WO2004063806A1 - Platine oder substrat für ein organisches elektronikgerät, sowie verwendung dazu - Google Patents

Platine oder substrat für ein organisches elektronikgerät, sowie verwendung dazu Download PDF

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Definitions

  • Circuit board or substrate for an organic electronic device and use therefor
  • the invention relates to a circuit board or a substrate for an electronic device, which is inexpensive to manufacture and can be easily integrated into the production process for organic electronics.
  • organic electronics so-called polymer electronics, it is known to use organic components (not necessarily only made from polymeric materials, but more generally from conductive, semiconducting and insulating organic materials, that is to say not containing silicon), active components such as transistors or passive components such as resistors to build on substrates, preferably also flexible substrates.
  • organic components not necessarily only made from polymeric materials, but more generally from conductive, semiconducting and insulating organic materials, that is to say not containing silicon
  • active components such as transistors or passive components such as resistors to build on substrates, preferably also flexible substrates.
  • the object of the present invention is therefore to create a circuit board, a substrate or a base plate (all three terms stand for the same device here) for an organic device which is intelligent or in which passive and / or active electronic components are integrated.
  • the invention relates to a circuit board or a substrate for an electronic device, in which active components such as transistors, diodes, photocells, integrated circuits or the like and / or passive components such as resistors, coils and / or capacitors are integrated.
  • Integrated is understood here as the opposite of the hybrid construction mentioned.
  • the integrated components are therefore not specially manufactured and / or mounted on the substrate in an extra work step, but the substrate serves according to the invention both as a (conventional) circuit board and for the construction of the integrated electronics (therefore “intelligent circuit board”).
  • integrated naturally also means that it is applied to the surface, e.g. is printed).
  • the entire electronic device is advantageously produced in a so-called thin-film process (organic thin functional layers that are inexpensive and easy to produce) and / or in a printing process, particularly preferably at least partially in a roll-to-roll process. process.
  • a so-called thin-film process organic thin functional layers that are inexpensive and easy to produce
  • a printing process particularly preferably at least partially in a roll-to-roll process. process.
  • the (entire) energy supply for the electronic device such as an energy converter, a photovoltaic cell, a piezoceramic element, a coil for inductive coupling, an antenna for capacitive coupling, a contact integrated into an external power supply, a battery or the like.
  • an input element that is to say a sensor, or a keyboard, and also an output element, an antenna or something else can be integrated in the substrate or on the intelligent circuit board.
  • sensor for pressure, electrical
  • output elements for example: Optical elements (light-emitting diodes (organic or inorganic), incandescent lamps, electrochromic elements (those that change their color or light absorption under the influence of electrical current / voltage, liquid crystal displays (LCD); loudspeakers (conventional or based on piezoactive materials (organic or inorganic), antennas (inductive as a coil or capacitive), electrical contacts for external contacting, screen (based on all possible principles such as conventional tube screens, LCD (liquid crystal) displays, screens based on electrochromic materials, on so-called E-ink (name of an American company).
  • Conventional wire or cable connections can easily be replaced by, for example, structured, electrically conductive layers and / or conductor tracks that can be produced using printing technology.
  • the substrate on which the active elements e.g. individual transistors or integrated circuits are built, simultaneously serving as a board and the necessary conductive connections
  • the source / drain or gate electrode levels of the integrated circuits can be used extensively for these conductor tracks. It is thus also possible to include hybrid structures, for example to attach a battery, a pushbutton or sensor and / or a silicon chip to locations on the intelligent circuit board or the substrate. Conductor tracks or conductive contacts can also be realized, for example, with conductive adhesive.
  • the substrate can be a flexible film, but it can also be made of any other suitable material, almost any material.
  • an inexpensive display that is based on the electrochromic effect on an intelligent circuit board or a substrate according to the invention, an electrochromic material being used as the display element, for example, and organic transistors being used as the control circuit. This is particularly interesting from an economic point of view because displays have so far been used almost exclusively for high-priced products.
  • the display can be plugged in or integrated in another way, but it can also be viewed as an independent component.
  • the connections can, for example can be realized by a conductive adhesive. It is also possible to contactlessly transfer the data from an external device to the display (eg using a coil).
  • a volatile or non-volatile memory can also be integrated (organically or inorganically based).
  • the color of a material is reversibly or irreversibly changed by applying an electrical voltage.
  • an electrical voltage For example, you can change the color of the material PEDOT / PSS from almost clear to dark blue, and from PANI from green to blue.
  • a second electrode is placed next to or above the electrochromic material and these two elements are connected by an electrolyte.
  • a voltage is applied between the two elements, a redox reaction takes place in the electrochromic material, which ultimately leads to discoloration. As a rule, this reaction also results in a significant change in the electrical resistance of the materials.
  • a control is required for such a display if it is not just a simple symbol, but, like a 7-segment display or a matrix display, is a changeable display.
  • This control must link the incoming signals to the display, for example linked by NOR logic, so that the desired display appears.
  • This control is advantageously constructed as an organic circuit based on organic field effect transistors, the function and structure of which are known.
  • the display and the control electronics can, for example, be integrated on the same substrate in the same production step.
  • the substrate is typically an inexpensive polymer film (eg PET, or PP, or PEN., Or polyimide).
  • the display principle can be implemented very simply and inexpensively (for example after the publication by the Swedish institute ACREO.
  • This construction can also be carried out in the thin film process and can be implemented by printing processes. This means that for the first time, low costs and high quantities can be achieved for displays.
  • FIG. 1 shows the top view of an electronic device which comprises at least one organic component
  • Figure 2 shows the top view of the same electronic organic device, but it shows the layer located under the housing.
  • Figure 3 shows the top view of a 7 segment IPC display
  • Figure 4 shows the cross section through an IPC display.
  • FIG. 1 shows the area of the intelligent circuit board or the substrate area 1, the substrate being, for example, a flexible film, a cardboard box, a flexible or a conventional glass substrate or the like.
  • the input elements keyboard, sensors etc.
  • the output elements 3 display, display, light element, loudspeaker
  • the interior of the electronic device is covered by an opaque cover surface.
  • the top surface can be designed or printed in any way.
  • Each of the named or usable electronic components can be organic, wherein organic and conventional silicon-based can also be combined in any way.
  • FIG. 2 shows the structure of the intelligent circuit board or the substrate according to the invention, the layer below the opaque cover surface (“the inner life”) from FIG. 1 being shown.
  • elements 4 to 7 can either be electronic elements (integrated circuit, sensor system, memory) directly applied to the substrate 1, but can also be elements applied as hybrids, such as batteries, loudspeakers, conventional electronics, memory, etc.
  • both the conductive connections and the active electronic elements can be applied to the substrate.
  • the invention can thus also be used, for example, for the inexpensive production of greeting cards with small electronic games. With conventional greeting cards, in which a small melody or the like is played when opened, the individual components have so far been connected, for example by wires. These connections can be made much simpler according to the invention.
  • Figure 3 shows the top view of a 7 segment IPC display.
  • Figure 4 shows a cross section through the IPC display.
  • the protective layer 13 can also be seen, which protects the system from external influences.
  • functional polymers such as PAN, PEDOT, or similar materials, for example macromolecules that have been doped by chemical additives, are used.
  • the invention makes it possible for the first time to integrate a circuit board as an active electronic component in an electronic device and not only to use it as a base plate, so to speak. This creates an electronic device that is not only much flatter and more compact, but an electronic device that, including the circuit board and even, depending on the embodiment, including the display, can be manufactured simply, inexpensively, i.e. low-cost, disposable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Platine oder ein Substrat für ein elektronisches Gerät, die kostengünstig herstellbar ist und einfach in den Produktionsprozess für organische Elektronik integrierbar ist. Dazu umfasst die neue intelligente Platine zumindest ein aktives elektronisches Bauteil, beispielsweise eine elektrische Schaltung, die in die Platine integriert ist.

Description

Platine oder Substrat für ein organisches Elektronikgerät, sowie Verwendung dazu
Die Erfindung betrifft eine Platine oder ein Substrat für ein elektronisches Gerät, die kostengünstig herstellbar ist und einfach in den Produktionsprozess für organische Elektronik integrierbar ist.
Bekannt sind elektronische Bauteile, die auf sogenannten Pla- tinen aufgebracht sind. Dabei werden einzelne aktive elektronische Elemente wie Transistoren, integrierte Schaltungen etc. auf die passive Platine gelötet und leitend entweder durch vorstrukturierte Leiterbahnen auf der Platine oder durch Kabelleitungen verbunden. Die einzelnen aktiven elekt- ronischen Bauteile werden dabei alle extra gefertigt und in einem extra Arbeitsschritt auf die Platine montiert (Hybridaufbau) . Bisher ist es nur möglich, passive Bauteile wie Widerstände oder Kondensatoren in solche Platinen zu integrieren, alle aktiven Teile werden wie beschrieben hybrid aufge- baut.
Bekannt ist in der organischen Elektronik, der sogenannten Polymerelektronik, organische basierte (nicht notwendigerweise nur aus poly eren, sondern allgemeiner gesehen aus leitfä- higen, halbleitenden, und isolierenden organischen, also nicht Silizium enthaltenden Materialien) aktive Bauteile wie Transistoren oder passive Bauteile wie Widerstände auf Substraten, vorzugsweise auch flexiblen Substraten, aufzubauen.
Zur Realisierung der sogenannten organischen Elektronik, der Elektronik die nicht auf den traditionellen Halbleitern mit Silizium als Kernelement aufbaut, sondern die organische halbleitende und leitende Materialien umfasst, ist es notwendig, eine möglichst preisgünstige Elektronik zur Verfügung zu stellen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Platine, ein Substrat oder eine Grundplatte (alle drei Begriffe stehen hier für dieselbe Vorrichtung) für ein organisches Gerät zu schaffen, die intelligent ist oder in die passive und/oder aktive elektronische Bauteile integriert sind.
Gegenstand der Erfindung ist eine Platine oder ein Substrat für ein elektronisches Gerät, in das aktive Bauteile wie Transistoren, Dioden, Photozellen, integrierte Schaltungen oder ähnliches und/oder passive Bauteile wie Widerstände, Spulen und/oder Kondensatoren integriert sind.
"Integriert" versteht sich hier als Gegensatz zu dem genannten Hybridaufbau. Die integrierten Bauteile werden demnach nicht extra gefertigt und/oder in einem extra Arbeitsschritt auf das Substrat montiert, sondern das Substrat dient nach der Erfindung sowohl als (herkömmliche) Platine als auch zum Aufbau der integrierten Elektronik (deshalb "intelligente Platine"). "Integriert" heißt natürlich auch, dass es bei- spielsweise auf die Oberfläche aufgebracht, z.B. gedruckt ist) .
Für ein elektronisches Gerät wie ein Sensorlabel, ein Spiel, eine Checkkarte oder ein RFID Tag ist es wichtig, dass meh- rere elektronisch verschiedene Bauteile oder Komponenten auf einer größeren Fläche elektrisch verbunden werden. Nachdem die (Herstellungs-) Kosten eine entscheidende Rolle in der organischen Elektronik spielen ist es wichtig, eine Möglichkeit der preisgünstigen Elektronik zu schaffen, mit deren Hilfe ganze Elektronikgeräte in einem Substrat integriert und damit in einem Prozess hergestellt werden können.
Vorteilhafterweise erfolgt die Herstellung des gesamten elektronischen Geräts in einem sogenannten Dünnfilmprozess, (organische dünne Funktionsschichten, die preiswert und einfach herzustellen sind) und/oder in einem Druckprozess, insbesondere bevorzugt zumindest teilweise im roll-to-roll Pro- zess. Dadurch sind niedrige Kosten und hohe Stückzahlen realisierbar.
Auf einem Substrat oder in einer intelligenten Platine nach der Erfindung kann die (gesamte) Energieversorgung für das elektronische Gerät, wie ein Energiewandler, eine photovol- taische Zelle, ein piezokeramisches Element, eine Spule zur induktiven Kopplung, eine Antenne zur kapazitiven Kopplung, einen Kontakt zu einer externen Stromversorgung, eine Batte- rie oder ähnliches integriert sein.
Ebenso kann ein Eingabeelement, also ein Sensor, oder eine Tastatur, sowie ein Ausgabeelement, eine Antenne oder sonstiges in dem Substrat oder auf der intelligenten Platine integriert sein. Folgende Bauteile werden hier beispielsweise als Eingabeelement bezeichnet: Sensor (für Druck, elektrischen
Strom, elektrische Spannung, Geräusche, Temperatur, Feuchtigkeit, pH-Wert, chemische Verbindungen, Gase, Atem- und/oder Blutalkohol, Analyse von Körperflüssigkeiten oder von wässri- gen Ausgangsmaterialien allgemein) , Tastatur (einzelne Druck- tasten (einfache Verbindungen oder kapazitiv gekoppelte Taster oder induktive Taster) , keyboard - Tastatur, Eingabematrix (z.B. Touchscreen) ) , Mikrophon (Töne, Geräusche), Lichtsensor (auch als Detektor oder Solarzelle) .
Folgende Bauteile werden beispielsweise als Ausgabeelemente bezeichnet: Optische Elemente (Leuchtdioden (organisch oder anorganisch) , Glühlampen, elektrochrome Elemente (solche, die ihre Farbe oder Lichtabsorption unter Einwirkung von elektrischem Strom/elektrischer Spannung ändern, Flüssigkristall- Anzeigen (LCD) ; Lautsprecher (konventionelle oder auf piezo- aktiven Materialien (organisch oder anorganisch) basierend) , Antennen (induktiv als Spule oder kapazitiv) , elektrische Kontakte für externe Kontaktierung, Bildschirm (basierend auf allen möglichen Prinzipien wie konventionelle Röhrenbild- schirme, LCD (Flüssigkristall) - Anzeigen, Bildschirmen basierend auf elektrochromen Materialien, auf sog. E-ink (Name einer amerikanischen Firma) . Herkömmliche Draht- oder Kabelverbindungen können einfach durch, beispielsweise drucktechnisch herstellbare, strukturierte elektrisch leitende Schichten und/oder Leiterbahnen ersetzt werden.
Nach einer Ausführύngsform ist vorgesehen, dass das Substrat auf dem die aktiven Elemente, z.B. einzelne Transistoren oder integrierte Schaltungen aufgebaut sind, gleichzeitig als Pla- tine dient und die hierzu nötigen leitfähigen Verbindungen
(oder Widerstände, Spulen oder Antennen) direkt auf dasselbe Substrat mit aufgebracht sind. Beispielsweise können die Source/Drain - oder Gate-Elektroden-Ebenen der integrierten Schaltungen großflächig für diese Leiterbahnen benutzt wer- den. Damit ist es auch möglich, hybride Aufbauten mit zu umfassen, beispielsweise eine Batterie, einen Taster oder Sensor und/oder einen Silizium-Chip an Stellen auf der intelligenten Platine oder dem Substrat an zu bringen. Leiterbahnen oder leitende Kontakte können beispielsweise auch durch leit- fähigen Kleber realisiert sein.
Das Substrat kann eine flexible Folie sein, es kann aber auch aus jedem anderen geeigneten Material, nahezu aus beliebigem Material sein.
Des weiteren ist es möglich, ein preiswertes Display, das auf dem elektrochromen Effekt aufbaut, auf einer intelligenten Platine oder einem Substrat nach der Erfindung zu integrieren, wobei als Displayelement beispielsweise ein elektrochro- mes Material eingesetzt wird und als Ansteuerschaltung organische Transistoren verwendet werden. Dies ist insbesondere wirtschaftlich interessant, weil bislang Displays fast ausschließlich für hochpreisige Produkte eingesetzt werden.
Das Display kann sowohl steckbar als auch anderweitig integriert werden, es kann aber auch als eigenständiges Bauteil betrachtet werden. Die Verbindungen können beispielsweise durch einen leitfähigen Kleber realisiert werden. Es ist auch eine kontaktlose Übertragung der Daten von einem externen Gerät auf das Display möglich (z.B. durch eine Spule).
Auf dem Substrat können auch weitere Funktionen wie z.B. die Sensoreigenschaften Temperatur, Feuchtigkeit oder weitere logische Funktionen, vorzugsweise die Bauteile auf organischer Basis, aber nicht zwingend. Ebenso kann ein flüchtiger oder nichtflüchtiger Speicher integriert sein (organisch oder an- organisch basiert) .
Bei dem elektrochromen Effekt wird die Farbe eines Materials durch Anlegen einer elektrischen Spannung reversibel oder irreversibel verändert. Beispielsweise kann man bei dem Materi- al PEDOT /PSS die Farbe von fast klar zu dunkelblau verändern und bei PANI von grün nach blau. Dies wird durch einen Aufbau realisiert, bei dem neben oder über dem elektrochromen Material eine zweite Elektrode plaziert wird und diese beiden Elemente durch einen Elektrolyten verbunden werden. Durch An- legen einer Spannung zwischen den beiden Elementen findet eine Redox-Reaktion im elektrochromen Material statt, die schließlich zur Verfärbung führt. In der Regel findet bei dieser Reaktion auch eine deutliche Änderung des elektrischen Widerstandes der Materialien statt.
Für solch ein Display wird eine Ansteuerung benötigt, wenn es sich nicht nur um ein einfaches Symbol handelt, sondern wie beispielsweise bei einem 7 Segment - display oder einem Matrix-Display um eine veränderbare Anzeige handelt. Diese An- Steuerung muss die eingehenden Signale z.B. durch eine NOR Logik so verknüpft zum Display leiten, dass die gewünschte Anzeige erscheint. Diese Ansteuerung ist vorteilhafterweise als organische Schaltung basierend auf organischen Feldeffekt Transistoren aufgebaut, deren Funktion und Aufbau bekannt sind. Das Display und die Ansteuerelektronik können beispielsweise im selben Produktionsschritt auf dasselbe Substrat integriert werden. Das Substrat ist typischerweise eine preiswerte Polymerfolie (z.B. PET, oder PP, oder PEN., oder Polyimid) . Das Displayprinzip kann sehr einfach und preiswert realisiert werden (z.B. nach der Veröffentlichung vom schwedischen Institut ACREO Auch dieser Aufbau kann im Dünnfilmprozess erfolgen und durch Druckprozesse realisiert werden. Hierdurch sind erstmals bei Displays auch niedrige Kosten und hohe Stückzahlen zu erzielen.
Im folgenden wird die Erfindung noch anhand praktischer Beispiele, die Ausführungsformen zeigen, näher erläutert:
Figur 1 zeigt die Draufsicht auf ein elektronisches Gerät, das zumindest ein organisches Bauteil umfasst
Figur 2 zeigt die Draufsicht auf das gleiche elektronische organische Gerät, allerdings zeigt sie die unter dem Gehäuse befindliche Schicht.
Figur 3 zeigt die Draufsicht auf ein 7 Segment IPC-Display und
Figur 4 zeigt den Querschnitt durch ein IPC-Display.
Figur 1 zeigt die Fläche der intelligenten Platine oder die Substratfläche 1, wobei das Substrat beispielsweise eine flexible Folie, ein Karton, ein biegsames oder ein herkömmliches Glassubstrat oder ähnliches sein kann. Außen sichtbar sind die Eingabeelemente (Tastatur, Sensoren etc.) und die Ausgabeelemente 3 (Display, Anzeige, Leuchtelement, Lautsprecher) . Durch eine undurchsichtige Deckfläche ist das Innenleben des elektronischen Gerätes verdeckt. Die Deckfläche kann beliebig gestaltet oder bedruckt sein. Jedes der genannten oder einsetzbaren elektronischen Bauteile kann organische sein, wobei auch organische und herkömmliche, auf Siliziumbasis beruhende beliebig kombiniert sein können.
Figur 2 zeigt den Aufbau der intelligenten Platine oder des erfindungsgemäßen Substrats, wobei die Schicht unterhalb der undurchsichtigen Deckfläche ("das Innenleben") aus Figur 1 gezeigt wird. Hier erkennt man, dass auf dem Substrat 1, neben den sichtbaren Ein- und Ausgabeelementen 2,3 auch weitere Elemente 4,5,6 und dazwischen elektrischen Verbindungen 7 vorhanden sind. Diese Elemente 4 bis 7 können entweder auf dem Substrat 1 direkt aufgebrachte elektronische- Elemente (integrierte Schaltung, Sensorik, Speicher) sein aber auch als Hybride aufgebrachte Elemente wie Batterien, Lautsprecher, konventionelle Elektronik, Speicher usw. sein. Nach der Erfindung können auf dem Substrat sowohl die leitenden Verbindungen als auch die aktiven Elektronikelemente aufgebracht sein. Damit kann die Erfindung beispielsweise auch zur preiswerten Herstellung von Grußkarten mit kleinen elektronischen Spielen eingesetzt werden. Bei herkömmlichen Grußkarten, bei denen beim Öffnen eine kleine Melodie abgespielt wird oder ähnliches, sind bisher die einzelnen Bauteile beispielsweise durch Drähte verbunden. Diese Verbindungen können nach der Erfindung wesentlich einfacher gestaltet werden.
Figur 3 zeigt die Draufsicht auf ein 7 Segment IPC-Display.
Auf einem flexiblen Substrat 8 ist ein electrochromes Display 9 sowie hierfür notwendige Ansteuerelektronik 10 basierend auf organischen Transistoren aufgebracht. Zur Kontaktierung des Displays sind Kontakte 11 vorgesehen, die über elektri- sehe Verbindungen 12 die elektrische Verbindung zwischen der Ansteuerelektronik 10 und dem Display 9 realisieren.
Figur 4 schließlich zeigt noch einen Querschnitt durch das IPC Display. Neben den bereits in Figur 3 beschriebenen Ele- menten ist noch die Schutzschicht 13 zu erkennen, die das System vor äußeren Einflüssen schützt. Bei dem elektrochromen Display werden beispielsweise funktionale Polymere wie PAN , PEDOT, oder ähnliche Materialien, beispielsweise Makromoleküle, die durch chemische Zusätze dotiert wurden, eingesetzt.
Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, eine Platine als aktives elektronisches Bauelement in ein elektronisches Gerät mitzuintegrieren und sie nicht nur sozusagen als Grundplatte zu nutzen. Dadurch wird ein elektronisches Gerät geschaffen, das nicht nur wesentlich flacher und kompakter aufgebaut ist, sondern ein elektronisches Gerät, das inklusive Platine und sogar, je nach Ausführungsform, inklusive Display einfach, preiswert, also low-cost Einwegprodukt hergestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Platine oder Substrat für ein elektronisches Gerät, das zumindest ein in das Substrat integriertes aktives elektroni- sches Bauteil u fasst.
2. Platine oder Substrat für ein elektronisches Gerät, in das zumindest ein aktives Bauteil wie ein Transistor, eine Diode, eine Photozelle, eine integrierte Schaltung oder etwas Ähnli- ches neben zumindest einem passiven Bauteil wie einer elektrisch leitenden Verbindung, einem Widerstand, einer Spule und/oder einem Kondensator integriert ist.
3. Platine oder Substrat nach einem der vorstehenden Ansprü- ehe, wobei die aktiven Bauteile auf organisch leitfähigen oder halbleitenden Materialien basieren.
4. Platine oder Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, in das eine Energieversorgung, also beispielsweise ein Energiewandler, eine photovoltaische Zelle, ein piezokerami- sches Element, eine Spule zur induktiven Kopplung, eine Batterie oder Ähnliches integriert ist.
5. Platine oder Substrat nach einem der vorstehenden Ansprü- ehe, in das ein Eingabeelement und/oder ein Ausgabeelement integriert ist.
6. Platine oder Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Leitungen, wie Drahtleitungen oder leitende Kon- takte durch strukturierte leitfähige Schichten, Elektroden wie die Source und Drain Elektroden und/oder leitfähigen Kleber realisiert sind.
7. Platine oder Substrat nach einem der vorstehenden Ansprü- ehe in die ein preiswertes Anzeigeelement und/oder ein Display integriert ist.
8. Platine oder Substrat nach Anspruch 7, wobei das Display elektrochromes Material, flüssigkristalline Elemente und/oder organische Leuchtdioden umfasst.
9. Platine oder Substrat nach Anspruch 7 oder 8, mit dazugehöriger integrierter Ansteuerschaltung.
10. Platine oder Substrat nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Ansteuerelektronik zumindest einen organischen Feldeffekt Transistor umfasst.
11. Verwendung einer Platine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, für ein elektronisches Gerät wie ein Sensorlabel, ein Werbeetikett, ein Preisschild, ein Spiel, eine Checkkarte und/oder einen RFID Tag.
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