Nieuwe rekbare OLED behoudt meer dan 90% van zijn helderheid en bevordert mobiele en draagbare technologie

Andrew Corselli

Onderzoekers van Drexel University en Seoul National University hebben organische light-emitting diodes (OLED's) gemaakt die displays voor mobiele technologie kunnen verbeteren en draagbare technologie mogelijk maken. (Afbeelding:Drexel Universiteit)

De organische light-emitting diode (OLED)-technologie achter flexibele mobiele telefoons, gebogen monitoren en televisies zou op een dag kunnen worden gebruikt om sensoren op de huid te maken die veranderingen in temperatuur, bloedstroom en druk in realtime weergeven. Een internationale samenwerking, geleid door onderzoekers van Seoul National University (SNU) in de Republiek Korea en Drexel University, heeft een flexibele en rekbare OLED ontwikkeld die de technologie op het goede spoor zou kunnen zetten voor dit gebruik en een reeks nieuwe toepassingen.

Onlangs gerapporteerd in Natuur verbetert hun werk de bestaande technologie door een flexibele, fosforescerende polymeerlaag en transparante elektroden gemaakt van MXene-nanomateriaal te integreren. Het resultaat is een OLED die kan worden uitgerekt tot 1,6 keer de oorspronkelijke grootte, terwijl het grootste deel van zijn luminescentie behouden blijft.

“Deze studie richt zich op een al lang bestaande uitdaging in flexibele OLED-technologie, namelijk de duurzaamheid van de luminescentie na herhaalde mechanische flexie”, zegt Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University en Bach Professor aan Drexel’s College of Engineering. “Hoewel de vooruitgang bij het creëren van flexibele lichtgevende diodes aanzienlijk is geweest, is de vooruitgang de afgelopen tien jaar afgevlakt als gevolg van beperkingen die zijn geïntroduceerd door de transparante geleiderlaag, waardoor hun rekbaarheid wordt beperkt.”

Hier is een exclusieve Tech Briefs interview, bewerkt voor lengte en duidelijkheid, met Gogotsi.

Technische slips :Wat was de grootste technische uitdaging waarmee u te maken kreeg bij het ontwikkelen van de exciplex-ondersteunde fosforescerende (ExciPh) laag?

Gogotsi :De ExciPh-laag werd ontwikkeld aan de Seoul National University door professor Tae-Woo Lee en zijn voormalige Ph.D. student Huanyu Zhou (momenteel postdoc bij Georgia Tech). Dit is wat Huanyu opmerkte:“We vroegen ons af:Waarom kunnen we de meest geavanceerde fysica van stijve OLED’s – met name door exciplex ondersteunde fosforescentie – niet toepassen op een rekbaar formaat? Exciplex-hosts zijn briljant omdat ze efficiënte energieoverdracht over lange afstanden naar fosforescerende doteerstoffen mogelijk maken, waardoor energieverlies wordt geminimaliseerd. Maar dit vertalen naar een rekbaar systeem was makkelijker gezegd dan gedaan. De meeste hoogwaardige exciplex-gastheren zijn kleine moleculen die kristalliseren en barsten wanneer ze worden uitgerekt. We hadden een systeem nodig dat zijn elektronische ‘handdruk’ handhaafde, zelfs als moleculen uit elkaar werden getrokken. Het cruciale keerpunt in ons onderzoek was de ontwikkeling van het rekbare exciplex-ondersteunde fosforescerende (ExciPh) systeem. Door intrinsiek rekbare elastomeren zorgvuldig te mengen met specifieke organische moleculen, creëerden we een emissieve laag die een stabiele filmmorfologie behield onder 200 procent spanning zonder te barsten.”

Technische slips :Kunt u in eenvoudige bewoordingen uitleggen hoe het werkt?

Gogotsi :De schoonheid van het ExciPh-systeem ligt in het elastomeer-tolerante triplet-recyclingmechanisme. In typische rekbare OLED's leidt de niet-geconjugeerde aard van het polymeer tot excitonverlies via niet-stralingsverval. Door een exciplex-host als brug te gebruiken, kunnen we deze tripletten recyclen en rechtstreeks overbrengen naar een fosforescerend doteermiddel. Deze strategie overwint de beperkingen van rekbare materialen, waardoor we een externe kwantumefficiëntie (EQE) van meer dan 17 procent kunnen bereiken in volledig rekbare beeldschermen.

Lees er hier meer over, in ons verhaal 'Behind the Paper:Breaking the Efficiency Barrier for the Future of Wearable Displays' op Natuuronderzoeksgemeenschappen pagina  .

Technische slips :Heeft u vaste plannen voor verder onderzoek/werk/etc.? Zo niet, wat zijn uw volgende stappen?

Gogotsi :Zelfs met een perfecte emissielaag is een apparaat slechts zo goed als zijn elektroden. Om een ​​hoge efficiëntie te bereiken, heeft men een elektrode nodig die ladingen effectief injecteert en tegelijkertijd geleidend en stabiel blijft bij herhaaldelijk uitrekken. Dit is waar MXene buitengewoon goed werkte. In onze eerdere publicaties met de groep van Tae-Woo Lee hebben we laten zien dat Ti3C2Tx MXene, een 2D-materiaal ontdekt aan de Drexel University, transparante geleidende elektroden kan produceren die het broze indium-tinoxide vervangen dat wordt gebruikt in conventionele OLED's, beeldschermen en zonnecellen.

MXene zorgde voor flexibiliteit en verbeterde helderheid dankzij de hoge en instelbare werkfunctie. Om de rekbaarheid te vergroten, hebben we echter zilveren nanodraden toegevoegd die een elektrische verbinding kunnen behouden, zelfs als de film 200 procent is uitgerekt. Het is belangrijk om te vermelden dat deze aanpak kan worden gebruikt om andere flexibele en rekbare apparaten te creëren, waaronder zonnecellen, displays, sensoren en epidermale elektronica. De toekomstige displays en andere apparaten kunnen draagbaar, flexibel en zelfs elastisch worden.

Het SNU-team is ook van mening dat het overschrijden van de EQE-barrière van 17,0 procent voor volledig rekbare OLED's slechts een startpunt is. Dit onderzoek toont aan dat de ‘efficiëntiekloof’ tussen stijve en rekbare elektronica geen natuurwet is – het is een technische uitdaging die kan worden opgelost. De groep van professor Lee zal de inspanningen in deze richting voortzetten.

Technische slips :Is er nog iets dat je wilt toevoegen dat ik niet heb besproken?

Gogotsi :MXenen, een chemisch en structureel diverse familie van 2D-overgangsmetaalcarbiden, nitriden en carbonitriden, bieden een ongekende verscheidenheid aan samenstellingen en structuren. Chemisch afstembare oppervlakken zijn inherent aan MXenes, en het toevoegen van oppervlaktebeëindigingen levert meer dan duizend stoichiometrische composities op. Samen met mogelijke gemengde beëindigingen en solide oplossingen op M- en X-locaties – er zijn er al tientallen gerapporteerd, waaronder 2D-structuren met hoge entropie met maximaal negen overgangsmetalen – zijn de permutaties oneindig. Deze chemische en structurele rijkdom maakt een ongekende afstemming van eigenschappen mogelijk voor een breed scala aan toepassingen. De elektrische geleidbaarheid van een bepaalde MXene-samenstelling kan worden afgestemd van metallisch via halfgeleidend naar supergeleidend door de oppervlaktebeëindigingen of morfologie te variëren. Daarom kunnen deze materialen technologieën mogelijk maken die tot nu toe niet mogelijk waren. Rekbare elektronica is slechts één voorbeeld.

Technische slips :Heb je enig advies voor onderzoekers die hun ideeën willen verwezenlijken?

Gogotsi :Geloof in jezelf en geef nooit op!