Jedna cząsteczka, dwa kierunki polaryzacji. Nowe OLED-y przełączają się prądem między lewo- i prawoskrętnym światłem, upraszczając produkcję ekranów.
Wyświetlacze OLED słyną ze świetnych kolorów, ale mają też słaby punkt: sporą część światła marnują na filtrach, które porządkują polaryzację. Zespół z Uniwersytetu Oksfordzkiego proponuje radykalnie inne podejście. Naukowcy pokazali OLED, który potrafi elektrycznie przełączać się między lewo- i prawoskrętnym światłem kołowo spolaryzowanym. W praktyce to zapowiedź ekranów, które zużyją mniej energii, a przy okazji pozwolą przesyłać więcej informacji tym samym strumieniem światła.
Światło, które da się skręcać prądem
W zwykłym wyświetlaczu światło jest w dużej mierze nieuporządkowane pod względem polaryzacji, czyli kierunku, w którym drgają jego fale. W wielu zastosowaniach – od ekranów po komunikację optyczną – wygodniej jest korzystać ze światła spolaryzowanego, np. kołowo. Wtedy wektor pola elektrycznego nie drga w górę i w dół, ale zatacza spiralę w lewo albo w prawo.
Dotychczas, jeżeli projektanci chcieli, by dioda OLED emitowała konkretne kołowo spolaryzowane światło, sięgali po specjalne cząsteczki nazywane chiralnymi. To takie molekuły, których budowa ma lustrzaną wersję – podobnie jak lewa i prawa dłoń. Wybór lewej albo prawej odmiany cząsteczki decydował, czy dioda świeci światłem lewo-, czy prawoskrętnym. Problem jednak w tym, iż przygotowanie obu wariantów jest kosztowne i trudne do skalowania w masowej produkcji.
Zespół z Oksfordu pokazuje, iż można to zrobić inaczej. Zamiast żonglować dwiema wersjami tej samej cząsteczki, wykorzystali tylko jedną i nauczyli układ, by przełączał się między lewą i prawą skrętnością światła pod wpływem zmiany warunków elektrycznych wewnątrz diody.
Klucz to skręcone polimery i sterowanie ładunkami
Jak czytamy w artykule naukowym opublikowanym na łamach Nature, serce nowego rozwiązania stanowi organiczny polimer emitujący światło – długi łańcuch cząsteczek, który sam z siebie układa się w silnie skręconą, chiralną strukturę. To właśnie taki samorzutnie poskręcany materiał nadaje się idealnie do oddziaływania na kołowo spolaryzowane światło, wzmacniając jeden z kierunków skrętu.
Drugi element układanki to precyzyjna kontrola tego, jak w diodzie spotykają się elektrony i dziury, czyli nośniki ładunku elektrycznego. To w miejscach ich rekombinacji powstaje światło. Badacze pokazali, iż zmieniając równowagę między transportem ładunków – raz bardziej zbalansowaną, raz celowo zaburzoną – można przestawić diodę tak, by faworyzowała emisję lewo- albo prawoskrętnego światła kołowego.
Efekt jest zaskakujący: z jednego typu chiralnego polimeru można wycisnąć dwie przeciwne skrętności światła, sterując wyłącznie tym, jak płynie przez urządzenie prąd. Nie trzeba syntezować i rozdzielać dwóch lustrzanych odmian molekuł, co upraszcza proces technologiczny i obniża koszt całego rozwiązania.
Mniej zmarnowanego światła, mniej zmarnowanej energii
Z punktu widzenia przeciętnego użytkownika telefona czy telewizora różnice mogą nie być widoczne na pierwszy rzut oka, ale od strony fizyki to ogromna zmiana. W wielu obecnych konstrukcjach, zwłaszcza w okularach VR czy AR, spora część światła z OLED-ów jest odcinana przez filtry polaryzacyjne, bo wyświetlacz musi współpracować z optyką zaprojektowaną pod konkretną polaryzację. To oznacza niepotrzebne straty energii – ekran świeci mocno, ale do oka dociera tylko część fotonów.
Jeśli uda się projektować diody, które od razu emitują światło o adekwatnej kołowej polaryzacji, można ograniczyć udział filtrów lub całkiem zmienić sposób budowy układu optycznego. Innymi słowy, mniej światła będzie wyrzucane do kosza, a więcej faktycznie wykorzystane do tworzenia obrazu. To prosta droga do niższego poboru energii przy tej samej jasności albo do jaśniejszych ekranów przy podobnym zużyciu baterii.
