A nyomtatott elektronika az elektronikának egy olyan területe, amely olyan elektronikus áramkörök létrehozásával foglalkozik nyomtatóberendezések segítségével , amelyek lehetővé teszik speciális (vezető, félvezető, rezisztív stb.) tinta felvitelét egy lapos hordozó felületére, és ezáltal aktív és rajta a passzív elemek , valamint az elemközi csatlakozások az elektromos rajz szerint .
A nyomtatott elektronikus áramkörök megjelenése olyan új anyagok kifejlesztésével jár együtt, amelyek bizonyos feltételek mellett helyettesíthetik a szilíciumot az elektronikai és számítástechnikai technológiákban. Kiderült, hogy bizonyos anyagok (beleértve a szerves polimereket és fémvegyületek nanorészecskéit ) adhatók olyan folyadékokhoz , amelyek festékként vagy tintaként működnek , amelyeket aztán egy hordozóra visznek fel, és aktív vagy passzív eszközöket, például vékonyréteg-tranzisztorokat vagy ellenállásokat hoznak létre. [1] .
A hagyományos nyomtatás során általában tintarétegeket visznek fel a papírra , de a nyomtatott elektronika esetében kevés haszna van. A papír érdes felülete és gyors vízfelvétele miatt a figyelem olyan anyagok felé fordult, mint a műanyag , kerámia vagy szilícium . A nyomtatás általában általános nyomtatóberendezéseket használ, különösen szitanyomást , flexográfiát , rotációs mélynyomó- és ofszetnyomtató berendezéseket, valamint tintasugaras nyomtatókat . A hagyományos nyomtatáshoz hasonlóan a nyomtatott elektronikában a festékeket rétegesen hordják fel egymásra, így a nyomtatási módszerek és festékanyagok összehangolt fejlesztése a legfontosabb feladat ebben az irányban [2] .
A nyomtatott elektronika kifejezés szorosan kapcsolódik a szerves vagy műanyag elektronikához, amelyben egy vagy több tinta szénvegyületekből áll. Az organikus elektronika kifejezés kifejezetten a tinta anyagához kapcsolódik, amely oldatból vákuumleválasztással vagy más módon alkalmazható. Ezzel szemben a nyomtatott elektronika elnevezést a folyamat határozza meg, nem az anyag. Itt bármilyen anyag használható, beleértve a szerves félvezetőket , szervetlen félvezetőket, fémvezetőket, nanorészecskéket , szén nanocsöveket stb.
A nyomtatott elektronikus eszközök jellemzői általában rosszabbak, mint a hagyományos elektronikus eszközöké, de az utóbbiak költsége drágább. Az alacsony költség a nyomtatás legfontosabb előnye, különösen nagyüzemi gyártás esetén. A nyomtatott elektronika várhatóan megkönnyíti a nagyon alacsony költségű elektronikai eszközök mindenütt elterjedését olyan alkalmazásokban, mint a rugalmas kijelzők, RFID , dekoratív és animált poszterek, aktív bevonatok stb., azaz azoknál a termékeknél, amelyek nem igényelnek nagy teljesítményű elektronikát.
Az alacsonyabb költség lehetővé teszi a termékek több alkalmazásban történő felhasználását. [3] Példa erre az RFID rendszer, amely érintés nélküli áruazonosítást tesz lehetővé a kereskedelem és a szállítás területén. Egyes területeken, például a LED -gyártásban , a nyomtatás nem befolyásolja a termék teljesítményét. [2] A rugalmas hordozóra történő nyomtatás lehetővé teszi elektronikus termékek létrehozását ívelt felületeken, például napelemek felszerelését az autók tetejére.
A nyomtatott technológiák vonzereje az elektronikai gyártásban elsősorban annak köszönhető, hogy a hagyományos elektronikánál sokkal egyszerűbb és költséghatékonyabb módon lehet rétegről rétegre mikrostrukturált nyersdarabokat készíteni (és ezáltal vékonyfilmes eszközöket gyártani). [4] Emellett szerepet játszik az új vagy továbbfejlesztett funkcionalitás (pl. mechanikai rugalmasság) megvalósításának lehetősége is. Az alkalmazott nyomtatási módok megválasztását a nyomtatott rétegekre vonatkozó követelmények, a nyomtatott anyagok tulajdonságai, valamint a nyomdai termékek gazdasági és műszaki szempontjai határozzák meg.
A nyomtatási technológiákat lapra és tekercsre osztják. Az íves adagolási technikák, mint például a tintasugaras és a szitanyomás, a legalkalmasabbak kis mennyiségben végzett nagy pontosságú munkákhoz. A rotációs mélynyomás , az ofszet és a flexo nyomtatás alkalmasabb nagy volumenű gyártásra, például napelemekre, ahol óránként 10 000 négyzetméter (m²/h) gyártási sebesség érhető el [4] [5] . Míg az ofszet és flexonyomtatást főként szervetlen [6] [7] és szerves [8] [9] vezetékeknél alkalmazzák (utóbbit dielektrikumoknál is [10] ), addig a rotációs mélynyomás a rétegek jó minősége miatt különösen. alkalmas szerves félvezetőkhöz és tranzisztorok félvezető-dielektromos átmeneteihez. [10] Nagy felbontással kombinálva a rotációs mélynyomás szervetlen [11] és szerves [12] vezetőkhöz is alkalmas. A szerves térhatású tranzisztorok és integrált áramkörök teljes mértékben előállíthatók soros nyomtatási módszerekkel [10] .
A tintasugaras nyomtatók rugalmas, sokoldalú berendezések, amelyek viszonylag kis erőfeszítéssel újrakonfigurálhatók. Nyilvánvalóan ezért ezeket használják a leggyakrabban. [13] A tintasugaras nyomtatók azonban alacsony termelékenységgel (kb. 100 m 2 /h) és alacsony felbontással (körülbelül 50 mikron) rendelkeznek. [5] Jól alkalmazhatók alacsony viszkozitású és jól oldódó anyagokhoz, például szerves félvezetőkhöz. A nagy viszkozitású anyagok, például szerves dielektrikumok vagy diszpergált részecskék, például szervetlen fémfestékek esetében problémák adódhatnak a fúvókák eltömődésével. Mivel a tinta cseppek formájában raktározódik, a rétegvastagság és a diszpergált heterogenitás csökkenthető. A több fúvóka egyidejű használata és a hordozó előzetes strukturálása nagyobb teljesítményt és felbontást tesz lehetővé. Ez utóbbi esetben azonban ténylegesen technológiai lépéseket kell alkalmazni nem nyomtatási módszerekkel. [14] A tintasugaras nyomtatást előnyben részesítik szerves félvezetőknél szerves térhatástranzisztorokban (OFET) és szerves fénykibocsátó diódákban (OLED). [15] Led-kijelzők [16] [17] , integrált áramkörök [18] , szerves fotovoltaikus cellák (OPVC) [19] és egyéb eszközök elő- és hátlapja is készíthető belőle.
A szitanyomás ipari méretű elektronikai termékek gyártására is alkalmas , mivel képes vastag pasztaszerű anyagok reprodukálására. Ezzel a módszerrel szervetlen anyagokból (például nyomtatott áramköri lapokból és antennákból) vezető vonalak, valamint szigetelő és passziváló rétegek hozhatók létre, ha a rétegvastagság fontosabb, mint a nagy felbontás. 50 m²/h teljesítménye és 100 µm felbontása közel áll a tintasugaras nyomtatókéhoz. [5] Ezt a sokoldalú és viszonylag egyszerű módszert főként vezetőképes és dielektromos rétegeknél alkalmazzák, [20] [21] de szerves félvezetőknél is [22] , sőt szerves térhatású tranzisztoroknál (OFET) is.
A nyomtatáshoz hasonló egyéb módszerek is érdekesek, ideértve a mikrokontaktus nyomtatást és a nanobélyegző litográfiát [23] . Ezekben a bélyegzéshez közeli módszerekkel mikron/nano-mikron méretű rétegeket készítenek, lágy, illetve kemény formákból. A tényleges szerkezetet gyakran szubtraktív módon készítik el, például a maszkot szelektív maratással vagy negatív maratással készítik. Ily módon például szerves térhatású tranzisztorok (OFET) elektródáit készítik [24] [25] . Néha a tamponnyomást is hasonló módon alkalmazzák [26] . Esetenként úgynevezett transzfer módszereket alkalmaznak, amelyek során szilárd rétegeket visznek át a hordozóról a hordozóra. A nyomtatott elektronikára is vonatkoznak. A nyomtatott elektronikában jelenleg nem alkalmazzák a fénymásolást .
A nyomtatott elektronika már használatban van, vagy a következő országokban tervezik a felhasználását:
A struktúrák maximálisan szükséges felbontását a hagyományos nyomtatásban az emberi szem szerkezete határozza meg . A körülbelül 20 µm-nél kisebb részleteket emberi szem nem tudja megkülönböztetni, de a hagyományos nyomtatási eljárások lehetőségeit meghaladják. [5] Ezzel szemben a nyomtatott elektronikában nagyobb felbontásra és finomabb szerkezetekre van szükség, mivel ezek közvetlenül befolyásolják az áramkör sűrűségét és funkcionalitását (különösen a tranzisztorok). Hasonló követelmény igaz a rétegek egymásra helyezésének pontosságára is.
Szükséges a vastagság, a furatok mérete és az anyagkompatibilitás (nedvesedés, tapadás, szolvatáció) ellenőrzése is. A hagyományos nyomtatásban ez csak akkor fontos, ha a szem képes észlelni őket. A nyomtatott elektronikában a vizuális benyomásnak nincs jelentősége. [27]
A nyomtatott elektronikához szerves és szervetlen anyagokat is használnak. A tintának folyékony formában kell lennie, oldat , diszperzió vagy szuszpenzió formájában [28] . Ezeknek vezetőknek, félvezetőknek, dielektrikumoknak vagy szigetelőknek kell lenniük. Az anyagköltségnek meg kell felelnie az alkalmazásnak.
Az elektronikus funkcionalitás és a nyomtathatóság ütközhet egymással, ezért a gondos optimalizálás elengedhetetlen. [27] Például a nagyobb molekulatömegű polimerek növelik a vezetőképességet, de csökkentik az oldhatóságot. Nyomtatáskor szigorúan ellenőrizni kell a viszkozitást, a felületi feszültséget és a szilárd zárványokat. A rétegek közötti kölcsönhatások, mint például a nedvesedés, adhézió és oldhatóság, valamint a felhordás utáni szárítási eljárások befolyásolják az eredményt. A hagyományos nyomdafestékekben gyakran használt adalékok itt nem megfelelőek, mert zavarhatják az elektronikus működést.
Az anyagtulajdonságok nagymértékben meghatározzák a nyomtatott és a hagyományos elektronika közötti különbségeket. A nyomtatott anyagok amellett, hogy nyomtathatók, olyan döntő új előnyöket kínálnak, mint a mechanikai rugalmasság és a kémiai módosítással (például az OLED-ek világos színe) keresztül történő funkcionális testreszabhatóság. [29]
A nyomtatott vezetők vezetőképessége és a töltéshordozók mozgékonysága alacsonyabb. [30] Néhány kivételtől eltekintve a szervetlen tintaanyagok fémes mikro- és nanorészecskék diszperziói. A nyomtatott elektronikában a PMOS technológia lehetséges , de a CMOS nem . [31]
Az organikus nyomtatott elektronika integrálja a nyomtatás, az elektronika, a kémia és az anyagtudomány, különösen a szerves és polimer kémia ismereteit és fejlesztéseit. A szerves anyagok szerkezetükben, működésükben és funkcionalitásukban sok tekintetben különböznek a hagyományos elektronikai anyagoktól [32] , ami hatással van az eszközök tervezésére és az áramkör optimalizálására, valamint a gyártási módszerekre.
Az elektromosan vezető polimerek [30] felfedezése és az ezeken alapuló oldható anyagok kifejlesztése biztosította az első tinta szerves anyagokból történő megalkotását. Az ebbe az osztályba tartozó polimerek különböző mértékben elektromosan vezető , félvezető , elektrolumineszcens , fotovoltaikus és egyéb tulajdonságokkal rendelkeznek. Más polimereket főleg csak szigetelőként és dielektrikumként használnak .
A legtöbb szerves anyagban a lyukvezetőképesség érvényesül az elektronvezetőképességgel szemben. [33] A legújabb tanulmányok kimutatták, hogy ez a szerves félvezető-szigetelő csomópontok sajátossága, amelyek fontos szerepet játszanak a szerves térhatású tranzisztorokban (OFET). [34] Ezért a p - típusú eszközöknek elsőbbséget kell élvezniük az n - típusú eszközökkel szemben. A kopásállóság (diszperziós ellenállás) és élettartama rövidebb, mint a hagyományos anyagoké. [31]
A szerves félvezetők polisztirolszulfonáttal (PEDOT:PSS) és polianilinnal (PANI) adalékolt poli(3,4-etilén-dioxi-tiofén) vezetőképes polimerből állnak. Mindkét polimer különböző néven kapható a kereskedelemben, és tintasugaras, [35] szita [20] és ofszet [8] vagy szita-, [20] flexo [9] és mélynyomó [12] nyomtatásban használatosak.
A tintasugaras nyomtatáshoz polimer félvezetőket használnak, például politiofént, poli(3-hexil-tiofént) (P3HT) [36] és 9,9-dioktilfluorén-bitiofén kopolimert (F8T2). [37] Ez utóbbi anyagot mélynyomtatáshoz is használják. [10] Különféle elektrolumineszcens polimereket használnak a tintasugaras nyomtatásban, [14] főként fotovoltaikus anyagok aktív anyagaként (például P3HT és fullerén származékok keveréke ). [38] Szitanyomásra is használhatók (például poli(fenilén-vinilén) és fullerén-származékok keveréke). [22]
A szervetlen elektronika a rétegek és átmenetek magas sorrendjét biztosítja, amit a szerves és polimer anyagok nem tudnak biztosítani.
Az ezüst nanorészecskéket flexo, ofszet és tintasugaras nyomtatásban használják. [7] [39] Az aranyrészecskéket a tintasugaras nyomtatásban használják. [40]
Az elektrolumineszcens színes kijelzők több tíz négyzetméteren is átnyúlhatnak, vagy beépíthetők az óralapba és a műszerfalba. 6-8 nyomtatott szervetlen rétegből állnak, köztük foszforral adalékolt rézből , egy rugalmas műanyag hordozón. [41]
A réz-indium-gallium-szelén (CIGS) sejteket közvetlenül egy molibdénnel bevont üveglapra lehet nyomtatni .
A nyomtatott gallium-germánium-arzenid napelemek konverziós hatásfoka 40,7%, a legjobb szerves cellák nyolcszorosa, ami megközelíti a tiszta szilícium cellák legjobb teljesítményét. [41]
A nyomtatott elektronika lehetővé teszi rugalmas hordozók használatát , ami csökkenti a gyártási költségeket és lehetővé teszi mechanikusan rugalmas áramkörök gyártását. Bár a tintasugaras és szitanyomás általában merev hordozókra, például üvegre és szilíciumra történik, a tömegnyomtatási eljárások szinte kizárólag rugalmas fóliát és néha speciálisan kezelt papírt használnak. A polietilén-tereftalát (PET) fóliát leggyakrabban használják alacsony költsége és magas hőmérsékleti stabilitása miatt. Alternatívák a polietilén-naftalát (PEN) és a poliimid (PI) fólia. Alacsony költsége és sokféle felhasználása miatt a papír vonzó szubsztrátum, de nagy érdessége és nagy nedvszívó képessége problémássá teszi az elektronikus alkalmazásokban. [42]
További fontos aljzatkritérium az alacsony érdesség és az alacsony nedvesíthetőség, amely előkezeléssel (bevonat, koronafilm) módosítható. A hagyományos nyomtatással ellentétben a nagy nedvszívó képesség általában hátrány.
A szabványok és a gyártási kezdeményezések célja az értéklánc fejlesztésének előmozdítása (a termékleírások megosztása, a szabványok kezelése stb.). Ez a szabványfejlesztési stratégia tükrözi a szilíciumelektronikában az elmúlt 50 évben alkalmazott megközelítést. A kezdeményezések a következők: