Telas OLED extensíveis dão um grande salto em frente

A pesquisa, recentemente publicada em Naturezaapresenta um OLED redesenhado que combina uma camada de polímero fosforescente flexível com eletrodos transparentes feitos de nanomaterial MXene. Essa abordagem permite que a tela se estique até 1,6 vezes seu comprimento original, mantendo a maior parte do brilho.

“Este estudo aborda um desafio de longa data na tecnologia OLED flexível, nomeadamente, a durabilidade da sua luminescência após repetidas flexões mecânicas”, disse Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University e professor de Bach na Faculdade de Engenharia de Drexel. “Embora os avanços na criação de diodos emissores de luz flexíveis tenham sido substanciais, o progresso se estabilizou na última década devido às limitações introduzidas pela camada condutora transparente, limitando sua elasticidade.”

Por que os OLEDs perdem desempenho quando dobrados

Os OLEDs geram luz por meio de um processo conhecido como eletroluminescência. Quando a eletricidade flui através do dispositivo, cargas positivas e negativas movem-se entre os eletrodos e passam através de uma camada de polímero orgânico. Quando essas cargas se encontram, elas liberam luz e formam uma partícula chamada exciton antes de se estabelecerem em um estado elétrico estável. O ajuste da composição química da camada orgânica determina a cor da luz emitida.

Os OLEDs flexíveis são feitos depositando essas camadas em substratos plásticos dobráveis, permitindo que funcionem enquanto dobrados, dobrados ou enrolados. A tecnologia foi desenvolvida pela primeira vez na década de 1990 e tornou-se amplamente visível na década de 2010, quando a Samsung incorporou telas flexíveis em dispositivos resistentes a estilhaços e telefones com bordas curvas. Com o tempo, porém, ficou claro que dobras repetidas faziam com que o brilho e a flexibilidade do OLED diminuíssem devido a danos graduais nos eletrodos e nos materiais orgânicos.

“Conferir flexibilidade a materiais condutores geralmente envolve a incorporação de um polímero isolante, mas extensível, que dificulta o transporte de carga e, como resultado, reduz a emissão de luz”, disse Danzhen Zhang, PhD, co-autor e pesquisador de pós-doutorado na Northeastern University, que conduziu os primeiros trabalhos em filmes condutores transparentes MXene como estudante de doutorado no laboratório de Gogotsi em Drexel. “Além disso, o material mais comumente usado em eletrodos pode se tornar quebradiço e com maior probabilidade de quebrar quanto mais tempo o OLED é flexionado e esticado. Esse problema foi resolvido usando eletrodos extensíveis de contato MXene, que apresentam alta robustez mecânica e função de trabalho ajustável, garantindo furo eficiente ou injeção de elétrons.”

Uma nova camada emissora de luz

Para superar esses desafios, os pesquisadores redesenharam a parte emissora de luz do OLED. A solução deles usa uma camada orgânica especializada que aumenta a frequência com que as cargas elétricas se combinam para formar excitons, levando a uma emissão de luz mais forte.

Este material, denominado camada fosforescente assistida por exciplex (ExciPh), é naturalmente extensível e projetado para ajustar os níveis de energia das cargas em movimento. Ao tornar mais fácil o encontro das cargas e a formação de excitons, a camada aumenta a produção de luz, semelhante a desacelerar um passeio giratório para que mais pessoas possam pisar com segurança.

Mais de 57% dos excitons criados na camada ExciPh são convertidos em luz. Em comparação, as camadas emissivas baseadas em polímeros comumente usadas nos OLEDs atuais alcançam apenas uma taxa de eficiência de conversação de 12 a 22%.

Para melhorar ainda mais a flexibilidade, a equipe incorporou uma matriz de elastômero de poliuretano termoplástico na camada ExciPh. Eles também se concentraram em melhorar a forma como as cargas elétricas se movem através do dispositivo, redesenhando os eletrodos.

Eletrodos MXene aumentam durabilidade e brilho

Os novos eletrodos combinam MXene, um nanomaterial bidimensional altamente condutor desenvolvido por pesquisadores da Drexel em 2011, com nanofios de prata. Juntos, esses materiais formam uma rede condutora que ajuda as cargas elétricas a atingirem a camada de polímero emissora de luz com mais eficiência antes de formar excitons.

Essa estrutura melhora a injeção de carga e permite que o OLED mantenha seu brilho mesmo quando dobrado e esticado.

“Devido à sua excepcional condutividade e forma em camadas, os MXenes fornecem um material de eletrodo excepcional para OLEDs flexíveis”, disse Gogotsi. “Demonstramos o desempenho de eletrodos MXene flexíveis e transparentes em múltiplas aplicações; portanto, incluí-los nos esforços para melhorar a tecnologia OLED é um passo natural para nossa pesquisa.”

Testando OLEDs sob tensão repetida

Usando essas melhorias combinadas, os pesquisadores produziram telas OLED verdes flexíveis, incluindo uma em forma de coração e outra mostrando dígitos numéricos. Eles mediram a taxa de conversão de carga em exciton – uma medida da capacidade dos OLEDs de produzir luz com eficiência – juntamente com o desempenho durante alongamentos repetidos.

Para demonstrar um potencial mais amplo, pesquisadores da Universidade Nacional de Seul também construíram um display OLED colorido e totalmente extensível usando quatro materiais dopantes dentro da camada ExciPh. Além disso, eles criaram OLEDs de matriz passiva totalmente extensíveis que apresentam um design simples e de baixo consumo de energia, adequado para eletrônicos vestíveis.

Em comparação com designs anteriores, os novos OLEDs apresentaram maior brilho e melhor eficiência energética. Quando esticado para 60% de sua tensão máxima, o desempenho caiu apenas 10,6%. Após 100 ciclos de alongamento repetido com 2% de tensão, os monitores retiveram 83% da sua emissão de luz, indicando uma durabilidade significativamente melhorada.

Rumo a monitores vestíveis e deformáveis

“Prevemos que o sucesso desta abordagem para projetar dispositivos optoeletrônicos flexíveis e de alta eficiência permitirá a próxima geração de telas vestíveis e deformáveis”, disse Teng Zhang, PhD, coautor e ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Gogotsi. “Esta tecnologia desempenhará um papel importante no monitoramento de cuidados de saúde em tempo real e na tecnologia de comunicações vestíveis.

O trabalho futuro pode envolver o teste de substratos flexíveis alternativos, o ajuste fino de camadas orgânicas para produzir diferentes cores e níveis de brilho e a simplificação do processo de fabricação para suportar a produção em larga escala de dispositivos OLED extensíveis.