مروری بر توسعه صنعت الکترونیک چاپی انعطاف پذیر (بخش ۱) — مرور

فناوری الکترونیک چاپی انعطاف پذیر یک فناوری تولید الکترونیکی مبتنی بر اصول چاپ است. فناوری میکروالکترونیک نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون زمانی برای مدت طولانی جایگاه غالب مطلق در فناوری الکترونیک داشت. با این حال، به دلیل پیچیدگی روزافزون فناوری تولید مدار مجتمع مبتنی بر سیلیکون و سرمایه گذاری عظیم مورد نیاز، تولید آن کاملا در انحصار چند شرکت بزرگ در سراسر جهان است. بنابراین، در دهه گذشته، پژوهش و توسعه مواد نیمه رسانای آلی و معدنی مبتنی بر محلول، موجب کاوش در زمینه تولید انواع دستگاه های الکترونیکی با استفاده از تکنیک های چاپ سنتی شده است.

بر اساس داده های نظرسنجی، فناوری و صنعت الکترونیک چاپی دامنه وسیعی را پوشش می دهد، از جمله مواد آلی، غیرآلی یا مصنوعی که می توانند مدارها یا قطعات الکترونیکی را چاپ کنند، همچنین ترانزیستورها، نمایشگرها، حسگرها، فوتوتیوب ها، باتری ها، دستگاه های نورپردازی، هادی ها، نیمه هادی ها و سایر دستگاه ها، همچنین فرآیندها و محصولات اتصال مدارها. اگرچه خود پردازش چاپ از وضوح بالا و یکپارچگی بالای پردازش میکرونانو سنتی برخوردار نیست، اما مزایای مساحت برابر، انعطاف پذیری و هزینه پایین آن به اندازه ای است که الکترونیک چاپی را قادر می سازد تا در بسیاری از حوزه های کاربردی جدید نقش ایفا کند.

یک دهه مرور

در مورد بازار الکترونیک چاپی، شرکت تحقیقات بازار بریتانیایی IDTechEx از ده سال پیش شروع به رصد آن کرد. این شرکت گزارش های سالانه ای درباره توسعه صنعت الکترونیک چاپی منتشر می کند، از جمله ارزیابی ها و پیش بینی های بازار. شکل ۱۵۷ ارزیابی IDTechEX از چشم انداز توسعه الکترونیک چاپی در سال ۲۰۰۸ را نشان می دهد. در آن زمان، او نسبت به چشم انداز الکترونیک چاپی بسیار خوش بین بود و ۲۰ سال توسعه الکترونیک چاپی را با توسعه نیمه هادی های سیلیکونی و میکروالکترونیک آن زمان مقایسه می کرد.

ده سال از زمانی که این پیش بینی در آن زمان انجام شد می گذرد. با نگاهی به توسعه الکترونیک چاپی در سال ۲۰۱۸، بازار به سطح پیش بینی شده آن زمان نرسید. در سال ۲۰۱۵، رئیس سامسونگ الکترونیکس در کنفرانس الکترونیک چاپی انعطاف پذیر کره مقایسه ای از سطح واقعی توسعه بازار الکترونیک چاپی با پیش بینی های اولیه شرکت های مختلف تحقیقات بازار ارائه داد (نمودار ۱۵۸). واضح است که عملکرد واقعی بازار بسیار متفاوت از پیش بینی های قبلی است. تحلیل دقیق تر داده های بازار منتشر شده نشان می دهد که اگرچه بازار در ظاهر بزرگ به نظر می رسد، اما بیشتر سهم آن در واقع از محصولات و بازارهای سنتی بالغ تأمین می شود.

نمودار ۱۵۸: مقایسه عملکرد و پیش بینی بازار الکترونیک چاپی (۲۰۱۵)

نمودار ۱۵۹ تفکیک سهم بازار الکترونیک چاپی منتشر شده توسط IDTechEx در سال ۲۰۱۶ را نشان می دهد. بازار کل ۲۴.۲ میلیارد دلاری نه تنها الکترونیک چاپی است بلکه شامل الکترونیک ارگانیک و انعطاف پذیر نیز می شود. دو نوع آخر محصولات لزوما از طریق چاپ تولید نمی شوند.

برای مثال، بازار نمایشگرهای OLED به ارزش ۱۶ میلیارد دلار در دسته الکترونیک چاپی قرار نمی گیرد و همچنان از فرآیندهای تولید رسوب گذاری بخار خلأ استفاده می کند. بازار حسگرها به ارزش ۶.۵ میلیارد دلار عمدتا شامل محصولات نوار تست قند خون است که حتی قبل از سال ۲۰۰۸ نیز محصولات بالغ محسوب می شدند. بازار ۱.۳ میلیارد دلاری جوهرهای رسانا عمدتا بر خمیرهای رسانا برای الکترودهای سلول خورشیدی کریستالی سیلیکونی چاپ شده و الکترودهای لبه صفحه لمسی چاپی متمرکز است، نه بازار نوظهور جوهر نانو رسانا با دمای پایین سینتر.

در دهه گذشته، برخی از شرکت های الکترونیکی چاپی اولیه و شناخته شده فراز و نشیب های چشمگیری را تجربه کرده اند. برای مثال، در سال ۲۰۰۸، شرکت آمریکایی کوویو محصولی برای تهیه ترانزیستورهای فیلم نازک و RFID با استفاده از جوهر نانوسیلیکون چاپی عرضه کرد که پیشگام نانومواد معدنی چاپی شد و به پیشگام محصولات تبدیل شد. در آن زمان، صنعت عموما معتقد بود که RFID کاملا چاپ شده کوویو احتمالا جایگزین RFID تراشه مدار مجتمع سیلیکونی رایج خواهد شد.

شرکت کونارکا در ایالات متحده در سال ۲۰۰۱ تأسیس شد و در سال ۲۰۰۸ ساخت یک خط تولید سلول خورشیدی آلی چاپی با ظرفیت ۱ گیگاوات را اعلام کرد که در آن زمان به یکی از شرکت های برجسته صنعتی سازی الکترونیک چاپی تبدیل شد. با این حال، هر دو شرکت بعدا یکی پس از دیگری ناپدید شدند چون محصولاتشان نتوانستند وارد بازار شوند. نمونه دیگر شرکت PolyIC آلمان است که از نخستین شرکت های بین المللی بود که برچسب های الکترونیکی ارگانیک چاپی و فیلم های رسانا شفاف شبکه فلزی را عرضه کرد، اما چون محصولاتش نتوانستند فروش بازار را باز کنند، به توسعه فناوری های دیگر روی آوردند.

در حوزه فیلم های رسانای شفاف، علاوه بر PolyIC، شرکت های زیادی نیز سیم های نانو-نقره پوشش دار یا نانولوله های کربنی را به کار می گیرند که از فناوری الکترونیک چاپی حمایت می کنند. برخی از این شرکت ها بیش از ۱۰ سال دوام آورده اند، اما به دلیل رقابت شدید بازار—به ویژه کاهش شدید قیمت مواد سنتی ITO و تلاش آن ها برای حفظ بازارهای اصلی خود—بیشتر این شرکت ها عملکرد بازار ولرم داشته اند و برخی کاملا از بازار خارج شده اند، مانند Carestream، شرکتی اولیه که به شدت فیلم های رسانای شفاف سیم نقره ای نانو را ترویج می کرد، و Cima، شرکت جوهر نانو نقره ای خودمونتاژ شده شرکت های نانوتکنولوژی، در کنار دیگران.

چالش

مفهوم الکترونیک چاپی بسیار جذاب است. وقتی صحبت از چاپ می شود، مردم طبیعتا به روزنامه ها و مجلات چاپی و مزایای تولید انبوه محصولات الکترونیکی با هزینه پایین فکر می کنند. با این حال، برای دستیابی واقعی به الکترونیک چاپی مانند روزنامه ها، هنوز چالش های فنی، صنعتی و بازارمحور زیادی وجود دارد. اول، خود فناوری الکترونیک چاپی محدودیت هایی دارد:

(۱) وضوح گرافیکی پردازش چاپی بسیار پایین تر از پردازش میکرو-نانو سنتی است. در حال حاضر، ریزترین خطوط قابل چاپ حدود ۱ میکرون هستند، در حالی که اندازه الگوهای پردازش شده توسط مدارهای مجتمع به محدوده ۱۰ نانومتر رسیده است.

(۲) پیش نیاز برای الکترونیک چاپی، دسترسی به مواد جوهری الکترونیکی قابل چاپ است، اما در حال حاضر انواع این مواد محدود بوده و معمولا عملکرد کمتری نسبت به نمونه های جامد دارند. دستگاه های الکترونیکی چاپی نیز عملکرد ضعیف تری نسبت به دستگاه های تولید شده توسط پردازش میکرو-نانو سنتی دارند.

(۳) دستگاه های الکترونیکی معمولا به ساختارهای چندلایه نیاز دارند. ساختارهای چاپ چندلایه محدود به دقت ثبت هستند. دقت ثبت چاپ معمولا بسیار پایین تر از دقت تراز چندلایه پردازش میکرو-نانو است.

(۴) برای بازگرداندن خواص اصلی مواد جوهر الکترونیکی چاپی، فرآیندهای پخت و سینترینگ لازم است. برای برخی مواد، دمای سینترینگ ممکن است بسیار بالا باشد که دامنه انتخاب مواد زیرلایه را محدود می کند. علاوه بر این، خواص ماده سینتر شده و خشک شده معمولا به سختی قابل بازگرداندن به خواص اصلی ماده جامد مانند رسانایی است.

(۵) به دلیل تفاوت بین دستگاه های الکترونیکی چاپی و دستگاه های میکروالکترونیکی سنتی، روش ها و نرم افزارهای طراحی میکروالکترونیک موجود را نمی توان مستقیما در طراحی الکترونیک چاپی به کار برد.

این باور که شرکت های چاپ سنتی می توانند مستقیما به الکترونیک چاپی روی بیاورند، یا بردهای مدار را می توان با روش های چاپ تولید کرد (توجه: بردهای مدار چاپی سنتی و بردهای مدار چاپی با چاپ ساخته نمی شوند)، همگی تصورات نادرستی درباره الکترونیک چاپی در صنایع سنتی هستند. فناوری چاپ مورد نیاز برای الکترونیک چاپی بسیار پیچیده تر از روزنامه هاست، از جمله سازگاری جوهر الکترونیکی و دقت ثبت چاپ جوهر الکترونیکی چندلایه. در حال حاضر، رسانایی و دقت جوهرهای رسانا چاپ شده هنوز به نیازهای بردهای مدار چاپی سنتی نرسیده است.

جذاب ترین کاربرد الکترونیک چاپی، یعنی ترانزیستورهای چاپی، هنوز فاصله زیادی با کاربرد عملی دارد. در حال حاضر، برخی محصولات با استفاده از جوهرهای نیمه هادی آلی یا غیرآلی برای تهیه ترانزیستورها توسعه می یابند، اما بیشتر آن ها هنوز به فرآیندهای سنتی مانند لیتوگرافی برای دستیابی به ساختارهای گرافیکی ترانزیستور متکی هستند و واقعا ترانزیستورهای کاملا چاپ شده نیستند. هنوز مسائل فنی زیادی در زمینه پایداری و بسته بندی محصولات سلول خورشیدی چاپی وجود دارد که باید حل شود.

دوم، الکترونیک چاپی باید با الکترونیک های سنتی در بازار رقابت کند. محصولات الکترونیکی چاپی فرم محصولات خاص خود را دارند (انعطاف پذیر، پلاستیک، کاغذی)، اما همچنین معایب عملکردی خود را دارند. برچسب های RFID را به عنوان مثال در نظر بگیرید: تراشه های RFID سنتی کمتر از یک میلی متر مربع هستند و می توانند ده ها هزار ترانزیستور را یکپارچه کنند. RFID چاپی، به جز آنتن چاپ شده، تنها می تواند حدود هزار ترانزیستور را روی یک سطح برچسب محدود چاپ کند، بنابراین عملکرد آن به طور طبیعی بسیار کمتر از تراشه های RFID یکپارچه با ده ها هزار ترانزیستور است. علاوه بر این، تراشه های RFID به کوچکی دانه کنجد را می توان روی آنتن های انعطاف پذیر RFID نصب کرد تا برچسب های RFID انعطاف پذیر ایجاد شود. بنابراین، چالش پیش روی تجاری سازی الکترونیک چاپی این است که چگونه محصولات متمایز ایجاد کنیم که تجربه کاربری جدیدی را به کاربران ارائه دهد که بتواند مکمل فناوری های موجود میکروالکترونیک باشد.

الکترونیک چاپی تنها زمانی در رقابت بازار مزیت پیدا می کند که محصولی انقلابی و بی سابقه یا محصولی مقرون به صرفه خلق کند. یک نمونه موفق، فیلم شفاف رسانا با چاپ مخلوط از فلز نانو-نقره است که توسط نانچانگ OFILM به صورت انبوه تولید شده است. از آنجا که این فیلم رسانای شفاف جدید برای صفحه نمایش های لمسی نسبت به فیلم هادی شفاف ITO رساناتر و حساس تر است و هزینه تولید آن کمتر است، می تواند بازار را به سرعت باز کند. اما این فقط در بازار صفحه نمایش های لمسی بزرگ وجود دارد. در حوزه صفحه لمسی تلفن همراه، به دلیل اندازه کوچک صفحه نمایش، معایب امپدانس بالای ITO آشکار نیست. علاوه بر این، تأمین کنندگان ITO با رقابت مواد غیر ITO مواجه هستند و استراتژی های قابل توجهی برای کاهش قیمت اتخاذ کرده اند که ورود فیلم های شفاف شبکه فلزی به بازار صفحه لمسی تلفن همراه را بسیار دشوار می کند. شایان ذکر است که ویژگی کم هزینه الکترونیک چاپی تنها از طریق تولید انبوه قابل تحقق است. الکترونیک چاپی تولید شده در دسته های کوچک نمی تواند هزینه پایینی داشته باشد. بنابراین، اگر به صورت عمده تولید نکنید، ممکن است در رقابت بازار مزیتی نداشته باشید.