Prodotti dispositivi OLED completamente flessibili e trasparenti a base di grafene
Il grafene, che consiste in atomi legati in forma di fogli spessi appena un atomo, è il più sottile materiale conosciuto e probabilmente il più resistente. Il rapporto molto alto tra resistenza e peso del materiale lo rende ideale per una grande varietà di applicazioni che vanno dall’elettronica pieghevole a sottili fonti di luce per migliori cellule solari e l’imballaggio dei prodotti. Grazie alle sue eccezionali proprietà ottiche, elettriche e meccaniche, il grafene è anche un candidato molto promettente per una nuova generazione di elettrodi trasparenti. Finora, l’ossido di indio-stagno (ITO) è stato leader del mercato per fabbricare materiali per elettrodi trasparenti per OLED. Gli elettrodi di ITO però sono fragili e la scarsa offerta e la domanda in aumento rendono il loro uso difficile dal punto di vista economico per l’industria. Nell’ambito del progetto GLADIATOR (Graphene layers: Production, characterization and integration), finanziato dall’UE, gli scienziati sono riusciti a sviluppare un pannello luminoso OLED flessibile a base di elettrodi di grafene. Le nuove tecnologie di produzione usate nel progetto facilitano la produzione su scala industriale di fogli di grafene meno costosi, di qualità più alta e più grandi, rendendo il grafene un’alternativa importante all’ITO per elettrodi trasparenti con molto meno resistenza. Produzione in massa di grafene di alta qualità La produzione di grafene rullo a rullo su larga scala basata sulla deposizione chimica da vapore (CVD) è stata dimostrata per la prima volta nel 2010. Il team del progetto ha usato questa promettente tecnica per creare fogli di grafene di alta qualità su larga scala. “In un ambiente controllato, gli scienziati hanno messo una miscela di metano e idrogeno su una placca di rame. Questo ha dato inizio a una reazione chimica che fa dissolvere il metano nel rame e una volta saturata la superficie del rame, il grafene comincia a crescere e a espandersi. Dopo essersi raffreddato, il grafene è trasferito sul substrato desiderato con un vettore polimerico. Questa struttura a due strati che consiste nel supporto polimerico e nel grafene è poi staccata dal wafer di rame e messa sul substrato di destinazione. Dopo aver rimosso il vettore polimerico, l’area degli elettrodi di grafene può essere strutturata per permettere la fabbricazione dei dispositivi elettronici,” spiega il coordinatore del progetto Beatrice Beyer. Anche se la CVD è uno dei modi migliori per produrre grafene, una produzione affidabile di grandi quantità di grafene di alta qualità è ancora problematica. Gli scienziati di GLADIATOR sono riusciti però a ottimizzare catalizzatori e ad aumentare la copertura catalitica del substrato. “Una nuova tecnica basata sull’uso di un polimero di trasfefrimento idrosolubile (alcool (poli)vinilico) ha permesso al team del progetto di trasferire grafene lungo 300 mm in lamine di metallo di dimensioni A4, dimostrando il riutilizzo dei costosi catalizzatori di rame cinque volte senza conseguenze per la qualità del grafene,” continua la dott.ssa Beyer. Gli scienziati hanno fatto anche importanti progressi nell’aumento della conduttività del grafene tramite dopaggio esterno. I dopanti acido cloroaurico e iodio hanno mostrato la migliore efficienza dopante dei materiali testati e sono stati sviluppati metodi speciali per migliorare la loro stabilità. Trasferimento funzionale di grafene Trasferire grandi superfici di grafene dalla sua superficie di crescita al substrato del dispositivo è contemporaneamente una delle più grandi sfide e una delle principali difficoltà per la sua commercializzazione. Il team del progetto ha studiato diverse tecniche di trasferimento, tra cui il trasferimento a incisione, il trasferimento elettrochimico basato sull’evoluzione dell’idrogeno e un nuovo trasferimento elettrochimico che sfrutta l’ossidazione e la riduzione controllata del rame nell’interfaccia rame-grafene. Concentrandosi principalmente su quest’ultima tecnica, gli scienziati hanno abbassato il tempo medio di delaminazione per fogli di grandi dimensioni di un ordine di grandezza e hanno studiato le potenzialità di rimuovere tessere più piccole e riconnetterle per formare grandi mosaici di grafene. Analisi dei rischi Per la prima volta, gli scienziati hanno studiato possibili rischi per la salute associati a una futura produzione di grandi quantità di grafene in un ambiente di produzione. I risultati hanno dimostrato che c’era una concentrazione trascurabile di particelle di grafene nell’aria. Gli esperimenti in vivo hanno mostrato che il grafene causa tossicità cellulare e mostra effetti genotossici. Grandi dimensioni di grafene sono essenziali per la commercializzazione del grafene. Il consorzio GLADIATOR, che conta 16 partner, ha raggiunto il numero necessario per sviluppare una tecnologia che migliori la produzione di grandi superfici di grafene. Il progetto ha già prodotto un brevetto e numerose pubblicazioni di alto profilo. Il potenziale impatto socioeconomico potrebbe essere enorme.
Parole chiave
Grafene, pannelli luminosi OLED, elettrodi trasparenti, GLADIATOR, deposizione chimica da vapore
