Technologia wytwarzania organicznych drukowanych źródeł światła – perspektywy, badania

fot. PNNL - Pacific Northwest National Laboratory/CC/Flickr

Drukowana elektronika jest jedną z najszybciej rozwijających się na świecie platformą technologiczną, która poprzez połączenie nowych materiałów organicznych z niskokosztowymi metodami wytwarzania umożliwia tworzenie różnorodnych innowacji produktowych. Znaczny postęp, jaki dokonał się w ostatnich latach w tej dziedzinie, zaowocował wprowadzeniem na rynek pierwszych produktów elektronicznych zbudowanych z materiałów organicznych.

Największe zainteresowanie budziły innowacje przeznaczone dla przemysłu oświetleniowego oraz segmentu rynku związanego z wyświetlaczami. Do innych wiodących aplikacji drukowanej elektroniki należy zaliczyć: ogniwa fotowoltaiczne, baterie, zintegrowane systemy funkcjonalne, identyfikatory RFID oraz inteligentne opakowania.

Istotnym wsparciem dla twórców tych innowacji są środki budżetowe poszczególnych państw oraz środki Unii Europejskiej, przeznaczone na realizację projektów i programów badawczych w obszarze drukowanej elektroniki. W 7 Programie Ramowym UE zakłada się, że w ciągu dwóch ostatnich lat jego realizacji poziom finansowania badań z obszaru drukowanej elektroniki zbliży się do kwoty 300 mln euro.

Pomimo tego, obecnie drukowana elektronika jest jeszcze ciągle w początkowym etapie rozwoju, w którym dominują prace związane z przejściem z fazy laboratoryjnej do fazy prototypowej. Celem tych prac jest dokonanie dalszego postępu w zakresie materiałów, procesów technologicznych, konstrukcji, produktów końcowych oraz urządzeń technologicznych.

Powyższe uwarunkowania mogą stanowić punkt odniesienia dla określenia kierunków rozwoju drukowanej elektroniki w Polsce. Podejmując działania w tym zakresie należy przyjąć założenie, podobnie jak w krajach wysoko rozwiniętych, że działalność badawczo-rozwojowa w obszarze drukowanej elektroniki będzie miała istotne znaczenie dla wzrostu innowacyjności i konkurencyjności krajowej gospodarki. Dlatego też, jednym z działań, które z pewnością będzie korzystne dla rozwoju krajowego rynku drukowanej elektroniki jest podejmowanie przez Instytut Tele i Radiotechniczny, prace nad opracowaniem nowych rozwiązań technologicznych i projektowych w zakresie modelowych aplikacji w obszarze źródeł światła.

Ogólnym celem badań prowadzonych w ITR, jest rozwój wiedzy dotyczącej technologii wytwarzania organicznych źródeł światła na podłożach sztywnych i elastycznych. Przesłanką do takiego sformułowania celu badań jest fakt, że obecny intensywny rozwój badań prowadzonych na świecie w zakresie technologii źródeł światła OLED nie znajduje odzwierciedlenia w postaci zwiększonej podaży wiedzy związanej z tą technologią. Jest to w pełni zrozumiałe, gdyż dostęp do praw własności intelektualnej jest kluczowym zagadnieniem z punktu widzenia konkurencji w sektorze oświetlenia OLED. Światowi uczestnicy rynku oświetleniowego OLED na ogół oferują know-how w postaci licencji lub wymieniają się między sobą prawami własności intelektualnej na korzystnych warunkach. Z pewnością ta sytuacja jest jedną z przyczyn ograniczających rozwój rynku oświetlenia OLED.

Potencjał aplikacyjny OLED jako źródeł światła

Obecnie na światowym rynku oświetleniowym zachodzą przełomowe zmiany związane z wprowadzeniem nowych źródeł światła zawierające diody LED. Lampy LED buduje się z punktowych źródeł światła o wysokiej jaskrawości. Ich proces wytwórczy bazuje na fotolitografii obejmującej wiele różnych etapów produkcyjnych takich jak wytwarzanie fotomaski, nakładanie cienkich warstw, nakładanie obrotowe fotorezystu, ekspozycja UV, wywoływanie i trawienie. Ten skomplikowany i wymagający długiego czasu proces jest przyczyną wysokich kosztów produkcji związanych z wysokim kosztem urządzeń i materiałów. W ciągu najbliższych kilku lat na tym rynku nastąpi kolejny przełom związany z wprowadzeniem diod OLED. Lampy OLED emitują równomierne światło z dwuwymiarowej powierzchni i mogą być produkowane w dowolnych kształtach i wymiarach, np. w postaci przezroczystych paneli. Znaczenie tej technologii będzie wzrastać zwłaszcza kiedy produkty oświetleniowe OLED wejdą na rynek i przygotują grunt dla szeregu nowych zastosowań oświetleniowych.

Potencjał aplikacyjny źródeł światła odzwierciedla analiza SWOT przedstawiona w tabeli 1.

Tab. 1. Analiza SWOT. 

Przedstawiona analiza SWOT wskazuje, że dynamiczny rozwój rynku drukowanej elektroniki w obszarze oświetlenia może być utrudniony, jeżeli nie zostaną zredukowane ograniczenia wynikające ze „słabych stron” tych analiz. Dlatego też, obecnie, bardzo wiele ośrodków naukowych koncentruje swoje badania na tych priorytetach rynku, które umożliwiają w pełni wykorzystanie potencjału aplikacyjnego drukowanej elektroniki.

Analitycy rynkowi oceniający postęp badań w tym zakresie są pełni uzasadnionego optymizmu, co znajduje odzwierciedlenie w prognozach rozwoju rynku w perspektywie średnioterminowej. Jedną z najnowszych prognoz dotyczących rozwoju organicznych źródeł światła przedstawiono w tabeli 2 [1].

Tab. 2. Prognozy rozwoju organicznych źródeł światła

Przedstawiona prognoza stanu drukowanej elektroniki na świecie, w obszarze źródeł światła wskazuje, że jest to technologia szybko rozwijająca się i posiadająca duży potencjał aplikacyjny.

Radykalne zmiany rynku oświetleniowego są wspierane przez różne agencje rządowe wielu krajów europejskich oraz Komisję Europejską, ponieważ w znacznym stopniu przyczyniają się one do osiągania celów strategii „Europa 2020”, a zwłaszcza jej celu dotyczącego zwiększenia efektywności energetycznej. Opublikowana ostatnio przez Komisję Europejską „Zielona Księga - Oświetlenie przyszłości” podkreśla wagę zmian sektora oświetleniowego w kilku kluczowych aspektach:

• Efektywność energetyczna: W ciągu najbliższych kilku lat oświetlenie LED oraz OLED przewyższy wszystkie pozostałe technologie oświetlenia pod względem efektywności energetycznej. Umożliwi ono znaczne zmniejszenie zużycia energii oraz przyczyni się do znacznego zmniejszenia emisji CO₂.
• Jakość oświetlenia: Oświetlenie LED i OLED zapewnia wysokiej jakości światło i komfort wizualny pod względem barw oraz umożliwia łatwą regulację intensywności i koloru światła.
• Projektowanie systemów oświetlenia i walory estetyczne: Technologia LED i OLED daje projektantom nieograniczoną swobodę przy opracowywaniu nowych koncepcji i parametrów projektowych oświetlenia. Zwłaszcza technologia OLED toruje drogę do całkowicie nowych zastosowań oświetleniowych i będzie odgrywać kluczową rolę w rozwoju cienkich, wysoce wydajnych paneli oświetleniowych zapewniających maksymalne możliwości projektowe, łącząc kolor z kształtem diody OLED stworzą nowe możliwości adaptacji osobistego otoczenia za pomocą światła.
• Innowacje produktowe i organizacyjne: Wykorzystanie szerokiej gamy właściwości i zalet diod OLED stworzy wiele nowych możliwości rynkowych i doprowadzi do zmiany modeli biznesowych w przemyśle oświetleniowym. Zmiany te dokonają się poprzez odchodzenie od sprzedaży źródeł światła na rzecz ich integracji z zupełnie innymi obiektami (meble, budynki) oraz od sprzedaży lamp zamiennych na rzecz sprzedaży inteligentnych systemów i rozwiązań oświetleniowych. Oznacza to, że będzie zacierać się granica pomiędzy producentem źródeł światła OLED, a producentem opraw oświetleniowych. 

W najbliższych kilku latach intensywna działalność badawcza w obszarze nowych źródeł światła powinna zapewnić poprawę ich właściwości użytkowych. Przykładowo, obecne diody LED mają sprawność ok. 30…50% i charakteryzują się skutecznością świetlną na poziomie 100…150 lm/W. Wartości docelowe na najbliższe 10 lat dla diod LED to sprawność 50…60% a skuteczność świetlna powyżej 200 lm/W. Najnowocześniejsze produkty OLED mają skuteczność świetlną ok. 50 lm/W. Mimo, że skuteczność świetlna diod OLED zawsze będzie niższa niż w przypadku diod LED, posiadają one dużą wartość dodaną wynikającą z ich rozmiarów i elastyczności oraz możliwości nowych zastosowań, jakie się z nimi wiążą.

Z danych przedstawionych we wspomnianej już „Zielonej Księdze” Komisji Europejskiej wynika, że w 2010 r. przychody na europejskim rynku oświetlenia wynosiły około 20 mld euro. Udział oświetlenia LED na tym rynku osiągnął poziom 6%. Zakłada się, że do 2020 r. oświetlenie LED jak i OLED będzie stanowić ponad 70% rynku.

Bardziej szczegółową strukturę rynku przedstawiają analitycy z BBC Research, którzy szacują, że wartość światowego rynku oświetlenia OLED w latach 2011–2016 wzrośnie z nieco ponad 600 mln dol. do 1,6 mld dol. średnio rocznie o 21%. Podobne prognozy tego rynku przedstawia NanoMarkets. Jego zdaniem europejski rynek oświetlenia OLED w 2016 r. będzie miał wartość 1,5 mld dol. z czego na rynek niemiecki przypadnie 360 mln dol. i na rynek angielski 210 mln dol.

Obecną wartość krajowego rynku oświetleniowego można oszacować na poziomie 3 mld zł, z czego 100 mln zł przypada na oświetlenie LED. Krajowy sektor oświetleniowy, związany z tym rynkiem, jest zaliczany do sektora o wysokim poziomie innowacyjności i konkurencyjności. O tej pozycji decydują takie czynniki jak: wdrażanie nowoczesnych i energooszczędnych rozwiązań, rozwój eksportu, inwestycje w nowe technologie oraz dążenia do podnoszenia efektywności działania. Te czynniki spowodowały, że sektor oświetleniowy został sklasyfikowany przez Ministerstwo Gospodarki na trzecim miejscu w rankingu najbardziej konkurencyjnych gałęzi krajowego przemysłu. Tempo rozwoju tego sektora w minionych latach było średnio o kilka procent większe od dynamiki PKB.

W perspektywie średnioterminowej utrzymanie tej dynamiki rozwoju oraz poziomu innowacyjności i konkurencyjności krajowego sektora oświetleniowego będzie w znacznym stopniu uzależnione od możliwości dostosowania się do przedstawionych powyżej tendencji na rynku europejskim.

Biorąc pod uwagę przedstawione prognozy dotyczące rynku oraz przyjmując założenie, że struktura krajowego rynku będzie podobna do struktury europejskiego rynku oświetlenia można bardzo ostrożnie oszacować wartość krajowego rynku oświetlenia OLED w 2017 r. na poziomie 100 mln zł (wartość 10-krotnie mniejsza od wartości rynku niemieckiego).

Struktura OLED 

Dioda OLED jest przyrządem elektronicznym bazującym na konwersji energii (przemiana prądu elektrycznego na światło), formowanym na bazie cienkich warstw organicznych o grubości około 100…200 nm. Ten stosunek wymiarów powoduje, że uważa się je praktycznie za przyrządy dwuwymiarowe i możliwe jest wykonania jej w postaci elementów o dużych powierzchniach na podłożach sztywnych lub elastycznych. Zbudowana jest z materiałów podłożowych, elektrod i funkcjonalnych warstw organicznych (rys. 1). Wszystkie dotychczas materiały wykorzystywane w badaniach nie zagrażają środowisku (m. in. nie zawierają rtęci) [2–7].

Rys. 1. Schemat przykładowej struktury diody OLED
 

Należy podkreślić, że obecnie na świecie do wytwarzania organicznych źródeł światła stosuje się jeden z dwóch różnych materiałów organicznych: małocząsteczkowe materiały organiczne lub polimerowe materiały organiczne. W przypadku pierwszego z tych materiałów warstwy tworzące strukturę OLED są osadzane na sztywne podłoże szklane lub metalowe poprzez termiczne naparowanie w wysokiej próżni. Oczekuje się, że w perspektywie krótkoterminowej ten sposób formowania struktur OLED zapewni uzyskanie wysokiej skuteczności świetlnej i wysokiej jasności światła. W perspektywie średniookresowej stosowanie polimerowych materiałów organicznych będzie preferowanym sposobem budowania struktur OLED z uwagi na znacznie prostszy proces ich wytwarzania. Dodatkowo polimerowe materiały organiczne umożliwiają wykonywanie wielkopowierzchniowych i elastycznych paneli emitujących światło [8–14].

Badania prowadzone w różnych ośrodkach światowych wskazują na fakt, że przyrządy OLED muszą być zabezpieczane przed nadmiarem wilgoci i tlenu także w czasie magazynowania. W wysokich temperaturach rozszerzalność cieplna w pobliżu temperatury zeszklenia Tg może spowodować zniszczenie przyrządu. Słabym punktem jest połączenie na styku metal – polimer. Degradacja tego połączenia ogranicza czas życia nawet, jeżeli przyrząd nie pracuje. Dlatego konieczność uszczelnienia przyrządu jest jednym z problemów do rozwiązania. O ile w przypadku diod OLED konstruowanych na szkle sugerowane są różne sposoby, to tworzywowe podłoża elastyczne stanowią istotny problem ze względu na ich wysoką przepuszczalność wilgoci. Potrzebne są warstwy barierowe lub zupełnie nowe podłoża takie jak np. elastyczne kompozyty z warstw organicznych i nieorganicznych [15, 16].

Wyniki badań 

Biorąc pod uwagę przedstawione tendencje, badania wykonane w ITR w 2012 r. koncentrowały się na wykorzystaniu handlowo dostępnych materiałów, które po rozpuszczeniu były odpowiednie do nakładania warstw funkcjonalnych diody OLED techniką druku strumieniowego. Jako materiał podłożowy stosowano płytki szklane 2,5 × 2,5 cm oraz folię PET pokryte warstwą tlenku indowo-cynowego. Warstwę przewodzącą dziury (HTL) stanowił PEDOT:PSS (ang. poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) od trzech dostawców (Orgacon Screenprint Ink Transparent EL-P3040 firmy Agfa; Clevios PJ-N lub Plexcore (OCRG-1150 organic conductive ink).

Do wytwarzania warstwy emitującejświatło (EML) wykorzystano MEH-PPV (ang. poly[2-methoxy-5-(2’-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) oraz homopolimery oraz oligomery fluorenowe.

Katodę stanowiła warstwa: stopu eutektycznego GaIn lub naparowana próżniowo Al lub Ag.

Na oczyszczonej plazmowo warstwie ITO nakładano kolejno warstwę PEDOT:PSS, warstwę związku emitującego światło i katodę. Pomiędzy nakładaniem kolejnych warstw stosowano procesy suszenia i utwardzania (UV). Cały proces prowadzono w warunkach normalnych, bez stosowania gazu ochronnego.

Dla wytwarzanych próbek diod wyznaczano charakterystyki prądowo-napięciowe, rejestrowano widma emisyjne (zależność długości emitowanej fali – kolory światła) oraz wyznaczano wartości luminancji (cd/m²). Uzyskano diody OLED o powierzchni 1 cm² świecące w kolorze, niebieskim i pomarańczowym o intensywności 60…120 cd/m².

Wykonano demonstratory struktur OLED świecące światłem pomarańczowym, niebieskim i zielonym (rys. 2). 

Rys. 2. Przykłady wykonanych demonstratorów diod OLED

Szczegółowe wyniki badań wytwarzanych struktur diod przedstawiono w kolejnych artykułach zamieszczonych w kwietniowym numerze miesięcznika Elektronika (nr 04/2013).

Podsumowanie

Nadrzędnym celem prac prowadzonych w ITR jest uzyskanie wiedzy oraz stworzenie podstaw doświadczalnych i naukowych umożliwiających podjęcie w kraju prac badawczo-technologicznych nad rozwojem nowatorskich, energooszczędnych, tanich, przyjaznych środowisku (nie zawierających rtęci) źródeł światła (także światła białego) na podłożach elastycznych. Wytwarzanie tego rodzaju źródeł światła jest obecnie jednym z priorytetowych światowych zagadnień badawczych.

Literatura:

[1] Solid State Lighting OLED Manufacturing Roundtable Summary, http://www1.eere.energy.gov/buildings/ssl/techroadmaps.html

[2] G. Kozioł, K. Janeczek, A. Araźna, K. Futera: Wykorzystanie technologii organicznych diod elektroluminescencyjnych do budowy źródeł światła, Elektronika 53, 64 (2012).

[3] Głowacki I.: Organiczne Diody Elektroluminescencyjne: Postęp, Problemy i Perspekty, Monografia Instytutu Tele- I Radiotechnicznego, Drukowana Elektronika w Polsce, Warszawa 2010.

[4] Chason M.: Printed electronics for flexible solid-state lighting, www.globalsmteasia.com

[5] Bardsley J. N.: Critical Materials for OLED Lighting, DOE SSL Manufacturing Workshop, Fairfax, April 22, 2009.

[6] Hellstrom S. L., Lee H. W., Bao Z.: Polymer-Assisted Direct Deposition of Uniform Carbon Nanotube Bundle Networks for High Performance Transparent Electrodes, www.acsnano.org vol. 3, no. 6, 1423–1430, 2009.

[7] Guaino P., Maseri F. Schutz R, Hofmann M., Birnstock J. Avril L., Pireaux J, Viville P., Kanaan H, Lazzaroni P., Loicq J., Rotheudt F.: Large white organic light-emitting diode lighting panel on metal foils, Journal of Photonics for Energy 011015-1 vol. 1, 2011.

[8] Duan L, Hou L, Lee T, Qiao J., Zhang D., Dong G., Wang L.: Solution processable small molecules for organic light-emitting diodes, Mater. Chem., 2010, 20, 6392–6407.

[9] Viser P., OLED technology: also the ultimate lighting solution?, www. optik-photonik.de

[10] Zhong Ch., Duan Ch., Huang F., Wu H., Cao Y.: Materials and Devices toward Fully Solution Processable Organic Light-Emitting Diodes, Chem. Mater. 2011, 23, 326–340.

[11] AlSalhi M.S., Alam J., Dass L.A., Raja M.: Recent Advances in Conjugated Polymers for Light Emitting Devices, Int. J. Mol. Sci. 2011, 12, 2036–2054.

[12] Wang G-F., Tao X-M. Xin J.H., Fei B.: Modification of Conductive Polymer for Polymeric Anodes of Flexible Organic Light-Emitting Diodes, Nanoscale Res Lett (2009) 4: 613–617.

[13] Lussem B., Reineke S., Rosenow T., Schwartz G, and Leo K.: Novel concepts for OLED lighting, Proc. of SPIE Vol. 7617, 761712, 2010 SPIE.

[14] Komoda T.: Recent Progress and Future Trend of OLED Technologies for Lighting Application, Printed Electronics Europe 2012, Berlin, 3 April 2012.

[15] Vitoratos E. et al.: Thermal degradation mechanisms of PEDOT:PSS, Organic Electronics 10 (2009) 61–66.

[16] Roberts M., Cass M.,, at el.: Fundamental Processes Governing Operation And Ageing In State Of The Art P-Oleds, pdf. presentation at ECME 2009.