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Electrónica impresa

La electrónica impresa es un conjunto de métodos de impresión utilizados para crear dispositivos eléctricos en varios sustratos. La impresión utiliza típicamente un equipo de impresión común adecuado para definir patrones en el material, tales como serigrafía , flexografía , huecograbado , litografía offset y chorro de tinta . Por los estándares de la industria electrónica, estos son procesos de bajo costo. Se depositan sobre el sustrato tintas electrónicas u ópticas electrónicamente funcionales, creando dispositivos activos o pasivos, tales como transistores de película delgada ; Condensadores; Bobinas; Resistencias Se espera que la electrónica impresa facilite electrónica extendida, de muy bajo costo y de bajo rendimiento para aplicaciones tales como pantallas flexibles, etiquetas inteligentes, carteles decorativos y animados y prendas activas que no requieren alto rendimiento. [1]

El término electrónica impresa se relaciona a menudo con la electrónica orgánica o electrónica de plástico , en la que una o más tintas están compuestas de compuestos a base de carbono. Estos otros términos se refieren al material de tinta, que puede depositarse mediante procesos basados en soluciones, en vacío o en otros procesos. La electrónica impresa, por el contrario, especifica el proceso y, sujeto a los requisitos específicos del proceso de impresión seleccionado, puede utilizar cualquier material a base de solución. Esto incluye semiconductores orgánicos , inorgánicos   Semiconductores , conductores metálicos, nanopartículas , nanotubos , etc.

Para la preparación de la electrónica impresa se emplean casi todos los métodos de impresión industrial. De forma similar a la impresión convencional, la electrónica impresa aplica capas de tinta una encima de otra. [2] Por lo tanto, el desarrollo coherente de los métodos de impresión y los materiales de tinta son tareas esenciales del campo.

El beneficio más importante de la impresión es la fabricación de volúmenes de bajo costo. El menor costo permite su uso en más aplicaciones. [3] Un ejemplo son los sistemas RFID , que permiten la identificación sin contacto en el comercio y el transporte. En algunos dominios, como la impresión de diodos emisores de luz , no afecta el rendimiento. [2] La impresión sobre sustratos flexibles permite que la electrónica se coloque sobre superficies curvas, por ejemplo, colocando células solares en los tejados de los vehículos. Más típicamente, los semiconductores convencionales justifican sus costes mucho más altos proporcionando un rendimiento mucho más alto.

Resolución, registro, grosor, agujeros, materiales [ editar ]

La resolución máxima requerida de las estructuras en la impresión convencional es determinada por el ojo humano. Los tamaños de las características más pequeños que aproximadamente 20 μm no pueden ser distinguidos por el ojo humano y por consiguiente exceden las capacidades de los procesos de impresión convencionales. [4] Por el contrario, una mayor resolución y estructuras más pequeñas son necesarias en la impresión de muchos electrónicos, ya que afectan directamente a la densidad del circuito y la funcionalidad (especialmente los transistores). Un requisito similar se aplica a la precisión con la que las capas se imprimen una encima de otra (registro de capa a capa).

El control del espesor, los agujeros y la compatibilidad del material (humectación, adhesión, solvatación) son esenciales, pero la materia en la impresión convencional sólo si el ojo puede detectarlos. Por el contrario, la impresión visual es irrelevante para la electrónica impresa. [5]

Tecnologías de impresión [ editar ]

La atracción de la tecnología de impresión para la fabricación de la electrónica resulta principalmente de la posibilidad de preparar pilas de capas microestructuradas (y por lo tanto dispositivos de película delgada) de una manera mucho más simple y rentable en comparación con la electrónica convencional. [6] Además, la capacidad de implementar funcionalidades nuevas o mejoradas (por ejemplo, flexibilidad mecánica) juega un papel. La selección del método de impresión utilizado está determinada por los requisitos relativos a las capas impresas, por las propiedades de los materiales impresos, así como por las consideraciones económicas y técnicas de los productos finales impresos.

Las tecnologías de impresión dividen entre enfoques basados en hojas y rollo a rollo . Las impresoras de inyección de tinta y de serigrafía basadas en hojas son las mejores para trabajos de bajo volumen y alta precisión. La impresión en hilatura , offset y flexográfica es más común en la producción de grandes volúmenes, como las células solares, que alcanzan los 10.000 metros cuadrados por hora (m² / h). Mientras que la impresión offset y flexográfica se usan principalmente para conductores inorgánicos [7] [8] y orgánicos [9] [10] (estos últimos también para dieléctricos), [11] la impresión por huecograbado es especialmente adecuada para la calidad- Como semiconductores orgánicos y semiconductores / dieléctrico-interfaces en los transistores, debido a la alta calidad de la capa. [11] Si se necesita alta resolución, la huecograbado también es adecuada para conductores inorgánicos [12] y orgánicos [13] . Los transistores orgánicos de efecto de campo y los circuitos integrados se pueden preparar completamente mediante métodos de impresión en masa. [11]

Los inyectores de tinta son flexibles y versátiles, y se pueden configurar con un esfuerzo relativamente bajo. [14] Sin embargo, los inyectores de tinta ofrecen un rendimiento más bajo de alrededor de 100 m 2 / hy menor resolución (aproximadamente 50 μm). [4] Es bien adecuado para materiales de baja viscosidad , solubles como semiconductores orgánicos. Con materiales de alta viscosidad, como dieléctricos orgánicos, y partículas dispersas, como las tintas metálicas inorgánicas, se producen dificultades debido a la obstrucción de la boquilla. Debido a que la tinta se deposita a través de gotitas, se reduce el espesor y la homogeneidad de la dispersión. El uso simultáneo de muchas boquillas y la preestructuración del sustrato permiten mejorar la productividad y la resolución, respectivamente. Sin embargo, en este último caso se deben emplear métodos de no impresión para la etapa real de formación de patrones. [15] La impresión por chorro de tinta es preferible para semiconductores orgánicos en transistores orgánicos de efecto de campo (OFETs) y diodos emisores de luz orgánicos (OLED), pero también se han demostrado OFETs completamente preparados por este método. [16] Los planos frontales [17] y los backplanes [18] de pantallas OLED, circuitos integrados, [19] células fotovoltaicas orgánicas (OPVC) [20] y otros dispositivos se pueden preparar con inyectores de tinta.

La serigrafía es apropiada para la fabricación de elementos eléctricos y electrónicos debido a su capacidad para producir capas gruesas con patrones de materiales similares a pastas. Este método puede producir líneas conductoras a partir de materiales inorgánicos (por ejemplo, para placas de circuitos y antenas), pero también capas aislantes y pasivadoras, por lo que el espesor de la capa es más importante que la alta resolución. Su rendimiento de 50 m² / h y 100 μm de resolución son similares a los inkjets. Este método versátil y comparativamente simple se utiliza principalmente para capas conductoras y dieléctricas [21, 22], pero también se pueden imprimir semiconductores orgánicos, por ejemplo, para OPVCs, [23] e incluso OFETs completos [17] .

La impresión de jet de aerosol (también conocida como Maskless Mesoscale materiales de deposición o M3D) [24] es otra tecnología de deposición de material para la electrónica impresa. El proceso de Aerosol Jet comienza con la atomización de una tinta, que puede calentarse hasta 80 ° C, produciendo gotitas del orden de uno a dos micrómetros de diámetro. Las gotitas atomizadas son arrastradas en una corriente de gas y suministradas al cabezal de impresión. Aquí, se introduce un flujo anular de gas limpio alrededor de la corriente de aerosol para enfocar las gotitas en un haz de material estrechamente colimado. Las corrientes de gas combinadas salen del cabezal de impresión a través de una boquilla convergente que comprime la corriente de aerosol hasta un diámetro tan pequeño como 10 μm. El chorro de gotitas sale del cabezal de impresión a alta velocidad (~ 50 metros / segundo) e impacta sobre el sustrato. Las interconexiones eléctricas, componentes pasivos y activos [25] se forman moviendo el cabezal de impresión, equipado con un obturador mecánico de parada / arranque, con relación al sustrato. Los patrones resultantes pueden tener características que van desde 10 μm de ancho, con espesores de capa de decenas de nanómetros a> 10 μm. [26] Un cabezal de impresión de boquilla ancha permite un patrón eficiente de características electrónicas de tamaño milímetro y aplicaciones de revestimiento de superficie. Toda la impresión se realiza sin el uso de cámaras de vacío o de presión ya temperatura ambiente. La alta velocidad de salida del chorro permite una separación relativamente grande entre el cabezal de impresión y el sustrato, típicamente de 2-5 mm. Las gotitas permanecen fuertemente enfocadas sobre esta distancia, resultando en la capacidad de imprimir patrones conformales sobre sustratos tridimensionales. A pesar de la alta velocidad, el proceso de impresión es suave; El daño del sustrato no se produce y generalmente no hay salpicaduras o exceso de pulverización de las gotitas. [27] Una vez completado el patrón, la tinta impresa requiere típicamente post-tratamiento para alcanzar las propiedades eléctricas y mecánicas finales. El post-tratamiento es impulsado más por la combinación específica de tinta y sustrato que por el proceso de impresión. Se ha depositado con éxito una amplia gama de materiales con el proceso de Aerosol Jet, incluyendo pastas de película gruesa diluida, polímeros termoendurecibles tales como epoxis curables por UV y polímeros basados en disolventes como poliuretano y poliimida y materiales biológicos. [28]

La impresión de evaporación utiliza una combinación de impresión de pantalla de alta precisión con vaporización de material para imprimir características a 5 μm . Este método utiliza técnicas tales como térmica, e-beam, sputter y otras tecnologías de producción tradicionales para depositar materiales a través de una máscara de sombra de alta precisión (o stencil) que se registra en el sustrato a mejor que 1 micrómetro. Mediante la superposición de diferentes diseños de máscara y / o el ajuste de materiales, los circuitos confiables y rentables pueden ser construidos aditivamente, sin el uso de la fotolitografía.

Otros métodos con similitudes con la impresión, entre ellos la impresión por microcontacto y la litografía de nano-impresión son de interés. [29] En este caso, las capas de tamaño μm y nm, respectivamente, se preparan por métodos similares al estampado con formas blandas y duras, respectivamente. A menudo, las estructuras reales se preparan sustractivamente, por ejemplo por deposición de máscaras de grabado o por procesos de despegue. Por ejemplo, se pueden preparar electrodos para OFET. [30] [31] La impresión de cojín esporádica se utiliza de una manera similar. [32] Ocasionalmente, los denominados métodos de transferencia, en los que las capas sólidas se transfieren de un soporte al sustrato, se consideran electrónicos impresos. [33] La electrofotografía no se utiliza actualmente en la electrónica impresa.

Materiales [ editar ]

Tanto materiales orgánicos como inorgánicos se utilizan para la electrónica impresa. Los materiales de tinta deben estar disponibles en forma líquida, para solución, dispersión o suspensión. [34] Deben funcionar como conductores, semiconductores, dieléctricos o aislantes. Los costos de materiales deben ser adecuados para la aplicación.

La funcionalidad electrónica y la imprimibilidad pueden interferir entre sí, imponiendo una cuidadosa optimización. [5] Por ejemplo, un peso molecular más alto en los polímeros aumenta la conductividad, pero disminuye la solubilidad. Para la impresión, la viscosidad, la tensión superficial y el contenido de sólidos deben controlarse estrechamente. Las interacciones entre capas tales como humectación, adherencia y solubilidad, así como procedimientos de secado post-deposición afectan el resultado. Los aditivos que se usan con frecuencia en tintas de impresión convencionales no están disponibles, ya que a menudo destruyen la funcionalidad electrónica.

Las propiedades del material determinan en gran medida las diferencias entre la electrónica impresa y la electrónica convencional. Los materiales imprimibles proporcionan ventajas decisivas además de la capacidad de impresión, como flexibilidad mecánica y ajuste funcional mediante modificación química (por ejemplo, color claro en los OLED). [35]

Los conductores impresos ofrecen menor conductividad y movilidad de los portadores de carga. [36]

Con algunas excepciones, los materiales de tinta inorgánicos son dispersiones de micro y nano partículas nanométricas o semiconductoras. Las nanopartículas semiconductoras utilizadas incluyen semiconductores de silicio [37] y óxidos. [38] El silicio también se imprime como un precursor orgánico [39] que se convierte entonces por pyrolisis y recocido en silicio cristalino.

PMOS pero no CMOS es posible en la electrónica impresa. [40]

Materiales orgánicos [ editar ]

La electrónica impresa orgánica integra el conocimiento y los desarrollos de la impresión, la electrónica, la química y la ciencia de los materiales, especialmente de la química orgánica y del polímero. Los materiales orgánicos en parte se diferencian de la electrónica convencional en términos de estructura, funcionamiento y funcionalidad, [41] que influye en el diseño y la optimización de dispositivos y circuitos, así como en el método de fabricación. [42]

El descubrimiento de polímeros conjugados [36] y su desarrollo en materiales solubles proporcionó los primeros materiales de tinta orgánica. Los materiales de esta clase de polímeros poseen diversas propiedades conductoras , semiconductoras , electroluminiscentes , fotovoltaicas y otras. Otros polímeros se utilizan principalmente como aislantes y dieléctricos .

En la mayoría de los materiales orgánicos, se favorece el transporte de agujeros sobre el transporte de electrones. [43] Estudios recientes indican que esta es una característica específica de semiconductor orgánico / dieléctrico-interfaces, que desempeñan un papel importante en OFETs. [44] Por lo tanto, los dispositivos de tipo p deben dominar los dispositivos de tipo n. La durabilidad (resistencia a la dispersión) y la vida útil son menores que los materiales convencionales. [40]

Los semiconductores orgánicos incluyen los polímeros conductores poli (3,4-etileno dioxitiophene), dopados con poli ( estireno   Sulfonato ), ( PEDOT: PSS ) y poli ( anilina ) (PANI). Ambos polímeros están comercialmente disponibles en diferentes formulaciones y se han impreso usando impresión por chorro de tinta, impresión de pantalla [21] y impresión offset [9] o pantalla, [21] impresión flexográfica [10] y huecograbado [13] , respectivamente.

Los semiconductores poliméricos se procesan mediante impresión por inyección de tinta, tales como poli (tiopeno) s como poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) [46] y poli (9,9-dioctilfluoreno co-bitiofeno) (F8T2). [47] Este último material también se ha grabado en huecograbado. [11] Diferentes polímeros electroluminiscentes se utilizan con la impresión de chorro de tinta, [15] así como los materiales activos para la energía fotovoltaica (por ejemplo, mezclas de P3HT con derivados del fullereno), que en parte también se puede depositar usando serigrafía (por ejemplo, (Fenileno vinileno) con derivados de fulereno). [23]

Existen aislantes orgánicos e inorgánicos imprimibles y dieléctricos, que pueden ser procesados con diferentes métodos de impresión. [49]

Materiales inorgánicos [ editar ]

La electrónica inorgánica proporciona capas altamente ordenadas e interfaces que los materiales orgánicos y poliméricos no pueden proporcionar.

Las nanopartículas de plata se utilizan con flexo, [8] offset [50] y chorro de tinta. [51] Las partículas de oro se utilizan con chorro de tinta. [52]

Las pantallas multicolores electroluminiscentes (EL) de AC pueden cubrir muchas decenas de metros cuadrados, o pueden incorporarse en las caras de los relojes y en las pantallas del instrumento. Se trata de seis a ocho capas inorgánicas impresas, incluyendo un fósforo dopado con cobre, sobre un sustrato de película plástica. [53]

CIGS células se pueden imprimir directamente en molibdeno   saburral   Hojas de vidrio .

Una célula solar impresa de germanio de arseniuro de galio demostró una eficiencia de conversión del 40,7%, ocho veces la de las mejores células orgánicas, acercándose al mejor rendimiento del silicio cristalino. [53]

Substratos [ editar ]

La electrónica impresa permite el uso de sustratos flexibles, lo que reduce los costes de producción y permite la fabricación de circuitos mecánicamente flexibles. Mientras que la impresión por inyección de tinta y por serigrafía típicamente imprime sustratos rígidos como el vidrio y el silicio, los métodos de impresión en masa usan casi exclusivamente hojas flexibles y papel. La poli (tereftalato de etileno) -foil (PET) es una opción común, debido a su bajo costo y moderadamente alta estabilidad a la temperatura. El poli (etileno naftalato) - (PEN) y poli (imida) -foil (PI) son de mayor rendimiento, alternativas de mayor costo. Los bajos costos y las múltiples aplicaciones del papel lo convierten en un sustrato atractivo, sin embargo, su alta rugosidad y gran absorbencia lo hacen problemático para la electrónica. [50]

Otros criterios de sustrato importantes son la baja rugosidad y la humectabilidad adecuada, que puede ajustarse antes del tratamiento mediante el uso de recubrimiento o descarga de Corona . En contraste con la impresión convencional, la alta absorbencia es usualmente desventajosa.

Aplicaciones [ editar ]

La electrónica impresa está en uso o bajo consideración para:

La compañía noruega ThinFilm demostró con éxito la memoria orgánica impresa roll-to-roll en 2009. [54] [55] [56] [57]

Desarrollo de normas y actividades [ editar ]

Esta estrategia de desarrollo de normas refleja el enfoque utilizado por la electrónica basada en silicio durante los últimos 50 años. Las iniciativas incluyen:

Ha publicado tres estándares para la electrónica impresa. Los tres se han publicado en cooperación con la Asociación Japonesa de Embalaje y Circuitos Electrónicos (JPCA):

  • IPC / JPCA-4921, Requisitos para los materiales de base de la electrónica impresa

  • IPC / JPCA-4591, Requisitos para los materiales conductores funcionales de la electrónica impresa

  • IPC / JPCA-2291, Guía de diseño para la electrónica impresa

Estas normas, y otras en desarrollo, son parte de la Iniciativa Electrónica Impresa de IPC.


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