La tecnología OLED que se encuentra en los teléfonos inteligentes flexibles, los monitores de computadora curvos y los televisores modernos se puede utilizar en dispositivos portátiles que se colocan directamente sobre la piel. Estos sistemas futuristas pueden mostrar información en tiempo real, como cambios de temperatura, flujo sanguíneo o presión. Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de la Universidad Nacional de Seúl y la Universidad Drexel en la República de Corea ha desarrollado un OLED flexible y extensible que podría acercar este concepto al uso en el mundo real y desbloquear nuevas aplicaciones.
El estudio fue publicado recientemente la naturalezapresenta un OLED rediseñado que combina una capa de polímero fosforescente flexible con electrodos transparentes hechos de nanomateriales MXene. Este método permite que la pantalla se estire hasta 1,6 veces su longitud original y conserve la mayor parte de su brillo.
“Esta investigación aborda un desafío de larga data en la tecnología OLED flexible, a saber, la estabilidad de su iluminación después de repetidas flexiones mecánicas”, dijo Yuriy Gogotsy, PhD, profesor de Bach en la Distinguida Universidad y la Facultad de Ingeniería de Drexel. “Si bien el progreso en la fabricación de diodos emisores de luz flexibles ha sido sustancial, el progreso se ha estancado en la última década debido a las limitaciones introducidas por las capas conductoras transparentes, lo que limita su escalabilidad”.
Por qué los OLED pierden rendimiento al doblarse
Los OLED producen luz mediante un proceso conocido como electroluminiscencia. Cuando la electricidad fluye a través del dispositivo, las cargas positivas y negativas se mueven entre los electrodos y a través de una capa de polímero orgánico. Cuando estas cargas se combinan, emiten luz y crean una partícula llamada excitón antes de establecerse en un estado eléctrico estable. La composición química de la capa orgánica determina el color de la luz emitida.
Los OLED flexibles se fabrican depositando estas capas sobre un sustrato de plástico flexible, lo que les permite funcionar cuando se pliegan, doblan o enrollan. La tecnología se desarrolló por primera vez en la década de 1990 y se hizo ampliamente visible en la década de 2010, cuando Samsung incorporó pantallas flexibles en dispositivos resistentes a roturas y teléfonos con bordes curvos. Sin embargo, con el tiempo, se hizo evidente que el brillo y la flexibilidad de los OLED disminuían debido a la pérdida gradual de electrodos y materiales orgánicos debido a las repetidas flexiones.
“Proporcionar flexibilidad a los materiales conductores generalmente incluye un polímero aislante pero elástico que inhibe el transporte de carga y, en consecuencia, reduce la emisión de luz”, dijo Danzhen Zhang, PhD, coautor e investigador postdoctoral en la Universidad Northeastern, quien realizó los primeros trabajos sobre conducción transparente como estudiante de películas MXDIN en GogoLab. “Además, los materiales comúnmente utilizados en los electrodos pueden volverse quebradizos y romperse siempre que el OLED esté doblado y estirado. Este problema se resolvió mediante el uso de electrodos estirables de contacto MXene, que garantizan una alta rigidez mecánica y una función de trabajo ajustable, así como una inyección eficiente de agujeros o electrones”.
Una nueva capa emisora de luz
Para superar estos desafíos, los investigadores rediseñaron la parte emisora de luz del OLED. Su solución utiliza una capa orgánica especial que aumenta la frecuencia con la que se combinan las cargas eléctricas para formar excitones, lo que da como resultado una salida de luz más intensa.
Este material, llamado capa fosforescente asistida por exciplex (ExciPh), está diseñado para ajustar los niveles de energía de las cargas que se expanden y se mueven naturalmente. Al facilitar la disipación de carga y la formación de excitones, la capa aumenta la producción de luz, como ralentizar una atracción giratoria para que más personas puedan viajar con seguridad.
Más del 57% de los excitones creados en la capa ExciPh se convierten en luz. En comparación, las capas emisivas basadas en polímeros comúnmente utilizadas en los OLED actuales alcanzan sólo entre un 12% y un 22% de eficiencia de interconversión.
Para mejorar aún más la flexibilidad, el equipo incorporó una matriz de elastómero de poliuretano termoplástico en la capa ExciPh. Se centraron en mejorar cómo se mueven las cargas eléctricas a través del dispositivo rediseñando los electrodos.
MXene mejora la durabilidad y el brillo del electrodo
Los nuevos electrodos combinan MXene, un nanomaterial bidimensional altamente conductor desarrollado en 2011 por investigadores de Drexel, con nanocables de plata. Juntos, estos materiales forman una red conductora que ayuda a que las cargas eléctricas lleguen a la capa de polímero emisor de luz de manera más eficiente antes de formar excitones.
Esta estructura mejora la inyección de carga y permite que el OLED mantenga su brillo incluso cuando se dobla y estira.
“Debido a su excepcional conductividad y forma en capas, los MXenes proporcionan un material de electrodo excepcional para OLED flexibles”, dijo Gogotsi. “Hemos demostrado el rendimiento de los electrodos MXene flexibles y transparentes en múltiples aplicaciones; por lo tanto, incorporarlos a los esfuerzos para mejorar la tecnología OLED es un paso natural para nuestra investigación”.
Prueba de OLED bajo tensión repetida
Utilizando estas mejoras combinadas, los investigadores crearon pantallas OLED verdes flexibles, incluida una con forma de corazón y la otra que muestra números numéricos. Midieron la tasa de conversión de carga a excitón (una medida de la capacidad de OLED para generar luz de manera eficiente) junto con el rendimiento durante el estiramiento repetido.
Para demostrar un mayor potencial, investigadores de la Universidad Nacional de Seúl han desarrollado una pantalla OLED a todo color y totalmente extensible utilizando cuatro elementos dopantes dentro de la capa ExciPh. Además, desarrollaron OLED de matriz pasiva completamente expandidos que exhiben un diseño simple y de bajo consumo adecuado para dispositivos electrónicos portátiles.
En comparación con diseños anteriores, los nuevos OLED mostraron un mayor brillo y una mejor eficiencia energética. Cuando se estiró al 60% de su tensión máxima, el rendimiento disminuyó sólo un 10,6%. Después de estiramientos repetidos durante 100 ciclos con una tensión del 2%, las pantallas retuvieron el 83% de su salida de luz, lo que indica una durabilidad significativamente mejorada.
Hacia pantallas portátiles y deformables
“Esperamos que el éxito de este enfoque para diseñar dispositivos optoelectrónicos flexibles y de alta eficiencia permita la próxima generación de pantallas portátiles y deformables”, dijo Teng Zhang, PhD, coautor y ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Gogotsi. “Esta tecnología desempeñará un papel importante en la monitorización de la atención sanitaria en tiempo real y en la tecnología de comunicación portátil
El trabajo futuro puede incluir probar sustratos flexibles alternativos, ajustar capas orgánicas para producir diferentes colores y niveles de brillo, y simplificar el proceso de fabricación para respaldar la producción a gran escala de dispositivos OLED estirables.
