A tecnologia OLED usada em smartphones flexíveis, monitores curvos de computador e televisões modernas poderá eventualmente chegar a dispositivos vestíveis que ficam diretamente sobre a pele. Esses futuros sistemas poderão exibir informações em tempo real, como mudanças de temperatura, fluxo sanguíneo ou pressão. Uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas da Universidade Nacional de Seul e da Universidade Drexel, na Coreia do Sul, desenvolveu agora um OLED flexível e extensível que pode aproximar a ideia do uso no mundo real e desbloquear novas aplicações.
A pesquisa foi publicada recentemente em naturezaintroduziu um OLED redesenhado que combina uma camada de polímero fosforescente flexível com um eletrodo transparente feito de nanomateriais MXene. Essa abordagem permite que a tela seja esticada até 1,6 vezes seu comprimento original, mantendo a maior parte do brilho.
“Esta pesquisa aborda um desafio de longa data na tecnologia OLED flexível, ou seja, a durabilidade da emissão de luz após repetidas dobras mecânicas”, disse Yury Gogotsi, Ph.D., University Distinguished University e professor de Bach na Drexel School of Engineering. “Embora tenha havido enormes avanços na fabricação de diodos emissores de luz flexíveis, o progresso se estabilizou na última década devido à introdução de camadas condutoras transparentes que limitam sua elasticidade.”
Por que os OLEDs perdem desempenho quando dobrados
Os OLEDs produzem luz através de um processo de eletroluminescência. Quando a corrente flui através do dispositivo, cargas positivas e negativas movem-se entre os eletrodos e através da camada de polímero orgânico. Quando essas cargas se encontram, elas liberam luz e formam partículas chamadas excitons, que então entram em um estado elétrico estável. O ajuste da composição química da camada orgânica determina a cor da luz emitida.
Os OLEDs flexíveis são feitos depositando essas camadas em um substrato plástico flexível, permitindo que funcionem quando dobrados, dobrados ou enrolados. A tecnologia foi desenvolvida pela primeira vez na década de 1990 e tornou-se amplamente conhecida na década de 2010, quando a Samsung integrou telas flexíveis em dispositivos resistentes a estilhaços e telefones curvos. Com o tempo, porém, descobriu-se que dobras repetidas faziam com que os OLEDs perdessem brilho e flexibilidade à medida que os eletrodos e os materiais orgânicos eram gradualmente danificados.
“Dar flexibilidade aos materiais condutores muitas vezes requer a incorporação de polímeros isolantes, mas extensíveis, que impedem o transporte de carga e, assim, reduzem a emissão de luz”, disse o co-autor Danzhen Zhang, Ph.D., pesquisador de pós-doutorado na Northeastern University que conduziu pesquisas iniciais sobre filmes MXene condutores transparentes e é estudante de doutorado no laboratório de Gogotsi na Universidade Drexel. “Além disso, os materiais mais comumente usados para eletrodos tornam-se frágeis e quanto mais tempo os OLEDs são dobrados e esticados, maior a probabilidade de eles quebrarem. Esse problema foi resolvido usando contatos MXene para eletrodos extensíveis, que possuem alta robustez mecânica e uma função de trabalho ajustável que garante furo eficiente ou injeção de elétrons. “
nova camada luminosa
Para superar esses desafios, os pesquisadores redesenharam a parte emissora de luz dos OLEDs. A solução deles usa camadas orgânicas especiais que aumentam a frequência com que as cargas se combinam para formar excitons, resultando em uma emissão de luz mais forte.
O material, chamado de camada de fosforescência assistida por exciplex (ExciPh), é naturalmente extensível e projetado para ajustar os níveis de energia das cargas em movimento. Ao tornar mais fácil o encontro das cargas e a formação de excitons, a camada poderia melhorar a produção de luz, semelhante a desacelerar a rotação para que mais pessoas possam pisar nela com segurança.
Mais de 57% dos excitons gerados na camada ExciPh são convertidos em luz. Em comparação, as camadas emissivas de polímero comumente usadas nos OLEDs atuais só conseguem atingir eficiências de conversão de 12 a 22%.
Para aumentar ainda mais a flexibilidade, a equipe incorporou uma matriz de elastômero de poliuretano termoplástico na camada ExciPh. Eles também estão trabalhando para melhorar a forma como as cargas se movem através do dispositivo, redesenhando os eletrodos.
Eletrodos MXene melhoram durabilidade e brilho
O novo eletrodo combina MXene, um nanomaterial bidimensional altamente condutor desenvolvido por pesquisadores da Drexel em 2011, com nanofios de prata. Juntos, esses materiais formam uma rede condutora que ajuda as cargas a atingirem a camada de polímero emissora de luz com mais eficiência antes de formar excitons.
Essa estrutura melhora a injeção de carga, permitindo que o OLED mantenha o brilho mesmo quando dobrado e esticado.
“Devido à sua excelente condutividade e forma em camadas, os MXenes fornecem um excelente material de eletrodo para OLEDs flexíveis”, disse Gogotsi. “Já demonstramos o desempenho de eletrodos MXene flexíveis e transparentes em uma variedade de aplicações; portanto, incorporá-los nos esforços para melhorar a tecnologia OLED é um passo natural em nossa pesquisa.”
Testando OLEDs sob tensões repetidas
Usando essas melhorias combinadas, os pesquisadores produziram telas OLED verdes flexíveis, uma em formato de coração e a outra exibindo números. Eles mediram a taxa de conversão de carga em exciton, uma medida da capacidade do OLED de emitir luz com eficácia e seu desempenho durante alongamentos repetidos.
Para demonstrar o potencial mais amplo, pesquisadores da Universidade Nacional de Seul também construíram um display OLED colorido e totalmente extensível usando quatro materiais dopantes na camada ExciPh. Além disso, eles criaram um OLED de matriz passiva totalmente extensível, demonstrando um design simples e de baixo consumo de energia, adequado para eletrônicos vestíveis.
O novo OLED apresenta maior brilho e melhor eficiência energética do que os designs anteriores. Quando esticado para 60% da tensão máxima, o desempenho caiu apenas 10,6%. Após 100 ciclos de alongamento repetido com 2% de tensão, a tela reteve 83% de sua emissão de luz, indicando um aumento significativo na durabilidade.
Rumo a displays vestíveis e deformáveis
“Prevemos que o sucesso desta abordagem para projetar dispositivos optoeletrônicos flexíveis e eficientes permitirá a próxima geração de telas vestíveis e deformáveis”, disse o Dr. Teng Zhang, coautor e ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Gogotsi. “Essa tecnologia desempenhará um papel importante no monitoramento de saúde em tempo real e na tecnologia de comunicação vestível.
O trabalho futuro pode envolver o teste de substratos flexíveis alternativos, o ajuste fino de camadas orgânicas para produzir diferentes cores e níveis de brilho e a simplificação dos processos de fabricação para apoiar a produção em massa de dispositivos OLED extensíveis.
