Исследователи из Университета Мичигана нашли способ получить на 50% больше света от органических светодиодов (OLED), приблизив их на один шаг к более широкому распространению в качестве общего источника освещения, одновременно увеличивая их ценность для дисплеев.

OLED-технологии, рынок стоимостью почти 16 миллиардов долларов США, уже есть в более чем 750 миллионах экранов смартфонов и планшетов по всему миру. Использование органических материалов, а не неорганических полупроводников, используемых в традиционных светодиодах , позволяет иметь чрезвычайно тонкие, маленькие и гибкие дисплеи - как это видно, например, в телевизорах Samsung Galaxy или LG OLED. Дисплеи OLED также имеют тенденцию иметь более резкие и более яркие цвета, более быстрое время отклика, более точные изображения с разных точек зрения и требуют гораздо меньше энергии, чем их светодиодные аналоги.

Появление технологии OLED в мире общего освещения неуклонно растет, и по состоянию на 2014 год его можно найти даже в светильниках, продаваемых в Home Depot. «Около 25% всей электроэнергии идет на освещение», - говорит Стивен Форрест, выдающийся лидер в разработке OLED для коммерческого использования. «И большая часть освещения ужасно неэффективна». 

Стивен Форрест, профессор инженерных наук Пола Гебеля, профессор университета имени Питера Франкена, профессор электротехники и компьютерных наук, а также физики и материаловедения и инженерии, предложил и разработал технологию массива микролинз для удвоения эффективности устройств OLED еще в начале 2000-х годов. достигая 40% по внешней квантовой эффективности (EQE). Его команда теперь увеличила это на 50% еще больше, перенаправив свет, который ранее был потерян в самой области светоизлучения OLED.

Более конкретно, они сделали это в PHOLED, который является OLED, который использует фосфоресцентный, а не флуоресцентный материал. Преимущество PHOLED заключается в том, что они способны достигать 100% внутренней квантовой эффективности (IQE) или, по меньшей мере, в 4 раза превышать потенциал флуоресцентных OLED, как продемонстрировал Форрест и его коллеги в 1998 году. PHOLED также создают потрясающие дисплеи.

Однако, хотя PHOLED имеют 100% IQE, то есть для каждого электрона, который вы вставляете, вы получаете один фотон, большая часть света остается в ловушке внутри устройства.

«В обычных PHOLED только 20% света, излучаемого органическими молекулами, попадает в устройства», - заявил Юэ Цю, докторант в области электротехники и вычислительной техники, который помог разработать новую технологию. «Простая матрица микролинз, прикрепленная к стеклянной подложке, удерживающая выходной свет PHOLEDS, эффективно задерживала подложки, удваивая EQE до 40%, но мы все еще хотим вытянуть остальную часть света».

Так где же остальной свет?

«Большая часть этого захвачена в волноводных модах внутри самой очень тонкой светоизлучающей области PHOLED», - пояснил профессор Форрест. «Например, светоизлучающая молекула, которая ориентирована случайным образом, может излучать во всех направлениях. Если он излучает параллельно стеклу, он застревает в волноводном режиме и никогда не выйдет. Нам нужно заставить этот свет двигаться перпендикулярно стеклу ».

«Вы можете быть очень умным, чтобы сделать это - но чем вы умнее, тем дороже. И чем оно дороже, тем менее интересно, потому что, хотя вы можете получить свет, вы не можете получить деньги », то есть компании не могут получить деньги от своих инвестиций. 

Метод, который придумала группа Форреста, состоит в том, чтобы нанести слой оптического рассеяния диэлектрической сетки под прозрачным слоем анода и над стеклянной подложкой, где существует коэффициент преломления контрастности между двумя материалами сетки. Этот контраст заставляет свет высасываться из активной области OLED в подложку и, в конечном итоге, выходить из OLED.

«Сетка позволяет выходить 100% света в параллельной волноводной мощности», - сказал профессор Форрест. «И каждый раз, когда вы получаете дополнительный фотон, вы выигрываете».

Снижение энергии, необходимой для выведения света из OLED, чрезвычайно ценно для всего: от маломощной портативной электроники до больших экранов с более высокой мощностью и освещения. Техника также может быть использована в фотонных интегральных схемах.

«Насколько нам известно, это самый эффективный и рентабельный метод повышения эффективности устройства, и он не беспокоит OLED», - сказал Форрест, «в отличие от других методов».

С помощью этой системы производитель подложки может собрать свою часть устройства полностью независимо от производителя OLED. Производителю стеклянной подложки просто необходимо нанести на нее покрытие ITO. Этот процесс уже был продемонстрирован в лаборатории Юэ Цюем и бывшим членом группы доктором Майклом Слоотским (MSE EE '10; PhD Physics '14).

Последняя проблема заключается в подавлении оптического поглощения металлического катода для дальнейшего улучшения EQE. Профессор Форрест считает, что с PHOLED можно достичь 80% EQE.

Исследование более полно описано в статье «Улучшенное извлечение света из органических светоизлучающих устройств с использованием субанодной сетки», выполненной Юэ Ку, Майклом Слоотским и Стивеном Форрестом, и опубликованной в сети Nature Photonics 12 октября 2015 г., заранее печатной публикации.

Исследование было частично поддержано Universal Display Corporation, а работа была частично выполнена на заводе Lurie Nanofabrication в Мичиганском университете.