Visão Geral do Desenvolvimento da Indústria de Eletrônica Impressa Flexível (Parte 1) — Análise

A tecnologia de eletrônica impressa flexível é uma tecnologia de manufatura eletrônica baseada em princípios de impressão. A tecnologia de microeletrônica semicondutora baseada em silício ocupou por muito tempo uma posição dominante absoluta na tecnologia eletrônica. No entanto, devido à crescente complexidade da tecnologia de fabricação de circuitos integrados baseada em silício e ao enorme investimento necessário, sua fabricação é completamente monopolizada por um punhado de grandes empresas ao redor do mundo. Portanto, na última década, a pesquisa e desenvolvimento de materiais semicondutores orgânicos e inorgânicos baseados em soluções impulsionou a exploração da fabricação de diversos dispositivos eletrônicos utilizando técnicas tradicionais de impressão.

De acordo com dados de pesquisas, a tecnologia de eletrônica impressa e a indústria abrangem uma ampla variedade, incluindo materiais orgânicos, inorgânicos ou sintéticos que podem imprimir circuitos ou componentes eletrônicos, além de transistores, displays, sensores, fotótubos, baterias, dispositivos de iluminação, condutores, semicondutores e outros dispositivos, além de processos e produtos para interconexão de circuitos. Embora o processamento de impressão em si não tenha a alta resolução e alta integração do micro-nano processamento tradicional, suas vantagens de área igual, flexibilidade e baixo custo são suficientes para permitir que a eletrônica impressa desempenhe um papel em muitos novos campos de aplicação.

Uma década em análise

Sobre o mercado de eletrônicos impressos, a empresa britânica de pesquisa de mercado IDTechEx começou a rastreá-lo já há dez anos. A empresa publica relatórios anuais sobre o desenvolvimento da indústria de eletrônicos impressos, incluindo avaliações de mercado e previsões. A Figura 157 mostra a avaliação da IDTechEX sobre as perspectivas para o desenvolvimento de eletrônicos impressos em 2008. Naquela época, ele era muito otimista quanto às perspectivas da eletrônica impressa, comparando os próximos 20 anos de desenvolvimento da eletrônica impressa ao desenvolvimento de semicondutores de silício e microeletrônica daquela época.

Já se passaram 10 anos desde que a previsão foi feita naquela época. Olhando para o desenvolvimento da eletrônica impressa em 2018, o mercado não atingiu o nível previsto na época. Em 2015, o presidente da Samsung Electronics apresentou na Conferência Coreana de Eletrônica Impressa Flexível uma comparação do nível real de desenvolvimento do mercado de eletrônicos impressos com previsões iniciais de diferentes empresas de pesquisa de mercado (Gráfico 158). Claramente, o desempenho real do mercado está longe das previsões anteriores. Uma análise mais detalhada dos dados de mercado publicados revela que, embora o mercado pareça grande à primeira vista, a maior parte de sua participação na verdade vem de produtos e mercados tradicionais maduros.

Gráfico 158: Comparação do Desempenho e Previsão do Mercado de Eletrônicos Impressos (2015)

O gráfico 159 mostra a distribuição da participação de mercado dos eletrônicos impressos publicada pela IDTechEx em 2016. O mercado total de US$ 24,2 bilhões não é apenas eletrônico impresso, mas também inclui eletrônicos orgânicos e flexíveis. Os dois últimos tipos de produtos podem não ser necessariamente fabricados por impressão.

Por exemplo, o mercado de displays OLED, avaliado em 16 bilhões de dólares, não se enquadra na categoria de eletrônicos impressos e ainda utiliza processos de fabricação por deposição de vapor a vácuo. O mercado de sensores de US$ 6,5 bilhões consiste principalmente em produtos de tiras de teste de glicose no sangue, que já eram produtos maduros antes de 2008. O mercado de 1,3 bilhão de dólares para tintas condutivas está focado principalmente em pastas condutoras para eletrodos de células solares de silício cristalino impressos e eletrodos de borda impressos em tela sensível ao toque, em vez do emergente mercado de tinta nanocondutora sinterizada de baixa temperatura.

Na última década, algumas empresas de eletrônicos impressos conhecidas e pioneiras passaram por altos e baixos dramáticos. Por exemplo, em 2008, a empresa americana Kovio lançou um produto para preparação de transistores de filme fino e RFID usando tinta de nanosilício impressa, pioneira em nanomateriais inorgânicos impressos e tornando-se pioneira em produtos. Naquela época, a indústria geralmente acreditava que o RFID totalmente impresso da Kovio provavelmente substituiria o circuito integrado de circuito de silício RFID convencional.

A Konarka Company nos Estados Unidos foi fundada em 2001 e anunciou em 2008 a construção de uma linha de produção de células solares orgânicas impressas de 1GW, tornando-se uma empresa de destaque na industrialização da eletrônica impressa na época. No entanto, ambas as empresas desapareceram uma após a outra devido à falha de seus produtos em entrar no mercado. Outro exemplo é a alemã PolyIC, que foi uma das primeiras internacionalmente a lançar rótulos eletrônicos orgânicos impressos e filmes condutores transparentes em malha metálica, mas como seus produtos não conseguiram abrir vendas no mercado, passaram a desenvolver outras tecnologias.

No campo de filmes condutores transparentes, além do PolyIC, há muitas empresas que adotam fios de nano-prata revestidos ou nanotubos de carbono que defendem a tecnologia de eletrônicos impressos. Algumas dessas empresas sobreviveram por mais de 10 anos, mas devido à forte concorrência no mercado — especialmente os cortes acentuados de preço dos materiais tradicionais ITO e a luta para manter seus mercados originais — a maioria delas teve desempenho morno no mercado, e algumas se retiraram completamente do mercado, como a Carestream, uma das primeiras empresas que promoveu fortemente filmes condutores transparentes de fios de prata nano, e a Cima, uma empresa automontada de tinta de tinta de prata nano Empresas de nanotecnologia, entre outras.

Desafio

O conceito de eletrônicos impressos é muito atraente. Quando se menciona a impressão, as pessoas naturalmente pensam em jornais e revistas impressos, e nas vantagens de produzir produtos eletrônicos em massa a baixo custo. No entanto, para realmente alcançar eletrônicos impressos como jornais, ainda existem muitos desafios técnicos, industriais e orientados ao mercado. Primeiro, a própria tecnologia de eletrônicos impressos tem limitações:

(1) A resolução gráfica do processamento impresso é muito menor do que a do processamento tradicional de micro-nano. Atualmente, as linhas mais finas possíveis de imprimir têm cerca de 1 mícron, enquanto os tamanhos de padrão processados por circuitos integrados atingiram a faixa de 10 nanômetros.

(2) O pré-requisito para eletrônica impressa é a disponibilidade de materiais de tinta eletrônica imprimíveis, mas atualmente os tipos desses materiais são limitados e geralmente apresentam desempenho inferior aos sólidos. Os dispositivos eletrônicos impressos também têm desempenho inferior aos produzidos pelo processamento tradicional de micro-nano.

(3) Dispositivos eletrônicos geralmente exigem estruturas em múltiplas camadas. Estruturas de impressão em múltiplas camadas são limitadas pela precisão do registro. A precisão do registro de impressão geralmente é muito menor do que a precisão do alinhamento multicamada do processamento micro-nano.

(4) Para restaurar as propriedades originais do material da tinta eletrônica impressa, são necessários processos de cura e sinterização. Para alguns materiais, a temperatura de sinterização pode ser muito alta, limitando a faixa de seleção dos materiais do substrato. Além disso, as propriedades do material sinterizado e curado geralmente são difíceis de restaurar para as propriedades originais do material sólido, como a condutividade.

(5) Devido às diferenças entre dispositivos eletrônicos impressos e dispositivos microeletrônicos tradicionais, os métodos e softwares existentes de design microeletrônico não podem ser aplicados diretamente ao design de eletrônicos impressos.

A crença de que as empresas tradicionais de impressão podem migrar diretamente para eletrônicos impressos, ou que placas de circuito podem ser fabricadas usando métodos de impressão (nota: placas de circuito impresso e PCBs tradicionais não são feitos por impressão), são todos equívocos sobre eletrônicos impressos em indústrias tradicionais. A tecnologia de impressão necessária para eletrônica impressa é muito mais complexa do que a dos jornais, incluindo a compatibilidade da tinta eletrônica e a precisão de registro da impressão eletrônica multicamada. Atualmente, a condutividade e a precisão das tintas condutivas impressas ainda não atingiram os requisitos das PCBs tradicionais.

A aplicação mais atraente da eletrônica impressa, ou seja, os transistores impressos, ainda está longe de ser prática. Atualmente, alguns produtos são desenvolvidos usando tintas semicondutoras orgânicas ou inorgânicas para preparar transistores, mas a maioria ainda depende de processos tradicionais, como litografia, para alcançar estruturas gráficas de transistores, e não são transistores totalmente impressos. Ainda há muitas questões técnicas a serem resolvidas em relação à estabilidade e embalagem dos produtos impressos de células solares.

Segundo, a eletrônica impressa deve competir com a eletrônica tradicional no mercado. Produtos eletrônicos impressos possuem suas próprias formas (flexíveis, à base de plástico, à base de papel), mas também apresentam desvantagens de desempenho. Pegue as etiquetas RFID como exemplo: chips RFID tradicionais têm menos de um milímetro quadrado e podem integrar dezenas de milhares de transistores. O RFID impresso, exceto a antena impressa, pode imprimir apenas cerca de mil transistores em uma área limitada de etiquetas, então seu desempenho naturalmente fica muito aquém dos chips RFID integrados a dezenas de milhares de transistores. Além disso, chips RFID tão pequenos quanto sementes de gergelim também podem ser instalados em antenas RFID flexíveis para alcançar etiquetas RFID flexíveis. Portanto, o desafio enfrentado pela comercialização da eletrônica impressa é como criar produtos diferenciados que ofereçam aos usuários novas experiências de usuário que possam complementar as tecnologias de microeletrônica existentes.

Eletrônicos impressos só ganham vantagem na concorrência de mercado ao criar um produto revolucionário e sem precedentes ou um produto econômico. Um caso bem-sucedido é o filme condutor transparente de metal nano-prata impresso e impresso em massa, produzido em massa pela Nanchang OFILM. Como esse novo filme condutor transparente para telas sensíveis ao toque é mais condutor e sensível do que o filme condutor transparente da ITO, e o custo de fabricação é menor, ele pode abrir rapidamente o mercado. Mas isso só acontece no mercado de telas sensíveis ao toque grandes. No campo da tela sensível ao toque dos celulares, devido ao tamanho reduzido da tela, as desvantagens da alta impedância ITO não são evidentes. Além disso, os fornecedores ITO enfrentam concorrência de materiais não ITO e adotaram estratégias significativas de redução de preços, tornando extremamente difícil a entrada de filmes condutores transparentes em rede metálica no mercado de telas sensíveis ao toque de telefones celulares. Deve-se notar que a característica de baixo custo da eletrônica impressa só pode ser realizada por meio da produção em massa. Eletrônicos impressos produzidos em pequenos lotes não conseguem alcançar baixo custo. Portanto, se você não produz em grande quantidade, pode não ter vantagem na concorrência do mercado.