Diodo orgânico emissor de luz

Camadas de uma tela OLED

Um diodo emissor de luz orgânico (OLED, na sigla em inglês para organic light-emitting diode), também conhecido como diodo eletroluminescente orgânico (EL orgânico), é um tipo de diodo emissor de luz (LED) no qual a camada emissiva eletroluminescente consiste em um filme de composto orgânico que emite luz em resposta a uma corrente elétrica. Essa camada orgânica situa-se entre dois eletrodos, dos quais pelo menos um costuma ser transparente. Os OLEDs são utilizados na fabricação de telas digitais em aparelhos como televisores, monitores de computador e sistemas portáteis como smartphones e consoles de jogos portáteis; sua grande vantagem frente às telas de cristal líquido (LCD) reside no fato de que os pixels individuais emitem radiação própria, dispensando fontes dedicadas de retroiluminação como as encontradas nos displays LCD iluminados por LED.

Tela OLED transparente de 55 polegadas.

Os OLEDs diferem essencialmente dos LEDs inorgânicos tradicionais por não empregarem uma estrutura de rede cristalina. Existem duas famílias principais de OLED: as baseadas em pequenas moléculas e as que utilizam polímeros. A adição de íons móveis a um OLED resulta em uma célula eletroquímica emissora de luz (LEC), dispositivo dotado de um regime operacional ligeiramente distinto. Uma matriz de exibição OLED pode utilizar diferentes esquemas de controle e endereçamento:

1. Matriz passiva (PMOLED), na qual cada linha e coluna da tela é comutada sequencialmente, uma a uma;
2. Matriz ativa (AMOLED), que emprega um painel traseiro com transistores de película fina (TFT) para endereçar e acionar individualmente cada pixel de forma direta, possibilitando resoluções mais elevadas e telas de dimensões superiores.

A invenção do OLED é atribuída a dois químicos da Eastman Kodak em 1987, Ching Wan Tang e Steven Van Slyke. O emprego comercial no mercado de consumo começou em 1997 em um aparelho de som automotivo produzido pela Pioneer e, por mais de uma década, sua presença restringiu-se majoritariamente a pequenos mostradores monocromáticos em veículos ou sistemas portáteis, embora a primeira tela colorida completa tenha sido integrada a uma câmera digital da Kodak em 2003. A difusão em massa das telas OLED acelerou-se na segunda metade da década de 2010, consolidando-se principalmente em dispositivos vestíveis, smartphones e televisores de linhas topo de gama.

História

André Bernanose e colaboradores na Nancy-Université realizaram as primeiras observações de eletroluminescência em materiais orgânicos no início da década de 1950. Eles aplicaram altas tensões alternadas no ar a materiais como o corante laranja de acridina, depositado sobre ou dissolvido em filmes finos de celulose ou celofane. O mecanismo proposto foi a excitação direta das moléculas do corante ou a excitação de elétrons.

Em 1960, Martin Pope e colaboradores na Universidade de Nova Iorque desenvolveram contatos de eletrodos ôhmicos de injeção no escuro para cristais orgânicos. Eles descreveram detalhadamente os requisitos energéticos necessários (função trabalho) para contatos de eletrodos injetores de lacunas e elétrons. Esses contatos constituem a base da injeção de carga em todos os dispositivos OLED modernos. O grupo de Pope também observou pela primeira vez a eletroluminescência por corrente contínua (CC) sob vácuo em um único cristal puro de antraceno e em cristais de antraceno dopados com tetraceno em 1963, utilizando um eletrodo de prata de pequena área a 400 volts. O mecanismo proposto envolveu a excitação de fluorescência molecular por elétrons acelerados pelo campo elétrico.

O grupo de Pope relatou em 1965 que, na ausência de um campo elétrico externo, a eletroluminescência em cristais de antraceno é causada pela recombinação de um elétron e uma lacuna termalizados, e que o nível condutor do antraceno tem energia mais alta do que o nível de energia do éxciton. Também em 1965, Wolfgang Helfrich e W. G. Schneider, do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá, produziram eletroluminescência por recombinação de dupla injeção pela primeira vez em um monocristal de antraceno utilizando eletrodos injetores de lacunas e elétrons, sendo este o precursor dos dispositivos modernos de dupla injeção. No mesmo ano, pesquisadores da Dow Chemical patentearam um método de preparação de células eletroluminescentes utilizando camadas finas de um milímetro, eletricamente isoladas, excitadas por alta tensão em corrente alternada (500–1500 V a 100–3000 Hz), de um fósforo fundido composto por pó de antraceno moído, tetraceno e pó de grafite. O mecanismo proposto envolvia a excitação eletrônica nos contatos entre as partículas de grafite e as moléculas de antraceno.

O primeiro LED de polímero (PLED) foi desenvolvido por Roger Partridge no Laboratório Nacional de Física (NPL), no Reino Unido. O dispositivo utilizava um filme de polivinilcarbazol de até 2,2 micrômetros de espessura posicionado entre dois eletrodos injetores de carga. A luz gerada era perfeitamente visível sob condições normais de iluminação, embora o polímero utilizado apresentasse duas limitações: baixa condutividade e dificuldade na injeção de elétrons. O desenvolvimento posterior de polímeros conjugados permitiu superar amplamente tais barreiras. A contribuição de Partridge foi por muito tempo negligenciada devido ao sigilo imposto pelo NPL ao projeto. Quando patenteado em 1974, recebeu uma denominação genérica deliberadamente obscura enquanto o Departamento de Indústria do governo britânico tentava, sem sucesso, atrair parceiros industriais para financiar o desenvolvimento contínuo.

OLEDs práticos

Os químicos Ching Wan Tang e Steven Van Slyke, na Eastman Kodak, construíram o primeiro dispositivo OLED prático em 1987. Esse dispositivo utilizava uma estrutura de duas camadas com regiões distintas de transporte de lacunas e de elétrons, de modo que a recombinação e a emissão de luz ocorressem no centro da camada orgânica; isso resultou em uma redução significativa na tensão de operação e em expressivos ganhos de eficiência.

A pesquisa sobre eletroluminescência em polímeros atingiu seu ponto culminante em 1990, quando J. H. Burroughes e sua equipe no Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, relataram um dispositivo de alta eficiência emissor de luz verde baseado em polímeros utilizando filmes de poli(p-fenileno vinileno) com 100 nm de espessura. A transição de materiais moleculares para macromoleculares contornou os entraves enfrentados anteriormente com a estabilidade de longo prazo dos filmes orgânicos, permitindo a fabricação facilitada de películas de alta qualidade. Investigações subsequentes viabilizaram polímeros multicamadas e deram origem ao campo da eletrônica orgânica, impulsionando a pesquisa e a produção de dispositivos OLED. Os OLEDs brancos, desenvolvidos pioneiramente por J. Kido e colaboradores na Universidade de Yamagata, no Japão, em 1995, viabilizaram a comercialização de telas e sistemas de iluminação com retroiluminação OLED.

Em 1999, a Kodak e a Sanyo firmaram uma parceria estratégica para pesquisar, desenvolver e produzir em conjunto telas OLED. Em setembro daquele mesmo ano, anunciaram a primeira tela OLED colorida de matriz ativa de 2,4 polegadas do mundo. Em setembro de 2002, apresentaram na feira CEATEC, no Japão, um protótipo de tela em formato HDTV de 15 polegadas baseado em OLEDs brancos com filtros de cores.

A manufatura comercial de OLEDs de pequenas moléculas foi iniciada em 1997 pela Pioneer Corporation, seguida pela TDK em 2001 e pela Samsung-NEC Mobile Display (SNMD) em 2002 — joint venture que posteriormente se consolidou como Samsung Display, uma das maiores fabricantes mundiais de telas OLED.

O televisor Sony XEL-1, lançado em 2007, foi a primeira televisão comercial equipada com painel OLED. A Universal Display Corporation (UDC), uma das desenvolvedoras pioneiras de materiais orgânicos, detém diversas patentes essenciais para a comercialização de OLEDs utilizadas pelos principais fabricantes globais.

Em 5 de dezembro de 2017, a JOLED, constituída a partir da fusão das divisões de OLED imprimível da Sony e da Panasonic, deu início às primeiras remessas comerciais do mundo de painéis OLED impressos por jato de tinta.

Princípio de funcionamento

Esquema de um OLED de camada dupla: 1. Cátodo (−), 2. Camada emissiva, 3. Emissão de radiação, 4. Camada condutora, 5. Ânodo (+)

Um OLED típico é composto por uma camada de materiais orgânicos posicionada entre dois eletrodos, o ânodo e o cátodo, todos depositados sobre um substrato. As moléculas orgânicas são eletricamente condutoras em decorrência da deslocalização de elétrons pi provocada pela conjugação ao longo de parte ou de toda a molécula. Esses materiais apresentam níveis de condutividade que variam de isolantes a condutores, sendo, por isso, considerados semicondutores orgânicos. O orbital molecular ocupado de mais alta energia e o desocupado de mais baixa energia (HOMO e LUMO) dos semicondutores orgânicos são análogos às bandas de valência e de condução dos semicondutores inorgânicos.

Originalmente, os OLEDs poliméricos mais básicos consistiam em uma única camada orgânica. Um exemplo foi o primeiro dispositivo emissor de luz sintetizado por J. H. Burroughes et al., que envolvia uma camada única de poli(p-fenileno vinileno). No entanto, OLEDs multicamadas ou tandem podem ser fabricados com duas ou mais camadas para aprimorar a eficiência do dispositivo e o equilíbrio de cargas. Além das propriedades condutoras, diferentes materiais podem ser escolhidos para auxiliar na injeção de cargas nos eletrodos, proporcionando um perfil eletrônico mais gradual, ou para bloquear uma carga antes que ela alcance o eletrodo oposto e seja desperdiçada. Muitos OLEDs modernos incorporam uma estrutura de camada dupla simples, consistindo em uma camada condutora e uma camada emissiva.

Em 2011, OLEDs convencionais alcançaram melhorias na eficiência quântica (atingindo até 19%) com o emprego de uma arquitetura de heterojunção graduada, na qual a composição dos materiais de transporte de lacunas e de elétrons varia continuamente dentro da camada emissiva com um emissor dopante. A arquitetura de heterojunção graduada combina as vantagens das arquiteturas convencionais, otimizando a injeção de portadores e, simultaneamente, equilibrando o transporte de cargas no interior da região emissiva.

Durante a operação, uma tensão elétrica é aplicada através do OLED de modo que o ânodo fique positivo em relação ao cátodo. Os ânodos são selecionados com base na qualidade de sua transparência óptica, condutividade elétrica e estabilidade química. Uma corrente de elétrons flui pelo dispositivo do cátodo para o ânodo, à medida que os elétrons são injetados no LUMO da camada orgânica no cátodo e retirados do HOMO no ânodo. Esse último processo também pode ser descrito como a injeção de lacunas de elétrons no HOMO. Forças eletrostáticas atraem os elétrons e as lacunas uns em direção aos outros, fazendo com que se recombinem e formem um éxciton, um estado ligado formado por um elétron e uma lacuna. Esse fenômeno ocorre mais próximo da porção da camada emissiva voltada para o transporte de elétrons, visto que, em semicondutores orgânicos, as lacunas geralmente apresentam maior mobilidade do que os elétrons. O decaimento desse estado excitado resulta em um relaxamento dos níveis de energia do elétron, acompanhado pela emissão de radiação cuja frequência situa-se no espectro visível. A frequência dessa radiação depende do hiato de banda do material, neste caso correspondente à diferença de energia entre o HOMO e o LUMO.

Como elétrons e lacunas são férmions de spin fracionário semieinteiro, um éxciton pode encontrar-se tanto em um estado singleto quanto em um estado tripleto, dependendo de como os spins do elétron e da lacuna foram combinados. Estatisticamente, três éxcitons tripletos são formados para cada éxciton singleto. O decaimento a partir de estados tripletos (fosforescência) é proibido por spin, o que amplia a escala temporal da transição e limita a eficiência quântica interna de dispositivos e camadas emissivas de OLEDs fluorescentes. Os diodos emissores de luz orgânicos fosforescentes (PHOLEDs) ou camadas emissivas fosforescentes utilizam interação spin-órbita para facilitar o cruzamento intersistemas entre os estados singleto e tripleto, obtendo assim emissão de ambos os estados e melhorando consideravelmente a eficiência interna.

O óxido de índio e estanho (ITO) é comumente empregado como material para o ânodo. Ele é transparente à luz visível e possui uma alta função trabalho, o que favorece a injeção de lacunas no nível HOMO da camada orgânica. Uma segunda camada condutora (de injeção) é tipicamente adicionada, a qual pode ser composta por PEDOT:PSS, já que o nível HOMO desse material geralmente se situa entre a função trabalho do ITO e o HOMO de outros polímeros comumente utilizados, reduzindo as barreiras energéticas para a injeção de lacunas. Metais como bário e cálcio são frequentemente utilizados no cátodo por apresentarem baixas funções trabalho, o que promove a injeção de elétrons no LUMO da camada orgânica. Tais metais são quimicamente reativos e, por isso, necessitam de uma camada protetora superior de alumínio para evitar degradação. Dois benefícios secundários da camada de cobertura de alumínio incluem a robustez para contatos elétricos e a reflexão traseira da luz emitida em direção à camada transparente de ITO.

Pesquisas experimentais comprovaram que as propriedades do ânodo — especificamente a topografia da interface entre o ânodo e a camada transportadora de lacunas (HTL) — desempenham um papel primordial na eficiência, no desempenho e na vida útil dos diodos emissores de luz orgânicos. Imperfeições na superfície do ânodo diminuem a adesão na interface entre o ânodo e o filme orgânico, aumentam a resistência elétrica e facilitam a formação mais frequente de pontos escuros não emissivos no material do OLED, afetando negativamente sua durabilidade. Mecanismos para reduzir a rugosidade do ânodo em substratos de vidro revestidos com ITO incluem o uso de filmes finos e monocamadas automontadas. Além disso, substratos e materiais anódicos alternativos vêm sendo avaliados para aumentar o desempenho e a vida útil dos OLEDs. Exemplos possíveis incluem substratos de safira monocristalina tratados com filmes anódicos de ouro (Au), resultando em menores funções trabalho, tensões operacionais e valores de resistência elétrica, além de prolongar a vida útil dos dispositivos.

Dispositivos de portador único são tipicamente empregados para investigar a cinética química e os mecanismos de transporte de carga de um material orgânico, mostrando-se úteis no estudo de processos de transferência de energia. Como a corrente elétrica que atravessa o dispositivo é composta por apenas um tipo de portador de carga — elétrons ou lacunas —, a recombinação não ocorre e nenhuma luz é emitida. Por exemplo, dispositivos exclusivos para elétrons podem ser obtidos substituindo-se o ITO por um metal de menor função trabalho, o que aumenta a barreira de energia para a injeção de lacunas. De forma análoga, dispositivos exclusivos para lacunas podem ser fabricados utilizando-se um cátodo feito unicamente de alumínio, o que resulta em uma barreira energética excessivamente elevada para a injeção eficiente de elétrons.

Equilíbrio de portadores

A injeção e a transferência equilibradas de cargas são fundamentais para a obtenção de alta eficiência interna, emissão pura da camada emissiva — sem emissões espúrias provenientes das camadas transportadoras de carga — e elevada estabilidade operacional. Uma abordagem comum para balancear as cargas consiste na otimização da espessura das camadas transportadoras, técnica que, contudo, é de difícil controle. Outro método baseia-se no uso de exciplexos. O exciplexo forma-se entre cadeias laterais transportadoras de lacunas (tipo p) e transportadoras de elétrons (tipo n) para localizar e confinar os pares elétron-lacuna. A energia é então transferida para o luminóforo, proporcionando alta eficiência. Um exemplo dessa aplicação envolve a enxertia de unidades laterais de oxadiazol e carbazol na cadeia principal de um copolímero dopado com dicetopirrolopirrol vermelho, demonstrando maior eficiência quântica externa e pureza de cor mesmo em OLEDs não otimizados.

Tecnologias de materiais

Pequenas moléculas

Alq₃, comumente utilizado em OLEDs de pequenas moléculas.

Os materiais eletroluminescentes orgânicos de pequenas moléculas apresentam vantagens como ampla variedade estrutural, facilidade de purificação e grande tolerância a modificações químicas. Para fazer com que os materiais luminescentes emitam luz na cor desejada, uma pequena fração de cromóforos ou grupos insaturados — tais como ligações de alceno e anéis benzênicos — costuma ser introduzida na estrutura molecular para alterar a extensão do sistema conjugado do material, modificando assim suas propriedades fotofísicas. De modo geral, quanto maior for a extensão do sistema de elétrons π conjugados, maior será o comprimento de onda da luz emitida pelo material. Por exemplo, com o aumento do número de anéis benzênicos, o pico de emissão de fluorescência de benzeno, naftaleno, antraceno e tetraceno sofre deslocamento progressivo para o vermelho, passando de 283 nm para 480 nm.

Os materiais eletroluminescentes orgânicos de pequenas moléculas mais comuns incluem complexos de alumínio, derivados de antraceno, derivados de bifenil-acetileno-arila, derivados de cumarina e diversos fluorocromos. OLEDs eficientes baseados em pequenas moléculas foram pioneiramente desenvolvidos por Ching W. Tang et al. na Eastman Kodak. O termo OLED tradicionalmente refere-se de maneira específica a esse tipo de dispositivo, embora a denominação SM-OLED também seja frequentemente empregada.

As moléculas comumente empregadas como hospedeiras (hosts) em OLEDs incluem quelatos organometálicos (por exemplo, Alq₃, utilizado no dispositivo emissor de luz orgânico relatado por Tang et al.), corantes fluorescentes e fosforescentes e dendrímeros conjugados. O Alq₃ tem sido utilizado como emissor de luz verde, material de transporte de elétrons e hospedeiro para corantes emissores de luz amarela e vermelha. O composto eutético chumbo-bismuto (PbBi) e 1,3,5-oxadiazinas (NON) podem ser usados como hospedeiros para emissores de luz azul com eficiência quântica de até 21%. O 8-hidroxiquinolinolato de lítio e o LiF podem ser empregados como emissores azul-esverdeados.

Diversas camadas de materiais podem ser aplicadas para aprimorar as propriedades de transporte de carga; por exemplo, a trifenilamina e seus derivados são amplamente empregados como materiais para camadas de transporte de lacunas (HTL). Corantes fluorescentes podem ser selecionados para obter emissão de luz em diferentes comprimentos de onda, e compostos como derivados de perileno, rubreno e quinacridona são utilizados com frequência.

Devido à flexibilidade estrutural dos materiais eletroluminescentes de pequenas moléculas, filmes finos podem ser preparados por deposição física de vapor sob vácuo, processo que, no entanto, é mais dispendioso e de aplicação limitada para dispositivos de grande área. Os sistemas de revestimento a vácuo, contudo, permitem executar todo o processo desde o crescimento do filme até a preparação do dispositivo OLED em um ambiente operacional controlado e completo, auxiliando na obtenção de filmes uniformes e estáveis e assegurando a fabricação final de dispositivos de alto desempenho. Todavia, corantes orgânicos de pequenas moléculas são propensos à supressão de fluorescência (fluorescence quenching) no estado sólido, resultando em menor eficiência de luminescência. Os dispositivos OLED dopados também são vulneráveis à cristalização, o que degrada a luminescência e a eficiência do sistema. Por conseguinte, o desenvolvimento de dispositivos baseados em materiais eletroluminescentes de pequenas moléculas enfrenta limitações decorrentes de altos custos de fabricação, menor estabilidade, vida útil reduzida e outros inconvenientes técnicos. Demonstrou-se também a emissão coerente a partir de um dispositivo SM-OLED tandem dopado com corante de laser, excitado em regime pulsado. Essa emissão é quase limitada por difração, apresentando largura espectral similar à de lasers de corante de banda larga.

Pesquisadores relataram luminescência a partir de uma única molécula de polímero, representando o menor dispositivo diodo emissor de luz orgânico (OLED) teoricamente possível. Espera-se que cientistas possam otimizar substâncias para gerar emissões luminosas mais potentes. Por fim, esse trabalho constitui um passo inicial rumo à fabricação de componentes em escala molecular que combinem propriedades eletrônicas e ópticas, os quais poderiam formar a base de computadores moleculares.

Diodos emissores de luz poliméricos

Poli(p-fenileno vinileno), utilizado no primeiro PLED.

Os diodos emissores de luz poliméricos (PLED, P-OLED), também denominados polímeros emissores de luz (LEP), empregam um polímero condutor eletroluminescente que emite luz quando submetido a uma tensão elétrica externa. São utilizados na forma de filme fino para telas coloridas de espectro total. Os OLEDs poliméricos são bastante eficientes e demandam uma quantidade relativamente modesta de energia em relação à intensidade luminosa gerada.

A deposição a vácuo não é um método apropriado para a formação de filmes finos de polímeros. Se os filmes de OLEDs poliméricos forem confeccionados por deposição física de vapor a vácuo, as unidades constituintes das cadeias moleculares sofrem cisão, comprometendo as propriedades fotofísicas originais do composto. No entanto, os polímeros podem ser processados em solução, sendo a deposição por rotação (spin coating) um método usual para a formação de filmes finos de polímeros. Essa abordagem mostra-se mais adequada para recobrir grandes áreas do que a evaporação térmica. O processo dispensa o uso de vácuo, e os materiais emissores também podem ser aplicados sobre o substrato por técnicas derivadas da impressão comercial por jato de tinta. Todavia, como a aplicação de camadas sucessivas tende a dissolver as camadas depositadas anteriormente, a formação de estruturas multicamadas torna-se desafiadora por meio desses métodos em solução. O cátodo metálico, por sua vez, ainda pode necessitar de deposição por evaporação térmica sob vácuo. Uma alternativa viável à evaporação a vácuo é a deposição por técnica de filme de Langmuir-Blodgett.

Os polímeros típicos utilizados em telas PLED incluem derivados de poli(p-fenileno vinileno) e polifluoreno. A introdução de cadeias laterais por reação de substituição na estrutura principal do polímero pode definir a cor da luz emitida, bem como ajustar a estabilidade e a solubilidade do material para otimizar seu desempenho e facilitar seu processamento. Embora o poli(p-fenileno vinileno) (PPV) não substituído seja tipicamente insolúvel, vários PPVs e poli(naftaleno vinileno)s (PNVs) correspondentes solúveis em solventes orgânicos ou em água foram sintetizados por polimerização por metátese com abertura de anel (ROMP). Esses polímeros hidrossolúveis ou polieletrólitos conjugados (CPEs) também podem ser empregados como camadas de injeção de lacunas isoladamente ou em associação com nanopartículas como o grafeno.

Comparação entre OLED e outras tecnologias de exibição

Os OLEDs diferem essencialmente dos LCDs, visto que os LCDs não emitem luz própria. Enquanto os OLEDs utilizam compostos orgânicos que emitem radiação eletromagnética sob a passagem de uma corrente elétrica, conforme exposto acima, os painéis LCD dependem de retroiluminação, e suas camadas de cristal líquido apenas reorientam a configuração molecular com base na corrente elétrica aplicada, de forma que as cores se manifestam por meio da polarização seletiva dessa luz. Os LEDs tradicionais também se distinguem dos OLEDs: operam igualmente com retroiluminação em configurações de tela semelhantes às de LCD, mas incorporam camadas semicondutoras sólidas com lacunas nas quais os elétrons penetram quando uma corrente elétrica é estabelecida. Os OLEDs também podem ser comparados às telas de pontos quânticos (QDLED), que podem incorporar elementos de OLED, mas atuam fundamentalmente como conversores cromáticos projetados para reproduzir cores sob uma mecânica óptica distinta, podendo ser associados a sistemas LCD ou arranjos de LED.

Os OLEDs são fundamentalmente distintos dos LEDs inorgânicos convencionais, cuja operação fundamenta-se na estrutura sólida cristalina de uma diodo p-n. Nos LEDs, a dopagem é empregada para delimitar regiões tipo p e tipo n por meio da modificação da condutividade do semicondutor hospedeiro. Os OLEDs não utilizam estruturas cristalinas p-n; neles, a dopagem tem por objetivo elevar a eficiência radiativa pela modulação quântica direta da taxa de recombinação óptica. Adicionalmente, a dopagem em OLEDs é empregada para fixar o comprimento de onda da emissão de fótons.

Materiais fosforescentes

Ir(mppy)₃, um dopante fosforescente emissor de luz verde.

Ver artigo principal: Diodo orgânico emissor de luz fosforescente

Os diodos emissores de luz orgânicos fosforescentes (PHOLEDs) utilizam o fenômeno da eletrofosforescência para converter energia elétrica em luz em um OLED com alta eficiência, aproximando a eficiência quântica interna desses dispositivos de 100%. PHOLEDs podem ser depositados por evaporação a vácuo utilizando máscaras de sombra.

Tipicamente, um polímero como o poli(N-vinilcarbazol) é empregado como material hospedeiro, ao qual um complexo organometálico é adicionado como dopante. Complexos de irídio, como o Ir(mppy)₃, tornaram-se o foco central de pesquisas a partir de 2004, embora complexos baseados em outros metais pesados, como a platina, também tenham sido explorados.

O átomo de metal pesado no centro desses complexos exibe acoplamento spin-órbita pronunciado, facilitando o cruzamento intersistemas entre os estados singleto e tripleto. Pelo uso desses materiais fosforescentes, tanto os éxcitons singletos quanto os tripletos sofrem decaimento radiativo, elevando consideravelmente a eficiência quântica interna do dispositivo em comparação com um OLED fluorescente convencional, no qual somente os estados singletos contribuem para a emissão de fótons.

Aplicações de OLEDs em iluminação de estado sólido exigem a obtenção de alta luminância associada a coordenadas cromáticas adequadas no espaço de cor CIE 1931 (para reprodução de luz branca). A integração de espécies macromoleculares como os silsesquioxanos oligoméricos poliédricos (POSS) em conjunto com emissores fosforescentes de irídio permitiu a confecção de OLEDs impressos que atingem luminâncias de até 10.000 cd/m².

Arquiteturas de dispositivos

Estrutura

Emissão pela base

a) Estruturas de OLED com emissão pela base e b) com emissão pelo topo; c,d) Diagramas esquemáticos baseados em OLEDs com emissão pela base e pelo topo exibindo razão de contraste baixa e alta, respectivamente.

O diodo orgânico emissor de luz com emissão pela base (BE-OLED) é a arquitetura que foi empregada nos estágios iniciais das telas AMOLED. Ela contava com um ânodo transparente fabricado sobre um substrato de vidro e um cátodo brilhante e reflexivo. A luz é emitida a partir da direção do ânodo transparente. Para refletir toda a luz em direção ao ânodo, utiliza-se um cátodo metálico relativamente espesso, como o de alumínio. Para o ânodo, o óxido de índio e estanho (ITO) de alta transparência era a escolha típica para permitir a passagem do máximo de radiação luminosa possível. Filmes finos orgânicos, incluindo a camada emissiva que efetivamente gera a luz, são então comprimidos entre o ânodo de ITO e o cátodo metálico refletor. A desvantagem da estrutura de emissão pela base é que a luz precisa atravessar os circuitos de acionamento dos pixels, tais como o substrato de transistores de película fina (TFT), de modo que a área útil a partir da qual a luz pode ser extraída é limitada e a eficiência da emissão luminosa é reduzida.

Emissão pelo topo

Uma configuração alternativa consiste em inverter o sentido de propagação da emissão. Um ânodo reflexivo e um cátodo transparente (ou, mais frequentemente, semitransparente) são utilizados para que a luz seja emitida pelo lado do cátodo, configuração essa denominada OLED de emissão pelo topo (TE-OLED). Diferentemente dos BEOLEDs, em que o ânodo é feito de ITO condutor transparente, nesta configuração é o cátodo que precisa ser transparente; contudo, o material ITO não constitui a escolha ideal para o cátodo devido a danos provocados pelo processo de pulverização catódica (sputtering). Assim, uma película metálica fina — como prata pura (Ag) ou uma liga de magnésio e prata (Mg:Ag) — é utilizada para o cátodo semitransparente em razão de sua alta transmitância e alta condutividade elétrica. Em contraste com a emissão pela base, a luz é extraída pelo lado oposto na emissão pelo topo, sem a necessidade de atravessar múltiplos circuitos de acionamento. Por conseguinte, a luz gerada pode ser extraída com maior eficiência.

As arquiteturas modernas empregam cátodo individualizado, camada de injeção de elétrons dopada com dopante tipo N (EIL), camada de transporte de elétrons (ETL), camada emissiva dopada (EML), camada de transporte de lacunas (HTL), camada de injeção de lacunas dopada com dopante tipo P (HIL) e, por fim, o ânodo. Podem existir diversas camadas emissivas de luz naquilo que é conhecido como OLED empilhado (stacked OLED), além de uma camada de extração de luz sobre o dispositivo e outra na superfície externa do vidro do componente, por onde a luz emerge através de uma película de extração óptica composta por microlentes.

Aperfeiçoamentos

Deutério

O emprego de deutério em substituição ao hidrogênio — ou seja, o uso de compostos deuterados — nas camadas emissoras de luz vermelha, verde, azul e branca, bem como em outras camadas adjacentes em telas OLED, pode elevar o seu brilho em até 30%. Esse ganho é obtido pelo aumento da capacidade de condução de corrente elétrica e pelo prolongamento da vida útil desses materiais sob estresse operacional.

Arranjo de microlentes (MLA)

A criação de concavidades microscópicas em formato de lentes sobre a camada transparente através da qual a luz de um OLED é emitida reduz a dispersão interna de fótons no painel e os direciona para a frente, aumentando expressivamente a luminância frontal.

Teoria da microcavidade

A tecnologia Super Top Emission OLED da Sony otimiza a pureza cromática da luz emitida.

Quando frentes de onda luminosas se encontram propagando-se pelo mesmo meio, ocorre o fenômeno da interferência ondulatória, que pode ser de natureza construtiva ou destrutiva. Em diversas aplicações ópticas, busca-se somar ondas de mesma frequência para produzir uma onda resultante com maior amplitude.

Como ambos os eletrodos são reflexivos no TEOLED, reflexões internas ocorrem no interior do diodo, originando interferências mais complexas do que as observadas em BEOLEDs. Além da interferência de dois feixes, estabelece-se uma interferência de ressonância múltipla entre os dois eletrodos. Como a estrutura física dos TEOLEDs assemelha-se à de um interferômetro de Fabry-Perot ou a uma cavidade óptica de laser — que contém dois espelhos paralelos correspondentes aos eletrodos reflexivos —, esse efeito manifesta-se de forma acentuada no TEOLED. A interferência de feixes duplos e as ressonâncias de Fabry-Perot constituem os principais determinantes da intensidade espectral de saída do OLED. Esse fenômeno óptico é denominado "efeito de microcavidade".

No caso do OLED, isso implica que a cavidade em um TEOLED pode ser projetada especificamente para amplificar a intensidade luminosa de saída e estreitar a largura de banda dos comprimentos de onda, aumentando a pureza cromática sem elevar o consumo de potência elétrica. Em TEOLEDs, o efeito de microcavidade é intrínseco, sendo essencial controlar e modular essa propriedade durante o dimensionamento das camadas. Para satisfazer as condições de interferência construtiva, diferentes espessuras de camada são aplicadas em consonância com o comprimento de onda de ressonância de cada cor específica. As espessuras são dimensionadas rigorosamente com base nos picos de emissão ressonante do azul (460 nm), verde (530 nm) e vermelho (610 nm). Essa técnica melhora consideravelmente o rendimento luminoso dos OLEDs e permite cobrir uma gama de cores mais ampla devido à alta pureza espectral obtida.

Filtros de cor

No chamado método de "branco + filtro de cor" (também conhecido pela sigla WOLED), as emissões vermelha, verde e azul são geradas a partir de uma mesma fonte emissora de luz branca associada a diferentes filtros de cor. Por essa técnica, os materiais orgânicos geram luz branca contínua, que é filtrada seletivamente para produzir as componentes primárias RGB. A abordagem elimina a necessidade de depositar três materiais orgânicos emissores distintos lado a lado, exigindo apenas um tipo de formulação emissora por camada para compor a luz branca. Também contorna a taxa de degradação diferencial dos subpixels azuis frente aos verdes e vermelhos. As desvantagens residem na menor pureza de cor e em contrastes mais baixos. Além disso, os filtros absorvem parcela substancial da radiação gerada, demandando uma intensidade luminosa basal de fundo mais elevada para compensar as perdas por filtragem, o que pode aumentar o consumo energético global do painel.

Painéis comerciais de televisores OLED baseados nessa técnica são comumente descritos pelas nomenclaturas WOLED ou WRGB OLED. O termo WOLED refere-se ao uso de emissores brancos combinados a filtros coloridos. Em muitos televisores com essa arquitetura, um quarto subpixel puramente branco permite a passagem de luz sem filtragem, sendo utilizado para elevar o pico de brilho do painel. Nos primeiros televisores OLED comerciais, a Samsung adotou um arranjo com subpixels RGB discretos, enquanto a LG optou pela arquitetura baseada em subpixels brancos associados a filtros de cores.

Filtros de cor também podem ser integrados a OLEDs de emissão pela base e de emissão pelo topo. Ao posicionar filtros RGB correspondentes após o cátodo semitransparente, obtêm-se faixas espectrais ainda mais puras. A conjugação de microcavidades com filtros de cor em OLEDs de emissão pelo topo contribui ainda para elevar a razão de contraste, reduzindo a reflexão parasita da luz ambiente incidente. Em painéis convencionais, um polarizador circular é instalado sobre a superfície frontal para atenuar reflexos do ambiente, o que, por outro lado, diminui a quantidade de luz útil emitida. Substituindo essa camada polarizadora por filtros de cores ajustados, o rendimento luminoso não é prejudicado e a quase totalidade da luz ambiente refletida é bloqueada, proporcionando melhor contraste, diminuindo a necessidade de operar os pixels com brilho excessivo e reduzindo a demanda energética.

Outras arquiteturas

OLEDs transparentes

OLEDs transparentes (TOLEDs) utilizam eletrodos transparentes ou semitransparentes em ambas as faces do componente para criar dispositivos capazes de emitir radiação luminosa tanto pela base quanto pelo topo. Essa tecnologia permite elevar o contraste perceptual sob luz solar direta intensa, encontrando aplicações em visores head-up, janelas inteligentes e dispositivos de realidade aumentada.

Heterojunção graduada

OLEDs com heterojunção graduada reduzem progressivamente a proporção entre as substâncias transportadoras de lacunas e as transportadoras de elétrons ao longo da espessura do filme. Esse arranjo permite praticamente duplicar a eficiência quântica em relação a dispositivos de junção abrupta.

OLEDs empilhados

OLEDs empilhados utilizam uma arquitetura na qual os subpixels vermelho, verde e azul são posicionados uns sobre os outros em camadas verticais, em vez de dispostos lado a lado. Essa sobreposição amplia a profundidade de cor e reduz o espaçamento intersticial entre pixels. As tecnologias convencionais com subpixels RGB (ou RGBW) dispostos lateralmente tendem a limitar a densidade de resolução espacial máxima alcançável.

OLEDs em tandem (ou série) utilizam múltiplas unidades emissivas da mesma cor empilhadas verticalmente e interligadas por camadas de geração de carga, o que eleva a luminância e a durabilidade operacional do painel sob a mesma densidade de corrente.

OLED invertido

Ao contrário do OLED tradicional, no qual o ânodo fica em contato direto com o substrato, o OLED invertido emprega um cátodo inferior que pode ser conectado diretamente ao dreno de um transistor TFT de canal n, apresentando grande utilidade para matrizes baseadas em silício amorfo de baixo custo na fabricação de telas AMOLED.

Todas as telas OLED (tanto de matriz passiva quanto ativa) necessitam de circuitos integrados controladores (drivers), frequentemente encapsulados mediante a tecnologia chip-on-glass (COG) com aplicação de filme condutor anisotrópico.

OLED de pontos quânticos (QD-OLED)

Nessa variante, as cores geradas pelo diodo são aprimoradas mediante o uso de nanocristais semicondutores (pontos quânticos) que convertem os comprimentos de onda da radiação emitida. O arranjo OLED primário gera luz azul pura, cuja frequência é convertida por camadas de pontos quânticos sintonizados para emitir as cores verde e vermelha com bandas espectrais estreitas. Esse método contrasta com os painéis convencionais baseados em OLEDs brancos filtrados, proporcionando maior pureza cromática e volume de cor superior.

Processo de fabricação

As telas OLED são fabricadas de maneira semelhante aos LCDs, incluindo a produção de múltiplos painéis sobre um substrato-matriz único que é posteriormente afinado e cortado em diversas telas individuais. Os substratos empregados em painéis OLED apresentam as mesmas dimensões padronizadas utilizadas na fabricação de LCDs. Na manufatura de OLEDs, após a formação dos transistores TFT (para telas de matriz ativa), das matrizes de grade endereçável (para matriz passiva) ou dos segmentos de óxido de índio e estanho (ITO, para visores segmentados), o painel recebe o revestimento das camadas de injeção, transporte e bloqueio de lacunas, bem como do material eletroluminescente aplicado após as duas primeiras etapas, seguido da deposição de ITO ou de metal para atuar como cátodo. Em seguida, toda a pilha de materiais sobrepostos é encapsulada para proteção ambiental. A camada TFT, a grade endereçável ou os segmentos de ITO funcionam como ou conectam-se ao ânodo, que pode ser composto por ITO ou ligas metálicas. Os OLEDs podem ser configurados em estruturas flexíveis e transparentes; telas transparentes são empregadas em smartphones equipados com sensores ópticos de impressão digital sob a tela, enquanto telas flexíveis são aplicadas em smartphones dobráveis. Um polarizador circular é comumente laminado sobre o painel OLED para aprofundar os níveis de preto e, consequentemente, elevar as razões de contraste em ambientes densamente iluminados, atenuando as reflexões ópticas da luz externa. No entanto, painéis QD-OLED podem dispensar o uso de filtros polarizadores.

Tecnologias de padronização de cores

Método de padronização por máscara de sombra

O método de padronização mais amplamente utilizado para telas orgânicas emissoras de luz é o mascaramento de sombra durante a deposição de filmes, também denominado método "RGB lado a lado" (RGB side-by-side) ou "pixelação RGB". Lâminas metálicas dotadas de múltiplas aberturas, confeccionadas com materiais de baixa expansão térmica como ligas de níquel, são posicionadas entre a fonte de evaporação aquecida e o substrato. Dessa forma, o material orgânico ou inorgânico proveniente da fonte de evaporação é bloqueado pela lâmina e impedido de atingir a maior parte do substrato, depositando-se exclusivamente nas posições desejadas deste, enquanto o restante se acumula sobre a própria lâmina. Quase todas as telas OLED de pequenas dimensões para smartphones são fabricadas por meio dessa abordagem.

Máscaras metálicas finas (FMMs, do inglês Fine Metal Masks) fabricadas por usinagem fotoquímica com Invar — lembrando as antigas máscaras de sombra dos tubos de raios catódicos (CRT) — são utilizadas nesse processo. A densidade de pontos da máscara determina a densidade de pixels da tela final. As máscaras finas híbridas (FHMs, do inglês Fine Hybrid Masks) são mais leves do que as FMMs convencionais, reduzindo deformações estruturais causadas pelo próprio peso da máscara, e são produzidas por processo de eletroformação.

Esse processo exige o aquecimento dos materiais eletroluminescentes a 300 °C por método térmico sob alto vácuo de 10⁻⁵ Pa. Um sensor de oxigênio assegura que nenhum vestígio de gás oxigênio penetre na câmara, pois isso poderia danificar (por oxidação) o material eletroluminescente em pó. A máscara é alinhada com o substrato-matriz antes de cada ciclo de uso e posicionada logo abaixo deste. O conjunto formado pelo substrato e pela máscara é instalado no topo da câmara de deposição. Em seguida, a camada de eletrodo é depositada submetendo pós de prata e alumínio a temperaturas de 1000 °C por meio de um feixe de elétrons. As máscaras de sombra viabilizam densidades de pixels elevadas de até 2.250 ppp (886 pontos/cm), parâmetros essenciais para óculos e capacetes de realidade virtual.

Método de emissão branca com filtros de cor (WOLED)

Embora o método de padronização por máscara de sombra seja uma tecnologia consolidada empregada desde as primeiras linhas de fabricação de OLED, ele gera inconvenientes como a formação de pontos escuros resultantes do contato físico entre a máscara e o substrato ou desalinhamentos de padronização causados pela deformação térmica e mecânica da lâmina. Tais defeitos podem ser toleráveis em telas de pequenas dimensões; contudo, criam problemas críticos na fabricação de telas de grande porte, provocando perdas severas de rendimento industrial. Para contornar essas limitações, dispositivos de emissão branca integrados a filtros de cor de 4 subpixels (branco, vermelho, verde e azul) passaram a ser empregados em televisores de grandes dimensões. A despeito da atenuação por absorção luminosa nos filtros, os televisores OLED modernos reproduzem cores com grande fidelidade — cobrindo até 100% do espaço NTSC — mantendo consumo elétrico moderado. Isso é alcançado pela sintonização de espectros de emissão de alta sensibilidade para o olho humano, pelo uso de filtros de cores especiais com baixa sobreposição espectral e por ajustes cromáticos orientados por análise estatística da imagem. Essa estratégia técnica é igualmente conhecida como método Color-by-white.

A disposição de quatro subpixels (branco, vermelho, verde e azul) utilizada em diversos painéis de televisores OLED desse tipo é frequentemente denominada WRGB OLED. Essa arquitetura difere dos painéis RGB OLED de emissão direta e dos arranjos QD-OLED. O RGB OLED direto emprega subpixels emissores separados de luz vermelha, verde e azul, enquanto o QD-OLED utiliza luz azul primária gerada por OLED convertida parametricamente por pontos quânticos, dispensando a filtragem passiva do arranjo WOLED. Tanto o WOLED quanto o QD-OLED são tecnologias autoemissivas, ao passo que as televisões Mini LED são telas LCD que empregam retroiluminação por micro-LEDs, comumente organizados em zonas de atenuação local (local dimming).

Outras abordagens de padronização de cor

Outras tecnologias de padronização emergentes foram desenvolvidas para aprimorar a viabilidade industrial dos OLEDs:

Os dispositivos orgânicos emissores de luz foto e termopadronizáveis utilizam camadas eletroativas ativadas por incidência de luz ou calor. Um material latente (PEDOT-TMA) é incorporado a essa camada e, após sofrer ativação, converte-se em uma camada injetora de lacunas de alta eficiência. Por esse processo, dispositivos emissores de luz podem ser estruturados em geometrias e padrões arbitrários.

A padronização de cores também pode ser realizada por varredura a laser, como no processo de transferência por sublimação induzida por radiação (RIST).

A impressão por jato de vapor orgânico (OVJP) emprega um gás carreador inerte, como o argônio ou o nitrogênio, para transportar moléculas orgânicas evaporadas (de modo análogo à deposição orgânica em fase de vapor). O fluxo gasoso é ejetado através de um bico micrométrico — ou de uma matriz de microbicos — posicionado próximo ao substrato em translação contínua. Esse método permite a impressão de padrões multicamadas arbitrários sem a utilização de solventes líquidos.

Semelhante à deposição de materiais por jato de tinta, a corrosão por jato de tinta (IJE, do inglês Inkjet Etching) deposita volumes microscópicos precisos de solvente sobre o substrato, dissolvendo seletivamente o material para produzir microrrelevos estruturados. A corrosão por jato de tinta em camadas poliméricas de OLEDs é empregada para elevar a eficiência de extração de luz. Nos OLEDs, a radiação luminosa gerada nas camadas emissivas é parcialmente transmitida para o meio externo e parcialmente aprisionada no interior do dispositivo por reflexão interna total (TIR). Essa radiação confinada propaga-se como guia de onda pelas camadas internas até alcançar as bordas do dispositivo, onde é dissipada por absorção ou espalhamento periférico. A corrosão por jato de tinta pode ser empregada para alterar seletivamente a textura das camadas poliméricas das estruturas OLED, atenuando a reflexão interna total e elevando a taxa de extração óptica. Em comparação com camadas poliméricas planas, a camada texturizada pelo processo IJE reduz a reflexão interna do dispositivo. Os solventes empregados no processo IJE são predominantemente orgânicos em vez de aquosos, devido à sua natureza química neutra e à capacidade de dissolver os compostos em temperaturas inferiores ao ponto de ebulição da água.

A impressão por transferência (transfer-printing) é uma técnica emergente para a montagem em larga escala de dispositivos OLED e AMOLED em matrizes paralelas com alta eficiência. O método aproveita etapas convencionais de metalização, fotolitografia e corrosão química para criar marcas de alinhamento sobre vidro ou outros substratos. Camadas adesivas poliméricas finas são aplicadas para aumentar a tolerância a partículas e defeitos de superfície. Circuitos integrados microscópicos são transferidos por estampagem para a superfície adesiva e curados termicamente para fixação definitiva. Uma camada polimérica fotossensível suplementar é aplicada sobre o conjunto para compensar os desníveis topográficos introduzidos pelos circuitos integrados, restabelecendo uma superfície plana. Processos subsequentes de fotolitografia e corrosão removem frações do polímero para expor as ilhas de contato condutoras dos circuitos integrados. Em seguida, a camada anódica é depositada sobre a matriz traseira para formar o eletrodo inferior. As camadas ativas do OLED são depositadas sobre o ânodo por métodos convencionais de deposição de vapor e recobertas por um eletrodo metálico condutor superior. A técnica demonstrou capacidade de impressão sobre substratos de até 500 mm × 400 mm, demandando ampliações de escala de área para tornar-se um processo amplamente difundido na fabricação de telas de grande porte.

Telas OLED experimentais fabricadas por técnicas convencionais de fotolitografia em substituição às máscaras metálicas finas (FMMs) foram demonstradas com sucesso, permitindo o processamento de substratos de grandes dimensões (ao eliminar a exigência de máscaras com área equivalente à do substrato-matriz) e mantendo controle favorável de rendimento. A fabricante Visionox anunciou o emprego de processos fotolitográficos dedicados para a deposição e padronização dos materiais orgânicos emissores de OLED.

Painéis traseiros de transistores de película fina

Para uma tela de alta resolução, como um televisor, um painel traseiro (backplane) de transistor de película fina (TFT) é indispensável para acionar e controlar os pixels de forma precisa. Até 2019, o silício policristalino de baixa temperatura (LTPS) – TFT era amplamente utilizado para telas AMOLED comerciais devido à sua capacidade superior de condução de corrente elétrica em relação aos TFTs de silício amorfo (a-Si). O LTPS-TFT apresenta variações de desempenho ao longo da superfície da tela, motivo pelo qual diversos circuitos de compensação foram desenvolvidos. Devido às limitações de tamanho do feixe de laser de excímero empregado na produção do LTPS, as dimensões físicas das telas AMOLED eram restritas. Para superar esse entrave relacionado ao tamanho do painel, matrizes traseiras baseadas em silício amorfo/silício microcristalino foram pesquisadas e validadas por meio de demonstrações de protótipos de grandes dimensões. Um painel traseiro de óxido de índio, gálio e zinco (IGZO) também pode ser empregado. Telas OLED de grande porte costumam utilizar, alternativamente, transistores TFT semicondutores de óxidos amorfos (AOS), também chamados de TFTs de óxido, sendo estes geralmente baseados em IGZO.

Muitas telas AMOLED utilizam transistores TFT de tecnologia LTPO. Esses transistores oferecem estabilidade operacional em baixas taxas de atualização e suportam taxas de atualização variáveis, permitindo a construção de telas com baixo consumo de energia que operam sem gerar artefatos visuais.

Vantagens

O processo diferenciado de fabricação dos OLEDs apresenta diversas vantagens em relação às telas planas produzidas com a tecnologia LCD.

Menor custo no futuro

Os OLEDs podem ser impressos sobre qualquer substrato adequado por meio de impressoras a jato de tinta ou até mesmo por serigrafia, tornando-os teoricamente mais baratos de produzir do que telas LCD ou de plasma. No entanto, a fabricação do substrato OLED até 2018 ainda apresentava custos superiores à dos LCDs TFT. Os métodos de deposição de vapor rolo a rolo (roll-to-roll) para dispositivos orgânicos possibilitam a produção em massa de milhares de unidades por minuto a custos reduzidos; contudo, essa técnica também impõe desafios: dispositivos multicamadas podem ser complexos de produzir devido ao alinhamento de impressão (registration) — ou seja, o ajuste de precisão exigido para sobrepor as diferentes camadas impressas.

Substratos plásticos leves e flexíveis

As telas OLED podem ser fabricadas sobre substratos plásticos flexíveis, viabilizando a produção de diodos emissores de luz orgânicos flexíveis para aplicações inovadoras, tais como telas enroláveis integradas a tecidos ou vestuário. Se for empregado um substrato como o poli(tereftalato de etileno) (PET), os displays podem ser produzidos com baixo custo. Além disso, os substratos plásticos são resistentes a impactos e estilhaçamento, diferentemente dos painéis de vidro usados em dispositivos LCD. Telas OLED flexíveis são confeccionadas sobre filmes plásticos de poliamida fixados a placas de vidro durante o processo produtivo. Uma vez encapsulado o display OLED, utiliza-se um laser para separar a película plástica do vidro por meio de um processo de descolamento a laser (Laser Lift-Off – LLO). A flexibilidade desses substratos permite projetar dispositivos menores, mais finos e substancialmente mais leves.

Eficiência energética

Os LCDs filtram a luz emitida por uma fonte de retroiluminação, permitindo a passagem de apenas uma pequena fração dessa radiação. Por essa razão, não conseguem reproduzir o preto absoluto. Em contrapartida, um elemento OLED inativo não emite luz nem consome energia elétrica, proporcionando pretos verdadeiros. A eliminação da camada de retroiluminação também torna os painéis OLED mais leves, dispensando alguns substratos intermediários.

Tempo de resposta

Os OLEDs possuem um tempo de resposta de pixel muito mais rápido do que os LCDs. Utilizando tecnologias de compensação de tempo de resposta, os LCDs modernos mais velozes atingem valores de até 1 ms para sua transição de cor mais rápida e suportam taxas de atualização de até 240 Hz. De acordo com a LG, o tempo de resposta dos OLEDs é até 1.000 vezes mais veloz do que o dos LCDs, situando-se em estimativas conservadoras abaixo de 10 μs (0,01 ms), o que teoricamente permitiria frequências de atualização próximas a 100 kHz (100.000 Hz). Graças a essa rapidez extrema, os painéis OLED podem ser projetados para operar em modo estroboscópico (strobing), simulando o efeito de varredura dos tubos CRT para eliminar a persistência retiniana típica do método de retenção contínua (sample-and-hold) observado em LCDs e em alguns OLEDs, reduzindo a percepção de desfoque de movimento.

Suporte a ampla faixa dinâmica (HDR)

Como os OLEDs podem desligar pixels individuais para exibir o preto absoluto, a razão de contraste da tela atinge níveis extremamente elevados, viabilizando a exibição de imagens e vídeos em grande alcance dinâmico (HDR) com excepcional fidelidade visual. Para a exibição correta, o conteúdo precisa ser codificado em um formato HDR compatível, variando o suporte entre os diferentes modelos de telas OLED. A luminância máxima (pico de brilho) também varia de acordo com o painel OLED, influenciando diretamente a amplitude da faixa dinâmica capaz de ser reproduzida.

Desvantagens

Tela de polímero emissor de luz (LEP) apresentando falha parcial.

Uma tela OLED antiga exibindo marcas de desgaste.

Vida útil

O principal obstáculo técnico dos OLEDs reside na durabilidade limitada dos materiais orgânicos. Um relatório técnico de 2008 sobre um painel de televisor OLED constatou que, após 1.000 horas de uso, a luminância do azul degradou-se em 12%, a do vermelho em 7% e a do verde em 8%. Em particular, os OLEDs emissores de luz azul da época apresentavam uma vida útil estimada em cerca de 14.000 horas até atingirem metade do brilho original (equivalente a cinco anos operando oito horas por dia) quando aplicados em monitores de tela plana. Esse valor é inferior à vida útil convencional observada em tecnologias LCD, LED ou de plasma (PDP), que normalmente operam entre 25.000 e 40.000 horas até a meia-vida do brilho, a depender do fabricante e do modelo. Um desafio crucial para as telas OLED é a formação de manchas escuras (dark spots) ocasionada pela infiltração de oxigênio e umidade, o que degrada o composto orgânico ao longo do tempo, quer a tela esteja energizada ou não. Em 2016, a LG Electronics anunciou uma expectativa de durabilidade de 100.000 horas para seus painéis, um avanço frente às 36.000 horas estimadas em 2013. Um documento técnico do Departamento de Energia dos Estados Unidos indicou que a vida útil de produtos de iluminação OLED reduz-se com o incremento do brilho, correspondendo a uma estimativa de 40.000 horas operando a 25% de intensidade e caindo para 10.000 horas em regime de 100% de luminância. Quando comparados aos LCDs, os monitores OLED podem apresentar maior vulnerabilidade à retenção permanente de imagem (burn-in) e à perda progressiva de luminância máxima.

Degradação física e química

A degradação manifesta-se em decorrência do acúmulo de centros de recombinação não radiativa e de desativadores de luminescência (quenchers) no interior da zona emissiva. Considera-se que a quebra química estrutural nos semicondutores transcorre em quatro etapas sucessivas:

1. recombinação de portadores de carga estimulada pela absorção de luz UV;
2. dissociação homolítica;
3. reações de adição radicalar subsequentes que originam radicais π;
4. desproporcionamento entre pares de radicais resultando em reações de transferência de átomos de hidrogênio.

Em 2007, foram sintetizados protótipos experimentais de OLED capazes de sustentar 400 cd/m² de luminância por mais de 198.000 horas para emissores verdes e 62.000 horas para azuis. Em 2012, a durabilidade medida até metade do brilho nominal foi estendida para 900.000 horas no espectro vermelho, 1.450.000 horas no amarelo e 400.000 horas no verde, partindo de uma luminância de referência de 1.000 cd/m². O encapsulamento hermético rigoroso é indispensável para prolongar a vida útil das telas, visto que os materiais eletroluminescentes são vulneráveis à presença de oxigênio gasoso e umidade. Ao entrarem em contato com vapores de água ou oxigênio, os polímeros e moléculas oxidam-se e degradam-se, formando pontos escuros e atrofiando a área ativa capaz de emitir radiação óptica, processo que pode atingir pixels individualmente. Isso também deflagra a delaminação mecânica das camadas de eletrodos, culminando na inutilização completa do painel.

A degradação desencadeada pela água desenvolve-se cerca de três ordens de grandeza mais rapidamente do que a promovida pelo contato com oxigênio molecular. O encapsulamento protetor pode ser realizado por vedação com resinas epóxi aditivadas com dessecação química, pela laminação de lâminas vítreas com adesivos e dessecantes submetidas a desoxigenação a vácuo, ou mediante encapsulamento de película fina (TFE, do inglês Thin-Film Encapsulation), técnica que sobrepõe finas camadas orgânicas e inorgânicas de modo alternado. As camadas orgânicas são aplicadas por métodos de impressão por jato de tinta, ao passo que as barreiras inorgânicas são sintetizadas por deposição de camada atômica (ALD). Essa selagem é conduzida sob atmosfera controlada purgada com nitrogênio e colas ópticas fluidas curadas por UV (LOCA), ao passo que as deposições eletroluminescentes e metálicas transcorrem sob alto vácuo. O maquinário produtivo opera as etapas de conformação e encapsulamento em linha integrada após a estruturação prévia dos transistores de película fina (TFTs) sobre os substratos.

Equilíbrio de cores

Os compostos orgânicos formulados para a emissão de luz azul degradam-se de forma substancialmente mais veloz do que os homólogos emissores de luz verde e vermelha; em outros termos, a intensidade da luz azul decai proporcionalmente mais rápido ao longo do tempo. Esse diferencial assimétrico altera progressivamente o equilíbrio de cores da tela, distorção visual perceptualmente mais evidente ao olho humano do que a diminuição uniforme da luminância de todo o painel. O efeito pode ser contornado parcialmente por recalibrações do perfil cromático por software, demandando circuitos de controle complexos ou intervenção do usuário. Na prática fabril, a solução mais comum adotada pelas fabricantes consiste em alterar o dimensionamento geométrico dos subpixels R, G e B, ampliando a área das unidades azuis para reduzir a densidade de corrente elétrica incidente sobre elas e equalizar as taxas de desgaste temporal. Comumente, o subpixel azul chega a ser desenhado 75% maior do que a unidade verde, ao passo que o subpixel vermelho é tipicamente concebido em torno de 10% maior que o verde.

Eficiência dos emissores azuis

O aprimoramento da eficiência quântica e da estabilidade físico-química dos emissores azuis constitui um fator determinante para a consolidação dos OLEDs em substituição plena às tecnologias de LCD. Esforços de pesquisa concentram-se no desenvolvimento de materiais emissores azuis com alta eficiência quântica externa (EQE) associada a coordenadas cromáticas de espectro azul profundo.

Desde 2012, pesquisas priorizam moléculas orgânicas baseadas no fenômeno da fluorescência retardada ativada termicamente (TADF), princípio identificado por centros como o OPERA da Universidade de Kyushu e o CPOS da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara. A mecânica TADF viabiliza emissores azuis processáveis em solução estáveis e eficientes (permitindo a aplicação em camadas mais finas) com eficiência quântica interna teórica alcançando até 100%. No início de 2017, materiais TADF baseados em grupos aceptores de elétrons do tipo boro em ponte de oxigênio alcançaram expressivos saltos de desempenho: a eficiência quântica externa em OLEDs TADF verdes e azuis chegou a atingir 38%, mantendo estreita largura a meia altura (FWHM) e pureza cromática elevada. Em 2022, Han et al. sintetizaram uma molécula emissora do tipo doador-aceptor (D-A) denominada TDBA-Cz, demonstrando que a inserção de duas frações de carbazol no mesmo núcleo aromático de um centro aceptor de trifenilboro contendo pontes de oxigênio restringia eficientemente o relaxamento conformacional durante a transição radiativa. Essa restrição molecular resultou em uma emissão azul de banda estreita, fazendo do TDBA-Cz o primeiro composto azul não dopado a atingir simultaneamente uma FWHM reduzida a 45 nm e uma EQE máxima de 21,4% em arquiteturas TADF-OLED.

As arquiteturas de emissores azuis TADF foram projetadas para inserção no mercado voltadas a painéis WOLED com filtros de cores e em arranjos OLED azuis associados a filtros de cores baseados em pontos quânticos impressos.

Danos por umidade e água

O contato com água destrói instantaneamente as estruturas moleculares orgânicas emissores das telas. Portanto, o aperfeiçoamento contínuo dos processos de blindagem e vedação hermética é um requisito primordial para a viabilidade industrial de painéis duráveis, sendo essa penetração de umidade um dos fatores que mais restringe a vida útil de arranjos flexíveis.

Desempenho sob luz solar e ambientes externos

Por ser uma tecnologia fundamentalmente emissiva, o OLED depende de maneira integral da conversão de corrente elétrica em fótons visíveis, em contraste com a maioria dos painéis de cristal líquido (LCD), que apresentam características parcialmente reflexivas. O papel eletrônico (e-paper) lidera em eficiência sob luminosidade externa, apresentando cerca de 33% de refletância da luz ambiente e dispensando retroiluminação dedicada. Em contrapartida, o cátodo metálico de um OLED opera como uma superfície espelhada reflexiva, cuja refletância atinge cerca de 80%, resultando em baixa legibilidade visual sob iluminação incidente intensa como a luz solar direta. No entanto, com a laminação precisa de um polarizador circular e películas com revestimento antirreflexo, a refletância difusa de fundo pode ser reduzida a níveis inferiores a 0,1%. Sob iluminação ambiente de 10.000 velas-pé (condição padrão de laboratório para simulação da luz do dia ao ar livre), obtém-se um contraste fotópico de cerca de 5:1. Desenvolvimentos estruturais na densidade luminosa dos OLEDs permitiram superar o desempenho de painéis LCD em ambientes externos ensolarados; a tela AMOLED empregada no smartphone Samsung Galaxy S5, por exemplo, demonstrou desempenho superior aos modelos LCD contemporâneos em termos de eficiência energética, luminância máxima e controle de reflexão externa.

Consumo de energia elétrica

Ao reproduzir quadros com predomínio de áreas pretas, um OLED consome aproximadamente 40% da energia demandada por um painel LCD equivalente; na média de exibição da maioria das imagens, seu consumo elétrico situa-se na faixa de 60% a 80% do valor de um LCD. Contudo, ao projetar imagens com fundos totalmente brancos — comuns em documentos de texto e em páginas da internet —, um OLED pode consumir mais de 300% da potência gasta por um LCD convencional. Essa característica pode reduzir de modo expressivo a autonomia de bateria em dispositivos móveis caso interfaces com temas predominantemente claros permaneçam ativas continuamente.

Cintilação de tela (flicker)

Diversos painéis OLED utilizam a modulação por largura de pulso (PWM) para realizar a gradação de brilho e as transições de luminância. Nesse mecanismo, para simular um tom de cinza ou brilho reduzido, os pixels são ligados e desligados em ciclos ultravelozes contínuos, induzindo um efeito estroboscópico de cintilação. O método alternativo — o escurecimento por corrente contínua (DC dimming) — atenua o brilho variando linearmente a corrente aplicada, eliminando a cintilação do painel mas introduzindo distorções no equilíbrio de cores e perda de uniformidade em baixas luminâncias. Por outro lado, a modulação por pulsos rápidos (PWM) pode provocar fadiga visual e desconforto ocular em usuários suscetíveis.

Fabricantes e usos comerciais

Imagem ampliada da tela AMOLED no smartphone Google