emisor de luz, que contiene el dopaje,
un metal pesado: platino o iridio. Los átomos de metales
pesados albergan gran número de electrones. Por tanto,
sus electrones se hallan lejos del núcleo, con un momento
angular de rotación grande. La interacción de este momento con el espín de otros electrones crea las condiciones
adecuadas, para que todos los excitones puedan emitir luz
en vez de calor. Estos nuevos emisores son fosforescentes.
Los OLEDS fosforescentes de molécula pequeña, no polímeros, son de alto rendimiento, sin disminución de su vida
útil. El pixel azul es la única excepción.
Imprimir OLEDS con precisión de 5 micras.
En las pantallas LCD usamos la fotolitografía, pero con los
OLED preferimos la evaporación con máscara de sombras.
En las pantallas de cristal líquido se consigue una buena
calidad de imagen a base de apiñar más de 40 tríadas, con
píxeles rojos, verdes y azules, por centímetro. Semejante densidad de empaquetamiento permite al ojo humano fusionar
los colores, sin advertir la trama subyacente, es un mérito de
la fotolitografía. La imagen de la trama de tríadas se proyecta
sobre una matriz de resina fotosensible, extendida sobre la
pantalla, que lleva en suspensión una capa de fósforo, u
otra substancia que filtre un color fundamental. Donde la luz
incide, la matriz se torna insoluble. El resto del material se
disuelve o se elimina.
En cambio en los OLEDS la trama se imprime mediante
la evaporación de los materiales del emisor, a través de una
máscara de sombras. En cada evaporación del rojo, verde y
azul la máscara se desplaza con precisión de sólo 10 micras,
para una tríada de 250 micras. En el caso de los OLED de
polímero (POLED) se usa la inyección de chorro de tinta,
una técnica ya dominada en las impresoras de informática
portátiles. Esas impresoras sitúan los puntos rojo, verde y
azul con precisión de 10 micras. Los OLEDS de molécula
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irradia luz azul. Con fotoluminiscencia podemos crear luz roja
y verde, que sumadas a la luz azul logramos el blanco. Para
ciertas aplicaciones nos puede servir, para otras no. Shuji
Nakamura consiguió un OLED cercano al ultravioleta (350370nm), muy útil para crear el OLED blanco (570-573nm). La
solución es usar nitruro de galio (luz azul de 450-470nm) y
recubrirlo con cristales de cerio, dopado de itrio y aluminio,
de color amarillento.
En el microscopio electrónico la pantalla flexible no
aporta utilidad. Predomina la de LCD.
pequeña ofrecen en la pantalla una gama de colores vivos,
mejor que la lograda con OLEDS de polímero. Estas pantallas
flexibles, enrollables, tienen también aplicaciones militares.
OLEDS de color blanco
El OLED debe emitir un blanco ideal, con CRI (Color
Rendering Index) cercano a 100. De nada sirve que el fotogenerador orgánico sea económico, si no refleja el color
normal del objeto iluminado por el OLED. Un médico en el
quirófano necesita observar los tejidos humanos, como se
ven iluminados por el sol. Más aún, si usa la dinámica de los
OLED para cambiar el color, puede lograr una frecuencia
óptica, que resalta el tejido que interesa más al cirujano. En la
Naturaleza hay varios blancos, no es lo mismo el color blanco
del amanecer que el de mediodía. Ese color depende de la
edad del sol, que no es una estrella joven, reciente, ni una
decrépita. En el firmamento, de noche, vemos estrellas jóvenes de color blanco frio, azulado, y otras rojizas. ¿Blanco frio,
neutro o cálido? Una estrella joven emite en una longitud de
onda diferente de la de una estrella vieja. ¿Qué edad tiene?
Llamamos cuerpo negro al que absorbe toda radiación,
no refleja ninguna, pero irradia según la temperatura a la
que se encuentra. Distinguimos temperaturas de color desde
3000ºK hasta 7500ºK, desde un blanco cálido, casi amarillento (3000ºK) hasta un neutro (5000ºK) y un blanco frío
(6500-7500ºK). A la luz que emite un cuerpo negro a alta
temperatura le llamamos Blanco frío. Es un contrasentido,
peor así hablamos.
Toshiba ofrece OLEDS de 2700, 3500 y 4000ºK, los 3 blancos, cálido, neutro y frio de mayor aceptación. Una cafetería
preferirá un blanco cálido, pero en una pista de tenis será
mejor el blanco frío, de 7000ºK. Entendemos por blanco una
luz de banda ancha, todo lo contrario de la monocromática.
La adición, o mezcla, en partes iguales de luz roja, verde y
azul, es blanco, visto por el ojo humano. Es el OLED para
profesionales, de alto precio. Por su parte en cada color
distinguimos tres factores: tonalidad, saturación y luminancia. Tonalidad es la frecuencia electromagnética de color, o
longitud de onda, por ej.: rojo, dentro del espectro de luz.
La tonalidad nos permite distinguir los colores del arco iris.
Saturación es la pureza de un color, un color muy vivo. Un
cielo muy azul es un color saturado, sin blancos ni grises.
Luminancia es la densidad angular y superficial del flujo luminoso. El equivalente psicológico de luminancia es el brillo,
la cantidad de flujo luminoso que percibe el ojo. Se mide en
candelas/m2.
Crear un OLED blanco para la
sensibilidad del ojo humano
El cuerpo negro va cambiando de color al aumentar la temperatura, pero la sensibilidad del ojo humano no es lineal. En
la retina tenemos la fóvea, una pequeña depresión, no mayor
de 1mm2, en donde se concentran los rayos luminosos. En
la fóvea hay bastones, con rodopsina para baja luminosidad,
y 3 tipos de conos con opsinas, con máxima sensibilidad a
una longitud de onda.
• Eritropsina, con máxima sensibilidad para ondas de
650nm, luz roja.
• Cloropsina, con máxima sensibilidad para ondas de
530nm, luz verde, y
• Cianopsina, con máxima sensibilidad para ondas de
430nm, luz azul.
Hay dos modos bien conocidos de crear el OLED blanco:
- mezclar tres OLEDS de color rojo, verde y azul.
- mezclar un OLED azul con otro de color anaranjado.
El primer modo nos da un blanco ideal, con 33% de sus
componentes rojo, verde y azul. Económicamente es caro.
Afortunadamente existe el diodo de seleniuro de cinc, que
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El cerebro interpreta los colores a partir de la estimulación
de los 3 tipos de conos. Es una información codificada por
los fotorreceptores. La cromaticidad observada depende de
la fuente de luz que ilumina al objeto. Como la luz amarilla estimula los receptores del ojo conos-rojos y verdes, la
mezcla resultante de azul (nitruro de galio) y amarillo tiene
el aspecto de color blanco, llamado blanco lunar. Hay algo
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mejor en eficiencia en Lm/W: el OLED ultravioleta (380 nm)
creado en abril 2002 por Nitride Semiconductors y Xerox en
Palo Alto, California. Aprovechamos la gran experiencia de
la industria de lámparas fluorescentes en pasar de las líneas
del mercurio (366nm) a la luz blanca.
Un OLED blanco para un CRI de alto índice
La Comisión Internacional de Iluminación creó un Indice
de Calidad, el CRI (Color Rendering Index) que los lectores de
“Luces CEI” conocen sobradamente. Nos indica la capacidad
que tiene una fuente artificial de iluminación en reproducir el
color natural de un objeto. El CRI mide la distribución de la
banda ancha emitida, desde 0 a 100. Está basado en la naturaleza tricromática del sistema visual humano. Normalmente
empleamos la luz diurna como fuente ideal (5500ºK-6000ºK)
para conocer el color natural del objeto. Como ejemplo de un
CRI de baja calidad podemos recordar las farolas de vapor
de sodio de alta presión en las autopistas, en donde todo
se ve de un color amarillento-rojizo. El sol no es una fuente
ideal para el CRI. Debido a la dispersión atmosférica, el sol
tiene un color amarillento al amanecer-atardecer (2200ºK) y
otro blanco a mediodía (5500ºK).
OLED flexible, el Rey de la Pantalla portátil
Ha cumplido su gran promesa de llenar el mundo con
pantallas a todo color. Luego invadirá los proyectos de iluminación: OLEDS flexibles en las paredes y en las escaleras.
Nosotros exigimos colores saturados, eficiencia, fiabilidad y
larga vida, un millón de horas, y bajos costes de fabricación.
Un ideal que se está cumpliendo a medias, porque los costes
siguen tan altos, como la popularidad conseguida. El punto
negro sigue siendo el color azul, con una vida útil entre 15000
y 20.000 horas, en cambio disponemos de gran número de
emisores fosforescentes rojos y verdes. Habrá que seguir
investigando, no basta el éxito de haber invadido el sector
comercial de la pequeña pantalla. El problema científico consiste en que no entendemos los parámetros que controlan y
limitan la electroluminiscencia orgánica.n
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Novaled, en Alemania, ha conseguido un Oled flexible, en la foto,
cuadrado, que se puede conmutar a voluntad, transparente o
emisión blanca.
Referencias
Bharathan,O. Polymer electroluminescent devices processed
by ink-jet printing. Applied Physics Letters, 72 – 2660.
Brandon, B. Flexible electronic display will get Army field test.
Los Angeles Times 31 January 2011.
Burrows, P.Full color organic light emitting devices for lightweight, flat panel displays. IEEE Transactions on Electron
Devices.44, 1188-1203.
Gustafsson,G. Flexible light emitting diodes made from soluble conducting polymers. Nature, 357, 6378.
Hatcher, K. Photonic crystal flexible Oled demonstrated uniform light. Sandia National Labs.2009.
Ilustraciones