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Organische LEDs leuchten unsichtbar
Forscher der University of Southern California haben ein phosphoreszierendes Farbstoffmolekül entwickelt, das Licht im nahen Infrarot emittiert und daraus langlebige organische Leuchtdioden (OLEDs) hergestellt.
Das phosphoreszierende organische LED-Display der Universal Display Corporation kann auf einem flexiblen Kunststoffsubstrat aufgebaut werden. In Zusammenarbeit mit Forschern der University of Southern California und der Princeton University hat das Unternehmen nun Nahinfrarot-emittierende LEDs entwickelt und plant, eine Nahinfrarot-Version des flexiblen Displays herzustellen. Das Display wäre für das bloße Auge unsichtbar, aber für verdeckte Militäroperationen durch Nachtsichtbrillen sichtbar.
Die Dioden könnten verwendet werden, um ein billiges und flexibles Nahinfrarot-Display (NIR) herzustellen, das mit bloßem Auge nicht lesbar wäre, aber mit Nachtsichtbrillen gelesen werden könnte. Ein solches Display könnte in die Uniform eines Soldaten oder ein Gerät integriert werden, das in einer Tasche verstaut werden könnte, damit Soldaten nachts Kommunikationen lesen können, ohne von feindlichen Scharfschützen entdeckt zu werden.
Diese organischen LEDs könnten auch in Infrarot-Detektordioden umgewandelt werden, die Nachtsicht ermöglichen. Infrarotdetektoren sind im Wesentlichen das Gegenteil von LEDs und wandeln Licht in elektrischen Strom um. Warme Objekte emittieren Infrarotstrahlung, die längere Wellenlängen hat als die Nahinfrarotstrahlung und die auch für das menschliche Auge unsichtbar ist. So wie die Lichtdetektoren in Kameras sichtbares Licht wahrnehmen, erkennen Infrarotsensoren aus anorganischen Halbleitern Infrarotlicht in Nachtsichtbrillen und Kameras von Militär, Polizei, Grenzschutzbeamten und Feuerwehrleuten. Auf OLEDs basierende Detektoren bieten jedoch einen wichtigen Vorteil: Weil die dünnen organischen Polymere, aus denen diese Dioden bestehen, auf einer Vielzahl von Substraten, einschließlich biegsamem Kunststoff, abgeschieden werden können, könnten organische IR-Detektoren flexibel genug sein, um sie in ein Helmvisier zu integrieren.
Flexibilität ist sehr vorteilhaft … Displays der nächsten Generation werden alle auf flexiblen Substraten sein, sagt Mark Thompson , einem Chemieprofessor an der University of Southern California, der die Forschung leitete. Organische LEDs sind die entscheidende Technologie für flexible Displays, da sie sich leicht und kostengünstig auf biegsamen Substraten strukturieren lassen, sagt er. Sie werden bereits in Kamera- und Handydisplays eingesetzt und sind vielversprechend für zukünftige großflächige Computer- und Fernsehbildschirme.
Die Forschung zu organischen LEDs hat sich hauptsächlich auf Anwendungen mit sichtbarem Licht konzentriert; Niemand hat bisher eine organische LED hergestellt, die effizient NIR-Licht emittiert. Thompson und seine Kollegen von der Princeton University und der Universal Display Corporation, einem Unternehmen mit Sitz in Ewing, NJ, beschrieben ihre organische LED online in Angewandte Chemie am 9. Januar.
Organische LEDs, die unsichtbare NIR-Wellenlängen emittieren, könnten verwendet werden, um Displays herzustellen, die nicht jeder sehen soll. Für verdeckte militärische Anwendungen werden Nachtsichtdisplays sehr wichtig sein, und diese Dioden wären der Schlüssel dazu, sagt Ghassan Jabbour , einem Professor für optische Wissenschaften an der University of Arizona in Tucson, der die ersten NIR-emittierenden organischen Moleküle entwickelte.
Das Geheimnis der neuen LED ist ein speziell entwickeltes phosphoreszierendes Farbstoffmolekül, das die Forscher in der emittierenden Schicht zwischen den beiden Elektroden des Geräts verwenden. Typischerweise enthalten organische LEDs eine emittierende Schicht, die mit fluoreszierenden Farbstoffen dotiert ist. Die Elektroden injizieren negative Elektronen und positive Löcher in die Schicht, wo sich die geladenen Teilchen verbinden und die Farbstoffmoleküle anregen. Wenn die Moleküle in ihren nicht angeregten Zustand zurückkehren, emittieren sie Photonen. Die neuen phosphoreszierenden Moleküle emittieren sehr effizient im NIR-Bereich. Sie emittieren auch länger Licht als fluoreszierende Farbstoffe, was die Lebensdauer des Geräts erhöht – eine traditionelle Schwachstelle für organische Materialien.
Das Gerät emittiert bei Wellenlängen nahe 800 Nanometern, was genau an der Grenze des sichtbaren und nahen Infrarotspektrums liegt, und weist eine Effizienz von mehr als sechs Prozent auf, die mindestens 60-mal höher ist als bei anderen NIR-emittierenden Geräten, die in . beschrieben wurden die Vergangenheit. Im Moment läuft es 1.000 Stunden bei maximaler Helligkeit. Aber bei den niedrigeren Helligkeitsstufen, die in Displays erforderlich sind, sprechen wir von mindestens einer Million Stunden, sagt Thompson. Im Vergleich dazu haben rote oder grüne organische LEDs eine Lebensdauer von 100.000 Stunden, sagt er.
Gareth Redmond , der am Tyndall National Institute in Cork, Irland, nanoskalige organische Photodetektoren untersucht, bezeichnet die Arbeit als Durchbruch zur NIR-Emission in organischem Material. Redmond sagt, dass die neue organische LED eine wirklich gute Leistung in Bezug auf Effizienz und Lebensdauer zeigt, die bisher nicht erreicht wurde.
Thompson und seine Kollegen planen, andere phosphoreszierende Farbstoffkomplexe herzustellen, die Licht mit Wellenlängen von mehr als 800 Nanometern emittieren und damit tiefer in den IR-Bereich vordringen. Dann, sagt Thompson, wäre es möglich, die organische LED umzudrehen und sie in einen organischen IR-Detektor für ein Nachtsicht-Helmvisier umzuwandeln. Dies würde eine Modifikation der Gerätestruktur oder eine Optimierung der organischen Materialien erfordern, aber er sagt, die Umwandlung wäre einfach, da LEDs und Photodetektoren im Wesentlichen die gleiche Diodenstruktur haben, aber umgekehrte Funktionen haben – eine LED wandelt elektrischen Strom in Licht um, während ein Detektor das Gegenteil tut .
Aber es ist noch zu früh, um zu sagen, wann ein solcher organischer IR-Detektor verfügbar sein würde. Es ist nicht nur so, dass die Jury noch aussteht, sagt er; die Jury ist noch nicht einmal gebildet.