Vri­et lysutslipp: Forbedring av fremtidig elektronikk‑effektivitet

Lyspærer ble oppfunnet for å gi jevn belysning og gjøre den tilgjengelig for allmennheten. Kontinuerlig forskning og eksperimenter for å gjøre dem mer kostnadseffektive førte til utviklingen av lysdioder, eller LED‑er.

LED‑teknologi ble oppfunnet for litt over et halvt tiår siden av forsker Nick Holonyak Jr. mens han jobbet i General Electric, som kalte den “det magiske”.

Etter hvert som LED‑ene blir stadig bedre, blir de lysere, mer kostnadseffektive og mer pålitelige, noe som har ført til deres omfattende bruk i trafikklys, som erstatter glødelamper.

I dag er de tradisjonelle “gule” pærene begrenset til spesifikke bruksområder, mens LED‑ene leder i generell belysning takket være deres overlegne energieffektivitet, lengre levetid og allsidighet.

Selvfølgelig stopper innovasjon aldri. Faktisk banet oppfinnelsen av LED‑ene vei for OLED‑er — organiske lysdioder, også kjent som organiske elektroluminescensdioder.

Dette var resultatet av at forskere undersøkte muligheten for å bruke organiske forbindelser i stedet for uorganiske materialer for å oppnå samme effekt som LED‑er, som genererer lys ved å lede strøm gjennom et halvledermateriale. 

Den første OLED‑enheten ble bygget i 1987 av forskerne Steven Van Slyke og Ching Tang hos Eastman Kodak Company.

Mens både LED‑er og OLED‑er bruker elektrisitet for å produsere lys, avgir OLED‑er lys ved hjelp av organiske materialer. Disse organiske LED‑ene bruker karbonbaserte materialer, noe som gjør at de kan tilby tynnere skjermer, bedre fargegjengivelse og raskere responstider enn tradisjonelle LED‑er.

Som et resultat har OLED‑teknologi funnet veien inn i smarttelefoner, TV‑er og andre avanserte elektroniske enheter. Imidlertid, selv om OLED‑teknologien utvikler seg raskt, har den ennå ikke oppnådd bred adopsjon.

Et blikk på OLED‑teknologi

La oss nå se nærmere på OLED‑ene. Organiske lysdioder, i motsetning til LED‑er, er diffuse flate lyskilder fordi de er laget i ark. I kontrast er LED‑er konsentrerte, små punktkilder av lys.

OLED‑enes diffuse lys gjør at de kan brukes svært nært oppgaveoverflaten uten å skape gjenskinn for brukeren. Dette betyr at man kan oppnå ønsket belysningsnivå med mindre lys, noe som gjør dem svært effektive.

OLED‑enes fleksibilitet gjør dem derimot i stand til å produseres i nesten enhver form, noe som utvider designmulighetene og gir en ny belysningsopplevelse.

Når det gjelder OLED‑ens struktur, inneholder denne faststoffenheten en rekke tynne, karbonbaserte halvlederlag mellom to ledende elektroder, en anode og en katode. 

Enheten avgir lys når de tilstøtende elektrodene påfører en elektrisk strøm. For at lyset skal slippe ut av enheten, må minst én av elektrodene være transparent.

Ved å kontrollere mengden påført elektrisk strøm kan intensiteten på det utsendte lyset justeres. 

Når det gjelder lysets farge, bestemmes den av typen emissivt materiale som brukes. For eksempel blir hvitt lys laget ved å bruke røde, grønne og blå emittere som kan arrangeres i flere konfigurasjoner.

Andre typer OLED‑er inkluderer hvite, transparente, aktiv‑matrise, passiv‑matrise, bøyelige og top‑utstrålende OLED‑er.

I dag er OLED‑er den dominerende skjermteknologien i smarttelefoner. Dette skyldes at OLED‑skjermer ikke bare er tynne og effektive, men også transparente, fleksible og bøyelige, samtidig som de gir den beste bildekvaliteten. Store betraktningsvinkler og høy kontrast er andre fordeler med OLED‑teknologi sammenlignet med tradisjonelle skjermteknologier.

Klikk her for å lære hvordan OLED‑er revolusjonerer nattvisionskameraer.

Den økende adopsjonen av OLED‑teknologi

Det globale OLED‑markedet har vokst betydelig de siste årene og vil fortsette å vokse i de kommende årene.

Markedet er faktisk anslått å vokse med en CAGR på 13,20 % mellom 2022 og 2029, og nå en størrelse på 104,4 milliarder dollar.

Den viktigste drivkraften bak denne veksten er den økende etterspørselen i forbrukerelektronikksektoren. I tillegg gir det voksende markedet for bærbare enheter og integreringen av OLED‑skjermer i AR‑ og VR‑enheter nye vekstmuligheter.

Deretter er fremveksten av fleksible og bøyelige OLED‑skjermer, som er en spennende ny trend som lover bekvemmeligheten av en større skjerm i kompakt form. Disse skjermene muliggjør innovative produktdesign og applikasjoner for unike opplevelser.

OLED‑skjermer finner også økende anvendelse i infotainmentsystemer, dashbord og underholdningssystemer på baksetet. Den økende etterspørselen etter el‑biler og integreringen av avanserte førerassistansesystemer (ADAS) forventes å bidra til veksten i bilsektoren.

I tillegg til skjermer har OLED‑teknologi også potensial i belysningsindustrien, med utmerket fargegjengivelse, jevn belysning og muligheten til å skape unike belysningsdesign. Det økende fokuset på energieffektive belysningsløsninger, kombinert med utviklingen av større OLED‑paneler, gir vekstmuligheter innen kommersiell belysning, arkitektonisk belysning og dekorativ belysning.

En annen faktor som driver OLED‑markedets vekst er kontinuerlige teknologiske fremskritt, som inkluderer mer effektive materialer, innkapslingsmetoder og produksjonsprosesser som gir forbedret ytelse, kostnadsreduksjon og lengre levetid.

Imidlertid, til tross for betydelige ytelsesforbedringer og omfattende bruk i smarttelefon‑skjermer, står OLED‑er fortsatt overfor mange utfordringer.

Kostnad er en av hovedutfordringene i OLED‑markedet. De høye produksjonskostnadene skyldes at OLED‑skjermer krever dyre organiske materialer og komplekse produksjonsprosesser, noe som gjør dem dyrere enn tradisjonelle teknologier som LCD.

Et annet problem som oppstår under produksjonsprosessen er avkastning, da en liten feil kan føre til et betydelig antall ikke‑funksjonelle OLED‑skjermer. Avhengigheten av spesifikke organiske materialer skaper også et forsyningskjedeproblem.

Deretter er saken med begrenset levetid for OLED‑skjermer i tillegg til energieffektivitet, som er avgjørende for å minimere strømforbruket og forbedre batterilevetiden i bærbare enheter.

En annen begrensende faktor er manglende evne til å stabilisere effektive blå emittere. OLED‑teknologi møter også konkurranse fra andre skjermteknologier, som LCD (væskekristallskjerm), som fortsatt dominerer markedet, og micro‑LED, som, selv om den er i de tidlige kommersialiseringsstadiene, tilbyr potensielt lengre levetid.

I tillegg må tekniske begrensninger, som muligheten for innbrenning av bilde og ensartethet over store skjermer, overvinnes gjennom forbedringer i skjermmaterialer, arkitekturer og produksjonsprosesser.

Forskere jobber aktivt med å løse disse begrensningene, og en nylig fremgang viser det enorme potensialet for å forbedre effektiviteten til OLED‑skjermer på TV‑er og smarttelefoner.

Fremme OLED‑effektivitet med kirale halvledere

Forskere fra University of Cambridge og Eindhoven University of Technology har utviklet et organisk halvleder som avgir sirkulært polariseret lys ved å få elektroner til å bevege seg i et spiralmønster. 

Dette er oppnådd ved å løse en flere tiår gammel utfordring innen organisk halvlederteknologi, som ikke bare kan øke OLED‑skjermens effektivitet, men også bane vei for neste generasjons teknologier som spintronikk og kvantedatabehandling.

Forskningen publisert i Journal Science¹ bemerket den betydelige interessen for å introdusere kiralitet i halvledermaterialer for å oppnå sterk sirkulært polariseret luminescens (CPL), som er lav i eksisterende OLED‑er.

De nåværende effektive OLED‑systemene bruker lys‑emitterende molekyler som er romlig isolert i en vert, noe som gir svak CPL. 

Selv om forsøk har blitt gjort for å oppnå høy CPL, har de ikke vært kompatible med optimaliserte OLED‑enhetsarkitekturer. Imidlertid har de siste forskerne lykkes med å lage et organisk halvleder som får elektroner til å bevege seg i et spiralmønster.

Dette skyldes en ny metode for å lage tynne, uniforme filmer med kirale supramolekylære nanostrukturer basert på triazatruxen‑molekyler. Denne metoden er helt egnet for OLED‑fremstilling og viser høy grønn CPL. 

«Dette er et reelt gjennombrudd i å lage et kiralt halvleder. Ved nøye å designe molekylstrukturen har vi koblet kiraliteten i strukturen til bevegelsen til elektronene, og det har aldri blitt gjort på dette nivået før.»

– Professor Bert Meijer fra Eindhoven University of Technology. 

Det utviklede kirale halvlederen avgir sirkulært polariseret lys, noe som betyr at lyset bærer informasjon om ‘håndheten’ til elektronene. 

Saken er at de fleste uorganiske halvlederes indre struktur er symmetrisk, så elektroner beveger seg uten noen foretrukket retning. 

I naturen har molekyler vanligvis en kiral struktur, enten venstre‑ eller høyrehendt. Kirale molekyler (som DNA) er speilbilder av hverandre, og kiralitet spiller en nøkkelrolle i biologiske prosesser. Det er imidlertid vanskelig å utnytte og kontrollere dette i elektronikk.

Så, for å lage et kiralt halvleder, hentet forskerne inspirasjon fra naturen. De påvirket stabler av halvledermolekyler til å danne ordnede høyre‑ eller venstrehendte spiralkolonner. 

Disse kirale halvlederne viser lovende potensial i skjermteknologi, hvor nåværende produkter ofte sløser mye energi på grunn av hvordan lys filtreres av skjermene. Det nyutviklede kirale halvlederen avgir naturlig lys på en måte som kan redusere disse tapene, og dermed gjør skjermene lysere og mer energieffektive.

«Da jeg begynte å jobbe med organiske halvledere, tvilte mange på deres potensial, men nå dominerer de skjermteknologien. I motsetning til stive uorganiske halvledere, tilbyr molekylære materialer utrolig fleksibilitet — som gjør at vi kan designe helt nye strukturer, som kirale LED‑er. Det er som å jobbe med et Lego‑sett med alle mulige former du kan forestille deg, i stedet for bare rektangulære klosser.»

Materialet som brukes som grunnlag for halvlederen er triazatruxen (TAT), som selvorganiserer seg til en helikal (spiral) stabel med en avstand på seks molekyler. Dette gjør at elektroner kan vikles langs strukturen, noe som bidrar til den observerte CPL.

Når den eksponeres for UV‑lys, «sender den selv‑samlede TAT ut sterkt grønt lys med sterk sirkulær polarisation». Medforfatter Marco Preuss fra Eindhoven University of Technology bemerket at denne effekten har vært svært vanskelig å oppnå i halvledere — inntil nå. 

«Strukturen til TAT gjør at elektroner kan bevege seg effektivt samtidig som den påvirker hvordan lys blir utsendt.»

– Preuss

Endring av OLED‑fremstillingsmetoder gjorde det mulig for forskerne å bruke TAT i sirkulært polariserte OLED‑er (CP‑OLED‑er), som viste bemerkelsesverdig lysstyrke, effektivitet og polariseringsnivåer.

Studien viste at OLED‑ene hadde ekstern kvanteeffektivitet på opptil 16 % og elektroluminescens‑dissymmetrier på mindre enn eller lik 10 %. Ifølge med‑første forfatter Rituparno Chowdhury fra Cavendish Laboratory ved Cambridge:

«Vi har i hovedsak omarbeidet standardoppskriften for å lage OLED‑er, slik vi gjør i smarttelefonene våre, noe som gjør at vi kan fange en kiral struktur i en stabil, ikke‑kristallisert matrise. Dette gir en praktisk måte å lage sirkulært polariserte LED‑er på, noe som lenge har vært utilgjengelig for feltet.»

I tillegg til skjermer har den siste utviklingen også implikasjoner for kvantedatabehandling samt spintronikk, hvor den iboende vinkelmomentet (eller spinnen) til elektroner brukes til å lagre og behandle informasjon for raskere og sikrere datasystemer.

Når det gjelder praktisk adopsjon, kan dette gjennombruddet begynne å se kommersielle anvendelser i skjermteknologi innen de neste 3 til 5 år, mens anvendelser i spintronikk og kvantedatabehandling kan utvikles i løpet av det neste tiåret.

Innovativt selskap

Universal Display Corporation (OLED )

Universal Display Corporation (UDC) er en ledende aktør innen utvikling og kommersialisering av OLED‑teknologier for bruk i flate panel‑skjermer, belysning og organisk elektronikk. Selskapet er også en viktig leverandør av organiske materialer og teknologier for OLED‑skjermer og belysning. 

Grunnlagt for omtrent tre tiår siden, har UDC som mål å skape neste generasjons skjermer. Selskapets proprietære teknologi og materialer brukes i kommersielle OLED‑produkter over hele verden, inkludert smarttelefoner, smartklokker, nettbrett, TV‑er og mer. De mest fremtredende eksemplene er LGs OLED‑TV‑er og Samsungs Galaxy‑serie. UDC kan skryte av mer enn 6 000 utstedte og pågående patenter globalt.

Selskapet spesialiserer seg på forskning, utvikling og kommersialisering av fosforescerende OLED‑ (PHOLED) materialer, som gir høyere effektivitet og forbedret ytelse. 

Med en markedsverdi på 7,425 milliarder dollar, handles USD‑aksjene til $156,41 på tidspunktet for skrivingen, opp 6,98 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er 4,65, og P/E‑forholdet (TTM) er 33,64, mens utbytteavkastningen er 1,15 %.

For en måned siden kunngjorde Universal Display Corporation sine finansielle resultater, som viste en omsetning på $162.3 millioner i Q4 2024, opp fra $158.3 millioner i samme kvartal i 2023.

Inntekter fra materialesalg økte til $93.3 millioner i denne perioden på grunn av økt etterspørsel etter selskapets emitter‑materialer. Royalty‑ og lisensavgifter bidro med $64.4 millioner til inntektene, som reduserte på grunn av en nedgang i kumulative oppjusteringsjusteringer.

I Q4 var selskapets kostnad for materialesalg $34.2 millioner på grunn av høyere enhetsvolum, og den totale bruttofortjenesten var 77 %. Driftsinntekten var $52.5 millioner, og nettoinntekten var $46.0 millioner eller $0.96 per utvannet aksje.

For hele året rapporterte selskapet en total omsetning på $647.7 millioner, en økning på 12.36 % fra året før. Dette inkluderte $365.4 millioner fra materialesalg, som kostet $137 millioner, og $266.8 millioner fra royalty‑ og lisensavgifter.

Driftsinntekten var $238.8 millioner, mens nettoinntekten var $222.1 millioner eller $4.65 per utvannet aksje i 2024 sammenlignet med $203 millioner eller $4.24 per utvannet aksje i 2023.

UDC rapporterte også $8.9 millioner i restruktureringskostnader knyttet til planlagt nedleggelse av sin OVJP‑lokasjon i California.

Når han snakket om det “rekordbrytende året med solid finansiell ytelse,” bemerket Brian Millard, visepresident og finansdirektør i UDC, veksten og fremskrittene som er sett i OLED‑industrien. 

Selskaper utvider sine produktveikart, og ledende panelprodusenter investerer i nye fabrikker for å møte den økende etterspørselen, spesielt i de fremvoksende IT‑ og bilmarkedene, uttalte Millard, og la til:

“Vi tror denne nye CAPEX‑syklusen vil bane vei for meningsfull ny OLED‑kapasitet, nye OLED‑produkter og nye OLED‑adoptører.”

For dette året forventer UDC en omsetning mellom $640 millioner og $700 millioner, og bemerker at “OLED‑industrien fortsatt er på et stadium hvor mange variabler kan ha en vesentlig innvirkning på resultatene.”

Selskapet kunngjorde også et kontantutbytte på $0.45 per aksje for første kvartal 2025, som utbetales 31. mars 2025 til alle aksjonærer.

“Som pioner og leder i økosystemet er vi godt posisjonert til å fortsette å støtte våre kunder og muliggjøre industrien med vår stadig bredere portefølje av energieffektive, høy‑ytende fosforescerende materialer og OLED‑teknologier.”

– CFO Millard

Latest on Universal Display Corporation

Konklusjon

Utviklingen av lysdioder har betydelig forbedret skjerm‑ og belysningsteknologi. I denne fremgangen har OLED‑teknologien gitt oss fordeler som bedre bildekvalitet, tynnere og lettere design, fleksibilitet og innovasjon. 

Selv om OLED‑teknologien har gjort store fremskritt siden de tidlige dagene, står den overfor utfordringer knyttet til effektivitet og kostnad. Derfor markerer de nylige fremskrittene innen kirale halvledere et avgjørende øyeblikk i dens utvikling.

Evnen til å kontrollere elektronbevegelse og avgi sirkulært polariseret lys med høy effektivitet kan i betydelig grad transformere skjermteknologi. Det vil også åpne dører til nye muligheter innen kvantedatabehandling og spintronikk. 

Med kommersielle anvendelser av denne innovasjonen i horisonten, kan denne forskningen redefinere hvordan elektronikk fungerer og føre til mer energieffektive, høy‑ytende elektroniske enheter i nær fremtid.