Investigadores de la Universidad de Michigan han desarrollado un nuevo OLED que podría liberar un 20% más de luz que diodos emisores de luz orgánicos convencionales. 

El nuevo enfoque desarrollado evita que la luz quede atrapada en la parte emisores de luz de un OLED, lo que permitirá mantener el brillo mientras se usa menos energía. Además, el método, publicado recientemente en Science Advances,  es fácil de encajar en los procesos existentes para hacer pantallas OLED y luminarias. “De hecho, con nuestro enfoque podemos  hacerlo todo en la misma cámara de vacío”, afirma L. Jay Guo, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la U-M y autor correspondiente del estudio.

Entendiendo la eficiencia de los OLED

Los nuevos desarrollos de OLED han logrado con éxito una eficiencia cuántica interna (IQE) del 100% con la ayuda de moléculas fosforescentes que contienen complejo metálico y moléculas de fluorescencia retardada activadas térmicamente. Sin embargo, la eficiencia cuántica externa (EQE) de los OLED se limita a alrededor del 20% sin ninguna estructura de acoplamiento en un sustrato de vidrio. Por lo tanto, buscar soluciones para liberar eficazmente la luz atrapada dentro del dispositivo es una de las tareas más importantes y urgentes en el área de investigación OLED hoy en día.

Hay tres factores que limitan la Eficiencia Cuántica Externa (EQE) de los OLED. En primer lugar, una porción de fotones generados de la capa emisiva se pierde en la interfaz entre el metal de contacto y las capas  orgánicas debido a la excitación del modo de plasmón-polaritón superficial (SPP). En segundo lugar, la luz está atrapada en el sustrato y no puede escapar de un dispositivo debido a la reflexión interna total en la interfaz aire/sustrato. En tercer lugar, la luz generada en la capa emisiva está atrapada dentro del OLED como modo de propagación, ya que las capas orgánicas y el electrodo conductor transparente actúan como una guía de onda (waveguiding).

Ha habido una amplia investigación para extraer luz atrapada en el sustrato, y ahora hay soluciones prácticas disponibles, pero liberar la luz que está atrapada y perdida en los modos SPP y guía de onda sigue siendo un desafío.

En particular, el modo SPP se crea inevitablemente mediante el uso de metal de contacto necesario para el OLED, y la energía se disipa rápidamente como calor, lo que representa una pérdida de energía irrecuperable. Una solución eficaz para evitar dicha pérdida de energía es utilizar una capa gruesa de transporte de electrones, donde la energía disipada a SPP se reduce sustancialmente, pero una porción más grande de la energía de la luz reside en el modo de guía de onda.

Anteriormente, se introdujeron varias estrategias para superar la luz atrapada en el modo de guía de onda, sin embargo requieren de procesos de fabricación complejos que aumentan no solo el coste, sino también la incompatibilidad con procesos de fabricación de gran área.  Por lo tanto, hay una gran necesidad de un nuevo enfoque para resolver el problema de la guía de onda que no sea intrusivo, fácil de fabricar, fácilmente escalable, rentable, independiente de la longitud de onda y compatible con los procesos de fabricación OLED de gran área. Tal solución, si se desarrolla, puede conducir a OLEDs energéticamente eficientes (así como otros LED) y puede tener un impacto inmediato en los productos comerciales. 

Ahora, los investigadores de  la Universidad de Michigan han logrado eliminar el modo de guía de onda en OLEDs ultrafinos basados en películas de plata (Ag), mediante el uso de tecnologías de electrodos de película de delgada, en concreto un ánodo de plata. Este método simple pero efectivo es compatible con el proceso de fabricación comúnmente utilizado y mejora el EQE de los OLED sin comprometer otras características del dispositivo.

Eliminando el efecto de guías de onda (waveguiding)

Como ya comentamos anteriormente, el efecto de guía de onda hace referencia a la parte de la luz que es perdida al ser atrapada entre los dos electrodos a cada luz del emisor de luz. Uno de los mayores causantes de estos, es el electrodo transparente que se encuentra entre el material emisor de luz y el vidrio, típicamente hecho de óxido de indio y estaño (ITO). En un dispositivo de laboratorio, se puede ver cómo la luz es atrapada por los lados en lugar de viajar hasta el exterior.

Al cambiar la ITO por una capa de plata de solo cinco nanómetros de espesor, depositada en una capa de cobre, el equipo de Guo mantuvo la función del electrodo mientras eliminaba por completo el problema de guía de onda en las capas OLED.

“La industria puede ser capaz de liberar más del 40% de la luz, en parte mediante el intercambio de los electrodos convencionales de óxido de indio y estaño por nuestra capa a nanoescala de plata transparente», explica Changyeong Jeong, primer autor y candidato a doctorado en ingeniería eléctrica e informática.

Este beneficio es difícil de ver, sin embargo, en un dispositivo de laboratorio relativamente simple. A pesar de que la luz ya no se guía de forma lateral en el OLED, esa luz liberada todavía se puede reflejar desde el vidrio. En la industria, los ingenieros tienen formas de reducir esa reflexión: crear diferentes formas en la superficie del vidrio o agregar patrones de rejilla o partículas que dispersan la luz por todo el vidrio.

«Algunos investigadores fueron capaces de liberar alrededor del 34% de la luz mediante el uso de materiales no convencionales con direcciones de emisión especiales o estructuras de patrones», añade Jeong.

Para probar que habían eliminado el problema de waveguiding en el emisor de luz, el equipo de Guo también tuvo que detener el atrapamiento de la luz por el vidrio. Lo hicieron con una configuración experimental utilizando un líquido que tenía el mismo índice de refracción que el vidrio, un aceite en este caso. Esa «coincidencia de índices» evita la reflexión que ocurre en el límite entre el vidrio de alto índice y el aire de bajo índice.

Una vez hecho esto, las comprobaciones mostraron como el borde de la capa emisora de luz era casi completamente oscura. A su vez, la luz que entraba a través del vidrio era aproximadamente un 20% más brillante.

Créditos imagen portada: “Tackling light trapping in organic light-emitting diodes by complete elimination of waveguide modes”, 2021.