13.1 Einleitung
Flexible Unterhaltungselektronik für Anwendungen wie Displays, Beleuchtung und Photovoltaik hat in den letzten zehn Jahren aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. leicht, biegsam, anpassungsfähig, robust und nicht spröde, großes Interesse geweckt (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). Das Interesse an Elektronik auf flexiblen Substraten lässt sich auf die Forschung an flexiblen Solarpanels für Weltraummissionen in den 1960er Jahren zurückführen (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). Damals war die Verfügbarkeit von zuverlässigen, kompakten und leichten Energiequellen, die eine Leistung im Bereich von 1 bis 50 kW liefern konnten, ein Problem, und eine große Fläche von Solarzellen auf flexiblen Substraten wurde als Mittel zur Lösung dieses Problems untersucht.
In den 1960er Jahren leisteten Forscher der Radio Corporation of America (RCA) Pionierarbeit bei der Entwicklung von Dünnschichttransistoren (TFTs) und Flüssigkristallen. Im Jahr 1973, vier Jahre nachdem RCA die erste Digitaluhr mit Flüssigkristallanzeige (LCD) vorgeführt hatte, stellte die Sharp Corporation den ersten Taschenrechner mit Flüssigkristallanzeige vor, der das erste kommerziell erfolgreiche LCD-Produkt war. Das Interesse an großen Bildschirmen ist ein Faktor, der die Entwicklung von TFT-LCDs vorantrieb, so dass Ende der 1980er Jahre 10-Zoll-TFT-LCDs in Laptops eingeführt wurden und LG Philips 2006 ein 100-Zoll-TFT-LCD für hochauflösendes Fernsehen vorstellte (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
Die Zunahme der Größe von Flachbildschirmen in kurzer Zeit und der Markt, der aus Milliarden mobiler Bildschirme besteht (Li, Bhowmik, & Bos, 2008), waren in den 1960er Jahren nicht sofort offensichtlich. Daher ergab sich eine neue Möglichkeit aus der Notwendigkeit, ein tragbares, großes Display in einem kleinen Formfaktor zu haben. Es ist wünschenswert, ein großflächiges elektronisches Gerät (Solarpanel oder Display) so zu transportieren, dass es kompakt ist, bis es zum Einsatz kommt. Im Falle von Solarpanels für den Weltraum müssen die Panels in einer genau definierten, kleinflächigen Nutzlast in den Weltraum geschossen werden, während im Falle von Displays ein Benutzer ein Display in der Hemdtasche tragen und es dann auf seinem Schreibtisch oder an der Wand aufstellen kann.
Neben dem weit verbreiteten Wunsch der Verbraucher nach intelligenten mobilen Displays haben Displaymedienforscher seit den 1970er Jahren nach einem elektronischen Analogon von Papier gesucht (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). Die elektrophoretische Tinte (Comiskey et al., 1998), die in E-Readern verwendet wird, ist ein Beispiel für eine Display-Technologie, die wohl auf organischer Basis beruht. E-Reader haben eindeutig gezeigt, dass sie großflächige, flexible Displays ermöglichen, wie z. B. der flexible 19-Zoll-E-Reader mit einer Dicke von 0,3 mm, einem Gewicht von 130 g und TFTs auf einer ultradünnen transparenten Metallfolie von LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). Flexible LCDs wurden seit 2005 ebenfalls demonstriert (Kanellos, 2005), und Flüssigkristalle in LCDs sind organische Materialien.
Der Schwerpunkt dieses Kapitels liegt jedoch auf organischer Elektronik, bei der organisches Material Ladungen leitet und/oder Licht erzeugt, was sich von organischen Materialien unterscheidet, die mechanisch auf elektrische Felder reagieren, wie Flüssigkristalle und elektrophoretische Tinten. Ein Grund für das Interesse an organischer Elektronik ist die Möglichkeit, organische Filme auf verschiedenen sehr kostengünstigen Substraten wie Kunststoff- oder Metallfolien abzuscheiden und die relativ einfache Verarbeitung der organischen Verbindungen (Forrest, 2004). Beispielsweise haben die eindeutigen Benutzeranwendungen für flexible Displays und Solarzellen in Verbindung mit den Verarbeitungseigenschaften organischer Filme die Vision für die Zukunft der organischen Elektronik auf Metallfolie geschaffen und die Forschung in diesem Bereich gefördert.
Gustafsson et al. (1992) zeigten, dass eine organische Leuchtdiode (OLED), die in OLED-Displays verwendet wird, auf einem flexiblen Substrat hergestellt werden kann. Auf die Arbeit von Gustafsson et al. folgten Bemühungen, ein Display auf einem flexiblen Substrat herzustellen. Gustafsson et al. stellten fest, dass sich Polymere für einfache Abscheidungsverfahren wie Spin-Casting oder Tauchbeschichtung eignen und daher für die Herstellung großflächiger Geräte auf flexiblen Substraten in Frage kommen.
Constant et al. (1995) demonstrierten TFTs auf flexiblen Polyimidsubstraten, und 1996 integrierten Theiss und Wagner (1996) OLEDs mit amorphen Si-TFTs auf Metallfoliensubstraten. Angesichts dieser Entwicklungen waren die 1990er Jahre ein Jahrzehnt, in dem die grundlegenden Bausteine und der Nachweis des Konzepts für organische Elektronik auf flexiblen Materialien das Interesse an der Kommerzialisierung flexibler Displays weckten.
Dünne Stahlfolien sind aufgrund ihrer geringen Sauerstoff- und Wasserpermeationsrate, ihrer Toleranz gegenüber der Verarbeitung bei hohen Temperaturen (∼1000 °C), ihrer Dimensionsstabilität, ihrer chemischen Beständigkeit, ihres relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit (im Vergleich zu Glas) für die Verwendung als flexible Substrate für organische Elektronik attraktiv und könnten einen gemeinsamen Spannungsanschluss (für Masse oder Abschirmung) bieten. Für OLED-Displays, die von oben emittieren, können Metallsubstrate eine hervorragende Sauerstoff- und Feuchtigkeitsbarriere bilden, die für eine längere Lebensdauer der OLED entscheidend ist (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). Eine von oben emittierende OLED-Architektur (TOLED) bezieht sich auf das Merkmal des OLED-Designs, das es ermöglicht, Licht durch transparente Elektroden, die auf der OLED aufgebracht sind, vom undurchsichtigen Stahlsubstrat weg zu leiten (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); siehe Abbildung 13.1 für eine grafische Darstellung eines von oben und von unten emittierenden Geräts.
Abbildung 13.1. Eine von oben und eine von unten emittierende OLED auf einem Substrat sind abgebildet.
Die Notwendigkeit einer Feuchtigkeits- und Sauerstoffbarriere ergibt sich aus der Tatsache, dass die Leistung der OLED bei Kontakt mit Wasser oder Sauerstoff abnimmt. Die Verschlechterung äußert sich in Form von dunklen Flecken im Emissionsbereich der OLED (Burrows et al., 1994). Damit eine OLED eine Lebensdauer von mehr als 10 000 Stunden hat, beträgt die Wasserdampfdurchlässigkeit (WVTR) und die Sauerstoffdurchlässigkeit durch eine Schutzschicht ∼1 × 10-6 g/m2/Tag bzw. 10-5-10-6 g/m2/Tag (Lewis & Weaver, 2004), aber diese Werte können angesichts der Anforderungen an die Lebensdauer von OLED-Displays und -Beleuchtungen hoch sein.
Defekte in SiO2, Siliziumnitrid (SiNx) oder Al2O3 begrenzen die effektiven Permeationsraten durch einzelne Schichten dieser Materialien auf ein unbefriedigendes Niveau. Mehrschichtige Strukturen, die aus abwechselnden Schichten von anorganischen und polymeren Materialien bestehen, waren erfolgreicher (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Außerdem wurde nachgewiesen, dass neuartige anorganisch-polymere Hybridmaterialien im Labormaßstab als Permeationsbarrieren nützlich sind (Gartside et al., 2008).
Neben Anwendungen in der Unterhaltungselektronik ist die Herstellung von Elektronik auf flexiblen Substraten ein langfristiges Ziel von Forschern, da das Potenzial besteht, die Herstellungskosten im Vergleich zu den Kosten von Zeitungen, Lebensmittelverpackungen und anderen gedruckten Medien erheblich zu senken (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). Beispielsweise stellen die Herstellungskosten für weiße OLED (WOLED) für Beleuchtungsanwendungen eine große Herausforderung dar. Eine Schätzung der WOLED-Kosten liegt bei ∼$10/lm (So et al., 2008), verglichen mit den Herstellungskosten für eine Glühlampe, die weniger als $0,03/lm betragen. WOLEDs in 55-Zoll-Flachbildschirmen werden im Vakuumsublimationsverfahren und unter sehr strengen Qualitätsanforderungen hergestellt, die über die für Beleuchtungsprodukte erforderlichen Anforderungen hinausgehen; daher sind die Kosten für die Herstellung von WOLEDs im Vakuumbeschichtungsverfahren derzeit unerschwinglich. Daher werden neue Fertigungstechnologien wie Rolle-zu-Rolle-Verfahren (So et al., 2008) als Methoden zur Herstellung von WOLEDs verfolgt.
Der aktuelle Stand der Technik bei organischer Elektronik auf flexiblen Substraten reicht von einem gebogenen 55-Zoll-Fernsehprodukt (Display, 2012) über Prototypen flexibler Displays auf Kunststoff für Smartphones (Poor, 2012) bis hin zu kommerziell erhältlichen Smartphone-Displays auf Kunststoff (Display, 2013). Da die Nutzung mobiler Displays weiter zunimmt, sind neue Formfaktoren zur Bereitstellung von Informationen für Verbraucher und zur Unterscheidung von Smartphones für die Hersteller attraktiv. Außerdem erhalten die Verbraucher ein Gerät, das viel weniger anfällig für Beschädigungen ist, wie sie bei spröden Glasdisplays üblich sind.
In diesem Kapitel werden die Schritte untersucht, die beim Aufbau organischer Elektronik auf Metallfolien erforderlich sind. Die Auswahl von Substraten mit für die Verarbeitungsbedingungen geeigneten Eigenschaften und die Art und Weise, wie ein Substrat verarbeitet wird, werden in den Abschnitten 13.2 bzw. 13.3 behandelt. Ein Überblick über TFTs auf Metallfolien, mit Schwerpunkt auf aktiven Materialien auf Siliziumbasis, wird in Abschnitt 13.4 gegeben, und ein Überblick über den Stand der organischen Bauelemente auf Metallfolien wird in Abschnitt 13.5 gegeben. In Abschnitt 13.6 schließlich wird ein allgemeiner Ausblick gegeben, einschließlich einer Diskussion darüber, was noch erreicht werden muss.