Weer dichter bij de echte witte led

"Deze nieuwe platinarijke polymeren zijn kanshebbers voor witte organische lichtdioden en nieuwe typen efficiëntere zonnecellen", zegt fysicus Z. Valy Vardeny, die een onderzoek leidde aan polymeren en daarover publiceerde in Scientific Reports.

Noch de led’s die worden gebruik voor verlichting, noch de oled’s in telefoondisplays zijn echt wit. Ze bestaan uit led’s van verschillende materialen, die elk een verschillende kleur uitstralen. Wit licht wordt verkregen door combinaties of conversies van deze kleuren.

Vardeny en zijn collega’s beschrijven in hun artikel hoe zij platina-atomen inbrengen met verschillende intervallen langs een organische polymeerketen en hoe zij daarmee de geëmitteerde kleuren konden regelen. Dat is een stap in de richting van een echte witte oled, die wit licht maakt door de combinatie van een veelvoud aan kleuren in een enkel polymeer.

RGB

Gangbare witte oled-displays – zoals in recente mobiele telefoons – werken met verschillende organische polymeren die verschillende kleuren genereren, gearrangeerd in rode, groene en blauwe pixels. "de juiste combinatie geeft dan wit licht", zegt Vardeny. "Maar het nieuwe polymeer heeft al die kleuren tegelijkertijd, dus er zijn geen kleine pixels nodig of gecompliceerde engineeringmethoden om ze te vervaardigen."

"Dit polymeer straalt in het blauwe en het rode deel van het spectrum en kan zo worden afgestemd dat hij het complete zichtbare spectrum bestrijkt. Zo kan hij dienen als de actieve laag in oled voor ledverlichting."

Vardeny stelt ook dat het nieuwe polymeer kan worden gebruikt voor een nieuw type zonnecel, waarbij het platina kan helpen bij de conversie van zonlicht in elektriciteit. En omdat natuurkundigen in het platinarijke meer ook de informatie kunnen uitlezen die is opgeslagen in elektronen, spins of intrinsieke hoekmomenten, lijkt het materiaal ook toepasbaar voor computergeheugens.

Nog niet echt een oled

De onderzoekers gebruikten verschillende optische methodes om de eigenschappen van het door hen gemaakte polymeer te karakteriseren en om te laten zien dat ze licht geven als ze worden gestimuleerd door licht. Omdat ze moeten worden gestimuleerd door ander licht zijn het nog geen echte oled’s; daarvoor zou de lichtemissie het gevolg moeten zijn van elektrische stroom.

"We hebben er nog geen oled mee gemaakt", legt Vardeny uit. "Maar doordat we tegelijkertijd verschillende kleuren met een enkel polymeer kunnen maken, wordt het mogelijk om een oled te ontwikkelen waarin de afzonderlijke pixels wit licht geven." Hij verwacht dat er binnen een jaar een polymeer zal zijn die is afgestemd op wit licht – na stimulering door ander licht – en dat er over twee jaar échte witte oled’s zullen zijn.

Platina geeft kleur

In de eerste led’s die werden geïntroduceerd in de jaren ’60 werden anorganische halfgeleiders gebruikt om kleuren te genereren. Organische led’s zijn ‘plastic’ halfgeleiders die worden gebruikt in veel van de nieuwste mobiele telefoons, displays van digitale camera’s, en grote televisieschermen.

De huidige witte led’s zijn niet echt wit. Wit ontstaat door de combinatie van kleuren uit het hele spectrum, maar licht van blauwe, groene en rode led’s KAN worden gecombineerd tot wit licht.

Andere ‘witte’ led’s gaan uit van blauwe led en converteren een deel van dat blauw naar geel, mengen vervolgens dat blauw en geel tot licht dat wit lijkt.

Met het nieuwe platinagedoteerde polymeer is het naar alle waarschijnlijkheid mogelijk om witte oled’s te maken, maar ze zetten ook meer energie om in licht dan andere oled’s die nu worden ontwikkeld, zegt Vardeny. Dat komt doordat de toevoeging van platina meer energie toegankelijk maakt die is opgeslagen in de polymeermoleculen.

Polymeren hebben twee soorten elektronische toestanden:

• Een ‘single’ toestand die kan worden gestimuleerd door licht of elektriciteit om fluorescerend blauw licht met hogere energie uit te stralen. Oled’s maken hun licht alleen vanuit deze toestand, waardoor slechts 25 procent van de energie wordt omgezet in licht. Dat is beter dan gloeilampen maar verre van perfect.
• Een normaliter ontoegankelijke ‘triplet’ toestand die in theorie fosforescerend rood licht met lagere energie zou kunnen uitstralen, maar dat gewoonlijk niet doet. Daardoor blijft 75% van de aan het polymeer toegevoerde energie ontoegankelijk voor conversie naar licht. "

Ideaal

Het was volgens Vardeny al bekend dat "als je een zwaar atoom kunt inbrengen in moleculen, de triplet-toestand toegankelijker kan worden voor stimulatie door licht en voor lichtemissie."

In het ideale geval zou een nieuwe generatie witte oled’s dus niet alleen wit licht produceren, maar ook een aanzienlijk hogere rendement hebben omdat er zowel fluorescentie als fosforescentie zou worden gebruikt. Voor hun onderzoek gebruikten de wetenschappers twee versies van het polymeer, met verschillende posities voor het platina-atoom. De ene, Pt-1,  gaf violet en geel licht en de andere, Pt-3, genereerde blauw en oranje licht. Door de hoeveelheid platina in het polymeer te variëren zou de emissie van fluorescerend en fosforescerend licht kunnen worden aangepast en daarmee de relatieve intensiteit  van de verschillende kleuren.

"Uiteindelijk willen een gemixt polymeer met verschillende platinaconcentraties maken, waarmee we het hele spectrum kunnen afdekken en dus ook wit licht kunnen maken."