Ankomsten av en tunn och lätt dator som till och med rullar ihop som ett papper kommer inte att ligga i en avlägsen framtid. Flexibla organiska ljusdioder (OLED), byggd på ett plastsubstrat, har fått större uppmärksamhet på sistone för deras användning i nästa generations skärmar som kan böjas eller rullas medan de fortfarande är i drift.

Ett koreansk forskargrupp ledd av professor Seunghyup Yoo från School of Electrical Engineering, KAIST och professor Tae-Woo Lee från institutionen för materialvetenskap och teknik, Pohang University of Science and Technology (POSTECH) har utvecklat mycket flexibla OLED:er med utmärkt effektivitet genom att använda grafen som en transparent elektrod (TE) som placeras mellan titandioxid (TiO2) och ledande polymerskikt. Forskningsresultaten publicerades online den 2 juni, 2016 in Naturkommunikation .

OLED:er staplas i flera ultratunna lager på glas, folie, eller plastunderlag, där flera lager av organiska föreningar är inklämda mellan två elektroder (katod och anod). När spänning appliceras över elektroderna, elektroner från katoden och hål (positiva laddningar) från anoden drar mot varandra och möts i det utsända skiktet. OLED:er avger ljus när en elektron rekombinerar med ett positivt hål, frigör energi i form av en foton. En av elektroderna i OLED är vanligtvis transparent, och beroende på vilken elektrod som är transparent, OLED kan antingen sända från toppen eller botten.

I konventionella bottenutsläpps OLED, en anod är transparent för att de emitterade fotonerna ska lämna enheten genom dess substrat. Indium-tennoxid (ITO) används vanligtvis som en transparent anod på grund av dess höga transparens, lågt arkmotstånd, och väletablerad tillverkningsprocess. Dock, ITO kan potentiellt vara dyrt, och dessutom, är skör, vara mottagliga för böjningsinducerad bildning av sprickor.

grafen, ett tvådimensionellt tunt lager av kolatomer tätt sammanbundna i ett hexagonalt bikakenät, har nyligen framträtt som ett alternativ till ITO. Med enastående el, fysisk, och kemiska egenskaper, dess atomära tunnhet som leder till en hög grad av flexibilitet och transparens gör den till en idealisk kandidat för TE:er. Ändå, effektiviteten hos grafenbaserade OLED:er som hittills rapporterats har varit, i bästa fall, ungefär samma nivå av ITO-baserade OLED.

Som en lösning, det koreanska forskarteamet, som vidare inkluderar professorerna Sung-Yool Choi (elektroteknik) och Taek-Soo Kim (mekanikteknik) från KAIST och deras studenter, föreslog en ny enhetsarkitektur som kan maximera effektiviteten hos grafenbaserade OLED-enheter. De tillverkade en transparent anod i en sammansatt struktur där ett TiO2-skikt med högt brytningsindex (högt-n) och ett hålinsprutningsskikt (HIL) av ledande polymerer med lågt brytningsindex (lågt n) sandwichgrafenelektroder. Detta är en optisk design som inducerar ett synergistiskt samarbete mellan hög-n- och låg-n-skikten för att öka den effektiva reflektansen av TE. Som ett resultat, förbättringen av den optiska kavitetsresonansen maximeras. Den optiska kavitetsresonansen är relaterad till förbättringen av effektivitet och färgomfång i OLED. På samma gång, förlusten från ytplasmonpolariton (SPP), en viktig orsak till svaga fotonutsläpp i OLED, reduceras också på grund av närvaron av de låg-n-ledande polymererna.

Enligt detta tillvägagångssätt, grafenbaserade OLED uppvisar 40,8% av ultrahög extern kvanteffektivitet (EQE) och 160,3 lm/W av energieffektivitet, vilket saknar motstycke i de som använder grafen som TE. Vidare, dessa enheter förblir intakta och fungerar bra även efter 1, 000 böjningscykler vid en krökningsradie så liten som 2,3 mm. Detta är ett anmärkningsvärt resultat för OLEDs som innehåller oxidlager som TiO2 eftersom oxider vanligtvis är spröda och benägna att böjningsinducerade frakturer även vid en relativt låg belastning. Forskargruppen upptäckte att TiO2 har en sprickavböjningshärdningsmekanism som tenderar att förhindra att böjningsinducerade sprickor lätt bildas.

Professor Yoo sa, "Vad är unikt och avancerat med den här tekniken, jämfört med tidigare grafenbaserade OLED:er, är det synergistiska samarbetet mellan hög- och lågindexlager som möjliggör optisk hantering av både resonanseffekt och SPP-förlust, leder till betydande effektivitetsförbättringar, allt med liten kompromiss i flexibilitet." Han tillade, "Vårt arbete var att uppnå gemensam forskning, överskrider gränserna för olika områden, genom vilka vi ofta har hittat meningsfulla genombrott."

Professor Lee sa, "Vi förväntar oss att vår teknik kommer att bana väg för att utveckla en OLED -ljuskälla för mycket flexibla och bärbara skärmar, eller flexibla sensorer som kan fästas på människokroppen för hälsoövervakning, till exempel."