16 мая, 2023

Умное стекло на гибкой подложке/Эксперт

Полина ЮДИНА

Российские компании разрабатывают технологии гибкой электроники для самых разных нужд — от солнцезащитных очков до строительства — и вполне могут стать мировыми лидерами в этой сфере.

Солнцезащитные очки, горнолыжные и сноубордические маски и мотоциклетные шлемы в скором времени будут делаться с возможностью переключения степени затемнения. Новинку разработали инженеры Российского центра гибкой электроники (РЦГЭ, основан группой «ТехноСпарк»), пытаясь улучшить свойства электрохромного стекла ECD), которое много лет используется при строительстве офисов и медицинских учреждений. В зависимости от напряжения пропущенного тока такое умное стекло может менять свою прозрачность, звуко- и теплоизоляционные свойства.

Российские инженеры из РЦГЭ создали технологию, которая регулирует прозрачность пленки за сотые доли секунды. Теперь такое стекло планируется встраивать в фары, окна и люки отечественных автомобилей, а в дальнейшем и в обычные очки с диоптриями, превращая их по щелчку переключателя в солнцезащитные. Разработкой этой технологии занимается петербургский стартап «СмартХелио» в партнерстве с петербургским Университетом ИТМО (Институт точной механики и оптики).
 

Новый гибкий рынок

Гибкая электроника — динамично растущая отрасль. Совокупный объем выпуска печатной, гибкой и органической электроники, по прогнозам международной компании IDTechEx, к 2030 году достигнет 74 млрд долларов в год. Российский рынок гибкой электроники пока находится в стадии становления. По оценкам гендиректора РЦГЭ Алексея Гостомельского, сегодня в стране работает не более десятка компаний, профессионально занимающихся изготовлением электронных компонентов или устройств с помощью таких технологий.

Современные методы печатной электроники открывают широкие возможности для инновационных разработок и создания новых рыночных ниш: гибких сенсоров, экранов и печатных плат, токопроводящих красок, умной упаковки. Например, светодиодный экран, вмонтированный внутрь стеклопакета, можно использовать в качестве дисплея, при этом светопропускание снижается всего на 15–20%. Производство гибких дисплеев, OLED-подсветки, солнечных батарей и различных датчиков интернета вещей, RFID-меток в последние годы вышло на новый уровень благодаря расширению спектра материалов, которые можно применять в качестве подложек для печати. Например, электронные компоненты умной упаковки можно печатать прямо на бумажной основе, так же как и RFID-метки, которые используются для учета товара на складе или заменяют штрихкод при оплате продукта. С помощью технологий гибкой электроники могут создаваться антибактериальные светодиодные полотна для медицинских учреждений, лабораторных помещений, продуктовых магазинов и складов.

В сфере гибкой электроники у России есть шанс войти в группу стран-лидеров. РЦГЭ изначально занимался микроэлектронными технологиями последнего поколения, и благодаря этому Россия пока что идет в ногу со временем.

Тонкопленочные (гибкие) резисторы востребованы в производстве принтеров, материнских плат компьютеров, серверов, сканеров, промышленного электрооборудования (конверторов и измерительных приборов), бытовой техники (аудиоусилителей, тюнеров, жидкокристаллических дисплеев) и автомобильной электроники. Заинтересованы в такой технике и военные: так, в США по инициативе министерства обороны в 2015 году была запущена разработка сенсорных экранов-датчиков, которые оборачиваются вокруг руки или крыла летательного аппарата. В медицине гибкая электроника задействована как материал с датчиками, плотно прилегающий к коже: для контроля течения беременности, заживления ран. Компания Google представила умную контактную линзу с сенсором глюкозы, которая следит за уровнем сахара в крови.
 


«Конечно, гибкая электроника не вытеснит полностью традиционную кремниевую, но займет свои пять процентов этого рынка».


генеральный директор группы компаний «ТехноСпарк» Олег Лысак

Тридцать лет открытий и разработок

История гибкой электроники началась в 1990-е. Тогда исследования стартовали одновременно в американском Массачусетском технологическом институте (MIT) и финской государственной исследовательской компании VTT, образованной еще в 1942 году. Одним из первых стартапов в области гибкой электроники, получивших венчурные инвестиции, стал американский E-Ink (от electronic ink — «электронные чернила»). К 2001 году в мире было уже несколько компаний, занимающихся гибкой электроникой: E-Ink, Plastic Logic (Германия) и Kovio (США). Plastic Logic в 2001 году приступила к созданию гибких дисплеев.

Разработки сопровождались множеством научных прорывов. В 2000 году группа ученых из Пенсильванского и Калифорнийского университетов (США) и Университета Цукубы в Японии даже получила Нобелевскую премию по химии за превращение пластмассы в электрический проводник. Это и другие открытия дали старт развитию электроники, основанной на органических материалах.

В 2016 году американский гигант Amazon, а точнее его подразделение Amazon Go, начал использовать одноразовую электронику — RFID-метки на товарах.

В 2020 году, когда мировой рынок гибкой, печатной и органической электроники достиг 41,2 млрд долларов, появился Российский центр гибкой электроники — сначала в виде производственного здания с чистыми помещениями в Троицке, а к 2021 году — в виде линий по выпуску тонкопленочного транзистора (TFT, thin film transistor) на основе технологии, созданной в Кембридже (Великобритания) и iMEC (Бельгия). Главная особенность TFT в том, что он использует альтернативный кремнию полупроводниковый органический материал, или IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide). Инвестиции в РЦГЭ превысили четыре миллиарда рублей: на них построили здание и закупили оборудование.

Уже в 2022 году на базе TFT в Троицке было запущено производство харвестеров — приборов, превращающих свет, как солнечный, так и искусственный, в электричество; такие приборы могут использоваться для питания IoT-датчиков на производстве или электронных ценников в гипермаркетах. Гознак планирует задействовать харвестеры РЦГЭ для питания печатных датчиков. Заместитель начальника отдела полиграфических защитных технологий института Роман Коняшкин рассказал на ExpoElectronica, что в НИИ — филиале АО «Гознак» сейчас формируется лаборатория печатной электроники и уже разработаны прототипы гибких датчиков влажности, температуры и давления.

TFT-матрицы для дисплеев также применяются для выпуска электронной бумаги, жидкокристаллических экранов и OLED-дисплеев, биометрических сенсоров, детекторов рентгеновского излучения, радиочастотных (RFID) меток и датчиков, гибких интегральных микросхем.

Изначально центр специализировался на разработке транзисторных матриц, которые используются для управления дисплеями. Современные дисплеи чаще всего сделаны на основе жидких кристаллов — но как с помощью транзисторных матриц управлять жидкокристаллической оптикой, то есть созданием различных растров на жидких линзах и управляемых жидкокристаллических линзах? Напомним, что растр — это множество мелких точек, из которых составляется изображение (для компьютера растр — пиксели, из которых состоит фотография).

Столкнувшись с такой задачей, инженеры РЦГЭ начали экспериментировать с затемнением поверхности стекол и гибких пленок. На рынке уже с 1980-х годов существовало электрохромное стекло (его еще называют «смарт-стекло» или «умное стекло»), которое под воздействием электрического напряжения меняет свою прозрачность или становитсяпрозрачным изнутри и непрозрачным снаружи. Ионный ток заставлял стеклянную поверхность изменять свою светопропускающую способность. Но вот скорость такого изменения оставляла желать лучшего: она доходила до 20 минут. Российские инженеры решили усовершенствовать технологию и предложили соединить гибкую подложку РЦГЭ с жидкокристаллической смесью, которую делала белорусская компания MTLCD.
 


«Преимущество нашей идеи в том, что мы предлагаем решение на гибкой пленке. В отличие от вариантов на стеклах, которые основаны на эффекте светопропускания, скорость переключения здесь составляет порядка 10 миллисекунд, то есть для человеческого глаза это происходит практически незаметно».


генеральный директор РЦГЭ Алексей Гостомельский

Электрохромные стекла, которые традиционно применяются для затемнения окон и стеклянных конструкций в архитектуре и медицине, используют электрический ток. А в случае гибкой пленки РЦГЭ режимы управляются не током, а электрическим полем. Такое поле переключает положение жидкого кристалла в пространстве с помощью эффекта «гость—хозяин». Открытие этого эффекта в 1960-х годах группой Джорджа Хейлмейера из Принстонского университета (в 1975–1977 годах Хейлмейер возглавлял Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США, DARPA) привело к появлению в 1968 году плоских жидкокристаллических экранов. В 1987 году за использование эффекта «гость—хозяин» троим ученым-химикам была присуждена Нобелевская премия.
 

Кадры для гибкой электроники

В области техники на основе кремния СССР еще в 1980-х годах безнадежно отстал от США, однако в сфере гибкой электроники у России есть шанс войти в группу стран-лидеров. Строительство фабов по новым технологиям в кремниевой электронике — это инвестиции в десятки миллиардов долларов, окупаемость которых возможна только на глобальном рынке. У российских игроков на данный момент такие возможности ограничены, в том числе поэтому на данный момент российские фабы существенно отстают от азиатских или фабов условного Intel. РЦГЭ же изначально занимался микроэлектронными технологиями последнего поколения, и благодаря этому Россия пока что идет в ногу со временем, — указывает Алексей Гостомельский.

По мнению экспертов, одной из ключевых проблем отечественной электронной промышленности является необеспеченность кадрами — на это указывал каждый третий из опрошенных социологическим факультетом Финансовой академии участников прошедшей в Москве выставки ExpoElectronica-2022. Однако сфера печатной электроники кадрами уже обеспечена. Мировое развитие печатной электроники находится на стадии формирования: проводится научный поиск, разрабатываются прототипы устройств и производятся мелкосерийные партии. У нас есть возможность стать одним из лидеров в данном направлении, — уверен Роман Коняшкин.

Недавно в Московском политехе открылась магистратура по печатной электронике (специальность 29.04.03 «Технология полиграфического и упаковочного производства. Полиграфические технологии в нано- и микроэлектронике»). Всего на данный момент прошло два набора: в 2020 и 2022 годах, каждый выпуск — 15 специалистов. Бывшие студенты, а ныне инженеры-технологи работают на предприятиях, изготавливающих упаковку, в том числе с маркировкой «Честный знак», в компаниях — дистрибьюторах расходных материалов для полиграфической и упаковочной промышленности, становятся научными сотрудниками различных институтов и организаций.

Предполагается, что система защиты продукции от контрафакта «Честный знак» к 2024 году охватит все отрасли промышленности — от сигарет и лекарств до одежды и детского питания. Пока маркируются отдельные категории товаров: шубы, духи, бутилированная вода, пиво, молочная продукция, сигареты и некоторые другие. Если в качестве маркировки использовать обычный QR-код, то его несложно подделать: сделать копию и переклеить, — говорит Олег Лысак. По его словам, в будущем дорогостоящую продукцию и лекарства гораздо надежнее маркировать RFID-метками на базе гибкой электроники. Такие метки могут стоить от трех до десяти рублей за штуку, с дальнейшим снижением цены до одного рубля и менее при масштабировании для маркировки товаров массового спроса.

В перспективе RFID-метки можно использовать в ретейле. Например, Amazon предлагал создать магазины без кассиров и охранников: посетители брали бы здесь продукты и товары с RFID-метками и проходили с ними через специальный турникет, который способен автоматически считывать коды, суммировать и снимать деньги с карты покупателя. Авторизация в магазине может происходить с помощью системы NFC мобильного телефона (оплата телефоном на кассе — широко известная операция в супермаркетах).

По словам Ирины Нагорновой, директора Полиграфического института Московского политехнического университета, программа магистратуры Московского политеха по печатной электронике готовит специалистов по производству печатных сенсоров, изделий in-mold и гибкой электроники и фотоники, умной упаковки с применением полиграфических технологий. Обучение проводится с использованием высокотехнологичного научного оборудования и с привлечением специалистов из отрасли. Основными партнерами по программе являются НИИ Гознака, «Упаковочные системы», зеленоградская ЭЛТА.

В России, по данным Нагорновой, печатной электроникой в части промышленного изготовления тест-полосок глюкометров занимается ЭЛТА, продукцию с применением таких технологий выпускает компания «Данафлекс Нано» (Татарстан). В этом же направлении работают Санкт-Петербургская образцовая типография и татарстанская «Тасма», которая после окончания эры пленочной фотографии выпускает пленки различного назначения.

Олег Чурилов, руководитель департамента развития технологического предпринимательства и трансфера технологий Минобрнауки России, отметил, что к обеспечению кадрами электронной промышленности постепенно привлекаются и российские инженерные гиганты: в феврале 2023 года Минобрнауки сформировало новый проект «Развитие кадров и научного фундамента электронной промышленности», куда вошли МФТИ, МИСиС, МИФИ и МИЭТ.
 
Источник: журнал «Экспрет»

Этот сайт использует куки для улучшения производительности сайта. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к нашей Политике конфиденциальности.

Я согласен