Гибкая электроника: настоящее и будущее

«В чём ценность научного исследования?» — такой вопрос звучит на каждой защите курсовых или дипломных работ. Но не каждый студент знает, что ответить на этот вопрос по своей работе. Наука зачастую не направлена на решение прикладных задач, не говоря уж о том, чтобы создавать значимый для общества результат в виде продукта или ценной технологии. Однако есть те сферы, которые занимают уникальное место на стыке науки, технологий и потребностей рынка. Именно в таких сферах ведутся научные разработки прототипов и методов их создания, которые затем становятся реальными продуктами и технологиями производства. Гибкая электроника выступает сферой физики, химии и технологий, которая занимается созданием электронных устройств на основе новых полупроводниковых материалов. В этой сфере одинаково активно ведутся лабораторные разработки, перенос технологий из лаборатории в производство, инжиниринг конечных устройств и коммерциализация новых продуктов. Таким образом, сфера гибкой электроники представляет собой непрерывный процесс создания и реализации новых идей, устройств и технологий.

Под гибкой электроникой понимают совокупность всех технологий, которые могут потенциально обеспечить гибкость устройств. Преимуществом таких технологий являются более простые и дешёвые производственные процессы, которые позволяют снизить стоимость конечных устройств по сравнению с традиционными технологиями электроники. Так, можно снизить количество циклов фотолитографии, избежать высокотемпературных процессов и специальных вакуумных условий. Кроме того, для изготовления устройств гибкой электроники можно использовать растворные и печатные методы, что значительно снижает стоимость технологических процессов и увеличивает их производительность. Использование материалов гибкой электроники позволяет не только снизить стоимость одного устройства, но также производить устройства большой площади, снизив при этом стоимость единицы площади. Это играет большую роль в производстве дисплеев и сенсорных интерфейсов. Механические свойства — гибкость, растяжимость — имеют большое значение при интеграции электроники в применения, не доступные при использовании кремниевой электроники. Преимущества конечных устройств на основе технологий гибкой электроники могут быть очень разнообразными в зависимости от используемых материалов и компонентов.

Электронная промышленность зачастую отождествляется с полупроводниковой промышленностью. Причиной этому служит огромное значение полупроводниковых материалов в создании электронных устройств. Нелинейная зависимость проводимости полупроводников от внешних условий и приложенного напряжения позволяет создавать на их основе активные электронные компоненты, выполняющие самые разнообразные функции от светоиспускания до обработки цифровых сигналов. Технологии обработки полупроводниковых материалов являются ключевыми в электронике. Отличительная особенность полупроводниковых материалов, используемых в гибкой электронике, — это простота их нанесения. Органические, наноуглеродные, металл-оксидные полупроводники являются основными материалами гибкой электроники, которые обеспечивают простоту процессов изготовления электронных устройств. Чтобы разобраться в преимуществах материалов гибкой электроники, обратимся к традиционным полупроводникам, широко используемым в современной промышленности. При изготовлении устройств на основе традиционного монокристаллического кремния используются сложные технологические процессы роста кристалла, его последующей резки, легирования, утонения. Для создания интегральной схемы (ИС) необходимы десятки циклов фотолитографии, для каждого из которых требуется несколько технологических операций, а также предварительное изготовление дорогостоящих масок. В готовой интегральной схеме кремний одновременно играет роль и подложки, и активного слоя с различными типами проводимости. Полупроводниковые материалы гибкой электроники наносятся на подложку и выполняют роль только активного слоя. Подложка и вся структура устройства на ней при этом может быть намноготоньше, чем минимально возможная толщина кремниевой интегральной схемы. Кроме того, механические свойства кремниевых ИС определяются свойствами кристаллического кремния. При утонении или увеличении площади кремниевая ИС может повреждаться, в то время как в устройствах гибкой электроники механические свойства определяются выбором подложки, который может быть произвольным и зависеть от нужд конечного применения. Таким образом, ИС на гибкой электронике может быть толщиной в один-два десятка микрометров, обладать гибкостью, что обеспечит большую интегрируемость ИС, устойчивость к механическим повреждениям, позволит создавать тонкие ИС и матрицы устройств даже на больших площадях.

Использование материалов и технологий гибкой электроники позволяет покрывать большие площади полупроводниковыми веществами, не снижая их производительность по сравнению с малыми площадями. Вершиной технологического совершенства, достигнутой на данный момент в сфере технологий гибкой электроники, являются дисплеи на основе полупроводникового материала — оксида индия, галлия и цинка (IGZO). Такие дисплеи созданы компанией Sharp. В октябре 2016 года компания анонсировала дисплеи с разрешением в 1000 ppi (пикселей на дюйм), что почти в два раза больше существующего максимального разрешения. Размеры пикселей и, соответственно, их число на единицу площади зависит от размера транзистора, управляющего пикселем. Подвижность носителей заряда в IGZO в 20-50 раз выше, чем у традиционно используемого в матрицах дисплеев аморфного кремния, что позволяет снизить размеры транзистора, увеличивая количество пикселей, а также повысить быстродействие дисплея (Рисунок 1). Кроме того, выполнение дисплеев на основе IGZO позволяет снизить энергопотребление.

Интеграция транзисторных матриц на основе IGZO и отображающего слоя на основе другой технологии гибкой электроники — органических светоизлучающих диодов (OLED) — позволит создать гибкие дисплеи с максимальным разрешением и наиболее натуральной цветопередачей. В данный момент эти технологии существуют отдельно и уже коммерциализированы. Устройство и принципы функционирования OLED-дисплеев значительно отличаются от наиболее распространённых на сегодняшний день жидкокристаллических (LCD) дисплеев. Рассмотрим, какими преимуществами обладают OLED-дисплеи, и почему в скором времени эта технология может заменить своих предшественников.

Рисунок 1. Сравнение транзисторов в пикселях на аморфном кремнии и IGZO по технологии Sharp

Телевизоры, смартфоны и смарт-часы с OLED-дисплеями используют технологию AMOLED (активной матрицы на органических светодиодах). Это значит, что каждый пиксель дисплея работает независимо от своих соседей. Если при выводе изображения на дисплей часть пикселей оказываются не задействованы, в OLED-дисплее они будут выключены. В LCD дисплеях используется общая для всех пикселей подсветка — и чёрные пиксели будут просто фильтровать подсветку так, чтобы показывать чёрный цвет. Первым важным преимуществом независимости OLED-пикселей является энергосбережение. Когда на чёрном экране Apple Watch показываются часы, излучают свет и, соответственно, потребляют энергию только пиксели, формирующие изображение часов, остальные же остаются выключенными. Именно в целях энергосбережения компания Apple выбрала AMOLED-дисплей для своего миниатюрного продукта. Второе преимущество независимости пикселей в OLED-дисплеях — глубина чёрного цвета. Полное отключение пикселя для отображения чёрного цвета в изображении позволяет достичь лучшую цветопередачу по сравнению с LED и LCD дисплеями.

Улучшенные цветовые характеристики по сравнению с LCD дисплеями — большое преимущество OLED-технологии. Так, человеческий глаз будет воспринимать цвета на OLED-дисплее как более реалистичные. Кроме того, при изменении угла обзора изображения на дисплее, цвета OLED-пикселей не поблекнут и не изменятся, в отличие от цветов LCD дисплеев.

Использование органических полупроводниковых материалов в OLED позволяет производить эти элементы на гибких, прозрачных и даже растягиваемых подложках (Рисунок 2). Эти преимущества открывают огромные возможности производства OLED-дисплеев с различными формами поверхностей, устройств, которые могут сворачиваться и складываться, а также интеграции OLED-дисплеев в одежду, окна, витрины, зеркала, накожные наклейки и многие другие инновационные применения, прототипы которых существуют уже сейчас. Из будущих преимуществ OLED-технологии также стоит отметить потенциально большую частоту обновления изображения.

Это значит, что движущиеся объекты на экране не будут смазываться. Органические и оксидные полупроводники используются не только в дисплеях. На основе органических и IGZO транзисторов разрабатываются и производятся самые разнообразные устройства. Одним из них являются радиочастотные метки для маркировки объектов. Такие метки позволяет считывать информацию об объекте с помощью различных устройств, в том числе смартфонов. Радиометки используются повсеместно — начиная с маркировки одежды в магазинах и заканчивая маркировкой животных.

Рисунок 2. Скручиваемый 18-дюймовый (46 см) OLED-дисплей на пластиковой подложке от LG. Фотография предоставлена IDTechEx

Так, стоимость радиометки на основе гибкой электроники может быть около одного цента, а значит такие метки смогут использоваться, например, для маркировки товаров в супермаркете. Технология радиометок позволит пробивать все продукты единовременно, просто прокатив корзину покупателя мимо считывателя.

Гибкая электроника широко применяется для разработки сенсорных устройств. На основе материалов гибкой электроники создаются сенсоры температуры, газов, влажности, давления, фотосенсоры для детекции изображения, оптические сенсоры для применения в пульсометрах. Одним из наиболее интересных применений гибких сенсоров является электронная кожа — поверхность с нанесёнными на неё гибкими растягиваемыми сенсорами давления и температуры, которая может обеспечить не только чувствительность протезов и систем робототехники, но и максимальное сходство с человеческой кожей.

Сенсоры в области медицины и биометрии также сейчас разрабатываются и включают пульсометры, сенсоры температуры, сенсоры электрофизиологических сигналов, в том числе, мышечной активности. Такие сенсоры могут наклеиваться на кожу в виде пластыря, имеющего такие же механические свойства, что и кожа. Известны, например, лабораторные разработки систем на основе гибкой электроники для отслеживания приступов эпилепсии (Рисунок 3). Эти системы также могут вводить в случае необходимости специальные лекарства пациенту, помещаясь при этом на обычном силиконовом пластыре. На основе гибкой электроники создаются нейроинтерфейсы для отслеживания активностей головного мозга, восстановления двигательных функций с помощью стимуляции спинного мозга, восстановления зрения. При этом электронные устройства могут располагаться непосредственно на коре головного мозга — гибкость здесь имеет решающее значение.

Технологии гибкой электроники обладают огромным значением для развития электроники в целом. Успешная реализация новых продуктов на основе гибкой электроники требует тесного сотрудничества исследовательских лабораторий и коммерческих компаний. В мире создаются технологические центры на основе университетов, в рамках которых студенты, аспиранты и учёные имеют возможность коммерциализировать свои разработки. В России существует сеть наноцентров, развивающих технологическое предпринимательство, обеспеченного производственной, научной, инжиниринговой инфраструктурой.

Рисунок 3. Устройство для мониторинга физиологической активности пациентов

В рамках наноцентра Техноспарк в г. Троицк осуществляется строительство Центра гибкой электроники — первой в мире площадки среднесерийного производства устройств гибкой электроники. Одним из научных партнёров Центра является Лаборатория органической электроники (www.sunhen.phys.msu.ru) Кафедры общей физики и волновых процессов и Международного лазерного центра МГУ. Лаборатория является одним из основных источников компетенций и кадров в области органической гибкой электроники в России.

Лаборатория органической электроники оснащена полным комплектом оборудования для создания и исследования устройств гибкой электроники — органических солнечных батарей и органических транзисторов. По каждому из направлений ведётся интенсивная экспериментальная и теоретическая работа. Уникальность Лаборатории состоит как раз в этом сочетании фундаментальных и прикладных исследований, которое является ключевым для достижения максимального успеха. Для определения эффективных путей экспериментальной деятельности проводятся теоретические изыскания, составление математических моделей, численные эксперименты. Дальнейшая экспериментальная работа ведётся с учётом полученных данных, а результатом являются научные достижения мирового уровня.

Одним из последних результатов Лаборатории является получение органических монослойных монокристаллов большой площади как активного слоя полевых транзисторов. Органические монослои являются предметом активных исследований благодаря их преимуществам в органической электронике, однако низкая степень их упорядоченности ранее не позволяла получать высокоэффективные устройства на их основе. В Лаборатории удалось получить высокоупорядоченные монослойные структуры с латеральными размерами до нескольких миллиметров (Рисунок 4а) — это на целых два порядка больше максимальных размеров монокристаллических монослойных структур, получаемых ранее известными методами. Такие монослойные монокристаллы не требуют специальных условий получения, высоких температур или вакуума — рост осуществляется из раствора (Рисунок 4б). За счёт своей высокой упорядоченности на больших площадях монослойные монокристаллы позволили создать эффективные органические полевые транзисторы, характеристики которых на порядок превосходят лучших мировых аналогов.

Рисунок 4. (а) Органические монослойные монокристаллы большой площади, (б) рост кристаллов из раствора — процесс наблюдается в оптический микроскоп

Большой коллектив Лаборатории — это кандидаты наук, аспиранты и студенты, которые занимаются передовыми разработками в области органической электроники, направленными на повышение эффективности устройств и исследование физических процессов, лежащих в основе органической электроники. Начиная со второго курса, студенты лаборатории имеют возможность полностью провести экспериментальную работу по созданию и исследованию устройство органической электроники — полевых транзисторов или солнечных батарей. Стартуя с порошков новых синтезированных полупроводниковых веществ, студенты лаборатории создают электронные компоненты, а также исследуют их электронные и оптические характеристики.

Большая партнёрская сеть Лаборатории включает российские и международные коллективы исследователей, индустриальных партнёров и коммерческие компании. Налаженное сотрудничество с научными коллективами в области химии, физики и материаловедения позволяет осуществлять полный цикл исследований в области органической электроники, включая синтез новых материалов, рентгеноструктурный анализ полученных кристаллов и тонких плёнок на лучших источниках синхротронного излучения в России и Европе. Лаборатория тесно сотрудничает с исследовательскими коллективами из Кембриджа и Имперского Колледжа в Лондоне, направляет своих студентов и аспирантов в командировки в зарубежные лаборатории для совместных исследований и на ведущие международные конференции и школы. Аспиранты Лаборатории имеют возможность обучаться по программе двойной аспирантуры, в частности совместно с Университетом Гронингена (Нидерланды). В рамках Лаборатории решаются как прикладные, так и фундаментальные научные задачи, результаты Лаборатории широко представлены в высокорейтинговых международных научных журналах.

В этом году Лаборатория выступает организатором 13-й Международной конференции по органической электронике — International Conference on Organics Electronics (ICOE) 2017, которая в этом июне пройдёт в Санкт-Петербурге, а также ежегодной международной школы-конференции International Fall School on Organics Electronics (IFSOE).

Деятельность Лаборатории поддерживается грантами Российского научного фонда, РФФИ, Минобрнауки и др., Лаборатория оснащена передовым оборудованием, в т.ч., по Программе развития МГУ. Лаборатория выступает центром компетенций по органической электронике в России, куда приезжают учёные со всей страны для получения опыта в создании и исследовании электронных устройств на основе органических материалов. Лаборатория всегда рада талантливым студентам и активно набирает сотрудников для успешной научной деятельности в сфере гибкой электроники.

Аспирант Глушкова А.В.