Išmanusis telefonas ant rankos, dvipusis ypatingos raiškos ekranas, televizoriaus monitorius ant sienos apmušalų – tai organinių šviestukų (angl. OLED – Organic Light Emitting Diode) pritaikymai, kuriems reikalingas didelis plotas ir lankstumas, ir kurie atveria ypatingas jų praktines pritaikymo galimybes.
Pagal „IDTechEx“ kompanijos atliktus nepriklausomus rinkos tyrimus ir įvykius apie besivystančias technologijas (1 pav.) paskaičiuota, kad 2018 m. OLED pramonės vertė siekė įspūdingą 25,5 mlrd. dolerių sumą, o 2019 m. išaugo iki 30,3 mlrd. dolerių. 2016-2018 m. į OLED ekranų pramonę buvo investuota daugiau nei 15 mlrd. dolerių, o didieji gamintojai daugiausia įsikūrę Kinijoje, Korėjoje, Japonijoje ir Taivane.
Sparčiai vystantis technologijoms investuojama į lanksčius didelio ploto OLED ekranus, kurie rinkoje pasirodė 2019 ir 2020 m. („Huawei Mate X“ ir „Galaxy Z Flip“). OLED sektoriuje dominuoja išmanieji mobilieji OLED telefonai (2 pav.), o antras pagal dydį sektorius – OLED išmanieji televizoriai, kuriuose integruoti ir dirbtinio intelekto elementai („LG ThinQ“) (3 pav.).
Kuriant ir vystant išmanias technologijas, priešingai nei neorganinių medžiagų pagrindu veikiančius LED prietaisus, nenaudojami sunkieji žemės metalai (iridis, platina), o jų skleidžiama šviesa yra „mielesnė“ žmogaus akims. Tačiau tokių OLED gyvavimo trukmė žymiai trumpesnė.
Medžiagų, savo sudėtyje neturinčių iridžio, kurias naudojant būtų galima suformuoti efektyvius mėlynus OLED, vis dar trūksta. Dar viena problema, kurią siekiama išspręsti kuriant OLED – siekis sumažinti kenksmingą mėlynos spalvos poveikį žmogaus akims. Intensyvi mėlyna spalva gali sumažinti melatonino gamybą, sukelti negrįžtamus akių tinklainės pakitimus, dėl to gali padidėti susirgimo onkologinėmis ligomis rizika bei sutrikti miegas.
Šiuo atžvilgiu ypač didelį iššūkį mokslininkams ir technologijų kūrėjams pateikia mėlynos spalvos OLED, kurie perdega greičiau nei LED ir tai išbalansuoja monitorių spalvas, sumažina šviestukų ilgaamžiškumą. Dėl šios priežasties OLED technologijos vis dar mažiau populiarios nei LED.
Kalbant apie OLED įrangos sudedamųjų dalių stabilumą, daugiausiai problemų sukelia mėlynos spalvos OLED gyvavimo trukmė. Jei pirmosios OLED kartos šviestukams galėjo būti suteikiama kelerių metų garantija, šiandien ji siekia nuo 5 iki 8 metų. Ir tai ne riba.
Mėlynos spalvos iššūkį patyrė ir LED technologijų kūrėjai. Dar 1990 m. japonų mokslininkai Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ir Shuji Nakamura, panaudodami atitinkamus puslaidininkius, suformavo mėlynos spalvos LED šaltinius, tačiau optimalų efektyvumą pasiekė tik daugiau nei po 20 m. ir už tai 2014 m. gavo Nobelio premiją fizikos srityje. Vėliau OLED buvo tobulinami formuojant efektyvesnius antros kartos fosforescencinius ir naujausios trečios kartos termiškai aktyvinta uždelstąja fluorescencija (angl. TADF – Thermally Activated Delayed Fluorescence) pasižyminčius optoelektroninius prietaisus.
TADF pagrindu veikiančių OLED tyrimai buvo pradėti maždaug 2012 m. Kyushu universitete Japonijoje, o šiuo metu daugelis Pasaulio akademinių grupių, įskaitant ir KTU profesoriaus Juozo Vido Gražulevičiaus vadovaujamą neformalią tyrėjų grupę, intensyviai kuria TADF organines medžiagas OLED.
Pagrindinės priežastys, dėl kurių kilo didžiulis susidomėjimas TADF organiniais šviestukais, yra ta, kad priešingai nei dabar naudojamuose OLED, naujos kartos optoelektroniniuose prietaisuose nenaudojami retieji žemės metalai, tokie kaip iridis ir platina. Taip pat atsirado reali galimybė suformuoti didelio efektyvumo ir ilgaamžiškumo mėlynai šviečiantį OLED. Tačiau vienas iš pagrindinių TADF OLED trūkumų yra tas, kad tokiose prietaisuose naudojamų TADF medžiagų emisijos spektras santykinai platus – dėl to gaunamas palyginti prastas spalvų grynumas.
Šiandien naujausias OLED technologijas taiko daugelis išmaniųjų telefonų gamintojų – „Huawei“, „Samsung“, „Apple“ ir kt. Kol kas OLED technologijų pagrindu kuriama įranga yra brangesnė nei neorganinių. Tačiau prognozuojama, kad taip bus neilgai. Ateityje OLED išstums neorganinius ne tik dėl aplinkosaugos sumetimų, bet ir dėl aukštesnės kokybės, nes organinių junginių įvairovė daug didesnė, o suformuotų OLED spalvų raiška yra geresnė ir jie suteikia daugiau galimybių – šviečia į abi puses, o tai leidžia sukurti dvipusius ekranus.
Šiais laikais OLED moksliniai tyrimai – kolektyvinis darbas, todėl svarbu rasti gerų bendradarbiavimo partnerių. KTU prof. Juozo Vido Gražulevičiaus tyrėjų grupė, kurioje be lietuvių yra tyrėjų iš Jungtinės Karalystės, Baltarusijos, Kinijos, Irano, Indijos, Ukrainos (4 pav.), kartu su kitų šalių chemijos ir fizikos mokslo sričių tyrėjais iš Vokietijos, Jungtinės Karalystės, Prancūzijos, Didžiosios Britanijos, Ukrainos, Latvijos, Taivano mokslininkais, verslo atstovais iš Vokietijos „Novaled“ ir „Cynora“ bei Prancūzijos „Astron-FIAMM“ (5 pav.) jau ne vienerius metus vykdo aukšto lygio projektus, susijusius su naujų organinių medžiagų mėlynos spalvos naujos kartos OLED kūrimu, tyrimais ir taikymu pramonėje (6 pav.). Organinių medžiagų tobulinimui nėra ribų, o jų sintezė – virtuozinis darbas.
Lietuvoje surasti lėšų tyrimams ir juos vykdyti ypač svarbu, nes tik tokiu būdu galima integruotis į pasaulinį mokslą ir kelti meistriškumą. Tyrimai finansuojami Lietuvos-Latvijos-Kinijos (Taivano), Lietuvos-Ukrainos bendradarbiavimo mokslo ir technologijų srities bendrų mokslinių tyrimų programos bei Europos Sąjungos bendrųjų programų „Horizontas 2020“. Europos Sąjungos lėšomis atnaujinta tyrimų aparatūra laboratorijose šiandien leidžia dirbti ne prastesnėmis sąlygomis nei pažangiose Vakarų ar Tolimųjų Rytų laboratorijose.
Tobulinant ir sintetinant naujas medžiagas TADF organiniams šviestukams dauguma prof. Juozo Vido Gražulevičiaus doktorantų baigę studijas renkasi podoktorantūrines studijas užsienyje, stipriose optoelektroninių prietaisų tyrimo laboratorijose. Vienas iš pavyzdžių, dr. Dalius Gudeika 2017-2020 m. sėkmingai įsiliejo į prof. Martins Rutkio vadovaujamą Organinių medžiagų mokslinę tyrėjų grupę Kieto kūno fizikos institute Latvijos universitete (7 pav.) atlikdamas tyrimus apie termiškai aktyvinta uždelstąja fluorescensija pasižyminčius mėlynos spalvos spinduolius ypač efektyviems mėlynos spalvos OLED, kurių efektyvumai siekia 24 %. Pasiekti OLED efektyvumai prilygsta geriausiems iki šiol žinomiems mėlynos spalvos TADF OLED efektyvumams, o darbo rezultatai publikuoti „Elsevier“, „Taylor & Francis“, „The Royal Society of Chemistry“ leidyklų 8-iuose prestižiniuose moksliniuose žurnaluose.
Dr. Dalius Gudeika
Kauno technologijos universitetas kartu su Latvijos universitetu