Гибкие OLED: Инновации для экранов будущего

Органические светодиоды (OLED) являются основой современных высококачественных экранов — от телевизоров и смартфонов до ноутбуков и игровых консолей. Представьте, если бы эти дисплеи могли растягиваться, покрывая любые трехмерные или неровные поверхности. Это открыло бы двери для таких технологий, как носимая электроника, медицинские имплантаты и гуманоидные роботы, которые лучше интегрируются с мягким человеческим телом или имитируют его.

«Дисплеи — это наиболее очевидное применение, но растягиваемый OLED также может служить источником света для устройств мониторинга, обнаружения и диагностики диабета, рака, сердечных заболеваний и других серьезных проблем со здоровьем», — отмечает Вэй Лю, бывший постдок в лаборатории доцента Сихона Вана из Чикагского университета (UChicago PME).

Группа Вана в UChicago PME ранее разработала высокоэффективный электролюминесцентный материал, который мог растягиваться более чем вдвое по сравнению с первоначальной длиной, продолжая излучать флуоресцентный узор. Однако для работы экрана два слоя — катодный и электронно-транспортный — оставались жесткими.

«Наша конечная цель — создать высокопроизводительное, полностью растягиваемое светоизлучающее устройство, — говорит соавтор Чэн Чжан, ныне инженер-дисплейщик в Apple. — В этой работе мы решаем проблемы катодного и электронно-транспортного слоев, которые ранее были нерешенными, крупными препятствиями для растягиваемых OLED-экранов».

В новой разработке инновационный алюминиевый гель и новый класс проводящих полимеров преодолели эти последние жесткие барьеры.

Новая стратегия превращает реактивный алюминий в растяжимые катоды

Электроны поступают в OLED-устройство через электрод, называемый катодом, который обычно изготавливается из алюминия. К сожалению, создание растяжимого алюминия — сложная задача.

После тестирования нескольких разочаровывающих альтернатив и изучения научной литературы команда пришла к контринтуитивному прорыву: чтобы сделать алюминий растяжимым, его пришлось сделать хрупким. Металлы, жидкие при комнатной температуре, сильно корродируют большинство других металлов. Это явление называется «охрупчиванием жидким металлом», и инженеры с самого начала обучения стараются его избегать.

«Если вы поместите каплю этого жидкого металла на алюминиевую фольгу, через короткое время она разрушится на куски», — поясняет Ван. «Это считается негативным явным, поскольку вызывает повреждения. Обычно стараются предотвратить это».

Вместо предотвращения охрупчивания команда UChicago PME решила его создать, защитив тонкую пленку алюминия в эластичной подложке. «Тогда, когда происходит этот эффект охрупчивания, хотя он и разбивает алюминий на отдельные части, он не разрушает его полностью структурно», — говорит Ван. Алюминий перестает крошиться, он трескается. Эти трещины, крошечные точки разрыва, раскрываются при растяжении материала и снова закрываются при его выпрямлении, подобно разрезанной и сложенной бумаге. Окружающий жидкий металл заполняет любые более крупные разрывы, устраняя пустоты и поддерживая работу устройства.

Команда создала сплав галлия и индия, предварительно смешав алюминиевые частицы для лучшего сцепления с алюминиевой пленкой. «Сплав галлия-индия — это жидкий металл, который течет, как вода», — говорит соавтор, студент UChicago PME Чжимин Чжан. «Наш алюминиевый жидкий металл ведет себя скорее как гель».

В течение месяца испытаний на старение электрические свойства алюминиевого жидкого металла не изменились.

Семейство полимеров помогает перемещать электроны к эмиттирующему слою

Чтобы OLED ярко светился, электроны должны плавно перемещаться от катода к светоизлучающему слою. Это требует ряда «энергетических ступеней», расположенных в правильном порядке — если какая-либо ступень слишком высока, электроны могут застрять, и яркость упадет. Электронно-транспортные слои снижают эти энергетические барьеры и помогают электронам эффективно течь.

Для создания растягиваемой версии этого важного, но хрупкого слоя команда разработала новое семейство полимеров с основной цепью из электронодефицитных триазиновых сопряженных групп кольцевой структуры, связанных алкильными цепями. Кольца проводят ток, а цепи — растягиваются.

«Это создает баланс между растяжимостью и подвижностью электронов», — отмечает Ван. «По сути, чем больше алкильных цепей вы добавляете, тем более растяжимым, но менее проводящим становится материал. Чем меньше цепей, тем он более проводящий, но менее растяжимый».

Изменяя соотношение растяжимых цепей и проводящих колец, команда смогла точно настроить идеальный электронно-транспортный слой (ETL). В сочетании с новым растяжимым алюминиевым катодом эти две инновации представляют собой следующий шаг в гибком будущем цифровых дисплеев.

В дальнейшем Ван и его команда стремятся продвинуть растягиваемые OLED-устройства в коммерчески жизнеспособную технологию с производительностью, сопоставимой с современными жесткими OLED-устройствами, что позволит использовать их в широком спектре интеллектуальных, интегрированных с человеком электронных устройств и гуманоидных систем.