eng
Выпуск #4/2012
А.Нисан
Перспективы развития органических и печатных компонентов по материалам Ассоциации органической электроники
Перспективы развития органических и печатных компонентов по материалам Ассоциации органической электроники
Просмотры: 4062
Одна их самых современных и активно развивающихся областей электроники – печатные и органические технологии. Сегодня уже серийно выпускаются гибкие печатные модули памяти и батареи, которые находят применение в "умных" товарных упаковках и игрушках. Изготовленные по полностью печатной технологии RFID-метки становятся дешевой альтернативой традиционным, использующим кремниевые чипы меткам.
В конце 2011 года Ассоциация органической и печатной электроники (OE-A) опубликовала новую версию "дорожной карты" – перспектив развития органической и печатной электроники [1]. В ней рассматривается пять направлений – освещение, органические солнечные батареи, гибкие экраны, компоненты, интегрированные "умные" системы. Статья посвящена перспективам развития печатных компонентов. В этом направлении можно выделить следующие группы: RFID-метки, память, батареи, транзисторы и пассивные компоненты (рис.1).
Печатные RFID-метки
Радиочастотная идентификация (RFID) – один из методов бесконтактной автоматической идентификации. Он подразумевает считывание и/или запись по радиоканалу данных, хранящихся в метках.
Существуют два вида RFID-меток. Пассивные метки не имеют собственного источника энергии и активируются считывающим устройством, передающим энергию, например, на частоте 13,56 МГц (ВЧ-метки) или 850–950 МГц (СВЧ-метки). После активации пассивная метка передает считывающему устройству хранящуюся в ней информацию. Активные RFID-метки снабжены батареями, что позволяет не только считывать их сигнал на большем по сравнению с пассивными метками расстоянии, но и размещать в них датчики, например, для контроля температуры скоропортящихся продуктов. Сегодня наиболее широко RFID-метки применяются в системах проверки билетов или пропусков, в магазинах розничной торговли для предотвращения краж и идентификации грузов.
При печатной технологии производства RFID-меток логическая схема и память формируются технологиями печатной электроники, а антенна может быть вытравлена из меди или алюминия (как в традиционных метках), напечатана проводящими чернилами или нанесена другими аддитивными технологиями. Первая полностью напечатанная RFID-метка (рис.2) была представлена в 2010 году Университетом Сунчхона (Южная Корея), однако она могла хранить лишь 1 бит информации. В том же году удалось увеличить емкость памяти до 16 бит [2].
Печатные технологии позволят массово производить более дешевые по сравнению с традиционными, использующими кремниевые чипы, печатные метки. Однако они будут уступать традиционным по многим параметрам, например, по объему памяти, скорости передачи данных и максимальному расстоянию считывания. Поэтому ожидается, что печатные RFID-метки будут в первую очередь применяться в тех областях, в которых пока невозможно использовать традиционные, например, в электронной защите торговой марки (brand protection). Однако с развитием технологий печати характеристики меток будут улучшаться, а области их применения расширяться (табл.1, рис.3).
По прогнозам OE-A, традиционные метки будут и далее использоваться в случаях, когда необходимо обеспечить высокие технические параметры, а печатные метки станут выгодной альтернативой при крупносерийном производстве дешевых меток со сравнительно малыми возможностями. Например, печатные RFID-метки могут в будущем заменить штрих-код на товарах и продуктах (рис.4). Это не только ускорит обработку покупок на кассе в розничных магазинах, но также позволит контролировать наличие товаров и степень свежести продуктов (метки будут автоматически считываться с товаров в корзинке или тележке и с находящихся на полках).
Работы в этом направлении ведутся и в России. Например, в 2011 году стартовал проект под названием "Магазин будущего. Создание технологического решения по внедрению и эксплуатации RFID–технологий", в котором участвуют ГК РОСНАНО, X5 Retail Group, ОАО "Ситроникс" и проектная компания ООО "Магазин будущего" [3]. Однако в рамках этого проекта разрабатываются решения на основе традиционных, а не печатных меток.
Печатная память
Модули памяти можно разделить на три вида. Наиболее проста в производстве так называемая постоянная память (Read-only memory, ROM), содержание которой определяется на этапе изготовления и не может быть изменено в дальнейшем. Более сложна в производстве память с однократной записью и многократным считыванием (Write once, read many, WORM). Для многократного изменения содержания памяти используется перезаписываемая энергонезависимая память (Non-volatile random access memory, NV-RAM, рис.5).
Серийное производство печатных модулей памяти по рулонной технологии впервые было запущено в 2009 году норвежской фирмой Thin Film Electronics ASA (Thinfilm) [4]. Произведенная этой фирмой печатная память нашла применение в RFID-метках, защите интересов торговой марки и в интерактивных игрушках (рис.6). Например, ребенок сможет "оживить" игрового персонажа, нарисованного на карточке, вставив ее в игровое устройство. Новые карточки позволят добавлять в игру персонажей или открывать новые уровни, их также можно использовать для сохранения состояния игры [5].
Сегодня на рынке имеются все три типа памяти (табл.2), но область их применения пока сильно ограничена малой емкостью (в большинстве случаев – не более 100 бит). За ближайшее десятилетие емкость и быстродействие серийно выпускаемой печатной памяти увеличатся в десятки раз. Ожидается, что ее объем составит до 5000 бит, а скорость передачи данных – до 10 кбит/с (рис.7).
Печатные батареи
Большинство изделий органической и печатной электроники являются портативными и, соответственно, нуждаются в компактных источниках питания. Поэтому для успешного и перспективного развития этих устройств необходима разработка гибких печатных батарей. Уже сегодня несколько фирм серийно производят такие изделия. Более того, в начале 2012 года компания Blue Spark Technologies, один из ведущих производителей тонких гибких печатных батарей, заявила об открытии нового крупносерийного производства в городе Вест Бенд (штат Висконсин, США) [6], которое позволит расширить возможности компании по выпуску гибких марганцево-цинковых батарей и удовлетворить растущую потребность в изделиях печатной электроники. Заявленная производительность нового завода – более 300 млн. печатных батарей в год, что говорит о достаточно высоком спросе на эти изделия. На рис.8 представлена фотография серийно выпускаемой печатной батареи ST1-104 с рабочим напряжением 1,5 В, максимальным током 1–2 мА, емкостью 33 мА/ч и габаритами 55×47×0,75 мм.
Выпускаемые сейчас батареи производятся отдельно и в готовом виде встраиваются в конечный продукт, но слои батарей формируются не только печатными методами. В перспективе следующее поколение батарей будет уже полностью печатным, а третье поколение – и вовсе будет печататься на изделиях в процессе их производства (табл.3, рис.9, 10).
Пассивные компоненты
В большинстве случаев проводящий рисунок печатается серебряными пастами или чернилами. Золотые, медные и органические проводящие чернила используются реже. Гибкие основания не выдерживают высоких температур, требуемых для спекания частиц металла "обычного" (микронного и более) размера, поэтому для снижения температуры спекания приходится использовать чернила с частицами металла диаметром несколько нанометров. Например, температура плавления золота (массивного материала) составляет 1063°C, а частицы золота размером 2 нм плавятся уже при температуре примерно 150°C [9].
Печатные антенны, как правило, также формируются из серебряных паст. Разработаны технологии печати антенн на различных основаниях, в том числе, на бумаге, полиэтилентерефталате, полиимиде и ткани (рис.11). Для печати резисторов, конденсаторов и индуктивностей существует особый подход.
Транзисторы
Сравнительно низкое разрешение (десятки микрон) технологий печати ограничивает степень интеграции печатных транзисторов. Для устранения этого недостатка специалистами из Калифорнийского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха предложена оригинальная технология струйной печати с селективным лазерным спеканием [9]. В этой технологии проводящие чернила с частицами золота (диаметр частиц 1–3 нм) методом струйной печати наносятся на те участки основания, где должен быть проводящий рисунок. Затем отпечатки чернил выборочно спекаются лазером, а не засвеченные лазером чернила удаляются растворителем. Такая технология позволила напечатать транзисторы с длиной канала 10 мкм (рис.12а) и 1,5 мкм (рис.12б).
В 2011 году Imec, Polymer Vision и TNO представили процессор, состоящий из 4000 органических транзисторов (рис.13). В качестве основания использовалась 25-микронная пластиковая пленка. На нее наносился слой золота толщиной 25 нм, из которого затем вытравливался проводящий рисунок. После этого поверх него создавались слои органического диэлектрика, золота для создания проводящего рисунка и органического полупроводника пентацена. Полученный восьмибитный процессор работал на частоте 6 Гц [10].
Еще одна интересная новинка прошлого года в мире компонентов органической и печатной электроники – энергонезависимая ферроэлектрическая органическая печатная память со схемой адресации на печатных транзисторах (рис.14) – была продемонстрирована фирмами Thinfilm и PARC [11].
* * *
Краткий анализ развития RFID-меток, памяти, батарей, транзисторов и пассивных компонентов убедительно свидетельствует о том, что это направление органической и печатной электроники постепенно "становится на ноги". Некоторые печатные компоненты - батареи, модули памяти, антенны для RFID – уже производятся серийно. В следующих публикациях будут рассмотрены перспективы развития других направлений в этой области электроники.
Литература
White paper "OE-A Roadmap for Organic and Printed Electronics", 4th edition, december 2011.
http://www.wired.com/wiredscience/2010/03/rfid/
http://www.rusnanonet.ru/products/58083
http://www.thinfilm.no/news/press-releases/131-material-synthesis
https://www.inventables.com/technologies/printed-rewritable-memory-development-kit
http://www.bizjournals.com/milwaukee/print-edition/2012/02/10/ohio-firm-opens-west-bend-facility.html
http://www.printedelectronicsnow.com/articles/2009/10/novalia-blue-spark-team-up-on-interactive-pe-proje
http://www.youtube.com/watch?v=lpxe6uzuM4M
Seung H. Ko et al. All-inkjet-printed flexible electronics fabrication on a polymer substrate by low-temperature high-resolution selective laser sintering of metal nanoparticles. – Nanotechnology, 2007, в.18.
http://www.technologyreview.com/news/423410/the-first-plastic-computer-processor/
http://www.thinfilm.no/news/press-releases/274-thinfilm-unveils-first-scalable-printed-cmos-memory
Печатные RFID-метки
Радиочастотная идентификация (RFID) – один из методов бесконтактной автоматической идентификации. Он подразумевает считывание и/или запись по радиоканалу данных, хранящихся в метках.
Существуют два вида RFID-меток. Пассивные метки не имеют собственного источника энергии и активируются считывающим устройством, передающим энергию, например, на частоте 13,56 МГц (ВЧ-метки) или 850–950 МГц (СВЧ-метки). После активации пассивная метка передает считывающему устройству хранящуюся в ней информацию. Активные RFID-метки снабжены батареями, что позволяет не только считывать их сигнал на большем по сравнению с пассивными метками расстоянии, но и размещать в них датчики, например, для контроля температуры скоропортящихся продуктов. Сегодня наиболее широко RFID-метки применяются в системах проверки билетов или пропусков, в магазинах розничной торговли для предотвращения краж и идентификации грузов.
При печатной технологии производства RFID-меток логическая схема и память формируются технологиями печатной электроники, а антенна может быть вытравлена из меди или алюминия (как в традиционных метках), напечатана проводящими чернилами или нанесена другими аддитивными технологиями. Первая полностью напечатанная RFID-метка (рис.2) была представлена в 2010 году Университетом Сунчхона (Южная Корея), однако она могла хранить лишь 1 бит информации. В том же году удалось увеличить емкость памяти до 16 бит [2].
Печатные технологии позволят массово производить более дешевые по сравнению с традиционными, использующими кремниевые чипы, печатные метки. Однако они будут уступать традиционным по многим параметрам, например, по объему памяти, скорости передачи данных и максимальному расстоянию считывания. Поэтому ожидается, что печатные RFID-метки будут в первую очередь применяться в тех областях, в которых пока невозможно использовать традиционные, например, в электронной защите торговой марки (brand protection). Однако с развитием технологий печати характеристики меток будут улучшаться, а области их применения расширяться (табл.1, рис.3).
По прогнозам OE-A, традиционные метки будут и далее использоваться в случаях, когда необходимо обеспечить высокие технические параметры, а печатные метки станут выгодной альтернативой при крупносерийном производстве дешевых меток со сравнительно малыми возможностями. Например, печатные RFID-метки могут в будущем заменить штрих-код на товарах и продуктах (рис.4). Это не только ускорит обработку покупок на кассе в розничных магазинах, но также позволит контролировать наличие товаров и степень свежести продуктов (метки будут автоматически считываться с товаров в корзинке или тележке и с находящихся на полках).
Работы в этом направлении ведутся и в России. Например, в 2011 году стартовал проект под названием "Магазин будущего. Создание технологического решения по внедрению и эксплуатации RFID–технологий", в котором участвуют ГК РОСНАНО, X5 Retail Group, ОАО "Ситроникс" и проектная компания ООО "Магазин будущего" [3]. Однако в рамках этого проекта разрабатываются решения на основе традиционных, а не печатных меток.
Печатная память
Модули памяти можно разделить на три вида. Наиболее проста в производстве так называемая постоянная память (Read-only memory, ROM), содержание которой определяется на этапе изготовления и не может быть изменено в дальнейшем. Более сложна в производстве память с однократной записью и многократным считыванием (Write once, read many, WORM). Для многократного изменения содержания памяти используется перезаписываемая энергонезависимая память (Non-volatile random access memory, NV-RAM, рис.5).
Серийное производство печатных модулей памяти по рулонной технологии впервые было запущено в 2009 году норвежской фирмой Thin Film Electronics ASA (Thinfilm) [4]. Произведенная этой фирмой печатная память нашла применение в RFID-метках, защите интересов торговой марки и в интерактивных игрушках (рис.6). Например, ребенок сможет "оживить" игрового персонажа, нарисованного на карточке, вставив ее в игровое устройство. Новые карточки позволят добавлять в игру персонажей или открывать новые уровни, их также можно использовать для сохранения состояния игры [5].
Сегодня на рынке имеются все три типа памяти (табл.2), но область их применения пока сильно ограничена малой емкостью (в большинстве случаев – не более 100 бит). За ближайшее десятилетие емкость и быстродействие серийно выпускаемой печатной памяти увеличатся в десятки раз. Ожидается, что ее объем составит до 5000 бит, а скорость передачи данных – до 10 кбит/с (рис.7).
Печатные батареи
Большинство изделий органической и печатной электроники являются портативными и, соответственно, нуждаются в компактных источниках питания. Поэтому для успешного и перспективного развития этих устройств необходима разработка гибких печатных батарей. Уже сегодня несколько фирм серийно производят такие изделия. Более того, в начале 2012 года компания Blue Spark Technologies, один из ведущих производителей тонких гибких печатных батарей, заявила об открытии нового крупносерийного производства в городе Вест Бенд (штат Висконсин, США) [6], которое позволит расширить возможности компании по выпуску гибких марганцево-цинковых батарей и удовлетворить растущую потребность в изделиях печатной электроники. Заявленная производительность нового завода – более 300 млн. печатных батарей в год, что говорит о достаточно высоком спросе на эти изделия. На рис.8 представлена фотография серийно выпускаемой печатной батареи ST1-104 с рабочим напряжением 1,5 В, максимальным током 1–2 мА, емкостью 33 мА/ч и габаритами 55×47×0,75 мм.
Выпускаемые сейчас батареи производятся отдельно и в готовом виде встраиваются в конечный продукт, но слои батарей формируются не только печатными методами. В перспективе следующее поколение батарей будет уже полностью печатным, а третье поколение – и вовсе будет печататься на изделиях в процессе их производства (табл.3, рис.9, 10).
Пассивные компоненты
В большинстве случаев проводящий рисунок печатается серебряными пастами или чернилами. Золотые, медные и органические проводящие чернила используются реже. Гибкие основания не выдерживают высоких температур, требуемых для спекания частиц металла "обычного" (микронного и более) размера, поэтому для снижения температуры спекания приходится использовать чернила с частицами металла диаметром несколько нанометров. Например, температура плавления золота (массивного материала) составляет 1063°C, а частицы золота размером 2 нм плавятся уже при температуре примерно 150°C [9].
Печатные антенны, как правило, также формируются из серебряных паст. Разработаны технологии печати антенн на различных основаниях, в том числе, на бумаге, полиэтилентерефталате, полиимиде и ткани (рис.11). Для печати резисторов, конденсаторов и индуктивностей существует особый подход.
Транзисторы
Сравнительно низкое разрешение (десятки микрон) технологий печати ограничивает степень интеграции печатных транзисторов. Для устранения этого недостатка специалистами из Калифорнийского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха предложена оригинальная технология струйной печати с селективным лазерным спеканием [9]. В этой технологии проводящие чернила с частицами золота (диаметр частиц 1–3 нм) методом струйной печати наносятся на те участки основания, где должен быть проводящий рисунок. Затем отпечатки чернил выборочно спекаются лазером, а не засвеченные лазером чернила удаляются растворителем. Такая технология позволила напечатать транзисторы с длиной канала 10 мкм (рис.12а) и 1,5 мкм (рис.12б).
В 2011 году Imec, Polymer Vision и TNO представили процессор, состоящий из 4000 органических транзисторов (рис.13). В качестве основания использовалась 25-микронная пластиковая пленка. На нее наносился слой золота толщиной 25 нм, из которого затем вытравливался проводящий рисунок. После этого поверх него создавались слои органического диэлектрика, золота для создания проводящего рисунка и органического полупроводника пентацена. Полученный восьмибитный процессор работал на частоте 6 Гц [10].
Еще одна интересная новинка прошлого года в мире компонентов органической и печатной электроники – энергонезависимая ферроэлектрическая органическая печатная память со схемой адресации на печатных транзисторах (рис.14) – была продемонстрирована фирмами Thinfilm и PARC [11].
* * *
Краткий анализ развития RFID-меток, памяти, батарей, транзисторов и пассивных компонентов убедительно свидетельствует о том, что это направление органической и печатной электроники постепенно "становится на ноги". Некоторые печатные компоненты - батареи, модули памяти, антенны для RFID – уже производятся серийно. В следующих публикациях будут рассмотрены перспективы развития других направлений в этой области электроники.
Литература
White paper "OE-A Roadmap for Organic and Printed Electronics", 4th edition, december 2011.
http://www.wired.com/wiredscience/2010/03/rfid/
http://www.rusnanonet.ru/products/58083
http://www.thinfilm.no/news/press-releases/131-material-synthesis
https://www.inventables.com/technologies/printed-rewritable-memory-development-kit
http://www.bizjournals.com/milwaukee/print-edition/2012/02/10/ohio-firm-opens-west-bend-facility.html
http://www.printedelectronicsnow.com/articles/2009/10/novalia-blue-spark-team-up-on-interactive-pe-proje
http://www.youtube.com/watch?v=lpxe6uzuM4M
Seung H. Ko et al. All-inkjet-printed flexible electronics fabrication on a polymer substrate by low-temperature high-resolution selective laser sintering of metal nanoparticles. – Nanotechnology, 2007, в.18.
http://www.technologyreview.com/news/423410/the-first-plastic-computer-processor/
http://www.thinfilm.no/news/press-releases/274-thinfilm-unveils-first-scalable-printed-cmos-memory
Отзывы читателей
