A tecnologia OLED encontrada em smartphones flexíveis, monitores curvados e televisores modernos pode, eventualmente, ser aplicada em dispositivos vestíveis que ficam em contato direto com a pele. Esses sistemas futuros poderão exibir informações em tempo real, como alterações na 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 agora um OLED flexível e esticável que pode trazer essa ideia mais perto do uso no mundo real e desbloquear novas aplicações.
A pesquisa, publicada recentemente na Nature, apresenta um OLED redesenhado que combina uma camada de polímero fosforescente flexível com eletrodos transparentes feitos de um material nanométrico chamado MXene. Essa abordagem permite que o display se estique até 1,6 vezes seu comprimento original, mantendo a maior parte de seu brilho.
“Este estudo aborda um desafio de longa data na tecnologia de OLEDs flexíveis, a saber, a durabilidade de sua luminescência após repetidas flexões mecânicas,” disse Yury Gogotsi, PhD, professor distinto e titular da cátedra na Faculdade de Engenharia da Drexel. “Embora os avanços na criação de diodos emissores de luz flexíveis tenham sido substanciais, o progresso estagnou na última década devido às limitações introduzidas pela camada de condutor transparente, limitando sua esticabilidade.”
Por Que os OLEDs Perdem Desempenho Quando Dobram
Os OLEDs geram luz por meio de um processo conhecido como eletroluminescência. Quando a eletricidade flui pelo dispositivo, cargas positivas e negativas se movem entre os eletrodos e passam por uma camada de polímero orgânico. Quando essas cargas se encontram, elas liberam luz e formam uma partícula chamada exciton antes de se estabilizarem em um estado elétrico estável. Ajustar a composição química da camada orgânica determina a cor da luz emitida.
Os OLEDs flexíveis são feitos depositando essas camadas em substratos plásticos dobráveis, permitindo seu funcionamento enquanto estão dobrados, curvados ou enrolados. A tecnologia foi desenvolvida pela primeira vez na década de 1990 e se tornou amplamente visível na década de 2010, quando a Samsung incorporou displays flexíveis em dispositivos resistentes a impactos e telefones com bordas curvas. Com o tempo, no entanto, tornou-se evidente que a flexão repetida causava uma diminuição do brilho e da flexibilidade dos OLEDs devido ao dano gradual nos eletrodos e materiais orgânicos.
“Imbuir materiais condutores com flexibilidade geralmente envolve a incorporação de um polímero isolante, mas esticável, que prejudica o transporte de carga e, como resultado, reduz a emissão de luz,” disse Danzhen Zhang, PhD, coautor e pesquisador pós-doutoral na Universidade Northeastern, que realizou trabalhos iniciais sobre filmes condutores transparentes de MXene como estudante de doutorado no laboratório de Gogotsi na Drexel. “Além disso, o material mais comumente usado em eletrodos pode se tornar quebradiço e mais propenso a quebrar quanto mais o OLED é flexionado e esticado. Este problema foi abordado pelo uso de eletrodos de contato MXene esticáveis, que apresentam alta robustez mecânica e função de trabalho ajustável, garantindo uma injeção eficiente de buracos ou elétrons.”
Uma Nova Camada Emissora de Luz
Para superar esses desafios, 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, levando a uma saída de luz mais forte.
Esse material, chamado camada fosforescente assistida por exciplex (ExciPh), é naturalmente esticável e projetado para ajustar os níveis de energia das cargas em movimento. Ao facilitar o encontro entre as cargas para formar excitons, a camada aumenta a produção de luz, similar a desacelerar um brinquedo giratório para que mais pessoas possam subir com segurança.
Mais de 57% dos excitons criados na camada ExciPh são convertidos em luz. Em comparação, as camadas emisivas à base de polímero comumente usadas nos OLEDs de hoje alcançam apenas uma taxa de eficiência de conversão de 12-22%.
Para melhorar ainda mais a flexibilidade, a equipe incorporou uma matriz de elastômero de poliuretano termoplástico na camada ExciPh. Eles também focaram em melhorar como as cargas elétricas se movem pelo dispositivo, redesenhando os eletrodos.
Eletrodos de MXene Aumentam Durabilidade e Brilho
Os novos eletrodos combinam MXene, um material nanométrico bidimensional altamente condutivo desenvolvido por pesquisadores da Drexel em 2011, com nanofios de prata. Juntos, esses materiais formam uma rede condutiva que ajuda as cargas elétricas a alcançarem a camada de polímero emissor de luz de maneira mais eficiente antes de formarem excitons.
Essa estrutura melhora a injeção de carga e permite que o OLED mantenha seu brilho, mesmo quando está sendo dobrado e esticado.
“Devido à sua excepcional condutividade e forma em camadas, os MXenes oferecem um material de eletrodo excepcional para OLEDs flexíveis,” disse Gogotsi. “Demonstramos o desempenho de eletrodos transparentes e flexíveis de MXene em várias aplicações; portanto, incluí-los em esforços para aprimorar a tecnologia OLED é um passo natural para nossa pesquisa.”
Testando OLEDs Sob Estresse Repetido
Usando essas melhorias combinadas, os pesquisadores produziram displays OLED verdes flexíveis, incluindo um em forma de coração e outro exibindo dígitos numéricos. Eles mediram a taxa de conversão de carga para exciton – uma medida da capacidade dos OLEDs de produzir luz de maneira eficiente – juntamente com o desempenho durante estiramentos repetidos.
Para demonstrar um potencial mais amplo, pesquisadores da Universidade Nacional de Seul também construíram um display OLED totalmente colorido e esticável usando quatro materiais dopantes dentro da camada ExciPh. Além disso, criaram OLEDs passivos totalmente esticáveis que mostram um design simples e de baixo consumo de energia adequado para eletrônicos vestíveis.
Comparados a designs anteriores, os novos OLEDs mostraram maior brilho e melhor eficiência energética. Quando esticados a 60% de sua tensão máxima, o desempenho caiu apenas 10,6%. Após 100 ciclos de estiramento repetido a 2% de tensão, os displays retiveram 83% de sua saída de luz, indicando durabilidade significativamente melhorada.
Rumo a Displays Vestíveis e Deformáveis
“Anticipamos que o sucesso desta abordagem para projetar dispositivos optoeletrônicos flexíveis e de alta eficiência permitirá a próxima geração de displays vestíveis e deformáveis,” disse Teng Zhang, PhD, coautor e ex-pesquisador pós-doutoral no laboratório de Gogotsi. “Essa tecnologia desempenhará um papel importante no monitoramento da saúde em tempo real e na tecnologia de comunicações vestíveis.”
Trabalhos futuros podem envolver testes de substratos flexíveis alternativos, ajustes nas camadas orgânicas para produzir diferentes cores e níveis de brilho, e simplificação do processo de fabricação para apoiar a produção em larga escala de dispositivos OLED esticáveis.
