česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 09. prosinec 2021

Technológia InkJet Printing: 3. časť Oblasti aplikácie

DPS 2/2016 | Výroba - články
Autor: Ing. Peter Lukács, prof. Ing. Alena Pietriková, CSc.
Obr1_vykop.png

Nezastaviteľný trend miniaturizácie elektroniky a elektronických obvodov podnecuje rapídny rozvoj flexibilnej a organickej elektroniky. Bez toho, aby si to človek uvedomoval, je obklopený elektronikou vyrobenou najmodernejšími technológiami, medzi ktoré neodmysliteľne patrí aj technológia InkJet Printing. Opisovaná technológia predstavuje spôsob depozície vodivých, dielektrických, polovodičových a iných špeciálnych atramentov na pevné, ale hlavne flexibilné substráty na báze polymérov, papiera, ale aj textílií. Nanášané atramenty na báze nanočastíc striebra, zlata či grafénu výrazným spôsobom znižujú teplotu spekania týchto materiálov, vďaka čomu posúvajú do popredia materiály, ktoré nemohli byť doteraz využívané z dôvodu nízkej teplotnej odolnosti. Technológia InkJet Printing si nájde v krátkom čase obľubu u mnohých výrobcov, lebo je to rýchla, flexibilná a pomerne lacná technológia, ktorá ponúka mnohé doteraz nerealizované aplikácie v rôznych priemyselných odvetviach, ako aj oblastiach života. Rozvoj InkJet Printing technológie úzko súvisí s rozvojom nanotechnológií.

Obr1

Obr. 1 Hlavné oblasti použitia flexibilnej elektroniky [1]

Článok prináša stručný prehľad možností aplikácie technológie InkJet Printing, ktorá je jednou z hlavných technológií nanášania vrstiev na flexibilné substráty, vďaka čomu nachádza uplatnenie v čoraz širšom uhle. Obr. 1 znázorňuje hlavné oblasti použitia flexibilnej elektroniky, ako aj používané materiály.

Obr2

Obr. 2 Nárast investícií do tlačenej elektroniky s predpoveďou do roku 2025 [2]

O nezastaviteľnom rozvoji tlačenej elektroniky svedčí aj obr. 2, ktorý znázorňuje celosvetovú hodnotu tlačenej elektroniky v amerických dolároch a jej predpoveď do roku 2025, podľa ktorej má jej hodnota v roku 2020 presiahnuť 50 biliónov $ a v roku 2025 má dosiahnuť až necelých 200 biliónov $ [2].

Využitie technológie InkJet Printing vo vysokofrekvenčnej oblasti

 

Prenos dát v dnešnej modernej dobe si vyžaduje vysokofrekvenčné (VF) prvky a zariadenia, ktoré dokážu pracovať na frekvencii rádovo desiatok GHz. Táto požiadavka podnecuje neustály vývoj nových materiálov a technológií, ktoré sú schopné VF signál spracovať a ďalej šíriť s čo najmenšími stratami. Jednou z technológií, ktoré dokážu splniť túto požiadavku, je technológia InkJet Printing. Dokáže nanášať vodivé vrstvy na báze nanočastíc ušľachtilých kovov na substráty s vysokou presnosťou a minimálnou šírkou čiar 50 μm, čo je v oblasti VF žiaduce. UWB anténa na báze nanočastíc striebra na polyimidovom substráte DuPont™ Kapton® HN realizovaná technológia InkJet Printing na KTE TUKE FEI bola publikovaná v časti 2 v minulom vydaní. Na obr. 3 je znázornená anténa s ultra širokým pásmom (UWB) na polyimidovom substráte vyrobená taktiež technológiou InkJet Printing. Vodivá vrstva je na báze nanočastíc striebra. Ďalší dôvod, pre ktorý sa technológia InkJet Printing používa vo VF oblasti, je široký rozsah používaných materiálov a možnosť modifikácie ich vlastností. Napr. v prípade použitia pórovitých materiálov pre substráty je možné vyplnením pórov daného materiálu modifikovať jeho relatívnu permitivitu, čo je v oblasti VF veľmi dôležitý parameter substrátu. Ďalšia výhoda spočíva vo flexibilite takto vytvorenej antény, čo umožňuje meniť směr vyžarovania antény [3], [4], [5], [6].

 

Obr3

Obr. 3 UWB anténa na polyimidovom substráte DuPont™ Kapton® [6]

Obr4

Obr. 4 13,56 MHz RFID anténa na PET substráte [8]

 

Ďalšia oblasť, kde sa technológia InkJet Printing výrazne používa, je oblasť rádiofrekvenčnej identifikácie (RFID – Radio-Frequency Identification), ktorá spočíva vo využití elektrického poľa na bezdrôtový prenos dát. RFID prvok sa skladá z antény (väčšinou cievky) a vedenia, ktoré obsahuje kód. Podľa rozhodnutia Federálnej komisie pre komunikácie (Federal Communications Commission – FCC), RFID využíva 4 pásma na prenos dát [7]:

– do 135 kHz – LF,

– 13,56 MHz – HF,

– 900 MHz – UHF,

– 2,4 GHz – MW.

RFID technológia vďaka lacnej výrobe a efektívnemu spôsobu prenosu dát malého objemu má veľmi široké využitie najmä v oblasti identifikácie a bezpečnosti. Keďže technológia InkJet Printing umožňuje nanášať vrstvy na substrát s vysokou presnosťou a malých rozmerov (malá šírka čiar), často sa používa na výrobu RFID prvkov. Z dôvodu širokej škály použiteľnosti substrátov je možné RFID prvky priamo implementovať napr. do kníh, časopisov, oblečenia, atď. Rozvoj technológií nanášania vrstiev na rôzne substráty ponúka čoraz menšie rozmery RFID prvkov, ich výkonnosť a možnosť ich implementácie. Obr. 4 znázorňuje príklad RFID prvku na flexibilnom substráte, vyrobený nanesením vodivej vrstvy na PET substrát technológiou InkJet Printing [7], [8], [9].

Využitie technológie InkJet Printing v oblasti senzorov

Obr5

Obr. 5 Proximity senzor vyrobený technológiou InkJet Printing [10]

Na obr. 5 je uvedený ďalší príklad použitia technológie InkJet Printing. Ide o proximity senzor, ktorý slúži na detekciu prítomnosti objektov bez fyzického kontaktu. Ako substrát je použitá flexibilná hliníková fólia, ktorej povrch bol upravený atmosférickou plazmou pre dosiahnutie hydrofilného efektu. Následne bola technológiou InkJet Printing nanesená vrstva oxidu zinočnatého (ZnO). Po procese tepelného spracovania ZnO bola nanesená vodivá vrstva nanočastíc striebra [10].

Využitie technológie InkJet Printing v zobrazovacej technike

Samostatnú oblasť možností použitia technológie InkJet Printing predstavuje zobrazovacia technika. Displeje predstavujú neoddeliteľnú súčasť dnešných elektronických zariadení. Medzi najviac používané displeje patria najmä displeje na báze tekutých kryštálov (LCD), organické, svetlo emitujúce diódy (OLED) a elektroforetické displeje (EPD). Tieto technológie využívajú aktívne matice tenkovrstvových tranzistorových polí (TFT). Zjednodušená štruktúra flexibilného displeja je znázornená na obr. 6 [11].

Obr6

Obr. 6 Zjednodušená štruktúra flexibilného displeja [11]

Na obr. 7 je znázornený flexibilný OLED displej vyrobený využitím organických tenkovrstvových tranzistorov (OTFT) na polymérnom substráte.

Obr7

Obr. 7 Príklad ohybného OLED displeja na báze TFT tranzistorov na flexibilnom substráte [14]

Tenkovrstvové tranzistory (TFT) predstavujú špeciálny druh poľom riadených tranzistorov, ktoré sa vyznačujú minimálnou hrúbkou a v prípade použitia organických materiálov aj flexibilitou. Vďaka týmto atribútom tenkovrstvové tranzistory našli uplatnenie v displejoch vo forme aktívnych matíc tranzistorových polí. Základná štruktúra TFT tranzistora je znázornená na obr. 8. Technológia InkJet Printing umožňuje nanášať vodivé, polovodičové a izolačné vrstvy na organickej i anorganickej báze na flexibilné substráty, vďaka čomu predstavuje užitočný nástroj pri výrobe TFT tranzistorov [11].

Obr8

Obr. 8 Základná štruktúra tentovrstvového tranzistora TFT využitím materiálov používaných v technológii InkJet Printing

Využitie technológie InkJet Printing v biomedicíne

Jednou z najrýchlejšie sa rozvíjajúcich vedných oblastí je biomedicína. Aplikácia flexibilnej elektroniky do biomedicíny značným spôsobom uľahčuje diagnostiku chorôb, prináša nové možnosti v oblasti implantátov a monitorovania základných životných funkcií pacientov. V neposlednom rade organická a flexibilná elektronika umožňuje lepšiu integráciu elektronických prvkov a zariadení do tela pacienta [1].

Pre príklad je možné uviesť tzv. bionické oko. V tomto prípade sa pacientovi so zrakovým hendikepom implementujú aktívne adresovateľné matricové polia, v ktorých každý pixel zaznamenáva obraz a odovzdáva ho pacientovi cez zrakový nerv. Tento princíp nie je viazaný len na zrak, ale je možné ho aplikovať aj na iné formy vnímania, ako sú sluch, čuch, príp. chuť.

Citlivé tenkovrstvové tranzistorové polia umožňujú zaznamenávať a rozlišovať napr. chuť. Zmyslové receptory nachádzajúce sa v nose a na jazyku obsahujú celý rad chemických receptorov. Väčšina týchto receptorov vníma prítomnosť určitých chemických vlastností, ako je kyslosť, koncentrácia soli a afinita enzýmov [1].

Podkožná implantácia tenkých filmov obsahujúcich senzory pH, teplotné a tlakové senzory a senzory enzýmov predstavuje prevratný zlom v oblasti monitorovania pacienta v reálnom čase. Technológia „Lab-on-a-Chip“ (LoC) predstavuje kľúčový prvok medicíny novej generácie, ktorý dokáže monitorovať napríklad zloženie krvi pacienta, obsah potu a tlak na určitých miestach tela [1].

Výroba pasívnych elektronických prvkov technológiou InkJet Printing

Technológia InkJet Printing umožňuje vytvárať pasívne elektronické prvky vhodným nanášaním vodivých, izolačných, ale aj polovodičových vrstiev. Použitím atramentov s vyššou, presne definovanou rezistivitou je možné vytvárať rezistory, nanesením vodivej, izolačnej a opäť vodivej vrstvy je možné vytvoriť kondenzátory, príp. nanesením vodivej vrstvy danej štruktúry aj cievky [12]. Opisovaná technológia taktiež umožňuje vytvárať elektronický prvok memristor nanesením vrstvy oxidu kremičitého SiO2 na polymérny substrát [13].

Záver

Technológia InkJet Printing nachádza čoraz širšie uplatnenie v oblastiach, kde vysoká presnosť depozície a precíznosť nanesených štruktúr zohrávajú kľúčovú úlohu. Oblasti opísané v článku predstavujú len kľúčové oblasti využitia technológie InkJet Printing, no vďaka širokej škále výhod opisovanej technológie narastá jej popularita rapídnym tempom. Z dôvodu rôznorodosti používaných materiálov predstavuje technológia InkJet Printing užitočný a výkonný nástroj na výrobu elektronických obvodov, ako aj samotných elektronických prvkov na ohybných substrátoch.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik