Valon ja aineen vuorovaikutus auttaa OLED-näyttöjä Toimitus Ma, 24/02/2025 - 15:27
OLED-näytön osa. Kuva: Mikael Nyberg ja Manish Kumar
OLED-näytön osa. Kuva: Mikael Nyberg ja Manish Kumar

Tutkijat kehittivät teoreettisia menetelmiä OLED-teknologian tehokkuuden parantamiseksi hyödyntämällä valon ja aineen hybriditiloja. Käytännön sovellukset vaativat vielä uusia materiaaleja ja jatkokehitystä, mutta tutkimus tarjoaa lupaavan suunnan OLED-teknologian kehitykselle. 

Turun yliopiston tiedote kertoo, että OLED-näyttöjen kirkkautta voidaan merkittävästi parantaa valon ja aineen vuorovaikutuksen paremmalla ymmärtämisellä.

OLED-teknologia, eli orgaanisia valoa säteileviä diodeja käyttävä tekniikka on yleistynyt valonlähteenä erilaisissa korkealaatuisissa näyttölaitteissa, kuten älypuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, televisioissa tai älykelloissa.

Fluoresoivat OLEDit ovat mullistaneet näyttölaitteiden teknologiaa joustavuutensa, keveytensä ja ympäristöystävällisyytensä ansiosta. 

Teknologian heikkoutena on kuitenkin alhainen hyötysuhde: fluoresoivissa OLEDeissa vain 25 prosenttia sähköenergiasta muuntuu tehokkaasti ja nopeasti valoksi. OLED-näyttöjen kirkkaus on yleensä myös muita valaistusteknologioita heikompi.

Turun yliopiston ja yhdysvaltalaisen Cornellin yliopiston tutkijat ovat nyt ehdottaneet ennakoivaa mallia tämän ongelman ratkaisemiseksi.

OLEDit ovat elektronisia komponentteja, jotka valmistetaan orgaanisista hiilipohjaisista yhdisteistä ja jotka tuottavat valoa, kun niihin johdetaan sähkövirtaa. Toisin kuin perinteisissä LCD-näytöissä, OLED-näytöissä jokainen pikseli säteilee itse valoa ilman erillistä taustavalaistusta.

Kun OLEDeissa käytetyt orgaaniset valoa säteilevät molekyylit asetetaan kahden puoliläpäisevän peilin väliin, ne voivat alkaa vuorovaikuttaa valon kanssa. Tämä vuorovaikutus voi luoda uudenlaisia hybriditiloja, eli uusia hiukkasia, joita kutsutaan polaritoneiksi.

Tuoreessa tutkimuksessa havaittiin, että oikeanlaisella säätelyllä voidaan löytää ihanteellinen piste, jossa pimeät tilat, 75 % kaikista tiloista, alkavatkin muuttua kirkkaiksi polaritoneiksi. Tämä voisi parantaa näyttöjen kirkkautta ja energiatehokkuutta huomattavasti.

"Vaikka yleinen ajatus polaritonien hyödyntämisestä OLED-teknologiassa ei ole täysin uusi, ennustava teoria suorituskyvyn vaihtelusta on puuttunut", kertoo apulaisprofessori Konstantinos Daskalakis Turun yliopistosta.

"Tässä työssä tarkastelimme tarkkaan, missä polaritoni saavuttaa ihanteellisen pisteensä eri skenaarioissa. Havaitsimme, että polaritonien vaikutus riippuu kytkettyjen molekyylien lukumäärästä. Mitä vähemmän molekyylejä, sitä suurempi vaikutus on."

"Esimerkkimolekyyleillä ja vain yhdellä kytketyllä molekyylillä hyötysuhde parani merkittävästi", jatkaa tutkijatohtori Olli Siltanen

"Parhaimmillaan polaritonit kiihdyttivät pimeiden tilojen konversiota jopa 10 miljoonaa kertaa nopeammaksi." 

Kun ilmiötä tutkittiin samanaikaisesti suurella määrällä molekyylejä, polaritoninen vaikutus oli vähäinen. Siksi nykyisten OLED-laitteiden valontuottotehokkuutta ei voida parantaa yksinkertaisesti varustamalla ne peileillä.

Tutkimuksessa saatu teoreettinen tieto on lupaava, mutta sen soveltaminen käytäntöön vaatii vielä jatkokehitystä.

"Seuraava haaste on kehittää teknologiaa, joka mahdollistaisi yksittäisten molekyylien vahvan kytkennän, tai luoda uusia molekyylejä, jotka on räätälöity polaritoneja hyödyntäviin OLEDeihin", selittää Daskalakis.

"Molemmat lähestymistavat vaativat merkittäviä teknisiä ratkaisuja, mutta onnistuessaan ne voisivat parantaa OLED-näyttöjen hyötysuhdetta ja kirkkautta huomattavasti."

OLED-laitteiden laajamittaisempaa käyttöönottoa ovat hidastaneet niiden alhainen energiatehokkuus ja rajallinen kirkkaus, etenkin verrattuna perinteisiin LED-laitteisiin. Tämä tutkimus voi kuitenkin tarjota perustan uuden sukupolven OLED-laitteille, jotka ovat entistä tehokkaampia ja pystyvät saavuttamaan aiemmin mahdottomana pidetyn suorituskyvyn.

Tulokset on julkaistu Advanced Optical Materials -lehdessä.

*

Juttu on Turun yliopiston tiedote lähes sellaisenaan, Tiedetuubin toimituksen tarkastamana.

Rillit huurussa vai ruutu rilleissä?

Antti Sunnari katsoo älylaseilla
Antti Sunnari katsoo älylaseilla
Näyttö lähikuvassa

Mitä jos silmälaseissasi olisi teräväpiirtonäyttö, jonka kautta voisit katsoa älypuhelimen tai tablettitietokoneen näyttöä samalla kuin katsot lasien läpi ympäröivää maisemaa normaaliin tapaan?

Erilaisia älylaseja on jo olemassa runsaasti ja tekniikka menee koko ajan eteenpäin, mutta alan eräs jännimmistä uutuuksista tulee Suomesta. Kyseessä on VTT:llä kehitetty silmälaseihin asennettavaksi soveltuva näyttö, jota Dispelix Oy -niminen spin-off -yhtiö alkaa pian kaupallistamaan.

Jos kaikki käy suunnitelmien mukaan, on tämä nykyisiin älylaseihinkin integroitava tuote kuluttajan ulottuvilla arviolta jo vuoden kuluessa.

"Kun elektroniikka ja optiikka ovat kehittyneet, näytöt tulevat saumattomaksi osaksi jopa tavallisia silmälaseja", toteaa Antti Sunnari, Dispelix Oy:n toimitusjohtaja.

Nyt kehitetyille näytöille on runsaasti sovelluskohteita kuluttaja- ja ammattikäytössä. Tällaisia ovat esimerkiksi urheilulasit sekä erilaiset työtehtävät, joissa tulee pitää esillä koko ajan tarkastuslistoja tai muuta visuaalista informaatiota, mutta käsillä täytyy tehdä jotain muuta kuin pidellä papereita. Sovelluskohteita näyttöteknologialle ja älysilmälaseille löytyy muun muassa terveydenhoidosta, valmistus- ja prosessiteollisuudesta sekä logistiikasta.

Yhdistämällä näyttöön esimerkiksi infrapuna- tai ultraviolettikamerasta tulevaa kuvaa, voi vaikkapa lääkäri pystyä "näkemään" potilaan sisälle; verinäytettä ottava hoitaja voisi myös nähdä laseissaan selvästi verisuonten sijainnit, vaikka silmin niitä ei näkisi kunnolla.

Myös urheilulaseissa olevat näytöt ovat hyvin käteviä, koska silloin esim. sykettä ei tarvitse katsoa kellosta, vaan se näkyy yhdessä navigointi- ja aktiviteettitietojen kanssa laseissa. Jo nyt esim. laskettelulaseissa voi katsoa rinnekarttaa rinnettä laskiessa.

Samoin lentäjille, moottoripyöräilijöille sekä tavallisille autoilijoillekin suunnitellaan laseja, joihin voidaan heijastaa nopeus- ja navigointitiedot – näin kuljettaja voi pitää katseensa koko ajan tiessä ja liikennetilanteessa.

Näyttö lähikuvassa

Teknologia perustuu valojohdeoptiikkaan, jonka ansiosta näytöt voidaan valmistaa kevyiksi ja ohuiksi, vain yhden millimetrin paksuisiksi elementeiksi joko lasille tai muoville. Ohuuden lisäksi teknologian etuja ovat suuri ja korkealaatuinen virtuaalinen kuva ja erinomainen läpinäkyvyys. Näyttöelementti on lisäksi vapaasti muotoiltavissa ja sopii massavalmistukseen.

"Nykyisiin kookkaisiin tai vaikeasti valmistettaviin ratkaisuihin verrattuna näytön ohuus, keveys, esteettinen ulkonäkö ja massavalmistettavuus ovat ratkaisun vahvuuksia", Sunnari toteaa.

Näytön käyttäjäystävällisyyttä lisää se, että virtuaalinen kuva muodostuu käyttäjän kaukokenttään, jolloin käyttäjän silmät eivät väsy.

Näyttöratkaisu on räätälöitävissä asiakastarpeiden mukaisesti – käyttäjän näkökenttään voidaan välittää yksinkertaista yksiväristä informaatiota tai moniväristä videokuvaa sovelluksesta riippuen. 

Sunnarin mukaan virtuaalikuvan koko vastaa 60 tuuman TV:tä kolmen metrin etäisyydeltä katseltuna.

Dispelix kerää parhaillaan rahoitusta ja rakentaa yrityskumppaniverkostoa kaupallistamisen vauhdittamiseksi. Näytöt ovat jo nyt massavalmistettavia, ja yrityksen tavoitteena on tehdä ensimmäiset asiakastoimitukset vuoden 2016 aikana.

Näyttötekniikalla on suuret kaupalliset mahdollisuudet, sillä ns. lisätyn todellisuuden markkinoiden arvellaan olevan 150 miljardia dollaria vuonna 2020. Tästä optiikan osuus on arviolta 1,5 miljardia dollaria.

Artikkeli perustuu VTT:n tiedotteeseen.