Revelando el futuro de las pantallas elásticas

Diodos emisores de luz de puntos cuánticos intrínsecamente estirables. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas

Los diodos emisores de luz basados ​​en puntos cuánticos intrínsecamente estirables han logrado un rendimiento récord.

Un equipo de científicos surcoreanos dirigido por el profesor KIM Dae-Hyeong del Centro de Investigación de Nanopartículas del Instituto de Ciencias Básicas fue pionero en un nuevo enfoque para las pantallas estirables. El equipo anunció el primer desarrollo de diodos emisores de luz de puntos cuánticos (QLED) intrínsecamente estirables.

Avances en la tecnología de visualización

En el mundo de las tecnologías de visualización en rápida evolución, la búsqueda para crear pantallas inherentemente estirables ha estado en curso. Las pantallas tradicionales, limitadas por componentes rígidos e inflexibles, han tenido dificultades para evolucionar más allá de los flexibles.

Había una clara necesidad de nuevos materiales y diseños de dispositivos que pudieran soportar un estiramiento significativo y al mismo tiempo mantener su funcionalidad, lo cual es esencial para aplicaciones que incluyen tecnologías de interfaz adaptables y portátiles.

Limitaciones de OLED y ventajas de QLED

La mayoría de las pantallas flexibles del mercado emplean tecnología de diodos emisores de luz orgánicos (OLED), que emplea materiales orgánicos como componentes emisores de luz. Sin embargo, OLED a menudo tiene inconvenientes como brillo limitado y problemas de pureza del color. Por otro lado, las pantallas QLED ofrecen una excelente reproducción del color, brillo y longevidad, lo que las convierte en una opción atractiva para los consumidores que priorizan estos factores.

Ilustración esquemática del QLED basada en la capa de emisión intrínsecamente estirable. El EML estirable es un compuesto ternario de QD, SEBS-g-MA y TFB, con una estructura interna única de separación de fases. Las islas ricas en TFB en la parte inferior de una EML extensible facilitan la inyección de orificios en los QD y al mismo tiempo minimizan los sitios de extinción de la excitación, mejorando así la eficiencia y el brillo del dispositivo. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas

Desafíos en el desarrollo de QLED flexibles

Sin embargo, el desafío intrínseco para desarrollar pantallas QLED flexibles radica en la naturaleza de los propios puntos cuánticos (QD); Como nanopartículas inorgánicas 0-D, no tienen una capacidad de estiramiento inherente. Ha habido algunos intentos de incorporar QD dentro de materiales elásticos para crear un material compuesto elástico y emisor de luz.

Un obstáculo importante encontrado durante este enfoque fueron las propiedades aislantes de los elastómeros, que impiden la inyección eficiente de electrones y huecos en los QD, reduciendo así la eficiencia electroluminiscente del dispositivo.

Una revolución en la ingeniería de materiales

Por eso, los investigadores del SII tuvieron que idear innovaciones para superar estas limitaciones. Su trabajo demostró la incorporación de un tercer material al compuesto para mejorar la entrega del portador a los QD. Se empleó un polímero semiconductor tipo p, TFB, para mejorar tanto la capacidad de estirado del dispositivo como la eficiencia de la inyección de orificios. La adición de TFB también mejoró el equilibrio entre las inyecciones de electrones y huecos.

Los QLED intrínsecamente extensibles tienen una estructura de dispositivo en la que todas las capas han sido diseñadas para tener un nivel suficiente de extensibilidad. Los QLED extensibles se pueden ampliar hasta un 50% con un rendimiento constante del dispositivo. Además, se mostraron matrices pasivas y QLED a todo color. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas

Estructura y rendimiento del dispositivo mejorados

Un aspecto intrigante de la película de nanocompuesto ternario fue la estructura interna distintiva que exhibe separación de fases, donde se forman «islas» ricas en TFB en la base y los QD incrustados en la matriz SEBS-g-MA se encuentran en estas islas. Esta disposición estructural única minimiza los sitios de extinción de excitones y mejora la eficiencia de la inyección en el orificio, lo que resulta en un rendimiento óptimo del dispositivo.

Después de una cuidadosa selección e ingeniería de estos materiales, los investigadores del IBS obtuvieron QLED con alto brillo (15.170 cd m^-2), que es el más alto entre los LED extensibles, además de un voltaje umbral bajo (3,2 V). El dispositivo no sufrió daños incluso cuando se aplicó una fuerza significativa para estirar el material. Incluso cuando se estiró hasta 1,5 veces, no hubo cambios significativos en la distancia entre los puntos cuánticos dentro del dispositivo. Por ejemplo, si se fabrica un televisor QLED de 20 pulgadas con este dispositivo, significa que el rendimiento de la pantalla sigue siendo el mismo incluso cuando se ajusta a un tamaño de 30 pulgadas.

Direcciones futuras y aplicaciones potenciales

El coautor principal, el profesor KIM Dong-chan, explicó: «Nuestro equipo de investigación también ha desarrollado una tecnología de patrones de alta resolución que se puede aplicar a capas emisoras de luz de puntos cuánticos estirables», añadió, «al combinar materiales emisores de luz y patrones tecnología, hemos demostrado el potencial de nuestro dispositivo para LED RGB y aplicaciones complejas como matrices pasivas.

Esta investigación no sólo demuestra el rendimiento superior de los QD en pantallas extensibles, sino que también establece una nueva dirección para seguir mejorando el rendimiento del dispositivo. Las investigaciones futuras se centrarán en optimizar la eficiencia de la inyección de portador y extenderla a todas las capas del dispositivo. Este hallazgo sienta una base sólida para la tecnología QLED de próxima generación, que promete un futuro en el que las tecnologías de visualización no sólo serán flexibles sino verdaderamente extensibles, permitiendo nuevas formas de electrónica portátil y más.

Referencia: «Diodos emisores de luz de puntos cuánticos intrínsecamente estirables» de Dong Chan Kim, Hyojin Seung, Jisu Yoo, Junhee Kim, Hyeon Hwa Song, Ji Su Kim, Yunho Kim, Kyunghoon Lee, Changsoon Choi, Dongjun Jung, Chansul Park, Hyeonjun Heo, Jiwoong Yang, Taeghwan Hyeon, Moon Kee Choi y Dae-Hyeong Kim, 15 de abril de 2024. Naturaleza electrónica.
DOI: 10.1038/s41928-024-01152-w

Esta investigación se llevó a cabo en colaboración con colegas de la Universidad Nacional de Seúl, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk. Fue publicado en Naturaleza electrónica el 16 de abril de 2024.