柔軟な印刷電子産業の発展概要(パート1)— レビュー

柔軟な印刷電子技術は、印刷の原理に基づく電子製造技術です。 シリコンベースの半導体マイクロエレクトロニクス技術は、かつて電子技術において長い間絶対的な支配的地位を占めていました。 しかし、シリコンベースの集積回路製造技術の複雑化と莫大な投資のため、その製造は世界中の大手企業が完全に独占しています。 そのため、過去10年間にわたり、溶液ベースの有機・無機半導体材料の研究開発により、従来の印刷技術を用いたさまざまな電子デバイスの製造が促進されました。

調査データによると、印刷電子技術と産業は、回路や電子部品を印刷できる有機、無機、合成材料、トランジスタ、ディスプレイ、センサー、光管、バッテリー、照明機器、導体、半導体、その他のデバイス、さらには回路の相互接続のためのプロセスや製品など、幅広い分野をカバーしています。 印刷処理自体は従来のマイクロナノ処理ほど高解像度かつ高い統合度を持っていませんが、均一な面積、柔軟性、低コストという利点により、印刷電子機器は多くの新しい応用分野で役割を果たすことができます。

10年の回顧

印刷電子機器市場に関しては、英国の市場調査会社IDTechExが10年前から追跡を開始しています。 同社は印刷電子産業の発展に関する年次報告書を発行しており、市場評価や予測も含まれています。 図157は、IDTechEXが2008年にプリント電子機器の開発見通しを評価したものを示しています。 当時、彼はプリントエレクトロニクスの将来に非常に楽観的で、その後の20年間のプリントエレクトロニクスの開発を当時のシリコン半導体やマイクロエレクトロニクスの発展と比較しました。

当時の予測から10年が経ちました。 2018年のプリント電子機器の発展を振り返ると、市場は当時予測された水準には達していませんでした。 2015年、サムスン電子の社長は韓国の柔軟印刷電子会議で、印刷電子市場の実際の発展レベルと異なる市場調査機関の初期予測を比較したものを発表しました(図158)。 明らかに、実際の市場パフォーマンスは以前の予測からはほど遠いです。 公開された市場データのより詳細な分析によると、市場は表面的には大きく見えますが、実際にはその大部分のシェアは伝統的な成熟商品や市場から来ています。

チャート158:印刷電子機器市場のパフォーマンスと予測の比較(2015年)

チャート159は、IDTechExが2016年に発表した印刷電子機器の市場シェア内訳を示しています。 総額242億ドルの市場は印刷電子機器だけでなく、有機電子機器や柔軟な電子機器も含まれます。 後者2つの製品は必ずしも印刷によって製造されるわけではありません。

例えば、160億ドル規模のOLEDディスプレイ市場は印刷電子機器のカテゴリーに属さず、真空蒸気蒸着製造プロセスを依然として使用しています。 65億ドル規模のセンサー市場は主に血糖検査ストリップ製品で構成されており、これらは2008年以前から成熟した製品でした。 13億ドル規模の導電性インク市場は、主にプリントクリスタルシリコン太陽電池電極やタッチスクリーン端電極用の導電性ペーストに焦点を当てており、新興の低温焼結ナノ導電インク市場はあまり注目されていません。

過去10年間で、初期の有名な印刷電子会社のいくつかは劇的な浮き沈みを経験してきました。 例えば、2008年にアメリカの企業Kovioは、印刷されたナノシリコンインクを用いて薄膜トランジスタおよびRFIDを製造する製品を発表し、印刷無機ナノ材料の先駆者となり、製品の先駆者となりました。 当時、業界は一般的にKovioの完全印刷RFIDが主流のシリコン集積回路チップRFIDに取って代わる可能性が高いと考えていました。

アメリカのコナルカ社は2001年に設立され、2008年に1GWの印刷有機太陽電池生産ラインの建設を発表し、当時印刷電子機器の工業化における主力企業となりました。 しかし、両社は市場参入に失敗し、相次いで消滅しました。 もう一つの例はドイツのPolyICで、印刷された有機電子ラベルや金属メッシュグリッド透明導電膜を国際的に最初に発売した企業の一つでしたが、市場販売が開けなかったため、他の技術の開発に注力しました。

透明導電膜の分野では、PolyICのほかに、印刷電子技術を推進するコーティングされたナノシルバーワイヤーやカーボンナノチューブを採用している企業も多く存在します。 これらの企業の中には10年以上存続した企業もありますが、特に伝統的なITO材料の大幅な価格引き下げや元の市場維持に苦労した激しい市場競争により、市場での成績は芳しく、中には完全に市場から撤退した企業もあります。例えば、ナノシルバーワイヤー透明導電膜を強く推進した初期企業Carestreamや、自己組み立てナノシルバーインク企業Cima ナノテック企業なども含めて。

チャレンジ

印刷電子機器の概念は非常に魅力的です。 印刷と言及されると、人々は自然と印刷された新聞や雑誌、そして低コストで大量生産する電子機器の利点を思い浮かべます。 しかし、新聞のような印刷電子機器を真に実現するには、技術的、産業的、市場志向の課題が依然として多くあります。 まず、印刷電子技術自体にも限界があります。

(1) 印刷処理のグラフィック解像度は従来のマイクロナノ処理に比べてはるかに低い。 現在、印刷で得られる最細線は約1ミクロンですが、集積回路で処理されるパターンサイズは10ナノメートルの範囲に達しています。

(2) 印刷電子機器の前提条件は印刷可能な電子インク材料の入手可能ですが、現在はそのような材料の種類が限られており、一般的に固体インクよりも性能が劣ります。 印刷された電子機器は、従来のマイクロナノ処理で製造されるものよりも性能が劣ります。

(3) 電子機器は通常、多層構造を必要とします。 多層印刷構造は、レジスター精度に制限されます。 印刷の正準精度は通常、マイクロナノ処理の多層アライメント精度よりもはるかに低いです。

(4) 印刷電子インクの元の材料特性を復元するには、硬化および焼結工程が必要です。 一部の材料では焼結温度が非常に高く、基板材料の選択範囲が制限されることがあります。 さらに、焼結・硬化された材料の性質は導電率など、固体の元の性質に復元するのが通常困難です。

(5) 印刷電子デバイスと従来のマイクロ電子デバイスの違いにより、既存のマイクロ電子設計手法やソフトウェアは印刷電子設計に直接適用できません。

従来の印刷会社が直接印刷電子機器に切り替えられるとか、回路基板が印刷技術で製造できるという考え(注:従来の印刷基板やPCBは印刷で作られるわけではありません)は、すべて伝統的な産業における印刷電子機器に関する誤解です。 印刷電子機器に必要な印刷技術は新聞よりもはるかに複雑で、電子インクの互換性や多層電子インク印刷のレジストレーション精度などが含まれます。 現在、印刷導電性インクの導電性と精度はまだ従来のPCBの要件に達していません。

印刷電子機器の最も魅力的な応用である印刷トランジスタは、実用的な応用にはまだ程遠いです。 現在、一部の製品は有機または無機半導体インクを使ってトランジスタを準備していますが、多くは依然としてリソグラフィーなどの伝統的なプロセスに依存してグラフィカルトランジスタ構造を実現しており、完全な印刷トランジスタとは言えません。 印刷された太陽電池製品の安定性やパッケージングに関して、まだ多くの技術的課題が解決すべきです。

次に、印刷電子機器は市場で従来の電子機器と競争しなければなりません。 印刷された電子製品は独自の製品形態(柔軟なもの、プラスチックベース、紙ベースのもの)を持ちますが、性能面での欠点もあります。 RFIDタグを例に挙げましょう。従来のRFIDチップは1ミリメートル未満の平方形で、数万個のトランジスタを統合できます。 印刷されたRFIDは、アンテナを除いて約1000個のトランジスタを限られたラベル領域に印刷できるため、その性能は数万個のトランジスタを統合したRFIDチップには大きく及びません。 さらに、ごまのような小型のRFIDチップも柔軟なRFIDアンテナに取り付けることで、柔軟なRFIDタグを実現できます。 したがって、印刷電子機器の商業化が直面する課題は、既存のマイクロエレクトロニクス技術を補完できる新しいユーザー体験を提供する差別化された製品をどのように作るかです。

印刷電子機器は、革命的かつ前例のない製品やコスト効率の高い製品を生み出すことでのみ市場競争で優位性を得ます。 成功例として南昌OFILMが大量生産した混合印刷ナノシルバー金属グリッド透明導電膜があります。 この新しいタッチスクリーン用透明導電膜は、ITOの透明導電膜よりも導電性と感度が高く、製造コストも低いため、市場を迅速に開拓できます。 しかし、これは大型タッチスクリーン向けの市場に限られています。 携帯電話のタッチスクリーン分野では、画面サイズが小さいため、ITOの高インピーダンスの欠点は明らかではありません。 さらに、ITOサプライヤーは非ITO素材との競争に直面し、大幅な価格引き下げ戦略を採用しているため、金属グリッド透明導電膜が携帯電話のタッチスクリーン市場に参入することが非常に困難になっています。 プリント電子機器の低コスト特性は大量生産によってのみ実現できることに注意が必要です。 少量生産の印刷電子機器は低コストを実現することはできません。 したがって、大量生産をしなければ、市場競争で優位性を持てないかもしれません。