Neues dehnbares OLED behält über 90 % Helligkeit, treibt Mobile und Wearable Tech voran

Andrew Corselli

Forscher von der Drexel University und der Seoul National University haben organische Leuchtdioden (OLEDs) entwickelt, die Mobile-Technologie-Displays verbessern und Wearable-Technologie ermöglichen könnten. (Bild: Drexel University)

Die organische Leuchtdioden (OLED)-Technologie hinter flexiblen Handys, gekrümmten Monitoren und Fernsehern könnte eines Tages genutzt werden, um On-Skin-Sensoren zu erstellen, die Veränderungen in Temperatur, Blutfluss und Druck in Echtzeit anzeigen. Eine internationale Kollaboration, geleitet von Forschern der Seoul National University (SNU) in der Republik Korea und der Drexel University, hat ein flexibles und dehnbares OLED entwickelt, das die Technologie auf Kurs für diesen Einsatz und eine Reihe neuer Anwendungen bringen könnte.

Kürzlich in Nature berichtet, verbessert ihre Arbeit bestehende Technologie durch Integration einer flexiblen, phosphoreszierenden Polymer-Schicht und transparenter Elektroden aus MXene-Nanomaterial. Das Ergebnis ist ein OLED, das auf das 1,6-fache seiner ursprünglichen Größe gedehnt werden kann, während es den Großteil seiner Lumineszenz beibehält.

„Diese Studie adressiert eine langjährige Herausforderung in der flexiblen OLED-Technologie, nämlich die Haltbarkeit seiner Lumineszenz nach wiederholter mechanischer Flexion“, sagte Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University und Bach Professor in Drexels College of Engineering. „Während die Fortschritte bei der Schaffung flexibler Leuchtdioden substanziell waren, hat der Fortschritt im letzten Jahrzehnt aufgrund von Limitierungen durch die transparente Leiterschicht, die ihre Dehnbarkeit begrenzte, stagniert.“

Hier ist ein exklusives Tech Briefs-Interview, redigiert für Länge und Klarheit, mit Gogotsi.

Tech Briefs: Was war die größte technische Herausforderung bei der Entwicklung der exciplex-unterstützten phosphoreszierenden (ExciPh) Schicht?

Gogotsi: Die ExciPh-Schicht wurde an der Seoul National University von Professor Tae-Woo Lee und seinem ehemaligen Ph.D.-Studenten Huanyu Zhou (aktuell Postdoc an Georgia Tech) entwickelt. Hier ist, was Huanyu kommentierte: „Wir fragten uns: Warum können wir die fortschrittlichste Physik von starren OLEDs – speziell exciplex-unterstützte Phosphoreszenz – nicht auf ein dehnbares Format anwenden? Exciplex-Hosts sind brillant, weil sie effizienten Langstrecken-Energietransfer zu phosphoreszierenden Dopanten ermöglichen, was Energieverlust minimiert. Aber die Übersetzung in ein dehnbares System war leichter gesagt als getan. Die meisten hochperformanten Exciplex-Hosts sind kleine Moleküle, die kristallisieren und reißen, wenn sie gedehnt werden. Wir brauchten ein System, das sein elektronisches ‚Handshake‘ sogar dann beibehält, wenn Moleküle auseinandergezogen werden. Der entscheidende Wendepunkt in unserer Forschung war die Entwicklung des dehnbaren exciplex-unterstützten phosphoreszierenden (ExciPh) Systems. Durch sorgfältiges Mischen intrinsisch dehnbarer Elastomere mit spezifischen organischen Molekülen schufen wir eine emissive Schicht, die stabile Filmmorphologie unter 200 % Dehnung ohne Rissbildung beibehielt.“

Tech Briefs: Können Sie in einfachen Begriffen erklären, wie es funktioniert?

Gogotsi: Die Schönheit des ExciPh-Systems liegt in seinem elastomer-toleranten Triplett-Recycling-Mechanismus. In typischen dehnbaren OLEDs führt die nicht-konjugierte Natur des Polymers zu Exzitonverlust durch nicht-strahlenden Zerfall. Durch Nutzung eines Exciplex-Hosts als Brücke können wir diese Tripletts recyceln und sie direkt zu einem phosphoreszierenden Dopanten transferieren. Diese Strategie überwindet die Limitierungen dehnbarer Materialien und ermöglicht es uns, eine externe Quantenausbeute (EQE) von über 17 % in voll dehnbaren Displays zu erreichen.

Mehr dazu hier in unserer „Behind the Paper: Breaking the Efficiency Barrier for the Future of Wearable Displays“ Story auf der Nature Research Communities Seite.

Tech Briefs: Haben Sie konkrete Pläne für weitere Forschung/Arbeit/etc.? Wenn nicht, was sind Ihre nächsten Schritte?

Gogotsi: Selbst mit einer perfekten emissiven Schicht ist ein Gerät nur so gut wie seine Elektroden. Um hohe Effizienz zu erreichen, braucht man eine Elektrode, die Ladungen effektiv injiziert, während sie leitfähig und stabil unter wiederholter Dehnung bleibt. Hier funktionierte MXene extrem gut. In unseren früheren Publikationen mit Tae-Woo Lees Gruppe zeigten wir, dass Ti3C2Tx MXene, ein 2D-Material, das an der Drexel University entdeckt wurde, transparente leitende Elektroden produzieren kann, die das spröde Indium-Zinn-Oxid in konventionellen OLEDs, Displays und Solarzellen ersetzen.

MXene bot Flexibilität und verbesserte Luminanz aufgrund seiner hohen und einstellbaren Austrittsarbeit. Um jedoch Dehnbarkeit hinzuzufügen, fügten wir Silbernanodrähte hinzu, die eine elektrische Verbindung sogar dann aufrechterhalten können, wenn der Film um 200 % gedehnt wird. Es ist wichtig zu erwähnen, dass dieser Ansatz genutzt werden kann, um andere flexible und dehnbare Geräte zu erstellen, einschließlich Solarzellen, Displays, Sensoren und epidermale Elektronik. Die zukünftigen Displays und anderen Geräte können tragbar, flexibel und sogar elastisch werden.

Das SNU-Team glaubt auch, dass das Überwinden der 17,0 % EQE-Barriere für voll dehnbare OLEDs nur ein Ausgangspunkt ist. Diese Forschung zeigt, dass der „Effizienzabstand“ zwischen starren und dehnbaren Elektroniken kein Naturgesetz ist – es ist eine Engineering-Herausforderung, die gelöst werden kann. Professor Lees Gruppe wird die Bemühungen in diese Richtung fortsetzen.

Tech Briefs: Gibt es etwas, das Sie hinzufügen möchten, worauf ich nicht eingegangen bin?

Gogotsi: MXene, eine chemisch und strukturell diverse Familie von 2D-Übergangsmetallkarbiden, -nitriden und -karbonitriden, bietet eine beispiellose Vielfalt an Zusammensetzungen und Strukturen. Chemisch einstellbare Oberflächen sind intrinsisch für MXene, und das Hinzufügen von Oberflächenterminierungen ergibt über tausend stöchiometrische Zusammensetzungen. Zusammen mit möglichen gemischten Terminierungen und Festkörperlösungen an M- und X-Stellen – Dutzende bereits berichtet, einschließlich High-Entropy-2D-Strukturen mit bis zu neun Übergangsmetallen – sind die Permutationen unendlich. Dieser chemische und strukturelle Reichtum ermöglicht beispiellose Eigenschaftseinstellbarkeit über eine breite Palette von Anwendungen. Die elektrische Leitfähigkeit einer gegebenen MXene-Zusammensetzung kann von metallisch zu halbleitend zu supraleitend eingestellt werden, indem man seine Oberflächenterminierungen oder Morphologie variiert. Daher können diese Materialien Technologien ermöglichen, die bisher nicht möglich waren. Dehnbare Elektronik ist nur ein Beispiel.

Tech Briefs: Haben Sie Ratschläge für Forscher, die ihre Ideen zur Frucht bringen wollen?

Gogotsi: Glauben Sie an sich selbst und geben Sie nie, nie auf!