State-and-Time-Dependent Eikonal Equation (Optimal Control)

Los diodos emisores de luz, basados en semiconductores como el arsenuro de galio, fosfuro de galio y más recientemente, Nitruro de galio han estado por aquí desde fines de los cincuentas. La mayoría de estos se utilizan para lámparas indicadoras, aunque antes fueron utilizados en calculadoras, cristal liquido y fueron usados y grandes anuncios donde fueron valuados por su larga vida y gran brillantez. Tales LEDS cristalinos no son baratos y son muy difíciles de integrar en displays pequeños de alta resolución.

La operación de un LED esta basada en el hecho de que los semiconductores que pueden ser de dos tipos P y N, dependiendo de cómo fueron dopados, si con materiales donadores o aceptores. Un LED se forma cuando se juntan materiales tipo P y tipo N. Cuando se le aplica voltaje causa que los electrones fluyan a través de la estructura, fluyendo loe electrones hacia el material tipo P y los huecos hacia el material tipo N. Una combinación electrón-hueco es inestable; hay mucha potencial de energia para ser liberado. Como resultado estos se combinan y liberan la energía en forma de luz, esta es una manera eficiente de convertir electricidad en luz.

Existen una amplia gama de compuestos orgánicos, llamados orgánicos conjugados o polímeros conjugados, los cuales tienen muchas de las características de los semiconductores. Estos tienen gaps de energía de una magnitud aproximada a la de los semiconductores, también son conductores pobres de la electricidad si no tienen dopado, y pueden ser dopados para conducirla, tanto con electrones (tipo N) o con huecos (tipo P). En principio estos materiales fueron usados como fotoconductores para reemplazar semiconductores inorgánicos tales como el selenio en las copiadoras. Hace cerca de 15 años Ching Tang y Steve Van Slyke de Kodak Eastman descubrieron que, como en los semiconductores cristalinos, los materiales orgánicos tipo P y tipo N se podían combinar para hacer diodos emisores de luz, donde a través de pasar una corriente en una estructura de capas simple produce luz visible con alta eficiencia.

Mientras que los primeros diodos no tenían suficiente eficiencia o vida para ser comercialmente atractivos, el progreso en el mejoramiento de estos factores ha sido increíble, probablemente se debe a la variada gama de componentes orgánicos que se pueden sintetizar, aun dentro de la clase de materiales conjugados. En contraste con el caso de los materiales semiconductores cristalinos, el proceso de fabricación permite la posibilidad de hacer displays de muy alta resolución y también contrastando con el caso convencional el color fue también rápidamente logrado, en tanto que los LEDS azules tomaron casi 30 años para obtener uno razonablemente eficiente.

Un OLED típico de la variedad Kodak, esta formado para comenzar, con un electrodo transparente, el cual también pasa a ser un emisor eficiente de huecos, oxido de indio estaño (ITO). El ITO esta cubierto con una delgada capa de cobre phtalocyalino, la cual pasiva el ITO y proporciona una gran estabilidad (véase la figura 9). Entonces el material tipo P, por ejemplo un

nafta fenileno benceno (NPB, naphthaphenylene benzidine) se deposita seguido de un

material tipo N, por ejemplo aluminio hidroxiquinolino (Alq, alumynum hydroxyquinoline). Y por ultimo, se deposita un cátodo de aleación de plata magnesio. Todos los filmes o capas se pueden evaporar haciendo el proceso de fabricación muy simple. Los electrones y huecos se recombinan en la interfase de los materiales tipo N y tipo p y emiten en este caso una luz verde.

Figura 9.

Un voltaje de 5 a 10 volts es suficiente para excitar suficiente corriente y originar una emisión brillante, la cual es una virtud adicional de esta tecnología, dado que los circuitos de bajo voltaje son más fáciles de construir y menos caros.

Mas recientemente, Burroughes et al de la Universidad de Cambridge desarrollaron un tipo similar de diodo emisor de luz, usando un polímero, específicamente poli para fenileno vinileno (PPV, polyparaphenylene vynilene) como el emisor. Este dispositivo es llamado indistintamente led polímero (PLED) o polímero emisor de luz (LEP). Los dispositivos de polímeros que emplean materiales basados en poli fluoreno, han logrado eficiencias al menos tan buenas como las de los OLEDS moleculares pero aun su vida útil es inferior.

La ventaja establecida de los dispositivos de polímero es la habilidad de encender las capas y en algunos casos de modelar los filmes con foto litografía. Los filmes moleculares por otro lado son típicamente solubles en agua y los solventes orgánicos comunes, no siendo factible modelarse así

maneras. Arreglos de matriz pasivos se pueden formar modelando el electrodo inferior, por ejemplo la capa ITO sobre vidrio en tiras, luego una estructura de mascara de sombreada, se forma perpendicular a las tiras del electrodo usando fotolitografia. En este punto la pila orgánica, seguida del electrodo superior, se puede depositar sobre la totalidad del arreglo. La estructura de mascara sombreada asegura que el electrodo superior no será continuo sino más bien de tiras de manera semejante a las del electrodo inferior, la figura 10 muestra esquemáticamente como se construye dicha matriz.

De esta forma uno logra llegar a un display con electrodos para renglones y columnas sin tener que sujetar alas capas orgánicas a un proceso foto litográfico. Este método se utilizo por los pioneros de la industria en la fabricación de los primeros displays OLED comerciales.

Figura 10.

Un segundo método para fabricar displays de alto contenido de información, es el de matriz activa, en donde los renglones y columnas se construyen en el substrato, utilizando técnicas de semiconductor estándar, en este caso el substrato terminado tiene un arreglo de electrodos discretos, cada uno correspondiendo a un punto de la matriz. La pila orgánica se puede depositar seguida de un electrodo transparente sobre el total del arreglo, sin que sea necesario un modelaje. Este ultimo método es eminentemente apto para hacer microdisplays, dado que se puede usar un pequeño chip de silicio como substrato y se puede incorporar la circuiteria de excitación necesaria en el mismo chip junto con la estructura de la matriz. La figura 11 muestra un esquemático, resultado de este tipo de estructura de display, note que en este caso el OLED debe emitir arriba; el electrodo superior, generalmente el cátodo, debe de ser transparente, a diferencia de la mayoría de los OLED que tienen transparente el electrodo inferior.

Figura 11.

Los OLEDS de matriz activa remarcan una diferencia fundamental entre los LEDS orgánicos e inorgánicos: Ninguno ha tenido éxito en la integración de un arreglo de densidad semejante de

LEDS inorgánicos, aun los arreglos menos densos tienden a sufrir de acoplamiento optico cruzado,

o complejidad mecanica. Por ejemplo las pantallas de LEDS en grandes edificios están hechas de miles de dispositivos discretos.

Los display de colores se pueden hacer de varias maneras. El Alq3 se puede dopar con colorantes que corren la emisión de color (sin dopar da verde) y otros materiales similares se pueden usar para otros colores, de forma que tiras de diferentes emisores se pueden depositar a través de mascaras de sombreado para crear píxeles con subpixeles rojos, verdes y azules. Este método se ha utilizado donde los píxeles son relativamente grandes y es impractico para los microdisplays, donde los subpixeles son de algunos micrones solamente.

Un segundo método es dopar al emisor con mas de un colorante, de forma que emita luz blanca y se usan filtros de color pasivos, tales como los usados en LCDS para formar los subpixeles rojo, azul y verde. Los filtros se pueden modelar en placas separadas usando foto litografía y sobreponiéndolo sobre el arreglo emisor de luz blanca. Esta es la forma más simple de hacer un display OLED de color, sin embargo se desperdicia luz en los filtros dado que en cada subpixel solo pasa un tercio de la luz blanca a través del filtro.

Un mejor método para logra los colores es el uso de un medio fluorescente o de color cambiante en lugar de filtros, en este caso un emisor azul se usa y la luz azul es convertida en verde o roja por el medio cambiante de color (CCM, color changing media). Esto se dibuja en la figura 12. se desperdicia menos luz en este caso con relación al uso de filtros, dado que los materiales CCM tienen una eficiencia de conversión alta. Así como en los filtros los materiales CCM se pueden modelar por foto litografía y en algunos materiales tienen eficiencias de 50% al 80%. La pureza del color y la gama de colores puede ser excelentes.

En resumen,la tecnologia OLED

In summary, OLED technology can be used to great benefit for both direct view and micro display applications. In both cases, OLEDS offer higher efficiency and lower weight than competing liquid crystal displays, since they do not require backlights or reflective light sources. These are important attributes for head-mounted and portable products.