Последние десять лет мир переживает бум развития органической и печатной электроники, которая постепенно начинает отыгрывать первые рубежи у классической неорганической (кремниевой) электроники. Никогда ещё такими быстрыми темпами не сокращался временной промежуток между фундаментальными исследованиями и их практическим применением. Уже появились серийные производства новых изделий и прототипы гибких и лёгких, тонких и недорогих органических электронных устройств. Сотни компаний и научно-исследовательских институтов участвуют в гонке за новый рынок, который, по расчётам, достигнет объёмов в 35 миллиардов долларов в 2015 году и через десять лет на порядок увеличится. Что происходит в России в области органической и печатной электроники?

Гибкие приборы

История этого научного направления началась в 1977 году, когда химики Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидэки Сиракава опубликовали свои исследования, где показали, что модифицированный галогенами полиацетилен может проводить электрический ток почти как металл. Это открытие и другие фундаментальные исследования в области органических полимеров способствовали развитию органической электроники, которая комбинирует разработки в физике твёрдого тела и молекулярной физике, органической и неорганической химии и наук о материалах, электронике и печатном деле.

В 2000 году основатели прорывного направления получили Нобелевскую премию по химии «За открытие проводимости в полимерах».

Органическая и печатная электроника – это новая технология, которая позволит выпускать тонкие и гибкие устройства, например с помощью недорогого рулонного производства (roll-to-roll-процесса). Электронные приборы и их компоненты можно печатать на принтере, если в качестве чернил использовать материалы с углеродными соединениями. Так можно производить всю линейку электрических и электронных компонентов микросхем – от транзисторов, памяти и батарей до процессоров, датчиков и дисплеев, когда светоизлучающие полимеры печатаются на пластмассовых, металлических или бумажных плёнках. Это «умная» упаковка, освещение на органических светодиодах – OLED (organic light-emitting diode), дешёвые электронные метки радиочастотной идентификации RFID (radio frequency identification), скручиваемые в рулон дисплеи, гибкие солнечные батареи, одноразовые приборы для диагностики и новые игрушки, гибкие сенсорные экраны, печатные батареи, транзисторы и устройства памяти. Плюсы и минусы органических гаджетов

Органическая электроника имеет неоспоримые преимущества перед неорганической, которая постепенно подходит к своим физическим пределам. Это низкая стоимость в перспективе, недорогое экологичное производство (печатные технологии) органических элементов, их универсальные качества – маленький вес, гибкость, прозрачность, длительный срок хранения и надёжность, возможность печатать многие компоненты электронных устройств «в одном флаконе».

При этом не надо использовать затратные вакуумные процессы, стоимость оборудования в десятки раз ниже, чем в микроэлектронном производстве. Основное преимущество органической электроники в том, что на рулоне струйным принтером, гравюрной печатью или другим способом наносятся все компоненты, причём скорость движения рулона может достигать 10 метров в минуту. А это говорит о высокой производительности и низкой себестоимости.

Можно быстро и дёшево реализовать любую схемотехническую идею, сначала выполнив её на компьютере, а потом распечатать на подложке. Стоимость таких производств по сравнению с производствами кремниевой электроники на порядок ниже.

«Почему печатные технологии нам интересны? Это потенциал взрывного роста, особенно в пяти-шестилетней перспективе. … Мы считаем эту область перспективной для венчурных инвестиций, хотя она, по моей оценке, находится на том уровне, который кремниевая электроника достигла 40–50 лет назад», – заявил на IV Международном форуме по нанотехнологиям Rusnanotex Георгий Колпачев, управляющий директор «Роснано».

С другой стороны, производство малых партий очень дорого, невероятно затратными оказываются изменения производства и дизайна, эффективность работы и срок жизни некоторых изделий остаются недостаточно высокими, да и исследованиям в области органической электроники необходимы всё большие вложения.

Опрошенные эксперты сходятся во мнении: предстоит немало потрудиться, чтобы справиться с проблемами, которые сегодня мешают запустить «органические гаджеты» в массовое производство.

«Огромный прогресс пластиковой электроники, который мы наблюдаем сегодня, на мой взгляд, в основном остаётся в сфере фундаментальных исследований, а отставание от неорганической электроники пока не уменьшается. Но даже в фундаментальной области учёным предстоит решить исключительно важные проблемы, связанные с поиском новых материалов – бездефектных полимеров. И это несмотря на все усилия, предпринимаемые человечеством, свидетельство которых – несколько последних премий по физике и химии, связанных с исследованиями в этой области», – считает Валерий Кобрянский, ведущий сотрудник ФИАН, доктор химических наук.

Органические светодиоды

Чтобы выделить приоритетные направления развития новой отрасли, которые находятся на разных стадиях развития, – от фундаментальных исследований до серийного производства, и обозначить главные проблемы, участники отрасли составляют так называемые дорожные карты. Свою дорожную карту для органической и печатной электроники в июне 2011 года на конференции во Франкфурте представила OE-A (Ассоциация органической электроники). Это международная рабочая группа, которая объединяет деятельность более 180-ти производящих компаний и научно-исследовательских институтов из 29 стран Европы, Северной Америки, Азии и Австралии в органической и печатной электронике. Согласно этой дорожной карте, OLED-дисплеи и освещение представляют собой прорывное направление.

Рис. 1. Органические светодиоды (OLED) фирмы BASF.

OLED – органические светодиоды, в которых в качестве излучающего слоя используют органический полимер. Последние десять лет органические светодиоды производят в массовом порядке и встраивают в мобильные телефоны, навигаторы, светильники. Уникальные свойства этих светодиодов ещё не научились эффективно использовать: низкую стоимость при использовании методов печати, возможность создавать светящиеся панели большой площади с высоким качеством изображения, а также сверхтонкие, гибкие и прозрачные экраны и источники освещения (в том числе с использованием гибридных материалов). Поэтому захват рынка органическими светодиодами произойдёт не раньше чем через 5–10 лет.

По оценкам экспертов OE-A, к 2014 году компании начнут производить сворачиваемые в рулон цветные дисплеи, OLED-телевизоры, на рынке появится декоративное освещение, к 2019-му – электронные обои и гибкие осветительные элементы, а после 2020 года органические светодиоды проникнут во все технологии освещения, появятся OLED- телевизоры в рулонах.

Однако до того как начнут сбываться предсказания экспертов, предстоит разобраться с серьёзными проблемами OLED. Сегодня им не хватает яркости, у них недостаточное время непрерывной работы (должно быть не менее 15 тысяч часов); налицо быстрое старение под влиянием кислорода и влаги, причём разные цвета деградируют с разной скоростью (проблема «синего цвета»), и высокая стоимость из-за использования в качестве анода дорогого оксида с индием и оловом (ITO). Согласно дорожной карте «Роснано» («Использование нанотехнологий в производстве светодиодов», 2010), перспективными для применения светодиодов считаются следующие направления: мобильные электронные устройства, дисплеи больших размеров, электронно-бытовые и промышленные устройства, сигнальные устройства, транспортные средства, наружная архитектурная и декоративная подсветка и освещение. Особое внимание уделяется применению светодиодов для освещения. В это направление Россия планирует вложить большие средства: к 2015 году они составят около 20 миллионов долларов (для сравнения – в мировом масштабе в освещение на OLED вкладывают миллиард долларов), к 2020 году – в пять раз больше (а в мировом масштабе вложения составят два миллиарда долларов). Правда, это – самый оптимистичный сценарий развития событий при должном уровне поддержки со стороны государства и своевременном решении нормативных вопросов.

Рис. 2. Lumiblade Living Shapes – это самая большая в мире инсталляция из органических светодиодов, которая состоит из 72 OLED-панелей, вмещающих 1152 органических светодиода.

«В нашей стране в основном развиваются такие направления органической электроники, как освещение, дисплеи и солнечные батареи. И я абсолютно убеждён, что это вопрос времени и больших денег, когда они займут свою нишу, а существующие дисплеи будут заменены OLED», – говорит Алексей Витухновский, заведующий Отделом люминесценции им. С. И. Вавилова ФИАН, председатель научного совета по люминесценции РАН, доктор физико-математических наук.

Тем не менее, рассказывает учёный, в нашей стране органическими светодиодами и материалами для них занимаются разрозненные группы: в ФИАНе, в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе, в Институте физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина, Институте проблем химической физики, Институте синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова, Центре фотохимии. Прототипы органических светодиодов создаёт ОАО ЦНИИ «Циклон» – они закупили южно-корейскую пилотную линию.

Хотя нам известны принципы работы органических светодиодов, многое остаётся неясным, и, самое главное, основные показатели работы пока невысоки. Так, одна из главных характеристик их эффективности – внешний квантовый выход – доходит до 20–22 процентов, а важный энергетический показатель – светоотдача – 50 Лм/Вт.

Между тем, американские и европейские производители собираются выпускать OLED в 100 Лм/Вт уже в 2015 году. Главные игроки на этом рынке в Европе, компании BASF, OSRAM Opto Semiconductors, Philips и AIXTRON, финансируемые немецким Министерством образования и науки, объединили свои усилия в структуре «TOPAS-2012», чтобы разработать новые материалы и рулонные технологии для производства светодиодов, в основном для нужд освещения.

Очень активны в этой области Samsung, NOVALED и американские компании, например Applied materials и General Electric. Все производители демонстрируют неплохие опытные образцы, но до массового производства коммерчески успешных органических светодиодов пока не дошло.

Рис. 3. Телевизор компании Samsung с прозрачным OLED-экраном.

«Если сейчас вложить большие средства в эту отрасль, то совместными усилиями можно сделать мощный рывок, улучшив показатели светодиодов, – считает Витухновский. – Пять лет мы сотрудничали с ОАО “ЦНИТИ Техномаш” в рамках госконтракта, который перешёл в ОКР, по разработке светоизлучающих устройств для освещения. Теперь мы планируем подписать с ними очередной договор по разработке перспективных “roll-to-roll”-технологий для производства светодиодов».

Как продлить «жизнь» светодиодам?

«Глобальная проблема во всей полимерной электронике – стабильная работа. Чтобы предотвратить деградацию материала, сегодня используют разные возможности. Например, самый надёжный способ – это капсуляция, другой – использование специальных добавок – ингибиторов, замедляющих процесс окисления, или веществ, которые “подсасывают” кислород и воздух, не позволяют влаге накапливаться внутри устройства (как силикагель)», – объясняет Дмитрий Годовский, кандидат физико-математических наук, ведущий инженер и руководитель химического отдела LG Technology Center of Moscow.

Рис. 4. Цвет материала можно менять, используя квантовые точки разного размера.

«Чтобы стало понятно, насколько это исключительно трудная задача, я на лекциях для студентов привожу такую аналогию: представьте, что футбольное поле залито слоем воды, и ваша задача закапсулировать его таким образом, чтобы за день в грунт не просочилась ни одна капля, – рассказывает Витухновский. – Но частично она уже решена, и лучшим капсулятором считается оптический сапфир, нанесённый в виде плёнок послойно. Сейчас мы ведём переговоры о покупке современной финской технологии капсулирования с нанесением барьерного слоя, чтобы изготавливать опытные образцы. Другая возможность получить более стойкие светодиоды – использовать гибридные материалы. Ещё одно направление в нашем отделе мы развиваем вместе с партнёрами с факультета наук о материалах МГУ (группа Романа Васильева): мы получили грант от Министерства образования и науки РФ на разработку OLED с использованием неорганических квантовых точек. Наши коллеги с ФНМ разработали технологию получения нанокристаллов методами коллоидной химии. Меняя размер квантовых точек-нанокристаллов (2, 4, 6 нанометров в диаметре), можно получить разные свойства материалов (так называемый квантоворазмерный эффект), у 2-нанометрового кристалла синее излучение, большой энергетический зазор, у 4 – зелёное, у 6 – красное. То есть можно получить разные цвета в одном материале, а не использовать разные люминофоры. Соответственно, чтобы получить белый свет, нанокристаллы надо смешать в нужной пропорции. Мы сделали теоретическую часть работы и потратили немало времени на создание такой технологии, у нас есть квантовые точки, успешно проведены первые проверки, пока всё идёт неплохо».

Продолжение следует.