211service.com
En billig väg till robusta lysdioder
Organiska ljusemitterande dioder (OLED) tar sig stadigt in i kommersiella enheter som mobiltelefoner och plattskärmar. De är tillverkade med lager av organiska polymerer, vilket gör dem flexibla, och de använder mindre kraft och billigare material än flytande kristallskärmar.
Rött ljus: Forskare vid MIT har hittat ett potentiellt billigt sätt att göra mer robusta hybrid-lysdioder. Bilden visar ett litet prov av röda kvantprickar skiktade med en elektriskt ledande polymer på ett glassubstrat tillverkat med den nya tillverkningstekniken.
Nackdelen är att eftersom polymererna reagerar lätt med syre och vatten är OLED:er dyra att tillverka – de måste skapas i högvakuumkammare – och de behöver extra skyddande förpackningslager för att se till att när de väl är integrerade i displayenheter , de bryts inte ned när de utsätts för luft eller fukt.
MIT kemiteknik professor Karen Gleason och MIT postdoc Sreeram Vaddiraju har utvecklat en process som syftar till att lösa problemen med höga tillverkningskostnader och instabilitet för OLED:er samtidigt som deras flexibilitet bibehålls. Gleasons lösning är en hybrid lysdiod, eller HLED. Enheten skulle innehålla både organiska och oorganiska skikt, vilket kombinerar flexibiliteten hos en OLED med stabiliteten hos ett oorganiskt ljusavgivande material. Tanken är att ha en blandad påse och fånga de egenskaper som tillåter billig tillverkning och stabilitet, säger Gleason.
Gleason börjar med ett substrat av elektriskt ledande organisk polymer, som hon skapar genom en kemisk ångavsättningsprocess i en lågvakuumkammare. Det är det enda steget i processen som kräver ett vakuum, vilket borde göra tillvägagångssättet billigare än konventionella metoder. För det ljusemitterande lagret använder Gleason kvantprickar, nanokristaller av oorganiska halvledare; varje kvantpunkt kan ställas in för att avge vissa frekvenser av ljus. Även om kvantprickar själva är oflexibla, är de så små – två till sex nanometer tvärs över – att till och med att arrangera dem sida vid sida i en kontinuerlig film fortfarande tillåter flex i materialet.
Även om det inte är nytt att använda kvantprickar i ljusemitterande enheter, är det Gleasons teknik. Problemet är hur man får prickarna att fästa på ett underlag i ett enhetligt, jämnt lager, utan att röra sig. Vaddiraju säger att de använder molekylära ledningar. Istället för att bara lägga ner kvantprickarna ovanpå polymersubstratet använder forskarna länkmolekyler mellan lagren för att kemiskt binda samman kvantpricklagret och polymeren.
Denna tvärbindande molekyl mellan lagren är en vacker utveckling av de nuvarande strukturerna, säger Vladimir Bulovic , en docent i elektroteknik vid MIT och den första att demonstrera praktisk användning av kvantprickar i optoelektroniska enheter. Bulovics forskning har varit beroende av andra metoder för att deponera kvantprickar: att släppa prickarna på ett snabbt snurrande substrat, kallat spinngjutning, och, på senare tid, stämpla dem på en yta.
Fördelen med Gleasons teknik, säger Bulovic, är att du får en mycket robust struktur mekaniskt, kemiskt och elektriskt. Det validerar en idé om att stabilisera kvantprickar inuti organiska strukturer genom att tillhandahålla kovalenta bindningar runt dem. Bulovic tillägger att det fortfarande finns hinder att övervinna, men han tror att forskningen representerar ytterligare en av de framsteg vi hoppades på inom området.
Kovalent bindning löser nedbrytningsproblemet, säger Vaddiraju, eftersom länkmolekylerna tar tag i fria bindningar i det organiska materialet och lämnar ingen att reagera i luften. Det förseglar effektivt det organiska polymerskiktet från yttre påverkan.
Tvärlänken ska också ta hand om uppskalningen. Istället för att ta itu med det mekaniska problemet med att deponera miljontals nanokristaller på ett substrat genom spinngjutning eller stämpling, kopplar den kemiska reaktionen själv prickarna till substratet i ett slätt, jämnt lager. Och till skillnad från en process som spinngjutning använder forskarnas teknik alla prickar och all polymer. Så ur materialkostnadssynpunkt förlorar vi inget material, säger Vaddiraju.
Hittills har teamet lyckats skapa en röd HLED, som varade i 2 200 timmar vid 100 °C. Forskarna tror att det motsvarar ungefär deras mål i rumstemperatur: 10 000 timmar, eller ungefär tre år med lite under 10 timmar om dagen, vilket de uppskattar är hur länge en mobiltelefon ska hålla.
Nästa steg är att slutföra testning med gröna och blå prickar; forskarna kommer att behöva alla tre färgerna för en komplett prototyp. Sedan går de vidare för att se hur enheten fungerar med snabb mönstring – med hjälp av prickarna precis som bläck från en bläckstråleskrivare. Så småningom är målet att göra bulktryck. Eftersom skikten är så tunna och flexibla blir rull-till-rulle-bearbetningen enkel och gör processen ännu mer ekonomisk. Roll-to-roll är samma process som används för att lägga ett metalliseringsbarriärlager på potatispåsar, säger Gleason. Och om det är tillräckligt billigt för potatischips, borde det vara tillräckligt billigt för visningar.