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1、【印刷电路印刷电路】(一一)精密印刷技术不断进步，用于有机集成电路精密印刷技术不断进步，用于有机集成电路2014/11/24 00:00日本山形大学教授时任静士的研究小组接连开发出了全部采用日本山形大学教授时任静士的研究小组接连开发出了全部采用印刷技术的柔性有机电子元件。其特点是，除了有机半导体材料外印刷技术的柔性有机电子元件。其特点是，除了有机半导体材料外，电极材料也全部自主开发，并利用印刷技术制作元件。研究小组，电极材料也全部自主开发，并利用印刷技术制作元件。研究小组最近还计划利用该技术制作生物传感器，将其用于保健领域。本文最近还计划利用该技术制作生物传感器，将其用于保健领域。本文根据时任
2、教授在根据时任教授在 2014 年年 7 月月 1011 日由日由日经电子日经电子主办的主办的 “思考有机电子的新方向思考有机电子的新方向” 专题研讨会上所发表的内容重新整理而成专题研讨会上所发表的内容重新整理而成。我们正在推进研发能为实现放心、安全的社会做出贡献的“智能有机传感系统”。因此，本研究室开发了可印刷的涂布材料，并实际制作了采用这种涂布材料的印刷型有机晶体管，在提高该元件性能的同时，还在探讨将其用于树脂膜基板上的集成电路。另外，我们还针对保健用途，开始着手采用有机晶体管的生物传感研究。本文将介绍的该研究的背景、研究的实际进展，以及未来展望。首先，作为序论，将介绍我们想实现的未来室内
3、蓝图，以及智能有机传感系统所开拓的世界（图 1）。在这里，我们的生活空间里将安装多种多样的传感器。包括位置传感器、鲜度传感器、环境传感器，当然还有人体佩戴的生物传感器。另外，利用 RFID 标签来追踪物体位置的“可跟踪性”也属于传感器的范畴。这些具备传感器功能、可进行信息交换的新型电子元件所组成的“智能有机传感系统”将与信息通信技术（ICT）融合，一年 365 天每天 24 小时管控我们的生活环境。而且还将联网利用大数据管理这些信息，尤其是对健康状态，将在分析后反馈给本人。图 1：智能有机传感系统开辟的世界图为山形大学时任研究室设想的、利用有机半导体材料制作的各种传感器和 RFID 标签的用途
4、。（图：山形大学）年来，美国提出了每年向市场提供 1 万亿个传感器，实现“万亿传感器世界”的新提案。为实现这样的世界和放心、安全、舒适的空间，本大学正通过COI-T 项目*在进行长期研究。*COI-T 项目在日本科学技术振兴机构（JST）实施的“创新中心（COI）”项目中，对未来有望成为研究基地的研究课题进行援助的项目。“T”指 Trial（试行）。传感器与传感器与 RFID 相互融合相互融合下面来详细介绍一下智能有机传感系统（图 2）。该系统在薄膜或纸上内置了多种传感器，并配备了处理传感器数据的处理器以及存储数据的存储器。另外还备有无线传输信息的高频电路。能将信息无线传输到手机或智能手机上，
5、并通过手机轻松连接互联网。也就是说，对通信功能的要求并不高。图 2：同时实现传感器功能和 RFID 功能山形大学时任研究室给出了对“智能有机传感系统”器件的要求。智能有机传感系统的特点是非常薄和轻，而且具有柔软性。尤其是用于生物传感器和可穿戴终端时，柔软、有弹性至关重要。此外，除了可以回收利用外，也可以作为一次性产品使用。由于产品非常薄，即使像创可贴和纸片那样废弃也不会对环境造成太大负担。还有一点重要的就是价格要低。要想广泛普及，价格低无疑非常重要。实现低价格的关键在于利用印刷法（印刷）制造。大幅削减制造成本大幅削减制造成本采用印刷法有什么优点呢？目前的半导体等电子元器件的制造流程包括蒸镀、曝
6、光、显像、光刻等工艺流程。要经过非常大规模的工艺流程才能形成电极和半导体层图案。而且是在硅晶圆或玻璃等硬基板上光刻形成图案后再安装器件。因此我们采取了印刷电子领域的印刷法。这可以称得上是制造业的革命或者革新。初期设备投资有望大幅降低。原因包括，制造工序非常少、印刷设备有望比以往的设备降低成本。而且，制造工序的材料利用效率非常高，废料少。另外，工艺简单、无需真空环境，这有助于大幅削减能源的使用，也有利于降低成本。采用印刷法还有其他意义，也即开拓新用途。有望用于此前在玻璃和晶圆上制作时难以应用的柔性、轻量产品。 日文原文(三三)按需使用不同的印刷技术和装置按需使用不同的印刷技术和装置下面介绍一下如
7、何利用这些材料制作有机晶体管。下面介绍一下如何利用这些材料制作有机晶体管。我们的器件制作方法原则上不使用真空蒸镀法和光刻法等。也就是说，制作过程全部使用印刷法（全印刷法）。本研究室在制作过程中利用了多种涂布和印刷装置。我们拥有通用点胶机、富士胶片的美国子公司 FUJIFILM Dimatix 制造的通用喷墨机，以及精度相当高的喷墨装置。另外还有凹版印刷胶印装置、狭缝涂布机、丝网印刷机以及凸版反转印刷机。我们利用这些涂布和印刷装置，开发了布线、电极及半导体精细图案技术。例如，利用 FUJIFILM Dimatix 的喷墨装置就实现了精细图案的绘制。关键在于油墨的调整。重点是如何优化油墨，以及如何
8、将表面状态控制在最佳。具体来说就是，在玻璃基板上形成交联聚乙烯基苯酚（PVP）作为底料，按照打印台温度约为 60、喷墨间隔为 5250m 的条件下喷墨发现，在某个条件下可形成非常笔直的细线。这个条件就是，交联 PVP 的表面与水的接触角约为 84 度时。此时能以约 30m 的线宽/线距（L/S）绘制细线。成功实现布线的截面形状控制成功实现布线的截面形状控制不过，如果绘制 100m 宽的细线，截面会出现被称为“咖啡点”（Coffee Stain）的边缘变厚现象。因此，很难直接用于电子元器件。尤其是非常难以用于栅极电极。因为电场集中在电极的边缘部分，会导致晶体管短路。我们此前为解决这种咖啡点的问题
9、，开发出了控制截面形状的方法（图 7）。也就是使用 DIC 提供的水性油墨的方法。在进行喷墨印刷后，通过控制湿度使之干燥，可形成平坦的截面形状。图 7：解决咖啡点问题图为与 DIC 的共同研究结果。通过利用水系油墨，在干燥时改变湿度条件，可控制布线的截面形状（a） 。湿度为 85时，电阻率降至30cm（b） 。这种技术已经用于实际的器件制作。最初，我们担心在高湿度条件下进行干燥的话，布线的电阻率可能会升高，而结果完全没有问题。以 140的温度烧结细线时，湿度在 80以上电阻率反而能降低。烧结温度为 140的话，完全可用于通用树脂膜。沟道长度的微细化取得进展沟道长度的微细化取得进展在印刷法中，值
10、得期待的是凸版反转印刷法（图 8）。这种印刷法是在胶布上整体涂布油墨后，去除印刷版中多余部分的油墨。然后，将剩余部分转印到基板上。在晶体管的源极和漏极的印刷形成法中，可获得高精度的微细沟道。电极边缘部分的形状也比较锐利，电极表面平坦。可获得与利用光刻法形成的电极同等的精度。图 8：利用凸版反转印刷法实现微细图案化图为凸版反转印刷法的原理（a） 、采用该方法制作的各种电路示例（bd） ，以及截止频率与沟道长度等的关系（e） 。我们利用该技术形成了 2m 宽的图案间隙。也就是说，能用印刷法实现 2m 的沟道长度。采用有机半导体中常见的 p 型 diF-TESADT 制作印刷型有机 TFT，结果获得
11、了良好的特性。电流通断比也相当大。载流子迁移率约为 0.2cm2/Vs。最近还成功形成了 0.6m的沟道长度。在计算高频特性的公式中，分母中有沟道长度 L，以及栅极和源/漏极的重叠部分 LC。也就是说，L 的值越小，频率特性越高。此前利用印刷法制作的有机晶体管一般认为无法进行高频动作，但随着短沟道化的推进，就有可能实现高速动作。实际模拟结果显示，载流子迁移率为 1cm2/Vs 也能获得 10MHz 以上的高截止频率。还可直接在曲面上印刷还可直接在曲面上印刷如果能在凹凸不平的曲面上进行布线或形成电路，将有助于开发新产品。作为实现方法，可以考虑在非常薄的树脂膜上印刷形成电路，然后热压转印到曲面上。
12、但如果能利用印刷法直接在曲面上形成电路，将会进一步提高印刷法的优势。作为新一代印刷技术，我们正在大力开发“3D 印刷电子”这种非平面电路印刷技术（图 9）。图 9：将实现在曲面上的直接印刷我们正在开发的、可在有凹凸形状的曲面上直接印刷的技术应用示例。这种技术比如可以实际应用于汽车的中控台等。汽车内部的曲面部分较多。希望通过触摸屏而非按钮操作中控台面板的需求非常高。利用该技术，可以在曲面部分直接印刷制作触摸面板和触摸屏。另外，还考虑用曲面印刷布线来取代汽车线束。最近的汽车内都配备了许多复杂的布线，仅布线就占据了相当大的空间。作为取代线束的方法，也许可以利用在曲面上印刷的布线。天线也有望利用曲面印
13、刷。例如在前窗玻璃的曲面部分，或者车身的一部分直接印刷天线。我们已经开发出了在弯曲的树脂基板上进行印刷的技术。油墨采用银纳米油墨，可绘制 20m 宽的直线。在直径约 1cm 的圆柱型聚丙烯移液管上，也能印刷 20m 宽的笔直布线。印刷法的基本技术是凹版胶印法，不过胶布与普通的产品不同，需要采用贴合曲面的材质。这属于技术创新。使这种曲面电路印刷技术与当今热门的 3D 印刷技术相融合，估计会进一步诞生出新的制造业形态。 (四四)偏差小，偏差小，VTH 基本为基本为 0下面要介绍的，是利用全印刷法实际制造器件和电路的方法（下面要介绍的，是利用全印刷法实际制造器件和电路的方法（图图 10）。例如，有机
14、晶体管是在树脂膜上形成平坦化层之后，再依）。例如，有机晶体管是在树脂膜上形成平坦化层之后，再依次形成栅极绝缘层、源次形成栅极绝缘层、源/漏极、存储体（漏极、存储体（Bank）和半导体层。半导）和半导体层。半导体层利用点胶机形成。整个制作过程中不使用真空蒸镀法、光刻法体层利用点胶机形成。整个制作过程中不使用真空蒸镀法、光刻法和金属掩模。和金属掩模。图 10：利用全印刷法制作器件的流程图为不使用真空装置等，而是利用印刷法制作半导体和电极的步骤及材料示例。例如，我们采用低分子半导体，在树脂膜上制作了像素为 1010 的全印刷型有机 TFT 阵列（图 11）。对这种有机 TFT 的特性进行测量后发现，
15、特性偏差很小，非常均匀。具体数值如下，载流子迁移率为 1.10.17cm2/Vs，性能比较均匀。最大值为 1.6cm2/Vs。通断比基本在任何情况下都能达到 108。亚阈值摆幅（SS）值也非常均匀，为 0.240.03V/dec。令人吃惊的是，100 个有机 TFT 的阈值电压 VTH 为-0.010.09V，基本为 0V。这么高的均匀性是通过有机半导体自身的高结晶性和形成半导体层时的结晶配向控制实现的。图 11：在树脂膜上制作像素为 1010 的全印刷型有机 TFT 阵列100 个 TFT 的阈值电压基本为 0V。载流子迁移率在 1.10.17cm2/Vs之内，实现了高均匀性。有机 TFT
16、被期待用作柔性有机 EL 显示器背板，但采用低分子半导体的印刷型有机 TFT 一般存在一大问题，就是特性偏差大。而我们的研究结果证实，利用低分子半导体也能实现特性均匀的背板。制作集成电路，确认动作制作集成电路，确认动作我们已经利用上述技术在树脂膜上制作了集成电路。目标首先是实现 RFID 标签，然后是与传感器组合的智能有机传感系统。制作 RFID 乍一看好像很简单，但实际上需要非常高端的技术。从德国 PolyIC 公司报告的电路构成来看，外侧为天线，内部非常复杂，在狭窄的空间里配置了数字处理器、存储器、整流电路等多种电路。现在，我们采用丝网印刷和凹版印刷法，利用银膏制作了天线。因为丝网印刷适合制作需要一定厚度的天线。整流电路的二极管利用有机 TFT。存储器方面，采用吴羽公司提供的聚偏氟乙烯 (PVDF)衍生物制作有机 TFT 的栅极绝缘层，并由此制作出了 FeRAM。虽然工作电压高达 20V，但依然实现了良好的存储功能和存储特性。现在我们正努力通过薄膜化来降低工作电压。在集成电路应用方面，负责开关动作的逆变器电路非常
