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全噴墨軟性電子元件製程之探討
台大系統晶片中心專欄(26)

【作者: 許峻豪、吳文中、林致廷】   2009年06月09日 星期二

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軟性電子(Flexible Electronics),IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)定義軟性電子為一種技術的通稱,此一技術製作於塑膠薄片或是金屬薄片之可撓式基板上的電子元件或電子系統之技術。更詳細的說明,軟性電子材料可使用非晶矽、低溫多晶矽及有機半導體材料,其特色在於可大面積製作及低成本,此項技術更具有下列優點:容易使用(Flexible to use)、彈性設計(Flexible to design)、容易製造(Flexible to assemble)與簡單製作(Flexible to manufacture)。而軟性電子之產業領域應用性,更涵括了軟性顯示器、生物晶片、無線感測及通訊、OLED與太陽能電池、軟性電子元件與電路、軟性智慧標籤、軟性感測器等。因此,軟性電子技術可以說是繼標準半導體電子技術之後,一項新興之電子產業關鍵性技術。


噴墨技術

在眾多軟性電子製程方式之中,最吸引人的製程技術之一便是溶液製程(solution process),此一製程方式因為其可直接進行超大面積製作、節省製程耗材及減少有害廢棄物的產生等特性,所以,持續有國內外研究團隊及產業界投入軟性電子溶液製程之開發。而在軟性電子之溶液製程中,最關鍵的技術即是軟性電子材料的塗佈技術,相關技術可細分如下:旋轉塗佈(spin coating)、浸塗法(dip coating)、鑄塗法(cast coating)、滴塗法(drop coating)、網印(screen printing),噴墨製程(inject printing)及連續式轉印法(roll-to-roll)。在眾多溶液製程方式之中,本文將針對採用溶液製程中的噴墨製程進行介紹,原因在於噴墨製程較其他製程更具有平行材料處理(parallel processes)與即時更改配置(on-line reconfiguration)的特性,這些特性使得噴墨製程較其他溶液製程方法具有更高的量產能力(throughput)。


  噴墨技術大致可區分為兩大類,如圖一,分別為連續式噴墨(continuous inkjet print;CIJ)與供需式噴墨(drop on demand;DOD)。連續式噴墨技術即為不間斷地從噴嘴噴出帶電墨料,在墨料的飛行過程中經由電場的控制,決定墨料的方向,優點是可以將未使用的墨料回收再使用,可再細分為兩向偏壓法、多向偏壓法、赫茲特法與微針點法四種,但是因為連續式噴墨系統複雜且系統成本較大,所以本研究團隊採取供需式噴墨技術設計。


  供需式噴墨技術則是當需要噴墨時,才對噴墨頭中的致動器輸入訊號,產生液滴,根據驅動的方式可細分為熱泡式(thermal)、壓電式(piezoelectric)、靜電式(electro-static)與音波式(acoustic)四種。熱泡式噴墨技術是先使用加熱器將墨水加熱汽化,在噴墨頭腔體內產生高壓氣泡再將墨水從噴嘴射出液滴。壓電式噴墨技術則是對噴墨頭腔體內的壓電陶瓷施加電壓產生形變,擠壓墨料產生液滴,將墨料射出。熱泡式與壓電式噴墨技術之不同處在於,壓電式噴墨技術使用壓電噴頭,藉由調整壓電訊號來控制壓電材料的形變,決定噴墨液滴的尺寸,驅動速度比熱泡式的快,而且也不像熱泡式在噴墨過程中產生高溫。


《圖一 噴墨技術分類》
《圖一 噴墨技術分類》

自製噴墨系統

基於上述噴墨技術分析,為了能夠精準控制噴墨液滴的位置,本研究團隊使用的材料為有機材料,必且避免製程高溫影響噴墨過程,所以本研究團隊採用供需式壓電噴墨技術。


本研究團隊的自製噴墨系統,結合軟硬體設計,硬體方面(如圖二)為噴頭驅動系統、雙軸馬達定位平台系統與觀測系統組成;軟體方面(如圖三)則是藉由LabView設計適合噴墨製程的程式,分別用來校正噴頭測試、噴墨圖形製程、雙軸馬達平台移動、噴墨圖形多層結構定位、噴墨圖形繪製、噴墨圖形暫存與噴墨圖形的存取。


  


《圖二 噴墨製程機台架構圖》
《圖二 噴墨製程機台架構圖》

《圖三 控制軟體訊號連接圖》
《圖三 控制軟體訊號連接圖》

噴頭驅動系統包含噴墨頭、三口二位手扭作動閥,正壓表、負壓表、調壓閥、壓縮機、幫浦、墨料槽、連接管等零件構成。噴墨頭則是使用MicroFab公司出品的單嘴噴墨頭—MJ-ATP系列(如圖四),墨料黏度小於20Cp。為了完成穩定的噴墨製程,除了給予壓電噴頭驅動訊號時,還必須對墨料槽做壓力控制,於是以三口二位手扭作動閥的輸出端連接墨料槽,正負壓透過正壓閥與負壓閥再連接至作動閥的輸入端,以三口二位手扭作動閥作為墨料槽的壓力選擇器,以正、負壓閥調整對墨料槽內的壓力大小。


  



《圖四 MicroFab公司出品的MJ-ATP噴墨頭》
《圖四 MicroFab公司出品的MJ-ATP噴墨頭》

  


供需式壓電噴墨技術的製程移動方式,本研究團隊採用固定噴頭,控制噴墨頭下方的雙軸馬平台進行噴印圖案。本研究團隊採用SIGMA KOKI的SGSP26-100雙軸馬達平台(如圖五),規格見表一,單軸馬達平台走距為100mm,載台面積為80mm×80mm,可大面積進行噴墨製程,透過馬達驅動的設定可以達到定位精確度1μm,重複精度0.1μm。



《圖五 SIGMA KOKI公司出品的馬達平台SGSP26-100(XY)》
《圖五 SIGMA KOKI公司出品的馬達平台SGSP26-100(XY)》
(表一) SIGMA KOKI公司出品的馬達平台規格 Axis X Backlash(mm) 0.003 Travel(mm) 100 Load Capacity(kgf) 12 Table Size(mm) 80×80 Weight(kg) 1.7 Position Accuracy(mm) 0.01 Max Speed(mm/sec) 30 Position Repeatability(mm) 0.003 Lead Screw ψ8mm, 2mm Lead Lost Motion(mm) 0.003 Motor(A/phase) 0.75 Y axis direction straightness(mm) 0.01 Cable Type DMINIS or MINI Z axis direction straightness(mm) 0.01

自製噴墨製程系統有架設兩個觀測設備,第一個是微液滴觀測設備,用來觀測噴墨過程中的液滴飛行(如圖六),或清潔噴墨頭時觀測噴頭,確認噴頭是否有阻塞,也可以觀察噴墨製程中,噴墨液滴噴印於基板上的狀況,液滴是否順利連成直線或是分離;另一個是噴印圖形觀測設備,主要功能是觀看已噴印好的圖形。


(a) (b) (c)


(d) (e) (f)


《圖六 PEDOT溶液在不同延遲時間下驅動閃頻LED所擷取的液滴形成畫面。從(a)到(f),閃頻燈的延遲時間分別為30μs、50μs、80μs、150μs、200μs與250μs。》
《圖六 PEDOT溶液在不同延遲時間下驅動閃頻LED所擷取的液滴形成畫面。從(a)到(f),閃頻燈的延遲時間分別為30μs、50μs、80μs、150μs、200μs與250μs。》

  


自製手套箱系統

為了提升品質與良率,以及避免有機材料半導體材料受到大氣環境下水氧影響,降低元件的性能,所以實驗中凡是必須使用到P3HT或是其他易受屬水氧的有機半導體影響,皆在自製手套箱內進行實驗,自製手套箱設計如圖七,自製手套箱如圖八,目前手套箱水氣濃度最低可維持在4~5%左右。



《圖七 自製手套箱設計圖》
《圖七 自製手套箱設計圖》
《圖八 自製手套箱》
《圖八 自製手套箱》

軟性電子元件成果

本研究團隊採用全噴墨製程製作有機薄膜電晶體(organic thin film transistor;OTFT),以PEDOT/PSS,全名為Poly(3, 4–ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)aqueous dispersion,購買於H.C.Starck,German,型號為BAYTRON P HC V4作為電極,以poly(vinylphenol)(PVP)作為絕緣層,以ploy(3-hexylthiophene)(P3HT)做為半導體層,結構如圖九。


《圖九 有機薄膜電晶體結構》
《圖九 有機薄膜電晶體結構》
《圖十 有機薄膜電晶體結構》
《圖十 有機薄膜電晶體結構》

利用上述全噴墨系統製作之OTFT進行電晶體特性的探討,其電性表現可分別如圖十一所示,field-effect mobility=0.25cm2/Vs,on/off ratio~103並且threshold voltage=-4.5V。相較於現階段其它製程所製作之OTFT,已具有相匹配之性能,進一步,本研究團隊更利用所開發之OTFT元件進行類比電路中基本的濾波器及數位電路中基本的反相電路製作,以驗證其電路之可行性。


(a) (b)


《圖十一 (a)Vgs-Ids圖。(b)Vds-Ids圖。》
《圖十一 (a)Vgs-Ids圖。(b)Vds-Ids圖。》

在類比電路之濾波器上,以軟性被動元件進行落實,更仔細的說明,以PEDOT/PSS構成有機薄膜電阻,同時以PEDOT/PSS-PVP-PEDOT/PSS構成有機薄膜電容器,以此兩種元件構成有機薄膜RC濾波器,其電性表現如圖十二,值得注意的是在輸入訊號之頻率高於100kHz以上時,輸出訊號會開始衰減,此現象經驗證原因應該是由於有機導電材料在高頻的情況下,電子跳躍的速度無法跟上輸入訊號的速度,因而造成電容充放電的速度變慢而使訊號隨之衰減。


(a) (b) (c)


(d) (e) (f)



《圖十二 (a)~(c)為低通濾波器電性表現:(a)10Hz、(b)1kHz、(c)10kHz、(d)~(f)高通濾波器電性表現、(d)10Hz、(e)50kH、(f)100kHz。》
《圖十二 (a)~(c)為低通濾波器電性表現:(a)10Hz、(b)1kHz、(c)10kHz、(d)~(f)高通濾波器電性表現、(d)10Hz、(e)50kH、(f)100kHz。》

同時在全噴墨軟性數位電路反向器上,本團隊即利用所研發之OTFT進行驗證,此一有機薄膜反向器的元件與電性如圖十三。


  


(a) (b)



《圖十三 (a)有機薄膜反向器元件、(b)有機薄膜反向器元件電性表現。》
《圖十三 (a)有機薄膜反向器元件、(b)有機薄膜反向器元件電性表現。》

結語

總上所述,本研究團隊已成功自行開發軟性電子全噴墨製程系統,為了提升製程良率與元件電性,進一步自行製作環境控製箱,並且將一套噴墨製程系統置入其中進行元件的製作,元件方面完成全噴墨有機薄膜電晶體的製作,相關元件達成field-effect mobility=0.25cm2/Vs,on/off ratio~103且threshold voltage=-4.5V,同時製作全噴墨軟性RC濾波器及反向器。相關元件與電路之開發已驗證全噴墨軟性電子系統的可行性,然而,軟性電子元件的穩定性與可靠性等通用應用性問題,仍有待進一步的投入與研發。


---許峻豪為台灣大學電子工程學研究所研究生;吳文中為台灣大學工程科學及海洋工程研究所專任助理教授;林致廷為台灣大學電機工程學系助理教授---


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