Проектирование и производство
ключевых компонентов
микроэлектроники и фотоники

Электрофоретические дисплеи (EPD) получили широкую известность благодаря электронным книгам и электронным ценникам, в которых наиболее раскрываются преимущества данного типа дисплеев. Для отображения информации в EPD применяется специальный материал, называемый «электронной бумагой» или E-paper, иногда такую технологию, называют электронные чернила или E-Ink.

Электронные чернила — технология, которая имитирует печать на настоящей бумаге. Она не требует энергии для отображения неизменной информации, в отличие от ЖК- и OLED-экранов, а также позволяет читать текст даже под прямыми солнечными лучами. Принцип действия материала основан на перемещении заряженных частиц (цветных пигментов) под действием электрического поля. При отключении электрического поля частицы остаются в своем последнем состоянии сколь угодно долго. Для воздействия на частицы в отдельных точках экрана, называемых пикселями, создается транзисторная матрица на тонкопленочных транзисторах (TFT), позволяющая управлять электрическим полем в нужной точке экрана и, соответственно, изменять ее цвет.

Ключевым отличием EPD дисплеев, производимых Российским Центром Гибкой Электроники, от традиционных, в которых матрица выполнена на тонкопленочных транзисторах на аморфном кремнии, является использование либо органических полупроводниковых материалов, либо металл-оксидных полупроводников, которым не требуются высокие температуры при производстве. В результате транзисторная матрица может быть нанесена на пластиковую или полиимидную основу. Такой способ производства позволяет получить очень тонкий, легкий, ударопрочный и гибкий EPD дисплей, который значительно расширяет диапазон его применения как средства индикации или отображения информации.

Матричный биометрический сенсор – это тонкий и гибкий сканер отпечатка пальца человека с высоким разрешением и точность, с возможностью интеграции в различные устройства и приложения в сфере безопасности и идентификации личности.

Сенсор представляет из себя матричный фотоприемник диодного типа (ФПДТ) и состоит из управляющей тонкопленочной транзисторной IGZO TFT матрице и органического фотоприемника (ОФП). Каждый матричный элемент (пиксель) фотоприемника преобразует свет (попавшие на пиксель фотоны) в электрический цифровой сигнал за счет фоточувствительных полупроводниковых элементов пикселя. Цифровой сигнал передает информацию о яркости для каждого пикселя. Этот процесс образует цифровое изображение. При прикосновении к сенсору он считывает форму поверхности, образуемой линиями узора на коже (горбы и впадины, которые по-разному засвечивают пиксель), формируя цифровое изображение.

Биометрический сенсор обладает высокой разрешающей способностью (500 ppi) и содержит интегральную микросхему TFT матриц с интегрированными драйверами строк, что создает возможность создавать компактные ультратонкие гибкие устройства и расширяет сферу его применений

Существенным преимуществом органических фотоприемников является то, что их можно наносить из раствора, создавая электронные устройства большой площади, обеспечивая тем самым высокий показатель производительности и рентабельности производства.
Основные характеристиками ФПДТ представлены в таблице. Подробнее с работой прототипа биометрического сенсора можно ознакомиться в журнале ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ № 1/2024, находящимся на сайте в разделе “статьи”.

Транзисторная матрица из тонкоплёночных полевых транзисторов (Thin-Film Transistor Array) — представляет собой структурированное расположение множества тонкоплёночных полевых транзисторов (Thin-Film Transistors, TFT), используемое в различных электронных устройствах, таких как дисплеи, сенсоры и активные матрицы.

Сами транзисторы состоят из нескольких слоёв тонких плёнок полупроводника, металлов и изоляторов, нанесённых на подложку. Российский Центр Гибкой Электроники имеет опыт по производству транзисторных матриц на основе органических, а также металл-оксидных полупроводников, таких как IGZO — оксиды индия, галия, цинка.
Транзисторы или составные транзисторные структуры в матрице расположены в виде сетки, что позволяет индивидуально управлять каждым транзистором или ячейкой (пикселем) по уникальному номеру строки и столбца. Такой метод управления каждым пикселем отдельно и малые размеры тонкопленочных транзисторов дают возможность создавать устройства с высоким разрешением и быстродействием.

Особенностью полупроводниковых материалов, применяемых в Российском Центре Гибкой Электроники, является их относительная низкая температура нанесения при создании тонкопленочных транзисторов, что допускает использование пластиковых подложек, и в результате позволяет получать очень легкие, компактные, гибкие или изогнутые дисплеи и сенсоры.

На текущий момент основные разработки матриц ведутся на транзисторах IGZO TFT, которые являются полевыми транзисторами n-типа и обладают относительно большой* подвижностью носителей заряда (6−10см²/В*с), малыми токам утечки (10^-12А) и высокой однородностью характеристик на пластине.

Транзисторные матрицы, произведенные в Российском Центре Гибкой Электронике, применяются в дисплеях различных типов:

• электрофоретических (EPD),
• жидкокристаллических (LCD),
• дисплеях на основе органических светодиодов (OLED дисплеев),
• сенсорных матрицах для захвата изображений, например, в сенсорах отпечатков пальцев на основе матрицы органических фотодиодов.

* при сравнении с тонкоплёночными транзисторами на базе органических полупроводников или гидрированного аморфного кремния (a-Si:H).

Интегральные микросхемы RFID меток (метки радиочастотной идентификации), изготовленные на IGZO TFT (тонкопленочных полевых транзисторах с применением полупроводникового материала — оксида индий-галлий-цинк) представляют собой перспективное направление в области гибкой электроники и умных этикеток.

Вот несколько ключевых преимуществ использования тонкопленочных транзисторов для RFID меток:

• Толщина метки может быть менее 25 мкм, что в более чем в 4 раза тоньше типичной кремниевой метки.
• Гибкость и устойчивость к изгибающему воздействию.
• Возможность выдерживать высокое давление как в условиях гидростатического (всестороннего), так и одноосного сжатия.
• Легкая встраиваемость в техпроцесс печати меток, что значительно оптимизирует массовое производство.
• При массовом производстве стоимость метки будет в разы дешевле, по сравнению с кремниевой, за счет бОльшего количества микросхем, которые можно разместить на подложке.

Данные преимущества позволяет создать метку тонкой, значительно упростить сложный процесс соединение антенны с чипом, уменьшить время и стоимость сборки, сделать метку интегрируемой в другие техпроцессы конечных потребителей. Большим плюсом также является возможность легкого совмещения и комбинирования технологии с печатной электроникой: гибкие RFID метки можно использовать на изогнутых поверхностях и включить сборку метки непосредственно в техпроцесс офсетной печати.

На текущий момент в РЦГЭ технология пластиковых гибких меток реализована в прототипах меток с информационным полем 12−128 бит и совместима с коммерческими NFC ридерами, использующими протоколы ISO14443 и ISO15693.
Тонкопленочные транзисторы и интегральные схемы, изготавливаются непосредственно на пластиковой пленке в промышленно масштабируемом технологическом процессе, совместимым с существующими линиями для производства плоских дисплеев. В будущем пластиковые метки смогут достичь характеристик наиболее распространённых меток на кремнии, которые занимают 90% рынка.

Применение гибких RFID меток:
1. Умные этикетки: RFID метки на основе IGZO TFT можно использовать в умных этикетках для отслеживания товаров и инвентаря в реальном времени.
2. Билеты и пропуска: гибкие RFID метки могут использоваться в электронных билетах и пропусках, обеспечивая высокую надежность и удобство использования.
3. Медицинские приложения: RFID метки могут быть интегрированы в медицинские браслеты или другие устройства для отслеживания пациентов и оборудования.

Умная пленка — инновационный продукт с изменяющимися оптическими свойствами. Материал пленки, обладающий функцией переменной прозрачности, способен меняет коэффициент светопропускания при подаче электрического напряжения.

Технология «умного» стекла РЦГЭ, основанная на эффекте «гость-хозяин», имеет преимущественные отличия от технологии электрохромных стекол, получившей широкое распространение, в которых происходят обратимые изменения оптического пропускания за счет относительно медленного протекания химической реакции в материале стекла под воздействием электрического тока.

Особенность технологии и опыт РЦГЭ в применении гибких материалов позволили реализовать технологию «гость-хозяин» на гибкой PEN подложке и, таким образом, впервые из умного стекла получить умную пленку с эффектом затемнения, принимающую почти что любой формфактор.

Прототипы жидкокристаллических ячеек различного размера на эффекте «гость-хозяин» изготовлены на пленочных подложках и исследованы на электрооптические характеристики. Подробно с результатами и технологией умной пленки можно ознакомиться в журнале КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9/10 '2022, находящимся на сайте в разделе «Статьи»
Среди преимущественных характеристик можно отметить время переключения 10 мсек, малое энергопотребление и напряжения питания, допустимое для носимой электроники, а также гибкость образцов. Подобные инновационные материалы могут найти свое применение в устройствах, требующих мгновенной отработки быстро меняющегося динамического изменения освещенности, а также требующих определенного формфактора. Хорошим примером таких устройств могут служить солнцезащитная маска горнолыжника или шлем мотоциклиста, где переключение затемнения должно происходить за доли секунды, а также солнцезащитные козырьки водителя в салонах автомобиля, различная тонировка люков, окон и иллюминаторов на транспорте.