Organinės optoelektronikos technologijos yra vienos iš sparčiausiai besivystančių technologijų rūšių – pernai jų pasaulinė rinka siekė apie 60 mlrd. JAV dolerių ir prognozuojama, kad 2027 m. pasieks 300 mlrd. Didžiausią šios rinkos segmentą sudaro organinių šviestukų (angl. organic light emitting diode – OLED) ekranai. Vilniaus universiteto (VU) Fotonikos ir nanotechnologijų instituto Organinės optoelektronikos grupės mokslininkai jau daugiau nei 15 metų aktyviai dirba šioje srityje dalyvaudami visose tyrimų stadijose – nuo naujų molekulių sukūrimo iki prietaisų prototipų demonstravimo. Apie šios srities mokslinius tyrimus VU ir platų šios technologijos pritaikymą kalbėjomės su Organinės optoelektronikos grupės vadovu dr. Karoliu Kazlausku.

Tyrimuose būtinas tarpdiscipliniškumas

Dr. K. Kazlausko teigimu, organinės optoelektronikos sritis yra neatsiejama nuo organinių puslaidininkinių medžiagų, iš kurių yra gaminami įvairūs optoelektronikos prietaisai: organiniai šviestukai ir lazeriai, organinės saulės celės, tranzistoriai, jutikliai. VU Organinės optoelektronikos mokslinė grupė siekia sukurti ir pritaikyti našias medžiagas minėtų prietaisų gamybai.

Organinės optoelektronikos medžiagos dažnai jungia tiek įprastiems neorganiniams, tiek organiniams puslaidininkiams būdingas savybes, tad jos pasižymi ne tik elektriniu laidumu, šviesos sugertimi ir emisija, bet ir mechaniniu standumu ar lankstumu, lengvumu, tirpumu. „Būtent pastarosios organinių medžiagų savybės suteikia galimybę šalia ganėtinai brangių vakuuminio garinimo technologijų panaudoti pigias liejimo ar spausdinimo iš tirpalų technologijas gaminant energiją taupančius optoelektronikos prietaisus, tokius kaip OLED“, – sako mokslininkas.

Anot dr. K. Kazlausko, skirtingai nuo įprastinių LED technologijų, grįstų epitaksinių sluoksnių formavimu vakuume ir aukštoje temperatūroje iš neorganinių puslaidininkių, OLED technologija siejama su medžiagas ir energiją tausojančia spausdinimo technologija. Ši technologija iš esmės veikia rašalinio spausdintuvo principu, kai mikronų dydžio organinių medžiagų lašeliai dideliu tikslumu yra užlašinami reikalingose vietose ant padėklo.

„Tyrimai OLED srityje yra tarpdisciplininiai ir reikalauja cheminės inžinerijos, fizikos bei technologijos sričių kompetencijų. Būtent platus kompetencijų spektras leidžia realizuoti šiuo metu vienus našiausių, pigia liejimo technologija pagamintus OLED prietaisus, šviečiančius mėlyname spektriniame diapazone. Šiuose prietaisuose visas elektriškai injektuotas krūvis be nuostolių paverčiamas šviesa. Kokybiškai atlikti šiuos darbus mums padeda ir turimi reikalingi moksliniai instrumentai: moderni organinės optoelektronikos technologinė įranga ir kartu su Vokietijos kompanija MBRAUN suprojektuota inertinių dujų boksų sistema“, – pasakoja dr. K. Kazlauskas.

Inertinių dujų bokse integruotas 8 organinių junginių šaltinių vakuuminio garinimo įtaisas iš išorės

Taps patrauklia investicija verslui

Šiuo metu VU mokslininkai intensyviai plėtoja 3-iosios kartos spinduolių, kurie dar vadinami šiluma aktyvuotos uždelstosios fluorescencijos (angl. thermally activated delayed fluorescence – TADF) spinduoliais, technologiją. Geriausi dr. K. Kazlausko mokslinės grupės sukurti TADF-OLED prietaisai demonstruoja vidinius kvantinius našumus, siekiančius 100 proc.

„Komerciniuose OLED televizoriuose mėlynai spalvai perteikti šiuo metu naudojami nenašūs 1-osios kartos fluorescenciniai spinduoliai, o žaliai ir raudonai spalvai – 2-osios kartos brangiųjų metalų atomus turintys fosforescenciniai spinduoliai. Pakeitus juos naujausios kartos TADF spinduoliais, tikimasi sumažinti energijos nuostolius ir atpiginti gamybos sąnaudas“, – TADF spinduolių privalumus vardija mokslininkas.

Dr. K. Kazlauskas pažymi, kad jų grupei liejimo technologijos būdu pavyko sukurti tokius TADF-OLED prietaisus, kurių našumas mėlynoje spektrinėje srityje išlieka aukštas ir esant dideliam skaisčiui, tad šie spinduoliai pritaikomi ne tik OLED ekranuose, bet ir apšvietimo skydeliuose.

„Nors TADF-OLED prietaisai dar nėra komercializuoti, tikimasi, kad ateityje dėl aukšto kvantinio našumo ir galimybės juos naudoti OLED ekranuose ir apšvietimui jie taps itin patrauklūs verslui“, – teigia dr. K. Kazlauskas.

Organinės elektronikos prietaisai gali būti taikomi ir medicinoje

OLED prietaisai, kaip kompaktiški šviesos šaltiniai, gali būti lengvai pritaikomi medicinoje, registruojant žmogaus fiziologinius parametrus (pulsą, deguonies kiekį kraujyje) ar net gydant odos vėžį fotodinaminės terapijos principu. „Pastaruoju atveju iš tam tikro bangos ilgio OLED pagamintas lankstus pleistras gali būti klijuojamas ant norimos kūno vietos, o terapija atliekama nevaržant žmogaus judesių“, – OLED prietaisų galimybes medicinoje įvardija mokslininkas.

Dr. K. Kazlauskas pažymi, kad organinės elektronikos prietaisai turi didesnį suderinamumą su biologinėmis sistemomis nei analogiški prietaisai, pagaminti iš neorganinių medžiagų. Tai sudaro išskirtines galimybes juos taikyti biomedicinoje, kur svarbu užtikrinti elektrinę sąsają su neuronais. Čia organiniai tranzistoriai gali veikti kaip elektrinių impulsų jutikliai, priimantys signalus iš neuronų, ar net atlikti jų stimuliavimo funkciją.

„Organiniai puslaidininkiai medicinoje gali būti naudojami regėjimui dėl akies tinklainės degeneracijos atkurti. Šios su tinklaine susijusios regos problemos gali būti tiek įgimtos, tiek sukeltos organizmo senėjimo. 2020 m. italų mokslininkai eksperimentuose su žiurkėmis pademonstravo, kad joms į akį įšvirkštus polimero poli(3-heksil tiofeno) (P3HT) nanodalelių, pastarosios pasiskirsto tinklainėje ir atlieka akies fotoreceptorių funkciją. Šie šviesai jautrūs receptoriai suformuoja glaudžią sąsają su tinklainės neuronais, taip elektriniais impulsais užtikrindami informacijos perdavimą“, – pasakoja mokslininkas.

Mėlynoje srityje šviečiantis TADF-OLED prietaisas

„Madingos“ saulės celės ir sulankstomi OLED ekranai

Šiandien itin domimasi didelės įstrižainės OLED ekranais, didelio ploto OLED apšvietimo skydeliais ir organinėmis saulės celėmis. OLED ir organinės saulės celės yra labai plonos (gali būti vos kelių mikronų storio) ir lanksčios, tad jas galima integruoti net į drabužius. Tokią futuristinių drabužių kolekciją siūlo olandų dizainerė Pauline van Dongen. Šiuose drabužiuose saulės celės atlieka ne tik savo tikrąją funkciją – gamina elektros energiją, reikalingą su savimi turimiems įrenginiams, bet ir diktuoja naujas mados tendencijas.

„Šiuo metu rinkoje jau prekiaujama skaidriais OLED ekranais, o Japonijoje milžinišką susidomėjimą kelia LG kompanijos sukurtas išsivyniojantis OLED televizorius, taupantis vietą gyvenamojoje erdvėje.

Taip pat patraukliai atrodo pusiau skaidrios didelio ploto organinės saulės celės, kurios gali būti montuojamos tiesiog ant langų kartu su skaidriais OLED apšvietimo skydeliais. Dieną tokios saulės celės ne tik sumažina į patalpą patenkančios saulės šviesos srautą tarsi pusiau skaidrios užuolaidos, bet ir transformuoja saulės šviesą į elektros energiją, kuri tamsiu paros metu sunaudojama apšviesti patalpą tais pačiais OLED skydeliais“, – išskirtinius produktus pristato mokslininkas.

Dr. K. Kazlausko teigimu, jo mokslinė grupė siekia padidinti organinių saulės celių našumą pasitelkdama šviesos konversiją iš ilgesnių bangų į trumpesnes. Ši šviesos konversija remiasi tripletinių eksitonų anihiliacijos (angl. triplet-triplet annihilation – TTA) reiškiniu, kai tam tikros molekulinės struktūros medžiagose du mažesni energijos tripletiniai sužadinimai paverčiami vienu singuletiniu su didesne energija. Tokia konversija atveria galimybes naujos kartos organinėse Saulės celėse energiją gaminti panaudojant didelę dalį infraraudonosios Saulės spinduliuotės, kuri dabar iššvaistoma.

„Mūsų grupė, bendradarbiaudama su VU profesoriaus Edvino Orento vadovaujama chemikų komanda, sprendžia šias našumo problemas, kurdama efektyvesnes TTA medžiagas, didindama tripletinio sužadinimo difuziją, mažindama žalingus nespindulinius sužadinimo relaksacijos procesus. Šie tyrimai yra svarbūs dar ir tuo, kad nubrėžia gaires tolimesniam TTA medžiagų tobulinimui, jų taikymui tokiose perspektyviose srityse kaip fotokatalizė, biovaizdinimas ar vaistų fotoaktyvacija per odą bekontakčiu būdu“, – pasakoja dr. K. Kazlauskas.