Flexibler Touch-Panel-Sensor unter Verwendung der SuPR-NaP-Methode

Forscher und Entwickler

Hitoshi Kubo
TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES
Abteilung für chemische Materialentwicklung

Tatsuki Hasegawa
Professor, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo
Forschungszentrum für flexible Elektronik, AIST

Erfolgreiche Kooperationen zwischen Industrie, Regierung und Wissenschaft im japanischen Mikroelektroniksektor könnten künftig häufiger vorkommen. TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES aus dem Industriesektor, das Nationale Institut für fortgeschrittene Industrie- und Wissenschaftstechnologie (AIST) als unabhängige Verwaltungseinrichtung sowie die Universität Yamagata und die Universität Tokio unter dem Dach des japanischen Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie arbeiten gemeinsam daran, die praktische Anwendung flexibler Elektroniktechnologien voranzutreiben.

TANAKA hat zusammen mit der Industrie, der Wissenschaft und der Regierung eine Silberverdrahtungstechnologie (Abbildung 1) mit Drahtbreiten von weniger als 1 µm entwickelt, die als transparente (leitende) Elektrode verwendet werden kann, und arbeitet an der Kommerzialisierung der Technologie mit dem Ziel, im Januar 2017 Musterlieferungen zu starten.

Das ist das erste Mal, dass ich flexibles Kabel mit dünner Verkabelung benutze.

Bis jetzt waren flexible Elektronikprodukte weit von der praktischen Anwendung entfernt. Die minimale Verarbeitungsbreite von Leitungen war auf mindestens etwa 30 µm beschränkt. Aus diesem Grund haben flexible Leiterplatten (FPCs), die so biegsam sind, dass sie gefaltet werden können, Leitungen von 100 µm oder mehr verwendet. Es gab Anwendungen für flexible Substrate als Mittel zur Verbindung starrer Substrate. Allerdings wurden nicht viele Anwendungen erwartet.

Darüber hinaus begannen Gerüchte zu kursieren, dass organisches EL für das Display des iPhone 8 verwendet werden würde, und organisches EL hat in den letzten etwa einem Jahr plötzlich an Aufmerksamkeit gewonnen. Allerdings ist eine Verdrahtungsbreite von etwa 50 µm zu dick, um Verdrahtungen innerhalb der Pixel von organischen EL-Displays zu bilden. Sie muss auf ein Niveau von wenigen µm miniaturisiert werden, um zufriedenstellende organische EL-Displays zu schaffen.

Wenn das Substrat aus dünnem Glas besteht, kann es bis zu einem gewissen Grad gebogen werden und Wärmebehandlungen standhalten, weshalb Lithographie, eine Technologie zur Verarbeitung von Verdrahtungen, zur Herstellung von Displays verwendet wurde. LG Electronics aus Südkorea hat OLED-Fernseher kommerzialisiert, während Samsung Electronics OLED-Displays für Smartphones kommerzialisiert hat. In beiden Fällen sind diese Displays auf Glassubstraten gefertigt, sodass sie nicht zu stark gebogen werden können. Der Krümmungsradius ist groß und reicht von mehreren Zentimetern bis zu 10 Zentimetern, was die Herstellung von faltbaren Smartphones erschwert. Wenn jedoch dünne Verdrahtungen auf Kunststofffolien gebildet werden können, die mit einer Krümmung von mehreren Millimetern, wie organischen Polymeren, gebogen werden können, kann die interne Verdrahtung der OLED-Pixel miniaturisiert werden.

Transistoren und Verdrahtungen sollten bei der Herstellung auf Kunststofffolie nicht hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Daher ist ein Wärmebehandlungsprozess bei Temperaturen unter 80°C erforderlich. Unter diesen ungünstigen Bedingungen wurde eine Technologie entwickelt, die durch die Zusammenarbeit von Industrie, Regierung und Wissenschaft entstanden ist und die es ermöglicht, Verdrahtungen mit einer minimalen Größe von 1µm auf flexibler Kunststofffolie (PET-Harz) zu bilden.

FLEC von AIST und Tinte von TANAKA

Um den Hintergrund dieser Technologieentwicklung zu erläutern: Das AIST betreibt umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeit mit dem Ziel, flexible gedruckte Elektronik (eine Technologie zur Herstellung elektronischer Schaltungen mittels Druckverfahren) zu realisieren. Dabei nutzt das AIST unter anderem Oberflächenmodifizierungstechnologien für Kunststofffolien. Tatsuaki Hasegawa, ehemaliger stellvertretender Direktor des AIST-Zentrums für flexible Elektronik, entwickelte die Drucktechnologie. Seine Berufung zum Professor am Fachbereich Physik der Graduiertenschule für Ingenieurwissenschaften der Universität Tokio im Januar 2014 festigte die Verbindungen zur Universität. Parallel dazu entwickelte Professor Masato Kurihara von der Graduiertenschule für Natur- und Ingenieurwissenschaften der Universität Yamagata eine Spezialtinte, die Silbernanopartikel in organischen Lösungsmitteln auflöst. TANAKA entwickelt Produkte auf Basis dieser Tinte.

Das von Professor Hasegawa entwickelte Herstellungsverfahren und diese Silber-Nano-Tinte sind der Schlüssel zu dieser Technologie. Zunächst stellen wir dieses Verfahren vor, genannt „SuperNAPP (Surface Photo Reactive Nanometal Pattering)“ (Abbildung 2). Eine amorphe Fluorpolymerschicht wird auf eine Kunststofffolie aufgebracht. Bei Lichteinwirkung erfährt die Oberfläche der Fluorpolymerschicht eine chemische Veränderung und wird zu einer hochreaktiven Substanz. Daher wird eine Maske hergestellt, die Licht nur in den Bereichen durchlässt, die dünn verdrahtet werden sollen, während sie in anderen Bereichen Licht blockiert. Dies ist vergleichbar mit dem Maskensubstrat in der Fotolithografie, wo nur die auf dem Maskensubstrat erzeugten Muster Licht durchlassen. Das für die chemische Oberflächenveränderung der Polymerschicht benötigte Licht ist fernes Ultraviolettlicht mit einer Wellenlänge von 172 nm, das von einer mit Xenongas gefüllten Excimerlampe erzeugt wird.

Die Schutzschicht aus Silber-Nano-Tinte ist der Schlüssel.

Der Schlüssel zu diesem Verfahren liegt in der Tinte, die ausschließlich an aktiven Oberflächen haftet. Laut TANAKA, dem Vertreiber dieser von Professor Kurihara der Universität Yamagata entwickelten Tinte, sind die Silbernanopartikel kugelförmig mit einem Durchmesser von 10 bis 15 nm und besitzen einen Schutzfilm auf ihrer Oberfläche. Ohne diesen Schutzfilm würden die Silberpartikel verklumpen und sich nicht gleichmäßig in der Tinte lösen. Traditionell wurden Filme mit Carboxylgruppen als Schutzfilme verwendet. Da Carboxylgruppen jedoch stark an Silber binden, war eine Hitze von 250 °C oder höher erforderlich, um diesen Schutzfilm zu entfernen. Beim SuperNUP-Verfahren des AIST soll sich der Schutzfilm auf dem Silber beim Aufbringen auf Substrate ablösen.

Daher wurde ein Material mit Alkylamin-Gruppen verwendet, das eine schwache Bindung zu Silber aufweist, als Schutzfilm. Die Silberoberfläche ist mit einem Schutzfilm bedeckt, aber der auf Alkylamin basierende Schutzfilm unterliegt einer Adsorption und Desorption im Gleichgewicht, wobei die jeweiligen Aminogruppen ausgetauscht werden, wie von Hitoshi Kubo, dem Manager der Abteilung für chemische Materialentwicklung im Tsukuba Technical Center von TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES, angegeben. Es wird gesagt, dass Silbernanopartikel in Tinte in diesem quasi-stabilen (metastabilen) Zustand mehrere Monate bestehen bleiben können.

Eine Carboxylgruppe wird auf der aktiven Polymer-Schicht auf der Substratoberfläche gebildet, und wenn winzige Silberpartikel von 10 bis 15 nm damit in Kontakt kommen, löst sich die Aminogruppe ab und die Silbernanopartikel beginnen, sich mit der Carboxylgruppe zu verbinden (Abbildung 2). Die Breite der aktiven Polymer-Schicht ist fast die gleiche wie die des Maskenmusters, sodass im Fall einer Breite von 1 µm durchschnittlich 66 bis 67 Silbernanopartikel mit einem Durchmesser von 15 nm angeheftet werden. Da Silber auch dazu neigt, sich miteinander zu verbinden, sind die Silbernanopartikel dicht im Verdrahtungsvolumen gepackt, und Alkylaminogruppen sind an der Außenseite der Verdrahtung angebracht. Danach wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur unter 80 °C durchgeführt, während der die Aminogruppen abgelöst werden und der Widerstand der Verdrahtung auf ein Zehntel des Wertes vor der Wärmebehandlung sinkt. Bisher hat das Unternehmen erfolgreich Verdrahtungen für Leiterplatten mit den kleinsten Linienbreiten von 0,8 µm gedruckt.

Die Drähte sind zu dünn und erscheinen transparent.

Im Allgemeinen verwenden Leiterplatten (PCBs) Kupferdrahtmuster anstelle von Silber. Warum wurde Silber verwendet? Kupfer wird in PCBs eingesetzt, weil es eine geringere elektrische Widerstand hat als Silber, hat jedoch den Nachteil, dass es anfällig für Oxidation ist. Wenn Kupfer oxidiert, steigt sein elektrischer Widerstand stark an. Dies liegt daran, dass Oxide Isolatoren sind. Daher ist es notwendig, bei der Verwendung von Kupfermuster oder Kupferdrähten Arbeiten in einer Inertgasatmosphäre, wie Stickstoff, durchzuführen, um Oxidation zu verhindern. In PCBs wird Kupfer auf eine Seite eines Harzsubstrats aufgebracht, und eine Schutzschicht wird dann aufgetragen, um Oxidation zu verhindern. Vor allem konnte Tinte nicht mit Kupfer hergestellt werden.

Mit einem so feinen Drahtmuster wie diesem diffraktiert sichtbares Licht, wodurch die Lichtwellen sich um die Rückseite des Musters wickeln und es fast transparent erscheinen lassen. Verschiedene Muster wurden vorbereitet, und die Lichtdurchlässigkeit wurde gemessen, während ihre elektrischen Widerstände verändert wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass dieses Muster eine Transparenz aufwies, die mit den besten in der Literatur verfügbaren Werten vergleichbar war.

Zusätzlich werden Biegetests durchgeführt, um weitere Anwendungen in der flexiblen Elektronik zu berücksichtigen (Abbildung 5). Bei einem Krümmungsradius von 5 mm ändert sich der elektrische Widerstand selbst nach 10.000 Biegeermüdungstests kaum. Bei einem Radius von 2,5 mm beginnt der elektrische Widerstand nach etwa 20 bis 30 Wiederholungen zu steigen, was darauf zurückzuführen ist, dass das zugrunde liegende PET-Substrat zu deteriorieren beginnt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass dies praktisch als flexibles Bauteil verwendet werden kann.

Silberdraht hat jedoch weiterhin Zuverlässigkeitsprobleme, da Dendriten aufgrund der Elektromigration von Silberionen gebildet werden, was zu Kurzschlüssen zwischen den Elektroden führen kann. Daher ist es notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, um Feuchtigkeit so weit wie möglich zu beseitigen, sicherzustellen, dass Schutzfilme aufgetragen werden, und Gegenmaßnahmen zu implementieren. In dieser Hinsicht erklärt TANAKA, dass Maßnahmen ergriffen wurden.

Zielsetzung auf breite Anwendungen

Diese Technologie wurde durch eine Zusammenarbeit zwischen AIST, der Universität Tokio, der Yamagata-Universität und TANAKA entwickelt, und wurde am 20. Dezember 2015 bei Nature Communications eingereicht, akzeptiert und im April 2016 veröffentlicht (Referenz 1).

Im Rahmen seiner Bemühungen um die praktische Anwendung entwickelt TANAKA einen flexiblen Touchpanel-Sensor mit dieser Technologie und plant, im Januar 2017 mit den Musterlieferungen des Produkts zu beginnen. Obwohl das Unternehmen diese Informationen nicht veröffentlicht hat, erwähnte der Vorsitzende der FHE (Flexible Hybrid Electronics) Alliance, Michael Ciesinski, in einem Interview, dass Ideen für flexible Elektronik elektronische Schaltungen in den Helmen von Jet-Pilotinnen und -Piloten sowie rollbare Smartphones umfassen.

Referenzmaterial

1. T. Yamada, K. Fukuhara, K. Matsuoka, H. Minemawari, J. Tatsumi, N. Fukuda, K. Aoshima, S. Arai, Y. Makita, H. Kubo, T. Enomoto, T. Togashi, M. Kurihara und T. Hasegawa, „Nanopartikel-Chemisorptionsdrucktechnik zur leitfähigen Silberstrukturierung mit Submikronauflösung“, Nature Communications, 19. April 2016.

Pressemitteilung

PRESS2018.04.09

Verbesserte die Biegehaltbarkeit von flexiblen Touch-Panels und entwickelte eine zweilagige Verdrahtungsstruktur mit Metallgitterfolie auf einer Seite.

PRESS2017.12.14

Entwicklung eines biegsamen Touchpanels mit Hilfe der Drucktechnologie von Silber-Nanoink (Ergebnis eines gemeinsamen Entwicklungsprojekts zwischen Industrie und Wissenschaft, NexTEP).

PRESS2016.04.20

Eine neue Drucktechnologie entwickelt, die ultrafeine Schaltkreise einfach, schnell und über große Flächen drucken kann.