Создан растягивающийся OLED-дисплей
Носимая электроника предъявляет новые требования компонентам отображения информации. Десятилетиями инженеры стремились создать OLED-дисплеи, которые можно гнуть, скручивать и растягивать, не теряя яркости и стабильности свечения. Их можно было бы интегрировать в устройства нового класса — например, вплетать в ткань одежды для мониторинга физиологических параметров в реальном времени, таких как скорость бега или пульс, без риска поломки или потускнения.
Однако всегда оставался компромисс: чем сильнее растягивается материал, тем хуже он светится. Теперь в этом направлении совершен прорыв — создан гибкий OLED-дисплей, который можно растянуть без потерь в свечении на 200%. Разработка, сделанная под руководством специалиста по материаловедению Юрия Гогоци из Университета Дрекселя в Филадельфии, описана в Nature.
В ее основе — новый класс материалов MXenes (в открытии которого Гогоци принимал участие). Они помогли не только в эластичности, но и в улучшении квантовой эффективности — по этому параметру новинка вышла на рубеж 17%, почти достигнув теоретического предела.
«Идеальная замена»
У Гогоци было не так много опыта работы с OLED, когда около пяти лет назад он объединил усилия с материаловедом Тхэ-У Ли из Сеульского национального университета для разработки улучшенных гибких OLED-дисплеев. Их мотивацией стало растущее использование гибкой электроники, такой как складные телефоны.
Традиционно такие дисплеи состоят из нескольких слоев. В основе катод эмитирует электроны, которые попадают в соседние органические слои, специально созданные для эффективной проводимости зарядов. Там они встречаются с дырками (положительными зарядами), поступающими из пленки оксида индия-олова (ITO). В момент соединения этих зарядов органический материал высвобождает энергию в виде света, пиксель вспыхивает. Вся конструкция герметично закрыта сверху стеклянным слоем.
Пленка ITO хорошо проводит ток и пропускает свет. «Но она хрупкая. По сути, это керамика», — говорит Гогоци.
Превосходному для обычных плоских дисплеев аноду пришлось искать альтернативу. С этой ролью отлично справились MXenes — ультратонкий гибкий материал с металлоподобной проводимостью. Он уникален своей природной способностью к изгибу, поскольку состоит из множества двумерных слоев, которые могут смещаться друг относительно друга, не разрушаясь. Пленка толщиной всего 10 нанометров, по словам Гогоци, оказалась «идеальной заменой для ITO».
В экспериментах совместная группа Гогоци и Ли обнаружила, что именно смесь MXenes и серебряных нанопроволок демонстрирует наибольшую степень растяжения при сохранении стабильности.
«Нам удалось увеличить размер вдвое, достигнув 200-процентного растяжения без потери производительности», — делится Гогоци.
Новая пленка на основе MXenes оказалась не только гибче ITO, но и повысила яркость почти на порядок за счет более эффективного контакта между верхним светоизлучающим органическим слоем и самой пленкой.
В отличие от ITO, поверхность MXenes можно химически модифицировать, чтобы облегчить переход электронов от электрода в светоизлучающий слой. Более мощный поток электронов значительно повышает яркость дисплея, что подтверждается внешней квантовой эффективностью в 17% — рекордным значением для растяжимых OLED.
«Достижение таких показателей в гибких OLED при значительном растяжении — весьма существенный результат», — оценивает руководитель Лаборатории интегрированной органической электроники Сынхёп Ю из KAIST.
По его словам, теоретический предел квантовой эффективности (по сути, КПД преобразования тока в свет в полупроводнике) для этого типа устройств — 20%.
Чтобы увеличить яркость свечения, добавили два дополнительных органических слоя в середине OLED-структуры: один направляет положительные заряды к светоизлучающему слою, обеспечивая более эффективное использование электричества, а другой — утилизирует энергию, которая обычно теряется впустую, повышая общую яркость.
Без ложной скромности Гогоци признает получившуюся «слойку» «очень успешной», поскольку она сочетает в себе и яркость, и растяжимость, тогда как ранее удавалось достичь лишь одного из этих качеств.
«Производительность, которую им удалось достичь в этой работе, — важный шаг вперед», — подтверждает молекулярный инженер Сихун Ван из Чикагского университета.
Что дальше
По словам разработчиков, растяжимый OLED найдет применение во многих сферах: в промышленности, робототехнике, умной одежде и устройствах, системах связи. Сам Гогоци больше всего воодушевлен перспективами его использования в устройствах для мониторинга здоровья. Он рисует ближайшее будущее, в котором дисплеи для диагностики и лечения будут встроены в одежду или «эпидермальную электронику», с функционалом, сравнимым с нынешними умными часами.
Прежде чем такие дисплеи появятся на рынке, необходимо решить проблемы стабильности, присущие всем растяжимым OLED, предупреждает Ван. Современные материалы пока не способны поддерживать световое излучение достаточно долго для полноценного коммерческого использования.
Также остается проблемой поиск подходящих корпусов для защиты. «Нужен растяжимый герметизирующий материал, который сможет защитить основное устройство, не пропуская кислород и влагу», — поясняет Ван.
Это непростая задача, поскольку лучшие защитные слои жесткие и плохо растягиваются, согласен Ю. Он указывает на еще одно препятствие на пути коммерциализации: «создание эластичных дисплеев, не искажающих изображение».
Несмотря на это, Гогоци полон энтузиазма относительно будущего гибких OLED. «Мы начали с компьютеров, занимавших целые комнаты, затем они перешли на наши столы, потом появились ноутбуки, затем смартфоны и планшеты, но мы по-прежнему носим устройства с собой, — рассуждает он. — Гибкие дисплеи могут быть на рукаве вашей куртки. Их можно свернуть в трубку или сложить и положить в карман. Они могут быть повсюду».
