Un equipo de investigadores de Corea ha desarrollado OLED flexibles con una alta elasticidad y excelente eficiencia mediante el uso de grafeno como electrodo transparente (TE) que se coloca entre capas de dióxido de titanio (TiO2) y capas conductoras de polímero.
Imagen Portada crédito KAIST, OLED con una estructura compuesta TiO2/grafeno/electrodo de polímero conductor funcionando. El OLED presenta 40.8% de eficiencia cuántica externa ultra alta (EQE) y 160.3 lm/W de eficiencia energética. El dispositivo preparado sobre un sustrato plástico que se ve a la derecha permanece intacto y funciona bien incluso después de 1000 ciclos de flexión a un radio de curvatura tan pequeño como 2.3 mm.
Ver un ordenador delgado y ligero que incluso se enrolla como si fuese un folio ya no es ciencia ficción. El desarrollo de diodos flexibles orgánicos emisores de luz ( OLED ), colocados sobre un sustrato de plástico, ha recibido mayor atención últimamente por su uso en pantallas de próxima generación que se pueden doblar o enrollar a la vez que mantienen sus propiedades.
Un equipo de investigación de Corea dirigido por el profesor Seunghyup Yoo de la Facultad de Ingeniería Eléctrica del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) y el profesor Tae-Woo Lee, del Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería de la Universidad Pohang de Ciencia y Tecnología (POSTECH) ha desarrollado OLED altamente flexibles con excelente eficiencia mediante el uso de grafeno como electrodo transparente (TE) colocado entre capas de dióxido de titanio (TiO2) y capas de polímero conductor. Los resultados de la investigación han sido publicado en la revista Nature Communications.
Los OLED se apilan en varias capas ultra-delgadas sobre sustratos de vidrio, de papel de aluminio, o de plástico, en donde varias capas de compuestos orgánicos se intercalan entre dos electrodos (cátodo y ánodo). Cuando se aplica voltaje a través de los electrodos, los electrones del cátodo y los huecos (cargas positivas) del ánodo se atraen la una hacia la otra y se encuentran en la capa emisiva. Los OLED emiten luz cuando un electrón se recombina con un hueco positivo, liberando energía en forma de un fotón.
Uno de los electrodos de los OLED es generalmente transparente, y dependiendo de qué electrodo es transparente, los OLED pueden o bien emitir desde la parte superior o bien desde la inferior. En los OLED de emisión inferior convencionales, un ánodo es transparente a fin de que los fotones emitidos salgan del dispositivo a través de su sustrato. El oxido de Indio-estaño (ITO) se usa comúnmente como un ánodo transparente debido a su alta transparencia, baja resistencia de la lámina, y un proceso de fabricación bien consolidado. Sin embargo, el ITO puede ser potencialmente costoso, y por otra parte, es frágil, siendo susceptible a la formación de grietas inducidas por la flexión.
Grafeno solución contra la fragilidad
El grafeno, una capa delgada de dos dimensiones de átomos de carbono firmemente unidas entre sí en una red de panal hexagonal, ha surgido recientemente como una alternativa a la ITO. Con destacables propiedades eléctricas, físicas y químicas, su delgadez atómica que proporciona un alto grado de flexibilidad y transparencia hace que sea un candidato ideal para los electrodos transparentes. Sin embargo, la eficiencia de los OLED basados en grafeno reportada hasta la fecha ha sido, en el mejor de los casos de aproximadamente al mismo nivel que el de los OLED basados en ITO. Como solución, el equipo de investigación de Corea, que incluye, además, a los profesores Sung-Yool Choi (Ingeniería Eléctrica) y Taek-Soo Kim (Ingeniería Mecánica) de KAIST y sus estudiantes, propuso una nueva arquitectura de dispositivo que puede maximizar la eficiencia del OLED basado en grafeno.
Fabricaron un ánodo transparente en una estructura compuesta en la que una capa de TiO2 con un alto índice de refracción (alta-n) y una capa de inyección de hueco (HIL, hole injection layer) de polímeros conductores con un índice de refracción bajo (bajo- n) se intercalan entre electrodos de grafeno. Este es un diseño óptico que induce una colaboración sinérgica entre las capas de alto-n y de bajo-n para aumentar la reflectancia efectiva de los electrodos transparentes. Como resultado, el aumento de la resonancia de la cavidad óptica se maximiza. La resonancia de la cavidad óptica está relacionada con la mejora de la eficiencia y la gama de colores en la tecnología de OLED. Al mismo tiempo, la pérdida de polariton de plasmón de superficie (SPP), una causa importante de las emisiones de fotones débiles en los OLED, también se reduce debido a la presencia de los polímeros de bajo-n conductores.
Bajo este enfoque, los OLED basados en el grafeno presentan un 40,8% de eficiencia cuántica externa ultra alta (EQE) y 160,3 lm / W de eficiencia energética, que no tiene precedentes en los OLED que utilizan grafeno como un Electrodo Transparente. Además, estos dispositivos permanecen intactos y operan bien incluso después de 1.000 ciclos de flexión en un radio de curvatura tan pequeño como 2,3 mm. Este es un resultado notable para los OLED que contienen capas de óxido, tales como TiO2 porque los óxidos son típicamente frágiles y propensos a las fracturas de flexión inducidas incluso a una tensión relativamente baja. El equipo de investigación ha descubierto que el TiO2 tiene un mecanismo de endurecimiento de deflexión de grieta que tiende a impedir que las grietas de flexión inducidas se formen fácilmente. Yoo dijo, “lo que es único y avanzado sobre esta tecnología, en comparación con los OLED basados en grafeno anteriores, es la colaboración sinérgica de capas de alto y bajo índice que permite la gestión óptica tanto del efecto de resonancia como de la pérdida SPP, dando lugar a una mejora significativa en eficiencia, todo ello con pocas pérdidas en la flexibilidad «. Y añadió: «Nuestro trabajo es fruto de la investigación en colaboración, más allá de los límites de los distintos campos, a través de la cual se han encontrado a menudo avances significativos.» El profesor Lee dijo: «Esperamos que nuestra tecnología allane el camino para desarrollar una fuente de luz para pantallas OLED flexibles y altamente usables, o sensores flexibles que se pueden unir al cuerpo humano para la vigilancia de la salud, por ejemplo.» Fuente de la imagen superior: KAIST
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