Materialentwicklung für Smart Textiles von Morgen

Hochschule Niederrhein. Dein Weg.

Organische Materialien

PEDOT:PSS

 

Das Polymergemisch Poly(3,4-ethylendioxythiophen):poly-(styrensulfonat) (PEDOT:PSS) ist stark elektrisch leitfähig und wird deshalb in elektronischen Bauelementen gerne verwendet, beispielsweise als Elektrode oder in licht-emittierenden Bauelementen als Hilfsschicht. PEDOT:PSS kann in wässriger Umgebung dispergiert werden, wodurch lösungsmittel-basierte Herstellungsmethoden verwendet werden können.

 

DOI: 10.3390/s20195691

Ein ionischer Übergangsmetallkomplex (engl. Ionic Transition-Metal Complex, iTMC) ist ein meist kationischer organischer Komplex mit einem Übergangsmetall, z.B. Iridium, als Zentrum. Als Gegenion wird beispielsweise PF6- verwendet. Durch seine lumineszierende Eigenschaft wird der iTMC in leuchtenden Bauelementen, sogenannten lichtemittierenden elektrochemischen Zellen (engl. light-emitting electrochemical cell, LEC), verwendet. Dabei hilft der Komplex neben der Leuchtfunktion auch bei der Ladungsträgerinjektion und dem -transport und so können Ein-Schicht-Bauelemente mittels einfacher Herstellungstechnologien wie Schleuderbeschichtung realisiert werden. Durch die einzigartigen Eigenschaften der aktiven Schicht und der Funktionsweise des Bauelements, sind Schichtdickenvariationen bei der aktiven Schicht tolerierbar, wodurch LECs auf unterschiedlichsten Substraten wie Faserverbundwerkstoffen prozessiert werden können.

Eine große Problematik stellt jedoch die Farbanpassung der LEC dar, da die Emissionsfarbe des iTMCs nur durch chemische Modifikation geändert werden kann, wodurch die Leuchtmoleküle destabilisiert werden und letztendlich Verluste der Leistung des Bauelements verzeichnet werden. Deshalb gibt es verschiedene Ansätze, die Emissionsfarbe der LEC zu verändern. Ein Beispiel finden Sie hier:

DOI: 10.1021/acsami.9b07019

Eine weitere Idee ist es, Quantenpunkte mit der LEC zu vereinen. Mehr dazu finden Sie im nachstehenden Text.

Ionischer Übergangsmetallkomplex

Ionische Flüssigkeit

 

Ionische Flüssigkeit bezeichnet flüssige Salze. Dabei bestehen sie aus Kationen und Anionen, die durch elektrostatische Interaktion zusammengehalten gehalten werden. Es bleibt ein gewisser Grad an Bewegung bestehen, wodurch keine feste, kristalline Struktur entsteht. Ionische Flüssigkeit wird häufig der aktiven Schicht von iTMC-LECs beigemischt, um die Leistung des Bauelements zu steigern.

 

Wie bereits oben erwähnt, gestaltet sich die Farbänderung bei LECs schwierig. Ein Ansatz ist die Integration von light-emittierenden Quantenpunkten in die LEC-Umgebung. Bei Quantenpunkten kann die Emissionsfarbe unter anderen durch die Partikelgröße eingestellt werden, was sie in der Beleuchtungstechnologie sehr attraktiv.

Kombination organische mit anorganischen Materialien

Eine Idee ist es, die QDs als zweite Emissionsschicht in das Bauelement einzubringen. Dies wurde zunächst mit roten QDs realisiert. Im weiteren Schritt konnte durch Integration von blauen QDs in die LEC-Architektur ein weißes Hybridbauelement realisiert werden.

DOI: 10.1021/acsami.6b06833

DOI: 10.1021/acsami.8b15100

LED Professional Science Award, 2017

Ebenfalls konnten erstmalig Cd-freie QDs in eine LEC Umgebung integriert und als einzige Leuchtkomponente betreiben werden. Dabei wird komplett auf den iTMC verzichtet. Dennoch kann die Fähigkeit der Schichtdickentoleranz der LEC beibehalten werden (freie Substratauswahl) und zeitgleich die Emissionsfarbe verhältnismäßig einfach den Anforderungen angepasst werden.

DOI: 10.1002/admt.201700154

Eine Übersicht über alle QD-integrierte LECs finden Sie hier:

DOI: 10.1002/adfm.201907349

Nanostrukturierte Materialien

 

Nanostrukturierte Materialien weisen interessante Eigenschaften, besonders optische und elektronische, auf, weshalb diese in vielen Forschungsfelder bereits Anwendung finden. Beispielsweise können ZnO-Nanopartikel als Sensorschicht eingesetzt und TiO2-Nanopartikel in Solarzellen eingebracht werden. Kolloidale, halbleitende Quantenpunkte (engl. Quantum Dots, QDs) werden in QD-LEDs als Leuchtmedium verwendet, da ihre Emissionsfarbe durch die Größe der Partikel eingestellt werden kann.

Der vielfältige Einsatz von QDs kann beispielsweise in folgendem Artikel gesehen werden, bei dem verschiedenfarbige QDs zum Leuchten angeregt werden und ZnO-QDs als Hilfsschicht eingesetzt werden:

DOI: 10.1021/acsami.6b15660

Ein anderes nanostrukturiertes Material ist Graphen. Graphen ist eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoffatomen und kann zum Beispiel Anwendung als flexible Elektrode in verschiedensten elektronischen Bauelementen finden, unter anderem auch in smarten Textilien.