foto Thor Balkhed

Integrerade kretsar produceras med screentryck

För första gången i världshistorien har forskare vid Linköpings universitet och RISE, Campus Norrköping, visat att det går att trycka fullständiga integrerade kretsar med fler än 100 elektrokemiska organiska transistorer. Resultatet har bl a publicerats i Nature Communications.

– 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.

– 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.

IoT – sakernas internet
De stora integrerade kretsarna, LSI, kan exempelvis användas, för att driva en likaledes tryckt elektrokrom display (teckenfönster) eller någon annan del av den uppkopplade elektronik, som sakernas internet (IoT) för med sig.

Att trycka elektronik, vars linjebredd är ca 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.

– Forskningen har finansierats från många olika håll under de 17 åren, förklarar Magnus Berggren.

Så nära 100% som möjligt
Stiftelsen för Strategisk Forskning, Vinnova och Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse är några av dem som finansierat forskningen. Under senare tid har även EU gått in med finansiering, via Eureka Eurostars Prolog-projekt.

– I Prolog-projektet kom det första genombrottet för screentryckta kretsar, som publicerades 2017, berättar Peter Andersson Ersman.
– 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% som möjligt, och inte minst att lösa integrationen med de kiselkretsar, som behövs för att processa signalerna och för kommunikationen utåt.

– 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.

En komplett process
Bläckutveckling för tryckning av de tunna linjerna och förbättrade screentrycksramar har bidragit både till miniatyriseringen och till kvalitetsförbättringen.

– 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, intygar Simone Fabiano, forskningsledare inom området organisk nanoelektronik vid Laboratoriet för organisk elektronik.

Materialet som forskarna använder är polymeren 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 att 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.

…