OLED เทคโนโลยีจอแสดงผล จัดทําโดย น.ส.ศรินลักษณ สุธารส รหัส 13510242

i

สารบัญ

หัวขอ หนา

บริษัท TDK กับจอแสดงผล OLED 1

โครงสรางและหลักการทํางาน 3 2

ความเปนมาของเทคโนโลยีจอแสดงผล (Display Technology) 4

บรรณานุกรม 12

1

OLED ( Organic Light Emitting Devices)

ในระหวางงานประชุม CEATEC ในชิบะประเทศญี่ปุน บริษัท TDK ไดนําเสนอเทคโนโลยี OLED ( Organic Light Emitting Devices) จอแสดงผลรุนใหมท่ีมีคุณสมบัติคลายฟลม คือมีความโปรงใสจนสามารถมองเห็นทะลุได และจะเปลงแสงเม่ือไดรับ พลังงานไฟฟา นอกจากนี้ยังสามารถแสดงภาพในขณะท่ีจอถูกดัดใหโคงงอไดอีกดวย ซึ่งเปนขอไดเปรียบของเทคโนโลยีจอแสดงผลชนิดนี้ที่เหนือกวาจอที่ทําจาก แกวที่แตกราวไดงาย

โดยนอกจาก TDK จะผลิตจอแสดงผลดังกลาว เพ่ือใชกับมือถือแลว TDK ยังมองวา ฟลมแสดงผลชนิดนี้ยังเหมาะกับเคร่ืองมืออิเล็กทรอนิกสท่ีใชสวมใส (wearable electronics) อยางเชน แวนตาแสดงผล Augmented Reality ท่ีสามารถมองเห็นสิ่งท่ีตรงหนา และภาพกราฟกท่ีปรากฎบนฟลม OLED ท่ีใชแทนกระจกแกว หรือดวยความท่ีมันมีความยืดหยุนโคงงอได

2

ในบูธของ TDK ยังไดมีการนําเสนอสายรัดขอมือที่มาพรอมกับฟลมแสดงผลชนิดนี ้รวมถึงใน อนาคตสามารถพัฒนาเปนวิวไฟนเดอรของกลองถายรูป หรือแมแตใชหนาจอชนิดนถายรูปสําหรับ Cameraphone ไดเลย จุดเดนของเทคโนโลยีนี้ก็คือ ภาพท่ีสวางสดใสจนสามารถมองเห็นภายใตแสงสวางในธรรมชาติ และพวกท่ีชอบกม หนาดูมือถือเวลาเดินก็จะไมตกทอ เพราะจอใส :สําหรับตนแบบท่ีนํามาโชวจะมีขนาด 2 และ 3.5 นิ้ว แตจะมีความละเอียดสูงถึง 200 พิกเซลตอนิ้ว

3

ทําความรูจักกับ OLED OLED หรือ Organic Light-Emitting Diodes คือ อุปกรณท่ีทําดวยฟลมของวัสดุอินทรียกึ่งตัวนํา ท่ีสามารถเปลงแสงไดเองเม่ือไดรับพลังงานไฟฟา เรียกวากระบวนการ Electroluminescence (อิเล็กโทรลูมิเนสเซนซ) เม่ือนํามาใชเปนจอภาพจึงไมจําเปนตองมี Backlight ฉายแสงดานหลังไปท่ัวทั้งจอภาพ อยางท่ีทํากันในจอ LCD หรือ Plasma ซึ่งยังทําใหจุดสีดําใดๆในภาพ ก็จะไดสีท่ีดําสนิทมืดมิดจริงๆ เพราะไมมีแสงสวางออกมาเลยนั่นเอง ดวยคุณสมบัติเดนนีเ้องจึงทําใหจอแบบ OLED สามารถประหยัดพลังงานไฟฟา และใหความบางท่ีมากกวาจอ LCD ได.

โครงสรางและหลักการทํางาน

ไดภาพจาก Howstuffwork

1. กระแสไฟฟาจะไหลจาก Cathode ผานชั้นสารอินทรียไปยัง Anode โดย Cathode จะใหกระแสelectrons แกชั้น Emissive layer ขณะเดียวกัน

2. Anode จะดึง electrons ในชั้น Conductive layer ใหเคลื่อนท่ีเขามา เกิดเปน electron holes ขึ้น

3. ระหวางชั้น Emissive และ Conductive layer จะเกิดปฏิกิริยา electron (-) เขาจับคูกับ hole (+) ขึ้น ซึ่งกระบวนนี้เอง ท่ีจะเกิดการคายพลังงานสวนเกินออกมา นั่นก็คือแสงสวางที่เราตองการ

4

สําหรับการใหสีแกแสงนั้น จะขึ้นอยูกับชนิดของโมเลกุลสารอินทรียในชัน้ Emissive layer ซึ่งในการผลิตจอ Full-color OLEDs จะใชสารอินทรีย 3 ชนิด เพ่ือใหไดแมสีของแสงคือน้ําเงิน, แดง และเขียว สวนความเขมและความสวางของแสงท่ีได จะขึ้นอยูกับกระแสไฟฟาท่ีใหเขาไป ใหมากแสงก็จะสวางมาก ซึ่งโดยปกติจะใชกระแสไฟฟาท่ีประมาณ 3-10 โวลต และดวยความท่ีทําจากฟลมสารอินทรียที่บางระดับนาโนเมตรนี้เอง เราจึงสามารถประกอบอุปกรณ OLED บนวัสดุท่ีพับงอได เชน พลาสติกใส เกิดเปนจอภาพแบบยืดหยุน (Flexible Display) ไดขึ้นมา ซึ่งทําใหในอนาคตเราอาจไดเห็นจอภาพแบบนี้ อยูบนเสื้อผาของเราก็เปนได จุดเดนของ OLED - สามารถเปลงแสงไดดวยตัวเอง ทําใหใชพลังงานนอยกวาจอแบบอื่น ๆ- จอมีความบางกวา เบากวา และมีความยืดหยุนสูงจนสามารถโคงงอได - ใหความสวางมากกวา เนื่องจากจอทําจากพลาสติกท่ีมีความบางมาก การผานของแสงจึงดีกวา - งายตอการขยายขนาด เพราะทําจากพลาสติก จึงสามารถสรางใหมีขนาดใหญได และปลอดภัย จุดดอยของ OLED - อายุการใชงานของฟลมท่ีใหกําเนิดสีน้ําเงิน ยังมีอายุการใชงานสั้นเพียง 1,000 ชั่วโมง (แตสําหรับสีแดง และเขียว มีอายุการใชงานท่ียาวนาน ประมาณ 10,000 ถึง 40,000 ชั่วโมง - ปจจุบันขั้นตอนการผลิตยังคงมีราคาสูง เนื่องจากยังไมสามารถผลิตเปนผลิตภัณฑเชิงปริมาณได - สารอินทรียท่ีใชทํา OLED จะเสียหายไดงายเมื่อโดนน้ําหรือออกซิเจน การใชงาน OLED ในปจจุบันและอนาคต เราจะเห็นวา เครื่องเลนเพลงดิจิตอล mp3 ในปจจุบัน เริ่มมีการใช OLED เปนจอภาพกันบางแลว นอกจากนี้ยังนํามาใชเปนจอขนาดเล็กใหกับ โทรศัพท, PDA, กลองดิจิตอล ซึ่งมีหลายบริษัทไดผลิตออกมาจําหนายแลว เชน Sony, Kodak. สําหรับจอภาพขนาดใหญอยางโทรทัศน หรือจอคอมพิวเตอร ก็มีเชน Sony, Samsung ซึ่งคาดวาจะเริ่มทําตลาดกันจริงจังในอนาคตอันใกลนี ้

ความเปนมาของเทคโนโลยีจอแสดงผล (Display Technology)

ยอนกลับไปไดถึงป ค.ศ. 1908 ซึ่ง Campbell Swinton เปนผูประดิษฐ หลอดรังสีคาโธด หรือ CRT (Cathode Ray Tubes) จนกระท้ังเมื่อถึงป ค.ศ. 1936 จึงเริ่มมีการนํา CRT มาทําโทรทัศนเปนครั้งแรก โดยมี 343 เสน และสามารถผลิตภาพได 30 ภาพตอวินาที เพียงพอในการหลอก สายตามนุษย หลักการของ CRT ทําโดยการยิงลําอิเล็กตรอน ผานสนามแมเหล็ก ซึ่งใชควบคุมทิศทางของลําอิเล็กตรอน เมื่อลําอิเล็กตรอน ไปตกกระทบกับวัสดุซึ่ง สามารถเรืองแสงได สารเรืองแสง หรือ

5

phosphor ไดแก ZnS:Ag (สีฟา) ZnS:Cu,Al (สีเขียว) Y2O2S:Eu (สีแดง) ก็จะเกิดเปนจุดสวางขึ้นมา โดยการผสมสีทําไดโดยการควบคุมจุดสวาง สีแดง เขียว น้ําเงิน (RGB) ใหผสมกันเปนสีตาง ๆ

(ภาพแสดงการทํางานของ CRT โดย Amy Walker, Department of Chemistry, Washington University)

เทคโนโลยีของ CRT นิยมใชกันมาเรื่อยๆ แมแตปจจุบัน โทรทัศนตามครัวเรือน โดยสวนใหญยังเปน CRT อยู ในขณะที่จอภาพคอมพิวเตอร เริ่มเปลี่ยนมาเปนจอภาพแบบ LCD แลว แตกอนจะไปพูดถึง LCD มีเทคโนโลยีอีก ประเภทหนึ่งท่ีควรกลาวถึง นั่นคือจอพลาสมา (Plasma Display) ซึ่งมาชวยแกปญหาของ CRT ท่ีมีขีดจํากัด ท่ีไมสามารถทําใหมีขนาดใหญได เพราะกินไฟและมีปญหาเร่ือง ความละเอียดของภาพ

จอพลาสมาทํางานโดยการแบงพ้ืนที่จอ ออกเปนเซลลเล็กๆ แตละเซลลบรรจุกาซ นีออน หรือ ซีนอน ซึ่งเปนกาซเฉื่อย โดยท่ีผนังขางหนึ่งของเซลล นั้นมีสาร phosphor ท่ีใหแสงสีใดสีหนึ่งของ RGB เคลือบอยู เมื่อตองการจะใหเซลลเรืองแสง ก็จะใสสนามไฟฟาเขาไป ทําใหกาซดังกลาวถูกกระตุนไปอยูในสภาพพลาสมา ซึ่งจะมีการปลอยแสง UV ออกมา ซึ่งไปกระตุนให สาร phosphor เรืองแสงขึ้นมา จอพลาสมาสามารถทําใหมีขนาดใหญ และกินไฟนอยกวาจอ CRT ก็จริง แตการสรางเซลลจํานวนมาก ทําใหเกิดความซับซอน ราคาของจอภาพชนิดนี้มีราคาสูง และคงเปนไปไดยากที่จะลดราคา ลงมาไดดังท่ีจอ CRT และ LCD สามารถทําได

6

(Pictures from www.array-electronics.de (left) and NEC Japan (right))

LCD หรือ Liquid Crystal Display คิดคนขึ้นในป ค.ศ. 1963 ทํางานโดยอาศัยหลักการท่ี วัสดุประเภท Liquid Crystal นั้นมีคุณสมบัติพิเศษ ในการจัดเรียงตัวกันเปนชั้นๆ โดยการจัดเรียงตัวนั้นสามารถเปลี่ยนได โดยใชสนามไฟฟา LCD ทํางานโดยการ นําวัสดุ Liquid Crystal ซึ่งมีสมบัติในการบิดสนามแมเหล็กไฟฟาของแสงได มาบรรจุระหวาง ผิวกระจก ท่ีดานหนึ่งเคลือบวัสดุ Liquid Crystal ในแนวหนึ่ง ขณะท่ีเคลือบผิวกระจกอีกขางดวย Liquid Crystal ใหโมเลกุล เรียงตัวไปในแนวต้ังฉาก เจา Liquid Crystal ท่ีบรรจุอยูระหวางผิวกระจกทั้งสอง ก็จะพยายามจัดเรียงตัว ใหสอดคลองกับผิวกระจกท้ังสอง ซึ่งหากนํา Polarized Filter มาวางซอน จะทําใหแสงท่ีว่ิงเขาไปใน วัสดุ Liquid Crystal คอยๆ ปรับมุมโพลาไรซ จนออกไปดานตรงขามได เราจึงเห็นความใสของมันแตเม่ือปอนสนามไฟฟาเขาไป ระหวางผิวกระจก 2 ขาง โมเลกุล Liquid Crystal จะจัดเรียงตัวตามสนามไฟฟา ไมจัดเรียงตัวตาม pattern ของผิวกระจก อีกตอไป เลยทําใหแสงสองผานออกมาไมได

เทคโนโลยี LCD ไมไดผลิตแสง phorphorescence ออกมาซึ่งตางจาก เทคโนโลยี CRT และ Plasma Display แตอาศัยแสงท่ีเราเรียกวา Backlight ซึ่งมาจากขางหลัง เพ่ือใหเราเห็นภาพ อีกท้ังแสงที่ออกมา เปนแสง Polarized Light ท่ีมีระนาบเดียวกัน ทําใหสบายตาม

7

(Picture from Dr. Amy Walker, Department of Chemistry, Washington University)

แต LCD ก็ยังมีขอเสียเปรียบ นั่นคือ มันคอนขางไวกับอุณหภูมิ (ลองท้ิงคอมพิวเตอรโนตบุค ไวในรถยนตแลวเอาไปจอดตากแดดสักเต็มวัน ทานอาจจะเปดออกมา แลวพบวาจอภาพเปนลายดางๆ) แมวา LCD จะกินไฟนอยกวา CRT มากแตมันคงยังเปนอุปกรณท่ีกินไฟที่สุด เม่ือไปอยูในอุปกรณมือถือ หรือ อุปกรณเคลื่อนท่ีตางๆ เชน โทรศัพทมือถือ พ็อกเก็ตพีซี เครื่องคอมพิวเตอรโนตบุค เปนตน รวมท้ังมุมมองสําหรับการเห็นภาพ คอนขางแคบ และท่ีสําคัญท่ีสุด ท่ีจะทําใหมันถูกแทนท่ีดวยเทคโนโลยีตัวตอไป ก็คือ มันทําเปนจอออนไมได (Flexible Display)

8

(Picture from BASE AG.)

OLED (Organic Light Emitting Devices) เปนอุปกรณท่ีมีหลักการงายๆ กลาวคือ เม่ือนําวัสดุท่ีมีสมบัติเปนสารเปลงแสง (Emissive Materials) ซึ่งเปนโมเลกุลอินทรีย (Organic Materials) มาวางไวระหวางขั้วไฟฟาบวกและลบ วัสดุเปลงแสงนี้ มีสมบัติเปนสารกึ่งตัวนําที่มีชั้นของพลังงาน 2 ชนิด ไดแก ชั้นพลังงานที่มีอิเล็กตรอนบรรจุอยู กับ ชั้นพลังงานท่ีวางเปลาท่ีไมมีอิเล็กตรอนบรรจุ ประจุบวกหรือโฮล (Hole) สามารถว่ิงอยูบนชั้นพลังงานท่ีมีอิเล็กตรอนบรรจุอยูนี้ได ในขณะที่ประจุลบหรืออิเล็กตรอน (electron) สามารถว่ิงไดบนชั้นพลังงานท่ีวางเปลานี้ ชั้นพลังงาน 2 ชนิดนี้มีลักษณะท่ีไมเชื่อมตอกัน โดยชั้นพลังงานท่ีวางเปลาจะอยูสูงกวาชั้นพลังงานท่ีมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู ชั้นพลังงานบนสุดท่ีมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู จะถูกแยกออกจากชั้นพลังงานวางเปลาดวยชองวางของพลังงาน (Energy Gap) ซึ่งมีขนาดท่ีพอเหมาะ เมื่อผานสนามไฟฟาเขาไปที่ขั้วไฟฟาท้ังสอง อิเล็กตรอนจากขั้วลบจะว่ิงไปท่ีชั้นพลังงานท่ีวางเปลา ในขณะท่ีโฮล จะว่ิงจากขั้วบวกเขาไปยังชั้นพลังงานท่ีมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู จากนั้นประจุลบจะว่ิงลงมาในขณะที่ประจุบวกจะว่ิงขึ้นไปพบกัน แลวรวมตัวกันเกิดเปนอนุภาคโฟตอนหรือแสงนั่นเอง โดยพลังงานของอนุภาคโฟตอนนั้นจะมีคาเทากับ Energy Gap ซึ่งจะเปนตัวกําหนดสีของแสงท่ีเปลงออกมา เชน สีแดง ซึ่งมีพลังงานต่ํากวา สีฟา เปนตน สีของแสงที่เปลงออกมาขึ้นอยูกับ Energy Gap ซึ่งก็จะขึ้นอยูกับสมบัติของวัสดุเปลงแสงอีกท ี

9

หลักการทํางานของจอภาพ OLED (Picture by OSRAM AG)

ขอดีของ OLED ประการหนึ่งจากหลายๆ ประการก็คือ เราสามารถออกแบบ Energy Gap หรือสีที่เปลงออกมาได โดยการทําวิศวกรรมโมเลกุล เชน พอลิเมอรท่ีเปนวัสดุเปลงแสงสีเหลืองท่ีชื่อวา PPV (Poly paraphenylenevinylene) นั้นหากนํามาทําวิศวกรรมโมเลกุล โดยการใสหมูแทนที่ดานขางเขาไปเกิดเปน MEH-PPV ซึ่งมี Energy Gap ท่ีลดลงทําใหสีเปลี่ยนมาเปนสม-แดง งานวิจัยพัฒนาดานวิศวกรรมโมเลกุลนี้ ในประเทศไทยทํางานมากท่ี ศูนยนาโนศาสตรและนาโนเทคโนโลยี คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยมหิดล ในขณะท่ี งานทางดานสังเคราะหพอลิเมอรเปลงแสงนี้ มีหลายกลุมในประเทศไทย ไดแก ศูนยเทคโนโลยีโลหะและวัสดุแหงชาติ (ดร. สมบุญ สหสิทธิวัฒน), ศูนยนาโนเทคโนโลยีแหงชาติ (ดร.อุดม อัศวาภิรมย), ภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี (ดร. วินิช พรหมอารักษ), ภาควิชาเคมี จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย (ดร. วรวรรณ พันธุมนาวิน) สวนการประกอบอุปกรณ OLED ในประเทศไทยนั้น ดร. สมบุญ สหสิทธิวัฒน แหง MTEC, ดร. จิตติ หนูแกว แหง สถาบันเทคโนโลยีเจาคุณทหารลาดกระบัง และ ดร. ธนากร โอสถจันทร (คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยมหิดล) เปนผูนําในศาสตรดานนี ้

10

สีของแสงท่ีเปลงออกมาจากพลาสติก สามารถปรับไดโดยการทํา วิศวกรรมโมเลกุล (Picture by Teerakiat Kerdcharoen, Mahidol University)

OLED อาจแบงออกเปน 2 ประเภท ขึ้นอยูกับวัสดุเปลงแสง

1. วัสดุเปลงแสงน้ําหนักโมเลกุลต่ํา ถูกคิดคนขึ้นในป ค.ศ. 1987 โดยนักวิทยาศาสตรของบริษัทโกดักดวยความบังเอิญ ระหวางท่ีกําลังทําการพัฒนาเซลลสุริยะอินทรีย โดยพวกเขาสังเกตเห็น แสงสีเขียวท่ีเปลงออกมาจากรอยตอระหวางวัสดุ 2 ชนิด ท่ีชนิดหนึ่งเปนตัวนําท่ีดีของโฮล ในขณะท่ีอีกชนิดหนึ่งเปนตัวนําท่ีดีของอิเล็กตรอน การเตรียม OLED ชนิดนี้นิยมทําดวยการระเหยในสุญญากาศ (Vapor Deposition)

2. วัสดุเปลงแสงน้ําหนักโมเลกุลสูง หรือ พอลิเมอร คิดคนขึ้นครั้งแรกในป ค.ศ. 1990 ท่ีมหาวิทยาลัยแคมบริดจ โดยการใชพอลิเมอรนําไฟฟาเปนวัสดุเปลงแสง ซึ่งมีขอดีคือ พอลิเมอรท่ีใช มีความสามารถในการนําไฟฟาไดดีกวา พวกโมเลกุลน้ําหนักต่ํา ทําใหสามารถใชศักยไฟฟาไมตองสูงมาก (เชน 2-5โวลต) อีกท้ัง มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟาเปนพลังงานแสงท่ีดีกวา

11

ท่ีสําคัญการเตรียมอุปกรณสามารถทําไดในสภาวะเปยก กลาวคือ ทําการละลายพอลิเมอรในสารละลาย แลวนําไปทําการเคลือบปนใหเปน

1. แผนฟลมบาง ซึ่งขั้นตอนดังกลาวสามารถทําไดในหองปฏิบัติการเคมีเทานั้น ไมตองการหองสะอาด (Clean Room) ท่ีมีราคาแพงของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร

OLED เปนอุปกรณที่ทํางานโดยอาศัยสมบัติทางนาโน กลาวคือ วัสดุอินทรียเปลงแสง ท่ีนํามาประกอบอุปกรณนั้นเปนฟลมที่บางมาก มีความหนาเพียง 100-150 นาโนเมตร ซึ่งบางกวา 1 เปอรเซ็นตของเสนผมดวยซ้ํา ขั้วไฟฟาท่ีนํามาประกอบ ก็สามารถทําใหบางไดในระดับใกลเคียงกัน ดังนั้น OLED จึงมีความหนาไดนอยกวากระดาษเสียดวยซ้ํา ดวยความที่วัสดุเปลงแสง เปนสารอินทรียเราจึงสามารถประกอบอุปกรณ OLED บนวัสดุท่ีพับงอได เกิดเปนเทคโนโลยีใหมท่ีเรียกวา จอภาพแบบยืดหยุน (Flexible Display) การทํางานของวัสดุเปลงแสงอินทรีย ก็อาศัยสมบัติระดับโมเลกุลโดยที่โครงสรางเชิงอิเล็กตรอนสามารถดัดแปลง หรือ จูน (Tune) โดยการทําวิศวกรรมโมเลกุล เชน การใสกิ่งกานสาขาใหแกโมเลกุล การดัดแปลงหมูแทนท่ี เปลี่ยนชนิดของอะตอมในโมเลกุล แลวไปมีผลทําใหโครงสรางเชิงอิเล็กตรอนเปลี่ยนไปได

12

บรรณานุกรม

http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/e-plastic/oled.html

http://www.itday.in.th/

http://www.tistr.or.th/tistrblog/?p=446