Ultra-Bright Stretchable Electroluminescent Devices at Low Driving Fields Enabled by a High-Permittivity Elastomer
Dit artikel presenteert een doorbraak in rekbare elektroluminescente apparaten door polair vinyleenethyleencarbonaat in polyacrylaat te verwerken om een hoog-permittiviteit elastomer te creëren dat recordbrekende ultraheldere, meerkleurige displays mogelijk maakt met lage elektrische velden en uitzonderlijke rekbaarheid.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Stel je een wereld voor waarin de schermen waar we elke dag naar kijken niet uit stijve glasplaten bestaan, maar uit zachte, flexibele vellen die kunnen rekken, draaien en zich kunnen vormen naar de vorm van ons lichaam. Dit is de belofte van rekbare elektronica, een vakgebied dat zich richt op het creëren van apparaten die met ons meebewegen in plaats van tegen ons in te gaan. Om deze apparaten te laten werken, hebben ze een manier nodig om licht te produceren dat net zo flexibel is als het materiaal waarvan ze zijn gemaakt. Eén veelbelovende methode voor het creëren van dergelijk licht wordt alternating current electroluminescence genoemd. In eenvoudige bewoordingen is dit een proces waarbij een materiaal oplicht wanneer een elektrisch veld er doorheen duwt, zonder dat daar de complexe lagen voor nodig zijn die in standaard gloeilampen of telefoonschermen worden gebruikt. De uitdaging was altijd geweest dat de materialen die worden gebruikt om de lichtgevende deeltjes vast te houden, vaak te stijf zijn of gevaarlijk hoge voltages vereisen om te functioneren, wat ze onpraktisch maakt voor draagbare technologie.
Een team van onderzoekers aan de Sun Yat-sen Universiteit en hun samenwerkingspartners heeft nu een nieuw type zacht materiaal ontwikkend dat deze problemen oplost, waardoor een lichtgevend apparaat is gecreëerd dat zowel ongelooflijk helder is als in staat is om tot vijf keer de oorspronkelijke lengte uit te rekken. Ze bereikten dit door een speciale rubberachtige substantie, of elastomeer, te ontwerpen die fungeert als een zeer efficiënte geleider voor het elektrische veld dat nodig is om licht te creëren. Dit nieuwe materiaal zorgt ervoor dat het apparaat helder oplicht bij zeer lage voltages, een significante verbetering ten opzichte van eerdere versies die veel sterkere elektrische impulsen nodig hadden om te functioneren. Het resultaat is een display die kan worden uitgerekt, gebogen en zelfs kan worden geïntegreerd in kleding of huidsensoren zonder zijn vermogen om te schijnen te verliezen.
De kern van deze doorbraak ligt in de chemie van de nieuwe elastomeer. De onderzoekers begonnen met een veelvoorkomend type plastic dat bekend staat als polyacrylaat en mengden dit met een hoogpolair molecuul genaamd vinylethyleencarbonaat. In de materiaalkunde verwijst "polair" naar moleculen die een sterke elektrische ladingverdeling hebben, wat hels helpt bij de interactie met elektrische velden. Normaal gesproken maakt het toevoegen van dergelijke sterke, stijve moleculen aan een zacht rubber het hele mengsel stijf en bros, wat precies het tegenovergestelde is van wat nodig is voor een rekbaar apparaat. De onderzoekers ontdekten echter dat ze, door de verhouding van de ingrediënten zorgvuldig aan te passen, een materiaal konden creëren dat zachter en rekbaarder werd naarmate ze meer van het polaire molecuul toevoegden. Dit contra-intuïtieve gedrag stelde hen in staat om een materiaal te creëren met een recordbrekend vermogen om elektrische energie op te slaan, ook wel bekend als permittiviteit, die een waarde van 19,6 bereikt. Deze hoge permittiviteit is cruciaal omdat het het elektrische veld dat op de lichtgevende deeltjes in het materiaal inwerkt, versterkt, waardoor ze veel helderder oplichten zonder extra voltage nodig te hebben.
Het resulterende materiaal, dat de onderzoekers PMV noemen, is niet alleen elektrisch superieur, maar ook fysiek robuust. Het blijft transparant, waardoor 91 procent van het licht kan passen, wat essentieel is voor een helder display. Het kan uitrekken tot 861 procent van de oorspronkelijke lengte voordat het breekt, en het kan een enorme hoeveelheid lichtgevende deeltjes, specifiek zinksulfide, bevatten zonder troebel of opaak te worden. Toen de onderzoekers een apparaat bouwden met behulp van dit materiaal, gesandwiched tussen flexibele elektroden, waren de resultaten opmerkelijk. Onder een laag elektrisch veld van 3,0 volt per micrometer bereikte het apparaat een helderheid van 2117,6 candela per vierkante meter bij gebruik van een blokgolfsignaal, en 1218,7 candela per vierkante meter met een standaard sinusvormig signaal. Deze cijfers vertegenwoordigen een significante sprong voorwaarts en overtreffen de records die zijn gezet door andere hoogwaardige materialen. Het apparaat kon ook werken op een frequentie van 1 kilohertz, een snelheid die beheersbaar is voor standaard stroombronnen.
Naast het heldere aspect bleek het apparaat opmerkelijk duurzaam en veelzijdig te zijn. De onderzoekers testten het vermogen om herhaaldelijk rek te weerstaan en ontdekten dat het een cyclische vervorming van 200 procent kon doorstaan gedurende meer dan 1000 cycli zonder zijn helderheid te verliezen. Wanneer het werd uitgerekt tot 500 procent, bleef het apparaat functioneren, hoewel de helderheid iets daalde, een beperking die wordt toegeschreven aan de elektroden in plaats van de lichtgevende laag zelf. Om het potentieel voor real-world toepassingen te demonstreren, maakte het team kleurrijke versies van het apparaat. Ze verwerkten fluorescerende deeltjes in de voorste elektroden, die het blauwe licht van de hoofdlagen absorbeerden en dit omzetten in geel, groen of rood. Hierdoor konden ze een volledig gekleurd display bouwen dat tegelijkertijd verschillende kleuren aan de voor- en achterkant kon tonen.
Het praktische nut van deze technologie werd verder aangetoond door het apparaat te integreren met een rek-sensor. Wanneer een persoon zijn vinger boog, detecteerde de sensor de verandering in weerstand en activeerde direct specifieke secties van het lichtgevende apparaat om aan te gaan, waardoor de beweging effectief werd gevisualiseerd als een patroon van licht. Het team construeerde ook een 8 bij 16 pixel array, een klein rooster van lampjes dat draadloos via een smartphone kon worden aangestuurd. Dit rooster kon dynamische informatie weergeven, zoals scrollende tekst of veranderende patronen, in realtime. Het hele systeem functioneerde stabiel, zelfs terwijl het werd gebogen en gedraaid, wat bewijst dat de technologie klaar is voor draagbare toepassingen. Door hoge helderheid, lage stroomvereisten en extreme rekbaarheid te combineren, banen dit nieuwe materiaal de weg voor een nieuwe generatie elektronica die op de huid gedragen kan worden of in stoffen geweven kan worden, wat de manier waarop we met digitale informatie omgaan, transformeert.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.