Polimer és nyomtatott elektronika. A polimer elektronika

Átírás

1 Polimer és nyomtatott elektronika A polimer elektronika Foto: Sigma Aldrich Gröller György Óbudai Egyetem Kandó K. Villamosmérnöki Kar MTI groller.gyorgy@kvk.uni-obuda.hu

2 Tartalom Mi a polimer elektronika, nyomtatott elektronika? Vezető szerves molekulák, polimerek. Vezetők, félvezetők, fénykibocsátó anyagok, szigetelők, hordozók. Nyomtatási technológiák Tinták A technológiával előállított eszközök Szabványok, egyéb források 2

3 Előzmények Nyomtatás 500 éves iparág, itt születtek meg az ábrakészítés, sokszorosítás tömeggyártásra alkalmas módszerei Rézkarc NYÁK maszkolás, maratás Fototechnika NYÁK, IC Szitanyomtatás NYÁK, szereléstechnológia, hibrid IC Az átvétel, adaptálás sokszor finomítást, tökéletesítést is jelentett, de sokszor jelentős költségnövekedést is. A nyomtatás döntően additív technológia, az elektronikai technológiák nagy része szubtraktív. Több kémia, nagyobb környezetterhelés, lassúbb folyamatok. Minden nyomdai eljárás csábító. 3

4 Mi az OPE (PPE)? polimer (szerves) elektronika PE: Printed Electronics OPE: Organic and Printed Electronics makroelektronika PPE: Polymer and Printed Electronics Olcsó alapanyag Egyszerű, nagy teljesítményű technológia Nagy méretű eszközök nyomtatott elektronika 4

5 Az OPE helye az elektronikai iparban Igény ~ nagy méretű elektronikus eszközökre: lapos képernyők, napelemek (vágy) hajlékony, papírszerű hordozójú kijelzőkre nagy sorozatú, rövid életciklusú eszközökre ( eldobható elektronika ) hordható, hajlítható, nyújtható eszközökre Szerves vezető anyagok kutatása ~ 50 - (100) éve Nobel díj: 2000 Első piaci termékek

6 A mai helyzet és a fejlődési lehetőségek a 6

7 Vezető szerves molekulák, polimerek Molekulán belül konjugált kettőskötés rendszer. Delokalizált elektronok Kötő pálya: HOMO (legfelső betöltött molekulapálya) Nemkötő pálya: LUMO (legalsó betöltetlen molekulapálya) (Megfelel a vegyérték és vezetési sávnak) p és n adalékolás megvalósítható oxidációval ill. redukcióval. 7

8 Vezető szerves molekulák, polimerek Konjugált kettőskötéseket tartalmazó vezető polimerek 8

9 Vezető szerves molekulák, polimerek Kis molekulájú szerves félvezetők Oldószermentes technológia LED-eknél jobb hatásfok, mint a polimerek Dendrimerek Fullerén származékok, szén nanocsövek 9

10 OLED Polimer OLED szerkezete Fém elektród Fénykibocsátó polimer réteg Átlátszó elektród + - Hordozó Kis molekulájú OLED rétegszerkezete és sávdiagramja Emittált fény 10

11 Nyomtatás A különböző nyomtatási technikák kapacitása és felbontása közötti kapcsolat Minden klasszikus és újabb nyomtatási technika alkalmas lehet funkcionális anyagok nyomtatására. Az anyagokat oldat vagy kolloid szuszpenzió, paszta formájában kell alkalmazni. Gyakorlatilag minden anyagfajtából készíthető alkalmas tinta. Jelenleg az oldószeres technikákkal készített rétegek, eszközök paraméterei rosszabbak, mint a vákuumtechnikai eljárással készülteké (pl. hatásfok, vezetőképesség, töltéshordozó-mozgékonyság, stb.) Forrás: OE Roadmap

12 Nyomtatás Szita Félvezető fotolitográfia Mélynyomás Flexo Offset Tinta sugaras Felbontás (μm) > 0,01 >100 >15 > 50 > 55 > 50 Átl. Rétegvastagság (μm) 0, ,8 8 0,8 2,5 0,5 2 0,3 20 Tinta viszkozitása (mpas) Fontosabb nyomtatási módok és néhány jellemző paraméterük 12

13 Nyomtatás Tintasugaras Rugalmas, prototípustól ipari méretekig. Minden funkcionális anyag nyomtatható. Alaptípusok: termikus és piezo, de minden egyéb cseppképző eljárással kísérleteznek. Felbontás: 5 10 μm, csepptérfogat fl (10-15 liter)tartományban. Nagyon rugalmas, kísérleti, kis sorozatú gyártásban több éve használják. Egy pötty keletkezése Egy ipari nyomtatófej Egy pötty vastagságeloszlása 13

14 Tintasugaras nyomtatás Dimatix Fuji Minden nyomtatáshoz a megfelelő reológiai tulajdonságokkal rendelkező tinta (paszta) szükséges: Oldószerben higítható funkcionális anyagok Nyomtatás után szárítás, stabilizáló hőkezelés Több piaci termék Ár: 3000 $ $ Litrex M ipari nyomtató Grafén, nanocső, vezető tinták nyomtatására DragonFly D printer Komplett NYÁK prototípus készítés v=pew1nurj5ww 14

15 Tintasugaras nyomtatás Rajzolat minősége függ: Cseppméret, hordozó sebesség Oldószer minőség Felületi feszültség, kontakt szög a hordozó és a tinta között Hordozó felületi simasága a A nyomtatás mechanizmusa és a rajzolt csík kontúrja a nyomtatási sebesség függvényében. Tintasugaras nyomtatással készült OFET tranzisztorok Kávéfolt effektus: A cseppen belüli áramlás, egyenlőtlen száradás miatt. 15

16 Klasszikus nyomdai technikák Alaptípusok Magasnyomás: (flexografikus, ha gumiformát használ) Síknyomás: (offset, a nedvesítési különbségen alapul) Mélynyomás: (gravur, legjobb felbontás, 10 μm-ig lehetőség változó rétegvastagság nyomtatására) Szita: elektronikai iparban régóta használt (lötstop, felirat, vastagréteg hibrid IC, forraszpaszta). Sík és forgódobos. Felbontás μm. a 16

17 Klasszikus nyomdai technikák Szükséges hajlékony hordozó. Roll to roll megoldás (R2R): Állandó sebességű hordozó szalag (megállítható) ~ 0,3 m/perc, cél: 5-10 m/perc Lépések egy lineáris sorba rendezve Műveleti idők összehangolva (nehéz! pl. nyomtatás << szárítás) Nyomtatás, szárítás, hőkezelés, (vákuumgőzölés), ellenőrzés 17

18 Tinták, paszták A funkcionális anyagok nyomtatásra alkalmas formája A nyomdatechnikától függő koncentrációban, viszkozitással Fontos paraméterek: Tapadás (friss tinta/hőkezelt végső réteg) Nedvesítés, nedvesítési szög Oldószer típusa, toxicitása Eltarthatóság Fő típusok: Oldat típus szerint: Valódi oldatok Nanorészecskés szuszpenziók (kolloid oldatok) Polimer/szerves oldatok Funkció szerint: Vezető Félvezető Szigetelő 18

19 Anyagválaszték, vezető anyagok Alkalmazás elektródként Követelmények: Kis ellenállás Sima, egyenletes felület Kémiai stabilitás Megfelelő (alacsony) kilépési munka Fémek: nyomtatható tinták ezüst nanoszemcskékkel, nanoszálakkal Fémoxidok: ITO (indium-ón-oxid) AZO (ZnO-Al 2 O 3 ) Szerves: Polianilin, PEDOT-PSS ( ~ 400 1/Ωcm, fényáteresztő) Szén nanocsövek, grafén Ezüst nanoszál és oxidálódás ellen stabilizált réz nanoszemcsék 19

20 Vezető tinták Alapanyagok: Ezüst, (arany, réz) Jó vezetőképesség, nem oxidálódik Bonyolult előállítás, magas beégetési hőmérséklet, nagy polimer-tartalom Grafit, szén nanocső, grafén Ellenállás, vezető tinta, átlátszó vezető Vezető polimerek/szerves molekulák Főképp TCE-hez kapcsolódva elektron/lyuk injektáló réteg Oldószer lehet víz, ritkábban szerves is. 20

21 Vezető tinták jellemzői Tinta típus ellenállás viszkozitás nyomtató gyártó/ár/megjegyzés Ezüst diszperziós % Ezüst diszperziós % Reaktív ezüst % 7 25 μωcm mpas tintasugaras mωcm ~ mpas mpas flexo, spray tintasugaras, spin, R2R Aldrich (4 10 eft/ml), DuPont, WESS (nyújtható) Creative Materials (ingyen minta) Aldrich (5 eft/ml) Ezüst nanoszál 1 % 30 Ω - spin, slot die Henkel (1 eft/ml), átlátszó Szén nanocső SWCNT 600 Ω 3 mpas spray Aldrich 3 eft/ml, átlátszó Szén nanocső MWCNT 0,7 10 kω - tintasugaras - Grafén 3 8 mωcm 8 15 mpas 0,7 3 Pas tintasugaras, gravur Aldrich (16 eft/ml) Felvitel után legtöbbször hőkezelés szükséges, az oldószer eltávolítása, a réteg stabilizálása érdekében. Ag diszperziósnál C, a többinél alacsonyabb. Polimer (politiofén) 0,4 5 kωcm 3-5 mpas spin - slot Aldrich (4 eft/ml Szerves (Plexcore) Ωcm 8 mpas - 2 eft/ml 21

22 Átlátszó vezető elektród (TCO) anyagai Követelmény: Felületi ellenállás < 100 Ω Átlátszóság > 90 % Általános: ITO (In 2 O 3, SnO 2 ) R = Ω, T =84% AZO (Al 2 O 3, ZnO), FTO (fluor adalékolt SnO 2 ). Jobb paraméterek, mint ITO, de ugyanúgy ridegek, hajlékony hordozóra nem alkalmasak Nagy OLED kijelzők, lámpák számára 5 Ω alatti felületi ellenállás kellene. Grafén Elektron mozgékonyság: cm 2 /Vs Hővezetőképesség: W/mK Nagy mechanikai szilárdság, kémiai stabilitás, átlátszó. R 62,4/N, T 100 2,3N (N: rétegszám) 4 rétegnél kb. 15 Ω és T 90% Vezetőképesség nagyon függ a rétegkészítés módjától, a CVD sokkal jobb, mint az oldószeres. Ezüst nanoszál Ezüst nanoszál + grafén 22

23 Félvezető anyagok Szerves félvezetők Polimerek; csak oldatból, nyomtatva készülhet réteg. Pl. politiofen Kis molekulák; oldatban is, de vákuumgőzöléssel jobb minőségű réteg készíthető. Pl. pentacen, rubren Amorf Si, polikristályos Si hagyományos TFT technológia Oxid félvezetők In 2 O 3, ZnO, Ga 2 O 3, SnO A töltéshordozók mozgékonysága a TFT megjelenítőkhöz használható félvezető anyagokban. Forrás: OE Roadmap

24 Szerves félvezető anyagok Mozgékonyság függ a rétegkészítés módjától: Oldószer Koncentráció Leválasztás módja, hőmérséklete, Hordozó felülete Molekulák rendezettsége Az oldatból történő rétegkészítés nem kedvez ennek Javíthat a hordozó felület előkészítése, utólagos hőkezelés. Nagy előny a szerves molekulák gazdag alakíthatósága, testre szabott tulajdonságok, pl. sávszélesség, kilépési munka, oldhatóság A molekulaszerkezet kedvez a kristályos állapot kialakulásának még a polimerek esetében is. Rendezett politiofén, jó vezetőképesség hosszirányban és a láncra merőlegesen is. 24

25 Egyéb funkcionális tinták Fénykibocsátó anyagok: Kis molekulák, Szerves fém-komplexek Dendrimerek Polimerek Fluoreszcens, Foszforeszcens Kutatási irányok: 100% belső kvantumhatásfok (foszforeszcens, késleltetett fluoreszcens - TADF) Fény kicsatolási hatásfok javítása Élettartam, terhelhetőség növelése (ma óra) Tokozó anyagok Sok használt szerves anyag nagyon érzékeny a nedvességre, oxigénre. 25

26 Hordozók Követelmények Hajlékonyság (nyújthatóság, gyűrhetőség) Nagyon sima felület (a rétegvastagság 10 nm-től) Kémiai ellenálló-képesség az aktív réteg oldószereivel szemben Jó gázzáró képesség Anyagok: Üveg PET, PC, PEN (polietilén-naftalát) Papír - felületkezelés után Fém fólia Nagy hőállóságú optikai polimerek PI, PES, PEEK Hajlékony üveg hordozó, μm AFM felületi profil Ipari minőségű PEN, Megfelelő simaságú hordozó 26

27 Eszközök: RFID Rádiófrekvenciás azonosító címke Passzív/aktív: külső/saját energia Mikroelektronikai elemekből drága Nagymértékű elterjedés, ha az ár < 5 10 cent (töredéke a termék árának) Teljes nyomtatott kivitelben Új hajtóerő: IoT Általában egyszer használatos, nem újrahasznosítható, nem mérgező (ehető?) HF 13,56MHz UHF ~900 MHz 27

28 Eszközök: áramforrások Elektrokémiai : elemek, akkumulátorok A legtöbb elem/akku típus előállítható vékony, hajlékony formában. A villamos paraméterek nem romlanak. Fejlesztések: Szilárd elektrolit Papír szeparátor Fém áramgyűjtő, grafit anód cseréje szén nanocsőre. Nyomtatott elem rétegszerkezete és fotója 28

29 Áramforrások, napelem Legnagyobb felület, egyszerű rajzolat. Lassúbb terjedés oka a viszonylag magasabb anyagár. Hatásfok 10% alatt. Polimer napelem szerkezete Megoldási példák 29

30 Eszközök Viselhető elektronika (wearable) Testre rögzíthető szenzorok Kommunikációs eszközök Integrálva energiaforrás, tárolás, érzékelés, adatfeldolgozás, kommunikáció. Hajlékony, nyújtható, gyűrhető elektronika (strechable) Kritikus, hogy a rétegrendszer minden eleme hasonló rugalmassági jellemzőkkel bírjon. 30

31 Piaci termékek Sony XEL-1, (2007) The 11" 960x540 pixels 31

32 Források, szabványok The Organic Electronics Association (OE-A): OE-A Roadmap for Organic and Printed Electronics IEEE Standard for Test Methods for the Characterization of Organic Transistors and Materials. IDTechEx is an independent market research firm Printed Electronics World Printed Electronics Now International Electronics Manufacturing Initiative (inemi) IPC Association Connecting Electronics Industries Printed Electronics Initiative IPC/JPCA-4921 Requirements for Printed Electronics Base Materials. IPC/JPCA-4591 Requirements for Printed Electronics Functional Conductive Materials. IPC/JPCA-6901 Application Categories for Printed Electronics. ET-4101, ET-4201 Printed Electronics Materials I II. (JEITA) 32

33 Köszönöm a figyelmet! 33

34 Kérdés? 34