PT103951A - Processamento de elementos eléctricos e/ou electrónicos em substratos de material celulósico - Google Patents
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Abstract
A PRESENTE INVENÇÃO CONSISTE NA IMPRESSÃO DIRECTA SOBRE PAPEL DE ELEMENTOS ELÉCTRICOS E ELECTRÓNICOS, SINGULARES OU INTEGRADOS, INCLUINDO A NANO- ESCALA. A IMPRESSÃO, POR VIRTUDE DOS MATERIAIS E ESCALA UTILIZADOS, É AINDA TRANSPARENTE, O QUE PERMITE A APLICAÇÃO DA PRESENTE INVENÇÃO NO DOMÍNIO DAS ARTES GRÁFICAS. A IMPRESSÃO REALIZA-SE A TEMPERATURAS PRÓXIMAS DA AMBIENTE E EM AMBIENTE MENOS CONTROLADO QUE NOS PROCESSOS DE IMPRESSÃO TRADICIONAL. ADICIONALMENTE, O BAIXO CUSTO DE IMPRESSÃO CONSEGUIDO PERMITE A APLICAÇÃO DO PAPEL IMPRESSO DE ELEMENTOS ELECTRÓNICOS EM GRANDES SUPERFÍCIES.
Description
DESCRIÇÃO "PROCESSAMENTO DE ELEMENTOS ELÉCTRICOS E/OU ELECTRÓNICOS EM SUBSTRATOS DE MATERIAL CELULÓSICO"
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se genericamente à utilização de papel (material celulósico) como substrato para o fabrico de circuitos eléctricos e/ou electrónicos, simples, discretos e/ou integrados, em que os contactos condutores e os dispositivos activos a utilizar são fabricados directamente sobre o papel. A presente invenção assenta em tecnologias à escala atómica aplicadas a materiais eléctricos e electrónicos, nomeadamente metais, óxidos, materiais dieléctricos (simples e de elevada constante dieléctrica) e semicondutores, que permitem processar, sobre superfícies de papel simples ou tratadas, contactos metálicos (resistividades inferiores a 1CT4 Q.cm) para ligação de elementos electrónicos discretos, óxidos condutores transparentes de elevada condutividade (entre 102-104 Q1.cm1), óxidos semicondutores activos (condutividades inferiores a 10 14-102 Q_1.cm_1), materiais dieléctricos de elevada resist ividade (superior a 1011 Q.cm) e constante dieléctrica relativa entre 1.4 a 35, condutores e semicondutores orgânicos, para a produção de dispositivos electrónicos, tais como transístores de filme fino, díodos orgânicos emissores de luz, junções, díodos, rectificadores, sensores de gás, sensores ópticos, biossensores, detectores de ultravioleta. 1
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
De seguida, passamos a descrever o estado-da-técnica e patentes anteriores a esta invenção com a qual possam estar relacionadas.
Em termos de Investigação e Desenvolvimento I&D ou de aplicação, desconhece-se qualquer actividade que esteja próxima ou corresponda ao objecto da presente invenção, nos seus aspectos de processo integrado, produto e utilizações resultantes.
Da busca efectuada encontrámos as seguintes patentes, próximas da presente invenção, mas que não contemplam a utilização de substrato celulósico. 1. A patente americana n° 3,617,372, de 1967, refere-se a papel electro-condutor, para realização de imagens electrostát icas, em que se actua na área de fabrico do papel em volume, fazendo com que este contenha cadeias poliméricas de grupos hidroxietilo e hidroxipropilo, de forma a adequar o papel às funções de captação de imagem, e proporcionar impressão sem contacto. Encontra-se caducada. Tinha a ver com o constituinte em volume do substrato e não com a sua utilização como substrato para implementação de dispositivos. 2. JP2003123559, "FORMING METHOD AND ITS DEVICE FOR TRANSPARENT CONDUCTIVE FILM, TRANSPARENT CONDUCTIVE FILM AND ELECTRONIC PAPER" - visa a produção de filmes transparentes condutores a baixas temperaturas, nomeadamente de ITO (ou ZnO) , pelo método CVD assistido 2 por um plasma usando as formas gasosas de iodato de índio e cloreto de estanho (nitrato de zinco, (Zn(N03) 2.6H20)), numa atmosfera oxigenada, com ou sem um gás inerte do tipo Árgon, depositadas sobre membranas poliméricas de politiofeno ou outro material de base orgânica, visando a sua utilização no chamado papel electrónico (e-paper). Isto é, a possibilidade de reescrever caracteres alfanuméricos ou imagens num filme flexível baseado num óxido condutor transparente, depositado sobre um substrato orgânico. No caso concreto, pretende-se, por exemplo, que o óxido condutor e transparente sirva de eléctrodo para aplicação de campos eléctricos para controlo de tonalidade de imagens, por exemplo as formadas a partir de orientação de cristais líquidos. Esta patente versa sobre o processo de obtenção dos filmes, o sistema utilizado e as características físico - mecânicas dos filmes obtidos, tais como a adesão. Isto é, a patente tem por objectivo a produção sobre substratos orgânicos de óxidos condutores a serem utilizados simplesmente como eléctrodos, não incluindo na patente o processamento destes materiais sobre papel celulósico simples ou composto. 3. US 2006/0132894 - visa a deposição de óxidos condutores transparentes nas duas faces do papel electrónico, tendo por objectivo aplicações similares às descritas pela patente JP2003123559. Isto é, adaptação das tecnologias usadas em mostradores, nomeadamente cristal líquido para novos mostradores flexíveis produzidos sobre substratos orgânicos. Assim sendo, as reivindicações desta patente são na área dos equipamentos utilizados e de como processar e reter uma imagem em substratos flexíveis orgânicos, incluindo o controlo de partículas não condutoras colocadas 3 no interior do próprio substrato ou sob os óxidos produzidos, com a capacidade de alterarem o seu grau de transmitância, por aplicação de um campo eléctrico. Este não é o campo de aplicação da presente invenção. Adicionalmente, a transparência é sugerida como aplicação dos nanotubos de carbono, que não são utilizados na presente invenção. 4. CA682814 "ELECTRICALLY CONDUCTIVE PAPER, AND METHOD OF MAKING IT" - diz respeito ao processamento em volume de papel condutor, referindo-se nomeadamente à inclusão no volume deste de fibras condutoras revestidas a metal ou não, aleatoriamente dispersas numa matriz celulósica. Este não é o campo de aplicação da presente invenção, que não passa pela manipulação da estrutura do papel. 5. CA76 7 0 53 "ELECTRICALLY CONDUCTIVE PAPER" - refere-se ao revestimento de papel celulósico em volume condutor, revestido de um material isolante fotocondutor, associado à incorporação de zeolitos, capaz de garantir uma resistividade inferior a 1012 Q.cm, visando o desenvolvimento e manutenção de cargas electrostáticas para impressão de informação. Este não é o campo de aplicação da presente invenção. A técnica de deposição é diferente. 6. CA898082 "POLYMERIC QUATERNARY DERIVATIVES OF 4-VINYL PYRIDINE IN ELECTRICALLY CONDUCTIVE PAPER" - visa a utilização de polímeros quaternários capazes de receberem revestimentos fotocondutores capazes de produzirem papel de cópia electrostático. Este não é o campo de aplicação da presente invenção. 4 7. CA922140 "ELECTRO-CONDUCTIVE PAPER" - contempla o papel electrocondutor com polímeros como pelo menos 75% da sua constituição, útil nas técnicas de reprodução de imagens. A patente protege todas as composições contendo estruturas radicais do tipo:
R
I -CH2-C- R1 I / 0=C-0-A-N+ .X~ I \ R3 R2
Este não é o campo de aplicação da presente invenção.
Do exposto, conclui-se que, em termos de produto e processos mencionados na presente invenção, não existe, que seja do nosso conhecimento, qualquer pedido de patente ou resultado publicado.
As patentes e referências referidas correspondem ao estado-da-técnica da área em que a presente invenção se insere, com a qual existem alguns pontos periféricos de contacto, em termos de processos e materiais usados como condutores, em superfícies plastificadas e o facto dos processos, em alguns casos, se efectuarem também à temperatura ambiente. No entanto, as tecnologias usadas na presente invenção são distintas — embora possam contemplar o processo de fabrico por deposição química de vapores assistida por plasma, esse não é o objecto da presente invenção, a técnica utilizada é PVD e não CVD, na aplicação da 5 qual se desconhece a existência de técnicas que foquem na utilização do substrato material celulósico, seus derivados ou compostos. Também o produto resultante é completamente novo, não existindo actualmente no mercado componentes eléctricos e/ou electrónicos com uma base de papel vulgar. A presente invenção consiste numa integração de tecnologias, visando a obtenção de componentes eléctricos e/ou electrónicos baseados em sistemas eléctricos e/ou electrónicos, depositados e/ou integrados com papel celulósico, seus compostos ou derivados. Desconhece-se, na forma laboratorial tentada ou realizada, mostradores em papel, ou roteiros interactivos em papel, ou indicadores dinâmicos em papel. Estes são o objecto central da presente invenção, na qual resulta uma qualidade híbrida mas ainda assim monolítica, em termos da integração de elementos electrónicos que produzem efeitos novos e acrescentam um valor novo na aplicação da invenção, que não está presente nos sistemas compreendidos no estado-da-técnica.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Figura la. Vista esquemática dum circuito impresso de baixa complexidade.
Figura lb. Vista esquemática dum circuito impresso de elevada complexidade.
Figura 2a. Vista esquemática da estrutura básica dum díodo orgânico emissor de luz, OLED. 6
Figura 2b. Vista esquemática da estrutura avançada dum OLED.
Figura 2c. Vista esquemática do modo de funcionamento dum OLED.
Figura 3a. Vista esquemática dum transístor de filme fino, TFT, com porta superior.
Figura 3b. Vista esquemática dum TFT com porta inferior.
Figura 3c. Vista esquemática dum TFT com configuração planar.
Figura 3d. Vista esquemática dum TFT com configuração em zig-zag.
Figura 4. Vista esquemática dum TFT com memória.
Figura 5. Vista esquemática duma junção rectificadora metal/semicondutor.
Figura 6a. Esquema geral duma matriz activa para endereçamento de pixels.
Figura 6h. Esquema geral duma matriz activa para endereçamento de matriz de OLEDs.
Figura 6c. Esquema geral duma matriz activa - etapas de fabrico e máscaras a utilizar. 7
Figura 7. Exemplo esquemático dum sistema integrado de controlo e visualização de informação.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A presente invenção assenta num conjunto de tecnologias de deposição física, química e físico-química de filmes finos à escala atómica, reactivos e não reactivos, realizadas a temperaturas próximas da temperatura ambiente, nomeadamente: pulverização catódica de corrente contínua ou de radiofrequência; - deposição térmica resistiva ou por canhão de electrões em vácuo; - deposição química de vapores assistida por plasma de radiofrequência ou UHF; - aquecimento em vácuo; - crescimento atómico epitaxial; - deposição por jacto de tinta.
Estas técnicas permitem o crescimento controlado de filmes com espessuras entre os 10 nm e os 1000 nm, de materiais orgânicos e inorgânicos, sem danificar o papel ou o desempenho electrónico e óptico dos materiais depositados.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Em termos de aplicações interactivas com suporte funcional em papel, ou papel com funções não estáticas, não existem muitas implementações prévias para além de revestimentos e introdução de fibras condutoras no papel, cujo resultado funcional é passivo. A presente invenção tem interesse tópico para a redefinição dos conceitos de e-book e e-paper, de um formato electrónico previamente apenas acessível através de equipamento separado (e.g. um computador) para um nível superior de integração dessas funcionalidades no formato tradicional do livro, e, mais que isso, no papel em si. Com a revolução das tecnologias de informação, concretizada na disseminação do computador pessoal e consolidada com a sua interligação através da Internet, o registo em papel de uma forma geral passou a ser perspectivado como uma solução de baixa tecnologia e portanto tendencialmente obsoleta. A presente invenção reabilita o papel como uma solução de alta tecnologia. 0 desenvolvimento das técnicas de impressão veio possibilitar a realização de circuitos integrados utilizando somente técnicas aditivas, que podem ser executadas sem recurso a salas limpas e laboratórios de microelectrónica. Este tipo de tecnologia facilita a realização de mostradores de média resolução, e mormente uma electrónica das grandes áreas: macroelectrónica.
Este desenvolvimento proporciona a obtenção de materiais e dispositivos electrónicos descartáveis de baixo custo e possibilita a introdução duma componente dinâmica no actual formato do papel, e.g. mapas dinâmicos em papel, inserção de componentes lúdicos dinâmicos na leitura, e.g. imagens com 9 movimento, notas informativas, ou busca automática sobre acontecimentos ligados com a notícia que se está a ler, permitindo a interacção directa do leitor com a mesma. Para além disso, permite ao utilizador do papel desenhar/escrever de forma dinâmica. Para a realização destes objectivos, é fundamental que se possa desenhar, conceber e fabricar sobre o papel o mesmo tipo de circuitos que hoje em dia se realizam em substratos como o plástico. Esta utilização do papel é revolucionária face ao uso tradicional: informação estática, sem valor acrescentado.
Para a prossecução destes objectivos é necessário desenvolver tecnologias de nano-escala que permitam produzir películas com propriedades excepcionais sobre o papel. Para o efeito, é necessário combinar tecnologias dispersas e adaptá-las a 4 níveis de requisitos: - Processos de fabrico; - Características funcionais dos materiais e dispositivos; - Produtos; - Sistemas.
Nos processos de fabrico, prepara-se a superfície do papel em atmosfera controlada para os processos de deposição. Ao contrário do que acontece com os processos de deposição convencionais, garante-se que todo o processo de deposição se efectua a temperatura próxima da ambiente, que não existe sobreaquecimento derivado do próprio processo de deposição, e também que os materiais depositados respeitam parâmetros de aderência, elasticidade mecânica, estabilidade química, e qualidade electrónica e óptica. 10
Para obter as características aludidas acima, os metais a utilizar são: prata, alumínio, cobre, titânio, ouro e platina, a serem utilizados no processamento de contactos metálicos e em junções rectificadoras metal-semicondutor. Para além do mais, inclui-se também o processo de deposição de qualquer filme fino orgânico com características condutoras de um metal.
Para os semicondutores, os materiais inorgânicos a utilizar são o silício amorfo e nanocristalino dopado e não dopado; óxidos semicondutores, simples, binários, ternários e quaternários, em camada única ou multicamada, por exemplo ZnO(Ga), com propriedades que variam entre o isolante (resistividade superior a 1011 Q.cm) e o contacto óhmico altamente transparente (entre 102-104 Ω-1 cm-1).
Em termos de materiais semicondutores orgânicos são de destacar os seguintes: tetraceno, pentaceno, ftalocianina de cobre, ftalocianina de óxido de titânio e ftalocianina de zinco, entre outros.
Em termos funcionais, pretende-se depositar pistas (ou qualquer tipo de "design/layout") condutoras e transparentes baseadas em metais ou óxidos metálicos à temperatura ambiente, com a finalidade de ligar elementos electrónicos, híbridos ou integrados, dispostos sobre o papel, para efeitos de polarização, condução de sinal e recepção de sinal. A figura 1 representa um exemplo do tipo de matriz a ser utilizada.
Em termos de dispositivos pretende-se: 1. depositar díodos orgânicos emissores de luz utilizando tecnologia compatível com jacto de tinta, a serem 11 interligados por pistas condutoras como mencionadas anteriormente (figuras 2 e 3). 2. depositar transístores de filme fino (tipos n e p) baseados em óxidos semicondutores, com a capacidade de poderem servir como chave de comutação e também servir como dispositivos condutores/receptores de informação. Estes dispositivos têm uma constituição como se mostra na figura 3, porta superior ou inferior, com o canal (semicondutor activo) depositado sobre ou sob o dieléctrico. Estes dispositivos terão mobilidades superiores a 0.5 cm2V_1s_1, razões de on/off superiores a 105 e a funcionarem quer no modo de enriquecimento, quer no modo de empobrecimento, isto é, para ligarem necessitam que se aplique tensão ou estão já no estado de ligado sem aplicação de qualquer tensão; 3. transístores de filme fino com efeito de memória (ver figura 4) , em que o material dieléctrico é substituído por um material ferroeléctrico ou ferromagnético, do tipo PZT, ou SBT ou orgânico; 4. junções rectificadoras, à base de semicondutores de óxidos activos e de silício (ver figura 5); 5. dispositivos CMOS.
Quanto a sistemas, pretende-se realizar circuitos integrados: - de baixa complexidade (e.g.: circuitos impressos para ligação de componentes electrónicos, como sejam díodos 12 emissores de luz, chaves de comutação, fontes de alimentação, transístores, receptores ópticos e de rádio frequência, comutadores, memórias, microprocessadores, registradores, integradores, diferenciadores, sensores, resistências, condensadores, indutores - todos estes componentes, na forma de volume ou de filme fino); - de média complexidade (e.g.: matrizes para endereçamento de mostradores planos; matrizes de fotossensores; matrizes de sensores de gases; matrizes de sensores de cor; codificadores; todos na forma integrada, isto é, processados no próprio papel); - de alta complexidade (e.g.: sistemas de endereçamento, com circuitos integrados, à nano-escala, de camada simples ou multicamada, totalmente desenvolvidos sobre o papel). 0 propósito da presente invenção é gerar componentes eléctricos e/ou electrónicos baseados num novo conceito de papel, em que este deixa de ser um mero meio de comunicação para ser também agente de comunicação, com os seguintes exemplos prospectivos e não-exclusivos de aplicação a diferentes níveis:
Papel de base celulósica ou bio-orgânica electrónico (papel com elementos electrónicos incorporados);
Papel de base celulósica ou bio-orgânica inteligente (papel com capacidade de reprodução de conteúdos não tradicionais, e.g. filmes); 13
Papel de base celulósica ou bio-orgânica com memória (circuitos integrados em papel, com capacidade de armazenamento de informação, preferências); - Papel de base celulósica ou bio-orgânica interactivo (com uma reacção programada a um estímulo, e.g. uma luz que acende quando um determinado ponto do papel é premido); - Papel de base celulósica ou bio-orgânica seguro (que permite novas formas de autenticação, e.g. por meios electrónicos, e.g. com aplicação em dinheiro, cheques); - Etiquetas de base celulósica ou bio-orgânica inteligentes (e.g. que reajam à presença de outras etiquetas). Não está de momento compreendido em nenhuma patente conhecida ou no estado-da-técnica, papel de base celulósica ou bio-orgânica de escrita, no que se segue simplesmente designado por papel, com as funcionalidades acima mencionadas, ou a capacidade de se realizarem depósitos de pistas, dispositivos e sistemas integrados directamente em papel. A pesquisa efectuada em várias bases de dados de registos de patentes mostrou que nenhum dos processos, produtos e sistemas de funcionalidade do papel que são objecto da presente invenção estão descritos no estado-da-técnica.
Este conceito da presente invenção é novo sendo que, embora a sua realização se baseie em tecnologias que por si só são conhecidas, a sua novidade está na sua integração específica e complexa a um novo conjunto de finalidades, resultando num produto completamente novo. 14
DESCRIÇÃO DETALHADA DA IMPLEMENTAÇÃO PREFERENCIAL DA PRESENTE INVENÇÃO A presente invenção consiste na adequação de processos de deposição compatíveis com o substrato papel de origem celulósica ou compostos celulósicos de diferentes gramagens e composições, sobre os quais se integram materiais e dispositivos electrónicos de diversos graus de complexidade e onde prevalecem três conceitos fundamentais: 1. A adequação dos sistemas electrónicos à natureza visual do produto, podendo os circuitos ser implementados na superfície da face não exposta do papel (ficarem "ocultos"), serem integrados com a própria face exposta (a de "leitura") ou serem simples etiquetas dinâmicas (animações ou efeitos de captação de atenção) das embalagens. No primeiro caso, os circuitos a implementar poderão ser opacos, enquanto no segundo caso serão transparentes (electrónica transparente). 2. A não interferência dos elementos electrónicos com os elementos gráficos impressos, de forma a preservar o seu grafismo, o que significa que todos os elementos serão baseados em semicondutores, degenerados ou não, de elevado hiato óptico, como por exemplo óxidos semicondutores ou semicondutores orgânicos, de forma a garantir a transparência adequada. Para além disso, todos os materiais e dispositivos a utilizar terão de ser integrados de forma monolítica com o papel, isto é, como se constituíssem desde o princípio parte do próprio papel: todos os elementos 15 serão depositados na forma de filme fino, com dimensões na ordem da nano-escala. 3. A flexibilidade quanto ao estágio de impressão de papel em que se integram, antes ou depois da impressão do papel. Isto significa que os produtos a desenvolver poderão já existir integrados no papel ou suas embalagens à saída da fábrica, ou serem integrados nestes após a sua impressão gráfica.
Em qualquer dos casos anteriormente mencionados deve-se ressalvar que o processo de fabrico não danifica o papel de forma alguma. Para este efeito todos os processos se realizam a baixas temperaturas, especialmente os que ocorrem sobre a superfície do papel. A presente invenção é susceptível de configurações distintas consoante a aplicação específica pretendida. A presente invenção permite utilizar o papel como substrato de circuitos electrónicos de baixa, média e alta complexidade, desde simples condutor de sinais eléctricos a meio de transmissão, recepção e visualização de informação, com capacidade de interagir com o utilizador. Outra aplicação tópica prevista é como elemento lúdico de captação da atenção de compradores e utilizadores. conjunto de inovadores, papel como condutoras, e que não
Pelo exposto, a presente invenção apresenta um funções e técnicas que através de novos processos permitem novos produtos e sistemas que envolvem o material base para a deposição de pistas dispositivos electrónicos e circuitos integrados; estão compreendidos no estado-da-técnica. 16
Outra vantagem da presente invenção é a de permitir, de forma automática, influenciar os consumidores no momento da compra. 0 consumidor é surpreendido pelo sistema que capta a sua atenção para um determinado produto ou serviço exposto no ponto de venda, influenciando-o no momento da compra.
Outra vantagem técnica da presente invenção é o facto de proporcionar ao seu utilizador funções de referenciação e utilização dinâmica, e.g.: roteiros interactivos que auxiliem na localização de áreas, serviços, percursos, locais, e outros pontos de interesse num mapa comum; - marcadores de leitura em livros, que permitam recordar a página em que se parou uma dada leitura; - animação de imagens explicativas duma parte da leitura; - etiquetas promocionais dinâmicas; - microprocessadores ligados à capa ou lombada do livro que, quando actuados, memorizam ou prestam informação relacionada com o documento em causa.
A figura 1 é uma ilustração de um circuito impresso condutor, para ligação de diferentes elementos electrónicos, de baixa (a) e elevada complexidade (b). Neste caso, o processo de litografia utilizado recorre a máscaras (desenho dos circuitos) efectuadas sobre vinil de elevada adesão ao papel, proporcionando o máximo de definição e contraste das pistas. A 17 tolerância a observar na separação entre pistas é de 100-50 micrómetros. A espessura dos filmes varia entre os 100 nm e os 1000 nm, em função do material a utilizar e da resistência máxima possível das pistas produzidas, de forma a diminuir o consumo energético e evitar a limitação da corrente eléctrica que circula, e igualmente diminuir a relação sinal/ruído da informação que estas eventualmente conduzam. No caso de metais (opacos), os eleitos são os bons condutores (Cu, Ag, Sn, Al, Au e suas ligas). No caso de óxidos semicondutores degenerados, os materiais a utilizar são: ZnGaO; InSnO; ZnAlO; SnO, InZnO, IMO, com diferentes estequiometrias e composições. A - PROCESSO DE FABRICO.
Como primeira etapa, independentemente do tipo e gramagem do papel utilizado, é necessário preparar e condicionar a superfície, tendo em conta a sua textura e o pretender-se fabricar filmes contínuos. Tal é conseguido através de: a) Sujeição da superfície a depositar a tratamento por UV, durante 10 minutos; b) Sujeição da superfície a um tratamento em vácuo que consiste em submeter a superfície, antes do processo de deposição, a uma descarga dc ou de rf em atmosfera de Árgon, Azoto, ou Xénon, a pressões entre 1-102 Pa, por 5 minutos, usando densidades de potência entre 0.1-3 WcirT2; c) Limpeza da superfície com jacto de azoto/hidrogénio, como forma de remover nanopartícuias libertas e activar a 18 superfície (sendo essa a função do hidrogénio contido na mistura com azoto).
Uma vez preparada a superfície, esta é transferida para o meio onde se irão processar as diferentes etapas, de acordo com o que se pretenda realizar. B - PROCESSAMENTO DE CIRCUITOS IMPRESSOS.
Um primeiro aspecto da presente invenção corresponde à utilização de circuitos condutores passivos (circuitos impressos de baixa ou alta complexidade, como se exemplifica nas figuras la) e lb)), constituídos por: a) Metal (Cu, Ag, Sn, Al, Au e suas ligas), produzido pelo conjunto de técnicas a seguir mencionadas: 19 desgasificação. Este processo pode ser implementado e efectuado de forma continua (rolo a rolo). II) PULVERIZAÇÃO CATÓDICA (DC OU RF), ASSISTIDA POR MAGNETRÃO, efectuada em atmosfera de Árgon, com a temperatura do substrato controlada (arrefecimento), a depressões entre os 1 Pa e os IO-1 Pa e em que as distâncias substrato-alvo metálico variam entre os 5 cm e os 15 cm, em função das dimensões do alvo a utilizar e das dimensões da folha de papel a depositar. As razões de crescimento variam, sendo as menores para processos contínuos (cerca de 5 nm/min) ou em escada (50 nm/min). b) Óxidos condutores e transparentes (ZnGaO; InSnO; ZnAlO;
SnO, InZnO, IMO, com diferentes estequiometrias e composições), produzidos pelo conjunto de técnicas a seguir mencionadas: 20 pistas e da resistividade de base dos materiais processados (entre 6X10”3 e 4X1CT4 Q.cm) II) EVAPORAÇÃO TÉRMICA EM VÁCUO, resistiva ou por canhão de electrões, a partir de materiais cerâmicos/óxidos contendo os elementos metálicos a depositar e cujo processo decorre a depressões inferiores a IO”3 Pa, seguindo os procedimentos já anteriormente descritos para esta técnica. Neste caso, as razões de crescimento são de cerca de um factor de 5 aplicado às anteriormente referenciadas.
Qualquer que seja a via de fabrico escolhida, a tolerância a usar na separação entre pistas consecutivas é de 100-50 micrómetros. A largura das pistas é função do grau de integração pretendido e corrente que flúi pelas pistas, podendo-se dizer que nunca será inferior a 200 nm (metal) ou superior a 3 mm, em termos gerais. Para o fabrico dos circuitos impressos utilizam-se máscaras, como por exemplo de polivinil ou outro polímero compatível e/ou moldável, colocadas directamente sobre o substrato, de forma a serem obtidas as melhores razões de contraste, em termos de perfis de espessura. Estes circuitos impressos servem para ligar circuitos electrónicos discretos, como díodos orgânicos emissores de luz ou chaves de comutação, ou para integrar dispositivos a depositar/produzir directamente sobre a superfície do papel. C - PROCESSAMENTO DE DISPOSITIVOS ACTIVOS.
Nesta secção descrevem-se os dispositivos que podem ser directamente fabricados sobre a superfície do papel, de forma a 21 optimizar as suas funcionalidades e permitirem a interacção desejada. No que se segue descreve-se, de forma resumida, alguns exemplos de dispositivos e o modo como são fabricados e constituídos. a) Díodos orgânicos emissores de luz (OLEDs). A figura 2 é um esquema de díodos orgânicos emissores de luz (OLED) a depositar sobre o papel. No esquema indicam-se os diferentes constituintes do OLED e exemplo do tipo de material a utilizar, dando-se como exemplo o caso de uma estrutura básica e outra mais avançada. No caso concreto o OLED é produzido pela técnica de jacto de tinta aquecido, envolvendo as seguintes etapas: (i) deposição de contacto transparente e condutor, de elevada função de trabalho, por exemplo IZO ou ITO, cuja geometria e localização é efectuada simultaneamente aquando da projecção das pistas do circuito impresso (ver figuras 1); (ii) Segue-se a deposição de um filme orgânico transportador de buraco (TPD, por exemplo, N,N'-difenil-N,N-bis[3-metilfenil]-1,1'bifenil-4,4'diamina); (iii) a deposição do material electroluminescente como por exemplo o Alq3 (tris-8(hidroxiquinolinolato) de alumínio III) (iV) finalmente deposita-se o Alumínio para fazer o último contacto. A figura 2a) exemplifica o modo de funcionamento destes dispositivos. b) Transístores de filmes finos. A sua função é a de chave de comutação para endereçamento de informação, e servem também como circuitos condutores de sinal. As figuras 3 são vistas esquemáticas de transístores de filme fino (TFT) com diferentes configurações (porta inferior, porta superior, planar, e disposta em zig-zag) . Os materiais a usar como 22 semicondutor activo são: ZnO; ZnO(Al); SnxOy(F); ZnO(N); OCux; InOx; Ocdx; OAg; InxMoyOz; SnxInyOz; InzZnyOx; ZnxGayOz; InaZnbAgcOd; InaZnbZrcOd; InaZnbGacOd; InaZnbCucOd; InaZnbCdcOd; InaZnbSncOd; InaZnbMocOd; HfOx; TiOx; TaOx; AlxOy, com propriedades excepcionais, que variam entre o isolantes (resistividade superior a 1011 Q.cm) ou o comportamento de contacto óhmico altamente transparente (entre 102 - 104 Q_1.cm_1). 31 é o substrato (papel); 32 o dieléctrico; 33 o eléctrodo porta; 34 a fonte/dreno e 35 um canal, baseado num semicondutor covalente como o silício ou um óxido iónico singular ou multicomposto, como GIZO ou IZO ou outro similar. A tecnologia a utilizar inclui a produção de TFTs sobre papel, usando óxidos semicondutores activos, em que as regiões de dreno e fonte são metálicas (titânio). O esquema da figura 3a) mostra um TFT com porta inferior, e em que a camada activa é um óxido (IZO, GIZO, ZIMO, IZnCuO, ou de silício) e o dreno dos mesmos materiais, mas agora a funcionarem como semicondutores degenerados (contactos) ou altamente dopados (no caso do Si) . A figura 3b) mostra a mesma estrutura que a anterior, com a porta superior. Os TFTs totalmente transparentes em que as propriedades do IZO são controladas, de modo a que este sirva como fonte/dreno, com espessuras entre 100-200 nm e resistividades inferiores a 10~3 Q.cm; ou canal, com espessuras entre 10-20 nm e resistividades superiores a 102 Q.cm, usando dieléctricos à base de materiais de elevada constante dieléctrica como o ATO, TaOx e espessuras entre 100-250 nm, sendo o substrato celulósico, são produzidos pelo seguinte conjunto de técnicas: 23 I- PULVERIZAÇÃO CATÓDICA (DC OU RF) , assistida por magnetrão, em que as propriedades electrónicas dos óxidos semicondutores a utilizar são reguladas através da pressão parcial de oxigénio a utilizar durante o processo de crescimento dos óxidos (à medida que a pressão parcial de oxigénio aumenta, o filme torna-se mais resistivo, uma vez que se aproxima da sua estequiometria). Para além disso, a janela para a utilização de oxigénio é incrementada, quando se utilizam óxidos baseados em componentes metálicos múltiplos (binários, ternários ou quaternários), aumentando também a estabilidade dos dispositivos e a razão on/off, independentemente da estrutura destes ser cristalina ou amorfa. Deste modo, é possível utilizar-se o mesmo óxido quer como condutor, quer como semicondutor. II- EVAPORAÇÃO TÉRMICA RESISTIVA OU POR CANHÃO DE ELECTRÕES, em que as propriedades dos materiais a utilizar dependem da quantidade de gás reactivo a utilizar e da composição do alvo, especialmente da sua natureza ser cerâmica ou metálica. 0 processo de controlo das propriedades dos materiais produzidos baseia-se nas composições de partida e na atmosfera oxidante utilizada. III- Deposição química de vapores assistida por plasma de rádio frequência ou UHF. Neste caso, os elementos a depositar encontram-se na forma gasosa. Por exemplo, no caso de se depositar silício, este está na forma de silano e é decomposto por uma descarga de RF a pressões da ordem dos 10-200 Pa, usando densidades de 2 potência entre os 0.03-2 Wcm e frequências de excitação entre os 13.56 MHz e os 40 MHz. As razões de crescimento típicas são de cerca de 30-150 nm/min. As espessuras úteis do semicondutor activo são da ordem dos 200-300 nm. c) TFT com efeito de memória. A figura 4 é uma vista esquemática de transístores de filme fino com efeito de memória. Os processos de fabrico a utilizar são os referidos anteriormente, em que o material dieléctrico é substituído por um material ferromagnético de maior espessura, como por exemplo o PZT. Neste caso, a função principal do dispositivo é a de armazenar informação. d) Junção metal/semicondutor. A figura 5 é uma vista esquemática de uma junção rectificadora semicondutor/metal em que se produz um semicondutor activo e um metal nos termos e condições acima descritas. A sua função electrónica é a de rectificar sinais eléctricos. D- PROCESSAMENTO DE SISTEMAS.
Nesta secção apresentamos alguns exemplos de integração de elementos passivos e activos visando uma actividade funcional e interactiva determinada, como são os casos de uma matriz activa para endereçamento de sinais e informação ou de um sistema integrado de controlo e visualização de informação, num mostrador plano. a) Exemplo de matriz activa. A figura 6 é uma representação gráfica do modo de endereçamento de um pixel (OLED ou CL) 25 de uma matriz activa, constituída por óxidos semicondutores activos. Os mesmos TFTs, para além de servirem como chaves de comutação, poderão servir para controlar a electrónica periférica, em termos de endereçamento e registo de sinal (função não representada no gráfico) . A figura 6a) é um esquema geral de uma matriz para endereçamento de CL ou OLEDs. A figura 6b) é um esquema para o endereçamento de um OLED. Neste caso (em que o processo é controlado por corrente, enquanto no cristal líquido o processo é controlado por tensão) são necessários, no mínimo, dois TFT por pixel. A figura 6c) é um esquema das etapas de fabrico e máscaras a utilizar. b) Exemplo de sistema integrado para visualização de sinal. Na figura 7 representa-se um sistema integrado de controlo e visualização de informação, num mostrador plano, onde se notam as funções de armazenar, endereçar, registar, combinar e amostrar. Este corresponde à fase de maior complexidade e integração, a integrar no papel de forma monolítica. Deste modo, será possível registar, por exemplo, pequenos excertos de um livro e reproduzi-los, ou o leitor poderá comentar o que leu e armazenar o comentário. Esta fusão da escrita com a imagem permite novos produtos que, pelas técnicas objecto desta invenção, se podem produzir sobre um substrato celulósico. Neste caso, a fonte de alimentação será externa, usando cabos que se baseiem no princípio da supercondutividade, de forma a reduzir ao máximo as perdas óhmicas, evitando-se deste modo o sobre-aquecimento do papel que, de outra forma, poderia ser queimado. Para este efeito, deve-se também seleccionar o tipo e composição do papel propícios a esta aplicação. 26 c) Exemplo de uma aplicação activa. Como exemplo de uma aplicação, a presente invenção tem aplicação na área média impressa, e.g. posters interactivos.
As vantagens técnicas proporcionadas com a presente invenção permitem a utilização activa do papel, assumindo um carácter interactivo com o utilizador e/ou consumidor. A presente invenção baseia-se num conjunto de elementos passivos e activos, gue permitem a condução, controlo e amostragem de sinais eléctricos, na forma simples ou integrada na forma de imagem ou sinal luminoso, ou actuação de sensor ou de aviso sonoro, na forma híbrida ou monolítica sobre superfícies celulósicas ou seus compostos, resultando em componentes eléctricos e/ou electrónicos baseados em papel, completamente novos. A presente invenção utiliza de forma nova óxidos com as funções de eléctrodo condutor e semicondutor, que são inteiramente produzidos a temperaturas próximas da ambiente. Os efeitos ou animações interactivas podem ser concretizados por diversas tecnologias, tendo a virtude de influenciar os utilizadores e consumidores no momento da utilização ou compra, o que perspectiva aplicações na área da publicidade.
Embora a implementação preferencial tenha sido descrita em detalhe, deve ser entendido que diversas variações, substituições e alterações podem ser introduzidas, sem se afastarem do âmbito da presente invenção, mesmo que todas as vantagens acima identificadas não estejam presentes. As concretizações aqui apresentadas ilustram a presente invenção que pode ser implementada e incorporada numa variedade de formas diferentes, que se enquadram no âmbito da mesma. Também as técnicas, construções, elementos, e processos descritos e ilustrados na implementação preferencial como distintos ou 27 separados, podem ser combinados ou integrados com outras técnicas, construções, elementos, ou processos, sem se afastarem do âmbito da invenção. Embora a presente invenção tenha sido descrita em diversas concretizações, estas podem ser ainda modificadas, de acordo com o âmbito de aplicação da presente invenção. Outros exemplos de variações, substituições, e alterações são facilmente determináveis por aqueles versados na técnica e poderiam ser introduzidos sem se afastar do espirito e âmbito da presente invenção.
Lisboa, 29 de Janeiro de 2009 28
Claims (15)
- REIVINDICAÇÕES Processo de deposição de elementos eléctricos e/ou electrónicos, caracterizado por a referida deposição se efectuar directamente sobre um substrato de material celulósico ou bio-orgânico a uma temperatura próxima da ambiente. Processo de deposição de elementos eléctricos e/ou electrónicos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a deposição dos referidos elementos eléctricos e/ou electrónicos se efectuar por meio de evaporação térmica em vácuo, evaporação térmica resistiva, deposição quimica de vapores ou pulverização catódica assistida por magnetrão. Processo de deposição de elementos eléctricos e/ou electrónicos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a deposição dos referidos elementos eléctricos e/ou electrónicos ser precedida pelos passos de: a) tratamento de superfície do substrato de material celulósico por radiação UV; b) tratamento de superfície em vácuo, por meio de uma descarga de corrente contínua ou de radiofrequência em atmosfera de Árgon, Azoto ou Xénon; c) limpeza e activação de superfície, para remoção de nanopartículas libertas e activação de superfície.
- 4. Processo de deposição de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o referido passo a) de tratamento por UV se realizar durante um período de tempo de 10 minutos.
- 5. Processo de deposição de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o referido passo b) de tratamento em vácuo ser efectuado a uma pressão entre 10~2 - 1 Pa, durante 5 minutos, utilizando densidades de potência compreendidas entre 0,1 - 3 Wcm“2.
- 6. Processo de deposição de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o referido passo c) de limpeza e activação ser efectuado por meio de um j acto de azoto/hidrogénio.
- 7. Componente eléctrico e/ou electrónico compreendendo elementos eléctricos e/ou electrónicos depositados directamente numa base, caracterizado por a referida base ser um substrato de material celulósico ou bio-orgânico.
- 8. Componente eléctrico e/ou electrónico de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a referida base ser de papel celulósico ou bio-orgânico.
- 9. Componente eléctrico e/ou electrónico de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por os referidos elementos eléctricos e/ou electrónicos serem transparentes. 10. Componente eléctrico e/ou electrónico de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por os referidos elementos eléctricos e/ou electrónicos serem constituídos por metais, ligas metálicas, óxidos, materiais dieléctricos ou semicondutores.
- 11. Componente eléctrico e/ou electrónico de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por os referidos elementos eléctricos e/ou electrónicos serem pistas condutoras, dispositivos ou sistemas.
- 12. Componente eléctrico e/ou electrónico de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por os referidos elementos eléctricos e/ou electrónicos possuírem uma condutividade de 102 a 104 Q‘1cm“1.
- 13. Componente eléctrico e/ou electrónico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por cada uma das referidas pistas possuir uma largura de 200 nm a 3 mm e a tolerância de separação entre elas ser de 50 a 100 ym.
- 14. Componente eléctrico e/ou electrónico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por os referidos dispositivos serem díodos orgânicos emissores de luz, transístores de filme fino do tipo n e p, transístores de filme fino com efeito de memória, junções rectificadoras ou CMOS.
- 15. Componente eléctrico e/ou electrónico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por os referidos sistemas serem circuitos integrados de baixa, média ou alta complexidade, em que os referidos circuitos integrados de baixa complexidade são diodos emissores de luz, chaves de comutação, fontes de alimentação, transistores, receptores ópticos e de rádio frequência, comutadores, memórias, microprocessadores, registradores, integradores, diferenciadores, sensores, resistências, condensadores e/ou indutores; os referidos circuitos integrados de média complexidade são matrizes para endereçamento de mostradores planos, matrizes de fotossensores, matrizes de sensores de gases, matrizes de sensores de cor e/ou codificadores; os referidos circuitos integrados de alta complexidade são sistemas de endereçamento, de camada simples ou multicamada.
- 16. Utilização do processo como definido na reivindicação 1, caracterizada por se destinar ao fabrico de componentes eléctricos e/ou electrónicos baseados em substratos de base celulósica ou bio-orgânica.
- 17. Utilização de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por se destinar ao fabrico de papel eléctrico e/ou electrónico, inteligente, com memória, interactivo e seguro e circuitos eléctricos e/ou electrónicos, simples, discretos ou integrados.
- 18. Utilização de componentes eléctricos e/ou electrónicos como definido na reivindicação 7, caracterizada por se destinar ao fabrico de roteiros interactivos, marcadores electrónicos de livros, animações de imagens em livros, interactivas electrónica etiquetas promocionais dinâmicas, embalagens cheques e dinheiro providos de autenticação livros e documentos interactivos. Lisboa, 19 de Março de 2009
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