Знание-сила, 2008 № 02 (968)

LED, OLED, TOLED и все такое прочее

Этого человека я увидел в очереди к зубному врачу. Врач принимал в холле небольшой гостиницы, и человек этот метался по сверкающим плитам каменного пола, возбужденно жестикулируя на ходу. Время от времени он бросал в воздух короткие фразы, потом к чему-то беззвучному прислушивался, снова что-то отрывистое говорил — нетерпеливо, даже раздраженно — и опять умолкал на какие-то секунды. Страшновато было смотреть на этого безумца, который говорил сам с собой.

То был первый мой урок по заучиванию нового правила: «Если в наши дни ты видишь человека, который громко говорит сам с собой, не торопись объявлять его сумасшедшим — проверь сначала, не торчит ли у него в ухе микрофон, а из кармана пиджака — головка диктофона». Сегодня я уже не удивляюсь, увидев шагающих по улице и громко говорящих с собой людей — я уже знаю, что они просто говорят по «мобильнику». Но ту, первую картину все еще помню, потому что она с жуткой наглядностью показала мне, как меняет технология не только нашу жизнь — это банально, — но и сам внешний облик нашей жизни.

Теперь вообразите себе окно. Обыкновенное окно — например, вашей собственной квартиры. Чистое, прозрачное окно, сквозь которое открывается вид ... — ну, на что вы любите смотреть? — скажем, на дальние холмы, покрытые курчавыми лесами. Вообразили? Тогда я делаю щелчок — окно темнеет, и в нем появляются, начинают двигаться и разговаривать люди в нарядах, например, Гарри Поттера или, там, другой вашей любимой картины. Не торопитесь объявлять это фокусом, лучше вызубрите новое правило: «Если завтра в вашем окне появились герои кинофильма, — значит, ваше окно стало телевизором, потому что в нем стоит не стекло, а TOLED».

Затем вообразите себе квартиру, например, вашу собственную, знакомую «до слез, до детских припухших желез». Тут диван, там кресло, здесь письменный стол, вот это стена и вот это стена, а над головой, естественно, потолок. Вообразили? Теперь я опять чем-то щелкну. Смотрите, смотрите! — на поверхности вашего стола появилась первая страница сегодняшней вечерней газеты, диван покрылся причудливыми движущимися узорами, а вместо потолка открылось звездное небо, да не наше, а каким оно видится, скажем, с Луны. Поразительно, правда? Но не торопитесь, пожалуйста, объявлять меня Гарри Поттером, а случившееся — волшебством. Если вы увидите, что все стены, потолки и мебель в вашей квартире превратились в телеэкраны, или покрылись цветными изображениями, или даже просто стали светиться вместо лампочек, это вовсе не волшебство — это значит, что все они покрыты PLEDом.

И если из детской комнаты выйдет ваш сын, и на его футболке вы увидите кадры идущего сейчас где-то в спортзале баскетбольного матча, а джинсы его будут то и дело менять цвета и рисунок. И дочь будет в платье, по которому будут ползти буквы рекламного объявления. А в окне, которое к этому времени снова, по моему щелчку, станет прозрачным, вы увидите бегущего по улице человека, на пиджаке которого будет ярко вспыхивать надпись: «Мне срочно нужен амбуланс!» Я надеюсь, вы уже ничему не удивитесь, а устало скажете: «А это что еще за OLED на нашу голову?»

И будете правы: OLED, TOLED и все такое прочее, все это — производные от слова LED, или Light Emmiting Device, которое по-английски, как вы понимаете, означает то же, что по- русски «светоизлучаюшие диоды» (пусть будет сокращенно СИД). Диод здесь — полупроводниковый, то есть крохотная пластинка полупроводящего вещества, в которую внесены нужные примеси, чтобы создать в нем полупроводящие мостики p-n, между плюсом и минусом, анодом и катодом. Ток, подведенный к чипу через прикрепленные к нему крохотные электроды, проходит через такие мостики только в одном направлении, а затем электроны, образующие ток, встречаются с положительно заряженными «дырками» (то есть атомами, в которых недостает электрона) и сваливаются в них, как в ямы.

Сваливаясь, они излучают энергию — в точности такую, какова «высота ямы», то есть разница энергетических уровней («зазор», как говорят, или gap по-английски) у электрона и «дырки». В разных полупроводниках этот «гэп» разный и, соответственно, энергия будет излучаться разная. И вот есть, оказывается, такие полупроводящие вещества, у которых эта излучаемая энергия попадает в пределы видимого света — тогда чип начинает светиться, и его торжественно нарекают СИД. То бишь LED. Если покрыть этот чип слоем какого-нибудь прозрачного вещества, получится светящаяся пластинка, которую можно использовать в качестве экрана в мобильнике или в МР3, а то и вместо обычной лампочки. Это даже выгодно, потому что выход яркости на единицу затраченной мощности у таких светящихся чипов много больше, чем у обычной лампочки.

Но этим выгода СИДов не ограничивается. Диод дает свет одного нужного вам цвета и притом без всяких фильтров. Скажем, чип из алюминия, галлия и арсенида светится красным, галлий-нитрид — зеленым, а индийгаллий-нитрид дает яркий синий. Их комбинация позволяет получить белый «дневной» свет. СИДы не устают (не портятся), если заставить их мигать. Они не боятся механических ударов. Они зажигаются за микросекунды, что важно в некоторых приборах. Они малы и портативны. Наконец, они работают фантастически долго — от ста тысяч до миллиона часов.

Разумеется, у них есть — пока! — и недостатки, и главный из них — они дороги — дороже обычных осветительных приборов. Но ведь когда-то та же лампочка Ильича-Эдисона стоила дороже лучины. Так что — терпение. Тем более что над совершенствованием СИДов работают сегодня в мире сотни научно-исследовательских групп в десятках и сотнях крупнейших компаний. Эти диоды появились ведь сравнительно недавно. Хотя само явление было обнаружено уже в конце XIX века, а первый СИД был создан Олегом Лосевым в 1920-е годы, но все это было забыто и переоткрыто только в начале шестидесятых. Боб Байярд и Гари Питман, работая с галлий-арсенидом, впервые получили инфракрасный свет в 1961 году, Ник Холоньяк получил видимое излучение в 1962-м, а вещества для желтого и красного света были найдены Джорджем Крэфордом в 1972 году. И лишь в самые последние годы, начиная с 2002, ученым лабораторий Сандия (штат Нью-Мексико) удалось сделать следующий революционный шаг, совместив СИДы с нанотехнологией, — оказалось, что использование углеродных нанотрубок резко увеличивает их эффективность.

А что же такое OLEDы, TOLEDы и прочее? Что означают загадочные буквы в приставках к LEDу? Все они означают одно и то же — что вместо обычного чипа здесь работает по тому же принципу ОРГАНИЧЕСКОЕ (то есть имеющее в своем составе атомы углерода и водорода) полимерное вещество. Поэтому OLED — это просто organic LED, PLED — это polimer LED, TOLED — transparent organic LED, то есть не только органический, но и прозрачный; а есть еще SOLED, в котором пленки полимеров, дающих синий, желтый и зеленый цвета, наложены друг на друга, что усиливает яркость в три раза и улучшает разрешение в десять раз.

Пленку такого светящегося под действием тока полимера можно согнуть, изогнуть, скатать и раскатать как угодно, превратить в покрытие мебели или стен и вообще любых кусков комнаты или здания. Можно использовать вместо стекла в окне и с помощью управляющих элементов превратить в экран телевизора или компьютера, сделать из нее одежду, на ходу меняющую рисунок и цвет, а заодно показывающую новости и любые тексты-рисунки-призывы, изготовить из нее электронную газету. А так как некоторые такие полимеры работают и в обратном направлении, то есть дают ток под действием света — скажем, солнечного, то лист такого полимера можно превратить еще и в легкие, переносные, скатывающиеся устройства для получения энергии в самых диких и отдаленных местах — скажем, на Эвересте.

Вообще возможности применения гибкого, электрически управляемого светящегося покрытия так фантастически многообразны, эффективны и полезны, что не случайно его ведущим исследователям и создателям А. Хигеру, А. Мак Диармиду и Х. Ширакаве была присуждена Нобелевская премия по химии за 2000 год. А нынче экономисты уже начали подсчитывать, сколько удастся сэкономить, если перевести все домашнее и прочее освещение на ПСИДы (так я сократил слова «Полимерные СИДы»). У них получается, что уже при нынешних возможностях этих устройств сэкономить можно половину от тех 20% национального расхода электроэнергии, которые идут сегодня на всякого рода освещение. Впрочем, сегодня такой переход еще неосуществим, потому что у ПСИДов есть — пока! — серьезные недостатки. Это, прежде всего, недолговечность (в отличие от СИДов, они пока работают всего несколько тысяч часов), затем быстрая порча от малейшей влаги (а она неизбежно просачивается из подложки, на которую нанесена пленка ПСИДа) и, наконец, все та же дороговизна.

Тем не менее, перспективы, открываемые ПСИДами, так соблазнительны, что в последние годы началось поистине массовое научное наступление на физику и химию этих полимеров, имеющее целью быстрее «довести их до ума». Закончим этот рассказ беглым перечнем самых недавних сообщений с ПСИДного фронта. Вот американские профессора Томпсон и Форрест нашли квантово-механический подход, позволяющий заменить одну из составляющих пленок в SOLED дневного света такой новой составляющей, которая делает его на 20% экономнее и на много тысяч часов долговечнее прежнего. Вот Хасан Джаббур и Джиан Ли из Аризонского университета разработали органическое светящееся устройство, которое способно превращать электричество в свет с нулевыми (!) потерями. А университет английского города Бат стал инициатором создания международного консорциума, куда входят ученые 13 стран, которые в течение трех лет будут работать над созданием «эффективных, долговечных, а главное — дешевых осветительных устройств на основе светящихся полимеров», чтобы за эти три года довести их до уровня массового производства. Я выбрал навскидку — такие сообщения появляются чуть ли не ежедневно.

Если хоть часть этих многообещающих исследований увенчается успехом, ПСИДы войдут в нашу жизнь, как ледокол входит в ледовое поле — неостановимо круша и ломая все ее прежние формы и неузнаваемо меняя ее облик. Я мог бы сказать здесь снова: «Вообразите себе улицу этак в году 2015-м...», но не буду: вы теперь уже и сами, наверно, можете себе представить, каким фантастически непривычным на наш сегодняшний взгляд будет это зрелище!

Андрей Журавлев