13.1 Wprowadzenie
Giętka elektronika użytkowa do zastosowań takich jak wyświetlacze, oświetlenie i fotowoltaika wzbudziła zainteresowanie w ostatniej dekadzie ze względu na swoje unikalne właściwości, w tym lekkość, możliwość zginania, konformalność, wytrzymałość i brak kruchości (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). Zainteresowanie elektroniką na elastycznych podłożach można przypisać badaniom nad elastycznymi panelami słonecznymi dla misji kosmicznych w latach sześćdziesiątych (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). W tym czasie, dostępność niezawodnych, kompaktowych i lekkich źródeł energii zdolnych do zapewnienia mocy w zakresie od 1 do 50 kW była problemem, a duży obszar ogniw słonecznych na elastycznych podłożach był badany jako środek do rozwiązania tego problemu.
W latach sześćdziesiątych, naukowcy z Radio Corporation of America (RCA) byli pionierami w rozwoju cienkowarstwowych tranzystorów (TFT) i ciekłych kryształów. W 1973 r., 4 lata po zademonstrowaniu przez RCA pierwszego zegara cyfrowego z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym (LCD), firma Sharp Corporation zaprezentowała pierwszy kieszonkowy kalkulator ciekłokrystaliczny, który był pierwszym produktem LCD odnoszącym sukces komercyjny. Zainteresowanie dużymi wyświetlaczami jest jednym z czynników, które przyczyniły się do rozwoju wyświetlaczy TFT-LCD, tak że pod koniec lat 80. wprowadzono 10-calowe wyświetlacze TFT-LCD w laptopach, a następnie w 2006 roku firma LG Philips wyprodukowała 100-calowy wyświetlacz TFT-LCD dla telewizji o wysokiej rozdzielczości (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
Wzrost rozmiaru płaskiego wyświetlacza w krótkim czasie i rynek składający się z miliardów przenośnych wyświetlaczy (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) nie były od razu oczywiste w latach 60-tych. Dlatego pojawiła się nowa możliwość wynikająca z potrzeby posiadania przenośnego, dużego wyświetlacza w małej obudowie. Pożądany jest sposób transportu urządzenia elektronicznego o dużej powierzchni (panelu słonecznego lub wyświetlacza), tak aby było ono kompaktowe do czasu jego uruchomienia. W przypadku paneli słonecznych dla przestrzeni kosmicznej, panele muszą być wystrzelone w przestrzeń kosmiczną w dobrze zdefiniowanym, małym ładunku, podczas gdy w przypadku wyświetlaczy, użytkownik może nosić wyświetlacz w kieszeni koszuli, a następnie rozmieścić wyświetlacz na biurku lub na ścianie.
Oprócz powszechnego pragnienia konsumentów dotyczącego inteligentnych wyświetlaczy przenośnych, badacze mediów wyświetlających poszukiwali elektronicznego analogu papieru od lat 70-tych (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). Atrament elektroforetyczny (Comiskey et al., 1998), używany w czytnikach elektronicznych, jest jednym z przykładów technologii wyświetlania, która jest prawdopodobnie oparta na organice. W przypadku czytników elektronicznych wyraźnie zademonstrowano możliwość zastosowania elastycznych wyświetlaczy o dużej powierzchni, takich jak 19-calowy elastyczny czytnik elektroniczny o grubości 0,3 mm, ważący 130 g, z TFT na ultracienkim podłożu z przezroczystej folii metalowej, wyprodukowany przez LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). Elastyczne wyświetlacze LCD są również demonstrowane od 2005 roku (Kanellos, 2005), a ciekłe kryształy w wyświetlaczach LCD są materiałami organicznymi.
Jednakże w tym rozdziale skupiono się na organicznej elektronice, w której materiał organiczny przewodzi ładunek i/lub wytwarza światło, co różni się od materiałów organicznych, które mechanicznie reagują na pola elektryczne, takich jak ciekłe kryształy i farby elektroforetyczne. Jednym z powodów zainteresowania elektroniką organiczną jest możliwość osadzania filmów organicznych na różnych bardzo tanich podłożach, takich jak folie plastikowe lub metalowe, oraz względna łatwość przetwarzania związków organicznych (Forrest, 2004). Na przykład, wyraźne zastosowania użytkowe dla elastycznych wyświetlaczy i ogniw słonecznych, w połączeniu z właściwościami przetwarzania folii organicznych, stworzyły wizję przyszłości elektroniki organicznej na folii metalowej i zachęciły do badań w tym obszarze.
Gustafsson et al. (1992) pokazał, że organiczna dioda elektroluminescencyjna (OLED), stosowana w wyświetlaczach OLED, może być wytwarzana na elastycznym podłożu. Po pracach Gustafssona i in. rozpoczęły się próby produkcji wyświetlaczy na elastycznym podłożu. Gustafsson i in. zauważyli, że polimery były podatne na proste procesy osadzania, takie jak odlewanie wirowe lub powlekanie zanurzeniowe; dlatego nadawały się do wytwarzania urządzeń o dużej powierzchni na elastycznych podłożach.
Constant i in. (1995) zademonstrowali TFT na elastycznym podłożu poliimidowym, a w 1996 r. Theiss i Wagner (1996) zintegrowali OLED z amorficznym Si TFT na podłożach z folii metalowej. Biorąc pod uwagę te osiągnięcia, lata 90-te były dekadą, w której podstawowe elementy konstrukcyjne i dowód koncepcji dla organicznej elektroniki na elastycznych materiałach podsyciły zainteresowanie w dążeniu do komercjalizacji elastycznych wyświetlaczy.
Cienkie folie stalowe są atrakcyjne do stosowania jako elastyczne podłoża dla elektroniki organicznej ze względu na ich niski współczynnik przenikania tlenu i wody, tolerancję na przetwarzanie w wysokich temperaturach (∼1000 °C), stabilność wymiarową, odporność chemiczną, stosunkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i wyższą przewodność cieplną (w porównaniu ze szkłem), a także mogą stanowić wspólny terminal napięciowy (dla uziemienia lub ekranowania). W przypadku wyświetlaczy OLED opartych na górnej emisji, podłoża metalowe mogą zapewnić doskonałą barierę dla tlenu i wilgoci, która jest krytyczna dla wydłużonego czasu życia OLED (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). Architektura OLED z górną emisją (TOLED) odnosi się do cechy konstrukcji OLED, która umożliwia skierowanie światła z dala od nieprzezroczystego stalowego podłoża przez przezroczyste elektrody osadzone na OLED (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); patrz rysunek 13.1 w celu graficznej ilustracji urządzenia z górną i dolną emisją.
Rysunek 13.1. Obrazowo przedstawiono OLED z górną i dolną emisją na podłożu.
Potrzeba zastosowania bariery dla wilgoci i tlenu wynika z faktu, że wydajność OLED ulega degradacji po wystawieniu na działanie wody lub tlenu. Degradacja jest widoczna jako ciemne plamy w obszarze emisyjnym diody OLED (Burrows et al., 1994). Aby czas eksploatacji diody OLED był dłuższy niż 10 000 godzin, współczynnik transmisji pary wodnej (WVTR) i współczynnik transmisji tlenu przez warstwę ochronną wynosi odpowiednio ∼1 × 10-6 g/m2/dzień i 10-5-10-6 g/m2/dzień (Lewis & Weaver, 2004), ale współczynniki te mogą być wysokie, biorąc pod uwagę wymagania dotyczące czasu eksploatacji stanu techniki w zakresie wyświetlaczy OLED i oświetlenia.
Defekty w SiO2, azotku krzemu (SiNx) lub Al2O3 ograniczają efektywne współczynniki przenikania przez pojedyncze warstwy tych materiałów do niezadowalającego poziomu. Struktury wielowarstwowe składające się z naprzemiennych warstw materiałów nieorganicznych i polimerowych odniosły większy sukces (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Ponadto wykazano również, że nowe hybrydowe materiały nieorganiczno-polimerowe zapewniają przydatność w skali laboratoryjnej jako bariery przenikania (Gartside i in., 2008).
Oprócz zastosowań elektroniki użytkowej, procesy wytwarzania elektroniki na elastycznych podłożach są długoterminowym celem naukowców, ponieważ istnieje potencjał znacznego obniżenia kosztów wytwarzania w kierunku kosztów związanych z gazetami, opakowaniami żywności i innymi drukowanymi mediami (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). Na przykład, koszty produkcji białych diod OLED (WOLED) do zastosowań oświetleniowych są ogromnym wyzwaniem. Szacunkowe koszty produkcji diod WOLED wynoszą ∼ 10 USD/lm (So i in., 2008), w porównaniu z kosztami produkcji żarówki, które wynoszą mniej niż 0,03 USD/lm. Diody WOLED w 55-calowych płaskich monitorach panelowych były wytwarzane metodą sublimacji próżniowej przy bardzo surowych wymaganiach jakościowych, które przekraczają wymagania dotyczące produktów oświetleniowych; dlatego koszt wytwarzania diod WOLED w procesach osadzania próżniowego jest obecnie nieopłacalny. Dlatego nowe technologie wytwarzania, takie jak procesy roll-to-roll (So et al., 2008), są wykorzystywane jako metody wytwarzania WOLED.
Obecny stan wiedzy na temat organicznej elektroniki na elastycznych podłożach rozciąga się od 55-calowego zakrzywionego produktu telewizyjnego (Display, 2012) do prototypowych elastycznych wyświetlaczy na plastiku do smartfonów (Poor, 2012) i komercyjnie dostępnych wyświetlaczy do smartfonów wykonanych z plastiku (Display, 2013). Ponieważ użycie wyświetlaczy w urządzeniach mobilnych nadal rośnie, nowe czynniki formalne do dostarczania informacji konsumentom i wyróżniania smartfonów są atrakcyjne dla producentów. Konsumenci zyskują również urządzenie, które jest znacznie mniej podatne na uszkodzenia, które są powszechne w przypadku kruchych szklanych wyświetlaczy.
W tym rozdziale przeanalizowano kroki związane z budową organicznej elektroniki na folii metalowej. Wybór substratów o właściwościach odpowiednich dla warunków przetwarzania oraz sposób przetwarzania substratów omówiono odpowiednio w rozdziałach 13.2 i 13.3. W sekcji 13.4 przedstawiono przegląd technologii TFT na folii metalowej, ze szczególnym uwzględnieniem materiałów aktywnych na bazie krzemu, a w sekcji 13.5 przegląd stanu badań nad urządzeniami organicznymi na folii metalowej. Wreszcie, sekcja 13.6 zawiera ogólną perspektywę, w tym dyskusję na temat tego, co należy jeszcze osiągnąć.
.