Полимерные светодиоды

Полимерные светодиоды (PLED, от англ. Polymer Light-Emitting Diode) — это тип светодиодов, в котором в качестве излучающего слоя используется органический полимерный полупроводник. Относятся к классу органических светодиодов (OLED). Отличаются от низкомолекулярных OLED возможностью нанесения растворимых полимеров методами печати (струйной, трафаретной) или центрифугирования, что упрощает производство и позволяет создавать гибкие, легкие и крупноформатные дисплеи и источники света.

История

Первые наблюдения электролюминесценции в органических полимерах были сделаны в 1960-х годах, но практическое применение стало возможным только после открытия в 1989 году в Кембриджском университете группой под руководством Ричарда Френда (Richard Friend) электролюминесценции в поли(пара-фениленвинилене) (PPV). В 1990 году была опубликована статья, демонстрирующая первый PLED-диод на основе PPV, что положило начало интенсивным исследованиям в этой области.

В 1990-х годах были разработаны первые коммерческие прототипы, однако широкое внедрение сдерживалось низкой эффективностью и сроком службы устройств. В 2000-х годах, с развитием химии полимеров и технологии инкапсуляции, удалось повысить яркость и стабильность PLED. Крупные компании, такие как Philips, Siemens, Samsung и Cambridge Display Technology (CDT), начали разработку дисплеев на основе PLED. В 2010-х годах появились первые коммерческие продукты — дисплеи для мобильных устройств и телевизоров, а также световые панели.

Устройство и принцип работы

Структура

Типичный PLED состоит из нескольких слоёв, нанесённых на подложку:

1. Подложка — обычно стекло или гибкий пластик (например, полиэтилентерефталат — ПЭТ).
2. Анод — прозрачный проводящий слой, чаще всего из оксида индия-олова (ITO).
3. Слой дырочного транспорта (HTL) — полимер, облегчающий инжекцию и транспорт дырок (например, PEDOT:PSS).
4. Эмиссионный слой — активный полимерный полупроводник, в котором происходит рекомбинация носителей заряда и излучение света.
5. Слой электронного транспорта (ETL) — полимер, облегчающий инжекцию и транспорт электронов.
6. Катод — металл с низкой работой выхода (например, кальций, барий, алюминий).

Принцип работы

При подаче напряжения на анод и катод:

• Из анода в слой HTL инжектируются дырки.
• Из катода в слой ETL инжектируются электроны.
• Под действием электрического поля носители заряда движутся к эмиссионному слою.
• В эмиссионном слое происходит рекомбинация электрона и дырки с образованием экситона (возбуждённого состояния).
• Экситон релаксирует, излучая фотон видимого света. Цвет излучения определяется химической структурой полимера.

Классификация

По типу полимера

• Поли(пара-фениленвинилен) (PPV) — один из первых исследованных материалов, излучает в жёлто-зелёной области.
• Полифлуорены (PF) — синие излучатели, обладают высокой эффективностью и стабильностью.
• Поли(тиофены) (PT) — красные и оранжевые излучатели.
• Сополимеры — комбинации различных мономеров для получения широкого спектра цветов, включая белый.

По способу нанесения

• Центрифугирование — для лабораторных образцов и малых площадей.
• Струйная печать — промышленный метод, позволяющий наносить полимеры с высокой точностью на большие площади.
• Трафаретная печать — для создания простых структур.
• Метод Ленгмюра-Блоджетт — для получения монослоёв.

По структуре

• Однослойные — содержат только эмиссионный слой между электродами. Просты, но имеют низкую эффективность.
• Многослойные — включают дополнительные транспортные слои, что повышает эффективность и срок службы.

Характеристики

• Яркость — до 10 000 кд/м² и выше.
• Эффективность — до 100 лм/Вт (для белых PLED).
• Цветовой охват — до 100% NTSC.
• Срок службы — до 50 000 часов (в зависимости от цвета и режима работы).
• Рабочее напряжение — 2–10 В.
• Толщина слоёв — от 10 до 200 нм.

Применение

Дисплеи

• Мобильные устройства — смартфоны, планшеты, смарт-часы. PLED позволяют создавать тонкие, лёгкие и гибкие экраны.
• Телевизоры — крупноформатные панели с высоким контрастом и широкими углами обзора.
• Носимые устройства — фитнес-трекеры, умные очки.
• Автомобильная электроника — приборные панели, дисплеи мультимедиа.

Освещение

• Гибкие световые панели — для декоративного и архитектурного освещения.
• Источники белого света — для общего освещения помещений.
• Специализированное освещение — для медицинских приборов, фототерапии.

Прочие применения

• Метки и индикаторы — в бытовой технике, промышленности.
• Сенсоры — на основе изменения люминесценции полимера под воздействием внешних факторов.
• Фотоника — в интегральных оптических схемах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Гибкость — возможность создания изогнутых и скручиваемых устройств.
• Лёгкость — малый вес по сравнению с традиционными светодиодами.
• Низкое энергопотребление — особенно при низких яркостях.
• Широкий угол обзора — до 180°.
• Простота производства — печатные технологии снижают стоимость.
• Экологичность — отсутствие токсичных материалов (например, ртути).

Недостатки

• Срок службы — ниже, чем у неорганических светодиодов (особенно для синих и белых PLED).
• Чувствительность к влаге и кислороду — требует герметичной инкапсуляции.
• Эффективность — ниже, чем у лучших неорганических LED.
• Цветовая стабильность — может ухудшаться со временем.
• Сложность получения белого света — требует смешивания нескольких полимеров.

Перспективы развития

Основные направления исследований:

• Разработка новых полимеров с повышенной эффективностью и стабильностью.
• Улучшение методов инкапсуляции для защиты от влаги и кислорода.
• Создание полностью гибких и растяжимых устройств.
• Интеграция PLED с другими технологиями (например, сенсорами, солнечными элементами).
• Снижение стоимости производства для массового применения.

Интересные факты

• Первый коммерческий дисплей на основе PLED был выпущен компанией Philips в 2002 году.
• Полимерные светодиоды могут быть напечатаны на обычном струйном принтере (с использованием специальных чернил).
• В 2014 году группа учёных из Китая продемонстрировала гибкий PLED, который можно было сворачивать в рулон.
• Некоторые полимеры для PLED обладают также свойствами фотолюминесценции, что позволяет использовать их в качестве сенсоров.

Источники

• Friend, R. H., et al. (1999). "Electroluminescence in conjugated polymers." Nature, 397(6715), 121-128.
• Burroughes, J. H., et al. (1990). "Light-emitting diodes based on conjugated polymers." Nature, 347(6293), 539-541.
• Organic Electronics: Materials, Manufacturing, and Applications. (2012). Ed. by H. Klauk. Wiley-VCH.
• Cambridge Display Technology. (2005). "Polymer LED Technology." Technical Report.
• "Polymer Light-Emitting Diodes: A Review." (2018). Materials Today, 21(5), 520-533.