13.1 Introduktion
Flexibel konsumentelektronik för tillämpningar som bildskärmar, belysning och solceller har väckt intresse under det senaste decenniet på grund av deras unika egenskaper, bland annat att de är lätta, böjbara, anpassningsbara, robusta och icke spröda (Zardetto, Brown, Reale, & Di Carlo, 2011). Intresset för elektronik på flexibla substrat kan spåras till forskning om flexibla solpaneler för rymduppdrag på 1960-talet (Crabb & Treble, 1967; Ray, 1967). Under den tiden var tillgången till tillförlitliga, kompakta och lätta kraftkällor som kunde ge effekt i intervallet 1- till 50 kW ett problem, och ett stort område med solceller på flexibla substrat studerades som ett sätt att lösa problemet.
Under 1960-talet var forskare vid Radio Corporation of America (RCA) pionjärer när det gällde utvecklingen av tunnfilmstransistorer (TFT) och vätskekristaller. År 1973, fyra år efter det att RCA demonstrerade den första digitala klockan med flytande kristaller (LCD), tillkännagav Sharp Corporation den första fickräknaren med flytande kristaller, som var den första kommersiellt framgångsrika LCD-produkten. Intresset för stora skärmar är en av de faktorer som drev på utvecklingen av TFT-LCD:s. I slutet av 1980-talet introducerades 10-tums TFT-LCD:s i bärbara datorer och 2006 hade LG Philips en 100-tums TFT-LCD för högupplöst tv (Cristaldi, Pennisi, & Pulvirenti, 2009).
Ökningen av storleken på platta skärmar på kort tid och marknaden som består av miljarder mobila skärmar (Li, Bhowmik, & Bos, 2008) var inte omedelbart uppenbar på 1960-talet. Därför uppstod en ny möjlighet genom behovet av att ha en bärbar, stor bildskärm i en liten formfaktor. Ett sätt att transportera en elektronisk anordning med stor yta (solpanel eller skärm) är önskvärt, så att den är kompakt tills den tas i bruk. När det gäller solpaneler för rymden måste panelerna skjutas upp i rymden i en väldefinierad nyttolast med liten yta, medan en användare när det gäller bildskärmar kan bära med sig en bildskärm i skjortfickan och sedan placera den på sitt skrivbord eller på en vägg.
Förutom konsumenternas utbredda önskan om smarta mobila bildskärmar har forskarna på bildskärmsmedier sedan 1970-talet letat efter en elektronisk analog till papper (Comiskey, Albert, Yoshizawa, & Jacobson, 1998). Elektroforetiskt bläck (Comiskey et al., 1998), som används i elektroniska läsare, är ett exempel på en visningsteknik som kan sägas vara organiskt baserad. E-läsare har tydligt demonstrerats med förmågan att möjliggöra flexibla skärmar med stor yta, t.ex. den 19-tums flexibla E-läsaren med 0,3 mm tjocklek, som väger 130 g, och TFT:er på en ultratunn genomskinlig metallfolie som tillverkats av LG (2010a, 2010b, Shah, 2010). Flexibla LCD-skärmar har också demonstrerats sedan 2005 (Kanellos, 2005), och flytande kristaller i LCD-skärmar är organiska material.
Det här kapitlet fokuserar dock på organisk elektronik, där organiskt material leder laddning och/eller producerar ljus, vilket skiljer sig från organiska material som reagerar mekaniskt på elektriska fält, t.ex. flytande kristaller och elektroforetiska bläck. En anledning till intresset för organisk elektronik är möjligheten att deponera organiska filmer på olika substrat till mycket låga kostnader, t.ex. plast- eller metallfolier, och den relativa lättheten att bearbeta de organiska föreningarna (Forrest, 2004). Till exempel har de tydliga användarapplikationerna för flexibla skärmar och solceller, tillsammans med bearbetningsegenskaperna hos organiska filmer, skapat visionen om framtiden för organisk elektronik på metallfolie och har uppmuntrat forskning på detta område.
Gustafsson et al. (1992) visade att en organisk ljusemitterande lysdiod (OLED), som används i OLED-skärmar, kunde tillverkas på ett flexibelt substrat. Gustafssons et al. arbete skulle följas av försök att tillverka en bildskärm på ett flexibelt substrat. Gustafsson et al. noterade att polymerer är lätta att använda för enkla deponeringsprocesser, t.ex. spinngjutning eller doppbeläggning, och att de därför lämpar sig för att tillverka enheter med stor yta på flexibla substrat.
Constant et al. (1995) demonstrerade TFT:er på flexibla polyimidsubstrat, och 1996 integrerade Theiss och Wagner (1996) OLED:er med TFT:er av amorft kisel på substrat av metallfolie. Med tanke på denna utveckling var 1990-talet ett årtionde då de grundläggande byggstenarna och bevisen på konceptet för organisk elektronik på flexibla material väckte intresset för en strävan att kommersialisera flexibla bildskärmar.
Tunna stålfolier är attraktiva att använda som flexibla substrat för organisk elektronik på grund av deras låga syre- och vattenpermeationshastigheter, tolerans för bearbetning vid höga temperaturer (∼1000 °C), dimensionsstabilitet, kemisk beständighet, relativt låg värmeutvidgningskoefficient och högre värmeledningsförmåga (jämfört med glas), och de skulle kunna tillhandahålla en gemensam spänningsterminal (för jord eller avskärmning). För OLED-skärmar baserade på toppemittering kan metallsubstrat ge en utmärkt syre- och fuktbarriär som är avgörande för förlängd OLED-livstid (Park, Chae, Chung, & Lee, 2011). En toppemitterande OLED-arkitektur (TOLED) hänvisar till den funktion i OLED-designen som gör det möjligt att rikta ljuset bort från det ogenomskinliga stålsubstratet genom transparenta elektroder som deponerats på OLED:n (Hofmann, Thomschke, Lussem, & Leo, 2011); se figur 13.1 för en grafisk illustration av en toppemitterande och en bottenemitterande anordning.
Figur 13.1. En topp- och bottenemitterande OLED på ett substrat är avbildad.
Behovet av en fukt- och syrebarriär beror på att OLED-prestanda försämras vid exponering för vatten eller syre. Nedbrytningen visar sig som mörka fläckar inom OLED:s emitterande område (Burrows et al., 1994). För att en OLED ska ha en livslängd på mer än 10 000 timmar är överföringshastigheten för vattenånga (WVTR) och syre genom ett skyddande skikt ∼1 × 10-6 g/m2/dag respektive 10-5-10-6 g/m2/dag (Lewis & Weaver, 2004), men dessa hastigheter kan vara höga med tanke på de krav på livslängd som ställs på OLED-skärmar och -belysning enligt den senaste tekniken.
Defekter i SiO2, kiselnitrid (SiNx) eller Al2O3 begränsar den effektiva permeationshastigheten genom enskilda lager av dessa material till en otillfredsställande nivå. Flerskiktsstrukturer som består av omväxlande lager av oorganiska och polymera material har varit mer framgångsrika (Chwang et al., 2003; Weaver et al., 2002). Dessutom har nya oorganiska-polymerhybridmaterial också visat sig vara användbara i laboratorieskala som permeationsbarriärer (Gartside et al., 2008).
Förutom konsumentelektroniktillämpningar är tillverkningsprocesser för elektronik på flexibla substrat ett långsiktigt mål för forskarna, eftersom det finns potential att väsentligt minska tillverkningskostnaderna i riktning mot de kostnader som är förknippade med tidningar, livsmedelsförpackningar och andra tryckta medier (Momtaz, 2009; So, Kido, & Burrows, 2008). Till exempel är tillverkningskostnaderna för vita OLED (WOLED) för belysningstillämpningar en enorm utmaning. En uppskattning av WOLED-kostnaderna är ∼ 10 dollar/lm (So et al., 2008), jämfört med tillverkningskostnaderna för en glödlampa, som är mindre än 0,03 dollar/lm. WOLEDs i 55-tums plattskärmar har tillverkats med hjälp av vakuumsublimering och under mycket strikta kvalitetskrav som överstiger de krav som krävs för belysningsprodukter; därför är kostnaden för att tillverka WOLEDs med hjälp av vakuumdeponeringsprocesser för närvarande kostnadsdrivande. Därför eftersträvas nya tillverkningstekniker som roll-to-roll-processer (So et al., 2008) som metoder för att tillverka WOLEDs.
Den nuvarande tekniken för organisk elektronik på flexibla substrat sträcker sig från en 55-tums böjd tv-produkt (Display, 2012) till prototyper av flexibla skärmar på plast för smarttelefoner (Poor, 2012) och kommersiellt tillgängliga smartmarthedisplayer gjorda på plast (Display, 2013). Eftersom användningen av mobila skärmar fortsätter att öka är nya formfaktorer för att ge information till konsumenterna och för att särskilja smartphones attraktiva för tillverkarna. Konsumenterna får också en enhet som är mycket mindre känslig för de skador som är vanliga med spröda glasskärmar.
Detta kapitel undersöker de steg som krävs för att bygga organisk elektronik på metallfolie. Valet av substrat med egenskaper som är lämpliga för bearbetningsförhållanden och hur ett substrat bearbetas diskuteras i avsnitt 13.2 respektive 13.3. En genomgång av TFT:er på metallfolie, med fokus på kiselbaserade aktiva material, ges i avsnitt 13.4, och en genomgång av läget när det gäller organiska enheter på metallfolie ges i avsnitt 13.5. Slutligen är avsnitt 13.6 en allmän utblick, inklusive en diskussion om vad som behöver åstadkommas.