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全喷墨软性电子元件制程之探讨
台大系统晶片中心专栏(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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软性电子(Flexible Electronics),IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)定义软性电子为一种技术的通称,此一技术制作于塑胶薄片或是金属薄片之可挠式基板上的电子元件或电子系统之技术。更详细的说明,软性电子材料可使用非晶矽、低温多晶矽及有机半导体材料,其特色在于可大面积制作及低成本,此项技术更具有下列优点:容易使用(Flexible to use)、弹性设计(Flexible to design)、容易制造(Flexible to assemble)与简单制作(Flexible to manufacture)。而软性电子之产业领域应用性,更涵括了软性显示器、生物晶片、无线感测及通讯、OLED与太阳能电池、软性电子元件与电路、软性智慧标签、软性感测器等。因此,软性电子技术可以说是继标准半导体电子技术之后,一项新兴之电子产业关键性技术。


喷墨技术

在众多软性电子制程方式之中,最吸引人的制程技术之一便是溶液制程(solution process),此一制程方式因为其可直接进行超大面积制作、节省制程耗材及减少有害废弃物的产生等特性,所以,持续有国内外研究团队及产业界投入软性电子溶液制程之开发。而在软性电子之溶液制程中,最关键的技术即是软性电子材料的涂布技术,相关技术可细分如下:旋转涂布(spin coating)、浸涂法(dip coating)、铸涂法(cast coating)、滴涂法(drop coating)、网印(screen printing),喷墨制程(inject printing)及连续式转印法(roll-to-roll)。在众多溶液制程方式之中,本文将针对采用溶液制程中的喷墨制程进行介绍,原因在于喷墨制程较其他制程更具有平行材料处理(parallel processes)与即时更改配置(on-line reconfiguration)的特性,这些特性使得喷墨制程较其他溶液制程方法具有更高的量产能力(throughput)。


喷墨技术大致可区分为两大类,如图一,分别为连续式喷墨(continuous inkjet print;CIJ)与供需式喷墨(drop on demand;DOD)。连续式喷墨技术即为不间断地从喷嘴喷出带电墨料,在墨料的飞行过程中经由电场的控制,决定墨料的方向,优点是可以将未使用的墨料回收再使用,可再细分为​​两向偏压法、多向偏压法、赫兹特法与微针点法四种,但是因为连续式喷墨系统复杂且系统成本较大,所以本研究团队采取供需式喷墨技术设计。


供需式喷墨技术则是当需要喷墨时,才对喷墨头中的致动器输入讯号,产生液滴,根据驱动的方式可细分为热泡式(thermal)、压电式(piezoelectric) 、静电式(electro-static)与音波式(acoustic)四种。热泡式喷墨技术是先使用加热器将墨水加热汽化,在喷墨头腔体内产生高压气泡再将墨水从喷嘴射出液滴。压电式喷墨技术则是对喷墨头腔体内的压电陶瓷施加电压产生形变,挤压墨料产生液滴,将墨料射出。热泡式与压电式喷墨技术之不同处在于,压电式喷墨技术使用压电喷头,藉由调整压电讯号来控制压电材料的形变,决定喷墨液滴的尺寸,驱动速度比热泡式的快,而且也不像热泡式在喷墨过程中产生高温。


《图一 喷墨技术分类》
《图一 喷墨技术分类》

自制喷墨系统

基于上述喷墨技术分析,为了能够精准控制喷墨液滴的位置,本研究团队使用的材料为有机材料,必且避免制程高温影响喷墨过程,所以本研究团队采用供需式压电喷墨技术。


本研究团队的自制喷墨系统,结合软硬体设计,硬体方面(如图二)为喷头驱动系统、双轴马达定位平台系统与观测系统组成;软体方面(如图三)则是藉由LabView设计适合喷墨制程的程式,分别用来校正喷头测试、喷墨图形制程、双轴马达平台移动、喷墨图形多层结构定位、喷墨图形绘制、喷墨图形暂存与喷墨图形的存取。


  


《图二 喷墨制程机台架构图》
《图二 喷墨制程机台架构图》

《图三 控制软件讯号连接图》
《图三 控制软件讯号连接图》

喷头驱动系统包含喷墨头、三口二位手扭作动阀,正压表、负压表、调压阀、压缩机、帮浦、墨料槽、连接管等零件构成。喷墨头则是使用MicroFab公司出品的单嘴喷墨头—MJ-ATP系列(如图四),墨料黏度小于20Cp。为了完成稳定的喷墨制程,除了给予压电喷头驱动讯号时,还必须对墨料槽做压力控制,于是以三口二位手扭作动阀的输出端连接墨料槽,正负压透过正压阀与负压阀再连接至作动阀的输入端,以三口二位手扭作动阀作为墨料槽的压力选择器,以正、负压阀调整对墨料槽内的压力大小。


  



《图四 MicroFab公司出品的MJ-ATP喷墨头》
《图四 MicroFab公司出品的MJ-ATP喷墨头》

  


供需式压电喷墨技术的制程移动方式,本研究团队采用固定喷头,控制喷墨头下方的双轴马平台进行喷印图案。本研究团队采用SIGMA KOKI的SGSP26-100双轴马达平台(如图五),规格见表一,单轴马达平台走距为100mm,载台面积为80mm×80mm,可大面积进行喷墨制程,透过马达驱动的设定可以达到定位精确度1μm,重复精度0.1μm。



《图五 SIGMA KOKI公司出品的马达平台SGSP26-100(XY)》
《图五 SIGMA KOKI公司出品的马达平台SGSP26-100(XY)》
(表一) SIGMA KOKI公司出品的马达平台规格 AxisXBacklash(mm)0.003Travel(mm)100Load Capacity(kgf)12Table Size(mm)80×80Weight(kg)1.7Position Accuracy(mm)0.01Max Speed​​(mm/sec)30Position Repeatability(mm)0.003Lead Screwψ8mm, 2mm LeadLost Motion(mm)0.003Motor(A/phase)0.75Y axis direction straightness(mm)0.01Cable TypeDMINIS or MINIZ axis direction straightness(mm)0.01

自制喷墨制程系统有架设两个观测设备,第一个是微液滴观测设备,用来观测喷墨过程中的液滴飞行(如图六),或清洁喷墨头时观测喷头,确认喷头是否有阻塞,也可以观察喷墨制程中,喷墨液滴喷印于基板上的状况,液滴是否顺利连成直线或是分离;另一个是喷印图形观测设备,主要功能是观看已喷印好的图形。


(a) (b) (c)


(d) (e) (f)


《图六 PEDOT溶液在不同延迟时间下驱动闪频LED所撷取的液滴形成画面。从(a)到(f),闪频灯的延迟时间分别为30μs、50μs、80μs、150μs、200μs与250μs。》
《图六 PEDOT溶液在不同延迟时间下驱动闪频LED所撷取的液滴形成画面。从(a)到(f),闪频灯的延迟时间分别为30μs、50μs、80μs、150μs、200μs与250μs。》

  


自制手套箱系统

为了提升品质与良率,以及避免有机材料半导体材料受到大气环境下水氧影响,降低元件的性能,所以实验中凡是必须使用到P3HT或是其他易受属水氧的有机半导体影响,皆在自制手套箱内进行实验,自制手套箱设计如图七,自制手套箱如图八,目前手套箱水气浓度最低可维持在4~5%左右。



《图七 自制手套箱设计图》
《图七 自制手套箱设计图》
《图八 自制手套箱》
《图八 自制手套箱》

软性电子元件成果

本研究团队采用全喷墨制程制作有机薄膜电晶体(organic thin film transistor;OTFT),以PEDOT/PSS,全名为Poly(3, 4–ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)aqueous dispersion,购买于HCStarck, German,型号为BAYTRON P HC V4作为电极,以poly(vinylphenol)(PVP)作为绝缘层,以ploy(3-hexylthiophene)(P3HT)做为半导体层,结构如图九。


《图九 有机薄膜晶体管结构》
《图九 有机薄膜晶体管结构》
《图十 有机薄膜晶体管结构》
《图十 有机薄膜晶体管结构》

利用上述全喷墨系统制作之OTFT进行电晶体特性的探讨,其电性表现可分别如图十一所示,field-effect mobility=0.25cm2/Vs,on/off ratio~103并且threshold voltage=- 4.5V。相较于现阶段其它制程所制作之OTFT,已具有相匹配之性能,进一步,本研究团队更利用所开发之OTFT元件进行类比电路中基本的滤波器及数位电路中基本的反相电路制作,以验证其电路之可行性。


(阿) (本)


《图十一 (a)Vgs-Ids图。(b)Vds-Ids图。》
《图十一 (a)Vgs-Ids图。(b)Vds-Ids图。》

在类比电路之滤波器上,以软性被动元件进行落实,更仔细的说明,以PEDOT/PSS构成有机薄膜电阻,同时以PEDOT/PSS-PVP-PEDOT/PSS构成有机薄膜电容器,以此两种元件构成有机薄膜RC滤波器,其电性表现如图十二,值得注意的是在输入讯号之频率高于100kHz以上时,输出讯号会开始衰减,此现象经验证原因应该是由于有机导电材料在高频的情况下,电子跳跃的速度无法跟上输入讯号的速度,因而造成电容充放电的速度变慢而使讯号随之衰减。


(a) (b) (c)


(d) (e) (f)



《图十二 (a)~(c)为低通滤波器电性表现:(a)10Hz、(b)1kHz、(c)10kHz、(d)~(f)高通滤波器电性表现、(d)10Hz、(e)50kH、(f)100kHz。》
《图十二 (a)~(c)为低通滤波器电性表现:(a)10Hz、(b)1kHz、(c)10kHz、(d)~(f)高通滤波器电性表现、(d)10Hz、(e)50kH、(f)100kHz。》

同时在全喷墨软性数位电路反向器上,本团队即利用所研发之OTFT进行验证,此一有机薄膜反向器的元件与电性如图十三。


  


(a) (b)



《图十三 (a)有机薄膜反向器组件、(b)有机薄膜反向器组件电性表现。》
《图十三 (a)有机薄膜反向器组件、(b)有机薄膜反向器组件电性表现。》

结语

总上所述,本研究团队已成功自行开发软性电子全喷墨制程系统,为了提升制程良率与元件电性,进一步自行制作环境控制箱,并且将一套喷墨制程系统置入其中进行元件的制作,元件方面完成全喷墨有机薄膜电晶体的制作,相关元件达成field-effect mobility=0.25cm2/Vs,on/off ratio~103且threshold voltage=-4.5V,同时制作全喷墨软性RC滤波器及反向器。相关元件与电路之开发已验证全喷墨软性电子系统的可行性,然而,软性电子元件的稳定性与可靠性等通用应用性问题,仍有待进一步的投入与研发。


---许峻豪为台湾大学电子工程学研究所研究生;吴文中为台湾大学工程科学及海洋工程研究所专任助理教授;林致廷为台湾大学电机工程学系助理教授---


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