Neue LED-Technologie könnte Telefonbildschirme flexibel machen

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Gepostet am 31. Juli 202331. Juli 2023 von Melisa Yashinski

Viele der heutigen Bildschirme, wie sie beispielsweise in Ihrem Fernseher, Laptop und Smartphone zu finden sind, basieren auf einem Material namens organischer Leuchtdiode, kurz OLED. OLED-basierte Bildschirme sind dafür bekannt, dass sie dünn und leicht sind und ein tieferes und dunkleres Schwarz anzeigen. Allerdings sind diese Bildschirme steif und spröde, wie ein Stück Glas. Was wäre, wenn diese Bildschirme hautähnlicher Weichheit und der Möglichkeit wären, sich um Ihr Handgelenk zu wickeln oder vollständig in zwei Hälften zu falten?

Zuvor haben Wissenschaftler neue Bildschirmdesigns entwickelt, um OLED-Displays Flexibilität zu verleihen. Diese Versuche führten jedoch zu einer Verringerung der Auflösung und Bildqualität sowie zu einer eingeschränkten Biegbarkeit. Andere Wissenschaftler haben erfolgreich dehnbare Bildschirme unter Verwendung alternativer lichtemittierender Materialien wie Fluoreszenzmitteln entwickelt. Allerdings haben diese Materialien schlechtere Eigenschaften, wie z. B. eine geringere Helligkeit und eine geringere Energieeffizienz als OLED-Materialien.

Kürzlich haben Wissenschaftler aus China und den USA das molekulare Design eines bestehenden OLED-Materials modifiziert, um es flexibler zu machen und gleichzeitig seine Fähigkeit zur Lichtemission beizubehalten. Sie konzentrierten sich auf eine Art OLED, die durch Wärme absorbierte Energie nutzt, um ein Elektron in einen anderen Energiezustand anzuregen und Licht zu emittieren. Diese Art von Schirm wird als thermisch aktivierter verzögerter Fluoreszenz- oder TADF-Emitter bezeichnet. Im Gegensatz zu anderen OLED-Technologien basieren TADF-Emitter nicht auf Schwermetallen und sind daher sicher für vom Menschen integrierte Anwendungen wie Wearables.

Die meisten TADF-Emitter bestehen aus kleinen, unflexiblen Molekülen. In aktuellen Studien entwickelten Wissenschaftler TADF-Emitter aus langen Molekülketten, sogenannten Polymeren, die allerdings ebenfalls nicht dehnbar waren. Um ihren Materialien Dehnbarkeit zu verleihen, fügten diese Wissenschaftler zwischen den TADF-Polymereinheiten weiche Moleküle aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, sogenannte Alkylketten, hinzu. Ihr Ziel war es, die längsten Alkylketten zu bestimmen, die sie hinzufügen konnten, um Flexibilität zu verleihen, ohne die Lichtemissionseigenschaften zu beeinträchtigen. Sie synthetisierten vier TADF-Polymere mit Alkylkettenlängen von 1, 3, 6 und 10 Kohlenstoffatomen. Zum Vergleich synthetisierten sie auch einen typischen niedermolekularen TADF-Emitter.

Zunächst testeten die Wissenschaftler die Lichtemissionseigenschaften jedes Emitters, um herauszufinden, ob das Hinzufügen von Alkylketten ihre Leistung beeinflusste. Sie beobachteten, dass alle fünf Geräte erfolgreich grünes Licht aussendeten, wobei sich die Intensität nur minimal änderte. Dann maßen sie den Unterschied in den Energiezuständen der Elektronen, ein Wert, der angibt, wie viel Wärmeenergie benötigt wird, um ein Elektron im TADF-Prozess anzuregen, und stellten fest, dass er für alle Emitter nahezu identisch war. Sie interpretierten ihre Ergebnisse dahingehend, dass das Hinzufügen weicher Alkylketten zu den TADF-Geräten deren Fähigkeit zur Lichtemission nicht beeinträchtigte.

Als nächstes dehnten die Wissenschaftler jeden Emitter, bis er seine Länge verdoppelte, und beobachteten etwaige Rissbildung und Veränderungen in der Lichtemission. Sie beobachteten, dass die Geräte mit längeren Alkylketten weniger und kürzere Risse aufwiesen, was bedeutete, dass sie weniger Schäden durch Dehnung aufwiesen. Sie stellten fest, dass das TADF-Polymer mit einer 10-Kohlenstoff-Alkylkette, der längsten Alkylkette, die sie getestet haben, vollständig intakt blieb und keine Risse aufwies, selbst wenn der Emitter auf das Doppelte seiner ursprünglichen Größe gedehnt wurde. Sie maßen auch mehr Licht, das von der gestreckten Version dieses TADF-Polymers emittiert wurde als von den Proben mit kürzeren Alkylketten. Sie erklärten, dass dies wahrscheinlich auf die Risse zurückzuführen sei, die sich in diesen Emittern bildeten, wodurch die elektrischen Kontakte beschädigt und möglicherweise verhindert würden, dass Elektronen ihren Energiezustand ändern.

Anschließend bauten die Wissenschaftler das TADF-Polymer mit einer 10-Kohlenstoff-Alkylkette in ein dehnbares OLED-Gerät ein. In einem typischen OLED-Gerät ist das organische lichtemittierende Material zwischen zwei leitenden Schichten, sogenannten Elektroden, eingebettet, die den Stromfluss zwischen ihnen ermöglichen. Die Wissenschaftler entwarfen neue dehnbare transparente Elektroden, indem sie Silbernanodrähte zu einem flexiblen, silikonähnlichen Polymer hinzufügten. Dann platzierten sie das TADF-Polymer zwischen diesen beiden flexiblen Elektroden. Sie fanden heraus, dass das resultierende OLED-Gerät zum Einschalten eine niedrige Spannung benötigte und mit einer handelsüblichen Batterie betrieben werden konnte.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass ihr neues ungedehntes OLED-Gerät eine höhere Effizienz aufwies als bisher für dehnbare OLEDs berichtet wurde. Dann konnten sie das Gerät auf mehr als das 1,5-fache seiner ursprünglichen Größe dehnen, bevor es versagte. Sie stellten fest, dass die Helligkeit des Displays um 40 % abnahm, wenn es so weit gedehnt wurde. Die Wissenschaftler erklärten, dass die Abnahme der Helligkeit wahrscheinlich auf einen zunehmenden Widerstand in den Silber-Nanodraht-Elektroden und eine Beschädigung des Kontakts zwischen dem TADF und der Elektrode zurückzuführen sei. Sie stellten fest, dass der Geräteausfall hauptsächlich auf einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zurückzuführen war.

Die Wissenschaftler schlugen vor, dass sich die zukünftige Arbeit auf die Verbesserung dehnbarer Elektroden konzentrieren soll. Sie schlugen außerdem die Entwicklung einer dehnbaren, transparenten Folie vor, die das OLED-Display einkapseln und schützen könnte. Sie kamen zu dem Schluss, dass ihr Ansatz für dehnbare TADF-Polymere zu technologischen Fortschritten bei dehnbaren optoelektronischen Geräten mit hautähnlicher Weichheit führen könnte.