13.1 Úvod
Ohebná spotřební elektronika pro aplikace, jako jsou displeje, osvětlení a fotovoltaika, vzbudila v posledním desetiletí zájem díky svým jedinečným vlastnostem, jako je nízká hmotnost, ohebnost, přizpůsobivost, odolnost a nekřehkost (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). Zájem o elektroniku na ohebných substrátech lze vysledovat až k výzkumu ohebných solárních panelů pro vesmírné mise v 60. letech 20. století (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). V té době byla problémem dostupnost spolehlivých, kompaktních a lehkých zdrojů energie schopných poskytovat výkon v rozmezí 1 až 50 kW a jako prostředek k řešení tohoto problému byla studována velká plocha solárních článků na ohebných substrátech.
V 60. letech 20. století byli výzkumníci z Radio Corporation of America (RCA) průkopníky vývoje tenkovrstvých tranzistorů (TFT) a tekutých krystalů. V roce 1973, čtyři roky poté, co společnost RCA předvedla první digitální hodiny s displejem z tekutých krystalů (LCD), oznámila společnost Sharp Corporation první kapesní kalkulačku s tekutými krystaly, která byla prvním komerčně úspěšným výrobkem s LCD displejem. Zájem o velké displeje je jedním z faktorů, který podnítil vývoj TFT-LCD, takže koncem 80. let byly představeny 10palcové TFT-LCD v přenosných počítačích a v roce 2006 pak společnost LG Philips měla 100palcový TFT-LCD pro televizi s vysokým rozlišením (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
Zvětšení velikosti plochých displejů během krátké doby a trh sestávající z miliard mobilních displejů (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) nebyly v 60. letech 20. století okamžitě zřejmé. Proto vznikla nová příležitost vyplývající z potřeby mít přenosný, velký displej v malém formátu. Prostředek pro přepravu velkoplošného elektronického zařízení (solárního panelu nebo displeje) je žádoucí takový, aby byl kompaktní, dokud není nasazen k provozu. V případě solárních panelů pro vesmír musí být panely vypuštěny do vesmíru v přesně definovaném maloplošném užitečném zatížení, zatímco v případě displejů může uživatel nosit displej v kapse košile a poté jej rozmístit na svém stole nebo na stěně.
Kromě rozšířené touhy spotřebitelů po chytrých mobilních displejích hledali výzkumníci zobrazovacích médií elektronickou obdobu papíru již od 70. let 20. století (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). Elektroforetický inkoust (Comiskey et al., 1998), používaný v elektronických čtečkách, je jedním z příkladů zobrazovací technologie, která je pravděpodobně na organické bázi. U elektronických čteček byla jasně prokázána schopnost umožnit velkoplošné flexibilní displeje, jako je například 19palcová flexibilní elektronická čtečka s tloušťkou 0,3 mm, hmotností 130 g a TFT na ultratenkém podkladu z průhledné kovové fólie vyrobená společností LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). Ohebné LCD displeje byly rovněž demonstrovány od roku 2005 (Kanellos, 2005) a tekuté krystaly v LCD displejích jsou organické materiály.
Tato kapitola se však zaměřuje na organickou elektroniku, v níž organický materiál vede náboj a/nebo produkuje světlo, což je rozdíl oproti organickým materiálům, které mechanicky reagují na elektrické pole, jako jsou tekuté krystaly a elektroforetické inkousty. Jedním z důvodů zájmu o organickou elektroniku je možnost nanášet organické filmy na různé velmi levné substráty, jako jsou plastové nebo kovové fólie, a relativně snadné zpracování organických sloučenin (Forrest, 2004). Například jasné uživatelské aplikace pro flexibilní displeje a solární články spolu se zpracovatelskými vlastnostmi organických filmů vytvořily vizi budoucnosti organické elektroniky na kovových fóliích a podnítily výzkum v této oblasti.
Gustafsson et al. (1992) ukázali, že organickou světelnou diodu (OLED), která se používá v OLED displejích, lze vyrobit na flexibilním substrátu. Na práci Gustafssona a spol. by navázaly snahy o výrobu displeje na ohebném substrátu. Gustafsson a spol. si všimli, že polymery jsou přístupné jednoduchým procesům nanášení, jako je spin casting nebo dip coating; proto jsou vhodné pro výrobu velkoplošných zařízení na ohebných substrátech.
Constant a spol. (1995) demonstrovali TFT na ohebném polyimidovém substrátu a v roce 1996 Theiss a Wagner (1996) integrovali OLED s amorfními Si TFT na substrátech z kovových fólií. Vzhledem k tomuto vývoji byla devadesátá léta desetiletím, kdy základní stavební kameny a důkaz koncepce organické elektroniky na ohebných materiálech podnítily zájem o snahu komercializovat ohebné displeje.
Tenké ocelové fólie jsou atraktivní pro použití jako flexibilní substráty pro organickou elektroniku díky nízké míře prostupu kyslíku a vody, toleranci ke zpracování při vysokých teplotách (∼1000 °C), rozměrové stabilitě, chemické odolnosti, relativně nízkému koeficientu tepelné roztažnosti a vyšší tepelné vodivosti (ve srovnání se sklem) a mohly by poskytnout společnou napěťovou svorku (pro uzemnění nebo stínění). Pro displeje založené na horním vyzařování OLED mohou kovové substráty poskytnout vynikající bariéru proti kyslíku a vlhkosti, která je rozhodující pro prodloužení životnosti OLED (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). Architektura OLED s horním vyzařováním (TOLED) označuje vlastnost konstrukce OLED, která umožňuje směrovat světlo od neprůhledného ocelového substrátu prostřednictvím průhledných elektrod nanesených na OLED (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); grafické znázornění zařízení s horním a spodním vyzařováním viz obrázek 13.1.
Obrázek 13.1. Na obrázku je znázorněno zařízení OLED s horním a spodním vyzařováním na substrátu.
Potřeba bariéry proti vlhkosti a kyslíku je dána tím, že výkon OLED se při vystavení vodě nebo kyslíku zhoršuje. Degradace se projevuje jako tmavé skvrny ve vyzařovací oblasti OLED (Burrows et al., 1994). Aby OLED měl provozní životnost delší než 10 000 h, je rychlost přenosu vodní páry (WVTR) a rychlost přenosu kyslíku přes jakoukoli ochrannou vrstvu ∼1 × 10-6 g/m2/den, resp. 10-5-10-6 g/m2/den (Lewis & Weaver, 2004), ale tyto rychlosti mohou být vysoké vzhledem k požadavkům na životnost současného stavu v oblasti OLED displejů a osvětlení.
Defekce v SiO2, nitridu křemíku (SiNx) nebo Al2O3 omezují efektivní rychlost prostupu jednotlivými vrstvami těchto materiálů na nevyhovující úroveň. Úspěšnější byly vícevrstvé struktury sestávající ze střídajících se vrstev anorganických a polymerních materiálů (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Kromě toho bylo také prokázáno, že nové anorganicko-polymerní hybridní materiály jsou v laboratorním měřítku použitelné jako permeační bariéry (Gartside et al., 2008).
Kromě aplikací ve spotřební elektronice jsou výrobní procesy elektroniky na flexibilních substrátech dlouhodobým cílem výzkumníků, protože existuje potenciál podstatného snížení výrobních nákladů směrem k nákladům spojeným s novinami, obaly na potraviny a jinými tištěnými médii (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). Například výrobní náklady na bílé OLED (WOLED) pro osvětlovací aplikace představují obrovskou výzvu. Odhad nákladů na WOLED činí ∼10 $/lm (So et al., 2008), zatímco výrobní náklady na žárovku jsou nižší než 0,03 $/lm. WOLED v 55palcových plochých displejích byly vyrobeny pomocí vakuové sublimace a za velmi přísných požadavků na kvalitu, které převyšují požadavky nutné pro osvětlovací výrobky; proto jsou náklady na výrobu WOLED pomocí procesů vakuového nanášení v současné době nákladově neúnosné. Proto se jako metody výroby WOLED sledují nové výrobní technologie, jako jsou procesy roll-to-roll (So et al., 2008).
Současný stav vývoje organické elektroniky na ohebných substrátech sahá od 55palcového zakřiveného televizního výrobku (Display, 2012) až po prototypy ohebných displejů na plastu pro chytré telefony (Poor, 2012) a komerčně dostupné displeje pro chytré telefony vyrobené na plastu (Display, 2013). Vzhledem k tomu, že používání mobilních displejů stále roste, jsou pro výrobce atraktivní nové formální faktory pro poskytování informací spotřebitelům a pro odlišení chytrých telefonů. Spotřebitelé také získají zařízení, které je mnohem méně náchylné k poškození, jež je běžné u křehkých skleněných displejů.
Tato kapitola zkoumá kroky spojené se stavbou organické elektroniky na kovové fólii. Výběrem substrátů s vlastnostmi vhodnými pro podmínky zpracování a způsobem zpracování substrátu se zabývají kapitoly 13.2, resp. 13.3. Přehled TFT na kovové fólii, zaměřený na aktivní materiály na bázi křemíku, je uveden v oddíle 13.4 a přehled stavu organických zařízení na kovové fólii je uveden v oddíle 13.5. Nakonec je v oddíle 13.6 uveden obecný výhled včetně diskuse o tom, čeho je třeba dosáhnout.
.