DE10340644B4

DE10340644B4 - Mechanische Steuerelemente für organische Polymerelektronik

Info

Publication number: DE10340644B4
Application number: DE10340644A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Clemens; Jürgen FICKER; Alexander Friedrich Knobloch; Andreas Ullmann
Original assignee: PolyIC GmbH and Co KG
Current assignee: PolyIC GmbH and Co KG
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: US7576294B2; US20070008019A1; WO2005024870A3; WO2005024870A2; DE10340644A1

Abstract

Schaltelement, mit drucksensitiver Transistorfunktion zum mechanischen Schalten von Elektronik, mit einer Schicht (44) aus einem flexiblen, elektrisch isolierenden organischen Stoff und einer Source-Elektrode (41), einer Drain-Elektrode (42) und einer Gate-Elektrode (43) aus einem elektrisch leitenden organischen Stoff, wobei die Source-Elektrode (41) und die Drain-Elektrode (42) voneinander beabstandet an einer Seite der Schicht (44) angeordnet sind und die Gate-Elektrode (43) auf der gegenüberliegenden Seite der Schicht (44) angeordnet ist und wobei der Strom von der Source-Elektrode (41) zu der Drain-Elektrode (42) durch ein elektrisches Feld zur Gate-Elektrode (43) gesteuert wird, das von einem auf die Gate-Elektrode (43) aufgebrachten mechanischen Druck (45) mit Verformung der flexiblen Schicht (44) abhängt.

Description

Für jegliche Art von Elektronik ist die willentliche Steuerung der Elektronik ein wichtiger Punkt. Auch in dem neu aufkommenden Gebiet der Polymerelektronik wird dies notwendig sein und ermöglicht für diese Elektronik vollständig neue Anwendungen.
Aus der Druckschrift US 5856644 A ist ein Schaltungssensor bekannt, der neben einer piezoresistiven Schicht im Schaltungselement auch eine organische isolierende Schichten umfasst.
Aus der US 2003/0160230 A1 ist die Verwendung von Polythiophenen für aktive Schichten von organischen Feld-Effekt-Transistoren bekannt.
Aus der DE 199 37 262 A1 ist ein Transistor mit wenigstens einer ladungstransportierenden organischen Substanz bekannt.
Aus der JP 05048094 ist ein organischer Transistor mit funktionellen Schichten aus organischem Material bekannt.
Die DE 696 03 077 T2 zeigt ein Schaltelement zum mechanischen Schalten von Elektronik, das mit leitenden und isolierenden organischen Stoffen ausgeführt ist.
Die Elektronik kann durch ein mechanisches Tasterelement beeinflusst werden. Damit ist es möglich, elektrische Signale oder Materialkonstanten zu schalten bzw. zu beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltelement auf der Basis organischer Polymerelektronik zu schaffen, dessen Stromschaltung nicht ausschließlich-elektrisch gesteuert ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Dementsprechend weist ein Schaltelement, insbesondere ein Tastelement, zum mechanischen Schalten von Polymerelektronik leitende und nichtleitende organische Stoffen auf oder besteht aus solchen. Die organischen Stoffe sind insbesondere Polymere. Auch eine Kombination organischer Materialien mit konventionellen wie etwa Metallen ist möglich.
Dadurch entfällt die Verschaltung von nicht polymeren Tasteinheiten mit polymeren Schaltungen. Durch das polymere Tast- bzw. Schaltelement sind zum einen die Vorteile der Polymerelektronik wie Flexibilität, Kostengünstigkeit und Druckbarkeit für das Schaltelement selbst nutzbar; zum anderen ergibt sich aber auch der große Vorteil, dass das Schaltelement zusammen mit der Elektronik hergestellt werden kann.
Die Elektronik kann durch das mechanische Schaltelement permanent, reversibel und temporär beeinflusst werden. Dazu ist das Schaltelement beispielsweise reversibel oder irreversibel mechanisch schaltbar.
Alternativ oder ergänzend ist das Schaltelement ein Schaltelement, das einen seiner elektrischen Werte, insbesondere seine Kapazität, analog, also beispielsweise proportional oder logarithmisch, mit der Höhe des auf das Schaltelement ausgeübten Drucks ändert.
In einer Variante weist das Schaltelement zwei einander gegenüberliegende organische Leitungselemente, beispielsweise in Form von Elektroden und/oder Kontaktelementen auf, die durch eine isolierende organische Schicht getrennt sind, die eine Öffnung aufweist. Insbesondere ist dann eines der beiden organischen Leitungselemente flexibel, so dass es durch die Öffnung der isolierenden organischen Schicht auf das andere organische Leitungselement gedrückt werden kann. Ist das Leitungselement dabei elastisch verformbar, so wird dadurch ein Kontakt reversibel, also temporär, geschlossen. Ist das Leitungselement dagegen plastisch verformbar, so wird der Kontakt dauerhaft geschlossen.
In einer anderen Variante weist das Schaltungselement drei organische Leitungselemente auf, wovon zwei durch das dritte leitend verbunden sind und das dritte durch Druck zur Unterbrechung der elektrischen Leitung von den beiden ersten Leitungselementen entfernbar ist. Dadurch lässt sich ein Kontakt realisieren, der durch Druck getrennt werden kann. Dazu kann das dritte Leitungselement federnd gelagert oder selbst flexibel sein. Im letzten Fall ergibt sich ein reversibles oder irreversibles Schaltverhalten je nach dem, ob das dritte Leitungselement plastisch oder elastisch verformbar ist.
Für einen Kontakt, der durch Druck unterbrochen wird, kann das Schaltelement auch ein organisches Leitungselement aufweisen und Mittel, durch die das Leitungselement unterbrechbar ist, wenn Druck auf sie ausgeübt wird.
Alternativ oder ergänzend kann das Schaltelement einen organischen Transistor, insbesondere einen Feldeffekttransistor, aufweisen, dessen Strom durch Druck auf das Schaltelement steuerbar ist.
In einem Verfahren zur Herstellung eines Schaltelements wird dieses mit oder in leitenden und isolierenden organischen Stoffen ausgeführt. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den vorteilhaften Ausgestaltungen des Schaltelements und umgekehrt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der 4. Dabei zeigen die 1 bis 3 allgemeine Ausführungsformen wohingegen 4 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung beschreibt.
1 ein Schaltelement in Form eines mechanischen Tastelements, das durch Druck leitend schaltbar ist;
2 ein Schaltelement in Form eines mechanischen Tastelements, das durch Druck nichtleitend schaltbar ist;
3 ein Schaltelement in Form eines mechanisch irreversiblen Tastelements, das durch Druck nichtleitend schaltbar ist;
4 ein Schaltelement in Form eines drucksensitiven Tastelements, bei dem der auf das Schaltelement ausgeübte Druck messbar ist.
Für den Aufbau von Schaltelementen werden organische Stoffe bzw. Materialien verwendet, insbesondere Polymere. Es werden bevorzugt typische organische Materialien der Polymerelektronik verwendet, wie beispielsweise leitende, nicht leitende, isolierende, flexible Polymere. Die Ausführungsbeispiele lassen sich in drei Klassen unterscheiden:

a) mechanisch reversible Tastelemente, bei denen eine Mehrfachauslösung möglich ist und die ein digitales Schaltverhalten zeigen;
b) mechanisch irreversible Tastelemente, bei denen nur eine Einzelauslösung möglich ist und die ein digitales Schaltverhalten zeigen;
c) drucksensitive Tastelemente mit analogem Schaltverhalten.

Die 1 und 2 zeigen Beispiele für die Klasse a). In 1 sind zwei gegenüberliegende Leitungselemente 1 und 3 in Form von Elektroden gezeigt, die durch eine isolierende Schicht 2 elektrisch getrennt sind. Die Leitungselemente 1 und 3 sind aus einem leitenden Polymer, die isolierende Schicht 2 ist aus einem nicht leitenden Polymer. Diese Schicht 2 hat eine definierte Öffnung 4. Sobald auf das flexible Leitungselement 3 ein mechanischer Druck 5 ausgeübt wird, entsteht ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Leitungselementen 1 und 3 und es fließt ein elektrischer Strom bzw. es wird ein elektrisches Signal weitergereicht. Wenn von beiden Druck ausgeübt wird, können auch beide Leitungselemente 1 und 3 flexibel ausgestaltet sein. Der zum Auslösen benötigte Druck kann über die Dicke der isolierenden Schicht 2 und die Größe der Öffnung 4 eingestellt werden. Ein wiederholbares Schaltverhalten wird über das reversibel elastische Verhalten des Materials des flexiblen Leitungselements 3 ermöglicht.
Ebenso ist es möglich, das Schaltverhalten umzudrehen, das heißt eine dauerhafte elektrische Leitung kann durch mechanischen Druck getrennt werden. Ein dafür geeignetes Schaltelement ist in 2 dargestellt. Es weist drei Leitungselemente 21, 22, 23 in Form von Kontakten auf. Die beiden ersten Leitungselemente 21, 22 werden durch das dritte Leitungselement 23 miteinander verbunden. Sobald ein mechanischer Druck 25 ausgeübt wird, wird das dritte Leitungselement 23 von den beiden ersten Leitungselementen 21, 22 entfernt und der elektrische Kontakt unterbrochen.
Die Anwendung der Klasse b) teilen sich wiederum in zwei Möglichkeiten. Zum einen kann eine irreversible Leitfähigkeit zwischen zwei Elektroden hergestellt werden, zum anderen eine bestehende Leitfähigkeit irreversibel unterbrochen werden. In 3 wird ein Leitungselement 32 in Form einer elektrischen Leiterbahn auf einem Substrat 31 durch einen mechanischen Druck 35 auf ein härteres Polymerteil 33 dauerhaft getrennt. Das härtere Polymerteil 33 weist dazu eine Spitze oder Schneide auf, die die elektrische Leiterbahn 32 zerteilt.
Die Möglichkeit, dass eine leitende Verbindung dauerhaft hergestellt wird, ist im Aufbau mit dem Ausführungsbeispiel von 1 identisch, nur dass die verwendeten leitfähigen Materialien bei einmaliger Verbindung dauerhaft zusammenhalten und somit einen Kurzschluss ergeben. Zusätzlich kann die Dicke der isolierenden Schicht angepasst werden.
Bei Schaltelementen der Klasse c) handelt es sich beispielsweise um kapazitive Schalter, die durch mechanischen Druck ihre Kapazität ändern. In 4 ist ein organischer Feldeffekttransistor dargestellt, dessen Strom von der Source 41 zur Drain 42 durch ein elektrisches Feld zur Gate-Elektrode 43 gesteuert wird. Das Feld ist abhängig von der Dicke des Isolators 44, die wiederum vom aufgebrachten mechanischen Druck 45 auf die Elektrode abhängt. Dies ermöglicht ein analoges Schaltverhalten in Abhängigkeit vom Druck. Um dieses Schaltverhalten zu digitalisieren, ist es leicht möglich, einen organischen Feldeffekttransistor nachzuschalten.
Eine weitere Ausführungsform hat einen Aufbau wie die in Bild 1 dargestellte, wobei aber die isolierende Schicht durchgängig ohne Loch und durch Druck durchbrechbar ausgeführt ist. Die isolierende Schicht kann dazu als sehr dünne Schicht ausgeführt sein und/oder zumindest eines der Leitungselemente 2, 3 in Form von Schichten enthält raue Partikel, wie etwa Metall- und/oder Graphitpartikel.
Noch eine weitere Ausführungsform hat einen Aufbau wie die in Bild 1 dargestellte, wobei aber die isolierende Schicht leitfähige Partikel, etwa Metall und/oder Graphitpartikel, enthält und vorzugsweise durchgängig ohne Loch ausgeführt ist. Durch druck wird dann ein leitfähiger Pfad erzeugt.
Es sind auch verschiedene Kombinationen der vorgestellten Schaltertypen möglich.
Polymere Schaltelemente bzw. Schalter sind aufgrund der Material- und Herstellungskosten extrem günstig herzustellen. Die Materialien sind selbst flexibel und problemlos auf großflächigen, flexiblen Substraten aufzubringen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die sich anbietende problemfreie Integrationsmöglichkeit dieser Schalter in organische Schaltkreise, wie sie in der Polymerelektronik verwendet werden. Diese Integration ermöglicht völlig neue Anwendungen in der Polymerelektronik, wie beispielsweise Vollpolymere, kostengünstige Spieleelektronik für den Einmalgebrauch.

Claims

Schaltelement, mit drucksensitiver Transistorfunktion zum mechanischen Schalten von Elektronik, mit einer Schicht (44) aus einem flexiblen, elektrisch isolierenden organischen Stoff und einer Source-Elektrode (41), einer Drain-Elektrode (42) und einer Gate-Elektrode (43) aus einem elektrisch leitenden organischen Stoff, wobei die Source-Elektrode (41) und die Drain-Elektrode (42) voneinander beabstandet an einer Seite der Schicht (44) angeordnet sind und die Gate-Elektrode (43) auf der gegenüberliegenden Seite der Schicht (44) angeordnet ist und wobei der Strom von der Source-Elektrode (41) zu der Drain-Elektrode (42) durch ein elektrisches Feld zur Gate-Elektrode (43) gesteuert wird, das von einem auf die Gate-Elektrode (43) aufgebrachten mechanischen Druck (45) mit Verformung der flexiblen Schicht (44) abhängt.
Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mechanisch reversibel schaltbar ist.
Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mechanisch irreversibel schaltbar ist.
Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Schaltelement ist, das einen elektrischen Wert, insbesondere seine Kapazität, analog mit der Höhe des auf das Schaltelement ausgeübten Drucks ändert.
Verwendung eines Schaltelements nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4 in einer polymeren Schaltung.