13.1 Introduzione
L’elettronica di consumo flessibile per applicazioni come display, illuminazione e fotovoltaico ha suscitato interesse nell’ultimo decennio a causa delle loro proprietà uniche, tra cui essere leggeri, pieghevoli, conformabili, robusti e non fragili (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). L’interesse per l’elettronica su substrati flessibili può essere fatto risalire alla ricerca sui pannelli solari flessibili per le missioni spaziali negli anni ’60 (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). Durante quel periodo, la disponibilità di fonti di energia affidabili, compatte e leggere in grado di fornire potenza nella gamma da 1 a 50 kW era un problema, e una vasta area di celle solari su substrati flessibili è stata studiata come un mezzo per affrontare il problema.
Durante gli anni ’60, i ricercatori della Radio Corporation of America (RCA) sono stati pionieri nello sviluppo di transistor a film sottile (TFT) e cristalli liquidi. Nel 1973, 4 anni dopo che la RCA aveva dimostrato il primo orologio digitale con display a cristalli liquidi (LCD), la Sharp Corporation annunciò la prima calcolatrice tascabile a cristalli liquidi, che fu il primo prodotto LCD di successo commerciale. L’interesse per i display di grandi dimensioni è uno dei fattori che ha spinto lo sviluppo dei TFT-LCD, tanto che alla fine degli anni ’80 sono stati introdotti i TFT-LCD da 10 pollici nei computer portatili e poi, nel 2006, LG Philips aveva un TFT-LCD da 100 pollici per la televisione ad alta definizione (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
L’aumento delle dimensioni dei display a schermo piatto in breve tempo e il mercato composto da miliardi di display mobili (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) non erano immediatamente evidenti negli anni ’60. Quindi, una nuova opportunità è nata dalla necessità di avere un display portatile di grandi dimensioni in un piccolo fattore di forma. Un mezzo per trasportare un dispositivo elettronico di grande superficie (pannello solare o display) è desiderabile in modo che sia compatto fino a quando non viene utilizzato per il funzionamento. Nel caso dei pannelli solari per lo spazio, i pannelli devono essere lanciati nello spazio in un carico utile ben definito e di piccola superficie, mentre nel caso dei display, un utente può portare un display in una tasca della camicia e poi distribuire il display sulla sua scrivania o su una parete.
In aggiunta al diffuso desiderio dei consumatori per i display mobili intelligenti, i ricercatori dei display media hanno cercato un analogo elettronico della carta fin dagli anni ’70 (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). L’inchiostro elettroforetico (Comiskey et al., 1998), usato negli e-reader, è un esempio di una tecnologia di visualizzazione che è probabilmente basata sull’organico. Gli e-reader sono stati chiaramente dimostrati con la capacità di consentire display flessibili di grande superficie, come l’E-reader flessibile da 19 pollici con uno spessore di 0,3 mm, che pesa 130 g, e TFT su un supporto ultrasottile di lamina metallica trasparente prodotto da LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). Anche gli LCD flessibili sono stati dimostrati dal 2005 (Kanellos, 2005), e i cristalli liquidi negli LCD sono materiali organici.
Tuttavia, il focus di questo capitolo è sull’elettronica organica, in cui il materiale organico conduce la carica e/o produce luce, che è diverso dai materiali organici che rispondono meccanicamente ai campi elettrici, come i cristalli liquidi e gli inchiostri elettroforetici. Una ragione dell’interesse per l’elettronica organica è la capacità di depositare film organici su vari substrati a bassissimo costo come la plastica o i fogli di metallo e la relativa facilità di lavorazione dei composti organici (Forrest, 2004). Per esempio, le chiare applicazioni degli utenti per i display flessibili e le celle solari, insieme alle proprietà di lavorazione dei film organici, hanno creato la visione del futuro dell’elettronica organica su fogli metallici e hanno incoraggiato la ricerca in questo settore.
Gustafsson et al. (1992) hanno dimostrato che un diodo organico ad emissione di luce (OLED), usato nei display OLED, potrebbe essere fabbricato su un substrato flessibile. Il lavoro di Gustafsson et al. sarebbe stato seguito da sforzi per produrre un display su un substrato flessibile. Gustafsson et al. notarono che i polimeri erano suscettibili di processi di deposizione semplici come lo spin casting o il dip coating; pertanto, erano adatti alla fabbricazione di dispositivi di grande superficie su substrati flessibili.
Constant et al. (1995) dimostrarono dei TFT su un substrato flessibile di poliimmide, e nel 1996, Theiss e Wagner (1996) integrarono OLED con TFT amorfo-Si su substrati di fogli di metallo. Dati questi sviluppi, gli anni ’90 sono stati un decennio in cui gli elementi di base e le prove di concetto per l’elettronica organica su materiali flessibili hanno alimentato l’interesse per un tentativo di commercializzazione dei display flessibili.
Le lamine d’acciaio sottili sono attraenti per l’uso come substrati flessibili per l’elettronica organica a causa dei loro bassi tassi di permeazione di ossigeno e acqua, della tolleranza alla lavorazione ad alta temperatura (∼1000 °C), della stabilità dimensionale, della resistenza chimica, del coefficiente di espansione termica relativamente basso e della conduttività termica superiore (rispetto al vetro), e potrebbero fornire un terminale di tensione comune (per la terra o la schermatura). Per i display OLED basati sull’emissione dall’alto, i substrati metallici possono fornire un’eccellente barriera all’ossigeno e all’umidità, fondamentale per prolungare la durata degli OLED (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). Un’architettura OLED a emissione superiore (TOLED) si riferisce alla caratteristica del design OLED che consente alla luce di essere diretta lontano dal substrato opaco in acciaio attraverso elettrodi trasparenti depositati sull’OLED (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); si veda la Figura 13.1 per un’illustrazione grafica di un dispositivo a emissione superiore e inferiore.
Figura 13.1. La necessità di una barriera di umidità e ossigeno è dovuta al fatto che le prestazioni degli OLED si degradano con l’esposizione all’acqua o all’ossigeno. Il degrado si manifesta come macchie scure nell’area emissiva dell’OLED (Burrows et al., 1994). Affinché un OLED abbia una durata operativa superiore alle 10.000 ore, il tasso di trasmissione del vapore acqueo (WVTR) e dell’ossigeno attraverso qualsiasi strato protettivo è pari a ∼1 × 10-6 g/m2/giorno e 10-5-10-6 g/m2/giorno, rispettivamente (Lewis & Weaver, 2004), ma questi tassi possono essere elevati, considerati i requisiti di durata dello stato dell’arte dei display OLED e dell’illuminazione.
I difetti in SiO2, nitruro di silicio (SiNx), o Al2O3 limitano i tassi di permeazione effettiva attraverso singoli strati di questi materiali a un livello insoddisfacente. Le strutture multistrato che consistono in strati alternati di materiali inorganici e polimerici hanno avuto più successo (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Inoltre, i nuovi materiali ibridi inorganici-polimeri hanno anche dimostrato di fornire utilità su scala di laboratorio come barriere di permeazione (Gartside et al., 2008).
Oltre alle applicazioni elettroniche di consumo, i processi di produzione di elettronica su substrati flessibili è un obiettivo a lungo termine dei ricercatori perché c’è il potenziale per ridurre sostanzialmente i costi di produzione verso i costi associati a giornali, imballaggi alimentari, e altri supporti stampati (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). Per esempio, i costi di produzione degli OLED bianchi (WOLED) per le applicazioni di illuminazione sono una sfida formidabile. Una stima dei costi dei WOLED è di ∼$10/lm (So et al., 2008), rispetto ai costi di produzione di una lampada a incandescenza, che è meno di $0,03/lm. I WOLED nei display a schermo piatto da 55 pollici sono stati prodotti usando la sublimazione sotto vuoto e sotto requisiti di qualità molto rigorosi che superano quelli necessari per i prodotti di illuminazione; quindi, il costo di produzione dei WOLED, usando processi di deposizione sotto vuoto, è costo-proibitivo in questo momento. Pertanto, nuove tecnologie di produzione come i processi roll-to-roll (So et al., 2008) sono perseguiti come metodi per produrre WOLED.
Lo stato attuale dell’arte dell’elettronica organica su substrati flessibili va da un prodotto televisivo curvo da 55 pollici (Display, 2012) a prototipi di display flessibili su plastica per smartphone (Poor, 2012) e display per smartphone commercialmente disponibili realizzati su plastica (Display, 2013). Poiché l’uso dei display mobili continua a crescere, nuovi fattori di forma per fornire informazioni ai consumatori e per distinguere gli smartphone sono interessanti per i produttori. I consumatori ottengono anche un dispositivo che è molto meno suscettibile ai danni che sono comuni con i display in vetro fragile.
Questo capitolo esamina i passaggi coinvolti nella costruzione di elettronica organica su lamina metallica. La selezione di substrati con caratteristiche adatte alle condizioni di lavorazione e le modalità di lavorazione di un substrato sono discusse rispettivamente nelle sezioni 13.2 e 13.3. Una revisione dei TFT su lamina metallica, focalizzata sui materiali attivi a base di silicio, è fornita nella Sezione 13.4, e una revisione dello stato dei dispositivi organici su lamina metallica è data nella Sezione 13.5. Infine, la Sezione 13.6 è una prospettiva generale, compresa una discussione su ciò che deve essere realizzato.