POLÍMEROS ELECTROLUMINSCENTES


 

1. INTRODUCIÓN

El interés despertado en los últimos años por los polímeros electroluminiscentes ha sido debido, fundamentalmente, a su utilización como componente principal de nuevas pantallas planas multicolor de bajo voltaje, más eficientes, flexibles y de bajo peso y precio.
La emisión de luz por un material en respuesta a la aplicación al mismo de un campo eléctrico es lo que se conoce como electroluminiscencia. En pricipio se centró la atención en materiales electroluminiscentes, tanto inorgánicos como orgánicos, sin embargo los matriales plásticos son los principales candidatos para estas aplicaciones, por razones de bajo peso, flexibilidad y bajo costo que hacen contemplar a los mismos como una posible alternativa de las actuales pantallas de cristal líquido. Estos materiales poliméricos ofrecen un gran número de posibilidades y aplicaciones, que son en las que nos vamos a centrar. De manera general, un dispositivo electroluminiscente consiste en una o más capas de polímero encapsulada entre dos electrodos, uno de los cuales debe ser transparente a la luz emitida por la película o capa del polímero electroluminiscente al aplicarle una corriente de bajo voltaje.



2. EVOLUCIÓN

La electroluminiscencia de un material orgánico fue observada por primera vez en 1963 en cristales de antraceno. Sin embargo, la necesidad de emplear altos voltajes y cristales de antraceno de excepcional pureza hacía dificil su aplicación. Posteriormente se mejoró fabricando un dispositivo utilizando una fina película de antraceno mejorando la eficiencia en la emisió de luz al aplicar bajos voltajes.

La configuración empleada tipo sandwich, en la que se depositaba sobre un electrodo transparente, a base de óxido de indio y estaño, actuando como ánodo, depositado a su vez sobre un vidrio o plástico transparente. Como cátodo puede utilizarse aluminio, indio, magnesio. El polímero luminiscente se deposita en forma de fina película sobre el electrodo. Su funcionamiento consiste en la aplicación de una diferencia de potencial entre los dos electrodos, de modo que se inyectan electrones desde el cátodo a la película del polímero luminiscente, a la vez que desde el anodo se inyectan huecos (se ceden electrones desde el polímero al ánodo). Por tanto bajo la acción del campo eléctrico los electrones y huecos se desplazan en sentido opuesto hasta encontrarse. Como los electrones inyectados presentan mayor contenido energético que los huecos donde se alojan, entonces ceden el exceso de energía en forma de fotones de luz visible, que se emiten al exterior a través del ánodo transparente. La eficiencia de emisión era como máximo el 25% debido a la poca estabilidad del material por la posibles reacciones que pueden generar los excitones tripletes (recombinación de carga positiva con carga negativa).

Desarrollos posteriores consiguieron aumentar la eficiencia de emisión utilizando dos capas depositadas por sublimación de material luminiscente: una capa utilizada como transportadora de electrones y otra de huecos. Pero el avance más decisivo fue a comienzo de la década de los 90, cuando investigadores del "grupo Cambridge" descubrieron la capacidad electroluminiscente de un polímero conjugado: el polifenileno-vinileno. Este sólo emitía en el verde-amarillo con bajas eficiencias, pero el estudio y desarrollo de nuevos polímeros, mediante la modificación de la estructura de estos ha permitido disponer hoy en día de LEDs de alta eficiencia de emisión.




A continuación se muestra algunas de las modificaciones introducidas en los polímeros y los efectos conseguidos:




Modificación del color en función de la estructura química:




3.TIPOS DE POLÍMEROS EMISORES

Tal como se puede observar en la imagen superior, a pesar de que la inmensa mayoría de los polímeros son aislantes, existe una proporción de ellos que conductores capaces de transportar carga eléctrica y emitir luz, debido a los electrones deslocalizados de los dobles enlaces. La extensión de la deslocalización de estos enlaces condiciona que la luminiscencia esté en el espectro visible o no. El principal problema que presentan es de tratamiento y procesamiento de estos, pues han de ser manejables, por lo que alguna de las soluciones aportadas son: Partir de un prepolímero oligomérico, el cual puede ser facilmente procesado o conseguir polímeros conjugados solubles mediante la introducción de sustituyentes laterales. La gran ventaja de los polímeros electroluminiscentes es que sus porpiedades pueden ser moduladas, para adaptarlas a las necesidades de cada aplicación, mediante las amplias posibilidades que ofrece la síntesis de polímeros. Las estructuras de los principales polímeros electrolumiscentes se exponen a continuación donde los rectágulos corresponden a los grupos cromóforos electroluminiscentes.



Homopolímeros: Como el polifenileno vinileno, PPV y derivados por sustitución en el anillo bencénico, permite obtener diferentes colores en función de la sustitución. La longitud de onda se puede modular en función del tamaño del sustituyente, homopolímeros heteroatómicos.
Copolímeros de bloques alternantes, 4: Disminución de la insaturación del polímero mejora la eficiencia de la electroluminniscencia. Mejora el control de la extensión de la conjugación y por tanto del color de la luz.
Polímeros con grupos cromoforos: Pueden incorporar grupos emisores de luz y grupos transportadores de carga. La estructura 5, presenta un cromóforo emisor en el azul y unidades de oxadiazol como transportadores de electrones.
Polímeros con estructura dendrítica, 6: Los grupos ter-butilo proporcionan unas propiedades de procesado adecuadas, independiente de las propiedades electrónicas.



4.ÚLTIMOS AVANCES

Cómo ya se comentó uno de los principales problemas era la inyección de electrones debido al carácter aislante de los polímeros. Por lo que una de las estrategias seguidas para mejorar esta afinidad electrónica ha sido la utilización conjunta de películas transportadoras de electrones y emisoras de luz, para que la recombinación electrónica se produzca en la interfase entre amabas. De igual manera se pueden incluir capas transportadoras de huecos, cuando la inyección de cargas positivas presente dificultad.
Siguiendo estos principios, se están consiguiendo dispositivos que emiten luz con los tres colores primarios del especto visible: utilizando filtros para lograr la correcta transformación de color o bien mediante la superposición de 12 capas distintas alimentadas con diferentes fuentes de corriente. Actualmente los esfuerzos van dirigidos a aumentar la eficiencia o luminosidad, el tiempo de vida útil, la pureza de los colores, para la obtención de pantallas de mayor resolución. En los últimos años se están utilizando polímeros híbridos orgánicos-inorgánicos que permiten modificar el color por simple variación del potencial aplicado, utilizados especialmente en la fabricación de LEDs.


En esta línea investigadores del CSIC y de la Universidad Politécnica de Valencia desarrollan un nuevo material electroluminiscente aplicable a pantallas digitales de electrodomésticos, móviles o PDAs. Es un material más duradero y estable frente a agentes atmosféricos que los actuales y sus características luminiscentes han sido mejoradas. Los polímeros electroluminiscentes tienen importantes ventajas con respecto a otros materiales electroluminiscentes inorgánicos como los LEDs (Light Emitting Diode).Como ya se ha comentado alguna de la ventajas son bajo costo, fácil procesabilidad, flexibilidad mecánica, posibilidad de preparar recubrimientos continuos y tridimensionales con materiales electroluminiscentes y, no menos importante, que permiten la posibilidad de manipular la emisión del color. Sin embargo, las actuales prestaciones de los polímeros electroluminiscentes derivados del p-fenilenvinileno (PPV) son insatisfactorias, ya que se degradan fícilmente a causa de agentes ambientales. Esta es la razón por la que no ha sido posible llegar a una aplicación comercial del mismo. Evitar esa degradación es el objetivo del nuevo desarrollo que han hecho investigadores del Instituto de Tecnología Química (ITQ) de Valencia, centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y de la Universidad Politécnica de Valencia. Se trata de un nuevo material que combina polímeros electroluminiscentes encapsulados en el interior de materiales porosos que protegen el polímero. La invención, aplicable a todos los materiales electroluminiscentes, es especialmente ventajosa para el más inestable PPV. El material poroso puede ser microporoso o mesoporoso, seleccionado entre zeolitas, óxidos porosos, tamices moleculares, silicoaluminofosfatos y aluminosilicatos. Teniendo en cuenta la composición y la topología del material hospedador (dimensiones del poro y geometría de los espacios interiores) se pueden variar las propiedades fotoquímicas y electroluminiscentes, así como la eficacia de la emisión en términos de conversión de energía eléctrica en luminosa. Los nuevos materiales poseen excelentes prestaciones en términos de estabilidad química al ambiente (oxígeno, humedad o CO2, entre otros), durabilidad y control del estado de agregación (aislados o estando asociado por parejas o más). Las ventajas del material -que se puede usar en pantallas de televisores, ordenadores, teléfonos móviles, electrodomésticos y cuadros de mando de los automóviles- son, entre otras, una mayor durabilidad, y que permite controlar sus propiedades fotoquímicas y electroluminiscentes. Además, como emite en continuo -a diferencia de los LEDs tradicionales que emiten en un sistema de puntos- se mejora la nitidez.



5.BIBLIOGRAFÍA

 


Héctor Gómez Morales