Veijo Hänninen

Läpinäkyviä ja printattavia

Näyttötekniikan ja printtielektroniikan materiaalit ovat vahvan tieteellisen kiinnostuksen kohteena ja sillä saralla on myös saavutettu kiinnostavia uusia ratkaisuja.

Erilaiset metallioksidit ovat olleet näyttötekniikan valmistajien vahvan kiinnostuksen kohteena ja esimerkiksi Sharp on jo tuottanut markkinoille IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide) tekniikkaan perustuvia näyttöjä.

IGZO on puolijohdemateriaali, jota voidaan käyttää läpinäkyvän ohutkalvotransistorin kanavana. Sillä korvataan amorfinen pii aktiivisena kerroksena LCD-näytöissä. IGZO:lla on 40 kertaa parempi elektronien liikkuvuus kuin amorfisella piillä, joten sallii pienemmät pikselit tai nopeamman näytön virkistyksen.

Transistoreita vai sulkimia?

Tästä edistyksellisestä tekniikastaan huolimatta Sharp on ryhtynyt yhteistyöhön MEMS-näyttöihin erikoistuneet Pixtronixin kanssa. Tavoitteena on kehittää ja kaupallistaa pienen tehonkulutuksen MEMS-värinäyttöjä, joissa hyödynnetään Sharpin IGZO-tekniikkaa.

Pixtronix kutsuu tekniikkaansa PerfectLight Displayksi. Sillä on suuri kytkentänopeus, mikä soveltuu aina täysinopeuksisesta videosta e-kirjan vaatimuksiin samassa laitteessa.

Näyttö perustuu MEMS-tekniikalla toteutettuihin mikrosulkimiin, jotka on valmistettavissa standardilla LCD-tekniikalla ja se eliminoi nestekiteet, polarisaattorit ja värisuodattimet.

Tällä tekniikalla peräti 60 prosenttia tuotetusta valosta tulee näytön pintaan kun se LCD-näytössä yleensä on vain kymmenisen prosenttia. Sen tehonkulutus onkin siten vain neljäsosa vastaavasta LCD-näytöstä.

Tekniikka perustuu punaista, vihreä ja sinistä valoa vuorottelevasti lähettäviin ledeihin joista MEMS-mikrosulkimet moduloivat täysivärisiä kuvia. Mikrosulkimet voivat tehdä yli tuhat operaatiota sekunnissa mikä on enemmän kuin tarpeeksi liikkuvalle värikuvalle.

Vähemmän valohävikkiä

LCD-näyttöjen heikon valontuoton hyötysuhteen parantamiseen pyrkii myös esimerkiksi kotimainen TTY:llä tehty väitöskirjatutkimus.

Tekniikan lisensiaatti Jyrki Kimmel teki viime vuonna tutkimuksia mobiilinäyttöjen diffraktiivisista taustavaloista.

Kimmelin mukaan näyttöyksikön saa tehokkaammaksi ohjaamalla valon päävärit näyttöpaneelin vastaaviin alipikseleihin sen sijaan että käytetään valkoiselle valolle päävärien suodattimia.

Tämä voidaan tehdä diffraktiivisella eli hilojen avulla eri suunnista tulevia päävärejä taittavalla tavalla. Ratkaisulla on omat haasteensa mutta tulevaisuudessa hilarakenne ja taustavalon väriledit saatettaisiin integroida jopa näyttöpaneelin aktiivikerroksen takana olevaan alustaan.

Uudella ratkaisulla saataisiin aikaan merkittävää energiatehokkuutta sekä kustannussäästöjä erilaisten valon ohjauskalvojen ja jopa värisuodattimien eliminoimisen kautta.

Väittelijän mukaa teoriassa voitaisiin näyttölaitteesta näin saada hyötysuhteeltaan 4,5–6 -kertainen tavanomaiseen nestekidenäyttöön verrattuna.

Taipuisia ja läpinäkyviä johteita

Oli näyttö miltei millainen tahansa siinä tarvitaan läpinäkyviä johteita. Nykyään niiden perusmateriaalina on yleensä indiumtinaoksidia (ITO).

Indium on kuitenkin hupeneva luonnonvara ja siksi kallista mutta myös ympäristölle myrkyllistä. Kaikkialla maailmassa kehitetäänkin uusia vaihtoehtoja hauraalle ITO:lle tai kalliille hopeamusteelle.

Yksi vaihtoehto on sinkkioksidi, joka on halpa ja runsas materiaali. Sillä on ITO:a vastaava läpinäkyvyys näkyvälle valolle mutta sinkkioksidikalvojen teollinen valmistus on varsin haastava. Sähköisen johtavuuden vuoksi GZO-kalvoon on sisällytettävä pieniä määriä galliumia mutta se onnistuu vain varsin korkeilla prosessilämpötiloilla.

Singaporelaisen A*STAR Institute of Materials Research and Engineering ja Data Storage -instituutit ovat kehittäneet edullisen valmistusmenetelmän sinkkioksidiohutkalvoille.

Prosessi tapahtuu huoneen lämpötilassa vahvan lasersäteen avulla. Matala prosessilämpötila on omiaan erityisesti orgaanisien aurinkokennojen ja muiden joustavien elektronisten laitteiden parissa

Grafeeni avuksi

Exeterin yliopiston vetämässä tutkijaryhmässä on puolestaan kehitetty kaikkein aikojen läpinäkyvin, kevyin ja joustavin sähköä johtava materiaali.

Kehittäjä nimesivät materiaalin GraphExeteriksi.

Materiaali on läpinäkyvä laajalle valon spektrille, joten se saattaa lisätä aurinkopaneelien hyötysuhdetta jopa 30 prosenttia. Sitä voi käyttää myös puettavien elektronisten laitteiden parissa sekä peileissä tai ikkunoissa, joissa on tietoteknisiä interaktiivisia ominaisuuksia.

Grafeeni on ohuin sähköä johtava aine. Se on myös hyvin joustava ja eräs vahvimmista tunnetuista materiaaleista. Monet tutkijat ovatkin yrittäneet muokata grafeenia myös joustavaan elektroniikkaan sopivaksi. Tämä on ollut haaste, koska sen arkkiresistanssi rajoittaa johtokykyä.

Exeterin ryhmä voitti haasteen sijoittamalla rautakloridimolekyylejä kahden grafeenikerroksen väliin. Rautakloridi parantaa sähkönjohtavuutta, vaikuttamatta materiaalin läpinäkyvyyteen. Näin muokattuna GraphExeter on paljon joustavampi kuin indiumtinaoksidi.

Edullisempia näyttöjä kuparijohteilla

Myös kupariset nanolangat saattavat alentaa kosketusnäyttöjen, ledien ja aurinkokennojen kustannuksia.

Yhdysvaltalaisen Duke Universityn kemistit ovat paneutuneet aiheeseen useammankin tutkimuksen voimin.

Kemisti Ben Wiley ja hänen jatko-opiskelijansa onnistuivat kehittämään tekniikan järjestää kupariatomeja vedessä siten, että ne muodostavat pitkiä ja ohuita nanolankoja. Ne voidaan edelleen muokata läpinäkyväksi ja johtavaksi kalvoksi ja päällystää lasilla tai muovilla.

Kuparin käytön musteissa tai nanolankoina on tähän asti estänyt sen taipumus paakkuuntua. Uusi menetelmä poistaa ongelman ja lisäksi uudet kupariset nanolangat säilyttivät johtavuutensa ja muotonsa vaikka niitä taivutettiin edestakaisin tuhat kertaa.

Duke Universityn kemistit ovat luoneet joustavia, kestäviä ja sähköisesti johtavia nanolankoja myös kuparisäikeistä, joihin on sekoitettu nikkeliä.

He testasivat erilaisia nanolankayhdistelmiä selvittääkseen kuinka kauan ne johtavat sähköä ja vastustavat hapettumista.

Testit osoittavat, että kupari-nikkeli nanolankakalvojen täytyisi olla huonelämpöisessä ilmassa 400 vuoden ajan ennen kuin se menettää 50 prosenttia johtavuudestaan.

Vastaavat hopeananolangat menettivät puolet johtavuudestaan 36 kuukaudessa. Pelkkään kupariin perustuvat nanolangat kestivät vain 3 kuukautta.

Koska kupari-nikkelistä tehdyt kalvot ovat kuitenkin vakaita ja suhteellisen edullisia valmistaa, ne ovat houkutteleva vaihtoehto painetun elektroniikan tuotteissa mutta indiumtinaoksidille ne eivät pärjää läpinäkyvyydessä.

Edullisempia pistekirjoitusnäyttöjä

Myös sokeille tarkoitetuissa pistekirjoitusnäytöille etsitään uusia ja nopeampia materiaalivaihtoehtoja.

Perinteiset pistekirjoitusnäytöt perustuvat yleensä keramiikkaan tai muihin koviin materiaaleihin ja ne ovat raskaita, vaikeita käsitellä ja kalliita. Lisäksi ne ovat yleensä vain yksi- tai kaksirivisiä.

Ryhmä North Carolina State Universityn tutkijoita ovat kehittämässä edullisempaa täysikokoista tietokoneen näytön pistekirjoitusnäyttöä, jonka avulla sokeat voivat selailla web-sivuja paljolti samalla tavalla kuin näkevät ihmiset.

Heidän käyttämänsä sähköisesti aktiiviset polymeeriperustaiset piihartsiputket ovat kevyitä, joustavia ja niitä voidaan käsitellä helposti.

Parempia materiaaleja printtielektroniikalle

Hopeamuste on jo pitkään käytössä ollut johdemateriaali mutta nyt University of Illinoisin materiaalitutkijat ovat kehittäneet reaktiivisen hopeamusteen jota voidaan tulostaa sellaisille materiaaleille, kuten muovi, paperi tai kangas.

Useimmat johtavat musteet perustuvat musteessa oleviin metallihiukkasiin. Uusi muste on liuos hopea-asetaattia ja ammoniakkia, jossa hopea on liuenneena kunnes se printataan. Se myös reagoi ja kuivuu nopeasti.

Reaktiivisella musteella on useita etuja verrattuna hiukkasmusteisiin. Se voidaan ottaa käyttöön muutamassa minuutissa kun hiukkasmusteilla se kestää useita tunteja.

Pienen viskositeetin reaktiivista hopeamustetta voi myös tulostaa kertaluokkaa pienemmillä suuttimilla kuin hiukkasmusteita.

Metallimusteet tarvitsevat yleensä lämpökäsittelyn mutta niiden tarvitsemat lämpötilat ovat kuitenkin liian korkeita edullisille muoveille tai paperille.

Reaktiivinen hopeamuste tuottaa sähkönjohtavuuden tason joka on lähellä puhdasta hopeaa jo 90 Celsius-asteen lämpökäsittelyllä.

Hiilinanoputkia ja printattavaa magneettimustetta

Myös hiilinanoputket käyvät johtavan mustemateriaalin perustaksi.

Esimerkiksi yhdysvaltalainen Brewer Science tuo markkinoille yksiseinämäisiin hiilinanoputkiin perustuvaa mustetta, joka on suunniteltu erityisesti joustavan elektroniikan tarpeisiin. Tämä silkkipainettava CNT-muste on vakaa huonelämpötilassa ja soveltuu laaja-alaisiin painotöihin.

IFW Dresden -instituutin tutkijat ovat taasen valmistaneet ensimmäisen printattavan magneettisen anturin, joka perustuu jättimäiseen magneettisresistanssiseen ilmiöön (GMR).

Tutkijoiden kehittämä magneettinen muste voidaan printata käytännössä miltei mille tahansa alustalle kuten paperille, polymeerille, keramiikalle, lasille ja se tuottaa huonelämpötilassa toimivan GMR-ilmiön.

Tutkijat valmistivat demon, jossa tulostettava GMR-anturi integroitiin hybridiin elektroniikkapiiriin joka tuotettiin postikorttipahville.

Piiriin kuuluvaa lediä ohjattiin kestomagneetin avulla, ja se muutti painetun magneettisen anturin resistanssia ja käynnisti virran kulun ledille.

Hyvin johtavia muovinanokuituja

Institut Charles Sadron (CNRS) ja Université de Strasbourgin tutkijat ovat onnistuneet tekemään erittäin johtavia muovikuituja.

Nämä yllättävät kuidut rakentuvat itsestään kun sähkökentässä olevaa lähtöliuosta valaistaan salamavalolla. Näin syntyy helposti käsiteltäviä ja edullisesti valmistettavia nanomuovikuituja joissa yhdistyy metallien ja orgaanisten muovimateriaalien edut.

Muutaman sadan nanometrin pituiset kuidut ovat kevyitä ja joustavia kuten muovi mutta ne voivat myös siirtää lähes kuparia vastaavia virtatiheyksiä. Lisäksi niillä on hyvin alhainen metallimainen rajapintavastus mikä on 10 000 kertaa alhaisempi kuin parhailla orgaanisilla polymeereillä. Lisäksi niillä on metallimainen lämpötilakerroin.

Lähtömateriaalina käytetään jo pitkään teollisuudessa hyödynnettyjä synteettisiä molekyylejä.

Muovista voidaan valmistaa myös transistoreita. Linköpingin yliopistossa on tuotettu polymeerien avulla muoveista täysin toiminnallisia transistoreita jotka ovat nopeita ja toimivat yhden voltin jännitteellä.

Kehitetty kenttävaikutustransistori koostui kahdesta polymeeristä, joista yksi toimii puolijohteena ja toinen elektrolyyttinä. Kun hilaelektrodilla on jännite, ionit polarisoituvat elektrolyyttiin, siten säätäen sähköisen varauksen siirtoa kahden muun elektrodin välillä.

Läpinäkyviä ja joustavia muisteja

Rice Universityssä valmistetaan jo luotettavia haihtumattomia muisteja piioksidista ja grafeenista 80 prosenttisella saannolla.

Yliopiston tutkijat ovat julkistaneet joustaville kalvoille suunnittelemiaan läpinäkyviä ja kolmiulotteisia muistipiirejä. Tekniikka perustuu piioksidin kytkentäominaisuuksia eli varsin erikoiseen löytöön, joka tehtiin Ricessä jo vuonna 2008.

Tällöin havaittiin, että lasia muistuttava ja eristeenä toimiva piioksidi voi itsessään toimia kuin kytkin. Alkuun tutkimus lähti liikkeelle grafiitin ja oksidin yhdistelmistä mutta yllättäen ilmiö toimikin ilman hiiltä tai metallia.

Jännitteen avulla nanomittaisten piioksidikerrosten rakenne muunnetaan metalliseksi piiksi. Pienemmällä jännitteellä kanava voidaan sitten katkaista ja yhdistää toistuvasti ja siten lukea kuin ykkös- ja nollabittiä.

Nyt rakennetta on parannettu läpinäkyväksi ja joustavaksi grafeenisten tai indiumtinaoksidisten liitäntäelektrodien avulla.

Joustavia pienjännitepiirejä nanokiteistä

Joustavan elektroniikan ratkaisut kiinnostavat monia laboratorioita, sillä oikea yhdistelmä suorituskykyä ja tuotantokustannuksista on edelleen haaste.

Kolloidiset puolijohdenanokiteet ovat uusi lupaava liuotinprosessoitava materiaaliluokka edulliseksi ja joustavaksi ohutkalvoelektroniikaksi.

University of Pennsylvanian tutkijaryhmä on osoittanut, että nanomittakaavan puolijohteisen kadmiumin lyijyselenidihiukkasia eli nanokiteitä voidaan "painattaa" tai "päällystää" joustaville muoveille muodostamaan suorituskykyistä elektroniikkaa.

Kadmiumin lyijyselenidiset nanokiteiset piirit voivat siirtää elektroneja 22 kertaa nopeammin kuin amorfinen pii, jota käytetään esimerkiksi tietokoneiden näytöissä. Toinen etu on, että CdSe-nanokiteet voidaan saostaa huoneen lämpötilassa ja hehkuttaa lievissä lämpötiloissa kun esimerkiksi amorfinen pii vaatii useita satoja asteita.

Koska nanokiteet ovat dispergoitu musteen kaltaiseen nesteeseen, erilaisia painotekniikoita voidaan käyttää piirien valmistamiseen. Piireistä voi tehdä myös monikerroksisia ja tutkijat valmistivatkin kokeeksi pienellä käyttöjännitteellä toimivan invertterin, vahvistimen ja rengasoskillaattorin.

Helmikuu 2013