A tecnologia OLED, encontrada em smartphones flexíveis, monitores curvos de computador e televisores modernos, poderá eventualmente ser usada em dispositivos vestíveis que ficam diretamente sobre a pele. Esses futuros sistemas poderão 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, na República da Coreia, e da Universidade Drexel desenvolveu um OLED flexível e extensível que poderia aproximar essa ideia do uso no mundo real e abrir novas aplicações.
Um estudo publicado recentemente em Naturezaapresenta um OLED redesenhado que combina uma camada de polímero fosforescente flexível com eletrodos de nanomateriais MXene transparentes. Essa abordagem permite que a tela se estique até 1,6 vezes seu comprimento original, mantendo a maior parte do brilho.
“Esta pesquisa aborda um desafio de longa data da tecnologia OLED flexível, ou seja, a longevidade de sua luminescência após repetidas dobras mecânicas”, disse Yuri Gagotsi, Ph.D., Emérito da Universidade e Professor de Bach na Faculdade de Engenharia de Drexel. “Embora os avanços nos diodos emissores de luz flexíveis tenham sido significativos, o progresso desacelerou na última década devido às restrições impostas pela camada condutora transparente, que limita sua elasticidade.”
Por que os monitores OLED perdem desempenho quando dobrados
Os OLEDs geram luz por meio de um processo conhecido como eletroluminescência. Quando a eletricidade flui através do dispositivo, cargas positivas e negativas movem-se entre os eletrodos e passam através da camada de polímero orgânico. Quando essas cargas se encontram, elas emitem luz e formam uma partícula chamada exciton antes de entrarem em um estado elétrico estável. A regulação da 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 operem de maneira dobrada, dobrada ou enrolada. A tecnologia foi desenvolvida pela primeira vez na década de 1990 e tornou-se amplamente conhecida na década de 2010, quando a Samsung incorporou telas flexíveis em dispositivos resistentes a estilhaços e telefones com bordas curvas. Com o tempo, porém, ficou claro que dobras repetidas reduziam o brilho e a flexibilidade dos OLEDs devido a danos graduais nos eletrodos e nos materiais orgânicos.
“Dar flexibilidade aos materiais eletricamente condutivos geralmente envolve a incorporação de um polímero isolante, mas extensível, que dificulta o transporte de carga e, conseqüentemente, reduz a emissão de luz, “disse Danzheng Zhang, Ph.D., coautor e pós-doutorado na Northeastern University, que fez os primeiros trabalhos nos filmes condutores transparentes do MXene como estudante de graduação no laboratório de Gogatsi em Drexel. “Além disso, o material mais comumente usado em eletrodos pode se tornar quebradiço e com maior probabilidade de quebrar quanto mais tempo um OLED fica dobrado e esticado. Esse problema foi resolvido com o uso de eletrodos de contato MXene extensíveis, que apresentam alta resistência mecânica e função de trabalho ajustável, proporcionando furo eficiente ou injeção de elétrons.”
Uma nova camada emissora de luz
Para superar esses problemas, os pesquisadores redesenharam a parte emissora de luz do OLED. A solução deles utiliza uma camada orgânica especializada que aumenta a frequência com que as cargas elétricas se combinam para formar excitons, resultando em luz mais forte.
Este material, denominado Fosforescência Assistida por Exciplex (ExciPh), é naturalmente extensível e projetado para regular o nível de energia das cargas em movimento. Ao tornar mais fácil o encontro das cargas e a criação de excitons, a camada aumenta a produção de luz, da mesma forma que retarda a rotação para que mais pessoas possam pisar nela 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 conversação.
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 a forma como as cargas elétricas se movem através do dispositivo, redesenhando os eletrodos.
Eletrodos MXene aumentam durabilidade e brilho
Os novos eletrodos combinam MXene, um nanomaterial bidimensional altamente condutor desenvolvido por pesquisadores da Drexel em 2011, e 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.
“Graças à sua excepcional condutividade e forma multicamadas, os MXenes fornecem um material de eletrodo excepcional para OLEDs flexíveis”, disse Gogazzi. “Demonstramos o desempenho de eletrodos MXene flexíveis e transparentes em uma variedade de aplicações; portanto, incluí-los nos esforços para melhorar a tecnologia OLED é um passo natural para nossa pesquisa.”
Teste de OLED sob cargas repetidas
Usando essas melhorias combinadas, os pesquisadores produziram telas OLED verdes flexíveis, incluindo uma em forma de coração e outra com números digitais. Eles mediram a taxa de conversão de carga em exciton – uma medida da capacidade de um OLED de produzir luz com eficiência – juntamente com o desempenho durante alongamentos repetidos.
Para demonstrar o potencial mais amplo, pesquisadores da Universidade Nacional de Seul também criaram um display OLED colorido e totalmente extensível usando quatro aditivos na camada ExciPh. Além disso, eles criaram OLEDs passivos totalmente extensíveis que exibem um design simples e de baixo consumo de energia, adequado para eletrônicos vestíveis.
Em comparação com designs anteriores, os novos displays OLED apresentaram maior brilho e melhor eficiência energética. Quando esticado para 60% da tensão máxima, o desempenho caiu apenas 10,6%. Após 100 ciclos de alongamento repetido com 2% de carga, os monitores retiveram 83% da sua emissão de luz, indicando uma durabilidade significativamente melhorada.
Rumo a displays vestíveis e deformáveis
“Esperamos que o sucesso desta abordagem desenvolva dispositivos optoeletrônicos flexíveis e de alto desempenho para permitir a próxima geração de monitores vestíveis e deformáveis”, disse Teng Zhang, Ph.D., coautor e ex-bolsista de pós-doutorado no laboratório Gogotsi. “Esta tecnologia desempenhará um papel importante no monitoramento da saúde em tempo real e nas tecnologias de comunicação vestíveis.
O trabalho futuro pode incluir o teste de substratos flexíveis alternativos, o ajuste fino de camadas orgânicas para produzir diferentes cores e níveis de brilho e a simplificação do processo de fabricação para suportar a produção em larga escala de dispositivos OLED extensíveis.
