Polimer elektronika Gröller György BMF Kandó MTI Tartalom Mi a polimer elektronika? Vezetı szerves molekulák, k, polimerek; a vezetés s mechanizmusa Anyagválaszt laszték: vezetık, félvezetf lvezetık, szigetelık, hordozók Technológi giák Eszközök 1
Mikroelektronika 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 Mi a polimer elektronika? 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 2
Makroelektronika 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 Mai állapot 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 3
A helyzet 2007. nov 22-én 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. http://techon.nikkeibp.co.jp/english/news_en/20071127/143111/?ss=imgview_e&fd=2138350503 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 4
Adalékol kolás 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 Vezetı szerves molekulák, k, polimerek Konjugált kettısk skötéseket seket tartalmazó vezetı polimerek PA PPi PANi PPV 5
Vezetı szerves molekulák, k, polimerek Kis molekulájú szerves félvezetık (1987 KODAK) Oldószermentes technológia LED-ekn eknél jobb hatásfok, mint a polimerek Dendrimerek Fullerén származ rmazékok Kis molekulák Anyagválaszt laszték, vezetık 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 6
Anyagválaszt laszték, vezetık 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) Anyagválaszt laszték, félvezetf lvezetık Követelmények: Anyag Mozgékonyság Nagy elektron / lyuk [cm 2 /Vs] mozgékonys konyság Egykristályos 300-900 Sávszerkezet illeszkedjen az Si elektród d kilépési energiájához Poli Si 50-100 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 7
Félvezetık 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 Anyagok: fénykibocsátó anyag 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 8
Foszforeszcens OLED adalékai Néhány Ir komplex, és a velük megvalósítható foszforeszcencia színei Dielektrikumok 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 9
Hordozók Követelmények Hajlékonys konyság Sima felület let Kémiai ellenáll lló-képesség g az aktív v réteg r oldószereivel szemben Anyagok: Üveg PET, PC, PI, PEN (polietil Papír felületkezel letkezelés s után polietilén-naftalát) Hajlékony üveg hordozó AFM felületi leti profil Ipari minıségő PEN, Megfelelı simaságú hordozó Technológia, rétegfelvitelr Követelmény: Rétegvastagság: g: nm µm Egyenletes vastagság Több réteg r egymáson Nagy felületen leten nagy sebességgel Olcsó Kis mlekulák: OVPD, vákuumgızölés 10
Nyomtatás 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 Nyomtatás Si szelet Szita Mélynyomás Flexo Offset Tinta sugaras Felbontás (µm) 0,05 >100 >15 > 40 > 15 > 50 Átl. Rétegvastagság (µm) 0,05 2 3 15 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 0,5 30 100 0,001 0,04 Fontosabb nyomtatási módok és néhány jellemzı paraméterük 11
Nyomtatás Tintasugaras nyomtatóval készített tranzisztor A kapacitás és a felbontás kapcsolata Tintasugaras nyomtatás Nyomtatás: Offset 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. 12
Nyomtatás: Flexografikus 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 Soft litográfia 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 13
Eszközök; ; Tranzisztor Vékonyréteg tranzisztor Amorf Si (poli Si) AMLCD (TFT) kijelzıkben kben OFET jellemzık: Méret: 10-50 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 Tranzisztor Alkalmazás: TFT kijelzık, hajlékony eszközök Makroelektronikai eszközökben ált. áramköri elem Kis bonyolultságú integrált áramkörök Cél a méretcsökkentés, mőködési sebesség növelés 14
Eszközök: k: RFID Rádiófrekvenciás s azonosító címke 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: k: OLED 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 15
A fénykibocsf nykibocsátó polimer eszköz mőködése Fém elektród Fénykibocsátó polimer réteg Átlátszó elektród + - Hordozó Emittált fény Az OLED fénykibocsf nykibocsátásasa Elektron-lyuk lyuk pár p találkoz lkozás exciton Stabil képzk pzıdmény Megszőnés energia felszabadulás foton kisugárz rzás Foszforeszcens OLED sávdiagramja feszültségmentes és bekapcsolt állapotban 16
Fényhasznosítás: s: emittát fényáram (lumen) felvett vill. teljesítmény (W) 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 Fehér r OLED 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 17
Eszközök: k: Kijelzık Tulajdonságok: Aktív fényforrás, nem kell háttérvilágítás, polárszőrı ~ 180 -os látószög Kis fogyasztás (hordozható eszközökben) Gyors mőködés, kapcsolási idı < 1ms Nagyon vékony, d < 1µm (+ hordozó) Passzív v mátrix m display Pixel bekapcsolás: X. és Y. sávra U k Kis fénysőrőség ITO ellenállása miatt a sor végén kisebb U Kismérető kijelzık, pl. telefon, kamera 18
Eredeti kép és a passzív mátrixú kijelzın elromló megjelenítése Aktív v mátrix m display: AMOLED 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 19
Hajlékony display Áramforrások Elektrokémiai : elemek, akkumulátorok Szuperkapacitások Napelemek Mindegyik elıáll llítható hajlékony hordozóra, ra, vékonyréteg technológi giával Nyomtatott elem rétegszerkezete és fotója 20
Áramforrások Akku és szuperkondenzátor hasonló szerkezete Akku és szuperkondenzátor tandem kapcsolása. Az akku kisülése alatt feltölti a kondenzátort Áramforrások Polimer napelem szerkezete Alkalmazási példa 21
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 22
Köszönöm m a figyelmet! rubrene 23