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Junyi Zhao, doctorant dans le laboratoire de Chuan Wang, a utilisé des PeLED flexibles pour montrer un peu d’esprit d’école. Crédit : Wustl/Wang Lab
Bien sûr, vous pourriez attacher deux écrans avec une charnière et appeler un téléphone portable « pliable », mais si vous pouviez l’enrouler et le mettre dans votre portefeuille ? Ou l’étirer autour de votre poignet pour le porter comme une montre ?
La prochaine étape des écrans numériques en cours de développement à la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à St. Louis pourrait en faire une réalité.
D’abord, il y avait des diodes électroluminescentes, ou LED. Ensuite, des LED organiques, ou OLED. Aujourd’hui, des chercheurs du laboratoire de Chuan Wang, professeur adjoint au département Preston M. Green d’ingénierie électrique et des systèmes, ont développé un nouveau matériau doté du meilleur des deux technologies et d’une nouvelle façon de le fabriquer, à l’aide d’une imprimante à jet d’encre.
La recherche a été publiée ce mois-ci dans la revue Matériaux avancés.
Les LED organiques, faites de petites molécules organiques ou de matériaux polymères, sont bon marché et flexibles. “Vous pouvez les plier ou les étirer, mais ils ont des performances relativement faibles et une durée de vie courte”, a déclaré Wang. « Les LED inorganiques telles que les microLED sont très performantes, très lumineuses et très fiables, mais pas flexibles et très chères. »
“Ce que nous avons fabriqué est un composé organique-inorganique”, a-t-il déclaré. “Il a le meilleur des deux mondes.”
Un PeLED flexible en action. Crédit : vidéo avec l’aimable autorisation du laboratoire Wang
Ils ont utilisé un type particulier de matériau cristallin appelé pérovskite aux halogénures organométalliques, mais avec une nouvelle torsion. La façon traditionnelle de créer une fine couche de pérovskite, qui se présente sous forme liquide, consiste à la faire couler goutte à goutte sur un substrat plat et en rotation, comme un jouet d’art de rotation, dans un processus connu sous le nom de revêtement par rotation. Au fur et à mesure que le substrat tourne, le liquide s’étale et finit par le recouvrir d’une fine couche.
De là, il peut être récupéré et transformé en LED pérovskite, ou PeLED.
Comme le spin art, cependant, beaucoup de matériel est gaspillé dans ce processus – comme le substrat tourne à plusieurs milliers de tours par minute, certaines des gouttes de pérovskite éclaboussent et s’envolent, ne collant pas au substrat.
“Parce qu’il se présente sous forme liquide”, a déclaré Wang, “nous avons imaginé que nous pourrions utiliser une imprimante à jet d’encre” à la place du revêtement par centrifugation.
La fabrication par jet d’encre économise des matériaux, car la pérovskite ne peut être déposée que là où elle est nécessaire, de la même manière que la précision avec laquelle les lettres et les chiffres sont imprimés sur un morceau de papier ; pas d’éclaboussures, moins de déchets. Le processus est également beaucoup plus rapide, réduisant le temps de fabrication de plus de cinq heures à moins de 25 minutes.
Un autre avantage de l’utilisation de la méthode d’impression à jet d’encre a le potentiel de remodeler l’avenir de l’électronique : la pérovskite peut être imprimée sur une variété de substrats non conventionnels, y compris ceux qui ne se prêteraient pas à la stabilité lors de la rotation – des matériaux tels que le caoutchouc.
“Imaginez avoir un appareil qui commence à la taille d’un téléphone portable mais qui peut être étendu à la taille d’une tablette”, a déclaré Wang.
Pour qu’un écran soit flexible, cependant, l’impression de LED rigides sur du caoutchouc ne fera pas l’affaire. Les LED elles-mêmes doivent être flexibles. La pérovskite ne l’est pas.
Le premier auteur Junyi Zhao, doctorant dans le laboratoire de Wang, a pu résoudre le problème en incorporant les cristaux de pérovskite inorganique dans une matrice polymère organique constituée de liants polymères. Cela a rendu la pérovskite et, par association, les PeLED, elles-mêmes élastiques et extensibles par nature.
Le meilleur des deux mondes.
Le processus n’était pas vraiment simple. Il a fallu de longues journées – et quelques nuits – en laboratoire avant de bien faire les choses. Wang et Zhao ont convenu que le plus gros obstacle était de s’assurer que les différentes couches de matériau ne se mélangeaient pas.
Étant donné que toutes les parties de la PeLED étaient fabriquées à partir de liquide – la couche de pérovskite ainsi que les deux électrodes et une couche tampon – une préoccupation majeure était d’empêcher toutes les couches de se mélanger.
Les LED sont construites dans une configuration de type sandwich, avec au moins une couche émissive, une couche d’anode et une couche de cathode. Des couches supplémentaires telles que des couches de transport d’électrons et de trous peuvent parfois également être utilisées. Zhao devait empêcher la couche de pérovskite de se mélanger avec les autres, la façon dont l’application d’un surligneur sur de l’encre fraîchement écrite pourrait la salir.
Il avait besoin de trouver un polymère approprié, celui qui pourrait être inséré entre la pérovskite et les autres couches, le protégeant d’eux tout en n’interférant pas trop avec les performances de la PeLED.
“Nous avons trouvé le meilleur matériau et la meilleure épaisseur pour équilibrer les performances et la protection de l’appareil”, a déclaré Zhao. Après cela, il a continué à imprimer les premières PeLED extensibles.
Le bureau de la gestion de la technologie de l’université a un brevet en instance sur la technologie et la méthode de fabrication.
Ces PeLED ne sont peut-être que la première étape d’une révolution électronique : les murs pourraient fournir un éclairage ou même afficher le journal du jour. Ils peuvent être utilisés pour fabriquer des appareils portables, même des appareils portables intelligents, comme un oxymètre de pouls pour mesurer l’oxygène dans le sang.
Plus excitant encore, être capable d’imprimer des PeLED extensibles et flexibles à moindre coût et rapidement peut conduire à de nouvelles technologies encore à imaginer.
Référence : « Fabrication à grande vitesse de diodes électroluminescentes perovskite aux halogénures organométalliques imprimées à jet d’encre sur des substrats élastiques » par Junyi Zhao, Li-Wei Lo, Haochuan Wan, Pengsu Mao, Zhibin Yu et Chuan Wang, 8 octobre 2021, Matériaux avancés.
DOI : 10.1002/adma.202102095
