La tecnologia OLED ha trasformato il panorama dei display, offrendo una qualità d'immagine senza precedenti. Neri assoluti, colori vibranti: sono caratteristiche di cui parliamo ormai da anni, ma come sono possibili nel concreto?
Proveremo a raccontarvelo in questo articolo, analizzando in maniera il più semplice possibile proprio il funzionamento degli OLED, dalla fisica dell'emissione luminosa alla storia del loro sviluppo. Ne ripercorreremo quindi le tappe fondamentali, dai primi esperimenti degli anni '50 alle moderne applicazioni in televisori e smartphone, analizzando l'evoluzione dei materiali e delle tecniche di produzione.
Come funziona un pannello OLED
Il principio alla base del funzionamento degli OLED si chiama elettroluminescenza nei materiali organici: è un fenomeno per cui un materiale organico emette luce in risposta al passaggio di una corrente elettrica attraverso di esso. È a tutti gli effetti il processo che permette ai display OLED di funzionare e, nella pratica, funziona così.
Quando una tensione elettrica viene applicata al materiale organico, gli elettroni vengono "eccitati" e passano a un livello di energia superiore. In una fase successiva gli elettroni eccitati ritornano al loro stato energetico originale, più basso, e, durante questo processo di rilassamento, rilasciano l'energia in eccesso sotto forma di fotoni di luce. Il colore della luce emessa dipende dal tipo di materiale organico utilizzato (ed è per questo motivo che ogni tanto su queste pagine parliamo di nuovi materiali per OLED, come quello recentemente scoperto dai ricercatori dell'Università di Manchester).
Come potete vedere nell'immagine poco sopra, un display OLED è costituito da più strati sottilissimi, ciascuno con una funzione specifica. Dal basso verso l'alto troviamo:
- Anodo: strato che fornisce le "lacune" (spazi lasciati dagli elettroni);
- Strato di trasporto delle lacune (HTL);
- Strato emissivo (EML): dove avviene l'emissione luminosa vera e propria;
- Strato di trasporto degli elettroni (ETL);
- Catodo: fornisce gli elettroni. La combinazione di questi strati consente il corretto flusso di cariche e l'emissione controllata di luce.
Nei primi OLED venivano utilizzati materiali fluorescenti, ma la loro efficienza era limitata. In seguito si è passati a materiali fosforescenti, capaci di riutilizzare anche gli stati di tripletto, aumentando l'efficienza luminosa. Più recentemente, la ricerca si è orientata verso materiali TADF (Thermally Activated Delayed Fluorescence), che promettono alta efficienza senza metalli rari come l'iridio.
Dall'elettroluminescenza ai TV
L'elettroluminescenza nei materiali organici fu osservata già negli anni '50 ma fu solo negli anni '80 che la ricerca compì progressi significativi. Nel 1987, Ching W. Tang e Steven Van Slyke di Kodak depositarono un brevetto per un dispositivo OLED multistrato, aprendo la strada a display più efficienti e duraturi. Gli anni '90 videro l'emergere dei primi display OLED, utilizzati principalmente in piccoli dispositivi come lettori musicali e fotocamere digitali. Questi primi OLED erano monocromatici o con una gamma di colori limitata, ma dimostravano il potenziale della tecnologia.
Nel 1997, Pioneer realizzò il primo display OLED per auto, mentre Kodak introdusse la prima fotocamera digitale con uno schermo OLED a colori. Questi successi iniziali alimentarono l'interesse e la ricerca nel settore. Gli anni 2010 segnarono un'accelerazione nello sviluppo e nella commercializzazione degli OLED. Aziende come Sony e LG iniziarono a produrre televisori OLED, offrendo una qualità d'immagine superiore rispetto ai tradizionali LCD. LG Display divenne uno dei principali produttori di pannelli OLED di grandi dimensioni, fornendo i suoi schermi a diverse marche. La tecnologia OLED si diffuse anche in smartphone, tablet e altri dispositivi portatili, grazie alla sua capacità di offrire contrasto elevato, colori vividi e neri assoluti, impareggiabili per gli LCD dell'epoca.
Con gli anni 2020 arriviamo al presente, che è caratterizzato dalla competizione tra diverse tecnologie OLED, in particolare WOLED (OLED bianco) di LG Display e QD-OLED (OLED a Quantum Dot) di Samsung Display. Entrambe le tecnologie offrono vantaggi unici in termini di luminosità, gamma di colori e angolo di visione, di cui abbiamo parlato in questo articolo. Oggi la ricerca continua per migliorare l'efficienza, la durata e la resa cromatica degli OLED, con un focus sulla riduzione dei costi di produzione per renderli accessibili a un pubblico più ampio, ma la sfida tra WOLED e QD-OLED continua.
La fabbricazione di un pannello OLED richiede infatti processi estremamente precisi, spesso realizzati in camere a vuoto tramite tecniche come l'evaporazione termica (VTE) o la stampa a getto d'inchiostro (inkjet printing). La produzione su larga scala richiede anche substrati flessibili o in vetro ultra-sottile, ed è soggetta a difetti difficili da correggere, il che impatta sui costi finali.
Oltre a LG Display e Samsung Display, ci sono comunque altri produttori di pannelli OLED:
- BOE (Beijing Orient Electronics): azienda cinese che produce sia pannelli LCD sia OLED (WOLED), inclusi pannelli OLED flessibili per smartphone pieghevoli. BOE fornisce display a diverse aziende, tra cui Apple, Huawei e Xiaomi;
- Visionox: azienda cinese specializzata nella produzione di pannelli OLED flessibili, utilizzati principalmente per smartphone;
- Tianma: altra azienda cinese che produce sia pannelli LCD sia OLED, con un focus particolare sui display per dispositivi mobili;
- AU Optronics: azienda taiwanese che produce pannelli LCD e OLED, con una gamma di prodotti che include display per auto e applicazioni industriali;
- Japan Display: azienda giapponese che produce pannelli LCD e OLED, con una quota di mercato in calo negli ultimi anni.
Le nuove tecnologie
Uno dei problemi ancora da risolvere completamente è la diversa durata dei materiali emissivi, in particolare il blu, che tende a degradarsi più rapidamente. Questo può portare a differenze cromatiche nel tempo e rappresenta una delle principali sfide nella progettazione di panelli OLED di lunga durata. I pannelli OLED contengono inoltre materiali organici e metalli rari che richiedono processi complessi di smaltimento e riciclo. Sebbene abbiano un consumo energetico potenzialmente inferiore, la difficoltà nel riciclo dei materiali emissivi e la presenza di componenti sensibili all'umidità pongono sfide ambientali che la filiera sta cercando di affrontare.
Oltre alle tecniche consolidate, sono in fase di sviluppo tecniche emergenti come la stampa a getto d'inchiostro per materiali OLED solubili, che offre il potenziale per un maggiore utilizzo dei materiali e costi inferiori. È infatti fondamentale che la lavorazione degli OLED non incapsulati avvenga in condizioni di camera bianca inerti, con livelli di ossigeno e umidità inferiori a 1 ppm, per prevenire la degradazione e la formazione di fori stenopeici. Il processo di vaporizzazione che utilizza maschere metalliche fini è una fase critica che influisce direttamente sulla risoluzione e sulla qualità dei display OLED. Lo sviluppo di tecniche di deposizione alternative come la stampa a getto d'inchiostro potrebbe alterare significativamente la struttura dei costi e la scalabilità della produzione di OLED.
Ma al di là di prestazioni e sostenibilità, la ricerca sugli OLED tocca anche altri ambiti. Tra le nuove tecnologie in fase di sviluppo, infatti, stanno diventando sempre più presenti alle fiere di settore prodotti che utilizzano pannelli OLED trasparenti e flessibili, che stanno aprendo nuove possibilità di design, con applicazioni finora inimmaginabili. Il Flexible OLED (FOLED) utilizza un substrato di plastica flessibile (come PET o poliimmide) al posto del vetro, consentendo di piegare o arrotolare il display. Ciò permette di realizzare dispositivi più sottili e leggeri e design innovativi come smartphone pieghevoli e display arrotolabili. Gli OLED trasparenti (TOLED) sono invece in fase di sviluppo per applicazioni nella realtà aumentata, finestre intelligenti e display interattivi per la vendita al dettaglio, ma i loro costi sono ancora proibitivi.
Queste novità sono comunque la cartina tornasole per verificare come le applicazioni della tecnologia OLED si stiano espandendo rapidamente oltre i tradizionali smartphone e televisori, includendo l'illuminazione, la realtà virtuale e aumentata, i dispositivi indossabili, la medicina, l'industria automobilistica, la moda, l'arredamento e l'interior design. Questa ampia gamma di applicazioni sottolinea il potenziale trasformativo degli OLED in vari settori. Staremo quindi a vedere cosa ci riserva il futuro.
