Nanotech OLED-elektrode maakt 20% meer licht vrij, kan het stroomverbruik van het display verlagen

Aan de Universiteit van Michigan is een nieuwe elektrode ontwikkeld die 20% meer licht van organische lichtgevende diodes zou kunnen vrijmaken. Het kan helpen de levensduur van de batterij van smartphones en laptops te verlengen, of televisies en schermen van de volgende generatie veel energiezuiniger te maken.

De aanpak voorkomt dat licht wordt opgesloten in het lichtgevende deel van een OLED, waardoor OLED’s de helderheid behouden en minder stroom verbruiken. Daarnaast is de elektrode eenvoudig in te passen in bestaande processen voor het maken van OLED-displays en verlichtingsarmaturen.

“Met onze aanpak kun je het allemaal in dezelfde vacuümkamer doen”, zegt L. Jay Guo, UM-hoogleraar elektrische en computertechniek en corresponderend auteur van het onderzoek.

Als technici geen actie ondernemen, komt ongeveer 80% van het licht dat door een OLED wordt geproduceerd vast te zitten in het apparaat. Het doet dit vanwege een effect dat bekend staat als golfgeleiding. In wezen worden de lichtstralen die niet onder een hoek bijna loodrecht uit het apparaat komen, teruggekaatst en zijwaarts door het apparaat geleid. Ze gaan verloren in de OLED.

Een groot deel van het verloren licht wordt eenvoudigweg gevangen tussen de twee elektroden aan weerszijden van de lichtzender. Een van de grootste boosdoeners is de transparante elektrode die tussen het lichtgevende materiaal en het glas staat, meestal gemaakt van indiumtinoxide (ITO). In een laboratoriumapparaat zie je ingesloten licht uit de zijkanten schieten in plaats van door te reizen naar de kijker.

“Onbehandeld is het de sterkste golfgeleidende laag in de OLED,” zei Guo. “We willen de oorzaak van het probleem aanpakken.”

Door de ITO te verwisselen voor een laag zilver van slechts vijf nanometer dik, afgezet op een zaadlaag van koper, handhaafde het team van Guo de elektrodefunctie terwijl het golfgeleidingsprobleem in de OLED-lagen helemaal werd geëlimineerd.

“De industrie kan mogelijk meer dan 40% van het licht vrijmaken, deels door de conventionele indiumtinoxide-elektroden te ruilen voor onze nanoschaallaag van transparant zilver”, zegt Changyeong Jeong, eerste auteur en een Ph.D. kandidaat in elektrotechniek en computertechniek.

Dit voordeel is echter lastig te zien in een relatief eenvoudig laboratoriumapparaat. Hoewel er geen licht meer in de OLED-stack wordt geleid, kan dat vrijgekomen licht nog steeds door het glas worden gereflecteerd. In de industrie hebben ingenieurs manieren om die reflectie te verminderen door bulten op het glasoppervlak te creëren of rasterpatronen of deeltjes toe te voegen die het licht door het glas verspreiden.

“Sommige onderzoekers waren in staat om ongeveer 34% van het licht vrij te maken door onconventionele materialen te gebruiken met speciale emissierichtingen of patroonstructuren,” zei Jeong.

Om te bewijzen dat ze de golfgeleiding in de lichtzender hadden geëlimineerd, moest Guo’s team ook stoppen met het vangen van licht door het glas. Dat deden ze met een experimentele opstelling met een vloeistof die dezelfde brekingsindex had als glas, de zogenaamde index-matching fluid, in dit geval een olie. Die “index-matching” voorkomt de reflectie die optreedt op de grens tussen glas met een hoge index en lucht met een lage index.

Toen ze dit hadden gedaan, konden ze hun experimentele opstelling van de zijkant bekijken en zien of er licht van opzij kwam. Ze ontdekten dat de rand van de lichtgevende laag bijna helemaal donker was. Op zijn beurt was het licht dat door het glas kwam ongeveer 20% helderder.

De bevinding wordt beschreven in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang, in een paper getiteld “Lichtvangst in organische lichtgevende dioden aanpakken door volledige eliminatie van golfgeleidermodi.”

Dit onderzoek werd gefinancierd door Zenithnano Technology, een bedrijf dat Guo mede heeft opgericht om de uitvindingen van zijn laboratorium van transparante, flexibele metalen elektroden voor displays en touchscreens te commercialiseren.

De Universiteit van Michigan heeft octrooibescherming aangevraagd. Het apparaat is gebouwd in de Lurie Nanofabrication Facility.