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新式印刷电路可望投入主流商用化市场
作者：马立得
来源：电子工程专辑
日期：2008-01-24 09:08:28
摘要：在经历多次挫折后，薄膜电晶体(TFT)电路开发人员近日声称取得了重大的突破，并表示将在不久后就可使该技术投入市场。如果成功的话，这种新技术将可实现极具前景且低成本的电子报纸、显示器、标签、RFID标签、感测器、智慧卡，甚至是可编程的壁纸。
在经历多次挫折后，薄膜电晶体(TFT)电路开发人员近日声称取得了重大的突破，并表示将在不久后就可使该技术投入市场。如果成功的话，这种新技术将可实现极具前景且低成本的电子报纸、显示器、标签、RFID标签、感测器、智慧卡，甚至是可编程的壁纸。
但这次的主张声明会真的实现吗，抑或只是噱头罢了？
多年来，支持者们一直宣称薄膜电晶体电路，以及更广泛的印刷或塑料电子等，将会是基于晶圆的晶片之下一代产品。该技术能够使用喷墨涂布和聚合物油墨在系统、显示器或其他任何物体表面印制出便宜、低密度的晶片。因此，这种技术能使IC晶片更加普及，并催生出许多新兴应用。
尽管过去几年来已针对该技术的研发投入了上百万美元的资金，但包括英特尔(Intel)等许多公司至今都未能实现薄膜电晶体电路的商用化生产。虽然这些电晶体能在实验室中正常运作，但至今还没有任何一家公司可针对商用市场“销售任何产品”，谘询公司IDTechEx主席Peter Harrop表示。
在日前举行的‘美国印刷电子会议’(Printed Electronics USA)上，3T Technologies、Kovio、Orfid、PolyIC、意法半导体(ST)等薄膜电子和其他相关公司们均针对范围广泛的应用场合详述印刷电子的各种用途。供应商们宣称他们已经解决了与该技术相关的许多问题，包括电晶体性能不足、迁移率不佳以及聚合物材料的整合问题。
目前已有超过150家厂商分别以各种不同的形式争相开发该技术。许多公司正积极争取其于薄膜电晶体和记忆体市场的佔有率，根据IDTechEx的预测，该市场将从目前近乎于零的成长率攀升到2009年约有4,000万美元，而到2017年可望达到80亿美元。
在广泛的印刷电子市场中，薄膜电晶体电路领域是相当具有前景的技术之一。印刷(或塑料)电子是一种广义的用语，它代表了透过喷墨印表机或类似方式在系统上沉积简单电子电路的方式。
IDTechEx认为，广泛的印刷电子市场还包括了导电墨水、电泳显示器、OLED、薄膜光电，以及电晶体电路与记忆体。整体而言，IDTechEx预测，包括有机、无机和化合物的整个印刷电子市场预计将从2007年的18亿美元成长到2017年的481.8亿美元。
IDTechEx公司指出，其中，成长最快的市场领域是薄膜电晶体和记忆体。与传统硅晶不同的是，薄膜电晶体电路并不使用结晶或非晶硅，而是以基于有机或无机化合物的薄膜产品来实现可挠性电路。
“这些电晶体是实现一个巨大新兴市场的关键，而这是採用硅晶片所永远难以达到的。”Harrop在最近的一份报告中提道。“新式电晶体可沉积在低成本的可挠性基板、铝或不锈钢箔片上。目前，它们的体积要比现有的硅晶电晶体更大得多，但它们的成本只有几百分之一，而且更轻且薄。”
但薄膜电晶体也有一些缺点。例如电晶体的速度仍受限在数十兆赫频率范围内。在德国Fraunhofer学院所发表一篇有关实体测量技术的论文中指出：“有机薄膜电晶体的可靠性和稳定性是目前最大的问题。一些还未能被完全理解的典型问题是迁移率经常被减弱，而电晶体的阈值电压和次阈值范围也对环境条件非常敏感。”
基于上述各种理由，开发人员始终未能实现该技术的商用化。例如在2001年，新创企业FlexIC试图在塑料基板上开发半导体，以用于平面显示器和相关应用。但到了2005年底，这家获英尔公司赞助部份资金的FlexIC公司只能关门歇业，并上网拍卖其资产。
另一个运气不佳的例子是1994年成立的Opticom公司。挪威的Opticom公司主要开发多层、非挥发性聚合物记忆体系统，该公司与英特尔在1999年时签署了商用化聚合物记忆体技术的合作协定。但由于将聚合体材料导入硅晶代工厂环境后所产生的问题，使得英特尔在2005年时终止了此项合作关係。
瑞典的Thin Film Electronics AB公司原是Opticom公司在瑞典的一个研究分支机构，自从2006年独立后就一直从事低成本、全聚合非挥发性可复写记忆体的生产。该公司并正研究RFID标签、智慧型标签和其他应用，完全放弃了其先前与英特尔合作所进行的一项基于硅晶的大规模通用记忆体研发工作。
薄膜电晶体取代现有的半导体记忆体可能性并不大，Thin Film Electronics公司执行董事Rolf Aberg表示。“但它将成为半导体技术的一种互补技术，将可开创出新兴的应用领域。”
例如，比利时的Cartamundi Group就计划使用Thin Film Electronics公司的技术，以应用于其新一代独立式游戏卡上的沉积记忆体电路，可让用户更方便透过网际网路玩线上游戏。
Thin Film Electronics公司正装配其制造基础设备，以使其技术可投入市场。而就在不久前，比利时的Agfa和Thin Film Electronics公司也共同宣布将进一步强化材料性能，以实现印刷记忆体元件的大量生产。
Thin Film Electronics公司最近还与南韩的InkTec公司签署了合作协定，其合作重点在于最佳化InkTec公司的银墨，以用在Thin Film Electronics公司的记忆体单元电极上。
意法半导体最近也宣布开发出其独立式薄膜电晶体电路系列的第一款产品。透过有效整合奈米印刷微影和喷墨列印技术，该公司成功地开发出一个4位元的算术逻辑单元、一个全加法器和一次性可编程元件，ST公司的研发专桉经理Luigi Occhipinti透露。
Occhipinti坦承，在该技术投入量产前还有许多困难必须克服。除了电晶体性能不佳以外，他在近日举行的会议演讲中提到“n型有机材料欠缺稳定性”。
因此，薄膜电路的首款应用可能不是一项独立式元件，而是蓬勃发展中的RFID领域产品。新创企业Kovio公司在此次会议上打破沉默，发佈了基于硅晶的薄膜电晶体技术──，一款低成本的RFID标签。
目前的RFID标籤单价约为每单元15美分。利用传统的技术也“无法使单价低于10美分”，Kovio公司执行长Amir Mashkoori表示。但Kovio公司的技术却能使RFID标籤的成本在2008年投入量产后降至5美分，他说。最终的目标是将标籤单价降至每单元1美分。
PolyIC GmbH&Co.KG公司在该大会上宣称在此域上的发展已经超越过Kovio公司。PolyIC正开发的薄膜元件是採用相当先进的捲轴式製程所製造的。该公司力捧两种有机晶片：一种是具有4位元记忆体的13.56MHz元件PolyID；另一种则是用于‘智慧型物件’的PolyLogo。
第一款产品可望在年底前出样，PolyIC公司应用部门负责人Wolfgang Clemens表示。他并未明示该公司RFID标籤的定价，但透露了其目标价格是趋近于“几美分左右”。
此外，该技术的另一个新兴市场是显示器。新兴的Orfid宣称该公司已经开始针对显示器市场推出第一批元件。
Orfid公司所开发的有机电子技术称为‘垂直有机场效电晶体’(VOFET)。由于其架构以及使用其制造中的导电聚合物，VOFET可提供与传统硅晶电晶体类似的性能，但生产成本却可显着降低，Orfid公司表示。
另外一种新方法是由新创企业3T Technologies公司所开发的。3T Technologies正致力于开发通用元件平台与製程，以应用透明的传导氧化物材料，从而实现该公司所谓的‘透明薄膜技术’或‘不可见电路’。
根据3T Technologies公司表示，“最初採用以氧化锌材料为主的主动式透明半导体元件，使得元件的结构和制造方法能够为透明逻辑电路和显示画素转换提供一种基本的建构模组，可支援各种广泛的显示媒介。”
但这次的主张声明会真的实现吗，抑或只是噱头罢了？
多年来，支持者们一直宣称薄膜电晶体电路，以及更广泛的印刷或塑料电子等，将会是基于晶圆的晶片之下一代产品。该技术能够使用喷墨涂布和聚合物油墨在系统、显示器或其他任何物体表面印制出便宜、低密度的晶片。因此，这种技术能使IC晶片更加普及，并催生出许多新兴应用。
尽管过去几年来已针对该技术的研发投入了上百万美元的资金，但包括英特尔(Intel)等许多公司至今都未能实现薄膜电晶体电路的商用化生产。虽然这些电晶体能在实验室中正常运作，但至今还没有任何一家公司可针对商用市场“销售任何产品”，谘询公司IDTechEx主席Peter Harrop表示。
在日前举行的‘美国印刷电子会议’(Printed Electronics USA)上，3T Technologies、Kovio、Orfid、PolyIC、意法半导体(ST)等薄膜电子和其他相关公司们均针对范围广泛的应用场合详述印刷电子的各种用途。供应商们宣称他们已经解决了与该技术相关的许多问题，包括电晶体性能不足、迁移率不佳以及聚合物材料的整合问题。
目前已有超过150家厂商分别以各种不同的形式争相开发该技术。许多公司正积极争取其于薄膜电晶体和记忆体市场的佔有率，根据IDTechEx的预测，该市场将从目前近乎于零的成长率攀升到2009年约有4,000万美元，而到2017年可望达到80亿美元。
在广泛的印刷电子市场中，薄膜电晶体电路领域是相当具有前景的技术之一。印刷(或塑料)电子是一种广义的用语，它代表了透过喷墨印表机或类似方式在系统上沉积简单电子电路的方式。
IDTechEx认为，广泛的印刷电子市场还包括了导电墨水、电泳显示器、OLED、薄膜光电，以及电晶体电路与记忆体。整体而言，IDTechEx预测，包括有机、无机和化合物的整个印刷电子市场预计将从2007年的18亿美元成长到2017年的481.8亿美元。
IDTechEx公司指出，其中，成长最快的市场领域是薄膜电晶体和记忆体。与传统硅晶不同的是，薄膜电晶体电路并不使用结晶或非晶硅，而是以基于有机或无机化合物的薄膜产品来实现可挠性电路。
“这些电晶体是实现一个巨大新兴市场的关键，而这是採用硅晶片所永远难以达到的。”Harrop在最近的一份报告中提道。“新式电晶体可沉积在低成本的可挠性基板、铝或不锈钢箔片上。目前，它们的体积要比现有的硅晶电晶体更大得多，但它们的成本只有几百分之一，而且更轻且薄。”
但薄膜电晶体也有一些缺点。例如电晶体的速度仍受限在数十兆赫频率范围内。在德国Fraunhofer学院所发表一篇有关实体测量技术的论文中指出：“有机薄膜电晶体的可靠性和稳定性是目前最大的问题。一些还未能被完全理解的典型问题是迁移率经常被减弱，而电晶体的阈值电压和次阈值范围也对环境条件非常敏感。”
基于上述各种理由，开发人员始终未能实现该技术的商用化。例如在2001年，新创企业FlexIC试图在塑料基板上开发半导体，以用于平面显示器和相关应用。但到了2005年底，这家获英尔公司赞助部份资金的FlexIC公司只能关门歇业，并上网拍卖其资产。
另一个运气不佳的例子是1994年成立的Opticom公司。挪威的Opticom公司主要开发多层、非挥发性聚合物记忆体系统，该公司与英特尔在1999年时签署了商用化聚合物记忆体技术的合作协定。但由于将聚合体材料导入硅晶代工厂环境后所产生的问题，使得英特尔在2005年时终止了此项合作关係。
瑞典的Thin Film Electronics AB公司原是Opticom公司在瑞典的一个研究分支机构，自从2006年独立后就一直从事低成本、全聚合非挥发性可复写记忆体的生产。该公司并正研究RFID标签、智慧型标签和其他应用，完全放弃了其先前与英特尔合作所进行的一项基于硅晶的大规模通用记忆体研发工作。
薄膜电晶体取代现有的半导体记忆体可能性并不大，Thin Film Electronics公司执行董事Rolf Aberg表示。“但它将成为半导体技术的一种互补技术，将可开创出新兴的应用领域。”
例如，比利时的Cartamundi Group就计划使用Thin Film Electronics公司的技术，以应用于其新一代独立式游戏卡上的沉积记忆体电路，可让用户更方便透过网际网路玩线上游戏。
Thin Film Electronics公司正装配其制造基础设备，以使其技术可投入市场。而就在不久前，比利时的Agfa和Thin Film Electronics公司也共同宣布将进一步强化材料性能，以实现印刷记忆体元件的大量生产。
Thin Film Electronics公司最近还与南韩的InkTec公司签署了合作协定，其合作重点在于最佳化InkTec公司的银墨，以用在Thin Film Electronics公司的记忆体单元电极上。
意法半导体最近也宣布开发出其独立式薄膜电晶体电路系列的第一款产品。透过有效整合奈米印刷微影和喷墨列印技术，该公司成功地开发出一个4位元的算术逻辑单元、一个全加法器和一次性可编程元件，ST公司的研发专桉经理Luigi Occhipinti透露。
Occhipinti坦承，在该技术投入量产前还有许多困难必须克服。除了电晶体性能不佳以外，他在近日举行的会议演讲中提到“n型有机材料欠缺稳定性”。
因此，薄膜电路的首款应用可能不是一项独立式元件，而是蓬勃发展中的RFID领域产品。新创企业Kovio公司在此次会议上打破沉默，发佈了基于硅晶的薄膜电晶体技术──，一款低成本的RFID标签。
目前的RFID标籤单价约为每单元15美分。利用传统的技术也“无法使单价低于10美分”，Kovio公司执行长Amir Mashkoori表示。但Kovio公司的技术却能使RFID标籤的成本在2008年投入量产后降至5美分，他说。最终的目标是将标籤单价降至每单元1美分。
PolyIC GmbH&Co.KG公司在该大会上宣称在此域上的发展已经超越过Kovio公司。PolyIC正开发的薄膜元件是採用相当先进的捲轴式製程所製造的。该公司力捧两种有机晶片：一种是具有4位元记忆体的13.56MHz元件PolyID；另一种则是用于‘智慧型物件’的PolyLogo。
第一款产品可望在年底前出样，PolyIC公司应用部门负责人Wolfgang Clemens表示。他并未明示该公司RFID标籤的定价，但透露了其目标价格是趋近于“几美分左右”。
此外，该技术的另一个新兴市场是显示器。新兴的Orfid宣称该公司已经开始针对显示器市场推出第一批元件。
Orfid公司所开发的有机电子技术称为‘垂直有机场效电晶体’(VOFET)。由于其架构以及使用其制造中的导电聚合物，VOFET可提供与传统硅晶电晶体类似的性能，但生产成本却可显着降低，Orfid公司表示。
另外一种新方法是由新创企业3T Technologies公司所开发的。3T Technologies正致力于开发通用元件平台与製程，以应用透明的传导氧化物材料，从而实现该公司所谓的‘透明薄膜技术’或‘不可见电路’。
根据3T Technologies公司表示，“最初採用以氧化锌材料为主的主动式透明半导体元件，使得元件的结构和制造方法能够为透明逻辑电路和显示画素转换提供一种基本的建构模组，可支援各种广泛的显示媒介。”
图说：根据IDTechEx公司预测，2027年的整体印刷电子市场规模可望达到3,303亿美元。届时，嵌入各种印刷电子的服饰即将出现。
