13.1 Johdanto
Joustava kuluttajaelektroniikka sovelluksiin, kuten näyttöihin, valaistukseen ja aurinkosähköön, on herättänyt kiinnostusta viime vuosikymmenen aikana niiden ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi, koska ne ovat muun muassa kevyitä, taipuvia, mukautuvia, kestäviä ja haurastumattomia (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). Kiinnostus taipuisilla alustoilla olevaa elektroniikkaa kohtaan juontaa juurensa 1960-luvulla tehdystä tutkimuksesta, jossa tutkittiin avaruuslentoja varten tarkoitettuja taipuisia aurinkopaneeleita (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). Tuona aikana luotettavien, kompaktien ja kevyiden virtalähteiden saatavuus, jotka kykenisivät tuottamaan tehoa 1-50 kW:n alueella, oli ongelma, ja joustavilla substraateilla olevia aurinkokennoja tutkittiin laajalla alueella keinona ratkaista ongelma.
1960-luvulla Radio Corporation of American (RCA) tutkijat olivat edelläkävijöitä ohutkalvotransistoreiden (thin-film-transistors, TFT:t) ja nestekiteiden kehittämisessä. Vuonna 1973, neljä vuotta sen jälkeen, kun RCA oli esitellyt ensimmäisen nestekidenäytöllä (LCD) varustetun digitaalikellon, Sharp Corporation julkisti ensimmäisen nestekiteisen taskulaskimen, joka oli ensimmäinen kaupallisesti menestyksekäs LCD-tuote. Kiinnostus suuriin näyttöihin on yksi tekijä, joka vauhditti TFT-LCD-näyttöjen kehitystä niin, että 1980-luvun lopulla esiteltiin kannettavissa tietokoneissa käytettävät 10 tuuman TFT-LCD-näytöt ja vuonna 2006 LG Philipsillä oli 100 tuuman TFT-LCD-näyttö teräväpiirtotelevisiota varten (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
Litteiden näyttöjen koon kasvaminen lyhyessä ajassa ja miljardeista mobiilinäytöistä koostuvat markkinat (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) eivät olleet 1960-luvulla heti ilmeisiä. Näin ollen uusi mahdollisuus syntyi tarpeesta saada kannettava, suuri näyttö pieneen muotokertoimeen. On toivottavaa, että suurikokoisen elektroniikkalaitteen (aurinkopaneelin tai näytön) kuljettaminen on mahdollista siten, että se on pienikokoinen, kunnes se otetaan käyttöön toimintaa varten. Avaruuskäyttöön tarkoitettujen aurinkopaneelien tapauksessa paneelit on laukaistava avaruuteen tarkasti määritellyssä, pienen pinta-alan hyötykuormassa, kun taas näyttöjen tapauksessa käyttäjä voi kuljettaa näyttöä paidan taskussaan ja ottaa sen sitten käyttöön työpöydällään tai seinällä.
Kuluttajien laajalle levinneen älykkäiden, siirrettävien näyttöjen toiveen lisäksi näyttövälineitä tutkivat tutkijat ovat etsineet paperin elektronista analogia jo 1970-luvulta lähtien (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). E-lukulaitteissa käytetty elektroforeettinen muste (Comiskey et al., 1998) on yksi esimerkki näyttöteknologiasta, joka on kiistatta orgaaninen. E-lukulaitteet ovat selvästi osoittaneet kykenevänsä mahdollistamaan suuripinta-alaiset, taipuisat näytöt, kuten LG:n (2010a, 2010b, Shah, 2010) valmistama 19 tuuman taipuisa E-lukulaite, jonka paksuus on 0,3 mm ja paino 130 g ja jossa on TFT:t erittäin ohuella läpinäkyvällä metallikalvolla varustetulla alustalla. Joustavia nestekidenäyttöjä on myös demonstroitu vuodesta 2005 lähtien (Kanellos, 2005), ja nestekiteiden nestekiteet ovat orgaanisia materiaaleja.
Tässä luvussa keskitytään kuitenkin orgaaniseen elektroniikkaan, jossa orgaaninen materiaali johtaa varausta ja/tai tuottaa valoa, mikä eroaa orgaanisista materiaaleista, jotka reagoivat mekaanisesti sähkökenttään, kuten nestekiteet ja elektroforeettiset musteet. Yksi syy kiinnostukseen orgaanista elektroniikkaa kohtaan on mahdollisuus laskea orgaanisia kalvoja erilaisille erittäin edullisille alustoille, kuten muovi- tai metallikalvoille, ja orgaanisten yhdisteiden suhteellisen helppo käsittely (Forrest, 2004). Esimerkiksi taipuisien näyttöjen ja aurinkokennojen selkeät käyttösovellukset yhdistettynä orgaanisten kalvojen prosessointiominaisuuksiin ovat luoneet vision orgaanisen elektroniikan tulevaisuudesta metallikalvoilla ja rohkaisseet alan tutkimukseen.
Gustafsson et al. (1992) osoittivat, että OLED-näytöissä käytettävä orgaaninen valoa säteilevä diodi (OLED) voidaan valmistaa taipuisalle substraatille. Gustafssonin ym. työtä seuraisivat pyrkimykset tuottaa näyttö taipuisalle alustalle. Gustafsson et al. totesivat, että polymeereihin voidaan soveltaa yksinkertaisia laskeutusprosesseja, kuten spinvalua tai uppopinnoitusta, joten ne soveltuivat suuripintaisten laitteiden valmistamiseen taipuisille alustoille.
Constant et al. (1995) demonstroivat TFT:itä taipuisalle polyimidialustalle, ja vuonna 1996 Theiss ja Wagner (1996) integroivat OLED:itä amorfisen pii-Si:n TFT:iden kanssa metallikalvolla varustetuille alustoille. Näiden kehityskulkujen ansiosta 1990-luku oli vuosikymmen, jolloin taipuisilla materiaaleilla olevan orgaanisen elektroniikan perusrakenteet ja konseptin osoittaminen herättivät kiinnostusta pyrkimykseen kaupallistaa taipuisat näytöt.
Ohuet teräskalvot ovat houkuttelevia käytettäväksi orgaanisen elektroniikan taipuisina substraatteina, koska niiden hapen ja veden läpäisykerroin on alhainen, ne kestävät korkean lämpötilan käsittelyä (∼1000 °C), ovat mittapysyviä, kestävät kemikaaleja, niiden lämpölaajenemiskerroin on suhteellisen alhainen, niiden lämmönjohtavuus on korkeampi kuin lasin, ja ne voisivat tarjota yhteisen jännitepäätteen (maadoitusta tai suojausta varten). OLED-päätteisiin perustuvissa näytöissä metallialustat voivat tarjota erinomaisen happi- ja kosteussulun, joka on kriittinen OLED:n pidemmän käyttöiän kannalta (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). Ylhäältä säteilevällä OLED-arkkitehtuurilla (top-emitting OLED architecture, TOLED) tarkoitetaan OLED-rakenteen piirrettä, joka mahdollistaa valon suuntaamisen pois läpinäkymättömästä teräsalustasta OLED:iin kerrostettujen läpinäkyvien elektrodien avulla (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); kuvassa 13.1 on graafinen havainnollistus ylhäältä säteilevästä ja alhaalta säteilevästä laitteesta.
Kuvassa 13.1 esitetään ylä- ja alhaalta säteilevän OLED:n rakenne. Kuvassa ylä- ja alhaalta emittoiva OLED-alusta.
Kosteus- ja happisulun tarve johtuu siitä, että OLED:n suorituskyky heikkenee altistuessaan vedelle tai hapelle. Hajoaminen näkyy tummina läiskinä OLED:n emittoivalla alueella (Burrows et al., 1994). Jotta OLED-ledin käyttöikä olisi yli 10 000 tuntia, vesihöyryn läpäisynopeus (WVTR) ja hapen läpäisynopeus minkä tahansa suojakerroksen läpi on ∼1 × 10-6 g/m2/vrk ja 10-5-10-6 g/m2/vrk (Lewis & Weaver, 2004), mutta nämä nopeudet voivat olla korkeita, kun otetaan huomioon OLED-näyttöjen ja -valaistuksen nykytilanteen mukaiset käyttöikävaatimukset.
SiO2:n, piinitridin (SiNx) tai Al2O3:n virheet rajoittavat tehokkaat läpäisynopeudet näiden materiaalien yksittäisten kerrosten läpi epätyydyttävälle tasolle. Monikerrosrakenteet, jotka koostuvat vuorottelevista epäorgaanisten ja polymeerimateriaalien kerroksista, ovat onnistuneet paremmin (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Lisäksi on osoitettu, että uudet epäorgaaniset ja polymeeriset hybridimateriaalit ovat laboratoriomittakaavassa käyttökelpoisia läpäisysulkuina (Gartside et al., 2008).
Kuluttajaelektroniikan sovellusten lisäksi elektroniikan valmistusprosessit joustavilla substraateilla ovat tutkijoiden pitkän aikavälin tavoite, koska valmistuskustannuksia on mahdollista alentaa huomattavasti sanomalehtien, elintarvikepakkausten ja muiden painettujen medioiden valmistuskustannuksiin nähden (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). Esimerkiksi valaistussovellusten valkoisten OLED-ledien (WOLED) valmistuskustannukset ovat valtava haaste. Arvio WOLEDin valmistuskustannuksista on ∼ 10 dollaria/lm (So et al., 2008) verrattuna hehkulampun valmistuskustannuksiin, jotka ovat alle 0,03 dollaria/lm. 55 tuuman litteissä näytöissä käytettävät WOLEDit on valmistettu tyhjiösublimaatiomenetelmällä ja erittäin tiukkojen laatuvaatimusten mukaisesti, jotka ylittävät valaistustuotteille asetetut vaatimukset; sen vuoksi WOLEDien valmistuskustannukset tyhjiöpinnoitusprosesseja käyttäen ovat tällä hetkellä liian korkeat. Siksi uusia valmistustekniikoita, kuten rullalta rullalle -prosesseja (So et al., 2008), etsitään menetelminä WOLEDien valmistamiseksi.
Tämänhetkinen orgaanisen elektroniikan nykytilanne taipuisilla alustoilla vaihtelee 55-tuumaisesta kaarevasta televisiotuotteesta (Display, 2012) älypuhelimiin tarkoitettuihin muoviin kiinnitettävien taipuisien näyttöjen prototyyppeihin (Poor, 2012) ja älypuhelinten kaupallisiin muoviin kiinnitettäviin älypuhelinten näyttöihin (Display, 2013). Mobiilinäyttöjen käytön lisääntyessä valmistajat pitävät houkuttelevina uusia muototekijöitä, joiden avulla kuluttajille voidaan tarjota tietoa ja erottaa älypuhelimet toisistaan. Kuluttajat saavat myös laitteen, joka on paljon vähemmän altis hauraiden lasinäyttöjen tavallisille vaurioille.
Tässä luvussa tarkastellaan vaiheita, jotka liittyvät orgaanisen elektroniikan rakentamiseen metallifoliolle. Ominaisuuksiltaan käsittelyolosuhteisiin sopivien substraattien valintaa käsitellään luvuissa 13.2 ja 13.3 ja sitä, miten substraatti käsitellään. Kohdassa 13.4 tarkastellaan metallifoliolla toimivia TFT:itä, joissa keskitytään piipohjaisiin aktiivimateriaaleihin, ja kohdassa 13.5 esitetään katsaus metallifoliolla toimivien orgaanisten laitteiden tilanteeseen. Lopuksi jaksossa 13.6 esitetään yleiset näkymät, mukaan lukien keskustelu siitä, mitä on vielä tehtävä.