Wyprodukowano w pełni elastyczne i przezroczyste urządzenie OLED z wykorzystaniem grafenu
Składający się ze związanych atomów uformowanych w arkusze o grubości zaledwie jednego atomu, grafen jest najcieńszym, i prawdopodobnie najbardziej wytrzymałym, znanym materiałem. Stosunek wytrzymałości do wagi tego materiału czyni z niego idealne rozwiązanie dla ogromnej ilości zastosowań - od elastycznej elektroniki i cienkich źródeł światła, do ulepszonych ogniw słonecznych i opakowań produktów. Dzięki wyjątkowym właściwościom optycznym, elektrycznym i mechanicznym grafen jest bardzo obiecującym kandydatem na materiał do produkcji przezroczystych elektrod nowej generacji. Do tej pory wiodącym na rynku materiałem do produkcji przezroczystych elektrod do OLED był tlenek cynowo-indowy (ITO). Jednakże elektrody ITO są kruche, a ubogie zasoby i rosnący popyt sprawiają, że ich ekonomiczne wykorzystanie jest wyzwaniem dla branży. W ramach finansowanego ze środków UE projektu GLADIATOR (Warstwy grafenowe: Produkcja, charakterystyka i integracja), naukowcom udało się opracować funkcjonalne i elastyczne panele oświetleniowe OLED oparte na elektrodach grafenowych. Nowe technologie produkcyjne wykorzystane w ramach projektu usprawniają produkcję na skalę przemysłową tańszych i większych arkuszy grafenowych o wyższej jakości, tym samym czyniąc grafen realną alternatywą w zakresie produkcji przezroczystych elektrod dla ITO, cechującego się znacznie mniejszą odpornością. Masowa produkcja grafenu o wysokiej jakości Produkcja grafenu na szeroką skalę z wykorzystaniem rolek oparta na technice chemicznego osadzania pary (chemical vapour deposition - CVD) po raz pierwszy zaprezentowana została w 2010 roku. Zespół projektowy wykorzystał to obiecujące rozwiązanie do tworzenia wysokiej jakości arkuszy grafenu na szeroką skalę. - Naukowcy nałożyli mieszankę metanu i wodoru na miedziane próbki płytkowe w kontrolowanym środowisku. W ten sposób zainicjowano reakcję chemiczną, która doprowadza do rozpuszczania się metanu w miedzi, nasycając jej powierzchnię, w wyniku czego powstaje grafen, który następnie rozlewa się po miedzi. Po ochłodzeniu grafen przenoszony jest na odpowiednią powierzchnię za pomocą nośnika polimerowego. Następnie ta dwuwarstwowa struktura składająca się z nośnika polimerowego i grafenu odrywana jest od płytki miedzianej i umieszczana jest na powierzchni docelowej. Po usunięciu nośnika polimerowego obszar elektrody grafenowej może zostać uformowany, aby umożliwić produkcję urządzeń elektronicznych - wyjaśnia koordynator projektu Beatrice Beyer. Pomimo że CVD jest jedną z najlepszych technik produkcji grafenu, niezawodna produkcja wysokiej jakości grafenu na dużą skalę wciąż pozostaje problematyczna. Jednakże naukowcom z projektu GLADIATOR udało się zoptymalizować katalizatory i zwiększyć pokrycie powierzchni przez katalizator. - Nowatorska technika oparta na wykorzystaniu rozpuszczalnego w wodzie nośnika polimerowego (alkohol poliwinylowy) umożliwiła zespołowi projektowemu przeniesienie grafenu o długości 300 mm na folie barierowe o formacie A4, udowadniając możliwość pięciokrotnego wykorzystania kosztownego katalizatora miedzianego bez wpływu na jakość grafenu - kontynuuje dr Beyer. Naukowcy poczynili również istotne postępy zwiększając przewodność grafenu poprzez zewnętrzne domieszkowanie półprzewodnika. Domieszki kwasu chloroaurynowego i jodyny zapewniły największą wydajność domieszkowania w przypadku testowanych materiałów. Dodatkowo opracowano specjalne metody zwiększania ich stabilności. Funkcjonalny transfer grafenu Przeniesienie grafenu o dużym rozmiarze z powierzchni wzrostu na powierzchnię urządzenia jest jednocześnie jednym z największych wyzwań i jednym z głównych utrudnień dla jego komercjalizacji. Zespół projektowy zbadał różne techniki przenoszenia: przenoszenie za pomocą wytrawiania, transfer elektrochemiczny w oparciu na wydzielanie wodoru, a także nowatorską technikę transferu elektrochemicznego, wykorzystującego kontrolowane utlenianie i redukcję miedzi na połączeniu miedzi z grafenem. Koncentrując się głównie na ostatniej technice, naukowcy skrócili średni czas rozwarstwiania dużych arkuszy o rząd wielkości i zbadali potencjał techniki usuwania mniejszych płytek i ponownego ich łączenia w celu uformowania większych zwartych obszarów „mozaiki” grafenowej. Ocena ryzyka Po raz pierwszy naukowcy zbadali potencjalne zagrożenie dla zdrowia związane z produkcją grafenu na szeroką skalę w środowisku produkcyjnym w przyszłości. Wyniki wskazywały na nieznaczne stężenie cząsteczek grafenu w powietrzu. Eksperymenty in vivo wykazały, że grafen rzeczywiście wywołuje toksyczność komórkową i wykazuje działanie genotoksyczne. Produkcja dużych arkuszy grafenu jest niezbędna dla pomyślnej komercjalizacji grafenu. Konsorcjum projektu GLADIATOR, w którego skład wchodzi 16 partnerów, uzyskało niezbędną masę krytyczną, potrzebną do opracowania technologii, która usprawni produkcję arkuszy grafenu o dużej powierzchni. W ramach projektu powstało opatentowane rozwiązanie oraz kilka prestiżowych publikacji. Potencjalny wpływ społeczno-gospodarczy może być ogromny.
Słowa kluczowe
Grafen, panele świetlne OLED, elektrody przezroczyste, GLADIATOR, chemiczne osadzanie pary
