Fremtiden for lysemisjon: Forbedring av fremtidens elektronikk-effektivitet

Lyspærer ble oppfunnet for å gi jevnt lys og gjøre det tilgjengelig for allmennheten. Kontinuerlig forskning og eksperimenter for å gjøre dem mer kostnadseffektive ledet til utviklingen av lys-emitterende dioder, eller LED-er.

LED-teknologien ble oppfunnet over en halv decade siden av forskeren Nick Holonyak Jr. mens han arbeidet ved General Electric, som refererte til det som “den magiske en”.

Ettersom LED-er blir bedre over tid, blir de lysere, mer kostnadseffektive og mer pålitelige, noe som har ført til deres omfattende bruk i trafikkllys, og erstatter glødelamper.

I dag er de tradisjonelle “gule” pærene begrenset til bestemte anvendelser, mens LED-er leder i generell belysning takket være deres overlegne energieffektivitet, lengre levetid og fleksibilitet.

Selvfølgelig stopper innovasjonen aldri. Faktisk åpnet oppfinnelsen av LED-er veien for OLED-er – organiske lys-emitterende dioder, også kjent som organiske elektroluminescensdioder.

Dette var resultatet av at forskerne utforsket muligheten for å bruke organiske forbindelser i stedet for uorganiske materialer for å oppnå samme effekt som LED-er, som produserer lys ved å sende elektrisitet gjennom et halvledermateriale.

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

Mens både LED-er og OLED-er bruker elektrisitet for å produsere lys, emitterer OLED-er lys ved hjelp av organiske materialer. Disse organiske LED-er bruker karbonbaserte materialer, noe som gjør det mulig for dem å tilby tynnere skjermer, bedre fargegjengivelse og raskere responstider enn tradisjonelle LED-er.

Som et resultat har OLED-teknologien funnet sin vei inn i smarttelefoner, TV-er og andre høykvalitets elektroniske enheter. Imidlertid, mens OLED-teknologien utvikles raskt, har den ennå ikke oppnådd omfattende aksept.

En titt på OLED-teknologi

Nå, la oss ta en nærmere titt på OLED-er. Organiske lys-emitterende dioder, i motsetning til LED-er, er diffuse lyskilder fordi de produseres i ark. I motsetning til LED-er er konsentrerte, små punktlys.

OLED-ers diffuse lys gjør det mulig å bruke dem meget nære overflaten og skaper ikke glør for brukeren. Dette betyr at en kan få ønsket lysstyrke med mindre lys, noe som gjør det svært effektivt.

OLED-ers fleksibilitet muliggjør også at de kan produseres i nesten enhver form, noe som utvider designmulighetene og tillater en ny lysopplevelse.

Når det gjelder OLED-ers struktur, består denne faste enheten av en rekke tynne, karbonbaserte halvledelag mellom to ledende elektroder, en anode og en katode.

Enheten emitterer lys når nærliggende elektroder påfører en elektrisk strøm. For at lyset skal kunne slippe ut fra enheten, må minst en av elektrodene være gjennomsiktig.

Ved å kontrollere mengden elektrisk strøm som påføres, kan intensiteten av det emitterte lyset justeres.

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

Andre typer OLED-er inkluderer hvite, gjennomsiktige, aktive-matrix, passive-matrix, brettbare og topp-emitterende OLED-er.

I dag er OLED-er den dominerende teknologien for smarttelefonskjermer. Dette skyldes at OLED-skjermer ikke bare er tynne og effektive, men også gjennomsiktige, fleksible og brettbare, samtidig som de tilbyr beste bildekvalitet. Vide vinkler og høy kontrastforhold er andre fordeler med OLED-teknologien sammenlignet med tradisjonelle skjermeteknologier.

Klikk her for å lære hvordan OLED-er revolusjonerer nattsynskameraer.

Veksten av OLED-teknologi

Den globale OLED-markedet har vokst betraktelig over de siste årene og vil fortsette å vokse i årene som kommer.

Markedet vokser faktisk med en årlig vekstrate på 13,20% mellom 2022 og 2029, og vil nå et marked på 104,4 milliarder dollar.

Hoveddrivkraften bak denne veksten er den økende etterspørselen i forbruker-elektronikksektoren. I tillegg presenterer den voksende markedet for bærbare enheter og integreringen av OLED-skjermer i AR- og VR-enhetene nye vekstmuligheter.

Så er det fremveksten av fleksible og brettbare OLED-skjermer, som er en spennende ny trend, som lover bekvemmeligheten av en større skjerm i en kompakt form. Disse skjermene muliggjør innovative produkt-design og anvendelser for unike opplevelser.

OLED-skjermer finner også økende anvendelser i underholdningssystemer, dashboards og bakseter-underholdningssystemer. Den økende etterspørselen etter elbiler og integreringen av avanserte førerhjelpssystemer (ADAS) forventes å bidra til deres vekst i bilsektoren.

Foruten skjermer har OLED-teknologien også potensiale i lysindustrien, og tilbyr utmerket fargegjengivelse, jevn belysning og mulighet til å skape unike lysdesign. Den økende fokuset på energieffektive lysløsninger, kombinert med utviklingen av større OLED-paneler, presenterer vekstmuligheter i kommersiell belysning, arkitektur-belysning og dekorativ belysning.

En annen faktor som driver OLED-markedets vekst er kontinuerlige teknologiske fremgang, 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 smarttelefonskjermer, møter OLED-er fortsatt mange utfordringer.

Kostnaden er en av de største utfordringene i OLED-markedet. Den høye produksjonskostnaden skyldes det faktum at OLED-skjermer krever dyre organiske materialer og komplekse produksjonsprosesser, noe som gjør dem dyrere enn tradisjonelle teknologier som LCD.

En annen problem som oppstår under produksjonsprosessen er utbytte, da bare en liten defekt kan resultere i et betydelig antall ikke-funksjonelle OLED-skjermer. I tillegg skaper avhengigheten av bestemte organiske materialer en forsyningskjede-problem.

Så er det spørsmålet om begrenset levetid med OLED-skjermer i tillegg til energieffektivitet, som er avgjørende for å minimere strømforbruk og forbedre batterilevetid i bærbare enheter.

En annen begrensning er evnen til å stabilisere effektive blå emissører. OLED-teknologien møter også konkurranse fra andre skjermeteknologier, som LCD (liquid crystal display), som fortsatt dominerer markedet, og micro-LED, som, selv om den er i de tidlige stadier av kommersialisering, tilbyr potensielt lengre levetid.

I tillegg må tekniske begrensninger, som potensialet for bildeforbrenning og ensartethet over store skjermer, overvindes gjennom forbedring av skjermematerialer, arkitektur og produksjonsprosesser.

Forskere arbeider aktivt med å løse disse begrensningene, og en spesiell nylig fremgang viser det enorme potensialet for å forbedre effektiviteten av OLED-skjermer på TV-er og smarttelefoner.

Fremskritt i OLED-effektivitet med chirale halvledere

Forskere fra University of Cambridge og Eindhoven University of Technology har utviklet en organisk halvleder som emitterer sirkulært polarisert lys ved å indusere elektroner til å bevege seg i en spiral mønster.

Dette er oppnådd ved å fremme en tiårig utfordring i feltet organisk halvledere, som ikke bare kan forbedre OLED-skjermens effektivitet, men også åpne veien for neste generasjons teknologier som spintronikk og kvantecomputing.

Forskningen publisert i Journal Science¹noterte det betydelige interessen for å innføre chirality i halvledermaterialer for å oppnå sterk sirkulært polarisert 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, som produserer svak CPL.

Mens forsøk er blitt gjort for å oppnå høy CPL, har de ikke vært kompatible med optimerte OLED-enhet-arkitekturer. Imidlertid har de siste forskerne suksessfullt skapt en organisk halvleder som induserer elektroner til å bevege seg i en spiral mønster.

Dette er takket være en ny måte å skape tynne, uniforme filmer med chirale supramolekylære nanostrukturer basert på triazatruxen-molekyler. Denne metoden er absolutt egnet for OLED-fabrikasjon og viser høy grønn CPL.

“Dette er et virkelig gjennombrudd i å lage en chiralt halvleder. Ved å designe molekylstrukturen nøye, har vi koblet chiralityen av strukturen til bevegelsen av elektronene, og det er aldri blitt gjort på dette nivået før.”

– Professor Bert Meijer fra Eindhoven University of Technology.

Den chirale halvlederen som er utviklet emitterer sirkulært polarisert lys, noe som betyr at lyset bærer informasjon om “håndheten” til elektronene.

Det er faktisk at de fleste uorganiske halvledernes interne struktur er symmetrisk, så elektroner beveger seg i ingen foretrukket retning.

I naturen har molekyler vanligvis en chiralt, enten venstre- eller høyrehendt struktur. Chirale molekyler (som DNA) er speilbilder av hverandre, og chirality spiller en nøkkelrolle i biologiske prosesser. Imidlertid er det vanskelig å utnytte og kontrollere elektronikk.

Så for å skape en chiralt halvleder, tok forskerne inspirasjon fra naturen. De skjøv stabler av halvledende molekyler til å danne ordnet høyrehendt eller venstrehendt spiral-søyler.

Disse chirale halvlederne viser løft i display-teknologi, hvor nåværende produkter tenderer å ødelegge mye energi på grunn av måten lyset filtreres av skjermene. Den nyutviklede chirale halvlederen, derimot, emitterer lys på en måte som kan redusere disse tapene, og gjør skjermene lysere og mer energieffektive.

Ifølge professor Sir Richard Friend fra Cambridge’s Cavendish Laboratory, som ledet forskningen:

“Da jeg begynte å arbeide med organisk halvledere, tvilte mange mennesker på deres potensiale, men nå dominerer de display-teknologien. I motsetning til stive uorganiske halvledere tilbyr molekylærmaterialer ufattelig fleksibilitet – noe som gjør det mulig å designe helt nye strukturer, som chirale LED-er. Det er som å arbeide med en Lego-sett med alle mulige former, i stedet for bare rektangulære murstein.”

Materialet som brukes som halvlederens grunnlag er triazatruxen (TAT), som samler seg selv i en heliks (spiral) stab med en pitch på seks molekyler. Dette tillater elektroner å spole langs dens struktur, og hjelper med å oppnå det observerte CPL.

Når den er utsatt for UV-lys, emitterer den selv-samlede TAT “lyst grønt lys med sterk sirkulært polarisert”. Medforfatter Marco Preuss fra Eindhoven University of Technology noterte at denne effekten har vært ganske vanskelig å oppnå i halvledere – det vil si, inntil nå.

“Strukturen til TAT tillater elektroner å bevege seg effektivt samtidig som den påvirker hvordan lys emitteres.”

– Preuss

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

Studien viste at OLED-ene viste eksterne kvantum-effektiviteter på opptil 16% og elektroluminescens-dissymmetrier mindre enn eller like 10%. Ifølge med-forfatter Rituparno Chowdhury fra Cambridge’s Cavendish Laboratory:

“Vi har i praksis omskrevet den standard oppskriften for å lage OLED-er som vi har i våre smarttelefoner, og tillatt oss å fange en chiralt struktur innenfor en stabil, ikke-krystalliserende matrise. Dette gir en praktisk måte å skape sirkulært polariserte LED-er, noe som lenge har vært et gap i feltet.”

Foruten skjermer har den siste utviklingen også implikasjoner for kvantecomputing samt spintronikk, hvor den innebygde angulære moment (eller spin) til elektroner brukes til å lagre og prosessere informasjon for raskere og mer sikre datamaskinsystemer.

Når det gjelder virkelige anvendelser, kan dette gjennombruddet begynne å se sine kommersielle anvendelser i display-teknologi innen de neste 3 til 5 årene, mens anvendelser i spintronikk og kvantecomputing kan utvikle seg over de neste ti årene.

Innovativt selskap

Universal Display Corporation (OLED )

Universal Display Corporation (UDC) er en leder i utviklingen og kommersialiseringen av OLED-teknologier for bruk i flat-panel skjermer, lys og organisk elektronikk. Det er også en nøkkel-tilfører av organiske materialer og teknologier for OLED-skjermer og lys.

Grundlagt for omtrent tre tiår siden, har UDC som mål å skape neste generasjons skjermer. Selskapets proprietære teknologi og materialer brukes i kommersielle OLED-produkter verden over, inkludert smarttelefoner, smartklokker, nettbrett, TV-er og mer. De mest prominente eksemplene er LG’s OLED-TV-er og Samsung’s Galaxy-serie. UDC har over 6 000 utstedte og ventende patenter verden over.

Selskapet spesialiserer seg i forskning, utvikling og kommersialisering av fosforescerende OLED (PHOLED)-materialer, som tilbyr høyere effektivitet og forbedret ytelse.

Med en markedskapital på 7,425 milliarder dollar, handler USD-aksjer for 156,41 dollar per aksje, opp 6,98% siden årsskiftet. Deres EPS (TTM) er 4,65, og P/E-forholdet (TTM) er 33,64, mens utbytteandelen er 1,15%.

For en måned siden kunngjorde Universal Display Corporation sine finansielle resultater, som avslørte 162,3 millioner dollar i omsetning i Q4 2024, opp fra 158,3 millioner dollar i samme kvartal i 2023.

Omsetningen fra materiale-salg økte til 93,3 millioner dollar under denne perioden på grunn av styrket etterspørsel etter selskapets emitter-materialer. Royalti- og lisens-gebyrer bidro med 64,4 millioner dollar til omsetningen, som sank på grunn av en reduksjon i kumulative oppfølgingsjusteringer.

I Q4 var selskapets kostnad for materiale-salg 34,2 millioner dollar på grunn av høyere enhetsmaterievolum, og den totale brutto-margen var 77%. Driftsinntekten var 52,5 millioner dollar, og netto-inntekten var 46,0 millioner dollar eller 0,96 dollar per dilutert aksje.

For hele året rapporterte selskapet en total omsetning på 647,7 millioner dollar, en økning på 12,36% fra året før. Dette inkluderte 365,4 millioner dollar fra materiale-salg, som kostet 137 millioner dollar, og 266,8 millioner dollar fra royalti- og lisens-gebyrer.

Driftsinntekten var 238,8 millioner dollar, mens netto-inntekten var 222,1 millioner dollar eller 4,65 dollar per dilutert aksje i 2024, sammenlignet med 203 millioner dollar eller 4,24 dollar per dilutert aksje i 2023.

UDC rapporterte også 8,9 millioner dollar i omstruktureringskostnader i forbindelse med den planlagte stengningen av deres OVJP California-lokasjon.

Snakkende om “et rekordår med solid finansiell ytelse”, sa Brian Millard, visepresident og finansdirektør i UDC, at selskapet hadde sett vekst og fremgang i hele OLED-industrien.

Selskaper utvider sine produktporteføljer, og ledende panel-produsenter investerer i nye fabrikker for å møte den økende etterspørselen, særlig i de nye IT- og bil-markedene, sa Millard, og la til:

“Vi tror at denne nye kapital-syklusen vil åpne veien for betydelig ny OLED-kapasitet, nye OLED-produkter og nye OLED-tiltakere.”

For dette året forventer UDC at deres omsetning vil være mellom 640 millioner dollar og 700 millioner dollar, og bemerker at “OLED-industrien fortsatt er i en fase hvor mange variable kan ha en betydelig innvirkning på resultater”.

Selskapet kunngjorde også en kontantutbytte på 0,45 dollar per aksje for første kvartal 2025, som skal betales ut den 31. mars 2025, til alle aksjeeiere.

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

– CFO Millard

Seneste om Universal Display Corporation

Konklusjon

Utviklingen i lys-emitterende dioder har betydelig forbedret display- og lys-teknologi. I denne utviklingen har OLED-teknologi bragt oss fordeler som bedre bildekvalitet, tynnere og lettere design, fleksibilitet og innovasjon.

Mens OLED-teknologien har utviklet seg betraktelig siden sine tidlige dager, møter den utfordringer i forhold til effektivitet og kostnad. Som sådan markerer de nyeste fremgangene i chirale halvledere et avgjørende øyeblikk i dens utvikling.

Evnen til å kontrollere elektron-bevegelse og emittere sirkulært polarisert lys med høy effektivitet kan betydelig omforme display-teknologi. Det vil også åpne dører til nye muligheter i kvantecomputing og spintronikk.

Med kommersielle anvendelser av denne innovasjonen på horisonten, kan denne forskningen omdefinere hvordan elektronikk fungerer og føre til mer energieffektive, høy-ytende elektroniske enheter i den nærmeste fremtid.