Tema

Integrerade kretsar kan tryckas på plast

Fullständiga integrerade kretsar, med fler än 100 elektrokemiska organiska transistorer, går att tillverka med screentryck där specialbläck trycks på plast. Det har forskare vid Linköpings universitet och RISE visat för första gången någonsin.

– Det här är ett avgörande steg framåt för en teknik som föddes vid Linköpings universitet för drygt 17 år sedan. Resultatet visar att vi åter är nummer ett inom området, tack vare det nära samarbetet mellan grundforskningen vid Laboratoriet för organisk elektronik, LOE, och den mer tillämpade vid RISE, säger Magnus Berggren, professor i organisk elektronik och föreståndare för LOE vid Linköpings universitet.

– Styrkan här är att vi inte har behövt blanda metoder. Allt görs i screentryck och i relativt få processteg; tricket är att se till att de olika lagren hamnar på exakt rätt plats, säger Peter Andersson Ersman, forskare i tryckt elektronik vid forskningsinstitutet RISE, Campus Norrköping.

Fina linjer trycks med specialbläck

Att trycka elektronik vars linjebredd är cirka 100 mikrometer ställer också krav på tryckteknik och här har elektronikforskningen fått hjälp av den grafiska branschen som tagit fram screentryckramar med dukar som klarar tryck av mycket fina linjer. Många forskningstimmar har också behövts för att få fram bläck med rätt egenskaper för tryckningen.

En integrerad krets, eller IC-krets efter engelskans integrated circuit, är en elektronisk krets där olika komponenter tillverkats på en och samma halvledarbricka, chip – ofta av kisel. Komponenterna kan vara transistorer, dioder, resistorer och kondensatorer som kombineras för att tillsammans ge en viss funktionalitet. Integrerade kretsar, eller mikrochip, används bland annat i datorer.

Det första genombrottet för screentryckta kretsar kom via ett EU-projekt, Eureka Eurostars Prolog-projekt och publicerades 2017. Sedan dess har minst tre utmaningar klarats av: att få ner storleken på kretsarna, att öka kvaliteten så att sannolikheten att alla transistorer i kretsen fungerar ligger så nära 100 procent som möjligt, och inte minst att lösa integrationen med de kisel-kretsar som behövs för att processa signalerna och för kommunikationen utåt.

Kan kommunicera med vanliga kiselchip

– Ett av de stora stegen är att vi nu lyckats använda tryckta kretsar för att skapa ett gränssnitt mot traditionell kiselelektronik. Vi har tagit fram olika typer av tryckta kretsar baserade på organiska elektrokemiska transistorer, exempelvis ett shift-register, som bildar ett gränssnitt och sköter kontakten mellan kiselkretsen och andra elektroniska komponenter, exempelvis sensorer eller displayer. Det betyder att vi nu kan använda ett kiselchip med färre kontaktpunkter, vilket leder till minskad area och därmed lägre kostnad, säger Magnus Berggren.

Bläckutveckling för tryckning av de tunna linjerna och de förbättrade screentrycksramarna har bidragit både till miniatyriseringen och till kvalitetsförbättringen.

Stora integrerade kretsar, LSI, kan användas för att driva en likaledes tryckt sk elektrokrom display. Bild: Thor Balkhed

– På ett A4 får vi idag plats med över 1 000 organiska elektrokemiska transistorer, och beroende på hur de kopplas ihop kan vi skapa olika typer av tryckta integrerade kretsar, säger Simone Fabiano, forskningsledare inom området organisk nanoelektronik vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet.

De stora integrerade kretsarna, så kallade LSI (Large Scale Integration) med ett stort antal komponenter per integrerad krets, kan exempelvis användas för att driva en likaledes tryckt display eller någon annan del av den uppkopplade elektronik som sakernas internet för med sig.

Materialet forskarna använder är en elektriskt ledande polymer, PEDOT:PSS, som är det mest studerade materialet i världen inom området organisk elektronik.

– Det är ett material som fanns kommersiellt tillgängligt redan för 17 år sedan och vi hade då ren tur som valde ett arbeta med just detta material. Nu har vi samma material till den integrerade kretsen som till displayen och det gör det möjligt att trycka mer effektivt. Vi har tagit fram en komplett process för tryckning av kretsar här vid Printed Electronics Arena i Norrköping, säger Magnus Berggren.

Vetenskaplig artikel:

All-Printed Large-Scale Integrated Circuits Based on Organic Electrochemical Transistors (Peter Andersson Ersman, Roman Lassnig, Jan Strandberg, Deyu Tu, Vahid Keshmiri, Robert Forchheimer, Simone Fabiano, Goran Gustafsson, Magnus Berggren) Nature Communications 2019

Kontakt:

Magnus Berggren, professor i organisk elektronik och föreståndare för LOE vid Linköpings universitet, magnus.berggren@liu.se
Simone Fabiano, forskningsledare inom området organisk nanoelektronik vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, simone.fabiano@liu.se
Peter Andersson Ersman, forskare i tryckt elektronik vid forskningsinstitutet RISE, Campus Norrköping, peter.andersson.ersman@ri.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Integrerade kretsar kan tryckas på plast

 lästid ~ 3 min