WO2007012330A1 - Verfahren zur herstellung organischen elektronischen vorrichtungen auf lösungsmittel- und/oder temperaturempfindlichen kunststoffsubstraten - Google Patents

Verfahren zur herstellung organischen elektronischen vorrichtungen auf lösungsmittel- und/oder temperaturempfindlichen kunststoffsubstraten Download PDF

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Mario SCHRÖDNER
Karin Schultheis
Hannes Schache
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Definitions

  • the invention relates to the production of organic field-effect transistors (OFETs), solar cells or light-emitting diodes (OLEDs) and circuits based thereon on the surface of solvent- and / or temperature-sensitive plastics, e.g. thermoplastic injection molded bodies.
  • OFETs organic field-effect transistors
  • OLEDs light-emitting diodes
  • the invention further relates to electronic components which are produced by this method.
  • OFETs organic field-effect transistors
  • substrates such as silicon, glass, polyester film (PET, PEN) or polyimide film using simple processes ⁇ CJ Drury, CM. J. Mutsaers' CM. Hart, M. Matters and DM de Leeuw: Appl. Phys. Lett. 73 (1998), 108; F. Eder, H. Klauk, M. Halik, U. Zschieschang, G. Schmid and C. Dehm, Appl. Phys. Lett. 84 (2004), 2673; J. Ficker, A. Ullmann, W. Fix, H.
  • the maximum continuous service temperature of the carrier material is also important for process control. These requirements are largely met, for example, by polyethylene terephthalate (PET) and polyimide.
  • a gate insulator for an organic HL device in particular for a field effect transistor is described which consists of a crosslinked at temperatures between 150 0 C and 200 0 C polysiloxane compound.
  • polysilane used for electrical insulation to protect loxan für ABS, polycarbonate or Polysty- rolsubstraten not possible against harmful effects of solvents during the manufacturing process.
  • ÜS2003 / 0224621 a method for producing organic semiconductor systems on various documents such as textiles is given. This method also includes the bring a protective layer on the substrate surface below the semiconductor. However, it obviously does not serve to protect the substrate from chemical effects by solvents. Also, no information is given about the chemical composition of the protective layer.
  • injection molding materials such as ABS polymer, polycarbonate and polystyrene into consideration.
  • these injection molding materials unlike silicon, glass, polyimide, and other substrate materials, many of these injection molding materials, which often serve as electronic packaging materials, compact disks (CDs), and DVDs, are sensitive to organic solvents. In addition, they are thermally mostly low loadable.
  • the roughness of the surface of the injection molding tool used also determines the surface roughness of the substrate, so that injection molding materials are only of limited use as base materials for organic electronics.
  • the object of the invention is therefore to provide a simple and inexpensive process for producing organic field effect transistors (OFETs), solar cells or light-emitting
  • OLEDs Specify diodes
  • an organic layer is applied, for example, partially or on the entire substrate surface of an injection-molded body, which is insoluble in relation to the solvents used below and whose production does not require too high temperatures.
  • Layer thicknesses between 1 ⁇ m and 5 ⁇ m are generally sufficient to protect the surface of this plastic body from solvent attack.
  • the mostly rough surface is smoothed out.
  • Crosslinkable polymers such as acrylates, polyester or epoxy resins prove to be particularly suitable.
  • the crosslinking should be carried out at low temperatures or photochemically.
  • the application of the protective layer can also in large-scale coating method, for. B. by printing, knife coating or local dripping (microdosing) happen. Then the structure of the organic components and their circuits is then made.
  • Organic or polymeric field effect transistors in the sense of this invention comprise at least the following function-determining layers on a substrate: an organic semiconductor layer between and under at least one source and at least one drain electrode which are made of a conductive organic or inorganic material , an organic insulation layer over or below the semiconductive layer and an organic conductor layer.
  • the corresponding integrated organic or polymer electronic circuits consist of at least two organic or polymeric field-effect transistors.
  • Figures 1 and 2 show schematically and in sectional view field effect transistors according to the two embodiments, wherein in Figure 2, a variant was selected for the layer structure in which the layers are arranged inversely to the structure shown in Figure 1.
  • a gate electrode 5 is generated directly on the surface of a plastic body 1 of a conductive polymer dispersion, which does not attack the plastic surface. This may be, for example, an aqueous or alcoholic dispersion of a carbon black composite.
  • an (insulating) protective layer 6 is applied, which protects the plastic or injection-molded body 1 from solvents and at the same time serves as an insulator between the gate electrode 5 and the source or drain electrode 2, 4.
  • an organic semiconductor layer 3 and the source or drain electrode 2, 4 are then applied.
  • the order of the polymer layers can be done by printing or dripping (microdosing). The structuring of the electrodes can, if this has not already been done during printing, e.g. achieve by laser processing.
  • FIG. 1 describes a realization of the invention according to FIG. 1.
  • the networking takes place with a high-performance ÜV lamp with an exposure time of up to 3 seconds.
  • the layer thickness is about 5 microns.
  • a layer of a conductive carbon black polymer composite is also applied by doctoring.
  • the source-drain electrodes 2,4 are produced by selective removal with an excimer laser.
  • the polymer semiconductor 3 poly-3-dodecylthiophene
  • the polymer semiconductor 3 from a 0.25% solution of chloroform or toluene is applied by spin coating (4000 U / min).
  • As insulator layer 6 polyvinylphenol is spin-coated from a 20% solution at 2000 revolutions / minute.
  • the gate electrodes 5 are made by local application of a colloidal graphite.
  • Figure 3
  • Example 2 This example involves implementation of the invention as shown in Figure 2.
  • a layer of the conductive polymer Polyethylendioxythiophen (Baytron) is geräkelt. This layer is patterned by selective removal with an excimer laser, so that the gate electrodes 5 are obtained.
  • the (insulating) protective layer 6 a layer of an alcoholic polyvinylphenol solution containing a crosslinking agent is applied by spinning at 2000 rpm.
  • the Polyvinylphenol für anschlieOend is annealed for 3 hours at 70 0 C.
  • a thin gold layer (about 20 nm) is sputtered, from which in turn the source-drain electrodes 2, 4 are generated with an excimer laser.
  • the semiconductor layer 3 is applied by spin-coating a 0.25% poly-3-hexylthiophene solution in toluene.
  • the output characteristics of a field effect transistor produced in this way are shown in FIG. 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Herstellung organischer Feldeffekttransistoren (OFETs), Solarzellen oder lichtemittierender Dioden (OLEDs) und darauf basierende Schaltungen auf der Oberfläche von lösungsmittel- und/oder temperaturempfindlichen Kunststoffen, z.B. thermoplastischen Spritzgusskörpern. Eine Schutzschicht, welche aus einer Polymerverbindung, wie Polyacrylat, Polyphenol, Melamin- oder Polyesterharz, die aus einer wässrig-alkoholischen Lösung oder lösungsmittelfrei auf die Substratoberfläche oder eine der funktonsbestimmenden Schichten des elektronischen HL-Bauelementes in einem Niedertemperaturprozess bei Temperaturen kleiner als 100°C aufgebracht und getrocknet wird, schützt das Substrat vor unerwünschter Lösungsmitteleinwirkung und kann zugleich als Planarisierungsschicht und/oder als elektrische Isolationsschicht dienen.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG ORGANISCHEN ELEKTRONISCHEN VORRICHTUNGEN AUF LÖSUNGSMITTEL- UND/ODER TEMPERATUREMPFINDLICHEN KUNSTSTOFFSUBSTRATEN
[Beschreibung]
Die Erfindung betrifft die Herstellung organischer Feldeffekttransistoren (OFETs) , Solarzellen oder lichtemittierender Dioden (OLEDs) und darauf basierende Schaltungen auf der Oberfläche von lösungsmittel- und/oder temperaturempfindli- chen Kunststoffen, z.B. thermoplastischen Spritzgusskörpern. Die Erfindung bezieht sich ferner auf elektronische Bauelemente, welche nach diesem Verfahren hergestellt sind.
[Stand der Technik]
Organische HL-Bauelemente haben in den letzten Jahren auch aus ökonomischer Sicht eine wachsende Bedeutung erlangt. So lassen sich beispielsweise organische Feldeffekttransistoren (OFETs) mit einfachen Verfahren leicht und damit kostengüns- tig auf verschiedenen Unterlagen wie Silizium, Glas, Polyesterfolie (PET, PEN) oder Polyimidfolie herstellen {C.J. Drury, CM. J. Mutsaers', CM. Hart, M. Matters and D.M. de Leeuw: Appl. Phys. Lett. 73(1998), 108; F. Eder, H. Klauk, M. Halik, U. Zschieschang, G. Schmid and C. Dehm, Appl. Phys. Lett. 84(2004), 2673; J. Ficker, A. Ullmann, W. Fix, H. Rost and W. Clemens, Proc. SPIE 4466 (2001), 95; M. Schrödner, H.~ K. Roth, S. Sensfuss and K. Schultheis, e&i, 2003 (6), 2056; M. Halik, H. Klauk, U. Zschieschang, T. Kriem, G. Schmid and W. Radlik, Appl. Phys. Lett. 81(2002), 289; H. Sirringhaus, T. Kawase, R. H. Friend, T. Shimoda, M. Inbasekaran, W. Wu and E. P. Woo: Science, 290(2000) , p.2123). Im Allgemeinen geht dieses um so besser, je glatter die Oberfläche und je unempfindlicher das Material der Unterlage gegenüber organi- sehen Lösungsmitteln ist. Da im Herstellungsprozess von polymerelektronischen Schaltungen häufig Temper- und Trocknungsschritte erforderlich sind, ist auch die maximale Dauergebrauchstemperatur des Trägermaterials für die Prozessführung wichtig. Diese Anforderungen werden z.B. von Polyethy- lenterephthalat (PET) und Polyimid weitgehend erfüllt.
Bekannt ist weiterhin die Herstellung organischer elektronischer HL-Bauelemente auf Folien, die mit anorganischen Barriereschichten zur Minderung der Wasser- bzw. Sauerstoffdiffusion beschichtet sind (US 6664137) . Solche Barriereschich- ten, die der Degradation der Feldeffekttransistoren und Schaltungen während der Anwendung entgegenwirken sollen, können, wenn sie nur ausreichend dick und defektfrei in einem Niedertemperaturprozess aufgebracht werden, das Substratmaterial auch gegen Lösungsmittel schützen. Sie haben gegenüber organischen Schutzschichten jedoch den Nachteil, dass sie über teure und zeitaufwändige Vakuumprozesse abgeschieden werden müssen.
In WO 2004/091001 wird ein Gate-Isolator für ein organisches HL-Bauelement, insbesondere für einen Feldeffekttransistor beschrieben, der aus einer bei Temperaturen zwischen 150 0C und 2000C vernetzten Polysiloxan-Verbindung besteht. Wegen der hohen Vernetzungst'emperatur ist jedoch eine Anwendung der hier allerdings zur elektrischen Isolierung benutzten Polysi- loxanschicht zum Schutz von ABS-, Polycarbonat- oder Polysty- rolsubstraten gegen schädliche Einwirkungen von Lösungsmitteln während des Fertigungsprozesses nicht möglich. In ÜS2003/0224621 wird eine Methode zur Herstellung organischer Halbleitersysteme auf verschiedenen Unterlagen wie z.B. Textilien angegeben. Diese Methode beinhaltet auch das Auf- bringen einer Schutzschicht auf die Substratoberfläche unterhalb des Halbleiters. Sie dient aber offensichtlich nicht dem Schutz des Substrats vor chemischen Einwirkungen durch Lösungsmittel. Auch werden keinerlei Angaben über die chemische Zusammensetzung der Schutzschicht gemacht.
Aus wirtschaftlichen Gründen ist es häufig von Vorteil, die organische bzw. polymerelektronische Schaltung unmittelbar auf dem Objekt herzustellen, auf dem sie anschließend auch angewendet werden soll. Als hierfür besonders geeignete Materialien könnten Spritzgusswerkstoffe, wie ABS-Polymer, Polycarbonat und Polystyrol in Betracht kommen. Im Unterschied zu Silizium, Glas, Polyimid und anderen Substratmaterialien sind jedoch viele dieser Spritzgusswerkstoffe, die häufig auch als Materialien für elektronische Gehäuse, Com- pact Disks (CDs) und DVDs dienen, empfindlich gegenüber organischen Lösungsmitteln. Darüber hinaus sind sie thermisch zumeist nur gering belastbar. Außerdem bestimmt die Rauhigkeit der Oberfläche des verwendeten Spritzgusswerkzeuges auch die Oberflächenrauhigkeit des Substrats, sodass sich Spritz- gusswerkstoffe nur stark eingeschränkt als Basismaterialien für organische Elektronik eignen.
Aus den genannten Gründen war deshalb der Einsatz dieser Materialien bislang problematisch und es gab auch keine geeignete Lösung, um die aufgezeigten Schwierigkeiten zu überwinden.
[Aufgabe der Erfindung]
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfaches und preisgünstiges Verfahren zur Herstellung organischer Feldeffekt- transistqren (OFETs) , Solarzellen oder lichtemittierenden
Dioden (OLEDs) auf lösungsmittel- und temperaturempfindlichen Kunststoffoberflächen anzugeben, welches es erlaubt, derartige HL-Bauelemente und darauf basierende Schaltungen ohne Beeinträchtigung des Formkörpers, wie das Anlösen der Oberfläche oder dessen thermische Verformung, herzustellen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Gegenstand mehrerer Unteransprüche. Bei diesem Verfahren wird beispielsweise partiell oder auf der gesamten Substratoberfläche eines Spritzgusskörpers eine organische Schicht aufgebracht, die unlöslich gegenüber den nachfolgend verwendeten Lösungsmitteln ist und deren Herstellung keine zu hohen Temperaturen erfordert. Schichtdicken zwischen lμm und 5 μm sind im Allgemeinen ausreichend, um die Oberfläche dieses Kunststoffkörpers vor Lösemittelangriff zu schützen. Gleichzeitig erfolgt dabei eine Glättung der zu- meist rauhen Oberfläche. Als besonders geeignet erweisen sich vernetzbare Polymere, wie Acrylate, Polyester- oder Epoxidharze. Um den Kunststoffkörper thermisch nicht zu belasten, sollte die Vernetzung bei niedrigen Temperaturen oder photochemisch erfolgen. Das Aufbringen der Schutzschicht kann auch im großflächigen Beschichtungsverfahren, z. B. durch Drucken, Rakeln oder lokales Auftropfen (Mikrodosierverfahren) , geschehen. Darauf wird dann der Aufbau der organischen Bauelemente und deren Schaltungen vorgenommen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Beispielen für Feldeffekttransistoren sowie von Abbildungen 1 bis 4 näher erläutert.
Organische oder polymere Feldeffekttransistoren (OFETs) im Sinne dieser Erfindung umfassen zumindest die folgenden funktionsbestimmenden Schichten auf einem Substrat: eine organische Halbleiterschicht zwischen und über bzw. unter zumindest einer Source- und zumindest einer Drain- Elektrode, die aus einem leitenden organischen oder anorganischen Material sind, eine organische Isolationsschicht über oder unter der halbleitenden Schicht und eine organische Leiterschicht .
Die entsprechenden integrierten organischen oder polymerelektronischen Schaltungen bestehen aus mindestens zwei organischen oder polymeren Feldeffekttransistoren.
Die Abbildungen 1 und 2 zeigen schematisch und in Schnittdarstellung Feldeffekttransistoren entsprechend den beiden Ausführungsbeispielen, wobei in Abbildung 2 eine Variante für den Schichtaufbau gewählt wurde, bei der die Schichten umgekehrt zu dem in Abbildung 1 gezeigten Aufbau angeordnet sind. Hierbei wird eine Gate-Elektrode 5 direkt auf der Oberfläche eines Kunststoffkörpers 1 aus einer leitenden Polymerdispersion erzeugt, welche die KunststoffOberfläche nicht angreift. Dies kann zum Beispiel eine wässrige oder alkoholische Dispersion eines Rußkomposits sein. Darüber wird eine (Isolier) Schutzschicht 6 aufgebracht, die den Kunststoff- bzw Spritzgusskörper 1 vor Lösungsmitteln schützt und gleichzeitig als Isolator zwischen der Gateelektrode 5 und der Source- bzw. Drainelektrode 2,4 dient. Darüber werden dann eine organische Halbleiterschicht 3 und die Source- bzw. Drainelektrode 2,4 aufgebracht. Der Auftrag der Polymerschichten kann durch Drucken oder Auftropfen (Mikrodosierverfahren) erfolgen. Die Strukturierung der Elektroden lässt sich, soweit diese nicht bereits beim Druck erfolgt ist, z.B. durch Laserbearbeitung erreichen.
Beispiel 1
Dieses Beispiel beschreibt eine Realisierung der Erfindung gemäß Abbildung 1. Auf den Kunststoffkörper 1, ausgeführt als ABS-Platte von 1 mm Dicke, wird eine Schicht eines fotohärtbaren Acrylats als Schutzschicht 7 durch Rakeln aufgebracht. Die Vernetzung erfolgt mit einer Hochleistungs-ÜV-Lampe mit einer Belichtungszeit bis zu 3 Sekunden. Die Schichtdicke beträgt ca. 5 μm. Darauf wird ebenfalls durch Rakeln eine Schicht eines leitfähigen Ruß-Polymer-Komposits aufgebracht. In dieser Schicht werden durch selektiven Abtrag mit einem Excimerlaser die Source-Drain-Elektroden 2,4 erzeugt. Darauf wird mittels Schleuderbeschichtung (4000 U/min) der Polymerhalbleiter 3 (Poly-3-dodecylthiophen) aus einer 0,25%-igen Chloroform- oder Toluollösung aufgebracht. Als Isolatorschicht 6 wird Polyvinylphenol aus einer 20%-igen Lösung mit 2000 Umdrehungen/Minute aufgeschleudert . Die Gate-Elektroden 5 werden durch lokalen Auftrag eines kolloidalen Graphits hergestellt. Die Abbildung 3 zeigt die Ausgangskennlinien eines so hergestellten Feldeffekttransistors.
Beispiel 2 Dieses Beispiel beinhaltet die Umsetzung der Erfindung wie in Abbildung 2 dargestellt. Auf eine ABS-Platte von 1 mm Dicke als Kunststoffkörper 1 wird eine Schicht des leitfähigen Polymers Polyethylendioxythiophen (Baytron) geräkelt. Diese Schicht wird durch selektiven Abtrag mit einem Excimerlaser strukturiert, so dass man die Gate-Elektroden 5 erhält.
Darüber wird zur Fertigung der (Isolier) Schutzschicht 6 eine Schicht einer alkoholischen Polyvinylphenollösung, welche einen Vernetzer enthält, durch Schleudern bei 2000 U/min aufgebracht. Die Polyvinylphenolschicht wird anschlieOend 3 Stunden bei 70 0C getempert. Darüber wird eine dünne Goldschicht (ca. 20 nm) aufgesputtert, aus welcher wiederum mit einem Excimerlaser die Source-Drain-Elektroden 2,4 generiert werden. Abschließend wird die HalbleiterSchicht 3 durch Aufschleudern einer 0,25%-igen Poly-3-hexylthiophen-Lösung in Toluol aufgebracht. Die Ausgangskennlinien eines so hergestellten Feldeffekttransistors zeigt die Abbildung 4. [Bezugszeichenliste]
1 Kunststoffkörper
2 Source-Elektrode
3 Halbleiterschicht
4 Drain-Elektrode
5 Gate-Elektrode
6 Isolatorschicht
7 schwer lösliche Schutzschicht

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung organischer Feldeffekttransistoren (OFETs) , Solarzellen oder lichtemittierender Dioden (OLEDs) als elektronische HL-Bauelemente und darauf basierende elektronische Schaltungen, mit einem lösungsmittel- und/oder temperaturempfindlichen, z. B. aus ABS-Polymer,
Polykarbonat oder Polystyrol bestehenden Kunststoffkörper als Substrat und mit einem darauf angeordneten Schichtensystem aus ganzflächig oder partiell aufgebrachten funktionsbestimmenden Schichten und einer Schutzschicht gegen chemische Einwirkungen von Lösungsmitteln auf das Substrat, die aus einer Polymerverbindung wie Polyacrylat, Polyphenol, Melamin- oder Polyesterharz besteht und die aus einer wässrig- alkoholischen Lösung oder lösungsmittelfrei auf die Substratoberfläche oder eine der funktionsbestimmenden Schichten partiell oder ganzflächig in einem Niedertemperaturprozess bei Temperaturen kleiner als 1000C aufgebracht und getrocknet wird, und bei dem der Auftrag der elektrischen Funktionsschichten der Bauelemente auf den Kunststoffkörper und deren Strukturierung nach an sich bekannten Verfahrensschritten erfolgt.
2. Verfahren zur Herstellung organischer Feldeffekttransistoren (OFETs) , Solarzellen oder lichtemittierender Dioden (OLEDs) und darauf basierende elektronische Schaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische oder photochemische Vernetzung der die Schutzschicht bildenden Polymerverbindung erfolgt.
3.Verfahren zur Herstellung organischer Feldeffekttransistor ren (OFETs) , Solarzellen oder lichtemittierender Dioden
(OLEDs) und darauf basierende elektronische Schaltungen nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Vernetzung der Polymerverbindung bei Temperaturen kleiner als 1000C, vor- zugsweise kleiner als 800C erfolgt.
4.Verfahren zur Herstellung organischer Feldeffekttransistoren (OFETs) , Solarzellen oder lichtemittierender Dioden (OLEDs) und darauf basierende elektronische Schaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Schutzschicht bevorzugt durch Druckverfahren wie Offset-, Tintenstrahl-, Tampon- oder Siebdruck, Rakeln oder ein Mikrodosierverfahren auf den Kunststoffkörper aufgebracht wird und dass die elekt- rischen Funktionsschichten der Bauelemente nach den an sich bekannten Verfahren aufgetragen und strukturiert werden.
5. Organische Feldeffekttransistoren (OFETs), Solarzellen oder lichtemittierender Dioden (OLEDs) und darauf basierende elektronische Schaltungen, mit einem lösungsmittel- und/oder temperaturempfindlichen Kunststoffkörper als Substrat und einem darauf angeordneten Schichtensystem aus funktionsbestimmenden Schichten sowie einer Schutzschicht gegen chemische Einwirkungen von Lösungsmitteln auf das Substrat, die aus einer vernetzten Polymerverbindung wie Polyacrylat, Polyphenol, Melamin- oder Polyesterharz besteht, gekennzeichnet durch das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 bis 4.
6. Organische Feldeffekttransistoren (OFETs), Solarzellen oder lichtemittierender Dioden (OLEDs) und darauf basierende' elektronische Schaltungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffkörper ein Spritz- guss- oder Prägekörper, wie z. B. ein elektronisches Gehäuse, eine CD, DVD oder eine Chipkarte dient.
7. Organische Feldeffekttransistoren (OFETs), Solarzellen oder lichtemittierender Dioden (OLEDs) und darauf basierende elektronische Schaltungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Schutzschicht als elektrische Isolationsschicht und/oder als Planarisierungsschicht ausgebildet ist.
PCT/DE2006/001328 2005-07-27 2006-07-26 Verfahren zur herstellung organischen elektronischen vorrichtungen auf lösungsmittel- und/oder temperaturempfindlichen kunststoffsubstraten WO2007012330A1 (de)

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