A tecnologia OLED encontrada em smartphones flexíveis, monitores curvos de computador e televisões modernas pode ser usada em dispositivos vestíveis que ficam diretamente sobre a pele. Esses sistemas futuristas podem exibir informações em tempo real, como mudanças de temperatura, fluxo sanguíneo ou pressão. Uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas da Universidade Nacional de Seul e da Universidade Drexel, na República da Coreia, desenvolveu agora um OLED flexível e extensível que poderia aproximar este conceito do uso no mundo real e desbloquear novas aplicações.
O estudo foi publicado recentemente a naturezaapresenta um OLED redesenhado que combina uma camada de polímero fosforescente flexível com eletrodos transparentes feitos de nanomateriais MXene. Este método permite que a tela se estique até 1,6 vezes seu comprimento original e retenha a maior parte do brilho.
“Esta pesquisa aborda um desafio de longa data na tecnologia OLED flexível, nomeadamente, a estabilidade da sua iluminação após repetidas dobras mecânicas”, disse Yuriy Gogotsy, PhD, professor de Bach na Distinguished University e Drexel College of Engineering. “Embora o progresso na fabricação de diodos emissores de luz flexíveis tenha sido substancial, o progresso estagnou na última década devido a limitações introduzidas por camadas condutoras transparentes, limitando sua escalabilidade.”
Por que os OLEDs perdem desempenho ao dobrar
Os OLEDs produzem luz por meio de um processo conhecido como eletroluminescência. Quando a eletricidade flui através do dispositivo, cargas positivas e negativas se movem entre os eletrodos e através de uma camada de polímero orgânico. Quando essas cargas se combinam, elas emitem luz e criam uma partícula chamada exciton antes de se estabelecerem em um estado elétrico estável. A composição química da camada orgânica determina a cor da luz emitida.
Os OLEDs flexíveis são feitos depositando essas camadas em um substrato plástico dobrável, que permite que funcionem quando dobrados, dobrados ou enrolados. A tecnologia foi desenvolvida pela primeira vez na década de 1990 e tornou-se amplamente visível na década de 2010, quando a Samsung incorporou telas flexíveis em dispositivos resistentes a estilhaços e telefones com bordas curvas. Com o tempo, no entanto, tornou-se aparente que o brilho e a flexibilidade do OLED diminuíram devido à perda gradual de eletrodos e materiais orgânicos devido a dobras repetidas.
“Fornecer flexibilidade aos materiais condutores normalmente inclui um polímero isolante, mas elástico, que inibe o transporte de carga e, conseqüentemente, reduz a emissão de luz”, disse Danzhen Zhang, PhD, co-autor e pesquisador de pós-doutorado na Northeastern University, que conduziu os primeiros trabalhos sobre condução transparente como estudante de filmes MXDIN no GogoLab. “Além disso, os materiais comumente usados em eletrodos podem se tornar frágeis e quebrar enquanto o OLED for dobrado e esticado. Esse problema foi resolvido usando eletrodos extensíveis de contato MXene, que garantem alta rigidez mecânica e função de trabalho ajustável, furo eficiente ou injeção de elétrons.”
Uma nova camada emissora de luz
Para superar esses desafios, os pesquisadores redesenharam a parte emissora de luz do OLED. A solução deles usa uma camada orgânica especial que aumenta a frequência com que as cargas elétricas se combinam para formar excitons, resultando em uma emissão de luz mais forte.
Este material, denominado camada fosforescente assistida por exciplex (ExciPh), é projetado para ajustar os níveis de energia das cargas em expansão e movimento natural. Ao facilitar a dissipação de carga e a formação de excitons, a camada aumenta a produção de luz, como desacelerar um passeio giratório para que mais pessoas possam pedalar com segurança.
Mais de 57% dos excitons criados na camada ExciPh são convertidos em luz. Em comparação, as camadas emissivas baseadas em polímeros comumente usadas nos OLEDs atuais alcançam apenas 12-22% de eficiência de interconversão.
Para melhorar ainda mais a flexibilidade, a equipe incorporou uma matriz de elastômero de poliuretano termoplástico na camada ExciPh. Eles se concentraram em melhorar a forma como as cargas elétricas se movem através do dispositivo, redesenhando os eletrodos.
MXene melhora a durabilidade e o brilho do eletrodo
Os novos eletrodos combinam MXene, um nanomaterial bidimensional altamente condutor desenvolvido em 2011 por pesquisadores da Drexel, com nanofios de prata. Juntos, esses materiais formam uma rede condutora que ajuda as cargas elétricas a atingirem a camada de polímero emissora de luz com mais eficiência antes de formar excitons.
Essa estrutura melhora a injeção de carga e permite que o OLED mantenha seu brilho mesmo quando dobrado e esticado.
“Devido à sua excepcional condutividade e forma em camadas, os MXenes fornecem um material de eletrodo excepcional para OLEDs flexíveis”, disse Gogotsi. “Demonstramos o desempenho de eletrodos MXene flexíveis e transparentes em múltiplas aplicações; portanto, incorporá-los nos esforços para melhorar a tecnologia OLED é um passo natural para nossa pesquisa.”
Testando OLEDs sob esforço repetido
Usando essas melhorias combinadas, os pesquisadores criaram telas OLED verdes flexíveis, uma em forma de coração e a outra mostrando números numéricos. Eles mediram a taxa de conversão de carga em exciton – uma medida da capacidade do OLED de gerar luz com eficiência – junto com o desempenho durante alongamentos repetidos.
Para demonstrar maior potencial, pesquisadores da Universidade Nacional de Seul desenvolveram um display OLED colorido e totalmente extensível usando quatro elementos dopantes dentro da camada ExciPh. Além disso, eles desenvolveram OLEDs de matriz passiva totalmente expandida que exibem um design simples e de baixo consumo de energia, adequado para eletrônicos vestíveis.
Em comparação com designs anteriores, os novos OLEDs apresentaram maior brilho e melhor eficiência energética. Quando esticado para 60% de sua tensão máxima, o desempenho caiu apenas 10,6%. Após repetidos alongamentos por 100 ciclos com 2% de tensão, os monitores retiveram 83% de sua emissão de luz, indicando durabilidade significativamente melhorada.
Rumo a displays vestíveis e deformáveis
“Esperamos que o sucesso desta abordagem para projetar dispositivos optoeletrônicos flexíveis e de alta eficiência possibilite a próxima geração de telas vestíveis e deformáveis”, disse Teng Zhang, PhD, coautor e ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Gogotsi. “Esta tecnologia desempenhará um papel importante no monitoramento de saúde em tempo real e na tecnologia de comunicação vestível
O trabalho futuro pode incluir o teste de substratos flexíveis alternativos, o ajuste fino de camadas orgânicas para produzir diferentes níveis de cor e brilho e a simplificação do processo de fabricação para apoiar a produção em larga escala de dispositivos OLED extensíveis.
