Esnek Basılı Elektronik Endüstrisinin Gelişimine Genel Bakış (Bölüm 1) — İnceleme

Esnek basılı elektronik teknolojisi, baskı prensiplerine dayanan elektronik üretim teknolojisidir. Silikon bazlı yarı iletken mikroelektronik teknolojisi, uzun süre elektronik teknolojide mutlak bir baskın konuma sahipti. Ancak, silikon bazlı entegre devre üretim teknolojisinin artan karmaşıklığı ve gereken büyük yatırımlar nedeniyle, üretimi dünya çapında birkaç büyük şirket tarafından tamamen tekelleştirilmiştir. Bu nedenle, son on yılda, çözelti tabanlı organik ve inorganik yarı iletken malzemelerin araştırma ve geliştirilmesi, geleneksel baskı teknikleriyle çeşitli elektronik cihazların üretimini teşvik etmiştir.

Anket verilerine göre, basılı elektronik teknolojisi ve sektör, devreleri veya elektronik bileşenleri basabilen organik, inorganik veya sentetik malzemeler, transistörler, ekranlar, sensörler, fototüpler, piller, aydınlatma cihazları, iletkenler, yarı iletkenler ve diğer cihazlar ile bağlantılı devreler için süreçler ve ürünler dahil olmak üzere geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır. Baskı işlemenin kendisi geleneksel mikro-nano işlemin yüksek çözünürlüğü ve yüksek entegrasyonuna sahip olmasa da, eşit alan, esneklik ve düşük maliyet avantajları basılı elektroniklerin birçok yeni uygulama alanında rol oynamasını sağlamaktadır.

On yıl süren bir inceleme

Basılı elektronik pazarına gelince, İngiliz pazar araştırma firması IDTechEx on yıl önce takip etmeye başladı. Şirket, basılı elektronik endüstrisinin gelişimine dair yıllık raporlar yayımlar; pazar değerlendirmeleri ve tahminler dahildir. Şekil 157, IDTechEX'in 2008 yılında basılı elektronik geliştirme potansiyeline ilişkin değerlendirmesini göstermektedir. O dönemde, basılı elektroniğin geleceği konusunda çok iyimserdi ve sonraki 20 yıllık basılı elektronik gelişimini, o dönemdeki silikon yarı iletken ve mikroelektronik üretimiyle karşılaştırıyordu.

O zamanlar tahminin yapılmasının üzerinden 10 yıl geçti. 2018'de basılı elektronik ürünlerin gelişimine baktığımızda, pazar o zamanlar öngörülen seviyeye ulaşamadı. 2015 yılında Samsung Electronics başkanı, Kore Esnek Basılı Elektronik Konferansı'nda basılı elektronik pazarının gerçek gelişim seviyesini farklı pazar araştırma firmalarının erken tahminleriyle karşılaştırdı (Grafik 158). Açıkça, gerçek piyasa performansı önceki tahminlerden çok uzak. Yayınlanan piyasa verilerinin daha ayrıntılı bir analizi, pazarın yüzeyde büyük görünmesine rağmen, payının çoğunun aslında geleneksel olgun ürünlerden ve pazarlardan geldiğini ortaya koymaktadır.

Grafik 158: Baskı Elektroniği Pazarı Performansı ve Tahmini Karşılaştırması (2015)

Grafik 159, IDTechEx tarafından 2016 yılında yayımlanan basılı elektronik ürünlerin pazar payı dağılımını göstermektedir. Toplam 24,2 milyar dolarlık pazar sadece basılı elektronik değil, aynı zamanda organik ve esnek elektronik ürünlerini de içeriyor. Son iki ürün türü mutlaka baskı yoluyla üretilmeyebilir.

Örneğin, 16 milyar dolarlık OLED ekran pazarı basılı elektronik kategorisine girmez ve hâlâ vakum buhar biriktirme üretim süreçlerini kullanır. 6,5 milyar dolarlık sensör pazarı ağırlıklı olarak 2008'den önce bile olgun olan kan şekeri test şeridi ürünlerinden oluşuyor. İletken mürekkepler için 1,3 milyar dolarlık pazar, esas olarak baskılı kristal silikon güneş hücresi elektrotları ve basılı dokunmatik ekran kenar elektrotları için iletken macunlara odaklanıyor; ortaya çıkan düşük sıcaklıklı sinterlenmiş nano iletken mürekkep pazarından ziyade.

Son on yılda, bazı erken ve tanınmış basılı elektronik şirketleri dramatik iniş çıkışlar yaşadı. Örneğin, 2008 yılında Amerikan şirketi Kovio, baskılı nanosilikon mürekkebi kullanarak ince film transistörleri ve RFID hazırlamak için bir ürün çıkardı; bu ürün öncüsü olarak basılı inorganik nanomalzemelerin öncüsü oldu. O dönemde sektör, Kovio'nun tamamen basılı RFID'sinin ana akım silikon entegre devre çipi RFID'nin yerini alacağına genel olarak inanıyordu.

Amerika Birleşik Devletleri'nde Konarka Şirketi, 2001 yılında kurulmuş ve 2008'de 1GW baskılı organik güneş hücresi üretim hattı inşa etmeyi duyurmuştur; bu hatt, o dönemde basılı elektronikin sanayileşmesinde önemli bir kuruluş olmuştur. Ancak, ürünlerinin piyasaya çıkamaması nedeniyle her iki şirket de birer ardına ortadan kayboldu. Bir diğer örnek ise Almanya'nın PolyIC'si; basılı organik elektronik etiketler ve metal ağ ızgara şeffaf iletken filmleri piyasaya süren ilk uluslararası şirketlerden biri oldu; ancak ürünleri pazar satışlarını açamayınca başka teknolojiler geliştirmeye yöneldi.

Şeffaf iletken filmler alanında, PolyIC'nin yanı sıra, basılı elektronik teknolojisini savunan kaplamalı nano-gümüş teller veya karbon nanotüpler benimseyen birçok şirket de bulunmaktadır. Bu şirketlerden bazıları 10 yılı aşkın süredir ayakta kalmıştır, ancak özellikle geleneksel ITO malzemelerinin keskin fiyat indirimleri ve orijinal pazarlarını koruma mücadeleleri nedeniyle bu şirketlerin çoğu ılık performans sergilemiş ve bazıları tamamen piyasadan çekilmiştir; örneğin nano gümüş tel şeffaf iletken filmleri güçlü şekilde savunan erken dönem şirketlerinden Carestream ve kendi kendine monte edilen nano gümüş mürekkep şirketi Cima gibi tamamen piyasadan çekilmiştir Nanoteknoloji şirketleri ve diğerleri.

Meydan okuma

Basılı elektronik kavramı çok cazip. Baskı söz konusu olduğunda, insanlar doğal olarak basılı gazete ve dergileri ve düşük maliyetle seri elektronik ürünler üretmenin avantajlarını düşünür. Ancak, gazeteler gibi basılı elektronik ürünlere gerçekten ulaşmak için hâlâ birçok teknik, endüstriyel ve piyasa odaklı zorluk var. İlk olarak, basılı elektronik teknolojisinin kendisinin sınırlamaları vardır:

(1) Basılı işlemin grafik çözünürlüğü, geleneksel mikro-nano işlemeden çok daha düşüktür. Şu anda baskı ile elde edilebilecek en ince çizgiler yaklaşık 1 mikron, entegre devrelerle işlenen desen boyutları ise 10 nanometre aralığına ulaşmıştır.

(2) Basılı elektronik için ön koşul, basılabilir elektronik mürekkep malzemelerinin bulunabilirliğidir, ancak şu anda bu tür malzemelerin türleri sınırlıdır ve genellikle katı muadillerine göre daha düşük performansa sahiptir. Basılı elektronik cihazlar da geleneksel mikro-nano işlemle üretilenlere göre daha düşük performans gösterir.

(3) Elektronik cihazlar genellikle çok katmanlı yapılar gerektirir. Çok katmanlı baskı yapıları, kayıt doğruluğuyla sınırlıdır. Baskı kayıt doğruluğu genellikle mikro-nano işlemin çok katmanlı hizalama doğruluğundan çok daha düşüktür.

(4) Basılı elektronik mürekkebin orijinal malzeme özelliklerini geri kazandırmak için kürleme ve sinterleme süreçleri gereklidir. Bazı malzemeler için sinterleme sıcaklığı çok yüksek olabilir ve bu da alt taban malzemelerinin seçim aralığını sınırlar. Ayrıca, sinterlenen ve kürlenmiş malzemenin özellikleri genellikle katı malzemenin orijinal özelliklerine, örneğin iletkenliğe geri döndürülmesi zordur.

(5) Basılı elektronik cihazlar ile geleneksel mikroelektronik cihazlar arasındaki farklar nedeniyle, mevcut mikroelektronik tasarım yöntemleri ve yazılımları doğrudan basılı elektronik tasarıma uygulanamaz.

Geleneksel baskı şirketlerinin doğrudan basılı elektroniğe geçebileceği veya devre kartlarının baskı yöntemleriyle üretilebileceği inancı (not: geleneksel basılı devre kartları ve PCB'ler baskı ile yapılmaz), geleneksel endüstrilerdeki basılı elektronik hakkında yanlış anlamalardır. Basılı elektronik için gereken baskı teknolojisi, elektronik mürekkebin uyumluluğu ve çok katmanlı elektronik mürekkebi baskının kayıt hassasiyeti dahil olmak üzere, gazetelere göre çok daha karmaşıktır. Şu anda, basılı iletken mürekkeplerin iletkenliği ve hassasiyeti henüz geleneksel PCB'lerin gereksinimlerini karşılamamıştır.

Basılı elektroniğin en çekici uygulaması, yani basılı transistörler, hâlâ pratik uygulamadan çok uzaktır. Şu anda bazı ürünler transistör hazırlamak için organik veya inorganik yarı iletken mürekkepleri kullanılarak geliştirilmektedir, ancak çoğu grafiksel transistör yapılarını elde etmek için litografi gibi geleneksel süreçlere dayanmaktadır ve gerçekten tam basılı transistör değildir. Basılı güneş hücresi ürünleri için stabilite ve ambalajlama konusunda hâlâ çözülmesi gereken birçok teknik sorun var.

İkinci olarak, basılı elektronikler piyasadaki geleneksel elektroniklerle rekabet etmelidir. Basılı elektronik ürünlerin kendi ürün formları vardır (esnek, plastik bazlı, kağıt bazlı), ancak performans dezavantajları da vardır. Örneğin RFID etiketlerini ele alalım: geleneksel RFID çipleri bir milimetrekareden küçüktür ve on binlerce transistörü entegre edebilir. Baskılı RFID, basılı anten dışında, sınırlı bir etiket alanına yalnızca yaklaşık bin transistor yazdırabilir, bu nedenle performansı doğal olarak on binlerce transistörle entegre edilen RFID çiplerinin çok gerisinde kalır. Ayrıca, susam tohumu kadar küçük RFID çipleri esnek RFID antenlerine de takılabilir ve esnek RFID etiketleri elde edilir. Bu nedenle, basılı elektroniğin ticarileştirilmesinde karşılaştığı zorluk, kullanıcılara mevcut mikroelektronik teknolojilerini tamamlayabilecek yeni kullanıcı deneyimleri sunan farklılaşmış ürünler yaratmaktır.

Basılı elektronikler, piyasa rekabetinde yalnızca devrim niteliğinde ve benzeri görülmemiş bir ürün ya da maliyet etkin bir ürün üreterek avantaj sağlar. Başarılı bir vaka, Nanchang OFILM tarafından seri olarak üretilen karışık baskılı nano-gümüş metal ızgara şeffaf iletken filmdir. Bu yeni dokunmatik ekranlar için şeffaf iletken film, ITO şeffaf iletken filmden daha iletken ve hassas olduğu ve üretim maliyeti daha düşük olduğu için piyasayı hızla açabilir. Ama bu sadece büyük dokunmatik ekranlar için geçerlidir. Cep telefonu dokunmatik ekran alanında, küçük ekran boyutu nedeniyle ITO yüksek empedansının dezavantajları belirgin değildir. Ayrıca, ITO tedarikçileri ITO olmayan malzemelerle rekabetle karşı karşıya kalmış ve önemli fiyat indirim stratejileri benimsemişlerdir; bu da metal ızgara şeffaf iletken filmlerin cep telefonu dokunmatik ekran pazarına girmesini son derece zorlaştırmaktadır. Basılı elektroniğin düşük maliyetli özelliğinin ancak seri üretim yoluyla gerçekleştirilebileceği belirtilmelidir. Küçük partilerde üretilen basılı elektronikler düşük maliyet sağlayamıyor. Bu nedenle, toplu üretim yapmazsanız, piyasa rekabetinde avantajınız olmayabilir.