プリンテッドエレクトロニクス

プリンテッドエレクトロニクスは、さまざまな基板上に電気デバイスを作成するために使用される一連の印刷方法である。印刷では通常、スクリーン印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、インクジェットなど、材料にパターンを定義するのに適した一般的な印刷装置を使用する。電子業界の標準では、これらは低コストのプロセスである。電気的に機能する電子インクまたは光学インクが基板上に堆積され、薄膜トランジスタ、コンデンサ、コイル、抵抗器などの能動デバイスまたは受動デバイスが作成されます。一部の研究者は、プリンテッドエレクトロニクスにより、フレキシブルディスプレイ、スマートラベル、装飾ポスターやアニメーションポスター、高性能を必要としないアクティブウェアなどのアプリケーション向けに、非常に低コストで低性能の電子機器が広く普及すると期待しています。^[1]

プリンテッドエレクトロニクスという用語は、多くの場合、1つまたは複数のインクが炭素ベースの化合物で構成されている有機エレクトロニクスまたはプラスチックエレクトロニクスに関連付けられています^。 [ 2 ] [^確認に^{は引用が必要]}これらの他の用語は、溶液ベース、真空ベース、またはその他のプロセスで堆積できるインク材料を指します。 対照的に、プリンテッドエレクトロニクスはプロセスを指定し、選択した印刷プロセスの特定の要件に従って、任意の溶液ベースの材料を使用できます。 これには、有機半導体、無機 半導体、金属導体、ナノ粒子、ナノチューブが含まれます。 溶液は通常、適切な溶媒に分散した充填材で構成されます。最も一般的に使用される溶剤には、エタノール、キシレン、ジメチルホルムアミド（DMF）、ジメチルスルホキシド（DMSO）、トルエン、水などがあり、最も一般的な導電性フィラーには、銀ナノ粒子、銀フレーク、カーボンブラック、グラフェン、カーボンナノチューブ、導電性ポリマー（ポリアニリンやポリピロールなど）、金属粉末（銅やニッケルなど）などがあります。有機溶剤の環境への影響を考慮して、研究者は現在、水を使用した印刷可能なIKの開発に注力しています。^{[3] [4] [5]}

プリンテッドエレクトロニクスの製造には、ほぼすべての工業用印刷方法が採用されています。従来の印刷と同様に、プリンテッドエレクトロニクスではインク層を1層ずつ重ねて塗布します。^[6]そのため、印刷方法とインク材料の一貫した開発は、この分野の重要な課題です。^[7]

印刷の最も重要な利点は、低コストで大量生産できることです。^[要出典]コストが低いため、より多くのアプリケーションで使用できます。^[8]一例として、貿易や輸送における非接触識別を可能にするRFIDシステムがあります。発光ダイオードなどの一部の領域では、印刷はパフォーマンスに影響を与えません。^[6]フレキシブル基板への印刷により、曲面上に電子機器を配置できます。たとえば、車両の屋根に太陽電池を印刷します。より一般的には、従来の半導体は、はるかに高いパフォーマンスを提供することで、はるかに高いコストを正当化します。

従来の印刷における構造の最大必要解像度は、人間の目によって決定されます。約20μmより小さい特徴サイズは人間の目では区別できず、結果として従来の印刷プロセスの能力を超えてしまいます。^[9]対照的に、ほとんどの電子機器印刷では、より高い解像度とより小さな構造が必要です。なぜなら、それらは回路密度と機能（特にトランジスタ）に直接影響するからです。同様の要件は、層を重ねて印刷する精度（層間の位置合わせ）にも当てはまります。

厚さ、穴、材料の適合性（濡れ性、接着性、溶解性）の制御は不可欠ですが、従来の印刷では、目で検出できる場合にのみ重要です。逆に、視覚的な印象はプリンテッドエレクトロニクスには関係ありません。^[10]

電子機器の製造における印刷技術の魅力は、従来の電子機器に比べてはるかにシンプルでコスト効率の高い方法で、微細構造層のスタック（および薄膜デバイス）を準備できることにあります。^[11] また、新しい機能や改善された機能（たとえば、機械的柔軟性）を実装する能力も役割を果たします。使用する印刷方法の選択は、印刷層に関する要件、印刷材料の特性、および最終的な印刷製品の経済的および技術的な考慮事項によって決定されます。

印刷技術は、シートベースとロールツーロールベースのアプローチに分かれます。シートベースのインクジェット印刷とスクリーン印刷は、少量で高精度の作業に最適です。グラビア印刷、オフセット印刷、フレキソ印刷は、太陽電池などの大量生産でより一般的であり、1時間あたり10,000平方メートル（m ² /h）に達します。^{[9] [11]}オフセット印刷とフレキソ印刷は主に無機^{[12] [13]}および有機^{[14] [15]}導体（後者は誘電体にも）に使用されますが、^[16] グラビア印刷は、層の品質が高いため、有機半導体やトランジスタの半導体/誘電体界面など、品質に敏感な層に特に適しています。^[16]高解像度が必要な場合、グラビア印刷は無機^[17]および有機^[18]導体にも適しています。有機電界効果トランジスタと集積回路は、大量印刷方法によって完全に準備できます。^[16]

インクジェットは柔軟性と汎用性があり、比較的少ない労力でセットアップできます。^[19]しかし、インクジェットのスループットは約 100 m ² /h と低く、解像度も低くなります (約 50 μm)。^{[9]有機半導体などの低}粘度で可溶性の材料に適しています。有機誘電体などの高粘度材料や無機金属インクなどの分散粒子では、ノズルの詰まりによる問題が発生します。インクは液滴で堆積されるため、厚さと分散の均一性が低下します。同時に多くのノズルを使用し、基板を事前に構造化することで、生産性と解像度をそれぞれ向上できます。ただし、後者の場合、実際のパターニングステップでは非印刷方法を使用する必要があります。^{[20]インクジェット印刷は、}有機電界効果トランジスタ(OFET) や有機発光ダイオード(OLED)の有機半導体に適していますが、この方法で完全に準備された OFET も実証されています。^[21] OLEDディスプレイ、集積回路、^[24]有機太陽電池（OPVC）^[25]およびその他のデバイスのフロントプレーン^[22]およびバックプレーン^{[23] は}インクジェットで製造できます。

スクリーン印刷は、ペースト状の材料からパターン化された厚い層を生成できるため、電気および電子部品の製造に適しています。この方法では、無機材料から導電線（回路基板やアンテナなど）を生成できますが、絶縁層や不動態化層も生成できます。この場合、層の厚さが高解像度よりも重要です。50 m ² /hのスループットと100 μmの解像度は、インクジェットと同等です。^[9]この汎用的で比較的単純な方法は、主に導電層と誘電体層に使用されますが、^{[26] [27]}有機半導体（OPVCなど）にも使用され、^{[28]完全な}OFET ^[22]も印刷できます。

エアロゾルジェットプリンティング（マスクレスメソスケールマテリアルデポジションまたはM3Dとも呼ばれる）^[29]は、プリンテッドエレクトロニクス用の別の材料堆積技術です。エアロゾルジェットプロセスは、超音波または空気圧手段によるインクの霧化から始まり、直径1〜2マイクロメートル程度の液滴を生成します。次に、液滴は仮想インパクターを通過し、運動量の低い液滴をストリームから遠ざけます。このステップは、タイトな液滴サイズ分布を維持するのに役立ちます。液滴はガスストリームに巻き込まれ、プリ​​ントヘッドに送られます。ここで、クリーンなガスの環状流がエアロゾルストリームの周囲に導入され、液滴をタイトにコリメートされた材料のビームに集中させます。結合されたガスストリームは、エアロゾルストリームを直径10μmまで圧縮する収束ノズルを通ってプリントヘッドから出ます。液滴のジェットは高速（約50メートル/秒）でプリントヘッドから出て、基板に衝突します。

電気相互接続、受動部品および能動部品^[30]は、機械的な停止/開始シャッターを備えたプリントヘッドを基板に対して移動させることによって形成されます。結果として得られるパターンは、幅 10 μm から、層の厚さが数十ナノメートルから 10 μm を超える特徴を持つことができます。^[31]ワイドノズルのプリントヘッドにより、ミリメートルサイズの電子機能や表面コーティングアプリケーションの効率的なパターン形成が可能になります。すべての印刷は、真空チャンバーや圧力チャンバーを使用せずに行われます。ジェットの高速出口速度により、プリントヘッドと基板の間の比較的大きな分離が可能になり、通常は 2～5 mm になります。液滴はこの距離にわたってしっかりと焦点を合わせられたままになるため、3 次元基板上にコンフォーマルパターンを印刷できます。

高速にもかかわらず、印刷プロセスは穏やかです。基板の損傷は発生せず、液滴の飛び散りやオーバースプレーは最小限です。^[32]パターン形成が完了すると、印刷されたインクは通常、最終的な電気的および機械的特性を得るために後処理が必要です。後処理は、印刷プロセスよりも、特定のインクと基板の組み合わせによって決まります。エアロゾルジェットプロセスでは、希釈された厚膜ペースト、導電性ポリマーインク、^[33] UV硬化エポキシなどの熱硬化性ポリマー、ポリウレタンやポリイミドなどの溶剤ベースのポリマー、生物学的材料など、幅広い材料の堆積に成功しています。[ ^34]

最近、印刷用紙を印刷の基材として使用することが提案されました。折り畳み可能な市販のオフィス用印刷用紙に、80℃の硬化温度と40分の硬化時間で、導電性が高く（バルク銅に近い）、高解像度のトレースを印刷できます。^[35]

蒸着印刷では、高精度スクリーン印刷と材料の蒸発を組み合わせて、5  μmのフィーチャを印刷します。この方法では、熱、電子ビーム、スパッタなどの技術や、その他の従来の製造技術を使用して、基板に 1 μm より正確に登録された高精度シャドウマスク (またはステンシル) を通じて材料を堆積します。異なるマスク設計を重ねたり、材料を調整したりすることで、フォトリソグラフィーを使用せずに、信頼性が高くコスト効率の高い回路を付加的に構築できます。

印刷と類似した他の方法、とりわけマイクロコンタクト印刷やナノインプリントリソグラフィーも興味深い。^[36]ここでは、それぞれμmサイズとnmサイズの層が、それぞれソフトフォームとハードフォームでのスタンピングに似た方法で準備される。実際の構造は、エッチングマスクの堆積やリフトオフプロセスなど、サブトラクティブに準備されることが多い。たとえば、OFETの電極を準備することができる。^{[37] [38]}パッド印刷が同様の方法で使用されることも散発的にある。 ^[39]固体層をキャリアから基板に転写する、いわゆる転写法がプリンテッドエレクトロニクスと見なされることもある。^[40] 電子写真は現在、プリンテッドエレクトロニクスでは使用されていない。

プリンテッドエレクトロニクスには有機材料と無機材料の両方が使用されています。インク材料は、溶液、分散液、懸濁液など、液体の​​形で利用可能でなければなりません。^[41]導体、半導体、誘電体、絶縁体として機能する必要があります。材料コストは用途に適合している必要があります。

電子機能と印刷性は互いに干渉し合う可能性があるため、慎重な最適化が必要です。^[10]たとえば、ポリマーの分子量が大きいほど導電性は高まりますが、溶解性は低下します。印刷の場合、粘度、表面張力、固形分を厳密に制御する必要があります。濡れ、接着、溶解性などの層間相互作用や、堆積後の乾燥手順が結果に影響します。従来の印刷インクでよく使用される添加剤は、電子機能を損なうことが多いため使用できません。

印刷エレクトロニクスと従来のエレクトロニクスの違いは、主に材料特性によって決まります。印刷可能な材料は、印刷可能性に加えて、機械的な柔軟性や化学修飾による機能調整（例：OLEDの光の色）など、決定的な利点を提供します。^[42]

プリント導体は導電性と電荷キャリア移動度が低い。^[43]

いくつかの例外を除いて、無機インク材料は金属または半導体のマイクロ粒子およびナノ粒子の分散液です。使用される半導体ナノ粒子には、シリコン^{[44]や酸化物半導体[45]}が含まれます 。シリコンは有機前駆体^[46]としても印刷され 、その後熱分解とアニールによって結晶シリコンに変換されます。

プリンテッドエレクトロニクスではPMOSは可能だがCMOSは不可能である。 ^[47]

有機プリンテッドエレクトロニクスは、印刷、エレクトロニクス、化学、材料科学、特に有機化学と高分子化学の知識と開発を統合したものです。有機材料は、構造、動作、機能の点で従来のエレクトロニクスとは一部異なり、^[48]デバイスや回路の設計と最適化、および製造方法に影響を与えます。^[49]

共役ポリマー^[43]の発見 と可溶性材料への開発により、最初の有機インク材料が生まれました。このクラスのポリマーの材料は、導電性、半導体性、電界発光性、光起電性などのさまざまな特性を持っています。他のポリマーは主に絶縁体や誘電体として使用されます。

ほとんどの有機材料では、電子輸送よりも正孔輸送が優先されます。^[50]最近の研究では、これが有機半導体/誘電体界面の特定の特徴であり、OFETで主要な役割を果たしていることが示されています。^[51]したがって、p型デバイスはn型デバイスよりも優先されるはずです。耐久性（分散に対する耐性）と寿命は従来の材料よりも低くなります。^[47]

有機半導体には、導電性ポリマーであるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリ(スチレン スルホン酸)( PEDOT:PSS )、ポリ(アニリン)(PANI)などがある。両ポリマーは異なる配合で市販されており、それぞれインクジェット^[52] 、スクリーン^[26]、オフセット印刷^[14]、またはスクリーン^[26] 、フレキソ^[15]、グラビア^[18]印刷で印刷されている。

ポリマー半導体はインクジェット印刷を使用して処理され、例えばポリ(3-ヘキシルチオフェン) (P3HT) ^[53]やポリ(9,9-ジオクチルフルオレンコビチオフェン) (F8T2) ^[54]などのポリチオフェンがこれに該当します。後者の材料はグラビア印刷もされています。^[16]インクジェット印刷では、さまざまな電界発光ポリマーが使用され^[20] 、また光起電性素子の活性材料(例: P3HT とフラーレン誘導体のブレンド) ^{[55]も部分的にスクリーン印刷を使用して堆積させることができます (例:}ポリ(フェニレンビニレン)とフラーレン誘導体のブレンド)。 ^[28]

印刷可能な有機および無機の絶縁体と誘電体が存在し、さまざまな印刷方法で処理できます。^[56]

無機エレクトロニクスは、有機材料やポリマー材料では提供できない、高度に秩序化された層とインターフェースを提供します。

銀ナノ粒子はフレキソ印刷、^[13]、オフセット印刷^[57] 、インクジェット印刷に使用されます。^[58] 金粒子はインクジェット印刷に使用されます。^[59]

ACエレクトロルミネセンス（EL）マルチカラーディスプレイは、数十平方メートルをカバーすることができ、時計の文字盤や計器のディスプレイに組み込むことができます。プラスチックフィルム基板上に、銅ドープ蛍光体を含む6〜8層の無機印刷層が印刷されています。^[60]

CIGS セルはモリブデン コーティングされた ガラスシートに直接印刷できます。

印刷されたガリウムヒ素ゲルマニウム太陽電池は、最高の有機セルの8倍の40.7％の変換効率を示し、結晶シリコンの最高の性能に近づきました。^[60]

プリンテッドエレクトロニクスではフレキシブル基板を使用できるため、製造コストが下がり、機械的にフレキシブルな回路を製造できます。インクジェットやスクリーン印刷では通常、ガラスやシリコンなどの硬い基板に印刷しますが、大量印刷方法では、ほぼ例外なくフレキシブルな箔や紙が使用されます。 ポリエチレンテレフタレート箔（PET）は、低コストで適度に高温でも安定しているため、一般的な選択肢です。^[61] ポリエチレンナフタレート箔（PEN）とポリイミド箔（PI）は、より高性能ですが、コストが高い代替品です。 紙は低コストで用途が広いため魅力的な基板ですが、粗さと濡れ性が高いため、従来はエレクトロニクスには問題がありました。これは活発な研究分野ですが、^[62]、紙の粗い 3D 表面形状に適応する印刷対応の金属堆積技術が実証されています。^{[63] [64]}

その他の重要な基材基準は、粗さの低さと適切な濡れ性であり、これらはコーティングまたはコロナ放電を使用した前処理で調整できます。従来の印刷とは対照的に、吸収性が高いと通常は不利になります。

ドイツ生まれのアルバート・ハンソンは、プリンテッドエレクトロニクスの概念を導入したと言われています。1903年に彼は「プリントワイヤ」の特許を取得し、こうしてプリンテッドエレクトロニクスが誕生しました。^[65]ハンソンは、切断またはスタンピングによって銅箔にプリント回路基板のパターンを形成することを提案しました。描かれた要素は、この場合はパラフィン紙である誘電体に接着されました。^[66]最初のプリント回路は1936年にポール・アイスラーによって製造され、そのプロセスは第二次世界大戦中に米国によってラジオの大規模生産に使用されました。プリント回路技術は1948年に米国で商業的に使用されました（プリント回路ハンドブック、1995年）。誕生から半世紀以上経った今、プリンテッドエレクトロニクスは、プリント回路基板（PCB）の製造から、メンブレンスイッチの日常的な使用を経て、今日のRFID、光起電性、および電界発光技術に進化してきました。^[67]今日、現代のアメリカの家庭を見回して、印刷電子部品を使用しているか、印刷電子技術の直接的な結果であるデバイスを見ないということはほぼ不可能です。家庭用の印刷電子部品の広範な生産は、プリント回路基板がすべての消費者向け電子機器の基礎となった1960年代に始まりました。それ以来、印刷電子部品は多くの新しい商用製品の基礎となっています。^[68]

プリンテッドエレクトロニクスに関する近年の最大のトレンドは、太陽電池での広範な使用です。2011年、MITの研究者は、通常の紙にインクジェット印刷することで柔軟な太陽電池を作成しました。^[69] 2018年、ライス大学の研究者は、表面に塗装または印刷できる有機太陽電池を開発しました。これらの太陽電池は、最大15％の効率を発揮することが示されています。^[70]現在は倒産した米国のKonarka Technologiesは、インクジェット太陽電池の製造における先駆者でした。今日、さまざまな国で50社を超える企業がプリンテッド太陽電池を製造しています。

プリンテッドエレクトロニクスは1960年代から存在していますが、総収益が大幅に増加すると予測されています。2011年の時点で、プリンテッドエレクトロニクスの総収益は123億8500万ドルと報告されています。^{[ 71 ] IDTechEx} のレポートでは、PE市場は2027年に3300億ドルに達すると予測されています。 ^[72] この収益増加の大きな理由は、携帯電話にプリンテッドエレクトロニクスが組み込まれたことです。ノキアは、プリンテッドエレクトロニクスを使用して「モーフ」フォンを作成するというアイデアを先駆的に提案した企業の1つです。それ以来、Appleはこの技術をiPhone XS、XS Max、XRデバイスに実装しています。^[73] プリンテッドエレクトロニクスは、携帯電話の以下のコンポーネントすべてを製造するのに使用できます：3Dメインアンテナ、GPSアンテナ、エネルギー貯蔵、3D相互接続、多層PCB、エッジ回路、ITOジャンパー、気密シール、LEDパッケージング、および触覚フィードバック。

プリンテッド エレクトロニクスが企業にもたらす画期的な発見と利点により、多くの大企業が最近この技術に投資しています。2007 年、Soligie Inc. と Thinfilm Electronics は、可溶性メモリ材料と機能性材料印刷の IP を組み合わせて、商業規模のプリンテッド メモリを開発する契約を締結しました。^[67] LG はプラスチック上の OLED に 87 億 1,000 万ドルの大規模な投資を発表。シャープ (Foxconn) は OLED ディスプレイのパイロット ラインに 5 億 7,000 万ドルを投資します。BOE はフレキシブル AMOLED 工場に 68 億ドルの投資を発表。Heliatek はドレスデンでの OPV 製造のために 8,000 万ユーロの追加資金を確保しました。PragmatIC は Avery Dennison を含む投資家から約 2,000 万ユーロを調達しました。Thinfilm はシリコン バレーの新しい製造拠点に投資します (以前は Qualcomm が所有)。Cambrios は TPK による買収後に事業を再開しました。^[72]

プリンテッドエレクトロニクスが現在使用中または検討中のものには、パッケージ内の無線センサー、インターネットと通信する皮膚パッチ、漏れを検知して予防保守を可能にする建物などがある。これらのアプリケーションのほとんどは、まだ試作および開発段階にある。^{[74]太陽光発電、感知および処理デバイスを含む}フレキシブルスマート電子システムに対する関心が特に高まっている。これは、（光）電子技術の最新の進歩を、日常生活の幅広い低コスト（使い捨ても含む）消費者製品に拡張および統合したいという願望に駆り立てられており、デジタル世界と物理世界を結びつけるツールとしても使用されている。^[75]

ノルウェーのThinFilm社は2009年にロールツーロール印刷有機メモリを実証した。^{[76] [77] [78] [79]}

スペインに拠点を置く別の企業、ロティンプレスは、スマート家具用ヒーターや曇り防止ヒーター、白物家電や産業機械のキーボード用静電容量スイッチなど、さまざまな市場にアプリケーションを導入することに成功している。^{[80] [81]}

技術標準とロードマッピングの取り組みは、バリュー チェーンの開発 (製品仕様、特性標準などの共有) を促進することを目的としています。この標準開発戦略は、過去 50 年間にシリコン ベースのエレクトロニクスで使用されてきたアプローチを反映しています。取り組みには次のものが含まれます。

• IEEE規格協会はIEEE 1620-2004 ^[82]とIEEE 1620.1-2006 ^[83]を発行している。
• 定評のある国際半導体技術ロードマップ（ITRS）と同様に、国際電子機器製造イニシアティブ（iNEMI）^{[84]は、印刷エレクトロニクスやその他の}有機エレクトロニクスのロードマップを公開しています。

IPC（電子部品工業会）は、プリンテッドエレクトロニクスに関する 3 つの標準規格を発行しました。これら 3 つの規格はすべて、日本電子回路工業会（JPCA）と共同で発行されました。

• IPC/JPCA-4921、プリンテッドエレクトロニクス基材の要件
• IPC/JPCA-4591、プリンテッドエレクトロニクス機能性導電材料の要件
• IPC/JPCA-2291、プリンテッドエレクトロニクスの設計ガイドライン

これらの標準および開発中の他の標準は、IPC のプリンテッド エレクトロニクス イニシアチブの一部です。

• D. Gamota、P . Brazis、K. Kalyanasundaram、J. Zhang編 『Printed Organic and Molecular Electronics 』（Kluwer Academic Publishers：ニューヨーク、2004年）。ISBN 1-4020-7707-6 

• クリーナーエレクトロニクス研究グループ - ブルネル大学
• プリンテッドエレクトロニクス会議/展示会 アジア 米国
• 新しいナノ銀粉末がフレキシブルプリント回路を実現 ( Ferro Corporation )
• ウェスタンミシガン大学のプリンテッドエレクトロニクス推進センター（CAPE）には、AccuPressグラビアプリンターが含まれています。
• グラビアプリンテッドエレクトロニクスの主要動向 2010年6月
• プリンテッド エレクトロニクス – 未来の未来。スペイン語のプリンテッド エレクトロニクス
• 有機太陽電池 - 理論と実践 (Coursera)