Gedruckte Elektronik ist allgegenwärtig und findet sich in so unterschiedlichen Anwendungen wie einer intelligenten Windel oder einer Präzisionsrakete. In diesem Artikel wird TechBlick einige Anwendungen und Technologieentwicklungen für gedruckte Elektronik von der Rolle (R2R) vorstellen.
Dabei nimmt TechBlick Sie mit auf eine Reise, die Anwendungen in den Bereichen Gesundheitswesen, Automobil, Photovoltaik, Displays und darüber hinaus umfasst. Der rote Faden ist dabei der R2R-Druck von Elektronik, unabhängig von der Drucktechnik, z. B. Siebdruck, Flexodruck, Tiefdruck, Schlitzdüse usw. Die hier besprochenen Anwendungen werden nach dem Zufallsprinzip präsentiert und folgen keiner bestimmten Reihenfolge ihrer Bedeutung. Die folgenden Bilder und Beispiele stammen aus 2021 Präsentationen, die bei TechBlick, dem Zentrum für gedruckte, flexible, hybride und In-Mould-Elektronik, gehalten wurden.
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Medizinische Sensoren
Viele Sensoren werden gedruckt. Zum Beispiel werden Glukoseteststreifen gedruckt, oft R2R. Da es sich hierbei um einen schrumpfenden Markt handelt, da die kontinuierliche Glukosemessung (CGM) auf dem Vormarsch ist, werden wir sie hier nicht weiter betrachten.
Die folgende Abbildung zeigt zwei Beispiele für R2R-Siebdruck-Sensoren. Das linke Bild zeigt EKG-Elektroden R2R, die in großen Mengen hergestellt werden, z. B. >1 Mio. Stück/Jahr. Das rechte Bild ist ein Beispiel für einen Inkontinenzsensor, der im Siebdruckverfahren mit leitfähigem Kohlenstoff auf einem dehnbaren Vliesstoff hergestellt wird. Es ist ein Fortschritt in der Kunst des funktionellen R2R-Siebdrucks, mit dehnbaren Farben auf so dünne und gleichmäßig dehnbare Substrate drucken zu können, ohne dass sie knittern oder sich unsachgemäß dehnen und ohne dass sie während der Aushärtung der Farbe schrumpfen.
Quelle: Mekorprint
Der Rotationssiebdruck ist auch die Grundlage für fortschrittlichere, tragbare medizinische Sensoren: intelligente Hautpflaster. Unten sehen Sie eine schematische Darstellung eines solchen Produkts, bei dem im Rotationssiebdruck dehnbare, leitfähige Druckfarben, dielektrische Druckfarben, Silberchloriddruckfarben und mehr verwendet werden. Diese intelligenten elektronischen Hautpflaster bilden die Grundlage für eine tragbare Sensorplattform, die die Messung von Vitaldaten ermöglicht. Die Pflaster können mit der Messung von Herzfrequenz und Atmung beginnen und zu anderen physiologischen Parametern übergehen.
Quelle: Quad Industrien
Eine weitere interessante aktuelle kommerzielle Erfolgsgeschichte im Bereich der gedruckten R2R-Elektronik ist ein medizinisches Produkt der Klasse I, das von der InnovationLab GmbH (iL) für die Dr. Jean Bausch GmbH & Co. KG entwickelt hat: ein digitales Artikulationspapier für die digitale Messung der Zahntopographie. Dabei handelt es sich um 60μm dünne R2R-Sensoren, die mit piezoresistiven und Silber-Tinten auf PI-Substrate gedruckt werden und die digitale Messung von 256 Druckstufen ermöglichen.
Die R2R-Pilotmaschine bei iL kann fünf Schichten in einem Durchgang drucken und auf eine 33 cm lange Bahn mit einer Länge von bis zu 17 m drucken. Darüber hinaus sind in der unten gezeigten Maschine verschiedene Aushärtungsmodule (Heißluft, IR, UV, Heißprägung) sowie Verarbeitungsmodule (Laminieren, Schneiden, Stanzen & Küssen) integriert. Diese Maschine kann bis zu 160 Serienmeter pro Minute produzieren (das aktuelle Gerät wird nicht mit dieser Geschwindigkeit hergestellt). Die Produktionsmaschinen des iL-Partners Heidelberger Druckmaschinen AG können dank einer langen, z.B. 25 m langen Trockenpartie 44 cm lange Bahnen mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten verarbeiten.
Quelle: Innovation Lab GmbH und Dr. Jean Bausch GmbH & Co. KG präsentiert auf dem TechBlick 2021
Automobilindustrie
Die nächste Anwendung, die ich hervorheben möchte, betrifft den Automobilsektor. Ein wichtiger Trend in dieser Branche ist der Ersatz von mechanischen Schaltern durch kapazitive Schalter. Das Bild unten stammt von der PolyIC GmbH (einem Unternehmen der Kurz-Gruppe) und zeigt eine gedruckte transparente R2R-Touch-Folie, die in das Antriebsrad oder Getriebe eines Fahrzeugs integriert ist. Bei den transparenten Sensoren handelt es sich um eine R2R-gedruckte Metallgitterfolie, die aus 100 nm dicken Silbernanopartikelfarben besteht, die mit einer Linienbreite und einem Abstand von 10 µm bzw. 100 µm gedruckt werden. Die genaue R2R-Drucktechnik ist urheberrechtlich geschützt.
Quelle: PolyIC GmbH präsentiert auf TechBlick Mai 2021
Intelligente Verpackung
Die nächste hervorgehobene Anwendung ist die intelligente Arzneimittelverpackung zur Verbesserung der Therapietreue. Jones Healthcare Packaging arbeitet seit 2013 aktiv an der Entwicklung dieser Technologie, die nun mit realen Proben, die von Patienten getestet werden, in die Vermarktung geht. Die anfängliche Entwicklung basierte auf einem schmalbahnigen R2R-Pilotdrucker (siehe unten) auf einem PET-Substrat unter Verwendung von Silber-/Kohle-Tinten. Das aktuelle Produkt wird im Flexodruckverfahren mit Kohlenstofftinten auf Papiersubstrate gedruckt. Die gedruckten Kohlenstoffschaltkreise sind unten abgebildet. Dies ist natürlich die erste Generation von Produkten. In Zukunft könnten funktionelle Elektronik sowie gedruckte Displays in die intelligente Verpackung selbst integriert werden.
Quelle: Jones Healthcare präsentiert auf TechBlick März 2021
Mit der Jahreskarte oder dem Gruppen-/Firmenzugang können Sie bereits auf die folgenden Inhalte der TechBlick 2021 Veranstaltungen zugreifen:
(9) Symposium zur Elektronikverpackung: KI-Chips, 5G Packaging, Chiplets. Heterogene Integration, High-Density Fan-Out Packages, Skalierung, Zukunft von Halbleitern
Sie können auch TechBlick's wachsende Portfolio von Meisterkursen
Fotovoltaik
Lassen Sie uns nun den Fokus wechseln und R2R-Anwendungen für gedruckte Elektronik in der Photovoltaik-Industrie hervorheben. Die organische Photovoltaik befindet sich seit 20 Jahren oder länger in der kommerziellen Entwicklung. Viele erinnern sich vielleicht noch an die berauschenden Tage von Konarka (gegründet 2001), das 2012 in Konkurs ging, nachdem es etwa 170 Mio. $ aufgebracht hatte. Trotz dieses Rückschlags wurde die Technologieentwicklung ohne Unterbrechung fortgesetzt. Inzwischen haben sowohl die gedruckten als auch die verdampften R2R-Ansätze einen hohen Grad an technologischer Reife erreicht.
Das folgende Beispiel stammt von Sunew in Brasilien, das Schritte zur Ausweitung der Produktion unternommen hat. Die Produktionslinie besteht aus 5 Druckstationen, wobei jede Station eine Schicht des OPV-Stapels aufträgt. Es gibt 32 Drucklinien über die gesamte Breite der Bahn. Die Bahnbreite beträgt 50 cm und die Länge kann bis zu 1,5 km betragen. Sunew kann eine gleichmäßige Schichtdicke von <2 % über die gesamte Bahnbreite einhalten. Eine große Herausforderung beim Scale-up von Laborergebnissen ist die Kontrolle der Grenzflächen zwischen den Schichten und der Morphologie der aktiven Donator-Akzeptor-Schicht.
Das linke Bild zeigt, wie sie auf dem Weg zur 500-mm-Bahn eine gleichbleibende Effizienz beibehalten können. Die Bilder auf der rechten Seite zeigen Beispiele für tatsächliche Installationen der von R2R hergestellten organischen Fotovoltaikzellen. Man beachte, dass andere Unternehmen wie Armor (R2R-Beschichtung) und Heliatek (R2R-aufgedampfte Tandemzelle) den Prozess ebenfalls in Bezug auf Geschwindigkeit und Breite verbessern.
Quelle: Sunew (vorgestellt im Mai 2021 auf der TechBlick-Konferenz)
Natürlich verfolgen viele heutzutage aktiv die Perowskit-Photovoltaik (PePV), die von allen PV-Technologien die schnellste Lernkurve aufweist. Diese Technologie kann auch gedruckt werden. Das Unternehmen Energy Material Corp (EMC) beispielsweise baut die R2R-Produktion von PePV von der Windkraft bis zur Windrichtung aus. Das rechte Bild unten zeigt den Übergang von einer Pilot- zu einer groß angelegten Produktionslinie und verdeutlicht den ehrgeizigen Umfang des Vorhabens. Die Produktionslinie wird den R2R-Druck auf 1,5 m dicke Bahnen aus 100 µm dickem flexiblem Glas bei Bahngeschwindigkeiten von annähernd 30 m/min umfassen. Ziel ist es, eine R2R-bedruckte PePV-Fabrik zu haben, die 20 Millionen Quadratmeter pro Jahr produzieren kann.
Die transparente leitfähige Schicht umfasst eine R2R-Metallnetzschicht, die mit R2R-Flexodruck unter Verwendung der Kodak-Technologie gedruckt wird. Die unten links gezeigte Metallgitterfolie wird mit 60 m/min auf 100µm Corning-Glas gedruckt. Die Linienbreiten werden nicht bekannt gegeben, aber das Kodak-Verfahren kann Linienbreiten von unter 10 µm bei hohen Bahngeschwindigkeiten zuverlässig drucken.
Quelle: EMC (rechts) und Kodak (links).
Kodak-Bild aus einer Präsentation bei TechBlick (März 2021).
Mit der TechBlick-Jahreskarte können Sie auch an den folgenden Veranstaltungen im Jahr 2022 teilnehmen:
(5) Mikro- und Mini-LEDs
(6) Quantum Dots: Materialinnovationen und kommerzielle Anwendungen
(7) Graphen und 2D-Materialien: Endverbraucher, Anwendungen, wichtige Hersteller und Start-Ups
(8) 5G/6G-Werkstoffe
(9) Werkstoff-Informatik
(10) Medizinische Wearable-Sensoren, E-Textilien und kontinuierliche Überwachung der Vitalparameter
Anzeigen
Der R2R-Druck wird auch für den Druck elektrochromer Displays verwendet. Diese Technologie ist nicht neu, aber sie ist jetzt bereit für die Massenproduktion. Die Ynvisible-Produktionslinie, die auf dem R2R-Siebdruck basiert, ist unten abgebildet. Das elektrochrome Display ist mehrschichtig und besteht aus einer Silberschicht, einer Gegenelektrode, einem Elektrolyt, einer Symbolschicht, einer elektrochromen Schicht und einer grafischen Schicht, die alle von einer oberen und unteren Feuchtigkeitssperre umgeben sind. Um die Produktionskosten zu senken, erfolgt die Verarbeitung und Prüfung auch inline R2R, was ein wichtiger Schritt nach vorn ist.
Diese gedruckten elektrochromen Displays eignen sich für einfache segmentierte Displays, die auf hochvolumige IoT-Anwendungen abzielen. Die Displays sind <300µm dick und können bis zu einem Radius von 10mm gebogen werden. Darüber hinaus ist der Stromverbrauch sehr gering (1µW/cm2), da sie ihren Zustand 15 Minuten oder länger beibehalten können, bevor sie aktualisiert werden müssen. Sie können mit 1,5-3 V betrieben werden und lassen sich mit einfacher Mikroelektronik ansteuern. Das bedeutet, dass sie mit gedruckten Batterien und gedruckten OPVs betrieben werden könnten (siehe rechtes Bild unten, das einen solchen Demonstrator zeigt). Diese Displays können mit Hilfe von Klebstoffen auf einem Zielsubstrat angebracht werden. Bei den neuesten Entwicklungen kann auch eine grafische Schicht hinzugefügt werden, um ein Gefühl für Farbe zu vermitteln, so dass die Anzeigen "on-brand" sind.
Quelle: Ynvisible vorgestellt bei TechBlick im Juli 2021
Der R2R-Druck kann auch bei anderen Arten von komplexeren Displays eingesetzt werden. Bei Quantenpunkt (QD)-LCD-Displays wird die QD-Vergrößerungsfolie mit R2R-Schlitzdüsen beschichtet. Ein Beispiel ist unten rechts zu sehen. Dies ist eine kommerzielle Erfolgsgeschichte. Der Druck kann auch bei der aufkommenden Mikro-LED-Technologie eine Rolle spielen. Es kann verwendet werden, um umlaufende Verbindungen zu drucken, die die Vorder- und Rückseite des Glassubstrats miteinander verbinden. Es können auch Bumps, Anschlusspads usw. aufgebracht werden.
In einem frühen Entwicklungsstadium wird auch die Möglichkeit einer Art R2R-Verfahren für die Platzierung der Mikro-LEDs selbst untersucht. Hier möchte ich einen frühen Ansatz vorstellen, der auf dem LIFT-Verfahren (laserinduzierter Vorwärtstransfer) und dem anschließenden R2R-Fotosintern auf Niedrigtemperatursubstraten unter Verwendung von Standardlot basiert.
Bei LIFT wird ein Laserpuls durch einen strukturierten transparenten Träger geschossen. Der Laser trifft auf eine firmeneigene Trennbeschichtung, die das Material oder das Bauteil freigibt. Der unten links abgebildete Fahrplan stammt vom Holst Centre und zeigt, wie das Unternehmen zunächst auf einer kleinen Maschine die Abscheidung von Materialien in schmalen Linien demonstrierte, bevor es die Technologie zur Übertragung von Bauteilen weiterentwickelte. Kürzlich demonstrierte Holst den Einsatz von LIFT für den Transfer von 40x40x50 µm3 Mikro-LEDs mit 80µm Abstand und 500µm Zwischenverbindungen. Diese Demonstration im Labormaßstab hatte eine (relativ) geringe Ausbeute von 98 %, wobei 20 % der LEDs auf der Seite landeten. Diese Ergebnisse sind noch weit von der Produktionsreife entfernt, aber sie zeigen einen Fahrplan mit großem Verbesserungspotenzial auf. Kombiniert man diese Technik mit dem R2R-Photosintern, bietet sich die Chance, einen vollständigen R2R-Prozess zu entwickeln.
Quelle: Rechts: LIFT-Verfahren des Holst Centre, vorgestellt auf der TechBlick im Juni 2021. Links: R2R-Schlitzdüse, beschichtet mit Quantenpunkt-Verstärkungsfilm von Nanosys und Partnern.
Beim R2R-Feinliniendruck gibt es enorme Fortschritte. Die Abbildung unten zeigt Beispiele für die Arbeit von Asahi Kasei in Japan. Das Unternehmen hat eine nahtlose Walzenform (SRM) entwickelt, die mit Hilfe der Elektronenstrahllithografie hochauflösende, nahtlos bedruckte R2R-Folien erzeugt. Einige Ergebnisse, die die Fähigkeit dieses R2R-Verfahrens zur Herstellung ultrafeiner Strukturen demonstrieren, sind ebenfalls unten abgebildet. Die Anwendung steht kurz vor der Kommerzialisierung, insbesondere als transparente RFID für Track & Trace.
Quelle: Asahi Kasei
Das R2R-Nanoimprinting kann auch zur R2R-Erzeugung ultrafeiner Merkmale verwendet werden. Das nachstehende Beispiel ist ein hybrides kontinuierliches R2R-Verfahren, das vom Printable Electronics Research Centre in Suzhou entwickelt wurde. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von eingebetteten Metallgitterstrukturen mit ultrafeinen Merkmalen (<5µm), die für transparente Touch- und Heizanwendungen bestimmt sind. Das linke Schema in der Abbildung unten zeigt den Prozessablauf. Man beachte, dass die Prägung mit einer rollenden Nano-Prägetrommel erfolgt. Die Bilder in der Mitte zeigen das Metallgittermuster und die Einbettung der leitfähigen Linien, die es ermöglicht, die Linie zu verdicken, um eine höhere Leitfähigkeit zu erreichen, ohne die Oberflächenglätte zu beeinträchtigen. Das rechte Bild unten zeigt eine R2R-Maschine, die zuvor von O-Film für die kommerzielle R2R-Produktion dieser Metallgitter-Touchscreens eingesetzt wurde. In der Spitze wurden jährlich 1,5 Millionen solcher Panels hergestellt.
Quelle: Forschungszentrum für druckbare Elektronik in Suzhou, vorgestellt bei TechBlick März 2021
Als letztes Thema zum Abschluss unseres Rückblicks möchte ich den R2R-RFID-Druck erwähnen und wie er sich in Richtung R2R-Produktion komplexer Multi-Chip-Hybridschaltungen weiterentwickelt. In diesem Fall wähle ich ein Beispiel von Smooth & Sharp (S&S) in Taiwan, das R2R-Drucken auf Papier entwickelt hat. Im einfachsten Fall begann S&S mit der R2R-Produktion von NFC auf Papier. Diese NFCs waren vor zwei Jahren mindestens doppelt so teuer wie ihre konventionell hergestellten Gegenstücke aus Kunststoff. Jetzt weist S&S darauf hin, dass die Preisparität erreicht ist, was dazu beitragen kann, dass mehr Märkte zugänglich werden.
Wichtig ist, dass dies auch der Beginn der technischen Entwicklung ist. Die NFC-Antennen bestehen aus einem kleinen Chip und einer einzigen Metallisierungsschicht. Wie unten gezeigt, wird die Zukunft mehr Chips, mehr Schichten und kompliziertere Schaltungsdesigns hervorbringen. Die folgenden Beispiele zeigen die Integration eines 2-Chip-Tags (NFC- und LED-Chips), die Entwicklung eines 11-Komponenten-Tags (2 aktive Schichten und 10 passive Komponenten) und die Demonstration eines auf Papier gedruckten 6-Schicht-Tags R2R.
Dies ist insgesamt eine sehr vielversprechende Entwicklung. Die Fertigungsanlage für flexible Hybridelektronik (FHE) befindet sich noch in einem relativ frühen Entwicklungsstadium, macht aber Fortschritte. Fortgeschrittene ultradünne flexible Chips, entweder von Haus aus flexibel oder verdünnt, werden verfügbar. Mit Hilfe von RDLs (Re-Distribution Layers) können diese Pakete die Auflösung von gedruckten Linien auf einem flexiblen Substrat erreichen. Wichtig ist, dass sich Techniken für die Befestigung bei niedrigen Temperaturen (Fotosinterlot, Ultraniedrigtemperaturlot oder mit Partikeln ausgerichtete leitfähige Klebstoffe) abzeichnen, die die Befestigung von Komponenten auf PET und Papier ermöglichen. Dies ist der Beginn des Weges zur R2R-Fertigung komplexer Hybridelektronik.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gedruckte R2R-Elektronik wirklich jedermanns Sache ist und zahlreiche Anwendungen bietet. Es handelt sich um eine lebendige und sich schnell entwickelnde Landschaft. Um mehr über diese Technologie und das Ökosystem zu erfahren, besuchen Sie bitte TechBlick (www.TechBlick.com). TechBlick ist die Heimat der gedruckten, flexiblen, hybriden, 3D-, In-Mould- und 3D-Elektronik weltweit.
Quelle: Smooth & Sharp präsentiert auf TechBlick Mai 2021
Dies scheint ein einfacher Prototyp zu sein, aber es müssen viele technische Herausforderungen bewältigt werden, insbesondere da die Oberfläche nicht eben ist. Insbesondere muss die Zuverlässigkeit der Komponenten an den Schnittstellen (siehe unten) geprüft und gewährleistet werden. Eine der Hauptursachen für die Unzuverlässigkeit an diesen Grenzflächen ist der unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizient der verschiedenen Materialien, der während der thermischen Wechselbeanspruchung zum Aufbau von Spannungen führt. Wie aus der nachstehenden Tabelle hervorgeht, gibt es eine große Bandbreite von Koeffizienten.
Ein besonderer Problembereich kann die Verbindung zu den Face-up-Matrizen sein. Hier lagert Aerosol dielektrische Rampen ab, auf die Ag-Leiterbahnen aufgedruckt werden. Die Leiterbahnen können brechen, abrutschen oder sichtbar werden. Ebenso können Leiterbahnen in Bereichen, die mit Klebeflächen gefüllt sind, eine Herausforderung darstellen. In dieser Studie stellte Parsons seine Strategien zur Durchführung von Zuverlässigkeitstests vor.
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