Tištěná elektronika

Tištěná elektronika je obor elektroniky, který se zabývá tvorbou elektronických obvodů pomocí tiskařského zařízení , které umožňuje nanášet speciální inkoust (vodivý, polovodičový, odporový atd.) na povrch plochého substrátu a tím vytvářet aktivní a pasivní prvky na něm a také mezičlánkové spoje podle elektrického schématu .

Vzhled tištěných elektronických obvodů je spojen s vývojem nových materiálů, které za určitých podmínek mohou nahradit křemík v elektronických a počítačových technologiích. Ukázalo se, že některé látky (včetně organických polymerů a nanočástic sloučenin kovů ) lze přidávat do kapalin, které působí jako barvy nebo inkousty , které se poté nanášejí na substrát a vytvářejí aktivní nebo pasivní zařízení, jako jsou tenkovrstvé tranzistory nebo rezistory . [1] .

Při konvenčním tisku se vrstvy inkoustu obvykle nanášejí na papír , ale ukázalo se, že pro tištěnou elektroniku je to málo použitelné. Drsný povrch papíru a jeho rychlá absorpce vody způsobily přesunutí pozornosti k materiálům jako plast , keramika nebo křemík . Tisk obvykle používá generické tiskové zařízení, konkrétně sítotisk , flexografii , rotační hlubotisk a ofsetový tisk a inkoustové tiskárny . Stejně jako v klasickém tisku, i v tištěné elektronice se inkousty nanášejí ve vrstvách na sebe, proto je v tomto směru nejdůležitějším úkolem koordinovaný vývoj tiskových metod a inkoustových materiálů [2] .

Pojem tištěná elektronika úzce souvisí s organickou nebo plastovou elektronikou, ve které je jeden nebo více inkoustů složeno z uhlíkových sloučenin. Pojem organická elektronika je spojen specificky s materiálem inkoustu, který lze nanášet z roztoku vakuovým nanášením nebo jiným způsobem. Naproti tomu název tištěná elektronika je určen procesem, nikoli materiálem. Zde lze použít jakékoli materiály, včetně organických polovodičů , anorganických polovodičů, kovových vodičů, nanočástic , uhlíkových nanotrubic atd.

Charakteristiky tištěných elektronických zařízení jsou obecně horší než u běžných elektronických zařízení, ale ty jsou dražší z hlediska nákladů. Právě nízké náklady jsou nejdůležitější výhodou tisku, zejména u velkosériové výroby. Očekává se, že tištěná elektronika usnadní všudypřítomnost velmi levné elektroniky pro aplikace, jako jsou flexibilní displeje, RFID , dekorativní a animované plakáty, aktivní povlaky atd., tj. pro ty produkty, které nevyžadují vysoce výkonná schémata elektroniky.

Nižší cena umožňuje použití produktů ve více aplikacích. [3] Příkladem je systém RFID, který zajišťuje bezkontaktní identifikaci zboží v oblasti obchodu a dopravy. V některých oblastech, jako je výroba LED , tisk neovlivňuje výkon produktu. [2] Tisk na flexibilní substráty umožňuje vytvářet elektronické produkty na zakřivených plochách, jako je montáž solárních panelů na střechy automobilů.

Technologie tisku

Přitažlivost tištěných technologií pro výrobu elektroniky je způsobena především schopností připravovat vrstvy po vrstvě mikrostrukturované polotovary (a tím vyrábět tenkovrstvá zařízení) mnohem jednodušším a cenově výhodnějším způsobem než konvenční elektronika. [4] Kromě toho hraje roli i možnost implementace nové nebo vylepšené funkcionality (např. mechanická flexibilita). Volba použitých tiskových metod je dána požadavky na potištěné vrstvy, vlastnostmi potiskovaných materiálů a také ekonomickými a technickými ohledy na potiskované produkty.

Technologie tisku se dělí na archové a kotoučové. Techniky podávání archů, jako je inkoustový tisk a sítotisk, jsou nejvhodnější pro vysoce přesnou práci při malých objemech. Hlubotisk , ofsetový a flexotisk jsou vhodnější pro velkoobjemovou výrobu, jako jsou solární panely, kde je dosahováno rychlosti výroby 10 000 metrů čtverečních za hodinu (m²/h) [4] [5] . Zatímco ofsetový a flexografický tisk se používá především pro anorganické [6] [7] a organické [8] [9] vodiče (poslední také pro dielektrika [10] ), rotační hlubotisk je díky vysoké kvalitě vrstev zvláště vhodné pro organické polovodiče a polovodičově-dielektrické přechody v tranzistorech. [10] V kombinaci s vysokým rozlišením je rotační hlubotisk vhodný i pro anorganické [11] a organické [12] vodiče. Organické tranzistory s efektem pole a integrované obvody lze kompletně vyrobit pomocí metod sériového tisku [10] .

Inkoustové tiskárny jsou flexibilní, všestranné zařízení, které lze překonfigurovat s relativně malým úsilím. Zřejmě se proto používají nejčastěji. [13] Inkoustové tiskárny však mají nízkou produktivitu (asi 100 m 2 /h) a nízké rozlišení (asi 50 mikronů). [5] Dobře se hodí pro materiály s nízkou viskozitou a dobrou rozpustností, jako jsou organické polovodiče. U materiálů s vysokou viskozitou, jako jsou organická dielektrika nebo rozptýlené částice, jako jsou anorganické metalické barvy, dochází k problémům s ucpáváním trysek. Vzhledem k tomu, že inkoust je skladován jako kapičky, lze snížit tloušťku vrstvy a rozptýlenou heterogenitu. Současné použití více trysek a předběžné strukturování substrátu umožňuje zvýšení výkonu a rozlišení. Ve druhém případě je však nutné skutečně použít technologické kroky s netiskovými metodami. [14] Inkoustový tisk je preferován pro organické polovodiče v organických tranzistorech s efektem pole (OFET) a organických světelných diodách (OLED). [15] Lze z něj vyrobit i přední a zadní panely LED displejů [16] [17] , integrovaných obvodů [18] , organických fotovoltaických článků (OPVC) [19] a dalších zařízení.

Sítotisk je vhodný i pro výrobu elektroniky v průmyslovém měřítku , díky své schopnosti reprodukovat silné vrstvy pastovitých materiálů. Tato metoda může vytvářet vodivé linie z anorganických materiálů (jako jsou desky plošných spojů a antény), stejně jako izolační a pasivační vrstvy, pokud je tloušťka vrstvy důležitější než vysoké rozlišení. Jeho výkon 50 m²/h a rozlišení 100 µm se blíží inkoustovým tiskárnám. [5] Tato všestranná a relativně jednoduchá metoda se používá především pro vodivé a dielektrické vrstvy, [20] [21] , ale také pro organické polovodiče, [22] a dokonce i pro organické tranzistory s efektem pole (OFET).

Zajímavé jsou i další metody podobné tisku, včetně mikrokontaktního tisku a nanostampingové litografie [23] . V nich se vyrábějí vrstvy o velikosti mikron/nanomikron metodami blízkými ražení, z měkkých, respektive tvrdých tvarů. Často je vlastní struktura vyrobena subtraktivně, například maska ​​je vyrobena selektivním leptáním nebo negativním leptáním. Tímto způsobem se vyrábí např. elektrody pro organické tranzistory s efektem pole (OFET) [24] [25] . Někdy se podobným způsobem používá tamponový tisk [26] . Občas se používají tzv. přenosové metody, kdy se pevné vrstvy přenášejí z nosiče na substrát. Týkají se i tištěné elektroniky. Kopírování se v současnosti v tištěné elektronice nepoužívá.

Aplikace

Tištěná elektronika se již používá nebo se zvažuje použití v:

Požadavky na přesnost

Maximální požadované rozlišení struktur v tradičním tisku je dáno strukturou lidského oka . Detaily menší než přibližně 20 µm lidské oko nerozezná, ale přesahují možnosti konvenčních tiskových procesů. [5] Naproti tomu u tištěné elektroniky je potřeba vyšší rozlišení a jemnější struktury, protože ty přímo ovlivňují hustotu a funkčnost obvodů (zejména tranzistory). Podobný požadavek platí pro přesnost, s jakou jsou vrstvy na sebe navrstveny.

Je také nutné kontrolovat tloušťku, velikosti otvorů a materiálovou kompatibilitu (smáčení, přilnavost, solvatace). Při konvenčním tisku je to důležité pouze tehdy, když je oko dokáže rozpoznat. V tištěné elektronice je vizuální dojem irelevantní. [27]

Materiály

Pro tištěnou elektroniku se používají organické i anorganické materiály. Inkoust musí být v kapalné formě, ve formě roztoku , disperze nebo suspenze [28] . Musí to být vodiče, polovodiče, dielektrika nebo izolanty. Náklady na materiál musí odpovídat aplikaci.

Elektronická funkčnost a možnost tisku mohou být v konfliktu, takže pečlivá optimalizace je nutností. [27] Například polymery s vyšší molekulovou hmotností zvyšují vodivost, ale snižují rozpustnost. Při tisku musí být přísně kontrolována viskozita, povrchové napětí a pevné vměstky. Výsledek ovlivňují interakce mezi vrstvami, jako je smáčení, adheze a rozpustnost, stejně jako postupy sušení po aplikaci. Aditiva často používaná v konvenčních tiskařských barvách zde nejsou vhodná, protože mohou rušit elektronickou funkčnost.

Vlastnosti materiálu do značné míry určují rozdíly mezi tištěnou a konvenční elektronikou. Tištěné materiály, kromě toho, že jsou potisknutelné, nabízejí rozhodující nové výhody, jako je mechanická flexibilita a funkční přizpůsobení pomocí chemické úpravy (například barva světla OLED). [29]

Tištěné vodiče mají nižší vodivost a pohyblivost nosičů náboje. [30] Až na několik výjimek jsou anorganické inkoustové materiály disperzí kovových mikro- a nanočástic. V tištěné elektronice je možná technologie PMOS , ale ne CMOS . [31]

Organické materiály

Organická tištěná elektronika integruje poznatky a vývoj z tisku, elektroniky, chemie a materiálových věd, zejména organické a polymerní chemie. Organické materiály se v mnoha ohledech liší od materiálů konvenční elektroniky, pokud jde o strukturu, provoz a funkčnost [32] , což má vliv na návrh zařízení a optimalizaci obvodů a také na výrobní metody.

Objev elektricky vodivých polymerů [30] a vývoj na nich založených rozpustných materiálů zajistil vznik prvního inkoustu z organických materiálů. Polymery v této třídě mají v různé míře elektricky vodivé , polovodičové , elektroluminiscenční , fotovoltaické a další vlastnosti. Ostatní polymery se používají hlavně pouze jako izolanty a dielektrika .

Ve většině organických materiálů převládá děrová vodivost nad elektronovou vodivostí. [33] Nedávné studie ukázaly, že se jedná o specifickou vlastnost organických přechodů polovodič-izolátor, které hrají důležitou roli v organických tranzistorech s efektem pole (OFET). [34] Proto by zařízení typu p měla převažovat nad zařízeními typu n . Odolnost proti opotřebení (odolnost proti rozptylu) a životnost jsou kratší než u běžných materiálů. [31]

Organické polovodiče jsou složeny z vodivého polymeru poly(3,4-ethylendioxythiofenu) dopovaného polystyrensulfonátem (PEDOT:PSS) a polyanilinem (PANI). Oba polymery jsou komerčně dostupné pod různými názvy a používají se v inkoustovém tisku, [35] sítotisku [20] a ofsetovém [8] nebo sítotisku, [20] flexo [9] a hlubotisku [12] .

Inkoustový tisk využívá polymerní polovodiče, jako je polythiofen, poly(3-hexylthiofen) (P3HT) [36] a kopolymer 9,9-dioktylfluoren-bitiofen (F8T2). [37] Posledně jmenovaný materiál se používá i pro hlubotisk. [10] V inkoustovém tisku se používají různé elektroluminiscenční polymery, [14] především jako aktivní materiály pro fotovoltaiku (např. směs P3HT s deriváty fullerenu ). [38] Lze je použít i pro sítotisk (například směs poly(fenylenvinylenu) s deriváty fullerenu). [22]

Anorganické materiály

Anorganická elektronika poskytuje vysoké uspořádání vrstev a přechodů, které organické a polymerní materiály nemohou poskytnout.

Nanočástice stříbra se používají ve flexotisku, ofsetu a inkoustovém tisku. [7] [39] Zlaté částice se používají v inkoustovém tisku. [40]

Elektroluminiscenční barevné displeje mohou mít plochu mnoha desítek metrů čtverečních nebo mohou být zabudovány do ciferníků a přístrojových panelů. Skládají se z 6-8 natištěných anorganických vrstev, včetně fosforem dopované mědi , na plastovém pružném substrátu. [41]

Buňky měď-indium-gallium-selen (CIGS) lze tisknout přímo na desku skla potaženého molybdenem .

Tištěné solární články gallium-germanium arsenid vykázaly účinnost konverze 40,7 %, což je osmkrát vyšší než u nejlepších organických článků, čímž se blíží nejlepšímu výkonu článků z čistého křemíku. [41]

Substráty

Tištěná elektronika umožňuje použití flexibilních substrátů , což snižuje výrobní náklady a umožňuje výrobu mechanicky flexibilních obvodů. I když se inkoustový a sítotisk obvykle provádí na pevná média, jako je sklo a křemík, metody hromadného tisku téměř výhradně používají flexibilní fólii a někdy i speciálně upravený papír. Polyethylentereftalátový (PET) film se nejčastěji používá kvůli jeho nízké ceně a vysoké teplotní stabilitě. Alternativou jsou polyethylennaftalátové (PEN) a polyimidové (PI) fólie. Vzhledem ke své nízké ceně a rozmanitosti aplikací je papír atraktivním substrátem, ale jeho vysoká drsnost a vysoká nasákavost jej činí problematickým pro elektronické aplikace. [42]

Dalšími důležitými kritérii substrátu jsou nízká drsnost a nízká smáčivost, které lze upravit předúpravou (nátěr, korónový film). Na rozdíl od klasického tisku je obecně nevýhodou vysoká savost.

Vývoj norem

Normy a výrobní iniciativy mají za cíl podporovat vývoj hodnotového řetězce (sdílet specifikace produktů, spravovat standardy atd.) Tato strategie vývoje standardů odráží přístup přijatý v křemíkové elektronice za posledních 50 let. Mezi iniciativy patří:

Viz také

Odkazy

Poznámky

  1. E. Koataneya, V. Kantola, J. Kulovesi, L. Lahti, R. Lin, M. Zavodchikova. Tištěná elektronika, současnost a budoucnost. Helsinki University of Technology, Finsko, 2009, ISBN 978-952-248-078-1 Archivováno 7. srpna 2020 na Wayback Machine 
  2. 1 2 H.-K. Roth a kol., Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 32 (2001) 789.
  3. JM Xu, Synthetic Metals 115 (2000) 1.
  4. 1 2 JR Sheats, Journal of Materials Research 19 (2004) 1974.
  5. 1 2 3 4 A. Blayo a B. Pineaux, Společná konference sOC-EUSAI, Grenoble, 2005.
  6. PM Harrey a kol., Sensors and Actuators B 87 (2002) 226.
  7. 1 2 J. Siden a kol., Polytronic Conference, Wroclaw, 2005.
  8. 1 2 D. Zielke a kol., Applied Physics Letters 87 (2005) 123580.
  9. 1 2 T. Mäkelä a kol., Synthetic Metals 153 (2005) 285.
  10. 1 2 3 4 A. Hübler a kol., Organic Electronics 8 (2007) 480.
  11. S. Leppavuori a kol., Sensors and Actuators 41-42 (1994) 593.
  12. 1 2 T. Mäkelä a kol., Synthetic Metals 135 (2003) 41
  13. R. Parashkov a kol., Proceedings IEEE 93 (2005) 1321.
  14. 1 2 B.-J. de Gans a kol., Advanced Materials 16 (2004) 203.
  15. V. Subramanian et al., Proceedings IEEE 93 (2005) 1330.
  16. S. Holdcroft, Advanced Materials 13 (2001) 1753.
  17. AC Arias a kol., Applied Physics Letters 85 (2004) 3304.
  18. H. Sirringhaus a kol., Science 290 (2000) 2123
  19. VG Shah a DB Wallace, konference IMAPS, Long Beach, 2004
  20. 1 2 3 K. Bock a kol., Proceedings IEEE 93 (2005) 1400.
  21. Z. Bao a kol., Chemistry of Materials 9 (1997) 1299.
  22. 12 S.E. _ Shaheen a kol., Applied Physics Letters 79 (2001) 2996.
  23. BD Gate a kol., Chemical Reviews 105 (2005) 1171.
  24. D. Li a LJ Guo, Applied Physics Letters 88 (2006) 063513.
  25. G. Leising a kol., Microelectronics Engineering 83 (2006) 831.
  26. A. Knobloch a kol., Journal of Applied Physics 96 (2004) 2286.
  27. 1 2 U. Fügmann a kol., mstNews 2 (2006) 13.
  28. Z. Bao, Advanced Materials 12 (2000) 227.
  29. Moliton a R. C. Hiorns, Polymer International 53 (2004) 1397.
  30. 1 2 http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2000/chemadv.pdf Archivováno 4. července 2008 u Wayback Machine Nobelovy ceny za chemii, 2000
  31. 12:00 _ _ de Leeuw a kol., Synthetic Metals 87 (1997) 53.
  32. ZV Vardeny a kol., Synthetic Metals 148 (2005) 1.
  33. Fachetti, Materials Today 10 (2007) 38.
  34. J. Zaumseil a H. Sirringhaus, Chemical Reviews 107 (2007) 1296.
  35. J. Bharathan a Y. Yang, Applied Physics Letters 72 (2006) 2660.
  36. S. P. Speakman a kol., Organic Electronics 2 (2001) 65.
  37. KE Paul a kol., Applied Physics Letters 83 (2003) 2070.
  38. T. Aernouts a kol., Applied Physics Letters 92 (2008) 033306.
  39. J. Perelaer a kol., Advanced Materials 18 (2006) 2101.
  40. Y.-Y. Noh a kol., Nature Nanotechnology 2 (2007) 784.
  41. 1 2 Pelikon a elumin8, oba ve Velké Británii, Emirates Technical Innovation Center v Dubaji, Schreiner v Německu a další se podílejí na EL displejích. Spectrolab již nabízí komerčně flexibilní solární články na bázi různých anorganických sloučenin. http://www.packagingessentials.com/indnews.asp?id=2007-03-22-15.57.31.000000
  42. PM Harrey a kol., Journal of Electronics Manufacturing 10 (2000) 69.
  43. Standard IEEE 1620-2004 (odkaz není k dispozici) . Získáno 22. února 2011. Archivováno z originálu 10. června 2011. 
  44. Standard IEEE 1620.1-2006 (odkaz není k dispozici) . Získáno 22. února 2011. Archivováno z originálu 10. června 2011. 
  45. International Electronics Manufacturing Initiative (iNEMI) . Získáno 22. února 2011. Archivováno z originálu 20. května 2011.