Wyświetlacz OLED na grafenie fizyków z Uniwersytetu Łódzkiego. Pierwszy w Polsce

Naukowcy z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego stworzyli prototyp wyświetlacza w technologii OLED (wykorzystującej samoistne organiczne źródła światła) z elektrodą grafenową. Dzięki plastyczności i przejrzystości grafenu oznaczać to może przełom w rozwoju tzw. elektroniki elastycznej, umożliwiającej budowanie plastycznych (zginających się dowolnie) monitorów, ekranów i wyświetlaczy. To pierwsze takie urządzenie w Polsce i jedno z nielicznych na świecie.

Dr hab. Paweł Kowalczyk z UŁ podkreśla:

Nie jest to żaden model teoretyczny, tylko faktycznie działające urządzenie. Udało nam się stworzyć transparentną strukturę współpracującą z diodami OLED, która umożliwi zastosowanie w praktyce wszystkich rozwiązań elektroniki elastycznej.

Unikatowym rozwiązaniem autorstwa łódzkich naukowców jest zmodyfikowanie tlenkiem renu warstwy grafenu, z którego wykonano elektrodę.  

Tłumaczy dr Paweł Krukowski:

To było konieczne, ponieważ grafen, choć elastyczny i przejrzysty w 98 procentach, ma nieodpowiedni poziom tzw. pracy wyjścia, która sprawia, że dioda rozbłyska. Dopiero gdy do warstwy grafenu dołożyliśmy warstwę tlenku renu, poziom pracy wyjścia okazał się optymalny.

Łódzcy naukowcy pracują teraz nad doskonaleniem swego elastycznego wyświetlacza, szczegółowo badając jego działanie.

Elektronika elastyczna to kierunek rozwoju np. urządzeń przekazujących obraz, mający zapewnić im maksymalną plastyczność. W efekcie, sztywne, ciężkie i nieporęczne monitory i wyświetlacze OLED zostaną zastąpione przez zginające się ultracienkie (kilka nanometrów) ekrany, którymi będzie można pokryć praktycznie każdą dowolnie ukształtowaną powierzchnię (np. szyby samochodów, elewacje budynków, ubrania). Obraz z nich ma dorównywać, a nawet przewyższać jakością ten z dziś produkowanych monitorów i wyświetlaczy, w których do budowy elektrod stosuje się kruchy i łamliwy tlenek indowo-cynowy.

Kobiety o LED-owych włosach, czyli grafen czyni cuda. Wywiad z twórcami prototypu wyświetlacza w technologii OLED.

A może już żyjemy w świecie symulowanym, który jest projekcją tak dobrze zrobioną, że nie potrafimy odróżnić jej od rzeczywistości? Na świecie są naukowcy, którzy próbują udowodnić tę tezę.

O elastycznych monitorach, ekranach, wyświetlaczach i o tym, jak zmienią nasze życie rozmawiamy z dr. hab. Pawłem Kowalczykiem i dr. Pawłem Krukowskim z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego

Marcin Kowalczyk: Telewizory wielkości stołu do ping-ponga, smartfony, tablety, laptopy, wyświetlacze w samochodach, na urządzeniach AGD czy w goglach do wirtualnej rzeczywistości - ostatnie lata to czas niezwykłego rozwoju urządzeń do przekazywania obrazu. Są wszędzie, każdy z nas korzysta co najmniej z kilku...

Dr hab. Paweł Kowalczyk: To prawda, żyjemy w cywilizacji masowego dostępu do elektronicznych urządzeń emitujących obraz wysokiej jakości. Coraz częściej w technologii OLED, wykorzystującej samoistne organiczne źródła światła.

Obaj zajmujecie się naukowo optoelektroniką, kogo więc jak nie panów spytać, na czym będziemy oglądać telewizję i seriale z Netfliksa, z jakich smartfonów korzystać za 10-15 lat?

Paweł Kowalczyk: Ciekawe zagadnienie… Od razu narzuca mi się rok 1968, film Kubricka „Odyseja kosmiczna 2001” i urządzenia do złudzenia przypominające tablety, których używają jego bohaterowie. Wtedy to było absolutne science fiction, dziś z tabletów korzystamy na co dzień.

- To wizja sprzed pięćdziesięciu lat, a dziś technologie przyspieszyły…

Paweł Kowalczyk: No właśnie, świat zmienia się szybciej. Myślę, że rozwój urządzeń wyświetlających zdominuje elektronika elastyczna. Plastycznymi ekranami będzie można pokryć najdziwniej ukształtowane powierzchnie, np. narożniki budynków; wyobrażam sobie choćby samochody, które mają wszystkie słupki od środka oklejone elastycznymi monitorami, wyświetlającymi obraz z zewnątrz po to, by kierowca uniknął niebezpieczeństwa martwych stref widzenia. Już teraz wyświetlacze są montowane seryjnie w wielu modelach aut, a wkrótce ich elastyczne i przeźroczyste wersje mogą pokryć szyby samochodów, aby wspomóc kierowcę, a także dostarczyć rozrywki pasażerom.

Dr Paweł Krukowski: Elastyczne monitory pojawią się też w najzwyklejszych okularach. Tak, takich, jakie pan ma teraz na nosie. W wolnym czasie, na przykład podczas dłużącej się jazdy pociągiem, będzie pan mógł sobie obejrzeć film na takich monitorach wklejonych w okulary od środka, przeczytać wiadomości, odebrać maile...

- A telewizja?

Paweł Kowalczyk: Będzie na wszystkim i wszędzie. Będzie nas wręcz gonić. Nieważne, w którym miejscu się znajdziemy, tam będzie dostępny obraz z elastycznych monitorów. Czy to normalne? Zdrowe? Nie wiem, zobaczymy…

- Skoro ekrany staną się superelastyczne, to czy będę mógł zwinąć telewizor jak karimatę i zabrać sobie na urlop?

Jak najbardziej. Rozwój zmierza w tę stronę, by mieć te urządzenia stale przy sobie i żeby nie zawadzały. Proszę sobie wyobrazić, że ma pan w kieszeni smartfon, ale np. w postaci długopisu, a zrolowany ekran wyciąga pan sobie z jego boku. To dużo poręczniejsze niż obecne sztywne, prostopadłościenne smartfony, prawda?

- Pełna zgoda. Ale dziś monitory OLED charakteryzują się już niezwykłą jakością obrazu, ale też ciężarem, sztywnością, nieporęcznością.

Paweł Krukowski: Po prostu dziś produkowane układy elastyczne (na przykład wygięte, tzw. sferyczne ekrany telewizorów), nawet jeśli uda się je zakrzywić, trzeba zalać sztywną powłoką, bo w przeciwnym wypadku ulegają degradacji i tracą swoje właściwości wyświetlające. A sztywna powłoka pęka podczas próby ponownego uelastyczniania... Poza tym obecnie jako elektrodę stosuje się ITO (tlenek indowo-cynowy), który ma podstawową wadę - jest kruchy i łamliwy, więc nie nadaje się do urządzeń elastycznych. Dodatkowo - ITO jest bardzo drogie.

Dzięki czemu więc uda się osiągnąć lekkość, elastyczność, by nie powiedzieć: plastyczność wyświetlaczy i ekranów, o której panowie mówią?

Paweł Kowalczyk: Już się udaje. Jestem fanem nowinek technologicznych, więc dokładnie obejrzałem sobie smartfon Samsung Fold, pierwszy telefon ze składanym ekranem. Rozkłada się i mam albo minitablet, albo smartfon. Można taki telefon-ekran otworzyć i zamknąć kilkadziesiąt tysięcy razy i on cały czas działa. Motorola również już stosuje to rozwiązanie w swoich modelach, np. Razor. Może to jeszcze nie w pełni elastyczna elektronika, ale początek już jest.

Paweł Krukowski: Elastyczne wyświetlacze wyższej generacji wielokrotnie były pokazywane na wystawach i konferencjach naukowych. Na razie nie są powszechnie dostępne, głównie ze względu na cenę, zaporową dla zwykłego użytkownika. Dlatego trzeba szukać sposobów tańszego ich wytwarzania.

- Podobno już to robicie na Uniwersytecie Łódzkim…

Paweł Kowalczyk: Pracujemy z materiałem o nazwie grafen, krystaliczną formą węgla, który ma tylko dwa wymiary - szerokość i długość, a grubość dokładnie jednego atomu. Czyli praktycznie jest niewidoczny. Węgla wokoło jest bardzo dużo, więc z założenia w przyszłości grafen będzie bardzo tani.
Paweł Krukowski: Grafen jest elastyczny, przezroczysty, odznacza się przepuszczalnością światła rzędu 98 procent. I jeszcze posiada tę wspaniałą zaletę, że bardzo dobrze przewodzi prąd elektryczny i ciepło, a więc jest idealnym materiałem do tego, żeby zrobić z niego płaską elektrodę, która dostarczy prąd do elastycznego monitora.

- Czyli do tych milionów diod, które tworzą monitor?

Paweł Kowalczyk: Tak. Do diod, które składają się na obraz bardzo wysokiej jakości, rysując go jak piksele. Grafen zaistniał oficjalnie w 2004 roku; wtedy opublikowano pierwsze wyniki badań nad nim, a twórcy grafenu otrzymali w 2010 Nagrodę Nobla z fizyki. Tymczasem my na Uniwersytecie Łódzkim pracowaliśmy z tym materiałem już w 1999 roku. Ale wtedy nazywano go „cienką warstwą węgla”. Wówczas grafen był niedoceniany, dziś jest superhitem w nauce i elektronice. Możliwość wykorzystania go do wytwarzania diod OLED otwiera niesamowite możliwości elektroniki elastycznej. I nad tym właśnie pracujemy.

- Wyniki są obiecujące?

Paweł Kowalczyk: W tym roku udało nam się zbudować na Uniwersytecie Łódzkim działający prototyp wyświetlacza typu OLED z elektrodą grafenową. To na pewno pierwsze takie urządzenie w Polsce i jedno z nielicznych na świecie. Udowodniliśmy, że wydajne diody OLED na grafenie można z powodzeniem wytworzyć, co w przyszłości daje szansę wyprodukowania wyświetlacza.

Paweł Krukowski: Grafen ma jednak nieodpowiedni poziom tzw. pracy wyjścia, który - jeśli jest optymalny - sprawia, że dioda rozbłyska. Dlatego zmodyfikowaliśmy go tlenkiem renu, dokładając jego warstwę do warstwy grafenu. Nikt na świecie wcześniej tego nie robił (stosowano tlenek molibdenu). Okazało się, że grafen z dodatkiem warstwy tlenku renu o grubości 3-5 nanometrów z powodzeniem może pełnić funkcję anody w diodzie OLED, dając mu odpowiednią ilość energii.

- To był przełom?

Paweł Kowalczyk: Właściwie tak. To pierwsze na świecie urządzenie, które powstało w oparciu o tlenek renu. I podkreślam: wszystko, o czym tu mówimy, to nie są modele teoretyczne, tylko realnie działające urządzenia. Stworzyliśmy transparentną strukturę z powodzeniem współpracującą z diodami OLED, umożliwiającą zastosowanie w praktyce wszystkich rozwiązań elektroniki elastycznej. 

- Produkt więc już jest, a co z ewentualną jego komercjalizacją. Liczycie na to, że wasze rozwiązania znajdą zastosowanie w produkcji na przykład zwijanych telewizorów czy smartfonów?

Paweł Kowalczyk: Na pewno, choć jesteśmy dopiero na początku drogi. Mamy jeszcze wiele problemów technicznych do rozwiązania. Co do samej produkcji, to nie ma w Polsce przemysłu półprzewodnikowego, który pozwalałby na wytwarzanie matrycy według naszego pomysłu. Mamy za to pod ręką ren, który występuje w dużych ilościach w zagłębiu miedziowym na Dolnym Śląsku.

Paweł Krukowski: No i grube miliardy na wdrożenia jeszcze by się przydały (śmiech). Na razie skupiamy się na badaniu urządzenia, które stworzyliśmy; chcemy, by jeszcze sprawniej działało. Na przykład do jego zasilania można wykorzystywać napięcie 20 woltów, ale kto nosi przy sobie akumulator 20-woltowy? My potrzebujemy 3 wolty, czyli napięcie takie, jakie daje bateryjka. I nad tym między innymi pracujemy.

- Załóżmy, że optymalizacja się uda, że pojawią się plastyczne, elastyczne wyświetlacze w takiej ilości, w jakiej obecnie występują klasyczne, sztywne, których każdy z nas ma pod ręką co najmniej kilka. Jak to zmieni nasze otoczenie? Pofantazjujmy jeszcze trochę…

Paweł Kowalczyk: (uśmiech) Ja mam bardzo bogatą wyobraźnię, mogę? Wyobrażam sobie na przykład, że panie, a może też panowie, farbują sobie włosy… elastycznymi ekranami telewizyjnymi, bo te supercienkie plastyczne układy świecące milionami mikroskopijnych diod z powodzeniem mogą oplatać ludzkie włosy. Wtedy każdy włos jest osobnym OLED-owym ekranem telewizyjnym.

- ??!

Tak, tak, nie przesłyszał się pan. Prostsza rzecz to klasyczny manicure, a może nie klasyczny, bo paznokcie, a właściwie tipsy, będą monitorami OLED, które świecą jak mikrotelewizory. Idźmy dalej: swoistym przełomem w przemyśle tekstylnym będą elastyczne wyświetlacze OLED pokrywające ubrania.

- Przepraszam, ale jak to ma działać?

Bardzo prosto – ubrania będą świecić. Technologia pozwala przecież na umieszczanie elastycznych wyświetlaczy na pojedynczych włóknach tkanin i sterowanie kolorem świecenia diod. Więc takie ubrania będą mogły zmieniać barwę w zależności np. od nastroju osoby, która je nosi. Mam dziś dobry humor - zmieniam kolor sukienki na zielony. Smutno mi? To na szary. Mało tego, dzięki takiej odzieży dobrze widać mnie w nocy, bo świeci. A więc jeszcze choćby bezpieczeństwo na drodze – wartość nie do przecenienia. Diody LED już teraz masowo są używane jako elementy zewnętrznego oświetlenia aut. A co, gdyby świeciły całe maski samochodów, a nie tylko reflektory? Dzięki elastycznym monitorom nie będzie z tym kłopotu.

- Wróćmy jeszcze na chwilę do „farbowania” włosów diodami OLED, bo wcześniej z wrażenia mowę mi odjęło: czy dobrze rozumiem, że te ekrany byłyby natryskiwane na fryzury?

Dokładnie tak. Pracuje się już nad układami tzw. drukowanej elektroniki. My też próbowaliśmy to robić z jedną z łódzkich firm. A jeśli możemy coś wydrukować, to dlaczego nie natrysnąć tego sprayem lub innym rozpylaczem? Nie tylko na fryzury, ale np. na całe budynki. Elastyczna elektronika to ocean możliwości choćby dla reklamy. Mamy w Łodzi osiedle Manhattan, które po naniesieniu ekranów elastycznych na elewacje wieżowców mogłoby stać się jedną wielką przestrzenią reklamową albo monitorem do wyświetlania filmów.

- Wizje jak z "Powrotu z gwiazd” Lema, albo raczej jak z mrocznego „Łowcy androidów”... Gdzie są granice rozwoju tej technologii?

- Elektronika elastyczna, podobnie jak ludzki umysł, niesie praktycznie nieograniczone możliwości. W modelu teoretycznym będziemy w stanie pokryć monitorami wszystko. Pójdę jeszcze dalej, ale nie wiem, czy pan to napisze: a może już wszystko jest pokryte monitorami, może żyjemy w świecie, który jest zwykłą projekcją, ale tak dobrze zrobioną, że nie jesteśmy w stanie odróżnić jej od rzeczywistości?

- No to mi pan teraz wywinął mózg na lewą stronę… I z kolei „Matrix” mi się przypomniał. 

Mówię całkiem serio. Są naukowcy, którzy już szukają dowodu na to, że żyjemy w świecie symulowanym, że nie istniejemy rzeczywiście, a jesteśmy w jakiejś maszynie. Nawet jest nagroda za udowodnienie tej tezy. Bierze się to pewnie stąd, że jakość wyświetlanych nam obrazów coraz bardziej przypomina te rzeczywiste. Pamięta pan pierwsze gry komputerowe: Atari, ten joystick, te kwadraty, które się przemieszczają?

Pamiętam, trochę grałem.

To był początek. Dziś to właśnie gry operują takim poziomem realizmu, który zbliża się do rzeczywistości. A to jest zaledwie 30 lat w historii rozwoju komputerów. Wchodząc w te gry, wkładając gogle VR już czujemy się jak w świecie realnym, a przecież rozdzielczość będzie tylko rosła, stanie się zgodna z tą charakterystyczną dla ludzkiego oka i właściwie nie zauważymy różnicy między światem gry a realnym.

Pięć lat temu miałem okazję testować Virtual Reality i w goglach „polatać helikopterem” nad Matterhornem, ale obraz Alp był jeszcze nieco zamglony, niewyraźny, trochę jak w kinie...

Tak, ale teraz z 700 pikseli VR weszło na poziom rozdzielczości 4K. Jest różnica? A weźmy cały kompleks militarny, gdzie postęp dokonuje się najszybciej. Wyobraźmy sobie czołg pokryty ekranami, które sprawiają, że jest niewidoczny, bo ekrany przekazują obraz zza czołgu. A w urbanistyce i architekturze? Mogę sobie wyobrazić miasta lub domy, które robią wrażenie przezroczystych, bo pokryto je ekranami transmitującymi obraz zza nich.

Były tak brzydkie, że postanowiono je „zniknąć”?

Tak, „zniknąć”, to dobre określenie. Albo na przykład wyświetlać na tych domach-ekranach las, pola, łąki... 

Jedna wielka fototapeta: HD do potęgi 4K?

Tak! Myślę, że pójdziemy właśnie w tę stronę, że to się wydarzy. Pozostaje kwestia pieniędzy. Ale myślę, że prędzej czy później się znajdą, bo ktoś na pewno zwietrzy w tym interes.

Rozmawiał: Marcin Kowalczyk

Informacja o cookies!

Nasza strona internetowa używa plików cookies (tzw. ciasteczka) w celach statystycznych, reklamowych oraz funkcjonalnych. Dzięki nim możemy indywidualnie dostosować stronę do Twoich potrzeb. Każdy może zaakceptować pliki cookies albo ma możliwość wyłączenia ich w przeglądarce, dzięki czemu nie będą zbierane żadne informacje

Przejdź do strony polityka prywatności