13.1 Introduction
Flexibele consumentenelektronica voor toepassingen als displays, verlichting en fotovoltaïsche energie heeft het afgelopen decennium belangstelling gewekt vanwege hun unieke eigenschappen, waaronder lichtgewicht, buigbaar, conformeerbaar, robuust, en niet-bros (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). De belangstelling voor elektronica op flexibele substraten kan worden herleid tot onderzoek naar flexibele zonnepanelen voor ruimtemissies in de jaren zestig (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). In die tijd was de beschikbaarheid van betrouwbare, compacte en lichtgewicht krachtbronnen die vermogen in het 1- tot 50-kW-bereik konden leveren een probleem, en een groot oppervlak van zonnecellen op flexibele substraten werd bestudeerd als een middel om dit probleem aan te pakken.
In de jaren zestig pionierden onderzoekers van de Radio Corporation of America (RCA) met de ontwikkeling van dunne-filmtransistors (TFT’s) en vloeibare kristallen. In 1973, 4 jaar nadat RCA de eerste digitale klok met vloeibare kristallen (LCD) had gedemonstreerd, kondigde Sharp Corporation de eerste zakrekenmachine met vloeibare kristallen aan, die het eerste commercieel succesvolle LCD-product was. De belangstelling voor grote displays is een van de factoren die de ontwikkeling van TFT-LCD’s hebben gestimuleerd, zodat eind jaren 80 TFT-LCD’s van 10 inch in laptopcomputers werden geïntroduceerd en LG Philips in 2006 een TFT-LCD van 100 inch voor hogedefinitietelevisie had (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
De toename van de omvang van platte beeldschermen in korte tijd en de markt die bestaat uit miljarden mobiele beeldschermen (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) waren in de jaren zestig niet meteen duidelijk. Er ontstond dus een nieuwe mogelijkheid door de behoefte aan een draagbaar, groot beeldscherm in een kleine vormfactor. Een middel om een elektronisch apparaat met een groot oppervlak (zonnepaneel of beeldscherm) te vervoeren is wenselijk, zodat het compact is totdat het wordt ingezet voor gebruik. In het geval van zonnepanelen voor de ruimte moeten de panelen in een welbepaalde nuttige lading met een klein oppervlak de ruimte in worden gelanceerd, terwijl een gebruiker in het geval van displays een display in een borstzakje kan dragen en het vervolgens op zijn bureau of aan een muur kan plaatsen.
Naast de wijdverbreide wens van de consument naar slimme mobiele displays, hebben onderzoekers op het gebied van displaymedia al sinds de jaren zeventig gezocht naar een elektronisch analoog van papier (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). Elektroforetische inkt (Comiskey et al., 1998), gebruikt in E-readers, is een voorbeeld van een display-technologie die aantoonbaar op organische leest is geschoeid. E-readers hebben duidelijk de mogelijkheid gedemonstreerd van flexibele displays met een groot oppervlak, zoals de 19-in flexibele E-reader met een dikte van 0,3 mm, een gewicht van 130 g, en TFT’s op een ultradunne transparante metaalfolie-achterkant, geproduceerd door LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). Flexibele LCD’s zijn ook gedemonstreerd sinds 2005 (Kanellos, 2005), en vloeibare kristallen in LCD’s zijn organische materialen.
De focus van dit hoofdstuk ligt echter op organische elektronica, waarbij organisch materiaal lading geleidt en/of licht produceert, wat anders is dan organische materialen die mechanisch reageren op elektrische velden, zoals vloeibare kristallen en elektroforetische inkten. Een van de redenen voor de belangstelling voor organische elektronica is de mogelijkheid om organische films te deponeren op diverse substraten tegen zeer lage kosten, zoals plastic of metaalfolies, en het relatieve gemak waarmee de organische verbindingen kunnen worden verwerkt (Forrest, 2004). Zo hebben de duidelijke gebruikerstoepassingen voor flexibele displays en zonnecellen, gekoppeld aan de verwerkingseigenschappen van organische films, de visie geschapen voor de toekomst van organische elektronica op metaalfolie en het onderzoek op dit gebied gestimuleerd.
Gustafsson et al. (1992) toonden aan dat een organische lichtemitterende diode (OLED), gebruikt in OLED displays, kon worden gefabriceerd op een flexibel substraat. Het werk van Gustafsson et al. zou worden gevolgd door pogingen om een display op een flexibel substraat te produceren. Gustafsson e.a. merkten op dat polymeren geschikt waren voor eenvoudige depositieprocessen zoals spin casting of dip coating; daarom waren zij geschikt voor de fabricage van apparaten met een groot oppervlak op flexibele substraten.
Constant e.a. (1995) toonden TFT’s aan op een flexibel polyimidesubstraat, en in 1996 integreerden Theiss en Wagner (1996) OLED’s met amorfe-Si TFT’s op metaalfoliesubstraten. Gezien deze ontwikkelingen waren de jaren negentig een decennium waarin de fundamentele bouwstenen en de proof of concept voor organische elektronica op flexibele materialen de belangstelling wekten voor een poging om flexibele beeldschermen op de markt te brengen.
Dunne staalfolies zijn aantrekkelijk voor gebruik als flexibele substraten voor organische elektronica vanwege hun lage zuurstof- en waterpermeatie, tolerantie voor verwerking bij hoge temperaturen (∼1000 °C), dimensionale stabiliteit, chemische weerstand, relatief lage thermische uitzettingscoëfficiënt, en hogere thermische geleidbaarheid (vergeleken met glas), en ze zouden een gemeenschappelijke spanningsaansluiting kunnen bieden (voor aarding of afscherming). Voor OLED top-emitting gebaseerde displays kunnen metalen substraten een uitstekende zuurstof- en vochtbarrière vormen, die cruciaal is voor een langere levensduur van de OLED (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). Een top-emitterende OLED-architectuur (TOLED) verwijst naar het kenmerk van het OLED-ontwerp dat het mogelijk maakt licht weg te leiden van de ondoorzichtige stalen ondergrond door transparante elektroden die op de OLED zijn aangebracht (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); zie figuur 13.1 voor een grafische illustratie van een top-emitterend en bottom-emitterend apparaat.
Figuur 13.1. Een boven- en onderemissie OLED op een substraat zijn afgebeeld.
De behoefte aan een vocht- en zuurstofbarrière komt doordat de prestaties van OLED’s afnemen bij blootstelling aan water of zuurstof. De afbraak wordt zichtbaar als donkere vlekken binnen het stralingsgebied van de OLED (Burrows et al., 1994). Om een OLED een operationele levensduur van meer dan 10.000 uur te geven, is de transmissie van waterdamp (WVTR) en zuurstof door een beschermende laag respectievelijk ∼1 × 10-6 g/m2/dag en 10-5-10-6 g/m2/dag (Lewis & Weaver, 2004), maar deze percentages kunnen hoog zijn gezien de levensduurvereisten van de huidige stand van de techniek op het gebied van OLED-displays en verlichting.
Defecten in SiO2, siliciumnitride (SiNx), of Al2O3 beperken de effectieve permeatiesnelheden door enkele lagen van die materialen tot een onbevredigend niveau. Meerlagige structuren bestaande uit afwisselende lagen van anorganische en polymere materialen hebben meer succes gehad (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Bovendien is ook aangetoond dat nieuwe anorganische-polymeer hybride materialen op laboratoriumschaal bruikbaar zijn als permeatiebarrières (Gartside et al., 2008).
Naast toepassingen voor consumentenelektronica is het fabricageproces van elektronica op flexibele substraten een langetermijndoel van onderzoekers, omdat er potentieel is om de fabricagekosten aanzienlijk te verlagen in de richting van de kosten die zijn verbonden aan kranten, voedselverpakkingen en andere gedrukte media (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). De productiekosten van witte OLED’s (WOLED’s) voor verlichtingstoepassingen zijn bijvoorbeeld een enorme uitdaging. Een schatting van de WOLED-kosten is ∼$10/lm (So et al., 2008), vergeleken met de fabricagekosten voor een gloeilamp, die minder dan $0,03/lm bedragen. WOLED’s in 55-in vlakke-panelschermen zijn geproduceerd met behulp van vacuümsublimatie en onder zeer strenge kwaliteitseisen die verder gaan dan die welke nodig zijn voor verlichtingsproducten; daarom zijn de kosten om WOLED’s met behulp van vacuümdepositieprocessen te vervaardigen, op dit moment onbetaalbaar. Daarom worden nieuwe fabricagetechnologieën zoals roll-to-roll-processen (So et al., 2008) nagestreefd als methoden om WOLED’s te vervaardigen.
De huidige stand van de techniek van organische elektronica op flexibele substraten varieert van een 55-in gebogen televisieproduct (Display, 2012) tot prototypen van flexibele displays op kunststof voor smartphones (Poor, 2012) en commercieel beschikbare smartphone-displays gemaakt op kunststof (Display, 2013). Omdat het gebruik van mobiele beeldschermen blijft groeien, zijn nieuwe vormfactoren om informatie te verstrekken aan consumenten en om smartphones te onderscheiden aantrekkelijk voor fabrikanten. Consumenten krijgen ook een apparaat dat veel minder gevoelig is voor de schade die gebruikelijk is bij broze glazen displays.
Dit hoofdstuk behandelt de stappen die betrokken zijn bij het bouwen van organische elektronica op metaalfolie. De keuze van substraten met kenmerken die geschikt zijn voor de verwerkingsomstandigheden en de wijze waarop een substraat wordt verwerkt, worden besproken in respectievelijk de paragrafen 13.2 en 13.3. In paragraaf 13.4 wordt een overzicht gegeven van TFT’s op metaalfolie, waarbij de nadruk ligt op actieve materialen op siliciumbasis, en in paragraaf 13.5 wordt een overzicht gegeven van de stand van zaken op het gebied van organische bouwstenen op metaalfolie. Paragraaf 13.6 tenslotte is een algemene vooruitblik, met een discussie over wat er nog moet worden bereikt.