فناوری انقلابی OLED: نمایشگرهایی که قانون فیزیک رو دور می‌زنن!

ماده‌ی نوین OLED: یک گام به جلو در دنیای نمایشگرها

گروهی بین‌المللی از دانشمندان، که هدایت آن‌ها با مهندسان دانشگاه میشیگان بود، موفق شدند نوعی جدید از مواد OLED آلی را بسازند؛ ماده‌ای که می‌تواند در تلویزیون‌ها، موبایل‌های هوشمند و دیگر نمایشگرها به کار رود. این ماده، در عین حفظ رنگ و کنتراست عالی، به جای استفاده از فلزات سنگین، از یک ترکیب هیبریدی و نوین بهره می‌برد. جالب است بدانید که به نظر می‌رسد این ماده، یکی از قوانین بنیادی کوانتومی را هم زیر پا گذاشته است!

در حال حاضر، دستگاه‌های OLED موجود در بازار از اجزای فلزی سنگینی مثل ایریدیوم و پلاتین استفاده می‌کنند. این مواد به بهبودِ کارایی، روشنایی و طیف رنگی نمایشگر کمک می‌کنند. اما این مواد، نقاط ضعفی هم دارند؛ از جمله هزینه‌ی بالا، عمر کوتاه‌تر دستگاه و همینطور افزایش خطرات زیست‌محیطی و بهداشتی. در فناوری OLED، تابش نور معمولاً از طریق پدیده‌ی فسفرسانس انجام می‌شود، چون این فرایند، انرژی کمتری مصرف می‌کند. اما فسفرسانس ذاتاً کندتر است و بدون کمک فلزات سنگین، ممکن است انتشار نور، چند میلی‌ثانیه یا حتی بیشتر طول بکشد.

برای حفظ سرعت نمایشگرهای مدرن که با سرعت 120 فریم در ثانیه کار می‌کنند، لازم است که فسفرسانس در مقیاس میکروثانیه اتفاق بیفتد تا از ایجاد تصویر “شبحی” جلوگیری شود. این یکی از وظایف اصلی فلزات سنگین است. جینسانگ کیم، استاد علم و مهندسی مواد در دانشگاه میشیگان و یکی از نویسندگان اصلی این پژوهش که در مجله‌ی Nature Communications منتشر شده، می‌گوید: “ما موفق شدیم راهی پیدا کنیم تا یک مولکول آلی فسفرسانس تولید کنیم که می‌تواند در زمان‌های میکروثانیه‌ای نور منتشر کند، بدون اینکه نیازی به استفاده از فلزات سنگین در ساختار مولکولی باشد.”

دو تن دیگر از نویسندگان این تحقیق، دونگ هیوک پارک، استاد علم و مهندسی شیمی و بیومدیکال در دانشگاه اینها، و همچنین سانکوک کیم، استاد علم و مهندسی مواد پیشرفته در دانشگاه سونگکیونکوان واقع در جمهوری کره، هستند.

تفاوت در سرعت بین فسفرسانس و فلورسانس به اتفاقاتی برمی‌گردد که پس از ورود الکترون‌ها از جریان الکتریکی به سطوح انرژی بالاتر در مدارهای الکترونی مولکول‌ها، رخ می‌دهد. این حالت، به عنوان حالت برانگیخته شناخته می‌شود و شبیه به بالا رفتن از یک پله در نردبان است. در فرایند فلورسانس، الکترون‌ها می‌توانند بلافاصله انرژی را به شکل نور آزاد کنند و به حالت پایه برگردند. اما در فسفرسانس، ابتدا باید یک تبدیل رخ دهد. این تبدیل، به چرخش الکترون‌ها مربوط می‌شود. هر الکترونی در حالت پایه خود، یک شریک دارد و یک قانون از مکانیک کوانتومی به نام اصل طرد پاولی ایجاب می‌کند که آن‌ها در جهت‌های مخالف همدیگر بچرخند. اما وقتی الکترون به آن پله بالاتر می‌رود، می‌تواند در هر جهتی بچرخد، چون هر الکترون، حالا در مدار خود تنهاست. این الکترون تنها یک‌چهارم از زمان را در جهت مخالف شریک خود باقی می‌ماند و این حالت است که به فسفرسانس منجر می‌شود.

فلورسانس و راندمان بالای آن

فرایند فلورسانس سه برابر کارآمدتر است، چون از 75 درصد دیگر از الکترون‌های برانگیخته هم استفاده می‌کند. اما برای بازگشت به حالت پایه، نیاز دارد که الکترون جهت چرخش خود را تغییر دهد. در مواد فلوئورسانس مرسوم، هسته‌ی بزرگ اتمی فلز سنگین، یک میدان مغناطیسی به وجود می‌آورد که باعث می‌شود الکترون‌های برانگیخته با جهت چرخش مشابه، به سرعت جهت خود را عوض کنند، و این مسئله منجر به انتشار سریع‌تر نور هنگام بازگشت به وضعیت پایه می‌شود.

ساختار جدید و مزایای آن

مواد جدید، یک لایه‌ی دو بعدی از مولیبدن و گوگرد را در نزدیکی یک لایه‌ی نازک مشابه از ماده‌ی تولیدکننده‌ی نور آلی قرار می‌دهند و با این نزدیکی فیزیکی، بدون هیچ نوع پیوند شیمیایی، همان اثر را ایجاد می‌کنند. این ساختار ترکیبی باعث افزایش سرعت انتشار نور تا ۱۰۰۰ برابر شده است که برای نمایشگرهای امروزی کاملاً مناسب است. انتشار نور به‌طور کامل در درون ماده‌ی آلی اتفاق می‌افتد و این ویژگی، به دلیل نبودِ پیوندهای ضعیف فلز-آلی، به دوام بیشتر ماده کمک می‌کند.

چالش‌ها و امیدها

OLED‌های فلوئورسانسی که به فلزات سنگین وابسته هستند، از این فلزات برای تولید رنگ هم استفاده می‌کنند. پیوندهای شیمیایی ضعیف بین فلز و ماده‌ی آلی، ممکن است وقتی دو الکترون برانگیخته برخورد می‌کنند، شکسته شوند و این موضوع، منجر به کم‌رنگ شدن پیکسل‌ها شود. سوختن پیکسل‌ها، یک مشکل جدی برای نور آبی با انرژی بالا است که تاکنون راه حلی برای آن پیدا نشده است. اما تیم تحقیقاتی امیدوار است که رویکرد طراحی جدید آن‌ها بتواند به سمت پیکسل‌های فلوئورسانس آبیِ پایدار کمک کند. OLED های فعلی، از پیکسل‌های فلوئورسانس قرمز و سبز و پیکسل‌های فلوئورسانس آبی استفاده می‌کنند و با این کار از سوختن پیکسل‌های آبی جلوگیری می‌کنند، اما این کار، هزینه ی کاهش بازده انرژی را دارد.

یافته‌های پژوهشی جالب

علاوه بر کاربردهای احتمالی، بررسی این سیستم مرکب مولکولی، چیزی را اندازه‌گیری کرد که قبلاً غیرممکن به نظر می‌رسید؛ یعنی الکترون‌های جفت‌شده‌ای که یک مدار را به اشتراک می‌گذارند. به نظر می‌رسید که در شرایط تاریک، چرخش ترکیبی داشتند، که نشان‌دهنده‌ی یک حالت ‘سه‌تایی’ ممنوعه است، درحالی‌که چرخش‌های آن‌ها باید یکدیگر را خنثی کنند. کیم می‌گوید: “ما هنوز به‌طور دقیق نمی‌دانیم چه چیزی باعث ایجاد این ویژگی سه‌گانه در حالت پایه می‌شود چراکه این مسئله، اصل طرد پائولی را نقض می‌کند. این امر بسیار بعید است، ولی با بررسی داده‌های اندازه‌گیری، بله، به نظر می‌رسد که این‌طور است.” او اضافه می‌کند: “به همین دلیل است که سوالات زیادی داریم در این زمینه که واقعاً چه چیزی باعث این اتفاق می‌شود.”

آینده‌ی پژوهش و همکاری‌ها

تیم تحقیق همچنان به بررسی این موضوع خواهد پرداخت که ماده چگونه به حالت‌های پایه‌ی سه‌تایی دست می‌یابد و همچنین، به دنبال کاربردهای احتمالی در دستگاه‌های اسپین‌ترونیک است. این تیم با استفاده از همکاری‌های نوآوری U-M برای محافظت از اختراع خود درخواست داده و به‌دنبال شرکایی برای ساخت دستگاه‌هایی است که از این نوع ماده‌ی جدید استفاده می‌کنند. این کار با حمایت بنیاد ملی تحقیقات کره که توسط دولت کره و همچنین کمک‌های پروژه‌ی START از دانشکده‌ی مهندسی U-M تأمین مالی شده، صورت گرفته است. همکارانی از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و دانشگاه دونگ‌گوک در این تحقیق مشارکت داشتند. جینسانگ کیم همچنین، مدیر برنامه‌های تحصیلات تکمیلی در رشته‌ی علم و مهندسی ماکرومولکول‌ها و استاد شیمی هم هست.