Mi a polimer elektronika?
Polimer elektronika
• A kö közös terü terület a fontos
polimer (szerves) elektronika
makroelektronika
– Olcsó Olcsó alapanyag – Egyszerő Egyszerő, nagy teljesí teljesítmé tményő nyő technoló technológia – Nagy mé mérető rető eszkö eszközök
!
• Közös né név nincs Nyomtatott elektronika
Makroelektronika, nyomtatott elektronika, orgatronic
Grö Gröller Gyö György BMF Kandó Kandó MTI
Tartalom • Mi a polimer elektronika? • Vezetı Vezetı szerves molekulá molekulák, polimerek; a vezeté vezetés mechanizmusa • Anyagvá Anyagválaszté laszték: vezetı vezetık, fé félvezetı lvezetık, szigetelı szigetelık, hordozó hordozók • Technoló Technológiá giák • Eszkö Eszközök
Mikroelektronika • Csö Csökkenı kkenı méret • Növekvı vekvı mőködési sebessé sebesség • Drá Drága alapanyag: egykristá egykristályos Si, Si, GaAs, GaAs, vegyü vegyületlet-félvezetı lvezetık • Nagyon drá drága technoló technológia • Tartó Tartós, hosszú hosszú élető lető eszkö eszközök (?)
A Moore törvény másképpen: Az új technológiai szint bevezetésének ára néhány ország nemzeti jövedelmében számolva
Makroelektronika Igé Igény ~ • nagy mé mérető rető elektronikus eszkö eszközökre: lapos képernyı pernyık, napelemek • (vá (vágy) hajlé hajlékony, papí papírszerő rszerő hordozó hordozójú kijelzı kijelzıkre • nagy sorozatú sorozatú, rö rövid életciklusú letciklusú eszkö eszközökre (eldobható (eldobható elektronika?!?): RFID, akku
• Szerves vezetı vezetı anyagok kutatá kutatása ~ 50 éve • Nobel dí díj: 2000 • Elsı Elsı piaci termé termékek 2003
Mai állapot • Gazdag, piacké piacképes, de még fejleszthetı fejleszthetı anyagvá anyagválaszté laszték • Többfé bbféle alkalmas rétegtechnoló tegtechnológia eljá eljárás, elsı elsısorban nyomdanyomdatechnikai mó módszerek • Még nem versenyké versenyképes ár • Kérdé rdéses stabilitá stabilitás, élettartam • Sok alkalmazá alkalmazási ötlet
1
Vezetı Vezetı szerves molekulá molekulák, polimerek
A „helyzet” helyzet” 2007. nov 2222-én
Konjugá Konjugált kettı kettıskö skötéseket tartalmazó tartalmazó vezetı vezetı polimerek PA
PPi Sony has started to sell the XEL-1, the world's first OLED TV. The 11" 960x540 pixels TV costs 1,800$. Originally they planned to start selling them in December, but they were able to release it sooner by a few days.
Sony will only make 2,000 units a month, and has no plans to up the production at this stage.
PANi PPV
http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20071127/143111/?SS=imgview_e&FD=2138350503
Vezetı Vezetı szerves molekulá molekulák, polimerek
Vezetı Vezetı szerves molekulá molekulák, polimerek • Molekulá Molekulán belü belül konjugá konjugált kettı kettıskö skötés rendszer. • Delokalizá Delokalizált elektronok • Kötı pálya: HOMO (legfelsı (legfelsı betö betöltö ltött molekulapá molekulapálya) • Nemkö Nemkötı pálya: LUMO (legalsó (legalsó betö betöltetlen molekulapá molekulapálya) (Megfelel a vegyé vegyérté rték és vezeté vezetési sá sávnak)
Kis molekulá molekulájú szerves félvezetı lvezetık (1987 KODAK) Oldó Oldószermentes technoló technológia LEDLED-ekné eknél jobb hatá hatásfok, mint a polimerek Dendrimerek Fulleré Fullerén szá származé rmazékok Kis molekulák
Anyagvá Anyagválaszté laszték, vezetı vezetık
Adalé Adalékolá kolás
részleges oxidá oxidálás (elektronleadá (elektronleadás) (p-típusú pusú polimerek eseté esetén fé fémes vezeté vezetés;
részleges reduká redukálás (elektronfelvé (elektronfelvétel) (n-típusú pusú polimerek eseté esetén fé félvezetı lvezetı, szigetelı szigetelı;
„p adalé adalék” halogé halogének, jó jód)
„n adalé adalék” alká alkáli fé fémek, Li, Li, Na)
Polipirrol példá ldáján: pl. ré részleges oxidá oxidáció ció hatá hatására p-típusú pusú lesz
Alkalmazá Alkalmazás elektró elektródké dként Követelmé vetelmények: • • • •
Kis ellená ellenállá llás Sima, egyenletes felü felület Kémiai stabilitá stabilitás Megfelelı Megfelelı (alacsony) kilé kilépési munka
• Fémek; nyomtatható nyomtatható tinta, fé fém (nano)r észecské nano)ré szecskékkel
• Fémoxidok; ITO (indium (indium--ón-oxid) oxid)
• Szé Szén nanocsö nanocsövek
2
Anyagválaszték, vezetık
Elektrolumineszcens anyagok
• Polimerek Fémekné meknél kb 1000 x nagyobb ellená ellenállá llás PEDOT:PSS – – – –
σ ~ 400 1/Ω 1/Ωcm Fényá nyáteresztı teresztı Nyomtatható Nyomtatható Hıálló llóság: >100° >100°C, 1000 óra
(poisztirol szulfonáttal adalékolt polietilendioxi-tiofen)
Anyagvá Anyagválaszté laszték, fé félvezetı lvezetık Követelmé vetelmények: • Nagy elektron / lyuk mozgé mozgékonysá konyság • Sávszerkezet illeszkedjen az elektró elektród kilé kilépési energiá energiájához ⇒ kis ellená ellenállá llású, ohmos kontaktus • Nagyon tiszta anyag • Oldható Oldható és oldatbó oldatból ré réteg készí szíthetı thetı • Stabil, kö környezetá rnyezetálló lló
Anyag
Mozgékonyság [cm2/Vs]
Egykristályos Si
300 - 900
Poli Si
50 - 100
Amorf Si
~1
Pentacen
~1
Vezetı polimerek
~ 0,1
Félvezetı lvezetık • Mozgé Mozgékonysá konyság függ a rétegké tegkészí szítés mó módjá djától: – Oldó Oldószer – Koncentrá Koncentráció ció – Levá Leválasztá lasztás mó módja, hımérsé rséklete, – Hordozó Hordozó felü felülete
• Molekulá Molekulák rendezettsé rendezettsége
Anyagok: fénykibocsá nykibocsátó anyag
Fluoreszcens, foszforeszcens – Kis molekulá molekulák, – Szerves fé fém-komplexek – Dendrimerek – Polimerek Kutatá Kutatási irá irányok: nyok: – Hasonló Hasonló hatá hatásfokú sfokú, életlettartamú tartamú fehé fehér komponensek – Nagyobb hatá hatásfok, élettartam
Foszforeszcens OLED adalé adalékai
Néhány Ir komplex, és a velük megvalósítható foszforeszcencia színei
Dielektrikumok
• Anyagok: • Kis molekulá molekulák, pl. pentacen • Polimerek, pl. politiofen • Nanomé Nanomérető rető szervetlen félvezetı lvezetık beá beágyazva szervesbe Nagy elı elıny a szerves molekulá molekulák gazdag alakí alakítható thatósága „testre szabott” szabott” tulajdonsá tulajdonságok
• Speciá Speciális követelmé vetelmények: – Hibá Hibátlan ré réteg, n x 10nm – Hibá Hibátlan hatá határfelü rfelület a félvezetı lvezetı felé felé – Nyomtatható Nyomtathatóság
• Általá ltalános szigetelı szigetelı követelmé vetelmények:
• Haszná Használt anyagok: – Klasszikus polimer szigetelı szigetelık: PP, PVA, PMMA, PET, stb – Szervetlen dielektrikumok: SiO2, Al2O3, TiO2, de ezek nem nyomtatható nyomtathatók
– Nagy Uát, εrel, kis tgδ tgδ
3
Hordozó Hordozók
Nyomtatá Nyomtatás
Követelmé vetelmények • Hajlé Hajlékonysá konyság • Sima felü felület • Kémiai ellená ellenálló lló-képessé pesség az aktí aktív ré réteg oldó oldószereivel szemben
Hajlé Hajlékony üveg hordozó hordozó
Anyagok: • Üveg • PET, PC, PI, PEN (polietilé polietilén-naftalá naftalát) • Papí Papír felü felületkezelé letkezelés utá után
AFM felü felületi profil Ipari minı minıségő PEN, Megfelelı Megfelelı simasá simaságú hordozó hordozó
Technoló Technológia, ré rétegfelvitel
Si szelet
Szita
Mélynyomás
Flexo
Offset Tinta sugaras
Felbontás (µm)
0,05
>100
>15
> 40
> 15
> 50
Átl. Rétegvastagság (µm)
0,05 – 2
3 – 15
0,8 – 8
0,8 – 2,5
0,5 – 2
0,3 – 20
Tinta viszkozitása (Pas)
-
0,5 -50 0,05 – 0,2
0,05 – 0,5
30 – 100
0,001 – 0,04
Fontosabb nyomtatási módok és néhány jellemzı paraméterük
Nyomtatá Nyomtatás Tintasugaras nyomtatóval készített tranzisztor
Követelmé vetelmény: • Rétegvastagsá tegvastagság: nm µm • Egyenletes vastagsá vastagság • Több ré réteg egymá egymáson • Nagy felü felületen nagy sebessé sebességgel • Olcsó Olcsó Kis mlekulák: OVPD, vákuumgızölés
A kapacitás és a felbontás kapcsolata Tintasugaras nyomtatás
Nyomtatá Nyomtatás • Minden hagyomá hagyományos és új nyomtatá nyomtatási technoló technológia haszná használható lható • „Roll to roll” roll” technoló technológia: egy soron egymá egymás utá után az összes technoló technológiai lé lépés • Fıképp polimerek oldataibó oldataiból készí szíthetı thetı nyomtatható nyomtatható tinta • Hagyomá Hagyományos chip beü beüteté tetése beilleszthetı beilleszthetı a sorba
Nyomtatá Nyomtatás: Offset A mintahengeren a rajzolat felülete oleofil (= olajjal nedvesíthetı), a többi hidrofil. A tinta anyaga oleofil, csak a rajzolatnak megfelelı részen tapad, innen nyomódik át a hordozóra.
4
Nyomtatá Nyomtatás: Flexografikus A mintát a nyomóhenger felületén rugalmas anyagban mélységben alakítják ki. A festék az alsó (anilox) hengerrıl kenıdik a felület kiemelkedı részeire. Legnagyobb termelékenység, mérsékelt felbontás, pontatlan kontúr
Alkalmazás: • TFT kijelzık, hajlékony eszközök • Makroelektronikai eszközökben ált. áramköri elem • „Kis bonyolultságú” integrált áramkörök • Cél a méretcsökkentés, mőködési sebesség növelés
Soft litográ litográfia • A „master” forma kialakítása hagyományos fotolitográfiai módszerrel • Errıl negatív lenyomat készül lágy polimer anyagból • Ez bélyegzı-szerően használható a tinta (funkcionális anyag) átvitelére • Nagyon jó felbontás, fejlesztési cél a mikroelektronikai alkalmazás Dip-pen litográfia: AFM mikroszkóp elv megfordítása
Eszközök; Vékonyré konyréteg tranzisztor • Amorf Si (poli Si) Si) AMLCD (TFT) kijelzı kijelzıkben • OFET jellemzı jellemzık: – Méret: 10 -50 µm – dielektrikum vastagsá vastagság: n x 100 nm – Minimá Minimális csatorna hossz – A dielektrikum/fé dielektrikum/félvezetı lvezetı hatá határ sima és hibamentes – Közelí zelítıleg ohmos kontaktus a félvezetı lvezetı és az S, D elektró elektródok között
Tranzisztor
Eszkö Eszközök: RFID Rádió diófrekvenciá frekvenciás azonosí azonosító címke
Passzí Passzív/aktí v/aktív: kü külsı lsı/sajá /saját energia Mikroelektronikai elemekbı elemekbıl drá drága Nagymé Nagymérté rtékő elterjedé elterjedés, ha az ár < 5 – 10 cent Teljes nyomtatott kivitelben 16 bites HF cí címke ~ 10 cmcmig olvasható olvasható
~900 MHz
13,56MHz
Eszkö Eszközök: OLED
Tranzisztor
Vilá Világítástechnika
Kijelzı Kijelzık
• Lehetı Lehetıség egé egészen új típusú pusú vilá világításra
• Lehetı Lehetıség
– – – –
Nagy sí sík felü felület Kis feszü feszültsé ltség Versenyké Versenyképes hatá hatásfok Változtatható ltoztatható szí színek
• Problé Problémák Fent: OFET keresztmetszeti rajza, Lent: Tintasugaras nyomtatással készített tranzisztor AFM felvétele
UHF HF
– Élettartam, stabilitá stabilitás – Szí Színvisszaadá nvisszaadás (fehé (fehér)
– – – – – –
Aktí Aktív fé fényő nyő kijelzı kijelzı ~ 180° 180° látószö szög Nagyon vé vékony (mm) Hajlé Hajlékony, Átlá tlátszó tszó, Papí Papír(szerő r(szerő) hordozó hordozón
• Problé Problémák – Élettartam, ár
5
A fé fénykibocsá nykibocsátó polimer eszkö eszköz mőködése
Fehé Fehér OLED
Fénykibocsátó polimer réteg
+
Átlátszó elektród
-
Fém elektród
• Zöld: Alq3, tris(8-quinolato)Al
• Narancs: pl. BePP2:rubrene • Kék: pl. BePP2,
Hordozó
Emittált fény
fenilpiridinBe
• TPD: trifenil-diamin
Az OLED fé fénykibocsá nykibocsátása
ElektronElektron-lyuk pá pár talá találkozá lkozás exciton Stabil ké képzı pzıdmé dmény Megsző Megszőnés energia felszabadulá felszabadulás foton kisugá kisugárzá rzás Foszforeszcens OLED sávdiagramja feszültségmentes és bekapcsolt állapotban
Fényhasznosí nyhasznosítás:
A fényhasznosítás és a fénysőrőség változása a LED-re kapcsolt feszültség függvényében
Eszkö Eszközök: Kijelzı Kijelzık
Tulajdonságok: • Aktív fényforrás, nem kell háttérvilágítás, polárszőrı • ~ 180°-os látószög • Kis fogyasztás (hordozható eszközökben) • Gyors mőködés, kapcsolási idı < 1ms • Nagyon vékony, d < 1µ µm (+ hordozó)
emittát fényáram (lumen) felvett vill. teljesítmény (W)
Javítás: – IQE, EQE (belsı- külsı kvantumhatásfok) maximális – Villamos veszteségek csökkentése ≈ R csökkentés – Töltésinjektálás potenciálgátjának csökkentése Elektród kilépési munka illesztése vagy köztes réteg – Rétegvastagság csökkentés, de! Exciton diffúziós úthossz ~100nm, kell egy exciton blokkoló réteg 2002-es csúcs: 76 lm/watt, zöld PHOLED
Passzí Passzív má mátrix display • Pixel bekapcsolás: X. és Y. sávra Uk • Kis fénysőrőség • ITO ellenállása miatt a sor végén kisebb U • Kismérető kijelzık, pl. telefon, kamera
6
Áramforrá ramforrások
Eredeti kép és a passzív mátrixú kijelzın elromló megjelenítése
Aktí Aktív má mátrix display: AMOLED
• Elektroké Elektrokémiai : elemek, akkumulá akkumulátorok • Szuperkapacitá Szuperkapacitások • Napelemek Mindegyik elı elıállí llítható tható hajlé hajlékony hordozó hordozóra, vékonyré konyréteg technoló technológiá giával
Nyomtatott elem rétegszerkezete és fotója
Áramforrá ramforrások
• Pixel címzés vékonyréteg tranzisztorral • Stabil, ellenırizhetı, módosítható feszültség pixelenként • Nagy kontraszt, nagy fényerı, gyors mőködés • Poli-Si, amorf-Si, polimer TFT Aktív mátrixú OLED kijelzı meghajtó áramköre és keresztmetszete
Hajlé Hajlékony display
Akku és szuperkondenzátor hasonló szerkezete
Akku és szuperkondenzátor tandem kapcsolása. Az akku kisülése alatt feltölti a kondenzátort
Áramforrá ramforrások
Polimer napelem szerkezete Alkalmazási példa
7
Fejleszté Fejlesztési tervek • Érzé rzékelı kelık • Intelligens ruhá ruházat • Intelligens csomagolá csomagolás
Organic LED for Lighting Application
„lab on a chip” chip”
Nyomá Nyomásérzé rzékelı kelı mestersé mesterséges bı bır
• EU 6. keretprogram • Kezdemé Kezdeményezı nyezı: Philips • Partnerek: Siemens – Osram, Osram, Aixtron, Aixtron, Covion, Covion, Novaled, Novaled, TU Dresden
Köszö szönöm a figyelmet!
rubrene
8
