В стиле света горящей свечи

Команда ученых Южно-Уральского государственного университета совместно с московскими коллегами разрабатывает органические светоизлучающие диоды, потенциально полезные для ночного освещения. Усовершенствованная конструкция и применение специальных красителей создают эффект пламени обычных свечей, открывая новые возможности для прикладного значения светодиодных устройств

Световой поток, который излучает светодиод, зависит от тока: чем он больше, тем ярче светит светодиод. Но постоянное увеличение тока может привести к перегреву диода и выходу его из строя. Альтернативой служит технология, позволяющая получить белый цвет или желтоватый цвет (цвет пламени свечи), поскольку синий может оказывать вредное воздействие на здоровье человека. Поэтому активно ведется поиск эффективных люминесцентных материалов на основе органических красителей. Например, подходящим вариантом могут быть органические светодиоды OLED (organic light-emitting diodes), произведенные из органических красителей, которые применимы для освещения помещений в ночное время. Они рентабельны, безопасны, энергоемки и ярко светят.

Так, отечественные специалисты рассматривают OLED-конструкции в стиле свечей и предлагают свой подход к производству простых и эффективных органических диодов. Межинститутская команда российских ученых из Челябинска и Москвы создала органические красители, а на их основе получила структуры, имеющие рекордно низкую цветовую температуру, которая почти не зависит от напряжения и не превышает 1900 К и обладает максимальной яркостью 6256 Кд / м².

Участник исследований по изучению органических светодиодов, руководитель проекта, кандидат химических наук, старший научный сотрудник НОЦ «Нанотехнологии» Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) (г. Челябинск), научный сотрудник Института органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук (ИОХ РАН) (г. Москва) Тимофей Николаевич Чмовж  поделился достижениями результатов работы научного коллектива и раскрыл конкурентное преимущество изготовленных устройств, не имеющих аналогов среди  известных OLED.

 «В настоящее время лампы накаливания с их непрерывным спектром из-за низкой экономичности и короткого срока службы повсеместно вытесняются светодиодными и газоразрядными источниками. Однако излучение этих источников света сильно обогащено синим излучением, что представляет угрозу для человеческого глаза и может вызывать физиологические нарушения в организме человека. Кроме того, синий свет неблагоприятно воздействует на многие материалы, вызывая их ускоренное разрушение. Он также способен наносить вред целым экосистемам, если такие источники света применяются для наружного освещения. Известной проблемой, вызываемой синим излучением, является заметное уменьшение концентрации мелатонина в организме человека. Мелатонин известен как гормон, регулирующий циклы сна и бодрствования (циркадные или суточные ритмы организма), его выделение предшествует засыпанию. Доказано, что поддержание оптимального уровня мелатонина способно предупреждать и даже лечить некоторые виды рака (рак молочной железы, рак простаты и рак толстой кишки), риск которых сильно возрастает с возрастом, а нарушение циркадных ритмов может привести к разбалансировке правильного обмена веществ в целом. Не следует недооценивать и психофизиологическое влияние света от источников с линейчатым и несбалансированным спектром – такой свет может провоцировать раздражительность и даже вызывать депрессивные состояния, что может приводить к увеличению преступности. Спектральный состав света современных коммерческих светодиодных источников света резко отличается от источников света на основе физически нагретого тела, например, пламени, лампы накаливания или солнечного света. Они, хотя и могут обеспечивать визуально теплый желтый оттенок света (цветовая температура 2400 К и даже ниже), на самом деле представляют собой комбинацию синего и ультрафиолетового света, испускаемого полупроводниковым кристаллом и специальным люминофором желто-оранжевого свечения, нанесенного на его поверхность, со значительными провалами в области зеленого и красного излучения, – Тимофей Чмовж, прежде всего, определил актуальность разработки технологии органических светоизлучающих устройств (OLED), в частности, в стиле свечей (ClsOLED), вызванной поиском эффективных люминесцентных материалов. – Наиболее безопасными для организма человека считаются свечи, спектр излучения которых похож на спектр излучения солнца на закате или восходе и поэтому весьма физиологичен: он вызывает приятные ощущения, связанные с естественной секрецией мелатонина, поскольку имитирует вечернее освещение. Помимо этого, свет свечи содержит лишь небольшую долю вредного синего света. Так как свечи обладают рядом существенных недостатков: пожароопасностью, токсичностью и неприятным запахом продуктов их горения, низкой интенсивностью света от одной свечи, быстротой расходования в процессе горения, то они вряд ли могут всерьез рассматриваться как основные источники освещения в современном мире. Подходящей альтернативой свечам могли бы служить электрические источники света, спектральный состав которых был бы максимально приближен к спектру света горящей свечи. Поэтому создание безопасных светодиодных устройств со световыми характеристиками, подобными характеристикам пламени свечи (низкая цветовая температура при непрерывном спектре излучения), является одной из важных научных задач, имеющих практическую значимость».

Работа российских ученых в области создания светодиодов представляет собой комбинацию теоретических и экспериментальных исследований. Тема начала свое развитие в 2019 году в рамках проекта РНФ 15-13-10022 «Новые материалы для фотоники и спинтроники на основе халькогеназильных гетероциклов» (проектом руководил профессор, д.х.н. Ракитин О.А.). В настоящий момент научное направление активно развивается в рамках проекта РНФ 20-73-00220 «Новые эффективные люминесцентные красители на основе [1,2,5]тиадиазоло[3,4-d]пиридазина для создания активных слоев органических светоизлучающих диодов инфракрасного свечения» (руководитель к.х.н. Чмовж Т.Н.).

Синтетическая часть работы проходила как в Институте органической химии имени Н.Д. Зелинского (г.Москва), так и в Южно-Уральском государственном университете (г. Челябинск). Активное участие принимали специалисты: с.н.с., к.х.н. Князева Е.А., и с.н.с., к.х.н. Чмовж Т.Н.; квантово-химические расчеты проводили в ИОХ РАН под руководством н.с., к.х.н. Голованова И.С., электрохимические исследования проходили также в ИОХ РАН под руководством с.н.с., к.х.н. Михальченко Л.В.  Полученные образцы были изучены в Институте физики им. Лебедева РАН (г. Москва) сотрудниками: д.х.н. Тайдаковым И.В., аспирантом Коршуновым В.М., а диоды изготовлены профессором, д.х.н. Аветисовым И.С. в РХТУ им. Д.И. Менделеева (г. Москва).

Как обращает внимание Тимофей Чмовж: «Благодаря работе сотрудников совместной лаборатории №31 ИОХ РАН (проф. д.х.н. Ракитиным О.А., с.н.с. к.х.н. Князевой Е.А., н.с. к.х.н. Чмовжем Т.Н.) и Южно-Уральского государственного университета в кооперации с учеными из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (д.х.н. Тайдаковым И.В., аспирантом Коршуновым В.М.) и Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева (проф. д.х.н. Аветисовым И.С.) создан безопасный с физиологической точки зрения светодиод на основе гибрида органических и металлорганических излучающих материалов». 

Статьи, в которых представлены авторская модель, точные расчеты и экспериментальная апробация научной команды, опубликованы в международных рецензируемых журналах: DYES AND PIGMENTS 185 (2021) 108917 (“Candle light-style OLEDs with benzochalcogenadiazoles cores”) и CHEMICAL COMMUNICATIONS, 2019, 55, 13354—13357 (“A novel candle light-style OLED with a record lowcolour temperature”).

Решение, предлагаемое российскими исследователями, включает главные этапы работы: создание диодов со световыми характеристиками свечей типа ClsOLED и усовершенствование параметров представленной разработки.

Так, для конструирования ClsOLED научной группой были взяты флуоресцентные органические красители. «На сегодняшний день 1,2,5-халькогенадиазолы, конденсированные с различными гетероциклами, зарекомендовали себя как одни из наиболее перспективных соединений, которые уже нашли широкое применение в создании новых материалов для органических светодиодов. Среди органических материалов, наиболее широко изучаются малые органические молекулы, не содержащие атомов тяжелых металлов. Такие молекулы содержат донорные (D) и акцепторные (A) билдинг-блоки, связанные между собой непосредственно или с применением функциональных групп, обеспечивающих π-сопряжение (π-мостики). Этот подход дает возможность тонкой настройки полосы люминесценции результирующих соединений за счет вариации типов донорных и акцепторных групп, а также характера взаимодействия между ними, которые контролируются на этапе синтеза. Анализ литературных данных показал, что в ранних работах люминесцентные донорно-акцепторные соединения состояли из одного донорного и акцепторного блока D-A; в последнее время направление работ сместилось на создание более сложных структур D-A-D, A-D-A или D-π-A-π-D, содержащих несколько различных донорных и акцепторных блоков, отличающихся при этом по строению. Однако, структуры типа D-A-π-A1 ранее не были исследованы в качестве светоизлучающих слоев. Поэтому перед нами стояла задача изучить люминесцентные характеристики соединений такого типа. В ходе исследования оказалось, что соединения типа D-A-π-A1 на основе 2,1,3-бензохалькогенадиазолов и [1,2,5]халькогенадиазолов, [3,4-c]пиридинов, выполняющих роль центральных акцепторов (А), являются наиболее подходящими кандидатами для получения на их основе безопасных светоизлучающих устройств. Такие вещества обладали высокими квантовыми выходами флуоресценции до 80%, так и нужным положением максимума испускания, который лежал в пределах 550 – 650 нм», – Тимофей Чмовж уточнил, на основе каких красителей были созданы прототипы OLED и с чем связан этот выбор.

Что позволило достичь низкой цветовой температуры и более простой процедуры создания светоизлучающих структур? Каким образом структурная модификация влияет на фотофизические свойства?

«Для сборки целевых молекул типа D-A-π-A1 необходимо последовательно соединить  билдинг-блоки друг с другом. Для этого нами были использованы палладий катализируемые реакции кросс-сочетания по Сузуки и реакция Кневенагеля. Стоит отметить, что в литературе известен только один пример органического светоизлучающего диода с подобным свечам спектром свечения (ClsOLED), изобретенный профессором Дж. Джоу из Национального Университета Синь Хуа (Тайвань). Его строение предполагает применение трех или даже четырех слоев различных металлоорганических люминофоров на основе дорогого и редкого металла иридия. Так как цветовая температура излучения такого диода достаточно высока, то свет их свечения скорее напоминает яркую лампу накаливания, нежели пламя свечи, – Тимофей Чмовж отметил новизну и малоизученность темы в научном сообществе и указал на достоинства разработки, впервые предлагаемой российскими специалистами. – Одним из преимуществ предлагаемого нами светоизлучающего диода с подобным свечам спектром свечения является применение всего лишь двух светоизлучающих слоёв. В качестве одного из слоёв использовалось дешёвое металлорганическое соединение алюминия, а для другого слоя применялись специально синтезированные в лаборатории №31 ИОХ РАН и в Южно-Уральском государственном университете (г. Челябинск) новые органические красители. Такая архитектура светодиода позволила добиться рекордно низкой цветовой температуры излучения OLED по сравнению с прототипом Дж. Джоу. За счет вариации разных типов донорных и акцепторных групп, а также характера взаимодействия между ними, которые контролируются на этапе синтеза, можно тонко настраивать полосы люминесценции результирующих соединений».

Кроме того, в исследовании было продемонстрировано, что цветовую температуру электролюминесценции можно настраивать, поскольку, как подчеркнул ученый: «Она зависит от спектра испускания материалов. Для этого необходимо не только синтезировать новые органические светоизлучающие соединения, но и проводить дополнительную их оптимизацию».

Каковы перспективы использования синтезированного вами материала в OLED-технологии? Была ли апробация диодов на практике в темное время суток и какие результаты показала?

«Разработанные нами устройства можно использовать в качестве источников света для офисных или бытовых помещений, в качестве элементов светового дизайна различных общественных пространств и для многих других целей, но особенно полезным будет их применение в качестве домашних ламп для создания комфортного мягкого освещения и облегчения засыпания. Относительно простая технология изготовления данных диодов и недорогие исходные материалы позволят в будущем создавать источники света в виде плоских панелей достаточной площади с регулируемой яркостью свечения и широкими возможностями подстройки цвета свечения только за счет изменения параметров питающего напряжения. Все это делает нашу разработку не только теоретически интересной, но и важной в практическом плане. Пока апробация диодов на практике в темное время суток нами не осуществлялась. Но мы планируем этим заняться в ближайшее время», – делится участник и руководитель проекта Тимофей Чмовж.

Итак, инновационный подход к проектированию ClsOLED, основанный на модернизировании технических параметров, позволяет достичь высокой интенсивности излучения, энергоэффективности, а главное, соответствует задачам oбecпeчeния безопасной и комфортной paбoтocпocoбнocти иcтoчника cвeтa.

Фото и иллюстрации Тимофей Чмовж