Обзор технологий гибкой электроники

Аннотация В этой главе представлен обзор истории, концепций и возможных применений гибкой электроники с точки зрения технологий материалов и изготовления. Основное внимание уделяется электронным поверхностям с большой площадью. Они изготовлены из оптоэлектроники задняя и передняя панели, которых изготовлены как полностью интегрированные схемы на гибких подложках. Обсуждение охватывает гибкую электронику и, при необходимости, подходит к технологии предшественников жесткой подложки. Гибкая электроника - это широко открытая и быстро развивающаяся область исследований, разработок, экспериментального производства и полевых испытаний. В этой главе рассматривается перспективные технологии, систематизируя их и описывая типичные примеры.

История гибкой электроники

В этой главе мы рассмотрим недавно появившийся сегмент гибкой электроники, который в значительной степени связан с активными тонкопленочными транзисторами (TFT). Поэтому этот обследование является представительным, но неполным. Сегодня для промышленного сообщества гибкая электроника означает гибкие дисплеи и массивы рентгеновских сенсоров. Для исследователей гибкость означает конформную форму дисплеев и датчиков, электронный текстиль и электронную кожу.

Развитие гибкой электроники относится к 1960-м годам. Первые гибкие массивы солнечных батарей были сделаны путем прореживания монокристаллических кремниевых пластинчатых ячеек до ~100 мкм, а затем их сборки на пластиковой подложке для обеспечения гибкости . Энергетический кризис 1973 года стимулировал работу на тонкопленочных солнечных элементах как путь к снижению стоимости фотоэлектрического электричества. Из-за их относительно низкой температуры осаждения, (a-Si:H) пленки могут изготавливаться на гибких металлических или полимерных подложках. В 1976 году Вронски, Карлсон и Даниэль из RCA Laboratories сообщили о солнечном элементе Pt / a-Si: H Schottky, выполненном на подложке из нержавеющей стали, которая также служила обратным контактом. В начале 1980-х годов на подложках из органического полимера («пластика») Plattner et al. Были сделаны n ⁺ -i a-i: H / Pt барьер Шоттки и солнечные элементы p⁺ -i-n⁺ a-Si: H / ITO. и Okaniwa et al., Соответственно. Оканива и коллеги также изучали гибкость своих солнечных элементов. Примерно в то же время CdS, который был разработан для солнечных элементов CdS / Cu₂S на стеклянных подложках, был получен путем непрерывного осаждения на подвижной гибкой подложке в вакуумном устройстве для нанесения катушек на катушку. Начиная с начала 1980-х годов была внедрена технология изготовления рулонных валов солнечных элементов a-Si: H на гибкой стали и органических полимерных подложках. Сегодня солнечные элементы a-Si: H обычно производятся с помощью процессов roll-to-roll.

TFT-матрица — матрица на основе тонкоплёночных транзисторов.

Тонкоплёночный транзистор (TFT, англ. thin-film transistor) — разновидность полевого транзистора, при которой как металлические контакты, так и полупроводниковый канал проводимости изготавливаются в виде тонких плёнок (от 1/10 до 1/100 микрона).

Первый гибкий TFT относится к 1968 году, когда Броди и его коллеги сделали TFT теллура на полосе бумаги и предложили использовать TFT-матрицы для отображения адресации. В последующие годы группа Броди сделала TFT на широком спектре гибких подложек, включая майлар, полиэтилен и анодированную алюминиевую фольгу. TFT могут быть согнуты до радиуса 1/16 дюйма и продолжают функционировать. Они могут быть разрезаны пополам вдоль направления канала, и обе половины остаются в рабочем состоянии.

В середине 1980-х годов индустрия жидкокристаллического дисплея с активной матрицей (AMLCD)началось в Японии, используя с большой площадью аппараты плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD), которые были разработаны для производства солнечных элементов Si:H. Успех промышленности AMLCD на основе a-Si: H TFT на задней панели и демонстрация солнечных элементов a-Si: H на гибких подложках стимулировали исследования тонкопленочных схем на основе кремния на новых подложках. В 1994 году Constant et al. в Университете штата Айова продемонстрировали схемы A-Si:H TFT на гибких полиимидных подложках [13]. Их демонстрация включала два подхода к достижению регистрации наложения в фотолитографии: (1) край полиимидной подложки был прикреплен к жесткой кремниевой пластине с использованием вакуумно-совместимой эпоксидной смолы и (2) конформное покрытие полиимида наносили на кремниевую пластину до образуют полиимидную пленку; после того, как схема TFT была изготовлена ​​поверх полиимидной пленки, она была отсоединена от пластины. В 1996 году a-Si: H TFT были изготовлены на гибкой фольге из нержавеющей стали [14]. В 1997 году сообщалось о поликристаллическом кремнии (поли-Si) TFT, изготовленном на пластиковых подложках с использованием лазерного отжига [15, 16]. С тех пор исследования гибкой электроники быстро расширялись, и многие исследовательские группы и компании продемонстрировали гибкие дисплеи на подложках из стали или пластиковой фольги. Например, в 2005 году Philips продемонстрировал прототипэлектрофоретического дисплея [17], а Samsung анонсировала гибкая жидкокристаллическая панель [18]. В 2006 году Universal Display Corporation и Исследовательский центр Пало-Альто представили прототип гибкого органического светодиодного (OLED) дисплея с полноцветным и полным движением с объединительной панелью из поли-Si TFT, выполненной на стальной фольге [19].

Материалы для гибкой электроники

Общая электронная структура большой площади состоит из (1) подложки, (2) электроники задней панели, (3) фронтальной плоскости и (4) герметизации. Чтобы сделать гибкую конструкцию, все компоненты должны в некоторой степени соответствовать гибкости, не теряя при этом своей функции. Для создания гибкой электроники были использованы два основных подхода: (1) передача и склеивание завершенных схем с гибкой подложкой и (2) изготовление схем непосредственно на гибкой подложке.

Прямое изготовление может потребовать (1) использования поликристаллических или аморфных полупроводников, поскольку их можно выращивать на чужих субстратах, (2) разрабатывать новые технологические процессы, (3) вводить новые материалы и (4) находить компромисс между характеристиками устройства и низким температурным процессом, допускаемым подложками из полимерной фольги. Прямое изготовление на гибких подложках является центром исследований процесса. Новые технологические методы включают печать травленных масок [27, 28], аддитивную печать материалов активных устройств [29-1] и введение электронных функций по локальной химической реакции [32]. Нанокристаллический кремний и печатные полимеры для OLEDs [33] также являются материалами интенсивных исследований. Мы сосредоточимся на прямом изготовлении на гибких подложках, поскольку это самый прямой, а иногда и более инновационный подход к производству электронных поверхностей большой площади.

Степени гибкости

Гибкость может означать много разных свойств для производителей и пользователей. В качестве механической характеристики удобно классифицировать в трех категориях, проиллюстрированных на рис.1.1: (1) с возможностью гибки или с возможностью поворота, (2) постоянной формы и (3) эластично растяжимого.

Когда механически однородный лист толщиной d изгибается до цилиндрического радиуса r, перпендикулярно оси изгиба, его внешняя поверхность расширяется, а внутренняя поверхность его сжимается изгибающей деформацией ε = d / 2r. Когда лист не является однородным, как это имеет место для слоя Т-TFT a-Si: H на пластиковой фольге, деформация на поверхностях модифицируется из этого простого выражения, которое, однако, остается полезным приближением. В объединительных панелях TFT или на всех дисплеях деформация ε должна быть ниже критического значения. Прямой подход к поддержанию ε с низким уровнем даже при резком изгибе до малого r заключается в том, чтобы сделать структуру тонкой. Таким образом, напряжение, испытываемое активными устройствами в гибкой или накатной электронике, может оставаться небольшим, особенно когда устройства помещаются в нейтральную плоскость.

Подложки

Гибкие подложки, которые должны использоваться в качестве замены для пластинчатых подложек, должны удовлетворять многим требованиям.

1. Оптические свойства. Для трансмиссивных или снижающих излучение дисплеев требуется оптически прозрачные подложки.

2. Шероховатость поверхности. Чем тоньше пленка устройства, тем более чувствительной их электрической функцией является шероховатость поверхности.

3. Тепловые и термомеханические свойства. Термическое рассогласование между пленками устройства и подложкой может привести к разрыву пленок во время цикла, связанного с изготовлением. Высокая теплопроводность может иметь важное значение для охлаждения цепей токовой нагрузки.

4. Химические свойства. Подложки не должны содержать растворителей и должны быть инертными к технологическим химикатам.

5. Механические свойства.

6. Электрические и магнитные свойства. Проводящие подложки могут служить общим узлом и электромагнитным экраном. Электроизоляционные подложки минимизируют емкость сцепления. Магнитные подложки могут использоваться для временного монтажа подложки во время изготовления или для закрепления готового изделия.

Для гибких применений доступны три типа материалов для основы: металлы, органические полимеры (пластмассы) и гибкое стекло. Свойства типичных материалов приведены в таблице для фольги толщиной 100 мкм.