Gedraaide Lichtemissie: De efficiëntie van toekomstige elektronica verbeteren

Gloeilampen werden uitgevonden om consistente verlichting te bieden en deze toegankelijk te maken voor het grote publiek. Doorlopend onderzoek en experimenten om ze kostenefficiënter te maken leidden tot de ontwikkeling van lichtgevende diodes, of LED's.

LED-technologie werd meer dan een half decennium geleden uitgevonden door wetenschapper Nick Holonyak Jr. terwijl hij bij General Electric werkte, die het “het magische” noemde.

Naarmate LED's in de loop der tijd beter worden, worden ze helderder, kostenefficiënter en betrouwbaarder, wat leidt tot hun brede adoptie in verkeerslichten, ter vervanging van gloeilampen.

Tegenwoordig zijn de traditionele “gele” lampen beperkt tot specifieke toepassingen, terwijl LED's de leiding hebben in algemene verlichtingsapplicaties dankzij hun superieure energie‑efficiëntie, langere levensduur en veelzijdigheid.

Natuurlijk stopt innovatie nooit. In feite heeft de uitvinding van LED's de weg vrijgemaakt voor OLED's — organische lichtgevende diodes, ook wel organische elektroluminescente diodes genoemd.

Dit was het resultaat van onderzoekers die de mogelijkheid onderzochten om organische verbindingen in plaats van anorganische materialen te gebruiken om hetzelfde effect als LED's te bereiken, die licht genereren door elektriciteit door een halfgeleidermateriaal te laten stromen. 

Het eerste OLED‑apparaat werd in 1987 gebouwd door wetenschappers Steven Van Slyke en Ching Tang bij het Eastman Kodak Company.

Hoewel zowel LED's als OLED's elektriciteit gebruiken om licht te produceren, zenden OLED's licht uit met behulp van organische materialen. Deze organische LED's gebruiken koolstofgebaseerde materialen, waardoor ze dunnere displays, betere kleurreproductie en snellere responstijden kunnen bieden dan traditionele LED's.

Als gevolg hiervan heeft OLED‑technologie zijn weg gevonden naar smartphones, tv's en andere hoogwaardige elektronische apparaten. Hoewel OLED‑technologie zich snel ontwikkelt, heeft ze echter nog geen brede adoptie bereikt.

Een blik op OLED‑technologie

Laten we nu een beter kijkje nemen naar OLED's. Organische lichtgevende diodes, in tegenstelling tot LED's, zijn diffuse‑gebied lichtbronnen omdat ze in vellen worden gemaakt. Daarentegen zijn LED's geconcentreerde, kleine puntlichtbronnen.

Het diffuse licht van OLED's maakt het mogelijk ze zeer dicht bij het werkoppervlak te gebruiken zonder schittering voor de gebruiker. Dit betekent dat men de gewenste verlichtingssterkte kan bereiken met minder licht, waardoor het zeer efficiënt is.

De flexibiliteit van OLED's maakt het ondertussen mogelijk ze in bijna elke vorm te maken, waardoor ontwerpmogelijkheden worden uitgebreid en een nieuwe verlichtingsbeleving ontstaat.

Wat de structuur van OLED betreft, bevat dit vaste‑toestel een reeks dunne, koolstofgebaseerde halfgeleidende lagen tussen twee geleidend elektroden, een anode en een kathode.

Het apparaat zendt licht uit wanneer aangrenzende elektroden een elektrische stroom toepassen. Om licht uit het apparaat te laten ontsnappen, moet ten minste één van de elektroden transparant zijn.

Door de hoeveelheid aangelegde elektrische stroom te regelen, kan de intensiteit van het uitgezonden licht worden aangepast. 

Wat de kleur van het licht betreft, wordt deze bepaald door het type emissiemateriaal dat wordt gebruikt. Bijvoorbeeld, wit licht wordt gecreëerd door rode, groene en blauwe emitters te gebruiken die in verschillende configuraties kunnen worden gerangschikt.

Andere soorten OLED's omvatten witte, transparante, actieve‑matrix, passieve‑matrix, opvouwbare en top‑emitterende OLED's.

Tegenwoordig zijn OLED's de dominante smartphone‑displaytechnologie. Dit komt omdat OLED‑displays niet alleen dun en efficiënt zijn, maar ook transparant, flexibel en opvouwbaar, terwijl ze de beste beeldkwaliteit bieden. Brede kijkhoeken en een hoog contrast zijn andere voordelen van OLED‑technologie ten opzichte van traditionele displaytechnologieën.

Klik hier om te leren hoe OLED's de nachtzichtcamera's revolutioneren.

De groeiende adoptie van OLED‑technologie

De wereldwijde OLED‑markt is de afgelopen jaren aanzienlijk gegroeid en zal de komende jaren blijven groeien.

De markt is eigenlijk voorspeld te groeien met een CAGR van 13,20% tussen 2022 en 2029, en een omvang van $104,4 miljard bereikt.

De belangrijkste drijfveer van deze groei is de toenemende vraag in de consumentenelektronicamarkt. Daarnaast biedt de groeiende markt voor draagbare apparaten en de integratie van OLED‑displays in AR‑ en VR‑apparaten nieuwe groeikansen.

Daarna is er de opkomst van flexibele en opvouwbare OLED‑displays, een opwindende nieuwe trend die het gemak van een groter scherm in een compact formaat belooft. Deze displays maken innovatieve productontwerpen en toepassingen voor unieke ervaringen mogelijk.

OLED‑displays vinden ook steeds meer toepassingen in infotainmentsystemen, dashboards en entertainment systemen voor de achterbank. De stijgende vraag naar elektrische voertuigen en de integratie van geavanceerde bestuurdersassistentiesystemen (ADAS) worden verwacht bij te dragen aan hun groei in de automobielsector.

Naast displays heeft OLED‑technologie ook potentieel in de verlichtingsindustrie, met uitstekende kleurweergave, uniforme verlichting en de mogelijkheid om unieke verlichtingsontwerpen te creëren. De toenemende focus op energiezuinige verlichtingsoplossingen, gecombineerd met de ontwikkeling van grotere OLED‑panelen, biedt groeikansen in commerciële verlichting, architecturale verlichting en decoratieve verlichtingsapplicaties.

Een andere factor die de groei van de OLED‑markt stimuleert, is de voortdurende technologische vooruitgang, die effectievere materialen, encapsulatiemethoden en productieprocessen omvat die betere prestaties, kostenreductie en een langere levensduur bieden.

Hoewel er aanzienlijke prestatieverbeteringen zijn en OLED's veelvuldig worden gebruikt in smartphone‑displays, staan ze nog steeds voor veel uitdagingen.

Kosten zijn een van de belangrijkste uitdagingen op de OLED‑markt. De hoge productiekosten zijn te wijten aan het feit dat OLED‑displays dure organische materialen en complexe productieprocessen vereisen, waardoor ze duurder zijn dan traditionele technologieën zoals LCD.

Een ander probleem dat zich tijdens het productieproces voordoet, is de opbrengst, aangezien een klein defect kan leiden tot een aanzienlijk aantal niet‑werkende OLED‑displays. Bovendien veroorzaakt de afhankelijkheid van specifieke organische materialen een probleem in de toeleveringsketen.

Daarbij komt nog de kwestie van een beperkte levensduur van OLED‑displays naast energie‑efficiëntie, wat cruciaal is om het stroomverbruik te minimaliseren en de batterijduur in draagbare apparaten te verbeteren.

Een andere beperkende factor is het onvermogen om efficiënte blauwe emitters te stabiliseren. OLED‑technologie staat ook onder concurrentie van andere displaytechnologieën, zoals LCD (vloeibaar kristaldisplay), die nog steeds de markt domineert, en micro‑LED, die, hoewel nog in de vroege commercialisatiefase, mogelijk langere levensduur biedt.

Bovendien moeten technische beperkingen, zoals de mogelijkheid van inbranden van beelden en uniformiteit over grote displays, worden overwonnen door verbeteringen in displaymaterialen, architecturen en productieprocessen.

Onderzoekers pakken deze beperkingen actief aan, met een recente vooruitgang die het enorme potentieel toont om de efficiëntie van OLED‑displays op televisies en smartphones te verbeteren.

De efficiëntie van OLED's verbeteren met chiraal halfgeleiders

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en de Technische Universiteit Eindhoven hebben een organisch halfgeleider ontwikkeld dat cirkelvormig gepolariseerd licht uitzendt door elektronen te laten bewegen in een spiraalpatroon. 

Dit is bereikt door een decennialange uitdaging op het gebied van organische halfgeleiders te overwinnen, wat niet alleen de efficiëntie van OLED‑displays kan verbeteren, maar ook de weg kan vrijmaken voor next‑generation technologieën zoals spintronic en kwantumcomputing.

Het onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Science¹ merkte de aanzienlijke interesse op om chiraliteit in halfgeleidermaterialen te introduceren om sterke cirkelvormig gepolariseerde luminescentie (CPL) te bereiken, die laag is in bestaande OLED's.

De huidige efficiënte OLED‑systemen gebruiken lichtgevende moleculen die ruimtelijk geïsoleerd zijn in een gastheer, wat zwakke CPL produceert.

Hoewel pogingen zijn ondernomen om hoge CPL te bereiken, waren ze niet compatibel met geoptimaliseerde OLED‑apparaatarchitecturen. De nieuwste onderzoekers hebben echter met succes een organisch halfgeleider gecreëerd dat elektronen laat bewegen in een spiraalpatroon.

Dit is te danken aan een nieuwe manier om dunne, uniforme films te maken met chiraal supramoleculair nanostructuren gebaseerd op triazatruxene‑moleculen. Deze methode is absoluut geschikt voor OLED‑fabricage en vertoont een hoge groene CPL. 

“Dit is een echte doorbraak in het maken van een chiraal halfgeleider. Door de moleculaire structuur zorgvuldig te ontwerpen, hebben we de chiraliteit van de structuur gekoppeld aan de beweging van de elektronen, en dat is op dit niveau nog nooit eerder gedaan.”

– Professor Bert Meijer van de Technische Universiteit Eindhoven. 

De ontwikkelde chiraal halfgeleider zendt cirkelvormig gepolariseerd licht uit, wat betekent dat het licht informatie draagt over de ‘handigheid’ van elektronen.

Het punt is dat de interne structuur van de meeste anorganische halfgeleiders symmetrisch is, waardoor elektronen zich in geen specifieke richting bewegen.

In de natuur hebben moleculen meestal een chiraal, links‑ of rechtsdraaiend, structuur. Chiraal moleculen (zoals DNA) zijn spiegelbeelden van elkaar, en chiraliteit speelt een sleutelrol in biologische processen. Het is echter moeilijk om elektronica te benutten en te beheersen.

Om dus een chiraal halfgeleider te creëren, haalden onderzoekers inspiratie uit de natuur. Ze duwden stapels halfgeleidende moleculen om geordende rechtsdraaiende of linksdraaiende spiraalkolommen te vormen.

Deze chiraal halfgeleiders tonen potentieel in displaytechnologie, waar huidige producten veel energie verspillen door de manier waarop licht door schermen wordt gefilterd. De nieuw ontwikkelde chiraal halfgeleider daarentegen zendt van nature licht uit op een manier die deze verliezen kan verminderen, waardoor schermen helderder en energiezuiniger worden.

Volgens Professor Sir Richard Friend van Cambridge’s Cavendish Laboratory, die het onderzoek mede‑leidde:

“Toen ik begon te werken met organische halfgeleiders, twijfelden veel mensen aan hun potentieel, maar nu domineren ze de displaytechnologie. In tegenstelling tot starre anorganische halfgeleiders bieden moleculaire materialen ongelooflijke flexibiliteit — waardoor we volledig nieuwe structuren kunnen ontwerpen, zoals chiraal LED's. Het is alsof je met een Lego‑set werkt met elke denkbare vorm, in plaats van alleen rechthoekige blokken.”

Het materiaal dat als basis van de halfgeleider wordt gebruikt, is triazatruxene (TAT), dat zichzelf assembleert tot een helicale (spiraal) stapel met een spoed van zes moleculen. Dit laat elektronen langs de structuur kronkelen, wat helpt bij het verkrijgen van de waargenomen CPL.
Wanneer blootgesteld aan UV‑licht, “zendt de zelf‑assembleerde TAT fel groen licht uit met sterke cirkelvormige polarisatie.” Medeauteur Marco Preuss van de Technische Universiteit Eindhoven merkte op dat dit effect tot nu toe moeilijk te verkrijgen was in halfgeleiders.

“De structuur van TAT maakt het mogelijk dat elektronen efficiënt bewegen terwijl ze de manier waarop licht wordt uitgezonden beïnvloeden.”

– Preuss

Het wijzigen van OLED‑fabricagemethoden stelde de onderzoekers in staat TAT succesvol te gebruiken in cirkelvormig gepolariseerde OLED's (CP‑OLED's), die opmerkelijke helderheid, efficiëntie en polarisatieniveaus toonden.
De studie toonde aan dat de OLED's externe kwantumefficiënties van tot wel 16% en elektroluminescentie‑dissymmetrieën van minder dan of gelijk aan 10% bereikten. Volgens co‑eerste auteur Rituparno Chowdhury van het Cavendish Laboratory van Cambridge:

“We hebben in wezen het standaardrecept voor het maken van OLED's opnieuw uitgewerkt, zoals we dat in onze smartphones doen, waardoor we een chiraal structuur kunnen vangen binnen een stabiele, niet‑kristallisende matrix. Dit biedt een praktische manier om cirkelvormig gepolariseerde LED's te creëren, iets dat het veld lange tijd ontbeerde.”

Naast displays heeft de nieuwste ontwikkeling ook implicaties voor kwantumcomputing en spintronic, waarbij het inherente hoekmomentum (of spin) van elektronen wordt gebruikt om informatie op te slaan en te verwerken voor snellere en veiligere computersystemen.
Wat de adoptie in de echte wereld betreft, zou deze doorbraak binnen de komende 3 tot 5 jaar commerciële toepassingen in displaytechnologie kunnen zien, terwijl toepassingen in spintronic en kwantumcomputing zich over het volgende decennium kunnen ontwikkelen.

Innovatief Bedrijf

Universal Display Corporation (OLED )

Universal Display Corporation (UDC) is een leider in de ontwikkeling en commercialisering van OLED‑technologieën voor gebruik in vlakke paneldisplays, verlichting en organische elektronica. Het is ook een belangrijke leverancier van organische materialen en technologieën voor OLED‑displays en verlichting.

Opgericht ongeveer drie decennia geleden, streeft UDC ernaar de volgende generatie displays te creëren. De eigen technologie en materialen van het bedrijf worden wereldwijd gebruikt in commerciële OLED‑producten, waaronder smartphones, smartwatches, tablets, tv's en meer. De meest prominente voorbeelden zijn de OLED‑tv's van LG en de Galaxy‑serie van Samsung. UDC beschikt over meer dan 6.000 uitgegeven en aangevraagde patenten wereldwijd.

Het bedrijf is gespecialiseerd in onderzoek, ontwikkeling en commercialisering van fosforescerende OLED (PHOLED)‑materialen, die hogere efficiëntie en verbeterde prestaties bieden.

Met een marktkapitalisatie van $7,425 miljard, worden de USD‑aandelen verhandeld tegen $156,41 op het moment van schrijven, een stijging van 6,98% YTD. De EPS (TTM) is 4,65, en de P/E (TTM) ratio is 33,64, terwijl het dividendrendement 1,15% bedraagt.

Een maand geleden heeft Universal Display Corporation aangekondigd haar financiële resultaten, die $162,3 miljoen omzet in Q4 2024 onthulden, een stijging ten opzichte van $158,3 miljoen in hetzelfde kwartaal van 2023.

De omzet uit materiaalverkoop steeg tijdens deze periode tot $93,3 miljoen vanwege de versterkte vraag naar de emittermaterialen van het bedrijf. Royalty‑ en licentievergoedingen droegen $64,4 miljoen bij aan de omzet, die afnam door een vermindering van cumulatieve catch‑up‑aanpassingen.

In Q4 bedroegen de kosten van materiaalverkoop $34,2 miljoen vanwege een hoger volume per eenheid, en de totale brutomarge was 77%. De operationele winst bedroeg $52,5 miljoen, en de nettowinst $46,0 miljoen of $0,96 per verwaterde aandeel.

Voor het volledige jaar rapporteerde het bedrijf een totale omzet van $647,7 miljoen, een stijging van 12,36% ten opzichte van het voorgaande jaar. Dit omvatte $365,4 miljoen uit materiaalverkoop, die $137 miljoen kostten, en $266,8 miljoen uit royalty‑ en licentievergoedingen.

De operationele winst bedroeg $238,8 miljoen, terwijl de nettowinst $222,1 miljoen of $4,65 per verwaterde aandeel was in 2024, vergeleken met $203 miljoen of $4,24 per verwaterde aandeel in 2023.

UDC rapporteerde ook $8,9 miljoen aan herstructureringskosten in verband met de geplande sluiting van haar OVJP‑locatie in Californië.

Over het “recordbrekende jaar van solide financiële prestaties” sprak Brian Millard, Vice President en Chief Financial Officer van UDC, de groei en vooruitgang die in de OLED‑industrie zijn gezien.

Bedrijven breiden hun productroadmaps uit, en toonaangevende paneelfabrikanten investeren in nieuwe fabrieken om te voldoen aan de stijgende vraag, met name in de opkomende IT‑ en automobielmarkten, stelde Millard, toevoegend:

“We geloven dat deze nieuwe capex‑cyclus de weg zal vrijmaken voor betekenisvolle nieuwe OLED‑capaciteit, nieuwe OLED‑producten en nieuwe OLED‑adoptanten.”

Voor dit jaar verwacht UDC een omzet tussen $640 miljoen en $700 miljoen, waarbij wordt opgemerkt dat “de OLED‑industrie zich nog in een fase bevindt waarin veel variabelen een materiële impact op de resultaten kunnen hebben.”
Het bedrijf kondigde ook een cashdividend van $0,45 per aandeel aan voor het eerste kwartaal van 2025, uit te betalen op 31 maart 2025 aan alle aandeelhouders.

“Als pionier en leider in het ecosysteem zijn we goed gepositioneerd om onze klanten te blijven ondersteunen en de industrie in staat te stellen met ons steeds breder wordende portfolio van energiezuinige, hoog presterende fosforescerende materialen en OLED‑technologieën.”

– CFO Millard

Laatste nieuws over Universal Display Corporation

Conclusie

De evolutie van lichtgevende diodes heeft de display‑ en verlichtings­technologie aanzienlijk verbeterd. In deze vooruitgang heeft OLED‑technologie ons de voordelen gebracht van betere beeldkwaliteit, dunnere en lichtere ontwerpen, flexibiliteit en innovatie. 

Hoewel OLED‑technologie sinds de beginjaren sterk is gevorderd, staat ze voor uitdagingen op het gebied van efficiëntie en kosten. Daarom markeren recente doorbraken in chiraal halfgeleiders een cruciaal moment in haar ontwikkeling.

Het vermogen om de beweging van elektronen te beheersen en met hoge efficiëntie cirkelvormig gepolariseerd licht uit te zenden, zou de display‑technologie aanzienlijk kunnen transformeren. Het zou ook deuren openen naar nieuwe mogelijkheden in kwantumcomputing en spintronic. 

Met commerciële toepassingen van deze innovatie in het vooruitzicht, zou dit onderzoek de manier waarop elektronica werkt kunnen herdefiniëren en leiden tot energiezuinigere, hoog‑presterende elektronische apparaten in de nabije toekomst.