13.1 Bevezetés
A rugalmas fogyasztói elektronika olyan alkalmazásokhoz, mint a kijelzők, a világítás és a fotovoltaika, az elmúlt évtizedben érdeklődést váltott ki, mivel egyedülálló tulajdonságokkal rendelkeznek, többek között könnyűek, hajlíthatóak, alkalmazkodóképesek, robusztusak és nem törékenyek (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). A rugalmas szubsztrátokon lévő elektronika iránti érdeklődés az 1960-as években az űrmissziókhoz használt rugalmas napelemekkel kapcsolatos kutatásokra vezethető vissza (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). Abban az időben a megbízható, kompakt és könnyű, 1 és 50 kW közötti teljesítmény biztosítására képes áramforrások elérhetősége volt a kérdés, és a rugalmas szubsztrátokon elhelyezett napelemek nagy területét vizsgálták a probléma megoldásának eszközeként.
Az 1960-as években a Radio Corporation of America (RCA) kutatói úttörő szerepet játszottak a vékonyréteg-tranzisztorok (TFT-k) és a folyadékkristályok kifejlesztésében. 1973-ban, 4 évvel azután, hogy az RCA bemutatta az első folyadékkristályos kijelzős (LCD) digitális órát, a Sharp Corporation bejelentette az első folyadékkristályos zsebszámológépet, amely az első kereskedelmi szempontból sikeres LCD termék volt. A nagyméretű kijelzők iránti érdeklődés az egyik tényező, amely a TFT-LCD-k fejlődését ösztönözte, így az 1980-as évek végére már 10 hüvelykes TFT-LCD-ket mutattak be laptopokban, majd 2006-ra az LG Philips 100 hüvelykes TFT-LCD-vel rendelkezett a nagyfelbontású televízióhoz (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
A lapos kijelzők méretének rövid időn belüli növekedése és a több milliárd mobilkijelzőből álló piac (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) az 1960-as években nem volt azonnal nyilvánvaló. Ezért új lehetőség merült fel abból az igényből, hogy hordozható, nagyméretű kijelzőt kell találni kisméretű formában. Kívánatos, hogy egy nagy felületű elektronikus eszköz (napelem vagy kijelző) szállítására olyan eszköz álljon rendelkezésre, amely a működéshez való bevetésig kompakt. Az űrbe szánt napelemek esetében a paneleket egy jól meghatározott, kis felületű hasznos teherrel kell az űrbe juttatni, míg a kijelzők esetében a felhasználó az ingzsebében hordhatja a kijelzőt, majd az asztalán vagy a falon helyezheti el.
Az intelligens mobil kijelzők iránti széleskörű fogyasztói igény mellett a kijelzőmédia kutatói már az 1970-es évek óta keresik a papír elektronikus analógját (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). Az E-olvasókban használt elektroforetikus tinta (Comiskey et al., 1998) egy példa a vitathatóan szerves alapú kijelzőtechnológiára. Az e-olvasók egyértelműen bizonyították, hogy nagy felületű, rugalmas kijelzőket tesznek lehetővé, mint például az LG által gyártott, 0,3 mm vastagságú, 130 g tömegű, 19 hüvelykes hajlékony e-olvasó, amely ultravékony, átlátszó fémfóliás hátlapra helyezett TFT-ket tartalmaz (2010a, 2010b, Shah, 2010). A hajlékony LCD-ket 2005 óta szintén bemutatták (Kanellos, 2005), és az LCD-kben lévő folyadékkristályok szerves anyagok.
Ez a fejezet azonban a szerves elektronikára összpontosít, amelyben a szerves anyag töltést vezet és/vagy fényt termel, ami különbözik az elektromos mezőkre mechanikusan reagáló szerves anyagoktól, mint például a folyadékkristályok és az elektroforetikus tinták. A szerves elektronika iránti érdeklődés egyik oka a szerves filmek különböző, nagyon olcsó hordozókra, például műanyag vagy fémfóliákra történő lerakásának lehetősége, valamint a szerves vegyületek viszonylag könnyű feldolgozhatósága (Forrest, 2004). Például a rugalmas kijelzők és napelemek egyértelmű felhasználói alkalmazásai, a szerves filmek feldolgozási tulajdonságaival párosulva, megteremtették a szerves elektronika fémfólián való jövőjének vízióját, és ösztönözték a kutatást ezen a területen.
Gustafsson és társai (1992) kimutatták, hogy az OLED kijelzőkben használt szerves fénykibocsátó diódát (OLED) rugalmas hordozóra lehet gyártani. Gustafsson és munkatársai munkáját a rugalmas hordozón történő kijelző előállítására irányuló erőfeszítések követték volna. Gustafsson és munkatársai megállapították, hogy a polimerek egyszerű lerakási eljárásokkal, például spin öntéssel vagy merítéses bevonással, kezelhetők, ezért alkalmasak nagy felületű eszközök rugalmas hordozón történő gyártására.
Constant és munkatársai (1995) TFT-ket mutattak be rugalmas poliimid hordozón, majd 1996-ban Theiss és Wagner (1996) fémfóliás hordozón integrált OLED-ket amorf-Si TFT-kkel. Az 1990-es évek a fenti fejlesztéseket figyelembe véve olyan évtized volt, amelyben a rugalmas anyagokra helyezett szerves elektronika alapvető építőkövei és a koncepció bizonyítása felkeltette az érdeklődést a rugalmas kijelzők kereskedelmi forgalomba hozatalára irányuló törekvések iránt.
A vékony acélfóliák vonzóak a szerves elektronika rugalmas hordozójaként való felhasználásra, mivel alacsony az oxigén- és vízáteresztő képességük, tolerálják a magas hőmérsékletű feldolgozást (∼1000 °C), méretstabilitásuk, kémiai ellenállásuk, viszonylag alacsony hőtágulási együtthatójuk és magasabb hővezető képességük (az üveghez képest), valamint közös feszültségcsatlakozót biztosíthatnak (földeléshez vagy árnyékoláshoz). Az OLED felsőkibocsátó alapú kijelzők esetében a fém szubsztrátumok kiváló oxigén- és nedvességgátat biztosíthatnak, ami kritikus fontosságú a hosszabb OLED-élettartamhoz (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). A felülről sugárzó OLED-architektúra (TOLED) az OLED-kialakítás azon jellemzőjére utal, amely lehetővé teszi a fénynek az átlátszatlan acélszubsztrátról az OLED-re lerakott átlátszó elektródákon keresztül történő elvezetését (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); a felülről és alulról sugárzó eszköz grafikus ábrázolását lásd a 13.1. ábrán.
13.1. ábra. Egy felső és egy alsó emissziós OLED egy hordozón ábrázolva.
A nedvesség- és oxigénzáró réteg szükségessége azért van, mert az OLED teljesítménye romlik, ha vízzel vagy oxigénnel érintkezik. A romlás sötét foltok formájában jelentkezik az OLED sugárzó területén (Burrows et al., 1994). Ahhoz, hogy egy OLED 10 000 óránál hosszabb élettartamú legyen, a vízgőz átbocsátási sebessége (WVTR) és az oxigén átbocsátási sebessége bármely védőrétegen keresztül ∼1 × 10-6 g/m2/nap, illetve 10-5-10-6 g/m2/nap (Lewis & Weaver, 2004), de ezek az értékek magasak lehetnek, figyelembe véve az OLED-kijelzők és -világítás jelenlegi állása szerinti élettartam-követelményeket.
A SiO2, a szilícium-nitrid (SiNx) vagy az Al2O3 hibái nem kielégítő szintre korlátozzák az ezen anyagok egyetlen rétegén keresztül történő tényleges permeációs sebességet. Sikeresebbnek bizonyultak a szervetlen és polimer anyagok váltakozó rétegeiből álló többrétegű szerkezetek (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Emellett újszerű szervetlen-polimer hibrid anyagokról is bebizonyosodott, hogy laboratóriumi léptékben hasznosak permeációs gátként (Gartside et al., 2008).
A fogyasztói elektronikai alkalmazások mellett az elektronika rugalmas hordozókon történő gyártási folyamatai a kutatók hosszú távú céljai közé tartoznak, mivel lehetőség van a gyártási költségek jelentős csökkentésére az újságok, élelmiszercsomagolások és más nyomtatott médiumok költségeihez képest (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). Például a fehér OLED (WOLED) gyártási költségei a megvilágítási alkalmazásokhoz óriási kihívást jelentenek. A WOLED gyártási költségét ∼ 10 $/lm-re becsülik (So et al., 2008), szemben az izzólámpa gyártási költségével, amely kevesebb mint 0,03 $/lm. Az 55 hüvelykes síkképernyőkben lévő WOLED-eket vákuumszublimációs eljárással és nagyon szigorú minőségi követelmények mellett állították elő, amelyek meghaladják a világítástechnikai termékekhez szükséges követelményeket; ezért a WOLED-ek vákuumos leválasztási eljárásokkal történő gyártásának költségei jelenleg nem megengedhetőek. Ezért a WOLED-ek gyártásának módszereként olyan új gyártási technológiákat keresnek, mint a roll-to-roll eljárások (So et al., 2008).
A hajlékony hordozón lévő szerves elektronika jelenlegi állása egy 55 hüvelykes hajlított televíziós terméktől (Display, 2012) az okostelefonok műanyagon lévő hajlékony kijelzőinek prototípusáig (Poor, 2012) és a műanyagon készült, kereskedelmi forgalomban kapható okostelefon-kijelzőkig (Display, 2013) terjed. A mobil kijelzők használatának folyamatos növekedésével a fogyasztók tájékoztatására és az okostelefonok megkülönböztetésére szolgáló új formai tényezők vonzóak a gyártók számára. A fogyasztók olyan készüléket is nyernek, amely sokkal kevésbé érzékeny a törékeny üvegkijelzőknél gyakori sérülésekre.
Ez a fejezet a szerves elektronika fémfóliára történő építésének lépéseit vizsgálja. A feldolgozási körülményeknek megfelelő tulajdonságokkal rendelkező szubsztrátumok kiválasztását és a szubsztrát feldolgozásának módját a 13.2. és 13.3. szakaszok tárgyalják. A fémfóliára szerelt TFT-k áttekintése a szilíciumalapú aktív anyagokra összpontosítva a 13.4. szakaszban, a fémfóliára szerelt szerves eszközök helyzetének áttekintése pedig a 13.5. szakaszban található. Végül a 13.6. szakasz egy általános kitekintés, beleértve az elvégzendő feladatok megvitatását.