09/05/2016
A polimer elektronika
Tartalom • Mi a polimer elektronika? • Vezető szerves molekulák, polimerek; a vezetés mechanizmusa • Anyagválaszték: vezetők, félvezetők, fénykibocsátók szigetelők, hordozók • Technológiák • Eszközök
1
09/05/2016
Mikroelektronika • Csökkenő méret • Növekvő működési sebesség • Drága alapanyag: egykristályos Si, GaAs, vegyületfélvezetők • Nagyon drága technológia • Tartós, hosszú életű eszközök
A Moore törvény másképpen: Az új technológiai szint bevezetésének ára néhány ország nemzeti jövedelmében számolva
Mi a polimer elektronika?
polimer (szerves) elektronika
makroelektronika
Nyomtatott elektronika
• A közös terület a fontos – Olcsó alapanyag – Egyszerű, nagy teljesítményű technológia – Nagy méretű eszközök
• Közös név nincs.
2
09/05/2016
Makroelektronika Igény ~ • nagy méretű elektronikus eszközökre: lapos képernyők, napelemek • (vágy) hajlékony, papírszerű hordozójú kijelzőkre • nagy sorozatú, rövid életciklusú eszközökre („eldobható elektronika”)
• Szerves vezető anyagok kutatása ~ 50 éve • Nobel díj: 2000 • Első piaci termékek 2003
Mai állapot • Gazdag, piacképes, de még fejleszthető anyagválaszték • Többféle alkalmas rétegtechnológia eljárás, elsősorban nyomdatechnikai módszerek • Még nem versenyképes ár • Kérdéses stabilitás, élettartam • Sok alkalmazási ötlet
3
09/05/2016
Piaci termékek Sony has started to sell the XEL-1, the world's first OLED TV. (2007) The 11" 960x540 pixels TV costs 1,800$.
LG 15” OLED TV (2010, 2000EURO)
Piaci termékek
LG
55” - 77” (500 eFt – 7 MFt)
4
09/05/2016
5
09/05/2016
Vezető szerves molekulák, polimerek
• Molekulán belül konjugált kettőskötés rendszer. • Delokalizált elektronok • Kötő pálya: HOMO (legfelső betöltött molekulapálya) • Nemkötő pálya: LUMO (legalsó betöltetlen molekulapálya)
(Megfelel a vegyérték és vezetési sávnak)
6
09/05/2016
Adalékolás részleges oxidálás (elektronleadás)
„p adalék”
(p-típusú polimerek esetén fémes vezetés)
részleges redukálás (elektronfelvétel)
„n adalék”
(n-típusú polimerek esetén félvezető, szigetelő) Polipirrol példáján: pl. részleges oxidáció hatására p-típusú lesz
Vezető szerves molekulák, polimerek
Konjugált kettőskötéseket tartalmazó vezető polimerek
7
09/05/2016
Vezető szerves molekulák, polimerek Kis molekulájú szerves félvezetők (1987 KODAK)
• Oldószermentes technológia • LED-eknél jobb hatásfokú, mint a polimerek Dendrimerek Fullerén származékok
Anyagválaszték, vezetők Alkalmazás elektródként Követelmények:
• Fémek; nyomtatható tinta fém (nano)részecskékkel
• Fémoxidok; • Kis ellenállás – ITO (indium-ón-oxid) • Sima, egyenletes – AZO ( ZnO-Al2O3) felület – Polianilin, PEDOT-PSS – Szén nanocsövek • Kémiai stabilitás • Megfelelő (alacsony) kilépési munka
8
09/05/2016
Vezetők • Polimerek Fémeknél kb 1000 x nagyobb ellenállás PEDOT:PSS – – – –
σ ~ 400 1/Ωcm Fényáteresztő Nyomtatható Hőállóság: >100°C, 1000 óra
(poisztirol szulfonáttal adalékolt polietilendioxi-tiofen)
Anyagválaszték, félvezetők Követelmények: • Nagy elektron / lyuk mozgékonyság • Sávszerkezet illeszkedjen az elektród kilépési energiájához ⇒ kis ellenállású, ohmos kontaktus • Nagyon tiszta anyag • Oldható és oldatból réteg készíthető • Stabil, környezetálló
Anyag
Mozgékonyság [cm2/Vs]
Egykristályos Si
300 - 900
Poli Si
50 - 100
Amorf Si
~ 1
Pentacen
~ 1
Vezető polimerek
~ 0,1
9
09/05/2016
Félvezetők • Mozgékonyság függ a rétegkészítés módjától: – Oldószer – Koncentráció – Leválasztás módja, hőmérséklete, – Hordozó felülete
• Anyagok: • Kis molekulák, pl. pentacen • Polimerek, pl. politiofen • Nanoméretű szervetlen félvezetők beágyazva szervesbe
• Molekulák rendezettsége
Nagy előny a szerves molekulák gazdag alakíthatósága „testre szabott” tulajdonságok
Anyagok Fénykibocsátó anyag: • • • •
Kis molekulák, Szerves fém-komplexek Dendrimerek Polimerek Fluoreszcens, Foszforeszcens Kutatási irányok: – Hasonló hatásfokú, élettartamú fehér komponensek – Nagyobb hatásfok, élettartam
10
09/05/2016
A fénykibocsátó polimer eszköz működése
Fém elektród
-
+
Fénykibocsátó polimer réteg Átlátszó elektród Hordozó
Emittált fény
Az OLED fénykibocsátása
Elektron-lyuk pár találkozás exciton Stabil képződmény Megszűnés energia felszabadulás foton kisugárzás Foszforeszcens OLED sávdiagramja feszültségmentes és bekapcsolt állapotban
11
09/05/2016
Fehér OLED
• Zöld: Alq3,
tris(8-quinolato)Al • Narancs:
pl. BePP2:rubrene • Kék: pl. BePP2,
fenilpiridinBe • TPD: trifenil-diamin
A
Fehér OLED
•A: •B: •C: •G:
a gerjesztés, exciton keletkezése az elektron lekerül a gerjesztett szintek aljára visszakerül alapállapotba foton kisugárzása nélkül fluoreszcens foton kibocsátásával rekombinálódik E’foton = hν’ •D: az energia átadódik egy másik részecskének (foszforeszcens adalék), •E: Rekombinálódás, foszforeszcens foton kibocsátás E’’foton = hν’’
A fényhasznosítás és a fénysűrűség változása a LED-re kapcsolt feszültség függvényében
12
09/05/2016
Foszforeszcens OLED adalékai
Néhány Ir komplex, és a velük megvalósítható foszforeszcencia színei
„Molecular engineering” A szerves elektronika lehetősége:
A HOMO – LUMO szint hangolása ↑
Az alapvető funkció megtartása mellett a molekula-struktúra kis módosításával tudjuk az egyes tulajdonságokat finoman hangolni ← A sávszélesség (⇒ szín) hangolása a szerkezet módosításával és a helyettesítés arányával
13
09/05/2016
Dielektrikumok • Speciális követelmények:
• Használt anyagok: – Klasszikus polimer szigetelők: PP, PVA, PMMA, PET, stb – Szervetlen dielektrikumok: SiO2, Al2O3, TiO2, de ezek nem nyomtathatók
– Hibátlan réteg, n x 10nm – Hibátlan határfelület a félvezető felé – Nyomtathatóság
• Általános szigetelő követelmények: – Nagy Uát, εrel, kis tgδ
Hordozók Követelmények • Hajlékonyság • Sima felület • Kémiai ellenálló-képesség az aktív réteg oldószereivel szemben
Hajlékony üveg hordozó
Anyagok: • Üveg • PET, PC, PI, PEN
(polietilén-
naftalát)
• Papír felületkezelés után
AFM felületi profil Ipari minőségű PEN, Megfelelő simaságú hordozó
14
09/05/2016
Technológia, rétegfelvitel Követelmény: • Rétegvastagság: nm µm • Egyenletes vastagság • Több réteg egymáson • Nagy felületen nagy sebességgel • Olcsó
Kis mlekulák: OVPD, vákuumgőzölés
Nyomtatás Minden hagyományos és új nyomtatási technológia használható „Roll to roll” technológia: egy soron egymás után az összes technológiai lépés Főképp polimerek oldataiból készíthető nyomtatható tinta Hagyományos chip beütetése beilleszthető a sorba
15
09/05/2016
Technológia, Roll–to-roll
• Versenyképes termék ettől várható – Állandó sebességű hordozó szalag (megállítható) ~ 0,3 m/perc, cél: 5 - 10 m/perc – Lépések egy lineáris sorba rendezve – Műveleti idők összehangolva (nehéz! pl. nyomtatás << szárítás) – Nyomtatás, szárítás, hőkezelés, vákuumgőzölés, ellenőrzés
Gyártó berendezések Roll to roll rétegfelvitelre alkalmas párologtató berendezés
Tintasugaras nyomtató
16
09/05/2016
Nyomtatás
Si szelet
Szita
Mélynyomás
Flexo
Offset Tinta sugaras
Felbontás (µm)
0,05
>100
>15
> 40
> 15
Átl. Rétegvastagság (µm)
0,05 – 2 3 – 15
0,8 – 8
0,8 – 2,5
0,5 – 2 0,3 – 20
Tinta viszkozitása (Pas)
-
0,05 – 0,5
30 – 100
0,5 -50 0,05 – 0,2
> 50
0,001 – 0,04
Fontosabb nyomtatási módok és néhány jellemző paraméterük
Nyomtatás
Tintasugaras nyomtatóval készített tranzisztor
A kapacitás és a felbontás kapcsolata
Tintasugaras nyomtatás
17
09/05/2016
Procedures for µCP source/drain electrodes for bottom contact organic transistors.
µCP = microcontact printing Rogers J A et al. PNAS 2001;98:4835-4840
©2001 by National Academy of Sciences
18
09/05/2016
Eszközök; Tranzisztor Vékonyréteg tranzisztor • Amorf Si (poli Si) AMLCD (TFT) kijelzőkben • OFET jellemzők: – – – –
Méret: 10 -50 µm dielektrikum vastagság: n x 100 nm Minimális csatorna hossz A dielektrikum/félvezető határ sima és hibamentes – Közelítőleg ohmos kontaktus a félvezető és az S, D elektródok között
Fent: OFET keresztmetszeti rajza, Lent: Tintasugaras nyomtatással készített tranzisztor AFM felvétele
Eszközök: RFID Rádiófrekvenciás azonosító címke
Passzív/aktív: külső/saját energia Mikroelektronikai elemekből drága Nagymértékű elterjedés, ha az ár < 5 – 10 cent Teljes nyomtatott kivitelben 16 bites HF címke ~ 10 cm-ig olvasható
UHF HF
~900 MHz
13,56MHz
19
09/05/2016
Eszközök:
OLED
Világítástechnika
Kijelzők
• Lehetőség egészen új típusú világításra
• Lehetőség
– – – –
Nagy sík felület Kis feszültség Versenyképes hatásfok Változtatható színek
• Problémák
– – – – – –
Aktív fényű kijelző ~ 180° látószög Nagyon vékony (mm) Hajlékony, Átlátszó, Papír(szerű) hordozón
– Élettartam, stabilitás – Színvisszaadás (fehér)
LED és OLED TV összehasonlítása
20
09/05/2016
21
09/05/2016
Eszközök, Display
Aktív mátrixú OLED kijelző meghajtó áramköre és keresztmetszete
Kisérleti termékek
Áramforrások • Elektrokémiai : elemek, akkumulátorok • Szuperkapacitások • Napelemek Mindegyik előállítható hajlékony hordozóra, vékonyréteg technológiával
Nyomtatott elem rétegszerkezete és fotója
22
09/05/2016
Áramforrások
Akku és szuperkondenzátor hasonló szerkezete
Akku és szuperkondenzátor tandem kapcsolása. Az akku kisülése alatt feltölti a kondenzátort
• R2R • Légköri nyomáson gyártott • Tandem napelem
23
09/05/2016
Áramforrások
Polimer napelem szerkezete Alkalmazási példa
Fejlesztési tervek • Érzékelők • Intelligens ruházat • Intelligens csomagolás
„lab on a chip”
Nyomásérzékelő mesterséges bőr
24
09/05/2016
rubrene
25
