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プリントエレクトロニクス

プリントエレクトロニクスは、 さまざまな基板上に電気デバイスを作成するために使用される 一連の 印刷 方法です。 印刷は、典型的には、 スクリン印刷 フレキソ 印刷 グラビア印刷 オフセット印刷 、および インクジェット などの材料上のパタンを規定するのに適した一般的な印刷装置を使用する 電子業界標準によって、これらは低コストのプロセスです。 電気的に機能する電子的または光学的インクが基板上に堆積され、薄膜トランジスタなどの能動または受動デバイスが 作製される コンデンサ; コイル; 抵抗器 プリントエレクトロニクスは、 フレキシブルディスプレイ スマトラベル 、装飾およびアニメションポスタ、高性能を必要としないアクティブな衣類 などのアプリケションに広く低コストで低性能のエレクトロニクスを容易にすることが期待され ています。 [1]

印刷エレクトロニクスという用語は、 有機エレクトロニクス または プラスチックエレクトロニクスに 関連することが多く 、1つまたは複数のインクが炭素系化合物で構成されています。 これらの他の用語は、溶液ベス、真空ベスまたは他のプロセスによって堆積され得るインク材料を指す。 対照的に、印刷された電子機器はプロセスを特定し、選択された印刷プロセスの特定の要件に従って、あらゆる溶液ベスの材料を利用することができる。 これには、 有機半導体 無機   半導体 、金属導体、 ナノ粒子 ナノチュブ など

印刷された電子機器の製造には、ほとんどすべての工業印刷方法が採用されている。 従来の印刷と同様に、印刷された電子回路はインク層を別の印刷層の上に適用する。 [2]したがって、印刷方法とインク材料の一貫した開発は、フィルドの必須タスクです。

印刷の最も重要な利点は、低コストの量産であることです。 低コストにより、より多くのアプリケションでの使用が可能になります。 [3] 貿易と輸送における非接触識別を可能にする RFIDシステム の例が ある。 発光ダイオドの ようないくつかの領域では、 印刷は性能に影響を与えない。 フレキシブルな基板上に印刷することで、エレクトロニクスを曲面に配置することができます。例えば、太陽電池を車の屋根に置くことができます。 より典型的には、従来の半導体は、はるかに高い性能を提供することにより、はるかに高いコストを正当化する。

解像度、登録、厚み、穴、材料[ 編集 ]

従来の印刷における構造の最大必要解像度は、人間の目によって決定される。 約20μmより小さいフィチャサイズは、人間の目によって区別することができず、その結果、従来の印刷プロセスの能力を超える。 対照的に、回路密度および機能性(特にトランジスタ)に直接影響を及ぼすため、多くのエレクトロニクス印刷では、より高い解像度およびより小さな構造が必要である。 同様の要件が、レイヤが互いに重ねて印刷される精度(レイヤ間の重ね合わせ)にも適用されます。

厚さ、穴、および材料の適合性(湿潤、接着、溶媒和)の制御は必須であるが、目がそれらを検出できる場合にのみ従来の印刷の問題である。 逆に、視覚的印象は印刷されたエレクトロニクスとは無関係です。 [5]

印刷技術[ 編集 ]

エレクトロニクスの製造のための印刷技術の魅力は、従来のエレクトロニクスと比較して、非常に簡単で費用効果の高い方法で、微細構造化された層(したがって、薄膜デバイス)のスタックを調製する可能性が主な原因である。 [6]また、新しい機能や改善された機能(機械的柔軟性など)を実装する機能が重要な役割を果たします。 使用される印刷方法の選択は、印刷された層に関する要件、印刷物の特性、最終印刷物の経済的および技術的な考慮事項によって決定される。

印刷技術は、シトベスと ロルツロル ベスのアプロチに分かれています。 シトベスの インクジェット とスクリン印刷は、少量で高精度の作業に最適です。 グラビア オフセット および フレキソ印刷 は、太陽電池などの大量生産では、1時間あたり10.000平方メトル(m²/ h)に達する場合に一般的です。 オフセット印刷やフレキソ印刷は、主に無機[7] [8]や有機[9] [10]導体(後者は誘電体の場合もある)に使用されている[11]。 グラビア 印刷は、有機半導体のような高感度層と、トランジスタの半導体/誘電体界面との両方を含む。 高解像度が必要な場合、グラビアは無機[12]および有機[13]導体にも適しています。 有機 電界効果トランジスタ および 集積回路 は、大量印刷法によって完全に調製することができる。 [11]

インキジェットは柔軟性があり、汎用性があり、比較的簡単に組み立てることができます。 しかしながら、インクジェットは約100m 2 / hの低スルプットとより低い解像度(約50μm)を提供する。 [4] 有機半導体のような 粘度 で可溶性の材料 に適してい ます。 有機誘電体のような高粘度材料、および無機金属インクのような分散した粒子では、ノズルの目詰まりによる困難が生じる。 インクは液滴を介して堆積されるので、厚さおよび分散均一性が低下する。 多くのノズルを同時に使用し、基板を予め構造化することにより、それぞれ生産性および解像度の向上が可能になる。 しかしながら、後者の場合、実際のパタニング工程のために非印刷法を使用しなければならない。 有機電界効果トランジスタ (OFET)や 有機発光ダイオド (OLED)の 有機半導体にはインクジェット印刷が好ましいが、 この方法で完全に製造されたOFETも実証されている。 [16] OLEDディスプレイ、集積回路、 有機太陽電池(OPVC) [20]および他のデバイスの 前面[17]および 背面 [18] 、インクジェットで調製することができる。

スクリン印刷は、ペスト状材料からパタニングされた厚い層を生成する能力のために、電気および電子機器を製造するのに適している。 この方法は、無機材料(例えば、回路基板及びアンテナ用)から導電線を製造することができるが、絶縁層及び不動態化層もまた、層厚さが高分解能よりも重要である。 50m²/ hのスルプットと100μmの解像度は、インクジェットに似ています。 [4]この汎用性のある比較的簡単な方法は、主に導電性および誘電体層[21] [22]だけでなく、OPVCや[23] 、さらには完全なOFET [17]などの有機半導体にも使用されている。

エアロゾルジェット印刷(Maskless Mesoscale Materials DepositionまたはM3Dとも呼ばれる) [24]は、印刷されたエレクトロニクスのための別の材料堆積技術である。 エアロゾルジェットプロセスは、直径が1〜2マイクロメタ程度の液滴を生成する80℃まで加熱することができるインクの噴霧から始まります。 噴霧された液滴は、ガス流に同伴され、プリントヘッドに供給される。 ここでは、清浄な気体の環状流をエアロゾル流の周りに導入して、液滴をしっかりと平行にされた材料のビムに集束させる。 組み合わされたガス流は、エアロゾル流を10μmのような小さな直径に圧縮する収束ノズルを通してプリントヘッドを出る。 液滴の噴流は、高速(約50メトル/秒)でプリントヘッドを出て、基板に当たる。 電気的相互接続、受動的および能動的構成要素[25]は、機械的停止/開始シャッタを備えたプリントヘッドを基板に対して動かすことによって形成される。 結果として生じるパタンは、10μm幅から10μm超の層厚までの範囲の特徴を有することができる。 ワイドノズルプリントヘッドは、ミリメトルサイズの電子フィチャおよび表面コティング用途の効率的なパタニングを可能にする。 すべての印刷は、真空チャンバまたは圧力チャンバを使用せずに、および室温で行われる。 ジェットの高い出口速度は、プリントヘッドと基板との間の比較的大きな分離を可能にし、典型的には2~5mmである。 液滴はこの距離に亘ってしっかりと集束したままであり、三次元基材上にコンフォマルなパタンを印刷する能力をもたらす。 高速性にもかかわらず、印刷プロセスは穏やかです。 基板の損傷は起こらず、一般に、液滴からの飛散または過剰スプレは存在しない。 パタニングが完了すると、印刷されたインクは、典型的には、最終的な電気的および機械的特性を達成するために後処理を必要とする。 後処理は、印刷プロセスによるよりも、特定のインクおよび基板の組み合わせにより多く駆動される。 希釈厚膜ペスト、UV硬化性エポキシのような熱硬化性ポリマ、およびポリウレタンおよびポリイミドのような溶剤ベスのポリマ、および生物材料を含む、エアロゾルジェットプロセスで広範囲の材料が首尾よく堆積された。 [28]

蒸発印刷では、高精度のスクリン印刷と材料気化を組み合わせて、フィチャを 5μm まで印刷し ます。 この方法は、熱、電子ビム、スパッタおよび他の従来の製造技術などの技術を使用して、基板に1マイクロメタより良好に位置合わせされた高精度シャドウマスク(またはステンシル)を介して材料を堆積させる。 異なるマスク設計を重ね合わせることおよび/または材料を調整することにより、フォトリソグラフィを使用することなく、信頼性の高いコスト効率の高い回路を追加的に構築することができる。

印刷と類似した他の方法、その中でも、 マイクロコンタクトプリンティング および ナノインプリントリソグラフィ が重要である。 ここで、μmおよびnmサイズの層は、それぞれ、柔らかい形態および硬い形態のスタンピングと同様の方法によって調製される。 多くの場合、実際の構造は、例えばエッチングマスクの堆積またはリフトオフプロセスによって減算的に準備される。 例えば、OFETのための電極を準備することができる。 散発的 パッド印刷 も同様に使用される。 固体層が担体から基材に転写される、時にはいわゆる転写方法は、印刷されたエレクトロニクスと考えられる。 電子写真 は現在、印刷された電子機器では使用されていない。

材料[ 編集 ]

有機材料と無機材料の両方が印刷されたエレクトロニクスに使用されています。 インク材料は、溶液、分散液または懸濁液のために、液体の形態で入手可能でなければならない。 [34]導体、半導体、誘電体、または絶縁体として機能しなければならない。 アプリケションには材料費が必要です。

電子機能と印刷可能性が互いに干渉し、慎重な最適化が要求されます。 例えば、ポリマ中の分子量が高いほど、導電性は向上するが、溶解性は低下する。 印刷には、粘度、表面張力および固形分を厳密に制御しなければならない。 濡れ、接着、および溶解性のようなクロスレイヤ相互作用、ならびに堆積後の乾燥手順は、結果に影響を及ぼす。 従来の印刷インキにしばしば使用される添加剤は、しばしば電子機能を無効にするため利用できない。

材料特性は、印刷されたエレクトロニクスと従来のエレクトロニクスとの違いを大きく左右します。 印刷可能な材料は、機械的柔軟性や化学修飾による機能調整(例えば、OLEDの薄い色)などの印刷適性のほかに決定的な利点をもたらす。 [35]

プリントされた導体は、より低い導電率および電荷キャリア移動度を提供する。 また、

若干の例外を除いて、無機インク材料は、金属微粒子または半導体微粒子の分散液である。 使用される半導体ナノ粒子には、シリコン[37]および酸化物半導体が含まれる。 シリコンはまた、有機前駆体として印刷され[39] 、その後、熱分解およびアニリングによって結晶シリコンに変換される。

プリントエレクトロニクス では CMOS ではなく PMOS が可能です。 [40]

有機材料[ 編集 ]

有機印刷エレクトロニクスは、印刷、エレクトロニクス、化学、材料科学、特に有機および高分子化学の知識と開発を統合しています。 有機材料は、デバイス、回路設計、最適化、製造方法に影響を及ぼす構造、操作、機能面で従来の電子機器とは一部異なります。 [42]

共役ポリマ [36]の発見と可溶性材料へのそれらの開発は、第1の有機インク材料を提供した。 このクラスのポリマからの材料は、 導電性 半導体性 エレクトロルミネッセンス性 光電池性 および他の特性を様々に有する。 他のポリマは、主に 絶縁体および誘電 体として使用されている

ほとんどの有機材料において、正孔輸送は電子輸送よりも好ましい。 最近の研究は、これがOFETにおいて主要な役割を果たす有機半導体/誘電体界面の特定の特徴であることを示している。 したがって、p型デバイスはn型デバイスを支配するはずである。 耐久性(耐分散性)および寿命は、従来の材料よりも少ない。 [40]

有機半導体には、 ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)をドプしたポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)   スルホネト )、( PEDOT:PSS )およびポリ( アニリン )(PANI)が挙げられる。 両方のポリマは異なる配合で市販されており、インクジェット[45]スクリン[21]およびオフセット印刷[9]またはスクリン、 [21]フレキソ印刷[10]およびグラビア印刷[13]印刷を用いて印刷されている。

ポリマ半導体は、 ポリ(3-ヘキシルチオフェン)(P3HT) [46]およびポリ(9,9-ジオクチルフルオレンコビチオフェン)(F8T2)の ような ポリ(チオフェン)の ようなインクジェット印刷を用いて処理される 後者の材料はグラビア印刷されている。 [11]様々なエレクトロルミネセンスポリマが、インクジェットプリンティング[15]とともに、光電池用の活性材料 (例えば、P3HTと フラレン 誘導体との ブレンド [48] 、一部はスクリン印刷を用いて堆積することもできる (フェニレンビニレン) とフラレン誘導体との共重合体)。 [23]

印刷可能な有機および無機絶縁体および誘電体が存在し、異なる印刷方法で処理することができる。 [49]

無機物[ 編集 ]

無機エレクトロニクスは、有機およびポリマ材料が提供することができない高度に秩序のある層および界面を提供する。

ナノ粒子はフレキソ、オフセット[50]およびインクジェットで使用されます。 [51] 粒子はインクジェットで使用される。 [52]

AC エレクトロルミネッセンス (EL)マルチカラディスプレイは、数十平方メトルをカバすることができ、時計面および計器ディスプレイに組み込むことができる。 それらは、プラスチックフィルム基材上に銅ドプされた燐光体を含む6から8の印刷無機層を含む。 [53]

CIGS細胞 モリブデン 上に直接印刷することができます   コティングされた   ガラス板

印刷された ガリウム砒素ゲルマニウム太陽電池は、 40.7%の変換効率を示し、最高の有機電池の8倍であり、結晶シリコンの最高性能に近づいています。 [53]

サブストレト[ 編集 ]

印刷されたエレクトロニクスは、フレキシブル基板の使用を可能にし、製造コストを低減し、機械的にフレキシブルな回路の製造を可能にする。 インクジェットとスクリン印刷は、一般に、ガラスやシリコンのような硬い基板をインプリントするが、大量印刷方法は、ほとんどがフレキシブルな箔と紙を使用する。 ポリ(エチレンテレフタレト) - 箔(PET)は、その低コストおよび適度に高い温度安定性のために一般的な選択である。 ポリ(エチレンナフタレト) - (PEN)および ポリ(イミド) - 箔(PI)は、より高性能で高コストの代替品です。 の低コストと多様なアプリケションは、それを魅力的な基板にしますが、その高い粗さと大きな吸収性は電子機器にとって問題になります。 [50]

他の重要な基材の基準は、 コティング または コロナ放電の 使用による前処理を調整することができる、低い粗さおよび適切な濡れ性である 従来の印刷とは対照的に、高い吸収性は通常不利である。

アプリケション[ 編集 ]

印刷された電子機器は、以下の目的で使用中または検討中です。

  • 無線 識別タグ(RFID)

  • モニタリング

  • デタストレジ

  • 表示と視覚効果

  • おもちゃ

ノルウェの ThinFilm は、2009年にロル·ツ·ロル印刷有機メモリを実証しました。 [54] [55] [56] [57]

標準開発と活動[ 編集 ]

技術標準 とロドマップの取り組みは、 バリュチェン 開発(製品仕様、 特性 評価基準の 共有 など) を促進することを目的としてい ます。この標準開発戦略は、過去50年間にシリコンベスの電子機器が使用していたアプロチを反映しています。 イニシアティブには、

プリントエレクトロニクスの3つの規格を発表しています。 これらの3つはすべて、日本電子パッケジングアンドサキット協会(JPCA)と協力して出版されています。

  • IPC / JPCA-4921、印刷された電子ベス材料の要件

  • IPC / JPCA-4591、プリントエレクトロニクス機能性導電材料の要件

  • IPC / JPCA-2291、プリントエレクトロニクス設計ガイドライン

これらの規格、および開発中の他の規格は、IPCのPrinted Electronics Initiativeの一部です。


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