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).
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.
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.
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 «Эксперт»
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 «Эксперт»