Cosa sono gli OLEDs?
In questo articolo scopriamo cosa sono gli OLED e come funzionano. Innanzitutto vediamo il significato del nome.
OLEDs è acronimo di ORGANIC LIGHT EMITTING DIODES , letteralmente ‘’diodi organici che emettono luce’’.
Infatti, gli OLED sono piccoli diodi che emettono luce costituiti da più strati di materiale. Se ti chiedi cos’è un diodo, la risposta è in realtà molto semplice, un diodo altro non è che un componente elettronico che permette il passaggio unidirezionale della corrente (Figura 1). Nel caso degli OLED però, la particolarità di questi diodi è che emettono luce.
OLEDs – Cosa sono? – Il nostro video
Dove vengono impiegati?
Oggigiorno, gli OLED hanno trovato già molte applicazioni ed è per questo che li sentiamo nominare spesso nelle pubblicità. Infatti le industrie hanno iniziato ad impiegare questi componenti nella fabbricazione dei display dei nuovi televisori e delle fonti luminose in genere; promettendo non solo miglioramenti delle performance ma anche minori consumi energetici.
Come sono fatti?
Ogni OLED è composto di vari strati, sovrapposti tra un anodo, punto di ingresso degli elettroni, e un catodo, punto di uscita degli elettroni (vedi Figura 2). All’interno di questa pila ci sono gli strati ETL e HTL, (electron transfer layer e hole transfer layer rispettivamente) che facilitano il trasporto di carica. Altri strati possono essere introdotti come ad esempio gli strati EIL e HIL (electron injection layer e hole injection layer) per favorire la separazione di carica. Ma lo strato più importante dell’OLED è certamente lo strato emissivo. È qui, infatti, che avviene la produzione di luce. Tale strato è fatto di molecole organiche, ossia di molecole a base principalmente di carbonio e idrogeno, ma anche azoto e ossigeno.
Come fanno ad emettere luce?
Ora che abbiamo visto la struttura interna di un OLED, possiamo cercare di capire come funzionano.
Se si applica a un OLED un voltaggio esterno si creano all’interno dello strato emissivo delle cariche positive (+) dette buche e delle cariche negative (-) dette elettroni. Gli elettroni migrano verso l’anodo, mentre le buche in direzione opposta, ossia verso il catodo. Gli elettroni passano nel circuito esterno e attraversano il catodo e lo strato ETL; nel momento in cui raggiungono di nuovo lo strato emissivo, si trovano nel livello energetico eccitato (S*) della molecola, a più alta energia. Cadendo inevitabilmente allo stato fondamentale (S0) a inferiore energia, emettono la differenza di energia sotto forma di luce (vedi animazione in basso, Figura 3). Questa è la luce prodotta negli OLED.
Inoltre, tramite il corretto design delle molecole organiche presenti negli OLED, si può modulare la differenza di energia tra lo stato eccitato e quello fondamentale in modo da variare l’emissione e quindi il colore della luce emessa (Figura 4). Con questa tecnica, infatti, oggi siamo arrivati ad avere OLED che emettono nel blu, nel verde e nel rosso.
Dove è arrivata la ricerca?
D’altronde, anche se sembra nuova, la tecnologia degli OLED è già alla terza generazione.1
Infatti, una prima generazione di questi componenti erano i cosiddetti OLED fluorescenti. Questi materiali si basavano sulla emissione tramite fluorescenza, tuttavvia, la resa quantica interna di un simile dispositivo era solo del 25%.
Superata questa fase, si è passati agli OLED fosforescenti. Qui lo strato emissivo era fatto da un materiale fosforescente, capace di emettere con una resa interna quantica fino al 75%.2
Oggi tuttavia gli OLED fosforescenti sembrano lasciare il posto agli OLED TADF (Thermally Activated Delayed Fluorescence) perchè essi offrono rese quantiche interne anche del 100%. 3
Perchè gli OLED sono diventati famosi nei display?
Appurato che gli OLED sono dei piccolissimi diodi che emettono luce del colore desiderato, cerchiamo di capire perché sono diventati così importanti nella fabbricazione dei display.
Innanzi tutto l’impiego degli OLED permette di eliminare numerosi dispositivi prima impiegati nella fabbricazione dei monitor, come ad esempio:
- il sistema di retroilluminazione di sfondo, un sistema di luci per creare la luminosità del monitor;
- il foglio LCD (liquid crystal display), un foglio fatto di cristalli liquidi, che permette di modulare il passaggio o meno di luce a seconda del segnale ricevuto;
- il sistema di filtri RGB (red, green, blue), che consente la formazione dei colori base dei monitor, ossia il rosso, il verde e il blu, dai quali tutti i colori si possono formare;
Questi tre elementi, oggi, grazie agli OLED, possono essere sostituiti tutti con un unico foglio compatto formato da numerosissime luci OLED che emettono direttamente nello spettro del rosso, del verde e del blu e la cui intensità luminosa può essere regolata, grazie al passaggio controllato della corrente. In questo modo l’immagine viene creata senza bisogno di uno sfondo illuminato o di alcun tipo di filtro (vedi immagine sottostante).
Scorri per vedere la differenza tra monitor LED (sinistra) e OLED (destra)
La struttura stessa di questi monitor a OLED offre anche ulteriori vantaggi come un nero più intenso, display più sottili e luminosi e perfino possibilità di display flessibili.
Riferimenti
1) Hong, G. J., Gan, X., Leonhardt, C., Zhang, Z. G., Seibert, J., Busch, J. D., & Bräse, S. (2021). A Brief History of OLEDs—Emitter Development and Industry Milestones. Advanced Materials, 33(9), 2005630. https://doi.org/10.1002/adma.202005630
2) Wang, Q., Lucas, F., Quinton, C., Qu, Y., Rault-Berthelot, J., Jeannin, O., Yang, S., Kong, F., Kumar, S., Liao, L., Poriel, C., & Jiang, Z. (2020). Evolution of pure hydrocarbon hosts: simpler structure, higher performance and universal application in RGB phosphorescent organic light-emitting diodes. Chemical Science, 11(19), 4887–4894. https://doi.org/10.1039/d0sc01238f
3) Arjona-Esteban, A., Szafranowska, B., & Ochsmann, J. (2019). TADF Technology for Efficient Blue OLEDs: Status and Challenges from an Industrial Point of View. In IntechOpen eBooks. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.86534
