È noto che LED e transistor non devono essere collegati in parallelo poiché lievi differenze di resistenza possono portare a un flusso di corrente sbilanciato. Questo effetto diventa ancora più forte se i dispositivi si surriscaldano quando la loro resistenza cambia con la temperatura. Per LED organici (OLED), questo è un grosso problema:ogni pannello di illuminazione OLED di grandi dimensioni può essere inteso come una connessione parallela di numerosi singoli piccoli OLED. Come conseguenza, questi dispositivi mostrano un'emissione di luce disomogenea se si riscaldano. Un fenomeno che è stato osservato da ricercatori e aziende industriali negli ultimi due anni, è una saturazione della luminosità che si verifica anche se la corrente totale applicata viene continuamente aumentata.

Ora un team di ricercatori della TU Dresden e del Weierstrass Institute Berlin prova sperimentalmente che gli OLED non solo saturano, ma mostrano persino le regioni che vengono ripristinate in luminosità:all'improvviso l'OLED diventa più scuro in una certa area sebbene la corrente applicata totale sia aumentata, chiaramente un risultato contro-intuitivo. Questo cosiddetto effetto "switched-back" è direttamente correlato alla presenza di un forte feedback elettrotermico non lineare negli OLED che si verifica durante il riscaldamento e che a sua volta induce una resistenza differenziale negativa che rende il dispositivo soggetto a un funzionamento instabile.

I risultati hanno un forte impatto sulla comprensione della stabilità a lungo termine in applicazioni con elevata luminosità, ad es. come si trovano nel settore automobilistico. Qui, Gli OLED sono ora allo studio per sostituire la tecnologia LED per le luci posteriori, luci di segnalazione, e luci dei freni grazie alle loro nuove possibilità di design. Un problema che gli OLED stanno ancora affrontando sono i fenomeni di morte improvvisa. Sono raramente descritti in letteratura a causa del loro verificarsi imprevedibile e apparentemente casuale. Però, è probabile che le regioni commutate, ormai provate, siano fortemente legate a tali fenomeni di morte improvvisa. Una migliore comprensione dell'OLED come sistema elettrotermico complesso sarà, perciò, essere essenziale per prevedere il guasto del dispositivo e per sviluppare nuove strategie per una migliore uniformità di luminosità e stabilità del dispositivo. Nel futuro, anche nuove applicazioni con intensità luminosa ultra-elevata come i laser organici trarranno vantaggio da una conoscenza esatta degli effetti di autoriscaldamento.

La collaborazione tra i due gruppi risale al 2011. Da allora, sono state pubblicate diverse pubblicazioni congiunte sul feedback elettrotermico nei dispositivi a semiconduttore organico. "La previsione delle regioni commutate in realtà risale al 2014 quando abbiamo ricevuto alcuni suggerimenti iniziali da una simulazione piuttosto rudimentale, " ha detto il dottor Axel Fischer che è l'autore corrispondente di questo lavoro, e chi continua, "Ci siamo quindi concentrati sulla creazione di una configurazione migliorata che ci consentisse di misurare l'effetto per i nostri campioni su scala di laboratorio".

Il termine "switched-back" è in realtà correlato alla densità di corrente che diminuisce localmente nell'OLED in contrasto con la corrente totale che aumenta ancora. Poiché è difficile misurare la densità di corrente locale, una telecamera è stata utilizzata per rilevare l'emissione che corrisponde al flusso di corrente locale. Se ci fosse una diminuzione della luminosità prima che l'OLED si degradi, sarebbe la prova delle regioni commutate. Infatti, gli sperimentatori hanno improvvisamente osservato una luminanza decrescente nella regione attesa dell'area attiva subito dopo che si è verificata la prima resistenza differenziale negativa.

Questi esperimenti sono stati condotti e valutati da Anton Kirch, che è attualmente un dottorato di ricerca. studente alla TU Dresda. "Primo, si verifica una regione di resistenza differenziale negativa che si propaga attraverso il dispositivo per aumentare la corrente di alimentazione. Ad un certo punto, commutano indietro regioni che sono distanti dagli elettrodi e che non hanno una dissipazione di potenza sufficientemente elevata. Si può immaginare che queste regioni commutate "vedano" solo la tensione decrescente delle parti OLED che operano nel regime di resistenza differenziale negativa e non sappiano che la tensione applicata esternamente aumenta ancora".

Per confermare i risultati sperimentali, la complessa interazione tra corrente e flusso di calore è stata studiata numericamente in un sistema altamente non lineare, tenendo conto dei diversi strati dell'OLED. Perciò, i matematici dell'Istituto Weierstrass di Berlino hanno creato uno strumento di simulazione per risolvere il sistema derivato di equazioni differenziali alle derivate parziali. "Abbiamo dovuto introdurre un algoritmo avanzato che segue il percorso, " spiega il dottor Matthias Liero, "per catturare il comportamento del dispositivo all'interno del regime bistabile, cioè quando parti dell'OLED operano nel regime di resistenza differenziale negativa."

Dopo che questo è stato implementato, la simulazione numerica è stata in grado di riprodurre il risultato sperimentale sulla base di ipotesi e parametri ragionevoli. Liero sottolinea ulteriormente:"Francamente, siamo rimasti sbalorditi dalla concordanza qualitativa e quantitativa tra simulazione ed esperimento. La forma e la presenza della regione di commutazione sono state calcolate come riscontrato nell'esperimento." Il gruppo è ora alla ricerca di ulteriori partner dalla scienza e dall'industria per trasferire i risultati da OLED su scala di laboratorio a pannelli di illuminazione a film sottile più grandi e geometrie più complesse.

Entrambi i gruppi vogliono continuare il loro lavoro congiunto sul feedback elettrotermico. Le prossime sfide sono creare nuove strategie per prevenire le regioni commutate al fine di omogeneizzare la luminanza anche durante l'autoriscaldamento. Sarà l'obiettivo di creare soluzioni non banali che tengano esplicitamente conto della natura non lineare del problema. Per di più, sono stati avviati studi approfonditi che esplorano l'interdipendenza tra la comparsa di regioni commutate e scenari di morte improvvisa.