Зарегистрированных посетителей: 10464

"Органическая и печатная электроника: на волне успеха"

С полными текстами всех статей вы можете ознакомиться на страницах журнала
В. Н. Мымрин

Если и будет преувеличением сказать, что органические и печатные схемы совершают революцию в микроэлектронике, то совсем небольшим. Никогда еще такими быстрыми темпами не сокращался временной промежуток между фундаментальными исследованиями и их практическим применением. Поэтому эта тема была одной из основных на международной специализированной выставке пластмасс и каучука «К-2013» (16–23 октября 2013 г., Дюссельдорф), на которой специальный инновационный раздел выставки – Printed Electronics – представил посетителям широкие возможности для ознакомления с печатными технологиями, функциональными поверхностями, RFID-решениями, гибкими дисплеями, а также с OLED-разработками.

Последние десять лет мир переживает бум развития органической и печатной электроники; cотни компаний и научно-исследовательских институтов участвуют в гонке за новый рынок, который растет в геометрической прогрессии (см. рисунок) и, по прогнозам, через десять лет на порядок увеличится.

Считается, что история этого научного направления началась в 1977 г., когда химики Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидэки Сиракава опубликовали результаты своих исследований, где показали, что модифицированный галогенами полиацетилен может проводить электрический ток почти как металл. Это открытие и другие фундаментальные исследования в области органических полимеров способствовали развитию органической электроники, которая сочетает в себе разработки в физике твердого тела и молекулярной физике, органической и неорганической химии, полимерном материаловедении, электронике и печатном деле. В 2000 г. основатели этого прорывного направления получили Нобелевскую премию по химии «За открытие проводимости в полимерах».

Новые функции

В названии микроэлектроники нового поколения – так называемой органической и печатной электроники – термин «органический» используется по той простой причине, что крошечные схемные платы с мириадами транзисторов, датчиков, светодиодов и соединительных цепей построены уже не на основе кремния и арсенида галлия, а на базе производных углерода. Термин «печатный» означает, что они могут наноситься на легкие, гибкие и в том числе прозрачные подложки, сматываемые непосредственно с рулонов с применением широко распространенных способов печати (трафаретной, струйной или флексопечати) в форме плоских рисунков печатных плат и структурных единиц, имеющих в настоящее время толщину порядка нескольких десятков микрометров.

Еще одним активно продвигаемым вариантом их изготовления, например в производстве органических фото элементов, является последовательное газообразное напыление функциональных слоев в вакууме.
Примерами практического применения новых материалов и технологий уже стали «умная» упаковка, освещение с помощью органических светодиодов OLED (Organic Light Emmiting Diode), дешевые электронные метки радиочастотной идентификации RFID (Radio Frequency Identification), скручиваемые в рулон дисплеи, гибкие солнечные батареи, одноразовые приборы для диагностики, гибкие сенсорные экраны, печатные батареи, транзисторы и устройства памяти.

Интегрирование в изделия

С применением технологий печати и напыления получают разнообразные электронные или фотонные функциональные поверхности в форме пленок и покрытий, которые могут наноситься на всевозможные текстильные и прочие изделия с любыми радиусами кривизны. При этом они выполняют роль емкостных датчиков или световых полей достаточно большой площади в виде органических светодиодов, комплексных датчиков для измерения важных параметров окружающей среды или медицинских показателей, таких как температура и влажность.

Кроме того, они могут использоваться в качестве легких и гибких органических элементов солнечных батарей или плоских печатных аккумуляторов (фото 1) для обеспечения энергией миниатюрных приборов. Таким образом, спектр электроники и цифровой техники в перспективе уже не будет ограничиваться персональными компьютерами, планшетами, мобильными телефонами, игровыми приставками и тому подобными устройствами в специфическом исполнении. Новые системы могут быть без образования соединительных швов интегрированы в любые подходящие для этой цели изделия. Это открывает новые, ранее неизвестные и даже весьма экзотические возможности их встраивания в «умные» объекты и способствует расширению их взаимодействия с самоуправляемыми и автономными цифровыми системами в «интернете вещей».

Поле интенсивных исследований Разработкой пригодных для практического применения материалов и изделий, а также технологий их изготовления во всем мире активно занимаются исследовательские подразделения различных компаний химической, фармацевтической, автомобилестроительной, упаковочной отраслей промышленности, а также производители медицинского оборудования, электроники и потребительских товаров. Органическая и печатная электроника все еще остается полем очень интенсивных исследований с долгосрочными перспективами для дальнейшего развития. В настоящее время она идет по типичному для новых технологий пути от медийной шумихи до внедрения в массовое промышленное производство.

В последнем, пятом издании «дорожной карты» Ассоциации органической и печатной электроники (OE-A: Organic and Printed Electronics Association), которая является одной из рабочих групп в рамках Объединения немецких машиностроительных предприятий VDMA (Verein Deutscher Maschinen- und Anlagenbaubetriebe), посвященного возможностям практического применения и технологиям производства органической электроники, анализируются состояние и тенденции развития этой сферы деятельности на последующие 10 лет. Насчитывающая более 220 сотрудников ассоциация OE-A объединяет деятельность более 180 производящих компаний и научноисследовательских институтов из 29 стран Европы, Северной Америки, Азии и Австралии и координирует выполнение исследовательских и прикладных проектов, а также решение вопросов стандартизации в рамках Международной комиссии по электротехнике IEC (International Electrotechnical Commission) TC119 и других организаций.

Создаваемая на основе полимерных материалов новая микроэлектроника пока еще далеко не в полной мере заняла достойное ее положение во всех секторах рынка. Тем не менее первые изделия находят практическое применение уже сейчас, о чем зачастую даже не догадываются конечные потребители, пользующиеся этими изделиями.

Новые достижения в этой области являются базовой платформой для перспективного промышленного производства, объединяющего в себе принципы печатной техники, электроники и технологии полимерных материалов.

Экраны на органических светодиодах – первая область массового применения

Первой и очень успешной областью массового применения органической электроники стало производство небольших органических светодиодных экранов для мобильных телефонов и смартфонов. По данным аналитиков, в прошлом году оборот в этом секторе органической электроники составил 9 млрд долл. США, а к 2025 г. мировой ежегодный объем этого сектора рынка должен достичь отметки 200 млрд долл. США. Это примерно соответствует величине оборота на современном рынке традиционных кремниевых чипов. Уже рекламируются и даже существуют более крупные, характеризующиеся высокой интенсивностью красок и контрастностью органические светодиодные экраны для телевизоров с диагональю 55 дюймов (например, компаний Samsung и LG).

Следует, однако, отметить, что при их нынешней стоимости (около 10  тыс.  долл. США) подобные экраны могут представлять интерес лишь для ярых любителей технических новинок.

Электронные устройства для чтения книг компаний Amazon или Sony, которые обеспечивают привлекательность электронных книг на «электронной бумаге» благодаря используемому в электрофоретическом дисплее бистабильному принципу индикации, выгодному с энергетической точки зрения, становятся повсеместно популярными. Они в основном предназначены для вывода статичной информации, например книжных страниц, на основе оригинальной технологии от компании E-Ink. Однако их дальнейшее коммерческое распространение в значительной степени сдерживается дисплеями Retina, используемыми в планшетах компании Apple и обладающими высоким разрешением и способностью воспроизводить видео. Если следовать инновационной логике эволюции, то дисплеи Retina наряду с менее яркими LCD-дисплеями уже давно должны были бы заменить технологию E-Ink.

Гибкие экраны

Следующий этап развития, который мог бы существенно продвинуть вперед электронные дисплеи, заключается в создании гибких (вплоть до сворачивания в  трубку) электронных считывающих устройств и планшетов (фото  2), изготавливаемых без применения тяжелого и хрупкого стеклянного покрытия. В этом секторе лидирует британская компания Plastic Logic с полностью автоматизированной производственной базой в г. Дрездене, которая уже освоила искусство изготовления системных плат на органических тонкопленочных транзисторах, а следовательно, и активных матриц, необходимых для индивидуального управления яркостью отдельных пикселей экрана. Последним достижением в этой области является тонкий, легко гнущийся электронный дисплей с диагональю 10,7 дюйма, который при разрешении 150 точек на дюйм содержит TFT-матрицу размером 1280×960 пикселей, т.  е. в общей сложности 1,2 млн пикселей.

В секторе органических сенсоров компания Plastic Logic совместно с французской компанией Isorg, дочерним подразделением крупного исследовательского комплекса CEA-LITEN в г. Гренобле (Франция), также опережает своих конкурентов. Эти компании недавно представили измерительный формирователь видеосигналов с размерами 4×4 см и 8930 пикселями на тонкой полимерной основе.

Капсулирование для предотвращения воздействия водяного пара

Развитие органической фотогальваники и индикаторной техники в известной степени сдерживается необходимостью ее герметич- ного капсулирования в целях защиты от воздействия содержащегося в атмосфере водяного пара, которая приводит к коррозии электродных слоев и сокращению срока службы приборов. До сих пор это удавалось осуществлять только с применением жестких защитных минеральных стекол. В качестве технического решения, приемлемого для конфигурируемых произвольным образом элементов солнечных батарей и гибких экранов, могут служить наносимые путем ламинирования барьерные пленки. Наиболее пригодными для этой цели представляются прозрачные слои из аморфного диоксида кремния (глинозема). Их разработкой и исследованием совместно занимаются различные организации, такие как Объединение фраунхофских институтов полимерных поверхностей (Polo) и Японский национальный институт современных наук (AIST).

Драйверы практического применения

Наиболее яркие и убедительные применения результатов упомянутых работ, согласно данным «дорожной карты» ассоциации OE-A, имеются в четырех крупных областях – автомобильной и фармацевтической промышленности, производстве потребительской электроники и «умной» упаковки для продуктов питания, медикамен Применение «умных» упаковок с изготовленными печатным способом и активируемыми с помощью радиосигналов этикетками (так называемыми электронными метками) могут способствовать существенному повышению эффективности процессов обращения с товарами и решению логистических задач.

Кроме того, они могут с помощью нанесенных методом печати и динамически актуализируемых полей показывать потребителям даты конечного использования продуктов, сигнализировать о наличии перерывов в охлаждении чувствительных продуктов или гарантировать подлинность высококачественных изделий при условии обеспечения связи с данными о прослеживаемой цепочке поставок. В этой области ведущее место занимает немецкая компания PolyIC, специализирующаяся на разработке электронных меток, печатных антенн для них, а также электропроводящих прозрачных органических пленок фото 4).

В «дорожной карте» ассоциации OE-A имеется также информация и еще об одной актуальной разработке: в автомобилях премиум-класса уже сейчас применяются печатные антенны и печатные датчики загруженности сидений, вмонтированные в их обивку и предназначенные для приведения в действие (в случае необходимости) пневматических подушек безопасности. Эти датчики регистрируют массу, различая тем самым взрослых и детей. К этому же оснащению относятся органические светодиодные экраны для видеокамер заднего хода, заменяющие традиционные зеркала, системы освещения блоков приборов на приборной панели и с трудом различимые противообледенительные устройства для стекол.

Ждут своей очереди органические дисплеи и отвечающие на прикосновение датчики для замены механических индикаторов и переключателей в автомобилях. Продумываются (в частности, компанией Audi) первые варианты фар заднего хода с использованием органических светодиодов, которые могут стать энергосберегающей и более экономичной альтернативой современным светодиодным фонарям. В стадии обсуждения находятся также органические светодиодные световые поля, которые могли бы служить для создания регулируемых и настраивающихся по цвету потолков крыш или для выделения дверных порогов.

Освещение с помощью органических светодиодов

В «дорожной карте» OE-A анализируются четыре основных направления применения продукции органической и печатной электроники – освещение с помощью органических светодиодов, органическая фотогальваника, электрофоретическая сфера (электронная бумага) и дисплеи на основе органических светодиодов, а  также электронные конструкционные элементы как дополнение к традиционной микроэлектронике на кремниевой основе.

Из них наиболее оживленно в настоящее время в качестве наиболее претенциозного вида продукции обсуждаются источники света на базе органических светодиодов, так как с точки зрения энергосбережения они представляют собой серьезную альтернативу проверенным практикой светодиодам и галогенным лампам.

Более того, согласно «дорожной карте» OE-A OLED-дисплеи и освещение представляют собой прорывное направление в этой области. В отличие от традиционных светодиодов и точечных галогенных излучателей органические светодиоды позволяют создавать источники света достаточно большой площади с динамично регулируемым цветом излучения. Органические светодиоды могут весьма привлекательно с архитектурной точки зрения закрепляться на разных поверхностях, включая хорошо знакомые объекты домового хозяйства. В результате эти объекты становятся активными источниками освещения.

Осветительные устройства на основе органических светодиодов уже сейчас применяются в оформительских студиях и высококачественных видах продукции компаний Osram и Philips.

Органическая фотогальваника и аккумуляторы

Органическая фотогальваника развивается параллельно с гибридными системами из диоксида титана и устройствами, содержащими красящие вещества, а также с чисто органическими устройствами на основе полимеров. Они в настоящее время распространяются в коммерческих масштабах.

В связи с относительно низким КПД эти устройства не предназначаются для использования в качестве источников энерго снабжения в общественных сетях; они применяются только для локального обеспечения энергией потребителей (energy harvesting) и для зарядки аккумуляторов мобильных цифровых и потребительских приборов, а также измерительных станций.

В долгосрочной перспективе, начиная с 2021  г., «дорожная карта» ассоциации OE-A предусматривает использование органической фотогальваники в наружном освещении транспортных средств и зданий (BIPV: Building Integrated Photovoltaics).

Системные компоненты органической электроники, которые благодаря своим уникальным свойствам могут быть интегрированы в традиционные электронные схемы, применяются в печатных носителях информации, таких как сегнетоэлектрические и неэнергозависимые пленочные носители, предлагаемые ведущим финским производителем, компанией Thinfilm. Продвигаемые этой компанией разработки одновременно являются примером системной интеграции органических компонентов различных производителей в более крупные функциональные узлы, базирующиеся на общих печатных основаниях. В частности, путем комбинирования накопителей компании Thinfilm с печатными логическими схемами на транзисторах калифорнийской исследовательской компании PARC создается программно адресуемый модуль памяти (фото 5).

Путем дальнейшего развития этой разработки в сочетании с печатными термисторами, панелью индикации исследовательского института Forschungsinstitut Acreo Swedish и печатными аккумулято- рами могут создаваться компактные измерительные системы.

Печатные, очень плоские и гибкие аккумуляторы также оказываются в фокусе развития при решении вопросов системной интеграции органической электроники. В настоящее время в секторе одноразового применения доминирующее положение занимают угольно-цинковые аккумуляторы, а подзаряжаемые аккумуляторы на литиевой основе пока еще находятся в стадии разработки.

В качестве альтернативных источников для кратковременного питания приборов рассматриваются также энергоемкие суперконденсаторы. Их разрядка осуществляется аналогично аккумуляторам.

Подобные источники электрического тока могут быть интегрированы вместе с индикаторными и световыми полями, реагирующими на касание сенсорами и элементами солнечных батарей в упаковки, текстильные изделия и другие изделия потребительского назначения, повышая тем самым уровень их ценности и функциональности.

Подготовил: к. т. н. В. Н. Мымрин с использованием
пресс-материалов выставочной компании Messe Duesseldorf

Источник: журнал "Полимерные материалы" 2014 N3




Журнал

В следующем номере

    Тема номера: ЭКСТРУЗИЯ И КОМПАУНДИРОВАНИЕ
  • Новая «интеллектуальная» система охлаждения каст-пленок для снижения энергопотребления
  • Индивидуализированные решения для производства полимерных гранулятов
  • Новый смеситель MIX-A-LOT компании Coperion для быстрой, экономичной и щадящей гомогенизации компаундов
  • Применение тонкой фильтрации для повышения качества экструдируемых резиновых лент
  • Повышение эффективности фильтрации расплава
  • Читать полностью

Популярные запросы

Чистка оборудования
Литьевые машины
Производство полимерных труб
Пропиленовые мешки
Промышленный шредер
Резиновая пластина
Полистирол цветной
Упаковочный полиэтилен
Производство полиэтилена высокого давления
Оборудование для пенопласта

Контакты

Адрес редакции:
105066, Москва, Токмаков пер., д. 16, стр. 2

Редакция:
+7 (499) 267-40-10
E-mail: victor-gonchar@mail.ru

Отдел подписки:
Прямая линия: 8 (800) 200-11-12
бесплатный звонок из любого региона России
E-mail: podpiska@vedomost.ru

Отдел рекламы:
Прямая линия:
+7 (499) 267-40-10, +7 (499) 267-40-15
E-mail: reklama@vedomost.ru

Вопросы работы портала:
E-mail: support@polymerbranch.com

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100
Логин или E-mail
Пароль (Забыли пароль?)
Запомнить
Если Вы ещё не зарегистрированы в системе, Вам необходимо зарегистрироваться
Введите E-mail:
Настоящим, в соответствии с Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006 года, Вы подтверждаете свое согласие на обработку компанией ООО «Концепция связи XXI век» персональных данных: сбор, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, передачу в целях продвижения товаров, работ, услуг на рынке путем осуществления прямых контактов с помощью средств связи, продажи продуктов и услуг на Ваше имя, блокирование, обезличивание, уничтожение.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует конфиденциальность получаемой информации. Обработка персональных данных осуществляется в целях эффективного исполнения заказов, договоров и иных обязательств, принятых компанией в качестве обязательных к исполнению.

В случае необходимости предоставления Ваших персональных данных правообладателю, дистрибьютору или реселлеру программного обеспечения в целях регистрации программного обеспечения на Ваше имя, Вы даёте согласие на передачу своих персональных данных.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует, что правообладатель, дистрибьютор или реселлер программного обеспечения осуществляет защиту персональных данных на условиях, аналогичных изложенным в Политике конфиденциальности персональных данных.

Настоящее согласие распространяется на следующие персональные данные: фамилия, имя и отчество, место работы, должность, адрес электронной почты, почтовый адрес доставки заказов, контактный телефон, платёжные реквизиты. Срок действия согласия является неограниченным. Вы можете в любой момент отозвать настоящее согласие, направив письменное уведомление на адрес: podpiska@vedomost.ru с пометкой «Отзыв согласия на обработку персональных данных».

Обращаем Ваше внимание, что отзыв согласия на обработку персональных данных влечёт за собой удаление Вашей учётной записи с соответствующего Интернет-сайта и/или уничтожение записей, содержащих Ваши персональные данные, в системах обработки персональных данных компании ООО «Концепция связи XXI век», что может сделать невозможным для Вас пользование ее интернет-сервисами.

Давая согласие на обработку персональных данных, Вы гарантируете, что представленная Вами информация является полной, точной и достоверной, а также что при представлении информации не нарушаются действующее законодательство Российской Федерации, законные права и интересы третьих лиц. Вы подтверждаете, что вся предоставленная информация заполнена Вами в отношении себя лично.

Настоящее согласие действует в течение всего периода хранения персональных данных, если иное не предусмотрено законодательством Российской Федерации.

Принимаю условия соглашения
Tue, 17 Oct 2017 03:14:15