(eldobható elektronika?!?): RFID, akku. Gazdag, piacképes, pes, de még g fejleszthetı. technikai módszerekm Még g nem versenyképes

Átírás

1 Mi a polimer elektronika? Polimer elektronika Gröller György BMF Kandó MTI polimer (szerves) elektronika! Nyomtatott elektronika makroelektronika A közös k s terület a fontos Olcsó alapanyag Egyszerő,, nagy teljesítm tményő technológia Nagy méretm rető eszközök Közös s név n v nincs Makroelektronika, nyomtatott elektronika, orgatronic Tartalom Makroelektronika Mi a polimer elektronika? Vezetı szerves molekulák, k, polimerek; a vezetés s mechanizmusa Anyagválaszt laszték: vezetık, félvezetf lvezetık, szigetelık, hordozók Technológi giák Eszközök Igény ~ nagy méretm rető elektronikus eszközökre: kre: lapos képernyık, napelemek (vágy) hajlékony, papírszer rszerő hordozójú kijelzıkre kre nagy sorozatú,, rövid r életciklusú eszközökre kre (eldobható elektronika?!?): RFID, akku Szerves vezetı anyagok kutatása ~ 50 éve Nobel díj: d 2000 Elsı piaci termékek 2003 Mikroelektronika Mai állapot Csökken kkenı méret Növekvı mőködési sebesség Drága alapanyag: egykristályos Si, GaAs, vegyület let-félvezetık Nagyon drága technológia Tartós, hosszú élető eszközök k (?) A Moore törvény másképpen: Az új technológiai szint bevezetésének ára néhány ország nemzeti jövedelmében számolva Gazdag, piacképes, pes, de még g fejleszthetı anyagválaszt laszték Többféle alkalmas rétegtechnológia gia eljárás, elsısorban sorban nyomda- technikai módszerekm Még g nem versenyképes ár Kérdéses stabilitás, s, élettartam Sok alkalmazási ötlet 1

2 A helyzet nov 22-én Vezetı szerves molekulák, k, polimerek Konjugált kettısk skötéseket seket tartalmazó vezetı polimerek PA PPi Sony has started to sell the XEL-1, the world's first OLED TV. The 11" 960x540 pixels TV costs 1,800$. Originally they planned to start selling them in December, but they were able to release it sooner by a few days. Sony will only make 2,000 units a month, and has no plans to up the production at this stage. PANi PPV Vezetı szerves molekulák, k, polimerek Vezetı szerves molekulák, k, polimerek Molekulán n belül l konjugált kettısk skötés s rendszer. Delokalizált lt elektronok Kötı pálya: HOMO (legfelsı betölt ltött tt molekulapálya) lya) Nemkötı pálya: LUMO (legalsó betöltetlen molekulapálya) lya) (Megfelel a vegyért rték és vezetési sávnak) s Kis molekulájú szerves félvezetık (1987 KODAK) Oldószermentes technológia LED-ekn eknél jobb hatásfok, mint a polimerek Dendrimerek Fullerén származ rmazékok Kis molekulák Adalékol kolás Anyagválaszt laszték, vezetık részleges oxidálás s (elektronleadás) p p adalék (p-típusú polimerek esetén n fémes f vezetés; halogének, jód) j részleges redukálás s (elektronfelvétel) tel) n n adalék (n-típusú polimerek esetén n félvezetf lvezetı,, szigetelı; alkáli li fémek, f Li,, Na) Polipirrol példáján: pl. részleges r oxidáci ció hatására p-típusú lesz Alkalmazás elektródk dként Követelmények: Kis ellenáll llás Sima, egyenletes felület let Kémiai stabilitás Megfelelı (alacsony) kilépési munka Fémek; nyomtatható tinta, fém f (nano)részecskékkelkkel Fémoxidok; ITO (indium( indium-ón-oxid) Szén nanocsövek 2

3 Anyagválaszt laszték, vezetık Anyagok: fénykibocsátó anyag Polimerek Fémeknél kb 1000 x nagyobb ellenáll llás PEDOT:PSS σ ~ 400 1/Ωcm Fényáteresztı Nyomtatható Hıállóság: >100 C, 1000 óra (poisztirol szulfonáttal adalékolt polietilendioxi-tiofen) Elektrolumineszcens anyagok Fluoreszcens, foszforeszcens Kis molekulák, k, Szerves fém-komplexekf Dendrimerek Polimerek Kutatási irányok nyok: Hasonló hatásfok sfokú, élet- tartamú fehér r komponensek Nagyobb hatásfok, élettartam Anyagválaszt laszték, félvezetf lvezetık Foszforeszcens OLED adalékai Követelmények: Anyag Mozgékonyság Nagy elektron / lyuk [cm 2 /Vs] mozgékonys konyság Egykristályos Sávszerkezet illeszkedjen az Si elektród d kilépési energiájához Poli Si kis ellenáll llású,, ohmos kontaktus Nagyon tiszta anyag Amorf Si ~ 1 Oldható és s oldatból l réteg r készíthetı Pentacen ~ 1 Stabil, környezetk rnyezetálló Vezetı polimerek ~ 0,1 Néhány Ir komplex, és a velük megvalósítható foszforeszcencia színei Félvezetık Dielektrikumok Mozgékonys konyság függ a rétegkészítés s módjm djától: Oldószer Koncentráci ció Leválaszt lasztás s módja, m hımérséklete, Hordozó felülete lete Molekulák rendezettsége Anyagok: Kis molekulák, k, pl. pentacen Polimerek, pl. politiofen Nanoméret rető szervetlen félvezetık k beágyazva szervesbe Nagy elıny a szerves molekulák k gazdag alakíthat thatósága testre szabott tulajdonságok Speciális követelmények: Hibátlan réteg, r n x 10nm Hibátlan határfel rfelület let a félvezetı felé Nyomtathatóság Általános szigetelı követelmények: Nagy U át, ε rel, kis tgδ Használt anyagok: Klasszikus polimer szigetelık: PP, PVA, PMMA, PET, stb Szervetlen dielektrikumok: SiO 2, Al 2 O 3, TiO 2, de ezek nem nyomtathatók 3

4 Hordozók Nyomtatás Követelmények Hajlékonys konyság Sima felület let Kémiai ellenáll lló-képesség g az aktív v réteg r oldószereivel szemben Anyagok: Üveg PET, PC, PI, PEN (polietilén-naftal naftalát) Papír felületkezel letkezelés s után Hajlékony üveg hordozó AFM felületi leti profil Ipari minıségő PEN, Megfelelı simaságú hordozó Felbontás (µm) Átl. Rétegvastagság (µm) Tinta viszkozitása (Pas) Si szelet 0,05 0, Szita > ,5-50 Mélynyomás >15 0,8 8 0,05 0,2 Flexo > 40 0,8 2,5 0,05 0,5 Offset > 15 0, > 50 0,3 20 0,001 0,04 Fontosabb nyomtatási módok és néhány jellemzı paraméterük Tinta sugaras Technológia, rétegfelvitelr Nyomtatás Követelmény: Rétegvastagság: g: nm µm Egyenletes vastagság Több réteg r egymáson Nagy felületen leten nagy sebességgel Olcsó Kis mlekulák: OVPD, vákuumgızölés A kapacitás és a felbontás kapcsolata Tintasugaras nyomtatóval készített tranzisztor Tintasugaras nyomtatás Nyomtatás Nyomtatás: Offset Minden hagyományos és új nyomtatási technológia használhat lható Roll to roll technológia: egy soron egymás s után n az összes technológiai lépésl Fıképp polimerek oldataiból készíthetı nyomtatható tinta Hagyományos chip beütet tetése beilleszthetı a sorba A mintahengeren a rajzolat felülete oleofil (= olajjal nedvesíthetı), a többi hidrofil. A tinta anyaga oleofil, csak a rajzolatnak megfelelı részen tapad, innen nyomódik át a hordozóra. 4

5 Nyomtatás: Flexografikus Tranzisztor A mintát a nyomóhenger felületén rugalmas anyagban mélységben alakítják ki. A festék az alsó (anilox) hengerrıl kenıdik a felület kiemelkedı részeire. Legnagyobb termelékenység, mérsékelt felbontás, pontatlan kontúr Alkalmazás: TFT kijelzık, hajlékony eszközök Makroelektronikai eszközökben ált. áramköri elem Kis bonyolultságú integrált áramkörök Cél a méretcsökkentés, mőködési sebesség növelés Soft litográfia Eszközök: k: RFID Rádiófrekvenciás s azonosító címke A master forma kialakítása hagyományos fotolitográfiai módszerrel Errıl negatív lenyomat készül lágy polimer anyagból Ez bélyegzı-szerően használható a tinta (funkcionális anyag) átvitelére Nagyon jó felbontás, fejlesztési cél a mikroelektronikai alkalmazás Dip-pen litográfia: AFM mikroszkóp elv megfordítása Passzív/akt v/aktív: v: külsk lsı/saját energia Mikroelektronikai elemekbıl drága Nagymért rtékő elterjedés, ha az ár r < 5 10 cent Teljes nyomtatott kivitelben 16 bites HF címke c ~ 10 cm- ig olvasható HF 13,56MHz UHF ~900 MHz Eszközök; ; Tranzisztor Eszközök: k: OLED Vékonyréteg tranzisztor Amorf Si (poli Si) AMLCD (TFT) kijelzıkben kben OFET jellemzık: Méret: µm dielektrikum vastagság: g: n x 100 nm Minimális csatorna hossz A dielektrikum/félvezet lvezetı határ r sima és s hibamentes Közelítıleg leg ohmos kontaktus a félvezetı és s az S, D elektródok között Fent: OFET keresztmetszeti rajza, Lent: Tintasugaras nyomtatással készített tranzisztor AFM felvétele Világítástechnika Lehetıség g egészen új típusú világításra Nagy sík s k felület let Kis feszülts ltség Versenyképes hatásfok Változtatható színek Problémák Élettartam, stabilitás Színvisszaad nvisszaadás s (fehér) Kijelzık Lehetıség Aktív v fényf nyő kijelzı ~ 180 látószög Nagyon vékony v (mm) Hajlékony, Átlátszó, Papír(szer r(szerő) ) hordozón Problémák Élettartam, ár 5

6 A fénykibocsf nykibocsátó polimer eszköz mőködése Fehér r OLED Fém elektród Fénykibocsátó polimer réteg + Átlátszó elektród Hordozó Emittált fény - Zöld: Alq 3, tris(8-quinolato)al Narancs: pl. BePP 2 :rubrene Kék: pl. BePP 2, fenilpiridinbe TPD: trifenil-diamin A fényhasznosítás és a fénysőrőség változása a LED-re kapcsolt feszültség függvényében Az OLED fénykibocsf nykibocsátásasa Eszközök: k: Kijelzık Foszforeszcens OLED sávdiagramja feszültségmentes és bekapcsolt állapotban Elektron-lyuk lyuk pár p találkoz lkozás exciton Stabil képzk pzıdmény Megszőnés energia felszabadulás foton kisugárz rzás Tulajdonságok: Aktív fényforrás, nem kell háttérvilágítás, polárszőrı ~ 180 -os látószög Kis fogyasztás (hordozható eszközökben) Gyors mőködés, kapcsolási idı < 1ms Nagyon vékony, d < 1µm (+ hordozó) Fényhasznosítás: s: emittát fényáram (lumen) felvett vill. teljesítmény (W) Passzív v mátrix m display Javítás: IQE, EQE (belsı- külsı kvantumhatásfok) maximális Villamos veszteségek csökkentése R csökkentés Töltésinjektálás potenciálgátjának csökkentése Elektród kilépési munka illesztése vagy köztes réteg Rétegvastagság csökkentés, de! Exciton diffúziós úthossz ~100nm, kell egy exciton blokkoló réteg 2002-es csúcs: 76 lm/watt, zöld PHOLED Pixel bekapcsolás: X. és Y. sávra U k Kis fénysőrőség ITO ellenállása miatt a sor végén kisebb U Kismérető kijelzık, pl. telefon, kamera 6

7 Áramforrá ramforrások Eredeti kép és a passzív mátrixú kijelzın elromló megjelenítése Aktí Aktív má mátrix display: AMOLED Elektroké Elektrokémiai : elemek, akkumulá akkumulátorok Szuperkapacitá Szuperkapacitások Napelemek Mindegyik elı elıállí llítható tható hajlé hajlékony hordozó hordozóra, vékonyré konyréteg technoló technológiá giával Nyomtatott elem rétegszerkezete és fotója Áramforrá ramforrások Pixel címzés vékonyréteg tranzisztorral Stabil, ellenırizhetı, módosítható feszültség pixelenként Nagy kontraszt, nagy fényerı, gyors mőködés Poli-Si, amorf-si, polimer TFT Aktív mátrixú OLED kijelzı meghajtó áramköre és keresztmetszete Hajlé Hajlékony display Akku és szuperkondenzátor hasonló szerkezete Akku és szuperkondenzátor tandem kapcsolása. Az akku kisülése alatt feltölti a kondenzátort Áramforrá ramforrások Polimer napelem szerkezete Alkalmazási példa 7

8 Fejlesztési si tervek Érzékelık Intelligens ruházat Intelligens csomagolás lab on a chip Nyomásérz rzékelı mesterséges bırb Organic LED for Lighting Application EU 6. keretprogram Kezdeményez nyezı: Philips Partnerek: Siemens Osram, Aixtron, Covion, Novaled,, TU Dresden Köszönöm m a figyelmet! rubrene 8