Dar visai neseniai ploni kaip kreditinė kortelė ar net suvyniojami televizoriaus ekranai atrodė tarsi tolima ateitis. Tačiau šiandien organinių šviesos diodų (OLED) galimybės – beribės. Organiniai bemetaliai spinduoliai keičia neorganinių medžiagų pagrindu veikiančius prietaisus, kuriuose naudojami brangūs ir reti metalai. Viena iš potencialių šių medžiagų panaudojimo sričių – kaip šviestuvas įjungiami šviečiantys langai ar net sienų apmušalai. Organinius bemetalius spinduolius kuria, sintetina ir tyrinėja tarptautinis mokslininkų konsorciumas, kuriam priklauso ir KTU.
Bemetaliai spinduoliai – tai bemetalės fluorescuojančios medžiagos. Viena iš pagrindinių jų pritaikymo sričių – organiniai šviesos diodai, kurie pramonėje yra naudojami televizorių, kompiuterių, telefonų ekranų bei įvairių apšvietimo prietaisų gamybai.
„Medžiagų, savo sudėtyje neturinčių sunkiųjų metalų, tokių kaip iridis, kurias naudojant būtų galima sukonstruoti efektyvius mėlynus organinius šviesos diodus, vis dar trūksta. Organiniai šviesos diodai, priešingai negu neorganiniai, gali būti lankstūs ir pakankamai didelio ploto“, – sako Kauno technologijos universiteto (KTU) Polimerų chemijos ir technologijos katedros profesorius Juozas Vidas Gražulevičius.
Tikimasi, kad šios naujos medžiagos sudarys sąlygas sukurti ekologiškesnius elektroninius prietaisus, pasižyminčius didesniu efektyvumu, paprastesne prietaisų struktūra bei mažesnėmis gamybos sąnaudomis. Tyrimuose dalyvauja akademinės ir verslo institucijos iš devynių pasaulio valstybių: Lietuvos, Vokietijos, Didžiosios Britanijos, Prancūzijos, Liuksemburgo, Ukrainos, Baltarusijos, Taivano ir Malaizijos.
Naujos medžiagos – lengviau formuojamos, ekonomiškesnės ir ekologiškesnės
Organiniai spinduoliai turi būti efektyvūs, stabilūs, lengvai perdirbami ir nebrangūs, tačiau antrosios kartos organinių šviesos diodų gamyboje dažniausiai yra naudojami iridžio dariniai. Iridžio kilogramas kainuoja apie 50 tūkst. eurų. Be to, metalų gavyba – neekologiška. Tokie diodai tebenaudojami daugelio komercinių gaminių ekranuose.
„Pirmos kartos prietaisai buvo labai neefektyvūs, o antros kartos yra neperspektyvūs dėl didelės kainos ir su brangaus metalo gavyba susijusių ekologinių problemų“, – sako J. V. Gražulevičius.
Trečios kartos organinių šviesos diodų (OLED) veikimas paremtas termiškai aktyvinama uždelstąja fluorescencija. Šios kartos šviesos dioduose naudojami grynai organiniai – bemetaliai spinduoliai.
„Šie spinduoliai pasižymi labai efektyvia emisija, kurios kvantinė išeiga dažnai siekia 100 proc. Naudojant šiuos spinduolius, prietaisus galima formuoti tiek vakuuminio garinimo būdu, tiek daug technologiškesniu, ekonomiškesniu ir ekologiškesniu – tirpalų liejimo būdu“, – pasakoja jis.
Ekranų skleidžiama mėlyna šviesa – viena iš nemigos priežasčių
Nepaisant pasiektos pažangos kuriant organinius spinduolius aktuali problema išlieka efektyvių ir stabilių mėlyna emisija pasižyminčių spinduolių trūkumas. Kitų dviejų spalvų – raudonos ir žalios – pakankamo intensyvumo OLED jau yra pavykę sukurti.
Mėlyna greita fluorescencija pasižymintys spinduoliai yra nepakankamai efektyvūs, o uždelstąja – nepakankamai stabilūs. Tokie šviesos diodai „perdega“ greičiau negu likusieji, o tai išbalansuoja monitorių spalvas, ir sumažina šviestuvų bei ekranų ilgaamžiškumą.
„Nors organiniai spinduoliai, pasižymintys uždelstąja fluorescencija yra plačiai tyrinėjami daugelio šalių laboratorijose, mėlynai šviečiančių spinduolių bei atitinkamų prietaisų stabilumo problema dar nėra išspręsta“, – sako KTU profesorius.
Prieš kelerius metus tarptautinei mokslininkų grupei pavyko užfiksuoti neoficialų pasaulio rekordą. KTU laboratorijose susintetintų junginių pagrindu, partneriai iš Lvovo (Ukraina) sukonstravo tripletų anihiliacija paremtą organinį šviesos diodą, kurio išorinis kvantinis efektyvumas viršijo 14 proc. Prieš tai pasiektas analogiškų prietaisų efektyvumas – 12 proc.
„Panaudojant tripletų anihiliacijos reiškinį galima sukurti efektyvius ir stabilius mėlyna elektroliuminescencija pasižyminčius prietaisus. Tokiems spinduoliams sužadinti reikia mažiau energijos, todėl jie žymiai lėčiau degraduoja negu mėlyna termiškai aktyvinama uždelstąja fluorescencija pasižymintys spinduoliai“, – sako jis.
Dar viena problema, kurią siekiama išspręsti kuriant organinius šviesos diodus, yra siekis sumažinti kenksmingą mėlynos spalvos poveikį žmogaus akims.
„Intensyvi mėlyna spalva, kuri yra daugumos šiuo metu naudojamų baltos šviesos šaltinių sudedamoji dalis, gali sukelti negrįžtamus akių tinklainės pakitimus, mažina melatonino gamybą, dėl ko gali sutrikti miegas bei padidėti susirgimo onkologinėmis ligomis rizika“, – teigia J. V. Gražulevičius.
Suvyniojami televizorių ekranai – jau gaminami
KTU mokslininkai, dalyvaudami programos „Horizontas 2020“ projekte „Bemetaliai spinduoliai naujos kartos šviesos šaltiniams“ kartu su kitų šalių tyrėjais, jau kelerius metus vykdo organinių spinduolių, skirtų organiniams šviesos diodams, organiniams lazeriams bei įvairiems jutikliams sintezę ir tyrimus.
„Mes šiuo metu labiau orientuojamės į apšvietimo prietaisus, kuriems reikalingi balta elektroliuminescencija pasižymintys organiniai šviesos diodai. Tokių šviestuvų privalumai yra mažos energijos sąnaudos, nedidelis svoris. Jie gali būti lankstūs, didelio ploto, dėl ko ateityje jie gali būti panaudojami kaip šviečiantys sienų apmušalai“, – pasakoja J. V. Gražulevičius.
Be to, panaudojus skaidrius elektrodus galima pagaminti skaidrius organinius šviesos diodus. Todėl kita potenciali jų panaudojimo sritis – šviečiantys langai.
Įdiegus tokius langus, tiek dieną, tiek vakare ar sutemus iš jų sklistų žmogaus akiai palanki balta šviesa – tokius langus kaip ir bet kokį kitą prietaisą reikėtų įjungti. Suvyniojamus televizorius, storio kaip kreditinė kortelė, jau gamina kompanija LG.
„Kai kurie mūsų sukurti spinduoliai, pasižymintys uždelstąja fluorescencija ar fosforescencija kambario temperatūroje yra perspektyvūs ir kaip jutiklių pagrindiniai komponentai. Tame tarpe deguonies jutiklių, kurie yra ypač aktualūs šių dienų pandemijos kontekste. Tai paprastas ir greitas deguonies kiekio nustatymas įvairiose terpėse, taip pat ir kraujyje, o jų gamyba išlieka aktualus uždavinys“, – sako KTU profesorius.
