Naukowcy z Uniwersytetu Gdańskiego opracowali nowe, wydajne i stabilne emitery do zastosowań w tzw. czwartej generacji OLED. Artykuł, w którym opisują cały proces od zaprojektowania do testowania nowych urządzeń, znalazł się w prestiżowym czasopiśmie ASC Applied Materials & Interfaces o impact factor 9.6 i punktacji MNiSW 200 pkt. Technologia diod OLED jest powszechnie stosowana w nowoczesnych telewizorach, jednakże obecnie wykorzystuje się w niej toksyczne metale ciężkie. Badania naukowców przybliżyły nas do stworzenia w pełni organicznych emiterów o potencjale komercyjnym
- Obecnie znaczna część wysiłku branży skupiona jest na udoskonalaniu emiterów 3 i 4 generacji - tłumaczy jeden ze współautorów publikacji, dr Michał Mońka. - Niestety poważną blokadą wdrożeniową w tej grupie materiałów jest ich niska stabilność, co powoduje wypalanie się pikseli w matrycach OLED i znacznie skraca ich żywotność. Aby mówić o komercjalizacji, trzeba opracować sposób na zwiększenie ich trwałości.
Uzyskane wyniki wskazują na obiecujący sposób zwiększenia żywotności OLED całkowicie pozbawionych metali ciężkich. Brak toksycznych związków chemicznych oznaczałby, że nowe emitery byłyby w pełni organiczne. W przyszłości będzie je można nanosić na powierzchnie za pomocą technologii druku 3D.
Autorami publikacji z Uniwersytetu Gdańskiego są pracownicy i doktoranci Wydziału Matematyki, Fizyki i Informatyki - dr Michał Mońka, dr Illia Serdiuk, dr hab. Aleksander Kubicki, prof. UG, prof. dr hab. Piotr Bojarski a także Wydziału Chemii: dr Daria Grzywacz, mgr Vladyslav Ievtukhov i mgr Karol Kozakiewicz,
W publikacji naukowcy opisują, jak poprzez łączenie ze sobą zjawisk termicznie aktywowanej opóźnionej fluorescencji (TADF), efektu ciężkiego atomu oraz rezonansowego transferu energii fluorescencji (FRET) opracowano nowe, wydajne i stabilne układy „hiperfluorescencyjne”, emitujące światło w czerwonym zakresie spektralnym.
Dzięki współpracy z Politechniką Łódzką oraz Akademią Górniczo-Hutniczą im. Stanisława Staszica w Krakowie możliwe było przeprowadzenie testów aplikacyjnych, w których urządzenia OLED na bazie nowych układów wykazały ponad dwukrotne zwiększenie stabilności względem wydajności, co jest znaczącym postępem w rozwiązaniu aktualnego problemu technologii OLED. Autorami publikacji jest siedmioro naukowców z UG oraz troje naukowców z innych uczelni: Politechniki Gdańskiej, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie oraz Politechniki Łódzkiej.
O nowych emiterach i przyszłości technologii OLED opowiada dr Michał Mońka
Marcel Jakubowski: - Nowe generacje diod OLED są pod wieloma względami lepsze od poprzednich. Które cechy w ramach pracy nad nowymi emiterami udało się Państwu ulepszyć, wzmocnić czy przyspieszyć?
Dr Michał Mońka: - Wyświetlacze OLED (ang. Organic Light-Emitting Diode) składają się z wielu bardzo cienkich (o grubości kilkunastu nanometrów) warstw mających określone funkcje. Kluczowym składnikiem w ich strukturze jest warstwa emisyjna, w której zachodzi zjawisko konwersji energii elektrycznej w energię świetlną. Materiały (związki chemiczne), które są do tego zdolne, nazywamy emiterami. Właściwości tych materiałów na poziomie molekularnym decydują o cechach makroskopowych wyświetlaczy, takich jak wydajność, stabilność czy barwa.
Do tej pory opracowano 4 generacje OLED, które różnią się między sobą rodzajem używanych emiterów. Pierwsza generacja OLED to emitery fluorescencyjne, których poważnym ograniczeniem była ich niska wydajność. Do drugiej generacji zalicza się emitery zawierające metale ciężkie (głównie iryd i platynę). Ich wydajności są o wiele wyższe, jednak stosowanie ich niesie za sobą bardzo wysokie koszty produkcji i skomplikowane procedury utylizacji.
Obecnie znaczna część wysiłku branży skupiona jest na udoskonalaniu emiterów 3 i 4 generacji. Są to emitery w pełni organiczne (nie zawierające toksycznych metali ciężkich), których wydajności sięgają dzisiaj ponad 40%. Niestety poważną blokadą wdrożeniową w tej grupie materiałów jest ich niska stabilność, co powoduje wypalanie się pikseli w matrycach OLED i znacznie skraca ich żywotność. Aby mówić o komercjalizacji, trzeba opracować sposób na zwiększenie ich trwałości.
W ostatnim artykule opisaliśmy przypadek czerwonego emitera, w którym udało się poprawić ponad dwukrotnie stabilność, jednocześnie nie rezygnując z wysokiej wydajności oraz pożądanego poziomu czystości barwy. Dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu struktury chemicznej, zachowaliśmy w pełni organiczny charakter materiału, więc nie trzeba się martwić o wysokie koszty syntezy i problematyczne metody utylizacji. Dodatkowo pokazaliśmy, że taki materiał można wprowadzać do urządzeń z roztworu, a mianowicie celujemy w metodę druku IJP (ang. Ink-Jet Printing). Oznaczać to będzie bardziej ekonomiczne wykorzystanie zasobów w procesie produkcyjnym wyświetlaczy oraz możliwość powlekania materiałami emisyjnymi różnych, niekoniecznie płaskich powierzchni (np. odzieży).
- Jakie są obecnie największe problemy technologii OLED?
- Z powodów wymienionych wcześniej, obecnie, znaczenie komercyjne mają tylko OLEDy pierwszej i drugiej generacji. Chociaż w akronimie OLED ukrywa się słowo „organic”, druga generacja emiterów zawiera przecież pierwiastki metali ciężkich i z tego względu dyskwalifikuje je z niektórych zastosowań.
Żeby sprostać wymaganiom, które stawia przemysł, pracujemy nad tym, aby w pełni organiczne emitery 3- i 4 generacji były bardziej stabilne. Pod tym względem, największy problem jest z emiterami światła niebieskiego, ponieważ po aplikacji ładunku elektrycznego, energia którą „musi na siebie przyjąć” niebieski emiter jest większa niż np. dla koloru zielonego i prawdopodobieństwo wystąpienia szkodliwych zjawisk pobocznych do emisji światła jest większe. Część z tych zjawisk wiąże się ze zmianami w budowie chemicznej emiterów i modyfikacji ich właściwości fotofizycznych. W konsekwencji, emiter może stracić swoją funkcję i stać się bezużyteczny jako nieaktywna cząsteczka. Różnorodność molekuł i złożoność mechanizmów, które zachodzą w stanie wzbudzonym powodują, że nie istnieje jedna uniwersalna metoda, pozwalająca na zwiększenie trwałości emiterów.
Przechodząc do emiterów czerwonych, wygląda na to, że im bardziej staramy się poprawić ich stabilność, tym mniejszą uzyskujemy wydajność. Nie godzimy się na konieczność przyjęcia kompromisu stabilność vs. wydajność i dlatego szukamy nowych sposobów na rozwiązanie tego problemu. Nasz ostatni artykuł stanowi przykład na to, że takie rozwiązania istnieją.
- Czy ze względu na popularność diod OLED, np. w telewizorach, możemy mówić o potencjalnym komercyjnym zastosowaniu państwa rozwiązań w różnych urządzeniach?
- Oczywiście, naszym długoterminowym „technologicznym” celem jest opracowanie w pełni organicznych, stabilnych i wydajnych emiterów, które będzie można skomercjalizować i wdrożyć do powszechnego użytku w telewizorach, smartfonach itd. Do tej pory zaprojektowaliśmy kilkaset nowych emiterów przeznaczonych do zastosowania w 3 i 4 generacji. Te najbardziej obiecujące staramy się syntetyzować i weryfikować ich potencjał aplikacyjny w naszych laboratoriach za pomocą skonstruowanych narzędzi doświadczalnych. Ostatnim etapem są właściwe testy OLED, w wyniku których otrzymujemy jednoznaczną informację o przydatności nowych emiterów i ewentualnym wpływie zastosowanych modyfikacji. Testy wykonujemy w zaprzyjaźnionych specjalistycznych ośrodkach naukowo-badawczych w Polsce, Anglii oraz Korei, które dysponują odpowiednią aparaturą, dedykowaną do takich badań.
Nasze najlepsze wynalazki są chronione przez prawa patentowe, a właśnie z myślą o ich wdrożeniu aktywnie poszukujemy partnerów wśród sektora gospodarczego. Od 2023 roku współpracujemy również z firmą Noctiluca (Toruń), zajmującą się produkcją materiałów do OLED na masową skalę.
Badania były objęte finansowaniem w ramach grantów LIDER XI (LIDER/47/0190/L-11/19/NCBR/2020, kierownik dr Illia Serdiuk) oraz Sonata 16 (UMO-2020/39/D/ST5/03094, kierownik dr Illia Serdiuk).
