#„Supramolekulare Tinte“ ermöglicht 3D-Druck von OLED-Displays

Hinter vielen hochwertigen Flachbildschirmen, Smartphones und Smartwatches stecken heute organische Leuchtdioden (OLEDs). Jetzt haben Forschende ein neues Material entwickelt, mit dem solche OLEDs kostengünstiger hergestellt werden können – durch 3D-Druck. Anders als bei bisherigen OLEDs basiert die „supramolekulare Tinte“ nicht auf seltenen Metallen, sondern gängigeren Elementen, wie die Chemiker in „Science“ berichten. Zudem ist die Tinte zugleich stabil, flexibel und extrem energieeffizient. Mit dem Material lassen sich daher Geräte drucken, die günstiger und energieärmer sind als bislang.

Neuere Smartphones und Flachbildfernseher sind immer häufiger mit einem OLED-Bildschirm ausgestattet. Diese Displays sind leichter und dünner, verbrauchen weniger Energie und bieten eine bessere Bildqualität als Flachbildschirme, die auf anderen Technologien basieren. Möglich machen dies die darin enthaltenen OLEDs (organic light-emitting diode) – winzige organische Moleküle, die bei Anregung Licht emittieren. Dadurch ist in den Bildschirmen keine zusätzliche Materialschicht zur Hintergrundbeleuchtung erforderlich, wie sie etwa in einem Flüssigkristalldisplay (LCD) zu finden ist. Der große Nachteil der OLEDs ist jedoch, dass sie meist seltene und damit teure Metalle wie Iridium enthalten und ihre Herstellung sehr energieintensiv ist. Das macht ihren Einsatz wenig nachhaltig und teuer.

Als eine mögliche Alternative gelten sogenannte ionische Halogenid-Perowskite, die im Inneren aus oktaederförmigen molekularen Clustern aufgebaut sind. An der Entwicklung solcher metall- und mineralhaltiger OLED-Materialien für dünne Leuchtschichten arbeitet die Display-Industrie seit Jahrzehnten. Bisher enthalten sie jedoch das umwelt- und gesundheitsschädliche Element Blei. Zudem sind diese Materialien bislang nicht haltbar genug, weil sie mit der Zeit verklumpen, und sie können Farben mit kurzen Wellenlängen wie grün und blau nicht gut darstellen.

Woraus besteht die neue OLED-Tinte?

Ein Forschungsteam um Cheng Zhu von der University of California (UC) in Berkeley hat nun ein neues, bleifreies OLED-Material aus der Klasse der Halogenid-Perowskiten entwickelt. Die pulverförmigen Basismaterialien enthalten entweder Hafnium (Hf) oder Zirconium (Zr). Beide Metalle sind sehr stabil und kommen auf der Erde häufiger vor, wenn auch nicht in riesigen Mengen. Schon bei Raumtemperatur können die Pulver ((18C6@K)₂HfBr₆ oder (18C6@K)₂ZrCl4Br₂) in einem organischen Lösungsmittel gelöst werden, wie Zhu und seine Kollegen berichten. Dabei organisieren sich winzige molekulare Bausteine innerhalb der Tinte von selbst zu stabilen und oktaederförmigen supramolekularen Strukturen, die Licht einfangen.

Die so entstandenen flüssige „Tinte“ funktioniert durch diesen Aufbau wie eine Halbleiterdiode. Wenn die „supramolekulare Tinte“ mit UV-Licht angeregt wird, emittiert sie hocheffizient sogar grünes und blaues Licht, wie Spektroskopie-Aufnahmen ergaben. Die Forschenden sprechen von einer „Quanteneffizienz nahe eins“. Das heißt, die Tinte hat die „außergewöhnliche Fähigkeit, während des Emissionsprozesses nahezu das gesamte absorbierte Licht in sichtbares Licht umzuwandeln“, erklärt Zhu. Zugleich ist die Tinte flexibel genug, um in einem 3D-Drucker verwendet zu werden, wie kleine gedruckte Kunstwerke aus dem leuchtenden Material belegen.

Dank dieser Eigenschaften könne das Material als neue, kostengünstigere OLED-Klasse für hochwertige Geräte genutzt werden, die sowohl in der Herstellung als auch der Nutzung energieärmer sind als bisherige Geräte, schließen die Forschenden. „Durch den Ersatz von Edelmetallen durch auf der Erde häufiger vorkommende Materialien könnte unsere supramolekulare Tintentechnologie die OLED-Display-Industrie grundlegend verändern“, sagt Seniorautor Peidong Yang von der UC Berkeley.

Prototyp demonstriert Anwendungsgebiete

Um den Einsatz der neuen Tinte in OLED-Bildschirmen zu demonstrieren, stellten die Wissenschaftler einen Prototyp her, der eine dünne Schicht des neuen Materials enthielt. In ersten Tests erzielte das Gerät die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Farben, Kontrast und Helligkeit des Bildschirms, wie Zhu und seine Kollegen berichten. Sie schließen daraus, dass ihre neuartige Tinte in verschiedensten elektronischen Geräten genutzt werden kann – von Flachbildschirmen für Fernseher und Smartphones über Wearables wie Smartwatches oder Fitness-Tracker bis zu High-Tech-Kleidung, die im Dunkeln leuchtet. „Die Technologie könnte auch für organisch bedruckbare Folien verwendet werden, um daraus tragbare Geräte sowie leuchtende Kunst und Skulpturen herzustellen“, fügt Yang hinzu.

In weiteren Tests wollen er und sein Team nun erforschen, ob und wie gut das neue OLED-Material auch nach Anregung mit Strom leuchtet. „Dieser Schritt ist wichtig, um das volle Potenzial unseres Materials für die Herstellung effizienter lichtemittierender Geräte zu verstehen“, sagt Zhu.

Quelle: Cheng Zhu (University of California Berkeley) et al., Science, doi: 10.1126/science.adi4196

© wissenschaft.de – Claudia Krapp