Выставка «Печатная электроника США 2013: что изменилось за год»

В 2013 году мы вновь посетили выставку и конференцию по печатной электронике Printed Electronics USA, прошедшую в конце ноября в Санта-Кларе в Кремниевой долине, чтобы оценить прогресс в развитии этого перспективного направления электроники за прошедший год и поделиться впечатлениями с вами. 

В этом году количество участников выставки составило 160 — это примерно в 1,5 раза больше по сравнению с предыдущим годом. На наш взгляд, основной прирост участников произошел за счет новых поставщиков материалов и оборудования. Конференция в этот раз получилась намного информативнее и представительнее: всего состоялось около 200 докладов, в том числе представителей таких именитых компаний, как: 3M, Boeing, Bosch DuPont, Flextronics, IBM, Intel, Johnson & Johnson, Konica Minolta, Microsoft, Murata, OSRAM, Panasonic, Texas Instruments, Xerox.

На конференции помимо докладов по общим вопросам печатной электроники были организованы отдельные сессии по OLED дисплеям и освещению, солнечным батареям, прозрачным токопроводящим материалам, графену, 3D принтерам, «сбору» энергии (energy harvesting), суперконденсаторам, «интернету вещей».

К сожалению, новых конечных применений полностью или преимущественно печатных серийных изделий мы не обнаружили. Тем не менее, на выставке и конференции был представлен ряд интересных новинок, о которых речь пойдет ниже.

Гибкое стекло для рулонной печати

Компаниями Corning и Schott были представлены тонкие гибкие стекла толщиной 25-200 мкм, которые могут быть использованы как в качестве оснований в рулонной и листовой печати, так и барьерных слоев. Преимущества представленных тонких стекол над обычными стеклами в гибкости, уменьшении толщины и массы, в меньших затратах на производство благодаря возможности применения в рулонных процессах. По сравнению с пластиковыми основаниями, гибкие стекла обеспечивают меньшую влаго и газопроницаемость, более высокую термостойкость (до 500°С) и химическую стойкость, большую светопропускаемость (на 7%), меньшую шероховатость поверхности. Основной недостаток тонких стекол по сравнению с пластиковыми основаниями — хрупкость. С этим недостатком борются двумя способами: качественной лазерной резкой стекла, так как прочность стекла во многом определяется качеством реза, и ламинированием или нанесением тонкого слоя полимера.

Подобные стекла могут найти применение в гибких дисплеях как в качестве оснований для формирования транзисторной схемы управления, так и экранных сенсоров, OLED освещении, «умных» окнах.

Термостойкая бумага

Сама идея печати электроники на бумаге не нова и привлекательна хотя бы по двум причинам: с одной стороны, из-за возможности формирования электронных компонентов непосредственно на упаковке или товаре, с другой — из-за большей экологичности, так как бумага изготавливается из возобновляемого сырья, биоразлагаема и может быть сравнительно легко переработана. Для иллюстрации важности экологической составляющей приведем лишь один пример: по данным Управления по охране окружающей среды США3 в 2011 году только в штатах было создано 32 миллиона тонн пластиковых отходов (порядка 100 кг на душу населения), из них только 8% удалось переработать.

Интерес вызывает представленная на выставке бумага PowerCoat, выдерживающая температуру 200°С в течение 5 минут

Но применяемость бумаги в качестве основания для печати электронных компонентов ограничена ее температурной стойкостью 4 и шероховатостью. В этой связи интерес вызывает представленная на выставке бумага PowerCoat РИС 3, выдерживающая температуру 200°С в течение 5 минут. Относительно высокая термостойкость бумаги позволяет добиться в несколько раз меньшего сопротивления печатного рисунка. Бумага подходит для струйной, трафаретной, офсетной, глубокой и флексографской печати, а также лазерной абляции.

Серебряная нанопроволока — замена ITO

Оксид индия и олова (ITO) очень широко применяется в сенсорных емкостных экранах для создания прозрачных проводящих слоев, но малые объемы добычи индия и его невысокая распространенность на Земле, растущая стоимость, а также ограниченная применяемость ITO в гибких дисплеях из-за хрупкости вынуждает компании и исследовательские центры искать альтернативы.

Одной из альтернатив ITO являются проводящие слои из серебряных нанопроволок (nanowire).

Компанией Cambrios были разработаны и коммерциализированы чернила на основе серебряных нанопроволок для формирования проводящих слоев. Совместно с компанией Hitachi разработаны прозрачные пленки TCTF со слоем из серебряных нанопроволок, сухого фоторезиста. Применение этой пленки позволяет примерно в три раза уменьшить количество технологических операций процесса изготовления емкостных сенсоров для дисплеев по сравнению с традиционным процессом изготовления сенсоров на ITO. Удалось достичь следующих характеристик проводящего слоя: сопротивление 10-250 Ом/ при коэффициенте светопропускания 85-91%.

Пленки с токопроводящим слоем из чернил с серебряными нанопроволоками уже используются в производстве емкостных сенсоров для экранов смартфонов NEC и Huawei, мониторов, моноблоков Lenovo и LG.

Печатные аккумуляторы

Гибкие полностью печатные цинкополимерные аккумуляторы были показаны выходцами из Калифорнийского университета в Беркли, организовавшими стартап Imprint Energy. Все слои аккумулятора наносятся трафаретной печатью, а его итоговая толщина не превышает 1 мм, при этом были достигнуты следующие электрические характеристики: среднее напряжение от полностью заряженного состояния до разряда (0,9 В) — 1,25 В, удельная емкость — 13 мА•ч/см2. Печатные аккумуляторы выдержали 4000 циклов во время испытаний на изгиб радиусом 13 мм без существенного изменения емкости. Также печатные аккумуляторы успешно прошли шестинедельные ресурсные испытания, в ходе которых было проведено 210 циклов зарядки и разрядки до глубины разряда 100%, не оказавших существенного влияния на емкость аккумуляторов.

Заключение

Хотя выставка и конференция не представили революционных изменений в печатной электронике за прошедший год, но эволюционное развитие налицо: появляются новые материалы и оборудование, всё больше компаний и исследовательских центров втягиваются в активную деятельность по печатной электронике, демонстрируются новые прототипы и результаты многочисленных исследований. А подытожить рассказ о выставке и конференции хочется, вернувшись к эпиграфу — цитате из отчета NASA по применению печатной электроники в космосе. Если выступление восторженного представителя NASA, взахлеб рассказывающего о печати электроники непосредственно в космосе, вызвало оптимистичные фантазии о месте печатной электроники вне земли, то выставка и конференция в целом убедили в укреплении позиции печатной электроники на земле.