РЦГЭ

Производство отечественных гибких морозостойких EPD-дисплеев

С начала текущего года проблема импортозамещения электронных компонентов в области радиоэлектроники и приборостроения стремительно выдвинулась на передний план, став одной из первоочередных и неотложных задач российского внутреннего рынка.
Алексей Гостомельский, Александра Охапкина, Сергей Каргапольцев
Решением вопроса по переходу на отечественные дисплеи может стать активное развитие производственной линии в «Техноспарке» (г.о. Троицк, г. Москва), куда уже перенесена и масштабирована технология изготовления электрофоретических (EPD) экранов на пластиковой подложке. Помимо импортозамещения в части EPD-дисплеев, Российский центр гибкой электроники (РЦГЭ) нацелен на импортоопережение по ряду продуктовых доменов, таких как гибкие сенсоры, микросхемы гибкой энергонезависимой памяти, тонкие радиочастотные и оптические идентификационные метки, миниатюрные харвестеры энергии, микрофлюидные сенсоры и другие инновационные электронные компоненты. В основе проектирования и производства данных направлений лежит технология тонкопленочной пластиковой электроники — одна из наиболее динамично растущих технологических сфер в мире (рис. 1). Важнейшим компонентом любого дисплея на пластиковой электронике является матрица из тонкопленочных транзисторов (TFT), по структуре схожая с обычной кремниевой микросхемой, но сформированная на гибкой подложке (рис. 2). В отличие от стандартной кремниевой электроники температура обработки материалов существенно ниже (не превышает +100 °C для технологии органических полупроводников), что позволяет использовать недорогую полиэтиленовую пленку в качестве подложки, а также кратно сокращает потребление энергии и повышает экологичность производства. Изделия пластиковой электроники особенно высококонкурентны в сегментах, где важны тонкость, легкость и ударостойкость. Малый вес и толщина достигаются за счет отсутствия стекла и кремния, гибкость и ударостойкость — за счет применения технологии обработки полупроводниковых материалов пластиковой электроники. И те и другие механические свойства позволяют создавать принципиально новые типы устройств и рынков благодаря легкости интеграции в прикладные применения, недоступные при использовании кремниевой электроники, а также благодаря новым форм-факторам. Прежде всего это имеет отношение к производству дисплеев и сенсоров. Самым активным сегментом рынка гибкой электроники являются дисплеи, так как демонстрируют наиболее высокую динамику роста. Мы подразделяем данный рынок на четыре продукта:
• LCD (Liquid Crystal Displays);
• OLED (Оrganic light-emitting diode);
• EPD (Electronic Paper Displays/e-paper), или ЭФД — электрофоретические дисплеи/ «электронная бумага» (рис. 3);
•Microfluidic-based Displays — микрофлюидные дисплеи.
«Электронная бумага» — цифровая технология, которая имитирует печать на настоящей бумаге. Такие экраны требуют намного меньше энергии, чем LCD и OLED, и позволяют читать текст даже при прямых солнечных лучах. Поэтому историческим предметом применения e-paper являются электронные книги (ридеры), а основными драйверами прогресса служат развитие технологий «умных городов» («умный транспорт», «умные школы», «умные больницы» и др.); «интернета вещей» и носимой электроники (рис. 4). Ярким примером масштабного использования EPD-экранов служат электронные ценники (рис. 5).
В России тенденция перехода на электронные ценники активизировалась в сфере цифрового и продуктового ретейла. В последнем случае существует дополнительный запрос на электрофоретические экраны, способные работать в условиях низких температур для применения в морозильных камерах. Впервые технология «электронной бумаги», способная выдерживать условия морозильной камеры и стабильно функционировать при отрицательных температурах, была продемонстрирована на выставке Display Week в Ванкувере. До этого времени распространенным способом поддержания рабочей температуры было применение системы обогрева, что значительно ограничивало формфактор, увеличивало толщину, вес и энергопотребление устройства. В настоящее время в РЦГЭ открыт НИОКР на разработку прототипа морозостойкого тонкого и гибкого электрофоретического дисплея, в основе которого лежит использование морозостойких «электронных чернил» в интеграции с гибкой транзисторной матрицей на органических или металл-оксидных полупроводниках (рис. 6).
TFT-матрица управляет визуальной частью дисплея. Встроенный дисплейный контроллер и интеграционная схема драйвера источника и затвора расположены на пластиковой подложке. При подключении к графическому контроллеру на дисплее появляется буквенно-цифровая и графическая информация. Прогнозируется, что разрабатываемый продукт будет обеспечивать четкое и хорошо различимое изображение без видимых дефектов и артефактов и будет устойчивым к синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1–500 Гц с амплитудой ускорения (10g), а также к воздействию солнечного излучения. Работы по созданию полностью российского прототипа данного вида дисплея частично проводятся на средства гранта Фонда содействия инновациям и запланированы на 2022–2023 гг. На текущем этапе разработана и зарегистрирована топология тонкопленочной транзисторной матрицы размером 2,5″ на основе органического полупроводника (рис. 7), готовится к подаче заявка на патент на изобретение
В разработанной топологии TFT заложено оптимальное отношение ширины и длины канала полевого тонкопленочного транзистора, а также оптимальная конфигурация его электродов, которая позволит компенсировать изменение подвижности основных носителей зарядов в отрицательном диапазоне температур. Зависимость подвижности основных носителей заряда от температуры имеет фундаментальный характер. В случае тонкопленочных транзисторов, изготовленных по технологии формирования аморфных полупроводников, уменьшение температуры ведет к существенному снижению подвижности основных зарядов — подвижность может меняться в пределах 1,5–0,3 см2 /В·с при изменении температуры в диапазонне 0…–60 °C. В свою очередь это влечет снижение максимально возможного тока, протекающего через канал транзистора. Уменьшение максимального тока ограничивает возможности транзистора по быстрому заряду и разряду конденсатора каждого пикселя панели тонкопленочных транзисторов. Окончание производства прототипа и всесторонние испытания изделия назначены на первый квартал 2023 года. Ожидаемые технические характеристики представлены в таблице.
Основные циклы технологических процессов и операций для реализации проекта можно условно разделить на четыре основные группы:
• разработка дизайна TFT-матрицы (софт: Layout Editor, Cadence);
• производство TFT-матрицы (оборудование фронт-энд);
• сборка компонентов дисплеев (оборудование бэк-энд);
• настройка управляющих форм сигналов (установка WFT — Wave Form Turning).
Упрощенная схема изготовления транзисторной матрицы выглядит следующим образом:
• подготовка подложки;
• формирование областей стока-истока;
• формирование затвора;
• формирование пиксельного электрода
Такая же технология применима и для других типоразмеров дисплеев, с активной областью информационного поля от 1 дюйма. Максимальный размер экрана при этом ограничен габаритами используемой подложки 370х 470 мм.

Результатом реализации проекта станет гибкий, морозостойкий EPD-дисплей, обладающий следующими преимуществами:
• минимальные массогабаритные характеристики;
• нижняя граница температуры: эксплуатации –25 °C, хранения –60 °C;
• высокая ударостойкость (выдерживают ударное ускорение 10g);
• сохранение изображения после физического повреждения;
• сохранение изображения при аварийном отключении электропитания, а также при понижении температуры до –60 °C;
• сверхнизкое энергопотребление;
• радиус гибкости: 30 мм; возможность придать изделию изогнутый форм-фактор;
• отсутствие бликов, идеален для чтения при ярком свете;
• отсутствие теплового и электромагнитного излучения (невозможно обнаружить в темное время суток приборами ночного видения);
• угол обзора при уверенном считывании информации: более 175°;
• интеграция с различными видами сенсорного управления и подсветкой.
Учитывая данные преимущества, планомерно увеличивая выпуск годных и диверсифицируя линейку типоразмеров, планируется достичь основной цели проекта — развития российского рынка электрофоретических гибких дисплеев. В этом процессе РЦГЭ способен сыграть ключевую роль в качестве исполнителя заказных ОКР и контрактного производителя электронных компонентов нового поколения на основе пластиковой электроники (рис. 8).