Elektronika drukowana. Druk z prądem

Druk elektroniki techniką inkjetową cieszy się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem ze strony tak naukowców, jak konsumentów. Klienci doceniają możliwości, jakie daje ta technologia, pozwalająca poszerzyć paletę potencjalnych aplikacji. Szacuje się, że druk elektroniki będzie rozwijał się w szybkim tempie, osiągając w 2017 roku wartość ponad 48 mld dolarów.


Technicznie rzecz ujmując, druk inkjetowy konkuruje z technologią półprzewodnikową (fotolitografią, naparowywaniem próżniowym itp.), oferując znaczne korzyści, przede wszystkim w wytwarzaniu produktów dostosowanych do indywidualnych potrzeb, zarówno z elastycznych, jak i wrażliwych materiałów (druk bezkontaktowy). Znacznie niższy koszt zakupu urządzeń, tańsza eksploatacja i konserwacja oraz oszczędności materiałów związane z drukiem drop-on-demand zwiększają opłacalność inkjetowego druku elektroniki. Mimo tak wielu zalet oraz dużej dostępności komercyjnej, inkjetowi nie udało się jak dotąd ugruntować swojej pozycji na rynku elektronicznym.

Skład tuszy przewodzących
Głównym składnikiem tuszy stosowanych do druku elektroniki jest bez wątpienia materiał przewodzący. Do tuszy dodaje się nanocząsteczki metali przewodzących, polimerów oraz związków węgla. Duże znaczenie ma również związek nośnikowy. Najczęściej jego rolę pełnią rozpuszczalniki na bazie octanów, glikoli, cykloheksanolu itp. Najbardziej rozpowszechnione są tusze z zawartością cząsteczek srebra, które uważane jest za jeden z najlepszych metali przewodzących. Minusem jest wysoka cena tuszy – dość drogie srebro stanowi bowiem od 20 do nawet 80 proc. ich wagi. Z tego względu naukowcy prowadzą intensywne badania nad szerszym wykorzystaniem znacznie tańszej miedzi i niklu. Chociaż substraty zawierające te metale są równie dobrymi przewodnikami jak srebro, ich stosowaniu nadal towarzyszy problem niekontrolowanego utleniania i dyfuzji. 

Suszenie i spiekanie
Wpływ na stopień przewodzenia wydrukowanej aplikacji ma przede wszystkim materiał przewodzący zastosowany w tuszu. Inne składniki tuszu, jak związek nośnikowy czy regulator lepkości, muszą zostać usunięte w procesie suszenia. W celu utrwalenia nanocząsteczek matali przewodzących na wydruku stosuje się dodatkowo intensywną obróbkę cieplną, tzw. spiekanie. Proces ten może się odbywać w wysokiej temperaturze (200-300° C), przy wykorzystaniu wiązki laserowej, ciśnienia lub naświetlania mikrofalami. Należy przy tym pamiętać, że spiekanie zależy od wielu czynników. Wpływ na jakość tego procesu może mieć na przykład kształt i rozmiar cząsteczek metali przewodzących zawartych w tuszu, grubość i rodzaj zadrukowanego podłoża oraz zastosowana temperatura.

Wyzwania technologiczne
Mimo że druk elektroniki jest dziś dużo bardziej zaawansowany niż kilka lat temu, uzyskanie morfologicznie i geometrycznie identycznych struktur przy zadruku techniką inkjetową wciąż stanowi spory problem. Aby skutecznie przewodzić prąd, nadrukowane układy elektroniczne muszą mieć jak najmniej pustych przestrzeni, cechować się gładką, w miarę jednolitą powierzchnią i posiadać równe krawędzie. Sprostanie tak wysokim wymaganiom to wyzwanie dla sektora badań i rozwoju. Intensywne prace nad optymalizacją technologii inkjetowej pod kątem druku elektroniki powinny w krótkim czasie przynieść spodziewane rezultaty.

Opracowano na podstawie artykułu „Printed electronics – Inks and the technical challenges” opublikowanego w newsletterze „Process”, nr 77/2011.

 Fot. © Fotolia
Opracował: Jacek Golicz