LED на основе полимеров (polymer (organic) light-emitting diodes, OLED) можно использовать для создания относительно недорогих легких гибких дисплеев. К сожалению, гибкость OLED ограничивает проводящий оксид индий-олова ITO, который используется в традиционных LED в качестве анода. Выход из ситуации был найден в использовании углеродных нанотрубок (УНТ) в качестве анода.

Стоит отметить, что нанотрубки демонстрируют отличные механические свойства, что несомненно улучшает показатели гибкости OLED.

Рис. 1. Светоизлучающие полимеры.

Ученые из Калифорнийского университета изучили возможность использования одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) не только в качестве анода, но и катода OLED. При этом однако пришлось немного отступить от концепции традиционного OLED и использовать полимерную светоизлучающую электрохимическую ячейку (polymer light-emitting electrochemical cell, PLEC). PLEC состоит из светоизлучающего полимера (структурные формулы показаны на рис.1) и электролита (ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETT-15) и lithium trifluoromethane sulfonate (LiTf)) в пропорции 20:10:1 в растворе тетрагидрофурана (tetrahydrofuran). Кратко принцип ее действия можно описать так.

При приложении напряжения ионы противоположного знака устремляются к соответствующим электродам, таким образом, по прошествие некоторого времени со стороны анода полимер оказывается «допированным» полимером p-типа, а со стороны катода – полимером n-типа. В центре наблюдается нейтральная область. Таким образом, получается структура p-i-n, и при приложенном напряжении PLEC люминесцируют. Подробнее о PLEC можно почитать здесь и здесь.

Рис. 2. Схематическое изображение этапов технологического процесса.

В данной работе электроды из нанотрубок изготовили по стандартной технологии. Для этого ОУНТ предварительно промыли в водном растворе додецилсульфата натрия (sodium dodecylsulfonate), подвергли воздействию ультразвука и пропустили через фильтр из пористого алюминия. Отфильтрованную массу из нанотрубок перенесли на полиэстеровую подложку (PET), а на готовый электрод методом центрифугирования нанесли слой активного полимера. Полученные пленки при температуре 120 С заламинировали в структуру, показанную на рис. 2. При этом все технологические операции выполнялись в атомосфере азота при низкой влажности и низком содержании кислорода.

На рис. 3–5 показаны полученные графики для синего PLEC. Синие PLEC выявили хорошие электролюминесцентные характеристики: низкое напряжение включения (3,8 В), эффективность 2,2 кд/A при яркости 480 кд/м², яркость 1400 кд/м² при 10 В. Все устройства оказались очень гибкими, их можно сворачивать в трубки до 5 мм в диаметре без видимых повреждений. К сожалению, при этом деградируют люминесцентные свойства PLEC. После 50 циклов сворачивания-разворачивания характеристики ухудшились до напряжения включения 4,7 В, яркости 870 кд/м², и максимальной эффективности 0,8 кд/А при 980 кд/м². Дальнейшие исследования будут направлены на улучшение стабильности характеристик PLEC при деформации.

Рис. 3. ВАХ синего PLEC (после определенного числа циклов сворачивания- разворачивания до диаметра 5 мм).

Рис. 4. Зависимость интенсивности люминесценции от приложенного напряжения синего PLEC (после определенного числа циклов сворачивания-разворачивания до диаметра 5 мм).

Рис. 5. Зависимость КПД-яркость для синего PLEC (после определенного числа циклов сворачивания-разворачивания до диаметра 5 мм).

Рис. 6. Светящиеся PLEC, свернутые до диаметра 5 мм, напряжение 10 В.

Рис. 7. АСМ изображение ОУНТ на поверхности полиэстеровой подложки.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Zhibin Yu, Zhitian Liu, Meiliang Wang, Mingliang Sun, Gangtie Lei and Qibing Pei Highly flexible polymer light-emitting devices using carbon nanotubes as both anodes and cathodes. – J. Photon. Energy. – 1. – 011003 (Jan 04, 2011); doi:10.1117/1.3528271.