Перспективы развития органической и печатной электроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы развития органической и печатной электроники

Лачинов А.А.

Непрерывное развитие рынка электронных устройств выдвигает все более жесткие требования к эксплуатационным параметрам и технологиям производства микроэлектронных компонентов - структурных единиц конечных устройств. Один из основных трендов - это увеличение массовости производства при снижении издержек, а также усложнение конечного продукта. Поиск решений традиционно делится на работу в области традиционной, кремниевой электроники и в новых технологических областях. Одним из наиболее перспективных направлений является органическая электроника, а также тесно связанная с ней печатная электроника.

Органическая электроника

Органическая электроника - электроника на основе синтетических органических материалов (полимерах, низкомолекулярных соединениях). В мире она позиционируется как замена обычной кремниевой технологии в тех областях, где важна массовость производства. Органические материалы относительно дешевы в производстве, существует огромное количество вариантов синтеза материалов с заранее заданными свойствами. Кроме того, органические соединения можно наносить так называемыми "аддитивными" методами, при которых материал применяется только в том месте, в котором он должен функционировать, без необходимости использования масок и процессов удаления материала. В первую очередь к таким методам относится "струйная печать". органический электроника потребительский

Органическая электроника приносит новые потребительские свойства в традиционные устройства и открывает возможности для создания новых устройств. Органические материалы легче, пластичнее, им проще придавать нужную форму, что позволяет изготавливать гибкие и прозрачные дисплеи, батареи, сенсорные массивы, элементы памяти и, соответственно, гибкие и прозрачные конечные устройства. Это способствовало появлению на рынке новых устройств: электронная бумага, "умная (smart) упаковка" (анализирующая и информирующая о состоянии содержимого), "умная одежда" (аккумулирующая энергию, анализирующая состояние тела человека) и т.п. Сильна взаимосвязь органической электроники и технологии "Интернета вещей", когда в одном устройстве необходимо совместить источник энергии, анализатор и передатчик сигнала при минимальной стоимости и высокой степени интеграции в устройство или конструкцию.

Печатная электроника

Небольшой уровень производственных издержек и высокая производительность методов изготовления устройств органической электроники обусловлены тем, что органические материалы позволяют производить изделия методами печати. Данная технология повышает эффективность использования сырья (с 20% до 80%) и значительно увеличивает производительность.

С точки зрения технологичности печать намного проще термовакуумного напыления и фотолитографии. В Таблице 1 приведено сравнение технологических маршрутов традиционной, кремниевой технологии и технологии струйной печати. Из таблицы видно, что печатные методы позволяют сократить технологические этапы в несколько раз. Кроме того, печать не требует создания высокого вакуума, а также нагрева испаряемого вещества при его напылении. Это приводит к снижению энергопотребления при производстве устройств микроэлектроники.

Высокая пластичность органических материалов позволяет наносить их на гибкие подложки, что дает возможность использовать еще одну печатную технологию - рулонную печать (Roll-to-Roll). В данном случае подача подложки для формирования устройства происходит путем непрерывной подачи с рулона, после чего на подложку наносятся функциональные чернила, обеспечивается прохождение необходимых технологических стадий. Изделия сматываются в финишный рулон или разрезаются на отдельные устройства (рисунок 1). Сочетание печатных и рулонных технологий позволяет добиться многократного удешевления производства по сравнению с традиционными методами.

Рисунок 1. Схема рулонной печати.

Рыночные возможности

По данным маркетинговой компании IDTechEx рынок печатной, органической и гибкой электроники вырастет с $23.97 миллиарда в 2014 году до $70.39 миллиарда в 2024 году. Основным сегментом являются органические светодиодные дисплеи и проводящие чернила, используемые при производстве широкого спектра устройств. Кроме того, гибкая электроника, логические устройства, устройства хранения данных, тонкопленочные сенсоры представляют меньшие сегменты рынка, но при этом обладают большим потенциалом к росту после прохождения этапа НИОКР Printed, Organic & Flexible Electronics Forecasts, Players & Opportunities 2014-2024. By Raghu Das and Dr Peter Harrop. IDTechEx. August 2014..

На Рисунке 2 представлена дорожная карта развития технологий и устройств органической и печатной электроники. Как видно из схемы, сейчас рынок находится на начальном этапе развития, современные устройства довольно простые, занимающие небольшой сегмент рынка. Это обусловлено в первую очередь недостатком научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Во всем мире органической и печатной электроникой занимаются намного меньше компаний и исследовательских институтов, чем традиционной электроникой.

Рисунок 2. Дорожная карта развития органической и печатной электроники Organic and Printed Electronics. Applications, Technologies and Suppliers. 5th edition, 2013, Organic Electronic Association..

Перспективы отечественных производителей и разработчиков

Новизна технологий органической и печатной электроники, ранняя стадия формирования рынка соответствующих устройств обусловливают дополнительные проблемы при разработке и внедрении новых технологий в данных областях. Но одновременно эти факторы являются дополнительным преимуществом для проектов, реализуемых отечественными исследовательскими и технологическими группами. При наличии научно-исследовательского задела на рынке органической и печатной электроники нет необходимости догонять зарубежные технологии как в случае с кремниевой технологией, фотолитографией и т.п.

К числу основных проблем современной органической электроники относится малая устойчивость к внешним воздействиям и небольшая величина подвижности носителей заряда. Полимеры и низкомолекулярные соединения плохо выдерживают ультрафиолетовое излучение, нагрев, контакт с кислородом и водой. Это приводит к ограничению спектра применения таких материалов и к усложнению технологий производства из-за необходимости герметизации и защиты. Подвижность носителей заряда - это важнейший параметр логических устройств, транзисторов, частотных преобразователей и других. Она определяет такие свойства как полупроводниковых приборов как электропроводность, инерционность, частотные характеристики.

Более 30 лет научно-исследовательской работы позволили группе ученых и инженеров создать научный и технологических задел на базе Уфимского научного центра РАН и БГПУ им. М. Акмуллы для разработки новых устройств органической и печатной электроники . Lachinov A., Zherebov A., Kornilov V., Zolotukhin M. Metal phase in electroactive polymer induced by uniaxial pressure. // Synth. Metals. 1997. - Vol.84. - P.735-736; Zherebov A. Yu., Lachinov A. N., Genoe J., Tameev A. R. Polyheteroarylene films with intrinsic switching mechanism for nonvolatile memory applications // Applied Physics Letters. 2008. - Vol.92, 193302; Salikhov R., Lachinov A. Polymer Thin Film Chemical Sensors // Advances in Chemical Sensors. 2011. - P. 215-234.. Тесное взаимодействие ученых химиков, синтезирующих органические электроактивные вещества, и физиков, разрабатывавших и исследовавших электронные устройства, позволило создать полимерные материалы и структуры на их основе, решающие основные задачи органической микроэлектроники:

· невысокая стоимость производства;

· простота изготовления устройств;

· широкий спектр возможностей для синтеза материалов с заданными свойствами;

· стойкость к внешним воздействиям;

· высокие функциональные параметры (чувствительность сенсорных элементов, подвижность носителей заряда логических элементов, конструкционная прочность и т.п.).

Такое комплексное решение стало возможным благодаря широкому спектру эффектов, обнаруженным на несопряженных функциональных полимерах. Во-первых, это эффекты электронного переключения, когда меняется проводящее состояние сенсорных структур при воздействии давления и температуры, электрического и магнитного полей, изменении граничных условий, изменении химического состава окружающей среды и т.п. Во-вторых, электрооптические эффекты, например, электролюминесценция. В-третьих, электронные и квантовые эффекты, приводящие к возникновению состояний двумерного электронного газа, зарядовой модификации поверхности, полевой эмиссии.

В таблице 2 приведены основные конкурентные преимущества разработанных материалов и устройств на их основе. Концентрация на приведенных параметрах была обусловлена спросом, который существует на отечественном и зарубежном рынке микроэлектронных компонент. В последние несколько лет проводится изменение модели проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и внедренческих работ с учетом первостепенности спроса на такие работы от участников реального рынка. В связи с этим были выбраны две основные бизнес-модели - это осуществление заказных НИОКР и создание совместных предприятий при участии фондов прямых и венчурных инвестиций.

Таблица 2

Конкурентные преимущества разрабатываемых технологий.

Заключение

Динамичное развитие электронной техники, постановка все более сложных задач перед ней, ужесточение рыночного спроса приводит к постоянному росту требований к эффективности микроэлектронных компонент и технологиям их производства. Особенно в таких аспектах как массовость производства, снижение издержек, создание новых устройств. Это приводит к тому, что обычная, традиционная электроника не справляется с этими вызовами. Одни из наиболее перспективных способов решения предлагают технологии органической и печатной электроники. Развитие их и соответствующего рынка находится на ранней стадии формирования, что позволяет отечественным организациям занять лидирующие позиции на нем. Более 30 лет ученые и инженеры в России работают в данной отрасли на базе Уфимского научного центра РАН и БГПУ им. М. Акмуллы. Были созданы уникальные методики синтеза полимерных материалов и разработки компонент органической электроники, превосходящих по своим свойствам зарубежные аналоги. В настоящий момент выбрана дальнейшая модель развития этого направления в виде реализации портфеля проектов при непосредственном участии потребителей технологий в научно-исследовательской, технологической, маркетинговой и проектной деятельности. В форме заказных НИОКР, совместных предприятий и других форм сотрудничества, отвечающих интересам партнеров.

Размещено на Allbest.ru