Органическая и печатная электроника — новая ветвь развития

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).

Рис. 1. К определению органической и печатной электроники

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.

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

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».

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

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

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

Рис. 7. Сумка с гибкой органической солнечной батареей

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.

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.

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.

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.

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

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

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.

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.

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).

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.

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

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).

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.

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.