Семимильные шаги развития органической и печатной электроники
Последние десять лет мир переживает бум
развития органической и печатной электроники, которая постепенно
начинает отыгрывать первые рубежи у классической неорганической
(кремниевой) электроники. Никогда ещё такими быстрыми темпами не
сокращался временной промежуток между фундаментальными исследованиями и
их практическим применением. Уже появились серийные производства новых
изделий и прототипы гибких и лёгких, тонких и недорогих органических
электронных устройств. Сотни компаний и научно-исследовательских
институтов участвуют в гонке за новый рынок, который, по расчётам,
достигнет объёмов в 35 миллиардов долларов в 2015 году и через десять
лет на порядок увеличится. Что происходит в России в области
органической и печатной электроники?
Гибкие приборы
История этого научного направления началась в 1977 году, когда химики
Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидэки Сиракава опубликовали свои
исследования, 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 комбинирует разработки в физике твёрдого тела и молекулярной физике, органической и неорганической химии и наук о материалах, электронике и печатном деле.
В 2000 году основатели прорывного направления получили Нобелевскую премию по химии «За открытие проводимости в полимерах».
Органическая и печатная электроника – это новая
технология, которая позволит выпускать тонкие и гибкие устройства,
например с помощью недорогого рулонного производства
(roll-to-roll-процесса). Электронные приборы и их компоненты можно
печатать на принтере, если в качестве чернил использовать материалы с
углеродными соединениями. Так можно производить всю линейку
электрических и электронных компонентов микросхем – от транзисторов,
памяти и батарей до процессоров, датчиков и дисплеев, когда
светоизлучающие полимеры печатаются на пластмассовых, металлических или
бумажных плёнках. Это «умная» упаковка, освещение на органических
светодиодах – OLED (organic light-emitting diode), дешёвые электронные
метки радиочастотной идентификации RFID (radio frequency
identification), скручиваемые в рулон дисплеи, гибкие солнечные батареи,
одноразовые приборы для диагностики и новые игрушки, гибкие сенсорные
экраны, печатные батареи, транзисторы и устройства памяти. Плюсы и
минусы органических гаджетов
Органическая электроника имеет неоспоримые
преимущества перед неорганической, которая постепенно подходит к своим
физическим пределам. Это низкая стоимость в перспективе, недорогое
экологичное производство (печатные технологии) органических элементов,
их универсальные качества – маленький вес, гибкость, прозрачность,
длительный срок хранения и надёжность, возможность печатать многие
компоненты электронных устройств «в одном флаконе».
При этом не надо использовать затратные вакуумные процессы, стоимость оборудования в десятки раз ниже, чем в микроэлектронном производстве.
Основное преимущество органической электроники в том, что на рулоне
струйным принтером, гравюрной печатью или другим способом наносятся все
компоненты, причём скорость движения рулона может достигать 10 метров в
минуту. А это говорит о высокой производительности и низкой
себестоимости.
Можно быстро и дёшево реализовать любую схемотехническую идею,
сначала выполнив её на компьютере, а потом распечатать на подложке.
Стоимость таких производств по сравнению с производствами кремниевой
электроники на порядок ниже.
«Почему печатные технологии нам интересны? Это потенциал взрывного
роста, особенно в пяти-шестилетней перспективе. … Мы считаем эту область
перспективной для венчурных инвестиций, хотя она, по моей оценке,
находится на том уровне, который кремниевая электроника достигла 40–50
лет назад», – заявил на IV Международном форуме по нанотехнологиям
Rusnanotex Георгий Колпачев, управляющий директор «Роснано».
С другой стороны, производство малых партий очень дорого, невероятно
затратными оказываются изменения производства и дизайна, эффективность
работы и срок жизни некоторых изделий остаются недостаточно высокими, да
и исследованиям в области органической электроники необходимы всё
большие вложения.
Опрошенные эксперты сходятся во мнении: предстоит
немало потрудиться, чтобы справиться с проблемами, которые сегодня
мешают запустить «органические гаджеты» в массовое производство.
«Огромный прогресс пластиковой электроники, который мы наблюдаем
сегодня, на мой взгляд, в основном остаётся в сфере фундаментальных
исследований, а отставание от неорганической электроники пока не
уменьшается. Но даже в фундаментальной области учёным предстоит решить
исключительно важные проблемы, связанные с поиском новых материалов –
бездефектных полимеров. И это несмотря на все усилия, предпринимаемые
человечеством, свидетельство которых – несколько последних премий по
физике и химии, связанных с исследованиями в этой области», – считает
Валерий Кобрянский, ведущий сотрудник ФИАН, доктор химических наук.
Органические светодиоды
Чтобы выделить приоритетные направления развития новой отрасли,
которые находятся на разных стадиях развития, – от фундаментальных
исследований до серийного производства, и обозначить главные проблемы,
участники отрасли составляют так называемые дорожные карты. Свою дорожную карту для органической и печатной электроники
в июне 2011 года на конференции во Франкфурте представила OE-A
(Ассоциация органической электроники). Это международная рабочая группа,
которая объединяет деятельность более 180-ти производящих компаний и
научно-исследовательских институтов из 29 стран Европы, Северной
Америки, Азии и Австралии в органической и печатной электронике.
Согласно этой дорожной карте, OLED-дисплеи и освещение представляют
собой прорывное направление.
 Рис. 1. Органические светодиоды (OLED) фирмы BASF.
OLED – органические светодиоды, в которых в качестве излучающего слоя используют органический полимер.
Последние десять лет органические светодиоды производят в массовом
порядке и встраивают в мобильные телефоны, навигаторы, светильники.
Уникальные свойства этих светодиодов ещё не научились эффективно
использовать: низкую стоимость при использовании методов печати,
возможность создавать светящиеся панели большой площади с высоким
качеством изображения, а также сверхтонкие, гибкие и прозрачные экраны и
источники освещения (в том числе с использованием гибридных
материалов). Поэтому захват рынка органическими светодиодами произойдёт
не раньше чем через 5–10 лет.
По оценкам экспертов OE-A, к 2014 году компании начнут
производить сворачиваемые в рулон цветные дисплеи, OLED-телевизоры, на
рынке появится декоративное освещение, к 2019-му – электронные обои и
гибкие осветительные элементы, а после 2020 года органические светодиоды
Однако до того как начнут сбываться предсказания экспертов,
предстоит разобраться с серьёзными проблемами OLED. Сегодня им не
хватает яркости, у них недостаточное время непрерывной работы (должно
быть не менее 15 тысяч часов); налицо быстрое старение под влиянием
кислорода и влаги, причём разные цвета деградируют с разной скоростью
(проблема «синего цвета»), и высокая стоимость из-за использования в
качестве анода дорогого оксида с индием и оловом (ITO). Согласно
дорожной карте «Роснано» («Использование нанотехнологий в производстве
светодиодов», 2010), перспективными для применения светодиодов считаются
следующие направления: мобильные электронные устройства, дисплеи
больших размеров, электронно-бытовые и промышленные устройства,
сигнальные устройства, транспортные средства, наружная архитектурная и
декоративная подсветка и освещение. Особое внимание уделяется применению
светодиодов для освещения. В это направление Россия планирует вложить
большие средства: к 2015 году они составят около 20 миллионов долларов
(для сравнения – в мировом масштабе в освещение на OLED вкладывают
миллиард долларов), к 2020 году – в пять раз больше (а в мировом
масштабе вложения составят два миллиарда долларов). Правда, это – самый
оптимистичный сценарий развития событий при должном уровне поддержки со
стороны государства и своевременном решении нормативных вопросов.
Рис. 2. Lumiblade Living Shapes – это самая большая в мире инсталляция
из органических светодиодов, которая состоит из 72 OLED-панелей,
вмещающих 1152 органических светодиода.
«В нашей стране в основном развиваются такие направления
органической электроники, как освещение, дисплеи и солнечные батареи. И я
абсолютно убеждён, что это вопрос времени и больших денег, когда они
займут свою нишу, а существующие дисплеи будут заменены OLED», – говорит
Алексей Витухновский, заведующий Отделом люминесценции им. С. И.
Вавилова ФИАН, председатель научного совета по люминесценции РАН, доктор
физико-математических наук.
Тем не менее, рассказывает учёный, в нашей стране органическими
светодиодами и материалами для них занимаются разрозненные группы: в
ФИАНе, в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе, в Институте
физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина, Институте проблем
химической физики, Институте синтетических полимерных материалов им. Н.
С. Ениколопова, Центре фотохимии. Прототипы органических светодиодов
создаёт ОАО ЦНИИ «Циклон» – они закупили южно-корейскую пилотную линию.
Хотя нам известны принципы работы органических
светодиодов, многое остаётся неясным, и, самое главное, основные
показатели работы пока невысоки. Так, одна из главных характеристик их
эффективности – внешний квантовый выход – доходит до 20–22 процентов, а
важный энергетический показатель – светоотдача – 50 Лм/Вт.
Между тем, американские и европейские производители собираются
выпускать OLED в 100 Лм/Вт уже в 2015 году. Главные игроки на этом рынке
в Европе, компании BASF, OSRAM Opto Semiconductors, Philips и AIXTRON,
финансируемые немецким Министерством образования и науки, объединили
свои усилия в структуре «TOPAS-2012», чтобы разработать новые материалы и
рулонные технологии для производства светодиодов, в основном для нужд
освещения.
Очень активны в этой области Samsung, NOVALED и американские
компании, например Applied materials и General Electric. Все
производители демонстрируют неплохие опытные образцы, но до массового
производства коммерчески успешных органических светодиодов пока
не дошло.
 Рис. 3. Телевизор компании Samsung с прозрачным OLED-экраном.
«Если сейчас вложить большие средства в эту отрасль, то совместными
усилиями можно сделать мощный рывок, улучшив показатели светодиодов, –
считает Витухновский. – Пять лет мы сотрудничали с ОАО "ЦНИТИ Техномаш” в
рамках госконтракта, который перешёл в ОКР, по разработке
светоизлучающих устройств для освещения. Теперь мы планируем подписать с
ними очередной договор по разработке перспективных
"roll-to-roll”-технологий для производства светодиодов».
Как продлить «жизнь» светодиодам?
«Глобальная проблема во всей полимерной электронике – стабильная
работа. Чтобы предотвратить деградацию материала, сегодня используют
разные возможности. Например, самый надёжный способ – это капсуляция,
другой – использование специальных добавок – ингибиторов, замедляющих
процесс окисления, или веществ, которые "подсасывают” кислород и воздух,
не позволяют влаге накапливаться внутри устройства (как силикагель)», –
объясняет Дмитрий Годовский, кандидат физико-математических наук,
ведущий инженер и руководитель химического отдела LG Technology Center
of Moscow.
 Рис. 4. Цвет материала можно менять, используя квантовые точки разного размера.
«Чтобы стало понятно, насколько это исключительно трудная задача, я
на лекциях для студентов привожу такую аналогию: представьте, что
футбольное поле залито слоем воды, и ваша задача закапсулировать его
таким образом, чтобы за день в грунт не просочилась ни одна капля, –
рассказывает Витухновский. – Но частично она уже решена, и лучшим
капсулятором считается оптический сапфир, нанесённый в виде плёнок
послойно. Сейчас мы ведём переговоры о покупке современной финской
технологии капсулирования с нанесением барьерного слоя, чтобы
изготавливать опытные образцы. Другая возможность получить более стойкие
светодиоды – использовать гибридные материалы. Ещё одно направление в
нашем отделе мы развиваем вместе с партнёрами с факультета наук о
материалах МГУ (группа Романа Васильева): мы получили грант от
Министерства образования и науки РФ на разработку OLED с использованием
неорганических квантовых точек. Наши коллеги с ФНМ разработали
технологию получения нанокристаллов методами коллоидной химии. Меняя
размер квантовых точек-нанокристаллов (2, 4, 6 нанометров в диаметре),
можно получить разные свойства материалов (так называемый
квантоворазмерный эффект), у 2-нанометрового кристалла синее излучение,
большой энергетический зазор, у 4 – зелёное, у 6 – красное. То есть
можно получить разные цвета в одном материале, а не использовать разные
люминофоры. Соответственно, чтобы получить белый свет, нанокристаллы
надо смешать в нужной пропорции. Мы сделали теоретическую часть работы и
потратили немало времени на создание такой технологии, у нас есть
квантовые точки, успешно проведены первые проверки, пока всё идёт
неплохо».
Источник(и): 1. nanojournal.ru
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2012/semimilnye-shagi-razvitiya-organicheskoi-pechatnoi-elektroniki
|
