Ekrany wykorzystujące organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED) działają dzięki bardzo cienkim warstwom materiałów, w których ładunki elektryczne spotykają się i oddają energię w postaci światła. Każdy piksel świeci samodzielnie, co pozwala uzyskać bardzo głęboką czerń, wysoki kontrast, dobre kąty widzenia i wyjątkowo cienkie, a nawet elastyczne panele. Technologicznie największym obciążeniem są dziś procesy produkcji, do których wymagana jest próżnia: osadzanie warstw przez drogie maski, spore straty materiału i ograniczona szybkość produkcji. To podbija koszty urządzeń i utrudnia ich wytwarzanie.

Dlatego duże zainteresowanie budzą warstwy nakładane z roztworu, co w praktyce przypomina druk za pomocą tuszu. Rozpuszczony materiał tworzy równą, cienką powłokę, którą następnie się suszy.

Taki sposób wytwarzania warstw OLED może być szybszy i tańszy, ale stawia konkretne wymagania wobec związków: muszą dobrze rozpuszczać się w bezpiecznych dla produkcji rozpuszczalnikach,

świecić czysto w zadanym kolorze, być stabilne oraz łatwo dostrajalne chemicznie.

Benzimidazole spełniają te warunki. To cząsteczki o prostej, dobrze opisanej budowie, które można modyfikować jak klocki – dołączać „ogonki” zmieniające barwę i sprawność świecenia. Są wolne od drogich metali szlachetnych, co upraszcza łańcuch dostaw. Dobrze tworzą roztwory i współpracują z popularnymi polimerami wykorzystywanymi jako nośniki warstw emisyjnych.

Analizą tych substancji pod kątem możliwości produkcji diod OLED zajęli się chemicy z Torunia (UMK) wraz z fizykami z Krakowa (PK) i Bydgoszczy (UKW). Wyniki swojej pracy opisali w tym roku czasopiśmie naukowym Journal of Molecular Structure.

Badanie realizuje pełną ścieżkę „od cząsteczki do piksela”. Najpierw zsyntetyzowano trzy warianty benzimidazolu, potwierdzając ich strukturę standardowymi metodami. Sprawdzono świecenie w roztworze i w proszku: wszystkie emitowały zielone światło, a dwie najlepsze wersje dawały wąski, czysty odcień. Następnie przygotowano roztwory tych związków w polimerze PVK i wytworzono proste diody OLED: szkło z warstwą przewodzącą, cienka warstwa pomocnicza, aktywna warstwa PVK z domieszką nowej cząsteczki (około 110 nm) oraz górna elektroda aluminiowa. Prototypy świeciły stabilnie w okolicach 530 nm (czysta zielona barwa); najlepsza dioda osiągnęła jasność rzędu 500 cd/m2 (kandeli na metr kwadratowy) i sprawność prądową prawie 0,5 cd/A (kandeli na amper). Parametry nie są rekordowe (najlepsze smartfony osiągają jasności rzędu 1000 cd/m2), ale stanowią wyraźny dowód działania materiału w realnym układzie elektrycznym, a nie tylko w probówce.

Wnioski z eksperymentu są praktyczne. Benzimidazole łączą prostą syntezę, dobrą rozpuszczalność i możliwość strojenia właściwości. Sa też w stanie tworzyć działające warstwy emisyjne w prototypowych urządzeniach. Są więc krokiem w kierunku technologii, które da się nanosić i wzorować jak w druku, z mniejszym zużyciem energii i materiału. Taki kierunek otwiera drogę do paneli powstających szybciej i taniej, a w dalszej perspektywie – do elastycznych, lekkich wyświetlaczy w telefonach, laptopach, zegarkach i urządzeniach do noszenia.

Perspektywa drukowanych OLED-ów nie oznacza natychmiastowej zmiany linii produkcyjnych. Wymaga dalszego podnoszenia sprawności, trwałości i jednorodności warstw oraz dopracowania całej architektury urządzenia. Przedstawione wyniki pokazują jednak, że nowe, zielone emitery oparte na benzimidazolach są dojrzałym kandydatem do tej ścieżki rozwoju – łączą zrozumiałą chemię, przewidywalną fizykę świecenia i kompatybilność - z procesami, które mogą obniżyć koszty kolejnych generacji ekranów. (PAP)

kmp/ zan/