Innowacje w zakresie drukowanej, organicznej i elastycznej elektroniki przyspieszają prace nad nowymi urządzeniami elektronicznymi
Drukowane elementy elektroniczne bazujące na węglu jako koncepcja pojawiły się po raz pierwszy 20 lat temu. Już wtedy dostrzeżono w nich potencjalne rozwiązanie umożliwiające masową produkcję tanich, elastycznych obwodów prądowych, które znalazłyby zastosowanie w różnych aplikacjach – od składanych wyświetlaczy po urządzenia do noszenia na ciele przystosowane do zastosowań medycznych. Większość elementów elektronicznych w dzisiejszych czasach jest wykonana z krzemu nanoszonego na sztywne, niewielkie podłoża układów scalonych. Elektronikę elastyczną można rozmieszczać na większych powierzchniach. Ograniczenia wynikające z właściwości drukowanych, organicznych elementów elektronicznych sprawiały, że elementy te można było stosować wyłącznie w rozwiązaniach oferujących niską prędkość pracy, na przykład w prostych urządzeniach do pomiaru temperatury czy wilgotności. Jednocześnie wykluczało to stosowanie tych elementów w pewnych rozwiązaniach, w tym w urządzeniach do komunikacji bezprzewodowej. Projekt HEROIC zasadzał się na wykorzystaniu możliwości, jakie dają polimery półprzewodnikowe, w celu zaprojektowania szybszych tranzystorów drukowanych. Zespół zdołał osiągnąć rekordową częstotliwość pracy organicznego tranzystora wykonanego z drukowanego polimeru w wysokości 160 MHz, co umieszcza ją już w zakresie fal ultrakrótkich. Mario Caironi, koordynator projektu i pracownik Włoskiego Instytutu Technologii, który jest gospodarzem projektu, mówi: „Komunikacja bezprzewodowa korzystająca z drukowanych elementów elektronicznych wykonanych z polimerów przestała być odległą i egzotyczną możliwością. Przed uruchomieniem projektu HEROIC nikt nie traktował jej poważnie. Teraz mamy już przygotowane nowe plany działania”.
Mobilność i krok dalej
Jednym z sukcesów odniesionych podczas prac na projektem HEROIC było rozwiązanie problemu niewielkiej mobilności. Mobilność określa szybkość przemieszczania się ładunku w polu elektrycznym. Elementy elektroniczne bazujące na krzemie oferują przykładowo mobilność od 100 do 1 000 razy większą niż ta, którą osiąga się w polimerowych układach półprzewodnikowych. „Koncepcja pracy nad projektem HEROIC zrodziła się z prostych, ale zaskakujących obliczeń, które przeprowadziłem. Wynikało z nich, że nadrukowywane polimery mogły już oferować prędkości na poziomie od 100 MHz do 1 GHz. Ale to nie rozwiązywało wszystkich problemów”, dodaje Caironi. Zespół musiał odtworzyć architekturę tranzystorów, podstawowych elementów budujących każdy układ elektroniczny, włącznie z ich fizycznymi interfejsami. Należało też zmniejszyć wymiary drukowanych elektrod do poziomu, który pozwoliłby zmniejszyć odległości między nimi, a tym samym czas potrzebny ładunkowi na przejście. Wąska elektroda ma kluczowe znaczenie, gdyż odpowiada również za redukcję jednego z głównych czynników ograniczających szybkość przełączania tranzystora, pojemności pasożytniczej, parametru, który uniemożliwia pracę tranzystora z dużymi częstotliwościami. Zespół opracował też od nowa metody drukowania warstw półprzewodnikowych z mikrostrukturami zapewniającymi mobilność. „Najnowsze narzędzia oferowały jedynie rozdzielczości dziesięciokrotnie mniejsze niż wymagane. Sprzęgliśmy ultraszybkie lasery, zdolne emitować impulsy światła w setnych częściach femtosekundy, co umożliwiło nam osiągnięcie rozdzielczości mikronowej i podmikronowej, ze zwykłymi technikami druku”, wyjaśnia Caironi. Zespół zdołał także zapewnić odpowiednie wstrzykiwanie ładunków do kanału tranzystora, utrzymując jednocześnie zgodność z wysoką przepustowością metod produkcji.
Uniwersalna technologia wspomagająca
Projekt HEROIC może zrewolucjonizować wiele rozwiązań i procesów. Może przykładowo znaleźć zastosowanie w produkcji czujników biomedycznych urządzeń do noszenia na ciele. Eliminując konieczność wbudowania w takie urządzenia krzemowych układów scalonych, rozwiązanie HEROIC uprościłoby znacznie ich projekt oraz sposób pracy. Tani i powszechny dostęp do takiego narzędzia stworzyłby także możliwości rozwoju w krajach mniej rozwiniętych. Zespół już poszukuje sposobów wykorzystania wyników projektu HEROIC do stworzenia narzędzia umożliwiającego projektowanie urządzeń elektronicznych na cienkich warstwach, które wykorzystywałoby rozwiązania z zakresu fleksografii i ablację laserem femtosekundowym, co pozwoliłoby nanosić wzory przewodników o wysokiej rozdzielczości na tanich podłożach plastikowych. To część włoskiego projektu iLabel (witryna w języku włoskim), którego celem jest produkcja wysokowydajnych, inteligentnych etykiet na towary oferowane w handlu detalicznym. Ponadto niektóre z wyników projektu zostały wykorzystane w nowym projekcie ERBN. ELFO, w ramach którego mają powstać jadalne układy drukowane, które będą korzystać z żywności i jej pochodnych o właściwościach elektronicznych. Obecnie zespół zajmuje się opracowaniem odpowiednio elastycznych podłoży dla urządzeń wysokich częstotliwości. Opracowanie odpowiedniego podłoża pomogłoby rozwiązać problem oddawania ciepła na izolujących termicznie podłożach z tworzyw sztucznych. Jednocześnie prowadzone są prace mające prowadzić do obniżenia napięcia roboczego, co pozwoliłoby na znaczne zmniejszenie zużycia mocy w najszybszych planowanych urządzeniach.
Słowa kluczowe
HEROIC, napięcie, częstotliwość, podłoże, obwód, elektronika, polimer, urządzenie do noszenia na ciele, krzem, komunikacja bezprzewodowa, druk
