인쇄 전자 제품

- Mar 23, 2017-

인쇄 전자 제품 다양한 인쇄물에 전기 장치를 만드는 인쇄 방법입니다. 인쇄는 전형적으로 스크린 인쇄 , 플 렉소 그래피 , 그라비어 , 오프셋 리소그래피 잉크젯 과 같은 재료의 패턴을 정의하는 데 적합한 일반적인 인쇄 장비를 사용 합니다. 전자 산업 표준에 따르면, 이는 저비용 공정입니다. 전자 기능성 전자 또는 광학 잉크가 기판 상에 증착되어, 박막 트랜지스터 와 같은 능동적 또는 수동적 장치를 생성 한다. 커패시터; 코일; 저항기 . 인쇄 전자 제품은 플렉서블 디스플레이 , 스마트 라벨 , 장식 및 애니메이션 포스터 및 고성능을 필요로하지 않는 능동적 인 의류 와 같은 애플리케이션을 위해 광범위하고 저렴한 비용의 저 성능 전자 제품을 촉진 할 것으로 기대됩니다. [1]

인쇄 된 전자라는 용어는 종종 하나 이상의 잉크가 탄소 계 화합물로 구성된 유기 전자 제품 또는 플라스틱 전자 제품 과 관련이 있습니다. 이러한 다른 용어는 용액 기반, 진공 기반 또는 다른 프로세스에 의해 증착 될 수있는 잉크 재료를 의미합니다. 대조적으로, 인쇄 된 전자 제품은 프로세스를 지정하며, 선택한 인쇄 프로세스의 특정 요구 사항에 따라 솔루션 기반 자재를 활용할 수 있습니다. 여기에는 유기 반도체 , 무기   반도체 , 금속 전도체, 나노 입자 , 나노 튜브

인쇄 된 전자 제품의 제조에는 거의 모든 산업 인쇄 방법이 사용됩니다. 기존의 인쇄와 마찬가지로 인쇄 된 전자 장치는 잉크 레이어를 다른 레이어 위에 적용합니다. [2] 따라서 인쇄 방법과 잉크 재료의 일관된 개발이 현장의 필수 과제입니다.

인쇄의 가장 중요한 이점은 저비용 대량 생산입니다. 낮은 비용으로 더 많은 응용 프로그램에서 사용할 수 있습니다. [3] 무역과 운송에서 비접촉 식별을 가능하게하는 RFID 시스템 이 그 예입니다 . 발광 다이오드 와 같은 일부 영역에서는 인쇄 성능이 성능에 영향을 미치지 않습니다. [2] 플렉시블 기판에 인쇄하면 전자 회로를 곡면에 배치 할 수 있습니다. 예를 들어 태양 전지를 차량 지붕에 놓을 수 있습니다. 보다 통상적으로, 종래의 반도체는 훨씬 더 높은 성능을 제공함으로써 훨씬 더 높은 비용을 정당화한다.

해상도, 등록, 두께, 구멍, 재료 [ 편집 ]

전통적인 인쇄에서 구조물의 최대 요구 해상도는 사람의 눈으로 결정됩니다. 약 20 μm보다 작은 피처 크기는 사람의 눈으로 구분할 수 없으므로 결과적으로 기존 인쇄 프로세스의 기능을 능가합니다. 반대로, 회로 밀도와 기능 (특히 트랜지스터)에 직접적인 영향을주기 때문에 많은 전자 인쇄에서는 고해상도와 작은 구조가 필요합니다. 레이어가 서로 위에 인쇄되는 정밀도 (레이어 대 레이어 등록)에도 비슷한 요구 사항이 적용됩니다.

두께, 구멍 및 재료의 적합성 (젖음, 접착력, 용제)의 조절은 필수적이지만 눈이 그들을 감지 할 수있는 경우에만 기존 인쇄에서 중요합니다. 반대로 시각적 인 인상은 인쇄 된 전자 제품과는 관련이 없습니다. [5]

인쇄 기술 [ 편집 ]

전자 기술의 제조를위한 프린팅 기술의 매력은 주로 기존의 전자 제품에 비해 훨씬 간단하고 비용 효율적인 방식으로 마이크로 구조화 된 스택 (및 이에 따른 박막 디바이스) 스택을 준비 할 수 있다는 점에서 기인합니다. 또한, 새롭고 향상된 기능성 (예 : 기계적 유연성)을 구현하는 기능이 중요한 역할을합니다. 사용되는 인쇄 방법의 선택은 인쇄물에 관한 요구 사항, 인쇄물의 특성 및 최종 인쇄물의 경제적 및 기술적 고려 사항에 따라 결정됩니다.

인쇄 기술은 시트 기반과 롤 투 롤 (roll-to-roll) 기반 접근 방식으로 나뉩니다. 시트 기반 잉크젯 및 스크린 인쇄는 소용량, 고정밀 작업에 가장 적합합니다. 그라비어 , 옵셋 플 렉소 그래픽 인쇄 는 시간당 10.000 평방 미터 (m² / h)에 달하는 태양 전지와 같은 대량 생산에 더 일반적입니다. 오프셋 및 플 렉소 그래픽 프린팅은 주로 무기 [7] [8] 및 유기 [9] [10] 컨덕터 (후자는 유전체에도 사용됨) [11] 그라비어 프린팅은 특히 고품질의 인쇄, 높은 층 품질로 인해 트랜지스터의 유기 반도체 및 반도체 / 유전체 인터페이스와 같은 민감한 층이 필요합니다. [11] 고해상도가 필요한 경우 그라비어는 무기 [12] 및 유기 [13] 도체에도 적합합니다. 유기 전계 효과 트랜지스터 집적 회로 는 대량 인쇄 방법으로 완전히 준비 할 수 있습니다. [11]

잉크젯은 융통성 있고 다기능이며 상대적으로 적은 노력으로 설정할 수 있습니다. [14] 그러나 잉크젯은 약 100 m 2 / h의 낮은 처리량과 낮은 해상도 (약 50 μm)를 제공합니다. [4] 유기 반도체와 같은 저점도의 가용성 물질 에 매우 적합 합니다. 유기계 유전체와 같은 고점도 재료 및 무기 금속 잉크와 같은 분산 입자의 경우 노즐 막힘으로 인한 어려움이 발생합니다. 잉크가 물방울을 통해 침착되기 때문에 두께와 분산의 균질성이 감소합니다. 많은 노즐을 동시에 사용하고 기판을 미리 구조화함으로써 생산성 및 해상도를 각각 향상시킬 수 있습니다. 그러나, 후자의 경우, 실제 패터닝 단계를 위해 비 인쇄 방법이 이용되어야한다. 잉크젯 프린팅은 유기 전계 효과 트랜지스터 ( organic field-effect transistor , OFET) 및 유기 발광 다이오드 ( organic light-emitting diode , OLED)의 유기 반도체에 바람직하지만,이 방법으로 완전히 제조 된 OFET도 입증되었다. [16] OLED 디스플레이, 집적 회로, 유기 광전지 (OPVC) [20] 및 기타 장치의 Frontplane [17] Backplanes [18] 잉크젯으로 준비 할 수 있습니다.

스크린 인쇄는 페이스트 상 물질로부터 패턴 화 된 두꺼운 층을 생산할 수 있기 때문에 전기 및 전자 제품을 제조하는 데 적합합니다. 이 방법은 무기 물질 (예 : 회로 기판 및 안테나)에서 전도성 선을 생성 할 수 있지만 절연 및 패시 베이 팅 (passivating) 층도 가능하므로 층 두께가 고해상도보다 중요합니다. 50m² / h 처리량과 100um 해상도는 잉크젯과 유사합니다. 이 다재 다능하고 비교적 간단한 방법은 주로 전도성 및 유전체 층에 사용되지만, OPVC, 23 및 심지어 완전한 OFET의 경우에도 유기 반도체가 인쇄 될 수있다 [17] .

에어로졸 제트 인쇄 (Maskless Mesoscale Materials Deposition 또는 M3D라고도 함) [24] 는 인쇄 된 전자 장치의 또 다른 재료 증착 기술입니다. 에어로졸 제트 공정은 최대 80 ° C까지 가열 될 수있는 잉크의 원자화로 시작하여 직경이 1 ~ 2 마이크로 미터 정도되는 물방울을 생성합니다. 분무 된 액적들은 가스 스트림에 비말 동반되어 프린트 헤드로 전달된다. 여기에서 에어로졸 스트림 주위에 깨끗한 가스의 환형 흐름이 도입되어 물방울을 밀착 된 평행 빔으로 집중시킨다. 결합 된 가스 스트림은 에어로졸 스트림을 10 ㎛ 직경으로 압축하는 수렴 노즐을 통해 프린트 헤드를 빠져 나갑니다. 방울의 분사는 인쇄 헤드를 고속 (~ 50m / 초)으로 빠져 나가 기판에 충돌합니다. 전기 인터커넥트, 수동 및 능동 구성 요소 [25] 는 기계식 정지 / 시작 셔터가 장착 된 프린트 헤드를 기판에 대해 상대적으로 움직여 형성됩니다. 결과 패턴은 폭 10μm에서 수십 나노 미터에서 10μm 이상까지의 두께를 갖는 특징을 가질 수 있습니다. 넓은 노즐 프린트 헤드는 밀리미터 크기의 전자 형상 및 표면 코팅 적용의 효율적인 패터닝을 가능하게합니다. 모든 인쇄는 진공 또는 압력 챔버를 사용하지 않고 상온에서 이루어집니다. 제트의 높은 출구 속도는 프린트 헤드와 기판 사이의 비교적 큰 분리를 가능하게하는데, 전형적으로 2-5mm이다. 물방울은이 거리에 대해 단단히 초점을 유지하므로 3 차원 기판 위에 등각 패턴을 인쇄 할 수 있습니다. 속도가 빠르지 만 인쇄 과정은 부드럽습니다. 기판 손상은 발생하지 않으며 일반적으로 물방울로부터 튀거나 산포가 없습니다. 패터닝이 완료되면 인쇄 된 잉크는 일반적으로 최종 전기적 및 기계적 특성을 얻기 위해 후 처리가 필요합니다. 후 처리는 인쇄 프로세스보다 특정 잉크 및 인쇄물 조합에 의해 더 많이 이루어집니다. 희석 된 후막 페이스트, UV 경화성 에폭시와 같은 열경화성 폴리머 및 폴리 우레탄 및 폴리이 미드와 같은 용매 기반 폴리머 및 생물학적 물질을 포함하여 에어로졸 제트 공정으로 광범위한 재료가 성공적으로 증착되었습니다. [28]

증발 인쇄는 재료 증발과 함께 고정밀 스크린 인쇄와 함께 5μm까지 인쇄 할 수 있습니다 . 이 방법은 열, 전자빔, 스퍼터 및 기타 기존 생산 기술과 같은 기술을 사용하여 기판에 1 마이크로 미터 이상으로 고정 된 고정밀 섀도우 마스크 (또는 스텐실)를 통해 재료를 증착합니다. 서로 다른 마스크 설계 및 / 또는 재료 조정을 레이어함으로써 포토 리소그래피를 사용하지 않고도 신뢰성 있고 비용 효율적인 회로를 추가로 만들 수 있습니다.

인쇄와 유사하거나 마이크로 콘택트 인쇄 나노 임프린트 리소그래피 와 같은 다른 방법 이 중요합니다. 여기서, μm 및 nm 크기의 층은 각각 연질 및 경질 형태의 스탬핑과 유사한 방법으로 제조된다. 종종 실제 구조물은 에칭 마스크 증착이나 리프트 오프 (lift-off) 공정과 같이 감산 적으로 준비됩니다. 예를 들어, OFET 용 전극을 준비 할 수 있습니다. Sporadically pad printing 은 비슷한 방식으로 사용됩니다. 솔리드 레이어가 캐리어에서 기판으로 전달되는 이른바 전송 방법은 인쇄 된 전자 제품으로 간주됩니다. 전자 사진 은 현재 인쇄 전자 기기에 사용되지 않습니다.

재료 [ 편집 ]

유기 및 무기 재료는 모두 인쇄 전자 제품에 사용됩니다. 잉크 재료는 용액, 분산 또는 현탁액을 위해 액체 형태로 제공되어야합니다. 그들은 도체, 반도체, 유전체 또는 절연체로서 기능해야한다. 재료비는 신청서에 적합해야합니다.

전자 기능과 인쇄 가능성은 서로 간섭하여주의 깊은 최적화를 요구할 수 있습니다. 예를 들어, 고분자의 분자량이 높을수록 전도성은 향상되지만 용해도는 감소합니다. 인쇄의 경우 점도, 표면 장력 및 고형분을 엄격히 제어해야합니다. 습윤, 접착 및 용해도 및 증착 후 건조 절차와 같은 교차 층 상호 작용은 결과에 영향을 미칩니다. 기존의 인쇄 잉크에 종종 사용되는 첨가제는 전자 기능을 종종 상실하기 때문에 사용할 수 없습니다.

재료 특성은 주로 인쇄 전자 제품과 일반 전자 제품 간의 차이점을 결정합니다. 인쇄용 재료는 화학적 변형 (예 : OLED의 밝은 색상)에 의한 기계적 유연성 및 기능 조정과 같은 인쇄 용이성과 더불어 결정적인 장점을 제공합니다. [35]

인쇄 된 도체는 낮은 전도도 및 전하 캐리어 이동성을 제공합니다. 또한,

몇 가지 예외를 제외하고, 무기 잉크 재료는 금속성 또는 반도체 성 마이크로 및 나노 입자의 분산입니다. 사용되는 반도체 성 나노 입자는 실리콘 [37] 과 산화물 반도체를 포함한다. [38] 또한 실리콘은 유기 전구체로 인쇄되고 [39] , 화염증과 어닐링에 의해 결정질 실리콘으로 변환된다.

CMOS 아니지만 PMOS 는 인쇄 된 전자 제품에서 가능합니다. [40]

유기 재료 [ 편집 ]

유기 인쇄 전자는 인쇄, 전자, 화학 및 재료 과학, 특히 유기 및 고분자 화학의 지식과 개발을 통합합니다. 유기 재료는 구조, 작동 및 기능 측면에서 기존 전자 제품과 부분적으로 다르지만 [41] 장치 및 회로 설계 및 최적화뿐만 아니라 제조 방법에 영향을 미칩니다. [42]

공액 고분자 [36]의 발견 과 가용성 물질로의 개발은 첫 번째 유기 잉크 재료를 제공했습니다. 이 종류의 폴리머의 재료는 전도성 , 반도체 성 , 전 계발 광성 , 광전지 및 기타 특성을 다양하게 보유합니다. 다른 폴리머는 주로 절연체 및 유전체로 사용 됩니다.

대부분의 유기 물질에서 정공 수송은 전자 전달보다 선호됩니다. [43] 최근의 연구에 따르면 이것이 OFET에서 중요한 역할을하는 유기 반도체 / 유전체 - 인터페이스의 특정 특징이다. 따라서 , p 형 소자가 n 형 소자보다 우세해야한다. 내구성 (분산에 대한 내성)과 수명은 기존 재료보다 적습니다. [40]

유기 반도체는 폴리 ( 스티렌 )으로 도핑 된 전도성 중합체 인 폴리 (3,4- 에틸렌 디옥 시토펜)   ( PEDOT : PSS ) 및 폴리 ( 아닐린 ) (PANI)을 포함한다. 두 중합체는 서로 다른 제제로 시판 중이며 잉크젯, 스크린 [21] 및 오프셋 인쇄 [9] 또는 스크린, [21] 플 렉소 [10] 및 그라비어 [13] 인쇄로 각각 인쇄되었습니다.

폴리머 반도체는 폴리 (3- 헥 실티 오펜) (P3HT) [46] 과 폴리 (9,9- 디 옥틸 플루 오렌 코 비티 오펜) (F8T2) 와 같은 폴리 (티 오펜) 과 같은 잉크젯 프린팅을 사용하여 가공됩니다. [47] 후자 물자는 또한 그라비어 인쇄되었다. [11] 광전지 용 활물질 (예 : P3HT와 Fullerene 유도체의 혼합물)뿐만 아니라 스크린 인쇄를 사용하여 증착 할 수있는 잉크젯 인쇄 [15] 와 다른 전자 발광 중합체가 사용됩니다 (예 : 폴리 (페닐 렌 비닐 렌) 과 풀러렌 유도체). [23]

인쇄 가능한 유기 및 무기 절연체 및 유전체가 존재하며, 다른 인쇄 방법으로 처리 할 수 있습니다. [49]

무기 재료 [ 편집 ]

무기 전자 제품은 유기물 및 고분자 재료가 제공 할 수없는 고도로 정돈 된 층 및 계면을 제공합니다.

나노 입자는 flexo, offset [50] 및 inkjet과 함께 사용됩니다. [51] 입자는 잉크젯과 함께 사용됩니다. [52]

AC 일렉트로 루미 네 센스 (EL) 멀티 컬러 디스플레이는 수십 평방 미터를 커버하거나 시계면 및 계측기 디스플레이에 통합 될 수 있습니다. 그들은 플라스틱 필름 기판 위에 구리로 도핑 된 인광체를 포함하여 6 ~ 8 개의 인쇄 된 무기 층을 포함합니다. [53]

CIGS 세포 몰리브덴에 직접 인쇄 할 수 있습니다.   코팅 된   유리 시트 .

인쇄 된 갈륨 비소 게르마늄 태양 전지 는 40.7 %의 변환 효율을 보여 주었으며 이는 최고의 유기 전지보다 8 배나 높았으며 결정질 실리콘의 성능이 가장 우수했습니다. [53]

기판 [ 편집 ]

인쇄 전자 제품은 유연한 기판을 사용할 수있어 생산 비용을 낮추고 기계적으로 유연한 회로를 제작할 수 있습니다. 잉크젯 및 스크린 인쇄는 일반적으로 유리 및 실리콘과 같은 단단한 기판을 임프린트하지만, 대량 인쇄 방법은 거의 독점적으로 유연한 호일 및 종이를 사용합니다. 폴리 (에틸렌 테레 프탈레이트) - 포일 (PET)은 저렴한 비용과 적당한 온도 안정성으로 인해 일반적으로 선택됩니다. 폴리에틸렌 나 프탈레이트 - (PEN) 및 폴리 (이미 드) - 포일 (PI)은 성능이 뛰어나고 비용이 많이 드는 대안입니다. 종이 의 저렴한 비용과 다양한 응용 분야는 매력적인 기판이되지만 높은 거칠기와 큰 흡수성으로 인해 전자 제품에 문제가됩니다. [50]

다른 중요한 기질 기준은 코팅 또는 코로나 방전 을 사용하여 전처리를 조정할 수있는 낮은 거칠기와 적절한 습윤성 입니다. 종래의 인쇄와는 달리, 높은 흡수성은 일반적으로 불리합니다.

응용 프로그램 [ 편집 ]

인쇄 전자 제품은 다음 용도로 사용되거나 고려 중입니다.

Norwegian 사 ThinFilm 은 2009 년에 roll-to-roll 인쇄 유기 메모리를 성공적으로 시연했습니다 . [55] [56] [57]

표준 개발 및 활동 [ 편집 ]

기술 표준 및 로드맵 이니셔티브는 가치 사슬 개발 (제품 사양, 특성화 표준 공유 등) 을 용이하게하기위한 것 입니다 .이 표준 개발 전략은 지난 50 년 동안 실리콘 기반 전자 기기에서 사용 된 접근 방법을 반영합니다. 이니셔티브에는 다음이 포함됩니다.

인쇄 전자 제품에 대한 세 가지 표준을 발표했습니다. 이 세 가지는 모두 일본 전자 포장 회로 협회 (JPCA)와 협력하여 출판되었습니다.

  • IPC / JPCA-4921, 인쇄 된 전자 기반 재료 요구 사항

  • IPC / JPCA-4591, 인쇄 전자 기능성 전도성 재료 요구 사항

  • IPC / JPCA-2291, 인쇄 전자 제품 설계 지침

이러한 표준 및 개발중인 다른 표준은 IPC의 인쇄 전자 제품 이니셔티브의 일부입니다.


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