13.1 Introdução
Eletrônicos de consumo flexíveis para aplicações como displays, iluminação e fotovoltaicos ganharam interesse na última década devido às suas propriedades únicas, incluindo serem leves, dobráveis, adaptáveis, robustos e não frágeis (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). O interesse em eletrônica em substratos flexíveis pode ser rastreado à pesquisa em painéis solares flexíveis para missões espaciais nos anos 60 (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). Durante esse tempo, a disponibilidade de fontes de energia confiáveis, compactas e leves, capazes de fornecer energia na faixa de 1 a 50kW, foi um problema, e uma grande área de células solares em substratos flexíveis foi estudada como um meio de abordar a questão.
Durante os anos 60, pesquisadores da Radio Corporation of America (RCA) foram pioneiros no desenvolvimento de transistores de filme fino (TFTs) e cristais líquidos. Em 1973, 4 anos após a RCA ter demonstrado o primeiro relógio digital de cristal líquido (LCD), a Sharp Corporation anunciou a primeira calculadora de bolso de cristal líquido, que foi o primeiro produto LCD de sucesso comercial. O interesse em telas grandes é um dos fatores que impulsionaram o desenvolvimento de TFT-LCDs, de tal forma que no final dos anos 80, foram introduzidos TFT-LCDs de 10″ em computadores portáteis e, em 2006, a LG Philips tinha um TFT-LCD de 100″ para televisão de alta definição (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
O aumento do tamanho do ecrã plano num curto espaço de tempo e o mercado composto por biliões de ecrãs móveis (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) não foi imediatamente óbvio nos anos 60. Assim, surgiu uma nova oportunidade pela necessidade de ter um display portátil, grande e em formato pequeno. Um meio para transportar um dispositivo eletrônico de grande área (painel solar ou display) é desejável, de modo que ele seja compacto até que seja implantado para operação. No caso de painéis solares para o espaço, os painéis têm de ser lançados para o espaço numa carga útil bem definida e de pequena área, enquanto que no caso de displays, o utilizador pode transportar um display no bolso de uma camisa e depois colocar o display na sua secretária ou numa parede.
Além do desejo generalizado dos consumidores por displays móveis inteligentes, os investigadores de display media têm procurado um análogo electrónico de papel desde os anos 70 (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). Tinta eletroforética (Comiskey et al., 1998), usada em leitores eletrônicos, é um exemplo de uma tecnologia de display que é, sem dúvida, de base orgânica. Os E-readers foram claramente demonstrados com a capacidade de permitir ecrãs flexíveis de grande área, tais como o E-reader flexível de 19″ com 0,3 mm de espessura, pesando 130 g, e TFTs sobre um suporte metálico ultra-fino transparente produzido pela LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). Os LCDs flexíveis também foram demonstrados desde 2005 (Kanellos, 2005), e os cristais líquidos nos LCDs são materiais orgânicos.
No entanto, o foco deste capítulo é a eletrônica orgânica, na qual a matéria orgânica conduz carga e/ou produz luz, que é diferente dos materiais orgânicos que respondem mecanicamente aos campos elétricos, tais como cristais líquidos e tintas eletroforéticas. Um motivo de interesse em eletrônica orgânica é a capacidade de depositar filmes orgânicos em vários substratos de custo muito baixo, como folhas de plástico ou metal e a relativa facilidade de processamento dos compostos orgânicos (Forrest, 2004). Por exemplo, as claras aplicações do usuário para displays flexíveis e células solares, juntamente com as propriedades de processamento dos filmes orgânicos, criaram a visão para o futuro da eletrônica orgânica em folhas de metal e encorajaram pesquisas nesta área.
Gustafsson et al. (1992) mostraram que um diodo emissor de luz orgânica (OLED), usado em displays OLED, poderia ser fabricado em um substrato flexível. O trabalho de Gustafsson et al. seria seguido por esforços para produzir um display em um substrato flexível. Gustafsson et al. observaram que os polímeros eram passíveis de processos simples de deposição, como fundição por centrifugação ou revestimento por imersão; portanto, eles eram adequados para a fabricação de dispositivos de grande área em substratos flexíveis.
Constant et al. (1995) demonstraram os TFTs em substratos flexíveis de poliimida, e em 1996, Theiss e Wagner (1996) integraram os OLEDs com os TFTs de Si amorfo em substratos de folha metálica. Considerando esses desenvolvimentos, a década de 1990 foi uma década na qual os blocos de construção básicos e a prova de conceito para a eletrônica orgânica em materiais flexíveis despertaram interesse em um esforço de comercialização de displays flexíveis.
As finas folhas de aço são atraentes para uso como substratos flexíveis para eletrônica orgânica devido às suas baixas taxas de permeação de oxigênio e água, tolerância ao processamento a altas temperaturas (∼1000 °C), estabilidade dimensional, resistência química, coeficiente de expansão térmica relativamente baixo, e maior condutividade térmica (em comparação com o vidro), e poderiam fornecer um terminal de tensão comum (para terra ou blindagem). Para os visores OLED com base na emissão de topo, os substratos metálicos podem fornecer uma excelente barreira de oxigénio e humidade que é crítica para uma vida útil prolongada do OLED (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). Uma arquitetura OLED de emissão superior (TOLED) refere-se à característica do design OLED que permite que a luz seja direcionada para longe do substrato de aço opaco através de eletrodos transparentes depositados no OLED (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); veja a Figura 13.1 para uma ilustração gráfica de um dispositivo de emissão superior e inferior.
Figure 13.1. Um OLED de emissão superior e inferior em um substrato são pictóricos.
A necessidade de uma barreira de umidade e oxigênio é porque o desempenho do OLED se degrada na exposição à água ou oxigênio. A degradação é exibida como manchas escuras dentro da área emissiva do OLED (Burrows et al., 1994). Para que um OLED tenha uma vida útil operacional superior a 10.000 h, a taxa de transmissão de vapor de água (WVTR) e de oxigênio através de qualquer camada de proteção é ∼1 × 10-6 g/m2/dia e 10-5-10-6 g/m2/dia, respectivamente (Lewis & Weaver, 2004), mas essas taxas podem ser altas, dados os requisitos de vida útil do estado da arte em visores e iluminação OLED.
Defeitos em SiO2, nitreto de silício (SiNx), ou Al2O3 limitam as taxas de permeação efectiva através de camadas únicas desses materiais a um nível insatisfatório. As estruturas multicamadas que consistem em camadas alternadas de materiais inorgânicos e polímeros têm tido mais sucesso (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Além disso, novos materiais híbridos inorgânicos-polímeros também demonstraram ser úteis em escala laboratorial como barreiras de permeação (Gartside et al., 2008).
Além das aplicações eletrônicas de consumo, os processos de fabricação de eletrônicos em substratos flexíveis são uma meta de longo prazo dos pesquisadores, pois há o potencial de reduzir substancialmente os custos de fabricação em relação aos custos associados a jornais, embalagens de alimentos e outros meios impressos (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). Por exemplo, os custos de fabricação do OLED branco (WOLED) para aplicações de iluminação são um desafio formidável. Uma estimativa para os custos WOLED é ∼$10/lm (So et al., 2008), em comparação com os custos de fabricação de uma lâmpada incandescente, que é inferior a $0,03/lm. As WOLEDs em displays de 55″ de tela plana foram produzidas utilizando sublimação a vácuo e sob requisitos de qualidade muito rigorosos que excedem os necessários para produtos de iluminação; portanto, o custo de fabricação das WOLEDs, utilizando processos de deposição a vácuo, é custo-proibitivo neste momento. Portanto, novas tecnologias de fabricação, como os processos roll-to-roll (So et al., 2008), são perseguidos como métodos para fabricar WOLEDs.
O estado atual da arte da eletrônica orgânica em substratos flexíveis varia de um produto de televisão curva de 55 polegadas (Display, 2012) a protótipos de displays flexíveis em plástico para smartphones (Poor, 2012) e displays smartphone disponíveis comercialmente feitos em plástico (Display, 2013). Como o uso de telas móveis continua a crescer, novos fatores de forma a fornecer informações aos consumidores e a distinguir os smartphones são atraentes para os fabricantes. Os consumidores também ganham um dispositivo que é muito menos suscetível aos danos que são comuns em visores de vidro quebradiço.
Este capítulo examina as etapas envolvidas na construção de eletrônicos orgânicos em folha de metal. A seleção de substratos com características apropriadas para as condições de processamento e como um substrato é processado são discutidas nas seções 13.2 e 13.3, respectivamente. Uma revisão dos TFTs em folha metálica, focalizada em materiais ativos à base de silício, é fornecida na Seção 13.4, e uma revisão do estado dos dispositivos orgânicos em folha metálica é fornecida na Seção 13.5. Finalmente, a Seção 13.6 é uma visão geral, incluindo uma discussão sobre o que precisa ser feito.