Печа́тная электро́ника — область электроники, занимающаяся созданием электронных схем с помощью нового печатного оборудования, которое позволяет наносить на поверхность плоской подложки специальные чернила (токопроводящие, полупроводниковые, резистивные и т.д.) и, таким образом, формировать на ней активные и пассивные элементы, а также межэлементные соединения в соответствии с электрической схемой.
Появление печатных электронных схем связано с разработкой новых материалов, которые при определённых условиях способны заменить кремний в электронных и компьютерных технологиях. Оказалось, что некоторые вещества (в т. ч. органические полимеры и наночастицы металлических соединений) можно добавлять в жидкости, выполняющие функции красок или чернил, которые затем наносятся на подложку и создают активные или пассивные устройства, такие как тонкоплёночные транзисторы или резисторыЕ. Коатанея, В. Кантола, Дж. Куловеси, Л. Лахти, Р. Лин, М. Заводчикова. Печатная электроника, настоящее и будущее. Университет технологии Хельсинки, Финляндия, 2009, ISBN 978-952-248-078-1 .
В обычной печати слои краски, как правило, наносятся на бумагу, но для печатной электроники она оказалась малопригодной. Шероховатая поверхность бумаги и быстрое поглощению ею воды вызвали перенос внимания на такие материалы, как пластик, керамика или кремний. При печатании обычно используется типовое печатное оборудование, в частности, оборудование для трафаретной печати, флексографии, ротогравюрной и офсетной печати, а также струйные принтеры. Как и в обычной печати, в печатной электронике чернила наносятся слоями друг на друга, так что согласованное развитие методов печати и материалов чернил является важнейшими задачами этого направленияH.-K. Roth et al., Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 32 (2001) 789..
Термин печатная электроника тесно связан с органической или пластиковой электроникой, в которой одно или несколько чернил состоят из углеродных соединений. Термин органическая электроника связан именно с материалом чернил, которые могут быть нанесены из раствора вакуумным напылением или другим способом. В отличие от неё, название печатная электроника определяется технологическим процессом, а не материалом. Здесь могут использоваться любые материалы, в том числе органические полупроводники, неорганические полупроводники, металлические проводники, наночастицы, углеродные нанотрубки и др.
Характеристики устройств печатной электроники, как правило, хуже, чем у обычных электронных приборов, но последние дороже по стоимости. Именно низкая стоимость является наиболее важным преимуществом печати, особенно для крупномасштабного производства. Ожидается, что печатная электроника будет содействовать повсеместному распространению электроники с очень низкой стоимостью, для таких приложений, как гибкие дисплеи, радиочастотная идентификация, декоративные и анимированные плакаты, активные покрытия и др., то есть для тех изделий, для которых не требуется высокая производительность электронных схем.
Более низкая стоимость позволяет использовать изделия в большем числе приложений.J.M. Xu, Synthetic Metals 115 (2000) 1. Примером может служить система радиочастотной идентификации, которая обеспечивает бесконтактную идентификацию товаров в области торговли и транспорта. В некоторых областях, таких как производство светодиодов, печать не влияет на производительность изделий. Печать на гибких подложках позволяет создавать изделия электроники на изогнутых поверхностях, например, монтировать солнечные батареи на крышах автомобилей.
Печатные технологии Привлекательность печатных технологий для изготовления электроники связана главным образом с возможностью подготовить послойные микроструктурированные заготовки (и тем самым изготовить тонкопленочные устройства) гораздо более простым и экономически эффективным способом по сравнению с обычной электроникой.J.R. Sheats, Journal of Materials Research 19 (2004) 1974. Кроме того, играет также роль возможность реализации новых или более совершенных функциональных возможностей (например, механическая гибкость). Выбор используемых печатных методов определяется требованиями, касающимися печатных слоёв, свойствами печатных материалов, а также экономическими и техническими соображениями в терминах печатной продукции.
Печатные технологии делятся на листовую и рулонную. Листовые методы, такие как струйная и трафаретная печать, лучше всего подходят для высокоточной работы при небольших объёмах. Ротогравюрная, офсетная и флексографская печати более приемлемы при больших объёмах производства, например, при изготовлении солнечных батарей, когда достигается производительность 10 000 квадратных метров в час (м²/ч). В то время как офсетная и флексографская печати используются главным образом для неорганическихP.M. Harrey et al., Sensors and Actuators B 87 (2002) 226.J. Siden et al., Polytronic Conference, Wroclaw, 2005. и органическихD. Zielke et al., Applied Physics Letters 87 (2005) 123580.T. Mäkelä et al., Synthetic Metals 153 (2005) 285. проводников (последняя также и для диэлектриковA. Hübler et al., Organic Electronics 8 (2007) 480.), ротогравюрная печать, благодаря высокому качеству слоёв, особенно подходит для органических полупроводников и переходов полупроводник-диэлектрик в транзисторах. В сочетании с высоким разрешением, ротогравюрная печать подходит также для неорганическихS. Leppavuori et al., Sensors and Actuators 41-42 (1994) 593. и органическихT. Mäkelä et al., Synthetic Metals 135 (2003) 41 проводников. Органические полевые транзисторы и интегральные схемы могут быть полностью изготовлены с помощью серийных методов печати.
Струйные устройства печати являются гибким, универсальным оборудованием, которое можно перенастроить с относительно низкими усилиями. Видимо, поэтому они используются наиболее часто.R. Parashkov et al., Proceedings IEEE 93 (2005) 1321. Однако, струйные принтеры имеют невысокую производительность (порядка 100 м2/ч) и низкое разрешение (ок. 50 мкм). Они хорошо подходят для материалов с низкой вязкостью и хорошей растворимостью, таких как органические полупроводники. Для материалов с высокой вязкостью, таких как органические диэлектрики или дисперсные частицы типа неорганических металлических красок, возникают проблемы с засорением форсунок. Поскольку чернила хранятся в виде капелек, толщину слоя и дисперсную неоднородность можно снизить. Одновременное использование нескольких форсунок и предварительное структурирование подложки позволяют повысить производительность и разрешение, соответственно. Однако, в последнем случае приходится фактически использовать технологические шаги с непечатными методами.B.-J. de Gans et al., Advanced Materials 16 (2004) 203. Струйная печать является предпочтительной для органических полупроводников в органических полевых транзисторах (OFET) и органических светодиодов (OLED).V. Subramanian et al., Proceedings IEEE 93 (2005) 1330. С её помощью можно также изготовить передние и задние панели светодиодных дисплеевS. Holdcroft, Advanced Materials 13 (2001) 1753.A.C. Arias et al., Applied Physics Letters 85 (2004) 3304., интегральные схемыH. Sirringhaus et al., Science 290 (2000) 2123, органические фотоэлементы (OPVC)V.G. Shah and D.B. Wallace, IMAPS Conference, Long Beach, 2004 и другие устройства.
Для изготовления электроники в промышленных масштабах подходит также трафаретная печать, благодаря её возможности воспроизводить толстые слои из пастообразных материалов. Этот метод может создавать проводящие линии из неорганических материалов (например, печатные платы и антенны), а также изоляционные и пассивирующие слои, если толщина слоя является более важным параметром, чем высокое разрешение. Его производительность 50 м ²/ч и разрешение 100 мкм близки к показателям струйных принтеров. Этот универсальный и сравнительно простой метод используется в основном для проводящих и диэлектрических слоев,K. Bock et al., Proceedings IEEE 93 (2005) 1400.Z. Bao et al., Chemistry of Materials 9 (1997) 1299. а также для органических полупроводников,S.E. Shaheen et al., Applied Physics Letters 79 (2001) 2996. и даже для органических полевых транзисторов (OFET).
Представляют интерес и другие методы, сходные с печатью, в том числе микроконтактная печать и наноштамповочная литографияB.D. Gate et al., Chemical Reviews 105 (2005) 1171.. В них слои микронного/наномикронного размера изготавливаются методами, близкими к штамповке, с мягкой или жёсткой формы, соответственно. Часто фактическая структура изготавливается субтрактивно, например, маска делается методом избирательного травления или методом негативного травления. Таким способом делаются, например, электроды для органических полевых транзисторов (OFET)D. Li and L.J. Guo, Applied Physics Letters 88 (2006) 063513.G. Leising et al., Microelectronics Engineering 83 (2006) 831.. Иногда подобным же образом используется тампонная печатьA. Knobloch et al., Journal of Applied Physics 96 (2004) 2286.. Изредка используются так называемые методы переноса, в которых твёрдые слои переносятся от носителя к подложке. Они тоже относятся к печатной электронике. Ксерокопирование в настоящее время в печатной электронике не используется.
Применение Печатная электроника уже используется или рассматривается к применению для: Меток радиочастотной идентификации (RFID) Мониторинга Хранения данных Дисплеев и визуальных эффектов Игрушек Тонкопленочных солнечных элементов
Требования по точности Максимальное требуемое разрешение структур в традиционной печати определяется строением человеческого глаза. Детали размером меньше, чем приблизительно 20 мкм, человеческий глаз не может различить, но такая величина превышает возможности обычных процессов печати.A. Blayo and B. Pineaux, Joint sOC-EUSAI Conference, Grenoble, 2005. В противоположность этому, в печатной электронике необходимо более высокое разрешение и более мелкие структуры, так как они непосредственно влияют на плотность схемы и функциональность (особенно транзисторов). Аналогичное требование справедливо для точности, с которой слои накладываются друг на друга.
Необходим также контроль толщины, размеров отверстий и совместимости материалов (смачиваемость, адгезия, сольватация). В обычной печати это важно только тогда, когда глаз может их обнаружить. В печатной электронике визуальное впечатление не имеет значения.U. Fügmann et al., mstNews 2 (2006) 13.
Материалы Для печатной электроники используются как органические, так и неорганические материалы. Чернила должны быть в жидком виде, в виде раствора, дисперсии или суспензииZ. Bao, Advanced Materials 12 (2000) 227.. Они должны представлять собой проводники, полупроводники, диэлектрики или изоляторы. Стоимость материалов должны быть адекватной применению.
Электронная функциональность и пригодность к печати могут противоречить друг другу, поэтому обязательно требуется тщательная оптимизация. Например, более высокий молекулярный вес полимеров увеличивает проводимость, но при этом снижается растворимость. При печати вязкость, поверхностное натяжение и твёрдые вкрапления должны быть под жёстким контролем. Межслойное взаимодействие, например, смачивание, адгезия и растворимость, а также процедуры сушки после нанесения влияют на результат. Часто используемые в обычных печатных красках добавки здесь не подходят, потому что они могут нарушать электронную функциональность.
Свойства материалов во многом определяют различия между печатной и обычной электроникой. Печатные материалы, помимо пригодности к печати, обеспечивают новые решающие преимущества, такие как механическая гибкость и функциональная настройка с помощью химической модификации (например, светлый цвет органических светодиодов OLED).Moliton and R.C. Hiorns, Polymer International 53 (2004) 1397.
Печатные проводники обладают более низкой проводимостью и подвижностью носителей заряда. За некоторыми исключениями материалы неорганических чернил являются дисперсией металлических микро- и наночастиц. В печатной электронике возможна технология PMOS, но не CMOS.