Exibições OLED flexíveis avançam significativamente

A pesquisa, recentemente publicada na Nature, introduz um OLED redesenhado que combina uma camada polimérica fosforescente flexível com eletrodos transparentes feitos de material nanométrico MXene. Essa abordagem permite que o display se estique até 1,6 vezes seu comprimento original, mantendo a maior parte de seu brilho.

“Este estudo aborda um desafio de longa data na tecnologia OLED flexível, a saber, a durabilidade de sua luminescência após repetidas flexões mecânicas”, disse Yury Gogotsi, PhD, professor distinto da Universidade e professor da Faculdade de Engenharia da Drexel. “Embora os avanços na criação de diodos emissores de luz flexíveis tenham sido substanciais, o progresso estagnou na última década devido a limitações introduzidas pela camada do condutor transparente, que limita sua maleabilidade.”

Por que os OLEDs perdem desempenho quando curvados

Os OLEDs geram luz por meio de um processo conhecido como eletroluminescência. Quando a eletricidade flui pelo dispositivo, cargas positivas e negativas se movem entre os eletrodos e passam por uma camada de polímero orgânico. Quando essas cargas se encontram, elas liberam luz e formam uma partícula chamada excitônio antes de se estabilizarem em um estado elétrico. Ajustar a composição química da camada orgânica determina a cor da luz emitida.

Os OLEDs flexíveis são feitos depositando essas camadas em substratos plásticos dobráveis, permitindo que funcionem enquanto dobrados, curvados ou enrolados. A tecnologia foi desenvolvida pela primeira vez na década de 1990 e se tornou amplamente visível na década de 2010, quando a Samsung incorporou displays flexíveis em dispositivos resistentes a quebras e telefones curvos. Ao longo do tempo, no entanto, ficou claro que a curvatura repetida causava uma diminuição do brilho e da flexibilidade dos OLEDs devido a danos gradativos nos eletrodos e nos materiais orgânicos.

“Imbuir materiais condutores de flexibilidade geralmente envolve incorporar um polímero isolante, mas esticável, que obstaculiza o transporte de carga e, como resultado, reduz a emissão de luz”, disse Danzhen Zhang, PhD, coautor e pesquisador pós-doutoral na Universidade Northeastern, que conduziu trabalhos iniciais em filmes condutores transparentes de MXene como aluno de doutorado no laboratório de Gogotsi na Drexel. “Além disso, o material mais comumente usado nos eletrodos pode se tornar quebradiço e mais suscetível a falhas quanto mais o OLED for flexionado e esticado. Essa questão foi abordada utilizando eletrodos elásticos em contato com MXene, que apresentam alta robustez mecânica e função de trabalho ajustável, garantindo uma injeção eficiente de buracos ou elétrons.”

Uma nova camada emissora de luz

Para superar esses desafios, os pesquisadores redesenharam a parte emissora de luz do OLED. A solução utilizada emprega uma camada orgânica especializada que aumenta a frequência com que as cargas elétricas se combinam para formar excítons, levando a uma saída de luz mais intensa.

Esse material, chamado camada fosforescente assistida por excíplex (ExciPh), é naturalmente esticável e projetado para ajustar os níveis de energia das cargas em movimento. Facilitar o encontro das cargas para formar excítons aumenta a produção de luz, semelhante a desacelerar um passeio giratório para que mais pessoas possam entrar com segurança.

Mais de 57% dos excítons criados na camada ExciPh são convertidos em luz. Em comparação, as camadas emissivas à base de polímero comumente usadas nos OLEDs atuais alcançam apenas uma taxa de eficiência de conversão de 12-22%.

Para melhorar ainda mais a flexibilidade, a equipe incorporou uma matriz de elastômero de poliuretano termoplástico na camada ExciPh. Eles também se concentraram em melhorar o movimento das cargas elétricas através do dispositivo, redesenhando os eletrodos.

Eletrodos de MXene aumentam durabilidade e brilho

Os novos eletrodos combinam MXene, um nanomaterial bidimensional altamente condutivo desenvolvido por pesquisadores da Drexel em 2011, com nanofios de prata. Juntos, esses materiais formam uma rede condutiva que ajuda as cargas elétricas a alcançar a camada de polímero emissor de luz de forma mais eficiente antes de formar excítons.

Essa estrutura melhora a injeção de carga e permite que o OLED mantenha seu brilho mesmo quando dobrado e esticado.

“Devido à sua condutividade excepcional e forma em camadas, os MXenes fornecem um material de eletrodo excepcional para OLEDs flexíveis”, disse Gogotsi. “Demonstramos o desempenho de eletrodos MXene transparentes e flexíveis em várias aplicações; portanto, incluí-los nos esforços para melhorar a tecnologia OLED é um passo natural para nossa pesquisa.”

Testando os OLEDs sob estresse repetido

Usando essas melhorias combinadas, os pesquisadores produziram displays OLED verdes flexíveis, incluindo um em forma de coração e outro exibindo dígitos numéricos. Eles mediram a taxa de conversão de carga para excítone – uma medida da capacidade dos OLEDs de produzir luz de maneira eficiente – juntamente com o desempenho durante a estiramento repetido.

Para demonstrar um potencial mais amplo, pesquisadores da Universidade Nacional de Seul também construíram um display OLED totalmente stretchable e colorido usando quatro materiais dopantes dentro da camada ExciPh. Além disso, eles criaram OLEDs passivos totalmente esticáveis que exibem um design simples e de baixo consumo apropriado para eletrônicos vestíveis.

Comparados a designs anteriores, os novos OLEDs mostraram maior brilho e melhor eficiência energética. Quando esticados até 60% de sua tensão máxima, o desempenho caiu apenas 10,6%. Após 100 ciclos de estiramento repetido a 2% de tensão, os displays mantiveram 83% de sua saída de luz, indicando durabilidade significativamente aprimorada.

Rumo a displays vestíveis e deformáveis

“Anticipamos que o sucesso dessa abordagem para projetar dispositivos optoeletrônicos flexíveis e de alta eficiência permitirá a próxima geração de displays vestíveis e deformáveis”, disse Teng Zhang, PhD, coautor e ex-pesquisador pós-doutoral no laboratório de Gogotsi. “Essa tecnologia desempenhará um papel importante na monitoração da saúde em tempo real e na tecnologia de comunicações vestíveis.”

Trabalhos futuros podem envolver testar substratos flexíveis alternativos, ajustar as camadas orgânicas para produzir diferentes cores e níveis de brilho, e simplificar o processo de fabricação para apoiar a produção em larga escala de dispositivos OLED esticáveis.