Tecnologia OLED: Estrutura, fabrico e futuros ecrãs

1. pedra angular estrutural: a dança da "sanduíche" de precisão e os buracos de electrões

A essência do OLED é um dispositivo semicondutor orgânico feito de películas funcionais multicamadas empilhadas com precisão:

• Substrato: Como "base" do suporte físico, utiliza-se normalmente poliimida flexível (PI) ou vidro rígido.
• Ânodo (como o óxido de índio e estanho ITO): um condutor transparente que injecta orifícios (cargas positivas).
• Camada orgânica funcional (núcleo): inclui normalmente a camada de injeção de orifícios (HIL), a camada de transporte de orifícios (HTL), a camada emissora de luz (EML), a camada de transporte de electrões (ETL) e a camada de injeção de electrões (EIL). Os materiais e a espessura de cada camada são optimizados ao nível nanométrico.
• Cátodo (como a liga de magnésio-prata): injecta electrões (carga negativa) e os metais com baixa função de trabalho conseguem uma injeção eficiente.

Segredo da luminescência: Quando é aplicada uma tensão, os buracos do ânodo e os electrões do cátodo são injectados separadamente e migram um para o outro sob a ação do campo elétrico. Encontram-se e recombinam-se na camada emissora de luz, e a energia libertada excita as moléculas luminescentes, que libertam energia sob a forma de fotões quando são desexcitadas - esta é a fonte da autoluminescência do OLED. Ao controlar com precisão a estrutura da banda de energia de diferentes materiais luminescentes, podem ser geradas cores básicas como o vermelho, o verde e o azul para obter um ecrã a cores (Explicação autorizada dos princípios físicos do OLED pelo Departamento de Energia dos EUA: https://www.energy.gov/eere/ssl/how-organic-leds-work).

2. revolução dos materiais: descoberta da cor e da eficiência das moléculas orgânicas

O salto de desempenho do OLED depende da inovação dos materiais orgânicos:

• Materiais fluorescentes: Os materiais de primeira geração só podem utilizar 25% de excitões singlete e o limite superior da eficiência quântica interna (IQE) é baixo.
• Materiais fosforescentes (como os complexos de irídio): Utilização inovadora de excitões tripletos, teoricamente o IQE pode atingir 100%, melhorando consideravelmente a eficiência energética, especialmente para a luz vermelha e verde.
• Materiais de fluorescência retardada activados termicamente (TADF): Não são necessários metais preciosos, os excitões tripletos são captados através do cruzamento intersistemas inverso e consegue-se um IQE de quase 100%, o que é considerado como a próxima geração de soluções de baixo custo e elevada eficiência (Análise aprofundada dos materiais TADF na revista Nature: https://www.nature.com/articles/s41578-021-00339-3).
• O estrangulamento dos materiais azuis: O tempo de vida e a eficiência dos materiais de luz azul continuam a ser inferiores aos da luz vermelha e verde, constituindo o atual foco de investigação e desenvolvimento. Os pontos quânticos e a tecnologia de superfluorescência são potenciais avanços.

3. processo de fabrico: A arte da precisão a nível nanométrico e o desafio da produção em massa

A produção de OLED é o pináculo do fabrico de precisão:

• Evaporação de máscara metálica fina (FMM): Processo principal. Numa câmara de vácuo, o material orgânico é aquecido para sublimar e o vapor passa através dos microporos da máscara de metal fino (FMM) e é depositado com precisão na posição do pixel correspondente do substrato TFT. O estiramento, a expansão térmica e a precisão do alinhamento da FMM são as principais dificuldades que restringem a produção em massa de grandes dimensões e elevado PPI.
• Impressão a jato de tinta (IJP): Tecnologia emergente. O material orgânico dissolvido é pulverizado na posição pré-determinada do substrato como tinta de impressora. As vantagens são a elevada utilização de material (>90%), adequado para grandes dimensões, e não é necessário um FMM dispendioso. É considerada a principal via para a redução de custos do OLED de grandes dimensões no futuro. A melhoria do rendimento e a impressão de alta resolução são os actuais focos de investigação (Relatório de acompanhamento da OLED-Info sobre os progressos da tecnologia de impressão a jato de tinta: https://www.oled-info.com/inkjet-printed-oleds).
• Tecnologia de encapsulamento: Para evitar que a água e o oxigénio corroam a frágil camada orgânica, é necessário um encapsulamento de película fina (TFE) ou uma cobertura de vidro para uma proteção rigorosa. O OLED flexível tem requisitos extremamente elevados em termos de TFE.

4.Aplicação bloom: da visão extrema à revolução morfológica

As caraterísticas do OLED dão origem a diversos cenários de aplicação:

• Ecrã móvel topo de gama: a série iPhone Pro, o Samsung Galaxy, etc. utilizam OLED, que se tornou o principal padrão com contraste ultra-elevado, ampla gama de cores (DCI-P3), suporte HDR e caraterísticas de poupança de energia (os pixéis pretos não emitem luz). Em 2023, a taxa de penetração dos painéis OLED para telemóveis excederá 45% (Resumo do relatório da IDC sobre o mercado global de ecrãs móveis: https://www.idc.com/promo/smartphone-market-share).
• Campo televisivo: O televisor OLED WRGB da LG e o televisor QD-OLED da Samsung proporcionam uma qualidade de imagem revolucionária. Os píxeis auto-luminosos proporcionam um contraste infinito e um campo negro extremo, e o ângulo de visualização é quase perfeito. O preço médio dos televisores OLED de grandes dimensões continua a baixar, acelerando a sua popularização.
• Ecrã flexível/dobrável: Os substratos PI flexíveis tornam o ecrã flexível, dobrável e até enrolado. A série Samsung Galaxy Z Fold/Flip e a série Huawei Mate X lideram a tendência dos telemóveis com ecrã dobrável, e os telemóveis com o conceito de ecrã enrolável da OPPO expandem os limites da forma.
• Domínios emergentes: O OLED transparente (aplicado a ecrãs de janelas e ecrãs para automóveis), a iluminação OLED (fonte de luz de superfície ultrafina e com temperatura de cor ajustável), os dispositivos portáteis (ecrãs com formas especiais que se adaptam a superfícies curvas) e a RV/RA (taxa de atualização ultraelevada, baixa latência) continuam a explorar possibilidades.

5. tendências futuras: transparente, extensível e visão alargada

A tecnologia OLED continua a expandir-se:

• OLED transparente: Com uma transmitância superior a 40%, combinada com funções de visualização e perspetiva, é utilizada em janelas inteligentes, para-brisas de realidade aumentada (como os concept cars da BMW) e televisores transparentes (LG Signature OLED T), criando uma experiência de fusão virtual-real (Perspetiva anual da SID Display Week sobre a tecnologia de ecrãs transparentes: https://www.sid.org).
• OLED extensível: Utilização de substratos elásticos e de materiais especiais de eléctrodos/camadas luminescentes para conseguir a deformação por alongamento do ecrã (deformação >30%), proporcionando uma interface interactiva revolucionária para a eletrónica de vestir e dispositivos biónicos.
• Aceleração da produção em massa de OLED impressos: A JOLED (reorganizada), a TCL Huaxing, a BOE, etc. estão a utilizar ativamente a tecnologia de impressão para promover a redução dos custos do OLED de grandes dimensões e a penetração no mercado. Espera-se que a quota de OLED impresso OLED aumentará significativamente em 2030 (Relatório de previsão de rotas da tecnologia de visualização DSCC: https://www.displaysupplychain.com).
• Melhoria da eficiência e da vida útil: A otimização contínua dos materiais de luz azul, da estrutura do dispositivo (OLED laminado) e da tecnologia de extração de luz melhorará ainda mais a eficiência energética e a vida útil do produto.

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Resumo:

A tecnologia OLED, através da sua estrutura "sanduíche" única, realiza o encontro preciso de electrões e buracos ao nível molecular orgânico, libertando assim luz pura. Desde os contínuos avanços na química dos materiais até à concorrência precisa entre os processos de evaporação e de impressão, desde a revolução visual dos ecrãs dos telemóveis até ao aspeto deslumbrante das formas dobráveis e transparentes, o OLED ultrapassou o simples meio de visualização e tornou-se a força central na formação da futura forma de vida digital. À medida que a tecnologia de impressão reduz os custos e as formas transparentes e extensíveis continuam a alargar as fronteiras de aplicação, o OLED continuará a liderar a profunda transformação da tecnologia de visualização e a iluminar a imagem futura da interação humana com a informação numa dimensão mais ampla.