Tryckt elektronik är ett område av elektronik som handlar om skapandet av elektroniska kretsar med hjälp av utskriftsutrustning , vilket gör att specialbläck ( ledande , halvledare, resistiv, etc.) kan appliceras på ytan av ett plant substrat och därmed bilda aktiva och passiva element på den , och även interelementanslutningar i enlighet med det elektriska diagrammet .
Utseendet på tryckta elektroniska kretsar är förknippat med utvecklingen av nya material som under vissa förhållanden kan ersätta kisel i elektronisk och datorteknik. Det visade sig att vissa ämnen (inklusive organiska polymerer och nanopartiklar av metallföreningar ) kan tillsättas till vätskor som fungerar som färger eller bläck , som sedan appliceras på ett substrat och skapar aktiva eller passiva enheter, såsom tunnfilmstransistorer eller resistorer [1] .
I konventionellt tryck appliceras vanligtvis lager av bläck på papper , men det har visat sig vara till liten användning för tryckt elektronik. Den grova ytan på papper och dess snabba absorption av vatten orsakade en förändring av uppmärksamheten på material som plast , keramik eller kisel . Utskrift använder vanligtvis generisk tryckutrustning, särskilt screentryck , flexografi , rotogravyr och offsettryckutrustning och bläckstråleskrivare . Liksom vid konventionellt tryck, i tryckt elektronik, appliceras bläck i lager ovanpå varandra, så en samordnad utveckling av tryckmetoder och färgmaterial är den viktigaste uppgiften i denna riktning [2] .
Termen tryckt elektronik är nära besläktat med organisk eller plastisk elektronik, där ett eller flera bläck är sammansatta av kolföreningar. Termen organisk elektronik förknippas specifikt med bläckets material, som kan appliceras från en lösning genom vakuumdeponering eller på annat sätt. Däremot bestäms namnet tryckt elektronik av processen, inte materialet. Alla material kan användas här, inklusive organiska halvledare , oorganiska halvledare, metallledare, nanopartiklar , kolnanorör , etc.
Egenskaperna hos tryckta elektroniska anordningar är i allmänhet sämre än för konventionella elektroniska anordningar, men de senare är dyrare i kostnad. Det är den låga kostnaden som är den viktigaste fördelen med tryckning, speciellt för storskalig produktion. Det förväntas att tryckt elektronik kommer att underlätta spridningen av mycket lågkostnadselektronik för applikationer som flexibla displayer, RFID , dekorativa och animerade affischer, aktiva beläggningar, etc., det vill säga för de produkter som inte kräver högpresterande elektroniksystem.
Den lägre kostnaden gör att produkterna kan användas i fler applikationer. [3] Ett exempel är RFID-systemet som ger kontaktlös identifiering av varor inom handel och transport. I vissa områden, såsom LED- tillverkning , påverkar inte utskrift produktens prestanda. [2] Utskrift på flexibla substrat gör att du kan skapa elektroniska produkter på böjda ytor, som att montera solpaneler på biltak.
Attraktionen av tryckta teknologier för elektroniktillverkning beror främst på förmågan att förbereda lager-för-lager mikrostrukturerade ämnen (och därigenom tillverka tunnfilmsenheter) på ett mycket enklare och mer kostnadseffektivt sätt än konventionell elektronik. [4] Dessutom spelar möjligheten att implementera ny eller förbättrad funktionalitet (t.ex. mekanisk flexibilitet) också en roll. Valet av tryckmetoder som används bestäms av kraven på de tryckta lagren, tryckmaterialens egenskaper samt ekonomiska och tekniska överväganden vad gäller tryckprodukter.
Utskriftstekniker är uppdelade i ark och rulle. Arkmatade tekniker som bläckstråle- och screentryck är bäst lämpade för högprecisionsarbete vid låga volymer. Rotogravyr , offset och flexotryck är mer lämpade för produktion av stora volymer, såsom solpaneler, där en produktionshastighet på 10 000 kvadratmeter per timme (m²/h) uppnås [4] [5] . Medan offset- och flexografiskt tryck huvudsakligen används för oorganiska [6] [7] och organiska [8] [9] ledare (det senare även för dielektrika [10] ), är rotogravyrtryck, på grund av skiktens höga kvalitet, särskilt lämplig för organiska halvledare och halvledar-dielektriska kopplingar i transistorer. [10] Kombinerat med hög upplösning är rotogravyrtryck även lämpligt för oorganiska [11] och organiska [12] ledare. Organiska fälteffekttransistorer och integrerade kretsar kan tillverkas helt med användning av seriella utskriftsmetoder [10] .
Bläckstråleskrivare är flexibel, mångsidig utrustning som kan konfigureras om med relativt liten ansträngning. Tydligen används de därför oftast. [13] Bläckstråleskrivare har dock låg produktivitet (cirka 100 m 2 /h) och låg upplösning (cirka 50 mikron). [5] De är väl lämpade för material med låg viskositet och god löslighet, såsom organiska halvledare. För material med hög viskositet, såsom organiska dielektrika eller dispergerade partiklar, såsom oorganiska metallfärger, finns det problem med att munstyckena sätts igen. Eftersom bläcket lagras som droppar kan skikttjockleken och den spridda heterogeniteten reduceras. Samtidig användning av flera munstycken och preliminär strukturering av substratet möjliggör ökad prestanda respektive upplösning. Men i det senare fallet måste man faktiskt använda tekniska steg med icke-utskriftsmetoder. [14] Bläckstråleutskrift föredras för organiska halvledare i organiska fälteffekttransistorer (OFET) och organiska ljusemitterande dioder (OLED). [15] Den kan också användas för att göra front- och bakpaneler av LED-skärmar [16] [17] , integrerade kretsar [18] , organiska fotovoltaiska celler (OPVC) [19] och andra enheter.
Screentryck lämpar sig även för tillverkning av elektronik i industriell skala , på grund av dess förmåga att reproducera tjocka lager av degiga material. Denna metod kan skapa ledande linjer från oorganiska material (som kretskort och antenner), såväl som isolerande och passiverande skikt, om skikttjockleken är viktigare än hög upplösning. Dess uteffekt på 50 m²/h och 100 µm upplösning ligger nära de för bläckstråleskrivare. [5] Denna mångsidiga och relativt enkla metod används främst för ledande och dielektriska skikt, [20] [21] men även för organiska halvledare, [22] och även för organiska fälteffekttransistorer (OFET).
Andra metoder som liknar utskrift är också av intresse, inklusive mikrokontakttryck och nanostämpellitografi [ 23] . I dem görs lager av mikron/nano-mikron storlek med metoder nära stämpling, från mjuka respektive hårda former. Ofta görs den faktiska strukturen subtraktivt, till exempel görs masken genom selektiv etsning eller negativ etsning. På så sätt tillverkas till exempel elektroder för organiska fälteffekttransistorer (OFET) [24] [25] . Ibland används tapptryck på liknande sätt [26] . Ibland används så kallade överföringsmetoder, där fasta skikt överförs från bäraren till substratet. De gäller även tryckt elektronik. Fotokopiering används för närvarande inte i tryckt elektronik.
Tryckt elektronik används redan eller övervägs att användas i:
Den maximala erforderliga upplösningen av strukturer i traditionell tryckning bestäms av strukturen hos det mänskliga ögat . Detaljer som är mindre än cirka 20 µm kan inte urskiljas av det mänskliga ögat, men är bortom kapaciteten för konventionella tryckprocesser. [5] Däremot behövs högre upplösning och finare strukturer i tryckt elektronik, eftersom dessa direkt påverkar kretsdensitet och funktionalitet (särskilt transistorer). Ett liknande krav gäller för den noggrannhet med vilken skikten överlagras på varandra.
Det är också nödvändigt att kontrollera tjocklek, hålstorlekar och materialkompatibilitet (vätning, vidhäftning, solvatisering). Vid konventionell utskrift är detta bara viktigt när ögat kan upptäcka dem. I tryckt elektronik är det visuella intrycket irrelevant. [27]
För tryckt elektronik används både organiska och oorganiska material. Bläcket måste vara i flytande form, i form av en lösning , dispersion eller suspension [28] . De måste vara ledare, halvledare, dielektrikum eller isolatorer. Materialkostnaden måste vara tillräcklig för tillämpningen.
Elektronisk funktionalitet och tryckbarhet kan komma i konflikt, så noggrann optimering är ett måste. [27] Till exempel ökar polymerer med högre molekylvikt konduktiviteten men minskar lösligheten. Vid tryckning måste viskositet, ytspänning och fasta inneslutningar kontrolleras noggrant. Interaktioner mellan skikt som vätning, vidhäftning och löslighet samt torkningsprocedurer efter applicering påverkar resultatet. De tillsatser som ofta används i konventionella tryckfärger är inte lämpliga här eftersom de kan störa elektronisk funktionalitet.
Materialegenskaper avgör till stor del skillnaderna mellan tryckt och konventionell elektronik. Tryckt material erbjuder, förutom att vara tryckbart, avgörande nya fördelar såsom mekanisk flexibilitet och funktionsanpassning genom kemisk modifiering (till exempel ljusfärgen hos OLED). [29]
Tryckta ledare har lägre ledningsförmåga och rörlighet hos laddningsbärare. [30] Med få undantag är oorganiska bläckmaterial en dispersion av metalliska mikro- och nanopartiklar. I tryckt elektronik är PMOS -teknik möjlig , men inte CMOS . [31]
Organisk tryckt elektronik integrerar kunskap och utveckling från tryckeri, elektronik, kemi och materialvetenskap, särskilt organisk kemi och polymerkemi. Organiska material skiljer sig på många sätt från konventionell elektronik när det gäller struktur, funktion och funktionalitet [32] , vilket har en inverkan på enhetsdesign och kretsoptimering, såväl som tillverkningsmetoder.
Upptäckten av elektriskt ledande polymerer [30] och utvecklingen av lösliga material baserade på dem säkerställde skapandet av det första bläcket från organiska material. Polymerer i denna klass har elektriskt ledande , halvledar- , elektroluminescerande , fotovoltaiska och andra egenskaper i varierande grad. Andra polymerer används huvudsakligen endast som isolatorer och dielektrikum .
I de flesta organiska material råder hålledningsförmåga över elektronledningsförmåga. [33] Nyligen genomförda studier har visat att detta är en specifik egenskap hos organiska halvledarisolatorövergångar som spelar en viktig roll i organiska fälteffekttransistorer (OFET). [34] Därför bör anordningar av p -typ ha företräde framför anordningar av n -typ. Slitstyrka (motstånd mot spridning) och livslängd är kortare än konventionella material. [31]
Organiska halvledare är sammansatta av en ledande polymer av poly(3,4-etylendioxitiofen) dopad med polystyrensulfonat (PEDOT:PSS) och polyanilin (PANI). Båda polymererna finns kommersiellt tillgängliga under olika namn och används i bläckstråle, [35] screen [20] och offset [8] eller screen, [20] flexo [9] respektive djuptryck [12] .
Bläckstråleutskrift använder polymera halvledare som polytiofen, poly(3-hexyltiofen) (P3HT) [36] och 9,9-dioktylfluoren-bitiofensampolymer (F8T2). [37] Det senare materialet används också för djuptryck. [10] Olika elektroluminescerande polymerer används i bläckstråleutskrifter, [14] främst som aktiva material för solceller (till exempel en blandning av P3HT med fullerenderivat ). [38] De kan också användas för screentryck (till exempel en blandning av poly(fenylenvinylen) med fullerenderivat). [22]
Oorganisk elektronik ger en hög ordning av lager och övergångar, vilket organiska och polymera material inte kan tillhandahålla.
Silvernanopartiklar används i flexo-, offset- och bläckstråletryck. [7] [39] Guldpartiklar används i bläckstråleutskrifter. [40]
Elektroluminescerande färgskärmar kan sträcka sig över många tiotals kvadratmeter, eller byggas in i urtavlor och instrumentpaneler. De består av 6-8 tryckta oorganiska lager, inklusive fosfordopad koppar , på ett flexibelt plastsubstrat . [41]
Koppar-indium-gallium-selen (CIGS)-celler kan tryckas direkt på en skiva av molybdenbelagt glas .
De tryckta solcellerna av gallium-germaniumarsenid visade en omvandlingseffektivitet på 40,7 %, åtta gånger högre än de bästa organiska cellerna, och närmade sig den bästa prestandan av rena kiselceller. [41]
Tryckt elektronik tillåter användning av flexibla substrat , vilket minskar tillverkningskostnaderna och möjliggör tillverkning av mekaniskt flexibla kretsar. Även om bläckstråle- och screentryck vanligtvis görs på styva medier som glas och kisel, använder masstryckmetoder nästan uteslutande flexibel folie och ibland specialbehandlat papper. Polyetylentereftalat (PET) -film används oftast på grund av dess låga kostnad och höga temperaturstabilitet. Alternativ är polyetylennaftalat (PEN) och polyimid (PI) folie. På grund av dess låga kostnad och mångfald av applikationer är papper ett attraktivt substrat, men dess höga strävhet och höga absorptionsförmåga gör det problematiskt för elektroniska applikationer. [42]
Andra viktiga underlagskriterier är låg strävhet och låg vätbarhet, som kan modifieras genom förbehandling (beläggning, koronafilm). Till skillnad från konventionellt tryck är hög absorptionsförmåga i allmänhet en nackdel.
Standarder och tillverkningsinitiativ syftar till att främja värdekedjans utveckling (att dela produktspecifikationer, hantera standarder, etc.) Denna standardutvecklingsstrategi speglar det tillvägagångssätt som tagits inom kiselelektronik under de senaste 50 åren. Initiativen inkluderar: