Печатная электроника — это совокупность методов печати , используемых для создания электрических устройств на различных подложках. В печати обычно используется обычное печатное оборудование, подходящее для определения рисунков на материале, такое как трафаретная печать , флексография , глубокая печать , офсетная литография и струйная печать . По стандартам электронной промышленности это недорогие процессы. Электрически функциональные электронные или оптические чернила наносятся на подложку, создавая активные или пассивные устройства, такие как тонкопленочные транзисторы ; конденсаторы; катушки; резисторы . Некоторые исследователи ожидают, что печатная электроника будет способствовать широкому распространению очень дешевой и малопроизводительной электроники для таких приложений, как гибкие дисплеи , интеллектуальные этикетки , декоративные и анимированные плакаты, а также активная одежда, не требующая высокой производительности. [1]
Термин « печатная электроника» часто ассоциируется [ кем? ] к органической электронике или пластиковой электронике , в которой одни или несколько чернил состоят из соединений на основе углерода. [2] [ для проверки требуется цитата ] Эти другие термины относятся к материалу чернил, который может быть нанесен с помощью раствора, вакуума или других процессов. Печатная электроника, напротив, определяет процесс и, в зависимости от конкретных требований выбранного процесса печати, может использовать любой материал на основе решения. Сюда входят органические полупроводники , неорганические полупроводники , металлические проводники, наночастицы и нанотрубки . Раствор обычно состоит из материалов наполнителя, диспергированных в подходящем растворителе. Наиболее часто используемые растворители включают этанол, ксилол, диметилформамид (ДМФ), диметилсульфоксид (ДМСО), толуол и воду, тогда как наиболее распространенные проводящие наполнители включают наночастицы серебра, хлопья серебра, технический углерод, графен, углеродные нанотрубки, проводящие полимеры ( такие как полианилин и полипиррол) и металлические порошки (например, медь или никель). Учитывая воздействие органических растворителей на окружающую среду, исследователи сейчас сосредоточены на разработке печатных изображений с использованием воды. [3] [4] [5]
Для изготовления печатной электроники используются почти все методы промышленной печати. Подобно обычной печати, печатная электроника наносит слои чернил один на другой. [6] Таким образом, последовательное развитие методов печати и чернильных материалов является важнейшей задачей в этой области. [7]
Самым важным преимуществом печати является низкая себестоимость объемного производства. [ нужна цитата ] Более низкая стоимость позволяет использовать его в большем количестве приложений. [8] Примером могут служить RFID -системы, позволяющие осуществлять бесконтактную идентификацию в торговле и на транспорте. В некоторых областях, например, при печати со светодиодами, производительность не снижается. [6] Печать на гибких подложках позволяет размещать электронику на изогнутых поверхностях, например, печатать солнечные элементы на крышах автомобилей. Чаще всего обычные полупроводники оправдывают свою гораздо более высокую стоимость, обеспечивая гораздо более высокие характеристики.
Максимально необходимое разрешение структур при обычной печати определяется человеческим глазом. Размеры элементов менее 20 мкм неразличимы человеческим глазом и, следовательно, превышают возможности традиционных процессов печати. [9] Напротив, более высокое разрешение и меньшие структуры необходимы при печати большинства электронных устройств, поскольку они напрямую влияют на плотность и функциональность схемы (особенно транзисторов). Аналогичное требование распространяется и на точность печати слоев друг на друге (совмещение слоев).
Контроль толщины, отверстий и совместимости материалов (смачивание, адгезия, растворимость) имеет важное значение, но имеет значение в обычной печати только в том случае, если глаз может их обнаружить. И наоборот, визуальное впечатление не имеет значения для печатной электроники. [10]
Привлекательность технологии печати для изготовления электроники обусловлена главным образом возможностью изготовления стопок микроструктурированных слоев (и, следовательно, тонкопленочных устройств) гораздо более простым и экономичным способом по сравнению с традиционной электроникой. [11] Кроме того, играет роль возможность реализации новых или улучшенных функциональных возможностей (например, механическая гибкость). Выбор используемого метода печати определяется требованиями к печатным слоям, свойствами печатных материалов, а также экономическими и техническими соображениями конечной печатной продукции.
Технологии печати делятся на листовой и рулонный подходы. Листовая струйная и трафаретная печать лучше всего подходят для мелкообъемной и высокоточной работы. Глубокая , офсетная и флексографическая печать более распространены для крупносерийного производства, например, солнечных батарей, достигающих 10 000 квадратных метров в час (м 2 /ч). [9] [11] В то время как офсетная и флексографическая печать в основном используется для неорганических [12] [13] и органических [14] [15] проводников (последние также для диэлектриков), [16] глубокая печать особенно подходит для качественной печати. чувствительные слои, такие как органические полупроводники и интерфейсы полупроводник/диэлектрик в транзисторах, благодаря высокому качеству слоев. [16] Если требуется высокое разрешение, глубокая печать также подходит для неорганических [17] и органических [18] проводников. Органические полевые транзисторы и интегральные схемы могут быть изготовлены полностью методами массовой печати. [16]
Струйные принтеры гибки и универсальны, и их установка требует относительно небольших усилий. [19] Однако струйные принтеры обеспечивают меньшую производительность (около 100 м 2 /ч) и меньшее разрешение (около 50 мкм). [9] Он хорошо подходит для растворимых материалов с низкой вязкостью , таких как органические полупроводники. При использовании материалов с высокой вязкостью, таких как органические диэлектрики, и дисперсных частиц, таких как неорганические металлические чернила, возникают трудности из-за засорения сопел. Поскольку чернила наносятся каплями, толщина и однородность дисперсии уменьшаются. Одновременное использование множества сопел и предварительное структурирование подложки позволяет повысить производительность и разрешение соответственно. Однако в последнем случае для фактического этапа формирования рисунка необходимо использовать методы, не требующие печати. [20] Струйная печать предпочтительна для органических полупроводников в органических полевых транзисторах (OFET) и органических светодиодах (OLED), но также были продемонстрированы OFET, полностью изготовленные этим методом. [21] Передние панели [22] и задние панели [23] OLED-дисплеев, интегральных схем, [24] органических фотоэлектрических элементов (OPVC) [25] и других устройств могут быть изготовлены с помощью струйной печати.
Трафаретная печать подходит для изготовления электротехники и электроники благодаря ее способности создавать узорчатые толстые слои из пастообразных материалов. Этот метод позволяет создавать проводящие линии из неорганических материалов (например, для печатных плат и антенн), а также изолирующие и пассивирующие слои, при этом толщина слоя более важна, чем высокое разрешение. Его пропускная способность 50 м 2 /ч и разрешение 100 мкм аналогичны струйным принтерам. [9] Этот универсальный и сравнительно простой метод используется в основном для проводящих и диэлектрических слоев, [26] [27], но также можно печатать органические полупроводники, например, для OPVC, [28] и даже целые OFET [22] .
Аэрозольная струйная печать (также известная как безмасочное мезомасштабное осаждение материалов или M3D) [29] — еще одна технология осаждения материалов для печатной электроники. Процесс аэрозольной струи начинается с распыления чернил ультразвуковым или пневматическим способом, в результате чего образуются капли диаметром порядка одного-двух микрометров. Затем капли проходят через виртуальный ударник, который отклоняет капли, имеющие меньший импульс, от потока. Этот шаг помогает поддерживать плотное распределение капель по размерам. Капли увлекаются потоком газа и доставляются к печатающей головке. Здесь вокруг потока аэрозоля подается кольцевой поток чистого газа, который фокусирует капли в плотно коллимированный пучок материала. Объединенные потоки газа выходят из печатающей головки через сужающееся сопло, которое сжимает поток аэрозоля до диаметра всего 10 мкм. Струя капель выходит из печатающей головки с высокой скоростью (~ 50 метров в секунду) и падает на подложку.
Электрические межсоединения, пассивные и активные компоненты [30] формируются путем перемещения печатающей головки, оснащенной механическим стопорным затвором, относительно подложки. Полученные узоры могут иметь особенности шириной от 10 мкм и толщиной слоя от десятков нанометров до >10 мкм. [31] Печатающая головка с широким соплом позволяет эффективно печатать электронные элементы миллиметрового размера и наносить покрытия на поверхности. Вся печать происходит без использования вакуумных и барокамер. Высокая скорость выхода струи обеспечивает относительно большое расстояние между печатающей головкой и подложкой, обычно 2–5 мм. Капли остаются плотно сфокусированными на этом расстоянии, что дает возможность печатать конформные узоры на трехмерных подложках.
Несмотря на высокую скорость, процесс печати щадящий; повреждения подложки не происходит, а разбрызгивание или распыление капель, как правило, минимально. [32] После завершения формирования рисунка отпечатанные чернила обычно требуют последующей обработки для достижения окончательных электрических и механических свойств. Последующая обработка зависит больше от конкретной комбинации чернил и носителя, чем от процесса печати. С помощью процесса Aerosol Jet был успешно нанесен широкий спектр материалов, включая разбавленные толстопленочные пасты, проводящие полимерные чернила, [33] термореактивные полимеры, такие как эпоксидные смолы, отверждаемые УФ-излучением, и полимеры на основе растворителей, такие как полиуретан и полиимид, а также биологические материалы. . [34]
Недавно в качестве основы для печати было предложено использовать печатную бумагу. Следы с высокой проводимостью (близкие к объемной меди) и высоким разрешением могут быть напечатаны на складной и доступной офисной бумаге для печати с температурой отверждения 80°C и временем отверждения 40 минут. [35]
В испарительной печати используется сочетание высокоточной трафаретной печати с испарением материала для печати деталей размером до 5 мкм . В этом методе используются такие методы, как термическая, электронно-лучевая, напыление и другие традиционные производственные технологии для нанесения материалов через высокоточную теневую маску (или трафарет), которая фиксируется на подложке с точностью более 1 мкм. Путем наложения различных конструкций масок и/или подбора материалов можно аддитивно создавать надежные и экономичные схемы без использования фотолитографии.
Интерес представляют и другие методы, схожие с печатью, в том числе микроконтактная печать и наноимпринтная литография . [36] Здесь слои размером мкм и нм соответственно готовятся методами, аналогичными штамповке с использованием мягких и твердых форм соответственно. Часто реальные структуры готовят субтрактивным способом, например, путем нанесения масок травления или процессов отрыва. Например, можно подготовить электроды для OFET. [37] [38] Время от времени тампонная печать используется аналогичным образом. [39] Иногда к печатной электронике относят так называемые методы переноса, при которых твердые слои переносятся с носителя на подложку. [40] Электрофотография в настоящее время не используется в печатной электронике.
Для печатной электроники используются как органические, так и неорганические материалы. Чернильные материалы должны быть доступны в жидкой форме, в виде раствора, дисперсии или суспензии. [41] Они должны функционировать как проводники, полупроводники, диэлектрики или изоляторы. Затраты на материалы должны соответствовать условиям применения.
Электронная функциональность и возможность печати могут мешать друг другу, что требует тщательной оптимизации. [10] Например, более высокая молекулярная масса полимеров увеличивает проводимость, но снижает растворимость. При печати необходимо строго контролировать вязкость, поверхностное натяжение и содержание твердых веществ. Межслоевые взаимодействия, такие как смачивание, адгезия и растворимость, а также процедуры сушки после осаждения, влияют на результат. Добавки, часто используемые в обычных печатных красках, недоступны, поскольку они часто нарушают функциональность электронных устройств.
Свойства материала во многом определяют различия между печатной и обычной электроникой. Материалы для печати обеспечивают решающие преимущества помимо возможности печати, такие как механическая гибкость и функциональная корректировка путем химической модификации (например, световой цвет в органических светодиодах). [42]
Печатные проводники обеспечивают более низкую проводимость и подвижность носителей заряда. [43]
За некоторыми исключениями, неорганические материалы для чернил представляют собой дисперсии металлических или полупроводниковых микро- и наночастиц. Используемые полупроводниковые наночастицы включают кремний [44] и оксидные полупроводники. [45] Кремний также печатается в виде органического предшественника [46], который затем путем пиролиза и отжига преобразуется в кристаллический кремний.
В печатной электронике возможен PMOS, но не CMOS . [47]
Органическая печатная электроника объединяет знания и разработки из области печати, электроники, химии и материаловедения, особенно из органической химии и химии полимеров. Органические материалы частично отличаются от обычной электроники по структуре, работе и функциональности, [48] что влияет на проектирование и оптимизацию устройств и схем, а также на метод изготовления. [49]
Открытие сопряженных полимеров [43] и их превращение в растворимые материалы обеспечили появление первых органических материалов для чернил. Материалы из этого класса полимеров обладают различными проводящими , полупроводниковыми , электролюминесцентными , фотоэлектрическими и другими свойствами. Другие полимеры используются в основном в качестве изоляторов и диэлектриков .
В большинстве органических материалов перенос дырок предпочтительнее транспорта электронов. [50] Недавние исследования показывают, что это особенность интерфейсов органический полупроводник/диэлектрик, которые играют важную роль в OFET. [51] Следовательно, устройства p-типа должны доминировать над устройствами n-типа. Прочность (стойкость к диспергированию) и срок службы меньше, чем у обычных материалов. [47]
Органические полупроводники включают проводящие полимеры поли (3,4-этилендиокситиофен), легированные поли( стиролсульфонатом ), ( PEDOT:PSS ) и поли( анилином ) (PANI). Оба полимера коммерчески доступны в различных рецептурах и напечатаны с использованием струйной, [52] трафаретной [26] и офсетной печати [14] или трафаретной, [26] флексографской [15] и глубокой [18] печати соответственно.
Полимерные полупроводники обрабатываются с помощью струйной печати, например, поли(тиопены), такие как поли(3-гексилтиофен) (P3HT) [53] и поли(9,9-диоктилфлуорен-кобитиофен) (F8T2). [54] Последний материал также был напечатан методом глубокой печати. [16] Для струйной печати используются различные электролюминесцентные полимеры, [20] а также активные материалы для фотогальваники (например, смеси P3HT с производными фуллерена ), [55] которые частично также могут быть нанесены с помощью трафаретной печати (например, смеси поли (фениленвинилен) с производными фуллеренов). [28]
Существуют органические и неорганические изоляторы и диэлектрики, пригодные для печати, которые можно обрабатывать различными методами печати. [56]
Неорганическая электроника обеспечивает высокоупорядоченные слои и интерфейсы, которые не могут обеспечить органические и полимерные материалы.
Наночастицы серебра используются при флексографской, [13] офсетной [57] и струйной печати. [58] Частицы золота используются при струйной печати. [59]
Многоцветные электролюминесцентные (EL) дисплеи переменного тока могут занимать многие десятки квадратных метров или быть встроены в циферблаты и дисплеи приборов. Они включают в себя от шести до восьми напечатанных неорганических слоев, включая люминофор, легированный медью, на подложке из пластиковой пленки. [60]
Ячейки CIGS можно печатать непосредственно на стеклянных листах с молибденовым покрытием .
Напечатанный солнечный элемент из арсенида галлия и германия продемонстрировал эффективность преобразования 40,7%, что в восемь раз выше, чем у лучших органических элементов, приближаясь к лучшим характеристикам кристаллического кремния. [60]
Печатная электроника позволяет использовать гибкие подложки, что снижает производственные затраты и позволяет изготавливать механически гибкие схемы. В то время как струйная и трафаретная печать обычно печатает на жестких подложках, таких как стекло и кремний, в методах массовой печати почти исключительно используются гибкая фольга и бумага. Полиэтилентерефталатная фольга (ПЭТ) является распространенным выбором из-за ее низкой стоимости и умеренно высокой температурной стабильности. [61] Поли(этиленнафталат) -(PEN) и поли(имид) -фольга (PI) представляют собой альтернативы с более высокими эксплуатационными характеристиками и более высокой стоимостью. Низкая стоимость бумаги и ее разнообразное применение делают ее привлекательной основой, однако ее высокая шероховатость и высокая смачиваемость традиционно делали ее проблематичной для электроники. Однако это активная область исследований [62] , и были продемонстрированы совместимые с печатью методы осаждения металла, которые адаптируются к грубой трехмерной геометрии поверхности бумаги. [63] [64]
Другими важными критериями основания являются низкая шероховатость и достаточная смачиваемость, которую можно регулировать предварительной обработкой с помощью нанесения покрытия или коронного разряда . В отличие от традиционной печати, высокая впитывающая способность обычно невыгодна.
Считается, что Альберт Хансон, немец по происхождению, представил концепцию печатной электроники. в 1903 году он получил патент на «Печатные провода», и так родилась печатная электроника. [65] Хэнсон предложил формировать рисунок печатной платы на медной фольге путем резки или штамповки. Нарисованные элементы приклеивались к диэлектрику, в данном случае парафинированной бумаге. [66] Первая печатная схема была произведена в 1936 году Полом Эйслером, и этот процесс использовался для крупномасштабного производства радиоприемников в США во время Второй мировой войны. Технология печатных схем была выпущена для коммерческого использования в США в 1948 году (Printed Circuits Handbook, 1995). За более чем полвека с момента своего создания печатная электроника прошла путь от производства печатных плат (PCB) посредством повседневного использования мембранных переключателей до сегодняшних RFID, фотоэлектрических и электролюминесцентных технологий. [67] Сегодня практически невозможно оглядеть современную американскую семью и не увидеть устройства, в которых либо используются печатные электронные компоненты, либо которые являются прямым результатом печатных электронных технологий. Широкое производство печатной электроники для домашнего использования началось в 1960-х годах, когда печатные платы стали основой всей бытовой электроники. С тех пор печатная электроника стала краеугольным камнем многих новых коммерческих продуктов. [68]
Самая большая тенденция в новейшей истории, когда дело доходит до печатной электроники, — это ее широкое использование в солнечных элементах. В 2011 году исследователи из Массачусетского технологического института создали гибкий солнечный элемент путем струйной печати на обычной бумаге. [69] В 2018 году исследователи из Университета Райса разработали органические солнечные элементы, которые можно окрашивать или печатать на поверхностях. Было доказано, что эти солнечные элементы имеют максимальную эффективность в пятнадцать процентов. [70] Konarka Technologies, ныне несуществующая компания в США, была пионером в производстве струйных солнечных элементов. Сегодня более пятидесяти компаний в разных странах производят печатные солнечные элементы.
Хотя печатная электроника существует с 1960-х годов, по прогнозам [ когда? ], чтобы иметь значительный бум общего дохода. По состоянию на 2011 год общий доход от печатной электронной продукции составил 12,385 (миллиардов долларов США). [71] В отчете IDTechEx прогнозируется, что рынок полиэтилена достигнет 330 (миллиардов) долларов в 2027 году. [72] Основная причина такого увеличения доходов связана с внедрением печатной электроники в мобильные телефоны. Nokia была одной из компаний, которая впервые предложила идею создания телефона «Morph» с использованием печатной электроники. С тех пор Apple внедрила эту технологию в свои устройства iPhone XS, XS Max и XR. [73] Печатная электроника может использоваться для изготовления всех следующих компонентов мобильного телефона: 3D-основная антенна, GPS-антенна, накопитель энергии, 3D-межсоединения, многослойная печатная плата, краевые цепи, перемычки ITO, герметичные уплотнения, упаковка светодиодов и тактильная обратная связь.
Благодаря революционным открытиям и преимуществам, которые печатная электроника дает компаниям, многие крупные компании недавно сделали инвестиции в эту технологию. В 2007 году компании Soligie Inc. и Thinfilm Electronics заключили соглашение об объединении интеллектуальных прав на растворимые материалы с памятью и печать функциональных материалов для разработки печатной памяти в коммерческих объемах. [67] LG объявляет о значительных инвестициях (потенциально 8,71 миллиарда долларов) в производство OLED на пластике. Sharp (Foxconn) инвестирует $570 млн в пилотную линию по производству OLED-дисплеев. Банк Англии объявил о потенциальной стоимости завода по производству гибких AMOLED-экранов стоимостью 6,8 миллиарда долларов. Heliatek получила дополнительное финансирование в размере 80 млн евро для производства OPV в Дрездене. PragmatIC привлекла около 20 миллионов евро от инвесторов, включая Эйвери Деннисона. Thinfilm инвестирует в новую производственную площадку в Кремниевой долине (ранее принадлежавшую Qualcomm). Cambrios возвращается в бизнес после приобретения ТПК. [72]
Печатная электроника используется или находится на стадии рассмотрения, включая беспроводные датчики в упаковке, накожные пластыри, которые взаимодействуют с Интернетом, и здания, которые обнаруживают утечки для обеспечения профилактического обслуживания . Большинство этих приложений все еще находятся на стадиях прототипирования и разработки. [74] Особенно растет интерес к гибким интеллектуальным электронным системам , включая фотоэлектрические, сенсорные и обрабатывающие устройства, обусловленный желанием расширить и интегрировать последние достижения в (опто)электронных технологиях в широкий спектр недорогих ( даже одноразовые) потребительские товары нашей повседневной жизни, а также инструменты для объединения цифрового и физического миров. [75]
Норвежская компания ThinFilm продемонстрировала органическую память, напечатанную с рулона на рулон, в 2009 году. [76] [77] [78] [79]
Технические стандарты и инициативы по составлению дорожных карт призваны облегчить развитие цепочки создания стоимости (для обмена спецификациями продукции, стандартами характеристик и т. д.). Эта стратегия разработки стандартов отражает подход, используемый в кремниевой электронике за последние 50 лет. Инициативы включают в себя:
IPC — Ассоциация Connecting Electronics Industries опубликовала три стандарта для печатной электроники. Все три были опубликованы в сотрудничестве с Японской ассоциацией электронных упаковок и схем (JPCA):
Эти и другие стандарты, находящиеся в стадии разработки, являются частью инициативы IPC в области печатной электроники.