Un equipo de físicos e ingenieros de la Universidad de Michigan ha desarrollado una nueva generación de diodos orgánicos emisores de luz, conocidos como OLEDs fosforescentes o PHOLEDs, capaces de mantener el 90% de la intensidad de luz azul durante un periodo 10-14 veces superior al de los diseños actuales.

Este hito, publicado en la revista Nature, representa un salto cualitativo hacia la comercialización de OLEDs azules robustos y duraderos, abriendo la puerta a aplicaciones en iluminación y dispositivos electrónicos como televisores, teléfonos inteligentes y monitores.

Un desafío de larga data

Durante más de dos décadas, la industria de la iluminación y las pantallas ha perseguido el santo grial de desarrollar PHOLEDs azules de larga duración. La importancia de este desafío radica en la necesidad de completar el espectro RGB (rojo, verde y azul) necesario para la creación de colores en pantallas y luces OLED blancas. Mientras que los PHOLEDs rojos y verdes ya se utilizan comercialmente debido a su estabilidad, el azul ha sido el eslabón perdido, limitando la eficiencia y vida útil de las tecnologías de iluminación y visualización actuales.

Los PHOLED tienen casi el 100 % de eficiencia cuántica interna, lo que significa que toda la electricidad que entra en el dispositivo se utiliza para crear luz. Como resultado, las luces y las pantallas de visualización equipadas con PHOLED pueden tener colores más brillantes durante períodos de tiempo más largos con menos energía y emisiones de carbono.

Sin embargo, los mejores PHOLED azules no eran lo suficientemente duraderos como para ser utilizados en iluminación o pantallas. Solo los PHOLED rojos y verdes son lo suficientemente estables como para usarlos en los dispositivos de hoy en día. Para solventar este problema, hasta ahora la solución era usar OLED más antiguos y fluorescentes para producir los colores azules, pero la eficiencia cuántica interna de esa tecnología es mucho menor. Solo una cuarta parte de la corriente eléctrica que entra en el dispositivo azul fluorescente produce luz.

“Muchas de las soluciones de la industria de la pantalla son actualizaciones a los OLED fluorescentes, que sigue siendo una solución alternativa. Creo que muchas empresas preferirían usar PHOLED azules, si tuvieran la opción”; explica el primer autor del estudio, Haonan Zhao, estudiante de doctorado en física e ingeniería eléctrica. 

PHOLED azules estables y sin degradación.

Para producir luz azul, la electricidad excita las moléculas orgánicas fosforescentes que contienen metales pesados. A veces, las moléculas excitadas entran en contacto antes de emitir la luz, transfiriendo toda la energía almacenada del par a una molécula. Debido a que la energía de la luz azul es tan alta, la energía transferida, que es el doble de la de la única molécula excitada, puede romper los enlaces químicos y degradar el material orgánico. 

Una forma de evitar este problema es utilizar materiales que emitan un espectro más amplio de colores, lo que reduce la cantidad total de energía en los estados excitados. Pero tales materiales parecen cian o incluso verde, en lugar de un azul profundo.

El equipo de la Universidad de Michigan superó este obstáculo mediante un diseño innovador que encapsula material cian entre dos espejos. Ajustando perfectamente el espacio entre los espejos, solo las ondas de luz azul más profundas pueden persistir y ser emitidas. Además, la afinación de las propiedades ópticas de la capa orgánica emisora de luz junto a un electrodo metálico adyacente introdujo un nuevo estado cuántico mecánico denominado plasmon-exciton-polariton (PEP). Este estado permite una emisión de luz muy rápida, minimizando la posibilidad de que los estados excitados colisionen y degraden el material.

«En nuestro dispositivo, el PEP se introduce porque los estados excitados en el material de transporte de electrones están sincronizados con las ondas de luz y las vibraciones de electrones en el cátodo metálico», detalla la coautora del estudio Claire Arneson, estudiante de doctorado en física e ingeniería eléctrica. 

Este avance no es solo un triunfo técnico; representa un cambio potencial en cómo se fabrican y utilizan dispositivos de iluminación y pantallas en el futuro. Con la capacidad de producir PHOLEDs azules más duraderos y eficientes, podemos esperar dispositivos con mejor calidad de imagen, menor consumo de energía y una huella de carbono reducida.

Imagenes: recreación PHOLED azul  generada por DALL-E