DE10151440C1 - Organisches Elektronikbauteil, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung - Google Patents
Organisches Elektronikbauteil, Verfahren zu seiner Herstellung und seine VerwendungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein neues Konzept für die Realisierung eines verkapselten und zumindest teil-organischen Elektronikbauteils. Das beinhaltet ein neues Konzept für die Kombination verschiedener elektronischer Bauelemente zu einem Elektronikbauteil, wie Antenne, Diode (Gleichrichter- und/oder Leuchtdiode), Transistor etc. und eine dafür optimierte Schaltung. Dazu werden gleichartige Bauelemente des Bauteils und/oder der Schaltung auf einem Substrat(bereich) und/oder in einer Verkapselung zu einer Gruppierung gebündelt, die dann untereinander elektronisch verbunden werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein neues Konzept für die Realisierung
eines verkapselten und zumindest teil-organischen Elektronik
bauteils. Das beinhaltet ein neues Konzept für die Kombinati
on verschiedener elektrischer Bauelemente zu einem Elektro
nikbauteil, wie Antenne, Diode (Gleichrichter- und/oder
Leuchtdiode), Transistor etc. und eine dafür optimierte
Schaltung.
Bekannt sind Elektronikbauteile wie z. B. ein Radio-
Frequency-Identification (RFID) Tag, ein Sensorarray, eine
Photovoltaikzelle und ähnliches mehr auf der Basis herkömmli
cher Silizium-Technologie.
Diese Elektronikbauteile finden beispielsweise Anwendung als
elektronischer Strichkode für Konsumgüter, als elektronisches
Wasserzeichen, als elektronische Briefmarke, als Kofferanhän
ger und/oder als Ticket.
Solche Elektronikbauteile können deutlich preiswerter herge
stellt werden, wenn sie zumindest teilweise aus Bauelementen
aufgebaut werden, die auf organischer Elektronik (Plastik-
Elektronik) basieren. Hierbei ergeben sich jedoch mehrere
Probleme. Zunächst müssen unterschiedliche Bauelement-Gruppen
wie Antenne, Gleichrichter und/oder Transponderchip in sehr
verschiedenen Prozessen hergestellt und dann zusammengefügt
und verkapselt werden.
Für die neuen Plastik-Elektronikbauteile, die beispielsweise
aus der DE 100 43 204.2 bekannt sind, ist eine Schaltung bis
lang von Hart, C. M.; De Leeuw, D. M. et al., Philips Res. Lab.,
ESSCIRC '98, ISBN 2-86332-235-4, 1998) veröffentlicht (vgl.
hierzu Fig. 1), wobei nur der Modulations-Transistor 4 und
die integrierte Schaltung 5 auf organischem Material basie
ren. Die Antenne 1, der Kondensator 2 und die Silizium-Diode
3 sind aus anorganischem Material (herkömmliche Silizium-
Technologie). Ein OFET (Organischer Feld-Effekt-Transistor) 4
wird nach der Gleichrichterdiode 3 eingesetzt. Ein Problem
bei dieser Ausführung ist aber, dass der Modulations-
Transistor 4 nur einen geringen Teil der elektrischen Leis
tung schalten kann, da andernfalls die Stromversorgung für
die integrierte Schaltung 5 zusammenbrechen würde. Ein weite
res Problem ist, dass durch die Gleichrichter-Diode 3 nur die
Hälfte der eingestrahlten elektrischen Leistung als Versor
gung für das RFID-Tag nutzbar gemacht wird, weil mit einer
Diode nur eine Halbwelle der Wechselspannung gleichgerichtet
werden kann. Dies ist insbesondere deshalb von so gravieren
dem Nachteil, weil die z. B. für ein RFID-Tag eingestrahlte
Leistung gesetzlich beschränkt ist und die Halbierung der
eingestrahlten Leistung die Arbeitsreichweite und damit die
Einsatzgebiete der Elektronikbauteile erheblich einschränkt.
Ein typisches Elektronikbauteil wie das RFID-Tag umfasst meh
rere Komponenten, beispielsweise eine Antenne, Kondensatoren,
Dioden (Leuchtdioden und/oder Gleichrichterdioden), eventuell
Photovoltaikzellen und zumindest eine integrierte Schaltung
mit Transistoren. Diese einzelnen Komponenten erfordern ver
schiedene Herstellungsverfahren, bei denen sie unterschiedliche Ma
terialien und Verarbeitungstechniken brauchen. So benötigt
man zur Herstellung der Transistoren besonders hochauflösende
Aufbringungstechniken für die Strukturierung und arbeitet da
für mit relativ gut handhabbaren Materialien, wohingegen die
Herstellung der Diode und/oder des Kondensators auf organi
scher Basis die Handhabung schwieriger Materialien erfordert
und im Gegenzug mit einer weit weniger aufwendigen Struktu
rierung ausreichende Qualität liefert. Bei der Herstellung
der Antenne wird wiederum in aller Regel Metall verarbeitet,
das auch wieder ganz andere Verarbeitungsmaschinen und
-techniken verlangt. Die Herstellung der zumindest zum Teil
organischen (Plastik)-Elektronikbauteile ist entsprechend
kompliziert.
Für die erforderliche Marktreife als
Massen-Ein-Weg Produkt sollten Lösungen gefunden werden, so dass
diese verschiedenen Herstellungsschritte möglichst ra
tionell bewältigt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein zumindest zum Teil
organisches Elektronikbauteil und/oder eine Schaltung zur
Verfügung zu stellen, das durch Auswahl und Anordnung der
Bauelemente eine kostengünstige Herstellung und Verkapselung
ermöglicht. Dabei steht im Vordergrund, die bekannten Schal
tungen hinsichtlich Leistungsübertragung und (Last)-
Modulation zu optimieren und dabei rationelle Massenferti
gungsprozesse zu realisieren.
Hier wird eine Lösung beschrieben, wie dies realisiert werden
kann, durch ein neues Konzept der Zusammenlegung von Bauele
menten zu einem Elektronikbauteil, wie Antenne, Diode
(Gleichrichter- und/oder Leuchtdiode), Transistor etc.
und/oder eine geeignete Optimierung des Schaltungskonzeptes.
Gegenstand der Erfindung ist ein organisches Elektronikbau
teil, zumindest drei Gruppierungen von Bauelementen umfas
send:
Eine Gruppierung von im wesentlichen anorganischen Bau elementen (z. B. Antenne),
eine Gruppierung von passiven, vorzugsweise organischen Bauelementen
eine Gruppierung von aktiven, vorzugsweise organischen Bauelementen,
wobei
die Gruppierung der passiven Bauelemente keine aktiven Bau elemente oder Komponenten enthält und die Gruppierung der ak tiven Bauelemente im wesentlichen organische Feld-Effekt- Transistoren und in der Regel keine passiven Bauelemente ent hält, die drei Gruppierungen getrennt voneinander herstellbar sind, über elektrische Kontakte auf einem Substrat und/oder über eine Verkapselung miteinander verbunden sind und eine Schaltung realisieren, durch die elektrische Kontakte zwi schen passiven und aktiven Bauelementen von einer Gruppierung zur anderen verlaufen.
Eine Gruppierung von im wesentlichen anorganischen Bau elementen (z. B. Antenne),
eine Gruppierung von passiven, vorzugsweise organischen Bauelementen
eine Gruppierung von aktiven, vorzugsweise organischen Bauelementen,
wobei
die Gruppierung der passiven Bauelemente keine aktiven Bau elemente oder Komponenten enthält und die Gruppierung der ak tiven Bauelemente im wesentlichen organische Feld-Effekt- Transistoren und in der Regel keine passiven Bauelemente ent hält, die drei Gruppierungen getrennt voneinander herstellbar sind, über elektrische Kontakte auf einem Substrat und/oder über eine Verkapselung miteinander verbunden sind und eine Schaltung realisieren, durch die elektrische Kontakte zwi schen passiven und aktiven Bauelementen von einer Gruppierung zur anderen verlaufen.
Als Gruppierung wird ein oder mehrere Bauelement(e) bezeich
net, die auf einem (Stück eines) Substrat(s) und/oder unter
einer Verkapselung zusammengefasst sind und die in prozess
technisch leicht zusammenlegbaren und/oder von den Bedingun
gen her vergleichbaren Verfahrensschritten herstellbar sind.
Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine Schaltung für ein
zumindest zum Teil auf organischen Funktionspolymeren basie
rendes Elektronikbauteil, folgende Komponenten umfassend:
- - eine Antenne (1), einen Kondensator (2), eine Diode (3) und einen Modulationstransistor (4) vor einem integrierten Schaltkreis (5), wobei zwei Kondensatoren (7, 8) und eine weitere Diode (6) so geschaltet sind, dass die integrierte Schaltung (5) über einen Kondensator (7) versorgt wird und gleichzeitig über eine Diode (6) verhindert wird, dass der Modulationstransistor (4) diesem Kondensator (7) Energie entziehen kann.
Schließlich ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung eines organischen Elektronikbauteils zumindest
einem anorganischen Bauteil (Antenne), einem passiven vor
zugsweise organisch basierend und ein aktives vorzugsweise
organisch basierende Bauelement umfassend, wobei Antenne,
passives und aktives Bauelement gesondert vorgefertigt werden
und dann über einfache elektrische Kontaktierungen der ein
zelnen Elemente die Schaltung realisiert wird.
Als Elektronikbauteil wird hier ein ganzer Transponder wie
z. B. ein RFID-Tag bezeichnet, in jedem Fall ein mehrere Bau
elemente umfassendes Teil, wobei ein Bauelement die kleinere
Einheit ist aber durchaus auch aus einer Vielzahl von Komponenten
wie Transistoren, Kondensatoren Photovoltaikzellen,
etc. bestehen kann.
Als "passives Bauelement" wird hier auch eine Diode (Gleichrichter-
und/oder Leuchtdiode) gesehen, die einen
Kondensator oder auch einen ein Widerstand ersetzt.
Als "aktives Bauelement" gilt beispielsweise ein Transistor,
eine Photovoltaikzelle, ein Sensor und/oder ähnliches. In ei
ner integrierten aktiven Schaltung können allerdings auch
passive Bauteile wie Widerstände enthalten sein.
Bevorzugt werden im Rahmen der Erfindung passive und/oder ak
tive Bauelemente eingesetzt, die zumindest zum Teil organi
sche Funktionspolymere (bzw. allgemein elektrisch leitfähige
bzw. halbleitende organische Materialien) enthalten. Diese
werden dann der Kürze wegen als "organische Bauelemente" be
zeichnet, obwohl durchaus auch nicht-organische Teile im Bau
element enthalten sein können, aber zumindest ein organisches
Teil, bevorzugt eine organisches Funktionspolymer ist in
einem Bauelement, das hier als "organisches Bauelement" be
zeichnet wird, enthalten.
Die Schaltung ist insbesondere vorteilhaft für die Anwendung
in RFID-Tags.
Als ein Bauelement wird z. B. eine Antenne eingesetzt, die
beispielsweise eine Spule sein kann, entweder aus Metall,
einer metallhaltigen Verbindung wie z. B. Legierungen, Kupfer,
Aluminium und/oder einem, unter Umständen auch metallhalti
gem, organischen Funktionspolymer wie z. B. Leitsilber und/
oder auch nur aus organischen Material, wie z. B. Polyanlilin,
Pedot, Russ oder aus Mischungen hieraus.
Die Antenne wird, wie die anderen Bauelemente und/oder Kompo
nenten des organischen Elektronikbauteils auch, auf einem
Substrat aufgebracht und mit einer Verkapselung, die gleichzeitig
das Substrat bilden kann, gegen unerwünschte Umwelt
einflüsse geschützt.
Als Substrat wird z. B. eine flexible Folie (wie beispielswei
se Polyester) genommen. Diese kann je nach Bedarf verschieden
stark ausgeprägte Barriereeigenschaften gegen Feuchtigkeit
und Luft haben, weil die Bauelemente zum Teil aus organischen
Materialien bestehen, die instabil sind bei Feuchtigkeits-
und/oder Sauerstoffeinfluss. Diese Barriereeigenschaften kön
nen entweder durch das Folienmaterial selber gegeben sein,
durch Zusätze in der Folie, durch Beschichtung(en) (wie z. B.
Silikate und/oder Metallisierungen) und/oder auch durch meh
rere der genannten Einzelmaßnahmen. Die Substratfolie soll
stabil sein gegen Beschädigung durch die Bedingungen der Fer
tigungsschritte (Temperatur, mechanische Belastungen, Pro
zessmedien, . . .).
Auf das Substrat und/oder die Verkapselung, bevorzugt flexib
le Folien, werden die entsprechenden Komponenten aufgebracht,
z. B. eine integrierte Schaltung, bestehend aus organischen
Transistoren, passive Bauteile, organischen Dioden (sowohl
Leuchtdioden als auch Gleichrichterdioden), organischen Pho
tovoltaikzellen und ähnliche Bauteile. Ferner ist auch eine
Kombination organischer mit anorganischen Bauteilen möglich
(z. B. eine weitgehend metallische Antenne kombiniert mit
einer organischen Transponderchip-Schaltung).
Zur elektrischen Isolation der Folien wird mindestens auf die
Oberfläche einer Folie eine Isolationsschicht aufgebracht
(z. B. durch Siebdruckverfahren, Sprühverfahren, Vorhanggie
ßen, Laminieren einer weiteren, evtl. vorgestanzten Fo
lie. . .).
Die einzelnen Bauelemente werden mit elektrisch leitfähigen
Kontakten versehen. Zwei oder mehrere dieser Bauelemente wer
den nun miteinander verbunden indem diese elektrischen Kon
takte miteinander verbunden werden, vorteilhafterweise mit
einem elektrisch leitfähigen Kleber oder einer elektrisch
leitfähigen Verbundmasse.
Die benötigten elektrischen Durchkontaktierungen oder Leiter
bahnen zur Durchkontaktierung (Vias) können hierbei gleich
miteingebracht werden, oder werden anschließend durch Öffnen
der Isolationsschicht, z. B. mittels Laser erzeugt. Die Vias
können nun leitfähig gefüllt werden, z. B. durch Siebdrucken
eines Leitklebers oder durch stromloses Metallisieren. Im
einfachsten Fall wird nur eine dünne Isolationsschicht ge
wählt, sodass auf ein Füllen der Vias verzichtet werden kann.
Die Bauelemente werden wieder mit einer Folie bevorzugt ver
kapselt, die ähnlichen Aufbau und ähnliche Eigenschaften hat
wie oben für das Substrat beschrieben wurden. Dies kann z. B.
durch Kleben oder Verschweißen geschehen. Bevorzugt wird die
Verkapselung gasdicht aufgebracht. Falls die einzelnen Bau
elemente vor dem Zusammenfügen und der Kontaktierung zum fer
tigen Elektronikbauteil verkapselt wurden, können aus dieser
Verkapselung die elektrischen Anschlüsse herausgeführt wer
den, z. B. zur Stromversorgung, Signalübertragung oder für
sensorische Zwecke. Somit erhält man ein gekapseltes Bauteil
mit kombinierten polymerelektronischen Komponenten. Falls die
verschiedenen Komponenten in verschiedenen Prozessen herge
stellt werden müssen oder falls dies ökonomisch günstiger
ist, so kann man die verschiedenen Bauelemente auch getrennt
auf der Substratfolie und/oder auf der Verkapselungsfolie
aufbringen und elektrisch zusammenführen im oben beschriebe
nen Verbindungsprozess. Dabei muss einerseits auf eine elekt
rische Isolierung und andererseits auf eine definierte Durch
kontaktierung geachtet werden.
Der Herstellungsprozess des jeweiligen Bauelements oder des
Elektronikbauteils wird dahingehend optimiert, dass die bei
den Folien (Substrat und Verkapselung) gleichermaßen zur An
ordnung von Komponenten genutzt werden um möglichst wenig
einzelne Fertigungsschritte zur Gesamtherstellung zu benöti
gen.
Der Begriff "organisches Material" oder " organisches Funkti
onspolymer" umfasst hier alle Arten von organischen, metall
organischen und/oder organisch-anorganischen Kunststoffen
(Hybride), insbesondere die, die im Englischen z. B. mit
"plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten
von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen
Dioden bilden (Germanium, Silizium), und der typischen metal
lischen Leiter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf
organisches Material als Kohlenstoff-enthaltendes Material
ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den brei
ten Einsatz von z. B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der
Term keiner Beschränkung im Hinblick auf die Molekülgröße,
insbesondere auf polymere und/oder oligomere Materialien un
terliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von
"small molecules" möglich. Der Wortbestandteil "polymer" im
Funktionspolymer ist historisch bedingt und enthält insofern
keine Aussage über das Vorliegen einer tatsächlich polymeren
Verbindung.
Die Schaltung ist insbesondere vorteilhaft für RFID-Tags ba
sierend auf organischem Material. Die Schaltung ermöglicht
durch Auswahl und Anordnung der Komponenten auf den Bauele
menten eine kostengünstige Herstellung und Verkapselung durch
eine geringe Anzahl unterschiedlicher Bauelemente.
Das Verfahren zur Herstellung trägt dem Umstand Rechnung,
dass die einzelnen Komponenten eines Elektronikbauteils, wie
Kondensator und Transistor, beispielsweise, unterschiedliche
Herstellungsbedingungen und -anforderungen haben. So werden
auf je einem Bauelement alle Komponenten einer "Art" zusam
mengefasst, damit das Bauelement in einer möglichst kurzen
Fertigungsstrasse produziert werden kann. Die Bauelemente
werden dann entweder einzeln oder zusammen auf dem Substrat
verkapselt und miteinander verbunden. Dabei kann trotzdem ein
Bauelement mit Komponenten auf organischer Basis in Verbin
dung mit herkömmlichen, also Silizium enthaltenden Komponen
ten aufgebaut sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einzelner Figuren, die
Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der
Technik zeigen, näher erläutert:
Fig. 1 zeigt den Stand der Technik wie er aus der Veröffent
lichung von Hart, C. M.; De Leeuw, D. M. et al., Philips Res.
Lab., ESSCIRC '98, ISBN 2-86332-235-4, 1998 bekannt ist.
Fig. 2-4 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsfor
men der Schaltung, Fig. 5 zeigt die Schaltung aus Fig. 4
aufgeteilt auf drei Bauelemente und Fig. 6 und 7 zeigen
Möglichkeiten der Realisierung der Schaltung als fertige E
lektronikbauteile.
In Fig. 1 ist eine Schaltung für ein RFID-Tag zu sehen, wie
sie Stand der Technik ist. Bei dieser Schaltung sind nur der
Transistor 4 und die integrierte Schaltung 5 aus organischem
Material. Die Antenne 1, der Kondensator 2 und die Silizium-
Diode 3 sind aus anorganischen Materialien. Durch den Einsatz
des OFETs 4 nach der Gleichrichterdiode 3 ist das Problem der
mangelhaften Schaltgeschwindigkeit und der Wechselspannung
suntauglichkeit der OFETs gegenüber den herkömmlichen Tran
sistoren wegen der Eigenschaft organischer Materialien, als
Ladungsträgerakkumulanten zu wirken und nicht durch Ladungs
trägerinvasion, gelöst. Ein Problem bei dieser Ausführung
bleibt aber, dass der Modulations-Transistor 4 nur einen ge
ringen Teil der elektrischen Leistung schalten kann, da an
dernfalls die Stromversorgung für die logische Schaltung 5
zusammenbrechen würde. Ein weiteres Problem ist, dass durch
die Diode 3 nur die Hälfte der eingestrahlten elektrischen
Leistung als Versorgung für das RFID-Tag verwendet werden
kann.
Einfache Schaltungsvariationen der Philips-Veröffentlichung,
die somit ebenfalls zum Stand der Technik gehören, bestehen
darin, dass man den Transistor 4 in die logische Schaltung 5
integriert oder ihn ganz weg lässt und direkt die Lastände
rung der logischen Schaltung 5 als Modulationssignal verwen
det. Ein Beispiel hierfür ist ein Ringoszillator, der als al
leinige logische Schaltung an den Gleichrichterausgang ange
schlossen wird. Durch das Oszillieren ändert sich der Leis
tungsverbrauch periodisch, dies kann direkt als Last-
Modulation ausgelesen werden. Damit lassen sich einfache
elektronische Wasserzeichen realisieren, da je nach Herstel
lung der Ringoszillatoren mit einer ganz bestimmten Frequenz
oszillieren.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel:
Eine Antenne 1 bildet zusammen mit dem Kondensator 2 einen Schwingkreis, der an die Sendefrequenz eines Lesegeräts ange passt ist. Die organische Diode 3 bildet zusammen mit dem Kondensator 8 einen Gleichrichter der eine geglättet Gleich spannung ausgibt. Der organische Modulations-Transistor 4 ist an den Ausgang des Gleichrichters angeschlossen. Der organi sche Kondensator 7 bildet einen Energiespeicher für die logi sche Schaltung 5, die organische Diode 6 verhindert ein Ent laden des Kondensators 7 über den Modulations-Transistor 4. Die logische Schaltung 8 enthält Schaltkreise, die einen Speicher auslesen und die Information bitweise seriell an den Ausgang weitergeben. Dieser ist mit dem Gate des Modulations- Transistor 4 verbunden. Die Geschwindigkeit der logischen Schaltung 5 ist dabei unabhängig von der Sendefrequenz des Lesegeräts.
Eine Antenne 1 bildet zusammen mit dem Kondensator 2 einen Schwingkreis, der an die Sendefrequenz eines Lesegeräts ange passt ist. Die organische Diode 3 bildet zusammen mit dem Kondensator 8 einen Gleichrichter der eine geglättet Gleich spannung ausgibt. Der organische Modulations-Transistor 4 ist an den Ausgang des Gleichrichters angeschlossen. Der organi sche Kondensator 7 bildet einen Energiespeicher für die logi sche Schaltung 5, die organische Diode 6 verhindert ein Ent laden des Kondensators 7 über den Modulations-Transistor 4. Die logische Schaltung 8 enthält Schaltkreise, die einen Speicher auslesen und die Information bitweise seriell an den Ausgang weitergeben. Dieser ist mit dem Gate des Modulations- Transistor 4 verbunden. Die Geschwindigkeit der logischen Schaltung 5 ist dabei unabhängig von der Sendefrequenz des Lesegeräts.
Fig. 3 zeigt eine ähnliche Ausführungsform jedoch ist die
gleichrichtende Diode 3 durch einen Brückengleichrichter 3
ersetzt. Dieser Gleichrichter umfasst vier integrierte orga
nische Dioden.
Falls für die logische Schaltung (IC) positive und negative
Spannungen benötigt werden, kann dies durch zwei parallel ge
schaltete Gleichrichtereinheiten mit einfachen Dioden oder
Diodenbrückenschaltungen realisiert werden. Eine weitere Mög
lichkeit hierfür ist der Aufbau eines Spannungsteilers hinter
einer einfachen Gleichrichterschaltung, beispielsweise mit in
Serie geschalteten Widerständen.
Fig. 4 zeigt wieder eine Ausführungsform einer Schaltung die
derjenigen aus Fig. 2 und 3 ähnelt, jedoch sind alle Kon
densatoren durch je eine bzw. zwei org. Dioden ersetzt wor
den. Kondensator 2 wird mit Wechselspannung betrieben, daher
wird er durch zwei gegenpolig in Reihe geschalteten Dioden 2,
2' ersetzt. Die Kondensatoren 7 und 8 werden mit Gleichspan
nung versorgt, sie können also durch jeweils eine Diode
(7, 8), die in Sperrrichtung geschaltet ist, ersetzt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ganz auf Kondensatoren
verzichtet werden, was die Herstellung der Schaltung stark
vereinfacht.
Das Problem mit der niedrigen (Last-)Modulation wird in der
Schaltung folgendermaßen gelöst: die logische Schaltung wird
über einen Energiespeicher (z. B. einen organischen Kondensa
tor 7) versorgt, wobei mit einer organischen Diode 6 verhin
dert wird, dass der Modulationstransistor 4 diesem Speicher
Energie entziehen kann (siehe Ausführungsbeispiele der
Fig. 2 bis 4). Dieser Energiespeicher wird dann geladen, wenn
der Modulations-Transistor 4 im sperrenden Zustand ist. Ein
Problem dabei ist, dass der Energiespeicher dann entladen
wird, wenn die Bitfolge 1 1 1 1. . . (oder 0 0 0 0, je nach Ko
dierung der Logik) auftritt. Das wird verhindert, wenn die
logische Schaltung 5 des RFID-Tags die Informationsbits so
ausgibt, dass zwischen jedem Bit der Modulations-Transistor 4
für sehr kurze Zeit ausgeschaltet wird. Dies kann so ausge
führt werden, dass der Energiespeicher unabhängig von der
Bitfolge einen bestimmten Ladezustand nicht unterschreiten
kann. Der Hauptvorteil des Energiespeichers liegt darin, dass
der Modulations-Transistor 4 die elektrische Leistung zu 100%
schalten kann, ohne dass die Spannungsversorgung für die lo
gische Schaltung 5 zusammenbricht.
Ein weiteres Problem, dass mit der Schaltung gelöst wird, ist
die Übertragung höherer elektrischer Leistung durch die Ver
wendung von organischen integrierbaren Dioden wie sie aus der
DE 100 44 842.9 bekannt sind. Das ermöglicht die Verwendung
von einer Dioden-Brückenschaltung zur Gleichrichtung. Dadurch
wird die doppelte Leistung übertragen, da beide Halbwellen
der Wechselspannung genutzt werden können (siehe Ausführungs
beispiele der Fig. 3 und 4). Mit dem aus dem Stand der
Technik bekannten Ansatz, dem hybriden Verwenden einer Si-
Diode, lässt sich eine solche Brückenschaltung praktisch
nicht verwenden, da die Herstellung von RFID-Tags mit hybri
den Si-Dioden zu aufwendig und teuer wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung (Fig.
4) beruht auf der Tatsache, dass organische Dioden sich in
Sperrrichtung wie ein Kondensator verhalten. Mit zwei in Rei
he geschalteten Dioden mit umgekehrter Polarität erhält man
damit auch Kondensatoren, die mit Wechselspannung funktionie
ren. Ein Vorteil dieser Schaltung liegt in dem stark verein
fachten Aufbau der Polymer-RFID-Tags, da auf Kondensatoren,
also auf mehrere Schichten Funktionspolymer und die dazugehö
rigen Prozessschritte, verzichtet werden kann.
In Fig. 5 ist die Schaltung aus Fig. 4 aufgeteilt auf ver
schiedene Bauelemente 1, 2 und 3 zu sehen.
Zunächst ist hier Bauteil 11, das ein Substrat 14 (flexib
le Folie mit Barriereeigenschaften), das mit einer elekt
risch leitfähigen Bahn 1, die als Antenne fungiert und mit
elektrisch leitfähigen Kontakten 15 versehen ist. Dann
kommt Bauteil 12, das alle Komponenten enthält, die als
Diode oder Kondensator (2, 3, 6, 7 und 8) fungieren sowie
ebenfalls elektrisch leitfähige Kontakte 15. Schließlich
kommt Bauteil 13, in dem alle Komponenten 4, 5 zusammenge
fügt sind, die einen organischen Transistor enthalten, so
wie ebenfalls elektrisch leitfähige Kontakte 15. Dabei
brauchen nur einzelne dieser Komponenten auf organischem
Material basieren, z. B. lässt sich auch ein organischer
Chip mit einer anorganischen Diode aufbauen bzw. die An
tenne kann aus Metall oder metallhaltigen Verbindungen
sein.
In Fig. 6 ist zu sehen, wie die einzelnen Bauelemente 11,
12 und 13 vorteilhaft zu einem Gesamtsystem aufgebaut wer
den können.
Zu sehen ist in Teilfigur 6A das Bauteil 11 mit Antenne
und Kontakten, Teilfiguren 6B und 6C zeigen die Bauelemen
te 12 und 13 jeweils von oben. Teilfigur 6E zeigt das zu
sammengebaute Elektronikbauteil und 6D die darüberliegende
Verkapselungsfolie. Schließlich ist in Fig. 6F noch ein
Querschnitt durch ein Elektronikbauteil gezeigt.
- A) auf die Substratfolie (14) wird mit entsprechenden Ver fahren eine Antenne (1) sowie elektrische Kontakte (15) aufgebracht (z. B. durch Verfahren wie Sputtern, Aufdamp fen, galvanische oder stromlose Abscheidung, Drucken, Mik rostanzen, Photolithographie, Ätzverfahren oder Kombinati onen), dies ist Bauteil 11.
- B) Das Bauteil 12, das beispielsweise die Dioden und Konden satoren wie in Fig. 5 beschrieben, enthält wird mit einem entsprechenden Verfahren hergestellt und es werden elektri sche Kontakte 15 angebracht. Eine Möglichkeit zum Aufbau von Kondensatoren ist beispielsweise, dass für den Kondensator auf der Substratseite eine Metallisierungs- oder leitfähige Polymerfläche erzeugt wird, die so angeordnet ist, dass nach dem Zusammenfügen beider Folien eine Kapazität durch diese Fläche und leitfähige Flächen der Transponderantenne ent steht.
- C) Das Bauteil 13, das beispielsweise die organischen Transistoren 4 und integrierten Schaltungen 5 enthält (die z. B. durch Verfahren wie Drucken, Photolithographie, Spin coaten und ähnliches hergestellt werden), wird mit einem entsprechenden Verfahren hergestellt und es werden elekt rische Kontakte 15 angebracht.
- D) Zeigt die Verkapselungsfolie 16, die wie das Substrat 14 Barriereeigenschaften für äußere Einflüsse wie Sauer stoff und/oder Wasserdampf haben soll und durch entspre chende Verfahren wie Kleben oder Laminieren auf die ande ren Bauteile 11, 12, und 13 aufgebracht werden kann.
- E) Zeigt den Aufbau der Bauteile 11, 12 und 13 im aufgebauten Zustand von oben. Die Bauteile 12 und 13 sind dabei so aufgebaut, dass die jeweils passenden elektrischen Kontak te 15 miteinander verbunden sind.
- F) Zeigt den Aufbau von E) von der Seite, hier ist zusätzlich die Verkapselungsfolie mit eingezeichnet
Die einzelnen Bauelemente oder Bauteile 11, 12 und/oder 13
werden also auf das Substrat oder auf die Verkapselungsfolie
aufgebracht und zur elektrischen Isolation mit einer Isolati
onsschicht überzogen. Die so vorbereiteten Folien werden nun
justiert und zu dem Gesamtsystem z. B. dem Transponder zusam
mengefügt.
Dies geschieht beispielsweise durch Kleben oder Verschweißen.
Der Kleber könnte auch gleichzeitig der oben genannten Isola
tionsschicht entsprechen, oder aber in einem weiteren Pro
zessschritt beispielsweise durch Drucken, Sprühen, Vorhang
gießen aufgebracht werden. Die beiden Folien werden justiert
gefügt und verpresst (Autoklav, Vakuumpresse o. ä.). Hierbei
wird durch den Kleberauftrag und/oder den Verpressvorgang si
chergestellt, dass im Randbereich der beiden Folien die Kleberdicke
minimiert wird, sodass auch eine laterale Barriere
gegen Gase und Feuchtigkeit gegeben ist. Gleichzeitig muss
auch ein elektrischer Kontakt bei den Vias ermöglicht werden.
Der Kleber wird thermisch und/oder durch UV-Licht ausgehär
tet.
Dieses Aufbauprinzip ist auch für viele weitere Produkte mit
Polymerelektronikbauteilen vorteilhaft, beispielsweise ein
Photovoltaik-Sensoraufbau mit integrierter Auswerteschal
tung oder OLEDs mit integrierter Ansteuerschaltung. In diesem
Fall kann man beispielsweise die Photovoltaik- oder OLED-
Zellen auf die eine Folie und die Polymerschaltungen auf die
andere Folie aufbringen. Auch ist es natürlich möglich auf
diese Weise organische Bauteile mit konventionellen, anorga
nischen Bauteilen zu verbinden.
In Fig. 7 wird nun beschrieben, wie diese Bauteile in an
derer Weise vorteilhaft zu einem Gesamtsystem aufgebaut
werden können. Die Figur ist wieder in Teilfiguren 7A bis
7E unterteilt, die folgendes zeigen:
- A) auf die Substratfolie 14 wird mit entsprechenden Ver fahren eine Antenne 1 sowie elektrische Kontakte 15 aufge bracht (z. B. durch Verfahren wie Sputtern, Aufdampfen, galvanische oder stromlose Abscheidung, Drucken, Mikro stanzen, Photolithographie, Ätzverfahren oder Kombinatio nen), dies ist Bauteil 11.
- B) Das Bauteil 12, das beispielsweise die Dioden und Kon densatoren wie in Fig. 5 beschrieben, enthält wird mit einem entsprechenden Verfahren hergestellt und es werden elektrische Kontakte 15 angebracht. Hier ist das Bauteil 12 direkt auf der Verkapselungsfolie 14 aufgebracht, da durch reduziert sich die Gesamtzahl der Bauteile und es entfällt ein Arbeitsschritt.
- C) Das Bauteil 13, das beispielsweise die organischen Transistoren und integrierten Schaltungen enthält (die z. B. durch Verfahren wie Drucken, Photolithographie, Spincoaten und ähnliches hergestellt werden), wird mit einem entsprechenden Verfahren hergestellt und es werden elekt rische Kontakte 15 angebracht.
- D) Zeigt den Aufbau der Bauteile 11, 12 und 13 im aufgebau ten Zustand von oben. Die Bauteile 12 und 13 sind dabei so aufgebaut, dass die jeweils passenden elektrischen Kontak te 15 miteinander verbunden sind
- E) Zeigt den Aufbau aus Fig. 7D von der Seite.
Das Verfahren zur Herstellung der Elektronikbauteile, wie
in den Figuren gezeigt, kann nicht nur für die Herstellung
von RFID-Tags verwendet werden, vielmehr gibt es viele
weitere Anwendungsbeispiele die mindestens ein organisches
Elektronikbauteil enthalten und auf einem flexiblen Sub
strat aufgebaut werden, wie zum Beispiel:
- - (organische) Photovoltaikzelle oder entsprechende Senso rarrays mit integrierter Elektronik
- - aktive organische Displays (OLED oder andere Displays)
- - Taschenrechner, der aus mehreren Einzelkomponenten besteht
- - "wearable electronics". In Kleidung eingefügte Elektronik bauteile
- - Intelligentes Papier: Elektronik, die in Papier oder pa pierähnliches Material eingefügt ist
- - Werbelabel, beispielsweise mit blinkenden und/oder leuch tenden und/oder akustischen Anzeigen.
Claims (7)
1. Organisches Elektronikbauteil, zumindest drei Gruppierun
gen von Bauelementen umfassend:
eine Gruppierung von im wesentlichen anorganischen Bau elementen (z. B. Antenne),
eine Gruppierung von passiven, organischen Bauelementen
eine Gruppierung von aktiven, organischen Bauelementen,
wobei
die Gruppierung der passiven Bauelemente keine aktiven Bau elemente oder Komponenten enthält und die Gruppierung der ak tiven Bauelemente im wesentlichen organische Feld-Effekt- Transistoren umfassen, diese drei Gruppierungen getrennt voneinander herstellbar sind, über elektrische Kontakte auf einem Sub strat und/oder über eine Verkapselung miteinander verbunden sind und eine Schaltung realisieren, durch die elektrische Kontakte zwischen passiven und aktiven Bauelementen von einer Gruppierung zur anderen verlaufen.
eine Gruppierung von im wesentlichen anorganischen Bau elementen (z. B. Antenne),
eine Gruppierung von passiven, organischen Bauelementen
eine Gruppierung von aktiven, organischen Bauelementen,
wobei
die Gruppierung der passiven Bauelemente keine aktiven Bau elemente oder Komponenten enthält und die Gruppierung der ak tiven Bauelemente im wesentlichen organische Feld-Effekt- Transistoren umfassen, diese drei Gruppierungen getrennt voneinander herstellbar sind, über elektrische Kontakte auf einem Sub strat und/oder über eine Verkapselung miteinander verbunden sind und eine Schaltung realisieren, durch die elektrische Kontakte zwischen passiven und aktiven Bauelementen von einer Gruppierung zur anderen verlaufen.
2. Organisches Elektronikbauteil nach Anspruch 1, bei dem das
Substrat und/oder die Verkapselung eine flexible Folie ist.
3. Organisches Elektronikbauteil nach einem der Ansprüche 1
oder 2, bei dem zumindest ein elektrischer Kontakt durch Ver
kleben und/oder mittels einer elektrisch leitfähigen Verbund
masse hergestellt wird.
4. Organisches Elektronikbauteil nach einem der Ansprüche 1
bis 3 bei dem die Schaltung folgende Komponenten umfasst:
eine Antenne (1), einen Kondensator (2), eine Diode (3)
und einen Modulationstransistor (4) vor einem integrierten
Schaltkreis (5), wobei zwei Kondensatoren (7, 8) und eine
weitere Diode (6) so geschaltet sind, dass die integrierte
Schaltung (5) über einen Kondensator (7) versorgt wird und
gleichzeitig über eine Diode (6) verhindert wird, dass der
Modulationstransistor (4) diesem Kondensator (7) Energie
entziehen kann.
5. Verfahren zur Herstellung eines organischen Elektronikbau
teils nach Anspruch 1-4,
wobei die An
tenne und die Gruppierung der passiven und aktiven Bauelemente gesondert vorgefertigt
werden und dann über einfache elektrische Kontaktierungen der
einzelnen Gruppierungen die Schaltung realisiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 zur Herstellung eines organischen Elektronikbau
teils nach Anspruch 4, wobei für einen Kondensator auf der Sub
stratfolie eine Metallisierungs- und/oder leitfähige Polymer
fläche erzeugt wird und dass nach dem Zusammenfügen der Sub
stratfolie und der aktiven, der passiven Gruppierung oder der
Verkapselungsfolie eine Kapazität durch diese Fläche und einer
leitfähigen Fläche der Antenne entsteht.
7. Verwendung des organischen Bauteils nach einem der Ansprü
che 1 bis 4 in einem RFID-Tag, einem Sensorarray, einer Pho
tovoltaikzelle, als "wearable electronic", als aktives Dis
play, als elektronischer Strichkode für Konsumgüter, als
elektronisches Wasserzeichen, als elektronische Briefmarke,
als Kofferanhänger und/oder als elektronisches Ticket.
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