Валерий Агеев
Фантасты и футурологи давно уже прогнозировали, что само тело человека можно будет превратить в материнскую плату и в электронное устройство. Иллюстрация создана с помощью Kandinskiy 4.1
В начале октября этого года на базе Московского физико-технического института прошла 1-я Всероссийская конференция «Печатная и гибкая электроника: оборудование, материалы и технологии». Печатная электроника – сравнительно новое направление развития современной электронной промышленности. В ее основе – создание электронных схем на самых разнообразных поверхностях. С помощью уже существующих технологий, аналогичных полиграфической печати, токопроводящие материалы можно наносить на ткань, бумагу и даже биоразлагаемые пленки. На глобальном уровне наибольшую активность в этой области демонстрируют три региона.
Северная Америка, в частности США, играют роль технологического инноватора и центра венчурных инвестиций. Здесь базируются крупнейшие исследовательские хабы, стартапы и производители, специализирующиеся на медицинских устройствах.
Азиатско-Тихоокеанский регион – это ключевой производственный кластер. Китай, Южная Корея, Япония и Тайвань не только выпускают миллионы устройств на гибких платах, но и ведут собственные фундаментальные и прикладные исследования, особенно в разработке дисплеев.
Европа сосредоточена на устойчивых технологиях и стандартизации. Германия и Нидерланды – лидеры в сфере «зеленой» электроники, активно развивают биоразлагаемые материалы и замкнутые производственные циклы.
Объем международного рынка печатной электроники сегодня оценивают в 15–18 млрд долл. Предполагается, что до 2030 года рынок вырастет до 44 млрд долл. Российский рынок должен за пять лет дойти до 40 млрд руб. К этим показателям двигались довольно медленно…
Концепция печатной электроники появилась благодаря немецкому изобретателю Альберту Хансону, который в 1903 году получил патент на устройство, похожее на печатную плату. Хансон предлагал формировать рисунок печатной платы на медной фольге путем вырезания или тиснения, а нарисованные элементы приклеивать к диэлектрику, например к парафинированной бумаге.
После войны, в 1948 году, технология печатных плат была выпущена для коммерческого использования в США. Появление транзисторов в 1950-х годах помогло существенно уменьшить размеры электронных устройств и упростить монтаж печатных плат, а также повысило надежность электроники. А внедрение интегральных схем в 1970-х годах позволило разместить миллионы транзисторов на одной материнской плате.
Внедрение технологии поверхностного монтажа (SMT – Surface Mount Technology) в 1980-х годах произвело революцию в автоматизации процесса сборки, улучшило характеристики печатных плат и снизило энергопотребление устройств на их основе. Разработка новых материалов, которые при определенных условиях способны заменить кремний в электронных и компьютерных технологиях, привела к созданию органических полимеров и использованию наночастиц металлических соединений.
Печатная электроника позволила создавать новые типы приборов, которые стали более тонкими и гибкими. В медицине, спорте и других областях появились гибкие датчики, например накожные устройства для измерения показателей здоровья. В сегменте интернета вещей (IoT – Internet of Things) возник спрос на ультратонкие, легкие, энергоэффективные модули связи.
В автомобильной отрасли печатные схемы стали интегрировать в интерьер: управление освещением и распределенные сенсорные системы. В умной упаковке и логистике печатные RFID-метки (Radio Frequency Identification) и антенны NFC (Near Field Communication) превратили тару в интерактивный носитель информации.
В устойчивом производстве и хранении энергии печатные тонкопленочные солнечные элементы стали интегрировать в рюкзаки, окна или фасады зданий. С помощью печати можно внедрить электронные элементы в одежду, например внедрить в нее греющие элементы (так называемая умная одежда).
Широкомасштабное распространение умных гибких систем позволит самостоятельно собирать, обрабатывать и передавать данные без громоздких батарей и жесткой электроники. Например, использование органических светоизлучающих OLED-экранов (Organic Light-Emitting Diode) позволит потеснить современные телевизионные и компьютерные LED-экраны (light-emitting diode) за счет меньшей стоимости и повышенной прочности.
В России долгое время сфера печатной электроники практически отсутствовала. Началом создания новой отрасли можно считать соглашение, которое по инициативе АО «Гознак» подписали восемь научных, венчурных и производственных организаций. Генеральный директор Центра нанотехнологий и наноматериалов Республики Мордовия Олег Сазанов подчеркивает: «Мы очень надеемся, что если «Гознак» увидит на своей инфраструктуре, как можно использовать печатную электронику, то мы, разумеется, подключимся. Будем искать и другие рыночные механизмы».
В нашей стране также идет активная разработка технологии создания сверхтонких золотых пленок. Ученые из Сибири и Дальнего Востока создали метод, который позволяет при комнатной температуре получать пленки толщиной около 5 нанометров. Их можно использовать в производстве гибкой электроники, включая гибкие дисплеи, прозрачные солнечные панели, нейроинтерфейсы и сенсорные системы.
Российские ученые также разработали композитный материал, который преобразует магнитные поля в электричество втрое эффективнее аналогов. Композит перспективен для создания новых устройств носимой электроники.
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) создали технологию, которая позволит создавать гибкие транзисторы с электролитическим затвором. Это поможет в разработке компактных устройств, которые можно будет сгибать и сворачивать, а также в создании биосенсоров для исследования мозга.
Гибкая электроника – чрезвычайно перспективный сегмент. Ученые работают над созданием полностью растяжимых схем, органических микропроцессоров и самовосстанавливающихся материалов. В ближайшие годы такие устройства могут стать стандартом не только в носимой электронике, но и в строительстве, автомобильной промышленности, медицине и даже в космосе.
Пока гибкая электроника занимает менее 2% глобальной электронной индустрии, но при этом растет опережающими темпами по сравнению с традиционным кремнием. Она уже сейчас находит применение в одноразовых сенсорах, в микрофлюидике (или микрогидродинамике, отрасли науки, изучающей малые объемы жидкостей и способы управления ею), интернете вещей.
В ближайшие 5–10 лет можно ожидать широкомасштабного распространения умных гибких систем, способных самостоятельно собирать, обрабатывать и передавать данные без необходимости в громоздких батареях и жесткой электронике. Именно в этом направлении сегодня движется мир микроэлектроники – от кремниевых чипов к тонким, эластичным, умным поверхностям.
