Painatustekniikan hyödyntäminen valmistustekniikkana

Transkriptio

1 Painatustekniikan hyödyntäminen valmistustekniikkana Yleistä RFID-tagit LEP (light emitting polymer) Värisuotimet TFT (thin film transistor) Mikko Nuutinen /

2 Painatustekniikan hyödyntäminen valmistustekniikkana Monet perinteiset valmistusmenetelmät massatuotantoon liian kalliita tai monimutkaisia Painamalla valmistettujen komponenttien suorituskyky ei yleensä vastaa perinteisin menetelmin valmistettujen komponenttien suorituskykyä Painamalla valmistettujen komponenttien päämäärä on avata uusia sovellusalueita (esim. kertakäyttötuotteet) Perusjatus: funktionaalisesta materiaalista valmistetaan muste, joka pystytään siirtämään luotettavasti halutun rakenteen muotoon siten, että materiaalin funktionaalisuus säilyy GT-raportti 3/2005 Mikko Nuutinen /

3 Painatustekniikan hyödyntäminen valmistustekniikkana Korvaamalla elektroniikan valmistuksessa normaalisti käytetty pii johdepolymeereillä tai metallipartikkeleilla voidaan valmistaa painatusteknisesti muun muassa: passiivikomponentteja johtimia sensoreita, joiden sähköinen vaste muuttuu olosuhteiden muuttuessa RFID-antenneita Optiikan painamalla valmistettavia sovelluksia ovat muun muassa mikrolinssimatriisit valosuotimet Lisäksi osia OLED- ja LCD-näytöistä voidaan valmistaa painamalla valoa emittoivia tai johtavia polymeerejä GT-raportti 3/2005 Mikko Nuutinen /

4 Painatustekniikan hyödyntäminen valmistustekniikkana Perinteiset painomenetelmät soveltuvat komponenttien massatuotantoon komponenteilla on kuitenkin aina sama toiminnallisuus vaatimuksena lisäksi tasainen alusta (esim. muovikalvo tai paperi) Perinteisistä painomenetelmistä silkkipaino on ollut suurimman kiinnostuksen kohteena Mustesuihku soveltuu pienten sarjojen ja yksittäiskappaleiden valmistukseen tasainen tai epätasainen alusta (kontaktiton menetelmä) mustetta säästävä menetelmä, mikä tärkeää elektroniikan ja optiikan komponenttien valmistuksessa (käytetyt musteet erityisen kalliita) Pietsosähköistä tekniikkaa pidetään sopivimpana, koska muste altistuu vain akustiselle paineelle Termisessä tekniikassa muste lämpenee jopa 300 C:een pisaranmuodostuksen aikana, joka saattaa vahingoittaa funktionaalisia komponentteja Jatkuvaan tekniikkaan perustuvissa mustesuihkutekniikoissa musteen kierrätys vaatii suuria mustemääriä Lisäksi kierätys saattaa tuoda musteeseen epäpuhtauksia GT-raportti 3/2005 Mikko Nuutinen /

5 Nanopartikkelimusteet Muste sisältää nanopartikkeleita, jotka koostuvat metallisesta ytimestä sekä eristävästä polymeerikuoresta Tulostuksen jälkeen nestefaasi haihtuu Lämpötilaa kohottamalla myös polymeerikuori sulaa tai haihtuu ja metalliytimet pääsevät kosketuksiin toistensa kanssa ja syntyy johtava rakenne GT-raportti 3/2005 Mikko Nuutinen /

6 Polymeerit Eristäviä, puolijohtavia tai johtavia ominaisuuksia riippuen kemiallisesta luonteesta Liuosfaasiprosessoitavuus mahdollistaa painamisen Kevyitä, kestäviä rasitukselle ja taivutukselle, mahdollista painaa suurellekin pinta-alalle Verrattuna esimerkiksi piihin rajallinen varauksenkuljetuksen suorituskyky Mikko Nuutinen /

7 Painettu RFID-tagi RFID (Radio Frequency Identification Device) Tiedon keräys- ja siirtotekniikka Informaatio siirtyy radiotaajuusaalloilla Painettu sähköinen koodi (vrt. painettu optinen koodi) Koostuu mikrosirusta sekä antennista Passiivinen (virta lukijalta) tai aktiivinen (oma virtalähde) Passiivisen tagin lähetysetäisyys 0.5 m Tiedonsiirtotaajuudet: 125 khz, MHz, 869 MHz (915 MHz USA) tai 2.45 GHz Optisiin painettuihin koodeihin nähden tagit voivat sisältää huomattavasta enemmän informaatiota Sovellettavuutta saattaa rajoittaa radioaaltojen heijastuminen metallista ja absorboituminen veteen Mikko Nuutinen /

8 Painettu RFID-tagi Tulevaisuuden ruokakauppa, kenkäkauppa, jääkaappi (?) Kertakäyttötuotteeseen liitetty tagi edellyttää matalia valmistuskustannuksia: 1-2 senttiä (tällä hetkellä senttiä) Mikko Nuutinen /

9 Painettu RFID-tagi Perinteisesti antenni on metallikela tai syövytetty metallikalvo Antennit mahdollista valmistaa myös painamalla jollakin johtavalla musteella Painetun antennin edut: edullisia, pieni materiaalihukka, mahdollista valmistaa korkeilla nopeuksilla, voidaan painaa paperille Periaatteessa mitä tahansa painomenetelmää voidaan soveltaa, mutta silkkipaino ja mustesuihku tällä hetkellä yleisimmät Ongelmia: silkkipainolla ei saavuteta korkeaa resoluutiota, mustesuihku tuottaa sateliitteja, kumpikaan ei sovellu massatuotantoon * ** * ** Mikko Nuutinen /

10 Painettu siruton RFID-tagi CrossID:n siruton RFID-systeemi tai hands-free viivakoodi Perustuu magneettisuusasteeltaan vaihtelevien nanometristen kemikaalipartikkelien painamiseen tai upottamiseen paperille Lukija emittoi sähkömagneettista säteilyä, jota partikkelit resonoivat ja emittoivat tiettyä partikkelikohtaista radiotaajuutta Maksimilukuetäisyys ~ 3 m ilman näköyhteysvaatimusta Kehitetyssä systeemissä mahdollista 70 erin kemikaalin käyttö esim. seos sisältää ainoastaan kemikaaleja A ja C upotettu tai koodattu binaarijono olisi 101 (+ 67 nollaa) Vastaavasti kuten normaaleilla RFID-tageilla ympäristö rajoittaa käyttöä ympäristössä oleva metalli heijastaa ja vesi absorboi radiotaajuuksia Mikko Nuutinen /

11 Painettu näyttö Tulevaisuuden visio voisi olla se, että koko näyttö valmistetaan painamalla ja ns. rullalta-rullalle-prosessilla Edellytyksenä, että kaikki komponentit voidaan valmistaa painamalla funktionaalisella musteella Lisäksi käytetyn alustan tulee olla taipuisa, kuten paperi tai muovi Mikko Nuutinen /

12 OLED-näytöt OLED (Organic Light Emitting Diode) -näyttöjä pidetään lupaavana teknologiana LCD- ja plasmanäyttöjen korvaajaksi OLED-näyttöjen ominaisuuksia korkea huippukirkkaus, matala mustataso, nopea vasteaika, laaja katselukulma... lisäksi erittäin ohuita (< 2 mm) ja vähävirtaisia... Valoa emittoiviin, tulostettaviin polymeereihin perustuvaa tutkimusta on tehnyt ainakin: Cambridge Display Technology, Casio, Dupont Displays, Philips, Samsung Electronics, Samsung SDI, Seiko Epson, Toshiba... Tällä hetkellä OLED-tekniikkaan perustuvia näyttöjä esim. kännyköissä ja digitaalikameroissa Ennusteen mukaan fyysisesti suuremmat näytöt markkinoille vuonna (SID 2004) Samsung SGH-E700A Kodak EasyShare LS633 (OLED-näyttö) Mikko Nuutinen /

13 OLED-näytöt OLED-näyttöjä kahden tyyppisiä (jako perustuen materiaalien molekyylikokoon) Pienmolekyyli-OLED (Small Molecule Organic Light Emitting Diodes, SMOLED) Polymeeri-OLED (Light-Emitting Polymers, LEP) SMOLED-näyttö valmistetaan tyhjiöhöyrystyksellä LEP-näyttö mahdollista valmistaa standardeilla liuospäällystysmenetelmillä, kuten mustesuihkutulostuksella Liuospäällystys vs. höyrystys höyrystys: pitkä ja monimutkainen valmistusprosessi, tehoton energian ja materiaalin käyttö liuospäällystys: valmistuskoneet fyysisti pienempiä ( energian kulutus pienempi), tehokas materiaalin käyttö, nopeus lisäksi liuospäällystysmenetelmällä mahdollista valmistaa täysvärillinen LEP-näyttö Mikko Nuutinen /

14 LEP-näytöt Valoa emittoivat polymeerit ovat johtavia polymeerejä, jotka emittoivat valoa kytkettäessä pieniä jännitteitä LEP-näytön perusrakenne: aukkojen syöttö/siirtokerros (ei-emissiivinen johtava polymeeri) elektronien syöttö/siirtokerros eli emissiivinen kerros Soluun johdetaan sopiva jännite, aukot (+) ja elektronit (-) yhdistyvät emittoiden valoa (EL-ilmiö) 1. läpinäkyvä alusta (esim. lasi) 2. läpinäkyvä anodi (ITO, indiumtinaoksidi) 3. ei-emissiivinen aukkojen syöttö/siirtokerros (PEDOT:PSS) 4. emissiivinen polymeerikerros 5. metallinen katodi (esim. alumiini, kalsium, barium tai hopea) IS&T s NIP18, s Mikko Nuutinen /

15 LEP-näytöt LEP-näyttöjen painaminen mahdollista eri painomenetelmillä Esim. silkkipainotekniikka Mustesuihkutekniikka kuitenkin kehittynein Erityisesti Pietsosähköinen tekniikka soveltuu hyvin, koska mustetta ei kuumenneta, mikä voisi aiheuttaa haitallisia muutoksia johdepolymeereihin, mahdollistaa useiden erilaisten nesteiden tulostuksen syötetyn jännitteen aallon muotoa (voltage wave form) säätämällä Epäjatkuva tekniikka Mikko Nuutinen /

16 LEP-näytöt: tulostusprosessi TFT (thin film transistor) -alustan päälle lisätään polymeeriseinämät Alustan pinnan energiaominaisuuksia käsitellään, jotta muste saadaan johdettua oikeaan osapikseliin polymeeriseinämien pinta hydrofobiseksi alustan hydrofiilisyys säilytetään Tulostetaan aukkojen syöttö-/siirtokerros Tulostetaan elektronien syöttö-/siirtokerros eli emissiivinen kerros Lisätään katodi sekä taustamateriaali Mikko Nuutinen /

17 LEP-näytöt: tulostusprosessilta vaadittuja ominaisuuksia Musteelta vaadittuja ominaisuuksia suihkutettavuus tulostettujen kalvojen tasaisuus ei tuki suuttimia riittävä kuivumisnopeus Tuotetuilla mustepisaroilla tulisi olla vakiollinen massa sekä nopeus Tulostupäältä vaadittuja ominaisuuksia: Pisarakoko (drop size)» 10 pl mustepisaran laskettu halkaisija on noin 30 µm ja, kun se sijoitetaan 50 µm pikseliin jää (ainoastaan) +/-10 µm toleranssi (vastaavasti 5 pl toleranssi +/- 14 µm) Pisaran muoto (drop formation)» pisaroiden häntien (tails) ja sateliittien (satellites) eliminointi parantaa saantoa sekä näyttöjen laatua» pyöreät pisarat, minimaalisilla sateliiteilla täyttävät osapikselit ilman, että värit sekoittuvat SID 2003, s Mikko Nuutinen /

18 LEP-näytöt: tulostusprosessilta vaadittuja ominaisuuksia (...jatkoa) Tulostupäältä vaadittuja ominaisuuksia: Sijoitustarkkuus (positional accurate):» sijoitustarkkuuden mitta määrittyy suihkutuksen suoruudesta ja suihkun sijainnista alustaan nähden» tyypillisen toimistotulostimen pikselidensiteetti 4800 dpi (sijoitustarkkuus näin laskettuna olisi noin 5 µm)» eo. tarkkuus enemmän kuin riittävä täysvärillisen LEP-näytön valmistukseen (osapikselien koko > 50 µm)» haasteena kuitenkin tulostupäiden suuttinten sekä oikeiden osapikselien tarkka kohdistus vaatimuksena muutaman mikrometrin sijoitustarkkuus koko näyttöpinnan alueelle SID 2002, s Mikko Nuutinen /

19 Valoa emittoivat polymeerit: massatuotanto Philips kehittänyt massatuotantoon soveltuvan tulostusjärjestelmän Pietsosähköiseen mustesuihkutekniikka Philipsin ensimmäinen tuote tuli markkinoille vuonna 2002 (monokromaattinen näyttö partakoneessa) Tällä hetkellä panostus täysvärillisten näyttöjen tuotannossa Täysvärillisen näytön tuotantolinja: Neljä Spectran tulostuspäätä (256 suutinta / tulostuspää):» (tp-1) ei-emittoivan kerros (PEDOT)» (tp-2,-3,-4) punaista, vihreää ja sinistä valoa emittoivat kerrokset (RGB-LEP kerrokset) mahdollinen alusta 350 x 350 mm (gen. 2) ensimmäinen tuote 1 puhelimen (PM-) värinäyttö SID 2004, s Mikko Nuutinen /

20 Valoa emittoivat polymeerit: massatuotanto...philipsin järjestelmän jatkoa Philips määrittää tulostuksen suorituskyvyn kannalta kaksi pääparametria: pisarakoon yhtenäisyys suihkutuksen suoruus Philipsin määrittämä tulostuspäiden suorituskykytavoite massatuotannossa (gen 2 gen 3.5) Parametri 1mm stand-off (µm) pisaran nopeus (m/s) nopeuden yhtenäisyys (%) pisarakoko (pl) pisarakoon yhtenäisyys (%) maksimaalinen suihkutustaajuus (khz) Yhteensopivuus Gen 2, 130 ppi ± ±10 < 15 ±2 > 5 LEP, Pedot Gen 3.5, 200 ppi ±5 4 8 ±10 < 5 ±2 > 10 LEP, Pedot SID 2004, s Mikko Nuutinen /

21 Valoa emittoivat polymeerit: protolinja...philipsin järjestelmän jatkoa Tulostusjärjestelmän ideaa kehitetty ja demottu televisiosovelluksien suuntaan Järjestelmä mahdollistaa 24 alustalle tulostamisen Televisiosovelluksissa vaadittu pikselikoko suurempi, joten yksittäisen pikselin tulostamiseen voidaan käyttää useampaa suutinta Tulostinpään kulma sovitetaan alustaan nähden niin, että suuttimien välinen etäisyys sopii haluttuun pikselien väliseen etäisyyteen Pikselikoko 0.5 mm osapikseliin mustepisaraa SID 2004, s Mikko Nuutinen /

22 Valoa emittoivat polymeerit: protolinja...philipsin järjestelmä jatkoa Valmistettu 13 televisionäyttö Aktiivimatriisiohjaus 576 x 324 pikseliä (16:9) Osapikselikoko 165x501 µm 600 cd/m^2 (ilman kontrastisuodinta) Paksuus mm 6 bittiä/väri CIE värikoordinaatit: R(0.66, 0.34), G(0.39, 0.58), B(0.16, 0.22) CIE värikoordinaatit (EBU): R(0.64, 0.33), G(0.29, 0.6), B(0.15, 0.06) y 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 x EBU LEP SID 2004, s Mikko Nuutinen /

23 Valoa emittoivat polymeerit: proto Epsonin 40 LEP-näyttö Rakentuu neljästä erillisestä paneelista Fotolitografialla tuotetaan pyöreät onkalot/kolot Pietsosähköinen tulostustekniikka 1280 x 768 pikseliä Pikselikoko 128 µm osapikselikoko n. 40 µm Elinaika < 2000 h Elinajan tulisi olla > h (kuluttajasovellukset) 6 bittiä/väri Mikko Nuutinen /

24 Valoa emittoivat polymeerit: demonstraatioita Suomesta Printo-projekti, printattava optiikka ja elektroniikka Tutkimusosapuolet: VTT Elektroniikka, VTT Tietotekniikka, Joensuun, Oulun, Jyväskylän ja Lapin Yliopistot Yritysosapuolet: Asperation, Avantone, Electroplast, Hansaprint, Metso, M- real, Raisio Chemicals/Ciba ja UPM-Kymmene Mikko Nuutinen /

25 Värisuotimet Värisuotimet päästävät tulevan valon tietyn aallonpituusalueen lävitsensä RGB-malli on yleinen kaista (strip) ja mosaiikki (mosaic) kaistamalli yksinkertaisin ja helpoin valmistaa Esim. LCD-näytöissä yleensä värisuodinmatriisi Värisuodinmatriisi rakentuu substraatista, mustamatriisista värisuodinkerroksesta ja suojakerroksesta (+ITO) Kaista Mosaiikkeja: (a) Bayer, (b) Modified Bayer, (c) Green checker field sequency, (d) Kodak, (e) Hitachi, (f) Toshiba NIP , s Mikko Nuutinen /

26 Värisuotimien valmistusmenetelmät Tunnettuja valmistusmenetelmiä: värjäys (dyeing), pigmentin levitys (pigment dispersion), sähkösaostaminen (electro deposition) ja tulostus Perinteiset menetelmät vaativat monimutkaisen prosessin ja kalliit valmistuslaitteet Lisäksi perinteisillä menetelmillä valmistettavien värisuodinmatriisien fyysinen koko rajoittunut värjäys pigmentti tulostus ED väri väriaine pigmentti pigmentti pigmentti paksuus (µm) lämpöstabiilisuus C valostabiilisuus C <100 >500 >500 >500 kemiallinen stabiilisuus huono hyvä hyvä hyvä spektri paras hyvä hyvä hyvä pinta hyvä hyvä hyvä paras resoluutio (µm) kustannukset matalat keskimääräiset keskimääräiset keskimääräiset prosessointiaika lyhyt pitkä pitkä keskimääräinen NIP , s Mikko Nuutinen /

27 Tulostetut värisuotimet: proto OES/Industrial Technology Research Institute Valmistettu tulostamalla kaistamallinen CF Terminen, epäjatkuva mustesuihku CF tulostetaan lasisubstraatin ja mustamatriisin päälle 15, 1024 x 768 pikseliä Pikselikoko 339 x 339 µm (3 * 93 x 339 µm + 3 * 20 x 339 µm) valmistuslaitteisto: alustan dimensiot: X-Y-θ lineaarinen ja matriisi CCD (adaptiivinen sijaintisäätö) tulostinpäät (R, G ja B) alustaa liikuttava moottori NIP , s Mikko Nuutinen /

28 Tulostetut värisuotimet: proto...jatkoa punainen CF päästää myös matalia aallonpituuksia läpi CIE värikoordinaatit: R(0.64, 0.35), G(0.31, 0.52), B(0.13, 0.13) Läpäisykyky: R 90%, G 80%, B 85% 0,7 0,6 0,5 y 0,4 0,3 EBU OES 0,2 0, ,2 0,4 0,6 0,8 x NIP , s Mikko Nuutinen /

29 TFT- eli Aktiivimatriisinäyttö TFT (Thin Film Transistor) Transistori on elektronisten piirien pääkomponentti Näyttösovelluksissa ohutkalvotransistori toimii pikselin kytkimenä Kolme elektrodia: lähde (source) nielu (drain) portti (gate) AM-ohjatut (TFT) näytöt: Portti aukeaa, kun kynnysjännite ylitetään (pikselitasolla) Estetään muun muassa kapasitiivinen kytkeytyminen SID, Seminar Lecture Notes, Volume I, June 4, 2001 Mikko Nuutinen /

30 Tulostetut transistorit Perinteisesti transistorit valmistetaan fotolitografialla tai tyhjiöhöyrystyksellä amorfisesta piistä (a-si) Erityisesti suurempien näyttöjen transistorien valmistuksessa ei tarvetta fotolitografian mallinnustarkkuudelle Mustesuihkutulostusta voidaan soveltaa substraktiivisesti tai additiivisesti transistorien valmistuksessa Digitaalinen fotolitografia Additiivinen prosessointi IS&T Reporter 20(2005)5 Mikko Nuutinen /

31 Tulostetut transistorit: proto Valmistusprosessi 1. Alustan pintaenergiakuviointi (määrittää kanavan leveyden, L) 2. Tulostetaan lähde- ja nielu-elektrodit johtavista polymeereistä 3. Tulostetaan puolijohtava polymeeri kanavan päälle 4. Tulostetaan eristävä polymeeerikerros 5. Tulostetaan portti-elektrodi johtavasta polymeeristä SID 2003, s Mikko Nuutinen /

32 Tulostetut transistorit: AM-EPD-näyttö Elektroforeettinen TFT-näyttö, (EPD, electrophoretic device) EPD: sähkökentän vaikutuksesta liikkuvia partikkeleita kapseloituna (dp ~ 0.5 µm, dk ~ 50 µm) Lähde/nielu- ja portti-elektrodit sekä porttilinja (gate line) valmistettu tulostamalla johtavalla polymeerillä (PEDOT) Proto: 4 x 4 pikseliä (pikselikoko 5 x 5 mm) Vasteaika 500 ms 1 s Kanavan leveys: 10 µm On/off-suhde: 10^5 SID 2002, s Mikko Nuutinen /

33 Tulostetut transistorit: lasi- vs. muovisubstraatti AM-näytön alusta lasialusta: 300 mm x 300 mm aktiivinen näyttöala: x 290 = transistoria/pikseliä bistabiili, monokromaattinen verrannollinen suorituskyky amorfisiin pii-tft-laitteisiin (tekijän mukaan) kanavan leveys: 5 µm on/off-suhde: 10^6 AM-näytön alusta muovialusta paksuus: 125 µm lämmän kesto 150 C (vrt. karakterisointikäyriä) on/off-suhde: 2 x 10^4 Lasi Muovi SID 2004, s Mikko Nuutinen /