Elektronika NTB - tudományos és műszaki folyóirat - elektronika NTB - nyomtatott elektronika
Az a lehetőség, nyomdai gyártási eljárásait elektronikus eszközök (vezeték nélküli, mint a rádiófrekvenciás azonosítók, kijelzővel, chips) tanulmányozták, mivel a század elején, sok vállalat, az állami kutatási szervezetek, felsőoktatási intézmények. Az elektronikai világban ezek a folyamatok természetesen újak, és az alkotóelemek kialakításának technológiái különböznek a hagyományosaktól. A technológia azonban a „nyomtatás” kép, rézkarc, a rézmetszet már széles körben használják a nyomtatott áramköri lapok. Az egyesített az új, úgynevezett funkcionális tintával (tulajdonságainak Vezetők, félvezetők és dielektrikum) és a modern nyomtatási platformok (mélynyomó, flexo, tintasugaras nyomtatás, gravírozás) jelentősen csökkenti a költségeit elektronikai termékek, hatékonyságának növelése a termelési, hogy hozzon létre a rugalmas eszközök javított a működési jellemzők, a fokozott megbízhatóság és a környezetbiztonság. Ma már több mint 3000 szervezet szakosodott nyomtatás területén a világ az elektronika, anyagok, csomagolás eszközök, fejlesztése nyomtatott és vékonyréteg elektronikai alkatrészek és eszközök. Néhány ilyen termékek (például a fény átalakító berendezés vagy a napenergia elektromos árammá) már a piacon, és az irántuk való kereslet folyamatosan növekszik. Mások, például a nyomtatott tranzisztorok, amelyeket a világ több mint 500 szervezete fejlesztett ki, csak megjelennek a piacon. Mi terén elért nyomtatott elektronika, és mi az akadálya a fejlődés útján az új iparág, amely szerint sok szakértő, a termelés volumene is meghaladja a félvezető ipar?
Elektronikai alkatrészek nyomtatásának technológiája
A félvezető eszközök kialakítására szolgáló technológia, amely számos kifinomult nyomtatási módszeren alapul, jelentősen növelheti termelésének termelékenységét. De míg a hagyományos nyomtatási technika olyan képeket hoz létre, amelyeket szabad szemmel jól érzékelnek, az elektronikus készülékek gyártása során meg kell szerezni a szükséges elektromos, mechanikai és optikai tulajdonságokat. Függetlenül a nyomtatási módszertől, a legfejlettebb technológiák és berendezések szükségesek a nyomtatott elektronikus eszközök gyártásához. Gyakorlatilag minden nyomtatási technika alkalmas a nyomtatott elektronika gyártására, de a különböző típusú eszközök esetében előnyös módszerek és anyagok vannak. Lehetőség van többféle módszer kombinálására eszköz létrehozására. De minden technikának megvannak a maga előnyei és hátrányai.
A tintasugaras nyomtatás az egyik legismertebb technológia a nyomtatott elektronika létrehozásához. Mivel ez egy digitális technológia, elegendő, ha egy nyomtatási fájl írja le a tervét elektronikus eszköz létrehozására. Ez a technológia ígéretes a prototípusok és a speciális eszközök gyártási tételeinek gyors előállítása érdekében, bár alkalmas a nyomtatott elektronika tömegtermelésére. A tintasugaras nyomtatás előnyei magukban foglalják a kellően magas felbontást (80-100 μm vonal), rugalmasságot, viszonylag alacsony költségeket és kompatibilitást szinte bármilyen típusú hordozóval. Várható, hogy a tintasugaras nyomtatás berendezéseinek fejlesztése lehetővé teszi 20 μ m vonalú elemek kialakítását. Ennek eredményeképpen a tintasugaras nyomtatást egyre inkább a nyomtatott elektronika létrehozására használják. A szitanyomás egy másik népszerű technológia, amelyet nyomtatott elektronikus készülékek előállítására használnak, a pasztát megfelelő sablonon keresztül kényszerítve. Ez a technológia viszonylag nagy vastagságú fóliák alkalmazását teszi lehetővé a szubsztrátum különböző részeihez egy lépésben. De nem teszi lehetővé a nagyon vékony filmek beszerzését. Hosszú idő elteltével úgy gondolták, hogy a szitanyomás felbontása kicsi, de a modern berendezések lehetővé teszik az elemek gyártását 40 μm-ig. Ugyanakkor a vonalak élei jobban különböznek egymástól, mint a tintasugaras nyomtatás által létrehozott vonalak.
A nanolithográfia egy viszonylag új technológia, amely hagyományos fotolitográfián alapul. A szubsztrátumon a centrifugálás vagy lerakódás módszerével folyadék ellenállást alkalmaznak, amelyen az elemek kívánt mintázata háromdimenziós bélyegzővel van kialakítva (1a. Ábra). Az ellenállóképet fűtéssel vagy UV sugárzással hőkezeljük (1b. Ábra). A bélyeg eltávolítása után a megkötött ellenállás megőrzi alakját (1c. Ábra), és a megmaradt filmet maratott (1d ábra). A strukturált ellenállás sablonként használható az eszköz következő rétegeinek mintázatának rajzolásához vagy az eszköz funkcionális rétegeként. Ennek a technológiának a felbontását csak a bélyegzőkészítési eljárás határozza meg. A vonalak szélessége 20 nm lehet. A fő probléma az ellenálló anyagok jelenléte a szükséges elektromos és optikai tulajdonságokkal.
1. ábra. Műveletek sorrendje nanolithography: rajz (a) létrehozása; ellenállóképesség (b); a bélyegző eltávolítása; a fennmaradó film vérzése (d)
2. ábra. Különféle anyagok használata a nyomtatott elektronika alapelemeinek gyártásához. A sötétzöld szín a leginkább ígéretes alkalmazási területeket mutatja a szervetlen anyagok, a könnyű zöld - ígéretes hibrid megoldások felhasználásával
Most a Cambridge-i Egyetem tudósai, a fémoxidok nyomtatott elektronikát használó technológiájának első generációját elsajátították: a passzív LCD mátrixok és napelemek (SE) gyártása során átlátszó vezető bevonatok képződtek. A jövőben a fémoxidok alkalmazása transzparens komponensek és rendszerek gyártása során történik (4. A nyomtatott elektronika fejlesztőinek különös érdeklődését a cink-oxid okozza, amit néha A2B6 félvezető vegyületnek neveznek. Bár ez az anyag korai "új szilíciumnak" tekinthető, a nyomtatott tranzisztorok és a vékonyrétegű nanokristályos piezoelektromos komponensek előállításának lehetőségei már nyilvánvalóak.
Nem kevesebb erőfeszítés a különböző vállalatok és szervezetek
3. ábra. A teljesítmény jellemzőinek aránya az elektronikai alkatrészek gyártására szánt különböző anyagok költségével
4. ábra. A fémoxidok felhasználásának lehetőségei átlátszó elektronikus eszközök előállítására
5. ábra. A nyomtatott elektronika legszélesebb körben használt anyagai (a sárga nyíl a komponensekben használt elemeket és a komponensek gyártásánál szennyeződéseket jelzi, a piros nyíl a gyártásban használt elemek
28,98 milliárd dollár), ami 57,16 milliárd dollárnak felel meg a nyomtatott elektronika teljes piacának, így nyilvánvaló a szerves anyagok fontossága a nyomtatott elektronikában és a fejlődő vállalatok számára nyitott lehetőségek.
Szerves anyagok
A szerves nyomtatott elektronika megjelenése az 1970-es években a konjugált polimerek félvezető tulajdonságainak múlt századának felfedezéséből ered. A hagyományos félvezetőkkel ellentétben az ilyen polimerek filmjei olyan lyuk és elektronikus vezetőképességű vegyi anyagok keveréke, amelyek interfészei a film háromdimenziós térfogata alatt oszlanak meg. Az ökológiai anyagok könnyebbek, rugalmasabbak és olcsóbbak, mint a szervetlen anyagok. Az elektronikus eszközök szabványos tintasugaras nyomtatással szobahőmérsékleten és atmoszferikus nyomáson történő elkészítéséhez folyékony állapotba alakíthatók. Ezek eltérnek a mechanikai rugalmasságtól, a készülék tulajdonságainak beállításától (például a szerves fénykibocsátó diódák sugárzásának színének megváltoztatásával) a kémiai összetétel módosításával. A szerves elektronika egy ígéretes és innovatív elektronikai részleg, amely elsősorban alapvetően megváltoztatja az információs megjelenítő eszközök fejlesztését és gyártását, valamint gyorsan és költséghatékonyan elindítja a könnyű és rugalmas kijelzők sorozatgyártását. Az ökológiai anyagok ugyancsak ígéretesek sok új nyomtatott elektronikus eszköz gyártására, amelyet hagyományos technológiák (pl. Elektronikus papír, intelligens / rugalmas ablakok stb.) Nem hozhatnak létre, vagy amelyek teljesítménye nem igényel. Várható, hogy az organikus vezető polimerek fontos szerepet játszanak egy olyan modern tudományban, mint a molekuláris számítástechnika.
Ma már számos nyomtatható szerves anyag van, vezetőképes, félvezető és dielektromos tulajdonságokkal. A nyomtatott elektronika legelterjedtebb formái kis molekulák, polimerek, oligomerek. A legkisebb molekulák osztályába tartozó legnépszerűbb anyag a pentacén, amelyet az OLED létrehozása során használnak. Azonban ez az anyag nehezen beszerezhető tinta formájában, aminek következtében az OLED-ek több mint 90% -át kis molekulák vákuum lerakódásával állítják elő.
A kis molekulák osztályába tartozó anyagok alapján szerves térhatású tranzisztorokat is készítenek, amelyek hordozó mobilitása 5 cm2 / V.
A polimerek - a nagy molekulatömegű anyagok - makromolekulák ismétlődő egységeinek hosszú láncaiból állnak, amelyek bőséges lehetőséget nyújtanak az anyag elektronikai és kémiai tulajdonságainak szabályozására. A nyomtatási képesség és ezen anyagok sokoldalúsága meghatározza a nyomtatott elektronika használatának ígéretét.
A polimerek hiányosságai kisebb nagyságrendűek, mint a kis molekuláké, a töltőhordozók mobilitása és a tisztítás nehézségei. A polimerizációs folyamatok nem kellően tökéletes szabályozása miatt gyakran maradék polimerizációs katalizátor vagy szennyeződések vannak.
A legtöbb esetben a kialakítására alkalmazott polimerek vezetőképes vezetékek, bár vezetőképesség közeli érték félvezetők. Ezért azokat elsősorban olyan eszközökben használják, amelyekben a poliszilíciumot hagyományosan vezetékes kapcsolatok - szenzorok és tranzisztorok előállítására használják a kijelző csatlakozó panelek és a rádiófrekvenciás azonosítók (RFID) eszközök számára.
Érdekesség a Princeton Egyetem kutatói által kifejlesztett módszer, melynek célja a polimerek vezetőképességének helyreállítása, ami csökkenti a tintasugaras megoldás elkészítésekor. A speciális savval nyert tintasugaras rétegek feldolgozásával a polimer elveszett belső kötései helyreállnak, és így a vezetés helyreáll. A fejlett technológiának köszönhetően az egyetemen létrehoztak műanyag tranzisztort a forrás- és lefolyó régiókkal szemben.
Az oligomerek jó molekulatömegű és kis molekulatömegű rövid láncú polimerek. Ez az anyag alkalmas mind nyomtatásra, mind vákuum lerakódásra. Bár az oligomereket nem használják széles körben a nyomtatott elektronikában.
A szerves anyagok, különösen a polimerek, ellentétben a szervetlenekkel, nem alkalmasak nagyon rendezett szerkezetű és felületű rétegek kialakítására. Ennek eredményeképpen a nyomtatott szerves félvezető komponensek töltőhordozóinak vezetőképessége és mobilitása alacsonyabb, mint a szervetlen anyagokon lévő eszközök esetében. Ezenkívül a legtöbb szerves félvezető anyagban a lyukak mobilitása sokkal magasabb, mint az elektronoké. Ennek eredményeként a közelmúltig, szerves anyagokon alapulóan csak p-csatornás MOSFET-eket gyártottak.
6. ábra. Szervetlen (bal) és szerves (jobb) anyagok felhasználása a nyomtatott elektronikában
A Polyera (USA) által elsőként megoldották az elektronikus vezetőképességű szerves anyagok megszerzésének és az n-csatornás MOSFET-ek létrehozásának feladata. A vállalat kutatócsoportja egy polimert kapott egy nagyon rendezett lánc molekulák láncolatával, amely biztosítja a hordozóanyagok hatékony szállítását a polimer szerkezetben. Egy szerves térhatású tranzisztor elektronainak mobilitása egy új polimer alapján 3 cm2 / V · s. A polimer jól reagál szerves oldószerrel, amely lehetővé teszi olyan folyékony anyag előállítását, amely alkalmas szerves komponensek sugárhajtására és gravírozására egy műanyag hordozóra és még papírra is. Jellemzője a nagy stabilitás a működésben, és nincs hatással a környezetre. Ez kombinálható más szerves anyagokkal nyomtatott CMOS chipek készítéséhez.
7. ábra. A világban működő vállalatok megoszlása a széncsövek és a grafén használatának területén a nyomtatott elektronikában
8. ábra. A nyomtatott félvezető áramkör gyártási folyamata