Tổng quan về sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử in linh hoạt (Phần 1) - Đánh giá

Công nghệ điện tử in linh hoạt là công nghệ sản xuất điện tử dựa trên nguyên tắc in. Công nghệ vi điện tử bán dẫn dựa trên silicon đã từng giữ vị trí thống trị tuyệt đối trong công nghệ điện tử trong một thời gian dài. Tuy nhiên, do sự phức tạp ngày càng tăng của công nghệ sản xuất mạch tích hợp dựa trên silicon và khoản đầu tư khổng lồ cần thiết, việc sản xuất của nó hoàn toàn bị độc quyền bởi một số công ty lớn trên toàn thế giới. Do đó, trong thập kỷ qua, nghiên cứu và phát triển các vật liệu bán dẫn hữu cơ và vô cơ dựa trên dung dịch đã thúc đẩy việc khám phá sản xuất các thiết bị điện tử khác nhau bằng kỹ thuật in truyền thống.

Theo dữ liệu khảo sát, công nghệ điện tử in và ngành công nghiệp bao gồm nhiều loại, bao gồm các vật liệu hữu cơ, vô cơ hoặc tổng hợp có thể in mạch hoặc linh kiện điện tử, cũng như bóng bán dẫn, màn hình, cảm biến, ống quang, pin, thiết bị chiếu sáng, dây dẫn, chất bán dẫn và các thiết bị khác, cũng như các quy trình và sản phẩm cho các mạch kết nối với nhau. Mặc dù bản thân quá trình in không có độ phân giải cao và tích hợp cao như xử lý micro-nano truyền thống, nhưng ưu điểm của nó là diện tích bằng nhau, tính linh hoạt và chi phí thấp đủ để cho phép thiết bị điện tử in đóng một vai trò trong nhiều lĩnh vực ứng dụng mới.

Một thập kỷ nhìn lại

Về thị trường điện tử in, công ty nghiên cứu thị trường IDTechEx của Anh đã bắt đầu theo dõi nó từ mười năm trước. Công ty xuất bản các báo cáo hàng năm về sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử in, bao gồm các đánh giá và dự báo thị trường. Biểu đồ 157 cho thấy đánh giá của IDTechEX về triển vọng phát triển điện tử in trong năm 2008. Vào thời điểm đó, ông rất lạc quan về triển vọng của điện tử in, so sánh 20 năm phát triển điện tử in ấn tiếp theo với sự phát triển của chất bán dẫn silicon và vi điện tử vào thời điểm đó.

Đã 10 năm kể từ khi dự đoán được đưa ra vào thời điểm đó. Nhìn lại sự phát triển của điện tử in ấn trong năm 2018, thị trường đã không đạt đến mức dự đoán lúc bấy giờ. Năm 2015, chủ tịch Samsung Electronics đã trình bày tại Hội nghị Điện tử In linh hoạt Hàn Quốc so sánh mức độ phát triển thực tế của thị trường điện tử in với các dự báo ban đầu từ các công ty nghiên cứu thị trường khác nhau (Biểu đồ 158). Rõ ràng, hiệu suất thị trường thực tế khác xa so với dự báo trước đó. Một phân tích chi tiết hơn về dữ liệu thị trường được công bố cho thấy rằng mặc dù thị trường có vẻ lớn trên bề mặt, nhưng phần lớn thị phần của nó thực sự đến từ các sản phẩm và thị trường trưởng thành truyền thống.

Biểu đồ 158: So sánh hiệu suất và dự báo thị trường điện tử in ấn (2015)

Biểu đồ 159 cho thấy phân tích thị phần của các thiết bị điện tử in do IDTechEx công bố vào năm 2016. Thị trường tổng trị giá 24,2 tỷ USD không chỉ là điện tử in mà còn bao gồm các thiết bị điện tử hữu cơ và linh hoạt. Hai loại sản phẩm sau có thể không nhất thiết phải được sản xuất thông qua in ấn.

Ví dụ, thị trường màn hình OLED trị giá 16 tỷ đô la không thuộc danh mục điện tử in và vẫn sử dụng quy trình sản xuất lắng đọng hơi chân không. Thị trường cảm biến trị giá 6,5 tỷ đô la chủ yếu bao gồm các sản phẩm que thử đường huyết, là sản phẩm trưởng thành ngay cả trước năm 2008. Thị trường mực dẫn điện trị giá 1,3 tỷ đô la chủ yếu tập trung vào bột nhão dẫn điện cho điện cực pin mặt trời silicon tinh thể in và điện cực cạnh màn hình cảm ứng in, thay vì thị trường mực dẫn điện nano thiêu kết nhiệt độ thấp mới nổi.

Trong thập kỷ qua, một số công ty điện tử in ấn nổi tiếng ban đầu đã trải qua những thăng trầm đáng kể. Ví dụ, vào năm 2008, công ty Kovio của Mỹ đã phát hành một sản phẩm để điều chế bóng bán dẫn màng mỏng và RFID sử dụng mực nanosilicon in, tiên phong trong việc in vật liệu nano vô cơ và trở thành người tiên phong về sản phẩm. Vào thời điểm đó, ngành công nghiệp thường tin rằng RFID được in đầy đủ của Kovio có khả năng thay thế chip mạch tích hợp silicon chính thống RFID.

Công ty Konarka tại Hoa Kỳ được thành lập vào năm 2001 và công bố vào năm 2008 về việc xây dựng dây chuyền sản xuất pin mặt trời hữu cơ in 1GW, trở thành doanh nghiệp ngôi sao trong công nghiệp hóa điện tử in ấn vào thời điểm đó. Tuy nhiên, cả hai công ty sau đó lần lượt biến mất do sản phẩm của họ không thâm nhập được thị trường. Một ví dụ khác là PolyIC của Đức, một trong những công ty quốc tế đầu tiên tung ra nhãn điện tử hữu cơ in và màng dẫn điện trong suốt lưới kim loại, nhưng vì các sản phẩm của họ không mở được doanh số bán hàng trên thị trường, họ đã chuyển sang phát triển các công nghệ khác.

Trong lĩnh vực màng dẫn điện trong suốt, bên cạnh PolyIC, cũng có nhiều công ty áp dụng dây nano bạc tráng hoặc ống nano carbon ủng hộ công nghệ điện tử in. Một số công ty này đã tồn tại hơn 10 năm, nhưng do sự cạnh tranh khốc liệt của thị trường - đặc biệt là việc giảm giá mạnh của các vật liệu ITO truyền thống và cuộc đấu tranh của họ để giữ vững thị trường ban đầu - hầu hết các công ty này đã chứng kiến hiệu suất thị trường hờ hững và một số đã hoàn toàn rút khỏi thị trường, chẳng hạn như Carestream, một công ty đầu tiên quảng bá mạnh mẽ màng dẫn điện trong suốt dây nano bạc và Cima, một công ty mực nano bạc tự lắp ráp Các công ty công nghệ nano, trong số những công ty khác.

Thách thức

Khái niệm về thiết bị điện tử in rất hấp dẫn. Khi nhắc đến in ấn, người ta tự nhiên nghĩ đến báo in, tạp chí, và những ưu điểm của việc sản xuất hàng loạt các sản phẩm điện tử với chi phí thấp. Tuy nhiên, để thực sự đạt được điện tử in ấn như báo chí, vẫn còn nhiều thách thức về kỹ thuật, công nghiệp và định hướng thị trường. Thứ nhất, bản thân công nghệ điện tử in có những hạn chế:

(1) Độ phân giải đồ họa của xử lý in thấp hơn nhiều so với xử lý micro-nano truyền thống. Hiện tại, các đường nét tốt nhất có thể đạt được bằng cách in là khoảng 1 micron, trong khi kích thước mẫu được xử lý bởi mạch tích hợp đã đạt đến phạm vi 10 nanomet.

(2) Điều kiện tiên quyết đối với thiết bị điện tử in là sự sẵn có của vật liệu mực điện tử có thể in được, nhưng hiện tại các loại vật liệu như vậy còn hạn chế và thường có hiệu suất thấp hơn so với các vật liệu rắn của chúng. Các thiết bị điện tử in cũng hoạt động thấp hơn so với các thiết bị được sản xuất bằng quy trình micro-nano truyền thống.

(3) Các thiết bị điện tử thường yêu cầu cấu trúc nhiều lớp. Cấu trúc in nhiều lớp bị giới hạn bởi độ chính xác đăng ký. Độ chính xác đăng ký in thường thấp hơn nhiều so với độ chính xác căn chỉnh nhiều lớp của quá trình xử lý micro-nano.

(4) Để khôi phục các đặc tính vật liệu ban đầu của mực điện tử in, cần phải có quá trình đóng rắn và thiêu kết. Đối với một số vật liệu, nhiệt độ thiêu kết có thể rất cao, hạn chế phạm vi lựa chọn vật liệu nền. Ngoài ra, các đặc tính của vật liệu thiêu kết và đóng rắn thường khó khôi phục lại các đặc tính ban đầu của vật liệu rắn, chẳng hạn như độ dẫn điện.

(5) Do sự khác biệt giữa thiết bị điện tử in và thiết bị vi điện tử truyền thống, các phương pháp và phần mềm thiết kế vi điện tử hiện có không thể được áp dụng trực tiếp vào thiết kế điện tử in.

Niềm tin rằng các công ty in truyền thống có thể chuyển trực tiếp sang điện tử in, hoặc bảng mạch có thể được sản xuất bằng phương pháp in (lưu ý: bảng mạch in truyền thống và PCB không được tạo ra bằng cách in), đều là những quan niệm sai lầm về điện tử in trong các ngành công nghiệp truyền thống. Công nghệ in cần thiết cho thiết bị điện tử in phức tạp hơn nhiều so với báo chí, bao gồm khả năng tương thích của mực điện tử và độ chính xác đăng ký của in mực điện tử nhiều lớp. Hiện nay, độ dẫn điện và độ chính xác của mực dẫn điện in vẫn chưa đạt được yêu cầu của PCB truyền thống.

Ứng dụng hấp dẫn nhất của điện tử in, cụ thể là bóng bán dẫn in, vẫn còn lâu mới được ứng dụng thực tế. Hiện nay, một số sản phẩm được phát triển sử dụng mực bán dẫn hữu cơ hoặc vô cơ để điều chế bóng bán dẫn, nhưng hầu hết vẫn dựa vào các quy trình truyền thống như in thạch bản để đạt được cấu trúc bóng bán dẫn đồ họa và không thực sự là bóng bán dẫn được in đầy đủ. Vẫn còn nhiều vấn đề kỹ thuật cần giải quyết liên quan đến độ ổn định và bao bì cho các sản phẩm pin mặt trời in.

Thứ hai, điện tử in phải cạnh tranh với các thiết bị điện tử truyền thống trên thị trường. Các sản phẩm điện tử in có dạng sản phẩm riêng (dẻo, làm từ nhựa, làm từ giấy), nhưng chúng cũng có nhược điểm về hiệu suất. Lấy thẻ RFID làm ví dụ: chip RFID truyền thống nhỏ hơn một milimet vuông và có thể tích hợp hàng chục nghìn bóng bán dẫn. RFID in, ngoài ăng-ten in, chỉ có thể in khoảng một nghìn bóng bán dẫn trên một khu vực nhãn hạn chế, vì vậy hiệu suất của nó đương nhiên kém xa so với chip RFID được tích hợp với hàng chục nghìn bóng bán dẫn. Hơn nữa, chip RFID nhỏ như hạt mè cũng có thể được lắp đặt trên ăng-ten RFID linh hoạt để đạt được thẻ RFID linh hoạt. Do đó, thách thức mà việc thương mại hóa điện tử in phải đối mặt là làm thế nào để tạo ra các sản phẩm khác biệt cung cấp cho người dùng trải nghiệm người dùng mới có thể bổ sung cho các công nghệ vi điện tử hiện có.

Điện tử in chỉ đạt được lợi thế trong cạnh tranh thị trường bằng cách tạo ra một sản phẩm mang tính cách mạng và chưa từng có hoặc một sản phẩm hiệu quả về chi phí. Một trường hợp thành công là màng dẫn điện trong suốt lưới kim loại nano-bạc in hỗn hợp do Nanchang OFILM sản xuất hàng loạt. Bởi vì màng dẫn điện trong suốt mới dành cho màn hình cảm ứng này dẫn điện và nhạy hơn màng dẫn điện trong suốt ITO, và chi phí sản xuất thấp hơn, nó có thể nhanh chóng mở ra thị trường. Nhưng điều này chỉ có trên thị trường dành cho màn hình cảm ứng lớn. Trong lĩnh vực màn hình cảm ứng của điện thoại di động, do kích thước màn hình nhỏ nên nhược điểm của trở kháng cao ITO không rõ ràng. Hơn nữa, các nhà cung cấp ITO phải đối mặt với sự cạnh tranh từ các vật liệu không phải của ITO và đã áp dụng các chiến lược giảm giá đáng kể, khiến màng dẫn điện trong suốt lưới kim loại trở nên cực kỳ khó khăn trong việc thâm nhập thị trường màn hình cảm ứng điện thoại di động. Cần lưu ý rằng đặc tính chi phí thấp của thiết bị điện tử in chỉ có thể được thực hiện thông qua sản xuất hàng loạt. Các thiết bị điện tử in được sản xuất theo lô nhỏ không thể đạt được chi phí thấp. Do đó, nếu bạn không sản xuất số lượng lớn, bạn có thể không có lợi thế trong cạnh tranh thị trường.