Twisted Light Emission: Enhancing Future Electronics Efficiency

Glödlampor uppfanns för att ge konsekvent belysning och göra den tillgänglig för allmänheten. Kontinuerlig forskning och experiment för att göra dem mer kostnadseffektiva ledde till utvecklingen av lysdioder, eller lysdioder.

LED-tekniken uppfanns för över ett halvt decennium sedan av forskaren Nick Holonyak Jr. när han arbetade på General Electric, som kallade den "den magiska".

När lysdioder fortsätter att bli bättre med tiden blir de ljusare, mer kostnadseffektiva och mer tillförlitliga, vilket leder till att de används i trafikljus och ersätter glödlampor.

Idag är de traditionella "gula" glödlamporna begränsade till specifika applikationer, medan lysdioder leder i allmänbelysningsapplikationer tack vare deras överlägsna energieffektivitet, längre livslängd och mångsidighet.

Naturligtvis slutar innovation aldrig. Faktum är att uppfinningen av lysdioder banade väg för OLED:er - organiska lysdioder, även kända som organiska elektroluminescerande dioder.

Detta var resultatet av att forskare undersökte möjligheten att använda organiska föreningar istället för oorganiska material för att uppnå samma effekt som lysdioder, som genererar ljus genom att passera elektricitet genom ett halvledarmaterial. 

Den första OLED-enheten byggdes 1987 av forskarna Steven Van Slyke och Ching Tang vid Eastman Kodak Company.

Medan både LED och OLED använder elektricitet för att producera ljus, avger OLED ljus med hjälp av organiska material. Dessa organiska lysdioder använder kolbaserade material, vilket gör att de kan erbjuda tunnare skärmar, bättre färgåtergivning och snabbare svarstider än traditionella lysdioder.

Som ett resultat har OLED-teknik hittat sin väg in i smartphones, TV-apparater och andra avancerade elektroniska enheter. Men även om OLED-tekniken utvecklas snabbt, har den ännu inte blivit allmänt antagen.

En titt på OLED-teknik

Låt oss nu ta en bättre titt på OLED. Organiska lysdioder, till skillnad från lysdioder, är ljuskällor med diffusa områden eftersom de är gjorda i ark. Däremot är lysdioder koncentrerade ljuskällor med små punkter.

OLED-skärmars diffusa ljus gör att de kan användas mycket nära arbetsytan och skapar inte bländning för användaren. Det betyder att man kan få önskad ljusstyrka med mindre ljus, vilket gör dem mycket effektiva.

OLED-skärmarnas flexibilitet gör det möjligt att tillverka dem i nästan vilken form som helst, vilket utökar designmöjligheterna och möjliggör en ny ljusupplevelse.

När det kommer till OLED:s struktur innehåller denna solid state-enhet en serie tunna, kolbaserade halvledarskikt mellan två ledande elektroder, en anod och en katod. 

Enheten avger ljus när intilliggande elektroder applicerar en elektrisk ström. För att ljus ska komma ut från enheten måste minst en av elektroderna vara genomskinlig.

Genom att kontrollera mängden elektrisk ström som appliceras kan intensiteten på det emitterade ljuset justeras. 

När det gäller ljusets färg bestäms den av typen av emitterande material som används. Till exempel skapas vitt ljus genom att använda röda, gröna och blå sändare som kan arrangeras i flera konfigurationer.

Andra typer av OLED:er inkluderar vita, transparenta, aktiv matris, passiv matris, vikbara och toppemitterande OLED.

Idag är OLED den dominerande skärmtekniken för smartphones. Detta beror på att OLED-skärmar inte bara är tunna och effektiva utan också transparenta, flexibla och vikbara samtidigt som de erbjuder den bästa bildkvaliteten. Breda betraktningsvinklar och ett högt kontrastförhållande är andra fördelar med OLED-teknik jämfört med traditionell skärmteknik.

Klicka här för att lära dig hur OLED revolutionerar nattsynskameror.

Den växande adoptionen av OLED Tech

Den globala OLED-marknaden har vuxit avsevärt under de senaste många åren och kommer att fortsätta växa under de kommande åren.

Marknaden är faktiskt beräknas växa med en CAGR på 13.20% mellan 2022 och 2029 och nådde en storlek på 104.4 miljarder dollar.

Den största drivkraften bakom denna tillväxt är den ökande efterfrågan inom hemelektroniksektorn. Dessutom erbjuder den växande marknaden för bärbara enheter och integrationen av OLED-skärmar i AR- och VR-enheter nya tillväxtmöjligheter.

Sedan finns det framväxten av flexibla och vikbara OLED-skärmar, vilket är en spännande ny trend som lovar bekvämligheten med en större skärm i kompakt form. Dessa displayer möjliggör innovativa produktdesigner och applikationer för unika upplevelser.

OLED-skärmar hittar också allt fler tillämpningar i infotainmentsystem, instrumentbrädor och underhållningssystem i baksätet. Den ökande efterfrågan på elbilar och integrationen av avancerade förarassistanssystem (ADAS) förväntas bidra till deras tillväxt inom fordonssektorn.

Förutom skärmar har OLED-teknik också potential inom belysningsindustrin, och erbjuder utmärkt färgåtergivning, enhetlig belysning och möjligheten att skapa unika ljusdesigner. Det ökande fokuset på energieffektiva belysningslösningar, i kombination med utvecklingen av större OLED-paneler, ger tillväxtmöjligheter inom kommersiell belysning, arkitektonisk belysning och dekorativ belysning.

Ytterligare en faktor som driver OLED-marknadens tillväxt är kontinuerliga tekniska framsteg, som inkluderar effektivare material, inkapslingsmetoder och tillverkningsprocesser som ger förbättrad prestanda, kostnadsreduktion och längre livslängd.

Men trots betydande prestandaframsteg och blivit allmänt använda i smartphone-skärmar, står OLED fortfarande inför många utmaningar. 

Kostnaden är en av de största utmaningarna på OLED-marknaden. Den höga produktionskostnaden beror på att OLED-skärmar kräver dyra organiska material och komplexa tillverkningsprocesser, vilket gör dem dyrare än traditionella tekniker som LCD. 

Ett annat problem som uppstår under produktionsprocessen är utbyte, eftersom bara en liten defekt kan resultera i ett betydande antal icke-funktionella OLED-skärmar. Dessutom skapar beroendet av specifika organiska material ett problem med leveranskedjan.

Sedan är det frågan om begränsad livslängd med OLED-skärmar förutom energieffektivitet, vilket är avgörande för att minimera strömförbrukningen och förbättra batteritiden i bärbara enheter.

En annan begränsande faktor är oförmågan att stabilisera effektiva blåa sändare. OLED-tekniken möter också konkurrens från andra bildskärmstekniker, som LCD (liquid crystal display), som fortfarande dominerar marknaden, och mikro-LED, som, även om den är i de tidiga stadierna av kommersialisering, ger potentiellt längre livslängder. 

Dessutom måste tekniska begränsningar, såsom potentialen för bildbränning och enhetlighet över stora skärmar, också övervinnas genom förbättringar av visningsmaterial, arkitekturer och tillverkningsprocesser.

Forskare tar aktivt upp dessa begränsningar, med ett särskilt framsteg på senare tid som visar den enorma potentialen för att förbättra effektiviteten hos OLED-skärmar på tv-apparater och smartphones.

Förbättra OLED-effektiviteten med kirala halvledare

Forskare från University of Cambridge och Eindhoven University of Technology har utvecklat en organisk halvledare som avger cirkulärt polariserat ljus genom att få elektroner att röra sig i ett spiralmönster. 

Detta har uppnåtts genom att föra fram en decennier gammal utmaning inom området organiska halvledare, som inte bara kan förbättra OLED-skärmens effektivitet utan också bana väg för nästa generations teknologier som spintronik och kvantberäkning.

Forskningen publicerad i Journal Science¹ noterade det betydande intresset för att introducera kiralitet i halvledarmaterial för att uppnå stark cirkulärt polariserad luminescens (CPL), som är låg i befintliga OLED.

De nuvarande effektiva OLED-systemen använder ljusemitterande molekyler som är rymdisolerade i en värd, vilket producerar svag CPL. 

Även om försök har gjorts för att uppnå hög CPL, har de inte varit kompatibla med optimerade OLED-enhetsarkitekturer. De senaste forskarna har dock framgångsrikt skapat en organisk halvledare som får elektroner att röra sig i ett spiralmönster.

Detta har varit tack vare ett nytt sätt att skapa tunna, enhetliga filmer med kirala supramolekylära nanostrukturer baserade på triazatruxenmolekyler. Denna metod är absolut lämplig för OLED-tillverkning och uppvisar hög grön CPL. 

"Detta är ett verkligt genombrott för att göra en kiral halvledare. Genom att noggrant designa molekylstrukturen har vi kopplat strukturens kiralitet till elektronernas rörelse, och det har aldrig gjorts på den här nivån tidigare."

– Professor Bert Meijer från Eindhovens tekniska universitet. 

Den utvecklade kirala halvledaren avger cirkulärt polariserat ljus, vilket innebär att ljuset bär information om elektronernas "handedness". 

Saken är den att de flesta oorganiska halvledares inre struktur är symmetrisk, så elektroner rör sig i ingen föredragen riktning. 

I naturen har molekyler vanligtvis en kiral, antingen vänster- eller högerhänt struktur. Kirala molekyler (som DNA) är spegelbilder av varandra, och kiralitet spelar en nyckelroll i biologiska processer. Det är dock svårt att utnyttja och styra elektronik.

Så för att skapa en kiral halvledare tog forskare inspiration från naturen. De knuffade till högar av halvledande molekyler för att bilda ordnade högerhänta eller vänsterhänta spiralkolonner. 

Dessa kirala halvledare visar löfte inom displayteknik, där nuvarande produkter tenderar att slösa mycket energi på grund av hur ljuset filtreras av skärmar. Den nyutvecklade kirala halvledaren me, under tiden, avger naturligt ljus på ett sätt som kan minska dessa förluster, vilket i sin tur gör skärmar ljusare och mer energieffektiva.

Enligt professor Sir Richard Friend från Cambridges Cavendish Laboratory, som var med och ledde forskningen:

"När jag började arbeta med organiska halvledare var det många som tvivlade på deras potential, men nu dominerar de bildskärmsteknik. Till skillnad från stela oorganiska halvledare erbjuder molekylära material otrolig flexibilitet - vilket gör att vi kan designa helt nya strukturer, som kirala lysdioder. Det är som att arbeta med ett Lego-set med alla slags former du kan tänka dig, rektangulära tegelstenar."

Materialet som används som grund för halvledaren är triazatruxen (TAT), som sätter ihop sig till en spiralformad stapel med en delning på sex molekyler. Detta gör att elektroner kan slingra sig längs dess struktur, vilket hjälper till att erhålla den observerade CPL. 

När den utsätts för UV-ljus, avger den självmonterade TAT "ljusgrönt ljus med stark cirkulär polarisation." Medförfattare Marco Preuss från Eindhoven University of Technology noterade att denna effekt har varit ganska svår att uppnå i halvledare - det vill säga fram till nu. 

"Strukturen av TAT tillåter elektroner att röra sig effektivt samtidigt som de påverkar hur ljus emitteras."

– Preuss

Ändring av OLED-tillverkningsmetoder gjorde det möjligt för forskarna att framgångsrikt använda TAT i cirkulärt polariserade OLEDs (CP-OLEDs), som visade anmärkningsvärda ljusstyrka, effektivitet och polarisationsnivåer.

Studien visade att OLED:erna visade externa kvantverkningsgrader på så mycket som 16 % och elektroluminescensdissymmetrier mindre än eller motsvarande 10 %. Enligt den första författaren Rituparno Chowdhury från Cambridges Cavendish Laboratory:

"Vi har i stort sett omarbetat standardreceptet för att göra OLEDs som vi har i våra smartphones, vilket gör att vi kan fånga en kiral struktur i en stabil, icke-kristalliserande matris. Detta ger ett praktiskt sätt att skapa cirkulärt polariserade lysdioder, något som länge har gäckat området."

Förutom skärmar har den senaste utvecklingen även implikationer för kvantberäkning såväl som spintronik, där elektronernas inneboende vinkelmomentum (eller spinn) används för att lagra och bearbeta information för snabbare och säkrare datorsystem.

När det gäller den verkliga adoptionen, kan detta genombrott börja se dess kommersiella tillämpningar inom bildskärmsteknik inom de närmaste 3 till 5 åren, medan tillämpningar inom spintronik och kvantdatorer kan utvecklas under det kommande decenniet.

Innovativt företag

Universal Display Corporation (OLED )

Universal Display Corporation (UDC) är ledande inom utveckling och kommersialisering av OLED-teknik för användning i platta skärmar, belysning och organisk elektronik. Det är också en nyckelleverantör av organiska material och teknologier för OLED-skärmar och belysning. 

UDC grundades för ungefär tre decennier sedan och strävar efter att skapa nästa generations skärmar. Företagets egenutvecklade teknik och material används i kommersiella OLED-produkter över hela världen, inklusive smartphones, smartklockor, surfplattor, TV-apparater med mera. De mest framträdande exemplen är LG:s OLED-TV-apparater och Samsungs Galaxy-serie. UDC har fler än 6,000 XNUMX utfärdade och pågående patent över hela världen.

Företaget är specialiserat på forskning, utveckling och kommersialisering av fosforescerande OLED (PHOLED) material, som erbjuder högre effektivitet och förbättrad prestanda. 

Med ett börsvärde på 7.425 miljarder USD handlas USD-aktier till 156.41 USD när detta skrivs, en ökning med 6.98 % YTD. Dess EPS (TTM) är 4.65, och P/E (TTM)-kvoten är 33.64, medan direktavkastningen är 1.15%.

För en månad sedan, Universal Display Corporation meddelade dess finansiella resultat, som visade 162.3 miljoner USD i intäkter under fjärde kvartalet 4, upp från 2024 miljoner USD samma kvartal 158.3.

Intäkterna från materialförsäljning ökade till 93.3 miljoner dollar under denna period på grund av ökad efterfrågan på företagets emittermaterial. Royalty- och licensavgifter bidrog med 64.4 miljoner dollar till intäkterna, vilket minskade på grund av en minskning av ackumulerade catch-up-justeringar.

Under fjärde kvartalet var företagets kostnad för materialförsäljning 4 miljoner USD på grund av högre enhetsmaterialvolym, och den totala bruttomarginalen var 34.2 %. Rörelseresultatet var 77 miljoner USD och nettoresultatet var 52.5 miljoner USD eller 46.0 USD per aktie efter utspädning.

För helåret redovisade företaget en total omsättning på 647.7 miljoner dollar, en ökning med 12.36% från föregående år. Detta inkluderade $365.4 miljoner från materialförsäljning, som kostade $137 miljoner, och $266.8 miljoner från royalty och licensavgifter.

Rörelseresultatet var 238.8 miljoner USD, medan nettoresultatet var 222.1 miljoner USD eller 4.65 USD per aktie 2024 jämfört med 203 MUSD eller 4.24 USD per utspädd aktie 2023.

UDC rapporterade också 8.9 miljoner USD i omstruktureringskostnader relaterade till den planerade nedläggningen av dess OVJP California-plats.

Brian Millard, vicepresident och finanschef på UDC, pratade om "rekordåret med solid ekonomisk prestation", noterade tillväxten och framstegen i OLED-branschen. 

Företag utökar sina produktplaner, och ledande paneltillverkare investerar i nya fabrikat för att möta den ökande efterfrågan, särskilt på de framväxande IT- och fordonsmarknaderna, sade Millard och tillade:

"Vi tror att den här nya investeringscykeln kommer att bana väg för meningsfull ny OLED-kapacitet, nya OLED-produkter och nya OLED-användare."

För i år förväntar sig UDC att dess intäkter kommer att vara mellan $640 miljoner och $700 miljoner, och noterar att "OLED-industrin förblir i ett skede där många variabler kan ha en väsentlig inverkan på resultaten."

Bolaget tillkännagav också en kontantutdelning på 0.45 USD per aktie för första kvartalet 2025, utbetald den 31 mars 2025, till alla aktieägare.

"Som en pionjär och ledare inom ekosystemet är vi väl positionerade för att fortsätta stödja våra kunder och möjliggöra för branschen med vår bredda portfölj av energieffektiva, högpresterande fosforescerande material och OLED-teknik."

– CFO Millard

Senaste på Universal Display Corporation

Slutsats

Utvecklingen inom ljusemitterande dioder har avsevärt förbättrat display- och ljustekniken. I detta framsteg har OLED-teknik gett oss fördelarna med bättre bildkvalitet, tunnare och lättare design, flexibilitet och innovation. 

Även om OLED-tekniken har avancerat avsevärt sedan dess tidiga dagar, står den inför utmaningar när det gäller effektivitet och kostnad. Som sådan markerar de senaste framstegen inom kirala halvledare ett avgörande ögonblick i dess utveckling.

Möjligheten att kontrollera elektronrörelser och sända ut cirkulärt polariserat ljus med hög effektivitet kan avsevärt förändra bildskärmstekniken. Det skulle också öppna dörrar till nya möjligheter inom kvantberäkning och spintronik. 

Med kommersiella tillämpningar av denna innovation vid horisonten kan denna forskning omdefiniera hur elektronik fungerar och leda till mer energieffektiva, högpresterande elektroniska enheter inom en snar framtid.