Resumen del desarrollo de la industria de electrónica impresa flexible (Parte 1) — Reseña

La tecnología de electrónica impresa flexible es una tecnología de fabricación electrónica basada en principios de impresión. La tecnología de microelectrónica semiconductora basada en silicio ocupó durante mucho tiempo una posición absoluta dominante en la tecnología electrónica. Sin embargo, debido a la creciente complejidad de la tecnología de fabricación de circuitos integrados basada en silicio y a la enorme inversión requerida, su fabricación está completamente monopolizada por un puñado de grandes empresas en todo el mundo. Por ello, durante la última década, la investigación y desarrollo de materiales semiconductores orgánicos e inorgánicos basados en soluciones ha impulsado la exploración de la fabricación de diversos dispositivos electrónicos utilizando técnicas tradicionales de impresión.

Según los datos de encuestas, la tecnología de electrónica impresa y la industria abarcan una amplia gama, incluyendo materiales orgánicos, inorgánicos o sintéticos que pueden imprimir circuitos o componentes electrónicos, así como transistores, pantallas, sensores, fototubos, baterías, dispositivos de iluminación, conductores, semiconductores y otros dispositivos, así como procesos y productos para la interconexión de circuitos. Aunque el procesamiento de impresión en sí no cuenta con la alta resolución ni la alta integración del micro-nano procesamiento tradicional, sus ventajas de igual superficie, flexibilidad y bajo coste son suficientes para permitir que la electrónica impresa juegue un papel en muchos nuevos campos de aplicación.

Una década en revisión

En cuanto al mercado de la electrónica impresa, la firma británica de investigación de mercado IDTechEx comenzó a rastrearlo hace apenas diez años. La empresa publica informes anuales sobre el desarrollo de la industria de la electrónica impresa, incluyendo evaluaciones y previsiones de mercado. La Figura 157 muestra la evaluación de IDTechEX sobre las perspectivas para el desarrollo de electrónica impresa en 2008. En ese momento, era muy optimista respecto a las perspectivas de la electrónica impresa, comparando los siguientes 20 años de desarrollo de la electrónica impresa con el desarrollo de semiconductores de silicio y microelectrónica de entonces.

Han pasado 10 años desde que se hizo esa predicción en aquel entonces. Mirando atrás al desarrollo de la electrónica impresa en 2018, el mercado no alcanzó el nivel previsto entonces. En 2015, el presidente de Samsung Electronics presentó en la Conferencia Coreana sobre Electrónica Impresa Flexible una comparación del nivel real de desarrollo del mercado de electrónica impresa con las previsiones tempranas de diferentes firmas de investigación de mercado (Gráfico 158). Claramente, el rendimiento real del mercado está lejos de las previsiones anteriores. Un análisis más detallado de los datos de mercado publicados revela que, aunque el mercado parece grande en apariencia, la mayor parte de su cuota en realidad proviene de productos y mercados maduros tradicionales.

Gráfico 158: Comparación del rendimiento y previsión del mercado de electrónica impresa (2015)

El gráfico 159 muestra la distribución de la cuota de mercado de la electrónica impresa publicada por IDTechEx en 2016. El mercado total de 24.200 millones de dólares no solo es electrónica impresa, sino que también incluye electrónica orgánica y flexible. Estos dos últimos tipos de productos no necesariamente se fabrican mediante impresión.

Por ejemplo, el mercado de pantallas OLED, valorado en 16.000 millones de dólares, no entra en la categoría de electrónica impresa y sigue utilizando procesos de fabricación por deposición de vapor al vacío. El mercado de sensores, valorado en 6.500 millones de dólares, consiste principalmente en productos de tiras reactivas de glucosa en sangre, que ya estaban maduros incluso antes de 2008. El mercado de 1.300 millones de dólares para tintas conductoras se centra principalmente en pastas conductoras para electrodos de celda solar de silicio cristalino impreso y electrodos impresos en los bordes de pantallas táctiles, en lugar del emergente mercado de tintas nanoconductoras sinterizadas a baja temperatura.

Durante la última década, algunas de las primeras empresas de electrónica impresa conocidas han experimentado altibajos dramáticos. Por ejemplo, en 2008, la empresa estadounidense Kovio lanzó un producto para preparar transistores de película fina y RFID utilizando tinta de nanosilicio impresa, pionera en nanomateriales inorgánicos impresos y convirtiéndose en pionera en productos. En aquel momento, la industria generalmente creía que el RFID totalmente impreso de Kovio probablemente reemplazaría al RFID de circuito integrado de silicio convencional.

La empresa Konarka en Estados Unidos fue fundada en 2001 y anunció en 2008 la construcción de una línea de producción de células solares orgánicas impresas de 1GW, convirtiéndose en una empresa estrella en la industrialización de la electrónica impresa en ese momento. Sin embargo, ambas empresas desaparecieron una tras otra debido a que sus productos no lograron entrar en el mercado. Otro ejemplo es PolyIC de Alemania, que fue de las primeras internacionalmente en lanzar etiquetas electrónicas orgánicas impresas y películas conductoras transparentes con malla metálica, pero como sus productos no lograron abrir ventas, se dedicaron al desarrollo de otras tecnologías.

En el campo de las películas conductoras transparentes, además de PolyIC, también hay muchas empresas que adoptan hilos de nanoplata recubiertos o nanotubos de carbono que promueven la tecnología de electrónica impresa. Algunas de estas empresas han sobrevivido más de 10 años, pero debido a la feroz competencia del mercado —especialmente las fuertes bajas de precios de los materiales tradicionales ITO y su lucha por mantener sus mercados originales— la mayoría de estas empresas han experimentado un rendimiento tibio en el mercado, y algunas se han retirado completamente del mercado, como Carestream, una empresa temprana que promovía fuertemente películas conductoras transparentes de nano hilo de plata, y Cima, una empresa autoensamblada de nano tinta de plata Empresas de nanotecnología, entre otras.

Desafío

El concepto de la electrónica impresa es muy atractivo. Cuando se menciona la impresión, la gente naturalmente piensa en periódicos y revistas impresos, y en las ventajas de producir en masa productos electrónicos a bajo coste. Sin embargo, para lograr verdaderamente la electrónica impresa como los periódicos, todavía existen muchos desafíos técnicos, industriales y orientados al mercado. Primero, la tecnología de la electrónica impresa tiene limitaciones:

(1) La resolución gráfica del procesamiento impreso es mucho menor que la del micronanoprocesamiento tradicional. Actualmente, las líneas más finas que se pueden lograr imprimiendo son de aproximadamente 1 micra, mientras que los tamaños de patrón procesados por circuitos integrados han alcanzado el rango de 10 nanómetros.

(2) El requisito previo para la electrónica impresa es la disponibilidad de materiales de tinta electrónica imprimibles, pero actualmente los tipos de estos materiales son limitados y generalmente tienen un rendimiento inferior al de sus equivalentes sólidos. Los dispositivos electrónicos impresos también tienen un rendimiento inferior al de los producidos por el micro-nanoprocesamiento tradicional.

(3) Los dispositivos electrónicos suelen requerir estructuras multicapa. Las estructuras de impresión multicapa están limitadas por la precisión del registro. La precisión del registro de impresión suele ser mucho menor que la precisión de alineación multicapa del micronanoprocesamiento.

(4) Para restaurar las propiedades originales del material de la tinta electrónica impresa, se requieren procesos de curado y sinterización. Para algunos materiales, la temperatura de sinterización puede ser muy alta, limitando el rango de selección de materiales sustratos. Además, las propiedades del material sinterizado y curado suelen ser difíciles de restaurar a las propiedades originales del material sólido, como la conductividad.

(5) Debido a las diferencias entre los dispositivos electrónicos impresos y los dispositivos microelectrónicos tradicionales, los métodos y software de diseño microelectrónico existentes no pueden aplicarse directamente al diseño de electrónica impresa.

La creencia de que las empresas tradicionales de impresión pueden cambiar directamente a la electrónica impresa, o que las placas de circuito pueden fabricarse mediante métodos de impresión (nota: las placas de circuito impreso y las PCB tradicionales no se fabrican mediante impresión), son todos conceptos erróneos sobre la electrónica impresa en las industrias tradicionales. La tecnología de impresión requerida para la electrónica impresa es mucho más compleja que la de los periódicos, incluyendo la compatibilidad de la tinta electrónica y la precisión de registro de la impresión electrónica multicapa. Actualmente, la conductividad y precisión de las tintas conductoras impresas aún no han alcanzado los requisitos de las PCB tradicionales.

La aplicación más atractiva de la electrónica impresa, es decir, los transistores impresos, sigue estando lejos de ser práctica. Actualmente, algunos productos se desarrollan utilizando tintas semiconductoras orgánicas o inorgánicas para preparar transistores, pero la mayoría aún depende de procesos tradicionales como la litografía para lograr estructuras gráficas de transistores, y no son transistores realmente completamente impresos. Todavía quedan muchos problemas técnicos por resolver respecto a la estabilidad y el embalaje de los productos impresos de células solares.

En segundo lugar, la electrónica impresa debe competir con la electrónica tradicional en el mercado. Los productos electrónicos impresos tienen sus propias formas (flexibles, a base de plástico, a base de papel), pero también presentan desventajas en el rendimiento. Tomemos como ejemplo las etiquetas RFID: los chips RFID tradicionales miden menos de un milímetro cuadrado y pueden integrar decenas de miles de transistores. La RFID impresa, aparte de la antena impresa, solo puede imprimir unos mil transistores en un área limitada de etiquetas, por lo que su rendimiento naturalmente queda muy por debajo de los chips RFID integrados con decenas de miles de transistores. Además, chips RFID tan pequeños como semillas de sésamo también pueden instalarse en antenas RFID flexibles para lograr etiquetas RFID flexibles. Por lo tanto, el reto al que se enfrenta la comercialización de la electrónica impresa es cómo crear productos diferenciados que ofrezcan a los usuarios nuevas experiencias de usuario que puedan complementar las tecnologías microelectrónicas existentes.

La electrónica impresa solo obtiene ventaja en la competencia del mercado creando un producto revolucionario y sin precedentes o rentable. Un caso exitoso es la película conductora transparente de metal nano-plateado impresa y mixta, producida en masa por Nanchang OFILM. Dado que esta nueva película conductora transparente para pantallas táctiles es más conductora y sensible que la película conductora transparente de ITO, y el coste de fabricación es menor, puede abrir rápidamente el mercado. Pero esto solo se aplica al mercado de pantallas táctiles grandes. En el campo de la pantalla táctil de los teléfonos móviles, debido al tamaño reducido de la pantalla, los inconvenientes de la alta impedancia ITO no son evidentes. Además, los proveedores de ITO se enfrentan a la competencia de materiales no ITO y han adoptado estrategias significativas de reducción de precios, lo que dificulta extremadamente la entrada de películas conductoras transparentes a la red metálica en el mercado de pantallas táctiles para teléfonos móviles. Cabe señalar que la característica de bajo coste de la electrónica impresa solo puede lograrse mediante la producción en masa. La electrónica impresa producida en pequeños lotes no puede lograr un bajo coste. Por lo tanto, si no produces a granel, puede que no tengas ventaja en la competencia del mercado.