Electronica tipărită este un domeniu al electronicii care se ocupă cu crearea de circuite electronice folosind echipamente de imprimare , care permite aplicarea cernelii speciale (conductoare, semiconductoare, rezistive etc.) pe suprafața unui substrat plat și, astfel, forma activă și elemente pasive pe acesta , precum și conexiuni între elemente în conformitate cu schema electrică .
Apariția circuitelor electronice imprimate este asociată cu dezvoltarea de noi materiale care, în anumite condiții, pot înlocui siliciul în tehnologiile electronice și informatice. S-a dovedit că unele substanțe (inclusiv polimeri organici și nanoparticule de compuși metalici ) pot fi adăugate lichidelor care acționează ca vopsele sau cerneluri , care sunt apoi aplicate pe un substrat și creează dispozitive active sau pasive, cum ar fi tranzistoarele sau rezistențele cu peliculă subțire . [1] .
În tipărirea convențională, straturile de cerneală sunt de obicei aplicate pe hârtie , dar s-a dovedit a fi de puțin folos pentru electronicele imprimate. Suprafața aspră a hârtiei și absorbția sa rapidă de apă au determinat o schimbare a atenției asupra materialelor precum plasticul , ceramica sau siliciul . Imprimarea utilizează de obicei echipamente de tipărire generice, în special echipamente de serigrafie , flexografie , rotogravură și imprimare offset și imprimante cu jet de cerneală . Ca și în tipărirea convențională, în electronica tipărită, cernelurile sunt aplicate în straturi una peste alta, astfel că dezvoltarea coordonată a metodelor de imprimare și a materialelor de cerneală este cea mai importantă sarcină în această direcție [2] .
Termenul de electronică tipărită este strâns legat de electronica organică sau din plastic, în care una sau mai multe cerneluri sunt compuse din compuși de carbon. Termenul de electronică organică este asociat în mod specific cu materialul de cerneală, care poate fi aplicat dintr-o soluție prin depunere în vid sau în alt mod. În schimb, denumirea electronică imprimată este determinată de proces, nu de material. Aici pot fi folosite orice materiale, inclusiv semiconductori organici , semiconductori anorganici, conductori metalici, nanoparticule , nanotuburi de carbon etc.
Caracteristicile dispozitivelor electronice tipărite sunt în general mai proaste decât cele ale dispozitivelor electronice convenționale, dar acestea din urmă sunt mai scumpe ca cost. Costul redus este cel mai important avantaj al tipăririi, în special pentru producția la scară largă. Este de așteptat ca electronicele imprimate să faciliteze omniprezentarea electronicelor cu costuri foarte mici pentru aplicații precum afișaje flexibile, RFID , postere decorative și animate, acoperiri active etc., adică pentru acele produse care nu necesită scheme electronice de înaltă performanță.
Costul mai mic permite ca produsele să fie utilizate în mai multe aplicații. [3] Un exemplu este sistemul RFID, care oferă identificarea fără contact a mărfurilor în domeniul comerțului și transportului. În unele domenii, cum ar fi producția de LED -uri , imprimarea nu afectează performanța produsului. [2] Imprimarea pe substraturi flexibile vă permite să creați produse electronice pe suprafețe curbe, cum ar fi montarea panourilor solare pe acoperișurile mașinilor.
Atracția tehnologiilor tipărite pentru fabricarea electronicelor se datorează în principal capacității de a pregăti semifabricate microstructurate strat cu strat (și, prin urmare, de a fabrica dispozitive cu film subțire) într-un mod mult mai simplu și mai rentabil decât electronicele convenționale. [4] În plus, posibilitatea implementării unor funcționalități noi sau îmbunătățite (de exemplu, flexibilitatea mecanică) joacă, de asemenea, un rol. Alegerea metodelor de imprimare utilizate este determinată de cerințele privind straturile imprimate, de proprietățile materialelor imprimate, precum și de considerente economice și tehnice în ceea ce privește produsele imprimate.
Tehnologiile de imprimare sunt împărțite în foaie și rolă. Tehnicile de alimentare cu coli, cum ar fi imprimarea cu jet de cerneală și serigrafie, sunt cele mai potrivite pentru lucrări de înaltă precizie la volume reduse. Imprimarea rotogravură , offset și flexo sunt mai potrivite pentru producția de volum mare, cum ar fi panourile solare, unde se realizează o rată de producție de 10.000 de metri pătrați pe oră (m²/h) [4] [5] . În timp ce imprimarea offset și flexografică sunt utilizate în principal pentru conductorii anorganici [6] [7] și organici [8] [9] (acesta din urmă și pentru dielectrici [10] ), imprimarea rotogravură, datorită calității înalte a straturilor, este deosebit de potrivit pentru semiconductori organici și joncțiuni semiconductor-dielectrice în tranzistoare. [10] Combinată cu rezoluție înaltă, imprimarea rotogravură este potrivită și pentru conductorii anorganici [11] și organici [12] . Tranzistoarele organice cu efect de câmp și circuitele integrate pot fi fabricate complet folosind metode de imprimare în serie [10] .
Imprimantele cu jet de cerneală sunt echipamente flexibile, versatile, care pot fi reconfigurate cu un efort relativ mic. Aparent, prin urmare, sunt folosite cel mai des. [13] Cu toate acestea, imprimantele cu jet de cerneală au productivitate scăzută (aproximativ 100 m 2 /h) și rezoluție scăzută (aproximativ 50 de microni). [5] Sunt potrivite pentru materiale cu vâscozitate scăzută și solubilitate bună, cum ar fi semiconductori organici. Pentru materialele cu vâscozitate mare, cum ar fi dielectricii organici sau particulele dispersate, cum ar fi vopselele metalice anorganice, există probleme cu înfundarea duzelor. Deoarece cerneala este stocată sub formă de picături, grosimea stratului și eterogenitatea dispersată pot fi reduse. Utilizarea simultană a mai multor duze și structurarea preliminară a substratului permit o performanță și, respectiv, o rezoluție crescută. Cu toate acestea, în acest din urmă caz, trebuie să folosiți efectiv pași tehnologici cu metode care nu sunt tipărite. [14] Imprimarea cu jet de cerneală este preferată pentru semiconductori organici în tranzistoarele cu efect de câmp organic (OFET) și diodele emițătoare de lumină organică (OLED-uri). [15] Poate fi folosit și pentru realizarea panourilor din față și din spate ale afișajelor LED [16] [17] , circuite integrate [18] , celule fotovoltaice organice (OPVC) [19] și alte dispozitive.
Serigrafia este potrivită și pentru producția de electronice la scară industrială , datorită capacității sale de a reproduce straturi groase de materiale păstoase. Această metodă poate crea linii conductoare din materiale anorganice (cum ar fi plăcile de circuite imprimate și antene), precum și straturi izolatoare și pasivante, dacă grosimea stratului este mai importantă decât rezoluția înaltă. Ieșirea sa de 50 m²/h și rezoluția de 100 µm sunt apropiate de cele ale imprimantelor cu jet de cerneală. [5] Această metodă versatilă și relativ simplă este utilizată în principal pentru straturile conductoare și dielectrice, [20] [21] dar și pentru semiconductori organici, [22] și chiar pentru tranzistoarele organice cu efect de câmp (OFET).
Alte metode similare tipăririi sunt, de asemenea, de interes, inclusiv imprimarea cu microcontact și litografia prin nanostamping [23] . În ele se realizează straturi de mărime micron/nano-micron prin metode apropiate de ștanțare, din forme moi sau, respectiv, dure. Adesea, structura reală este realizată subtractiv, de exemplu, masca este realizată prin gravare selectivă sau gravare negativă. În acest fel, de exemplu, se realizează electrozi pentru tranzistoarele cu efect de câmp organic (OFET) [24] [25] . Uneori , tampografia este folosită într-un mod similar [26] . Ocazional, se folosesc așa-numitele metode de transfer, în care straturile solide sunt transferate de la purtător pe substrat. Ele se aplică și electronicelor tipărite. În prezent, fotocopiarea nu este utilizată în electronicele tipărite.
Electronicele tipărite sunt deja în uz sau sunt luate în considerare pentru utilizare în:
Rezoluția maximă necesară a structurilor în tipărirea tradițională este determinată de structura ochiului uman . Detaliile mai mici de aproximativ 20 µm nu pot fi distinse de ochiul uman, dar depășesc capacitățile proceselor convenționale de imprimare. [5] În schimb, în electronica tipărită sunt necesare o rezoluție mai mare și structuri mai fine, deoarece acestea afectează direct densitatea și funcționalitatea circuitelor (în special tranzistoarele). O cerință similară este valabilă pentru precizia cu care straturile sunt suprapuse unul peste altul.
De asemenea, este necesar să se controleze grosimea, dimensiunile găurilor și compatibilitatea materialului (umezire, aderență, solvatare). În tipărirea convențională, acest lucru este important doar atunci când ochiul le poate detecta. În electronica tipărită, impresia vizuală este irelevantă. [27]
Pentru electronicele imprimate se folosesc atât materiale organice, cât și anorganice. Cerneala trebuie să fie sub formă lichidă, sub formă de soluție , dispersie sau suspensie [28] . Acestea trebuie să fie conductori, semiconductori, dielectrici sau izolatori. Costul materialelor trebuie să fie adecvat aplicației.
Funcționalitatea electronică și imprimabilitatea pot intra în conflict, așa că o optimizare atentă este o necesitate. [27] De exemplu, polimerii cu greutate moleculară mai mare cresc conductivitatea, dar scad solubilitatea. La imprimare, vâscozitatea, tensiunea superficială și incluziunile solide trebuie să fie strict controlate. Interacțiunile dintre straturile, cum ar fi umezirea, aderența și solubilitatea, precum și procedurile de uscare post-aplicare afectează rezultatul. Aditivii folosiți adesea în cernelurile de imprimare convenționale nu sunt adecvați aici deoarece pot interfera cu funcționalitatea electronică.
Proprietățile materialelor determină în mare măsură diferențele dintre electronicele tipărite și cele convenționale. Materialele imprimate, pe lângă faptul că sunt imprimabile, oferă noi avantaje decisive, cum ar fi flexibilitatea mecanică și personalizarea funcțională prin modificare chimică (de exemplu, culoarea deschisă a OLED-urilor). [29]
Conductoarele imprimate au o conductivitate și o mobilitate mai scăzută a purtătorilor de sarcină. [30] Cu puține excepții, materialele de cerneală anorganică sunt o dispersie de micro- și nanoparticule metalice. În electronica tipărită , tehnologia PMOS este posibilă , dar nu CMOS . [31]
Electronica tipărită organică integrează cunoștințele și evoluțiile din imprimare, electronică, chimie și științe ale materialelor, în special chimia organică și a polimerilor. Materialele organice diferă în multe privințe de cele ale electronicii convenționale în ceea ce privește structura, funcționarea și funcționalitatea [32] , ceea ce are un impact asupra designului dispozitivului și optimizarea circuitelor, precum și asupra metodelor de fabricație.
Descoperirea polimerilor conductori electric [30] și dezvoltarea materialelor solubile pe baza acestora au asigurat crearea primei cerneală din materiale organice. Polimerii din această clasă au proprietăți conductoare electric , semiconductoare , electroluminiscente , fotovoltaice și alte proprietăți în grade diferite. Alți polimeri sunt utilizați în principal doar ca izolatori și dielectrici .
În majoritatea materialelor organice, conductivitatea orificiilor prevalează asupra conductivității electronilor. [33] Studii recente au arătat că aceasta este o caracteristică specifică a joncțiunilor organice semiconductor-izolator care joacă un rol important în tranzistoarele organice cu efect de câmp (OFET). [34] Prin urmare, dispozitivele de tip p ar trebui să prevaleze asupra dispozitivelor de tip n . Rezistența la uzură (rezistența la dispersie) și durata de viață sunt mai scurte decât materialele convenționale. [31]
Semiconductorii organici sunt alcătuiți dintr-un polimer conductor de poli(3,4-etilendioxitiofen) dopat cu polistiren sulfonat (PEDOT:PSS) și polianilină (PANI). Ambii polimeri sunt disponibili comercial sub diferite denumiri și sunt utilizați în imprimarea cu jet de cerneală, [35] screen [20] și offset [8] sau serigrafie, [20] flexo [9] și, respectiv, gravura [12] .
Imprimarea cu jet de cerneală folosește semiconductori polimerici, cum ar fi politiofen, poli(3-hexiltiofen) (P3HT) [36] și copolimer 9,9-dioctilfluoren-bitiofen (F8T2). [37] Acest din urmă material este folosit și pentru imprimarea gravura. [10] În imprimarea cu jet de cerneală sunt utilizați diferiți polimeri electroluminiscenți, [14] în principal ca materiale active pentru fotovoltaice (de exemplu, un amestec de P3HT cu derivați de fullerenă ). [38] Pot fi utilizate și pentru serigrafie (de exemplu, un amestec de poli(fenilenvinilen) cu derivați de fullerenă). [22]
Electronica anorganică oferă o ordonare ridicată a straturilor și tranzițiilor, pe care materialele organice și polimerice nu le pot oferi.
Nanoparticulele de argint sunt folosite în imprimarea flexo, offset și cu jet de cerneală. [7] [39] Particulele de aur sunt folosite în imprimarea cu jet de cerneală. [40]
Afișajele color electroluminiscente se pot întinde pe multe zeci de metri pătrați sau pot fi încorporate în fețe de ceas și panouri de instrumente. Ele constau din 6-8 straturi anorganice imprimate, inclusiv cupru dopat cu fosfor , pe un substrat flexibil din plastic. [41]
Celulele cupru-indiu-galiu-seleniu (CIGS) pot fi imprimate direct pe o foaie de sticlă acoperită cu molibden .
Celulele solare imprimate cu arseniură de galiu-germaniu au prezentat o eficiență de conversie de 40,7%, de opt ori mai mare decât cea a celor mai bune celule organice, apropiindu-se de cea mai bună performanță a celulelor cu siliciu pur. [41]
Electronica imprimată permite utilizarea substraturilor flexibile , ceea ce reduce costurile de producție și permite fabricarea de circuite flexibile mecanic. Deși imprimarea cu jet de cerneală și serigrafie se face de obicei pe suporturi rigide, cum ar fi sticlă și siliciu, metodele de imprimare în masă folosesc aproape exclusiv folie flexibilă și uneori hârtie tratată special. Filmul de polietilen tereftalat (PET) este cel mai frecvent utilizat datorită costului scăzut și stabilității la temperaturi ridicate. Alternativele sunt naftalatul de polietilenă (PEN) și folia de poliimidă (PI). Datorită costului său scăzut și varietății de aplicații, hârtia este un substrat atractiv, dar rugozitatea mare și absorbția mare o fac problematică pentru aplicațiile electronice. [42]
Alte criterii importante ale substratului sunt rugozitatea scăzută și umectarea scăzută, care pot fi modificate prin pre-tratare (acoperire, film corona). Spre deosebire de tipărirea convențională, absorbția ridicată este în general un dezavantaj.
Standardele și inițiativele de producție urmăresc să promoveze dezvoltarea lanțului valoric (pentru a partaja specificațiile produselor, a gestiona standardele etc.) Această strategie de dezvoltare a standardelor reflectă abordarea adoptată în domeniul electronicii cu siliciu în ultimii 50 de ani. Inițiativele includ: