В пластиковой печатной электронике назревает катодная революция
Представьте себе телевизор, толщиной и весом сравнимый с листом бумаги. Глядя на прогресс индустрии органических проводников и печатной электроники в целом, можно не сомневаться, что однажды это и впрямь перестанет казаться научной фантастикой. Процесс, позволяющий в буквальном смысле печатать на органической плёнке функциональные электронные устройства, уже используется в опытном производстве органических солнечных батарей и массовом изготовлении органических светоизлучающих диодов (OLED), которые формируют дисплеи самых современных смартфонов.
Хотя эта новейшая технология, как ожидается, будет расти миллиардными (в долларовом исчислении) шагами ежегодно в течение десяти лет, основной проблемой, которую ещё предстоит решить, была и остаётся организация дешёвого производственного процесса в условиях нормальной окружающей среды. Главная головная боль печатной электроники, которая обусловливает не только высокую стоимость OLED-дисплеев, но и невероятную сложность изготовления изделий сколько-нибудь значительной площади, — необходимость напыления в качестве катодного материала тонкого слоя высокопроводного металла с низкой энергией выхода электрона.
Стандартная упрощённая схема органического светоизлучающего диода (OLED) (иллюстрация Home Theater).
Среди металлов чаще всего применяются кальций (наилучший вариант) или алюминий — в качестве компромисса (есть ещё варианты с литием и магний-серебряным сплавом). К сожалению, всё это очень быстро окисляется на воздухе, реагируя практически с каждым компонентом воздушной смеси, включая азот (только для лития), кислород, воду и диоксид углерода. Хуже того, зачастую реакции протекают с выделением не только тепла, но и света (самым безопасным материалом является компромиссный алюминий с относительно высокой рабочей функцией, так что использование дополнительных малодоступных электропроводящих полимерных слоёв становится неизбежным, а цена, увы, возрастает ещё больше, и это не упоминая о сложности перевода алюминия в газовую фазу). Вот почему производителям приходится обеспечивать надёжную и очень дорогую корпусировку компонентов органической электроники в солнечных батареях и OLED-панелях, что немедленно сказывается на дальнейшем увеличении цены продукта, его весе и долговечности. Кстати, металл наносится практически по всей поверхности OLED-панели — так что варианты с золотом даже не рассматриваются (да и работа выхода электрона довольно высока, а потому игра совсем не стоит свеч).
Но научная мысль не стоит на месте: работа учёных из Технологического института Джорджии (США), о которой можно почитать в свежем выпуске журнала Science, похоже, предлагает универсальную методику, позволяющую снижать рабочую функцию проводника до разумно необходимых уровней.
Метод заключается в нанесении очень тонкого слоя полимера (от 1 до 10 нм толщиной) на поверхность стабильного на воздухе проводника (например, органического), который в общем случае намного хуже проводит ток, чем любой из металлов, зато лёгок и дёшев в обращении и производстве. Такая обработка приводит к образованию сильного поверхностного диполя, что вызывает конвертацию заурядного проводника в эффективный электрод, характеризующийся низкой энергией выхода электрона. В качестве такого дополнительного полимерного покрытия можно использовать, к примеру, водорастворимые полимеры, доступность которых не ограничена даже ценой.
Надо признать, что предложенная процедура способна полностью революционизировать всю современную промышленность печатной электроники, так как в качестве материала катода теперь можно использовать стабильные органические проводники, которые не требуют ни безвоздушной среды, ни особой корпусировки для последующей защиты готового продукта.
И всё-таки в бочку мёда нужно капнуть дегтя — чтобы не было головокружений от успехов. К сожалению, органическая электроника — любая её функциональная часть — очень чувствительна к воздействию «синглетного кислорода», наличие которого приводит к быстрой окислительной деградации продукта. Синглетный кислород образуется из обычного триплетного под действием солнечного ультрафиолета, то есть он всё время как присутствует в воздухе, так и может образовываться внутри самого прибора на жарком солнечном пляже (мониторы) или в какой-нибудь Сахаре (солнечные батареи). Вот и получается, что от плотной (а лучше всего — газонепроницаемой) корпусировки никуда не уйти.
Изображения с сайта compulenta.ru
Автор оригинального текста: Роман Иванов.
