Die organische Leuchtdioden-Technologie (OLED), die hinter flexiblen Mobiltelefonen, gebogenen Monitoren und Fernsehern steckt, könnte eines Tages zur Herstellung von Sensoren auf der Haut verwendet werden, die Veränderungen der Temperatur, der Durchblutung und des Drucks in Echtzeit anzeigen. Eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung von Forschern der Seoul National University in der Republik Korea und der Drexel University hat eine flexible und dehnbare OLED entwickelt, die diese Technologie für diesen Zweck und eine Reihe neuer Anwendungen nutzbar machen könnte.
Ihre Arbeit verbessert die bestehende Technologie durch die Integration einer flexiblen, phosphoreszierenden Polymerschicht und transparenter Elektroden aus MXene-Nanomaterial. Das Ergebnis ist eine OLED, die auf das 1,6-fache ihrer ursprünglichen Größe gedehnt werden kann, wobei sie den größten Teil ihrer Leuchtkraft beibehält.
„Diese Studie befasst sich mit einer seit langem bestehenden Herausforderung in der flexiblen OLED-Technologie, nämlich der Haltbarkeit ihrer Lumineszenz nach wiederholter mechanischer Biegung“, sagte Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University und Bach-Professor am Drexel College of Engineering. „Obwohl bei der Entwicklung flexibler Leuchtdioden erhebliche Fortschritte erzielt wurden, hat sich das Tempo in den letzten zehn Jahren aufgrund der Einschränkungen durch die transparente Leiterschicht, die ihre Dehnbarkeit begrenzt, verlangsamt.“
Grenzen der Flexibilität
OLEDs erzeugen Licht durch einen Prozess, der als Elektrolumineszenz bezeichnet wird. Wenn Strom an das Gerät angelegt wird, senden die positiven und negativen Ladungen, die zwischen den Elektroden – durch eine organische Polymerschicht – hin- und herwandern, Licht aus, wenn sie sich verbinden, ein Teilchen namens Exziton bilden und sich in einem elektrisch stabilen Zustand einpendeln. Die Farbe des Lichts kann durch Variieren der chemischen Zusammensetzung der organischen Schicht gesteuert werden.
Flexible OLEDs, die durch Aufbringen der Schichten auf ein flexibles Kunststoffsubstrat hergestellt werden, können im gefalteten, gebogenen oder gerollten Zustand betrieben werden. Die Technologie wurde erstmals in den 1990er Jahren entwickelt und bis zum Jahr 2010 hatte Samsung sie in seine bruchsicheren und flexiblen Geräte sowie in seine Smartphones mit gebogenen Kanten integriert. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Pixelhelligkeit und Flexibilität der OLEDs mit der Zeit nachließen, da sich die in den Elektroden und der organischen Schicht verwendeten Materialien allmählich zersetzten.
„Um leitfähigen Materialien Flexibilität zu verleihen, muss in der Regel ein isolierendes, aber dehnbares Polymer eingebaut werden, das den Ladungstransport behindert und dadurch die Lichtemission verringert“, erklärte Dr. Danzhen Zhang, Mitautor und Postdoktorand an der Northeastern University, der als Doktorand in Gogotsis Labor an der Drexel University Pionierarbeit bei der Entwicklung transparenter, leitfähiger MXene-Folien mit einstellbaren Eigenschaften geleistet hat. „Darüber hinaus kann das in Elektroden am häufigsten verwendete Material spröde werden und umso eher brechen, je länger die OLED gebogen und gedehnt wird. Dieses Problem wurde durch die Verwendung von MXene-Kontakt-dehnbaren Elektroden gelöst, die sich durch hohe mechanische Robustheit und einstellbare Austrittsarbeit auszeichnen und eine effiziente Loch- oder Elektroneninjektion gewährleisten.“
Eine materielle Lösung
Um dieses Designproblem zu lösen, verwendeten die Forscher eine spezielle Art von organischer Schicht, die chemisch mehr Ladungsverbindungen, Exzitonenbildung und Lichtproduktion hervorruft. Das Material, das die Forscher als exciplex-unterstützte phosphoreszierende (ExciPh) Schicht bezeichnen, ist von Natur aus dehnbar und seine chemische Zusammensetzung kann das Energieniveau der Ladungen verändern, sodass mehr von ihnen Exzitonen bilden und Licht erzeugen können – ähnlich wie wenn man die Drehung eines Karussells verlangsamt, um das Aufsteigen zu erleichtern.
Das ExciPh-Material ermöglicht es, mehr als 57 Prozent der Exzitonen zur Lichterzeugung zu nutzen. Im Vergleich dazu haben emittierende Materialien, denen die derzeit in OLEDs verwendete Polymerschicht hinzugefügt wird, nur eine Umwandlungseffizienz von 12 bis 22 Prozent. Das Team fügte außerdem ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer-Matrixmaterial hinzu, um die Dehnbarkeit der Schicht zu verbessern. Um die Leistung der OLEDs weiter zu verbessern, entwickelten die Forscher hochwertige, hochleitfähige, transparente und dehnbare Elektroden, die die Verteilung der Ladungen in der ExciPh-Schicht verbessern.
Durch die Kombination von MXene, einem hochleitfähigen, zweidimensionalen Nanomaterial, das 2011 von Forschern der Drexel University entwickelt wurde, mit Silbernanodrähten bilden die Elektroden ein Perkolationsnetzwerk für die Ladungen, das dafür sorgt, dass mehr von ihnen die lichtproduzierende Polymerschicht erreichen, bevor sie sich zu Exzitonen verbinden. Auf diese Weise verbessern die dehnbaren MXene-basierten Elektroden die Ladungsinjektion und tragen dazu bei, dass die OLED ihre Leuchtkraft auch bei Biegung beibehält.
„Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Leitfähigkeit und Schichtform sind MXenes ein hervorragendes Elektrodenmaterial für flexible OLEDs“, so Gogotsi. „Wir haben die Leistungsfähigkeit flexibler, transparenter MXene-Elektroden in mehreren Anwendungen unter Beweis gestellt. Daher ist es für unsere Forschung nur logisch, sie in die Bemühungen zur Verbesserung der OLED-Technologie einzubeziehen.“
Flexibilität
Durch die Kombination dieser Verbesserungen schuf das Team eine Reihe flexibler grüner OLED-Displays, eines in Form eines Herzens und ein weiteres, das eine Reihe von Zahlen anzeigt. Sie maßen die Ladungs-Exziton-Umwandlungsrate – ein Maß für die Fähigkeit der OLEDs, effizient Licht zu erzeugen – sowie ihre Leistung unter Belastung und wiederholter Nutzung.
Um die breite Anwendbarkeit ihrer vollständig dehnbaren OLED weiter zu demonstrieren, entwickelten Forscher der Seoul National University ein vollfarbiges, vollständig dehnbares Display, in dessen dehnbarer ExciPh-Schicht vier Dotierstoffe integriert waren. Außerdem entwickelten sie eine Reihe vollständig dehnbarer Passivmatrix-OLEDs, um eine einfache, stromsparende Schnittstelle zu demonstrieren, die sich leicht herstellen und in tragbaren Elektronikgeräten verwenden lässt.
Die OLEDs zeigten sowohl bei der Lichtproduktion als auch bei der Energieeffizienz eine bessere Leistung als die in früheren Forschungen beschriebenen. Dehnungstests zeigten außerdem, dass die Leistung des Geräts bei 60 Prozent seiner maximalen Belastung nur um 10,6 Prozent abnahm. Nach 100 Zyklen mit einer Belastung von 2 Prozent behielt es 83 Prozent seiner Lichtproduktionsleistung bei, was eine verbesserte Haltbarkeit gegenüber aktuellen OLEDs demonstriert.
„Wir gehen davon aus, dass der Erfolg dieses Ansatzes zur Entwicklung flexibler, hocheffizienter optoelektronischer Geräte die nächste Generation von tragbaren und verformbaren Displays ermöglichen wird“, sagte Dr. Teng Zhang, Mitautor und Postdoktorand in Gogotsis Labor. „Diese Technologie wird eine wichtige Rolle bei der Echtzeit-Gesundheitsüberwachung und der tragbaren Kommunikationstechnologie spielen.
Zukünftige Forschungsarbeiten könnten die Erprobung verschiedener flexibler Substratmaterialien, die Anpassung organischer Schichten zur Erzeugung unterschiedlicher Farben und Lichtintensitäten sowie die Rationalisierung des OLED-Produktionsprozesses umfassen.
