Prinditud elektroonika

Prinditud elektroonika kuulub trükkimise meetodi alla, kus erinevatele alusmaterjalidele luuakse elektriseadmeid. Elektroonika printimiseks kasutatakse erinevaid trükitehnikaid, nagu siiditrükk, fleksograafia, sügavtrükk, ofsettrükk ja tindiprintimine. Elektroonika printimine on elektroonikatööstuse mõistes odav protsess. Elektriliselt funktsioneerivad elektroonilised või optilised tindid ladestatakse substraadile, mille tulemusena tekivad aktiivsed või passiivsed seadmed nagu õhukestel kiledel põhinevad transistorid, kondensaatorid, poolid ja takistid. Elektroonika printimisega oodatakse saada laialdaselt kasutatavat ja odavat elektroonikat, mida saaks kasutada painduvates ekraanides, nutisiltides, dekoratiivsetes ja animeeritud plakatites ning elektriliselt aktiivsetes riietes, mis ei nõua suurt võimsust. Elektroonika printimist on tihti seostatud orgaanilise elektroonikaga, kus üks või rohkem tintidest koosneb süsinikul põhinevatel ühenditel. Need mõisted põhinevad tindi materjalil, mida saab sadestada lahustil põhineval, vaakumipõhiste või muude protsessidega. Prinditud elektroonika aga täpsustab protsessid ja tingimused nii, et saab kasutada ükskõik mis lahusel põhinevat materjali. Selle alla kuuluvad orgaanilised pooljuhid, anorgaanilised pooljuhid, metallilised juhid, nanoosakesed, nanotorud jne. Prinditud elektroonika valmistamiseks kasutatakse kõiki tööstuslikke printimismeetodeid kas muudetud või kohandatud kujul. Sarnaselt tavalise printimisega, kantakse elektroonika printimisel tindikihid üksteise peale. Seega on tintide ja printimismeetodite arendamine ja täiustamine selle ala põhilisi ülesandeid. Üks printimise tähtsamaid eeliseid on võime toota produkti odavalt suures kogustes. Tänu madalamale hinnale saab prinditud elektroonikat kasutada paljudes eri rakendustes. Näiteks RFID-süsteemides, millega saab rakendada kontaktivaba tuvastamist. LED-ide tootmisel ei mõjuta printimine seadme töövõimet. Printimine painduvatele alustele võimaldab elektroonikat paigaldada kumeratele pindadele, näiteks panna päikesepaneele auto katusele. Suurim prinditavate struktuuride resolutsioon on määratud inimese silmaga. Struktuure, mis on 20 μm väiksemad, ei ole võimalik inimsilmaga eristada ning see ületab ka tavaliste printimismeetodite võimekuse. Elektroonilises printimises on aga tähtis kõrge resolutsioon ja väiksemad struktuurid, kuna need mõjutavad otseselt mikroskeemi tihedust ja funktsionaalsust. Samad nõuded käivad ka täpsuse kohta, millega kihid üksteise peale prinditakse (kiht-kiht registratsioon). Tähtis on võime kontrollida kihtide paksust, auke ja materjalide sobivust (märgamine, adhesioon, lahustuvus). Tavalise printimise korral loevad need ainult siis kui on neid võimalik silmaga näha. Prinditud elektroonika korral pole hea väljanägemine tähtis. Printimistehnoloogia atraktiivsus elektroonika valmistamisel tuleneb põhiliselt võimalusest valmistada mitmeid mikrostruktuurseid kihte lihtsamalt ja odavamalt võrreldes tavalise elektroonika valmistamismeetoditega. Lisaks on tähtis ka uute või paranenud funktsioonide rakendamine, nagu mehaaniline painduvus. Printimismeetodi valik sõltub materjalide omadustest, nõuetest trükitud kihile, ning samuti ka hinnast ja lõpp-produkti tehnilistest kaalutlustest. Printimistehnoloogiad jagunevad lehepõhisteks (poognaetteandega) ja rullipõhisteks. Lehepõhine tindiprintimine ja siiditrükk sobivad väiksemate koguste ja täpsemate tööde printimiseks. Sügavtrükk, ofsettrükk ja fleksograafia sobivad suuremateks printimistöödeks, nagu päikesepaneelid, ning nende printimiskiirus võib ulatuda 10 000 ruutmeetrini tunnis (m²/h). Ofsettrükki ja fleksograafiat kasutatakse enamasti anorgaaniliste ja orgaaniliste juhtide valmistamiseks, sügavtrükk sobib kvaliteeditundlikeks kihtideks nagu orgaanilisteks pooljuhtideks ja pooljuhi/dielektriku liidesteks transistorides, kuna sellega saab moodustada kõrge kvaliteediga kihte. Kõrge resolutsiooni saamiseks sobib anorgaaniliste ja orgaaniliste juhtide valmistamiseks ka sügavtrükk. Orgaanilisi väljatransistoreid ja mikrokiipe saab valmistada massprintimise meetoditega. Tindiprinterid on paindlikud, mitmekülgsed ning lihtsalt ülesseatavad, selletõttu on tindiprintimine elektroonika valmistamiseks kõige levinum. Samas on tindiprinterid väiksema tootlikkusega, umbes 100 m²/h ning madalama resolutsiooniga (umbes 50 μm). Antud meetod sobib madala viskoossusega lahustuvatele materjalidele nagu orgaanilised pooljuhid. Probleemid tindi otsiku ummistumisega tekib suure viskoossusega materjalidel, nagu orgaanilised dielektrikud, ja peenete osakestega, nagu anorgaaniliste metallide tindid. Kuna tinti ladustatakse tilkade kujul, vähendatakse paksust ja dispersiooni homogeensust. Mitme tindiotsiku kasutamine ning alusele struktuuri ettekandmine suurendab produktiivsust ja resolutsiooni, kuigi struktuuri ettekandmiseks ei saa kasutada printimise tehnoloogiat. Tindiprintimist eelistatakse orgaaniliste pooljuhtide valmistamiseks orgaanilistes väljatransistorides (OFET) ja orgaanilistes LED-ides. Samuti on tindiprintimisega ka täielikult OFET-e valmistatud. Lisaks saab tindiprintimisega valmistada orgaaniliste LED-ide osi, mikroskeeme, fotogalvaanilisi elemente ja muid seadmeid. Siiditrükk sobib elektroonika valmistamiseks kuna sellega saab moodustada pakse mustrikihte pasta-laadsest materjalist. Sellega saab valmistada juhtivaid liine anorgaanilistest materjalidest. Lisaks saab siiditrükki kasutada ka kihtide isoleerimiseks, kus kihi paksus on tähtsam kui suur resolutsioon. Siiditrüki 50 m²/h tootlikkus ja 100 μm resolutsioon on sarnane tindiprintimisele. Seda mitmekülgset ja suhteliselt lihtsat meetodit kasutatakse, et valmistada juhtivaid- ja dielektriku kihtide, orgaanilisi pooljuhte ja orgaanilisi väljatransistoreid. Elektroonika printimiseks kasutatakse nii orgaanilisi kui ka anorgaanilisi materjale. Tindi materjalid peavad olema vedelal kujul ja käituma nagu juhid, pooljuhid, dielektrikud ja isolaatorid. Materjali hind vastama seadme rakendusele. Elektrooniline funktsioneerivus ja võimalikkus elektroonikat printida võivad üksteist segada, mistõttu on vaja protsessi hoolikalt optimeerida. Näiteks kõrgem molekulimass polümeerides suurendab juhtivust aga vähendab lahustuvust. Printimiseks peavad viskoossus, pindpinevus ja tahkete osade osakaal olema rangelt kontrollitud. Kihtidevahelised vastastikmõjud nagu märgumine, adhesioon ja lahustuvus ning ka pärast ladestumist tehtav kuivatamine võivad mõjutada tulemust. Kasutada ei saa lisandeid, mis on tavaliste printeri tintides, kuna need halvendavad elektrilisi omadusi. Materjali omadused määravad erinevused prinditud elektroonika ja tavalise elektroonika vahel. Prinditaval materjalil on veel kindlaid eeliseid, nagu mehaaniline painduvus ja keemilistelt funktsioonide kohandamine (näiteks valguse värvus OLED-is). Prinditud elektroonikaga on võimalik saavutada PMOS-loogikat, CMOS-loogikat ei ole võimalik printida. Orgaaniline prinditud elektroonika ühendab teadmised printimisest, elektroonikast, materjaliteadusest ja keemiast, eriti orgaanilisest ja polümeeride keemiast. Orgaanilised materjalid osaliselt erinevad tavalisest elektroonikast struktuuri, funktsionaalsuse ja toimimise mõttes, mis mõjutavad seadme ja mikroskeemi disaini ning ka optimeerimist ja valmistamismeetodit. Mitmesidemeliste polümeeride avastamine ja nende arendamine lahustuvateks materjalideks andis esimesed orgaanilised tindimaterjalid. Sellistest polümeeridest valmistatud materjalidel on juhtivad, pooljuhtivad, elektroluminestsentsi, fotogalvaanilisi ja teisi omadusi. Teisi polümeere kasutatakse enamasti dielektrikutena ja isolaatoritena. Enamikul orgaanilistel materjalidel on augutransport eelistatum kui elektronitransport. Uuringud on näidanud, et see on orgaaniliste pooljuhtide/dielektrike liideste eriomadus, millel on suur roll OFET-ide töös. Seega p-tüüpi seadmeid on rohkem kui n-tüüpi seadmeid. Vastupidavus ja eluiga on väiksem kui tavalistel materjalidel. Orgaanilistes pooljuhtides on juhtivad polümeerid polü(3,4-etüleen dioksütiofeen), mis on dopeeritud kaubanduslikult saadavate polümeeridega: polüstüreensulfonaadiga, mida on prinditud kasutades tindiprintereid, siiditrükki ja ofsettükki, ja polüaniliiniga, mida on prinditud siiditrüki, sügavtrüki ja felksograafiaga. Polümeer pooljuhte, nagu polütiofeen ja polü(3-heksüültiofeen) ja polü(9,9-dioktüülfluoreen co-bitiofeen), töödeldakse kasutades tindiprintereid. Viimast on kasutatud ka sügavtrükiks. Lisaks kasutatakse veel ka erinevaid elektroluminestseeruvaid polümeere ning ka aktiivseid materjale fotogalvaanilisteks elementideks mida saab osaliselt valmistada siiditrükiga. On ka orgaanilisi ja anorgaanilisi dielektrikke ja isolaatoreid, mida saab töödelda erinevate printimismeetoditega. Anorgaaniline elektroonika moodustab kõrgelt korrastatud kihte ja liideseid, mida orgaanilised ja polümeeri materjalid ei suuda moodustada. Hõbeda nanoosakesi kasutatakse fleksograafias, ofsettrükis ja tindiprintimisel. Kulla osakesi kasutatakse tindiprintimises. Alalisvoolu elektroluminestsentsi mitmevärvilised kuvarid võivad katta mitmeid tuhandeid ruutmeetreid, või neid saab ühendada kellade ja teiste instrumentide ekraanidele. Need hõlmavad kuut kuni kaheksat trükitud anorgaanilist kihti, sealhulgas vasega dopeeritud fosforit ja plastikust filmi substraati. Prinditud gallium-arseen-germaanium päikeseelement demonstreeris 40,7% kasutegurit, mis on kaheksa korda parem kui parimatel orgaanilistel rakkudel. Prinditud elektroonikaga on võimalik kasutada painduvaid substraate, mis vähendab valmistamiskulusid ja võimaldab valmistada mehaaniliselt painduvaid mikroskeeme. Teised kriteeriumid substraadile on väike karedus ja sobiv märgavus, mida saab juhtida eeltöötlusega, kasutades koroonalahendust. Tihti kasutatakse substraadina polüetüleentereftalaati, kuna see on odav ja talub kõrget temperatuuri. Paber oleks odav ja mitmekülgne substraat kuid selle karedus ja suur imavus on elektroonika valmistamisel problemaatiline. Coatanéa, E., Kantola, V., Kulovesi, J., Lahti, L., Lin, R., & Zavodchikova, M. (2009). Printed Electronics, Now and Future. In Neuvo, Y., & Ylönen, S. (eds.), Bit Bang – Rays to the Future. Helsinki University of Technology (TKK), MIDE, Helsinki University Print, Helsinki, Finland, 63–102. ISBN 978-952-248-078-1. http://lib.tkk.fi/Reports/2009/isbn9789522480781.pdf H.-K. Roth et al., Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 32 (2001) 789 J.M. Xu, Synthetic Metals 115 (2000) 1 A. Blayo and B. Pineaux, Joint sOC-EUSAI Conference, Grenoble, 2005 U. Fügmann et al., mstNews 2 (2006) 13 J.R. Sheats, Journal of Materials Research 19 (2004) 1974 M. Harrey et al., Sensors and Actuators B 87 (2002) 226 J. Siden et al., Polytronic Conference, Wroclaw, 2005 D. Zielke et al., Applied Physics Letters 87 (2005) 123580 T. Mäkelä et al., Synthetic Metals 153 (2005) 285 A. Hübler et al., Organic Electronics 8 (2007) 480 S. Leppavuori et al., Sensors and Actuators 41–42 (1994) 593 T. Mäkelä et al., Synthetic Metals 135 (2003) 41 R. Parashkov et al., Proceedings IEEE 93 (2005) 1321 B.-J. de Gans et al., Advanced Materials 16 (2004) 203 V. Subramanian et al., Proceedings IEEE 93 (2005) 1330 S. Holdcroft, Advanced Materials 13 (2001) 1753 A.C. Arias et al., Applied Physics Letters 85 (2004) 3304 H. Sirringhaus et al., Science 290 (2000) 2123 V.G. Shah and D.B. Wallace, IMAPS Conference, Long Beach, 2004 K. Bock et al., Proceedings IEEE 93 (2005) 1400 Z. Bao et al., Chemistry of Materials 9 (1997) 1299 S.E. Shaheen et al., Applied Physics Letters 79 (2001) 2996 M. Renn, US Patent number 7,485,345 B2. Page 3 Z. Bao, Advanced Materials 12 (2000) 227 Moliton and R.C. Hiorns, Polymer International 53 (2004) 1397 D.M. de Leeuw et al., Synthetic Metals 87 (1997) 53 Z.V. Vardeny et al., Synthetic Metals 148 (2005) 1 H. Kempa et al., it 3 (2008) 167 Fachetti, Materials Today 10 (2007) 38 J. Zaumseil and H. Sirringhaus, Chemical Reviews 107 (2007) 1296 J. Bharathan and Y. Yang, Applied Physics Letters 72 (2006) 2660 S.P. Speakman et al., Organic Electronics 2 (2001) 65 K.E. Paul et al., Applied Physics Letters 83 (2003) 2070 T. Aernouts et al., Applied Physics Letters 92 (2008) 033306 "Ion Gel Insulator" P.M. Harrey et al., Journal of Electronics Manufacturing 10 (2000) 69 J. Perelaer et al., Advanced Materials 18 (2006) 2101 Y.-Y. Noh et al., Nature Nanotechnology 2 (2007) 784