Реферат «печатная Электроника» (Михайлова О. М

Печатная электроника - одна из самых новых тем в технологии сегодня. Термин «печатная электроника» - используется для обозначения технологии, которая позволяет печатать электронику на обычных носителях (например, бумаге, пластмассе и ткани), используя стандартные процессы печати. Чтобы напечатать активные устройства, например тонкие плёночные транзисторы, вместо печатной краски используется семейство электрических функциональных электронных чернил. Эта область развивается настолько быстро, что появляется всё больше преимуществ. Пример возможности этой технологии - полностью прозрачная невидимая электроника... Молодая компания Novaled из Дрездена на конференции IDTechEx "Printed Electronics Europe" показала впечатляющую работу своих чернил, которые испускают свет. Одним из продемонстрированных экземпляров было полностью прозрачное стеклянное окно, которое начинает светиться белым светом при подключении электричества. Докладчики на конференции продемонстрировали, что с печатными транзисторами и многими другими формами электрических и электронных устройств теперь также возможна полная прозрачность. Пример - уличные часы, которые производит электричество от невидимой солнечной батареи на стекле часов.

В Франкфурте в октябре 2005 года состоялась первая конференция Plastic Electronics Conference, посвященная проблемам создания и применения электронных компонентов на базе полимерных материалов.

Существующие высокотехнологичные способы печати делают возможным увеличение производства электронных элементов от 10 тысяч до 100 тысяч раз по сравнению с традиционными технологиями изготовления компонентов на базе кремния с применением травления или напыления в сочетании с фотолитографией.

Для изготовления печатных полимерных электронных элементов применяются материалы с соответствующими свойствами. Их можно разделить на три основные группы: проводники, полупроводники и изоляторы. Проблема нанесения материалов на подложку одинакова для всех трех групп. Она делится на две части. Первая - создание полимерного материала с заданными электрическими функциями. Разработки таких материалов ведутся в химических исследовательских учреждениях. Промышленный выпуск материалов осуществляется химическими фирмами. Вторая часть - нанесение на подложку созданных и промышленно выпускаемых полимерных материалов как обычных печатных красок.

Первым в мире предприятием, которое изготовило электронные схемы полностью с применением промышленного способа печати, является немецкая фирма Printed Systems GmbH. На конференции она показала различные электронные компоненты, созданные методом прямой печати.

На конференции Plastic Electronics фирма Printed Systems GmbH показала возможности применения новой технологии в создании элементов электроники, т.н. технологии напечатаной электроники.

Изготовление электронных компонентов на базе функциональных полимеров с помощью традиционных высокопроизводительных способов печати является целью фирмы Printed Systems GmbH, которая первой вместе с фирмами BASF и Lucent Technologies изготовила печатным способом промышленные экземпляры электронного кольцевого генератора. При этом вместе с электронной схемой на подложке были отпечатаны сюжеты традиционными полиграфическими красками. Участникам симпозиума был показан такой циклический кольцевой генератор. Типичным массовым продуктом, где могут применяться напечатанные электронные схемы, являются карточки регистрации (Access-Print-Karten) посетителей выставок, конференций и т.п. на картоне или бумаге. Access-Print-карточки являются своеобразным мостом между реальным и виртуальным миром. Электронные параметры карты анализируются компьютером или специальным считывающим устройством и могут, таким образом, создать дополнительные возможности по использованию карты, например в игральных автоматах и т.п.

По способам применения печатная электроника делится на три категории. Первая — печать крупных дисплеев на жёстких и гибких материалах. Главное направление — органические светоизлучающие диоды (Organic Light Emitting Diodes, OLED), по прогнозам, вполне способные потеснить современные телевизионные и компьютерные LED-экраны за счёт меньшей стоимости и повышенной прочности. Разработками сейчас активно занимаются практически все азиатские поставщики электроники. Например, Samsung уже представил 40-дюймовую однослойную OLED-панель. Светоизлучающие соединения наносятся на гибкую поверхность с помощью струйной технологии. Это печать, но не в традиционном смысле слова.

Вторая категория — замена отдельных электронных компонентов отпечатанными аналогами, что сокращает затраты и даёт готовое решение за один прогон. Многие устройства уже печатают полностью или частично, в основном струйным способом, отчасти флексографской и глубокой печатью: фотодефекторы, гальванические фотоэлементы, соленоиды, тонкие транзисторные схемы на плёнке, батареи и т. д. Предполагается, что отпечатанный гальванический фотоэлемент при аналогичной производительности будет стоить впятеро меньше кремнийсодержащей солнечной батареи. Возможно, через 5 лет такими панелями будут покрывать крыши зданий, эффективно генерируя электричество из солнечной энергии. Печатать их будут «с рулона на рулон» струйным способом на прозрачном гибком материале. Перспективен ли данный рынок для традиционной полиграфии? Скорее, здесь будет разработано специализированное оборудование на базе печатных головок известных производителей.

Третья (возможно, самая объёмная) категория — электронные метки радиочастотной идентификации (RFID). Вокруг них строится будущее логистики и розничной торговли, а компании типа Wal-Mart и Tesco уже требуют от поставщиков внедрения технологий. Предполагается, что радиометки заменят штриховое кодирование, выполняя функции идентификации и отслеживания продукции. RFID-технологии широко применяются для маркировки дорогой продукции, но пока стоимость метки приближается к доллару. По мере увеличения объёмов цифра должна снизиться до 20 центов, тогда им откроется дорога в розничную торговлю — маркировку паллет и крупных контейнеров. Сейчас изготовлением радиометок занимаются специализированные электронные компании типа Texas Instruments. Чтобы метки заменили штрих-коды на каждом товаре в супермаркете, их стоимость должна упасть до цента. Этого можно добиться только с помощью печатной электроники, но не раньше чем через 5-10 лет.

Ученые из Xerox разработали токопроводящие чернила, открывающие возможность нанесения электронных схем практически на любой материал, включая ткань, пластиковые листы и полимерную пленку. Благодаря этой разработке становится возможным нанесение сверхлегких электронных схем на одежду без заметного увеличения ее веса. В основе чернил лежит серебро, которое и проводит электрический ток. Температура плавления серебра составляет около 1000 градусов по Цельсию, однако в данном случае такая высокая температура не требуется. Распыление инновационных чернил Xerox происходит при температуре 140 °С, ниже, чем температура плавления некоторых полимеров. Например, температура плавления полипропилена составляет 175 °С. Это позволяет наносить чернила на гибкий полипропиленовый лист. Температура плавления другого распространенного в промышленности полимера — поливинилхлорида — составляет 150 °С. Разработанные чернила Xerox хотя и не имеют названия, их уже планируется поставлять производителям электроники. Рабочее название жидкости — «серебряная пуля».

«Данное изобретение открывает новую эру электронных устройств, — заявила аналитик IDC Энджел Бойд (Angele Boyd). — Если электронику можно будет наносить печатающим устройством, в будущем появится множество новых электронных приспособлений, вне зависимости от того, изготовлены ли они из ткани или пластмассы». Еще одном важным моментом является то, что в конечном итоге такие устройства можно будет создавать в домашних условиях, без использования дорогостоящего оборудования.

Краска на основе наночастиц серебра, может быть применена в электронике и оптоэлектронных приложениях для создания гибких и растягивающихся микроэлектродов, передающих сигналы от одного элемента цепи к другому. Печатные микроэлектроды могут выдерживать неоднократные сгибания и растяжения с минимальным изменением их электрических свойств.

В отличие от чернильной и трафаретной печати, данный подход даёт возможность печатать микроэлектроды не только в плоскости подложки, но и позволяя им непосредственно пересекать существовавшие до этого структуры через формирование перекрывающих арок. В традиционных схемах обычно требуются изоляционные слои или обводные матрицы электродов.

Для производства печатных схем исследователи сначала готовят высоко концентрированную краску из наночастиц серебра. Затем краска выдавливается на рабочую поверхность через отверстие цилиндрического наконечника, установленного в трехосной системе микропозиционирования, которая, в свою очередь, управляется с помощью компьютерной программы.

Печать гибких серебряных микроэлектродов на полиимидной подложке (Изображение: Jennifer Lewis)

В первой фазе печати наночастицы, нанесенные не подложку, пока не соединены. Соединение происходит в тот момент, когда напечатанная структура нагревается до 150 градусов Цельсия и выше. Во время термоотжига наночастицы сплавляются во взаимосвязанную структуру. Благодаря умеренной температуре обработки печатные структуры совместимы с гибкими органическими основами.

В отличие от традиционных технологий, новый подход позволяет соединять микроскопические серебряные провода с миниатюрными электронными устройствами с минимальным контактным давлением. По мнению разработчиков, новый метод является наиболее универсальным на настоящий момент времени, позволяя создавать высоко интегрированные структуры, включающие в себя элементы различных материалов, применяемых в электронике, на широком спектре подложек. Разработанный метод изотропной печати позволяет преодолеть многие ограничения традиционных технологий, используемых в печатной электронике.

Несомненный интерес представляют разработки сверхтонких органических дисплеев. В Массачусетском технологическом институте разработана технология получения дисплеев на слое пластика толщиной всего 100 мкм, который можно скручивать без изменения свойств в рулон радиусом 5 мм. Изображение формируется в слое электрофоретической пасты, наносимой на сетку электродов на гибкой полимерной подложке. Паста состоит из микрокапсул, содержащих белые (двуокись титана - стандартная составляющая обычных белил) и черные (смесь органических красителей) микрочастицы, взвешенные в расплавленном полиэтилене. Оболочка капсул проходит специальную обработку для обеспечения ее прозрачности. Средний размер капсул - около 50 мкм. Поверх слоя пасты наносится сетка прозрачных электродов. При подаче напряжения одной полярности отрицательно заряженные белые частицы перемещаются в верхнюю часть капсул и загораживают черные частицы. В результате капсула приобретает белый цвет. При изменении полярности белые частицы перемещаются в нижнюю часть капсулы, и цвет ее становится черным. Разрешение такого дисплея определяет шаг сетки электродов, и уже для первых образцов оно было сопоставимо со стандартными значениями для лазерных принтеров. Потребляемая мощность дисплея с диагональю экрана 30 см - 12 мВт, длительность воспроизведения информации при снятии напряжения не ограничена (до новой адресации). Изображение можно менять более 107 раз без ухудшения рабочих характеристик. На основе такого конструктива можно создавать "электронную бумагу".

На первый взгляд, электронные устройства уже стали массовыми. Однако по-настоящему повсеместному внедрению электроники в окружающую нас среду препятствуют несколько факторов. Один из них — сравнительно высокие затраты, связанные с производством и использованием кремниевых чипов. Они приемлемы в случае компьютеров и других устройств, но пока делают неоправданным встраивание электронных схем, скажем, в упаковку товаров.

Переход к низкотемпературным технологиям, таким, как рулонная печать электронных схем, стал бы прорывом, способным моментально изменить ситуацию. По сообщению компании Xerox, разрабатываемые ее специалистами новые серебряные чернила открывают путь к экономичному производству «печатной» электроники. Как утверждается, речь идет о создании очень дешевого способа нанесения электронных схем на широкий спектр поверхностей, включая пластик и ткань. В результате, можно будет, например, выпускать «умные» упаковки для лекарств, которые отслеживают дозировку и регулярность приема. Или гибкие дисплеи, которые можно сложить в портфель, передает iXBT.  

В числе приложений «печатной» электроники названы радиочастотные метки, устройства для чтения электронных книг, информационные панели, датчики, солнечные элементы, электронные устройства, интегрированные в одежду.

Недавно был предложен новый метод производства гибких интегральных микросхем и исследовано поведение различных характеристик при растяжении или сжатии таких устройств. Суть подхода заключается в том, что на исходную растянутую пластинку полимера печатаются необходимые элементы микросхем, а затем происходит релаксация напряжений, и основа вместе со всей микросхемой принимает "волнообразную" форму. Учёные также использовали и метод без применения растяжения (рис.1), однако при этом получаются микросхемы, обладающие недостаточной эластичностью, а для некоторых применений – и слишком низкой жёсткостью на изгиб.

Рис.1. (A) Схема процесса получения CMOS микросхем с максимальной гибкостью (третья картинка сверху) и полностью обратимой деформацией сжатия/растяжения (нижняя картинка) и схематическое изображение нейтральной механической плоскости в полученном устройстве (справа внизу); оптические изображения полученных микросхем: (B) CMOS обратный преобразователь, (C) эластичная пластинка на тонкой палочке после удаления твёрдой подложки, (D) волнистая форма поверхности при использовании полидиметилсилокана (ПДМС).

Проведённые исследования и компьютерное моделирование данных структур (рис. 2-3) позволяют заключить, что применение данного метода для создания гибких интегральных микросхем достаточно эффективно, так как основные физические характеристики не изменяются при деформации схемы. Растяжение и сжатие практически не влияли на работу небольшой микросхемы, созданной по данной технологии (рис.3).

Рис.2. (A) Волнистая форма Si-CMOS инвертора на ПДМС при различных значениях предварительной деформации подложки (слева направо: 2.7, 3.9, 5.7%, соответственно). (B) Полная 3D картина, рассчитанная с помощью FEM, для системы с предварительным растяжением 3.9% (слева) и SEM-изображение образца, полученного при аналогичных условиях (справа). (С) Изображения волнистой формы Si-CMOS инвертора при эластичной деформации вдоль осей x и y. (D) Измеренная (красная и чёрная линии) и рассчитанная (синяя) характеристики переноса волнистых инверторов (слева), на вставке n- и p-каналы MOSFET (чёрная и пунктирная линии, соответственно). Справа измеренное (закрашенные квадратики) и рассчитанное (пустые квадратики) пороговое напряжение инвертора в зависимости от приложенной деформации.

Рис.3. (A) Оптическое изображение массива растягиваемых волнообразных трёхступенчатых CMOS кольцевых осцилляторов (вверху слева) и изображения обычных осцилляторов при различных приложенных деформациях, направление которых указывают красные стрелки. Измеренные времена и частоты отклика осциллятора при различных приложенных деформациях. (B) Схема дифференциального усилителя (вверху слева); выходные характеристики для различных значений приложенных деформаций (внизу слева); изображения волнистой формы дифференциального усилителя в исходном состоянии (вверху) и после растяжения (внизу).

Также было показано, что создание сэндвичевой структуры позволяет деформировать интегральную микросхему ещё больше (рис.4) без явного изменения электрических свойств цепи.

Рис.4. (A) Изображение гибкой тонкой Si-CMOS микросхемы, полученной при нанесении дополнительного слоя полимера, сложенной пополам на грани покровного стекла микроскопа. Вставка – схематическое поперечное представление полученного устройства. (B) Изображения скрученной (вверху) и согнутой (внизу) волнистой формы Si-CMOS схемы, полученной с двойной нейтральной плоскостью. Слева представлен инвертор в центре, а справа – на краю одного и того же образца при кручении.

Таким образом, сделан ещё один шаг на пути построения гибкой и миниатюрной (печатной!) электроники, которую в скором будущем каждый из нас сможет приобрести и которая позволит расширить горизонты применения вычислительной и управляющей техники.

Современные чипы делают с помощью фотолитографии. Это высокоточное производство весьма дорогостоящее. (Современный завод по производству чипов обходится в полтора-два миллиарда долларов.) Сначала кремниевая «вафля» покрывается слоем полимера, который является фоторезистентным. Затем на него накладывается «маска», являющаяся матрицей первого слоя всей будущей цепи. Ультрафиолетовые лучи «вырезают» кусочки фоторезистентного слоя, и все лишнее затем удаляется с помощью растворителя (что делает производство экологически крайне неблагоприятным). После обмыва «вафли» водой она помещается в печь, чтобы оставшийся резистентный материал запекся, после чего на него наносится слой проводящего материала.

Для нанесения следующих слоев микросхемы все вновь повторяется по многу раз. Соединения между элементами микросхем («провода») имеют сечение не более одной десятой микрометра (10–4 мм). Основные расходы в производстве чипов связаны именно с роботами, поскольку люди в таких масштабах работать не могут. Вот почему завод компании «IBM», построенный в штате Нью-Йорк, обошелся в свое время флагману микроэлектронной индустрии в три миллиарда долларов!

Уже давно инженеры поняли, что гораздо дешевле и удобнее не «вырезать» микросхемы, а «печатать» их, имея в распоряжении проводящие ток полимеры. При этом решается чисто химическая проблема, поскольку большинство фоторезистентных материалов и органических растворителей просто-напросто растворяет электропроводящие полимеры.

«Печатание» схем позволяет преодолеть еще одну трудность. Дело в том, что из-за физической хрупкости кремниевые чипы не могут быть больше нескольких квадратных сантиметров, что ограничивает «построение» на них электронных цепей. Полимерные же цепи могут простираться на метры, что неизмеримо повышает их возможности. Не надо также с огромной точностью подгонять «маски» – достаточно всего лишь «набрызгать» нужные материалы и подать готовую схему под пресс. А благодаря тому, что электронные материалы пластичны, их можно сворачивать в рулоны и размещать на поверхностях самой экзотической формы.

Оставалось лишь усовершенствовать надежный и достаточно точный способ нанесения электронных материалов. Способ в общем-то уже известный и опробованный. Речь идет о струйном принтере. Так мы в этом случае переводим английское слово jet («джет»). На самом деле это может быть и реактивная струя, и выхлоп мотора, и чернила, выпускаемые при опасности осьминогом. Так или иначе, речь идет о достаточно небольшом сопле, из которого подается строго дозированная порция (доза) жидкости или сыпучего материала. Все это уже очень хорошо опробовано в самых разных отраслях промышленности.

Несколько лет назад было сделано усовершенствование, которое позволило резко повысить точность дозирования джет-компонентов: точность джет-дозатора была увеличена, как минимум, в 10 раз. Капля имела диаметр всего лишь 5 микрон. Основывалось это на принципе, давно уже известном в химии.

Мы знаем, что одни поверхности, например тот же тефлон, гидрофобные, а другие – гидрофильные. На гидрофобных поверхностях вода собирается в компактную каплю, а на гидрофильных растекается тончайшим слоем, занимая большую площадь.

С использованием этого принципа на поверхность наносится рисунок будущих полимерных транзисторов (цифровых переключателей микрочипов). Для этого поверхность стекла покрывается водоотталкивающим (гидрофобным) полиимидом, после чего в его толще фотолитографически вырезаются до поверхности стекла лунки, в которых и идет «печатание» электродов.

Сначала в лунки заливаются электроды в виде водорастворимых полимерных электропроводных «чернил» (по терминологии из производства струйных принтеров). Затем электроды в полиимиде обливаются сплошным слоем полупроводящего пластика. Чтобы полупроводник имел тонкий равномерный слой, растекание обеспечивается вращением блока со скоростью 5000 оборотов в минуту. Толщина слоя полупроводника при этом составляет не более 30 нанометров. Далее остается только нанести изолирующий пластиковый слой с использованием все того же вращения и сделать заключительный «мазок» в виде капли, которая представляет собой третий (базовый) электрод.

Пластиковые транзисторы будут прежде всего использоваться для создания легких и гибких дисплеев компьютеров и экранов телевизоров. Транзисторы могут налагаться друг на друга, образуя вертикальные стопки (аналогично углеродным нанотрубочкам). Возможно также производство светодиодов, слои которых могут налагаться на слой полимерных транзисторов.

Устройство, «печатающее» транзисторы, головка которого движется влево и вправо (а), и транзистор в разрезе (б): 1 – водоотталкивающий полиимид; 2 – полупроводящий пластик; 3 – электроды; 4 – изолирующий пластик

Сегодняшние струйные принтеры уже позволяют «печатать» пластиковые транзисторы. Их только необходимо снабдить множественными соплами, каждое из которых подает свой раствор. Необходимо также уменьшить диаметр сопла, поскольку, как уже говорилось выше, для производства пластиковых транзисторов требуется капля диаметром не более 5 микрон, а у нынешних принтеров она в 6 раз больше.

Необходимо также использовать полимерную подложку, которая бы не растворялась под действием органического растворителя. Есть требования и к процессу растекания жидкостей. Каждый любитель кофе знает, что капля напитка, растекаясь и засыхая, образует пятно, которое светлее (тоньше) в центре и темнее (толще) на периферии. Для микроэлектроники такие «разночтения» неприемлемы.

Вот почему ученые разрабатывают «сухую печать». Для этого предложена подложка из поливинилкарбазола, в котором «чернила» сами диффундируют в толщу материала. В качестве демонстрации и контроля производства поливинилкарбазол «красят» синим флюоресцентным красителем и с помощью резинового штемпеля наносят сначала полимерный материал с красным красителем, а затем с зеленым. При этом на поверхности пластика появляются разноцветные точки. После наложения такого листа на микроэлектроды получается дисплей с транзисторами.

Пока рабочая частота подобных дисплеев не превышает сотни килогерц, что несравнимо с гигагерцами старых кремниевых чипов. Зато электронные цепи получаются очень тонкими, что делает их прозрачными. Такие цепи можно наносить на любые поверхности, причем самой сложной и замысловатой конфигурации, что делает полимерную электронику крайне привлекательной.

В ближайшие три-пять лет появится возможность "печатать" изделия электроники как обои. На таких пластиковых "обоях" будут создаваться полноцветные экраны и дисплеи, солнечные батареи и осветительные панели на СИД белого свечения, электронная бумага и многое другое. Новые изделия электроники на базе полимерных материалов, которые появятся в ближайшем десятилетии, революционным образом изменят условия эксплуатации электронного оборудования, расширят возможности информационных технологий, создадут предпосылки перехода на новые принципы организации, обучения, быта и развлечений.

12