A polimer elektronika

Átírás

1 Tartalom A polimer elektronika Mi a polimer elektronika? Vezető szerves molekulák, ; a vezetés mechanizmusa Anyagválaszték: vezetők, félvezetők, fénykibocsátók szigetelők, hordozók Technológiák Eszközök Mikroelektronika Mi a polimer elektronika? Csökkenő méret Növekvő működési sebesség Drága alapanyag: egykristályos Si, GaAs, vegyületfélvezetők Nagyon drága technológia Tartós, hosszú életű eszközök A Moore törvény másképpen: Az új technológiai szint bevezetésének ára néhány ország nemzeti jövedelmében számolva polimer (szerves) elektronika Nyomtatott elektronika makroelektronika A közös terület a fontos Olcsó alapanyag Egyszerű, nagy teljesítményű technológia Nagy méretű eszközök Közös név nincs. Makroelektronika Mai állapot Igény ~ nagy méretű elektronikus eszközökre: lapos képernyők, napelemek (vágy) hajlékony, papírszerű hordozójú kijelzőkre nagy sorozatú, rövid életciklusú eszközökre ( eldobható elektronika ) Szerves vezető anyagok kutatása ~ 50 éve Nobel díj: 2000 Első piaci termékek 2003 Gazdag, piacképes, de még fejleszthető anyagválaszték Többféle alkalmas rétegtechnológia eljárás, elsősorban nyomdatechnikai módszerek Még nem versenyképes ár Kérdéses stabilitás, élettartam Sok alkalmazási ötlet 1

2 Piaci termékek Piaci termékek Sony has started to sell the XEL-1, the world's first OLED TV. (2007) The 11" 960x540 pixels TV costs 1,800$. LG 15 OLED TV (2010, 2000EURO) LG (500 eft 7 MFt) Vezető szerves molekulák, 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) 2

3 Adalékolás Vezető szerves molekulák, részleges oxidálás (elektronleadás) p adalék (p-típusú esetén fémes vezetés) részleges redukálás (elektronfelvétel) n adalék (n-típusú esetén félvezető, szigetelő) Polipirrol példáján: pl. részleges oxidáció hatására p-típusú lesz Konjugált kettőskötéseket tartalmazó vezető Vezető szerves molekulák, Kis molekulájú szerves félvezetők (1987 KODAK) Oldószermentes technológia LED-eknél jobb hatásfokú, mint a Dendrimerek Fullerén származékok Anyagválaszték, vezetők Alkalmazás Fémek; elektródként nyomtatható tinta fém (nano)részecskékkel Követelmények: Kis ellenállás Fémoxidok; ITO (indium-ón-oxid) Sima, egyenletes AZO ( ZnO-Al 2 O 3 ) felület Polianilin, PEDOT-PSS Kémiai stabilitás Szén nanocsövek Megfelelő (alacsony) kilépési munka Vezetők Anyagválaszték, félvezetők Polimerek Fémeknél kb 1000 x nagyobb ellenállás PEDOT:PSS σ ~ 400 1/Ωcm Fényáteresztő Nyomtatható Hőállóság: >100 C, 1000 óra (poisztirol szulfonáttal adalékolt polietilendioxi-tiofen) Követelmények: Nagy elektron / lyuk mozgékonyság Sávszerkezet illeszkedjen az elektród kilépési energiájához kis ellenállású, ohmos kontaktus Nagyon tiszta anyag Oldható és oldatból réteg készíthető Stabil, környezetálló Anyag Egykristályos Si Mozgékonyság [cm 2 /Vs] Poli Si Amorf Si ~ 1 Pentacen ~ 1 Vezető ~ 0,1 3

4 Félvezetők Anyagok Mozgékonyság függ a rétegkészítés módjától: Oldószer Koncentráció Leválasztás módja, hőmérséklete, Hordozó felülete Molekulák rendezettsége Anyagok: Kis molekulák, pl. pentacen Polimerek, pl. politiofen Nanoméretű szervetlen félvezetők beágyazva szervesbe Nagy előny a szerves molekulák gazdag alakíthatósága testre szabott tulajdonságok Fénykibocsátó anyag: Kis molekulák, Szerves fém-komplexek Dendrimerek Polimerek Fluoreszcens, Foszforeszcens Kutatási irányok: Hasonló hatásfokú, élettartamú fehér komponensek Nagyobb hatásfok, élettartam A fénykibocsátó polimer eszköz működése Az OLED fénykibocsátása Fém elektród Fénykibocsátó polimer réteg Átlátszó elektród Hordozó Emittált fény + - Foszforeszcens OLED sávdiagramja feszültségmentes és bekapcsolt állapotban Elektron-lyuk pár találkozás exciton Stabil képződmény Megszűnés energia felszabadulás foton kisugárzás Fehér OLED Fehér OLED Zöld: Alq 3, tris(8-quinolato)al Narancs: pl. BePP 2 :rubrene Kék: pl. BePP 2, fenilpiridinbe TPD: trifenil-diamin A A: a gerjesztés, exciton keletkezése B: az elektron lekerül a gerjesztett szintek aljára C: visszakerül alapállapotba foton kisugárzása nélkül G: fluoreszcens foton kibocsátásával rekombinálódik E foton = hν D: az energia átadódik egy másik részecskének (foszforeszcens adalék), E: Rekombinálódás, foszforeszcens foton kibocsátás E foton = hν A fényhasznosítás és a fénysűrűség változása a LED-re kapcsolt feszültség függvényében 4

5 Foszforeszcens OLED adalékai Molecular engineering A szerves elektronika lehetősége: A HOMO LUMO szint hangolása Az alapvető funkció megtartása mellett a molekula-struktúra kis módosításával tudjuk az egyes tulajdonságokat finoman hangolni Néhány Ir komplex, és a velük megvalósítható foszforeszcencia színei A sávszélesség ( szín) hangolása a szerkezet módosításával és a helyettesítés arányával Dielektrikumok Hordozók Speciális követelmények: Hibátlan réteg, n x 10nm Hibátlan határfelület a félvezető felé Nyomtathatóság Általános szigetelő követelmények: Nagy U át, ε rel, kis tgδ Használt anyagok: Klasszikus polimer szigetelők: PP, PVA, PMMA, PET, stb Szervetlen dielektrikumok: SiO 2, Al 2 O 3, TiO 2, de ezek nem nyomtathatók Követelmények Hajlékonyság Sima felület Kémiai ellenálló-képesség az aktív réteg oldószereivel szemben Anyagok: Üveg PET, PC, PI, PEN (polietilénnaftalát) Papír felületkezelés után Hajlékony üveg hordozó AFM felületi profil Ipari minőségű PEN, Megfelelő simaságú hordozó Technológia, rétegfelvitel Nyomtatás Követelmény: Rétegvastagság: nm µm Egyenletes vastagság Több réteg egymáson Nagy felületen nagy sebességgel Olcsó Kis mlekulák: OVPD, vákuumgőzölés Minden hagyományos és új nyomtatási technológia használható Roll to roll technológia: egy soron egymás után az összes technológiai lépés Főképp oldataiból készíthető nyomtatható tinta Hagyományos chip beütetése beilleszthető a sorba 5

6 Technológia, Roll to-roll Gyártó berendezések Roll to roll rétegfelvitelre alkalmas párologtató berendezés Versenyképes termék ettől várható 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 Tintasugaras nyomtató Nyomtatás Nyomtatás Si szelet Szita Mélynyomás Flexo Offset Tinta sugaras Felbontás (µm) 0,05 >100 >15 > 40 > 15 > 50 Tintasugaras nyomtatóval készített tranzisztor Átl. Rétegvastagság (µm) 0, ,8 8 0,8 2,5 0,5 2 0,3 20 Tinta viszkozitása (Pas) - 0,5-50 0,05 0,2 0,05 0, Fontosabb nyomtatási módok és néhány jellemző paraméterük 0,001 0,04 A kapacitás és a felbontás kapcsolata Tintasugaras nyomtatás Procedures for µcp source/drain electrodes for bottom contact organic transistors. Rogers J A et al. PNAS 2001;98: µcp = microcontact printing 2001 by National Academy of Sciences 6

7 Eszközök; Tranzisztor Eszközök: RFID Rádiófrekvenciás azonosító címke Vékonyréteg tranzisztor Amorf Si (poli Si) AMLCD (TFT) kijelzőkben OFET jellemzők: Méret: µm dielektrikum vastagság: n x 100 nm Minimális csatorna hossz A dielektrikum/félvezető határ sima és hibamentes Közelítőleg ohmos kontaktus a félvezető és az S, D elektródok között Fent: OFET keresztmetszeti rajza, Lent: Tintasugaras nyomtatással készített tranzisztor AFM felvétele Passzív/aktív: külső/saját energia Mikroelektronikai elemekből drága Nagymértékű elterjedés, ha az ár < 5 10 cent Teljes nyomtatott kivitelben 16 bites HF címke ~ 10 cm-ig olvasható HF 13,56MHz UHF ~900 MHz Eszközök: OLED Világítástechnika Lehetőség egészen új típusú világításra Nagy sík felület Kis feszültség Versenyképes hatásfok Változtatható színek Problémák Élettartam, stabilitás Színvisszaadás (fehér) Kijelzők Lehetőség Aktív fényű kijelző ~ 180 látószög Nagyon vékony (mm) Hajlékony, Átlátszó, Papír(szerű) hordozón LED és OLED TV összehasonlítása 7

8 Eszközök, Display Áramforrások Aktív mátrixú OLED kijelző meghajtó áramköre és keresztmetszete Kisérleti termékek Elektrokémiai : elemek, akkumulátorok Szuperkapacitások Napelemek Mindegyik előállítható hajlékony hordozóra, vékonyréteg technológiával Nyomtatott elem rétegszerkezete és fotója Áramforrások R2R Légköri nyomáson gyártott Tandem napelem Akku és szuperkondenzátor hasonló szerkezete Akku és szuperkondenzátor tandem kapcsolása. Az akku kisülése alatt feltölti a kondenzátort Áramforrások Fejlesztési tervek Érzékelők Intelligens ruházat Intelligens csomagolás lab on a chip Nyomásérzékelő mesterséges bőr Polimer napelem szerkezete Alkalmazási példa 8

9 rubrene 9