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Gedruckte Elektronik

Gedruckte Elektronik ist ein Satz von Druckverfahren, die verwendet werden, um elektrische Geräte auf verschiedenen Substraten zu erzeugen. Der Druck verwendet typischerweise eine gemeinsame Druckausrüstung, die geeignet ist, Muster auf Material zu definieren , wie Siebdruck , Flexographie , Tiefdruck , Offsetlithographie und Inkjet . Durch elektronische Industriestandards sind dies kostengünstige Prozesse. Elektrisch funktionelle elektronische oder optische Tinten werden auf dem Substrat abgeschieden, wodurch aktive oder passive Vorrichtungen, wie Dünnfilmtransistoren , erzeugt werden ; Kondensatoren; Spulen; Widerstände Die gedruckte Elektronik soll eine weit verbreitete, sehr kostengünstige, leistungsstarke Elektronik für Anwendungen wie flexible Displays , intelligente Etiketten, dekorative und animierte Plakate und aktive Bekleidungsstücke, die keine hohe Leistung erfordern, ermöglichen. [1]

Der Begriff gedruckte Elektronik bezieht sich häufig auf organische Elektronik oder Kunststoffelektronik , bei der eine oder mehrere Tinten aus kohlenstoffbasierten Verbindungen bestehen. Diese anderen Begriffe beziehen sich auf das Tintenmaterial, das durch lösungsbasierte, vakuumbasierte oder andere Verfahren abgeschieden werden kann. Die gedruckte Elektronik dagegen dokumentiert den Prozess und kann, vorbehaltlich der spezifischen Anforderungen des ausgewählten Druckprozesses, beliebiges lösungsbasiertes Material nutzen. Dazu gehören organische Halbleiter , anorganisch   Halbleiter , metallische Leiter, Nanopartikel , Nanoröhrchen usw.

Für die Herstellung von gedruckter Elektronik werden fast alle industriellen Druckverfahren eingesetzt. Ähnlich wie bei konventionellem Druck, Druckelektronik wendet Tintenschichten aufeinander an. [2] So ist die kohärente Entwicklung von Druckverfahren und Tintenmaterialien die wesentlichen Aufgaben des Feldes.

Der wichtigste Vorteil des Druckens ist die kostengünstige Volumenfertigung. Die geringeren Kosten ermöglichen den Einsatz in mehr Anwendungen. [3] Ein Beispiel sind RFID- Systeme, die eine kontaktlose Identifikation im Handel und Transport ermöglichen. In einigen Bereichen , wie z. B. lichtemittierende Dioden Druck hat keinen Einfluss auf die Leistung. [2] Das Bedrucken von flexiblen Untergründen ermöglicht es, die Elektronik auf gekrümmten Flächen zu platzieren, indem sie beispielsweise Solarzellen auf Fahrzeugdächern stellen. Typischerweise rechtfertigen herkömmliche Halbleiter ihre viel höheren Kosten durch eine wesentlich höhere Leistung.

Auflösung, Registrierung, Dicke, Löcher, Materialien [ bearbeiten ]

Die maximal erforderliche Auflösung von Strukturen im konventionellen Druck wird durch das menschliche Auge bestimmt. Merkmalsgrößen kleiner als ca. 20 μm können nicht durch das menschliche Auge unterschieden werden und damit die Möglichkeiten herkömmlicher Druckverfahren übersteigen. [4] Im Gegensatz dazu sind bei großem Elektronikdruck eine höhere Auflösung und kleinere Strukturen notwendig, da sie direkt die Schaltungsdichte und Funktionalität (insbesondere Transistoren) beeinflussen. Eine ähnliche Anforderung gilt für die Präzision, mit der die Schichten übereinander gedruckt werden (Schicht-zu-Schicht-Registrierung).

Die Kontrolle der Dicke, der Löcher und der Materialverträglichkeit (Benetzung, Adhäsion, Solvatisierung) sind von wesentlicher Bedeutung, aber bei konventionellem Druck nur dann, wenn das Auge sie erkennen kann. Umgekehrt ist der visuelle Eindruck für die gedruckte Elektronik irrelevant. [5]

Drucktechnologien [ bearbeiten ]

Die Anziehungskraft der Drucktechnologie für die Herstellung von Elektronik resultiert vor allem aus der Möglichkeit, Stapel von mikrostrukturierten Schichten (und damit Dünnschichtvorrichtungen) im Vergleich zur konventionellen Elektronik viel einfacher und kostengünstiger herzustellen. [6] Auch die Fähigkeit, neue oder verbesserte Funktionalitäten (zB mechanische Flexibilität) zu implementieren, spielt eine Rolle. Die Auswahl des verwendeten Druckverfahrens wird durch Anforderungen an bedruckte Schichten, durch die Eigenschaften von bedruckten Materialien sowie durch wirtschaftliche und technische Erwägungen der endgültigen Druckprodukte bestimmt.

Die Drucktechnologien teilen sich zwischen blatt- und roll-to-roll -basierten Ansätzen. Blatt-basierte Inkjet- und Siebdruck sind am besten für Low-Volume, hochpräzise Arbeit. Gravure- , Offset- und Flexodruckverfahren sind bei der Großserienfertigung wie Solarzellen häufiger und erreichen 10.000 Quadratmeter pro Stunde (m² / h). [4] [6] Während der Offset- und Flexodruck hauptsächlich für anorganische [7] [8] und organische [9] [10] Leiter verwendet wird (letzterer auch für Dielektrika), [11] ist der Tiefdruck besonders geeignet für qualitäts- Empfindliche Schichten wie organische Halbleiter und Halbleiter / Dielektrizitäts-Schnittstellen in Transistoren aufgrund hoher Schichtqualität. [11] Wenn eine hohe Auflösung erforderlich ist, eignet sich auch Gravur für anorganische [12] und organische [13] Leiter. Organische Feldeffekttransistoren und integrierte Schaltungen können durch Massendruckverfahren komplett vorbereitet werden. [11]

Inkjets sind flexibel und vielseitig und können mit relativ geringem Aufwand aufgebaut werden. [14] Die Tintenstrahldrucker bieten jedoch einen geringeren Durchsatz von ca. 100 m 2 / h und eine niedrigere Auflösung (ca. 50 μm). [4] Es eignet sich gut für niedrigviskose , lösliche Materialien wie organische Halbleiter. Bei hochviskosen Materialien wie organischen Dielektrika und dispergierten Partikeln wie anorganischen Metalltinten treten Schwierigkeiten durch Düsenverstopfung auf. Da die Tinte über Tröpfchen abgeschieden wird, wird die Dicke und die Dispersionshomogenität reduziert. Die Verwendung vieler Düsen gleichzeitig und die Vorstrukturierung des Substrats ermöglicht eine Verbesserung der Produktivität und Auflösung. Im letzteren Fall müssen jedoch für den eigentlichen Strukturierungsschritt keine Druckverfahren angewendet werden. [15] Der Tintenstrahldruck ist für organische Halbleiter in organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) und organischen Leuchtdioden (OLEDs) bevorzugt, aber auch OFETs, die nach diesem Verfahren vollständig hergestellt wurden, wurden nachgewiesen. [16] Frontplanes [17] und Backplanes [18] von OLED-Displays, integrierte Schaltungen, [19] organische Photovoltaikzellen (OPVCs) [20] und andere Geräte können mit Tintenstrahldrucker vorbereitet werden.

Der Siebdruck ist geeignet für die Herstellung von Elektrik und Elektronik aufgrund seiner Fähigkeit, gemusterte, dicke Schichten aus pastösen Materialien herzustellen. Dieses Verfahren kann leitende Leitungen aus anorganischen Materialien (z. B. für Leiterplatten und Antennen), aber auch isolierende und passivierende Schichten erzeugen, wobei die Schichtdicke wichtiger ist als eine hohe Auflösung. Sein 50 m² / h Durchsatz und 100 μm Auflösung sind ähnlich wie Tintenstrahldrucker. [4] Diese vielseitige und vergleichsweise einfache Methode wird vor allem für leitfähige und dielektrische Schichten verwendet [21] [22], aber auch organische Halbleiter, zB für OPVCs, [23] und sogar komplette OFETs [17] können ausgedruckt werden.

Aerosol Jet Printing (auch bekannt als Maskless Mesoscale Materials Deposition oder M3D) [24] ist eine weitere Materialabscheidungstechnologie für gedruckte Elektronik. Der Aerosol-Jet-Prozess beginnt mit der Zerstäubung einer Tinte, die bis zu 80 ° C erhitzt werden kann, wodurch Tröpfchen in der Größenordnung von einem bis zwei Mikrometer Durchmesser erzeugt werden. Die zerstäubten Tröpfchen werden in einem Gasstrom mitgerissen und dem Druckkopf zugeführt. Hier wird eine ringförmige Strömung von sauberem Gas um den Aerosolstrom eingeführt, um die Tröpfchen in einen eng kollimierten Materialstrahl zu fokussieren. Die kombinierten Gasströme verlassen den Druckkopf durch eine konvergierende Düse, die den Aerosolstrom auf einen Durchmesser von mindestens 10 μm verdichtet. Der Strahl der Tröpfchen verlässt den Druckkopf mit hoher Geschwindigkeit (~ 50 Meter / Sekunde) und trifft auf das Substrat. Elektrische Zwischenverbindungen, passive und aktive Komponenten [25] werden durch Bewegen des Druckkopfes, der mit einem mechanischen Anschlag / Startverschluss ausgestattet ist, relativ zum Substrat gebildet. Die resultierenden Muster können Merkmale von 10 μm Breite aufweisen, mit Schichtdicken von Dutzenden von Nanometern bis> 10 μm. [26] Ein breiter Düsen-Druckkopf ermöglicht eine effiziente Musterung von Millimetergrößen-Elektronikmerkmalen und Oberflächenbeschichtungsanwendungen. Alle Druckvorgänge erfolgen ohne Vakuum- oder Druckkammern und bei Raumtemperatur. Die hohe Austrittsgeschwindigkeit des Strahls ermöglicht eine relativ große Trennung zwischen dem Druckkopf und dem Substrat, typischerweise 2-5 mm. Die Tröpfchen bleiben dicht über diese Distanz fokussiert, was zu der Fähigkeit führt, konforme Muster über dreidimensionale Substrate zu drucken. Trotz der hohen Geschwindigkeit ist das Druckverfahren schonend; Substrat-Beschädigung tritt nicht auf und es gibt in der Regel keine Splatter oder Overspray aus den Tröpfchen. [27] Sobald die Musterung abgeschlossen ist, erfordert die bedruckte Tinte typischerweise eine Nachbehandlung, um die endgültigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Die Nachbehandlung wird mehr durch die spezifische Tinten- und Substratkombination als durch den Druckprozess gesteuert. Eine breite Palette von Materialien wurde erfolgreich mit dem Aerosol-Jet-Verfahren abgeschieden, einschließlich verdünnter Dickfilmpasten, wärmehärtbaren Polymeren wie UV-härtbaren Epoxiden und Lösungsmittel-basierten Polymeren wie Polyurethan und Polyimid und biologischen Materialien. [28]

Verdunstungsdruck verwendet eine Kombination aus hochpräzisem Siebdruck mit Materialverdampfung, um die Eigenschaften auf 5 μm zu drucken . Diese Methode verwendet Techniken wie Thermo, E-Strahl, Sputter und andere traditionelle Produktionstechnologien, um Materialien durch eine hochpräzise Schattenmaske (oder Schablone), die auf dem Substrat registriert ist, auf besser als 1 Mikrometer abzuscheiden. Durch die Schichtung unterschiedlicher Maskenentwürfe und / oder Anpassungsmaterialien können zuverlässige, kostengünstige Schaltungen additiv aufgebaut werden, ohne die Verwendung von Photolithographie.

Andere Methoden mit Ähnlichkeiten zum Druck, darunter Mikrokontaktdruck und Nano-Aufdruck-Lithographie sind von Interesse . [29] Hier werden die μm- und nm-dimensionierten Schichten durch Verfahren hergestellt, die dem Stanzen mit weichen und harten Formen ähnlich sind. Oft werden die eigentlichen Strukturen subtraktiv vorbereitet, zB durch Abscheidung von Ätzmasken oder durch Abhebevorgänge. Beispielsweise können Elektroden für OFETs hergestellt werden. [30] [31] Sporadisch wird das Tampondruck in ähnlicher Weise verwendet . [32] Gelegentlich werden so genannte Transfermethoden, bei denen feste Schichten von einem Träger auf das Substrat übertragen werden, als gedruckte Elektronik betrachtet. [33] Elektrophotographie wird derzeit nicht in gedruckter Elektronik verwendet.

Materialien [ bearbeiten ]

Sowohl organische als auch anorganische Materialien werden für gedruckte Elektronik verwendet. Tintenmaterialien müssen in flüssiger Form zur Lösung, Dispersion oder Suspension vorliegen. [34] Sie müssen als Leiter, Halbleiter, Dielektrika oder Isolatoren fungieren. Materialkosten müssen für die Anwendung passen.

Elektronische Funktionalität und Bedruckbarkeit können sich gegenseitig stören und eine sorgfältige Optimierung vorschreiben. [5] Zum Beispiel erhöht ein höheres Molekulargewicht in Polymeren die Leitfähigkeit, vermindert aber die Löslichkeit. Für den Druck müssen Viskosität, Oberflächenspannung und Feststoffgehalt streng kontrolliert werden. Cross-Layer-Wechselwirkungen wie Benetzung, Adhäsion und Löslichkeit sowie Nachabscheidungstrocknungsverfahren beeinflussen das Ergebnis. Additive, die häufig in herkömmlichen Druckfarben verwendet werden, sind nicht verfügbar, weil sie oft die elektronische Funktionalität besiegen.

Materialeigenschaften bestimmen weitgehend die Unterschiede zwischen gedruckter und konventioneller Elektronik. Bedruckbare Materialien bieten neben der Bedruckbarkeit entscheidende Vorteile wie mechanische Flexibilität und Funktionseinstellung durch chemische Modifikation (zB Lichtfarbe in OLEDs). [35]

Gedruckte Leiter bieten eine geringere Leitfähigkeit und Ladungsträgerbeweglichkeit. [36]

Mit wenigen Ausnahmen sind anorganische Tintenmaterialien Dispersionen von metallischen oder halbleitenden Mikro- und Nanopartikeln. Zu den verwendeten Halbleiter-Nanopartikeln gehören Silizium- [37] und Oxidhalbleiter. [38] Silizium wird auch als organischer Vorläufer [39] gedruckt, der dann durch Pyrolisis und Glühen in kristallines Silizium umgewandelt wird.

PMOS aber nicht CMOS ist in gedruckter Elektronik möglich. [40]

Organische Materialien [ bearbeiten ]

Organische gedruckte Elektronik integriert Wissen und Entwicklungen aus Druck, Elektronik, Chemie und Materialwissenschaften, insbesondere aus der Bio- und Polymerchemie. Organische Werkstoffe unterscheiden sich zum Teil von konventioneller Elektronik hinsichtlich Struktur, Betrieb und Funktionalität [41] , die Geräte- und Schaltungsentwurf und -optimierung sowie Herstellungsverfahren beeinflusst. [42]

Die Entdeckung von konjugierten Polymeren [36] und deren Entwicklung zu löslichen Materialien lieferten die ersten organischen Tintenmaterialien. Materialien aus dieser Klasse von Polymeren besitzen unterschiedlich leitende , halbleitende , elektrolumineszente , photovoltaische und andere Eigenschaften. Andere Polymere werden meist als Isolatoren und Dielektrika eingesetzt .

In den meisten organischen Materialien wird der Lochtransport über den Elektronentransport begünstigt. [43] Jüngste Studien zeigen, dass dies ein besonderes Merkmal von organischen Halbleiter / Dielektrizitäts-Schnittstellen ist, die eine wichtige Rolle bei OFETs spielen. [44] Daher sollten p-Typ-Geräte über n-Typ-Geräte dominieren. Haltbarkeit (Beständigkeit gegen Dispersion) und Lebensdauer ist geringer als herkömmliche Materialien. [40]

Organische Halbleiter umfassen die leitfähigen Polymere Poly (3,4-ethylendioxitiophen), die mit Poly ( styrol   Sulfonat ), ( PEDOT: PSS ) und Poly ( anilin ) (PANI). Beide Polymere sind im Handel in verschiedenen Formulierungen erhältlich und wurden mit dem Inkjet-, [45] -Sieb [21] und dem Offsetdruck [9] bzw. dem Siebdruck [21] Flexo [10] bzw. dem Tiefdruck [13] bedruckt.

Polymer-Halbleiter werden unter Verwendung von Tintenstrahldrucken, wie Poly (thiopen) s wie Poly (3-hexylthiophen) (P3HT) [46] und Poly (9,9-dioctylfluoren-co-bithiophen) (F8T2) verarbeitet. [47] Das letztere Material wurde auch gravur gedruckt. [11] Verschiedene elektrolumineszierende Polymere werden mit dem Tintenstrahldruck, [15] sowie aktiven Materialien für die Photovoltaik (zB Mischungen von P3HT mit Fullerenderivaten), [48] verwendet, die zum Teil auch mittels Siebdruck abgeschieden werden können (zB Mischungen aus Poly (Phenylenvinylen) mit Fullerenderivaten). [23]

Bedruckbare organische und anorganische Isolatoren und Dielektrika existieren, die mit unterschiedlichen Druckverfahren verarbeitet werden können. [49]

Anorganische Materialien [ bearbeiten ]

Anorganische Elektronik liefert hochgeordnete Schichten und Grenzflächen, die organische und polymere Materialien nicht liefern können.

Silber- Nanopartikel werden mit Flexo, [8] Offset [50] und Inkjet verwendet. [51] Goldpartikel werden mit Inkjet verwendet. [52]

AC- Elektrolumineszenz (EL) Mehrfarbdisplays können viele Zehntel Quadratmeter abdecken oder in Uhrengesichter und Instrumentenanzeigen integriert werden. Sie umfassen sechs bis acht gedruckte anorganische Schichten, einschließlich eines kupferdotierten Phosphors, auf einem Plastikfilmsubstrat. [53]

CIGS-Zellen können direkt auf Molybdän gedruckt werden   Beschichtet   Glasplatten

Eine gedruckte Gallium-Arsenid-Germanium- Solarzelle zeigte 40,7% Umwandlungseffizienz, achtmal die der besten organischen Zellen, die sich der besten Leistung von kristallinem Silizium nähern. [53]

Substrate [ bearbeiten ]

Die bedruckte Elektronik ermöglicht den Einsatz von flexiblen Untergründen, die die Herstellungskosten senken und die Herstellung von mechanisch flexiblen Schaltungen ermöglichen. Während der Inkjet- und Siebdruck typischerweise starre Substrate wie Glas und Silizium aufprägen, verwenden Massen-Druckverfahren fast ausschließlich flexible Folien und Papier. Poly (ethylenterephthalat) -folie (PET) ist eine gemeinsame Wahl, aufgrund seiner geringen Kosten und mäßig hohen Temperaturstabilität. Poly (ethylennaphthalat) - (PEN) und Poly (imid) -Film (PI) sind höhere Leistung, höhere Kosten Alternativen. Die niedrigen Kosten des Papiers und die vielfältigen Anwendungen machen es zu einem attraktiven Untergrund, aber seine hohe Rauheit und große Saugfähigkeit machen es für die Elektronik problematisch. [50]

Weitere wichtige Substratkriterien sind eine geringe Rauhigkeit und eine geeignete Benetzbarkeit, bei der die Vorbehandlung durch Beschichtung oder Corona-Entladung abgestimmt werden kann . Im Gegensatz zum konventionellen Druck ist in hohem Maße eine hohe Absorptionsfähigkeit nachteilig.

Anwendungen [ bearbeiten ]

Gedruckte Elektronik ist im Einsatz oder in Betracht für:

Die norwegische Firma ThinFilm hat 2009 erfolgreich den Roll-to-Roll gedruckten organischen Speicher gezeigt. [54] [55] [56] [57]

Standards Entwicklung und Aktivitäten [ bearbeiten ]

Technische Standards und Roadmapping-Initiativen sollen die Wertschöpfungskettenentwicklung erleichtern (für den Austausch von Produktspezifikationen, Charakterisierungsstandards usw.). Diese Strategie der Normenentwicklung spiegelt den Ansatz der Silizium-basierten Elektronik in den vergangenen 50 Jahren wider. Initiativen sind:

Hat drei Standards für gedruckte Elektronik veröffentlicht. Alle drei wurden in Zusammenarbeit mit der Japan Electronic Packaging and Circuits Association (JPCA) veröffentlicht:

  • IPC / JPCA-4921, Anforderungen an bedruckte Elektronik-Grundwerkstoffe

  • IPC / JPCA-4591, Voraussetzungen für gedruckte Elektronik Funktionsfähige leitfähige Materialien

  • IPC / JPCA-2291, Entwurfsrichtlinie für gedruckte Elektronik

Diese Standards und andere in der Entwicklung sind Teil der IPC's Printed Electronics Initiative.


Ein paar: Antimikrobielle Silber-Nanopartikel

Der nächste streifen: Leitfähige Tinte

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