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Invisible tags: Physicists at TU Dresden write, read and erase with the use of light
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A team of physicists headed by Prof. Sebastian Reineke of TU Dresden developed a new kind of storing information in fully transparent plastic foils. Their innovative idea is now published in the renowned online journal “Science Advances”.
Prof. Reineke and his LEXOS team work with simple plastic foils with a thickness of less than 50 µm, which is thinner than a human hair. In these transparent plastic foils, they introduced organic luminescent molecules. In the beginning, these molecules are in an inactive, dark state. Using ultraviolet irradiation, it is possible to turn this dark state locally into an active, luminescent one. By mask illumination or laser writing, activated patterns can be printed into the foil having a resolution comparable to common laser printers. Similar to glow-in-the-dark stickers, the patterns can be brought to shine and the imprinted information can be read out. By illuminating with infrared light, the tag is erased completely and new data can be written into it.
The working principle of these programmable transparent tags is based on the well-known molecule oxygen. Oxygen is present in the plastic foil and steals the light energy from the glowing molecules. Ultraviolet radiation induces a chemical reaction which efficiently removes the oxygen from the layer. In consequence, the luminescent molecules are activated and able to emit light. The deactivation process using infrared light is based on a temperature rise of the foil, leading to an increased oxygen permeability and therefore a refilling of the layer with oxygen.
These novel tags can be manufactured in any size. The low material costs of fewer than two dollars per square meter promise a wide range of application scenarios: Information like barcodes, serial numbers or addresses can be hidden for on-demand readout only. Also, these invisible tags could lift document security and anti-counterfeiting to a whole new level.
Prof. Reineke: ‘Those invisible and re-writable tags can be used in a multitude of ways, while at the same time offering minimalistic physical foot-prints. We can manufacture such tags thinner than conventional barcode stickers. These tags can become a versatile alternative to many often technology-loaded solutions for information exchange in our daily life. These luminescent tags make electronics obsolete at the location, where the information is stored. The development and optimization of such systems open a broad research field bringing together material development, process engineering, and fundamental research in an interdisciplinary fashion.’
This figure shows the multiple writing, reading and erasing cycles. The UV-illuminated patterns can be erased by infrared light again and again. Image credit: M. Gmelch and H. Thomas, TU Dresden
About the Light-Emitting and eXcitonic Organic Semiconductor (LEXOS) group:
The LEXOS group is part of the Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonics Materials (IAPP) and the Institute of Applied Physics of the Technische Universität Dresden and led by Prof. Sebastian Reineke. One focus of the LEXOS group is the investigation of excitonic and luminescent systems covering organic and other related emerging materials. The group has strong expertise in the optical spectroscopy of such systems. One current example is the investigation of organic biluminescence, where luminophores show both fluorescence and phosphorescence at room temperature. Further, the LEXOS group has long-standing expertise in the research and development of organic light-emitting diodes (OLEDs). The current OLED research comprises stack and concept development, devices optics, charge transport and recombination studies, long-term stability investigations, material development (dopant and emitter materials), and device integration.
Original Publication: M. Gmelch, H. Thomas, F. Fries, S. Reineke, Programmable transparent organic luminescent tags. Sci. Adv. 2019; 5 : eaau7310.
Media inquiries to:
Prof. Dr. Sebastian Reineke
Institute of Applied Physics
Tel: +49(0)351 463 38686
Email: sebastian.reineke@tu-dresden.de
Figure 1: A luminescent tag, contactless printed onto a plastic foil. The light emitting layer is thinner than a human hair. The imprint can be erased and replaced by another pattern. Image credit: M. Gmelch and H. Thomas, TU Dresden
Figure 2: This figure shows the multiple writing, reading and erasing cycles. The UV-illuminated patterns can be erased by infrared light again and again. Image credit: M. Gmelch and H. Thomas, TU Dresden
Deutsche Version:
Etiketten der Zukunft: Dresdner Physiker schreiben, lesen und radieren mit Licht
Einem Team von Physikern unter Leitung von Prof. Sebastian Reineke von der Technischen Universität Dresden ist es gelungen, auf eine völlig neue Art Informationen in transparenten Folien zu speichern. Ihre innovative Idee wurde jetzt im renommierten Online Journal Science Advances veröffentlicht.
Prof. Reineke und seine LEXOS Gruppe am Institut für Angewandte Physik arbeiten mit transparenten Plastikfolien, die mit weniger als 50 µm dünner als ein menschliches Haar sind. In diese Plastikfolien sind leuchtende organische Moleküle eingebracht. Diese Moleküle befinden zunächst in einem deaktivierten, dunklen Zustand. Durch lokale Bestrahlung mit ultraviolettem Licht lassen sie sich aktivieren und beginnen zu leuchten. Mit Hilfe einer Maske oder eines Laserschreibers können auf diese Weise Muster in die Folie geschrieben werden, deren Auflösung die von aktuellen Laserdruckern erreicht. Durch Bestrahlung mit infrarotem Licht lässt sich das aufgedruckte Muster oder die Leuchtschrift jederzeit wieder vollständig aus der Folie entfernen.
Die Funktionsweise dieser wiederbeschreibbaren, transparenten Etiketten basiert auf einem uns lebenswichtigen Molekül, dem Sauerstoff. Dieser ist Bestandteil der Folie und raubt den Molekülen zunächst die Lichtenergie. Durch die Bestrahlung mit UV-Licht wird er über eine chemische Reaktion aus der Folie entfernt. Dadurch können die Moleküle an den so behandelten Stellen ungestört leuchten. Wird die Folie im Anschluss mit infrarotem Licht bestrahlt, erhöht sich ihre Temperatur und gleichzeitig ihre Sauerstoffdurchlässigkeit. Damit wird die ursprüngliche Sauerstoffkonzentration wiederhergestellt, die organischen Moleküle werden wieder inaktiv.
Die Folien lassen sich in jeder Größe herstellen. Auch die geringen Materialkosten von unter zwei Euro pro Quadratmeter versprechen vielfache, breite Anwendungs-möglichkeiten: Informationen wie Barcodes, Produktnummern oder Adressen lassen sich gezielt verbergen und nur bei Bedarf auslesen. Gleichzeitig bieten die unsichtbaren Etiketten auch neue Möglichkeiten der Dokumentbeglaubigung und der Fälschungssicherheit.
Für Prof. Reineke ergibt sich daraus ein ganz neues Forschungsfeld: „Diese unsichtbaren und wiederbeschreibbaren Etiketten können vielseitig und mit einem minimalen Materialeintrag eingesetzt werden. Wir können sie deutlich dünner als heutige Barcode-Aufkleber herstellen. Sie stellen eine Alternative zu vielen übertechnisierten Lösungen zum Informationsaustausch in unserem Alltag dar. Am Ort der Information machen sie Elektronik überflüssig. Die Weiterentwicklung dieser Systeme eröffnet ein breites und neues Forschungsfeld, wo Materialentwicklung, Prozesstechnik und Grundlagenforschung in einer facettenreichen und interdisziplinären Art zusammenkommen.“
Über die Light-Emitting and eXcitonic Organic Semiconductor (LEXOS) Gruppe
Die LEXOS Gruppe ist Teil des Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) und des Instituts für Angewandte Physik der Technischen Universität Dresden und wird von Prof. Sebastian Reineke geleitet. Ein Forschungsfokus der LEXOS Gruppe ist die Untersuchung von exzitonischen und lumineszenten Systemen auf Basis organischer und organisch-hybrider Materialien. Die Gruppe hat eine starke Expertise in der optischen Spektroskopie solcher Systeme. Ein aktuelles Bespiel ist die Erforschung organischer Bilumineszenz, bei der die Luminophore sowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz bei Raumtemperatur zeigen. Des Weiteren hat die LEXOS Gruppe langjährige Expertise in Forschung und Entwicklung von Organischen Leuchtdioden (OLEDs). Die momentanen Forschungsaktivitäten auf diesem OLED-Gebiet umfassen Bauteilentwicklung, Bauteil-Optik, Ladungsträgertransport- und Rekombinationsstudien, Untersuchungen zur Langzeitstabilität, Materialentwicklung und Bauteilintegration.
Originalveröffentlichung: M. Gmelch, H. Thomas, F. Fries, S. Reineke, Programmable transparent organic luminescent tags. Sci. Adv. 2019; 5 : eaau7310.
Informationen für Journalisten:
Prof. Dr. Sebastian Reineke
Institut für Angewandte Physik
Tel.: 0351 463-38686
Email: sebastian.reineke@tu-dresden.de
Bild1: Ein leuchtendes Etikett, kontaktlos aufgedruckt auf eine Plastikfolie. Die leuchtende Schicht ist dünner als ein menschliches Haar. Der Aufdruck lässt sich berührungslos wieder löschen und durch ein anderes Muster ersetzen. Bildrechte: M. Gmelch und H. Thomas, TU Dresden
Bild 2: Diese Abbildung zeigt das mehrfache Wiederbeschreiben eines Etiketts. Die durch UV-Licht eingeschriebenen Strukturen können durch Infrarotlicht wieder gelöscht werden. Bildrechte: M. Gmelch und H. Thomas, TU Dresden