Изменить подход к изготовлению дисплеев
Полностью напечатанный тонкопленочный транзистор из углеродных нанотрубок с ионным гелевым затвором, напечатанным поверх гибкого каптона, способный изгибаться вокруг стержня диаметром два миллиметра. Каптон обычно используется в различных требовательных приложениях, таких как гибкие печатные платы и высокотемпературная электроника.
Инженеры-электрики из Университета Дьюка продемонстрировали способность печатать полностью функциональную и пригодную для вторичной переработки электронику в субмикрометровом масштабе. Эта технология может повлиять на индустрию электронных дисплеев стоимостью более 150 миллиардов долларов и ее воздействие на окружающую среду, обеспечивая при этом точку опоры для производства в США, чтобы набрать обороты в жизненно важной и быстро растущей отрасли.
Исследование опубликовано в журнале Nature Electronics.
«Если мы хотим серьезно увеличить производство в США в областях, где доминируют глобальные конкуренты, нам нужны трансформационные технологии», — сказал Аарон Франклин, заслуженный профессор электротехники, вычислительной техники и химии в Университете Дьюка.
«Наш процесс печатает транзисторы на основе углерода, которые могут быть полностью переработаны и обеспечивают производительность, сопоставимую с отраслевыми стандартами. Это слишком многообещающий результат, чтобы не уделять ему дальнейшего внимания».
Электронные дисплеи играют ключевую роль практически во всех отраслях промышленности: будь то телевизоры, экраны компьютеров, циферблаты и автомобильные дисплеи. Почти все они производятся за рубежом, в основном в Южной Корее, Китае и Тайване.
Производственный процесс оказывает значительное воздействие на окружающую среду из-за выбросов парниковых газов и огромного энергопотребления, необходимого для вакуумной обработки. И в довершение всего, по оценкам Организации Объединенных Наций, менее четверти миллионов фунтов электроники, выбрасываемой каждый год, перерабатываются.
Несколько лет назад лаборатория Франклина разработала первую в мире полностью перерабатываемую печатную электронику. Однако в этой демонстрации использовалась аэрозольная струйная печать, которая не может формировать элементы размером менее 10 микрометров, что значительно ограничивает их потенциальное применение в мире бытовой электроники.
В новом исследовании Франклин и его коллеги работали с Hummink Technologies, чтобы преодолеть этот барьер размера. Их машины для «высокоточной капиллярной печати» используют естественную конкурирующую поверхностную энергию для извлечения крошечного количества чернил из такой же крошечной пипетки. Это то же самое явление, которое делает бумажные полотенца такими впитывающими, так как жидкость втягивается в узкие пространства между их волокнами.
«Мы отправили Hummink немного наших чернил и получили многообещающие результаты», — сказал Франклин. «Но только когда мы получили один из их принтеров здесь, в Дьюке, моя группа смогла использовать его реальный потенциал».
Исследователи использовали три чернила на основе углерода, изготовленные из углеродных нанотрубок, графена и наноцеллюлозы, которые можно легко печатать на жестких подложках, таких как стекло и кремний, или на гибких подложках, таких как бумага или другие экологически чистые поверхности. По сути, это те же самые чернила, которые первоначально были продемонстрированы в предыдущем исследовании Франклина, но с измененными свойствами жидкости, которые позволяют им работать с принтерами Hummink.
В демонстрации они демонстрируют эту комбинацию новых чернил и аппаратного обеспечения для печати элементов длиной в десятки микрометров с небольшими зазорами субмикрометрового размера между ними.
Эти небольшие, последовательно сформированные зазоры образуют длину канала тонкопленочных транзисторов (TFT) на основе углерода, при этом меньшие размеры канала обеспечивают высокие электрические характеристики. И именно такие транзисторы формируют управление объединительной платой всех плоскопанельных дисплеев.
«Эти типы производственных подходов никогда не заменят высокопроизводительные компьютерные чипы на основе кремния, но есть и другие рынки, где, по нашему мнению, они могут быть конкурентоспособными и даже преобразующими», — сказал Франклин.
За каждым цифровым дисплеем в мире стоит огромный массив микроскопических тонкопленочных транзисторов, которые управляют каждым пикселем. В то время как OLED-дисплеи потребляют больше тока и требуют как минимум двух транзисторов на каждый пиксель, ЖК-дисплеям требуется только один.
Логотип Университета Дьюка напечатан с микроскопической точностью с наночастицами серебра, демонстрируя возможности принтеров Hummink.
В предыдущем исследовании ученые смогли продемонстрировать свои напечатанные, пригодные для вторичной переработки транзисторы, управляющие несколькими пикселями ЖК-дисплея. Франклин считает, что новые субмикронические TFT-дисплеи близки к производительности, необходимой для демонстрации того же для OLED-дисплеев.
Хотя существуют и другие потенциальные варианты использования этой технологии, такие как втискивание большего количества датчиков в площадь чипа для повышения его точности, Франклин считает, что цифровые дисплеи являются наиболее перспективными. Помимо того, что процесс печати полностью пригоден для вторичной переработки, он требует гораздо меньше энергии и производит гораздо меньше выбросов парниковых газов по сравнению с традиционными методами производства TFT.
«Дисплеи, изготовленные с помощью чего-то похожего на эту технологию, являются наиболее осуществимым крупномасштабным применением, которое я когда-либо видел в своей лаборатории», — сказал Франклин.
«Единственным реальным препятствием, на мой взгляд, является получение достаточных инвестиций и заинтересованность в устранении остающихся препятствий на пути реализации значительного потенциала».