13.1 Introduktion
Fleksibel forbrugerelektronik til applikationer som skærme, belysning og solceller har vakt interesse i løbet af det sidste årti på grund af deres unikke egenskaber, herunder at de er lette, bøjelige, tilpasningsdygtige, robuste og ikke skøre (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). Interessen for elektronik på fleksible substrater kan spores tilbage til forskning i fleksible solpaneler til rumfartsmissioner i 1960’erne (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). På det tidspunkt var det et problem at få adgang til pålidelige, kompakte og lette energikilder, der kunne levere en effekt på mellem 1 og 50 kW, og et stort område med solceller på fleksible substrater blev undersøgt som et middel til at løse problemet.
I løbet af 1960’erne var forskere ved Radio Corporation of America (RCA) pionerer inden for udviklingen af tyndfilmtransistorer (TFT’er) og flydende krystaller. I 1973, 4 år efter at RCA demonstrerede det første digitale ur med flydende krystaldisplay (LCD), annoncerede Sharp Corporation i 1973 den første lommeregner med flydende krystaller, som var det første kommercielt vellykkede LCD-produkt. Interessen for store skærme er en af de faktorer, der drev udviklingen af TFT-LCD’er frem, således at der i slutningen af 1980’erne blev introduceret 10″ TFT-LCD’er i bærbare computere, og i 2006 havde LG Philips et 100″ TFT-LCD til højopløseligt tv (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
Stigningen i størrelsen af fladskærme på kort tid og markedet bestående af milliarder af mobile skærme (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) var ikke umiddelbart indlysende i 1960’erne. Der opstod derfor en ny mulighed ud fra behovet for at have en bærbar, stor skærm i en lille formfaktor. Det er ønskeligt, at der findes et middel til at transportere en elektronisk anordning med stort areal (solpanel eller skærm), så den er kompakt, indtil den tages i brug til drift. I tilfælde af solpaneler til rumfart skal panelerne opsendes i rummet i en veldefineret, lille nyttelast, mens en bruger i tilfælde af skærme kan bære en skærm i en skjortelomme og derefter placere skærmen på sit skrivebord eller på en væg.
Suden det udbredte ønske hos forbrugerne om smarte mobile skærme har forskere inden for skærmmedier siden 1970’erne søgt efter en elektronisk analog til papir (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). Elektroforetisk blæk (Comiskey et al., 1998), der anvendes i e-læsere, er et eksempel på en skærmteknologi, der kan hævdes at være organisk baseret. E-læsere er blevet klart demonstreret med evnen til at muliggøre fleksible skærme med stort areal som f.eks. den 19″ fleksible E-læser med en tykkelse på 0,3 mm, en vægt på 130 g og TFT’er på en ultratynd gennemsigtig metalfolie, der er fremstillet af LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). Der er også blevet demonstreret fleksible LCD-skærme siden 2005 (Kanellos, 2005), og flydende krystaller i LCD-skærme er organiske materialer.
Dette kapitel fokuserer imidlertid på organisk elektronik, hvor organisk materiale leder ladninger og/eller producerer lys, hvilket er forskelligt fra organiske materialer, der reagerer mekanisk på elektriske felter, såsom flydende krystaller og elektroforetisk blæk. En af grundene til interessen for organisk elektronik er muligheden for at deponere organiske film på forskellige meget billige substrater som f.eks. plast- eller metalfolier og den relative lethed, hvormed de organiske forbindelser kan behandles (Forrest, 2004). F.eks. har de klare brugeranvendelser for fleksible displays og solceller kombineret med de organiske films forarbejdningsegenskaber skabt visionen om fremtiden for organisk elektronik på metalfolie og har tilskyndet til forskning på dette område.
Gustafsson et al. (1992) viste, at en organisk lysemitterende diode (OLED), der anvendes i OLED-displays, kunne fremstilles på et fleksibelt substrat. Gustafsson et al.s arbejde ville blive fulgt op af bestræbelser på at fremstille en skærm på et fleksibelt substrat. Gustafsson et al. bemærkede, at polymerer kunne anvendes til enkle deponeringsprocesser som f.eks. spin casting eller dip coating; de var derfor velegnede til fremstilling af enheder med stort areal på fleksible substrater.
Constant et al. (1995) demonstrerede TFT’er på fleksibelt polyimidsubstrat, og i 1996 integrerede Theiss og Wagner (1996) OLED’er med amorfe Si-TFT’er på metalfoliesubstrater. På baggrund af denne udvikling var 1990’erne et årti, hvor de grundlæggende byggeklodser og beviser for konceptet for organisk elektronik på fleksible materialer vakte interesse for en bestræbelse på at markedsføre fleksible skærme.
Tynde stålfolier er attraktive til brug som fleksible substrater til organisk elektronik på grund af deres lave ilt- og vandpermeationshastigheder, tolerance over for behandling ved høje temperaturer (∼1000 °C), dimensionsstabilitet, kemisk resistens, relativt lav varmeudvidelseskoefficient og højere varmeledningsevne (sammenlignet med glas), og de kunne give en fælles spændingsterminal (til jord eller afskærmning). I forbindelse med OLED-skærme med topemittering kan metalsubstrater give en fremragende ilt- og fugtbarriere, som er afgørende for en længere OLED-levetid (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). En topemitterende OLED-arkitektur (TOLED) henviser til den funktion i OLED-designet, der gør det muligt at lede lyset væk fra det uigennemsigtige stålsubstrat gennem gennemsigtige elektroder, der er deponeret på OLED’en (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); se figur 13.1 for en grafisk illustration af en topemitterende og bottom-emitterende enhed.
Figur 13.1. En top- og bundemitterende OLED-enhed på et substrat er afbildet.
Behovet for en fugt- og iltbarriere skyldes, at OLED’s ydeevne forringes ved udsættelse for vand eller ilt. Nedbrydningen viser sig som mørke pletter inden for OLED’ens emitterende område (Burrows et al., 1994). For at en OLED skal have en driftslevetid på mere end 10 000 timer er vanddamptransmissionshastigheden (WVTR) og ilttransmissionshastigheden gennem et beskyttende lag henholdsvis ∼1 × 10-6 g/m2/dag og 10-5-10-6 g/m2/dag (Lewis & Weaver, 2004), men disse hastigheder kan være høje i betragtning af levetidskravene i den aktuelle teknologi inden for OLED-skærme og -belysning.
Fejl i SiO2, siliciumnitrid (SiNx) eller Al2O3 begrænser den effektive permeationshastighed gennem enkelte lag af disse materialer til et utilfredsstillende niveau. Flerlagskonstruktioner bestående af vekslende lag af uorganiske og polymere materialer har været mere vellykkede (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Desuden er det også blevet påvist, at nye uorganisk-polymer hybridmaterialer i laboratorieskala er nyttige som permeationsbarrierer (Gartside et al., 2008).
Ud over elektroniske forbrugerapplikationer er fremstillingsprocesser af elektronik på fleksible substrater et langsigtet mål for forskere, fordi der er potentiale til at reducere fremstillingsomkostningerne betydeligt i retning af de omkostninger, der er forbundet med aviser, fødevareemballage og andre trykte medier (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). F.eks. er fremstillingsomkostningerne for hvide OLED’er (WOLED) til belysningsapplikationer en formidabel udfordring. Et skøn over WOLED-omkostningerne er ∼ 10 $/lm (So et al., 2008) sammenlignet med produktionsomkostningerne for en glødelampe, som er mindre end 0,03 $/lm. WOLED’er i 55″ fladskærme er blevet fremstillet ved hjælp af vakuumsublimation og under meget strenge kvalitetskrav, som overstiger de krav, der er nødvendige for belysningsprodukter; derfor er omkostningerne ved at fremstille WOLED’er ved hjælp af vakuumdepositionsprocesser for dyre på nuværende tidspunkt. Derfor forfølges nye fremstillingsteknologier såsom roll-to-roll-processer (So et al., 2008) som metoder til at fremstille WOLED’er.
Den nuværende teknologiske status for organisk elektronik på fleksible substrater spænder fra et 55″ buet tv-produkt (Display, 2012) til prototyper af fleksible skærme på plastik til smartphones (Poor, 2012) og kommercielt tilgængelige smartphone-skærme fremstillet på plastik (Display, 2013). Da brugen af mobilskærme fortsætter med at vokse, er nye formfaktorer til at give oplysninger til forbrugerne og til at adskille smartphones fra andre smartphones attraktive for producenterne. Forbrugerne får også en enhed, der er langt mindre modtagelig for de skader, der er almindelige med skøre glasskærme.
Dette kapitel undersøger de trin, der indgår i opbygningen af organisk elektronik på metalfolie. Valget af substrater med egenskaber, der er egnede til forarbejdningsbetingelserne, og hvordan et substrat behandles, behandles i henholdsvis afsnit 13.2 og 13.3. I afsnit 13.4 gives en gennemgang af TFT’er på metalfolie, med fokus på siliciumbaserede aktive materialer, og i afsnit 13.5 gives en gennemgang af status for organiske anordninger på metalfolie. Endelig er afsnit 13.6 en generel oversigt, herunder en diskussion om, hvad der skal gøres.