13.1 Introducción
La electrónica de consumo flexible para aplicaciones como las pantallas, la iluminación y la energía fotovoltaica ha despertado interés en la última década debido a sus propiedades únicas, entre las que se incluyen ser ligeros, plegables, conformables, resistentes y no frágiles (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). El interés por la electrónica en sustratos flexibles puede remontarse a la investigación sobre paneles solares flexibles para misiones espaciales en la década de 1960 (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). En esa época, la disponibilidad de fuentes de energía fiables, compactas y ligeras capaces de suministrar energía en el rango de 1 a 50 kW era un problema, y se estudió una gran área de células solares en sustratos flexibles como medio para abordar el problema.
Durante la década de 1960, los investigadores de la Radio Corporation of America (RCA) fueron pioneros en el desarrollo de los transistores de película fina (TFT) y los cristales líquidos. En 1973, 4 años después de que RCA demostrara el primer reloj digital con pantalla de cristal líquido (LCD), Sharp Corporation anunció la primera calculadora de bolsillo de cristal líquido, que fue el primer producto LCD de éxito comercial. El interés por las pantallas de gran tamaño es uno de los factores que impulsó el desarrollo de los TFT-LCD, de tal manera que a finales de la década de 1980 se introdujeron los TFT-LCD de 10 pulgadas en los ordenadores portátiles y, en 2006, LG Philips tenía un TFT-LCD de 100 pulgadas para la televisión de alta definición (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
El aumento del tamaño de las pantallas planas en poco tiempo y el mercado formado por miles de millones de pantallas móviles (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) no fueron evidentes de inmediato en la década de 1960. Por lo tanto, surgió una nueva oportunidad a partir de la necesidad de contar con una pantalla portátil de gran tamaño en un factor de forma pequeño. Es deseable un medio para transportar un dispositivo electrónico de gran superficie (panel solar o pantalla) de forma que sea compacto hasta que se despliegue para su funcionamiento. En el caso de los paneles solares para el espacio, los paneles tienen que ser lanzados al espacio en una carga útil bien definida y de pequeña superficie, mientras que en el caso de las pantallas, un usuario puede llevar una pantalla en el bolsillo de la camisa y luego desplegar la pantalla en su escritorio o en una pared.
Además del deseo generalizado de los consumidores de pantallas móviles inteligentes, los investigadores de medios de visualización han buscado un análogo electrónico del papel desde la década de 1970 (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). La tinta electroforética (Comiskey et al., 1998), utilizada en los lectores electrónicos, es un ejemplo de tecnología de visualización de base orgánica. En los lectores electrónicos se ha demostrado claramente la capacidad de permitir pantallas flexibles de gran superficie, como el lector electrónico flexible de 19 pulgadas con un grosor de 0,3 mm y un peso de 130 g, y con TFT en un soporte de lámina metálica transparente ultrafina producido por LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). También se han demostrado LCD flexibles desde 2005 (Kanellos, 2005), y los cristales líquidos de las LCD son materiales orgánicos.
Sin embargo, este capítulo se centra en la electrónica orgánica, en la que el material orgánico conduce la carga y/o produce luz, lo cual es diferente de los materiales orgánicos que responden mecánicamente a los campos eléctricos, como los cristales líquidos y las tintas electroforéticas. Una de las razones del interés por la electrónica orgánica es la posibilidad de depositar películas orgánicas en diversos sustratos de muy bajo coste, como láminas de plástico o metal, y la relativa facilidad de procesamiento de los compuestos orgánicos (Forrest, 2004). Por ejemplo, las claras aplicaciones de los usuarios para las pantallas flexibles y las células solares, junto con las propiedades de procesamiento de las películas orgánicas, han creado la visión del futuro de la electrónica orgánica sobre láminas metálicas y han fomentado la investigación en este ámbito.
Gustafsson et al. (1992) demostraron que un diodo orgánico emisor de luz (OLED), utilizado en las pantallas OLED, podía fabricarse sobre un sustrato flexible. El trabajo de Gustafsson et al. sería seguido por los esfuerzos para producir una pantalla en un sustrato flexible. Gustafsson et al. observaron que los polímeros se prestaban a procesos de deposición sencillos, como el fundido por rotación o el recubrimiento por inmersión; por lo tanto, eran adecuados para fabricar dispositivos de gran superficie en sustratos flexibles.
Constant et al. (1995) demostraron la existencia de TFT en un sustrato de poliimida flexible y, en 1996, Theiss y Wagner (1996) integraron OLED con TFT de Si amorfo en sustratos de lámina metálica. Teniendo en cuenta estos desarrollos, la década de los noventa fue un período en el que los elementos básicos y las pruebas de concepto de la electrónica orgánica sobre materiales flexibles avivaron el interés por la comercialización de pantallas flexibles.
Las láminas de acero finas son atractivas para su uso como sustratos flexibles para la electrónica orgánica debido a sus bajas tasas de permeabilidad al oxígeno y al agua, su tolerancia al procesamiento a altas temperaturas (∼1000 °C), su estabilidad dimensional, su resistencia química, su coeficiente de expansión térmica relativamente bajo y su mayor conductividad térmica (en comparación con el vidrio), y podrían proporcionar un terminal de tensión común (para la conexión a tierra o el apantallamiento). En el caso de las pantallas OLED de emisión superior, los sustratos metálicos pueden proporcionar una excelente barrera contra el oxígeno y la humedad que es fundamental para prolongar la vida útil de los OLED (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). Una arquitectura OLED de emisión superior (TOLED) se refiere a la característica del diseño OLED que permite dirigir la luz lejos del sustrato de acero opaco a través de electrodos transparentes depositados en el OLED (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); véase la Figura 13.1 para una ilustración gráfica de un dispositivo de emisión superior y de emisión inferior.
Figura 13.1. La necesidad de una barrera contra la humedad y el oxígeno se debe a que el rendimiento de los OLED se degrada con la exposición al agua o al oxígeno. La degradación se manifiesta en forma de manchas oscuras en la zona emisora del OLED (Burrows et al., 1994). Para que un OLED tenga una vida útil superior a 10.000 h, la tasa de transmisión de vapor de agua (WVTR) y las tasas de transmisión de oxígeno a través de cualquier capa protectora son ∼1 × 10-6 g/m2/día y 10-5-10-6 g/m2/día, respectivamente (Lewis & Weaver, 2004), pero esas tasas pueden ser elevadas dados los requisitos de vida útil del estado de la técnica en las pantallas OLED y la iluminación.
Los defectos en el SiO2, el nitruro de silicio (SiNx) o el Al2O3 limitan las tasas de permeabilidad efectivas a través de las capas simples de esos materiales a un nivel insatisfactorio. Las estructuras multicapa formadas por capas alternas de materiales inorgánicos y poliméricos han tenido más éxito (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Además, también se ha demostrado que los nuevos materiales híbridos inorgánicos y poliméricos son útiles a escala de laboratorio como barreras de permeabilidad (Gartside et al., 2008).
Además de las aplicaciones electrónicas de consumo, los procesos de fabricación de productos electrónicos en sustratos flexibles son un objetivo a largo plazo de los investigadores, ya que existe la posibilidad de reducir sustancialmente los costes de fabricación respecto a los costes asociados a los periódicos, los envases de alimentos y otros medios impresos (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). Por ejemplo, los costes de fabricación de los OLED blancos (WOLED) para aplicaciones de iluminación son un reto formidable. Una estimación de los costes de los WOLED es de ∼10 dólares/lm (So et al., 2008), en comparación con los costes de fabricación de una lámpara incandescente, que son inferiores a 0,03 dólares/lm. Los WOLED de las pantallas planas de 55 pulgadas se han fabricado mediante sublimación al vacío y bajo unos requisitos de calidad muy estrictos que superan los necesarios para los productos de iluminación; por lo tanto, el coste de fabricación de los WOLED, mediante procesos de deposición al vacío, es prohibitivo en estos momentos. Por lo tanto, se persiguen nuevas tecnologías de fabricación, como los procesos de rollo a rollo (So et al., 2008), como métodos para fabricar WOLEDs.
El estado actual de la electrónica orgánica sobre sustratos flexibles va desde un producto de televisión curvada de 55 pulgadas (Display, 2012) hasta prototipos de pantallas flexibles sobre plástico para smartphones (Poor, 2012) y pantallas de smartphones disponibles comercialmente hechas sobre plástico (Display, 2013). A medida que aumenta el uso de las pantallas para móviles, los nuevos factores de forma para proporcionar información a los consumidores y distinguir los smartphones resultan atractivos para los fabricantes. Los consumidores también obtienen un dispositivo que es mucho menos susceptible a los daños que son habituales en las frágiles pantallas de cristal.
En este capítulo se examinan los pasos necesarios para construir electrónica orgánica sobre lámina metálica. La selección de sustratos con características apropiadas para las condiciones de procesamiento y la forma de procesar un sustrato se analizan en las secciones 13.2 y 13.3, respectivamente. En la sección 13.4 se ofrece una revisión de los TFT sobre lámina metálica, centrada en los materiales activos basados en el silicio, y en la sección 13.5 se ofrece una revisión del estado de los dispositivos orgánicos sobre lámina metálica. Por último, la sección 13.6 es una perspectiva general, que incluye una discusión sobre lo que hay que lograr.