• No results found

Electrochemical Switching in Conducting Polymers – Printing Paper Electronics

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Electrochemical Switching in Conducting Polymers – Printing Paper Electronics"

Copied!
47
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

 

Electrochemical Switching in Conducting 

Polymers – Printing Paper Electronics 

 

Payman Tehrani 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Norrköping 2008 

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Electrochemical switching in conducting polymers – printing paper electronics  Payman Tehrani    Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, no.1212  Copyright © 2008 Payman Tehrani, unless otherwise noted.  Printed by LiU‐Tryck, Linköping, Sweden 2008  ISBN: 978‐91‐7393‐801‐3  ISSN: 0345‐7524 

(3)

Abstract

During  the  last  30  years  a  new  research  and  technology  field  of  organic  electronic  materials has grown thanks to a groundbreaking discovery made during the late 70’s.  This new field is today a worldwide research effort focusing on exploring a new class  of materials that also enable many new areas of electronics applications. The reason  behind  the  success  of  organic  electronics  is  the  flexibility  to  develop  materials  with  new  functionalities  via  clever  chemical  design  and  the  possibility  to  use  low‐cost  production techniques to manufacture devices.  

This  thesis  reports  different  aspects  of  electrochemical  applications  of  organic  electronics.  We  have  shown  that  the  color  contrast  in  reflective  and  transmissive  electrochromic  displays  can  be  almost  doubled  by  adding  an  extra  electrochromic  polymer.  The  choice  of  electrochromic  material  was  found  to  be  limited  by  its  electrochemical  over‐oxidation  (ECO)  properties,  which  is  one  of  the  main  degradation  mechanisms  found  in  displays.  The  irreversible  and  non‐conducting  nature of over‐oxidized films encouraged us to use it in a novel patterning process in  which  polythiophene  films  can  be  patterned  through  local  and  controlled  deactivation of the conductivity. ECO can be combined with various patterning tools  such  as  screen  printing  for  low‐cost  roll‐to‐roll  manufacturing  or  photolithography,  which  enables  patterning  of  small  features.  Studies  have  shown  that  electronic 

conductivity  contrasts  beyond  107  can  be  achieved,  which  is  enough  for  various 

simple  electronic  systems.  To  generate  better  understanding  of  the  ECO  phenomenon, the effect of pH on the over‐oxidation characteristics was studied. The 

results suggest that a part of the mechanism for over‐oxidation depends on the OH– 

concentration  of  the  electrolyte  used.  Over‐oxidation  has  also  been  used  in  electrochemical  loggers,  where  the  temperature  and  time  dependence  of  the  propagation  of  an  over‐oxidation  front  is  used  to  monitor  and  record  the  temperature of a package.  

(4)

Dagligen  kommer  vi  i  kontakt  med  olika  plastmaterial.  Dessa  har  vanligtvis  mycket  dålig elektrisk ledningsförmåga och används oftast som isolerande material. Det finns  dock en klass av plaster som är halvledande eller ledande. Sedan upptäckten av dessa  material för mer än 30 år sedan har nya material och användningsområden utvecklats  och  nu  börjar  de  första  produkterna  baserad  på  organisk  elektronik  komma  ut  på  marknaden.  En  stor  fördel  med  de  ledande  plasterna  är  att  egenskaperna  kan  anpassas genom att ändra den kemiska strukturen. Man kan dessutom lösa upp dem  och skapa ledande bläck, som sedan kan användas i vanliga tryckmaskiner. Detta gör  det möjligt att på ett enkelt och billigt sätt tillverka elektronik på liknande sätt som till  exempel tidningar trycks idag. 

Den  här  avhandlingen  behandlar  en  del  av  det  nya  området  som  berör  elektrokemiska komponenter och några av dess tillämpningar. Fokus ligger främst på  billig, tryckt elektronik. Bland annat presenteras ett sätt att fördubbla kontrasten för  tryckta pappersdisplayer, ett nytt sätt att mönstra ledande plaster och elektrokemisk  temperaturloggningsetikett som kan övervaka temperaturen för förpackningar under  transport. Den mekanism som förstör ledningsförmågan vid höga spänningar har varit  ett  återkommande  inslag  i  de  studier  som  har  genomförts  här.  Denna  mekanism  förstör  komponenterna  under  drift  men  kan  också  användas  för  att  ta  bort  ledningsförmågan som mönstringsmetod eller för att lagra information, permanent, i  temperaturloggningsetiketten. 

(5)

 

Acknowledgements

I would like to express my sincere gratitude to the people who have helped me reach  this point, especially … 

…  my  supervisor  Magnus  Berggren,  for  all  the  help  and  support  during  these  years  and for creating this very inspiring working environment. 

…  Thomas  Kugler,  who  gave  me  the  opportunity  to  start  working  in  this  research  field. 

… Nate, Xavier and Isak, for ALL the valuable and interesting scientific discussions.  … Sophie for knowing everything and helping with all the administrative duties.  … David, Peter, Joakim and the others that have worked with me in the lab, for being  patient with my very impatient experimental technique.  

…  the  people  that  I  have  worked  with,  especially  the  co‐authors  of  the  included  papers,  who  have  contributed  with  their  expertise  to  bring  science  one  tiny  step  forward. 

A  really  big  thank  to  all  the  present  and  past  members  of  the  Organic  Electronics  group at ITN (Daniel, David, Edwin, Elias, Elin, Emilien, Fredrik, Georgios, Hiam, Isak,  Jessica,  Jiang,  Joakim,  Klas,  Kristin,  Lars,  Linda,  Magnus,  Maria,  Max,  Nate,  Olga,  Oscar, PeO, Peter, Sophie, Thomas, Xavier, Xiangjun and Yu) for creating an amazing  working environment (and relaxing coffee breaks). 

I  want  to  thank  my  family  and  friends  for  believing  in  me  and  giving  me  all  the  support  that  has  brought  me  here.  And  of  course  thanks  for  all  the  good  times  outside of work. 

I  also  want  to  thank  the  two  most  important  persons  in  my  life:  My  loving  wife  Yashma  for  supporting  me  in  my  work.  Without  you  this  would  have  been  more  difficult. Last but not least I want to thank my little Kayvan that takes a lot of my time  but gives back so much more. 

(6)

Paper 1:  Patterning polythiophene films using electrochemical over‐oxidation 

Payman  Tehrani,  Nathaniel  D.  Robinson,  Thomas  Kugler,  Tommi  Remonen,  Lars‐Olov  Hennerdal,  Jessica  Häll,  Anna Malmström, Luc Leenders and Magnus Berggren  

Smart Materials and Structures 14 (2005) N21–N25  

Contribution:  All  the  experimental  work.  Wrote  the  first  draft  and  was  involved  in  the final editing of the paper.    Paper 2:  The effect of pH on the electrochemical over‐oxidation of PEDOT:PSS films  Payman Tehrani, Anna Kanciurzewska, Xavier Crispin, Mats Fahlman, Nathaniel D. Robinson and Magnus Berggren  Solid State Ionics 177 (2007) 3521–3527  Contribution:  Most of the electrochemical measurements. Wrote the first draft and  was involved in the final editing of the paper.    Paper 3:  Evaluation of active materials designed for use in printable electrochromic  polymer displays 

Payman  Tehrani,  Joakim  Isaksson,  Wendimagegn  Mammo,  Mats  R.  Andersson,  Nathaniel  D.  Robinson  and  Magnus Berggren 

Thin Solid Films 515 (2006) 2485–2492 

Contribution:  About  half  of  the  experimental  work  (not  including  the  synthesis  of  the  polymers).  Wrote  the  first  draft  and  was  involved  in  the  final  editing of the paper.    Paper 4:  Improving the contrast of all‐printed electrochromic paper‐displays  Payman Tehrani, Lars‐Olov Hennerdal, John R. Reynolds and Magnus Berggren  Manuscript  Contribution:  All the experimental work except the synthesis of the polymer and the  roll‐to‐roll  patterning  of  PEDOT:PSS.  Wrote  the  first  draft  and  was  involved in the final editing of the paper. 

 

Paper 5:  Printable  organic  temperature  logger  based  on  over‐oxidation  front  propagation in PEDOT:PSS 

Payman Tehrani, Isak Engquist, Nathaniel D. Robinson, David Nilsson, Mats Robertsson and Magnus Berggren  Manuscript 

Contribution:  All  the  experimental  work  except  the  DSC  measurement.  Wrote  the  first draft and was involved in the final editing of the paper. 

(7)

 

Related work not included in this thesis: 

  Printable All‐Organic Electrochromic Active‐Matrix Displays  Peter Andersson, Robert Forchheimer, Payman Tehrani, and Magnus Berggren  Advanced Functional Materials 17 (2007) 3074–3082    Device, kit and method for monitoring a parameter history  US2008013595, EP1862786    Patterning PEDOT:PSS layer by controlled electrochemical reaction  EP1916670    A device for integrating and indicating a parameter over time  Patent pending     

(8)
(9)

Table of contents

1 INTRODUCTION 1

2 CONDUCTING POLYMERS 3

2.1 π-CONJUGATED POLYMERS 3

2.2 EXAMPLES OF CONJUGATED POLYMERS 7

2.3 CHARGE CARRIERS 8

2.4 CHARGE TRANSPORT 9

2.5 OPTICAL PROPERTIES 11

3 ELECTROCHEMISTRY OF CONJUGATED POLYMERS 13

3.1 ELECTROCHEMICAL CELL 13

3.2 ELECTRODES OF CONJUGATED POLYMERS 14 3.3 ELECTROCHEMICAL MEASUREMENTS 17

3.4 ELECTROLYTES 18

3.4.1 ION TRANSPORT 19

3.4.2 IONIC CONDUCTIVITY 19

3.5 OVER-OXIDATION 21

4 APPLICATION OF CONJUGATED POLYMERS 23

4.1 ELECTROCHEMICAL OVER-OXIDATION PATTERNING 24 4.2 ELECTROCHROMIC DISPLAY 26

4.2.1 CIELAB COORDINATES 29

4.3 ELECTROCHEMICAL TIMER AND LOGGER 32

REFERENCES 35

(10)
(11)

Today,  we  are  surrounded  by  electronics  and  they  greatly  affect  our  daily  life.  It  all 

started with the transistor[1] that was demonstrated by the Bell Laboratories in 1947 

(Figure  1).  During  the  last  60  years  the  technology  has  been  developed  into  a  vast  array of products that we today take for granted. The field of organic electronics was 

started by the discovery of conducting polymers[2] in 1977. During the last 30 years 

new  materials  and  many  different  applications  have  been  demonstrated.  The  question is how organic electronics will affect our lives in 30 years? The properties of  this class of materials promise novel and exciting applications beyond the potential of  traditional, silicon‐based, electronics. Organic conducting polymers allow …  …simple and fast manufacturing using printing techniques  …use of flexible and lightweight carrier substrates such as paper or plastic films  …novel applications and devices  …unique ways of adapting the device function by tuning the material properties  though chemical engineering, which enables endless opportunities.    Figure 1. The first silicon based transistor demonstrated in Bell Laboratories.       

1 Introduction

(12)

Thanks to these benefits, new products have been developed and are now emerging  on  the  market.  The  most  mature  technology  is  organic  light  emitting diodes  (OLED)  where several companies have released products for the consumer market. The first  product that integrated an OLED display was the Philips shaver (Figure 2a) announced  in 2002. Recently Sony has started selling their first generation of OLED displays as an  11”  TV  with  extraordinary  high  contrast,  superb  color  accuracy  and  close  to  180°  viewing angle (Figure 2b). These products are only examples of what can be achieved  with  this  new  class  of  materials  and  many  other  technologies  are  approaching  the  market soon. 

 

Figure  2.  Two  examples  of  products  using  organic  based  displays.  (a)  A  Philips  shaver  from  2002.  (b)  The  Sony  OLED  TV  XEL‐1,  only  3  mm  thick  was  released  in  the  market  in  2007.  Copyright © Philips and Sony Corp.  

Above,  the  background  and  the  motivation  for  using  conducting  polymers  in  electronics were briefly reviewed. In chapter 2 the material and the basic principles  for  charge  conduction  in  conjugated  polymers  are  presented.  Chapter  3  describes  electrochemistry  and  its  application  to  conjugated  polymers.  Chapter  4  gives  an  overview  of  the  field  of  electrochemical  organic  electronics  devices  and  a  more  in  depth description of the work presented in this thesis. 

(13)

Traditionally, polymers have been considered as poor electronic conductors and have  extensively been used as insulators in electronics and electric power applications. In  1977,  A.  Heeger,  A.  MacDiarmid  and  H.  Shirakawa  demonstrated  that  chemical  doping  of  trans‐polyacetylene  films,  a  π‐conjugated  polymer,  can  enhance  its  electrical  conductivity  by  many  orders  of  magnitude  to  almost  reach  the  typical 

conductivity values of metals[2]. Their finding has resulted in a new class of materials 

offering  novel  applications  for  electronics  such  as  flexible  solar  cells,  light  emitting  devices,  printed  field  effect  transistors  and  electrochemical  components  made  on 

paper.  In  2000,  these  gentlemen  were  awarded  the  Nobel  Prize  in  chemistry[3]  for 

their discovery. The wide range of conductivity accessible in polymers originates from  the  diverse  nature  of  the  carbon  atom  in  different  chemical  structures.  The  conductivity of a material is determined by the number of charge carriers and their  inherent mobility. These parameters are governed by the chemical structure and the  morphology  of  the  polymer  film.  In  this  chapter,  the  relationship  between  the  chemical  structure  and  the  conductivity  is  discussed,  especially  the  charge  carriers  and the charge transport processes in the polymers.  

2.1

π

-conjugated polymers

Although  all  organic  materials  are  based  on  the  same  building  block,  the  carbon  atom,  materials  with  organic  compounds  exhibit  large  variety  of  properties.  Let  us  compare diamond and graphite, for instance. Both consist only of carbon atoms, but  they  have  completely  different  electrical,  optical  and  mechanical  properties:  Diamond  is  non‐conducting,  transparent  and  considered  as  one  of  the  hardest  material  known  to  mankind,  while  graphite  is  conducting,  black  and  brittle.  The  difference  can  be  explained  by  the  different  hybridization  of  the  carbon  atoms,  an 

     

(14)

atom which has four valence electrons in one 2s‐ and three 2p‐orbitals. In diamond, 

the  carbon  atom  is  sp3‐hybridized,  meaning  that  the  electrons  occupy  four  hybrid 

orbitals made of a mixture of one 2s‐ and three 2p‐orbitals. Because of the symmetry  of  the  four  equal  hybridized  orbitals,  the  tetrahedral  structure  that  is  characteristic 

for all sp3‐hybridized materials is created (Figure 3a). The electrons in the sp3‐orbitals 

have  a  small  extension  in  space  and  form  very  strong  bonds  (σ‐bonds)  with 

neighboring  atoms.  Therefore  materials  with  sp3‐hybridization  are  stable  and 

electrically insulating as there are no free electrons in the system.  

 

Figure  3.  The  four  valence  electrons  in  the  carbon  form  symmetrical σ‐bonds  to  four  other  atoms  in  case  of  sp3‐hybridized  material  (a).  In  case  of  sp2‐hybridized  materials  three 

symmetrical are formed with the last valence electron left in the 2p orbital orthogonal to the  plane of the σ‐bonds (b). 

In sp2‐hybridized materials, such as graphite, three of the four valence electrons are 

in sp2‐orbitals, a mixture of one 2s‐ and two 2p orbitals, while the last electron is in 

the  remaining  2p‐orbital.  The  sp2‐electrons  form  strong  bonds  (σ‐bonds)  with 

neighboring  atoms  and  create  the  backbone  of  the  material,  while  the  2p‐electron  forms π‐bonds with neighboring 2p‐electrons creating a double bond (together with 

the  σ‐bond).  Because  there  are  three  symmetrical  sp2‐orbitals,  the  sp2‐hybridized 

(15)

CH A P T E R  2 – CO N D U C T I N G   P O L Y M E R S 

orthogonal  to  the  plane  of  the  sp2‐orbitals.  In  contrast  to  the  sp2‐orbitals  they  are 

delocalized  and  can  reach  far  beyond  the  nearest  neighboring  atom.  The  sp2‐

hybridization  in  graphite  results  in  a  layered  structure  that  gives  softer  mechanical  properties as compared to the rigid diamond structure. In the following sections the 

specific electrical and optical properties of sp2‐hybridized material are discussed. 

 

Figure 4. As the number of carbon atoms increases, the overlap between the π‐orbitals cause  states  to  split,  eventually  giving  rise  to  continuous  bands  as  the  polymer  extends  into  a  long  chain. 

In a molecule with two sp2‐hybridized carbon atoms, the interaction between the 2p‐

electrons results in two molecular orbitals, one being of bonding nature with lower 

energy  level  (π)  and  one  being  antibonding  (π*)  located  at  a  higher  energy  level 

(Figure  4).  As  the  number  of  carbon  atoms  increases  in  a  molecule,  the  number  of  molecular  orbitals  increases.  In  large  molecules  with  N  carbon  atoms,  the  N  2p‐ electrons  yield  N  molecular  orbitals  all  with  different  energy  levels.  Because  N  electrons  can  occupy  N/2  states,  half  of  the  orbitals  are  filled  while  the  rest  are  empty.  For  electronic  and  optical  applications,  the  energy  difference  between  the  highest  occupied  molecular  orbital  (HOMO)  and  the  lowest  unoccupied  molecular  level  (LUMO)  is  important,  since  it  predicts  the  fundamental  properties  of  the  material.  As  the  number  of  carbon  atoms,  N,  increases,  the  energy  difference  between the levels decreases until they merge in continuous bands (Figure 4).  

(16)

Now consider an infinite chain of carbon atoms which are sp2‐hybridized. That would  give an infinite amount of atomic orbitals that are brought together and overlapping.  Because  of  the  energy  splitting,  the  molecular  orbitals  have  to  be  packed  densely  with  infinitesimal  energy  difference  between  them,  creating  bands  of  states  in  the  energy  diagram.  This  would  result  in  a  one  dimensional  metal  without  a  band  gap  (the energy difference between the HOMO and LUMO). But in practice this is not a  stable  state  and  a  band  gap  is  formed  between  the  bonding  and  the  antibonding 

states. This can be explained by Peierls theorem[4]: He stated that a one‐dimensional 

metal is unstable with respect to geometrical modification that leads to lowering of  the  symmetry  and removal  of  the  degeneracy  of  the HOMO  and  LUMO  levels,  thus  obtaining  a  semi‐conducting  state.  The  Peierls  theorem  applied  on  trans‐ polyacetylene  (Figure  6a)  yields  as  a  result  that  the  metallic  state  with  delocalized  electrons  in  the  polymer  chain  (Figure  5a)  is  unstable.  The  polymer  is  stabilized  through  a  geometrical  distortion  that  results  in  a  dimerization  of  the  unit  cell  with  alternating single and double bonds (Figure 5b). In this state the energy levels of the  HOMO and LUMO are separated creating a band gap that is characteristic for semi‐ conductors. Therefore all conjugated polymer are semi‐conductors in their undoped  state. 

 

Figure  5.  The  structure  of  trans‐polyacetylene  (a)  results  in  a  degenerated  HOMO  and  LUMO  state, which gives the polymer metallic properties. But according to Peierls theorem this state is  unstable  and  is  instead  transformed  into  the  more  stable  form  with  alternated  double  and  single bonds in (b) and a band gap between the HOMO and the LUMO state.  

(17)

CH A P T E R  2 – CO N D U C T I N G   P O L Y M E R S 

2.2 Examples of conjugated polymers

S S S S S O O O O O O O O O O N N N H N H a b c e f d S S S S S N H N H N H N H N H   Figure 6. Examples of some conjugated polymers (a) trans‐polyacetylene (b) polythiophene (c)  poly(para‐phenylene  vinylene)  (d)  polypyrrole  (e)  polyaniline  (f)  poly(3,4‐ ethylenedioxythiophene) 

The  simplest  conjugated  polymer,  from  a  structure  point  of  view,  is  trans‐ polyacetylene  (Figure  6a),  being  a  straight  conjugated  chain  of  carbon  atoms,  each  atom bonded to one hydrogen atom. Although trans‐polyacetylene is easy to model  in  theoretical  studies,  the  films  are  very  sensitive  for  exposure  to  air  and  water,  making  it  a  poor  candidate  in  applications.  Through  the  years,  different  classes  of  more  stable  conjugated  polymers  have  been  developed  (Figure  6).  One  of  the  characteristics  that  make  polymers  interesting  is  that  their  fundamental  electronic  and  optical  properties  can  be  tuned  by  changing  their  chemical  structure.  One  polymer that is widely used because of its stability and high conductivity is poly(3,4‐ ethylenedioxythiophene),  PEDOT,  a  polythiophene  derivative  with  a  low  band  gap  (Figure  6f).  PEDOT  itself  is  insoluble,  but  when  chemically  polymerized  with  poly(4‐ styrenesulfonate), PSS, as counter ion, a water emulsion can be obtained (Figure 7).  In  the  PEDOT:PSS  couple,  the  PEDOT  part  is  positively  doped  making  the  polymer 

(18)

S O O S O O S O O S O O S O O S O O S O O SO3Na SO3 SO3Na SO3Na SO3Na SO3 SO3Na + +   Figure 7. The positively doped PEDOT having PSS as the counter ion. 

2.3 Charge carriers

The  π‐electrons  in  a  neutral  conjugated  polymer  chain  are  bound  in  the  π‐orbitals  giving rise to an alternation of single and double bonds. In this state the conjugated  polymer has typical semiconducting properties. To conduct electricity, charges have  to be introduced into the polymer (removing or adding electrons). The charge in the  polymer chain is stabilized by altering the conjugation over several monomers (Figure  8). The charge together with the distortion of the structure of the polymer is denoted  a polaron and can be either negative or positive. When two polarons form a couple, a  so called bipolaron is generated with a charge of +2 (–2).  S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S + + e -S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S e - 

Figure  8.  The  doping  of  the  polymer  and  creation  of  a  positive  (left)  and  a  negative  (right)  polaron.  

The number of free charge carriers can be increased through doping, for instance via  charge  injection  from  electrodes  or  via  chemical  doping.  Chemical  doping  involves 

(19)

CH A P T E R  2 – CO N D U C T I N G   P O L Y M E R S 

charging the polymer film through chemical oxidation or reduction by dopant species.  The  dopant,  with  opposite  charge,  stays  in  the  film  and  balances  the  charge  of  the  polymer.  In  many  electrochemical  systems,  the  polymer  film  can  be  doped  and  dedoped reversibly via oxidation and reduction. 

 

Figure  9.  Positive  polaron  and  bipolaron  in  a  conjugated  polymer.  Overlap  between  charge  carriers at high doping levels results in the formation of bands. 

Upon doping, the charge carriers alter the structure of the polymer by increasing the  length  of  the  double  bonds  and  shortening  the  single  bonds,  thus  giving  a  more  quinoidic character. This results in a decreased energy splitting between the HOMO  and  the  LUMO  levels, moving  those  states  towards each  other  within  the  band  gap  (Figure  9).  As  the  doping  level  increases,  the  number  of  states  within  the  band  gap  increases. At high doping levels, the states within the band gap start to overlap and  create bands of bipolaronic states (Figure 9).  

2.4 Charge transport

In the solid state, polymer films are usually disordered with chains forming random  coils. The π‐system of the conjugated polymers makes the polymer straight and rigid  but  chemical  defects  or  torsion  break  the  conjugation  along  the  chain.  In  the  conjugated sections of the polymer (I in Figure 10), the charge is transported through  rearrangement  of  the  bonds  which  is  not  as  fast  as  in  inorganic  crystalline 

(20)

semiconductors.  The  rearrangement  is  limited  by  the  movement  of  nuclei  that  are  about 100 times slower than the electron rearrangement. But still, the limiting step  for charge transport is the hopping of charges in between chains and around defects  present in the bulk (II in Figure 10).     Figure 10. Transport of a polaron in a lightly doped film can be divided in intra‐chain transport  (I) and inter‐chain hopping (II)  In heavily doped polymer films, the polarons interact to form bands inside the band  gap promoting transport of the charge carriers in the bulk. Inhomogeneity in doping  level  and  morphology  creates  regions  with  poor  conductivity  between  the  highly  conducting  regions.  For  example  PEDOT:PSS  films  contain  highly  doped  “metallic”  grains surrounded by regions with low concentrations of PEDOT chains diluted in PSS  (Figure 11). Even though the electronic conductivity is high in the grains, the charge  transport is limited by the hopping from grain to grain. 

 

Figure  11.  Charge  transport  in  highly  doped  grains  with  a  low  concentration  of  conjugated  polymer chains in between the grains.  Inside the  grains, charges are delocalized and migrate  easily  (I),  while  charges  needs  to  hop  between  the  grains  passing  over  the  low‐conducting  phases (II). 

(21)

CH A P T E R  2 – CO N D U C T I N G   P O L Y M E R S 

2.5 Optical properties

The electronic structure of a material governs its optical properties as a result of the  interaction between electrons and photons. In order to absorb a photon, an electron  has to be excited to a higher available energy level corresponding to an increase of its  energy  state  equal  to  the  photon  energy  (Figure  12a).  The  light  emission  process  is  similar but reversed; a photon is emitted as an electron at a high energy level state is  de‐excited  to  an  available  state  with  lower  energy  (Figure  12b).  Many  conjugated  polymers have a band gap that matches the range of visible light (1.7 – 3.2 eV). This  means  that  conjugated  polymers  may  exhibit  absorption  and  light  emission  in  the  visible  region.  In  an  undoped  polymer,  the  band  gap  equals  the  lowest  energy  that  can be absorbed. Upon doping, the formation of polarons and bipolarons changes the  electronic  structure  and  introduces  new  states  within  the  band  gap.  These  new  electronic  states  allow  absorption  at  lower  photon  energies,  which  drastically  changes  the  absorption  spectrum.  As  the  doping  level  increases,  the  original  absorption  peak  diminishes  at  the  expense  of  the  new  polaronic  and  bipolaronic  peaks.  An  example  of  this  is  given  in  the  spectroelectrochemical  measurement  of  Figure  13.  Here  the  original  peak  at  2.3 eV,  corresponding  to  transition  between  HOMO  and  LUMO,  decreases  as  the  doping  level  increases.  Instead  a  new  peak  appears  at  1.3  eV  corresponding  to  formation  of  polarons  in  the  film.  When  the  doping  is  increased  even  further,  the  original  peak  at  2.3  eV  disappears  completely  while the main absorption occurs at further lower energies within the infrared region,  which indicates high concentration of bipolarons. 

a absorption

b emission

 

Figure 12. In an absorption (a)/emission (b) process an electron increases/decreases its energy  with the same amount that has been absorbed/emitted in a photon.  

(22)

If  the  change  in  absorption  occurs  within  the  visible  range,  the  human  eye  will  interpret this as a change of color. This means that the color of the film can reversibly  be  controlled  via  the  doping  and  de‐doping  which  is  controlled  by  an  electrical  addressing  signal.  This  effect  is  known  as  electrochromism  and  utilized  in  displays  (section 4.2)  1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0.0 0.2 0.4 0.6 0.0 V 0.7 V 0.9 V Ab s

Photon energy (eV)

 

Figure 13. The graph shows the absorption spectrum of an electrochromic polymer (PProDOT‐ Hx2) at different applied potential which changed the doping level in the polymer film.  

(23)

The  doping  level  of  conjugated  polymers  can  be  altered  through  reduction  or  oxidation of the polymer film in an electrochemical cell. As discussed in the previous  chapter,  a  change  in  doping  level  results  in  a  modification  of  the  charge  carrier  concentration, thus changing the fundamental electronic nature of the material. This  effect  is  utilized  in  simple  electrochemical  devices  such  as  transistors  and  electrochromic  displays.  In  this  chapter  the  basic  principles  of  electrochemistry  in  organic electronic materials are discussed. 

3.1 Electrochemical cell

Chemical  processes  involving  an exchange  of  electrons  are denoted  electrochemical  processes.  Conventional  chemical  reactions  are  controlled  by  the  concentration  of  the  chemical  species  and  their  cross  section  for  spontaneous  chemical  reactions.  In  an electrochemical reaction the potential applied to electrodes adds another degree  of freedom to control the reaction.     Figure 14. A simple electrochemical cell with two electrodes and an electrolyte in between. The  potential is applied so that the left electrode is reduced and the right electrode is oxidized.       

(24)

An  electrochemical  setup,  also  called  an  electrochemical  cell,  consists  of  two  electrodes  and  an  electrolyte  that  connects  them  (Figure  14).  When  a  potential  is  applied over the cell a current is able to flow through the cell and is a measure of the  reaction  rate.  Each  electrode  and  the  surrounding  electrolyte  represent  a  half‐cell  and therefore the reaction at one of the electrodes is called a half reaction. In order  to have a closed circuit in the electrochemical cell (required for the flow of current),  complementary  reactions  have  to  occur  at  the  two  electrodes.  Reduction,  where  electrons are consumed (at the left electrode in Figure 14) requires complementary  oxidation, where electrons are generated (at the right electrode in Figure 14). Under  these conditions the current will flow clockwise in the electrochemical cell according  to the scheme given in Figure 14.  

3.2 Electrodes of conjugated polymers

An example of a half reaction in a conjugated polymer is the formation of a positive  polaron through oxidation:  − − + − + + X P X e P :   Here, P denotes an undoped site in the polymer and X – an anion. When the polymer 

is  charged  the  anion  moves  inside  the  polymer  film  to  stabilize  the  positive  charge  (PP + − − + − + − + + − + ). This is referred to as electrochemical p‐doping. The n‐doping process is similar  but here instead, cations react with the polymer electrode material at the same time  as electrons are delivered to the material at the electrode:  ↔ + + M e P M P :  

Films  of  PEDOT:PSS  includes  immobile  anions  that  are  taking  part  in  the  p‐doping,  therefore the half reaction is slightly different, moving cations in and out of the film  to compensate the negatively charged PSS.  + + ↔ + PSS M PEDOT PSS M e PEDOT : :  

When  a  potential  is  applied  between  the  electrodes  in  an  electrochemical  cell,  the  ions migrate in the electrical field that is created within the cell. At equilibrium, the 

(25)

CH A P T E R  3 – EL E C T R O C H E M I S T R Y   O F   C O N J U G A T E D   P O L Y M E R S 

high concentration of ions close to the electrode screens the electrical field from the  bulk  of  the  electrolyte.  This  results  in  that  the  major  part  of  the  potential  drop  between  the  electrodes  occurs  at  the  electrode/electrolyte  interface  (Figure  15a).  The  layer  with  most  of  the  potential  drop  is  called  the  Helmholtz  double  layer  and  consists of negative (positive) charge carriers in the electrode and cations (anions) in  the electrolyte. The double layer is equivalent to a capacitance with a thickness of ∼3‐ 5 Å, corresponding to the size of the involved ions. When a current passes through  the cell, i.e. at non‐equilibrium, only part of the potential drop inside the cell occurs  at the electrodes (Figure 15a). This means that a potential drop also occurs within the  bulk of the electrolyte (Figure 15b) resulting in a flow of ions within the electrolyte.    Figure 15. The potential profile within the electrolyte when a potential is applied. (a) shows the  equilibrium case and (b) shows when a current is passing through the cell. In both cases most of  the potential drop is over the Helmholtz layer at the electrode interface. 

The  dynamics  of  the  electrochemical  reaction  can  be  limited  by  the  reaction  rate  itself along the electrodes, the electrical conductivity of the film or electrode, or the  conductivity of the electrolyte. In non‐crystalline polymers the film is often porous so  that  the  electrolyte  can  penetrate  into  the  film  making  the  interface  between  the  electrode  and  electrolyte  effectively  enormous  and  less  well‐defined.  This  implies  that the Helmholtz double layer that is built at the interface of the electrolyte and the  electrode can be very large and in principle include parts of the bulk electrode. This  suggests that the reaction rate is limited either by the electronic conductivity of the 

(26)

film  or  by  the  diffusion/drift  of  ions  in  the  electrolyte.  Such  limitations  have  been  observed  in  two  extreme  cases  (Figure  16)  where  in  the  first  situation  poly(3‐

hexylthiophene)  (P3HT)  is  p‐doped  in  acetonitrile  electrolyte[6]  and  in  the  second, 

PEDOT is undoped using solidified gelled electrolytes. P3HT, in its undoped state, has  a very poor electronic conductivity. In this case, as a potential is applied, the end of  the film closest to the anode will start to be oxidized (and hence become doped). This  will enhance the conductivity of the film allowing oxidation to occur further along the  film.  Eventually  the  entire  film  will  be  oxidized,  as  the  front  moves  across  the  film  starting from the anode. In the PEDOT:PSS system PEDOT is doped in its pristine state  and  therefore  highly  conducting.  Using  a  gelled  electrolyte  with  low  water  content  gives a low ionic conductivity. In a cell including PEDOT:PSS as one of the electrode  materials with a gelled electrolyte including a low water content, the ion diffusion in  the electrolyte entirely dictates the switch characteristics. Therefore the reduction of  the PEDOT:PSS film will start at the end closest to the counter electrode (the source  of ions) and then move towards the cathode as a moving front.   

Figure  16.  (a)  doping  process  of  P3HT  in  aqueous  electrolyte  with  high  ionic  conductivity.  (b)  undoping of PEDOT:PSS in a gelled electrolyte of low ionic conductivity. 

Because PEDOT:PSS is partly doped from its synthesis, it is possible to further oxidize  or  reduce  the  film.  Therefore  films  of  PEDOT:PSS  can  be  used  as  the  counter  electrode  for  either  oxidation  or  reduction.  When  the  working electrode  is reduced  the counter electrode has to be oxidized and since a 1:1 charge transfer is required,  one  reduced  species  at  the  working  electrode  requires  one  oxidized  species  at  the 

counter electrode. The doping fraction of pristine PEDOT:PSS films is very high[7] (for 

the  films  used  in  our  lab  it  is  estimated  to  be  about  80%  of  the  maximum  doping  level).  This  means  that  the  volume  of  the counter  electrode  should  be  at least  four  times  larger  than  that  of  the  working  electrode  to  enable  full  reduction  to  occur  at 

(27)

CH A P T E R  3 – EL E C T R O C H E M I S T R Y   O F   C O N J U G A T E D   P O L Y M E R S 

the  working  electrode[8].  This  fact  is  one  key  criterion  in  designing  electrochemical 

devices.  

3.3 Electrochemical measurements

Material  analysis  can  be  performed  using  electrochemical  measurements.  For  example the energy levels (ionization potentials) of a polymer can be estimated using  relatively simple measurement equipment. A simple model of conjugated polymers in  electrochemical  measurements  is  sketched  in  Figure  17  where  the  p‐doping  of  an  undoped polymer is displayed. N‐doping is similar but a negative potential is applied  to the electrode giving that electrons are injected into the polymer at the LUMO level  instead.    Figure 17. A sketch of an electrochemical process in conjugated polymers. (a) The Fermi level of  the metal electrode is in the band gap of the polymer. (b) When a positive potential is applied  to  an  electrode,  the  Fermi  level  is  decreased,  allowing  charge  transfer  when  the  Fermi  level  matches  the  HOMO  level  of  the  polymer,  resulting  in  p‐doping  of  the  polymer  film.  (c)  The  charge  in  the  polymer  film  is  stabilized  by  forming  a  polaron  resulting  in  moving  the  energy  levels inside the band gap. 

In an experiment, where the potential is linearly swept cyclically around the p‐doping  potential of a polymer, the current response would in principle be as in Figure 18. As  the potential is increased the polymer is oxidized (p‐doped) and a positive current is  measured.  The  width  of  the  current  peak  is  caused  by  the  disorder  in  the  polymer  that  causes  the  chains  in  the  film  to  have  varying  oxidation  potential.  When  the  potential  is  decreased,  the  p‐doped  polymer  is  reduced  to  the  neutral  state  and  a 

(28)

negative  current  is  measured.  Note  that  the  reduction  potential  is  lower  than  the  oxidation  potential  because  of  the  relaxation  described  in  Figure  17c  where  the  energy level of the p‐doped species is higher and therefore will be reduced at a lower  potential compared to the oxidation. 

 

Figure  18.  Cyclic  voltammogram  expected  when  p‐doping  (and  dedoping)  a  polymer.  The  oxidation and reduction occur at different potentials since relaxation in the polymer occurs as a  consequence of electrochemical reactions. 

This  technique,  where  the  potential  is  repeatedly  swept  up  and  down  in  voltage  is  called cyclic voltammetry (CV) measurement and is widely used to measure material  characteristics and for evaluation of the electrochemical properties of compounds. In  paper  2,  CV  measurements  have  been  used  to  look  at  the  oxidation  and  over‐ oxidation  potential  of  various  polymers.  In  paper  3,  a  similar  experiment  has  been  used, but instead of cycling the potential, only one linear sweep is measured, called  linear sweep voltammetry (LSV). 

3.4 Electrolytes

The electrolyte is the ionic conduction medium between the electrodes and can be in  a  liquid,  solid  or  gelled  state.  Two  examples  of  common  solvents  used  in  liquid  electrolytes  are  water  and  acetonitrile.  Water  is  polar  and  can  easily  dissolve  common  salts,  but  its  stable  potential  window  is  quite  narrow  preventing  accurate  electrochemical measurements at higher potentials. In contrast, acetonitrile is more  stable  and  offers  a  much  wider  potential  window  for  the  electrochemical 

(29)

CH A P T E R  3 – EL E C T R O C H E M I S T R Y   O F   C O N J U G A T E D   P O L Y M E R S 

measurements. Because acetonitrile is less polar, salt with larger ions are preferred,  for  example  tetrabutylammonium  perclorate.  Liquid  electrolytes  are  suitable  for  electrochemical  measurements,  but  in  devices,  solid  or  gelled  electrolytes  are  preferred due to their non‐volatile nature. Solid electrolytes are usually based on ions  mixed in an ion‐conducting matrix. For example the electrolyte system in paper 5 is  based  on  polyethylene  glycol  (PEG)  as  the  ion‐conducting  matrix  and  Lithium 

trifluoromethanesulfonate (LiF3CSO3) as the salt. Polyelectrolytes define another class 

of electrolytes which also contain ions – either polycations with smaller anions as the  counter  ion  or  polyanions  with  small  cations.  An  example  of  the  latter  is  poly(4‐

styrenesufonate)  (PSS)  that  contains  immobile  sulfonate  (‐SO3–)  ions  and  positive 

counter ions, such as sodium (Na+) or protons (H+). Gelled electrolytes consist mostly 

of  liquid  (usually  water)  and  a  solid  network  that  gives  the  gel  its  mechanical  properties.  Because  of  the  high  liquid  content  they  have  normally  high  ionic  conductivity.  

3.4.1 Ion transport

For  high  ionic  mobility,  easy  and  fast  transport  of  ions  through  the  material  is  required. The transport mechanism for the ions depends on the type of electrolyte. In  liquids the ions are surrounded by solvent molecules that follow the ions, creating a  large package that has to be transported through the electrolyte. The viscous drag of  this large package within the liquid electrolyte will then be the rate limiting factor for  the ion transport. In solid electrolytes based on a polymer matrix, the flexibility of the  chains in the amorphous phase of the material allows for the ions to be transported.  Like walking through a crowded dance floor, the polymer chains make room for the  ion to travel across the material. But this is not possible in a crystalline phase where  the  material  is  densely  packed  and  does  not  have  enough  space  to  allow  fast  transport of ions.  

3.4.2 Ionic conductivity

The current in an electrochemical cell can be assigned to two mechanisms: diffusion  caused by a concentration gradient or drift due to an electrical field. The total current 

(30)

c D V F c z diffusion drift+ =− =J J μ∇ − ∇ J   where z is the charge of the ions (for example –1 or +2), c is the concentration, F is 

the  Faradays  constant  (∼96500  C/mol), μ  is  the  mobility  of  the  ions  and  D  is  the 

diffusion  coefficient  which  is  proportional  to  the  mobility.  The  applied  potential  creates a force that drives the ions in the direction of the field. This drift part of the  current  is  intuitive,  but  the  applied  potential  can  also  build  up  a  concentration  gradient,  through  accumulation  of  electrochemical  reaction  products.  The  result  of  the  random  movement  of  the  ions  is  a  net  flow  opposite  to  the  direction  of  the  concentration  gradient,  being  the  diffusion  part  of  the  current.  Which  mechanism  that  is  dominant  depends  on  the  ionic  conductivity  of  the  electrolyte  and  the  geometrical conditions of the setup.  The ionic conductivity (κ) of an electrolyte can be calculated from the potential drop  (V) along the distance (l) and the current density which is the current (I) that passes  through the cross section area (A):  A V I l ⋅ = κ     Figure 19. A simplified geometry for measuring the ionic conductivity. I is the current through  the cell, V is the potential difference at a distance l and A is the area of the cross section of the  ion path. 

One  method  for  measuring  the  ionic  conductivity  is  to  utilize  a  four‐point‐probe 

(31)

CH A P T E R  3 – EL E C T R O C H E M I S T R Y   O F   C O N J U G A T E D   P O L Y M E R S 

measurement is easier to analyze. This has been employed in paper 5 to measure the  ionic conductivity of PEG based electrolyte at different temperatures. 

3.5 Over-oxidation

At  low  potentials  electrochemical  switching  of  conjugated  polymers  is  reversible,  meaning that a large number of reductions and oxidations can be done repeatedly.  However,  degradation  of  the  electroactivity  has  been  observed  at  high  anodic 

potentials  in  polythiophenes[11‐13].  The  phenomenon  is  called  over‐oxidation  and 

reduces the potential window available for the reversible reactions. Over‐oxidation is  an  irreversible  reaction  that  results  in  a  non‐conducting  and  electrochemically  inactive film as it breaks the conjugation in the polymer chains. In a study by Barsch 

et.  al.  on  the  over‐oxidation  phenomenon  in  polythiophene  films[14],  electrolytes  based  on  acetonitrile  with  different  concentrations  of  water  were  used  to  electrochemically switch polythiophene films. They observed that both the degree of  over‐oxidation  and  the  potential  at  which  it  occurs  is  highly  dependent  on  the  amount  of  water  in  the  electrolyte.  They  proposed  a  mechanism  that  step‐wise  degrades  the  conjugation  in  the  polymer  (Figure  20).  This  mechanism  suggests  that 

first oxygen binds to the sulfur atom in the thiophene ring and then SO2 is detached 

from  the  chain.  After  losing  the  conjugation  in  the  polymer  chain,  the  backbone  of  the chain is ripped apart in the last step.  S S O S O O O O O O H O O OH   Figure 20. Proposed mechanism for over‐oxidation of polythiophene[14]. 

(32)

Even though a thorough study of the over‐oxidation of PEDOT has not been published  yet,  it  is  reasonable  to  suspect  that  the  over‐oxidation  of  PEDOT  follows  a  similar 

mechanism.  Coulometry  measurements  on  PEDOT  suggest  SO2  formation  on  the 

thiophene  rings[15].  Also  the  Fourier transform  infrared  spectroscopy  measurements 

included in paper 3 support this hypothesis. 

The PEDOT films can be over‐oxidized in other ways, besides electrochemical, which  lead to a degradation of the conductivity. Ultraviolet light in combination with oxygen  is known to induce photo‐oxidation of the conjugated PEDOT material, resulting in a  reduction in electrical conductivity. This photo‐oxidation leads to shorter conjugation  lengths,  due  to  sulfone  group  formation  and  chain  scission  accompanied  by  the 

addition of carbonyl or carboxylic groups[7, 16]. Similar chemistry occurs upon heating 

in  air,  where  oxidative  degradation  of  conjugated  polymers  has  also  been 

reported[17].  Under  these  conditions,  the  conductivity  of  PEDOT  decreases 

exponentially with time according to an Arrhenius law[18] type of behavior. 

Over‐oxidation is one of the main sources of failure in many devices and is therefore  avoided  as  much  as  possible.  The  mechanism  is  irreversible  and  results  in  a  non‐ conducting film phase which can be locally defined. Controlled electrochemical over‐ oxidation  can  be  used  as  a  method  for  deactivation  of  the  conductivity  in  a  subtractive patterning process (see further in section 4.1 and paper 1). Because of its  irreversibility, the over‐oxidation front propagation can be utilized in electrochemical  timer and logger (see further in section 4.3 and paper 5). 

(33)

For  more  than  30  years,  the  field  of  conducting  polymers  has  been  under  development.  Major  progress  has  been  made  in  increasing  the  stability  and  functionality  of  materials  for  various  applications.  One  of  the  most  simple  applications  where  conducting  polymers  are  used  is  antistatic  coatings,  used  for 

example  on  photographic  foils[5].  More  sophisticated  applications  include  new  solar 

cells[19],  light  emitting  devices[20],  field  effect  transistors[21]  and  different 

electrochemical  devices[22‐26].  In  some  applications,  organic  materials  offer  better 

performance  or  new  functionalities  as  compared  to  their  inorganic  counterparts,  exemplified  by  superior  performance  of  OLED  displays  compared  to  LCD  displays  when it comes to energy consumption, weight, color accuracy and viewing angle. In  other cases simplified manufacturing gives huge benefits in comparison with existing  inorganic  technologies.  For  example,  using  flexible  substrates  and  low‐cost  manufacturability makes the organic solar cell interesting despite their low efficiency.  Another  technology  where  low  manufacturing  costs  enable  new  markets  is  RFID  (radio  frequency  identification)  added  onto  packages  and  low  cost  surfaces.  Such  device systems can be realized with organic circuitry made out of organic field effect  transistors (OFET). Several companies are now targeting such RFID products for track  and trace applications for logistics. 

One class of devices of special interest for this thesis is the electrochemical devices, 

including  electrochromic  displays[5,  26,  27],  electrochemical  transistors[24,  28]  and 

actuators[29,  30]. Electrochemical devices are robust and operating at low voltage and 

well suited for manufacture using printing techniques. In these devices desired nano‐ features/dimension  are  spontaneously  formed  and  defined  by  the  Helmholtz  layer  that reduces the significance of controlling the film thickness that otherwise is crucial   

   

(34)

for  the  devices  driven  by  charge  injection  or  field  effects.  This  makes  it  possible  to  manufacture  fully  printed  devices,  which  will  give  very  low  manufacturing  costs  on  for instance paper and other non‐ideal surfaces for electronics. A common drawback  of these devices is limited ionic conductivity, which results in rather slow devices.  

4.1 Electrochemical over-oxidation patterning

The  benefits  of  organic  electronics  include  new  functionality,  materials  with  low  environmental  impact  and  the  possibility  to  use  printing  tools  in  the  manufacturing  process.  Printing  is  an  ancient  technology  that  has  been  developed  over  the  past  centuries to be a fast and high volume production technique for reproducing text and  images.  When  now  using  printing  for  manufacturing  organic  electrics,  a  well  developed  technique  with  little  need  for  major  modifications  is  available  for  high  volume  manufacturing  of  electronics.  Today,  many  different  techniques  have  been 

demonstrated for printing and patterning conducting polymers, such as inkjet[21, 31, 32], 

screen[33],  offset[34],  gravure[34]  and  flexographic[34]  printing  the  most  common  being  the inkjets and screen‐printing technology. These additive techniques can be used to  print polymers and to create patterns down to resolutions of around 100 µm, which 

is enough for large area displays[32,  33] and solar cells[35]. Coated polymer films often 

possess  better  and  more  homogenous  solid‐state  properties  compared  with  those  printed  through  additive  processes.  The  coated  film can  then be  patterned  through  subtractive  patterning  techniques  such  as  chemical  deactivation  at  the  polymer  surface  in which  a chemical  agent  converts  the  conjugated  material to  a non‐active 

material[36,  37]. These techniques are typically very slow and often require hazardous 

reagents,  but  most  importantly  the  pattern  resolution  is  limited  by  diffusion  of  the  agent  into  and  along  the  polymer  film.  Plasma‐etching  techniques  can  be  used  in  combination  with  photolithography;  however,  these  techniques  require  a  vacuum  and  are  typically  not  suitable  for  low‐cost  roll‐to‐roll  processing. Another  technique  for subtractive patterning of conductive films of PEDOT:PSS is to use electrochemical  over‐oxidation  (ECO). As  described  in  section  3.5,  over‐oxidation  is  an  electronically  controlled,  irreversible  process  that  results  in  a  non‐conducting  film.  ECO  can  be  utilized  in  combination  with  various  patterning  tools  and  offers  an  electrically 

(35)

CH A P T E R  4 – AP P L I C A T I O N   O F   C O N J U G A T E D   P O L Y M E R S 

controlled  deactivation  method.  It  can  be  used  together  with  photolithography  to  achieve  high  resolution  µ‐patterns  or  be  used  in  a  screen  printing  step  in  order  to  produce  patterns  at  high  volumes  in  a  roll‐to‐roll  process.  The  conductivity  ratio 

between the conducting and insulating parts of a patterned film can reach 107, which 

is enough for various simple electronics with relatively low packing density.   

 

Figure  21.  The  Nilpeter  printing  press,  within  the  Printed  Electronics  Arena  Manufacturing,  is  used to print organic electronics. © Niclas Kindahl, Fotofabriken. 

In  recent  years  Acreo  AB  in  Norrköping  has,  in  collaboration  with  Linköping  University,  developed  a  process  for  a  Nilpeter  printing  press  (Figure  21)  to  produce  electrochemical  devices  in  a  roll‐to‐roll  process.  The  starting  material  is  Orgacon™,  which  is  a  pre‐coated  PEDOT:PSS  thin  film,  here  deposited  on  paper  or  plastic  substrates,  supplied  by  Agfa‐Gevaert  in  Belgium.  Manufacturing  of  electrochemical  devices then basically requires only three printing steps. First, subtractive patterning  of the Orgacon™ through ECO patterning in a screen printing step results in a pattern  with a resolution down to 100 µm at around 5 – 50 meters per minute. In the next 

(36)

step, the electrolyte is applied in another screen‐printing step. Finally, the devices are  encapsulated, by a plastic film, for mechanical protection. This Nilpeter printing press  is small and simple but at 5 meters per minute it can produce more than 50 million  devices (1 dm²) each year. 

4.2 Electrochromic display

The  color  of  conjugated  polymers  can  be  changed  reversibly  by  controlling  their  doping  level  while  they  are  included  as  electrode  in  an  electrochemical  cell.  This  effect is utilized in the electrochromic displays (ECD) where an electrical signal is used  to  change  the  color  state  of  the  display.  ECDs  can  be  used  in  different  types  of 

applications  such  as  in  smart  windows  to  control  the  transmission  of  sunlight[38],  as 

simple  indicators  in  smart  package  applications  or  as  the  individual  display  pixel  in 

matrix addressed e‐paper[22, 39]. 

Usually, the electrochromic (EC) polymer is cast or coated on a conducting electrode,  such  as  onto  indium  tin  oxide  (ITO)  or  gold,  to  achieve  transparent  or  reflective  device  configurations,  respectively.  But  if  the  electrochromic  polymer  has  high  intrinsic  conductivity  in  both  the  doped  and  de‐doped  states,  there  is  no  need  for  such  conducting  substrate  electrode;  the  electrochromic  polymer  can  be  its  own  electrode.  This  gives  a  simplified  device  architecture  that  also  is  simpler  to  manufacture.  For  this  reason  polymers  like  PEDOT,  with  high  intrinsic  conductivity, 

have  received  major  attention  in  ECDs[26].  The  ease  of  processing  PEDOT:PSS  has 

encouraged  scientists  for  instance  at  Acreo  AB  in  Norrköping  to  develop  an  all‐ organic  display  on  paper  substrates  in  collaboration  with  the  Organic  Electronics 

group  at  Linköping  University[40].  These  displays  are  flexible,  lightweight  and  can 

easily be manufactured into any shape or design. In Figure 22 seven‐segment displays  are  shown  that  have  been  demonstrated  by  LiU  and  Acreo.  The  PEDOT:PSS  display  has  clear  color  switching  between  blue  color  in  the  reduced  state  and  nearly  transparent in the oxidized state. 

(37)

CH A P T E R  4 – AP P L I C A T I O N   O F   C O N J U G A T E D   P O L Y M E R S 

 

Figure  22.  Two  seven‐segment  digits  made  with  ECD  in  PEDOT:PSS.  The  display  is  made  with  printable  techniques  by  Acreo  AB  and  Organic  Electronics  at  Linköpings  University.  ©  Niclas  Kindahl, Fotofabriken. 

Even  though  the  color  switch  contrast  of  PEDOT:PSS  displays  are  satisfied  for  indicators and simple displays, higher contrast is desirable for improved performance  in  more  advanced  displays.  Several  routes  have  been  presented  for  improving  the  optical contrast of PEDOT:PSS displays. Admassie et. al. introduced a grating pattern  (µm‐scale)  in  the  PEDOT:PSS  film  that  through  diffraction  highly  increased  the 

absorption of the PEDOT:PSS film compared to an unpatterned film[41]. With the right 

material choice, this method can be used for improvement of the optical contrast.  The most common method, though, is to add an extra EC polymer that complements  the color of PEDOT:PSS. For significant improvement of the optical contrast, the dark  state should complement the blue color of PEDOT:PSS and together cover as much as  possible  of  the  visible  spectrum.  At  the  same  time,  the  uncolored  state  should  be  highly transparent at all optical wavelengths in order to provide nearly a translucent  state. 

The extra EC polymer material can be added to the ECD structure in different ways  depending  on  its  optical  and  electrochemical  properties  (Figure  23).  When  the  EC  polymer  has  opposite  coloring  polarity  as  compared  to  PEDOT,  i.e.  colored  while  oxidized and transparent when it is reduced, the extra EC film is best utilized as the  counter electrode in vertical structures (Figure 23a). Contrary, if the EC polymer has  the same optical “polarity” as PEDOT it is better included as a film on top of the active 

(38)

PEDOT:PSS  electrode,  which  can  be  either  in  a  vertical  (Figure  23b)  or  lateral  structure  (Figure  23c).  Usually  the  rate  limiting  step  in  the  displays  is  the  ionic  conductivity of the electrolyte, which means that a vertical display will switch faster  and  more  homogeneously.  However,  a  lateral  structure  offers  a  more  simplified  manufacturing process.  

PEDOT PEDOT PEDOT

Electrolyte Electrolyte

Substrate Substrate Substrate

Substrate Substrate PEDOT PEDOT a b c EC‐polymer EC‐polymer EC‐polymer Electrolyte   Figure 23. Different ways to improve the contrast in an ECD.  In paper 3 and paper 4, the improvement of optical contrast is discussed. The work in  paper  3  is  focused  on  the  design  rules  for  choosing  materials  in  contrast  improvement  of  PEDOT:PSS  displays.  Here  transmissive  measurements  were  conducted  with  a  standard  absorption  spectrometer  using  transparent  plastic  substrates (PET‐foils). 

But  the  observed  switch  contrast  values  of  the  transmissive  displays  presented  in  paper  3  cannot  be  directly  translated  to  reflective  display.  Paper  displays  are  interesting from a device point‐of‐view, therefore the work presented in paper 4 was  angled  towards  devices  and  important  parameters  used  in  applications.  ECDs  with  paper  substrates  manufactured  in  the  printing  press  were  modified  by  adding  an  extra layer of an EC‐polymer. Both contrast and switching speed measurements was  based on reflective setups. 

There  are  several  practical  issues  that  put  constrains  on  the  design  of  printable  EC  devices.  The  main  problem  is  to  choose  an  electrolyte  that  has  high  enough  ionic  conductivity, to achieve reasonably fast switching, is printable and also gives proper  mechanical  stability.  The  electrolyte  should  also  maintain  its  high  ionic  conductivity  even after long storage times in dry conditions. This turns out to be a great challenge  as high ionic conductivity usually requires high water content, which eventually will  evaporate  in  dry  storage  conditions.  One  route  could  be  to  use  encapsulation  that 

(39)

CH A P T E R  4 – AP P L I C A T I O N   O F   C O N J U G A T E D   P O L Y M E R S  does not allow the drying out of the electrolyte, but water molecules are small and  can go through most materials. Only metal films could give the desired protection but  those are not transparent and cannot be used for displays. Different plastic films are  not dense enough but could be noticeably improved by using additives such as clay  nano‐particles. Scientists are working hard to improve the barrier function of plastic  films but the materials are expensive and still not good enough as a barrier for water  molecules.  Another  route  could  be  to  develop  electrolyte  materials  with  high  ionic  conductivity  also  at  low  humidity  levels  and  only  use  the  encapsulation  as  a  mechanical protection. 

Another issue that has to be considered as well is the design of the counter electrode.  As  mentioned  earlier  any  electrochemical  half  reaction  must  be  balanced  in  the  counter electrode. When using PEDOT in the counter electrode, care must be taken  to  ensure  that  enough  redox  sites  are  available  for  active  electrode  to  be  fully  switched.  In  a  lateral  design  with  the  same  film  thickness,  the  area  of  the  counter  electrode should be at least four times larger than the active pixel (see section 3.2). 

4.2.1 CIE Lab coordinates

The light that escapes from an illuminated or luminescent object is nothing more that  a  spectrum  of  photons  of  various  wavelengths  and  intensities.  When  that  light  hits  our eyes, it is absorbed by the rods and cones on the retina, transformed into nerve  signals and translated into a perception of color in the brain. Because humans have a  three‐dimensional color space (given by the three different cones that are sensitive  to  different  colors),  many  of  the  existing  color  systems  have  three  coordinates.  In  light emitting devices, three pixels with red, green and blue (RGB) color are used to  span  the  color  space.  The  RGB  color  system  is  practical  for  creating  a  display  but  is  actually not a good description of the full color space accessible with human eyes. In  1931,  the  International  Commission  on  Illumination  (Commission  Internationale  de  l'Eclairage, CIE) developed a model defining colors by three coordinates by X, Y and 

References

Related documents

pedagogue should therefore not be seen as a representative for their native tongue, but just as any other pedagogue but with a special competence. The advantage that these two bi-

Hade Ingleharts index använts istället för den operationalisering som valdes i detta fall som tar hänsyn till båda dimensionerna (ökade självförverkligande värden och minskade

Electrochemical Switching in Conducting Polymers – Printing Paper Electronics Payman

Därmed kan det vara betydande att sjuksköterskan bidrar med kunskap om sjukdomen och olika copingstrategier för att minska patientens känsla av brist på kontroll.. Som

In Kenya, mobile technology is ubiquitous; mobile phones are an essential tool in the daily lives of most residents, from rich to poor. Mobile technology can

By separating the linkage between loci affecting inter-population variation in brain mass and body mass in an advanced intercross we demonstrate that domestication selection has

Traditional TV is well domesticated and understood by most people and TV practices are deeply embedded in the ways that we live our daily lives [18]. The growing complexity of

The goal with the online survey was to examine if CSR used by Western firms active in China to increase loyalty of Chinese current and future employees.. This is in line with what