¿Recuerdas televisores de estilo antiguo alimentados por tubos de rayos catódicos (CRT)? Los más grandes tenían unos 30-60 cm de profundidad y eran casi demasiado pesados para que los pueda levantar una persona. Si crees que eso es malo, deberías haber visto cómo eran los televisores en la década de 1940.
Los CRT en el interior eran tan largos que tuvieron que pararse erguidos disparando su imagen hacia el techo, con un pequeño espejo en la parte superior para doblarlo hacia los lados en la habitación. ¡Ver la televisión en aquellos días era un poco como mirar el periscopio de un submarino! Gracias a Dios por el progreso.
Ahora la mayoría de nosotros tenemos computadoras y televisores con pantallas LCD, que son lo suficientemente delgadas como para montarse en una pared, y pantallas lo suficientemente ligeras como para integrarse en dispositivos portátiles como teléfonos celulares. Pero las pantallas hechas con tecnología OLED (diodo orgánico emisor de luz) son aún mejores. Son súper ligeros, casi delgados como para el papel, teóricamente lo suficientemente flexibles como para imprimir en la ropa, y producen una imagen más brillante y colorida. ¿Qué son y cómo funcionan? ¡Echemos un vistazo más de cerca!
Maurizio Pesce from Milan, Italia, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons
Los LED (diodos emisores de luz) son las pequeñas luces indicadoras de colores que se ven en los paneles de instrumentos electrónicos. Son mucho más pequeñas, más eficientes energéticamente y más confiables que las lámparas incandescentes de estilo antiguo. En lugar de hacer luz calentando un filamento de alambre hasta que brille blanco caliente (que es cómo funciona una lámpara normal), emiten luz cuando los electrones atraviesan los materiales sólidos especialmente tratados (“dopados”) de los que están hechos.
Un OLED es un LED donde la luz se produce (“o emite”) por moléculas orgánicas. Cuando las personas hablan de cosas orgánicas en estos días, generalmente se refieren a alimentos y ropa producidos de una manera respetuosa con el medio ambiente sin el uso de pesticidas. Pero cuando se trata de la química de cómo se hacen las moléculas, la palabra tiene un significado completamente diferente. Las moléculas orgánicas son simplemente aquellas basadas alrededor de líneas o anillos de átomos de carbono, incluyendo cosas tan comunes como el azúcar, la gasolina, el alcohol, la madera y los plásticos.
¿Cómo funciona un LED ordinario?
Antes de que pueda entender un OLED, es útil si comprende cómo funciona un LED convencional, así que aquí hay un resumen rápido. Tome dos losas de material semiconductor (algo así como silicio o germanio), una ligeramente rica en electrones (llamada tipo n) y otra ligeramente pobre en electrones (si lo prefiere, eso es lo mismo que decir que es rica en “agujeros” donde deberían estar los electrones, lo que se llama tipo p). Une las losas de tipo n y tipo p y, donde se encuentran, obtienes una especie de tierra neutra y de nadie que se forma en la unión donde los electrones y agujeros excedentes se cruzan y se cancelan entre sí. Ahora conecte los contactos eléctricos a las dos losas y encienda la alimentación.
Si conecta los contactos en una dirección, los electrones fluyen a través de la unión desde el lado rico hasta el pobre, mientras que los agujeros fluyen en la otra dirección, y una corriente fluye a través de la unión y a través de su circuito. Conecte los contactos de la otra manera y los electrones y los agujeros no se cruzarán; no fluye corriente en absoluto.
Lo que ha hecho aquí se llama diodo de unión: una calle electrónica de un solo sentido que permite que la corriente fluya en una sola dirección. Explicamos todo esto de forma más clara y con mucho más detalle en nuestro artículo principal sobre diodos.
Un LED es un diodo de unión con una característica añadida: hace luz. Cada vez que los electrones cruzan la unión, cortan los agujeros del otro lado, liberan energía excedente y emiten un rápido destello de luz. Todos esos destellos producen el brillo sordo y continuo por el que los LED son famosos.
¿Cómo funciona un OLED?
Los OLED funcionan de manera similar a los diodos y LED convencionales, pero en lugar de usar capas de semiconductores de tipo n y tipo p, utilizan moléculas orgánicas para producir sus electrones y agujeros. Un OLED simple es compuesto por seis capas diferentes.
En la parte superior e inferior hay capas de vidrio protector o plástico. La capa superior se llama sello y la capa inferior sustrato. Entre esas capas, hay un terminal negativo (a veces llamado cátodo) y un terminal positivo (llamado ánodo). Finalmente, entre el ánodo y el cátodo hay dos capas hechas de moléculas orgánicas llamadas capa emisiva (donde se produce la luz, que está al lado del cátodo) y la capa conductora (al lado del ánodo).
Cómo emite luz un OLED
¿Cómo hace luz este sándwich de capas?
- Para que un OLED se ilumine, simplemente conectamos un voltaje (diferencia de potencial) a través del ánodo y el cátodo.
- A medida que la electricidad comienza a fluir, el cátodo recibe electrones de la fuente de energía y el ánodo los pierde (o “recibe agujeros”, si prefieres verlo de esa manera).
- Ahora tenemos una situación en la que los electrones agregados están haciendo que la capa emisiva se cargue negativamente (similar a la capa de tipo n en un diodo de unión), mientras que la capa conductora se está cargando positivamente (similar al material de tipo p).
- Los agujeros positivos son mucho más móviles que los electrones negativos, por lo que saltan a través del límite de la capa conductora a la capa emisiva. Cuando un agujero (una falta de electrón) se encuentra con un electrón, las dos cosas se cancelan y liberan una breve explosión de energía en forma de partícula de luz, un fotón, en otras palabras. Este proceso se llama recombinación, y debido a que está sucediendo muchas veces por segundo, el OLED produce luz continua durante el tiempo que la corriente sigue fluyendo.
Podemos hacer que un OLED produzca luz de color agregando un filtro de color en nuestro sándwich de plástico justo debajo de la capa superior o inferior de vidrio o plástico. Si colocamos miles de OLED rojos, verdes y azules uno al lado del otro y los encendemos y apagamos de forma independiente, funcionan como los píxeles en una pantalla LCD convencional, por lo que podemos producir imágenes en color complejas y de alta resolución.
Tipos de OLED
Hay dos tipos diferentes de OLED. Los OLED tradicionales utilizan pequeñas moléculas orgánicas depositadas en el vidrio para producir luz. El otro tipo de OLED utiliza grandes moléculas de plástico llamadas polímeros. Esos OLED se llaman polímeros emisores de luz (LEP) o, a veces, LED de polímero (PLED). Dado que se imprimen en plástico (a menudo utilizando una versión modificada y de alta precisión de una impresora de inyección de tinta) en lugar de en vidrio, son más delgados y flexibles.
Foto: En los OLED, los polímeros delgados convierten la electricidad en luz. Los polímeros también pueden trabajar de manera opuesta para convertir la luz en electricidad, como en las células solares de polímero como estas. Foto de Jack Dempsey cortesía de US DOE / NREL (Departamento de Energía de los Estados Unidos / Laboratorio Nacional de Energía Renovable).
Las pantallas OLED se pueden construir de varias maneras diferentes. En algunos diseños, la luz está diseñada para emerger del sello de vidrio en la parte superior; otros envían su luz a través del sustrato en la parte inferior. Las pantallas grandes también difieren en la forma en que se construyen los píxeles a partir de elementos OLED individuales. En algunos, los píxeles rojo, verde y azul están dispuestos uno al lado del otro; en otros, los píxeles se apilan uno encima del otro para que obtenga más píxeles empaquetados en cada centímetro cuadrado / pulgada de pantalla y una resolución más alta (aunque la pantalla es correspondientemente más gruesa).
Ventajas y desventajas de los OLED
Los OLED son superiores a los LCD en muchos sentidos. Su mayor ventaja es que son mucho más delgados (alrededor de 0.2-0.3 mm o aproximadamente 8 milésimas de pulgada, en comparación con los LCD, que generalmente son al menos 10 veces más gruesos) y, en consecuencia, más ligeros y mucho más flexibles. Son más brillantes y no necesitan luz de fondo, por lo que consumen mucha menos energía que las pantallas LCD (lo que se traduce en una mayor duración de la batería en dispositivos portátiles como teléfonos celulares y reproductores de MP3). Donde las pantallas LCD son relativamente lentas para actualizarse (a menudo un problema cuando se trata de imágenes en movimiento rápido, como deportes en la televisión o juegos de computadora), los OLED responden hasta 200 veces más rápido. Producen colores más verdaderos (y un negro verdadero) a través de un ángulo de visión mucho más grande (a diferencia de las pantallas LCD, donde los colores se oscurecen y desaparecen si miras hacia un lado). Al ser mucho más simples, los OLED eventualmente deberían ser más baratos de hacer que los LCD (aunque al ser más nuevos y menos adoptados, la tecnología es actualmente mucho más cara).
En cuanto a los inconvenientes, un problema ampliamente citado es que las pantallas OLED no duran tanto tiempo: la degradación de las moléculas orgánicas significaba que las primeras versiones de OLED tendían a desgastarse alrededor de cuatro veces más rápido que las pantallas LCD o LED convencionales. Los fabricantes han estado trabajando duro para abordar esto y es mucho menos problemático de lo que solía ser. Otra dificultad es que las moléculas orgánicas en los OLED son muy sensibles al agua. Aunque eso no debería ser un problema para los productos nacionales, como los televisores y las computadoras domésticas, podría presentar un mayor desafío en productos portátiles como los teléfonos celulares.
¿Para qué se utilizan los OLED?
La tecnología OLED sigue siendo relativamente nueva en comparación con tecnologías similares y establecidas desde hace mucho tiempo, como la LCD. En términos generales, puede usar pantallas OLED donde sea que pueda usar pantallas LCD, en cosas como pantallas de TV y computadora y pantallas de MP3 y teléfonos celulares. Su delgadez, mayor brillo y mejor reproducción del color sugieren que encontrarán muchas otras aplicaciones emocionantes en el futuro. Podrían usarse para hacer vallas publicitarias animadas de bajo costo, por ejemplo. O páginas súper delgadas para libros y revistas electrónicas. ¿Qué tal las pinturas en su pared que puede actualizar desde su computadora? ¿Tabletas con pantallas plegables que se transforman perfectamente en teléfonos inteligentes de bolsillo? ¡O incluso ropa con colores y patrones en constante cambio conectados al software de visualización que se ejecuta desde su iPod!
Samsung comenzó a usar la tecnología OLED en sus televisores en 2013, y en sus teléfonos inteligentes Galaxy al año siguiente. Apple, originalmente dominante en el mercado de teléfonos inteligentes, se ha quedado muy atrás en la tecnología OLED hasta hace muy poco. En 2015, después de meses de rumores, el esperado Apple Watch fue lanzado con una pantalla OLED. Dado que estaba unido al vidrio de alta resistencia, Apple presumiblemente estaba menos interesado en el hecho de que los OLED son flexibles que son más delgados (lo que permite espacio para otros componentes) y consumen menos energía que los LCD, ofreciendo una duración de batería significativamente más larga. En 2017, el iPhone X se convirtió en el primer teléfono inteligente de Apple con una pantalla OLED.
A pesar de la exageración, los consumidores originalmente estaban menos entusiasmados con los móviles y televisores con pantallas OLED, en gran parte porque las pantallas LCD eran mucho más baratas y una tecnología probada y confiable. Eso ya no es realmente cierto, ciertamente no de los televisores: los precios del kit OLED han caído dramáticamente, con algunos televisores OLED a la venta en 2020/2021 por aproximadamente la mitad del precio que tenían solo uno o dos años antes. En lo que respecta a los teléfonos, las ventajas de los OLED (posiblemente) una mejor calidad de pantalla, una mejor duración de la batería, un peso más ligero y una delgadez / flexibilidad, a menudo superan cualquier diferencia de costo simple. En un análisis revelador de 2020, Ross Young de Display Supply Chain Consultants notó un cambio constante de LCD a medida que los fabricantes asiáticos cambian la producción a OLED y las nuevas tecnologías como la tecnología inalámbrica 5G se vuelven cada vez más importantes. Young pronostica que los OLED representarán poco más de la mitad (54.5 por ciento) del mercado de pantallas de teléfonos inteligentes para 2025, en comparación con poco menos de una cuarta parte (23.9 por ciento) en 2016.
¿Quién inventó los OLED?
Los semiconductores orgánicos fueron descubiertos a mediados de la década de 1970 por Alan Heeger, Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa, quienes compartieron el Premio Nobel de Química en 2000 por su trabajo. El primer OLED eficiente, descrito como “un novedoso dispositivo electroluminiscente… construido utilizando materiales orgánicos como elementos emisores”—fue desarrollado por Ching Tang y Steven VanSlyke, entonces trabajando en los laboratorios de investigación en Eastman Kodak, en 1987. Su trabajo, aunque novedoso, se basó en investigaciones anteriores sobre electroluminiscencia, que fue reportada por primera vez en moléculas orgánicas por un físico francés llamado André Bernanose en la década de 1950. Él y sus colegas aplicaron campos eléctricos de CA (corriente alterna) de alto voltaje a películas delgadas de celulosa y celofán “dopadas” con naranja acridina (un colorante orgánico fluorescente). En 1970, Digby Williams y Martin Schadt habían logrado crear lo que llamaron “un simple diodo electroluminiscente orgánico” utilizando antraceno, pero no fue hasta el trabajo de Tang y VanSlyke, en la década de 1980, que la tecnología OLED se volvió realmente práctica.
Los hitos en el desarrollo de OLED desde entonces han incluido el primer OLED comercial (Pioneer, 1997), la primera pantalla OLED de tamaño completo (Sony, 2001), la primera pantalla de teléfono móvil OLED (Samsung, 2007), los sistemas de iluminación OLED comerciales (Lumiotec, 2013) y los televisores OLED comerciales de pantalla grande (por Samsung, LG, Panasonic, Sony y otros en 2012 y 2013).