Обзор развития индустрии гибкой печатной электроники (Часть 1) — Обзор

Гибкая печатная электронная технология — это электронное производство, основанное на принципах печати. Технология кремниевой полупроводниковой микроэлектроники долгое время занимала абсолютное доминирующее положение в электронных технологиях. Однако из-за растущей сложности технологии производства интегральных схем на кремниевой основе и огромных инвестиций, их производство полностью монополизируется несколькими крупными компаниями по всему миру. Поэтому за последнее десятилетие исследования и разработки органических и неорганических полупроводниковых материалов на основе растворов стимулировали исследование производства различных электронных устройств с использованием традиционных технологий печати.

Согласно данным опроса, технологии печатной электроники и индустрия охватывают широкий спектр, включая органические, неорганические или синтетические материалы, способные печатать схемы или электронные компоненты, а также транзисторы, дисплеи, сенсоры, фототрубки, батареи, осветительные устройства, проводники, полупроводники и другие устройства, а также процессы и продукты для взаимосоединения цепей. Хотя сама печатная обработка не обладает высоким разрешением и высокой интеграцией традиционной микро-нанообработки, её преимущества — равная площадь, гибкость и низкая стоимость — достаточны, чтобы печатная электроника могла играть роль во многих новых областях применения.

Десятилетие в обзоре

Что касается рынка печатной электроники, британская исследовательская компания IDTechEx начала отслеживать его уже десять лет назад. Компания публикует ежегодные отчёты о развитии печатной электронной промышленности, включая рыночные оценки и прогнозы. Рисунок 157 показывает оценку перспектив развития печатной электроники IDTechEX в 2008 году. В то время он был очень оптимистично настроен относительно перспектив печатной электроники, сравнивая следующие 20 лет развития печатной электроники с развитием кремниевых полупроводников и микроэлектроники того времени.

Прошло 10 лет с тех пор, как был сделан этот прогноз. Оглядываясь на развитие печатной электроники в 2018 году, рынок не достиг предсказанного тогда уровня. В 2015 году президент Samsung Electronics представил на Корейской конференции по гибкой печатной электронике сравнение фактического уровня развития рынка печатной электроники с ранними прогнозами различных исследовательских компаний (Диаграмма 158). Очевидно, что реальная динамика рынка далека от прежних прогнозов. Более детальный анализ опубликованных рыночных данных показывает, что хотя рынок кажется большим на первый взгляд, большая часть его доли на самом деле приходится на традиционные зрелые продукты и рынки.

Диаграмма 158: Сравнение показателей рынка печатной электроники и прогноза (2015)

Диаграмма 159 показывает разбивку доли рынка печатной электроники, опубликованную IDTechEx в 2016 году. Общий рынок в $24,2 миллиарда включает не только печатную электронику, но и органическую и гибкую электронику. Последние два типа продукции не обязательно производятся с помощью печати.

Например, рынок OLED-дисплеев стоимостью 16 миллиардов долларов не относится к категории печатной электроники и по-прежнему использует процессы производства вакуумного парового осаждения. Рынок сенсоров стоимостью 6,5 миллиарда долларов в основном состоит из тестовых полосок для глюкозы в крови, которые были зрелыми продуктами ещё до 2008 года. Рынок проводящих красок стоимостью 1,3 миллиарда долларов в основном сосредоточен на проводящих пастах для электродов печатных кристаллических кремниевых солнечных элементов и электродов для сенсорных экранов, а не на развивающемся низкотемпературном рынке нанопроводящих нанопроводящих чернил.

За последнее десятилетие некоторые ранние известные компании печатной электроники пережили резкие взлёты и падения. Например, в 2008 году американская компания Kovio выпустила продукт для подготовки тонкопленочных транзисторов и RFID с использованием нанокремниевых чернил, став пионером в производстве печатных неорганических наноматериалов и став пионером в области продукции. В то время индустрия в целом считала, что полностью напечатанный RFID Kovio, вероятно, заменит основной кремниевой интегральный чип RFID.

Компания Konarka в США была основана в 2001 году и объявила в 2008 году о строительстве линии производства органических солнечных элементов мощностью 1 ГВт, став ведущим предприятием в индустриализации печатной электроники того времени. Однако обе компании впоследствии исчезали одна за другой из-за того, что их продукция не смогла выйти на рынок. Другой пример — немецкая компания PolyIC, которая была одной из первых на международной арене, выпустившей печатные органические электронные этикетки и прозрачные проводящие пленки с металлической сеткой, но поскольку её продукция не смогла открыть рыночные продажи, они перешли к разработке других технологий.

В области прозрачных проводящих пленок, помимо PolyIC, существует множество компаний, которые используют покрытые наносеребряные провода или углеродные нанотрубки, выступающие за технологии печатной электроники. Некоторые из этих компаний просуществовали более 10 лет, но из-за жёсткой конкуренции на рынке — особенно резкого снижения цен на традиционные материалы ITO и их борьбы за сохранение первоначальных рынков — большинство из них показали слабые рыночные показатели, а некоторые полностью вышли с рынка, например, Carestream — одна из первых компаний, активно продвигавшая прозрачные проводящие пленки из наносеребряной проволоки, и Cima, самостоятельно собиравшаяся компания по производству наносеребряных чернил Нанотехнологические компании и другие.

Вызов

Концепция печатной электроники очень привлекательна. Когда речь идёт о печати, люди естественно представляют себе печатные газеты и журналы, а также преимущества массового производства электронных продуктов по низкой цене. Однако, чтобы действительно достичь печатной электроники, такой как газеты, всё ещё существует множество технических, промышленных и рыночных вызовов. Во-первых, сама печатная электроника имеет свои ограничения:

(1) Графическое разрешение печатной обработки значительно ниже, чем у традиционной микро-нанообработки. В настоящее время самые тонкие линии, доступные печатью, составляют около 1 микрона, а размеры узоров, обрабатываемых интегральными схемами, достигли диапазона 10 нанометров.

(2) Необходимым условием для печатной электроники является наличие печатных материалов для электронных чернил, но в настоящее время типы таких материалов ограничены и обычно имеют более низкую производительность, чем их цельные аналоги. Печатные электронные устройства также работают ниже, чем те, что производились традиционной микро-нанообработкой.

(3) Электронные устройства обычно требуют многослойных структур. Многослойные печатные структуры ограничены точностью регистрации. Точность регистрации печати обычно значительно ниже, чем многослойная точность выравнивания при микро-нанообработке.

(4) Для восстановления оригинальных материалов печатных электронных чернил требуются процессы отверждения и спекания. Для некоторых материалов температура спекания может быть очень высокой, что ограничивает диапазон выбора материалов для субстратов. Кроме того, свойства спеченного и отверждённого материала обычно трудно восстановить исходные свойства твёрдого материала, такие как проводимость.

(5) Из-за различий между печатными электронными устройствами и традиционными микроэлектронными устройствами существующие методы микроэлектронного проектирования и программное обеспечение не могут быть напрямую применены к проектированию печатной электроники.

Убеждение, что традиционные печатные компании могут напрямую перейти на печатную электронику, или что платы можно производить с помощью методов печати (примечание: традиционные печатные платы и печатные платы не производятся печатью), — всё это заблуждение относительно печатной электроники в традиционных отраслях. Технология печати, необходимая для печатной электроники, гораздо сложнее, чем для газет, включая совместимость электронных красок и точность регистрации многослойной электронной печати. В настоящее время проводимость и точность печатных проводящих красок ещё не достигли требований традиционных печатных плат.

Самое привлекательное применение печатной электроники, а именно печатные транзисторы, всё ещё далеко от практического применения. В настоящее время некоторые продукты разрабатываются с использованием органических или неорганических полупроводниковых чернил для подготовки транзисторов, но большинство из них по-прежнему используют традиционные методы, такие как литография, для достижения графических транзисторных структур и не являются полностью напечатанными транзисторами. До сих пор остаётся много технических вопросов, связанных со стабильностью и упаковкой печатных солнечных элементов.

Во-вторых, печатная электроника должна конкурировать с традиционной электроникой на рынке. Печатные электронные продукты имеют собственные формы продукции (гибкие, пластиковые, бумажные), но также имеют недостатки производительности. Возьмём, к примеру, RFID-метки: традиционные RFID-чипы имеют размер меньше миллиметра в квадрате и могут интегрировать десятки тысяч транзисторов. Печатный RFID, за исключением напечатанной антенны, может печатать только около тысячи транзисторов на ограниченной площади маркировки, поэтому его производительность естественно значительно уступает RFID-чипам, интегрированым с десятками тысяч транзисторов. Кроме того, RFID-чипы размером с кунжутные семя могут устанавливаться на гибкие RFID-антенны для получения гибких RFID-меток. Поэтому задача коммерциализации печатной электроники — создать дифференцированные продукты, которые предоставляют пользователям новый пользовательский опыт, дополняющий существующие микроэлектронные технологии.

Печатная электроника получает преимущество в рыночной конкуренции только благодаря созданию революционного и беспрецедентного продукта или экономичного продукта. Успешным примером является смешанная наносеребристая металлическая сетчатая прозрачная проводящая пленка, массово производимая компанией Nanchang OFILM. Поскольку эта новая прозрачная проводящая пленка для сенсорных экранов более проводимая и чувствительная, чем прозрачная проводящая пленка ITO, а производственные затраты ниже, она быстро открывает рынок. Но это касается только больших сенсорных экранов. В области сенсорных экранов мобильных телефонов из-за небольшого размера экрана недостатки высокого импеданса ITO не очевидны. Кроме того, поставщики ITO сталкиваются с конкуренцией со стороны материалов, не входящих в ITO, и внедрили значительные стратегии снижения цен, что значительно затрудняет выход на рынок сенсорных экранов с металлической сеткой прозрачных проводящих пленок. Следует отметить, что низкозатратность печатной электроники может быть реализована только через массовое производство. Печатная электроника, производимая небольшими партиями, не может достичь низкой стоимости. Поэтому, если вы не производите крупным производством, у вас может не быть преимущества в конкуренции на рынке.