Vridande ljusemission: Förbättra framtida elektronikens effektivitet

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

LED-tekniken uppfanns för drygt ett halvt decennium sedan av forskaren Nick Holonyak Jr. medan han arbetade på General Electric, som kallade den för “det magiska”.

Allteftersom LED-lampor fortsätter att förbättras över tid blir de ljusare, mer kostnadseffektiva och mer pålitliga, vilket har lett till deras omfattande användning i trafikljus, där de ersätter glödlampor.

Idag är de traditionella “gula” lamporna begränsade till specifika tillämpningar, medan LED-lampor dominerar inom allmän belysning tack vare deras överlägsna energieffektivitet, längre livslängd och mångsidighet.

Självklart slutar innovationen aldrig. Faktum är att uppfinningen av LED-lampor banade vägen för OLED‑teknik — organiska ljusemitterande dioder, även kända som organiska elektroluminiscensdioder.

Detta var resultatet av att forskare utforskade möjligheten att använda organiska föreningar istället för oorganiska material för att uppnå samma effekt som LED-lampor, som genererar ljus genom att låta elektricitet passera genom ett halvledarmaterial.

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

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

Som ett resultat har OLED‑teknik gjort sitt intåg i smartphones, TV-apparater och andra högkvalitativa elektroniska enheter. Trots att OLED‑tekniken utvecklas snabbt har den ännu inte uppnått bred adoption.

En titt på OLED‑teknik

Låt oss nu titta närmare på OLED‑tekniken. Organiska ljusemitterande dioder, till skillnad från LED‑lampor, är diffusa ljuskällor eftersom de tillverkas i blad. I kontrast är LED‑lampor koncentrerade, små punktkällor av ljus.

OLED‑ernas diffusa ljus gör att de kan användas mycket nära arbetsytan utan att skapa bländning för användaren. Detta innebär att man kan uppnå önskad belysningsnivå med mindre ljus, vilket gör dem mycket effektiva.

OLED‑ernas flexibilitet möjliggör dessutom att de kan tillverkas i nästan vilken form som helst, vilket utökar designmöjligheterna och möjliggör en ny belysningsupplevelse.

När det gäller OLED‑ens struktur innehåller denna fast‑tillståndsenhet en serie tunna, kolbaserade halvledarlager mellan två ledande elektroder, en anod och en katod.

Enheten avger ljus när intilliggande elektroder applicerar en elektrisk ström. För att ljuset ska kunna lämna enheten måste minst en av elektroderna vara transparent.

Genom att kontrollera den applicerade elektriska strömmen kan ljusintensiteten justeras.

När det gäller ljusets färg bestäms den av vilken typ av emissivt material som används. Till exempel skapas vitt ljus genom att använda röda, gröna och blåa emitterare som kan arrangeras i flera konfigurationer.

Andra typer av OLED‑er inkluderar vita, transparenta, aktiv‑matrix, passiv‑matrix, vikbara och top‑emitterande OLED‑er.

Idag är OLED‑er den dominerande skärmtekniken i smartphones. Detta beror på att OLED‑skärmar inte bara är tunna och effektiva utan även transparenta, flexibla och vikbara samtidigt som de erbjuder den bästa bildkvaliteten. Breda betraktningsvinklar och hög kontrastförhållande är ytterligare fördelar med OLED‑teknik jämfört med traditionella skärmtekniker.

Klicka här för att lära dig hur OLED‑er revolutionerar nattvisionskameror.

Den växande adoptionen av OLED‑teknik

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

Marknaden förväntas faktiskt förväntas växa med en CAGR på 13,20 % mellan 2022 och 2029, nå en storlek på 104,4 miljarder dollar.

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

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

OLED‑skärmar hittar också ökande tillämpningar i infotainmentsystem, instrumentpaneler och underhållningssystem för baksäten. 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, med utmärkt färgåtergivning, jämn belysning och möjlighet att skapa unika belysningsdesigner. Det ökande fokuset på energieffektiva belysningslösningar, i kombination med utvecklingen av större OLED‑paneler, ger tillväxtmöjligheter inom kommersiell belysning, arkitektonisk belysning och dekorativa belysningsapplikationer.

Ytterligare en faktor som driver OLED‑marknadens tillväxt är kontinuerliga tekniska framsteg, som inkluderar mer effektiva material, inkapslingsmetoder och tillverkningsprocesser som ger förbättrad prestanda, kostnadsreducering och längre livslängd.

Trots betydande prestandaförbättringar och omfattande användning i smartphone‑skärmar står OLED‑er fortfarande inför många utmaningar.

Kostnad 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 avkastning, eftersom en liten defekt kan leda till ett betydande antal icke‑funktionella OLED‑skärmar. Dessutom skapar beroendet av specifika organiska material ett problem i leveranskedjan.

Sedan finns frågan om begränsad livslängd för OLED‑skärmar utöver energieffektiviteten, vilket är avgörande för att minimera energiförbrukning och förbättra batteritiden i bärbara enheter.

En annan begränsande faktor är oförmågan att stabilisera effektiva blåa emitterare. OLED‑teknik möter också konkurrens från andra skärmtekniker, som LCD (liquid crystal display), som fortfarande dominerar marknaden, och micro‑LED, som, även om den befinner sig i de tidiga kommersialiseringsstadierna, erbjuder potentiellt längre livslängd.

Dessutom måste tekniska begränsningar, såsom risken för inbränning av bild och ojämnhet över stora skärmar, övervinnas genom förbättringar av displaymaterial, arkitekturer och tillverkningsprocesser.

Forskare arbetar aktivt med att åtgärda dessa begränsningar, och en särskilt nylig framsteg 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 inducera elektroner att röra sig i ett spiralmönster.

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

publicerad i Journal Science noterade det betydande intresset för att införa kiralitet i halvledarmaterial för att uppnå stark cirkulär polariserad luminescens (CPL), vilket är låg i befintliga OLED‑er.

De nuvarande effektiva OLED‑systemen använder ljusemitterande molekyler som är rumsligt isolerade i en värd, vilket ger svag CPL.

Medan 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 inducerar elektroner att röra sig i ett spiralmönster.

Detta har möjliggjorts genom ett nytt sätt att skapa tunna, jämna filmer med kirala supramolekylära nanostrukturer baserade på triazatruxen‑molekyler. Denna metod är fullt lämplig för OLED‑tillverkning och uppvisar hög grön CPL.

“Detta är ett verkligt genombrott i att skapa en kiral halvledare. Genom att noggrant designa den molekylära strukturen har vi kopplat strukturell kiralitet till elektronernas rörelse, och det har aldrig gjorts på denna nivå tidigare.”

– Professor Bert Meijer från Eindhoven University of Technology.

Den utvecklade kirala halvledaren avger cirkulärt polariserat ljus, vilket betyder att ljuset bär information om ‘handedness’ hos elektronerna.

Problemet är att de flesta oorganiska halvledares interna struktur är symmetrisk, så elektronerna rör sig utan någon föredragen riktning.

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

För att skapa en kiral halvledare tog forskarna inspiration från naturen. De påverkade staplar av halvledande molekyler att bilda ordnade högerriktade eller vänsterriktade spiralkolonner.

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

“När jag började arbeta med organiska halvledare tvivlade många på deras potential, men nu dominerar de displaytekniken. Till skillnad från stela oorganiska halvledare erbjuder molekylära material otrolig flexibilitet — vilket gör att vi kan designa helt nya strukturer, som kirala LED‑er. Det är som att arbeta med ett Lego‑set med alla möjliga former du kan föreställa dig, snarare än bara rektangulära brickor.”

Materialet som används som grund för halvledaren är triazatruxen (TAT), som självorganiserar sig till en helikal (spiral) stapel med ett avstånd på sex molekyler. Detta gör att elektroner kan spira längs dess struktur, vilket hjälper till att uppnå den observerade CPL.

När den utsätts för UV‑ljus “avger den självorganiserade TAT ett starkt grönt ljus med stark cirkulär polarisation.” Medförfattaren Marco Preuss från Eindhoven University of Technology noterade att denna effekt har varit svår att uppnå i halvledare — tills nu.

“Strukturen hos TAT möjliggör att elektroner rör sig effektivt samtidigt som den påverkar hur ljus avges.”

– Preuss

Genom att ändra OLED‑tillverkningsmetoder kunde forskarna framgångsrikt använda TAT i cirkulärt polariserade OLED‑er (CP‑OLED‑er), vilka visade en anmärkningsvärd ljusstyrka, effektivitet och polariseringsnivåer.

Studien visade att OLED‑erna hade externa kvantutbyten på upp till 16 % och elektroluminiscensdissymmetrier som var mindre än eller lika med 10 %. Enligt medförfattare Rituparno Chowdhury från Cambridge’s Cavendish Laboratory:

“Vi har i princip omarbetat standardreceptet för att tillverka OLED‑er, som vi har i våra smartphones, vilket gör att vi kan fånga en kiral struktur inom en stabil, icke‑kristalliserande matris. Detta ger ett praktiskt sätt att skapa cirkulärt polariserade LED‑er, något som länge har undgått fältet.”

Förutom skärmar har den senaste utvecklingen också implikationer för kvantberäkning samt spintronik, där den inneboende vinkelmomentet (eller spinnet) hos elektroner används för att lagra och bearbeta information för snabbare och säkrare datorsystem.

När det gäller verklig adoption kan detta genombrott börja se kommersiella tillämpningar inom displayteknik inom de kommande 3 till 5 åren, medan tillämpningar inom spintronik och kvantberäkning kan utvecklas under nästa decennium.

Innovativt företag

Universal Display Corporation (OLED )

Universal Display Corporation (UDC) är en ledare inom utveckling och kommersialisering av OLED‑teknologier för användning i platta paneldisplayar, belysning och organisk elektronik. Företaget är också en viktig leverantör av organiska material och teknologier för OLED‑displayar och belysning.

Grundat för cirka tre decennier sedan har UDC som mål att skapa nästa generation av displayar. Företagets proprietära teknik och material används i kommersiella OLED‑produkter världen över, inklusive smartphones, smartklockor, surfplattor, TV‑apparater och mer. De mest framstående exemplen är LG:s OLED‑TV‑ar och Samsungs Galaxy‑serie. UDC har mer än 6 000 utfärdade och pågående patent globalt.

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

Med ett börsvärde på 7,425 miljarder dollar handlas USD‑aktierna till 156,41 $ vid skrivande stund, upp 6,98 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är 4,65 och P/E‑kvoten (TTM) är 33,64, medan utdelningsavkastningen är 1,15 %.

För en månad sedan meddelade Universal Display Corporation sina finansiella resultat, vilka visade 162,3 miljoner dollar i intäkter under Q4 2024, upp från 158,3 miljoner dollar samma kvartal 2023.

Intäkterna från materialförsäljning ökade till 93,3 miljoner dollar under denna period på grund av stärkt efterfrågan på företagets emitter‑material. Royalty‑ och licensavgifter bidrog med 64,4 miljoner dollar till intäkterna, vilket minskade på grund av en minskning av kumulativa efterjusteringar.

Under Q4 var företagets kostnad för materialförsäljning 34,2 miljoner dollar på grund av högre enhetsvolym, och den totala bruttomarginalen var 77 %. Rörelseresultatet var 52,5 miljoner dollar och nettoresultatet 46,0 miljoner dollar eller 0,96 $ per utspädd aktie.

För helåret rapporterade företaget en total omsättning på 647,7 miljoner dollar, en ökning med 12,36 % från föregående år. Detta inkluderade 365,4 miljoner dollar från materialförsäljning, som kostade 137 miljoner dollar, samt 266,8 miljoner dollar från royalty‑ och licensavgifter.

Rörelseresultatet var 238,8 miljoner dollar, medan nettoresultatet var 222,1 miljoner dollar eller 4,65 $ per utspädd aktie 2024 jämfört med 203 miljoner dollar eller 4,24 $ per utspädd aktie 2023.

UDC rapporterade också 8,9 miljoner dollar i omstruktureringskostnader relaterade till den planerade nedläggningen av deras OVJP‑anläggning i Kalifornien.

När han talade om det “rekordbrytande året med solid finansiell prestation” noterade Brian Millard, vice president och finansdirektör för UDC, den tillväxt och de framsteg som ses över OLED‑industrin.

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

“Vi tror att denna nya CAPEX‑cykel kommer att bana väg för meningsfull ny OLED‑kapacitet, nya OLED‑produkter och nya OLED‑adoptörer.”

För detta år förväntar sig UDC att deras intäkter ligger mellan 640 miljoner och 700 miljoner dollar, och noterar att “OLED‑industrin fortfarande befinner sig i ett skede där många variabler kan ha en väsentlig inverkan på resultaten.”

Företaget meddelade också en kontantutdelning på 0,45 $ per aktie för första kvartalet 2025, betalningsbar den 31 mars 2025 till alla aktieägare.

“Som en pionjär och ledare i ekosystemet är vi väl positionerade för att fortsätta stödja våra kunder och möjliggöra industrin med vårt bredare sortiment av energieffektiva, högpresterande fosforescerande material och OLED‑teknologier.”

– CFO Millard

Senaste om Universal Display Corporation

Slutsats

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

Även om OLED‑tekniken har gjort stora framsteg sedan sina tidiga dagar, står den inför utmaningar när det gäller effektivitet och kostnad. Därför markerar de senaste framstegen inom kirala halvledare ett avgörande ögonblick i dess utveckling.

Förmågan att kontrollera elektronrörelsen och avge cirkulärt polariserat ljus med hög effektivitet kan avsevärt förändra displaytekniken. Det skulle också öppna dörrar till nya möjligheter inom kvantberäkning och spintronik.

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