Органические полупроводники для дисплеев и не только: краткий патентный анализ

У многих на слуху неорганические полупроводники: кремний, германий и прочие, о которых мы писали или упоминали ^[1] во многих наших статьях на Хабре.

Органические полупроводники — это вещества с большим числом углеродных связей типа C=C, образующих систему с регулярным чередованием С=С. Пример — нафталин, которым наши бабушки любят прямо в платяных шкафах травить до смерти моль. Как этот мерзкий нафталин можно использовать в полупроводниковых приборах?

На самом деле не столько его, но его близких родственников. Об этом мы подробно расскажем ниже. 

Органические полупроводники можно разделить на три основных класса: 

• молекулярные кристаллы (антрацен, бензол, нафталин, металлокомплексы на основе макроциклических порфиринов и др.); 

• комплексы с переносом зарядов (тетратиафульвален TTF, тетраметилтетраселенафульфален и ряд других соединений различных классов), 

• поли-π-сопряженные (полимерные, поликонъюгированные) олигомерные цепочечные структуры, например транс-полиацетилен trans-(CH)x, углеродный скелет которого представляет собой чередование двойных и одинарных связей.

Согласно анализу ^[2] компании Emergen Research, размер мирового рынка органических полупроводников к 2032 году может достичь почти астрономической суммы в 843,62 млрд долларов. Рост спроса на гибкую электронику является основным фактором, стимулирующим развитие рынка органических полупроводников. Однако рост его может быть затруднён из-за ограниченной производительности и стабильности органических полупроводников по сравнению с неорганическими. Главные применения:

• Системные компоненты (System Component);

• Фотоэлектрические устройства (Organic Photovoltaic (OPV);

• светодиодное освещение (OLED Lighting от англ. organic light-emitting diode);

• Печатные батарейки (Printed Batteries);

• Радиочастотные идентификационные метки (Organic RFID Tags от англ. radio frequency identification);

• Дисплеи (Display Applications).

Основные игроки: BASF SE, DuPont De Nemours, Inc., Koninklijke Philips N.V., LG Electronics, Merck KGaA, Novaled GmbH, Samsung, Sony Corporation, Sumitomo Corporation, Universal Display и т.д. 

Миллионам людей известны органические полупроводники по экранам личных мобильников. Экраны OLED работают на принципе электролюминесценции, то есть если к полупроводнику подвести электрический ток, можно заставить его светиться. Преимущество органических веществ в том, что их можно наносить на поверхность тончайшими слоями, как краску, по сути OLED — это цветные светящиеся чернила. 

В базе ФИПС на органический полупроводник числится 228 патентов РФ на изобретения, из которых 64 действующие. Содержательный анализ отсеял 23 патентов (случайное совпадение слов органический и полупроводник, например органический растворитель для промывки полупроводников, органические загрязнения на полупроводниках и т.д.). Прямых патентов по нашей теме всего-навсего 12 штук. Приведем несколько примеров:

• №2408957 ^[3] (H01L 2011 год) Органический светоизлучающий диод, Минпромторг России (Физический институт им. П.Р. Лебедева РАН);

• №2494472 ^[4] (G09G 2013 год) Драйвер пиксельной ячейки OLED дисплея,  Санкт-Петербургский государственный университет;

• №2519782 ^[5] (H01L 2014 год) Способ получения циклопропановых производных фуллеренов, применение органических производных фуллеренов в качестве материалов для электронных полупроводниковых устройств, органического полевого транзистора, органической фотовольтаической ячейки, органический полевой транзистор и органическая фотовольтаическая ячейка, Институт проблем химической физики РАН.

По OLED поиск дал 42 патента РФ на изобретение, из которых 20 действующих. Также приведем несколько примеров:

• №2616979 ^[6] (C07F 2017 год) Комплексы цинка 2-(N-тозиламинобензилиден)-2'-иминоалкилпиридинов, обладающие люминесцентной активностью, Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону);

• №2650529 ^[7] (C07F 2018 год) Комплексы цинка и кадмия N-[2-(алкилиминометил)фенил]-4-метилбензолсульфамидов, обладающие люминесцентной активностью, Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону);

• №2819197 ^[8] (H10K 2024 год) Микродисплей на основе органических светодиодов, ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Циклон».

Есть иностранные патентообладатели изобретений в области устройств OLED (почти все по коду H01L), в частности: 

• Сяоми Инк. (CN) с №№2656814 ^[9] и 2661034 ^[10]; 

• БОЭ Текнолоджи Груп Ко., Лтд. совместно с Бейджин БОЭ Оптоэлектроникс Текнолоджи Ко., Лтд. (CN) №2669521 ^[11].

• Бундесдруккерай ГмбХ (DE) №2431877 ^[12].

Привлекает патентная история в России китайского гиганта BOE Technology Group, который, похоже, не прочь продать лицензию «от китайских товарищей» на OLED-экраны с активной матрицей на пластиковой подложке.

По термину органическая RFID в базе ФИПС нет патентов РФ на изобретения.
В РФ опубликовано 40 патентов на полезные модели по OLED, из которых более 10 действующие. Например, следующие охранные документы есть у МГТУ имени Н.Э. Баумана: 

• №162200 ^[13] Оптическая схема голографического индикатора знако-символьной информации на основе комбинированного дифракционного оптического элемента;

• №164949 ^[14] Оптическая схема индикатора знако-символьной информации с пропускающими плазмонными решетками.

Также в РФ зарегистрировано 23 программы для ЭВМ на термин OLED. Они относятся к периоду 2014-2024 гг. Большинство программ посвящены конкретным направлениям использования OLED в устройствах для отображения информации в разнообразных приборах, например для космического мониторинга, в медицине, рыбоводстве, зарядке электромобилей, в экологическом контроле.

Собственно к веществам и способам изготовления OLED имеет отношение только программа №2014614243 ^[15] Программное обеспечение автоматизированного комплекса для исследования электрических и оптических характеристик органических светодиодных матриц, Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Баз данных и топологий интегральных схем на OLED нет.

Анализ НИР по порталу Закупки.гов.ру. указывает на то, что можно ожидать заявок на новые патенты РФ, в частности относительно производных тиеноиндола и фуразанопиразина, полифлуорена и других органических полупроводников для фотовольтаических и светодиодных гетероструктур.

А что за рубежом?

Портал Google.Patents на organic semiconductor выдаёт более 100 тыс. документов. Рейтинг патентообладателей следующий:

1. Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. ^[16] (株式会社半導体エネルギー研究所 ^[17]) – 22,6%

2. Samsung Display Co., Ltd. ^[18] (삼성디스플레이 주식회사 ^[19]) – 5,3%;

3. Toshiba – 4,1%;

4. Idemitsu Kosan Co., Ltd. ^[16] – 2,8%;

5. Sandisk Technologies Llc ^[16] – 2,6%.

На первом месте фирма патентного короля Японии Ямадзаки Сюмпэя. Ему мы уже посвятили отдельный материал ^[20] на Хабре. Как видите, в нашем небольшом рейтинге три компании из Японии, одна из Южной Кореии и одна из Штатов. При этом поражает сильный отрыв лидера от конкурентов.

Также мы решили немножко сузить патентный поиск по ключевым изделием с уникальным названием. Портал Google.Patents на OLED выдаёт 21282 документов. Пик выдачи патентов пришёлся на 2016-2019 гг. Рейтинг патентообладателей сильно отличается от представленного выше: 

Shanghai Tianma AM-OLED Co., Ltd. ^[21] – 40,3%;

Tianma Micro-Electronics Co., Ltd. ^[22] – 14,1%;

Casio Computer Co., Ltd. ^[23] – 7.9%.

Видно, что мировое лидерство в патентах принадлежит китайской компании Shanghai Tianma AM-OLED (она создана в 2013 г.). Из названия очевидно, что она специализируется на технологии AM-OLED (активной матрицы) Примеры патентов:

• 2014 год: OLED pixel driving circuit, electrostatic discharge protection circuit and detection method US9640097B2;

• 2017 год: OLED display panel, method for driving the same and display device US10672340B2;

• 2020 год: Organic light-emitting display panel and display apparatus US20220140292A1.

В 2014-2021 гг. компании Shanghai Tianma AM-OLED активно патентовалась в США и в Германии (очевидно, в этих странах у китайцев были до недавнего времени масштабные бизнес-планы).

Заключение

Органические полупроводники нашли широкое применение в OLED-мониторах и дисплеях, в светочувствительных элементах, в космическом приборостроении (так как устойчивы к радиации) и других технических областях. 

В нашей стране, судя по открытым патентам, компетенциями в области органических полупроводников обладают более двух десятков учреждений и организаций.

По российским СМИ новости про органические полупроводники идут мощным потоком, особенно по тематике OLED. Так, в начале ноября 2024 года в продажу на российский рынок поступила изогнутая широкоформатная HDR-новинка Acer Predator X34X с 10 Бит OLED ^[24]-матрицей и откликом 0,01 мс. В начале 2025 года Apple готовится к выпуску iPhone SE 4. Устройство станет первым с 5G-модемом, разработанным компанией, сохраняя при этом Wi-Fi от Broadcom. Ожидаются OLED-дисплей, Face ID и Apple Intelligence.

В новостях присутствует весьма скудная информация об объемах производства OLED-дисплеев и мониторов в России. Так, в 2022 г. ЦНИИ «Циклон» холдинга «Росэлектроника» сообщил об успешном начале производстве первого в России миниатюрного микродисплея на органических электролюминесцентных светодиодах (OLED-дисплея), его можно применять в очках виртуальной, дополненной и смешанной реальности, для установки в фото- и видеокамерах, специальной тепловизионной технике.

Бесплатный поиск, мониторинг и регистрация товарных знаков  и других объектов интеллектуальной собственности. ^[25]

Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале ^[26]