Slovensko
Médiá

Znovuobjavenie svetla

Organické svetelné diódy (OLED) utvárajú svet, kde sú možné osvetlené tapety a okenné tabule, ktoré sa v noci menia na zdroje svetla. Odborníci sa domnievajú, že v najbližších rokoch by tieto sľubné šetriče energie mohli spôsobiť revolúciu v oblasti osvetlenia.

Tmavé ťažké dvere staré niekoľko stáročí sú tri metre vysoké a neprejde cez ne žiadne svetlo. Za týmito dverami však prebieha vývoj osvetlenia budúcnosti. Práve tu má kanceláriu profesor Karl Leo z Technickej univerzity v Drážďanoch, ktorý spolu so svojím tímom pracuje na vývoji špeciálneho svetelného panela. Tento 53-ročný muž pracuje v univerzitnom Ústave aplikovanej fotofyziky a zároveň riadi Fraunhoferov Výskumný ústav pre organiku, materiály a elektronické zariadenia (COMEDD) v Drážďanoch. Vo svete je uznávaný ako priekopník v oblasti organických svetelných diód (OLED). Spolu so svojím tímom sa snaží využiť potenciál diód OLED a pomocou nich čo najpresnejšie napodobniť prirodzené svetlo. „Diódy OLED sú technologickou senzáciou, ktorá nám umožňuje kompletne prepracovať umelé osvetlenie,“ nadchýna sa profesor Leo.

Očakávania kladené na diódy OLED sú vysoké: očakáva sa, že budú výkonnejšie než všetky existujúce zdroje svetla a že jedného dňa budú schopné premieňať takmer 100 % svojej energie na svetlo. Tieto náročné ambície kladú veľké požiadavky na vývojárov materiálov a rovnako aj na výrobcov osvetlenia. Klasické elektrické žiarovky, halogénové žiarovky a úsporné žiarivky premieňajú veľkú časť energie na teplo, nie na svetlo – napríklad teplota povrchu rozsvietenej 100-wattovej elektrickej žiarovky je viac ako 200°C. Naopak, organické svetelné diódy OLED, ktoré sa vyvíjajú v Drážďanoch, si zachovávajú povrchovú teplotu približne 30°C, takže sú vždy bezpečne chladnejšie, než je teplota ľudského tela.

Svetelná účinnosť komerčných diód OLED je v súčasnosti 45 až 60 lúmenov na watt, pričom v laboratóriu sa podarilo dosiahnuť už aj hodnoty presahujúce 90 lúmenov na watt. Pre porovnanie: bežná žiarivka dosahuje 45 až 75 lúmenov na watt. Sľubná je aj životnosť diód OLED, ktorá už v tejto fáze dosahuje 10 000 hodín. Profesor Leo sa usiluje tieto hodnoty ešte zvýšiť. Kým výrobcovia osvetlenia zaradia diódy OLED do veľkovýroby, budú musieť mať životnosť niekoľko desiatok tisíc hodín a dosahovať účinnosť, ktorá bude predstavovať približne dvojnásobok svetelnej účinnosti súčasných žiariviek.

Zvyšovanie účinnosti

Svetelná účinnosť vyjadruje množstvo svetla produkovaného na jeden watt elektrickej energie. Jej jednotkou je lúmen na watt (lm/W).

Zdroj: Ministerstvo energetiky USA: Potenciál polovodičového osvetlenia vo všeobecných aplikáciách osvetlenia pre obdobie rokov 2010 až 2030, Elektrizitätswerke des Kantons Zurich (EKZ).

Svetlo pre pocit pohody

Nie je to len svetelná účinnosť, vďaka ktorej sú diódy OLED svetelným zdrojom budúcnosti. „Ich svetlo je oveľa príjemnejšie, mäkšie a miernejšie než akýkoľvek iný zdroj svetla, a práve preto mu hovorím ‚svetlo pre pocit pohody‘,“ hovorí Rogier van der Heide, hlavný dizajnér spoločnosti Philips Lighting. Tajomstvo ich „faktora príjemnosti“ spočíva v tom, ako vyžarujú svetlo. Diódy OLED na rozdiel od všetkých ostatných, niekdajších či súčasných, umelých svetelných zdrojov nevyžarujú svetlo z jedného bodu, ale sú plochým zdrojom svetla. „S diódami OLED je možné regulovať farebnú teplotu a prispôsobovať svetlo konkrétnej časti dňa,“ vysvetľuje profesor Leo. Na ranné a večerné hodiny je teda možné zvoliť si teplé biele svetlo a uprostred dňa zasa chladné biele svetlo. „Takéto niečo sa v minulosti sotva dalo robiť s osvetlením,“ poznamenáva.

Dizajnérov osvetlenia inšpiruje aj ďalšia vlastnosť diód OLED. Sú vyrobené z tenučkých organických materiálov a v dohľadnej budúcnosti ich bude možné umiestňovať ako „druhú kožu“ na tapety, stropy či okná. Vďaka tomu dokáže strop vytvoriť dokonalú ilúziu letnej oblohy a stena miestnosti sa razom premení na virtuálnu jarnú lúku. Keď sú diódy OLED vypnuté, sú biele, reflexné alebo priehľadné – takže ich možno použiť na vytváranie okenných tabúľ, ktoré cez deň prepúšťajú slnečné svetlo a potme sa menia na ploché svetelné žiariče. Nie je vylúčené, že interiéry budúcnosti sa celkom zaobídu bez lámp a svetiel v takej podobe, ako ich poznáme dnes.

Molekuly uhlíka vytvárajú svetlo

Organické svetelné diódy OLED pracujú na rovnakom princípe ako svetelné diódy LED. V oboch prípadoch sa svetlo produkuje pomocou polovodičov. Sú to pevné látky, ktoré za určitých podmienok vedú elektrický prúd. Keď cez polovodiče prechádza elektrický prúd, rozsvietia sa. Rozdiel medzi diódami LED a OLED je v onom písmenku „o“, ktoré znamená „organický“. Zatiaľ čo svetelné diódy LED využívajú drobné anorganické kryštály na báze povedzme nitridu galného, organické svetelné diódy OLED sú vyrobené z organických zlúčenín podobných pigmentom, ktoré sa zvyčajne používajú na poťahovanie základných materiálov pomocou naparovania.

Štruktúra organickej diódy OLED trochu pripomína sendvič. Organické vrstvy sú umiestnené medzi dvoma plochými elektródami, ktoré sú približne stonásobne tenšie než ľudský vlas a voľným okom sú neviditeľné. Keď cez ne prechádza elektrický prúd, molekuly v týchto organických vrstvách sa rozsvietia. Keď sa skombinujú červené, zelené a modré zložky, vznikne biele svetlo. „Doteraz sme používali ako základ iba sklo, no v strednodobom horizonte sa už zrejme budú používať pružné materiály,“ hovorí profesor Leo. Organické polovodiče musia byť dobre chránené pred vodnou parou a vzduchom a riadne zapuzdrené, čo sa na ohybných materiáloch zatiaľ ťažko dosahuje.

Svätojánske mušky – prirodzené organické svetelné diódy OLED

Začiatky diód OLED siahajú do roku 1979, keď americký chemik čínskeho pôvodu profesor Ching W. Tang objavil v organickej hmote jav modrého žiarenia pri práci na solárnych článkoch vo výskumnom stredisku spoločnosti Kodak v Spojených štátoch amerických. Osem rokov nato spolu s kolegom Stevenom Van Slykeom predstavil prvé svetelné diódy vyrobené z organických vrstiev. V živočíšnej ríši je tento princíp známy už od vekov: jeho stelesnením sú svätojánske mušky, ktoré v prírode fungujú ako prirodzené diódy OLED. Ich malé telíčka obsahujú prírodnú látku zvanú luciferín, ktorá vďaka enzýmu reaguje s kyslíkom. Takto vzniknutá energia sa takmer všetka vyžiari vo forme svetla. Je tu však predsa len jeden rozdiel: kým svetelné molekuly vo svätojánskych muškách sa rozpadajú, v diódach OLED sa vrátia do svojho pôvodného stavu.

Firmy ako BASF pracujú na tom, aby tieto molekuly produkovali svetlo dlhšie a efektívnejšie než doposiaľ. Spoločnosť BASF je lídrom v oblasti vývoja látok svietiacich namodro – čo je najväčšia výzva, akú tieto organické materiály predstavujú. „Modré svetlo má viac energie ako zelené a červené. To znamená, že molekuly sa môžu rozpadnúť a stratiť svoju účinnosť,“ vysvetľuje Dr. Karl Hahn, ktorý je v spoločnosti BASF zodpovedný za výskum v oblasti organickej elektroniky. Vedci spoločnosti BASF dosiahli s vysoko účinnými molekulami pred pár rokmi prvý prelom. Momentálne pracujú na predĺžení ich životnosti a na vývoji mohutných systémov osvetlenia, ktorým hovoríme diódy.

Organické svetelné diódy (OLED) od francúzskej spoločnosti BLACKBODY sú štýlové a zároveň úsporné (Foto: Lustre „I.RAIN“).

Známi výrobcovia osvetlenia už tieto nové technológie využívajú. Dvoma poprednými výrobcami v tomto smere sú Osram a Philips. Pred pár rokmi spoločnosť Osram, dcérska spoločnosť koncernu Siemens, predstavila prvú svetelnú sochu z diód OLED pod názvom Raná budúcnosť. Odvtedy spoločnosť Osram túto oblasť obchodu rozšírila a vytvorila pre svojich zákazníkov celé konferenčné miestnosti pomocou kombinácie osvetlenia OLED a LED. V roku 2011 firma otvorila svoju prvú výrobnú linku na výrobu organických svetelných diód v meste Regensburg, aby takéto aplikácie mohli byť dostupné v blízkej budúcnosti aj vo väčšom meradle. Tu spoločnosť Osram skúma, ako by sa dali tieto citlivé svetelné panely spracovať do rozsahu priemyselnej výroby.

Holandská spoločnosť Philips zasa pokrstila Lumiblade, svoj prvý svetelný modul s diódami OLED, a v roku 2010 ho predstavila ako najväčšiu svetelnú inštaláciu OLED na svete: svetelná stena sa skladá z viac ako 1 000 malých panelov. Kamera zaznamenáva každý pohyb, aký sa pred ňou odohrá, a prevádza ho na elektrické impulzy, ktoré rozsvecujú jednotlivé panely. Toto prirodzené „príjemné“ svetlo by sa v budúcnosti mohlo využívať aj v nemocniciach a ordináciách lekárov. Dopyt je aj zo strany múzeí, ktoré majú záujem o jemný zdroj svetla bez ultrafialových lúčov a silného tepelného žiarenia. Japonsko je už v tomto smere o krok vpred; prvé tamojšie výstavné siene sú už vybavené organickými diódami OLED.

5-10

Toľkonásobne dlhšie vydrží svietiť organická svetelná dióda OLED v porovnaní so žiarovkou.

40,000

Počet hodín, počas ktorých vydrží svietiť dióda LED.

10,000

Počet hodín, počas ktorých vydrží svietiť dióda LED.

Začiatok sériovej výroby

Táto nová technológia inšpiruje najmä ázijských výrobcov. V Japonsku sa po katastrofe v jadrovej elektrárni Fukušima a dočasnom uzatvorení väčšiny jadrových elektrární v krajine takmer každý snaží šetriť elektrinou, kde sa len dá, hovorí Dr. Takuja Komoda, výskumný riaditeľ divízie organického osvetlenia spoločnosti Panasonic. Osvetlenie predstavuje 16 % celkovej energetickej spotreby Japonska. „Aby sme znížili spotrebu energie na osvetlenie, je nevyhnutné zaviesť osvetľovacie zariadenia novej generácie. Diódy OLED budú v budúcnosti veľmi významným zdrojom osvetlenia, pretože dokážu poskytnúť vysokú úsporu energie ako aj vynikajúcu svetelnú atmosféru,“ hovorí Komoda. Hoci úsporné žiarivky sú momentálne výkonnejšie, onedlho sa to zmení. „Do roku 2018 chceme zvýšiť energetickú účinnosť diód OLED až na 100 lúmenov na watt.“

V roku 2011 dala trhu nový impulz japonská spoločnosť Lumiotech, ktorá sa špecializuje na diódy OLED, keď uviedla cenovo dostupné závesné svetelné panely za jednotkovú cenu 410 $ (315 €) a stolové lampy s diódami OLED za jednotkovú cenu 650 $ (500 €). Súčasťou svetelnej revolúcie budúcnosti je aj spoločnosť Konica Minolta so svojimi svetelnými panelmi Symfos. O palcové titulky sa pričinila aj vďaka typu tlačovej hlavy pre diódy OLED. Zariadenie je prvé svojho druhu a namiesto atramentu využíva elektronické funkčné materiály, vďaka čomu dokáže „tlačiť“ organické svetlo.

Vládne miesta vítajú diódy OLED

Potenciál týchto energeticky úsporných zázračných svetiel rozpoznali aj oficiálne miesta a už roky podporujú ich vývoj. Ministerstvo energetiky USA od roku 2003 podporuje výskum, vývoj a výrobu účinných zdrojov svetla, akými sú diódy LED a OLED, prostredníctvom svojho „Programu polovodičového osvetlenia“. Vláda si kladie za cieľ znížiť spotrebu elektrickej energie na osvetlenie.

Európska únia (EÚ) si stanovila za cieľ znížiť emisie skleníkových plynov do roku 2020 o 20 %. Na dosiahnutie tohto cieľa podporuje výskum v oblasti energetiky, vrátane diód OLED, ktoré predstavujú úspornú a ekologicky šetrnú technológiu budúcnosti.

Niekoľko miliónov eur prúdi aj do európskych výskumných projektov, v rámci ktorých spolupracuje vedecká obec s odvetvím priemyslu na vývoji účinnejších organických svetelných diód. Spolková vláda v Nemecku podporuje výskum a vývoj v tejto oblasti prostredníctvom Programu OLED 2015. Od roku 2006 doň spolu so svojimi obchodnými partnermi investovala vyše 800 miliónov eur. Súčasťou tejto iniciatívy sú aj nadväzné projekty, ako je napríklad Projekt Kobalt, ktorý bol spustený na jar 2012 a participujú na ňom partneri ako Philips či BASF. Kladie dôraz na vývoj rentabilných komponentov do diód OLED pre aplikácie na trhu s osvetlením.

Diódy OLED v displejoch

Organické svetelné diódy sú už rozšírené aj v zobrazovacom priemysle. Napríklad kórejská spoločnosť Samsung vo svojich najnovších mobilných telefónoch a tabletoch používa už ploché svetelné panely sériovej výroby. Diódy OLED tak majú možnosť ukázať, čo v nich naozaj je. Samy vyžarujú svetlo a nepotrebujú žiadne podsvietenie – čím sa šetrí elektrická energia. Ostré a jasné obrázky s vysokým kontrastom sa rýchlo načítavajú. Rovnako úchvatný je aj dizajn: prvé 55-palcové televízory s diódami OLED, ktoré predstavil Samsung a kórejský elektronický koncern LG, sú tenké len pár milimetrov. Pri prezeraní webových stránok s informáciami o displejoch OLED možno nazrieť do budúcnosti: na obrázkoch sú prototypy s ohybnými displejmi, pričom príklady zahŕňajú elektronické knihy, ktoré možno zložiť ako vreckovku, či mobilné telefóny, ktoré možno zrolovať.

Tento displej z organických svetelných diód (OLED) zaujme plochým dizajnom a ostrým obrazom.

„Ročný predaj malých displejov OLED dosahuje už približne štyri miliardy dolárov,“ hovorí profesor Leo v Drážďanoch. O niekoľko rokov bude toto číslo dvojciferné. Ak klesnú náklady a vzrastie výkonnosť, odborníci sa domnievajú, že revolúcii OLED už nič nebude stáť v ceste.

„Diódy LED boli predmetom výskumu o 40 rokov dlhšie, takže dnes sú vo výhode. Ale pokiaľ organické diódy OLED dosiahnu energetickú účinnosť porovnateľnú s diódami LED, na trhu s osvetlením bude mať svoje zastúpenie každé z týchto riešení – práve preto, že predstavujú doplnkové alternatívy,“ hovorí Dr. Felix Christian Görth z obchodnej divízie BASF New Business. Organické svetelné panely preto nebudú mať na trhu úplný monopol, a to ani v budúcnosti. Pre určité aplikácie, ako sú napríklad svetlomety do automobilov či bodové svetlá, sú stále žiadané.

Diódy LED by preto mohli byť budúcnosťou bodových svetelných zdrojov a organické diódy OLED zasa budúcnosťou plochého typu osvetlenia. Pre Görtha už otázka nestojí tak, či bude technológia OLED komerčne úspešná. „Napokon, diódy OLED hrajú významnú úlohu v displejoch mobilných telefónov už od roku 2011,“ upozorňuje odborník spoločnosti BASF a dodáva: „Jediné, čo ešte zostáva otvorené na diskusiu, je, aký veľký bude nakoniec trh.“

Skutočnosť, že organické svetelné diódy ešte len čaká veľký prielom, je zjavná zo samotnej kancelárie profesora Lea v Drážďanoch. Na stole má stále klasickú lampu na čítanie a miestnosť je stále osvetlená tradičnými stropnými žiarivkami. Napriek tomu si myslí, že „možno už nepotrvá dlho a diódy OLED sa stanú samozrejmosťou v mnohých kanceláriách, ako je moja.“

Laboratory with two persons dressed in blue

BASF vedci krotia modré svetlo

Light installation view from the bottom

Nový rozmer osvetlenia

Soccket ball lamps

Poháňané hrou