13.1 Introducere
Electronicele de consum flexibile pentru aplicații cum ar fi afișajele, iluminatul și energia fotovoltaică au stârnit interes în ultimul deceniu datorită proprietăților lor unice, inclusiv faptul că sunt ușoare, pliabile, conformabile, rezistente și nu sunt fragile (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). Interesul pentru electronica pe substraturi flexibile poate fi urmărit până la cercetările privind panourile solare flexibile pentru misiunile spațiale din anii 1960 (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). În acea perioadă, disponibilitatea unor surse de energie fiabile, compacte și ușoare, capabile să furnizeze o putere cuprinsă între 1 și 50 kW, reprezenta o problemă, iar o suprafață mare de celule solare pe substraturi flexibile a fost studiată ca mijloc de rezolvare a problemei.
În timpul anilor 1960, cercetătorii de la Radio Corporation of America (RCA) au fost pionieri în dezvoltarea tranzistoarelor cu peliculă subțire (TFT) și a cristalelor lichide. În 1973, la 4 ani după ce RCA a demonstrat primul ceas digital cu afișaj cu cristale lichide (LCD), Sharp Corporation a anunțat primul calculator de buzunar cu cristale lichide, care a fost primul produs LCD de succes din punct de vedere comercial. Interesul pentru ecrane de mari dimensiuni este unul dintre factorii care au impulsionat dezvoltarea TFT-LCD-urilor, astfel încât, la sfârșitul anilor 1980, au fost introduse TFT-LCD-uri de 10 inci în computerele portabile, iar apoi, în 2006, LG Philips avea un TFT-LCD de 100 inci pentru televizoare de înaltă definiție (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
Creșterea dimensiunii ecranelor plate într-un timp scurt și piața formată din miliarde de ecrane mobile (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) nu au fost imediat evidente în anii 1960. Prin urmare, o nouă oportunitate a apărut din nevoia de a avea un afișaj portabil, de mari dimensiuni, într-un factor de formă mic. Este de dorit un mijloc de transport al unui dispozitiv electronic de suprafață mare (panou solar sau afișaj) astfel încât acesta să fie compact până când este implementat pentru funcționare. În cazul panourilor solare pentru spațiu, panourile trebuie să fie lansate în spațiu într-o încărcătură utilă bine definită, de suprafață mică, în timp ce, în cazul afișajelor, un utilizator poate transporta un afișaj în buzunarul cămășii și apoi îl poate amplasa pe birou sau pe un perete.
În plus față de dorința larg răspândită a consumatorilor de a avea afișaje mobile inteligente, cercetătorii în domeniul mijloacelor de afișare au căutat un analog electronic al hârtiei încă din anii 1970 (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). Cerneala electroforetică (Comiskey et al., 1998), utilizată în E-reader, este un exemplu de tehnologie de afișare care se poate spune că are o bază organică. S-a demonstrat în mod clar că E-reader-urile au capacitatea de a permite afișaje flexibile de suprafață mare, cum ar fi E-reader-ul flexibil de 19 inci, cu o grosime de 0,3 mm, o greutate de 130 g și TFT-uri pe un suport ultra-subțire din folie metalică transparentă, produs de LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). LCD-urile flexibile au fost, de asemenea, demonstrate încă din 2005 (Kanellos, 2005), iar cristalele lichide din LCD-uri sunt materiale organice.
Cu toate acestea, acest capitol se concentrează pe electronica organică, în care materialul organic conduce sarcini și/sau produce lumină, ceea ce este diferit de materialele organice care răspund mecanic la câmpuri electrice, cum ar fi cristalele lichide și cernelurile electroforetice. Un motiv de interes pentru electronica organică este capacitatea de a depune pelicule organice pe diverse substraturi cu costuri foarte reduse, cum ar fi foliile de plastic sau de metal, precum și ușurința relativă de prelucrare a compușilor organici (Forrest, 2004). De exemplu, aplicațiile clare ale utilizatorilor pentru afișaje flexibile și celule solare, împreună cu proprietățile de procesare ale peliculelor organice, au creat viziunea viitorului electronicii organice pe folii metalice și au încurajat cercetarea în acest domeniu.
Gustafsson și colab. (1992) au arătat că o diodă organică emițătoare de lumină (OLED), utilizată în afișajele OLED, poate fi fabricată pe un substrat flexibil. Lucrările lui Gustafsson et al. vor fi urmate de eforturi pentru a produce un afișaj pe un substrat flexibil. Gustafsson et al. au observat că polimerii se pretau la procese simple de depunere, cum ar fi turnarea prin rotație sau acoperirea prin imersie; prin urmare, erau potriviți pentru fabricarea de dispozitive de suprafață mare pe substraturi flexibile.
Constant et al. (1995) au demonstrat TFT-uri pe substraturi flexibile din poliimidă, iar în 1996, Theiss și Wagner (1996) au integrat OLED-uri cu TFT-uri din Si amorf pe substraturi din folie metalică. Având în vedere aceste evoluții, anii ’90 au fost un deceniu în care elementele de bază și dovezile de concept pentru electronica organică pe materiale flexibile au stârnit interesul pentru un efort de comercializare a ecranelor flexibile.
Foliile de oțel subțiri sunt atractive pentru a fi utilizate ca substraturi flexibile pentru electronica organică datorită ratelor scăzute de permeabilitate a oxigenului și a apei, toleranței la prelucrarea la temperaturi ridicate (∼1000 °C), stabilității dimensionale, rezistenței chimice, coeficientului relativ scăzut de dilatare termică și conductivității termice mai ridicate (în comparație cu sticla) și ar putea asigura o bornă de tensiune comună (pentru masă sau ecranare). Pentru afișajele pe bază de OLED cu emisie de vârf, substraturile metalice pot oferi o barieră excelentă împotriva oxigenului și a umidității, care este esențială pentru o durată de viață extinsă a OLED-urilor (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). O arhitectură OLED cu emisie de sus (TOLED) se referă la caracteristica designului OLED care permite ca lumina să fie direcționată departe de substratul opac de oțel prin electrozi transparenți depuși pe OLED (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); a se vedea figura 13.1 pentru o ilustrare grafică a unui dispozitiv cu emisie de sus și cu emisie de jos.
Figura 13.1. Sunt ilustrate un OLED cu emisie de sus și unul cu emisie de jos pe un substrat.
Necesitatea unei bariere împotriva umidității și oxigenului se datorează faptului că performanța OLED se degradează la expunerea la apă sau oxigen. Degradarea se manifestă sub forma unor pete întunecate în zona emisivă a OLED-ului (Burrows et al., 1994). Pentru ca un OLED să aibă o durată de viață operațională mai mare de 10 000 h, rata de transmitere a vaporilor de apă (WVTR) și rata de transmitere a oxigenului prin orice strat de protecție este de ∼1 × 10-6 g/m2/zi și, respectiv, 10-5-10-6 g/m2/zi (Lewis & Weaver, 2004), dar aceste rate pot fi ridicate având în vedere cerințele de durată de viață ale stadiului actual al tehnologiei în materie de afișaje și iluminat OLED.
Defectele din SiO2, nitrură de siliciu (SiNx) sau Al2O3 limitează ratele efective de permeabilitate prin straturi unice ale acestor materiale la un nivel nesatisfăcător. Structurile multistrat care constau în straturi alternante de materiale anorganice și polimerice au avut mai mult succes (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). În plus, s-a demonstrat, de asemenea, că noile materiale hibride anorganice-polimerice oferă utilitate la scară de laborator ca bariere de permeabilitate (Gartside et al., 2008).
În plus față de aplicațiile electronice de consum, procesele de fabricare a produselor electronice pe substraturi flexibile reprezintă un obiectiv pe termen lung al cercetătorilor, deoarece există potențialul de a reduce substanțial costurile de fabricație spre costurile asociate ziarelor, ambalajelor alimentare și altor suporturi imprimate (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). De exemplu, costurile de fabricare a OLED-urilor albe (WOLED) pentru aplicațiile de iluminare reprezintă o provocare formidabilă. O estimare a costurilor WOLED este de ∼ 10 $/lm (So et al., 2008), în comparație cu costurile de fabricație pentru o lampă cu incandescență, care sunt mai mici de 0,03 $/lm. WOLED-urile din ecranele plate de 55 inch au fost produse prin sublimare în vid și în conformitate cu cerințe de calitate foarte stricte, care le depășesc pe cele necesare pentru produsele de iluminare; prin urmare, costul de fabricare a WOLED-urilor, folosind procese de depunere în vid, este prohibitiv în acest moment. Prin urmare, se urmăresc noi tehnologii de fabricare, cum ar fi procesele roll-to-roll (So et al., 2008), ca metode de fabricare a WOLED-urilor.
Situația actuală a electronicii organice pe substraturi flexibile variază de la un produs de televiziune curbat de 55 de inci (Display, 2012) până la prototipuri de ecrane flexibile pe plastic pentru smartphone-uri (Poor, 2012) și ecrane de smartphone disponibile în comerț realizate pe plastic (Display, 2013). Pe măsură ce utilizarea afișajelor mobile continuă să crească, noi factori de formă pentru a furniza informații consumatorilor și pentru a distinge smartphone-urile sunt atractivi pentru producători. De asemenea, consumatorii obțin un dispozitiv care este mult mai puțin susceptibil la deteriorarea care este obișnuită în cazul afișajelor fragile din sticlă.
Acest capitol examinează etapele implicate în construirea de electronice organice pe folii metalice. Selectarea substraturilor cu caracteristici adecvate pentru condițiile de prelucrare și modul de prelucrare a unui substrat sunt discutate în secțiunile 13.2 și, respectiv, 13.3. În secțiunea 13.4 se face o trecere în revistă a TFT-urilor pe folie metalică, axată pe materialele active pe bază de siliciu, iar în secțiunea 13.5 se face o trecere în revistă a stadiului dispozitivelor organice pe folie metalică. În cele din urmă, Secțiunea 13.6 reprezintă o perspectivă generală, inclusiv o discuție despre ceea ce mai trebuie realizat.
.