Neviditelní pomocníci

V displejích, dotykových senzorech nebo například ve velmi tenkých topných tělesech se používají ohebné průhledné fólie s vysoce vodivou vrstvou. Vodivému materiálu, ze kterého se v dnešní době tato vrstva nejčastěji skládá, se říká ITO (indium tin oxide, směs oxidu cíničitého SnO2 a inditého In2O3). Před aplikací se však u tohoto materiálu musí velmi nákladným a zdlouhavým procesem vytvořit vzorek. Díky nově vyvinutému procesu výroby lze nyní dosáhnout ekonomičtější výroby a lepších funkčních vlastností.

Obr. 1 Nosiče elektronického obvodu mohou být vyrobeny metodou Roll-to-Roll

Tištěná elektronika (obr. 1) je obecný název používaný pro elektronické součástky nebo sestavy, které jsou zcela nebo zčásti vyráběny pomocí tisku. Pro tyto účely se místo tiskových barev používají elektronicky funkční materiály [1], které jsou zpravidla na bázi plastu. Použitím moderních metod velkoobjemového tisku se výrazně snižují výrobní náklady. Díky možnosti tisknout novými funkčními materiály na velké ohebné podklady se tištěná elektronika zpřístupňuje i segmentům, kde se dosud konvenční (anorganická) elektronika používala omezeně nebo vůbec. Díky tištěné elektronice se rozvíjejí nové technologie i jejich použití, jako například v RFID čipech (obvody bezdrátové identifikace) [2], v displejích a solárních článcích.

PolyIC GmbH & Co. KG, společný podnik firem Siemens AG a Leonhard Kurz Stiftung & Co. KG se sídlem v německém Fürthu, je lídrem ve vývoji tištěné elektroniky. Principem tištěné elektroniky je nanášení elektricky vodivých, polovodivých i izolačních materiálů na několik přes sebe umístěných vrstev na podkladovou polyesterovou fólii (zpravidla vyrobenou z polyethylentereftalátu – PET). Tisk se provádí přesně podle předem vypracovaného návrhu, čímž se vytváří obvody a elektrické komponenty. Ty se pak používají například v RFID čipech. Tištěné spoje tak umožňují nízkonákladovou výrobu RFID čipů pro nová hromadná využití. Tato technologie se také používá v displejích a komplexních systémech nazývaných „smart objects“.

Tištěné RFID čipy se skládají z několika různých komponent. Velkou výhodou této nově vyvinuté technologie výroby je to, že všechny potřebné prvky integrovaných obvodů mohou být vytvořeny pomocí jedné struktury vrstev. Výroba všech komponent RFID čipu se proto provádí na ohebném podkladu způsobem „Roll-to-Roll“ a jejich tisk vyžaduje jen několik málo kroků. Díky tomu je možné produkty vyrábět ve velkých sériích s malými náklady. Úspěšná výroba tištěné elektroniky způsobem „Roll-to-Roll“ má své specifické požadavky z hlediska materiálů, procesů, návrhu a testování. Všechny materiály musí mít adekvátní funkčnost a poskytovat záruku dlouhodobé dodávky ve vysokých objemech (řády kilogramů) při nízkých cenách.

Při výběru vhodného výrobního procesu je jedním z důležitých parametrů rychlost výroby, která jde ruku v ruce s krátkou dobou schnutí a nízkou výrobní teplotou. Kromě toho se při výrobním procesu používají výhradně netoxické a nevýbušné materiály a rozpouštědla.

Výrobní proces Roll-to-Roll

Obr. 2 Role výrobku zhotovená způsobem Roll-to-Roll

Parametry výrobního procesu válce jsou uvedeny v tabulce č. 1 a na obr. 2. Klíčovými parametry na trhu tištěné elektroniky, a zejména pak v segmentu RFID čipů, jsou především rychlost výroby > 30 m/min a možnost dosažení velkých výrobních sérií.

Tabulka 1 Parametry výrobního procesu Roll-to-Roll

Výroba RFID čipů vyžaduje polem řízené organické tranzistory (OFET) s vysokou funkčností, což lze ovlivnit především vysokým rozlišením, tj. malou velikostí struktur na nižší úrovni elektrod (emitory a kolektory). V posledních letech se společnosti PolyIC podařilo vyvinout nový proces výroby elektrod, který umožňuje výrobu tenkých vodivých spojů ve vysokém rozlišení a který je díky způsobu výroby Roll-to-Roll navíc realizovatelný ve velkém množství (obr. 2). Tato technologie, která spočívá v nanášení vodivých vrstev na PET podklad, je alternativou k dosud užívané technologii ITO. Nanášením struktur ve vysokém rozlišení (řádově μm) na tenkou ohebnou PET fólii (běžné rozlišení je 15 μm) lze dosáhnout nejen dostatečné vodivosti, ale také průhlednosti.

Obr. 3 Výsledek výrobního procesu PolyIC: struktury s vysokým rozlišením na ohebném podkladu

Průhlednost a vodivost lze upravit dle požadavků zákazníka tím, že se upraví poměr využití plochy vodivým materiálem (tj. šířka a hustota vodivých struktur na metr čtvereční podkladové PET fólie).Použité vodivé materiály jsou kovy, které v závislosti na aplikaci mohou být použity v celé délce a šířce fólie, nebo pouze jako jediný vzor. Obr. 4 znázorňuje rozvržení vzoru průhledné vodivé vrstvy.

Obr. 4 Rozvržení vzoru průhledné vodivé vrstvy: detaily jednotlivého rozvržení (vlevo), vzor (vpravo)

Ekonomičtější tisk vrstev na fólii

Pokud vezmeme na vědomí nedostatek zdrojů, a to zejména světové zásoby india, je jasné, že je čím dál naléhavěji potřeba vyvinout nové technologie pro výrobu vodivých vrstev. Hledání alternativních způsobů výroby se věnuje celá řada výzkumných a vývojových středisek. Přestože existuje mnoho projektů, které se zabývají novými anorganickými materiály, jako například oxidem zinečnatým (ZnO) nebo uhlíkovými nanotrubicemi, mnohé společnosti se věnují vývoji nových polymerů, které by mohly nahradit vrstvy ITO. Veřejnost zná polymery jako nevodivé materiály. Existuje ovšem speciální druh polymerů, kterým se říká vodivé polymery, jejichž vodivost se řadí mezi vodivost polovodičů a kovů, tj. v řádu 102 až 103 S/cm [3]. Ukázkovým příkladem vodivého polymeru je systém PEDOT/PSS – poly (3,4-ethyl-enedioxythiofen) / polystyrensulfonát.

Obr. 5 PolyIC technologie: vodivost porovnaná s jinými materiály

Ve srovnání s těmito alternativními systémy materiálů nabízí nová technologie firmy PolyIC pro výrobu průhledných vodivých vrstev na fóliích lepší průhlednost i vodivost (obr. 5).Z grafu vyplývá, že produkt firmy PolyIC lze považovat za alternativu k vrstvě ITO. Tabulka č. 2 shrnuje důležité technické parametry fólie s vodivou vrstvou.

Tabulka 2 Důležité technické vlastnosti fólií s vodivou vrstvou od firmy PolyIC

Jak již bylo zmíněno, v současnosti používané fólie s vrstvou ITO budou nahrazeny nově vyvinutou alternativou. Jedná se o transparentní nosiče fólií (nejlépe PET) s vysokým rozlišením a vodivými strukturami. Vodivé struktury od firmy PolyIC mají rozlišení 15 μm. Samy o sobě nemusí být průhledné, protože potřebný přenos světla je zaručen strukturami s vysokým rozlišením. To znamená, že vodivé struktury zabírají pouze zlomek povrchu (< 10 %), a díky tomu lze použít i materiály, které nepropouští světlo, ale jsou vysoce vodivé, jako například stříbro nebo měď. Pečlivou úpravou parametrů procesu lze s těmito vodivými materiály dosáhnout měrného odporu 0,4 až 1 Ω/sq. Vodivost průhledné oblasti je tak možné individuálně upravit, aby odpovídala například běžným hodnotám fólií ITO. Další velkou výhodou této technologie je dosažení vysoké a konzistentní průhlednosti ve velkém rozsahu vlnové délky. Obr. 6 porovnává průhlednost vodivých vrstev od společnosti PolyIC na všech vlnových délkách s průhledností podkladu a běžně dostupných fólií ITO.

Obr. 6 Průhlednost PolyIC vodivého povlaku porovnaná s ITO filmy

Ve srovnání s běžnými fóliemi ITO nabízí průhledné vodivé fólie od společnosti PolyIC následující výhody:

• výrobu individualizovaných návrhů dle přání zákazníka,
• eliminaci nákladného procesu při výrobě struktur,
• vysokou průhlednost v rozsahu vlnové délky 400 až 800 nm.
• možnost určení vodivosti a měrného odporu povrchu,
• použití tenkého, lehkého a ohebného PET podkladu,
• nízké náklady díky použití způsobu výroby Roll-to-Roll.

Závěr

Vysoká cena i nízké zásoby ITO znamenají, že je nutné vyvíjet nové technologie, které by mohly uspokojit požadavky neustále rostoucího trhu – zejména pak v oblasti displejů a dotykových obrazovek. Při použití způsobu hromadné výroby Roll-to-Roll mohou být vodivé fólie vyráběny ve velkém množství, což ve srovnání s dosud používanými fóliemi ITO znamená i nižší výrobní náklady. Nová technologie výroby průhledných vodivých vrstev, kterou vyvinula společnost PolyIC, proto může být považována za zajímavou alternativu k fóliím ITO.

Poznámka:

Polyethylendioxythiofen (PEDOT)

Polythiofeny jsou díky své stavbě považovány za elektrické polovodivé polymery. Takové polymery lze pomocí oxidace přeměnit na vodivou formu. Jedním z nejdůležitějších derivátů polythiofenů je polyethylendioxythiofen (PEDOT). Tenké fólie v oxidované formě (PEDOT/PSS) se vyznačují vysokou tepelnou, fotochemickou a hydrolytickou stabilitou a také průhledností ve viditelném spektru. PEDOT/PSS se používá jako anodová vrstva v organických diodách emitujících světlo (LED).

Vodivé, antistatické a transparentní vrstvy pro různé účely lze vyrobit následujícím způsobem: suspenze polymeru ve formě glových částic ve vodě je spolu s polystyrensulfonátem (jakožto dotovací látkou) aplikována na podklad. Během fyzického schnutí se formuje fólie.

Indium-tin-oxide (ITO)

Indium-tin-oxide (ITO) je ve viditelném spektru průhledný, ale zároveň elektricky vodivý. Je vhodný pro zabránění elektrostatického nabíjení, může být použit jako termistor nebo kontaktní materiál pro elektrické panely. Odráží infračervené záření. Určujícím parametrem vrstvy ITO je odpor na určitou plochu (Ω/sq).Tloušťka vrstvy udává její chování z optického hlediska. Jako vysoce refrakční materiál je ITO velmi odrazivý. Přidáním dalších vrstev lze odrazivost snížit.

Originál článku: Invisible helpers / Kunststoffe international 4/2010.