В истории отношений Роснано с технологиями гибкой электроники, начавшимися в 2011 году, в марте 2020 года произошло важное событие – в троицком «ТехноСпарке» заработал Российский центр гибкой электроники (РЦГЭ), который позиционируется как контрактный поставщик тонкопленочных TFT-матриц и гибких интегральных микросхем для инновационной высокотехнологичной продукции.
Глава «Роснано» Анатолий Чубайс, мэр Москвы Сергей Собянин и директор Группы «ТехноСпарк» Денис Ковалевич открыли Российский центр гибкой электроники
Запуск нового электронного производства прошел 10 марта в торжественной обстановке: символическую красную ленточку перерезали совместно глава РОСНАНО Анатолий Чубайс и мэр Москвы Сергей Собянин. По их оценкам, появление РЦГЭ означает, что Россия поднимается на принципиально новую ступень в развитии отечественной микроэлектроники: создано отечественное контрактное производство микроэлектронных изделий, и оно становится фундаментом для становления нового сегмента рынка.
«Сегодня мы открываем здесь суперсовременное производство – Российский центр гибкой электроники, продукция которого найдет применение в десятках различных областей: от бытовых приборов до сложнейшей медицинской техники. Правительство Москвы предоставило субсидию на приобретение оборудования для этого производства,
отметил в ходе церемонии открытия нового производства мэр Москвы Сергей Собянин»
Важно сказать, что в отношении данного сегмента электронной промышленности Россия находится на уровне глобальных лидеров – история гибкой электроники во всем мире набирает обороты. Поэтому, как подчеркивают инициаторы проекта, речь идет не только о локальном, но и глобальном рынке сбыта продукции РЦГЭ. Именно такие задачи поставил перед центром основной инвестор проекта — Фонд инфраструктурных и образовательных программ Группы РОСНАНО.
«Гибкая электроника – это глобальный тренд и динамично растущий рынок, который, согласно исследованию международных экспертов, в ближайшее десятилетие превысит 70 млрд. долл. в год. Развитием гибкой электроники занимаются сегодня ведущие технологические державы мира. И благодаря совместному проекту Группы РОСНАНО и Правительства Москвы по созданию РЦГЭ наша страна сегодня вошла в этот клуб. Наша задача - развивать страновые технологические и инженерные, а на следующем шаге и научные компетенции в этой области и интегрироваться в глобальную цепочку поставок. Мы ясно видим рождающийся спрос, за которым к нам уже приходят, и уверены, что сможем создать продукт не только для российского, но и для мирового рынка,
подчеркнул, выступая на церемонии открытия РЦГЭ председатель правления УК «РОСНАНО» Анатолий Чубайс»
«ТехноСпарк» занимается только материальными технологиями, отметил генеральный директор Группы «ТехноСпарк» Денис Ковалевич: солнечные элементы, логистические роботы, 3D-печатные эндопротезы, медицинская техника.
«Мы занимаемся формированием производственных цепочек для рынка высоких технологий, и Российский центр гибкой электроники — первый стартап «ТехноСпарка», ставший заводом,
подчеркнул Денис Ковалевич»
TAdviser побывал на новом производстве и узнал технологические и бизнес-подробности амбициозного проекта.
Гибкая электроника – молодой горячий рынок
Идея придать гибкость печатным платам возникла давно, соответствующие исследования идут с 70-х годов прошлого века. Но для этого нужно было уйти от классических кремниевых компонентов. Точкой перелома стал 2000 год – тогда группа университетских ученых (Пенсильванский университет, Калифорнийский университет и Университет Цукубы в Японии) получила Нобелевскую премию по химии за то, что им впервые удалось превратить пластмассу в электрический проводник. Это открытие и результаты других исследований в области электрических свойств органических материалов открыли путь к новой электронике, основанной на органических материалах. Соответствующий рынок печатной, гибкой и органической электроники, согласно исследованию IDTechEx «Printed, Organic & Flexible Electronics Forecasts, Players & Opportunities 2020-2030», вырастет с 41,2 млрд долл. в 2020 г. до 74 млрд долл. в 2030 г.
Настоящий бум гибкой электроники, который начался в конце «нулевых», связан с тем, что ГЭ рассматривается инвесторами отнюдь не как нишевое направление разработок. Более того, специалисты всерьез обсуждают гибкую электронику как конкурента и даже альтернативу интегральной полупроводниковой (твердой) электронике.
Защита бренда – большой рынок гибкой электроники
Действительно, производственные процессы ГЭ во многом повторяют кремниевого «родственника». Отличие заключается в том, что тонкопленочное направление интегральной электроники основано на последовательном наращивании пленок различных материалов на общем основании (подложке) с одновременным формированием из этих пленок микродеталей (резисторов, конденсаторов, контактных площадок и др.) и внутрисхемных соединений. Иными словами, у полупроводниковой ИС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника, а у пленочной ИС - в виде тонких пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки.
Самым большим достоинством тонкопленочной технологии является ее гибкость, то есть возможность выбора материалов с оптимальными параметрами и характеристиками для того, чтобы получить фактически любую требуемую конфигурацию и параметры пассивных элементов. При этом допуски, с которыми выдерживаются отдельные параметры элементов, могут быть доведены до 1—2%. Это достоинство особенно эффективно проявляется в тех случаях, когда точное значение номиналов и стабильность параметров пассивных компонентов имеют решающее значение, например, при изготовлении линейных схем, резистивных и резистивно-емкостных схем и т.д.
Таким образом, тонкопленочные резисторы имеют низкие паразитные параметры, низкий уровень электрических шумов и хорошие рабочие характеристики на высоких частотах. Все это позволяет использовать эти резисторы в компьютерных системах (принтеры, материнские платы ПК, серверы, сканеры), промышленном электрооборудовании (конверторы, испытательное и измерительное оборудование), бытовой технике (аудиоусилители, тюнеры, жидкокристаллические дисплеи), автомобильной электронике (в системах управления двигателем, в гибких дисплейных панелях) и т.д.
Еще один важнейший момент выгодно отличает тонкопленочную технологию от полупроводниковой: низкая стоимость при высоком проценте выхода годных микросхем, меньшие затраты времени на их изготовление, широкая номенклатура номинальных значений резисторов и конденсаторов с жесткостью полей допусков.
Таким образом, на основе технологий ГЭ можно производить широчайший спектр конечных устройств, а сами производственные процессы при этом оказываются гораздо проще и дешевле, чем в случае кремниевой 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. Все это дает возможность радикально снизить стоимость конечной продукции по сравнению с традиционными технологиями электроники. По оценкам экспертов в области тонкопленочной электронике, себестоимость производства гибкого чипа — 1 цент, что почти в 20 тыс. раз дешевле кремниевых транзисторов.
Кроме того, использование материалов гибкой электроники позволяет не только снизить стоимость одного устройства, но также производить устройства большой площади, снизив при этом стоимость единицы площади. В частности, это играет большую роль в производстве дисплеев и сенсорных интерфейсов. Механические свойства — гибкость, растяжимость — имеют решающее значение для использования электронных блоков там, где невозможно применение кремниевой электроники, например, их можно вшивать в ткань, вклеивать в лист бумаги, встраивать практически в любые предметы.
Продуктовые перспективы гибкой электроники
Все последнее десятилетие индустрия экспериментирует с возможными применениями ГЭ. Бельгийская компания IMEC, мировой лидер в инженерных разработках в сфере ГЭ, еще в 2011 г. создала первый микропроцессор из пластика. Завсегдатаями выставок электроники стали электронные гаджеты с гибкими экранами и всяческие «умные браслеты» для определения артериального давления, пульса и температуры тела.
«Сминаемая» и гибкая электронная продукция, разработанная в университете Токио
Гибкая электроника, разработанная IMEC
Первые гибкие смартфоны на рынке
Например, браслет, разработанный компанией FlexEnable, оснащен несколькими дисплеями, которые могут, в том числе, показывать видеоролики или служить дорожными навигаторами, а толщина браслета составляет менее полутора сантиметров.
Гибкие сверхтонкие радиометки предназначены для маркировки любых товаров и грузов, например, товаров в супермаркете. С ними, чтобы «пробить» чек на все продукты, достаточно прокатить корзину покупателя мимо считывателя, кассиры становятся не нужны.
Интеллектуальная упаковка способна хранить и собирать информацию, например, о пищевых продуктах, следить за условиями их хранения, определять уровень свежести и отображать эти данные на своей поверхности.
Упаковка продуктов с датчиком температуры и дисплеем
Упаковка продуктов, критичных к срокам хранения
Компания Google продемонстрировала «умную» контактную линзу, которая снабжена сенсором глюкозы и измеряет уровень сахара в крови. Производятся пластыри, которые могут следить за заживлением раны и контролировать микрофлору на коже.
Тонкопленочный сенсор
Есть лабораторные разработки систем на основе гибкой электроники для отслеживания приступов эпилепсии. В случае необходимости они могут вводить пациенту специальные лекарства. На основе гибкой электроники создаются нейроинтерфейсы для отслеживания активности головного мозга, восстановления двигательных функций с помощью стимуляции спинного мозга, восстановления зрения.
Очень интересное применение гибких сенсоров - электронная кожа (e-skin), то есть гибкие, сгибаемые и даже растягиваемые электронные схемы, которые можно размещать непосредственно на коже и снимать данные, например, давления и температуры.
«Безчиповый» счетчик: логика реализована на тонкопленочной технологии
Умный медицинский пластырь
На основе материалов гибкой электроники создаются сенсоры температуры, состава газов, влажности, давления размером со спичечную головку, фотосенсоры для детекции изображения, оптические сенсоры для применения в пульсометрах, а также сканеры отпечатков пальцев, встроенные, например, в пластиковые карты.
Отдельное большое направление – экраны на органических светодиодах. Например, компания Cambridge Display Technologies (CDT) разработала светодиоды, основанные на полиэлектролитах (PLED, подгруппа органических светодиодов OLED), которые могут быть нанесены на пригодную к формовке и даже гибкую основу, в частности, листы ПЭТ.
Сканер отпечатков пальцев
Еще одно важное направление применения ГЭ – современные вооружения. Например, в США по инициативе министерства обороны в 2015 г. создано специальное партнерство по разработке гибких электронных компонентов – тонких сенсорных экранов-датчиков, которые оборачиваются вокруг руки или крыльев летательных аппаратов. В разработки FlexTech Alliance, государственного консорциума с участием частного капитала, до 2020 г. предполагалось вложить 75 млн долл. через исследовательскую лабораторию ВВС США. Еще 90 млн долл. должны были инвестировать 96 частных компаний, включая Apple и Lockheed Martin, 11 лабораторий и университетов, а также другие местные и региональные правительственные партнеры.
По данным Display Supply Chain Consultants (DSCC), в 2019 году объем продаж гибких складывающихся (foldable) дисплеев составил 0,36 млн экранов, а в 2023 году достигнет 69 млн экранов, из которых 77% придется на экраны для смартфонов, 13% - экраны для планшетов и 10% - экраны для ноутбуков.
Гибкая электронная продукция, способная легко встраиваться в разные материалы, открывает фантастические перспективы и принципиально новые рынки «умной» продукции. Однако мир находится в самом начале этого пути, и нужно отдавать себе отчет, что большинство потрясающих воображение новинок на выставочных стендах являются лабораторными прототипами. Массовое производство продукции ГЭ создается сегодня на наших глазах. В том числе, в России – в РЦГЭ, расположенном в Троицком наноцентре.
Гибкие дисплеи для салона автомобиля
Гибкая электронная продукция, способная легко встраиваться в разные материалы, открывает фантастические перспективы и принципиально новые рынки «умной» продукции. Однако мир находится в самом начале этого пути, и нужно отдавать себе отчет, что большинство потрясающих воображение новинок на выставочных стендах являются лабораторными прототипами. Массовое производство продукции ГЭ создается сегодня на наших глазах. В том числе, в России – в РЦГЭ, расположенном в Троицком наноцентре.
Трансформация жесткой структуры электронных компонентов в гибкую с помощью стандартных прямоугольных «функциональных островов»
Часть 1 Часть 2
Journal information