De komst van een dunne en lichtgewicht computer die zelfs oprolt als een stuk papier zal niet in de verre toekomst zijn. Flexibele organische lichtemitterende diodes (OLED's), gebouwd op een plastic ondergrond, hebben de laatste tijd meer aandacht gekregen voor hun gebruik in displays van de volgende generatie die kunnen worden gebogen of opgerold terwijl ze nog in werking zijn.

Een Koreaans onderzoeksteam onder leiding van professor Seunghyup Yoo van de School of Electrical Engineering, KAIST en professor Tae-Woo Lee van de afdeling Materials Science and Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH) heeft zeer flexibele OLED's ontwikkeld met een uitstekende efficiëntie door grafeen te gebruiken als een transparante elektrode (TE) die tussen titaniumdioxide (TiO2) en geleidende polymeerlagen wordt geplaatst. De onderzoeksresultaten zijn op 2 juni online gepubliceerd, 2016 in Natuurcommunicatie .

OLED's worden in meerdere ultradunne lagen op glas gestapeld, folie, of kunststof ondergronden, waarin meerdere lagen organische verbindingen zijn gesandwiched tussen twee elektroden (kathode en anode). Wanneer er spanning over de elektroden wordt aangelegd, elektronen van de kathode en gaten (positieve ladingen) van de anode trekken naar elkaar toe en ontmoeten elkaar in de emitterende laag. OLED's zenden licht uit als een elektron recombineert met een positief gat, energie vrijgeven in de vorm van een foton. Een van de elektroden in OLED's is meestal transparant, en afhankelijk van welke elektrode transparant is, OLED's kunnen zowel van boven als van onder uitstralen.

In conventionele OLED's met lage emissie, een anode is transparant zodat de uitgezonden fotonen het apparaat via het substraat kunnen verlaten. Indium-tin-oxide (ITO) wordt vaak gebruikt als transparante anode vanwege de hoge transparantie, lage bladweerstand, en goed ontwikkeld productieproces. Echter, ITO kan mogelijk duur zijn, en bovendien, is broos, gevoelig zijn voor door buigen veroorzaakte scheurvorming.

grafeen, een tweedimensionale dunne laag koolstofatomen die stevig aan elkaar zijn gehecht in een hexagonaal honingraatrooster, is onlangs naar voren gekomen als een alternatief voor ITO. Met uitstekende elektrische, fysiek, en chemische eigenschappen, zijn atomaire dunheid die leidt tot een hoge mate van flexibiliteit en transparantie maakt het een ideale kandidaat voor TE's. Niettemin, de efficiëntie van op grafeen gebaseerde OLED's die tot nu toe zijn gerapporteerd, is op zijn best, ongeveer hetzelfde niveau van op ITO gebaseerde OLED's.

Als oplossing, het Koreaanse onderzoeksteam, die verder de professoren Sung-Yool Choi (Electrical Engineering) en Taek-Soo Kim (Mechanical Engineering) van KAIST en hun studenten omvat, stelde een nieuwe apparaatarchitectuur voor die de efficiëntie van op grafeen gebaseerde OLED's kan maximaliseren. Ze fabriceerden een transparante anode in een composietstructuur waarin een TiO2-laag met een hoge brekingsindex (high-n) en een hole-injection layer (HIL) van geleidende polymeren met een lage brekingsindex (low-n) grafeenelektroden sandwichen. Dit is een optisch ontwerp dat een synergetische samenwerking tussen de hoge-n- en lage-n-lagen induceert om de effectieve reflectie van TE's te vergroten. Als resultaat, de verbetering van de resonantie van de optische holte wordt gemaximaliseerd. De resonantie van de optische holte houdt verband met de verbetering van de efficiëntie en het kleurengamma in OLED's. Tegelijkertijd, het verlies van oppervlakteplasmonpolariton (SPP), een belangrijke oorzaak van zwakke fotonenemissies in OLED's, wordt ook verminderd door de aanwezigheid van de geleidende polymeren met een laag n-gehalte.

Onder deze aanpak, op grafeen gebaseerde OLED's vertonen 40,8% ultrahoge externe kwantumefficiëntie (EQE) en 160,3 lm / W aan energie-efficiëntie, wat ongekend is bij degenen die grafeen als TE gebruiken. Verder, deze apparaten blijven intact en werken goed, zelfs na 1 000 buigcycli bij een kromtestraal van slechts 2,3 mm. Dit is een opmerkelijk resultaat voor OLED's die oxidelagen zoals TiO2 bevatten, omdat oxiden doorgaans bros zijn en vatbaar zijn voor door buiging veroorzaakte breuken, zelfs bij een relatief lage spanning. Het onderzoeksteam ontdekte dat TiO2 een mechanisme voor scheurafbuiging heeft dat de neiging heeft om te voorkomen dat door buiging veroorzaakte scheuren gemakkelijk worden gevormd.

Professor Yoo zei:"Wat is er uniek en geavanceerd aan deze technologie, vergeleken met eerdere op grafeen gebaseerde OLED's, is de synergetische samenwerking van lagen met een hoge en lage index die optisch beheer van zowel het resonantie-effect als het SPP-verlies mogelijk maakt, leidt tot een aanzienlijke verbetering van de efficiëntie, allemaal met weinig compromis in flexibiliteit." Hij voegde eraan toe, "Ons werk was het bereiken van gezamenlijk onderzoek, over de grenzen van verschillende velden heen, waardoor we vaak betekenisvolle doorbraken hebben gevonden."

Professor Lee zei:"We verwachten dat onze technologie de weg zal effenen voor de ontwikkeling van een OLED-lichtbron voor zeer flexibele en draagbare displays, of flexibele sensoren die aan het menselijk lichaam kunnen worden bevestigd voor gezondheidsmonitoring, bijvoorbeeld."