Raport stiintific si tehnic in extenso FUNTEX - Integrarea ... · PDF fileStructurile led (chip/die) folosite in prezent au suferit multe modificari in ... realiza retele conductive

1

FUNTEX – Integrarea dispozitivelor electronice in textile functionale inteligente

MICROELECTRONICA Etapa I 10.12.2011

1983 SEMICONDUCTORS MANUFACTURING AND RESEARCH

MICROELECTRONICA S.A., str. Pictor Andreescu 1, Bucuresti, T: +40318241424, F: +40318241425, [email protected] www.microel.ro

Raport stiintific si tehnic in extenso

FUNTEX - Integrarea dispozitivelor electronice in textile

functionale inteligente

Etapa I: Definitii si specificatii

Activitate I.1_A2.1: Specificatii componente electronice si

demonstratori

2



CUPRINS

INTRODUCERE

DESCRIERE OBIECTIVE GENERALE

DESCRIERE OBIECTIVE DE ETAPA

REZUMATUL ETAPEI

DESCRIEREA STIINTIFICA SI TEHNICA

CONCLUZII

3



INTRODUCERE

Proiectului FUNTEX - Integrarea dispozitivelor electronice in textile

functionale inteligente este bazat pe dezvoltarea de materiale textile ce

integreaza un sistem de dispozitive opto-electronice cum ar fi dispozitive LED,

retele electrice, senzori de lumina, acumulatori, celule fotovoltaice.

Exista doua modalitati pentru a integra electronicele in materiale textile,

fie prin utilizarea componentelor electronice pe panouri substrat flexibile, fie

componentele electronice asamblate/incapsulate pe matricea texitila.

Proiectul FUNTEX ia in considerare avantajele ambelor metode,

adaptand demonstratorii finali la solutia cea mai buna rezultata. Aplicatiile

legate de iluminare, care permit vizibilitatea in timpul noptii si in zonele cu

slaba iluminare sunt rezultatul asamblarii/ incapsularii structurilor tip LED in

material si utilizarea unor circuite electronice adecvate. Senzorii, acumulatorii,

celulele fotovoltaice intregesc sistemul inteligent de iluminare, incarcare

acumultori, utilizarea mijoacelor neconventionale (energia solara).

Asamblarea / incapsularea microelectronicelor este in prezent o

provocare datorita dificultatilor de realizare a contactelor electrice stabile,

pastrarea caracteristicilor materialului textil de baza (flexibilitatea, elasticitate,

etc.) precum si rezistenta la spalare sau conditii de mediu exterior.

Tehnologia standard de folosire a firelor in cazul firelor electrice are

multe dezavantaje in cazul structurilor elastice (intindere), cele mai importante

fiind conductivitate scazuta a conductorilor electrici ceea ce duce la scederea

puterii electrice, precum si instabilitatea conexiunilor electrice intre electronice

si firele textile conductive.

4



Descrierea obiectivului general

Cercetarea si dezvoltarea textilelor elastice inovative avand integrate

dispozitive optoelectronice, spre exemplu dispozitive LED (Light Emitting

Diode – sursa de lumina in stare solida), acumulatori, senzori de lumina,

celule fotovoltaice, pentru fabricarea de structuri elastice cu module

luminoase integrate.

Descrierea obiectivelor de etapa

Studierea dispozitivelor optoelectronice de tip LED etc. precum si a

altor componente de tipul cernelurilor conductive electric, existente pe piata.

Selectionarea acestor componente, dar si a proceselor si

echipamentelor necesare pentru a fi compatibile cu materialul textil

(polyester+poliuretan) ce urmeaza a fi testat pentru integrarea dispozitivelor

electronice la nivel de prototip.

Prezentarea specificatiilor rezultate, pentru a fi utilizate ulterior in

fabricarea preliminara a textilelor inteligente si la fabricarea de nivel prototip.

Rezumatul etapei

Structurile led (chip/die) folosite in prezent au suferit multe modificari in

timp pornind de la siliciu, iar companiile producatoare cele mai avansate in

acest domeniu sunt CREE Inc. din SUA si companiile din Asia (de ex.

SEMILEDS - Taiwan).

Compania Cree – SUA unul dintre pionerii cercetarii si dezvoltarii

structurilor LED, dezvolta seria MegaBright Generation II MB™ care combina

eficienta inalta a materialelor de tipul InGaN pe un substrat de G•SiC® pentru

a furniza un raport mai bun pret/ performanta pentru Led-urile de mare

intensitate luminoasa.

Compania SEMILEDS – Taiwan a dezvoltat si patentat o structura LED

denumita MvpLED ce prezinta un design special realizat pentru imbunatatirea

disiparii termice (reducerea temperaturii de jonctiune).

Cernelurile pe baza de argint au multiple utilizari in prezent (printarea

antenelor RFID), pot fi folosite pentru realizarea sau repararea circuitelor PCB

(printed circuit boards). Keyboard-urile calculatoarelor contin membrane cu

5



circuite imprimate care sunt sensibile la presiune, autoturismele au trasee

conductive pe geam servind ca antena.

Microelectronica a analizat mai multi producatori de cerneluri

conductive ca de ex. Sun Chemical, Mitsubshi Chemical and TOYO INK. In

final rezultatul obtinut cu cernelurile produse de TOYO INK – Japonia pe

materialul textil furnizat de PERARIA a condus la rezultate pozitive.

Pornind de la aceste cerinte ale proiectului FUNTEX precum si de la

posibilitatea practica de realizare Microelectronica a selectionat o cerneala

conductiva de tip REXALFA RA FS 045 – TOYO INK Japonia, iar ca

tehnologie de printare tip tehnologie screen-printing continua, folosind o

matrita tip rola din inox (SUS screen mesh) cu o definitie a liniilor de

400-500L/in si o racleta plata (flat squeegee), iar grosimea emulsiei de

cerneala pana la 10-15 microni. Curatarea cernelii de pe matrita se

realizeaza cu cyclohexanona si apoi si sterge cu MIBK pe matrita

scoasa.

Celulele fotovoltaice flexibile se aflla la nivelul de cercetare

tehnologica, spre exemplu la Massachusetts Institute of Technology (MIT)

acestea sunt fabricate prin depunerea de material fotovoltaic pe substraturi

flexibile cum ar fi hartia standard folosind tehnologia chimica de depunere in

vapori. Pentru panourile fotovoltaice rigide au fost selectate KYOCERA

(KYOCERA KD solar panel, P series) si Free Energy Europe – Franta (FEE

type).

Bateriile (acumulatorii) cu Li-ion fac parte din produsele electronice de

larg consum. Ele sunt unul dintre cele mai populare tipuri de baterii

reincarcabile pentru electronicele portabile avand una din cele mai bune

densitati electrice, fara efect “de memorie” si o descarcare lenta in timp cand

nu este folosita. Pentru acumulatori au fost selectate PowerStream – USA (Li-

ion prismatic battery model H083448) si Powerizer – Canada (Li-ion H

series).

6



Descrierea stiintifica si tehnica

LED: Light Emitting Diode este o sursa de lumina in stare solida

(semiconductor). Aplicatiile LED-ului sunt multiple, iar ritmul de dezvoltare a

aplicatiilor novatoare este strem de rapid. Daca la inceput (1962) au fost

folosite ca lampa indicatoare in diferite dispozitive in prezent sunt utilizate in

iluminare (auto, stradala) in diferite culori si intensitati luminoase. Aceasta ca

urmare a cercetarilor ce au dus la cresterea eficientei luminoase si energetice

a LED-urilor.

Fenomenul de baza pe care se bazeaza iluminarea LED este

electroluminescenta; structura luminescenta este mica in suprafata (sub

1mm2) iar lungimea de unda a luminii emise este determinata de

caracteristicile intrinseci ale semiconductorului (culorile de baza obtinute sunt

rosu, albastru, verde, galben). Utilizarea LED-urilor in sisteme optice integrate

se foloseste pentru a obtine diferite forme si suprafete de emisie luminoasa.

Sursele de iluminare cu LED prezinta multe avantaje fata de sursele de

lumina conventionale (incandescenta, CFL): consum redus energetic, durata

de viata lunga (50.000 ore sau 5 ani functionare), robustete, dimensiuni mici,

aprindere/ stingere rapida.

Sursele de iluminare cu LED-uri folosite pentru iluminare (auto,

stradala) dezvoltate in prezent sunt de mare eficienta energetica (100-200

lumeni / watt), stralucire puternica (high brightness), insa pretul este relativ

mare comparativ cu sursele conventionale de lumina si necesita dispozitive

pentru o buna disipare termica si un curent de alimentare electric stabil si

precis.

Structurile led (chip/die) folosite in prezent au suferit multe modificari in

timp pornind de la siliciu, iar companiile producatoare cele mai avansate in

acest domeniu sunt CREE Inc. din SUA si companiile din Asia (de ex.

SEMILEDS - Taiwan).

Compania Cree – SUA unul dintre pionerii cercetarii si dezvoltarii

structurilor LED, dezvolta seria MegaBright Generation II MB™ care combina

eficienta inalta a materialelor de tipul InGaN pe un substrat de G•SiC® pentru

a furniza un raport mai bun pret/ performanta pentru Led-urile de mare

intensitate luminoasa.

7



Fig.1: Geometria LED tip MegaBright Generation II MB™CREE Inc.

Aceste LED-uri au o structura ce prezinta o geometrie verticala (vezi

fig.1) pentru a maximiza eficienta luminoasa si necesita o singura conexiune

electrica. Structurile sunt furnizate pe substraturi plane avand lungimea de

unda si fluxul luminous radiant specificate. Aplicatiile acestor LED-uri sunt

imagini video full-motion pentru exterior, aplicatii auto, iluminare monitoare

LCD etc. Aceste structuri pot fi asamblate prin procese / echipamente

conventionale (radiale sau SMT – surface mount technology).

Compania SEMILEDS – Taiwan a dezvoltat si patentat o structura LED

denumita MvpLED ce prezinta un design special realizat pentru imbunatatirea

disiparii termice (reducerea temperaturii de jonctiune). Acest lucru permite o

mai buna eficienta luminoase (lumen/watt), durata de viata a led-ului, calitatea

luminii emise, persistenta culoarii in timp. Cuprul prezinta o inalta

conductivitate electrica si termica. Datorita acestei proprietati stratul de aliaj

de cupru de la baza led-ului este disipata eficient. Indiferent cat de bun este

designul (vezi fig.2), daca materialul de contact la jonctiune este un slab

conductor termic atunci efectul de racire a disipatorului de caldura este

semnificativ redus. Utilizand o tenologie patentata SEMILED de realizare a

suprafetei substratului este maximixata extractia radiatiei luminoase si creste

eficienta luminoasa. De aseminea asocierea folosirii substrat tip safir si a

stratului de reflectie cu eficienta 90% chipurile MvpLED prezinta un model de

radiatie luminoasa Lambertiana. Procesul de fabricatie a ledului utilizeaza o

cantitate minima de substrat de tip safir, care poate fi reciclat si reutilizat de

mai multe ori, contribuind astfel si la protectia mediului inconjurator.

8



Fig 2: Design-ul patentat pentru MvpLED SEMILEDS – Taiwan

Cerneala conductiva: este o cerneala special fabricate pentru a

permite conducerea curentului electric.

Aceste materiale pot fi clasificate ca sisteme in stare solida de inalt

tratament termic sau sisteme de PTF polimeri in “thick film” care permit

realizarea de circuite printate pe diferite substrate material cum ar fi polyester

sau hartie. Aceste tipuri de material contin de obicei materiale conductive cum

ar fi argint (pulbere sau fulgi) si/sau material de tip carbon.

Cernelurile conductive pot fi o cale mult mai economica pentru a

realiza retele conductive comparative cu standardele industrial traditionale

cum ar fi corodarea cuprului pe substraturi placate cu cupru. “Printingul” este

o metoda pur aditiva ce produce foarte putine/deloc pierderi.

Cernelurile pe baza de argint au multiple utilizari in prezent (printarea

antenelor RFID), pot fi folosite pentru realizarea sau repararea circuitelor PCB

(printed circuit boards). Keyboard-urile calculatoarelor contin membrane cu

circuite imprimate care sunt sensibile la presiune, autoturismele au trasee

conductive pe geam servind ca antena.

Hartia printata si foile de plastic presinta caracteristici ce pun probleme

aderente cernelurilor ca de exemplu rezistenta crescuta si lipsa de rigiditate.

9



Rezistenta e prea mare pentru majoritatea circuitelor electrice si natura

ne-rigida a materialelor creeaza forte nedorite exercitate asupra conexiunilor

electrice reducand fiabilitatea. In consecinta aceste material sunt folosite

pentru un numar redus de aplicatii, de obicei acolo unde flexibilitatea este

importanta si nu exista component montate pe suprafata.

Microelectronica a analizat mai multi producatori de cerneluri

conductive ca de ex. Sun Chemical, DuPont, and TOYO INK.

In final rezultatul obtinut cu cernelurile produse de TOYO INK –

Japonia pe materialul textil furnizat de PERARIA a condus la rezultate

pozitive.

Cerintele proiectului:

Materialul textil selectionat de catre partenerul de proiect Peraria

este de tip polyester avand pe una din fete un material de tip poliuretan si

cu urmatoarele caracteristici:

Compozitia material textil 100% poliester

Masa totala 200gr /mp

Masa material textil 140gr /mp

Masa poliuretan 60gr /mp

Grosime poliuretan 0,03mm

Nota: Toate valorile prezentate au o variabilitate +/- 10%

Intervalul temperaturii de operare pentru materialul textil

poliesteric (cu strat poliuretanic) prezentat este pana la 150 -170°C.

Pornind de la aceste cerinte ale proiectului FUNTEX precum si de la

posibilitatea practica de realizare Microelectronica a selectionat o cerneala

conductiva de tip REXALFA RA FS 045 – TOYO INK Japonia, iar ca

tehnologie de printare pentru aceasta Screen-Printing.

10



Cerneala selectionata si utilizata:

Cerneala REXALFA RA FS 045 de la compania TOYO INK – Japonia

Aceasta este o cerneala conductiva electric sub forma de pasta de

argint pentru o precizie inalta:

1. Cod de produs RA FS 045

2. Aplicatii: Linii fine conductive electric utilizate pentru monitoare

tip touch-screen si panouri fotovoltaice.

3. Vascozitate 85+/-10Pa•s/25°C

4. Rezistenta volum 5x10-5 Ω•cm

5. Rezistenta in plan 0,05 Ω (pentru o grosime de 10 microni)

6. Conditii recomandate de tratament termic: 135°C timp de 30 min.

7. RA FS 045 este un sistem dintr-o singura componenta pentru

utilizare directa. Daca se doreste subtierea se poate folosi RA FS

200 sol. In cazul unei subtieri de 1% vascozitatea ajunge pana la

20-30 Pa•s/25°C.

Line / Space 50/50 microni Line / Space 20/300 microni

11



Caracteristici specifice pentru tehnologia de screen-printing

- Compozitie speciala pentru obtinerea de linii conductive extreme

de fine, prin tehnologia screen-printing; astfel de linii subitiri de

20 microni se pot obtine prin utilizarea unui strat special de

aderenta.

- Tratamentul termic la 135°C timp de 30 min. pentru obtinerea unei

rezistente mici a conductorilor.

- Mentine stabile aceste linii conductoare extrem de fine si permite

printarea continuu la mai mult de 100 treceri.

Tehnologia screen-printing utilizata

S-au realizat testari pentru 2 tipuri diferite de cerneala conductiva si pentru

doua temperaturi diferite:

1. Conditii tratament termic: 100°C, 30 min.

Tip cerneala conductiva RA FS 007 RA FS 045

Test de aderenta cu banda adeziva

Delaminare de suprafata OK

Rezistenta in suprafata (ohm/suprafata)

0,090

0,098




OK

OK


0.134

0.100

Pentru a realiza cerintele FUNTEX de integrare a componentelor

electronice (led-uri, sensori de lumina etc.) Microelectronica a stabilit

urmatoarele cerinte necesare pentru reteaua conductiva electrica:

- Latimea conductorilor electrici 100 microni (+/-10%);

- Grosimea conductorilor electrici aprox. 5 microni;

- Conductorii electrici trebuie sa permita un curent de 500 mA / 6-24V;

12



- Distanta intre 2 linii (conductor) 1000 microni (+/-10microni);

- Liniile trebuie sa aiba pana la 15 cm;

- Trebuie sa permita depunerea de conectori (pad-uri) cu diametrul de

aprox.200 microni din aceeasi cerneala conductiva;

- Trebuie sa permita existenta a pana la 100 linii conductive cu terminale

de tip conector (pad).

Pentru a realiza aceste cerinte s-a folosit cerneala de tip RA FS 045 si o

tehnologie de screen-printing continua, folosind o matrita tip rola din

inox (SUS screen mesh) cu o definitie a liniilor de 400-500L/in si o

racleta plata (flat squeegee), iar grosimea emulsiei de cerneala pana la

10-15 microni. Curatarea cernelii de pe matrita se realizeaza cu

cyclohexanona si apoi si sterge cu MIBK pe matrita scoasa.

13



14



15



Celule fotovoltaice sunt dispositive electrice care transforma energia

luminoasa in energie electrica direct prin efectul fotovoltaic.

Celulele fotovoltaice sunt asamblate in module care capteaza energia

solara transformand-o in curent electric. Mai multe module multiple asamblate

impreuna formeaza un panou fotovoltaic (panou solar). Diferenta intre un

modul si un panou consta in faptul ca modulul nu poate fi dezmembrat in parti

componente reutilizbile, in timp ce panoul poate fi asamblat / dezasamblat in

mai multe module. Energia electrica generate de module se numeste putere

solara, fiind un exemplu de energie solara.

Domeniul fotovoltaic este un domeniu tehnologic de cercetare legat de

aplicatiile practice ale celulelor fotovoltaice in producerea energiei electrice

din radiatia luminoasa, desi este folosita des, specific legat de generarea

curentului electri numai din lumina solara.

Celulele fotovoltaice flexibile se aflla la nivelul de cercetare tehnologica,

spre exemplu la Massachusetts Institute of Technology (MIT) acestea sunt

fabricate prin depunerea de material fotovoltaic pe substraturi flexibile cum ar

fi hartia standard folosind tehnologia chimica de depunere in vapori (vezi fig3).

Fig 3: Material fotovoltaic pe substrat flexibil (MIT)

Celulele solare / fotovoltaice de tip substrat subtire (thin-film) (TFSC /

TFPV) sunt fabricate prin depunerea unuia sau mai multor straturi subtiri de

material fotovoltaic pe un substrat. Grosimea straturilor variaza mult de la

cativa nanometri la cateva zeci de microni (vezi fig.4).

16



Fig. 4; Celule fotovoltaice in strat subtire (TFSC / TFPV)

Diferite materiale fotovoltaice sunt depuse prin variate metode de

depunere pe diferite tipuri de substrate. Celulele fotovoltaice se clasifica

functie de materialul fotovoltaic utilizat:

- Siliciu amorf (a-Si) si alte material pe baza de siliciu in strat subtire (TF-

Si)

- Telluride de cadmiu (CdTe)

- Cupru-indiu-galiu-seleniu (CIS sau CIGS)

- Celule solare cu vopsea senzitiva (DSC) sau alte celule solare organice.

Tipuri de panouri solare rigide (KYOCERA (KYOCERA KD solar

panel, P series) si Free Energy Europe – Franta (FEE type).

Bateriile Litiu-ion (Li-ion sau LIB) sunt o familie de baterii

reincarcabile in care ionii de Litiu se transfera de la catod la anod in timpul

descarcarii si invers in timpul incarcarii. Fenomenele chimice, performantele,

costul si caracteristicile de siguranta variaza mult. Spre deosebire de bateriile

de litiu care nu se pot reincarca, celulele electrochimice cu ioni de litiu

prezinta un component de litiu intercalate ca si material pentru electrod in

locul litiului metalic.

17



Bateriile (acumulatorii) cu Li-ion fac parte din produsele electronice de

larg consum. Ele sunt unul dintre cele mai populare tipuri de baterii

reincarcabile pentru electronicele portabile avand una din cele mai bune

densitati electrice, fara efect “de memorie” si o descarcare lenta in timp cand

nu este folosita. De asemenea sunt utilizate in domeniul militar, vehicule

electrice, industria aerospatiala. Cercetarile prezente au condus la

imbunatatiri legate de densitatea electrica, durabilitate, cost si siguranta

interna.

Tipuri de acumulatori selectati (PowerStream – USA (Li-ion

prismatic battery model H083448) si Powerizer – Canada (Li-ion H series).

18



CONCLUZII

Microelectronica a stabilit urmatoarele caracteristici necesare pentru

reteaua conductiva electrica pentru integrarea componentelor electronice

(led-uri, senzori de lumina etc.):

- Latimea conductorilor electrici 100 microni (+/-10%);

- Grosimea conductorilor electrici aprox. 5 microni;

- Conductorii electrici trebuie sa permita un curent de 500 mA / 6-24V;

- Distanta intre 2 linii (conductor) 1000 microni (+/-10microni);

- Liniile trebuie sa aiba pana la 15 cm;

- Trebuie sa permita depunerea de conectori (pad-uri) cu diametrul de

aprox.200 microni din aceeasi cerneala conductiva;

- Trebuie sa permita existenta a pana la 100 linii conductive cu terminale

de tip conector (pad).

Materialul textil selectionat de catre partenerul de proiect Peraria este

de tip polyester avand pe una din fete un material de tip poliuretan si cu

urmatoarele caracteristici:

Compozitia material textil 100% poliester

Masa totala 200gr /mp

Masa material textil 140gr /mp

Masa poliuretan 60gr /mp

Grosime poliuretan 0,03mm

- Nota: Toate valorile prezentate au o variabilitate +/- 10%

Intervalul temperaturii de operare pentru materialul textil

poliesteric (cu strat poliuretanic) prezentat este pana la 150 -170°C.

Pe baza acestor caracteristici Microelectronica in colaborare cu TOYO

INK a selectionat cerneala conductiva REXALFA RA FS 045 de la compania

TOYO INK – Japonia, realizata special pentru conditiile proiectului FUNTEX

19



care a fost testata pe materilul textil de tip polyester/poliuretan furnizat. A fost

importata o cantitate de 100 ml de cerneala pentru testari.

Aceasta este o cerneala conductiva electric sub forma de pasta de

argint pentru o precizie inalta cu urmatoarele caracteristici:

1. Cod de produs RA FS 045

2. Aplicatii: Linii fine conductive electric utilizate pentru monitoare

tip touch-screen si panouri fotovoltaice.

3. Vascozitate 85+/-10Pa•s/25°C

4. Rezistenta volum 5x10-5 Ω•cm

5. Rezistenta in plan 0,05 Ω (pentru o grosime de 10 microni)

6. Conditii recomandate de tratament termic: 135°C timp de 30 min.

7. RA FS 045 este un sistem dintr-o singura componenta pentru

utilizare directa. Daca se doreste subtierea se poate folosi RA FS

200 sol. In cazul unei subtieri de 1% vascozitatea ajunge pana la

20-30 Pa•s/25°C.

Microelectronica a realizat desenul retelei electrice precum si

caracteristicile necesare (dimensiuni, caracteristici electrice).

A fost selectata tehnologia de screen-printing si a fost realizata

reteaua electrica pe materilul textil prin folosirea tehnologiei de screen-

printing continua, folosind o matrita tip rola din inox (SUS screen mesh)

cu o definitie a liniilor de 400-500L/in si o racleta plata. Mostra a fost

pusa la dispozitia partenerilor.

S-au realizat testari pentru 2 tipuri diferite de cerneala conductiva si

pentru doua temperaturi diferite:




Delaminare de suprafata

OK

20




0,090

0,098




OK

OK


0.134

0.100

Materialul textil pe care s-a realizat reteaua electrica prin cerneala

conductiva va fi prezentata ca mostra impreuna cu proiectul (anexa).

De asemenea, se anexeaza o mostra de masca pentru screen-

printing.

O mostra de textila cu reteaua electrica printata impreuna cu

datele tehnice ale cernelii conductive si ale tehnologiei de printare au

fost trimise partenerilor de proiect, in scopul trecerii la etapa urmatoare

de realizare.

Documents

Raport stiintific si tehnic in extenso FUNTEX - Integrarea ... · PDF fileStructurile led (chip/die) folosite in prezent au suferit multe modificari in ... realiza retele conductive