Класифікація методів друку та матеріалів друкованої електроніки

Тетяна Юріївна Киричок; Богдан Олександрович Бардовський

doi:10.20535/2077-7264.4(82).2023.291596

Автор(и)

Тетяна Юріївна Киричок НН ВПІ КПІ ім. Ігоря Сікорського, Україна https://orcid.org/0000-0002-9639-5486
Богдан Олександрович Бардовський НН ВПІ КПІ ім. Ігоря Сікорського, Україна

DOI:

https://doi.org/10.20535/2077-7264.4(82).2023.291596

Ключові слова:

друкована електроніка, методи друку, шорсткість основи, профіль поверхні, флексографічний друк, трафаретний друк, струминний друк, струмопровідні чорнила, гнучкі основи, задруковуваний матеріал

Анотація

У статті подано ґрунтовну класифікацію основ, чорнил і методів друку в контексті друкованої електроніки. У статті систематично класифіковано різні типи основ, включаючи органічні, неорганічні та синтетичні матеріали, серед яких папір, пластик ((поліетилентерефталат (ПЕТ) і поліімід)), текстиль та інші, оцінюючи їхню придатність для друку електроніки. Дослідження також вивчає різні рецептури чорнил, зосереджуючись на їхніх електричних властивостях і сумісності з основами, розглядаються такі матеріали як наночастинки срібла, вуглецеві нанотрубки, графен та інші. Крім того, досліджуються методи друку, які розбиті в класифікації як такі, що потребуютиь використання форми, безформні методи, та недрукарські методи. Серед методів зазначаються струминний, трафаретний, флексографічний друк та інші, аналізуючи їхню застосовність у виробництві електроніки, підкреслюється їхня сумісність з різними матеріалами. У статті визначено найпоширеніші методи друку в друкованій електроніці, відзначено трафаретний друк як найпоширеніший, струминний — за його точність, флексографічний — за швидкість, а глибокий — за високу роздільну здатність. Паперові основи, особливо після обробки, стають стійкими, економічно ефективними варіантами (завдяки своїй низькій вартості порівняно з іншими варіантами), що відповідають екологічним і практичним потребам у різних сферах застосування. Вибір сумісних чорнил — наприклад, срібла для струминного друку на папері або міді для флексографічного друку на пластику — має вирішальне значення для продуктивності пристрою. Складність вибору зумовлює необхідність подальших досліджень методів нанесення елементів для друкованої електроніки. Це дослідження є ключовим для розуміння взаємодії між основами, чорнилами/фарбами та методами друку, керуючи процесом вибору у виробництві друкованої електроніки.

Біографії авторів

Тетяна Юріївна Киричок, НН ВПІ КПІ ім. Ігоря Сікорського

д-р техн. наук, проф., зав. кафедри технології поліграфічного виробництва, член редколегії збірника наукових праць «Технологія і техніка друкарства»

Богдан Олександрович Бардовський, НН ВПІ КПІ ім. Ігоря Сікорського

асп., кафедра технології поліграфічного виробництва

Посилання

Kim, S. (2020). Inkjet-Printed Electronics on Paper for RF Identification (RFID) and Sensing. Electronics, 9(10):1636. https://doi.org/10.3390/electronics9101636.

Wiklund, J., Karakoç, A., Palko, T., Yiğitler. H., Ruttik, K., Jäntti, R., & Paltakari, J. (2021). A Review on Printed Electronics: Fabrication Methods, Inks, Substrates, Applications and Environmental Impacts. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 5(3):89. https://doi.org/10.3390/jmmp5030089.

Huang, Q., & Zhu, Y. (2019). Printing conductive nanomaterials for flexible and stretchable electronics: A review of materials, processes, and applications. Advanced Materials Technologies, 4(5). doi:10.1002/admt.201800546.

Perelaer, J., Smith, P. J., Mager, D., Soltman, D., Volkman, S. K., Subramanian, V., & Schubert, U. S. (2010). Printed electronics: The challenges involved in printing devices, interconnects, and contacts based on inorganic materials. Journal of Materials Chemistry, 20(39), 8446-8453. doi:10.1039/c0jm00264j.

Kergoat, L., Piro, B., Berggren, M., Horowitz, G., & Pham, M. (2012). Advances in organic transistor-based biosensors: From organic electrochemical transistors to electrolyte-gated organic field-effect transistors. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 402(5), 1813-1826. doi:10.1007/s00216-011-5363-y.

Khan, S., Lorenzelli, L., & Dahiya, R. S. (2015). Technologies for printing sensors and electronics over large flexible substrates: A review. IEEE Sensors Journal, 15(6), 3164-3185. doi:10.1109/JSEN.2014.2375203.

Kang DJ, Gonzaléz-García L., & Kraus, T. (2022). Soft electronics by inkjet printing metal inks on porous substrates. Flex Print Electron, 7(3).

Krajewski, A. S., Magniez, K., Helmer, R. J. N., & Schrank, V. (2013). Piezoelectric force response of novel 2d textile based pvdf sensors. IEEE Sensors Journal, 13(12), 4743-4748. doi:10.1109/JSEN.2013.2274151.

Fumeaux, N., & Briand, D. (2023). Zinc hybrid sintering for printed transient sensors and wireless electronics. Npj Flexible Electronics, 7(1). doi:10.1038/s41528-023-00249-0.

Yamada, T. et al. (2016). Nanoparticle chemisorption printing technique for conductive silver patterning with submicron resolution. Nat. Commun, 7:11402. doi: 10.1038/ncomms11402.

Gomes, P., Tama, D., Yao, Y., Abreu, M. J., Souto, A. P., & Carvalho, H. (2018). Development of pressure sensors for smart textiles. Paper presented at the IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 460(1). doi:10.1088/1757-899X/460/1/012024. Retrieved from www.scopus.com.

Cole, P., Turner, L., Hu, Z., & Ranasinghe, D. (2011). The Next Generation of RFID Technology. In D. C. Ranasinghe, Q. Z. Sheng, & S. Zeadally (Eds.), Unique Radio Innovation for the 21st Century: Building Scalable and Global RFID Networks (pp. 3–23). Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-03462-6.

Gupta, S., Navaraj, W. T., Lorenzelli, L., & Dahiya, R. (2018). Ultra-thin chips for high-performance flexible electronics. Npj Flexible Electronics, 2(1). doi:10.1038/s41528-018-0021-5.

Aassime, A., & Hamouda, F. (2017). Conventional and Un-Conventional Lithography for Fabricating Thin Film Functional Devices. In N. N. Nikitenkov (Ed.), Modern Technologies for Creating the Thin-film Systems and Coatings (pp. 43–58). InTech. doi: 10.5772/66028.

Anas, K. (2020, June 15). Integrated Circuits Fabrication and their Technologies. IEEE AIET SB. Retrieved from https://edu.ieee.org/eg-aiet/integrated-circuits-ic-technologies.

Huang, L., Huang, Y., Liang, J., Wan, X., & Chen, Y. (2011). Graphene-based conducting inks for direct inkjet printing of flexible conductive patterns and their applications in electric circuits and chemical sensors. Nano Research, 4(7), 675-684. doi:10.1007/s12274-011-0123-z.

Palmieri, E., Montaina, L., Polino, G., Bonomo, M., Giordanengo, G., Barolo, C., Paradossi, G., Brunetti, F., Tamburri, E., & Orlanducci, S. (2023). Engineered Surface for High Performance Electrodes on Paper. Appl. Surf. Sci., 608, 155117.

Brunetti, I., Pimpolari, L., Conti, S., Worsley, R., Majee, S., Polyushkin, D. K., & Fiori, G. (2021). Inkjet-printed low-dimensional materials-based complementary electronic circuits on paper. Npj 2D Materials and Applications, 5(1). doi:10.1038/s41699-021-00266-5.

Harvey, J. E. (2003–2004). Printing Electronics. Media4theWorld, LLC.

Barras, R., Cunha, I., Gaspar, D., Fortunato, E., Martins, R., & Pereira, L. (2017). Printable cellulose-based electroconductive composites for sensing elements in paper electronics. Flexible and Printed Electronics, 2(1), 014006. https://doi.org/10.1088/2058-8585/aa5ef9.

Schmidt, W., & Barth-Gremmel, K. (2012, September 20). Support for Electronic Circuits [Patent Application No. US2012234585A1; PCT Filed: September 9, 2010]. European Patent Office. Retrieved from https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=US&NR=2012234585A1&KC=A1&FT=D&ND=4&date=20120920&DB=EPODOC&locale=en_EP.

Simegnaw, A. A., Malengier, B., Rotich, G., Tadesse, M. G., & Van Langenhove, L. (2021). Review on the integration of microelectronics for e-textile. Materials, 14(17). doi:10.3390/ma14175113.

Latest advances in substrates for flexible electronics. (2007). Journal of the Society for Information Display, 15(12), 1075–1083.

Palavesam, N., Landesberger, C., Kutter, C., & Bock, K. (2015). Finite element analysis of uniaxial bending of ultra-thin silicon dies embedded in flexible foil substrates. Paper presented at the 2015 11th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics, PRIME 2015, 137–140. doi:10.1109/PRIME.2015.7251353. Retrieved from www.scopus.com.

Chen, Z., Hwang, H. Y., Jaafar, N., & Rhee, D. M. W. (2016). Study on power cycling reliability of power module with single metal layer flexible substrate by finite element analysis. Paper presented at the Proceedings of the Electronic Packaging Technology Conference, EPTC, 2016-February. doi:10.1109/EPTC.2015.7412307. Retrieved from www.scopus.com.

Tai, T. S., He, S., & Ghazinouri, B. (2023). 2D FPCB micromirror for scanning LIDAR. Journal of Micromechanics and Microengineering, 33(12). doi:10.1088/1361-6439/ac9e62.

Hu, G., Kang, J., Ng, L. W. T., Zhu, X., Howe, R. C. T., Jones, C. G., & Hasan, T. (2018). Functional inks and printing of two-dimensional materials. Chemical Society Reviews, 47(9), 3265-3300. doi:10.1039/c8cs00084k.

Orts, V., Chan, K. C., Caironi, M., Athanassiou, A., Kinloch, I. A., Bissett, M., & Cataldi, P. (2022). Electrically Conductive 2D Material Coatings for Flexible and Stretchable Electronics: A Comparative Review of Graphenes and MXenes. Adv. Funct. Mater., 32, 2204772. https://doi.org/10.1002/adfm.202204772.

Avuthu, S.G., Gill, M., Ghalib, N., Sussman, M., Wable, G., Richstein, J., Ph.D., & Jabil. (2016). An introduction to the process of printed electronics. Proceedings of SMTA International, 246–252. Presented at Rosemont, IL, USA, September 25–29.

Tekin, E., Smith, P. J., & Schubert, U. S. (2008). Inkjet printing as a deposition and patterning tool for polymers and inorganic particles. Soft Matter, 4(4), 703–713. doi:10.1039/b711984d.

Pardo, D. A., Jabbour, G. E., & Peyghambarian, N. (2000). Application of screen printing in the fabrication of organic light-emitting devices. Advanced Materials, 12(17), 1249–1252. doi:10.1002/1521-4095(200009)12:17<1249::AID-ADMA1249>3.0.CO;2-Y.

Monroe, M. M., Villanueva, L. G., & Briand, D. (2023). Low-temperature processing of screen-printed piezoelectric KNbO3 with integration onto biodegradable paper substrates. Microsystems and Nanoengineering, 9(1). doi:10.1038/s41378-023-00489-0.

Brito-Pereira, R., Pereira, N., Ribeiro, C., Lanceros-Mendez, S., & Martins, P. (2023). Environmentally friendlier wireless energy power systems: The coil on a paper approach. Nano Energy, 111. doi:10.1016/j.nanoen.2023.108391.

Brooke, R., Edberg, J., Petsagkourakis, I., Freitag, K., Mulla, M. Y., Nilsson, M., & Andersson Ersman, P. (2023). Paper electronics utilizing screen printing and vapor phase polymerization. Advanced Sustainable Systems. doi:10.1002/adsu.202300058.

Fang, Y., Mo, L., Xin, Z., Chen, Y., Li, X., Li, Y., & Li, L. (2022). Research on printed conductive silver layer based on inkjet photo paper. Journal of Imaging Science and Technology, 66(2). doi:10.2352/J.ImagingSci.Technol.2022.66.2.020407.

Lee, T., Shin, D., Kim, Y., Kim, C. H., Jo, J., & Kim, D. (2007). Printed EL on flexible paper substrate. Paper presented at the AD'07 — Proceedings of Asia Display 2007, 1, 888–893. Retrieved from www.scopus.com.

Liu, J., Yang, C., Wu, H., Lin, Z., Zhang, Z., Wang, R., Li, B., Kang, F., Shi, L., & Wong, C.P. (2014). Future Paper based Printed Circuit Boards for Green Electronics: Fabrication and Life Cycle Assessment. Energy and Environmental Science, 7 (11), 3674–3682. 10.1039/C4EE01995D.

Zhang, Y., Zhang, T., Huang, Z., & Yang, J. (2022). A new class of electronic devices based on flexible porous substrates. Advanced Science, 9(7). doi:10.1002/advs.202105084.

Wang, X., Zhu, M., Li, X., Qin, Z., Lu, G., Zhao, J., & Zhang, Z. (2022). Ultralow-Power and Radiation-Tolerant Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Electronics Utilizing Enhancement-Mode Carbon Nanotube Transistors on Paper Substrates. Adv. Mater., 34, 2204066. https://doi.org/10.1002/adma.202204066.

Shao, Y., Wei, L., Wu, X., Jiang, C., Yao, Y., Peng, B., & Ping, J. (2022). Room-temperature high-precision printing of flexible wireless electronics based on MXene inks. Nature Communications, 13(1). doi:10.1038/s41467-022-30648-2.

Kelly, A. G., Finn, D., Harvey, A., Hallam, T., & Coleman, J. N. (2016). All-printed capacitors from graphene-BN-graphene nanosheet heterostructures. Applied Physics Letters, 109(2). doi:10.1063/1.4958858.

Martins, R., Nathan, A., Barros, R., Pereira, L., Barquinha, P., Correia, N., & Fortunato, E. (2011). Complementary metal oxide semiconductor technology with and on paper. Advanced Materials, 23(39), 4491–4496. doi:10.1002/adma.201102232.

Reuss, R. H., Chalamala, B. R., Moussessian, A., Kane, M. G., Kumar, A., Zhang, D. C., & Snow, E. (2005). Macroelectronics: Perspectives on technology and applications. Proceedings of the IEEE, 93(7), 1239–1256. doi:10.1109/JPROC.2005.851237.

Jansson, E., Lyytikäinen, J., Tanninen, P., Eiroma, K., Leminen, V., Immonen, K., & Hakola, L. (2022). Suitability of Paper-Based Substrates for Printed Electronics. Materials, 15, 957. https://doi.org/10.3390/ma15030957.

Bandyopadhyay, D., & Sen, J. (2011). Internet of things: Applications and challenges in technology and standardization. Wireless Personal Communications, 58(1), 49–69. doi:10.1007/s11277-011-0288-5.

Ruiz‐Preciado, L. A., Baek, S., Strobel, N., Xia, K., Seiberlich, M., Park, S., & Hernandez-Sosa, G. (2023). Monolithically printed all-organic flexible photosensor active matrix. Npj Flexible Electronics, 7(1). doi:10.1038/s41528-023-00242-7.

Dimitrakopoulos, C. D., & Malenfant, P. R. L. (2002). Organic thin film transistors for large area electronics. Advanced Materials, 14(2), 99–117. doi:10.1002/1521-4095(20020116)14:2<99::AID-ADMA99>3.0.CO;2-9.

Martins, R., Ferreira, I., & Fortunato, E. (2011). Electronics with and on paper. Physica Status Solidi — Rapid Research Letters, 5(9), 332–335. doi:10.1002/pssr.201105247.

Jain, K., Klosner, M., Zemel, M., & Raghunandan, S. (2005). Flexible electronics and displays: High-resolution, roll-to-roll, projection lithography and photoablation processing technologies for high-throughput production. Proceedings of the IEEE, 93(8), 1500–1510. doi:10.1109/JPROC.2005.851505.

Vega-Colado, C., Arredondo, B., Torres, J. C., López-Fraguas, E., Vergaz, R., Martín-Martín, D., & Sánchez-Pena, J. M. (2018). An all-organic flexible visible light communication system. Sensors (Switzerland), 18(9). doi:10.3390/s18093045.

Casula, G., Cosseddu, P., & Bonfiglio, A. (2015). Integration of an organic resistive memory with a pressure-sensitive element on a fully flexible substrate. Advanced Electronic Materials, 1(12). doi:10.1002/aelm.201500234.

Jandow, N.N., Bakr, N., & Habubi, N. (2013). ‫Structural and Optical Properties of ZnO Thin Films Deposited on Poly Propylene Carbonate (PPC) Plastic Substrates by RF Magnetron Sputtering. Proceedings of 20th Scientific Conference of College of Education ‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬, Vol. 4, 626–633. doi: 10.13140/2.1.3090.5929‬‬‬‬‬‬.‬

Finn, D. J., Lotya, M., Cunningham, G., Smith, R. J., McCloskey, D., Donegan, J. F., & Coleman, J. N. (2014). Inkjet deposition of liquid-exfoliated graphene and MoS2 nanosheets for printed device applications. Journal of Materials Chemistry C, 2(5), 925–932. doi:10.1039/c3tc31993h.

Podsiadły, B., Walter, P., Kamiński, M., Skalski, A., & Słoma, M. (2022). Electrically conductive nanocomposite fibers for flexible and structural electronics. Applied Sciences (Switzerland), 12(3). doi:10.3390/app12030941.

Chamarti, A., Mohammad, W., Ramisetti, S., Vemarigi, J., Dandgey, U., & Varahramyan, K. (2005). A low cost flexible-substrate wireless sensor tag based on sensor switch element. Paper presented at the Proceedings — Electronic Components and Technology Conference, 1, 523–527. Retrieved from www.scopus.com.

Choi, W., Kim, M., Na, Y., & Lee, S. (2010). Complementary transfer-assisted patterning of high-resolution heterogeneous elements on plastic substrates for flexible electronics. Organic Electronics, 11(12), 2026–2031. doi:10.1016/j.orgel.2010.09.017.

Klauk, H., Zschieschang, U., Pflaum, J., & Halik, M. (2007). Ultralow-power organic complementary circuits. Nature, 445(7129), 745–748. doi:10.1038/nature05533.

Kuusipalo, J., Savijärvi, A., Norval, S., Adlen, M. J., & Mackerron, D. H. (2004). The dependence of tear behaviour on the microstructure of biaxially drawn polyester film. Journal of Materials Science, 39(23), 6909–6919. doi:10.1023/B:JMSC.0000047532.34562.bc.

Ferrari, A. C., Bonaccorso, F., Fal’ko, V., Novoselov, K. S., Roche, S., Bøggild, P., & Kinaret, J. (2015). Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems. Nanoscale, 7(11), 4598–4810. doi:10.1039/c4nr01600a.

Barras, R., Cunha, I., Gaspar, D., Fortunato, E., Martins, R., & Pereira, L. (2017). Flexible Printed Electron, 2, 014006.