Jak se vyrábí tištěná elektronika

Tištěná elektronika je, jak už sám její název napovídá, skutečně tištěna, a to různými technologiemi na různé materiály. K tisku se používají rotační tiskárny (masová výroba), sítotisk nebo např. inkjetové tiskárny (individuální tisk).

Tiskne se na papír, plast, fólie, sklo a další materiály. Jednotlivé druhy fólií mají různé vlastnosti a mnohé jsou vyvinuty speciálně pro tištěnou elektroniku. Některé fólie jsou vodivé, a dokonce i průhledné, ty se používají např. na dotykové displeje.

Při výrobě tištěné elektroniky se tisknou nejenom spoje v podobě plošných spojů, ale dokonce i součástky, jako jsou tranzistory, LED, paměti, senzory, baterie, solární buňky atd.

Výsledkem mohou být displeje (včetně dotykových), antény pro RFID, elektronika na jednorázové použití ve zdravotnictví, solární panely, různé snímače, elektronické jízdenky apod. Pokud je nosným materiálem např. zmiňovaná fólie, pak je natištěná elektronika také ohebná (obr. 1 a 5).

Není problém si představit, že tisk vodivých spojů na papír či fólii bude dosti podobný běžnému tisknutí čar na inkoustových tiskárnách. Rozdíl je vlastně pouze v tom, že se místo běžného inkoustu používá vodivý, který obsahuje částečky vodivých materiálů, jako jsou např. stříbro nebo měď. Vodivý inkoust si pro své vlastnosti vyžaduje trochu pozměněnou tiskovou hlavici, ale princip tisku je stále stejný.

Další otázkou je, jak tisknout součástky, jako jsou např. tranzistory. Zde je potřeba se zmínit o jiném, ale navazujícím oboru elektroniky, kterému se říká organická elektronika. Ta pracuje s materiály na bázi uhlíku, které v mnoha případech umožňují nahradit křemík, tradičně používaný jako základní kámen polovodičových součástek. Kromě toho, že organické materiály nevyžadují při výrobě součástek vysokých teplot, jako je tomu u křemíku, je možné je navíc tisknout na různé materiály, jako jsou právě papír, fólie a podobně. Tak je možné tisknout LED diody (v tomto případě nazývané OLED) i celé displeje, tranzistory (OFET), paměti, solární články, baterie, různé senzory a další součástky. Takovéto součástky sice možná nemají všechny vlastnosti klasických polovodičových komponentů, jako jsou např. úzká tolerance parametrů nebo životnost, ale pro mnohé aplikace jsou použitelné a jejich výroba je levná a poměrně jednoduchá.

Jak je možné natisknout součástku, která sestává z několika částí? Jednoduše tím, že se tiskne několik vrstev potřebného materiálu přes sebe, přičemž jednotlivé vrstvy mohou být odděleny dalšími, izolačními vrstvami. Otvor v izolační vrstvě umožňuje v daném místě kontakt mezi jinak oddělenými vrstvami. Výhodou tisku je, že daný materiál na určité vrstvě se nemusí tisknout na celé ploše, ale jenom tam, kde je potřeba. Takto lze na různém materiálu vytvořit i poměrně složité struktury, které se skládají z organických částí, izolací a vodivých spojů.

Obr. 1 Ohebné organické solární články (Fraunhofer ISE/OE-A, Lope-C 2012)

Tisk na rotačních tiskárnách probíhá podobně jako např. tisk barevné stránky časopisu – každý válec rotační tiskárny tiskne jenom určitou část motivu a vrstvy. Materiál v roli může být dosti široký a přitom se pohybuje kolem válců tiskárny velmi rychle. Proto lze tímto způsobem zvaným „roll-to-roll“ vyrobit velké množství potištěné fólie, a navíc velmi rychle. Takto se tisknou např. displeje a solární články (obr. 1).

Obr. 2 Inkoustová tiskárna DMP-2831 (Dimatix Fujifi lm, LOPE-C 2012)

Inkoustové tiskárny pro tištěnou elektroniku sice pracují na stejném principu jako běžné inkjetové tiskárny, ale jsou v robustním průmyslovém provedení. Jako příklad lze uvést dvě tiskárny firmy Dimatix Fujifilm (obr. 2 a 3). Tisková hlava je navržena tak, aby umožňovala tisk vodivých a organických inkoustů (obr. 4).

Obr. 3 Tiskárna DMP-3000 (Dimatix Fujifi lm, LOPE-C 2012)

Jako vstupní data se pro tiskárny používají různé formáty, jako jsou např. DWG, které se rastrují. Větší tiskárny, jako je např. CeraPrinter od francouzské firmy Ceradrop [2], mají i svůj vlastní CAD software (CeraSlice), ve kterém lze přímo navrhovat součástky a spoje podle potřeby a potom je přímo tisknout.

Obr. 4 Ukázka tisku pomocí tiskové hlavy Dimatix (Dimatix Fujifilm, LOPE-C 2012)

Tak jako se některé firmy specializují na výrobu tiskáren, např. zde zmíněné Dimatix [1] a Ceradrop [2], jiné vyvíjí a/nebo vyrábí vodivé inkousty potřebné pro tisk, jako např. Novacentrix [3]. Tisk vodivého inkoustu není zcela jednoduchou záležitostí, protože výsledné provedení natisknutého spoje nebo obrazce závisí na mnoha okolnostech, jako je provedení tiskové hlavy, inkoust, materiál použitý k tisku atd. Proto jsou k dispozici další zařízení, která analyzují proces tisku daným inkoustem a umožňují definovat potřebné parametry. Tak např. zařízení JetXpert [4] zobrazuje a analyzuje dopadnutí kapky inkoustu na daný materiál při použití různých standardních tiskových hlav. Některé inkousty schnou na volném vzduchu, jiné vyžadují vytvrzení při vyšší teplotě v zařízení, které je samostatné nebo součástí tiskárny.

Obr. 5 Ohebný displej (Plastic Logic GmbH, LOPE-C 2012)

Nejvýznamnější odbornou akcí v Evropě, která se zabývá prezentací tištěné a organické elektroniky je výstava LOPE-C, která se pravidelně koná v Mnichově. Její letošní ročník proběhne ve dnech 12.–13. 6. 2013. Paralelně k výstavě proběhne i konference, která začíná již o den dříve (11. 6. 2013). Všichni, kteří se chtějí o této oblasti elektroniky dozvědět více, by si tuto akci rozhodně neměli nechat ujít. Podrobnější informace najdete na webových stránkách: www.lope-c.com/en/ exhibition/