1
Corso di
ELETTRONICA A SEMICONDUTTORI ORGANICI
Principi, dispositivi ed applicazioni
DISPLAY ORGANICI28 Settembre 2007
Marco Sampietro
How Do Displays Work?
•Converting Time Sequential Electrical Signals intoSpatially and Temporally Configured Light Signal
2
Characteristics
• contrast ratio• brightness
(luminance)• speed• resolution (dots/inch)• colour depth and
gamut
• manufacturing cost• price• lifetime• power consumption• operating temperature range• viewability in sunlight• weight• volume
Cathode Ray Tube
• 3-Dimensional:• XY Pixel addressing• Z Pixel writing
X
Y
Z
Relatively simplebut BULKY architecture
3
From 3D to 2D: Flat Panel Display
• Classification I:
• Photon Generator (Emissive Displays)– Plasma Discharge– Field Emission– Electroluminescence
• Photon Modulation (Light Valve Displays)– Liquid Crystal– Electrophoretic
Classification II:
• Direct View or Near to the Eye
• Projection Display
Plasma Display
• Drawbacks:• luminous efficency ≅1lm/W• Lifetime• High price 60 inch
A plasma generates UVwhich excites a phosphoremitting visible RGB
4
Field Emissive Display
• Drawback:• High Voltages• High Price(?)
Liquid Crystal Display
A mature technology,but a convolutedelectrooptical path
off
on
5
Why Organic LED Display
• Brightness 100,000 cd/m2
• Efficiency >30 lm/W• Low Voltage from 3 to 10 V• Fast response < µs• Low Cost Desposition Techniques• Wide Viewing Angle >160 deg (Lambertian emission)• Scalable Emissive Area - from a few µm to a few cm • Colors - fluorescent R,G,B and phosphorescent R,G, covers
more than 90% of National television System Committee (NTSC) color spectrum standard
• High contrast• Good lifetimes > 10.000 hours• Very thin and lightweight
Really OLED display?
6
TOP or BOTTOM EMISSION
TOP-
EMIT
TIN
GB
OTT
OM
-EM
ITTI
NG
Trade-off tra :•Trasparenza degli elettrodi•Conducibilità elettrica•Funzione lavoro (iniezione)
TRASPARENZA >80%(ANCHE DA SPENTI)
500 Å50-100 Å
PIXEL ORGANICI A COLORIPatterning of RGB emitters
(Sanyo-Kodak, SNMD)
SVANTAGGI:
• gli emettitori devono essere ottimizzati separatamente
• patterning degli emettitori (polimeri insolubili ?)
• differenti tempi di vita degli emettitori
Il materiale organico emettitore viene applicato separatamente per ogni RGB
VANTAGGI:
• efficienza in termini di potenza
• “minori” costi di produzione (eliminazione dei filtri colorati, ecc.)
Richiede una tecnologia dell’ITO matura per realizzare litografie più fini
7
MOLECOLE SEMPLICI
PIXEL ORGANICI A COLORIEmettitore bianco con filtri colorati(Sanyo-Kodak, TDK)
VANTAGGI:• tecnologia ben avviata (LCD)• no patterning degli emettitori• degrado più omogeneo• purezza del colore• area pixel
SVANTAGGI:• perdita di efficienza luminosa• necessario emettitore bianco efficiente e con elevata purezza• sputtering dell’ITO sui filtri• calore assorbito
400 nm 750 nm
460 nm 550 nm 630 nm
8
PIXEL ORGANICI A COLORIEmettitore blu con Color Changing Media (CCM)
(Fuji Electric in fase di sviluppo)
VANTAGGI:
• no patterning degli emettitori
• tempo di vita omogeneo
• maggior efficienza rispettoai filtri
• purezza del colore
SVANTAGGI:
• sputtering dell’ITO sui CCM
• necessario emettitore blu stabile
• ritardo nello sviluppo dei CCM (tempo di vita ridotto-costi elevati)
• molte procedure diverse
Blue OLED2 CCM
PIXEL ORGANICI A COLORI
CONDIZIONE:LLii=n*(=n*(λλii/2)/2)
500 550 600Wavelength (nm)
0°15°
30°
45°
cavitànormale
0°
+
-
•Amplificazioneluminosa
•Colori saturi•No patterning, no filtri
•W.l. shift•Emissionemeno isotropa•Costo dello specchio
Al catodiW OLEDSpacerAl specchioSubstrato
LightIntensity
Microcavità ottiche
9
PIXEL ORGANICI A COLORIStacked OLED (SOLED)
• Costruzione più diretta• No maschere• OVPD grande uniformità• Aumento di risoluzione• Bianco uniforme
SVANTAGGI
•Complessa struttura multistrato• No polimeri (difficoltosa deposizione in soluzione)
500 nm
MOLECOLE SEMPLICI
Shadow mask:
• già utilizzata all’interno dei CRT, ma serve una precisione maggiore con gli OLED
• consente un semplice patterning dei sub-pixel nei display a colori
• presenta problemi di scalabilità (per la realizzazione di ampi display)
• risulta difficoltoso produrre elevati volumi di display
COSTRUZIONE PIXEL(tecniche di deposizione in fase vapore)
10
POLIMERIDifferenti colori di emissione possono essere ottenuti con una varietà di strutture chimiche
MATERIALI PER TFTContinuos GrainSilicon (CGS) bySharp: variante dell’LTPS che utilizza laser annealingper ottenere cristalli piùgrandi
Mobilità tripla rispetto a LTPS
Silicio amorfo (a-Si)
• Costo contenuto
• Affidabilità dei TFT
• Bassa mobilità
• Solo transistor di tipo n
Top-emitting
Indicato per display di grandi dimensioni e TV
Cristallizzazione con laser a eccimeri• Alta mobilità
• Possibilità di integrazione
• Costo elevato (1,5 x costo array transistor a-Si)
• Scarsa uniformità
Indicato per display di dimensioni medio-piccole
Low Temp. Poly-Si
In fase di sviluppo
OFET (organici)
11
Oltre che dal pilotaggio, il consumo di potenza dipende anche da:• luminosità
• efficienza del materiale
• frame rate
• metodo utilizzato per realizzare i tre colori RGB
• sequenza di immagini visualizzata
CONSUMO DI POTENZAMatrice passiva:IOLED scorre nelle righe e colonne ⇒ dissipazione resistiva
Matrice attiva:IOLED scorre tra VDD e massa (grandi e di bassissima resistenza) ⇒ In righe e colonne non scorre corrente
Correnti assorbite
Corrente assorbita dallo schermo OLED dipendente dall’immagine visualizzata
Immagine Corrente OLED [mA]
0,00
49,5
34,23
39,6
102,3
39,8
16,65
Negli LCD invece la backlight è sempre accesa, quindi il consumo di potenza ècostante
12
LCDs vs OLEDs
OLEDs' advantages over LCDs' are: 1. Simpler structure (thin & lightweight)2. Better visibility (wide viewing angle & high contrast)3. Faster response4. Operation at lower temperatures
Courtesy Tohoku Pioneer Corp.
Schermo OLED di Sanyo-Kodak
Fotocamera digitale LS633 di Kodak
• 2,16 pollici (5,5 cm)• Risoluzione: 521 x 218• 16,7 milioni di colori (24 bit)• Dimensioni pixel: 84 µm x 151 µm• Temperature di esercizio -10°C +75°C• Tempo di riposta: 10 µs• Disposizione dei 3 colori: RGB Delta
~ 2 mm
13
I singoli strati organici hanno uno spessore compreso tra 20 e 80 nm
Strutture multi-strato con molecole
Esempio Brevetto Kodak
Naftalene Phenil BenzidinaDiMetil QuinAcridone
ITO
∆e
∆h
ETLEML CatodoAnodo HTLHIL
CuPc
NPB
Alq3: colorante LiF/A
l
Schema di un pixel attivo KODAK
Matrice TFT:polisilicio a bassa temperatura (LTPS)
14
SUBSTRATO RIGIDO
SUBSTRATO per SCHERMISUBSTRATO FLESSIBILE
VANTAGGI:
• Ampia gamma di substrati utilizzabili
• Display ultra-leggeri e ultra-sottili
• Maggiore durata e maggior resistenza agli urti e alle torsioni rispetto al vetro
• Produzione a basso costo (Roll-to-Roll, stamp)
VANTAGGI:
• Migliori prestazioni dell’elettronica
• Tecnologia già acquisita
• Investimenti già realizzati
Kodak
Spettri dei coloriSpettri dei tre colori primari RGB e del bianco
0,0E+00
5,0E-08
1,0E-07
1,5E-07
2,0E-07
2,5E-07
3,0E-07
3,5E-07
4,0E-07
4,5E-07
5,0E-07
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
720
740
760
780
800
820
840
Lunghezze d'onda [nm]
Rad
ianz
a [W
/(sr c
m^2
nm
)]
Blu Verde Rosso Bianco
Amplificazione dell'NVIS
< 2,2 x 10-91,2 x 10-7
RichiestaMisurata
Radianza NVISBIANCO
15
Coordinate cromatiche
Coordinate cromatiche CIE 1976 u’ e v’
compatibili NVIS
Inoltre...
...ottima uniformità delle coordinate cromatiche sulla superficie dello schermo e al variare dell’angolo di visione.
Contrasto e riflettanza
> 18134845° V> 18161945° H
> 1801625┴RichiestoMisuratoCondizione
Contrasto in ambiente buio
OTTIMO!!!
> 81,21┴RichiestoMisuratoCondizione
Contrasto in ambiente fortemente illuminato (10.000 fc)
INSUFFICIENTE!!!
< 0,09%0,9%RichiestaMisurata
Riflettanza diffusa (10.000 fc)
Schermo OLED
fortemente riflettente!
fotometro
45°
perpendicolare allo schermo
faro
schermo
16
High contrast OLED
Reflection from the metal cathoderesults in diminished contrast
A Black layer uses destructiveinterference to enhance contrast
Polymer Display
• Monochrome Passive Matrix by CDT
17
DISPLAY FLESSIBILI (FOLED)VANTAGGI:
• Ampia gamma di substrati utilizzabili (film plastici o lamine di metallo riflettenti)
• Display ultra-leggeri e ultra-sottili
• Maggiore durata e maggior resistenza agli urti e alle torsioni rispetto al vetro
• Produzione a basso costo di display tramite OVPD o Roll-to-Roll
Piccole molecole (UDC)
Polimeri (Covion)
I polimeri consentono di realizzare più facilmente display flessibili (FOLED) poiché non richiedono elevate temperature per la deposizione
MicroDisplay• High information content, small size <1
in.• To be viewed near to the eye with
lenses
18
Microdisplay: applications
• Entertainment
• Wearable computer
• 3G cellular phone• Helmet displays
MicroDisplay: characteristics• The driver is integrated on the substrate
A 1280x1024 display would require 2304 connnections!!
• Need for High Resolution and Small Areasmake standard Si a viable route
• The OLED imposes minimum operating voltageand therefore a lower limit on feature size
• Careful circuit design:A SXGA 1280x1024 with pixel pitch=12µm needs a maximum current for pixel of 20nA
19
MicroDisplay
852 x 600 Pixel OLED-on-SiliconColor Microdisplay Using CMOS Current Driversby eMagin
Market for Flat Panel Display (I)
• The Next $100 Billion Market
20
Market for Flat Panel Display (II)
• $70 Billion business in 2005• OLED market is $1 Billion in 2007
(mobile phone and MP3)
OLED vs AMLCD
21
Conclusioni
Schermo OLED limitato per:
contrasto in condizioni di elevata illuminazioneriflettanza
Schermo OLED molto soddisfacente per:
angolo di visionecoordinate cromatiche e loro uniformitàcontrasto in ambiente buio (anche al variare dell’angolo di visione)
uniformità della luminanza
Intervento sul processo di fabbricazione (Black Layer)oppure
utilizzo di filtri antiriflesso ad elevata efficienza (riduzione dei riflessi fino al 95% e trasmissività superiore al 90%)
