Science Tokyo’daki araştırmacılar tarafından geliştirilen koyu mavi organik ışık yayan diyot (OLED), yalnızca tek bir 1,5 V’ta çalışarak, uzun süredir sınırlı olan mavi OLED’lerin neden olduğu yüksek voltaj ve renk saflığı sorunlarının üstesinden geliyor. Bu atılım, daha önce düşük voltajlı OLED’lerin performansını engelleyen bir sorun olan yük hapsolmasını önleyen yeni bir moleküler katkı maddesinin tanıtılmasıyla sağlandı. Ortaya çıkan cihaz, BT.2020 standartlarını karşılayan keskin mavi emisyonlar üreterek daha parlak, enerji açısından daha verimli ekranlara giden yolu açıyor.
Organik ışık yayan diyotlar (OLED’ler), büyük ekran televizyonlarda ve akıllı telefon ekranlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak tam renkli teknoloji için gereken üç ana renk (kırmızı, yeşil ve mavi) arasında mavi yayıcılar en zorlu olanı olmaya devam ediyor. Daha yüksek enerji talep ederler, genellikle 3 V’un üzerinde sürüş gerilimleri gerektirirler ve sınırlı uzun vadeli stabiliteye sahiptirler.
Şimdi, Japonya Bilim Enstitüsü’nün (Bilim Tokyo) Malzeme ve Yapı Laboratuvarı’ndan Doçent Seiichiro Izawa liderliğindeki araştırma ekibi, OLED’ler alanında bir atılım gerçekleştirdi. Araştırma ekibinde ayrıca Bilim Tokyo’daki Frontier Malzeme Araştırma Enstitüsü’nden Profesör Yutaka Majima, doktora öğrencileri Qing-jun Shui ve Hiroto Iwasaki ve yüksek lisans öğrencisi Daiki Nakahigashi de vardı. Yalnızca tek bir 1,5 V pille çalıştırılabilen koyu mavi bir OLED geliştirdiler.
Izawa, “Bu başarı, yüksek saflıkta koyu mavi emisyon için gereken voltajın yeni nesil ekran standartlarına yakın düzeyde azaltılmasında büyük bir ilerlemeyi temsil ediyor” diyor.
Çalışma dergide çevrimiçi olarak yayınlandı Gelişmiş Optik Malzemeler 30 Eylül 2025’te.
Cihaz, üçlü-üçlü imha (TTA) adı verilen bir işlem yoluyla ışık üreten yukarı dönüşüm tipi OLED’leri (UC-OLED’ler) temel alıyor. Geleneksel OLED’lerde, elektronlar ve delikler emisyon katmanında buluştuğunda ışık üretilir ve bir floresan katkı maddesini harekete geçiren bir yük aktarım durumu oluşturulur.
UC-OLED’ler bu süreci değiştirerek çalışma voltajını azaltır: elektronlar ve delikler, delik taşıma katmanı ile elektron taşıma katmanı arasındaki arayüzde bir yük aktarım durumu oluşturur. Bu enerji daha sonra konak malzemedeki üçlü eksitonlara aktarılır ve iki üçlü yok olduğunda daha yüksek enerjili bir tekli durum oluştururlar. Bu singlet daha sonra ışık yayan katkı molekülünü harekete geçirir.
Ancak UC-OLED’lerin önceki versiyonları renk saflığı konusunda sıkıntılıydı. Genellikle geniş spektrumlu gök mavisi ışık üretiyorlardı. Sorun, katkı maddesinin seçiminden ve bunun delik kapatma eğiliminden kaynaklanıyordu. UC-OLED’lerde bu sıkışan yükleri nötralize edecek serbest elektron yoktur. Sonuç olarak, sıkışan delikler birikerek diğer deliklerin hareketliliğini azaltır ve verimli rekombinasyonu engeller.
Bunun üstesinden gelmek için ekip bir dizi mavi yayan katkı maddesini test etti. Dar emisyonlarıyla bilinen DABNA malzeme ailesiyle başladılar. Ancak pratikte bu katkı maddeleri yük hareketini yavaşlattı ve çalışma voltajını 1 ila 2 V yükseltti. Bunun nedeni, DABNA’nın konakçı malzemeden daha yüksek işgal edilmiş en yüksek moleküler yörünge (HOMO) seviyesine (delikler için enerji seviyesi) sahip olması ve moleküllerin delik taşınmasını engelleyen tuzaklar gibi davranmasına neden olmasıdır. Ancak tuzaklar yeterince sığ olduğunda, kapana kısılmış deliklerin termal enerji yoluyla kaçabildiğini fark ettiler.
Bu anlayışa dayanarak, araştırmacılar yeni bir katkı maddesi sınıfı olan QAO ailesini tanıttılar. Kinolinoakridin-dion’un kısaltması olan QAO, çoklu rezonanslı termal olarak aktive edilen gecikmiş floresans molekülleri grubuna aittir. Daha da önemlisi, HOMO seviyeleri ana materyallerden daha düşüktür, bu da onların delikleri kapatmasını önler ve yükün düzgün bir şekilde taşınmasını sağlar.
Bu aile içinde bir malzemenin özellikle umut verici olduğu kanıtlandı: hacimli tert-bütil yan gruplara sahip bir QAO türevi olan tB-CZ2CO. Bu malzemenin yalnızca %0,5’ini içeren cihazlar, 20 nm’lik dar bant genişliğiyle 447 nm’de keskin, koyu mavi emisyon üreterek geniş gamlı ekranlar için zorlu BT.2020 renk standardını karşıladı.
Araştırmacılar, katkı maddelerinin moleküler yapısının ve elektronik özelliklerinin yük taşınmasını ve tuzak oluşumunu nasıl etkilediğini analiz ederek, dar bantlı mavi emisyon üreten katkı maddelerinin seçimi için net tasarım kuralları oluşturdular.
Izawa, “Genel olarak, bulgularımız yalnızca UC-OLED’lerdeki karmaşık doping mekanizmalarını aydınlatmakla kalmıyor, aynı zamanda yeni nesil optoelektronik uygulamalar için geniş etkileri olan enerji tasarruflu, yüksek renk saflığına sahip mavi UC-OLED’lerin tasarlanması için rasyonel bir çerçeve oluşturuyor” diyor Izawa.
Bu çalışma, uzun süredir devam eden bir sorunu ele alıyor ve büyük ekran televizyonlarda, akıllı telefon ekranlarında ve diğer OLED tabanlı teknolojilerde daha düşük güç tüketimiyle daha keskin, daha enerji verimli ekranlara giden yolu açıyor.
