Tania droga do solidnych diod LED

Organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED) stopniowo trafiają do urządzeń komercyjnych, takich jak telefony komórkowe i płaskie ekrany. Są wykonane z warstw polimerów organicznych, dzięki czemu są elastyczne, a ponadto zużywają mniej energii i mniej kosztownych materiałów niż wyświetlacze ciekłokrystaliczne.

Czerwone światło: Naukowcy z MIT znaleźli potencjalnie niedrogi sposób na wytwarzanie bardziej wytrzymałych hybrydowych diod LED. Zdjęcie przedstawia małą próbkę czerwonych kropek kwantowych nałożonych polimerem przewodzącym prąd elektryczny na szklanym podłożu wykonanym nową techniką wytwarzania.

Minusem jest to, że ponieważ polimery łatwo reagują z tlenem i wodą, diody OLED są drogie w produkcji – muszą być wytwarzane w komorach o wysokiej próżni – i potrzebują dodatkowych ochronnych warstw opakowania, aby upewnić się, że po zintegrowaniu z urządzeniami wyświetlającymi , nie ulegają degradacji pod wpływem powietrza lub wilgoci.

profesor inżynierii chemicznej MIT Karen Gleason oraz Sreeram Vaddiraju pod kierunkiem MIT opracowali proces, który ma na celu rozwiązanie problemów związanych z wysokimi kosztami produkcji i niestabilnością diod OLED przy jednoczesnym zachowaniu ich elastyczności. Rozwiązaniem Gleasona jest hybrydowa dioda elektroluminescencyjna, czyli HLED. Urządzenie zawierałoby zarówno warstwy organiczne, jak i nieorganiczne, łącząc elastyczność OLED ze stabilnością nieorganicznego materiału emitującego światło. Chodzi o to, aby mieć mieszaną torbę i uchwycić cechy, które umożliwiają niedrogą produkcję i stabilność, mówi Gleason.

Gleason zaczyna od podłoża z przewodzącego prąd elektryczny polimeru organicznego, który wytwarza w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej w komorze o niskiej próżni. To jedyny krok w procesie, który wymaga próżni, co powinno sprawić, że podejście będzie tańsze niż konwencjonalne metody. W warstwie emitującej światło Gleason używa kropek kwantowych, nanokryształów półprzewodników nieorganicznych; każda kropka kwantowa może być dostrojona do emitowania określonych częstotliwości światła. Chociaż kropki kwantowe same w sobie są nieelastyczne, są tak małe – o średnicy od dwóch do sześciu nanometrów – że nawet ułożenie ich obok siebie w ciągłej warstwie nadal pozwala na wyginanie się materiału.

Chociaż używanie kropek kwantowych w urządzeniach emitujących światło nie jest niczym nowym, technika Gleasona jest. Problem polega na tym, jak sprawić, aby kropki przykleiły się do podłoża w jednolitej, równej warstwie, bez przemieszczania się. Vaddiraju mówi, że używają okablowania molekularnego. Zamiast po prostu kłaść kropki kwantowe na wierzchu polimeru, naukowcy wykorzystują molekuły łącznikowe między warstwami, aby chemicznie związać ze sobą warstwę kropek kwantowych i polimer.

Ta sieciująca cząsteczka między warstwami to piękna ewolucja obecnych struktur, mówi Władimir Bulovic , profesor nadzwyczajny elektrotechniki na MIT i pierwszy, który zademonstrował praktyczne zastosowanie kropek kwantowych w urządzeniach optoelektronicznych. Badania Bulovica opierały się na innych metodach osadzania kropek kwantowych: upuszczaniu kropek na szybko wirujące podłoże, zwane odlewaniem wirowym, a od niedawna tłoczeniu ich na powierzchni.

Zaletą techniki Gleasona, mówi Bulovic, jest to, że otrzymujesz bardzo solidną strukturę mechanicznie, chemicznie i elektrycznie. Potwierdza ideę stabilizacji kropek kwantowych wewnątrz struktur organicznych poprzez zapewnienie wokół nich wiązań kowalencyjnych. Bulovic dodaje, że wciąż istnieją przeszkody do pokonania, ale uważa, że ​​badania stanowią kolejny z tych postępów, na które liczyliśmy w tej dziedzinie.

Wiązanie kowalencyjne rozwiązuje problem degradacji, mówi Vaddiraju, ponieważ cząsteczki łącznika chwytają wolne wiązania w materiale organicznym, nie pozostawiając żadnego do reakcji w powietrzu. To skutecznie uszczelnia warstwę polimeru organicznego przed wpływami zewnętrznymi.

Sieć powinna również zadbać o zwiększenie skali. Zamiast zajmować się mechanicznym problemem osadzania milionów nanokryształów na podłożu poprzez odlewanie wirowe lub tłoczenie, sama reakcja chemiczna łączy kropki z podłożem w gładką, równą warstwę. I w przeciwieństwie do procesu takiego jak odlewanie wirowe, technika badaczy wykorzystuje wszystkie kropki i cały polimer. Tak więc z punktu widzenia kosztów materiałowych nie tracimy materiału, mówi Vaddiraju.

Jak dotąd zespołowi udało się stworzyć czerwony HLED, który działał przez 2200 godzin w temperaturze 100°C. Naukowcy uważają, że jest to mniej więcej równoważne ich celowi w temperaturze pokojowej: 10 000 godzin lub około trzech lat przy nieco mniej niż 10 godzinach dziennie, co według ich szacunków jest długością działania telefonu komórkowego.

Następnym krokiem jest zakończenie testowania za pomocą zielonych i niebieskich kropek; naukowcy będą potrzebować wszystkich trzech kolorów, aby stworzyć kompletny prototyp. Następnie przejdą dalej, aby zobaczyć, jak urządzenie działa z szybkim wzorem — używając kropek, tak jak atrament z drukarki atramentowej. Ostatecznie celem jest drukowanie masowe. Ponieważ warstwy są tak cienkie i elastyczne, przetwarzanie roll-to-roll będzie proste i sprawi, że proces będzie jeszcze bardziej ekonomiczny. Roll-to-roll to ten sam proces, który stosuje się do nakładania metalizacyjnej warstwy barierowej na worki na chipsy ziemniaczane, mówi Gleason. A jeśli jest wystarczająco tani dla chipsów ziemniaczanych, powinien być wystarczająco tani dla wyświetlaczy.

ukryć