Умное стекло на гибкой подложке

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 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.

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», — считает Олег Лысак, генеральный директор группы компаний «ТехноСпарк».

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, 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 4 млрд 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 становится прозрачным 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», — говорит 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.