Можливість застосування процесів поліграфії для виготовлення електронних пристроїв (бездротових, таких як радіочастотні ідентифікатори, компоненти дисплеїв, мікросхем) досліджується з початку цього століття багатьма компаніями, державними науковими організаціями, вузами. Ці процеси для світу електроніки, безумовно, нові, і технології формування компонентів відрізняються від традиційних. Правда, технологія "друку" зображення, травлення і гравірування вже широко використовується при виробництві друкованих плат. Спільне застосування нових, так званих функціональних, чорнила (з властивостями провідників, напівпровідників і діелектриків) і сучасних поліграфічних платформ (глибокої, флексографічного, струменевого друку, гравіювання) дозволить істотно знизити вартість виробів електронної техніки, збільшити ефективність їх виробництва, створювати гнучкі прилади з поліпшеними робочими характеристиками, підвищеною надійністю і екологічною безпекою. Сьогодні в світі вже більше 3000 організацій, що спеціалізуються в області друку, електроніки, матеріалів, засобів упаковки, розробляють друковані та тонкоплівкові електронні компоненти і пристрої. Деякі з цих виробів (такі як пристрої перетворення світлової або сонячної енергії в електроенергію) вже представлені на ринку, і попит на них постійно зростає. Інші ж, наприклад друковані транзистори, які розробляються більше 500 організаціями світу, тільки-тільки з'являються на ринку. Що ж досягнуто в області друкованої електроніки, і які перешкоди стоять на шляху розвитку цієї нової галузі, яка, на думку багатьох експертів, за обсягом виробництва може перевершити напівпровідникову промисловість?
Технологія друку електронних компонентів
Технологія формування напівпровідникових приладів, яка заснована на різноманітних і відпрацьованих методах друку, дозволяє значно збільшити продуктивність їх виготовлення. Але в той час як традиційна друкована техніка створює зображення, добре сприймаються неозброєним оком, при виготовленні електронних пристроїв необхідно отримувати їх необхідні електричні, механічні та оптичні властивості. Незалежно від методу друку для виготовлення друкованих електронних приладів потрібні найсучасніші технології та обладнання. Практично будь-яка техніка друку придатна для виготовлення друкованої електроніки, але при цьому для різних типів приладів існують кращі методи і матеріали. Можливе об'єднання декількох методів для створення приладу. Але кожна техніка має свої переваги і недоліки.
Струменевий друк - одна з найпопулярніших технологій створення друкованої електроніки. Оскільки це цифрова технологія, для формування електронного пристрою досить мати задає друк файл, що описує його конструкцію. Ця технологія перспективна для швидкого виробництва дослідних зразків і партій спеціалізованих приладів, хоча вона і придатна для масового виробництва друкованої електроніки. До переваг струменевого друку ставляться досить високий дозвіл (80-100 μm ліній), гнучкість, відносно низька вартість і сумісність майже з будь-яким типом підкладок. Очікується, що вдосконалення обладнання струменевого друку дозволить формувати елементи з дозволом 20 μm ліній. В результаті струменевий друк буде все ширше використовуватися для створення друкованої електроніки. Трафаретний друк - ще одна популярна технологія, що застосовується для виготовлення друкованих електронних пристроїв шляхом продавлювання пасти через відповідний трафарет. Ця технологія може використовуватися для нанесення плівок щодо великої товщини на різноманітні ділянки підкладки за один етап. Але вона не дозволяє отримувати дуже тонкі плівки. Довгий час вважалося, що дозвіл трафаретного друку невелика, проте сучасне обладнання дозволяє виготовляти елементи розміром до 40 μm. При цьому краю ліній більш чіткі, ніж у ліній, що формуються струменевим друком.
Нанолітографії - відносно нова технологія, заснована на традиційній фотолітографії. На підкладку методом центрифугування або осадження наноситься рідкий резист, на якому за допомогою тривимірного штампа формується необхідний малюнок елементів (мал.1а). Плівка резисту отверждается або шляхом нагрівання, або за допомогою УФ-випромінювання (рис.1б). Після видалення штампа отвердний резист зберігає його форму (рис.1в), а решта плівка стравливается (ріс.1г). Структурований резист може використовуватися або як шаблон для формування малюнка наступних шарів приладу, або як функціональний шар приладу. Вирішення цієї технології обмежено лише дозволом процесу виготовлення штампа. Ширина ліній може становити 20 нм. Основна проблема - наявність резистивних матеріалів з потрібними електричними і оптичними властивостями.
Рис.1. Послідовність операцій нанолітографії: створення малюнка (а); затвердіння резисту (б); видалення штампа (в); підбурювання залишилася плівки (г)
Рис.2. Застосування різних матеріалів для виготовлення основних елементів друкованої електроніки. Темно-зеленим кольором позначені найбільш перспективні області застосування неорганічних матеріалів, світло-зеленим - перспективні гібридні рішення з викорис
Зараз, відзначають вчені Кембриджського університету, освоєно перше покоління технології застосування оксидів металу в друкованій електроніці: формування прозорих проводять покриттів при виготовленні пасивних матриць РК і сонячних елементів (СЕ). Надалі оксиди металів знайдуть застосування при виготовленні прозорих компонентів і систем (рис.4). Особливий інтерес розробників друкованої електроніки викликає оксид цинку, який іноді називають напівпровідниковим з'єднанням А2В6. Хоча розглядати цей матеріал як "новий кремній" рано, можливості його застосування як для виготовлення друкованих транзисторів, так і тонкоплівкових нанокристалічних п'єзоелектричних компонентів вже очевидні.
Чи не менше зусиль різні компанії і організації
Рис.3. Співвідношення робочі характеристики-вартість різних матеріалів, призначених для виготовлення електронних комопонентов
Рис.4. Перспективи застосування оксидів металу для формування прозорих електронних пристроїв
Рис.5. Найбільш широко використовуються в друкованій електроніці матеріали (стрілки жовтого кольору вказують елементи, що застосовуються в з'єднаннях і в якості домішок при виготовленні зазначених компонентів, червона стрілка - елементи, що застосовуються при виготовленн
28,98 млрд. Дол.) Всього ринку друкованої електроніки, рівного 57,16 млрд. Дол. Таким чином, очевидні значення неорганічних матеріалів для друкованої електроніки і можливості, що відкриваються перед компаніями, які їх розробляють.
органічні матеріали
Органічна друкована електроніка своєю появою зобов'язана відкриттю в 70-і роки минулого століття напівпровідникових властивостей спряжених полімерів. На відміну від звичайних напівпровідників, плівки таких полімерів є сумішшю хімічних речовин з доречний і електронної провідністю, межі розділу яких розподілені по всьому тривимірному обсягом плівки. Органічні матеріали легше, еластичнішою і дешевше неорганічних. Для формування електронних пристроїв за допомогою стандартної струминного друку при кімнатній температурі і атмосферному тиску їх можна переводити в рідкий стан. Вони відрізняються механічною гнучкістю, можливістю регулювання властивостей приладу (наприклад, зміна кольору випромінювання органічних світлодіодів) за рахунок модифікації хімічного складу. Органічна електроніка - перспективний і інноваційний розділ електроніки, який в першу чергу дозволить докорінно змінити розробку і виробництво пристроїв відображення інформації та швидко, з мінімальними витратами, налагодити серійний випуск легких і гнучких дисплеїв. Органічні матеріали перспективні і для виготовлення багатьох нових друкованих електронних пристроїв, які не можуть бути створені за допомогою традиційних технологій (наприклад, електронного паперу, інтелектуальних / гнучких вікон і т.п.) або до продуктивності яких не пред'являються високі вимоги. Очікується, що органічні провідні полімери будуть відігравати важливу роль в такий новітній науці, як молекулярна комп'ютерна техніка.
Сьогодні існують різноманітні придатні для друку органічні матеріали з провідними, напівпровідниковими і діелектричними властивостями. Найбільш широко в друкованій електроніці використовуються молекули малих розмірів, полімери, олігомери. Найбільш популярний матеріал, що відноситься до класу молекул малих розмірів, - пентацен, який використовується при створенні OLED. Однак цей матеріал важко отримувати у вигляді чорнила, в результаті чого понад 90% OLED виготовляються за допомогою вакуумного осадження малих молекул.
На основі матеріалів класу малих молекул виготовляються і органічні польові транзистори, рухливість носіїв яких становить 5 см2 / В · с.
Полімери - матеріали з великою молекулярною вагою - складаються з довгих ланцюгів повторюваних ланок макромолекул, які надають широкі можливості управління електронними та хімічними властивостями матеріалу. Можливість друку і універсальність цих матеріалів обумовлюють перспективність їх застосування в друкованій електроніці.
До недоліків полімерів відносяться на порядок менша, ніж у малих молекул, рухливість і труднощі очищення. Через недостатньо бездоганного контролю процесів полімеризації в них часто присутній залишковий каталізатор полімеризації або домішки.
Найчастіше полімери використовуються для формування провідних ліній, хоча за значенням провідності вони близькі до напівпровідників. Тому їх в основному застосовують в пристроях, в яких для отримання струмопровідних з'єднань традиційно використовується полікремній, - датчиках і транзисторах для сполучних панелей дисплеїв і пристроїв радіочастотної ідентифікації (RFID).
Інтерес представляє розроблений вченими Прінстонського університету метод відновлення провідності полімерів, яка зменшується при приготуванні розчину для струминного друку. Шляхом обробки отриманих струменевим друком шарів спеціальної кислотою втрачені внутрішні зв'язки полімеру відновлюються, і тим самим відновлюється його провідність. За допомогою розробленої технології в університеті створені пластмасові транзистори з зустрічно-гребінцевої структурою областей витоку і стоку.
Олігомери є Коротколанцюгові полімери з хорошими молекулярними характеристиками і малим молекулярною вагою. Цей матеріал придатний як для друку, так і для вакуумного осадження. Однак поки олігомери не знаходять широкого застосування в друкованій електроніці.
Органічні матеріали, особливо полімери, на відміну від неорганічних, непридатні для формування шарів з високоупорядоченние структурою і межами розділу. В результаті провідність і рухливість друкованих органічних напівпровідникових компонентів нижче, ніж в пристроях на неорганічних матеріалах. До того ж в більшості органічних напівпровідникових матеріалів рухливість дірок набагато вище, ніж електронів. В результаті до останнього часу на основі органічних матеріалів вдавалося виготовляти лише p-канальні МОП-транзистори.
Рис.6. Можливості застосування неорганічних (зліва) і органічних (праворуч) матеріалів в друкованій електроніці
Завдання отримання органічних матеріалів з електронною провідністю і створення n-канальних МОН-транзисторів першої вдалося вирішити компанії Polyera (США). Дослідницька група компанії отримала полімер з високо впорядкованої основним ланцюгом молекул, що забезпечує ефективне перенесення носіїв в полімерній структурі. Рухливість електронів органічного польового транзистора на основі нового полімеру становить 3 см2 / В · с. Полімер добре взаємодіє з органічним розчинником, що дозволяє отримувати рідку субстанцію, придатну для струменевого і глибокого друку органічних компонентів на пластмасову підкладку і навіть на папір. Він характеризується високою стабільністю при експлуатації і не схильний до впливу навколишнього середовища. Його можна поєднувати з іншими органічними матеріалами для створення друкованих КМОП-мікросхем.
Рис.7. Розподіл світових компаній, що працюють в області застосування вуглецевих трубок і графена в друкованій електроніці
Рис.8. Процес виготовлення друкованої напівпровідникової схеми