13.1 Introduction
L’électronique grand public flexible pour des applications telles que les affichages, l’éclairage et le photovoltaïque a suscité un intérêt au cours de la dernière décennie en raison de ses propriétés uniques, notamment le fait d’être léger, pliable, conformable, robuste et non fragile (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). L’intérêt pour l’électronique sur des substrats flexibles peut être retracé à la recherche sur les panneaux solaires flexibles pour les missions spatiales dans les années 1960 (Crabb &Treble, 1967 ; Ray, 1967). À cette époque, la disponibilité de sources d’énergie fiables, compactes et légères capables de fournir une puissance de l’ordre de 1 à 50 kW était un problème, et une grande surface de cellules solaires sur des substrats flexibles a été étudiée comme un moyen de résoudre ce problème.
Durant les années 1960, les chercheurs de la Radio Corporation of America (RCA) ont été les premiers à développer des transistors à couche mince (TFT) et des cristaux liquides. En 1973, quatre ans après la démonstration par RCA de la première horloge numérique à affichage à cristaux liquides (LCD), Sharp Corporation a annoncé la première calculatrice de poche à cristaux liquides, qui était le premier produit LCD à succès commercial. L’intérêt pour les grands écrans est l’un des facteurs qui a poussé le développement des TFT-LCD, de telle sorte qu’à la fin des années 1980, des TFT-LCD de 10 pouces dans les ordinateurs portables ont été introduits, puis en 2006, LG Philips avait un TFT-LCD de 100 pouces pour la télévision haute définition (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
L’augmentation de la taille des écrans plats en peu de temps et le marché constitué de milliards d’écrans mobiles (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) n’étaient pas immédiatement évidents dans les années 1960. Par conséquent, une nouvelle opportunité est née de la nécessité de disposer d’un grand écran portable dans un petit facteur de forme. Il est souhaitable de disposer d’un moyen de transporter un dispositif électronique de grande surface (panneau solaire ou écran) de manière à ce qu’il soit compact jusqu’à ce qu’il soit déployé pour fonctionner. Dans le cas des panneaux solaires pour l’espace, les panneaux doivent être lancés dans l’espace dans une charge utile de petite surface bien définie alors que dans le cas des écrans, un utilisateur peut transporter un écran dans la poche d’une chemise et ensuite déployer l’écran sur son bureau ou sur un mur.
En plus du désir répandu des consommateurs pour des écrans mobiles intelligents, les chercheurs en médias d’affichage ont cherché un analogue électronique du papier depuis les années 1970 (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). L’encre électrophorétique (Comiskey et al., 1998), utilisée dans les lecteurs électroniques, est un exemple de technologie d’affichage dont on peut dire qu’elle est organique. Les lecteurs électroniques ont clairement démontré leur capacité à permettre des affichages flexibles de grande surface, comme le lecteur électronique flexible de 19 pouces, d’une épaisseur de 0,3 mm, pesant 130 g, et doté de TFT sur un support en feuille métallique transparente ultra-mince, produit par LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). Des LCD flexibles ont également été démontrés depuis 2005 (Kanellos, 2005), et les cristaux liquides des LCD sont des matériaux organiques.
Cependant, ce chapitre se concentre sur l’électronique organique, dans laquelle le matériau organique conduit la charge et/ou produit de la lumière, ce qui est différent des matériaux organiques qui répondent mécaniquement aux champs électriques, tels que les cristaux liquides et les encres électrophorétiques. L’une des raisons de l’intérêt pour l’électronique organique est la possibilité de déposer des films organiques sur divers substrats à très faible coût, tels que des feuilles de plastique ou de métal, et la relative facilité de traitement des composés organiques (Forrest, 2004). Par exemple, les applications claires des utilisateurs pour les écrans flexibles et les cellules solaires, couplées aux propriétés de traitement des films organiques, ont créé la vision de l’avenir de l’électronique organique sur feuille métallique et ont encouragé la recherche dans ce domaine.
Gustafsson et al. (1992) ont montré qu’une diode électroluminescente organique (OLED), utilisée dans les écrans OLED, pouvait être fabriquée sur un substrat flexible. Les travaux de Gustafsson et al. ont été suivis par des efforts visant à produire un écran sur un substrat flexible. Gustafsson et al. ont noté que les polymères se prêtaient à des processus de dépôt simples tels que le spin casting ou le dip coating ; ils convenaient donc à la fabrication de dispositifs de grande surface sur des substrats flexibles.
Constant et al. (1995) ont fait la démonstration de TFT sur un substrat flexible en polyimide, et en 1996, Theiss et Wagner (1996) ont intégré des OLED avec des TFT en Si amorphe sur des substrats en feuille métallique. Compte tenu de ces développements, les années 1990 ont été une décennie au cours de laquelle les blocs de construction de base et la preuve de concept pour l’électronique organique sur des matériaux flexibles ont alimenté l’intérêt pour une tentative de commercialisation des écrans flexibles.
Les feuilles d’acier minces sont attrayantes pour être utilisées comme substrats flexibles pour l’électronique organique en raison de leur faible taux de perméation de l’oxygène et de l’eau, de leur tolérance au traitement à haute température (∼1000 °C), de leur stabilité dimensionnelle, de leur résistance chimique, de leur coefficient de dilatation thermique relativement faible et de leur conductivité thermique plus élevée (par rapport au verre), et elles pourraient fournir une borne de tension commune (pour la masse ou le blindage). Pour les écrans OLED à émission par le haut, les substrats métalliques peuvent fournir une excellente barrière à l’oxygène et à l’humidité, ce qui est essentiel pour prolonger la durée de vie des OLED (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). Une architecture OLED à émission par le haut (TOLED) fait référence à la caractéristique de la conception de l’OLED qui permet de diriger la lumière loin du substrat d’acier opaque à travers des électrodes transparentes déposées sur l’OLED (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011) ; voir la figure 13.1 pour une illustration graphique d’un dispositif à émission par le haut et à émission par le bas.
Figure 13.1. Une OLED à émission supérieure et inférieure sur un substrat sont illustrées.
Le besoin d’une barrière contre l’humidité et l’oxygène est dû au fait que les performances de l’OLED se dégradent lors de l’exposition à l’eau ou à l’oxygène. Cette dégradation se manifeste par des taches sombres dans la zone émissive de l’OLED (Burrows et al., 1994). Pour qu’une OLED ait une durée de vie opérationnelle supérieure à 10 000 h, le taux de transmission de la vapeur d’eau (WVTR) et les taux de transmission de l’oxygène à travers toute couche protectrice sont respectivement de ∼1 × 10-6 g/m2/jour et 10-5-10-6 g/m2/jour (Lewis & Weaver, 2004), mais ces taux peuvent être élevés compte tenu des exigences de durée de vie de l’état de l’art en matière d’affichage et d’éclairage OLED.
Les défauts dans le SiO2, le nitrure de silicium (SiNx) ou l’Al2O3 limitent les taux de perméation effectifs à travers les couches uniques de ces matériaux à un niveau insatisfaisant. Les structures multicouches constituées de couches alternées de matériaux inorganiques et polymères ont donné de meilleurs résultats (Chwang et al., 2003 ; Weaver et al., 2002). En outre, de nouveaux matériaux hybrides inorganiques-polymères ont également été démontrés pour fournir une utilité à l’échelle du laboratoire en tant que barrières de perméation (Gartside et al., 2008).
En plus des applications électroniques grand public, les processus de fabrication de l’électronique sur des substrats flexibles est un objectif à long terme des chercheurs parce qu’il y a le potentiel de réduire considérablement les coûts de fabrication vers les coûts associés aux journaux, aux emballages alimentaires, et d’autres médias imprimés (Momtaz, 2009 ; So, Kido, & Burrows, 2008). Par exemple, les coûts de fabrication des OLED blanches (WOLED) pour les applications d’éclairage constituent un formidable défi. Une estimation des coûts des WOLED est de ∼$10/lm (So et al., 2008), alors que les coûts de fabrication d’une lampe à incandescence sont inférieurs à $0,03/lm. Les WOLED des écrans plats de 55 pouces ont été produites par sublimation sous vide et selon des exigences de qualité très strictes qui dépassent celles nécessaires pour les produits d’éclairage ; par conséquent, le coût de fabrication des WOLED, à l’aide de procédés de dépôt sous vide, est actuellement prohibitif. Par conséquent, de nouvelles technologies de fabrication telles que les procédés roll-to-roll (So et al., 2008) sont recherchées comme méthodes de fabrication des WOLED.
L’état actuel de l’art de l’électronique organique sur des substrats flexibles va d’un produit de télévision incurvé de 55 pouces (Display, 2012) à des prototypes d’écrans flexibles sur plastique pour les smartphones (Poor, 2012) et à des écrans de smartphones commercialement disponibles fabriqués sur plastique (Display, 2013). Comme l’utilisation des écrans mobiles continue de croître, les fabricants sont attirés par de nouveaux facteurs de forme permettant de fournir des informations aux consommateurs et de distinguer les smartphones. Les consommateurs gagnent également un appareil qui est beaucoup moins susceptible d’être endommagé, ce qui est courant avec les écrans en verre fragiles.
Ce chapitre examine les étapes de la construction de l’électronique organique sur une feuille de métal. La sélection de substrats dont les caractéristiques sont adaptées aux conditions de traitement et la façon dont un substrat est traité sont abordées respectivement dans les sections 13.2 et 13.3. Une revue des TFT sur feuille métallique, axée sur les matériaux actifs à base de silicium, est présentée dans la Section 13.4, et une revue de l’état des dispositifs organiques sur feuille métallique est présentée dans la Section 13.5. Enfin, la section 13.6 est une perspective générale, incluant une discussion sur ce qui doit être accompli.