Micropatterned Down‐Converting Coating for White Bio‐Hybrid Light‐Emitting Diodes

Abstract

White hybrid light‐emitting diodes (WHLEDs) are considered as a solid approach toward environmentally sustainable lighting sources that meet the “Green Photonics” requirements. Here, WHLEDs with protein‐based down‐converting coatings, i.e., Bio‐WHLEDs, are demonstrated and exhibit worthy white color quality, luminous efficiency, and stability values. The coatings feature a multilayered cascade‐like architecture with thicknesses of 1–3 mm. This limits the efficiency due to the low optical transmittance. Thus, submillimeter coatings, where the location of the proteins is well‐defined, are highly desired. It is in this context where the thrust of this work sets in. Here, a straightforward way to design microstructured single‐layer coatings, in which the proteins are placed at our command by using 3D printing, is presented. Based on comprehensive spectroscopic and rheological investigations, the optimization of the matrix and the plotting to prepare different micropatterns, i.e., lines, open‐grids, and closed‐grids, is rationalized. The latter are applied to prepare Bio‐WHLEDs with ≈5‐fold enhancement of the luminous efficiency compared to the reference devices with a cascade‐like coating, without losing stability and color quality. As such, this work shows a new route to exploit proteins for optoelectronics, setting a new avenue of research into the emerging field of Bio‐WHLEDs.

Wenn fluoreszierende Proteine und Weißlicht emittierende Dioden aufeinandertreffen

“…Außerdem wird die Flexibilitätd er Konfiguration des Chromophors eingeschränkt durch eine Kombination von strukturellen und elektrostatischen Wechselwirkungen, die Wasserstoffbrücken, sterische Wechselwirkungen mit Gruppen in der Umgebung und das elektrostatische Feld, das durch die Proteinmatrix geschaffen wird, einschließen. [68,69] Obwohl FPs in der Molekular-u nd Zellbiologie schon routinemäßig bei der Bildgebung angewendet werden, [66,69,[70][71][72][73][74] wurde ihre Nutzung bei Photonikanwendungen, einschließlich Laser [75][76][77] und LEDs, [24][25][26][27] erst kürzlich gezeigt. [65] Und schließlich bietet die Proteinstruktur den geeigneten Rahmen fürd ie Feineinstel- lung der spektroskopischen Eigenschaften der FPs.D ies erfolgt durch verschiedene Mechanismen, etwa durch Veränderungen der Aminosäuren, die an der Bildung des Chromophors beteiligt sind, durch die Platzierung der Aminosäuren nahe am Chromophor,w as durch schwache Wechselwirkungen leichte Veränderungen der spektroskopischen Eigenschaften verursacht, oder durch eine Modifizierung des elektrostatischen Feldes,d as durch die Proteinmatrix am Chromophor gebildet wird.…”

“…[101] Auch Veränderungen des pH-Wertes kçnnen erhebliche Auswirkungen auf FPs nach sich ziehen. [18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29][30] Im Allgemeinen muss die Matrix folgende Eigenschaften aufweisen:1)eine gute Tr ansmission und einen hohen Brechungsindex, 2) eine gute Photostabilität, 3) eine hervorragende mechanische Robustheit und Beständigkeit bei Raumtemperatur und unter Freiluftbedingungen sowohl während der Lagerung als auch bei ständiger Bestrahlung,4 )leichte Herstellung mit einem kostengünstigen Verfahren ohne Verwendung von Dichtungsmitteln und/ oder thermischen/UV-Härtemethoden und 5) eine hohe Kompatibilitätm it wässrigen Lçsungen von FPs.A ußerdem sollte die Matrix umweltfreundlich und leicht wiederver-wertbar sein, wobei idealerweise keine toxischen Abfallprodukte anfallen, um den Anforderungen einer "grünen" Photonik zu genügen. Eine Erhçhung des pH-Werts auf 10-13 führt zur Denaturierung der Proteine.…”

“…[24,27] Bei dieser Methode wird eine Kombination aus kostengünstigen niedermolekularen verzweigten (M n = 450 gmol À1 )u nd hochmolekularen linearen (M n = 5 10 6 gmol À1 )Polyethylenoxid-Polymeren verwendet, die ein Hydrogel bilden (Abbildung 3). [24,27] Bei dieser Methode wird eine Kombination aus kostengünstigen niedermolekularen verzweigten (M n = 450 gmol À1 )u nd hochmolekularen linearen (M n = 5 10 6 gmol À1 )Polyethylenoxid-Polymeren verwendet, die ein Hydrogel bilden (Abbildung 3).…”

“…[27] Diese Beschichtung besteht aus einer mikrostrukturierten einzelnen Schicht, die durch 3D-Hydrogel-Druck hergestellt wird (Abbildung 3). [27] Diese Beschichtung besteht aus einer mikrostrukturierten einzelnen Schicht, die durch 3D-Hydrogel-Druck hergestellt wird (Abbildung 3).…”

“…[12][13][14][15][16] Die genannten Probleme führten zur Entwicklung von organisch-anorganischen Hybrid-WLED (WHLED), um die Vorteile beider Ansätze in einem einzigen Bauelement zu vereinen (Abbildung 1). [18][19][20][21][22][23][24][25][26][27] Diese Hybride weisen wichtige Vorteile auf:1)einfaches Design von hellen Emittern, einschließlich jener Emitter,die auch den tiefroten und den NIR-Spektralbereich abdecken, 2) problemlose Herstellung und 3) kostengünstiges und umweltfreundliches Recycling. [17] Damit wurde ein neues Forschungsgebiet erçffnet, wobei organische Phosphore -z um Beispiel Polymere,K oordinationskomplexe,K ohlenstoff-Nanopunkte und FPs -g emeinsam mit einer neuen Ummantelungsmatrix -wie Polymeren, Cellulose und Metall-organischen Gerüsten (MOFs) -u ntersucht wurden.…”