Технологии в электронной промышленности №5'2011

Органическая и печатная электроника — новая ветвь развития

Нисан Антон


В статье показаны основные продуктовые направления развития органической и печатной электроники, приведены примеры прототипов и серийно выпускаемых изделий, дана оценка и прогноз рынка. Рассмотрены преимущества и недостатки технологий печати, а также продемонстрированы примеры материалов, применяемых в качестве оснований, проводников, полупроводников и диэлектриков.

Что такое органическая и печатная электроника?

Прежде всего, название «органическая и печатная электроника» вовсе не означает, что все используемые материалы являются органическими и наносятся они исключительно методами печати. На наш взгляд, достаточно удачны определения органической и печатной электроники, приведенные в Википедии. Согласно им печатная электроника — «совокупность печатных методов, используемых для создания электронных приборов». А органическая, или пластиковая, или полимерная электроника — «направление в электронике, основанное на применении проводящих полимеров, пластиков, органических соединений с низкой молекулярной массой (small molecular)».

Таким образом, слова «органическая» и «печатная» характеризуют одно и то же направление в электронике, но по разным признакам: первое отражает преимущественный состав используемых материалов, а второе — преимущественную технологию нанесения материалов в процессе производства устройств (рис. 1).

К определению органической и печатной электроники

Рис. 1. К определению органической и печатной электроники


Из истории органической электроники:

1950-е гг. — открыты органические полупроводники.

1963 г. — получен полимер со сравнительно высокой проводимостью (1 См/см).

1974 г. — изготовлен первый органический электронный компонент.

2000 г. — присуждена Нобелевская премия за проводящие полимеры.

2004 г. — основана Ассоциация органической электроники.

2005–2006 г. — на рынке появились первые изделия органической и печатной электроники (в том числе билеты).

2011 г. — изготовлен первый в мире органический процессор, состоящий из 4000 органических транзисторов и работающий на частоте 6 Гц.

Основные преимущества органической электроники в сравнении с традиционной заключаются в меньшей стоимости изготовления устройств, их гибкости, применении более простых технологий изготовления, а также возможности изготовления изделий большой площади, что особенно актуально для экранов и систем освещения. Вместе с тем на настоящем этапе развития органической электроники она не лишена ряда недостатков: это низкое разрешение при печати (>5 мкм), низкая степень интеграции и низкая подвижность носителей заряда, ограничивающая диапазон рабочих частот. Так, при подвижности носителя заряда 0,5 см2/(В·с) максимальная рабочая частота составит 100 кГц[1].

Дорожная карта органической и печатной электроники

Первые изделия органической печатной электроники — билеты, идентификационные и игровые карточки (рис. 2) — появились на рынке в 2005–2006 г. Анализ, проведенный Ассоциацией органической электроники (OE-A), позволил выделить девять ключевых продуктовых направлений, по которым затем была подготовлена дорожная карта, представленная на рис. 3. На этом рисунке показано развитие этих направлений в краткосрочной, среднесрочной и долгосрочной перспективе.

Серийно выпускаемые карточки с печатной памятью для интерактивных игр

Рис. 2. Серийно выпускаемые карточки с печатной памятью для интерактивных игр (источник: Menippos)


Дорожная карта органической и печатной электроники

Рис. 3. Дорожная карта органической и печатной электроники (источник: OE-A)

Примеры прототипов и серийно выпускаемых изделий органической и печатной электроники можно видеть на рис. 4–8. На рис. 4 изображен прототип «защиты бренда»: на упаковке с таблетками напечатана RFID-метка, позволяющая при поднесении к сканеру определить подлинность таблеток. На рис. 5 показан прототип гибкого органического экрана производства Plastic Logic. Запуск производства на заводе Plastic Logic в Зеленограде запланирован на 2013–2014 г. Это будет второй завод компании, первый открыт в Дрездене в 2008 г. На рис. 6 — серийно выпускаемые гибкие органические солнечные батареи производства компании Konarka, размещенные на тентах. На рис. 7 — сумка с гибкой органической солнечной батареей, которую можно купить в интернет-магазине amazon.de за 149 евро. В сумку встроен литий-ионный аккумулятор, заряжающийся от солнечной батареи. От этого аккумулятора можно подзарядить мобильный телефон или mp3-плеер. На рис. 8 — прототип «индикатора свежести» продукта: пример «умного объекта».

Упаковка с таблетками с RFID-меткой

Рис. 4. Упаковка с таблетками с RFID-меткой (источник: PolyIC)


Гибкий органический экран производства Plastic Logic

Рис. 5. Гибкий органический экран производства Plastic Logic (источник: Plastic Logic, ОАО «РОСНАНО»)


Гибкие органические солнечные батареи производства компании Konarka)

Рис. 6. Гибкие органические солнечные батареи производства компании Konarka (источник: Konarka)


 Сумка с гибкой органической солнечной батареей

Рис. 7. Сумка с гибкой органической солнечной батареей


Индикатор свежести продукта

Рис. 8. Индикатор свежести продукта (источник: Holst Centre)

Оценка рынка

По данным компании IDTechEx, в 2010 году объем мирового рынка печатной электроники составил $700 млн. Согласно прогнозам этой же компании мировой рынок органической электроники в 2020 году достигнет $55 млрд, причем доля напечатанной электроники оценивается в 71% от этой суммы. Сегментация потенциального мирового рынка органической и печатной электроники в 2027 году показана на рис. 9. Суммарный объем рынка может составить $330 млрд. На диаграмме указаны объемы (в млрд долларов) и доли (в %) основных сегментов рынка.

Потенциальный мировой рынок органической и печатной электроники в 2027 году

Рис. 9. Потенциальный мировой рынок органической и печатной электроники в 2027 году (источник: IDTechEx)

Прогнозируемый объем мирового рынка органической и печатной электроники через полтора десятилетия сопоставим с сегодняшним объемом мирового рынка полупроводников, составившим в 2010 году $298,3 млрд по данным Ассоциации полупроводниковой индустрии.

Материалы органической электроники

Основания

Как правило, в органической электронике используются гибкие полимерные основания. Однако это создает ряд проблем. Гибкие основания обычно не полностью стабильны по размерам, что может существенно сказаться на разрешении и совмещении при печати рисунка. Кроме того, при воздействии высоких температур гибкие основания могут расплавиться, что ограничивает технологические возможности при производстве изделий органической электроники.

В качестве гибких оснований в органической электронике наиболее широко применяются такие полиэфиры, как полиэтилентерефталат (PET) и полиэтиленнафталат (PEN); также могут использоваться полиимид (PI), полипропилен (PP), полилактид (PLA), циклоолефиновый сополимер (COC), бумага и другие материалы.

Проводники

Проводники необходимы практически во всех изделиях органической электроники. К проводникам предъявляется ряд требований, включающих низкое сопротивление, гладкость поверхности, химическую стойкость. Выделяют три группы материалов, используемых в органической электронике в качестве проводников:

  • материалы на основе металлов;
  • органические соединения;
  • оксиды металлов.

Материалы на основе металлов, например серебра, наиболее часто наносятся в виде паст, содержащих металлические частицы. Могут использоваться пасты, содержащие наночастицы, которые после нанесения спекаются при температурах, выдерживаемых используемыми пластиками (<150 °C), для образования электрически непрерывных структур. Другой подход формирования проводников на основе металлов заключается в печати тонкого «зародышевого» слоя металла, поверх которого затем осаждаются слои металла большей толщины.

Хотя некоторые полимеры могут проводить электричество, их электропроводность более чем в тысячу раз хуже, чем у металлов. В качестве полимерных проводников, наносимых методами печати, в органической электронике используются гетероароматические полимеры на основе анилина, тиофена, пиррола и их производных. Чаще всего в качестве проводящего полимера используется PEDOT: PSS (рис. 10), обладающий высокой проводимостью и высокой прозрачностью для видимого света. Пленки PEDOT: PSS устойчивы к повышенным температурам: после пребывания на воздухе при температуре свыше +100 °C в течение более 1000 часов их проводимость изменяется незначительно.

Структурные формулы распространенных материалов органической электроники

Рис. 10. Структурные формулы распространенных материалов органической электроники: а) проводник PEDOT: PSS; б) полупроводник политиофен (P3HT); в) полупроводник пентацен

Преимущество проводников из оксидов индия и олова (ITO) состоит в их высокой прозрачности, поэтому они используются в дисплеях, в том числе в сенсорных и солнечных элементах.

Полупроводники

Органические полупроводники используются в различных активных устройствах, причем многие из них могут быть нанесены из раствора, в том числе методами печати. В органической электронике в качестве полупроводников могут применяться следующие группы материалов:

  • полимеры, например политиофен;
  • олигомеры, например олиготиофены;
  • органические соединения с низкой молекулярной массой, например пентацен и его производные;
  • углеродные нанотрубки;
  • «гибридные» (органо-неорганические) материалы.

Мобильность носителей заряда в органических полупроводниках сравнима с аморфным кремнием, но пока значительно ниже, чем в поликристаллическом кремнии (рис. 11). Ожидается, что в ближайшие несколько лет мобильность носителей заряда достигнет уровня поликристаллического кремния: сначала в лабораторных условиях, а потом и в серийно выпускаемых устройствах. Это станет возможным благодаря оптимизации органических соединений с низкой молекулярной массой и полимеров или использованию новых материалов, таких как углеродные нанотрубки или гибридные материалы.

Подвижность носителей заряда в доступных на рынке материалах

Рис. 11. Подвижность носителей заряда в доступных на рынке материалах, применяемых в органической электронике в качестве полупроводников (источник: OE-A)

Большинство используемых сейчас органических полупроводников, в частности пентацен и политиофен, относятся к полупроводникам p-типа, но полупроводники n-типа становятся более распространенными. Наличие полупроводников p- и n-типа позволяет создавать структуры типа КМОП, обладающие существенными преимуществами, в том числе меньшим энергопотреблением.

Диэлектрики

В качестве диэлектриков может использоваться широкий спектр материалов, как органических, так и неорганических. Примером неорганических диэлектриков могут служить оксиды кремния или алюминия, но, как правило, их невозможно нанести методами печати. Органические материалы, применяемые в качестве диэлектриков, включают в себя полипропилен, поливиниловый спирт, поливинилфенол, полиметилметакрилат, полиэтилентерефталат.

Технологии печати

Для производства изделий органической электроники может быть использована глубокая, флексографская, офсетная, трафаретная и струйная технологии печати, а также лазерная абляция. Возможная классификация этих технологий представлена на рис. 12, а сравнение показателей приведено на рис. 13 и в таблице.

Классификация основных технологий печати

Рис. 12. Классификация основных технологий печати, которые могут быть использованы для производства электроники


Производительность и минимальная ширина линии основных технологий печати

Рис. 13. Производительность и минимальная ширина линии основных технологий печати (источник: OE-A)


Таблица. Сравнение технологий печати (источник: Final vision document in roll-to-roll printed electronics manufacturing equipment, production lines and systems. Deliverable report on EU Seventh Framework Programme project)

Технология печати Минимальная ширина линии, мкм Вязкость наносимого материала, Па·с Толщина слоя наносимого материала, мкм Скорость печати*, м/с Стоимость запуска в производство нового изделия
Флексографская 30–80 0,01–0,5 0,04–8 3–10 Низкая
Глубокая 10–50 0,01–-0,2 0,02–12 10–16 Высокая
Ротационная трафаретная 50–100 1–700 1–100 2 Высокая (трафарет дешевле, чем формный цилиндр для глубокой печати)
Струйная 10–50 0,001–0,03 0,01–0,5 1–5 Низкая (но высокая стоимость картриджа и печатающих головок)
Офсетная 10–50 1–100 0,5–3 8–15 Низкая

Примечание. * Указана скорость для печатных изданий. В печатной электронике скорости пока существенно ниже.

Глубокая печать

Принцип глубокой печати представлен на рис. 14. В формном цилиндре имеются соответствующие элементам рисунка углубления, определяющие объем, форму и местоположение отпечатков наносимого материала. При вращении формного цилиндра эти углубления заполняются наносимым материалом, излишки которого удаляются ракелем так, чтобы наносимый материал оставался только в углублениях цилиндра. После этого материал переносится из углублений цилиндра на гибкое основание.

Глубокая печать

Рис. 14. Глубокая печать (источник: OE-A)

К преимуществам данной технологии относят высокую производительность и возможность нанесения отпечатков различной толщины на одно основание. Основной недостаток — риск образования неровных краев отпечатков.

Флексографская печать

Схематическое изображение процесса флексографской печати приведено на рис. 15. В этой технологии анилоксовый (растровый) вал, представляющий собой цилиндр с углублениями, забирает наносимый материал из резервуара и переносит его на печатающие элементы печатной формы. Затем наносимый материал переносится на гибкое основание, прокатываемое между упругой печатной формой и жестким печатным цилиндром.

Схематическое изображение процесса флексографской печати

Рис. 15. Схематическое изображение процесса флексографской печати (источник: OE-A)

Среди преимуществ данной технологии: высокая производительность нанесения, простота и сравнительно низкая стоимость изготовления печатных форм. Недостатки флексографской печати заключаются в склонности к образованию ореолов вокруг элементов рисунка и ограниченном разрешении.

Офсетная печать

В технологии офсетной печати перенос наносимого материала с печатной формы на основание производится не напрямую, а с использованием промежуточного, так называемого «офсетного», цилиндра (рис. 16).

Офсетная печатьая печать (источник: OE-A)

Рис. 16. Офсетная печать (источник: OE-A)

На печатной форме на формном цилиндре имеются два типа участков: одни притягивают краску, но отталкивают воду (гидрофобные), другие наоборот — отталкивают краску, но притягивают воду (гидрофильные). В традиционной технологии офсетной печати для создания этих участков на форму, представляющую собой металлическую пластину, покрытую светочувствительным слоем, наносят изображение, затем экспонируют и проявляют. После этого засвеченные участки формы начинают притягивать воду, но отталкивать маслянистый материал, в частности краску, незасвеченные — наоборот. В цифровых офсетных машинах очищенный формный цилиндр заряжается до определенного потенциала, например до –800 В. После этого участки формного цилиндра, образующие изображение, засвечиваются лазером и разряжаются, например до потенциала –100 В.

В процессе печати на вращающийся формный цилиндр из увлажняющего аппарата наносится тонкий слой водного раствора, смачивающего гидрофильные участки, из красящего аппарата — слой краски, смачивающей гидрофобные участки. После этого слой краски переносится на офсетный цилиндр, а затем на гибкое основание.

Основные преимущества офсетной печати включают в себя очень широкую распространенность, высокое разрешение, четкие края и высокую производительность. В то же время недостатком этой технологии является необходимость обеспечения соответствующих реологических свойств наносимых материалов.

Трафаретная печать

В плоскопечатных установках трафаретной печати наносимый материал продавливается ракелем через сетчатый трафарет на основание (рис. 17). Однако производительность такого процесса сравнительно невелика. Установки ротационной трафаретной печати, в которых трафарет расположен на печатном цилиндре, а наносимый материал — внутри печатного цилиндра (рис. 18), лишены этого недостатка.

Плоскопечатная трафаретная печать

Рис. 17. Плоскопечатная трафаретная печать (источник: OE-A)


Ротационная трафаретная печать

Рис. 18. Ротационная трафаретная печать (источник: OE-A)

Преимуществом трафаретной печати является широкий диапазон толщины отпечатков, а недостаток заключается в достаточно низком разрешении.

Струйная печать

Струйная печать — цифровая технология, в которой капли малого объема материала наносятся непосредственно из сопел печатающей головки на основание (рис. 19).

Струйная печать

Рис. 19. Струйная печать (источник: OE-A)

Среди преимуществ струйной печати выделяют отсутствие печатных форм и отсутствие контакта с основанием при нанесении. Недостатки этой технологии заключаются в низкой производительности, риске засорения сопел, растекании нанесенной капли материала, что приводит к снижению разрешения печати.

Лазерная абляция

В данной технологии нанесения материала лазерный луч фокусируется на тонком слое светочувствительного материала в местах, в которых требуется перенести материал с «донорской» пленки на основание (рис. 20). Под действием нагрева светочувствительный материал переходит в газообразное состояние и выдавливает наносимый материал на основание.

Лазерная абляция

Рис. 20. Лазерная абляция (источник: OE-A)

К преимуществам лазерной абляции следует отнести самое высокое разрешение среди всех перечисленных технологий печати и отсутствие печатных форм. Кроме того, лазерная абляция относится к «сухим» методам. Но есть и недостатки: самая низкая производительность и риск деструкции полимеров при нагреве.

Элементная база органической электроники

Заключение

Сегодня серийно выпускаются билеты, идентификационные карточки, солнечные батареи и другие изделия органической и печатной электроники. Конечно, по многим техническим характеристикам эти изделия уступают кремниевым аналогам: КПД солнечных батарей ниже, а объемы органической памяти и частота органического процессора несоизмеримо меньше. Тем не менее уникальные преимущества органической и печатной электроники, заключающиеся в низкой стоимости массового производства, гибкости и возможности изготовления изделий большой площади, а также высокие темпы совершенствования изделий открывают перед ней широкую область применения. Ведь далеко не во всех устройствах нужны гигабайты памяти и гигагерцы частот.

1 По данным Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Такелажник
Профессиональное обучение по профессии такелажник. Удостоверение
takelagniki.pro
Шугаринг бикини
Сахарная эпиляция шугаринг в салонах красоты Naturel Studio
sladkogladko.ru